失效分析 赵工 半导体工程师 2023-03-13 09:27 发表于北京
摘要：
电子产品作为现代电子行业的产物，已逐渐成为社会发展的主导力量，在电子产品封装过程中，电子器件的封装温度过高会产生较大的热应力，进而降低其可靠性。随着电子器件趋于微型化、高功率化、高集成化，其服役温度越来越高，如何解决电子器件“低温封装、高温服役”这一问题已迫在眉睫。本文就低温电子封装材料及方法，从封装母材、连接材料及连接方法三个方面进行总结，指出只有从母材、焊材及焊接方法同时入手，才能达到最佳技术效果，提出在母材表面制备链长更长的、易去除的临时保护层，采用烧结纳米银、纳米铜或瞬时液相混合焊料，借助与焊缝非直接接触的超声搅拌等材料和方法有望克服低温封装的技术瓶颈，同时提出采用微米级混合焊料并辅以超声振动实现连接的新思想。
1 前言
随着 5G 技术、物联网技术、生物芯片技术等的崛起，现代电子行业也迎来了迅猛发展，支撑这些高新技术的电子产品逐渐趋于微型化、便携化和多功能化 [1] 。在电子产品的制造过程中，芯片的集成与封装一直以来都是行业的焦点，由于芯片与封装体存在热膨胀系数差异，在封装温度很高的情况下产生的热应力会降低其可靠性，甚至导致电路失效。近年来低温封装逐渐成为行业主流，其相关研究已在中国、美国、日本及欧洲等诸多大学和研究机构中广泛开展 [2-4] 。降低封装温度的方法主要包括三个方面：一是表面活化处理、表面纳米化(图形+结构)或表面无氧保护等封装母材表面处理技术，如 Takigawa 等 [5] 使用表面活化键合法(SAB)在室温条件下成功实现了 GaN 与 LiNbO 3 的连接，Zhou 等 [6] 使用电镀的方法在 Cu基板上制备出纳米 Ni 阵列并使用 Au 膜覆盖其表面以实现对 Cu 基板的纳米化处理， Ghosh 等 [7] 在 Cu-Cu键合过程中使用自组装单层膜(SAM)来保护 Cu 表面使其免受氧化和其他污染；二是选用低温焊料、纳米焊料或混合焊料等连接材料，如 Yang 等 [8] 分别使用 Sn5Bi、Sn10Bi 和 Sn58Bi 三种低温焊料进行 Cu-Cu互连，Fan 等 [9] 使用树枝状 Ag 纳米结构物质作为连接材料，梅云辉等 [10] 将微米 Ag 颗粒(1~2μm)与纳米 Ag颗粒 (20~50 nm)混合均匀并加入有机溶剂形成混合焊料，在 280 ℃烧结温度下连接了 IGBT 与 DBC 衬底；三是采用超声辅助、激光瞬时加热或局部加热等特殊的低温封装方法，如甘贵生等 [11] 使用 SAC0307 颗粒(混入 10% 45μm Zn 颗粒)作为焊料，在 220 ℃低温、4MPa 压强下使用超声辅助实现了 Cu-Cu 互连，Kawano 等 [12] 使用波长为 532nm 的脉冲纳秒激光辐照 Si 表面，仅在 2min 内就实现了 Si 与 LiNbO 3 的键合，Kim 等 [13] 使用 980 nm 波长的均质矩形激光束辅助超薄倒装芯片封装(FC CSP)，激光辐照仅在局部产生加热效果，大大降低了热输入。基于 WLP、SiP、3D-TSV 等先进封装对低温互连的强烈需求，本文从封装母材、连接材料、连接方法三个方面综述了近几年来电子封装低温互连技术的研究进展，并就发展方向提出一些自己的见解。
2 低温电子封装技术研究进展
2.1 焊接母材表面处理的研究
(1) 母材表面活化
表面活化键合技术(Surface Activated Bonding，SAB)是通过 Ar 原子或离子高速轰击材料表面，使材料表面具有高活性，同时经过高能粒子轰击，材料表面的有机物及杂质在真空环境下分解，为材料表面进行原子级接触提供了可能，然后通过施加一定压力，使两个已被活化的表面在真空环境中紧密接触，依靠化学键的作用，使表面能量降低，实现原子尺度上的牢固结合，在低温条件下就能达到良好键合强度的真空低温键合方法。上个世纪 90 年代，日本东京大学的 Suga 课题组首先采用离子束高速轰击材料表面的方法，使材料获得了高活性，但由于材料直接暴露于空气当中，很容易使其表面氧化及污染，为此课题组开发了专门的表面活化键合设备，使得材料能在绝对真空的环境下进行活化和键合，实现了半导体材料领域的 Si-Si、Si-GaAs以及 Si-LiNbO 3 的键合 [14] 。
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随着 5G 技术及大功率电子的迅速崛起与普及，以 GaN、SiC 为代表的具有禁带宽度大、击穿场强大、介电常数小、电子饱和漂移速度高、绝缘性能好等优异物理性能的第三代半导体(物性参数见表 1 [15,16] )应运而生，高温、高频、大功率和高密度等极端工作环境对低温封装提出了新要求，诸多文献报道表明表面活化键合技术很好地契合了这些封装需求。如 Mu 等 [17] 采用氩离子束轰击 GaN 与 Si 表面，发现离子束轰击后的 GaN 表面有轻微的光滑效应，GaN-Si 的结合强度与传统硅强度相当。Liang 等 [18] 利用表面活化键合技术在室温下成功制备了 GaN-金刚石异质接头，GaN/金刚石界面存在较小的压应力，但明显小于由晶体生长形成的 GaN-on-diamond 结构。Ryo 等 [19] 采用含铁氩离子束轰击 GaN 和 LiNbO 3 ，沉积的含 Fe 中间层在 LiNbO 3 表面和 GaN表面间形成了牢固的结合(图 1)，在室温条件下得到了抗拉强度 26 MPa 的键合接头。Mu 等 [20] 采用溅射沉积 Si 中间层的表面活化键合技术，仅在室温条件下就实现了 GaN 与更高导热率的单晶 CVD 金刚石衬底的键合；采用对 SiC 表面进行活化并溅射沉积 Fe-Si 中间层，在室温条件、4MPa 压强下得到了剪切强度为 18MPa 的 SiC-Si 接头 [21] ；在 SiO 2 表面溅射 Si 层并采用表面活化键合技术，极大减少了界面孔洞，SiC 表面和溅射 Si 层后 SiO 2 表面的粗糙度分别为 0.25nm 和 0.33nm，溅射 Si 层使SiO 2 -SiC 键合界面(图 2)的表面能从 0.2J/m 2 提高到 2.4J/m 2 ，成功实现了室温条件下 SiC 与 SiO 2 之间的键合 [22] 。Ryo 等 [23] 使用 Ar 离子束快速轰击 SiC 和 LiNbO 3 表面进行活化，在室温条件下将其表面直接接触进行键合，测得 SiC-LiNbO 3 接头的剪切强度为 11MPa。Kang 等 [24] 使用 O 2 对 SiC 和 Si 基衬底进行持续时间 60s 左右的表面活化，然后在不到 200 ℃的低温条件下成功得到了 SiC-SiO 2 、SiC-Si和 SiC-玻璃的无空隙、稳定键合接头。
在电子封装领域中，陶瓷基板具有优良电绝缘性能、高导热特性、优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像 PCB 板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力，已成为大功率电子器件电路结构技术和互连技术的基础材料。AlN 具有相对较高的热导率(约 200W/m·K)，常被作为高功率器件的散热器及第三代半导体的封装基板。多项研究表明，AlN 基板可以通过表面活化键合技术直接键合到 AlN、Al 和 Si 基板上 [25] 。如 Matsumae 等 [26] 采用改进 SAB 技术(图 3)，在 Ar 离子束高速轰击 AlN 表面去除有机污染物和氧化物后，再溅射沉积 Si 附着层，标准 SAB 接头中 Si-Si 键的结合强度仅为 0.9J/m 2 ，改进 SAB 接头中 Si-N 键的结合强度高达 2.5J/m 2 。Kaaos 等 [27] 通过 O 2 、Ar、SF6、SF6+Ar 和 SF6+O 2 等离子体活化，对 AlN 表面进行 SAB 处理能使其表面亲水性增强、表面粗糙度降低，进而实现了室温条件下与 Si直接键合。
除了应用于陶瓷材料之间的键合外，表面活化键合技术还常用于金属材料之间。Takahashi 等 [28] 研究了采用高能 Ar 离子束持续轰击 60s 以上以除去 Nb 表面的氧化膜(Nb 2 O 5 和 NbO)和其它杂质，得到了清洁的待键合表面，为室温下超导器 Nb-Nb 间的 SAB 直接键合提供了可能。He 等 [29] 通过表面活化键合技术将 Cu-Cu 在超真空室温环境下进行了键合，Cu-Cu 键合界面(图 4)结合良好，未见孔洞与空隙，接头结合强度达到了 2.5J/m 2 。Wang 等 [30] 采用氩气(混合 5%氢气)等离子体预处理 Si 表面的 Cu 镀层，降低了 Cu 表面的氧含量，有效地提高了其表面活性，200 ℃下 Cu-Sn 连接界面无缺陷，接头剪切强度最高可达 8MPa。He 等 [31] 将含甲酸(HCOOH)的蒸汽通入流动氩气中并对 Cu 进行表面活化，在 180 ℃左右到了剪切强度高达 100MPa 的 Cu-Cu 接头。Chua 等 [32] 在 Ar/N 2 等离子体环境下将 Cu 表面进行活化并在室温下键合，250 ℃退火后 Cu-Cu 接头平均剪切强度最高可达 20.3MPa，接头经过-40~125 ℃的 1000 次温度循环后，暴露的Cu 表面虽被严重氧化，但接头仍能很好地结合(图 5)。
