化学镀与热压原位生成化学键实现铜/热固性聚酰亚胺的高强度连接

为解决铜/热固性聚酰亚胺界面连接强度不足的问题，研究人员通过化学镀和热压工艺实现原位化学键合，显著提升了界面结合强度。该研究创新性地采用化学镀在铜表面构建活性位点，通过热压过程促进界面化学键形成，最终获得剪切强度达68.1 MPa的高性能连接件。这项技术为电子封装领域提供了新型可靠的异质材料连接方案。

　　

在现代电子封装领域，铜(Cu)与热固性聚酰亚胺(PI)的连接技术一直面临重大挑战。随着电子设备向微型化、高性能化发展，传统机械连接和胶粘剂连接方式已难以满足高密度互连的可靠性要求。特别是铜与聚酰亚胺这两种热膨胀系数差异显著的材料，在温度循环工况下极易因界面应力集中导致连接失效。更棘手的是，聚酰亚胺表面化学惰性强，与铜难以形成有效的化学键合，这使得开发新型连接技术成为学术界和产业界共同关注的焦点。

针对这一技术瓶颈，湖南科技大学机电工程学院的Xiaoming Yue团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表创新研究。他们巧妙地将化学镀(Electroless plating)与热压(Hot pressing)工艺相结合，通过原位生成化学键的策略，成功实现了铜/聚酰亚胺的高强度连接。这项研究不仅解决了异质材料界面连接的关键技术难题，更为电子封装领域提供了全新的材料连接方案。

研究人员采用化学镀在铜表面构建活性位点，通过精确控制热压工艺参数促进界面化学键形成。主要技术方法包括：采用化学镀在铜表面沉积功能化过渡层；通过热压工艺实现温度-压力协同调控；利用电子探针微区分析(EPMA)表征界面元素分布；采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察界面微观结构；通过剪切试验评估连接强度。

在界面微观结构演变方面，研究揭示了化学镀层在热压过程中的关键作用。化学镀形成的过渡层为聚酰亚胺分子提供了活性结合位点，在热压过程中促进酰胺键的形成。电子探针分析证实界面处存在明显的元素互扩散区，表明形成了化学键合而非简单的物理吸附。高分辨TEM观察发现界面区域存在约50nm厚的过渡层，其中铜离子与聚酰亚胺分子链上的羰基氧形成了配位键。

在工艺参数优化方面，研究发现热压温度和时间对界面键合质量具有决定性影响。当热压温度达到320°C时，聚酰亚胺分子链段运动能力显著增强，有利于与铜表面活性位点的充分接触。同时，压力参数控制在2-3MPa范围内可获得最佳的界面浸润效果。通过正交实验确定最优工艺组合为：温度320°C、压力2.5MPa、保温时间30min。

在力学性能方面，研究获得了突破性进展。剪切测试表明，优化工艺制备的铜/聚酰亚胺接头剪切强度达到68.1MPa，比传统胶粘连接提高约300%。断裂形貌分析显示，断裂主要发生在聚酰亚胺基体内部而非界面处，证明界面结合强度已超过基体材料本身。高温高湿老化试验证实，该连接方式在85°C/85%RH条件下经过1000小时仍能保持90%以上的初始强度。

在应用性能验证方面，研究团队设计了系统的可靠性测试。热循环试验(-55°C至125°C，1000次循环)显示接头电阻变化率小于5%，远优于行业标准。高频信号传输测试表明，该连接方式在40GHz频率下的插入损耗仅为0.15dB/mm，完全满足5G通信设备的性能要求。这些结果充分证明了该技术在高端电子封装领域的应用潜力。

这项研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，开发了化学镀与热压协同的复合工艺，突破了传统连接技术的局限性；其次，阐明了铜/聚酰亚胺界面化学键形成机制，为类似异质材料连接提供了理论指导；最后，实现了兼具高强度和优异环境稳定性的可靠连接，解决了电子封装领域的关键技术难题。该技术已成功应用于某型相控阵雷达的T/R模块制造，展现出广阔的产业化前景。

研究团队在讨论部分特别指出，这种原位化学键合策略可推广至其他金属-聚合物体系。通过调整化学镀液成分和热压参数，有望实现银/液晶聚合物、铝/聚苯硫醚等多种异质材料的高强度连接。未来研究将聚焦于低温连接工艺开发，以适应热敏感元件的封装需求，并进一步探索界面键合结构的精确调控方法。