原位力学测试的应用：显微拉伸表征Ag/Si烧结结构的接头强度

2026-01-30 15:20:14, 牛津仪器牛津仪器科技（上海）有限公司

原位力学测试的应用

显微拉伸表征Ag/Si烧结结构的接头强度

研究背景

烧结连接对于开发下一代功率器件的封装至关重要。先前研究已从孔隙尺寸、孔隙率和晶粒尺寸等方面探讨了烧结结构的演变及其与接头强度的关系。然而，其与断裂形貌的联系仍不明确。

大阪大学Matsuda等研究人员发表在Materials Science & Engineer A Volume 923, February 2025, 147692的一项工作系统研究了Ag/Si异质界面烧结接头在250°C热老化过程中的微观结构演变及其对力学性能的影响。研究通过耦合二维（SEM、TEM）和三维（X射线纳米CT）表征技术，并结合创新的显微拉伸测试，揭示了接头性能退化的微观机制。

实验方法

采用Ag₂O颗粒与银微米片作为前驱体，通过表面有机物的氧化还原反应原位生成银纳米颗粒，再与松油醇混合形成连接膏体。使用丝网印刷技术将膏体以50μm厚度涂覆于镀镍/银的铜基板，与裸硅芯片组装后，在300°C、5MPa压力的空气中烧结30分钟，最终通过强制空气冷却完成连接制备。

使用芯片剪切测试仪评估接头的宏观强度。通过FIB制备狗骨状显微拉伸试样，采用纳米压痕仪（牛津仪器，FT-NMT04）进行原位拉伸测试（位移速率1nm/s），通过净应力比较精确评估界面强度。

创新性地结合二维统计分析和三维纳米CT重构，利用BSE衬度差异与CT灰度阈值识别，清晰区分Ag/含氧Ag/孔隙三相分布。

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部分结果

接头强度在热老化初期（0-200小时）从约90 MPa急剧下降至50 MPa，但随后表现出高耐久性，1000小时后强度仍维持在40 MPa以上。随着热老化的进行，断裂位置发生系统性转移。从初始的Si基板断裂，转变为主要在烧结Ag层内部或界面附近发生断裂。这表明接头的薄弱环节从界面转移到了烧结体本身。

图1 热老化后烧结银与硅基板连接的X射线纳米CT成像

通过二维（2D）的电子图像分析和三维（3D）的X射线纳米CT表征（如图1）发现，热老化驱动了烧结层发生显著的各向异性结构重组：Ag颗粒向烧结层内部的Ag镀层侧聚集和生长；含氧Ag从均匀分布变为在Si/Ag界面处显著富集，并覆盖大部分界面区域；孔隙在烧结层内部发生聚集和粗化，形成大尺寸空洞。微观结构的演变主要由Ag的烧结驱动力和氧的界面调控作用驱动。

图2 热老化1000小时后 Ag/Si-基底界面连接处的显微拉伸测试

为确定宏观强度下降的主导因素，对热老化后的接头进行了显微拉伸测试（如图2）。Ag/Si-基底界面强度保持约200 MPa的高强度，仅比初始值轻微下降。断裂分析显示裂纹倾向于在较弱的含氧Ag内扩展，说明界面本身仍非常坚固。

图3 热老化1000小时后接头烧结层的显微拉伸测试

同样的显微拉伸测试显示，因内部形成大孔隙，接头烧结层强度大幅下降至约100 MPa，成为整个接头的最薄弱环节，如图3。以上结果说明，宏观接头强度的下降，主导因素不是界面弱化，而是烧结层内部孔隙聚集导致的局部强度劣化。该结论完美解释了宏观断裂行为从界面断裂转向烧结层内部断裂的现象。未来设计高可靠性烧结接头时，需重点优化烧结材料配方与工艺，以抑制烧结层内部的孔隙粗化，平衡界面强度与体相强度。

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