包镍碳纳米管提高烧结银的断裂韧性

纳米烧结银因具有高熔点、高电导率、高热导率和可以低温无压烧结等优点，被广泛认为是当前最适合第三代功率器件互连的候选材料。高温服役下的疲劳断裂失效是影响其封装互连可靠性的关键因素，如何提高烧结银的服役可靠性一直是该领域关注的前沿和热点。碳纳米管自发现以来，由于其特殊且优异的结构和力学性能，不仅被广泛用作金属基材料增强相，也被用于制造微电子领域中的场发射器、互连结构及传感器等。为了提高碳纳米管与金属基体的相容性和润湿性，通常在碳纳米管的表面进行金属化处理，如包覆镍或银等。

北京工业大学秦飞教授团队代岩伟副教授制备了掺杂不同质量分数包镍碳纳米管的烧结银，并通过端部柔度切口试样（ENF）对不同质量分数的包镍碳纳米管烧结银接头开展剪切断裂实验（图1）和理论分析。研究发现，当包镍碳纳米管的质量分数为0.5%时，其最大断裂韧度是未添加包镍碳纳米管烧结银断裂韧度的2.1 倍，其平均断裂韧度（图2 中的矩形框表示断裂韧度的平均值）相较于未添加包镍碳纳米管的烧结银提高了67.98%。

图1 ENF 载荷位移曲线

图2 剪切断裂韧度

上述研究结果表明，包镍碳纳米管在质量分数为0.5%时对烧结银有显著的增韧效果，且此时包镍碳纳米管烧结银具有相对较低的孔隙率。一方面，包镍碳纳米管的加入促进了烧结银的充分烧结，使其更为致密，从而提高了其剪切断裂韧性；另一方面，对不同质量分数的包镍碳纳米管烧结银的裂纹扩展路径和微结构特征统计分析发现，包镍碳纳米管在裂纹扩展过程中所产生的滑移、拔出和裂纹偏折等机制也是促使其断裂抗力提高的原因之一。然而，随着包镍碳纳米管质量分数的进一步增加，包镍碳纳米管团聚效应开始变得显著，因此，质量分数更高的包镍碳纳米管掺杂并不能进一步提高烧结银的断裂抗力，反而在烧结银中形成了较多的包镍碳纳米管团聚缺陷，导致烧结银断裂力学性能下降（图3）。本研究为进一步提高烧结银的疲劳断裂可靠性提供了新的思路和方法。

图3 断裂阻力曲线

此外，课题组还建立了包镍碳纳米管烧结银典型接头的内聚力模型，揭示了包镍碳纳米管烧结银的蠕变、弹塑性等方面的基本力学性能。后续，课题组将对包镍碳纳米管烧结银的制备方法、增韧机理和器件可靠性等方面持续开展深入研究，以揭示包镍碳纳米管烧结银的疲劳断裂机理，并进一步提高基于包镍碳纳米管掺杂的烧结银的互连可靠性，为发展新一代高温、高可靠功率器件互连封装技术提供理论基础和技术依据。（代岩伟 昝智 秦飞）

原始文献：

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.