Low-temperature sintering and thermal-aging reliability of nano-silver joints on cyanate ester composite substrates

现代飞机已不再仅仅是承载着发动机的金属与织物管状物，它们正逐渐变成飞行的计算机。工程师们正越来越多地将强大的电子芯片直接嵌入飞机的结构皮肤中，这一概念被称为结构功能集成。这种方法移除了通常用于安置电子设备的笨重箱体，从而节省了重量和空间。然而，将这些敏感芯片贴附在用于机身的轻质、耐热复合材料上，提出了一个难题。用于将芯片粘合到机翼或机身上的胶水或焊料必须能够承受极端高温、承载巨大的电流，并保持足够强的强度以维持飞机的完整性，同时又不能损坏所贴附的脆弱复合材料。

几十年来，连接这些芯片的标准方法涉及使用金属表面或特殊的陶瓷瓦，但新一代飞机使用的是先进的聚合物复合材料，这类材料无法轻易进行金属涂层处理。研究人员长期以来一直在寻找一种方法，利用能够承受现代电子设备高温的材料，将芯片直接键合在这些非金属表面上。银（以微观颗粒的形式存在）提供了一个极具前景的解决方案，因为其导电和导热性能极佳，且可以在比传统焊接更低的温度下熔合在一起。然而，目前尚不清楚这种银是否能在无需金属层辅助的情况下，直接在氰酸酯复合材料（一种因其稳定性和轻量化而在航空领域备受青睐的材料）粗糙且非金属的表面上形成强韧、持久的结合。

来自北航及相关机构的研究团队致力于解决这一特定问题。他们取用了涂有薄层银以模拟真实功率芯片的铜块，并将其直接键合在石英纤维增强氰酸酯复合材料的正方形块上。他们没有使用化学胶水，而是涂抹了一种由微小银颗粒组成的浆料，并在压力下进行加热。其目标是观察银颗粒是否能在仅发生适度熔合的情况下形成坚固的桥梁，同时又能锁入复合材料表面的微小凸起与凹陷中，从而创造出一种类似于微观尺度上“魔术贴”的机械抓取力。

这一过程需要对热量和压力进行精确控制。研究人员将银浆加热至2摄氏度，这个温度既足以使银颗粒熔合，又不会烧毁复合材料。他们施加了从5到20兆帕不等的不同压力，以挤压这些颗粒。随着热量的升高，浆料中的有机溶剂发生蒸发，使得银颗粒得以接触并熔合在接触点处。在压力作用下，这些颗粒重新排列，填补了间隙，形成了一个致密且连续的金属层。团队发现，银不仅是停留在复合材料表面，而是流向了表面的微观粗糙处，创造了一种将两种材料紧紧结合在一起的物理互锁结构。

这种直接键合的结果表现出了惊人的稳健性。当研究人员测试将芯片从复合材料上滑脱所需的力时，最强的接头表现出了高达11.5兆帕的剪切强度。这种峰值性能是在压力为15兆帕、持续时间为15分钟的情况下实现的。有趣的是，施加过大的压力（例如20兆帕）实际上削弱了结合力，这很可能是因为过大的力量开始损伤复合材料基体本身。此外，所形成的银层效率极高，其电阻随着压力的增加而显著下降，这表明颗粒已经紧密堆积，为电流创造了极佳的通道。

为了确保这项技术能够承受真实飞机的严酷环境，团队对键合接头进行了高温老化测试。他们将样品置于220摄氏度的烘箱中长达1,000小时，以模拟多年的运行情况。在600小时后，接头依然保持着相当高的强度，保留了约81%的原始强度。银层本身表现良好，但研究人员观察到，下方的复合材料开始出现应力迹象，即粘结纤维的树脂中出现了微小的裂纹。到1,000小时时，复合材料已经出现了明显的退化，包括纤维与树脂基体之间的分离，这最终破坏了接头。

研究结论指出，利用纳米银烧结技术将功率芯片直接键合到非金属复合材料表面是完全可行的，这能创造出强韧、导电且热稳定的连接。这种结合的主要机制并非银与塑料之间的化学反应，而是通过银填充复合材料表面纹理所形成的机械互锁。虽然银接头本身非常耐用，但整个系统的长期可靠性受限于复合材料本身的耐热性。一旦复合材料在极端热量下开始退化，无论银层结合得多么紧密，接头都会变弱。这一发现为将电子设备集成到下一代轻量化、高性能飞机结构中提供了清晰的路径，前提是用于机身的材料能够承受电子设备产生的热量。