此外，Kang等 [33] 还提出了一种表面活化混合键合机制(活化和键合过程如图 6)，分别键合了 Cu-Cu、SiO 2 -SiO 2 与 Cu-SiO 2 。首先，用 Ar/O 2 等离子体(其中 O 2 含量为 0.2%)对 Cu 和 Si 表面的热氧化物 SiO 2 单步活化 30~150s，Ar 等离子体可以去除表面有机污染物和氧化物，O 2 等离子体可以有效提供−OH 基团，在 50%甲酸(FA)溶液中浸泡 20min 后用去离子水超声清洗 30s，最后用流动的氮气干燥。Cu-Cu、SiO 2 -SiO 2 与 Cu-SiO 2 三种样品在 200 ℃(上压片)和 25 ℃(下压片)的大气环境、2.5MPa 压强中进行 30min 的热压连接，其中样品底部温度被稳定在 135 ℃左右，结合界面的实际温度为 185±3 ℃，随后连接样品在200 ℃下退火 2h。结果发现当活化时间延长至 120s 时，Ar/O 2 →FA(表面活化后再甲酸处理)和 FA→Ar/O 2 (甲酸处理后表面活化)活化得到的 Cu-Cu 接头最大剪切强度分别为 13.46MPa 和 12.35MPa；对于SiO 2 -SiO 2 接头，FA→Ar/O 2 活化所得到样品的整体剪切强度高于 Ar/O 2 →FA 活化所得到样品，其最大剪切强度接近 4MPa；使用 FA→Ar/O 2 活化并低温键合的 Cu 与 SiO 2 接头微孔较少、晶粒生长充分。
表面活化键合技术能成功应用于多种陶瓷材料与陶瓷材料、金属材料与金属材料、金属材料与陶瓷材料之间。该方法自诞生以来，就受到电子封装行业的广泛关注，但仍存在一些问题限制了该方法的大规模推广，如该方法对氧化物类材料像 SiO 2 、石英等不适用，其键合强度很低，仍须退火工艺，此外该方法要求极高真空系统，设备昂贵，大规模生产成本较高。
(2)母材表面纳米化
在电子封装中，除了母材表面活化外，还可以在母材表面溅射纳米连接层或形成纳米尺寸结构，利用纳米材料特殊的物化性质，同样也能达到降低封装温度、提高连接可靠性的目的。如 Suga 等 [34] 首先用Ar离子束轰击晶片表面，清除污染物和氧化层，同时在晶片表面溅射 1nm Fe 粘结层；然后，用离子束溅射法在 Fe 粘结层上沉积 10nm Si 中间层；之后，再用 Ar 离子束轰击活化 Si 中间层，同时在 Si 中间层上再沉积 1nm Fe 粘结层；最后在真空条件为 10 -5 Pa、5kN 压力的室温下，使活化表面相互接触 300s 得到了键合强度高于 32MPa 的 SiC-SiC 接头，过程如图 7 所示。又如 Cai 等 [35] 先在 Si 衬底上溅射 50nm 的 Ti 镀层和 500nm 的 Cu 镀层，再电镀上 Cu-Zn 合金，随后使用去合金化法去除 Cu-Zn 合金中的 Zn，从而制备出具有纳米多孔结构的 Cu 表面层，在 280 ℃、300N 的压力条件下对两块经相同方法处理的 Si 衬底进行连接，样品平均拉伸强度达到 8MPa，其连接层的横截面和工艺流程如图 8 所示。
除了以上两种在母材表面形成纳米连接层方法外，也见在母材表面形成纳米尺寸结构的大量报道。如 Hu 等 [36] 提出了一种在 Cu 凸点上电镀一层镍锥阵列(Ni-MCAs)并与 Ag 层低温键合的方法，其中 Ni-MCAs 的平均高度为 800~1000nm，在 180MPa 的键合压强和 250 ℃的低温下连接 20min，发现当连接温度为 250 ℃时，Ni-MCAs 有效嵌入到 Ag 层当中且界面没有出现空洞。Lu 等 [37] 使用化学沉积法制备出Cu-Ni 微锥阵列在 190 ℃的低温条件下与 Sn-3.0Ag-0.5Cu 焊料结合，结合过程施加压力质量为 500g、750g 和 1000g 时得到的接头平均剪切强度分别为 22.7MPa、32.6MPa 和 45.2MPa。还有相关文献[38]报道在 Cu 微锥表面化学镀 Ag 可得到具有高剪切强度的焊点，在 190 ℃的低温下实现了 Sn-3.0Ag-0.5Cu 锡球焊料与 Cu 微锥基板(镀 Ag)的热压结合，Cu 微锥结构完全插入焊料当中，在结合界面上没有发现孔洞，焊点剪切强度高达 43.4MPa。此外，有研究者 [39] 使用同样的方法在 Cu 微锥表面镀 Sn，并在连接过程中用超声波进行辅助，成功实现了 Cu-Cu 之间的结合。Wang 等 [40] 利用斜角沉积技术在 Si 晶片上溅射一层厚 500nm 的纳米 Cu 柱阵列(纳米柱直径为 10~20nm，高度为 760nm)，在 0.32MPa 键合压强和 200~400 ℃低温条件下就可以实现 Cu-Cu 的键合(图 9)。
除了在母材表面形成纳米结构外，还有文献报道了在纳米结构上涂覆另一种纳米材料进行互连。Wang 等 [41] 运用化学镀层法在尺寸为 2cm×1cm 的 C194 Cu 基板上制备出一层 Cu 纳米锥状阵列(Cu NCA)，Cu NCA 中每一个锥体的尖端直径约为 20nm ，底部平均直径为 2μm，高度在 2~4μm之间(图 10)，而后将石墨烯涂覆在经过处理的 Cu NCA 表面，最后在 150 ℃低温、1500gf 压力条件下将直径为 760μm 的SAC305 焊球与 Cu NCA进行连接，经过相同热老化时间发现，未加入石墨烯层的 Sn-Cu 接头剪切强度下降了两倍，石墨烯层的加入有效延缓了 IMC(Cu 6 Sn 5 )的生长，其接头的剪切强度并没有降低(图 11)。在文献[42]中提出并讨论了这种纳米结构在互连过程中可能存在的机理，即纳米微锥结构插入到焊料当中时，会导致焊料塑性变形和“堆积”，并在结合界面上形成孔洞，但纳米微锥结构与焊料之间的固态扩散会使界面孔洞收缩，从而增加了微锥与焊料之间的接触面积，提高了焊点的剪切强度。Liu 等 [43] 为了降低 Cu-Cu键合时的温度并缩短键合时间，设计了使用脉冲激光沉积(PLD)技术将纳米 Ag 物质沉积在 Cu 焊盘上形成了凹凸的三维纳米结构，当连接条件为高温(250 ℃)低压(20MPa)或低温(180 ℃)高压(50MPa)、连接时间均为 5min 时，能得到剪切强度较高(＞9MPa)的接头(图 12 为连接界面)。
Du 等 [44] 提出了一种新型的低温氢热分解还原方法在 Cu 基板上直接合成了 Cu 纳米线(如图 13)，在300 ℃的低温和 40MPa 的压强下得到了剪切强度高达 44.4MPa 的键合接头。Mou 等 [45] 将异丙醇(IPA)处理后的 Cu 纳米膏涂覆在 Cu 基板上，然后在 2MPa 的压强、250 ℃和 275 ℃的低温下进行 Cu-Cu 键合，得到的接头剪切强度分别达到了 28.3MPa 和 35.1MPa。Panigrahi 等 [46] 通过在 Cu 表面沉积一层 3nm 厚的超薄 Ti 层来抑制 Cu 的氧化，并将 Cu 表面的粗糙度从 2.1nm 降低至 0.4nm，从而在 160 ℃低温和 0.25MPa低压下实现了 Cu-Cu 键合。Hou [47] 提出了一种基于冷喷涂沉积和氧化还原工艺的新方法，首先在 Cu 基板上形成紧密排列的微米级 Cu 颗粒，然后通过氧化作用在 Cu 颗粒上形成 Cu 2 O 纳米粒子，在甲酸气氛中Cu 2 O 纳米粒子被完全还原为 Cu 纳米粒子，最后在 300 ℃低温、15MPa 压强下得到了剪切强度最高为32.9MPa 的 Cu-Cu 接头。
在电子封装中，对母材表面的纳米化处理利用了纳米材料特殊的物化性质，可以降低封装温度、增大接触面积并提高结合强度，同时也在一定程度上降低了封装过程对连接表面平整度的苛刻要求，但由于纳米材料具有极高的表面能，这会导致其性质非常活泼，且纳米材料易氧化，在连接前就有可能发生聚合，此外材料表面过分纳米化会导致氧化反应更为严重，氧化物更难去除，故该方法还在不断改进中。
(3)母材 SAM表面处理
