Cu/Al_2O_3与Cu/AlN复合陶瓷基板材料制备研究

利用直接敷铜(DBC)技术制备了Cu/Al2O3、Cu/AlN复合陶瓷基板材料。通过机械剥离机和场发射扫描电子显微镜分析了Cu/Al2O3、Cu/AlN复合陶瓷基板材料的结合力、界面微观形貌与元素分布。结果表明,在Cu箔能与Al2O3基板直接结合,而AlN组需要预氧化然后才能与Cu箔紧密结合,Cu箔与Al2O3、预氧化AlN基板间的结合力均超过8N/mm。通过EDS能谱分析,在Cu箔与预氧化AlN基板间出现组分主要为Al2O3和CuAlO2的过渡层。

纳米复合材料(Cu/AlN)点焊电极的失效机制分析

通过高能球磨制备铜基纳米氮化铝复合粉体(Cu/AlN),用粉末冶金方法制备Cu/AlN点焊电极并装机进行镀锌薄钢板点焊试验。用XRD、SEM、TEM等表征失效电极的组织形貌,分析电极的失效机制及失效原因。结果表明:铜基纳米复合材料(Cu/AlN)点焊电极的主要失效机制是:"蘑菇化"变形、坑蚀、粘结等,未见电极表面合金化生成新相。Cu/AlN点焊电极使用性能优于铸态商用(CuCrZr)点焊电极,主要因为纳米AlN颗粒的弥散强化作用及其优异的导热性能。

AlN/Cu钎焊接头残余应力的数值模拟研究

氮化铝(AlN)陶瓷可用于高压大功率绝缘栅双极型功率管(IGBT)的封装,并以表面覆铜(Cu)的方式实现散热功能。但AlN和Cu存在巨大的物性差异,易在连接中残留较大的残余应力。针对AlN/Cu钎焊接头的残余应力进行有限元数值模拟研究,探究压力载荷、冷却速度以及钎料厚度对接头残余应力的影响规律。结果表明,在所研究的范围内,AlN/Cu钎焊接头中最大轴向应力均出现在AlN陶瓷棱边靠近钎料金属层处,最大剪切应力则出现在靠近外侧边的AlN陶瓷与钎料金属层界面处。压力载荷降低、冷却速度加快和钎料层厚度增加均会增大最大轴向应力和剪切应力,但应力分布较为一致。本研究可为大功率IGBT覆Cu AlN陶瓷基板的高可靠性封装提供理论指导。

大尺寸AlN活性金属焊接覆铜基板的界面结合机理

基于190 mm×139 mm×0.635 mm的大尺寸AlN表面活性金属钎焊(AMB)覆铜板工艺制程,开展其界面显微组织、物相组成等的研究,确定钎焊界面结合机理,为制备大尺寸、低气孔、高剥离强度AlN-AMB覆铜板提供支持。结果表明,在大尺寸AlN-AMB覆铜板钎焊过程中,Ag-Cu-Ti合金钎料中的Ag-Cu合金与Cu箔扩散溶合,形成强的冶金结合界面。同时,钎料中的活性Ti原子向AlN基板表面扩散,并与其反应,生成厚度为0.5~1μm的TiN反应层,形成强的反应结合界面。此外,钎料熔体难以填充基板的AlN晶界和凹坑,其中的Ti原子也不与Y-Al-O第二相颗粒反应,导致AlN基板表面TiN反应层不连续分布,形成气孔,降低大尺寸AlN-AMB覆铜板的界面结合强度及可靠性。

AlN覆钨对AlN/W-Cu复合材料组织和性能的影响

采用溶胶凝胶法对AlN粉体进行表面覆W后,将其与适量W粉混合,经压制、预烧结,制得多孔AlN/W骨架,再熔渗Cu后制备出不同AlN含量(0~8%)的AlN/W-Cu复合材料。考察了AlN含量对于烧结体微观组织、力学性能和热学性能的影响,并与由未覆钨AlN粉体制备的AlN/W-Cu复合材料进行对比。结果表明,采用溶胶凝胶法可在AlN颗粒表面均匀制备覆W层,其界面结合良好。覆钨AlN/W-Cu复合材料的相对密度、硬度、抗拉强度以及热导率均优于未覆钨AlN/W-Cu复合材料的。AlN/W-Cu复合材料的相对密度、抗拉强度及热导率随AlN含量的增加而降低,而硬度随AlN含量的增加而上升。当AlN含量为2%时,覆钨AlN/W-Cu复合材料的综合性能最佳,相对密度达到97.69%,显微硬度达到277HV,热导率达到205.54 W/(m·K)。

