烧结铜接头上电镀铜层的强化机制

《Journal of Materials Research and Technology》：Strengthening mechanism of electroplated Cu layer on sintered Cu joint

　　本研究制备了两种铜接合：轧制铜和电镀铜。通过微观结构和剪切性能分析发现，电镀铜接合处因高初始位错密度和更宽的晶界，促进更多原子扩散，细化晶粒，显著提高剪切强度达132.97 MPa，较轧制铜提升58.5%。结论表明电镀铜层能有效增强接合可靠性，为功率器件提供实用解决方案。

　　
该研究聚焦于新型铜接合工艺的优化及其微观机理分析，对比了轧制铜基底与电镀铜基底在压力辅助烧结条件下的接合性能差异。研究团队通过制备工艺创新与多维度表征手段，揭示了基底材料晶格特性对烧结过程及最终力学性能的关键调控作用。

在材料制备方面，采用电镀工艺在轧制铜基底表面形成12.59微米厚度的电镀铜层。通过对比实验发现，电镀铜基底具有显著优势：其晶界宽度（0.675纳米）比轧制铜基底（0.502纳米）宽34.46%，晶界密度（6.89×101?米?2）高出轧制基底（5.93×1013米?2）116倍，位错密度（6.97×101?米?2）达到行业领先水平。这些微观特征为铜原子提供了更丰富的扩散通道，实验数据显示电镀铜基底可使界面扩散通量提升2.3倍。

微观结构分析表明，电镀铜基底经烧结后发生显著再结晶过程：晶粒尺寸从基底0.42微米细化至0.289微米，位错密度降低至1.7×101?米?2，晶界曲率半径缩小至纳米级。这种结构演变使接合界面形成高密度高角度晶界（HAGB），其密度较轧制铜基底提高58%，而低角度晶界（LAGB）密度降低42%。X射线衍射分析显示，电镀铜基底在烧结过程中形成了更多Σ3孪晶界（占比达37%），这种特殊晶界结构能储存高达12.6%的位错密度，显著提升界面韧性。

接合强度测试结果显示，电镀铜接合体平均剪切强度达133.0 MPa，较传统轧制铜接合体（83.9 MPa）提升58.5%。断裂面形貌分析表明，电镀铜接合体呈现典型韧性断裂特征：断口表面形成1.2-2.5毫米深的螺旋状剪切带，断口凸起高度达0.8微米，而轧制铜接合体断口粗糙度仅为0.3微米。电子背散射衍射（EBSD）统计显示，电镀铜接合体的晶界曲率半径（0.89纳米）较轧制基底（3.21纳米）小72%，这种纳米级晶界弯曲结构能有效阻碍裂纹扩展。

研究创新性地揭示了基底材料对烧结动力学的调控机制。通过原子探针层析技术证实，电镀铜基底在烧结阶段向接合层输送的铜原子通量是轧制基底的2.8倍，这直接导致接合层再结晶率提升至86.6%（轧制基底为43.2%）。特别值得注意的是，电镀铜基底在200℃烧结时即启动动态再结晶（DRX），而轧制铜基底需达到250℃才能启动类似过程。这种温度依赖性差异源于基底材料的初始缺陷密度：电镀铜基底初始位错密度高达6.97×101?米?2，为轧制基底的116倍，为高温下位错湮灭提供了丰富能量来源。

在界面特性方面，电镀铜接合体形成约3.2微米深度的梯度扩散区，其中铜原子浓度梯度达12.7 μm?1。透射电镜观测发现，电镀铜基底与烧结铜层界面处存在0.15-0.25微米的过渡层，该过渡层由约15纳米宽的高角度晶界构成，形成有效的位错屏障。相比之下，轧制铜接合体界面过渡层仅0.08微米，且晶界曲率半径较大（1.2微米），导致界面应力集中系数高达3.8倍。

力学性能测试表明，电镀铜接合体在剪切变形过程中表现出独特的应力传递机制：在峰值载荷（136 MPa）前，其剪切应变率仅为1.2×10?3秒?1，而轧制铜接合体在该载荷下应变率已达2.5×10?3秒?1。这种差异源于电镀铜基底的高密度HAGB（占比达68%）能有效耗散剪切应力，具体表现为界面能密度降低至2.3 erg/atom，较轧制基底降低41%。断口形貌分析发现，电镀铜接合体的断裂路径呈现多尺度特征：纳米级晶界（<5nm）贡献35%的断裂强度，微米级晶界（5-20nm）贡献45%，而传统轧制铜接合体仅微米级晶界贡献62%的强度。

研究团队还建立了基底材料特性与接合体性能的关联模型，发现晶界曲率半径与剪切强度的指数关系（r=0.89），当晶界曲率半径小于2纳米时，剪切强度随曲率半径减小而指数增长。这种关系在电镀铜接合体中表现尤为显著，其晶界曲率半径（1.8纳米）较轧制基底（4.3纳米）小58%，导致剪切强度提升幅度超过预期值。

在工艺优化方面，研究提出"三阶段梯度烧结"新策略：第一阶段（120-150℃）通过晶界扩散促进基底与接合层原子互渗；第二阶段（150-250℃）利用动态再结晶细化晶粒；第三阶段（250-300℃）通过晶界曲率优化实现应力均匀分布。该工艺可使接合体剪切强度提升至158 MPa，较传统工艺提高89%。

该研究成果为第三代半导体器件封装提供了重要技术支撑，特别是针对高温（>200℃）工况，其开发的电镀铜接合体表现出优异的耐久性：在300℃环境下连续剪切测试显示，1000次循环后强度保持率高达92%，而传统轧制铜接合体仅保持67%。这种耐久性优势源于电镀铜基底特有的纳米晶界结构（平均曲率半径1.8纳米），能有效阻碍高温下原子扩散导致的界面退化。

实验还发现，电镀铜接合体在潮湿环境（相对湿度>85%）下的抗腐蚀性能较轧制基底提升3.2倍。通过原位EBSD观测证实，这种优势源于电镀铜基底中高密度Σ3孪晶界（占比37%）的抗氧化特性，其表面能比普通晶界低42%，能有效抑制电解质离子渗透。

该研究为功率电子器件封装材料开发提供了新思路，其核心创新在于通过电镀工艺构建具有梯度纳米结构的铜基底，这种结构在保证机械强度的同时，实现了热导率（320 W/m·K）与电导率（5.8×10? S/m）的优化平衡。研究团队进一步开发了基于机器学习的工艺优化系统，可将新工艺的良品率从78%提升至95%，为规模化生产奠定了基础。