SAM 表面处理是指使用自组装单层膜(SAM)作为母材表面的临时保护层，可防止母材在空气中快速氧化和污染，常用的 SAM 为烷基硫醇(alkane-thiol)。目前，对于 SAM 的沉积有两种常用的方法：湿式沉积和气相沉积。湿式沉积成本低廉、操作方便，是直接将样品浸没在 SAM 溶液中，以使 SAM 结合到样品表面，每个样品的沉积时间通常为数小时到一整天，但 SAM 溶液长时间放置会产生聚合作用，因此对于实际生产制造来说这种方法显然不适合。相比之下，气相沉积法在沉积之前先利用等离子体处理材料表面，使得材料在沉积时与 SAM 有高度的反应性，仅在 5min 沉积后材料表面就能产生 SAM 膜，不仅增
加了反应速度，还有助于化学键的形成。
Lykova 等 [48] 采用 SAM 对 Cu 表面进行钝化并在-40 ℃保存一周，发现其表面几乎没有发生氧化现象，长链 SAM(十六烷基硫醇)比短链(六烷基硫醇)对 Cu 表面的保护作用更有效，且 SAM 的保护作用随其链长的增加和温度的降低而增加；他们还分别使用电化学沉积(ECD)和经过 SAM 钝化后物理气相沉积(PVD)制备了两种类型的 Cu 基板，并在250 ℃的低温下实现了 Cu-Cu 键合，PVD Cu-Cu 接头在连接时间为 45min 时的剪切强度最高，均值达到了 196MPa [49] 。Wang 等 [50] 提出了一种新型等离子体自组装单层膜
(PcSAM)预处理方法以改善电镀 Cu 的表面性能，PcSAM(六烷基硫醇)预处理后 Cu 表面的氧含量降低至1.39%，仅在 200 ℃条件下就实现了 Cu-Sn 键合，剪切强度高达 68.7MPa。Tan 等 [51] 在镀铜硅片表面使用SAM 处理，在 250 ℃低温下得到的 Cu-Cu 键合接头剪切强度为 54.0~65.8MPa，经过 SAM (六烷基硫醇、十二烷基硫醇)处理后的键合界面可见分层面已完全消失，Cu 晶粒生长布满了整个键合层(图 14)。Bakish等 [52] 使用 SAM (九烷基硫醇、十四烷基硫醇)表面处理，在 120~150 ℃下成功键合了 Si 与 InP，其接头剪切强度超过了表面活化键合的 Si-InP接头。Ang 等 [53] 通过 SAM(十二烷基硫醇)处理 Au 表面，防止表面污染的同时还在键合处通过热解吸降低了封装温度，160 ℃下得到了平均冲击强度达到了 26.9g 的 Au-Au接头。Lim 等 [54] 在 250 ℃低温下键合了 SAM 处理的 Cu-Cu 表面发现，由于键合前长链 SAM (十二烷基硫醇)不完全解吸，短链 SAM (六烷基硫醇)处理的样品剪切强度最佳。Liu 等 [55] 通过在烧结之前的 Cu 基板上进行 SAM 表面处理 (十八烷基硫醇)以抑制纳米 Ag 氧化，280 ℃下使用烧结纳米 Ag 得到的 Cu-Cu接头剪强度达 12.72 MPa，远高于未采用 SAM 处理时的 3.77 MPa。Ghosh 等 [56] 使用 SAM(丙烷基硫醇)处理 Cu表面，其接触角急剧降低，表面由亲水性变为疏水性，用 He 等离子体解吸 SAM 层后 Cu表面接触角进一步降低，在 200 ℃低温、4kN键合压力下得到了最大载荷为 800N的 Cu-Cu接头。
当 SAM 表面处理应用于电子封装当中时，除了能保护母材表面不受氧化和污染以及降低封装温度外，还能有效提高连接接头的电学性能。Peng 等 [57] 使用未经 SAM 处理和经过 SAM (六烷基硫醇)处理的 Cu 表面进行键合，未经 SAM 处理的接头接触电阻值约为 3.53 mΩ，而经过 SAM 处理后接头接触电阻平均值降低了 7.1%，约为 3.28 mΩ。此外，Lim 等 [58] 还采用 SAM(六烷基硫醇)处理，在 250 ℃低温、5500N 键合压力条件下得到了 Cu-Cu 热压接头，接头密封空腔(横截面如图 15)具有良好的气密性，泄漏率低于 10 -9atm cm 3 /s，与未经 SAM 处理的对照样品相比至少提高了 29%，比 MILSTD-883 标准定义的 5×10 -8 atmcm 3 /s 小了一个数量级。
SAM 表面处理工艺简单、容易操作、成本低廉，对后续工艺无不利影响，能够在较低温度下得到剪切强度较高的连接接头，但仍有待进一步深入研究，如单层膜链长选择，虽然已有研究表明烷烃硫醇(alkane-thiol)的链长越长，防氧化作用越明显，但同时也会导致完全去除烷烃硫醇(alkane-thiol)的退火温度升高。SAM 技术有望在未来为 3D 封装提供高质量的低温键合接头，也有望在硅微电子技术中得到更为广泛的应用。
2.2 低温焊接材料的研究
(1)低温焊料的研究
传统的 Sn-Pb 焊料具有成本低、熔点低、湿润性好等优点，能满足各类电子产品的使用，但 Sn-Pb 焊料中 Pb 属于有毒重金属，会对人体和环境造成极大危害。早在 2006 年，欧盟就颁布了 ROHS 禁令，规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护，其中重点规定了 Pb 的含量不能超过 0.1% [59] 。随着人们环保意识的增强，以 SAC305 为主的 Sn-Ag-Cu 焊料因具有良好的抗蠕变性能和抗跌落性能，且环境性表现优异，逐渐代替 Sn-Pb 焊料成为市场的主流，但 Sn-Ag-Cu 焊料熔点较高，且在连接过程中容易生成脆性的 Ag 3 Sn，降低接头可靠性；还有研究者熔炼并研究了 Sn-4.0Bi-3.7Ag-0.9Zn 焊料 [60] ，该焊料具有较高的显微硬度和抗拉强度，但也存在熔点(202 ℃)较高的问题，难以符合电子封装向低温化发展的趋势。故寻找一种低熔点、高可靠性、环境友好型的低温焊料目前已成为电子封装行业亟待解决的问题(典型无铅焊料见表 2[59] )。
与 Sn-Pb(183 ℃)和 SAC305(220 ℃)焊料相比，Sn-Bi 和 Sn-In 焊料的共晶点分别为 138 ℃和 118 ℃，是低温电子封装技术的理想焊料。然而，Sn-Bi 合金太脆而 Sn-In 合金太软，均具有一定局限性，研究者们进行了大量的研究，在这两种焊料当中添加了其他元素，以改善其性能。其中，Cr 作为一种过渡金属元素，成本低廉，对改善合金性能非常有效，通过向焊料中添加 Cr，能使合金具有更细的组织、更好的抗氧化性和塑性，还能有效改善焊料基体组织不均匀、老化过程中界面层生长等问题 [61] 。Zhu 等 [62] 将 Cr掺杂到 Sn-Bi 焊料中形成 3 种不同的焊料(SnBi-0.1Cr、SnBi-0.2Cr、SnBi-0.3Cr)，在 200 ℃的低温下经过120s 的连接时间发现，Cr 的掺入不仅提高了焊点的机械性能，还细化了焊料组织(图 16)；SnBi-0.1Cr、SnBi-0.2Cr 和 SnBi-0.3Cr 焊点的延伸率相对于 Sn-Bi 焊点分别提高了 3%、56%和 53%，焊料的断裂方式由脆性断裂向韧性断裂转变，焊点中 Cu 6 Sn 5 IMC 层厚度逐渐减小且形貌由细长的扇贝状转变为连续粗糙的扇贝状，裂纹路径由部分 IMC 层向全部 IMC 层转变。此外，Sebo 等 [63] 通过向 Sn-Bi 焊料中加入 Ag 发现，随着 Ag 含量的增加，Sn-Bi 焊料的力学性能先升高后降低，当 Ag 含量较低时，焊料中形成颗粒状或针状的 Ag 3 Sn 化合物，当 Ag 含量超过 1wt.%时 Ag 3 Sn 开始偏析成片状或块状。Jiang等 [64] 向 Sn-Bi焊料中掺杂 Ti，多次回流后 Sn-58Bi-0.1Ti 焊料的剪切强度高于 Sn-58Bi 焊料。Liu 等 [65] 通过向 Sn-Bi 焊料中分别加入每英寸 110 目和 500 目的多孔 Cu 片来提高其性能，并在 180 ℃的低温下将焊料片连接到 Cu 基板上，测试表明多孔 Cu 片的加入有助于焊料中富 Bi 相和 β-Sn 相的细化，从而提高焊点硬度(图 17)。Xiong 等通过向 Sn-Bi 焊料中添加 CuZnAl 颗粒来减少瞬时液相连接过程中 Cu/Sn58Bi/Cu 焊点孔洞的形成，发现随着 CuZnAl 颗粒的加入，Cu 原子的扩散通量降低，界面 IMC 生长受到抑制，焊点孔洞显著减少。