热压烧结法制备W-Cu/AlN复合材料的组织与性能研究（英文）

采用高能球磨技术制备W-30%Cu(质量分数)纳米晶粉体,再通过球磨混粉的方法添加不同质量分数的纳米AlN颗粒,然后采用热压烧结法得到W-30Cu/x%AlN复合材料。研究并比较了纳米AlN的加入对材料组织结构、物理以及力学性能的影响。结果表明,W-30Cu/x%AlN复合材料都有较致密和均匀的组织结构,AlN的添加,细化了烧结体中W颗粒;纳米AlN颗粒的添加提高了复合材料的硬度,但是随着AlN纳米颗粒含量的增加,基体晶界上的增强相颗粒分布过多,而使材料的抗弯强度有所下降;少量纳米AlN颗粒(≤1%)的添加有利于W-Cu复合材料的热导率提高,随AlN添加量的增加,复合材料的电阻率升高,电导率下降。

电沉积Cu-纳米AlN复合涂层的耐腐蚀性研究

利用复合电镀方法制备Cu-纳米AlN复合涂层。利用金相显微镜和SEM观察,结果显示镀层表面形成了厚度为40μm左右的均匀复合镀层,XRD测试表明该合金镀层为Cu和AlN,采用浸泡腐蚀失重法和测定极化曲线比较了纯铜镀层和复合镀层的耐腐蚀性能,结果表明:Cu-纳米AlN复合涂层耐蚀性优于纯铜镀层。

磁控溅射AlN/Cu纳米复合涂层的性能研究

采用双靶反应磁控溅射方法制备了Cu含量不同的AlN/Cu纳米复合涂层。采用X射线衍射(XRD)、纳米压痕、X射线光电子能谱(XPS)等方法观察和分析了涂层的结构、力学性能以及内部化学结合状态。XRD结果表明所有涂层中的AlN均为(002)择优取向的六方纤锌矿结构,Cu含量≥4.7%原子比涂层中可以观察到Cu(111)峰的存在。纳米压痕结果表明:Cu含量的多少影响涂层的力学性能,如硬度H、弹性模量E。Cu含量为17.0%时,H=27.3 GPa、E=264.9 GPa,H/E=0.103;随着压入深度从80 nm增加至250 nm,弹性回复值从78.2%降至67.9%。XPS分析表明:对于17.0%Cu含量的涂层而言,电子结合能位于73.5,932.3和933.4 eV处的峰分别对应着Al-N键、Cu-Cu键和Cu-Al键。Cu-Al键的存在说明AlN相与Cu相在两相界面处存在一定的相互化学作用。

AlN颗粒增强Cu基复合材料内氧化的研究

对预置 Al N微粒铜基复合材料内氧化前后进行了组织形貌观察和性能测试 ,结果表明 :在高纯氮气体介质中可实现预置微粒 Cu基复合材料的内氧化 ,内氧化物在弥散分布的原预置微粒处形核、长大 ,充满于整个复合材料之中 ;复合材料抗压强度的提高来自于晶粒细化和第二相弥散强化的共同作用 ;内氧化使复合材料致密化程度提高 ,并增加了粒子与基体之间界面的结合强度 ,是改善耐磨性的主要原因。

离子注入技术制备Cu－AlN双晶体的晶体学性能

通过在高纯ＡＩＮ基片表面层区域注入Ｃｕ离子及随后恒温退火制取了低能组态的Ｃｕ－ＡｌＮ双晶体。应用透射电子显微术（ＴＥＭ）及卢瑟夫背散射（ＲＳＳ）等技术研究了这种双晶体的显微结构性能。纳米尺寸的Ｃｕ颗粒与ＡｌＮ基体之间总呈现出唯一的低能晶体学取向关系。镶嵌在ＡｌＮ基体中的Ｃｕ颗粒常常表现出呈李晶关系的片层状显微组织。这是因为在长大过程中，Ｃｕ颗粒通过孪生过程缓解了由于共格关系而产生的弹性应变能。

不同浓度Cu掺杂AlN的电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对理想纤锌矿Al N及不同浓度的Cu掺杂Al N的超晶胞结构进行了几何优化,计算并分析了它们的电子结构、磁电性质和光学性质.结果表明,随着Cu掺杂浓度的增加,Cu 3d态电子与其近邻的N 2p态电子杂化减弱,体系由直接带隙半导体的半金属铁磁性向间接带隙半导体的金属性转变,体系磁矩减弱,最后消失.Cu掺杂后体系介电函数虚部和复折射率函数在低能区发生明显变化,增强了体系对低频电磁波的吸收.当Cu浓度增加时体系对高频电磁波的吸收也随之加强.

