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以SiC为代表的第三代宽禁带半导体器件封装面临着高温(>300℃)、大温度范围(-100℃~600℃)的苛刻工作环境要求。传统的低温钎料不能满足器件高温服役的要求,Ag和Cu纳米颗粒受到普遍关注,然而Ag易迁移性、多孔性以及Cu易氧化性等问题限制了其应用。因此寻求一种能够实现低温连接、高温服役、成本较低、综合性能优良的互连材料,成为第三代半导体器件应用之路上亟待解决的问题。本文成功研制一种新型的共晶成分比(72/28)、超饱和固溶体结构的Ag-Cu纳米颗粒及焊膏,利用纳米效应实现了SiC功率器件低温连接、高温服役的目标。超饱和固溶体纳米颗粒在热的作用下演变为富Ag相和富Cu相两相共存的类共晶组织,具备良好的力学、电学和热学性能,尤其是具有很好的抗氧化和抗电化学迁移(Electrochemical migration,ECM)性能,为第三代功率半导体器件互连材料提供了一种新的解决方案。研究了分散剂类型和合成温度对Ag-Cu纳米颗粒形貌、大小、结构以及稳定性的影响规律。研究发现:由于柠檬酸具有较短的碳链,调控Ag、Cu原子排列的有序度能力较低,最终形成Ag、Cu原子随机排布、新型超饱和固溶体结构的Ag-Cu纳米颗粒,固溶度突破了Ag-Cu块体二元相图中的固溶极限。由于Cu原子置换固溶于Ag的晶格中,通过Cu与Ag原子键的作用,Cu不易被氧化,因此具有较强的抗氧化性和化学稳定性。采用原位TEM和原位XRD加热相结合的方法研究了Ag-Cu超饱和固溶体纳米颗粒形貌演变和相变规律。研究发现,随着温度从室温升高到235℃,纳米颗粒保持Ag基固溶体状态;在235℃~265℃温度范围内加热时存在一个快速两相分离的过程,Ag基固溶体中的Cu以富Cu相的形式析出,Ag固溶体中的Cu浓度逐渐下降形成富Ag相,最终形成两相分离的类共晶组织,且两种相中仍保持较大的固溶度。研制了一种新型的单一有机添加物的Ag-Cu纳米焊膏,并研究其烧结性能。研究发现,随着烧结温度的升高、保温时间的延长以及施加压力的增加,烧结组织向着致密化方向发展,力学、热学、电学性能逐渐提高。Ag-Cu纳米焊膏在350℃下烧结综合性能最优,孔隙率为1.03%,剪切强度为117MPa,硬度为2.02±0.14GPa,杨氏模量为136.05±8.36GPa,密度为6.23g/cm3,导热系数为95W/m·K、电阻率为5.9μΩ·cm,在30℃~300℃温度区间测试四次的热膨胀系数分别为16.08×10-6℃-1、21.20×10-6℃-1、26.97×10-6℃-1、26.98×10-6℃-1,综合性能优于Ag和Cu纳米焊膏。Ag-Cu纳米焊膏烧结后呈现富Ag相和富Cu相组成的珊瑚状类共晶组织。大量的斑点状富Cu相弥散分布于晶界处和Ag基体上,起到了弥散强化和细晶强化的效果,从而具有很高的结合强度。另外,由富Cu相引起的晶格畸变对电子的散射作用,比较于Ag基固溶体中固溶原子导致的散射作用要小很多,加之随着烧结温度提高以及保温时间增加,烧结组织中的位错密度降低,致使位错对电子的散射程度降低,从而使烧结体导电导热性能保持较高水平。采用滴水试验法研究了Ag-Cu纳米焊膏烧结电极的ECM过程。研究发现其短路失效时间为Ag纳米焊膏烧结对电极的5倍。究其原因:一方面由于阳极上Cu的电极电位更低,Cu优先在阳极溶解形成Cu(OH)2及CuO难溶的沉淀物,附着在阳极表面,阻碍了阳极的溶解和抑制了Ag+的形成和迁移;另一方面电极内部富Cu相中Cu-Cu原子结合能高于Ag-Ag原子结合能,其金属键断开需要克服更高的势垒,从而降低Ag原子与空位的扩散迁移速率。研究了Ag-Cu纳米焊膏应用于单个SiC-MOSFET器件以及全桥功率驱动模块互连的电学和热性能研究。结果发现:Ag-Cu纳米焊膏烧结连接的SiC功率模块在22℃,100℃,150℃,甚至在200℃的高温下依然保持着良好的导通输出特性和关断抗高压绝缘性能,证明采用纳米Ag-Cu焊膏对SiC芯片器件进行粘接互连能够保证器件在高温下工作的稳定性和可靠性。