微纳连接技术研究进展

微纳连接技术研究进展王尚;田艳红【摘要】近年来,集成电路不断向短小轻薄的高集成方向发展,推动着器件封装尺寸不断缩小,也使器件封装结构发生着改变.同时,作为信息革命的重要组成部分,集成电路技术往往涉及到多个领域的交叉和相互渗透,如微机电系统、精密仪表以及柔性器件等,而作为电子元器件封装中的关键技术,微纳连接技术的发展直接关系到电子工业中新型封装结构的研发与技术革新.因此,集成电路中微纳连接技术的发展也与多个技术领域密切相关.本文针对电子组装中微连接技术进行归纳和总结,并阐述纳米连接技术所取得的最新研究进展.通过总结微纳连接技术在不同互联尺度下的研究与应用现状,明确了微纳连接技术在电子工业领域中的重要作用,也为目前和未来的相关研究工作提供参考方向.%In recent years, integrated circuit ( IC) is developing towards high integration level, leading to the continuing miniaturization of electronic packages and the change of packages′ structure. Meanwhile, the IC technology, as an important part of information revolution, always connects and interactives with various fields, such as Micro-Electro-Mechanical System ( MEMS ) , Precision Instrument and Machinery, and Flexible Devices. As a key technology of electronic packages, the development of nano- and micro- joining technology is directly related to R&D and technological innovation of new generation of package structures in electronic industry. Hence, the development of nano- and micro- joining technology has a strong relationship with multiple fields. In this paper, the progress of 3D electronics fabrication and nano-joining technology is summarized . Through summarizing theresearch and application status of micro-joining and nano-joining under different scales, the significance of micro- joining and nano- joining technology in electronic industry is clarified. Moreover, the outline of the present and future research directions is provided.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2017(025)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】电子封装;微连接;纳连接;电子元器件;软钎焊【作者】王尚;田艳红【作者单位】先进焊接与连接国家重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150001;先进焊接与连接国家重点实验室(哈尔滨工业大学) ,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG425.1微纳连接技术在集成电路（IC）封装、电子组装、微电子机械系统制造（MEMS）、医疗器械制造、仪器仪表制造、精密机械制造、柔性电子等领域具有广泛的应用并发挥着关键的作用［1］.随着微电子系统、MEMS、精密仪器及机械、电力电子及功率器件等向着更加微型化、多功能方向的发展，其对焊接过程中的温度也越来越敏感［2］.尤其对于一些新出现的基板及涂层材料，如柔性材料、机物发光材料、铁电材料以及有机物材料等也无法承受太高的温度.这些特点使得传统的软钎焊技术无法适应.为了适应新的连接要求，目前有两种途径：一是降低铅料熔点［3］；二是采用局部加热的方法［4］.