在全球能源消耗持續(xù)增長的背景下，以SiC和GaN為代表的第三代功率半導(dǎo)體，因其寬禁帶特性所帶來的耐高壓、耐高溫與高效率等優(yōu)異性能，已成為提升能源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵材料，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、光伏能源、武器裝備等高功率場景。然而，這些高性能半導(dǎo)體器件能否在實際工作中穩(wěn)定、持久地發(fā)揮性能，很大程度上取決于封裝技術(shù)的可靠性。

傳統(tǒng)高溫焊料（包括高鉛和無鉛焊料）封裝技術(shù)是實現(xiàn)芯片與基板連接的主流工藝之一，但其焊接溫度通常需超過280℃，不僅不適用于對溫度敏感的器件，還會引入較大熱應(yīng)力，影響器件的長期可靠性。為克服這一局限，銀燒結(jié)技術(shù)利用納米銀膏在較低溫度下實現(xiàn)連接，形成的燒結(jié)層熔點高，可實現(xiàn)“低溫連接、高溫服役”。然而，該技術(shù)存在兩大推廣障礙：一是銀作為貴金屬成本高昂，顯著提高器件材料成本；二是燒結(jié)過程需施加高壓（可達30MPa級別），不僅增加工藝復(fù)雜度，還對設(shè)備和芯片的機械強度提出更高要求。此外，銀在電場作用下易發(fā)生電遷移，可能導(dǎo)致器件短路失效。

現(xiàn)有封裝技術(shù)的不足促使業(yè)界尋求成本更低、性能更優(yōu)的互連方案，瞬態(tài)液相連接技術(shù)即為重要方向之一。該技術(shù)可在較低溫度下形成高熔點的全金屬間化合物（IMC）接頭，實現(xiàn)“低溫連接、高溫服役”。然而，傳統(tǒng)Cu-Sn瞬態(tài)液相連接技術(shù)存在明顯短板：在250℃下形成全IMC接頭通常需2小時以上，長時間高溫會危害器件可靠性，且難以滿足現(xiàn)代化產(chǎn)線的高生產(chǎn)效率要求。

針對上述問題，北京理工大學(xué)馬兆龍團隊開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微合金化復(fù)合焊片技術(shù)（Composite Ultra-performance Solder Technology (CUST)），提供了創(chuàng)新解決方案。CUST焊片技術(shù)采用獨特的復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)：純Sn層、微合金化CUST合金層與純Sn層依次疊加。CUST合金中的多種元素可促進形成新型中熵金屬間化合物（Medium entropy IMC），顯著加速其生長動力學(xué)，將全IMC接頭的形成時間從傳統(tǒng)工藝的2小時以上縮短至15分鐘以內(nèi)，效率提升8倍以上，使其能夠良好適配常規(guī)回流焊工藝，大幅提升生產(chǎn)效率。

實驗結(jié)果表明，在250℃/0.6MPa工藝條件下，CUST焊片制備焊接接頭的剪切強度（50-60MPa）優(yōu)于250℃/5MPa下的燒結(jié)銀接頭，其電導(dǎo)率（29 MS·m-1）也高于燒結(jié)銀接頭。盡管燒結(jié)銀在熱導(dǎo)率和熔點方面仍具優(yōu)勢，但對于絕大多數(shù)工作溫度低于400℃的大功率應(yīng)用，CUST焊片制備的焊接接頭具有145 W/(m·K)的熱導(dǎo)率和高于415℃的熔點，已足夠提供可靠保障。

CUST焊片的最大優(yōu)勢在于成本控制。其原材料為銅、鎳、鈷、鐵以及一些微量元素，價格遠(yuǎn)低于金屬銀。綜合原材料與工藝成本，該焊片的成本僅為燒結(jié)銀的1/50（即2%）。這一顯著成本優(yōu)勢使其在大規(guī)模生產(chǎn)及對成本敏感的應(yīng)用中具備極強競爭力。

目前，馬兆龍團隊已實現(xiàn)CUST復(fù)合焊片帶材的穩(wěn)定量產(chǎn)，適用于毫米至厘米級多種焊接場景，孔隙率低于1%。該技術(shù)具備良好的可擴展性，為未來更大規(guī)格、更高功率器件的封裝提供了低成本、高性能的材料解決方案，展現(xiàn)出廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。團隊期待與業(yè)界伙伴合作，共同推進CUST焊片技術(shù)的深入開發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用，助力功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)的進步。

團隊介紹：

馬兆龍團隊隸屬于北京理工大學(xué)沖擊環(huán)境材料國家級重點實驗室，是國內(nèi)唯一從事極端環(huán)境材料研究的機構(gòu)，實驗室以才鴻年院士領(lǐng)銜，匯聚了50余位國家級高層次人才，擁有5個國家級創(chuàng)新團隊。實驗室長期圍繞極端高溫、高壓、高速環(huán)境用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)開展研究，近年來承擔(dān)了包括國家973項目、863項目、國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項、國際合作和企業(yè)合作項目等重要科研任務(wù)，年均科研經(jīng)費超過1億元。獲國家科學(xué)技術(shù)一等獎1項、國家科學(xué)技術(shù)二等獎2項，省部級科技獎勵8項，年授權(quán)專利超50項，發(fā)表高水平論文120余篇。實驗室主任程興旺教授為國家級學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人才，現(xiàn)任北京理工大學(xué)材料學(xué)院黨委書記，兼任國家產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)專家委員會委員，教育部高等學(xué)校材料教指委委員，國家重點研發(fā)計劃重點專項總體專家組成員，中國材料研究學(xué)會材料基因組分會委員、鈦合金分會委員，中國兵工學(xué)會防護專委會副主任委員、材料專委會委員。

團隊負(fù)責(zé)人馬兆龍現(xiàn)任北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，獲英國帝國理博士學(xué)位，國家“萬人計劃”青年拔尖人才，歐盟“瑪麗居里”學(xué)者、河北省杰青。主要從事高熵合金、焊錫合金、微電子封裝技術(shù)、材料微觀結(jié)構(gòu)與性能表征、EBSD技術(shù)拓展與應(yīng)用等方面的研究。以第一或通訊作者在Nat. Commun.等國際頂刊發(fā)表論文50余篇。主持自然科學(xué)基金、裝備共用技術(shù)、軍科委重點項目、領(lǐng)域基金、國防科技戰(zhàn)略先導(dǎo)計劃項目等國家級科研項目10余項。兼任CSTM高溫合金標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員，以及科技部、基金委、裝發(fā)等多個國家部委的項目評審專家?！禨cience China Materials》、《稀有金屬》、《航空材料學(xué)報》等期刊青年編委。授權(quán)發(fā)明專利10余項，其中國際專利1項。曾獲MIT-Imperial Global Fellow、Imperial-CSC獎金、ICEPT最佳論文獎等獎勵；獲批國家一流本科課程1項、教育部工程碩博核心課程1項，指導(dǎo)研究生獲得“挑戰(zhàn)杯”國賽一等獎、北京市賽特等獎、國家勵志獎學(xué)金、校優(yōu)秀畢業(yè)論文等獎項。