纳米银(Ag NPs)因其低温烧结后可以获得高导电率、高导热率以及良好耐高温性能的接头而在功率封装、高温封装等领域受到极大关注。但是,由纳米银烧结得到的接头性能在很大程度上受控于纳米银本身,所以众多研究者将研究重点放在了纳米银,反而忽略了纳米银与封装基板或芯片之间的相互作用。实际上,纳米银的自烧结处于纳米尺度,可以在低温下不经历熔化状态通过烧结完成连接,而纳米银与基板的烧结不处于纳米尺度,不可以在低温下完成连接。纳米银之间的烧结连接速率要比纳米银与基板之间的烧结连接速率大几个数量级。通常情况下,纳米银会率先融合长大为微米或微米以上的材料,随后再与封装基板进行连接,从而导致综合连接速率较低或剪切强度较低或需要过多的连接能量。针对上述问题,本论文创新性地提出了被连接材料表面结构纳米化,促使基板表面能与纳米银表面能相匹配,令纳米银与基板之间的烧结连接和纳米银之间的烧结连接同时进行,从而在较低的能量下获得较好的连接结果。为此,本文进行了如下研究:在铜基板上制备Ni纳米锥阵列薄膜,在水溶液中合成纳米银颗粒。设计并采用电沉积方法在铜基板上制备Ni纳米锥阵列薄膜,研究阴极电流密度、pH、电沉积时间、添加剂(盐酸乙二胺)浓度对Ni纳米锥阵列薄膜表面形貌和颗粒粒径的影响,并研究了添加剂在电沉积过程中的电化学行为。研究结果表明:通过控制添加剂浓度、电流密度和电沉积时间可以控制Ni纳米锥阵列薄膜的表面形貌和表面颗粒粒径的大小。添加剂能够抑制Ni(111)晶面的生长、促进Ni的定向生长、降低电沉积的阻值和电沉积过程中的极化。得到Ni纳米锥阵列薄膜后采用物理气相沉积(PVD)的方法在Ni表面覆盖Au层从而得到Ni/Au纳米锥阵列薄膜。对于纳米银,采用液相还原法在0℃下的水溶液中制备出平均粒径约为5 nm的纳米银颗粒。分别考察并对比Ni/Au纳米锥阵列薄膜和表面形貌平整的Ni/Au薄膜与纳米银的烧结连接过程。烧结时均没有保护气体,烧结温度为150℃、200℃和250℃,Flat Ni/Au在烧结中施加了6 MPa的压力,而Ni/Au NM在烧结中没有施加压力。采用SEM、TEM、EDS、剪切强度和断口分析来对比烧结结果,并对两种薄膜与纳米银的烧结连接过程进行分析。当烧结温度为250℃时,纳米锥阵列薄膜与纳米银烧结所得接头的剪切强度是在6 MPa压力、同等温度下平整Ni/Au薄膜与纳米银烧结所得接头剪切强度的5.79倍。剪切强度的提升一方面是由于纳米锥阵列薄膜与烧结后的Ag层存在机械咬合、接触面积增加等物理作用所致,另一方面是Ni/Au纳米锥阵列薄膜与纳米银的冶金连接即化学作用所致。Ni/Au纳米锥阵列薄膜中的Au元素在250℃无压条件下加速扩散进入Ag层中获得了微纳尺度的扩散连接,其扩散距离达到了800 nm并与纳米银形成了合金化的冶金连接,而且对连接起到促进作用的是整个纳米锥。研究纳米锥阵列薄膜与纳米银烧结连接的最佳粒径以及它们之间的烧结连接机理。基于整个纳米锥都能促进烧结,选用了不同粒径的Ni/Au纳米锥阵列薄膜(83 nm,143 nm,258 nm,333 nm)在没有保护气体和外压的条件下分别与纳米银在不同温度下(200℃、250℃、300℃)进行烧结。300℃无压条件下粒径为143 nm的Ni/Au纳米锥阵列薄膜(Ni/Au Nanocone array(NC)-143nm)与纳米银烧结所得界面的扩散现象最为明显,Au元素的扩散距离达到了1500 nm,接头的剪切强度显著高于其它粒径纳米锥阵列薄膜与纳米银烧结所得接头的剪切强度。根据计算结果可知,由于纳米锥阵列薄膜具有远大于平整薄膜的化学势增量(烧结驱动力)以及纳米锥阵列薄膜与纳米银相匹配的化学势增量,导致其更容易与纳米银通过烧结完成连接,并在烧结中伴随着金属元素扩散进而形成冶金结合得到剪切强度较大的接头。在本研究中,粒径较小的纳米锥阵列薄膜(如Ni/Au NC-83 nm)尽管具有较大的扩散系数,但是由于纳米锥阵列薄膜在烧结中存在化学势增量的正负抵消效应(能量抵消),导致粒径较小的Ni/Au纳米锥阵列薄膜不能得到剪切强度最高的接头。结合化学势增量和扩散激活能可得出与纳米银(5 nm)烧结连接的纳米锥阵列薄膜的最佳粒径为150±10 nm。通过纳米银和Ni/Au纳米锥阵列薄膜的制备以及对它们之间烧结行为的研究,本论文证实了基板与纳米银的兼容烧结可以促进界面的扩散连接并形成冶金结合,进而得到剪切强度更高的接头。结合实验结果和理论分析得出与纳米银烧结连接的Ni/Au纳米锥阵列薄膜的最佳粒径为150±10 nm。