【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術研究部，與高分子與復合材料研究部、粵港澳量子科學中心等合作，在異方導電金微球陣列的快速制備及性能研究方面取得新進展，實現先進封裝用金微球陣列異方導電膠的高效構筑。相關研究結果以“Rapid Fabrication of Gold Microsphere Arrays with Stable Deep-pressing Anisotropic Conductivity for Advanced Packaging”為題發表在Nature Communications ( Nat. Commun., 2024, 15, 9182)上。
陣列式異方導電膠(ACF)是將導電微球粒子以陣列形式配置于交聯聚合物層，可有效解決傳統ACF存在的粒子隨機分布導致橫向短路等問題，確保更可靠的電導封裝連接，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電粒子，并將其精準陣列化排布，首次實現陣列式ACF的商業化。然而，這種導電粒子由于金屬殼與聚合物的弱結合作用，使得其在實際深度壓合下的鍵合中面臨挑戰，會導致金屬外殼的破裂與脫離，影響整體的導電性能。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異的導電性能，是理想的下一代封裝材料。但是，受金屬各向異性生長規律所限，大規模實現微米級純金屬球的制備及其陣列化排布，一直是業界的挑戰性難題。
針對上述問題，研究人員在團隊前期提出的定位瞬態乳液自組裝方法的基礎上(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9596；Matter, 2021, 4, 1-15)，結合納秒激光脈沖輻照技術，發展了一種簡單、快速、高效的策略，實現了尺寸均勻、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產品制造中“先合成后定位”的慣性思路，為陣列式ACF的快速構筑提供了全新方案。
該策略的核心關鍵是利用激光誘導的快速逐層熔化-融合過程，有效地避免了金屬的各向異性生長。理論模擬發現，這種逐層熔化-融合主要歸于激光的趨膚深度有限，使金顆粒產生的光熱效應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)，有望應用于粒徑均一的高熵合金微球的高效制備。
相比于商業化鍍金微球，該純金屬微球得益于其純金材料優異的延展性和可塑性，展現出在深度壓縮下的超穩定導電性能(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域的發展與應用。
以上工作得到了國家重大研究計劃、國家杰出青年科學基金、中國科學院青年創新促進會(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的SEM圖；(e)金微球和金超粒子的直徑統計，插圖顯示了金微球的典型TEM圖和SAED圖；(f)調整金納米球水溶液的濃度和微孔的體積實現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. 深度壓合下的電導率測試。(a)納米壓痕系統的示意圖，插圖顯示了商業購買的鍍金微球(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率響應。(c)和(d)插圖：深度壓合后典型鍍金微球和純金微球對應的SEM圖。背景陰影用于表示導通(藍色)或斷開(紫色)狀態。
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