烧结微米银纳米压痕蠕变行为试验及理论研究

纳米/微米银膏作为一种潜在的无铅焊料，近年来被探索应用于芯片的封装中。基板镀层、烧结温度、银浆中金属颗粒粒径、溶剂种类等均会影响封装结构的电学、热学和力学性能。相同烧结温度下，银浆中银颗粒的粒径对烧结制备的封装结构可靠性至关重要。

西北工业大学、西安建筑科技大学姚尧教授团队在相同条件下分别制备了粒径为7.35 μm、5.81 μm 和2.90 μm 的3 种微米银，对相同烧结条件下不同粒径微米银的宏观和微观力学性能开展研究。使用铰接式拉伸和剪切试件测试了微米银的剪切和拉伸强度，发现在300 ℃下烧结50 min 形成的节点拉伸强度和剪切强度随着纳米银粒径的增加逐渐降低。通过扫描电镜得到的微观结构证实银颗粒粒径越小烧结效果越好，颗粒形貌见图1～3。

在微观层面，利用纳米压痕技术研究了3 种不同粒径微米银烧结试件的蠕变性能，结果见图4～6。将纳米压痕加载至10 mN 后保载40 s，研究3 种加载速率下的蠕变位移。相同保载时间内，随着加载速率的增加，产生的蠕变位移增大，可以看出加载速率对蠕变位移的总量影响明显。随着保载时间的增加，3 种微米银的蠕变速率呈指数级降低。在保载阶段初期，加载速率越小蠕变的应变率越大，在此阶段加载速率对蠕变应变率的影响较大。随着保载时间的进一步增加，蠕变应变率趋于稳定并且加载速率带来的影响逐渐消失，结果见图6。

针对目前缺乏微观蠕变预测模型的问题，本工作基于玻尔兹曼概率熵理论和连续损伤力学，结合Kachanov 损伤蠕变模型，提出了一种基于熵的蠕变预测模型，见公式（1）。通过提出的理论对纳米压痕得到的蠕变数据进行预测，发现本工作提出的蠕变理论能较好地预测微观蠕变，为微观蠕变预测提供了一种新的可供选择的思路。

研究团队针对极端工作条件下高功率芯片先进封装可靠性开展研究，从试验和理论多方面继续推动新一代电子封装技术的发展。此外，团队还致力于3D打印柔性电子领域的相关研究，助力解决我国自主知识产权芯片“卡脖子”问题。(宫贺 陈相臣 姚尧)