微尺度金属增材制造新突破：固态冲击键合技术实现高纯度金薄膜的精密堆叠

这篇综述创新性地提出了一种基于固态冲击键合（solid-state impact bonding）的微尺度金属增材制造（μAM）技术，通过激光诱导加速金薄膜（速度达200-500 m/s）实现室温下高密度（>99%）堆叠，解决了传统方法需高温后处理（如烧结）导致的材料孔隙率和基板兼容性问题。该技术结合光刻模板电镀（feature size 2-50 μm）与并行转移（单次36单元），为微机电系统（MEMS）和生物医学器件提供了CMOS兼容的高通量制造方案。

　　

微尺度金属增材制造的革命性路径

固态冲击键合技术原理

传统金属微尺度增材制造面临材料密度与加工温度的权衡。本文提出的固态冲击键合技术通过激光间接烧蚀牺牲层（铬薄膜），将电镀成型的金薄膜（0.5-6 μm厚）加速至200 m/s以上临界速度（v_cr），在撞击基底时引发塑性共变形，形成无扩散的金属键合。高速摄像显示，冲击瞬间产生的固态材料喷射（hydrodynamic jetting）是键合关键，而低于临界速度的薄膜会反弹（图5）。这种冷焊接机制避免了熔融态转移的卫星飞溅问题，实现了>99%的致密堆叠（图6）。

精密制造与并行化潜力

通过模板电镀结合直接激光写入光刻（AZ 10XT光胶），可定制化制备2-50 μm直径的金薄膜“体素层”（voxel-layer）。单次冲击可转移36个独立单元（图4），而环形层叠构建的穹顶结构（图3e）展示了三维成型的可行性。值得注意的是，未支撑区域在高速冲击下会变形，提示未来需牺牲性支撑层设计。亚微米级堆叠精度（±392 nm）通过预图案化晶圆定位实现，但当前手动对齐限制了通量（0.1 Hz），自动化后预计可达10 Hz，理论通量达20,000体素/秒。

材料性能优势

与传统激光诱导正向转移（LIFT）或双光子光刻（TPL）相比，该技术无需高温后处理（如600-1000°C的氧化物还原），基底温度始终<50°C。聚焦离子束（FIB）截面显示，界面处再结晶晶粒跨越键合线（图5d），电镀固有的纳米孔（<0.6%面积占比）是主要孔隙来源。这种高纯度（TSG-250电镀液）与块体金相当的密度，使其在微机电系统（MEMS）互连和植入式电极等场景中具有独特优势。

技术比较与前景

与冷喷涂（cold spray）相比，该技术将分辨率从毫米级提升至微米级；与电化学沉积（如MCED）相比，通量提高2-3个数量级（图7a）。未来可通过优化薄膜表面形貌和冲击参数（如450 m/s时界面几乎不可见）进一步消除孔隙。作者指出，该原理可扩展至其他延展性金属（如铜、银）及其合金，甚至金属基复合材料，为异质材料集成开辟新途径。

实验方法精要

关键实验采用双玻璃基板夹铬牺牲层结构（NOA 61紫外胶粘合），金种子层（50 nm）上电镀图案化薄膜。激光诱导粒子冲击测试系统（LIPIT）配备532 nm纳秒激光（10-20 mJ）和高速相机（SIMX16，5 ns曝光），同步记录冲击过程。这种模块化设计兼容现有微加工产线，展现了工业化应用潜力。

这项研究标志着微尺度制造从“热主导”向“动能主导”范式的转变，为生物兼容性金属器件和耐高温敏感基板上的三维微结构提供了变革性解决方案。