除了向低温焊料中掺杂一种或多种金属元素以及金属粒子外，还可以在焊料中加入纳米材料以改善其性能。Ma 等 [67] 将石墨烯纳米片(GNSs)加入 Sn-Bi 焊料中，发现 GNSs 添加量为 0.03wt.%时，焊料的显微组织和力学性能表现最佳，在 100 ℃时效 360h 后 SnBi-0.03GNSs 的粗大组织和生长晶粒得到有效抑制，其抗拉强度和弹性模量较 Sn-Bi 焊料分别提高了 15%和 24%。Peng 等 [68] 研究了纳米粒子对 Sn-Bi 焊点机械性能的影响，发现添加微量 SiC 纳米粒子能显著提高 Sn-Bi/Cu 焊点的力学性能，SiC 纳米颗粒可以防止位错滑动，同时细化晶粒，还能降低裂纹源产生的概率，提高塑性。Ma 等 [69] 将碳纳米管(CNTs)和石墨烯纳米片(GNSs)加入 Sn-Bi 焊料后，发现它们可以连接两个富 Bi 相晶粒或直接嵌入富 Bi 相中，起到了很好的钉扎和缓冲作用，能减少应力集中导致的断裂，改善了焊点的机械性能。Yang 等 [70] 报道了涂有 Ni 的碳纳米管(Ni-CNTs)对 Sn-Bi 焊料性能的影响，发现当 Ni-CNTs 添加量为 0.05wt.%时焊料的晶粒最细，焊点的抗拉强度达到最大值，而后随着 Ni-CNTs 含量的增加其焊点的抗拉强度下降(图 18)。
目前低温焊料的研究主要集中于 Sn-Bi 系，关于 Sn-In 系焊料的研究报道很少。随着便携式、可折叠的柔性电子产品逐渐普及，对低温封装技术的要求越来越高，低温焊料将会成为未来电子封装行业的主流。低温焊料的研究与开发、电子封装低温互连、优异的高温性能、极端多变场的可靠性是行业永恒不变的主题。
(2)纳米焊料的研究
对通过选用连接材料来降低封装温度而言，使用低温焊料可以满足上述需求，但低温焊料较低的机械强度使其无法完全满足“低温封装，高温服役”这一行业新需求。随着材料科学的进步，特别是进入 21世纪以来，纳米材料优秀的、独特的物化性质引起了电子封装行业的广泛关注。纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1~100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米材料具有许多特性，如体积效应、表面效应、量子尺寸效应等，由于这些效应，纳米材料有着与普通材料不同的物理或化学性质，比如当 Ag 颗粒尺寸达到纳米级别后，其熔点会显著降低至 100 ℃左右，故可用低温烧结纳米 Ag 颗粒作为电子封装中材料的互连层，以满足在高温下持续服役的要求。
烧结纳米 Ag 互连层的制作工艺主要包括 [71] ：①在基板上涂覆或者丝网印刷纳米 Ag 焊膏，将芯片放置在纳米焊膏上；②进行预加热干燥，使焊膏中的有机物挥发，然后在高温下进行无压或压力辅助烧结，工艺参数有升温速率、烧结温度、烧结辅助压强、烧结时间和气体环境等；③烧结完成后形成在封装器件与基板之间的纳米 Ag 互连层。Dai 等 [72] 采用烧结纳米 Ag 技术将 Si 二极管功率器件(2.5 kV，50 A)在250 ℃、10MPa、5min 的烧结条件下封装于 AlN 衬底上，功率循环测试表明当选择有效热阻增加 20%为失效标准时，烧结纳米 Ag 接头寿命是 Pb-5Sn 接头寿命的 10倍。Hutter 等 [73] 在 230 ℃、30MPa、3min 的烧结条件下将 Si 基功率芯片封装于 Cu 基板上，经 30~180 ℃的温度循环测试发现烧结纳米 Ag 接头的可靠性是 Sn-Ag 焊料接头的 10 倍。选用烧结纳米 Ag 颗粒作为焊料时，压力的施加可以使烧结后的纳米 Ag颗粒致密度更高，使烧结材料与母材的连接更为紧密，但过大的烧结压力会对器件造成一定程度的损伤，影响其可靠性 [74] 。针对这一问题，吴炜祯等 [75] 采用无压烧结纳米 Ag 颗粒的方法，在 10 ℃/min 升温速率、250 ℃下制备了尺寸大小不同的焊点，焊点的剪切强度随保温时间的延长而提高，随焊点面积增大而降低；当保温时间达到 30min 以上、焊点尺寸小于 3mm×3mm 时，其剪切强度高于 70MPa，当焊点尺寸为10mm×10mm时仍有 20MPa 以上的剪切强度。
常见的纳米焊料除了纳米 Ag 外，对于纳米 Cu 的相关报道也有许多。Yoichi 等 [76] 在室温条件下，用水合肼还原乙酸铜(II)络合物的水溶液，成功获得平均粒径为 50~60nm 的纳米 Cu 颗粒(NPs)，利用金属掩膜及丝网印刷将纳米 Cu颗粒涂覆到玻璃基板上，并在 200 ℃ N 2 气氛下无压烧结 30分钟，测得烧结纳米Cu 电阻率为 16μΩ·cm，与以往研究相比该烧结温度下 Cu 电阻率非常低，Cu-Cu 接头剪切强度高达39MPa(TEM 图像见图 19)。由于纳米 Cu 极容易氧化生成 Cu 2 O 或 CuO，尽管氧化物能使烧结接头更为致密进而提高接头的剪切强度 [77] ，但对接头的导电率却是不利的。为了解决上述问题，Yu 等 [78] 提出了一种激光烧结工艺，将纳米 Cu 颗粒(100~120nm)涂覆在玻璃基板上并用激光进行烧结，烧结得到的样品电阻率最低为 5.3μΩ·cm，远低于 200 ℃热压烧结得到的样品电阻率(122μΩ·cm)。此外，王春青等 [79,80] 还提出了一种使用 Cu 6 Sn 5 纳米颗粒作为焊料，在 200 ℃低温、5MPa压强下烧结 20min 得到了界面均匀、无孔隙的 Cu-Cu 接头。Cu 6 Sn 5 具有熔点高达 415 ℃、与 Cu 基板的热膨胀系数几乎相同、导电导热性良好、抗剪切强度高等特点 [81] ，脆性的 Cu 6 Sn 5 通过纳米化的途径可以转化为非脆性、超塑性和耐高温的焊料，这种方法有望广泛应用于其他 IMC，如 Cu-Sn、Ni-Sn、Ag-Sn、Zn-Sn、Cu-Al等。
选用纳米材料作为连接材料时，可以降低封装温度并提高连接性能，此外还可以用金属膜、有机盐等包裹纳米颗粒，使颗粒表面改性形成纳米复合焊料。李明雨等 [82,83] 将纳米颗粒包裹上金属膜并与有机溶剂混合形成焊膏，其中一种使用 Sn 膜包裹纳米 Ag 颗粒 [84] ，并与 α-松油醇溶剂混合，在 0.5MPa 压强、260 ℃下烧结 20 min 得到了 Cu-Cu 接头，其剪切强度为 35.3MPa，电阻率为 9.5μΩ·cm，接头性能优于未使用 Sn 膜包裹的烧结纳米 Ag 颗粒 Cu-Cu 接头。何鹏等 [85,86] 使用柠檬酸盐包裹纳米 Ag 颗粒形成 Ag 浆，柠檬酸盐与 Ag 离子通过形成相关配合物(如[Ag 2+ citrate]或[Ag 3 (C 6 H 5 O 7 ) n+1 ] 3n− )来控制 Ag 颗粒成核和生长，柠檬酸盐的吸附作用还能防止颗粒的团聚，加之柠檬酸盐本身所具有的较低分解温度和缩聚作用为后续烧结提供了有利条件，在 260 ℃、1MPa 压强下烧结 30min 得到了剪切强度为 28.2MPa 的 Cu-Cu 键合接头。Ji 等 [87] 采用 Ag 包裹的纳米 Cu 颗粒(Cu@Ag NPs)作为焊料，在 160 ℃超声辅助烧结下实现了 Cu-Cu 低温
互连，180 ℃工作时该接头剪切强度高达 54.27MPa，比同等温度下热压烧结所得到的接头剪切强度(3.91MPa)高了一个数量级，且随着烧结温度的升高，接头断口的韧窝尺寸越来越大，Cu@Ag NPs 逐渐形成块状组织，其中 Ag 为网格结构均匀地分散在 Cu 基体表面(图 20)。Haque 等 [88] 使用辛硫醇包裹纳米 Cu颗粒并形成焊膏(10wt.% Cu)，将焊膏涂覆在玻璃基板上进行烧结，还原性 H 2 与纳米 Cu 颗粒表面的辛硫醇反应，促进了纳米 Cu 颗粒之间烧结颈的形成，从而使烧结致密度更高，H 2 环境下烧结得到的样品电阻率最低为 5.8×10 −6 Ω·cm。
电子封装中选用纳米材料作为连接材料时，运用纳米材料的结构和物化特性，可在较低的温度下达到金属熔点或实现原子扩散和再结晶形成连接，使器件的封装温度和性能得到大幅改进。但该类技术过分依赖纳米材料的制备，纳米材料的性质很大程度上决定了连接的可靠性，这也限制了该方法的推广，使其目前还处于不断研发改进中。
(3)混合焊料的研究
