纳米金属颗粒膏合成及其低温烧结连接的电子封装应用研究进展

针对微电子元器件及其高密度系统制造,特别是大功率器件互连封装中无铅、低温互连而其接头又具有良好高温性能的需求,以作者课题组的研究为例,基于金属纳米颗粒具有高表面能的特性,简要概述其低温烧结连接用于电子封装的原理、纳米颗粒膏的合成、低温烧结连接工艺因素对接头性能的影响及其发展趋势。

面向微流体器件封装的硅-蓝宝石异质结构超快激光微连接及接头性能

微纳传感器件中异质材料的互连将决定器件封装的质量,进而影响器件的性能.针对硅与蓝宝石晶圆级异质互连,缺少操作简洁、绿色环保、适于大规模应用的连接技术,采用超快激光穿透连接技术,通过调整硅-蓝宝石晶圆间隙并控制能量输入,对硅与蓝宝石的连接可行性进行了探究.结果表明,在晶圆间隙小于1μm、激光功率7.5 W试验条件下,异质接头处蓝宝石与硅发生相互融合,形成3μm尺寸范围的互锁结构;同时硬脆材料异质接头处易产生的孔隙裂纹等缺陷也得到了有效抑制,通过剪切试验测得接头强度达到2.9 MPa.超快激光硅-蓝宝石异质结构的有效微连接,为大差异性硬脆材料的异质互连提供了研究基础,并在微流体器件封装中得到潜在应用.

超快激光纳米连接及其在微纳器件制造中的应用

纳米连接涉及纳-纳、纳-微-宏跨尺度的材料连接,其在微纳电子元器件及其系统、微纳光机电系统等互连封装制造和研发中起到越来越重要的作用。目前已研发了系列纳米连接工艺方法,但在高操控性能量输入、多材料选择、低损伤互连等方面均有各自的局限性。超快激光具有峰值功率密度极高、多材料适用、加工热影响区极小等显著优势,进而基于超快激光制造的纳米连接是一个重要的发展方向。以本团队及合作者的研究为主,阐述了纳米尺度材料超快激光连接的局域能量调控和异质连接界面冶金与能带修饰、基于超快激光纳米颗粒薄膜沉积的低温连接新技术,以及基于超快激光纳米连接的新型微纳器件的制造与应用。同时,指出了超快激光纳米连接所面临的挑战和发展趋势,为未来纳米连接的研究和应用提供参考。

超快激光纳米线连接技术研究进展

随着新型材料特别是纳米材料在柔性多功能微纳光电子器件中的广泛应用,实现低维度下高质量材料互连成为了微纳器件高性能制造的关键。针对纳米材料自身的尺度及结构限制,传统宏观、微观尺度下的材料互连技术将难以实现在微纳空间上对输入能量的高精度控制,进而难以降低连接过程中的材料损伤。本文对基于光激励下表面等离子激元效应的超快激光纳米线连接技术进行了综述,分析了激光-材料相互作用过程中的等离子激元效应在纳米结构中的产生及分布特征,对光辐照下纳米线结构中的空间能量重分布及相应的控制策略进行了总结。同时,本文分别针对金属-金属纳米线、异质金属-氧化物/半导体纳米线以及跨尺度的纳米线,阐述了超快激光纳连接过程中的能量输入、材料损伤特征以及纳米接头的形成。最后,针对纳米线连接得到的低损伤纳米线结构,探索了超快激光纳米线连接技术在微纳光电子器件单元制造中的潜在应用。

基于结构纳米薄膜的微纳连接技术研究进展

随着结构系统及功能器件的小型化,微小空间下的异质材料高效集成互连成为了精密仪器系统设计与器件开发的迫切需求。为满足高质量、批量化以及绿色环保的微纳制造工艺要求,结合先进纳米薄膜制备工艺得到的非稳态或亚稳态的纳米尺度薄膜材料由于其特殊的尺度效应以及表/界面结构特征,在高精度异质材料互连领域正得到广泛的研究与应用。对不同体系(金属、半导体、氧化物)的结构纳米薄膜中各组元的反应活性或各相的热稳定性进行分析与阐述,并针对所设计的纳米薄膜结构在不同领域如航天、微电子中的异质材料互连中的应用进行综述。此外,由于纳米材料自身极高的反应活性,作为辅助钎料,其在硬质材料及热敏感材料的局域互连中也展现出巨大的应用前景。

