微納連接技術(shù)研究進(jìn)展

王 尚，田艷紅

（先進(jìn)焊接與連接國家重點實驗室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)），哈爾濱150001）

微納連接技術(shù)研究進(jìn)展

王 尚，田艷紅

（先進(jìn)焊接與連接國家重點實驗室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)），哈爾濱150001）

近年來，集成電路不斷向短小輕薄的高集成方向發(fā)展，推動著器件封裝尺寸不斷縮小，也使器件封裝結(jié)構(gòu)發(fā)生著改變.同時，作為信息革命的重要組成部分，集成電路技術(shù)往往涉及到多個領(lǐng)域的交叉和相互滲透，如微機(jī)電系統(tǒng)、精密儀表以及柔性器件等，而作為電子元器件封裝中的關(guān)鍵技術(shù)，微納連接技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)系到電子工業(yè)中新型封裝結(jié)構(gòu)的研發(fā)與技術(shù)革新.因此，集成電路中微納連接技術(shù)的發(fā)展也與多個技術(shù)領(lǐng)域密切相關(guān).本文針對電子組裝中微連接技術(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)，并闡述納米連接技術(shù)所取得的最新研究進(jìn)展.通過總結(jié)微納連接技術(shù)在不同互聯(lián)尺度下的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，明確了微納連接技術(shù)在電子工業(yè)領(lǐng)域中的重要作用，也為目前和未來的相關(guān)研究工作提供參考方向.

電子封裝；微連接；納連接；電子元器件；軟釬焊

微納連接技術(shù)在集成電路（IC）封裝、電子組裝、微電子機(jī)械系統(tǒng)制造（MEMS）、醫(yī)療器械制造、儀器儀表制造、精密機(jī)械制造、柔性電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用并發(fā)揮著關(guān)鍵的作用［1］.隨著微電子系統(tǒng)、MEMS、精密儀器及機(jī)械、電力電子及功率器件等向著更加微型化、多功能方向的發(fā)展，其對焊接過程中的溫度也越來越敏感［2］.尤其對于一些新出現(xiàn)的基板及涂層材料，如柔性材料、機(jī)物發(fā)光材料、鐵電材料以及有機(jī)物材料等也無法承受太高的溫度.這些特點使得傳統(tǒng)的軟釬焊技術(shù)無法適應(yīng).

為了適應(yīng)新的連接要求，目前有兩種途徑：一是降低鉛料熔點［3］；二是采用局部加熱的方法［4］.但是隨著研究理論的深入，納米連接的技術(shù)與相關(guān)理論得到了越來越多的關(guān)注.由于納米材料具有較高的表面能，使得其熔點遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于塊體材料，而當(dāng)實現(xiàn)連接融合后能得到與塊體材料相當(dāng)?shù)男阅?，通過復(fù)合制備技術(shù)還能夠得到各種性能的材料［5］，可以在兼容傳統(tǒng)再流焊工藝的同時降低釬料的熔點，且不影響焊點連接后的性能.因此，納米材料焊膏成為現(xiàn)階段研究的一個重點.但是，納米材料的連接過程與方法仍在開發(fā)階段.又因為近年來納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米連接技術(shù)也是當(dāng)前研究的熱點之一.納米連接技術(shù)及相關(guān)理論的研究變得十分重要［6］.

本文將針對電子器件組裝的激光軟釬焊技術(shù)、熔化微連接技術(shù)、功率器件及柔性電子器件中納米連接技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納和總結(jié).

1 微納連接技術(shù)

使用納米材料復(fù)合手段制備納米焊膏可以實現(xiàn)鉛料在低溫下連接高溫下使用.在降低連接溫度的同時實現(xiàn)高可靠性大規(guī)模連接，納米焊膏已成為電子封裝領(lǐng)域中主流研究方向.但是，如何將納米材料優(yōu)異的性能完全發(fā)揮出來仍然存在很多挑戰(zhàn).實現(xiàn)納米線、納米顆粒之間可靠的連接對封裝整體可靠性至關(guān)重要［7］.事實上，在納米連接過程中涉及到納米線的可控合成、操控、自組裝等其他的納米科技，并且連接技術(shù)與納米材料本身的熱性能、光性能和電性能密切相關(guān)，不同材料體系的連接方法也有所差異.根據(jù)連接原理的不同，目前的納米連接技術(shù)可以分為以下幾類：冷壓焊法，加熱法，超聲鍵合，釬焊法，電子束輻照，焦耳熱法，光/激光輻照法.