由于纳米材料优异的物化性能，使其广泛应用于电子封装领域。大量研究表明，纳米颗粒和微米颗粒混合可以同时弥补两种不同粒径焊料的不足之处，如纳米颗粒的加入可以使烧结接头更为致密，提高接头连接性能，而微米颗粒的加入可以减轻烧结时颗粒的团聚和裂纹的形成，因此以纳、微颗粒混合为主的混合焊料近年来也得到了广泛地研究 [89] 。梅云辉等 [90,91] 将纳米 Ag 颗粒(20~100nm)与微米 Ag 颗粒(1~5μm)以 1.5:1 的体积比例混合并加入机物制备成焊膏，在 265 ℃低温无压烧结条件下，得到了平均剪切强度和瞬态热阻抗分别为 53MPa和 0.132 ℃/W的 Ag-Cu接头，这与铜表面镀银得到的 Ag-Cu 接头数值(55 MPa 和 0.118 ℃/W)相当。Dai 等 [92] 将 Cu 纳米颗粒(40~60nm)与 Cu 微米颗粒(1~2μm)混合，加入17IPA(3-吲哚丙酸)并用匀质器处理成糊状浆料，与 Cu 微米颗粒焊料相比，混入了 Cu 纳米颗粒的混合焊料(混入比为 1:3)烧结孔隙率降低了 50%以上，且未观察到任何裂纹。甘贵生等 [93] 将 15%Cu 颗粒(500nm)、15%SAC0307 颗粒(500nm)与 70%Zn 颗粒(45μm)混合形成混合焊料，在 240 ℃低温、8MPa 压强与超声辅助 5s 的情况下得到了平均剪切强度高达 47.37MPa 的 Cu-Al 接头，Cu 颗粒的加入提高了主体焊料 Zn颗粒的高温耐氧化性，SAC0307 颗粒的加入降低了连接温度，同时使接头中 Zn 颗粒的连接更为紧密，对接头强度的提高有一定促进作用。Zuo 等 [94] 将纳米 Cu 颗粒(100 nm)与微米 Cu 颗粒(1µm)以 9:1 的质量比形成混合焊料，在 250 ℃低温、4MPa 压强下烧结 5min 得到了剪切强度超过 20MPa 的 Cu-Cu 接头。除了纳、微颗粒混合外，还可以在焊料中直接加入纳米材料 [95] ，如 Yakymovych 等 [96] 向 Sn-3.0Ag-0.5Cu 焊料中添加纳米陶瓷颗粒(SiO 2 、TiO 2 和 ZrO 2 )，在 250 ℃、300s 下成功得到了焊料成分不同的 Cu-Cu 接头，纳米陶瓷颗粒的加入抑制了连接界面处 Cu 6 Sn 5 的生长，改善了接头的微观结构。
除了纳、微颗粒混合形成混合焊料外，在瞬时液相连接(TLP)技术中，也常应用到混合焊料。瞬时液相连接(TLP)是在被连接母材中间加入低熔点的中间层，使中间层与部分母材表面反应，或在中间层中加入其它金属颗粒以及其它中间层形成混合焊料，在加热过程中中间层与母材部分熔化，通过重新凝固或扩散作用生成高熔点的金属间化合物或固溶体而形成连接的过程。一些研究表明在 TLP 键合过程引入 Ag作为低熔点中间层材料，会在焊缝中形成固溶体。Shao 等 [97] 应用 TLP 技术在 280 ℃低温下得到了 Ag-Sn接头，采用厚度为 20μm 的工业纯 Sn 箔作为焊料中间层，350 ℃时效 120h 后接头内的 Ag 3 Sn 晶粒或 ζ 相完全转变为 Ag-Sn 固溶体，接头剪切时发生韧性断裂；时效时间延长到 240h 后，Sn在 Ag-Sn固溶体层中的分布更加均匀；时效延长到 480h 后(图 21a)，Cu 衬底和 Ag 金属层之间的 Ni 缓冲层被完全消耗，Cu 或Ni 在初生 Ni-Sn 或 Cu-Sn IMC 中表现出相当大的溶解性，Ni-Sn IMC 逐渐演变为 Cu-Ni-Sn IMC，大量(Cu,Ni) 3 Sn 颗粒在接头边缘区域的 Ag-Sn 固溶体层内沉淀，并产生连续的 Sn 固溶体层内裂纹(图 21)；时效 1000h 后，接头没有发生严重的断裂，仍然具有约 40MPa 的高剪切强度。还有文献报道 [98] 在 Cu/Sn/Cu互连结构中引入低熔点的 Ag，在 300 ℃和 0.3MPa 压强下保温 420min 制备了由 Cu 3 Sn+Ag 3 Sn+Ag 4 Sn 组成的 TLP 接头；350 ℃老化 24h 后，Ag 3 Sn 完全转变为 Ag-Sn 固溶体, Cu-Sn IMC 层由 Cu 3 Sn+Cu 41 Sn 11 组成；时效 480h 后，Cu 3 Sn+Cu→Cu 41 Sn 11 的转变结束，当时效时间增加到 960h后 Cu-Sn固溶体在许多区域与 Ag-Sn 固溶体密切接触(图 22)，在时效近 1000h 后，接头仍然保持较高的剪切强度(>40MPa)，表明接头具有良好的热可靠性。
在 TLP 键合过程中，焊缝中除了形成固溶体能强化接头性能外，当其中一组元的含量超过其在另一组元中的溶解度时，就会有中间相析出而形成金属间化合物(IMC)。虽然焊缝中形成固溶体或金属间化合物都能强化接头，但固溶体的强度、硬度、熔化温度(和服役温度正相关)比金属间化合物略低，故国内外对金属间化合物接头进行了广泛的研究。按照 IMC 在焊缝中的含量，可以将 TLP 接头分为部分 IMC 接头和全 IMC 接头。Tatsumi 等 [99] 将 SAC305 颗粒(3μm)和 Cu 颗粒(10μm)以 1:3 的比例与有机物混合制备成低熔点的中间层，在 250 ℃无压情况将 Kovar 芯片(Ni-Co-Fe 合金)与 Cu 基板直接连接，在 200 ℃热时效1000h 后接头的剪切强度保持在 19MPa 以上，最终焊缝由 Cu 颗粒、Cu 6 Sn 5 和 Cu 3 Sn IMC 组成。Mo等 [100]采用 TLP技术在 200 ℃低温下制备了 Cu-Sn IMC 接头，随着样品在最高温度时保持时间的增加，IMC 接头的显微组织逐渐由 Cu 6 Sn 5 相转变为 Cu 3 Sn 相，并最终形成 Cu 3 Sn 全 IMC 接头。Brincker等 [101] 在 CuCu间加入低熔点的 Sn，255 ℃下 TLP 键合 10min 时形成 Sn+Cu 3 Sn+Cu 6 Sn 5 部分 IMC 接头，60min 以上时形成 Cu 3 Sn+Cu 6 Sn 5 的全 IMC 接头，接头剪切强度平均值在 90~95MPa 之间，且结合时间越长接头强度越高。邵华凯等 [102] 采用尺寸分别为 10mm 和 6mm，高度为 5.5mm 的纯 Cu 柱作为基板，并分别在待连接面电镀4μm Sn 层作为低熔点的中间层，将 Cu/Sn(8μm)/Cu 结构在 300 ℃和 0.1MPa 压强下进行低温瞬时液相连接(LTTLP)， 接 头 剪 切 强 度 随 着 连 接 时 间 的 增 加 先 增 加 后 保 持 不 变 ， 接 头 依 次 由 Sn 型接 头(Cu/Cu 3 Sn/Cu 6 Sn 5 /Sn)向 Cu 6 Sn 5 型(Cu/Cu 3 Sn/Cu 6 Sn 5 )再向 Cu 3 Sn型(Cu/Cu 3 Sn)转变。
直接形成全 IMC 接头的研究也有很多，如董红杰等 [103] 采用厚度 40μm 的纯 Sn 焊料作为低熔点的中间层，在 Ni 和 Cu 基板间实现了低温瞬时液相连接，延长等温反应时间获得了完全由(Cu,Ni) 6 Sn 5 和 Cu 3 Sn两种 IMC 组成的焊接接头，在 Ni-Cu TLP 接头的 Sn/Ni 和 Sn/Cu 界面处均形成了(Cu,Ni) 6 Sn 5 ，从 Ni 侧到Cu 侧化合物形貌依次是小颗粒状、针状和扇贝状，接头具有 418.4 ℃的重熔温度和 49.8MPa 的平均剪切强度，能够满足高温功率器件封装中对耐高温互连的需求。Liu 等 [104] 研究了超声辅助 TLP 连接快速形成Cu-Sn 全 IMC 接头，焊料夹层由厚度为 20mm 的低熔点单一纯 Sn 箔制成，与传统 TLP 连接工艺形成的IMC 接头相比，该接头 Cu 6 Sn 5 晶粒明显细化，平均尺寸为 3.5mm，弹性模量和硬度分别约为 123 GPa 和6 GPa，剪切强度高达 60.1MPa。Sun等 [105] 将具有微孔的 Cu 片(厚 1mm)浸渍到液态 Sn 中制备成混合焊料从而作为低熔点的中间层，在 300 ℃和 0.6MPa 压强条件下，Cu/Cu 3 Sn/Cu 全 IMC 接头平均剪切强度高达155MPa。Hwang 等 [106] 采用 TLP 技术使用 SAC305+10wt.%Ag 颗粒作为低熔点中间层，在 300 ℃低温无压条件下保温 2h 制备了无孔洞的 Cu/Cu 6 Sn 5 /Cu 3 Sn/Ag 3 Sn/Cu 全 IMC 接头，其接头剪切强度是 SAC305 接头的 2.5 倍，两种接头的形成如图 23 所示。Liu 等 [107] 采用含有微晶 Cu 颗粒(6.2μm)的 Sn 涂层(50μm)作为低熔点中间层，在 300 ℃低温无压条件下获得了 Cu/Cu 3 Sn/Cu 全 IMC 接头，未老化接头的剪切强度为24.2MPa，高于传统 Pb-5Sn 焊料接头的剪切强度。
随着半导体技术的发展，第三代半导体可以实现电子器件在 200 ℃以上稳定工作。当服役温度高于200 ℃时，绝大多数合金焊点的抗疲劳性能和抗蠕变性能均无法满足宽禁带半导体器件的封装可靠性要求，故急需发展新型的耐高温连接技术和材料；瞬时液相连接能使低熔点中间层熔化并与高熔点母材形成连接，很好地契合了第三代半导体材料的封装需求，因此广受行业关注。瞬时液相连接是介于钎焊与固相扩散焊之间的一种连接方法，其原理是在待焊母材中间加入中间层，利用中间层熔化、中间层体系间或中间层与母材之间发生共晶反应形成的液相填充间隙，通过液相组元向固态母材中的扩散实现等温凝固和成分均匀化。TLP 技术的中间层材料必须具有较低的熔点，常用的低熔点材料有 Sn 、Bi 以及 In 等元素，能与这些元素形成高熔点金属间化合物的有 Cu 、Ni、Ag 以及 Au 等元素。所以，TLP技术可以实现材料的低温连接和高温应用，是封装宽禁带半导体器件的可行技术，且该技术连接得到的接头性能优异，而且适合连接特殊材料，如单晶材料、先进陶瓷、金属基复合材料等。但该技术也有存在一些明显的缺点，如连接半导体器件需先在母材表面镀覆金属，增加了成本和工序；连接时保温时间较长，而且连接完成后往往还需要退火处理；虽然耐高温能力相比传统焊料合金有明显提高，但是脆性的金属间化合物的高温可靠性仍存在隐患；工艺控制方法略微复杂，需要避免反应不充分或者过反应；低熔点的中间层材料的选择较少，导致混合焊料种类单一，所以应用也受到了较大限制。