但是随着研究理论的深入，纳米连接的技术与相关理论得到了越来越多的关注.由于纳米材料具有较高的表面能，使得其熔点远远低于块体材料，而当实现连接融合后能得到与块体材料相当的性能，通过复合制备技术还能够得到各种性能的材料［5］，可以在兼容传统再流焊工艺的同时降低钎料的熔点，且不影响焊点连接后的性能.因此，纳米材料焊膏成为现阶段研究的一个重点.但是，纳米材料的连接过程与方法仍在开发阶段.又因为近年来纳米技术的快速发展，纳米连接技术也是当前研究的热点之一.纳米连接技术及相关理论的研究变得十分重要［6］.本文将针对电子器件组装的激光软钎焊技术、熔化微连接技术、功率器件及柔性电子器件中纳米连接技术的研究进展进行归纳和总结.使用纳米材料复合手段制备纳米焊膏可以实现铅料在低温下连接高温下使用.在降低连接温度的同时实现高可靠性大规模连接，纳米焊膏已成为电子封装领域中主流研究方向.但是，如何将纳米材料优异的性能完全发挥出来仍然存在很多挑战.实现纳米线、纳米颗粒之间可靠的连接对封装整体可靠性至关重要［7］.事实上，在纳米连接过程中涉及到纳米线的可控合成、操控、自组装等其他的纳米科技，并且连接技术与纳米材料本身的热性能、光性能和电性能密切相关，不同材料体系的连接方法也有所差异.根据连接原理的不同，目前的纳米连接技术可以分为以下几类：冷压焊法，加热法，超声键合，钎焊法，电子束辐照，焦耳热法，光/激光辐照法. 冷压焊方法的基础理论是，纳米尺度下材料表面原子相互扩散，从而实现纳米线之间或者纳米线和电极之间的互连，而且这一过程是自发的，不需要施加额外的能量［8－9］.冷压焊连接方法是对纳米材料尺寸效应最直接的应用.由于纳米材料表面能较高，活性较强，在室温或高真空环境下直接将2根金纳米线对接或者侧面搭接就能自发完成冷焊接［10］.当连接完成后材料表面能下降，从而实现牢靠的接头焊接.冷压焊的方法可以应用于多种材料体系，可控性强，而且冷压焊法无需加热处理，避免了对材料本身的损伤.但是这种方法能够实现连接的颗粒或者纳米线的尺寸需要小于10 nm［11］，因此研究还是以理论为主，未见有大规模应用的报道.而且，由于连接尺度在纳米量级，无法使用常规试验与表征手段.目前，冷压连接过程研究的主要方法为分子动力学模拟和透射显微镜下的原位研究［12］.虽然表征十分困难，冷压焊方法对研究纳米尺度下原子的扩散行为，具有重要的作用，具有很高的学术研究价值，也是其他连接方法的理论基础.虽然直接利用纳米材料的表面能作为驱动力进行连接十分困难，但是由于尺寸效应，纳米材料的熔点仍然远远低于传统块体材料，这大大降低了纳米连接的温度［13］.因此，通过输入少量能量，在较低的温度下就能实现连接，而连接后材料整体尺寸增大，表面能降低，性能接近块体材料，从而实现低温连接高温使用［14］.目前，纳米颗粒的连接行为已经有了相对完善的理论基础［15－16］.基于纳米材料制备的纳米焊膏已经具有了相对成熟的工艺经验，国内也有一些公司推出了相关产品.因此，当前纳米材料及纳米技术在器件级封装中，应用最为成功、转化最迅速的就是加热法实现纳米焊膏固化，以实现低温连接高温使用［17－18］.除此之外，加热法还被用于功能器件中微型结构的连接与组装，如2011年杨培东等［13］在Ge表面沉积一层碳膜限制Ge熔化之后的形态，在450～600℃淬火使再结晶的Ge纳米线被切断，然后在850～900℃高温加热下，Ge纳米线被连接在一起.即，通过使用限制结构对纳米线的焊接位置进行选择，从而实现纳米线的连接.这一方法为一维纳米功能器件的组装开拓了新的视野.与传统封装中超声丝球键合类似，高频的超声波能量对金属有软化作用，在压力和超声的作用下引起材料发生塑性变形实现连接［19］.例如，利用超声的软化作用能够把一维纳米材料埋入到金属电极中，实现纳米材料与外接电路之间可靠的机械和电连接［20］.虽然CNTs具有良好的热学与电学性能，但是实现CNTs的焊接是比较困难的，而用超声方法能够将CNTs焊接在金属电极上，从而制备如场效应晶体管等纳米器件［21］.超声键合技术适用于多种纳米材料，并且不局限于金属电极.另外，超声键合的方法借助于传统的超声设备，加工效率高，适用于大规模连接.但是，从文献发表情况来看，近年来关于纳米材料超声连接的研究呈下降趋势，相关研究多集中于CNTs与电极［22］以及铝与电极［23］之间的连接.然而，随着纳米线合成及相关性质的广泛研究，纳米线的应用领域也在不断拓展，纳米线与电极之间的连接问题也被广泛研究，这一连接技术仍然具有较大的潜力.如这一方法可以用来连接纳米线与电极来制备纳米传感器［24］等器件，而不需要等离子溅射等方法实现电极连接，能够极大地缩减试验时间与成本.纳米材料较高的表面能除了能进行自身的连接之外，还可以作为钎料连接其他材料［25］.类似焊接领域中的钎焊技术，能够保持被连接的对象维持各自的结构和功能的完整性，而且可以根据需求来选择合适的焊料材料［26］.这一方法能够对纳米线的排列进行控制，形成一定的排布图案.