1.1 冷壓焊法

冷壓焊方法的基礎(chǔ)理論是，納米尺度下材料表面原子相互擴(kuò)散，從而實現(xiàn)納米線之間或者納米線和電極之間的互連，而且這一過程是自發(fā)的，不需要施加額外的能量［8－9］.冷壓焊連接方法是對納米材料尺寸效應(yīng)最直接的應(yīng)用.由于納米材料表面能較高，活性較強(qiáng)，在室溫或高真空環(huán)境下直接將2根金納米線對接或者側(cè)面搭接就能自發(fā)完成冷焊接［10］.當(dāng)連接完成后材料表面能下降，從而實現(xiàn)牢靠的接頭焊接.冷壓焊的方法可以應(yīng)用于多種材料體系，可控性強(qiáng)，而且冷壓焊法無需加熱處理，避免了對材料本身的損傷.但是這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)連接的顆粒或者納米線的尺寸需要小于10 nm［11］，因此研究還是以理論為主，未見有大規(guī)模應(yīng)用的報道.而且，由于連接尺度在納米量級，無法使用常規(guī)試驗與表征手段.目前，冷壓連接過程研究的主要方法為分子動力學(xué)模擬和透射顯微鏡下的原位研究［12］.雖然表征十分困難，冷壓焊方法對研究納米尺度下原子的擴(kuò)散行為，具有重要的作用，具有很高的學(xué)術(shù)研究價值，也是其他連接方法的理論基礎(chǔ).

1.2 加熱法

雖然直接利用納米材料的表面能作為驅(qū)動力進(jìn)行連接十分困難，但是由于尺寸效應(yīng)，納米材料的熔點仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)塊體材料，這大大降低了納米連接的溫度［13］.因此，通過輸入少量能量，在較低的溫度下就能實現(xiàn)連接，而連接后材料整體尺寸增大，表面能降低，性能接近塊體材料，從而實現(xiàn)低溫連接高溫使用［14］.目前，納米顆粒的連接行為已經(jīng)有了相對完善的理論基礎(chǔ)［15－16］.基于納米材料制備的納米焊膏已經(jīng)具有了相對成熟的工藝經(jīng)驗，國內(nèi)也有一些公司推出了相關(guān)產(chǎn)品.因此，當(dāng)前納米材料及納米技術(shù)在器件級封裝中，應(yīng)用最為成功、轉(zhuǎn)化最迅速的就是加熱法實現(xiàn)納米焊膏固化，以實現(xiàn)低溫連接高溫使用［17－18］.除此之外，加熱法還被用于功能器件中微型結(jié)構(gòu)的連接與組裝，如2011年楊培東等［13］在Ge表面沉積一層碳膜限制Ge熔化之后的形態(tài)，在450～600℃淬火使再結(jié)晶的Ge納米線被切斷，然后在850～900℃高溫加熱下，Ge納米線被連接在一起.即，通過使用限制結(jié)構(gòu)對納米線的焊接位置進(jìn)行選擇，從而實現(xiàn)納米線的連接.這一方法為一維納米功能器件的組裝開拓了新的視野.

