近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部，與高分子與復(fù)合材料研究部、粵港澳量子科學(xué)中心等合作，在異方導(dǎo)電金微球陣列的快速制備及性能研究方面取得新進展，實現(xiàn)先進封裝用金微球陣列異方導(dǎo)電膠的高效構(gòu)筑。相關(guān)研究結(jié)果以“Rapid Fabrication of Gold Microsphere Arrays with Stable Deep-pressing Anisotropic Conductivity for Advanced Packaging”為題發(fā)表在Nature Communications ( Nat. Commun., 2024, 15, 9182)上。
 

　　陣列式異方導(dǎo)電膠(ACF)是將導(dǎo)電微球粒子以陣列形式配置于交聯(lián)聚合物層，可有效解決傳統(tǒng)ACF存在的粒子隨機分布導(dǎo)致橫向短路等問題，確保更可靠的電導(dǎo)封裝連接，是一種超高密度封裝新范式。2014年，日本迪睿合公司以金屬鍍層的聚合物微球作為導(dǎo)電粒子，并將其精準陣列化排布，首次實現(xiàn)陣列式ACF的商業(yè)化。然而，這種導(dǎo)電粒子由于金屬殼與聚合物的弱結(jié)合作用，使得其在實際深度壓合下的鍵合中面臨挑戰(zhàn)，會導(dǎo)致金屬外殼的破裂與脫離，影響整體的導(dǎo)電性能。相比之下，純金屬微球有序陣列因其固有的延展性，理論上可以保證在深度壓合下仍然具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是理想的下一代封裝材料。但是，受金屬各向異性生長規(guī)律所限，大規(guī)模實現(xiàn)微米級純金屬球的制備及其陣列化排布，一直是業(yè)界的挑戰(zhàn)性難題。
 

　　針對上述問題，研究人員在團隊前期提出的定位瞬態(tài)乳液自組裝方法的基礎(chǔ)上(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9596；Matter, 2021, 4, 1-15)，結(jié)合納秒激光脈沖輻照技術(shù)，發(fā)展了一種簡單、快速、高效的策略，實現(xiàn)了尺寸均勻、表面光滑、定位準確的新型純金微球陣列的快速制備(圖1)。這一策略有效打破了ACF產(chǎn)品制造中“先合成后定位”的慣性思路，為陣列式ACF的快速構(gòu)筑提供了全新方案。
 

　　該策略的核心關(guān)鍵是利用激光誘導(dǎo)的快速逐層熔化-融合過程，有效地避免了金屬的各向異性生長。理論模擬發(fā)現(xiàn)，這種逐層熔化-融合主要歸于激光的趨膚深度有限，使金顆粒產(chǎn)生的光熱效應(yīng)局域在超粒子的表面。此外，該方法具有高度普適性，適用于各種強光熱效應(yīng)的納米顆粒作為組裝基元，不論其尺寸、形貌與成分。例如，研究人員以Au-Pd和Au-Ag-Pt核殼納米顆粒作為組裝基元，制備出了尺寸均一、表面光滑的Au-Ag-Pd-Pt合金微球(圖2)，有望應(yīng)用于粒徑均一的高熵合金微球的高效制備。
 

　　相比于商業(yè)化鍍金微球，該純金屬微球得益于其純金材料優(yōu)異的延展性和可塑性，展現(xiàn)出在深度壓縮下的超穩(wěn)定導(dǎo)電性能(圖3)。該純金微球陣列有望為微顯示μLED芯片的超高密度鍵合方面提供最佳方案，從而推動在高分辨率顯示領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。
 

　　以上工作得到了國家重大研究計劃、國家杰出青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會(2022449和2020446)、國家資助博士后研究人員計劃等項目的支持。
 

　　圖1. “先組裝后合成”的純金微球陣列制備策略。(a)基于瞬態(tài)乳液自組裝和激光輻照熟化策略制備純金微球陣列的示意圖；(b)通過定位瞬時乳液自組裝獲得的金超粒子陣列的典型SEM圖；(c)激光輻照下單個金超粒子逐層熔融與融合成金微球的演化過程；(d)激光輻照熟化后純金微球陣列對應(yīng)的SEM圖；(e)金微球和金超粒子的直徑統(tǒng)計，插圖顯示了金微球的典型TEM圖和SAED圖；(f)調(diào)整金納米球水溶液的濃度和微孔的體積實現(xiàn)金超粒子和金微球直徑的控制。
 

圖2. Au-Ag-Pd-Pt合金微球的制備。
 

　　圖3. 深度壓合下的電導(dǎo)率測試。(a)納米壓痕系統(tǒng)的示意圖，插圖顯示了商業(yè)購買的鍍金微球(ⅰ)和基于激光輻照策略制備的純金微球(ⅱ)的典型SEM圖;(b)力-時間曲線表示壓頭受壓時加載的位移程序;(c、d)深度壓縮下鍍金微球(c)和純金微球(d)的原理示意圖和電導(dǎo)率響應(yīng)。(c)和(d)插圖：深度壓合后典型鍍金微球和純金微球?qū)?yīng)的SEM圖。背景陰影用于表示導(dǎo)通(藍色)或斷開(紫色)狀態(tài)。