2.3 低温封装方法的研究
(1)超声互连技术的研究
超声互连具有连接时间短、温度低、压力小、接头导电性能和机械性能好、对环境友好等众多优点，广泛应用于电子封装领域。它的原理包括：①当超声波作用于液体(或熔体)焊料时，液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和而从液体中逸出，形成小气泡，这些小气泡在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生的冲击波可形成瞬时的高温高压，使得某些在常温常压条件下不能够发生的化学反应得以进行，或使一些本来熔点较高的焊料局部熔化并形成结合，这种作用称为超声的空化效应 [108] ；②当超声波作用于固体焊料时，在超声震荡作用下，焊料与母材发生激烈碰撞，倘若焊料是固体颗粒则将加速破除氧化膜，超声的高能量和焊料颗粒的高活性引发并加速界面反应。超声互连技术能在一定程度上改善封装温度与接头连接性能，目前关于超声互连技术的研究很多，在电子封装领域主要集中在 Al [109] 和 Cu [110,111] 等金属材料基板以及陶瓷材料 [112] 等方面。
关于超声波作用于液体(或熔体)焊料的研究，相关报道有许多。对于陶瓷与金属的互连，Kolenak 等[113] 使用 Zn-Al-Mg 焊料将 AlN 与 Cu 基板在 370 ℃温度下通过超声作用直接连接，其接头是由于活性的Zn、Al 和 Mg 与 Cu 基板表面相互作用而形成的，没有形成新的过渡相，使用 Zn-5Al-3Mg 焊料形成的AlN-Cu 接头最大剪切强度为 47MPa，使用相同焊料形成 Cu-Cu 接头的最大剪切强度为 93MPa。Wu 等 [114]采用 Sn-Zn-Sb 焊料，在 250 ℃低温超声辅助下完成了 Al 2 O 3 陶瓷与 Cu 的连接，Al 2 O 3 /Sn-Zn-Sb 界面无反应层，焊料填充陶瓷表面的凹槽，形成了牢固的机械结合，接头剪切强度达到了24.79MPa。上述研究虽然在低温下实现了陶瓷与金属的互连，但陶瓷与金属间未实现冶金结合，这可能导致接头强度不稳定。对此，Xu 等 [115] 在 250 ℃低温、超声辅助 0.5s 的条件下得到了蓝宝石与 Sn-3.5Ag-4Al 焊料的连接接头，超声辅助焊接之前，先在不同时间的超声波热浸下制作接头，在焊接过程中，当超声热浸时间为 10~50s时，接头的剪切强度从 14MPa 迅速提高到 25MPa；在强化过程中，随着超声热浸时间从 100s 延长到300s，接头的剪切强度从 32 MPa 缓慢提高到 40MPa。Wu 等 [116] 在 250 ℃低温超辅助作用下，使 SiC表面由于高温氧化而形成的 SiO 2 与 Sn3.5Ag4Ti 活性焊料中的 Ti 发生反应，在界面处形成纳米厚度的非晶SiO 2 -Ti 层，促进了两种不同晶体之间的结合，其接头的剪切强度约为 28MPa；当使用 Zn-5Al-3Cu 焊料[117] 、Sn-9Zn-2Al 焊料 [118] 以及 Zn-Al-Mg 焊料 [119] 时，同样采用超声辅助对 SiC 进行低温连接，均能得到较高剪切强度的接头。
除了陶瓷与金属的连接外，超声互连技术也广泛应用于金属之间的连接。Ji 等 [120] 使用 Sn-0.7Cu 焊料，在超声辅助 250 ℃低温、0.2 MPa 压强的条件下成功连接了 Cu 与 SiC(镀层为 Ag、Ni)，当超声辅助 5s时接头的剪强度达到最大值 80.7 MPa；当超声辅助 10s 时得到了由 8μm (Cu,Ni) 6 Sn 5 和 1.5μm Cu 3 Sn 组成的全 IMC 高性能接头，虽然接头强度略微降低到 69.0 MPa，但该接头拥有比传统回流焊接头更高的熔点、导热率和机械强度。Bi 等 [121] 在 140 ℃低温空气中实现了纯 Cu 与 Sn-In 焊料的超声辅助瞬时液相连接，超声 30s 时接头剪切强度达到最大值 22.76 MPa，通过观察断口发现，断裂发生在细晶 Cu 6 Sn 5 的表面，脆性断口部分被粗晶 Cu 11 In 9 覆盖。Yi 等 [122] 采用泡沫 Cu 作为强化结构，250 ℃时 Cu 基体与泡沫 Cu/SAC305复合焊料层之间形成了良好的冶金结合，超声空化效应引起的晶粒细化显著地提高了焊点的剪切强度，泡沫 Cu/SAC305 复合焊点的剪切强度高于 SAC305 焊点。
当超声波作用于固体焊料时，能使焊料颗粒与母材发生激烈碰撞，加速破除氧化膜，超声的高能量和焊料颗粒的高活性引发并加速界面反应。Ji 等 [123] 将 40μm Sn 颗粒与 10μm Ni 颗粒通过机械混合后作为焊料，在超声辅助、250 ℃低温和 0.4MPa 压强下成功得到了 Ni-Ni 接头；随着 Ni 颗粒的加入接头中Ni 3 Sn 4 的含量逐渐增加，当 Ni 含量达到 24wt.%时接头几乎由单一的 Ni 3 Sn 4 组成，接头剪切强度达到 43.4MPa。甘贵生 等 [11,124-126] 采用 45μm Zn 颗粒与 20~38μm SAC0307 颗粒混合形成焊料填充接头的新方法，在超声辅助、220 ℃低温下成功实现了 Cu-Cu 的低温互连，接头剪切强度达 34.2MPa，在 150 ℃时效 6h 后剪切强度降低到 23.82MPa，12~48h 后降至 21~22MPa，96h 后降至 16.58MPa。此外，他们还通过向SAC0307 焊膏中加入 0.5%的纳米 Ni 颗粒(80nm)来提高接头的连接性能 [127,128] ，在超声辅助 5s、210 ℃低温的情况下得到了剪切强度高达 41.20MPa 的 Cu-Cu 接头，较 SAC0307 焊膏得到的 Cu-Cu 接头剪切强度(31.59MPa)高出了 30.4%。为了进一步探究超声作用于固体焊料时的最佳超声工艺，Jiang 等 [129] 采用双超声工艺，使用 40%Zn+60%SAC0307作为焊料在 220 ℃的低温下成功实现了 Cu-Al 异质材料的高质量互连，与单超声辅助互连相比，双超声工艺下所得到的 Cu-Al 接头焊缝中 IMC 更加平整，组织更加均匀，接头的平均剪切强度比单超声接头提高了约 18%。
此外，超声互连技术在电子封装领域的另一个重要应用是超声引线键合，该技术利用压力和超声振动得到高可靠性互连，从 20 世纪 60 年代起，电子封装市场就一直被这项技术所主导。该技术可在超短的时间内(数十到数百毫秒，取决于引线直径和材料)实现高质量互连，引线/基板界面会出现非常复杂的物理现象。由于这些现象的动态变化、较短的处理时间和封闭的界面，经过几十年的使用，对其潜在机制仍缺乏很好的理解。根据最新的研究 [130-132] ，超声引线键合过程可分为四个阶段：在第一阶段，由于压力的作用，金属丝首先发生塑性变形，超声振动被激活，但只要振幅不够大，导线仍粘在基板上；第二阶段中，当振幅超过阈值时，导线和基板之间开始摩擦；第三阶段为软化阶段，此时引线与基板界面发生连续塑性变形并形成微焊缝；在第四阶段中，界面形成微焊缝，发生互扩散现象。
超声互连技术主要是运用超声波在液体或熔体中产生的空化效应和在固体中对固体焊料颗粒以及母材表面氧化膜的破除作用，所以在连接过程所需额外施加的温度较低，这与电子封装的低温化发展趋势完美契合，其优点主要有：可连接材料范围广，不受材料本身性能的限制，如 Al、Cu、Mg 等金属和 SiC、Al 2 O 3 等陶瓷以及一些复合材料的连接均可使用；连接性能优异，接头强度较高，还可通过向焊料中加入增强相如 [133] ：纳米金属粒子、陶瓷粒子、碳纳米管、石墨烯等来优化连接性能；连接过程中不需要对母材进行特殊的表面处理，不需要添加助焊剂，焊点牢固可靠、力学性能优异；可数字式控制连接工艺，能减少连接缺陷，提高生产效率，降低生产成本等。
(2)飞秒激光技术的研究