对于MEMS器件而言，使用钎焊技术可以进行微纳尺度的可控组装，如用探针拾取纳米线摆放成预设的形状，再拾取钎料然后对纳米线加电流预热使钎料软化，焊接时施加电压脉冲，产生热量将纳米钎料熔化成焊点并将纳米线焊成一体［27］.但是，不同于微米尺寸的软钎焊连接，精确定位钎料焊接位置仍然比较困难.而随着纳米器件相关技术的不断完善和新技术的不断涌现，以上困难有望解决.另外，结合自组装技术［28］，纳米钎焊法可以用来制备具有特定功能的纳米器件.电子显微镜是表征纳米材料形貌和结构的有效工具，而纳米材料在高能电子束辐照下会局部受热熔化［29］.而且利用这一原理可以实现对纳米线的修饰、切割与连接.使用高能电子束对纳米线进行焊接，已经实现了金纳米线之间［30］和单壁碳纳米管（SWCNTs）之间［31］的连接.这一连接方法的一般过程是，首先将纳米线或纳米管搭接在一起，然后用电子束分别辐照搭接处形成焊接接头，纳米线由于局部受热从而实现连接.通过调整搭接位置，能够实现Y型、X型和T型多种连接形式.除了纳米线的连接以外，电子束辐照法还适用于纳米颗粒的连接［29，32］.此外，电子束辐照法还适用于纳米氧化物之间的连接［33］.这种方法一般在真空度极高的透射电镜中操作，操作复杂，效率低，成本高.但是对于原位研究连接过程与原子扩散行为是十分有效的［34］.当对于金属纳米线输入电流时，其接触点会产生远高于纳米线本体的焦耳热，使纳米线在接触点熔化从而实现连接［35］.由于纳米线接触区域很小，接触电阻很高，产生大量的热而使接触点融化，并在随后的凝固过程中形成牢固的焊点［36］.通过这一方法，可以使纳米铂（Pt）线实现牢固连接［37］.焦耳热法不仅可以通过扫描电镜中的探针操纵实现2根纳米线之间的互连，而且适用于大面积的纳米线网格.焦耳热法还可以使用操作台精确的控制被连接的纳米材料，通过调整电流大小自由实现纳米材料的切断和连接.需要注意的是，电流的输入除了引发接触点产热，还产生了电迁移效应［38］.因此，焦耳热连接方法还可以在扫描电子显微镜下研究纳米材料迁移与扩散过程.除了热力学上的特殊性质，纳米材料也具有独特的光学特性［39］.如银纳米线已经被成功应用于光学传感器、拉曼散射探针增强材料以及纳米光波导器件等［40－41］.同时，利用纳米材料与光波的相互作用，还能够实现快速连接与选择性连接.采用快速光烧结法［42］实现了在聚对苯二甲酸乙二酯（PET，Polyethylene terephthalate）基底上制备铜纳米线透明导电薄膜.研究表明，铜纳米线导电薄膜的光烧结机制是光－热转换效应、表面等离激元共振效应和光致去氧化效应的共同作用.通过光烧结方法最终获得了透光率85%、方阻为34.1 Ohm/sq的铜纳米线透明导电薄膜.使用该快速光烧结技术制备，还成功制备了可传递摩斯密码的应力传感器以及可穿戴的加热器，为铜纳米线可拉伸导电薄膜在柔性电子器件中的应用奠定了基础［43］.当然，光连接技术的也具有一定限制，并不是所有纳米材料均能吸收光能，而且纳米材料的结构也会影响连接效果［44］.综上所述，作为近年来蓬勃发展的新兴领域，纳米连接技术还处于探索阶段.在纳米尺度下，使用传统方法连接的机理都与宏观的连接方式有着巨大差异.开发新的连接技术与手段，从而快捷高效地实现纳米连接是目前这一领域需要研究与探索的问题.目前，在电子封装领域，纳米材料主要被应用与纳米焊膏之中，加热法也是常用的连接方法.但是除了在传统领域的应用，未来纳米连接技术的发展还应着眼于高新技术领域，在完善连接机制的同时不断开发新的连接方法.纳米制造是实现各种纳米结构、纳米器件、甚至是纳米微系统的基础，而纳米连接是纳米制造的关键技术.因此，开发新的材料、连接技术及连接设备，以及相关机理的研究，将成为未来的研究目标和方向.【相关文献】［1］LI J H，WANG D，DUAN J，et al.Structural design and control of a small⁃MRF damper under 50 N soft⁃ landing applications ［J］.IEEE Transactionson Industrial Informatics，2015，11（3）：612－619.［2］LI J H，WANG W，XIA Y，et al.The soft⁃landing features of amicro⁃magnetorheological fluid damper［J］.Applied Physics Letters， 2015， 106（1）：14104－14112.［3］张翼，薛齐文，王云峰.微电子封装的发展历史和新动态［J］.机械工程与自动化，2016（1）：215－216.ZHANG Yi，XUE Qiwen，WANG Yunfeng.Development 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