基于液态金属的焊料复合材料，具有超低回流温度，适用于柔性印刷电路的表面贴装

《ACS Applied Electronic Materials》：Liquid Metal-Based Solder Composite with Ultralow Reflow Temperature for Surface Mounting on Flexible Printed Circuits

低熔点焊料 Ga-In-Sn/Cu 复合材料通过铜粉末增强形成 Ga-Cu 和 Sn-Cu 界面金属化合物，实现 70°C 固化，熔点提升至 106.3°C，剪切强度达 19.5 MPa，电阻率 2.13×10^-7 Ω·m，在柔性PET基材弯曲半径 >7.5 mm 时保持稳定，成功应用于可穿戴EMG传感器模块。

　　
本研究针对柔性电子制造中传统高温焊接技术的局限性，提出了一种基于镓铟锡合金与铜粉复合的低熔点液态金属焊膏解决方案。该技术通过材料优化与工艺创新，成功实现了70℃低温下的可靠焊接，在保证机械性能的同时显著降低热应力对敏感器件的影响。

柔性电子系统的发展正面临关键挑战。传统回流焊工艺需在200-300℃高温下进行，而柔性基材如PET和聚烯烃类材料的玻璃化转变温度通常低于80℃，高温处理会导致基材分解、层间剥离等问题。研究团队通过引入铜颗粒作为异质成核位点，有效调控了液态金属的凝固过程。实验表明，铜颗粒的添加使液态金属的凝固温度从61.4℃提升至106.3℃，同时形成致密的金属间化合物层，显著增强界面结合强度。

材料体系构建方面，研究团队基于镓铟锡三元相图，筛选出三个关键成分配比（Ga42In34.5Sn23.5、Ga13.5In51Sn35.5、Ga6.25In51.25Sn42.5）。通过添加20wt%铜粉末，成功将剪切强度从0.017MPa提升至19.5MPa，强度增益达1147倍。微观结构分析显示，铜颗粒通过促进金属间化合物（如Cu9Ga4、Cu6Sn5）的生成，形成连续的强化网络。特别在Ga13.5In51Sn35.5/Cu体系中，实现了70℃低温下完全固结，无液态残留，且界面结合强度达到工业级SnAgCu焊料水平。

工艺优化方面，研究团队发现固化时间对机械性能具有显著影响。当固化时间从0.5小时延长至24小时时，剪切强度从初始的0.5MPa逐步提升至12MPa，最终达到19.5MPa的峰值。这表明铜颗粒与镓基液态金属的界面反应需要足够时间完成，24小时的固化周期可确保金属间化合物充分形成且无孔隙残留。此外，铜颗粒添加量需控制在15%以下，超过该比例会导致颗粒团聚和界面结合失效。

应用验证环节，研究团队在PET基材上成功实现了LED模块与肌电传感器的可靠连接。测试数据显示，当弯曲半径超过7.5mm时，电阻变化率低于3%，表明焊膏具有优异的弯曲适应性。在可穿戴设备应用中，将焊膏用于柔性电路与刚性肌电模块的连接，在模拟步行、跑步等运动时，信号采集稳定可靠，电阻波动控制在5%以内，满足医疗级设备对长期稳定性的要求。

该技术突破主要体现在三个方面：首先，开发出新型镓基液态金属复合材料，通过铜颗粒的异质成核效应解决传统液态金属凝固缓慢的问题；其次，建立基于相图的成分优化模型，精准调控金属间化合物比例，使脆性相（CuGa2）含量降低至5%以下，而高强度相（Cu6Sn5）占比超过60%；最后，形成标准化工艺流程，包括表面处理（稀硫酸清洗+助焊剂处理）、固化参数（70℃×24h）和性能检测体系，确保产品一致性。

工业应用潜力方面，该焊膏在PET（玻璃化转变温度81℃）、PI（145℃）等常见柔性基材上均表现优异。实测数据显示，在0-70℃温度范围内，其剪切强度保持率超过90%，电导率波动小于2%。相较于传统锡基焊料，该技术可降低85%以上的加工温度，能耗减少60%，且无铅环保特性显著。在柔性电路领域，已成功应用于可拉伸传感器、可穿戴电池等场景，特别在医疗监测设备中展现出独特优势——在模拟肢体运动时，信号采集精度保持率超过95%。

未来发展方向建议聚焦于工艺参数的工业适配性提升。目前实验室条件下的真空固化（70℃×24h）需优化为连续生产兼容的工艺，如开发微波辅助固化设备，可将固化时间缩短至2小时内。材料体系方面，可探索纳米铜颗粒（粒径<10μm）的添加，进一步改善界面结合均匀性。此外，研究团队正拓展该技术至多层柔性电路组装，测试多层结构在反复弯折（>10^6次）后的疲劳寿命，目标在医疗电子领域实现年故障率低于0.5%的可靠性标准。

该研究成果为柔性电子制造提供了革命性解决方案，特别是在可穿戴医疗设备领域具有重要应用价值。据市场分析机构预测，2025年全球低温焊接市场规模将突破8亿美元，其中柔性电子应用占比超过40%。本技术的商业化进程有望推动柔性电路组装成本降低60%，使可穿戴设备进入大规模消费市场的时间提前3-5年。