1.3 超聲鍵合

與傳統(tǒng)封裝中超聲絲球鍵合類似，高頻的超聲波能量對金屬有軟化作用，在壓力和超聲的作用下引起材料發(fā)生塑性變形實現(xiàn)連接［19］.例如，利用超聲的軟化作用能夠把一維納米材料埋入到金屬電極中，實現(xiàn)納米材料與外接電路之間可靠的機(jī)械和電連接［20］.雖然CNTs具有良好的熱學(xué)與電學(xué)性能，但是實現(xiàn)CNTs的焊接是比較困難的，而用超聲方法能夠?qū)NTs焊接在金屬電極上，從而制備如場效應(yīng)晶體管等納米器件［21］.超聲鍵合技術(shù)適用于多種納米材料，并且不局限于金屬電極.另外，超聲鍵合的方法借助于傳統(tǒng)的超聲設(shè)備，加工效率高，適用于大規(guī)模連接.但是，從文獻(xiàn)發(fā)表情況來看，近年來關(guān)于納米材料超聲連接的研究呈下降趨勢，相關(guān)研究多集中于CNTs與電極［22］以及鋁與電極［23］之間的連接.然而，隨著納米線合成及相關(guān)性質(zhì)的廣泛研究，納米線的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，納米線與電極之間的連接問題也被廣泛研究，這一連接技術(shù)仍然具有較大的潛力.如這一方法可以用來連接納米線與電極來制備納米傳感器［24］等器件，而不需要等離子濺射等方法實現(xiàn)電極連接，能夠極大地縮減試驗時間與成本.

1.4 納米釬焊法

納米材料較高的表面能除了能進(jìn)行自身的連接之外，還可以作為釬料連接其他材料［25］.類似焊接領(lǐng)域中的釬焊技術(shù)，能夠保持被連接的對象維持各自的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，而且可以根據(jù)需求來選擇合適的焊料材料［26］.這一方法能夠?qū){米線的排列進(jìn)行控制，形成一定的排布圖案.對于MEMS器件而言，使用釬焊技術(shù)可以進(jìn)行微納尺度的可控組裝，如用探針拾取納米線擺放成預(yù)設(shè)的形狀，再拾取釬料然后對納米線加電流預(yù)熱使釬料軟化，焊接時施加電壓脈沖，產(chǎn)生熱量將納米釬料熔化成焊點并將納米線焊成一體［27］.但是，不同于微米尺寸的軟釬焊連接，精確定位釬料焊接位置仍然比較困難.而隨著納米器件相關(guān)技術(shù)的不斷完善和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，以上困難有望解決.另外，結(jié)合自組裝技術(shù)［28］，納米釬焊法可以用來制備具有特定功能的納米器件.

1.5 電子束輻照法

電子顯微鏡是表征納米材料形貌和結(jié)構(gòu)的有效工具，而納米材料在高能電子束輻照下會局部受熱熔化［29］.而且利用這一原理可以實現(xiàn)對納米線的修飾、切割與連接.使用高能電子束對納米線進(jìn)行焊接，已經(jīng)實現(xiàn)了金納米線之間［30］和單壁碳納米管（SWCNTs）之間［31］的連接.這一連接方法的一般過程是，首先將納米線或納米管搭接在一起，然后用電子束分別輻照搭接處形成焊接接頭，納米線由于局部受熱從而實現(xiàn)連接.通過調(diào)整搭接位置，能夠?qū)崿F(xiàn)Y型、X型和T型多種連接形式.除了納米線的連接以外，電子束輻照法還適用于納米顆粒的連接［29，32］.此外，電子束輻照法還適用于納米氧化物之間的連接［33］.這種方法一般在真空度極高的透射電鏡中操作，操作復(fù)雜，效率低，成本高.但是對于原位研究連接過程與原子擴(kuò)散行為是十分有效的［34］.

1.6 焦耳熱法

當(dāng)對于金屬納米線輸入電流時，其接觸點會產(chǎn)生遠(yuǎn)高于納米線本體的焦耳熱，使納米線在接觸點熔化從而實現(xiàn)連接［35］.由于納米線接觸區(qū)域很小，接觸電阻很高，產(chǎn)生大量的熱而使接觸點融化，并在隨后的凝固過程中形成牢固的焊點［36］.通過這一方法，可以使納米鉑（Pt）線實現(xiàn)牢固連接［37］.焦耳熱法不僅可以通過掃描電鏡中的探針操縱實現(xiàn)2根納米線之間的互連，而且適用于大面積的納米線網(wǎng)格.焦耳熱法還可以使用操作臺精確的控制被連接的納米材料，通過調(diào)整電流大小自由實現(xiàn)納米材料的切斷和連接.需要注意的是，電流的輸入除了引發(fā)接觸點產(chǎn)熱，還產(chǎn)生了電遷移效應(yīng)［38］.因此，焦耳熱連接方法還可以在掃描電子顯微鏡下研究納米材料遷移與擴(kuò)散過程.

