包鎳碳納米管提高燒結(jié)銀的斷裂韌性

納米燒結(jié)銀因具有高熔點、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率和可以低溫?zé)o壓燒結(jié)等優(yōu)點，被廣泛認為是當(dāng)前最適合第三代功率器件互連的候選材料。高溫服役下的疲勞斷裂失效是影響其封裝互連可靠性的關(guān)鍵因素，如何提高燒結(jié)銀的服役可靠性一直是該領(lǐng)域關(guān)注的前沿和熱點。碳納米管自發(fā)現(xiàn)以來，由于其特殊且優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，不僅被廣泛用作金屬基材料增強相，也被用于制造微電子領(lǐng)域中的場發(fā)射器、互連結(jié)構(gòu)及傳感器等。為了提高碳納米管與金屬基體的相容性和潤濕性，通常在碳納米管的表面進行金屬化處理，如包覆鎳或銀等。

北京工業(yè)大學(xué)秦飛教授團隊代巖偉副教授制備了摻雜不同質(zhì)量分數(shù)包鎳碳納米管的燒結(jié)銀，并通過端部柔度切口試樣（ENF）對不同質(zhì)量分數(shù)的包鎳碳納米管燒結(jié)銀接頭開展剪切斷裂實驗（圖1）和理論分析。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)包鎳碳納米管的質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，其最大斷裂韌度是未添加包鎳碳納米管燒結(jié)銀斷裂韌度的2.1 倍，其平均斷裂韌度（圖2 中的矩形框表示斷裂韌度的平均值）相較于未添加包鎳碳納米管的燒結(jié)銀提高了67.98%。

圖1 ENF 載荷位移曲線

圖2 剪切斷裂韌度

上述研究結(jié)果表明，包鎳碳納米管在質(zhì)量分數(shù)為0.5%時對燒結(jié)銀有顯著的增韌效果，且此時包鎳碳納米管燒結(jié)銀具有相對較低的孔隙率。一方面，包鎳碳納米管的加入促進了燒結(jié)銀的充分燒結(jié)，使其更為致密，從而提高了其剪切斷裂韌性；另一方面，對不同質(zhì)量分數(shù)的包鎳碳納米管燒結(jié)銀的裂紋擴展路徑和微結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，包鎳碳納米管在裂紋擴展過程中所產(chǎn)生的滑移、拔出和裂紋偏折等機制也是促使其斷裂抗力提高的原因之一。然而，隨著包鎳碳納米管質(zhì)量分數(shù)的進一步增加，包鎳碳納米管團聚效應(yīng)開始變得顯著，因此，質(zhì)量分數(shù)更高的包鎳碳納米管摻雜并不能進一步提高燒結(jié)銀的斷裂抗力，反而在燒結(jié)銀中形成了較多的包鎳碳納米管團聚缺陷，導(dǎo)致燒結(jié)銀斷裂力學(xué)性能下降（圖3）。本研究為進一步提高燒結(jié)銀的疲勞斷裂可靠性提供了新的思路和方法。

圖3 斷裂阻力曲線

此外，課題組還建立了包鎳碳納米管燒結(jié)銀典型接頭的內(nèi)聚力模型，揭示了包鎳碳納米管燒結(jié)銀的蠕變、彈塑性等方面的基本力學(xué)性能。后續(xù)，課題組將對包鎳碳納米管燒結(jié)銀的制備方法、增韌機理和器件可靠性等方面持續(xù)開展深入研究，以揭示包鎳碳納米管燒結(jié)銀的疲勞斷裂機理，并進一步提高基于包鎳碳納米管摻雜的燒結(jié)銀的互連可靠性，為發(fā)展新一代高溫、高可靠功率器件互連封裝技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。（代巖偉 昝智 秦飛）

原始文獻：

DAI Y W, ZAN Z, ZHAO S, et al. Shearing fracture toughness enhancement for sintered silver with nickel coated multiwall carbon nanotubes additive[J]. Engineering Fracture Mechanics,2022,260:108181.