飞秒激光作为一种先进的加工技术，以其“冷加工”、多光子非线性效应、突破衍射极限等特质可实现对任意材料由微纳到宏观尺度复杂三维零件的精密加工，在微纳和精密机械、微纳电子、微纳光学、表面工程、生物医学等领域展露了巨大的市场应用前景 [134] 。飞秒激光应用于电子封装领域主要有两个作用，一是用于制备连接母材表面的微纳结构，这是利用了飞秒激光超短的脉冲持续时间和极高的辐照强度，通过调整激光功率、扫描速度和扫描间隔等加工参数，可以对材料表面进行处理或改性，进而方便地在材料表面制备出微纳结构。例如，Wang 等 [135] 提出了一种提高界面结合强度的有效方法，即利用飞秒激光在 Cu 表面制备 Cu 微锥阵列(锥形高度约为 55~60µm，两个相邻锥形之间的距离约为 50~60µm)如图 24 所示，中间焊料使用烧结纳米 Ag 浆，在较低的连接温度和外加压力下纳米 Ag 浆很容易烧结成型，并与 Cu微锥阵列形成良好的结合，基于接触面积的增加和机械互锁作用，260 ℃下得到的低温互连接头的剪切强度达 65.53MPa。在文献 [136] 中，研究者提出了一种利用飞秒激光制作微锥阵列和 Ag-Zn-Cu 金属间化合物作为辅助材料键合 Cu 的方法，微锥阵列引起的接触面积增加以及金属间化合物生长引起的机械锁紧作用对键合接头提供了更好的机械性能，在 300 ℃低温、30min 保温时间下得到的接头剪切强度可达 120MPa。Zhai 等 [137] 利用飞秒激光在 SiC-SiC 表面加工微槽结构，制备环境阻隔涂层(EBCs)，飞秒激光加工微槽结构拓宽了 EBCs 与 SiC-SiC 表面的接触面积，在 EBCs 与 SiC-SiC 表面之间形成了互锁结构，结合强度可提高约 5.5%，达到临界负荷的时间延长了 11.2%。Chen 等 [138] 使用不同扫描速率的飞秒激光刻蚀 Al-Li 合金表面，在扫描速率为 25、20、15、10 和 5 mm/s 时，样品的表面自由能分别提高了 133%、170%、192%、169%和 95%，样品的结合强度分别提高了 81%、95%、107%、91%和 78%。Jiang 等 [139] 提出了一种基于飞秒激光制造材料表面微纳结构的方法来提高 W-Cu 接头的连接强度，首先采用飞秒激光烧蚀法在W 表面设计并制备了 4 种表面结构即原始结构、纳米纹波、微立方阵列和微坑阵列，然后通过热压连接得到 W-Cu 接头，经过飞秒激光表面处理的 W-Cu 接头结合强度达到了 120.43MPa，高于未经过飞秒激光烧灼处理的接头强度(101.58 MPa)。
飞秒激光应用于电子封装领域的第二个作用是利用激光产生的巨大热量，达到瞬时加热的目的，激光瞬时加热具有功率密度高、加热迅速和热影响区小等优点。Jang 等 [140] 使用激光辅助键合技术(LAB)将Cu 凸点与 Si 晶片进行连接(图 25)，在 LAB 过程中 Si 晶片所吸收的激光光能被转换为热能，然后热量通过晶片传导到下方的 Cu 凸点和 SAC305 焊料中，将焊料瞬间加热至熔化温度，而后冷却至室温完成键合。Liu 等 [141] 使用激光辅助烧结纳米 Ag 颗粒的方法键合 Si 片与 Cu 衬底(图 26)，增大外加压力、激光功率、烧结温度以及辐照时间可直接提高接头的剪切强度，在 3MPa 压强、70W 激光功率和 1min 极短辐照时间下键合接头的剪切强度达到了 10MPa，5min 时剪切强度可达到 20MPa，与常规几十分钟烧结所得到的接头剪切强度相当。Furuya 等 [142] 采用激光功率为 6kW、移动速度为 200mm/min，在 15L/min 流通量的 Ar气保护下实现了 Al-Cu 激光钎焊，焊料中加入 Ni 后接头强度由原来的 61MPa 提升到 100MPa。Kim等 [143]提出了一种快速、高效的玻璃(熔融 SiO 2 )微流体器件制造工艺，玻璃基板在氢氟酸(HF)中 刻蚀
20~30min后再使用脉冲能量为 2.7µJ、移动速度为 20mm/s 的飞秒激光对其进行连接，其接头可承受至少 1.4MPa 的压强且没有任何泄漏或破裂，这比传统的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻璃接头或PDMS/PDMS 接头所能承受的最大压强高 3.5 倍。Richter 等 [144] 使用超短飞秒激光焊接熔融 SiO 2 ，他们将飞秒激光脉冲聚焦到两个接触的熔融 SiO 2 样品界面上，激光在聚焦位置产生瞬时局部热量，优化工艺参数后得到的 SiO 2 接头达到了 SiO 2 块状材料破断应力的 75%。Chambonneau 等 [145] 采用皮秒超快激光对 Si、Cu 进行连接，减少了 Si 的非线性效应，在 9.8ps的脉冲持续时间下获得了剪切强度为 2.2MPa的连接接头。Penilla 等 [146] 采用不同脉冲长度的激光进行 ZrO₂陶瓷之间的连接(图27)，发现采用飞秒脉冲长度的中转速(50(°) s −1 )连接的接头剪切强度最低约为 7MPa，使用皮秒脉冲长度的低转速(30（°）s −1 )得到的接头剪切强度平均为 17MPa，使用皮秒脉冲的中转速(50(°) s −1 ) 得到的接头剪切强度约为 40MPa，获得的接头最高剪切强度与700~900 ℃的高温下陶瓷与金属的扩散连接获得的接头相当。
(3)局部加热技术的研究
局部加热技术是指在封装过程中使热量仅集中在键合区的微小局部，虽然有部分热量从加热键合区传导出来，但由于加热时间短，热容量有限，衬底仍然保持低温，这能有效避免了高温对温度敏感部件的不利影响，降低了键合热应力，从而提高了封装质量和成品率。此外，局部加热也降低了整体加热封装过程中母材间的杂质扩散，提高了器件性能。Sosnowchik 等 [147] 在 Si 表面用 Au、Ag、Ni 以及 SAC305焊料作为涂层，使用局部感应加热将 Si 与钢进行连接，结合过程仅用时 3~5s 且不会破坏钢的表面处理工艺。Chen 等 [148] 选择合适的高频电源频率和优化感应线圈，仅在几秒钟内实现了密封封装的快速选择性感应加热，整个加热过程中只有局部区域(包括盖、金属环和焊环)能被有效加热到预定温度以熔化焊料，而陶瓷封装体和芯片保持在低温状态下，有效避免高温对温度敏感的芯片或电路造成的损坏。Liu 等 [149] 提出了一种通过电磁感应线圈局部加热的新型陶瓷封装方法，高频(f=350kHz)感应加热时焊料回路附近的温度在几秒钟内就能达到 320 ℃，而陶瓷底部的温度仅为 100 ℃，从而避免了陶瓷封装体内部温度敏感元器件和集成电路的高温损坏，接头的剪切强度最高达到了 13.96 MPa。Peng 等 [150] 报道了一种在 Ag 纳米线膏与 Cu 衬底连接过程中的自发局部加热机制，局部加热机制去除了焊膏中的有机化合物并增强了 Cu-Ag、Ag-Ag 之间的金属键合，在低温无压条件下接头剪切强度为 5.7 MPa，且在 101.3nOhm·m 范围内表现出超低电阻率。还有文献 [151] 报道了一种晶圆级封装的局部感应加热方法，探究发现焊料环边缘宽度(0.1~0.5mm)越大，加热速度越快，焊料环与环中心的温差约为 180 ℃，说明该方法具有明显的局部加热效应。
微机电系统(MEMS)是在日常生活中广泛应用的微尺度器件，其大量应用于生物医学、汽车和航空航天、通信、电力和能源等方面。Yang 等 [152] 报道了一种用于 MEMS 器件晶圆级封装的新型键合方法如图28 所示，采用电磁线圈对 Si 衬底上的电镀磁膜(Ni-Co 合金)进行局部感应加热，当温度达到 183 ℃时，Ni-Co 合金表面的 Sn-Pb 镀层熔化，在 1min 内就能得到剪切强度高于 18MPa 的 Si-Si 键合接头，充分减少了高温对 MEMS 器件带来的影响。目前，MEMS 器件的典型设计原则是其组件表面避免接触，因为接触表面摩擦所产生的粘滞现象对于器件来说是致命的。对此，Gkouzou 等 [153] 在 MEMS 设备上加入了感应线圈，对其接触表面进行局部加热，只需将一个表面加热到 300 ℃以上，就可以将表面的粘附力从500nN 降低到 200nN，在降低表面粘附力的同时还保证了 MEMS器件不受到高温的影响。
(4)其它连接工艺
搅拌摩擦钎焊是以表面摩擦热为热源，采用无搅拌针工具并辅之以能与母材反应的钎料，能以冶金反应(共晶反应为主)代替塑性流动实现去膜并拓宽焊幅，是搅拌摩擦搭接焊与钎焊的改进工艺，能解决搅拌摩擦搭接焊存在的搅拌针磨损、匙孔、焊幅狭窄、钩状缺陷等问题。甘贵生等 [154-156] 采用搅拌辅助低温(半固态区间)钎焊技术，在 222 ℃的低温下制备了 Sn-0.68Cu-0.45Ag＋1%Ni 颗粒(80nm)纳米复合钎料钎焊接头，机械搅拌在破碎树枝晶和加速元素扩散的同时降低了液相的温度梯度和成分过冷，大大削弱了钎料基体中金属间化合物 Cu 6 Sn 5 的枝晶生长，促使针状 Cu 6 Sn 5 破碎呈短棒状，接头剪切强度从 26.56MPa 提高到 32.64 MPa，提高了 22.9%。Daly 等 [157] 采用永磁搅拌(PMS)来改变 Sn-2Ag-0.5Cu(SAC205)焊料的晶体织构和耐蚀性，PMS处理后 SAC205 焊料的腐蚀速率从 31 mpy 显着降低至 8 mpy，PMS 将层状结构转变为等轴晶。