基于飞秒激光还原氧化石墨烯的SiC纳米线接头电学增强

纳米线连接为高性能微纳器件的组装和应用提供了技术手段,但现有的连接方式对于能量输入的空间精度和外部环境要求较高,其工艺窗口较窄。为改善这一问题,以氧化石墨烯(GO)作为中间连接层的纳米线连接方式,通过干法转移制备了碳化硅(SiC)纳米线-氧化石墨烯(GO)薄膜-SiC纳米线的结构,并通过飞秒激光辐照还原氧化石墨烯,降低了SiC和GO之间的势垒,通过层内导电与层间导电的方式形成了更宽的载流子通道,从而显著提升了电流水平。此外生成的还原氧化石墨烯(rGO)纳米膜对SiC纳米线的接头形成了包裹与保护作用,从而使接头部分具有更好的抗辐照和热传导性能,提升了器件的稳定性与使用寿命。最后,利用飞秒激光还原GO薄膜实现了SiC纳米线网络的电性能提升,制备了具有良好响应度和较快响应速度的紫外光传感器及透明柔性导电薄膜等器件。

p型氧化铜纳米线的飞秒激光纳米连接

纳米线的空间定位与接头连接对制备和组装高性能的纳米功能单元至关重要,开发新材料体系的高性能互连结构一直是研究重点之一。使用单脉冲能量密度为22.3 mJ/cm^(2)的聚焦飞秒激光成功实现p型氧化铜(CuO)纳米线之间的互连,聚焦激光能量场会由CuO纳米线的几何效应在接头处产生局域场增强效应,在纳米线接头的界面处发生原子扩散,促使CuO互连结构在施加偏压为10 V的情况下所获得的电流响应强度较连接前提升3个数量级以上,达到与母材相同的水平,基于该结构的光电探测器在功率为25.3 mW卤素灯照射的条件下获得与母材性能一致的电流增幅比值。所得结果为制备基于纳米连接的小型化、高性能和多功能化的纳米线网络单元奠定基础。

同质和异质纳米尺度材料互连的界面冶金及结合机理研究进展

纳米科技的快速发展对组装纳米结构单元并实现具有复杂功能系统的技术提出高的要求,而纳米材料的互连是这项技术的基础,也是纳米级产品集成的基础。本文综述了纳米连接领域的最新进展,特别是各种同质和异质纳米材料之间的互连机理。首先,介绍了纳米材料的互连概念,重点论述了在同质纳米材料烧结互连、冷焊互连、辐照互连以及液相环境中的纳米互连的行为过程和连接机理,涉及零维和一维纳米材料;其次,对金属-金属和金属-非金属两种异质纳米材料的互连机理及应用进行论述;最后,针对当前同质和异质纳米材料互连研究现状,指出纳米材料互连研究面临的挑战并分析其发展前景。

基于飞秒激光的Pt-TiO_(2)纳米连接及其电学性能调控

研究了金属-氧化物异质材料纳米连接过程中的飞秒激光能量输入特征,实现了纳米材料快速低损伤互连的同时,保证了器件功能的完整性。研究了纳米连接对Pt-TiO_(2)跨尺度互连结构电学性能调控的影响。实验结果表明:当入射光能量密度为5.02 mJ/cm^(2)时,纳米线与电极接触区域形成具有稳定结合强度的互连接头。模拟结果显示,飞秒激光辐照一侧产生局部“热点”,增强了接头区域的光学吸收。互连接头的形成,降低了异质界面的接触势垒。同时,基于互连结构模拟神经元突触传递,实现了更加稳定的电学性能调控。