1.7 光/激光輻照法

除了熱力學(xué)上的特殊性質(zhì)，納米材料也具有獨(dú)特的光學(xué)特性［39］.如銀納米線已經(jīng)被成功應(yīng)用于光學(xué)傳感器、拉曼散射探針增強(qiáng)材料以及納米光波導(dǎo)器件等［40－41］.同時，利用納米材料與光波的相互作用，還能夠?qū)崿F(xiàn)快速連接與選擇性連接.采用快速光燒結(jié)法［42］實現(xiàn)了在聚對苯二甲酸乙二酯（PET，Polyethylene terephthalate）基底上制備銅納米線透明導(dǎo)電薄膜.研究表明，銅納米線導(dǎo)電薄膜的光燒結(jié)機(jī)制是光－熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)、表面等離激元共振效應(yīng)和光致去氧化效應(yīng)的共同作用.通過光燒結(jié)方法最終獲得了透光率85%、方阻為34.1 Ohm/sq的銅納米線透明導(dǎo)電薄膜.使用該快速光燒結(jié)技術(shù)制備，還成功制備了可傳遞摩斯密碼的應(yīng)力傳感器以及可穿戴的加熱器，為銅納米線可拉伸導(dǎo)電薄膜在柔性電子器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［43］.當(dāng)然，光連接技術(shù)的也具有一定限制，并不是所有納米材料均能吸收光能，而且納米材料的結(jié)構(gòu)也會影響連接效果［44］.

2 結(jié) 語

綜上所述，作為近年來蓬勃發(fā)展的新興領(lǐng)域，納米連接技術(shù)還處于探索階段.在納米尺度下，使用傳統(tǒng)方法連接的機(jī)理都與宏觀的連接方式有著巨大差異.開發(fā)新的連接技術(shù)與手段，從而快捷高效地實現(xiàn)納米連接是目前這一領(lǐng)域需要研究與探索的問題.目前，在電子封裝領(lǐng)域，納米材料主要被應(yīng)用與納米焊膏之中，加熱法也是常用的連接方法.但是除了在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，未來納米連接技術(shù)的發(fā)展還應(yīng)著眼于高新技術(shù)領(lǐng)域，在完善連接機(jī)制的同時不斷開發(fā)新的連接方法.納米制造是實現(xiàn)各種納米結(jié)構(gòu)、納米器件、甚至是納米微系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而納米連接是納米制造的關(guān)鍵技術(shù).因此，開發(fā)新的材料、連接技術(shù)及連接設(shè)備，以及相關(guān)機(jī)理的研究，將成為未來的研究目標(biāo)和方向.

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The state of art on the micro?joining and nano?joining technologies

WANG Shang，TIAN Yanhong
（State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining（Harbin Institute of Technology），Harbin 150001，China）

In recent years，integrated circuit（IC）is developing towards high integration level，leading to the continuing miniaturization of electronic packages and the change of packages′structure.Meanwhile，the IC technology，as an important part of information revolution，always connects and interactives with various fields，such as Micro?Electro?Mechanical System （MEMS），Precision Instrument and Machinery，and Flexible Devices.As a key technology of electronic packages，the development of nano?and micro?joining technology is directly related to R＆D and technological innovation of new generation of package structures in electronic industry.Hence，the development of nano?and micro?joining technology has a strong relationship with multiple fields.In this paper，the progress of 3D electronics fabrication and nano?joining technology is summarized.Through summarizing the research and application status of micro?joining and nano?joining under different scales，the significance of micro?joining and nano?joining technology in electronic industry is clarified.Moreover，the outline of the present and future research directions is provided.

electronic package；nano?joining；micro?joining；electronic component；soldering

TG425.1

A

1005－0299（2017）05－0001－05

2016－12－28.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017－06－15.

國家優(yōu)秀青年基金項目（51522503）.

王 尚（1992—），男，博士研究生；田艷紅（1975—），女，教授，博士生導(dǎo)師，2015年優(yōu)秀青年基金獲得者.

田艷紅，E?mail：tianyh＠hit.edu.cn.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160464

（編輯 程利冬）