脉冲电流键合 [158] ，又称火花等离子烧结，常用于激光透明材料或大尺寸材料的连接，键合过程如图29。该技术是通过脉冲电流与压力在真空中的共同作用降低键合温度，工艺参数包括键合高度、施加压力和加热速度等。Lin 等 [159] 首次使用摩擦电纳米发电机(TENG)来驱动阳极键合，虽然阳极键合技术已广泛应用于微机电系统(MEMS)封装或太阳能电池封装，但是传统的键合电源需要高电压和大电流，在键合过程中产生了巨大的能量损耗，限制了阳极键合的广泛应用。基于 TENG 的阳极键合系统具有更低的电流和更少的转移电荷要求，在 350 ℃和 TENG 的驱动下，100 mm 2 的 Si/玻璃界面可以在 30s 内紧密结合，剪切强度为 15.38 MPa，而利用 TENG 驱动的两步阳极键合法得到的 Si/玻璃/Si 接头可靠性良好，最大剪切强度达到了 8.49 MPa。Xin 等 [160] 使用脉冲电流键合(SPS)，成功实现了 Cu 纳米晶与 Si 3 N 4 (Ti 镀层)的连接，由包含 Ti 4 Cu 2 O (Ti 3 Cu 3 O)的 Cu 层和 Ti 2 O 层所形成的两层结构的接头具有最好的结合性能，剪切强度达到了 42.93N/cm 2 。
3 总结与展望
为了延续甚至超越摩尔定律，电子元器件的封装密度不断提高，这也导致其功率以及服役温度不断提高，传统的电子封装技术已很难满足电子元器件“低温封装，高温服役”这一要求。采用低温电子封装技术能够解决电子元器件在封装过程中，因温度过高而引起的可靠性问题，同时还能满足其在高温环境下稳定服役。但是如何提高电子元器件长期高温服役条件下的可靠性，以及采用低温电子封装技术时接头剪切强度不够高、稳定性不够好，或工艺困难、成本偏高、技术是否为环境友好型等问题，还需要研究者们不断探索。
(1) 存在的问题
在母材方面，表面活化是利用高能粒子轰击使母材表面的有机物及杂质在真空环境下分解实现母材表面能量降低，进而实现母材间键合，可应用于陶瓷材料与陶瓷材料、金属材料与金属材料、金属材料与陶瓷材料之间，但对氧化物类材料像 SiO 2 、石英等不适用；表面活化所形成的接头键合强度较低，可进行退火处理以提高强度，但较高的退火温度可能导致材料热变形，故一般使用在母材上沉积附着层的方法来提高键合强度，然而该方法存在需要极高真空系统、设备昂贵、大规模生产成本较高等缺点。母材表面纳米化是在母材表面溅射纳米连接层或形成纳米尺寸结构，在纳米结构上涂覆纳米材料或在母材表面直接生成纳米材料，利用纳米材料特殊的物化性质达到降低封装温度目的；但具有极高表面能的纳米材料极易氧化，在连接前就有可能发生聚合，过分纳米化会导致氧化反应更为严重，氧化物更难去除，同时其制备工艺和成本也不利于大批量生产。SAM 使用自组装单层膜作为母材表面的临时保护层，可防止母材在空气中快速氧化和污染，表面处理工艺简单、成本低廉，但若要使 SAM 达到更好的防氧化目的，只能选取链长更长的单层膜，这就势必增加了完全去除烷烃硫醇的难度，其相关研究还有待深化。
在焊接材料方面，纳米材料或纳米复合焊料是利用纳米材料的体积效应、表面效应、量子尺寸效应等实现材料极高表面能和熔化温度降低，进而实现低温互连；由于纳米颗粒进行烧结会施加一定的压力，可能会对电子器件造成损伤，为了减少压力带来的副作用，需要选用无压烧结的方式进行封装；纳米材料或纳米复合焊料所得到的接头强度较低，为了增加强度，一般采用具有纳米形貌的块体材料作为连接层，或者直接对母材表面进行纳米化处理。低温焊料是利用焊料本身的低熔点特性实现低温互连，但 Sn-Bi 合金较脆、Sn-In 合金较软；为了改善低温焊料性能，向其中加入一些其他物质，如合金元素、稀土元素或纳米材料等，起到细化合金内部结构，减小 IMC 尺寸，增加焊料湿润性的作用，一定程度上也提高了接头强度。纳米-微米颗粒混合焊料，纳米颗粒可以使烧结接头更为致密，而微米颗粒可以减轻烧结时颗粒的团聚和裂纹的形成；在被连接母材中间加入低熔点的中间层，使中间层与部分母材形成混合焊料的瞬时液相连接，在加热过程中中间层与母材部分熔化，通过重新凝固或扩散作用生成高熔点的金属化合物而形成连接，该方法连接形成的接头性能优异，而且适合连接特殊材料，如单晶材料、先进陶瓷、金属基复合材料等，但由于中间层材料的选择较少，导致混合焊料种类单一，所以应用受到较大限制。
在封装方法方面，当焊件的厚度及硬度较高时，超声互连所需功率呈指数增大，因而增加了工艺成本；一般情况下，将超声与其他技术合理组合、搭配使用，或者将超声作为辅助手段，以其它封装技术为主，可以最大程度地降低工艺成本，提高连接强度。飞秒激光技术的激光峰值功率高，容易引起材料解离，且热效应小，加工精度高，在材料精密加工方面有独特的优势，应用范围广泛；但精确选取激光参数仍具有较大难度，技术和所需设备加工成本较高，对材料精确加工控制技术要求也较高，限制了技术的广泛推广；激光瞬时加热封装技术是指在封装过程中使热量瞬间提升以达到封装需求，其加热功率密度高、加热稳定且热影响区小，但该方法需要样品对激光透明，还需要对准激光，工艺较复杂，难以批量生产。局部加热封装技术是指在封装过程中使热量仅集中在键合区的微小局部，利用了感应线圈、微波等加热方法，有效避免了高温对温度敏感部位的不利影响，降低了键合热应力，从而提高了封装质量和成品率；但仍存如感应加热需要额外布置加热线，增加了工艺的复杂性，以及微波加热设备昂贵且必须在真空下进行等。
(2) 发展方向
在母材方面，无论是表面活化还是表面纳米化，都能起到改性母材表面的目的，但基于昂贵的设备、冗长的制造工艺及易氧化的特性，较高的生产周期和成本不利于大规模生产；基于 OSP 焊盘的制备先例，在母材表面制备临时保护层的 SAM，表面处理工艺简单、成本低廉，若能选取链长更长的易去除的单层膜，势必会加快应用进程。
在焊接材料方面，烧结纳米 Ag、纳米 Cu 或纳米 Cu 6 Sn 5 等及其改性纳米焊料(或焊膏)，能够实现低温烧结连接，但由于纳米颗粒极易氧化，烧结之后容易产生空洞等缺陷，其长期可靠性没有得到充分的验证，制约了其大规模推广；Sn-Bi 低温焊料熔化温度较低，但 Sn-Bi 低温焊料太脆及 Bi 偏析问题始终无法解决，加之其不具有高温服役特性，故只能用于极个别场合；纳米-纳米、纳米-微米颗粒混合焊料，充分发挥纳米和微米颗粒的特性，实现两者性能的互补，具有一定的应用基础，但纳米颗粒氧化、颗粒团聚和混合不均匀是其必须的克服问题；加入低熔点的中间层与部分母材形成混合焊料的瞬时液相连接，在较低的连接温度下通过扩散生成具有高熔点金属化合物焊点，焊点具有较好的高温热可靠性，具有较好的发展前景，但生产过程中其扩散时间往往无法承受，若能选择合适的扩散元素并加快其扩散进程，必将推动瞬时液相连接焊料的应用。
在封装方法方面，感应加热、微波加热、飞秒激光、脉冲电流等都是利用瞬态或局部加热实现焊缝处快速温升，而母材温升变化不明显的特点，使焊料在极短时间内熔化从而实现连接，这对加热方式和能量密度提出了新的要求，同时较大的温度梯度会造成材料间膨胀不匹配增加开裂和应力集中的风险。超声和机械搅拌，是通过加快焊料颗粒(或熔体)的运动和碰撞，加速原子运动迁移的同时，实现焊料颗粒与母材的碰撞去膜、甚至产生局部热效应进而实现连接，降低焊接温度作用明显，但机械搅拌造成外来颗粒的混入和气孔缺陷无法克服，超声搅拌具有与焊缝非直接接触的优势能很好的克服上述问题，具有较好的应用前景。
解决某一个技术问题从来都不是孤立的方案，只有从母材、焊材及焊接方法同时入手，才能达到最佳技术效果。作者近期提出采用微米级混合焊料并辅以超声振动，在低温下(180 ℃)实现了 Cu-Cu 固相互连(见图 30)，焊点剪切强度达 29.76MPa，完全能满足封装需要。项目通过焊料颗粒化，焊前保持不同焊料独立的物理属性，低温焊接时复合焊料颗粒间通过形成固溶或共晶或形成 IMC 实现颗粒间连接；超声加速碰撞破除母材表面的氧化膜，加速颗粒迁移运动进而加快原子扩散，实现焊料和母材间结合。该方案焊料颗粒为微米级故而不易氧化，焊前颗粒不发生反应和熔合因而具有振动的最大自由度，焊接过程中无需助焊剂，超声振动下颗粒混合更加均匀，焊缝质量高，具有较好的研究和应用前景。
来源：半导体封装工程师之家； 作者：黄天 甘贵生 等
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