利用聚焦离子束扫描电子显微镜进行原位微尺度冷焊

《Micron》：In-situ microscale cold welding using a focused ion beam-scanning electron microscope

冷焊接技术用于微尺度异种金属连接，通过高精度FIB离子束控制针头与基底材料的几何匹配和塑性变形，优化后采用氙等离子体FIB减少污染。研究表明，剪切应力促使氧化物清除和晶格扩散，形成无缺陷界面，但需控制焊速（1μm/s）和压力以平衡材料流动。TEM显示Al-Cu界面存在纳米级Al-Cu相，EDS证实氧化物层厚度与焊接质量正相关。该技术可应用于电子器件和电池制造，但需进一步量化力学性能测试。

　　在现代制造业中，随着电子设备和微型化技术的不断发展，对微型连接技术的需求日益增加。传统的焊接方法通常需要高温，这可能会导致基底金属的性能下降，特别是机械强度和导电性。因此，冷焊作为一种固态焊接技术，因其在常温下进行且不引入额外的热应力而受到关注。然而，对于不同金属之间的冷焊，由于缺乏基本的机理理解，其工业应用仍然受到限制。本研究通过设计和实施一个冷焊实验平台，利用聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM）来实现对冷焊过程的精确控制和表征，旨在解决这一问题。

冷焊的核心在于通过高压力使材料表面达到原子级别的接触，从而在无熔化状态下形成冶金连接。这一过程需要精确控制焊接参数，包括速度、几何形状以及表面氧化物的处理。在实验中，研究人员采用了一种创新的方法，通过将一种硬质铜针推入预先在软质铝合金板上制作的孔洞中，实现无预处理的冷焊连接。铜针的直径大于孔洞，这种设计能够促进剪切应力和塑性变形，从而增强连接质量。

通过分析冷焊后的接头，研究人员发现，在接合界面附近出现了严重的晶粒细化现象。这表明在冷焊过程中，金属材料经历了显著的塑性变形，从而提升了其结合强度。此外，元素映射技术揭示了剪切力在接触初期迅速移除了大部分表面污染物，表明冷焊过程中的物理机制在去除氧化物方面具有重要作用。然而，接头中的缺陷往往来源于FIB处理过程中残留的氧化物或杂质，而当这些杂质被完全去除时，接头呈现出均匀的界面，这表明冷焊过程中污染物的去除是形成优质接头的关键。

为了评估冷焊接头的电气性能，研究人员设计并实施了一个四探针装置，用于测量接头的电阻。该装置间接验证了接头的质量，通过测量电阻可以判断是否存在不良连接。实验结果表明，当接头中没有氧化物残留时，电阻值显著降低，从而证明了冷焊接头的高导电性。此外，透射电子显微镜（TEM）分析显示，即使在存在纳米级氧层的情况下，铝铜界面仍然发生了金属间扩散，形成了薄薄的金属间化合物层。这表明，冷焊过程中即使在没有完全去除氧化物的情况下，也可以实现良好的连接。

在实验过程中，研究人员还探索了不同几何形状对冷焊效果的影响。他们发现，使用盲孔（即不穿透整个板的孔）可以提供更稳定的焊接条件，而通过孔（即穿透整个板的孔）则有助于氧化物的去除。为了进一步减少污染，研究人员采用了氙等离子体FIB（P-FIB），以避免使用高能镓离子带来的污染问题。这种技术不仅提高了接头的清洁度，还确保了接头的强度和稳定性。

冷焊技术的优化过程中，研究人员通过调整焊接参数，如焊接速度和针头形状，来提高接头的质量。他们发现，当针头以固定速度（1 μm/s）推入孔洞时，能够实现更均匀的剪切力和正压力分布，从而促进更有效的材料流动和结合。此外，通过设计更精确的针头形状和孔洞几何结构，研究人员能够进一步优化接头的界面特性，确保其在电子应用中具备足够的导电性和机械强度。

在实际应用中，冷焊技术的优势在于其能够在不引入高温的情况下实现高质量的连接。这对于需要保持材料原始性能的微电子器件和电池制造尤其重要。然而，冷焊仍然面临一些挑战，例如如何在工业规模上实现高效率的生产，以及如何确保在复杂环境下接头的稳定性。为此，研究人员建议采用自动化系统，以实现对焊接参数的实时控制和调整，从而提高冷焊技术的可重复性和适用性。

通过本研究，研究人员不仅验证了冷焊在不同金属之间形成连接的可行性，还提供了详细的实验步骤和分析方法，为未来冷焊技术的进一步发展奠定了基础。这些成果表明，冷焊技术在微尺度连接中具有巨大的潜力，特别是在电子和精密制造领域。随着对冷焊机理的深入理解，未来有望实现更广泛的应用，并推动其从实验室走向工业生产。