From Bulk Copper Samples to Functional DCB Test Boards: Process Transfer and Joint Characterization of Pressure-Less Nano-Silver Sintering
本研究展示了将无压纳米银烧结工艺从块体铜样品成功转移至功能性DCB测试板的过程，验证了Cu-cube/DCB配置是表征具有低电阻和70–80 MPa剪切强度的接合点的适用平台。
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现代电子产品正变得越来越小、越来越快，也越来越热。在汽车或电网的核心部位，微小的计算机芯片正被迫在足以熔化或削弱其支撑材料的高温下工作。几十年来，工程师们一直依赖一种类似于电子产品中所用焊料的金属膏，将这些组件固定在原位。但随着设备运行温度升高，这种旧的“胶水”开始失效，在反复加热和冷却的压力下产生裂纹。为了跟上步伐，科学家们正在寻找一种新的材料连接方式，使其能够在高温下生存而不发生解体。答案在于银，这是一种以导电和导热性能优于几乎任何其他物质而闻名的金属。然而，直接熔化银并不是一个可行的选择，因为它的熔点对于脆弱的电子元件来说实在太高了。相反，研究人员使用了一种称为“烧结”的过程，即通过热量将微小的银颗粒挤压在一起，直到它们融合成为一层连续的固体金属层。挑战在于，这通常需要重型机械向部件施加巨大的压力进行挤压，这可能会压碎敏感的组件。一种更新的方法是使用一种含有化学前驱体的特殊浆料，这种前驱体会直接在接缝内部转化为银颗粒，从而使金属无需任何外部挤压即可完成结合。
这项研究背后的研究人员旨在观察这种无压力的银结合方法（此前在简单的实验室测试中表现良好）是否可以成功转移到模拟实际电子设备的更真实的设置中。他们从一个基本构思开始：取一个小铜块，使用这种特殊的银浆将其粘在一个专门的电路板上，然后加热使其金属融合。目标是证明这种方法可以在专为实际电力电子设计的电路板上创建强韧且具有导电性的连接，而无需那些使制造过程复杂化的重型压力机。他们构建了一个特定的测试结构，其中一个铜块坐落在陶瓷基板上，选择这种设计是因为它允许他们同时测量电流流动、在显微镜下观察金属以及物理测试连接强度。
团队在铜块与电路板之间涂抹了一层薄薄的银浆，然后将组件放入炉中加热至250摄氏度。他们将温度保持在一个小时，让化学前驱体分解并释放出微小的银颗粒，从而将两个铜表面结合在一起。冷却后，他们对结果进行了测试。电学测试显示，该连接性能极佳，电流通过接缝时的电阻非常小，证明了金属已融合为一条坚实的路径。当他们在显微镜下观察接缝时，看到一层连续的银在铜块和电路板之间延伸。然而，视图并非完全均匀。接缝中心看起来致密且坚实，但边缘则呈现出一种更为多孔、类似海绵的结构，散布着微小的孔洞。这种不均匀性是一个关键发现，表明虽然结合在各处都已形成，但金属网络的质量因位置而异。
为了观察这种结合到底有多强，研究人员进行了剪切测试，即通过向侧向推动铜块直至其脱落。接缝表现得非常出色，大多数样本需要相当于70到80兆帕（MPa）的力才能破坏。这是一种很强的机械连接，足以满足可靠电子封装的需求。当他们在强力显微镜下检查破碎的部分时，发现失效并未干净利落地发生在银与铜接触的表面。相反，断裂直接穿过了银层本身，在铜块和电路板上都留下了碎裂的多孔银颗粒。这告诉他们，银与铜的结合非常紧密，以至于金属层本身成为了最薄弱的一环，而不是连接其表面的“胶水”。
这项研究证实，这种无压力的银结合技术可以从简单的实验室样品转向复杂的、功能性的电路板。铜块与电路板的设置被证明是测试这些接缝的可靠方法，显示出它们不仅导电性好，而且在显著的应力下也能保持稳固。虽然接缝内部的金属层并不完全均匀（某些区域比其他区域更具多孔性），但整体连接对于实际应用而言已经足够坚固。研究人员已经证明，无需重压即可创造高质量的电子接缝，这为开发能够承受现代电力系统极端热量的更耐用的电子产品开辟了道路。未来的工作将侧重于观察这些接缝在多年使用中的表现，但初步结果为下一代电子封装提供了一条充满希望的路径。
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