超快激光沉积疏松纳米复合材料及其高温高可靠性连接应用

SiC power electronics can be used above 300℃. It will significantly enhance the performance and reliability of electric vehicle, high speed train, smart electric grid, etc. However, the bonding technology of the SiC chip die attach is still a global problem. This project proposes a new technology: Ultrafast laser deposition of nanocomposite film with loose network structure for high reliability bonding. The nanocomposites thin film are directly deposited on the SiC die surface. The nano size effect allows for low temperature bonding (<300℃)and high temperature service (300℃). The loose network structure has excellent plastic deformation, making the material fill the bond gap. No organic materials in the bonding interface make it has no gases trapped. This technology is controllable (deposition), broad material selection (ultrafast laser can ablate almost any solid material), low cost (only bulk material as consumable) and semiconductor compatible. This project contains the whole process chain, including material preparation, bonding process, and reliability test. The research contain includes the mechanisms of nanocomposites material deposition, deformation, bonding, fracture and reliability.

SiC功率电子器件有望在300℃以上使用，可大幅提升新能源、高铁、智能电网等领域关键器件的性能和可靠性，但耐高温芯片的连接仍是国际上尚未解决的难题。本项目提出利用超快激光烧蚀制备纳米复合材料，将其直接沉积到芯片待连接表面，保留其纳米尺度特征并形成疏松多孔结构，利用其纳米尺寸效应实现低温连接（<300℃）高温服役（>300℃），利用其纳米复合材料中的增强相调控热膨胀系数进而提高器件可靠性，利用其疏松性实现连接层的塑性变形进而自适应填充，同时不存在焊膏中的有机物进而将大大降低连接层中的气孔率。该电子封装材料制备与连接新方法的优势是：增强相均匀性和比例可控（在线可控沉积）、材料选择宽（超快激光可烧蚀几乎任何材料）、成本低（耗材仅为宏观材料）、半导体工艺兼容。项目从材料制备、连接工艺、可靠性三方面形成工艺链闭环，从疏松纳米复合材料制备原理、变形机制、连接及断裂机理、老化失效等多角度进行基础研究。

SiC功率电子器件有望在300℃以上使用，可大幅提升新能源、高铁、智能电网等领域关键器件的性能和可靠性，但耐高温芯片的连接仍是国际上尚未解决的难题。项目提出了超快激光沉积疏松多孔纳米复合材料用于芯片连接的新方法，实现了芯片的低温连接（250℃）高温服役（300℃），在300℃高温保存1000小时后接头强度仍满足美国军标。在沉积层设计方面超薄Ag层有效提高了复合材料的连接强度，在材料体系设计方面开发了连续多孔Ag+树脂填充纳米复合材料实现了高导热低杨氏模量，在热性能方面开发了人工智能导热率预测技术实现了误差为10%的导热率预测。相关衍生技术已写入华为公司标准流程SOP。项目拓展了疏松复合纳米材料的应用，创新性地构筑了受贝壳珍珠层启发的砖-泥式固液双相薄膜并用于柔性应变传感，相较过往基于液态金属或其复合物的柔性应变传感器，该型器件在保有大量程（>85%应变）的同时使灵敏度实现了数量级的提升。.在项目执行期间，项目负责人2021年入选教育部青年长江学者，获2019年度教育部自然科学二等奖（第二完成人）。2018年起兼任中国焊接学会副秘书长（副总干事）、理事（委员），IIW国际焊接学会微纳连接委员会（C-VII）激光微纳连接分委会副主席。做大会报告/邀请报告5次，国际会议组织委员1次。在国际期刊上发表SCI论文24篇，包括发表在Adv. Funct. Mate（IF18.808）。