Cu/AlN/Cu梯度复合电极材料的制备及性能研究

选用纯Cu、粗粉AlN及细粉AlN为原料,利用放电等离子烧结(SPS)技术采用两步烧结法制备Cu/AlN/Cu梯度复合电极材料,并利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、阿基米德法和材料热导率测试仪对Cu/AlN/Cu电极材料的性能进行研究。研究表明:通过两步烧结法制备的Cu/AlN/Cu块体试样抛光截面层对称结构清晰,中间层为AlN层,最外层为金属Cu,过渡层均匀且结合良好,没有发现裂纹等缺陷,符合梯度设计要求;对称气孔梯度AlN前驱体的密度随着气孔AlN中粗粉AlN的含量增加而减小,渗Cu后的样品密度和Cu的相对含量随着气孔AlN中粗粉AlN的含量增加而增多;其中100%(原子分数)粗粉AlN经烧结后密度为2.14 g·cm^(-3),渗Cu后密度为4.39 g·cm^(-3),Cu相对含量为26.68%;而50%粗粉AlN+50%细粉AlN经烧结后密度为2.67 g·cm^(-3),渗Cu后密度为3.18 g·cm^(-3),Cu相对含量为7.46%;根据公式Voight和Reuss推算Cu/AlN复合材料的热导率在Cu和AlN单相热导率数值之间,满足电极高热导率的要求。

Cu/Mg掺杂AlN的电子结构和光吸收研究

采用平面波超软赝势和广义梯度近似的第一性原理计算方法,对本征Al N和掺杂体系Al N∶Cu,Al N∶Mg,Al N∶Cu-Mg的超晶胞进行了几何优化,计算了它们的电子结构、能带、态密度、磁矩及光学性质等。结果表明,Al N∶Cu,Al N∶Mg均表现为100%自旋注入,材料均具有半金属性质,其中Cu掺杂体系的半金属性更稳定;Al N∶Cu-Mg共掺体系在能隙深处产生杂质带,具有金属性,改善了材料的高阻抗现象。研究发现Cu掺杂体系的磁矩最大,Cu-Mg共掺体系较Mg单掺的净磁矩有所减少。进一步分析光学性质发现,杂质离子的引入使得低能区的介电函数和复折射率函数出现明显的峰值,其中共掺体系的峰值最大,明显增强了体系对低频电磁波的吸收。

Ag_(70)-Cu_(28)-Ti_2活性钎料真空钎焊AlN-Cu的研究

研究了在真空条件下AlN/Cu活性钎焊的情况,使用的活性焊料是Ag_(70)-Cu_(28)-Ti_2焊片。通过试验可以得到该活性焊料在AlN片上润湿性良好,获得的AlN/Cu接头均达到了气密性要求(漏气速率<1×10^(-10)Pa·m^3/s),平均强度值分别为182 Kg/cm^2(抗弯)和182 Kg/cm^2(抗剪切)。通过扫描电镜及电子探针仪观察了焊层形貌和元素分布,分析了连接强度较高的原因。通过XRD确定了焊接的冶金结合及新相的生成。

Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯Al N,Cu单掺杂以及Cu与O共掺杂Al N超胞进行了几何结构优化,计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度与光学性质.结果表明:掺杂后晶格体积增大,系统能量下降;Cu掺入后Cu 3d电子与N 2p电子间有强烈的轨道杂化效应,Cu与O共掺后Cu和O之间的吸引作用克服了Cu原子之间的排斥作用,能够明显提高掺杂浓度和体系的稳定性.光学性质分析中,介电函数计算结果表明Cu与O共掺杂能改善Al N电子在低能区的光学跃迁特性,增强电子在可见光区的光学跃迁;复折射率计算结果显示Cu与O掺入后由于电磁波穿过不同的介质,导致折射率发生变化,体系对低频电磁波吸收增加.

Ag_(70)-Cu_(28)-Ti_2活性封接AlN陶瓷

研究了在真空条件下AlN陶瓷真空活性封接的情况,使用的活性焊料是Ag70-Cu28-Ti2熔炼焊片。通过试验可以得到该活性焊料在AlN片上润湿性良好,获得的AlN/AlN接头达到了气密性要求(漏气速率小于1×10-10Pa.m3/s),平均强度值分别为1.49 kN/cm2(抗弯)和2.00 kN/cm2(抗剪切)。通过扫描电镜及电子探针仪观察了焊层形貌和元素分布,分析了连接强度较高的原因。通过XRD确定了焊接的冶金结合及新相的生成。

CRYSTALLOGRAPHIC PROPERTIES OF AN INHERENT LOW-ENERGY INTERFACE(1■1)Cu//(0001)_(AIN)IN Cu-AlN BICRYS

A model Cu-AlN composite has been prepared by ion implantation technique and annealing. The atomic configuration and lattice relationship of a low-energy inherent interface(11)Cn//(0001)AlN were studied by using transmission electron microscopy and geometrical modelling. By analysing the dichromatic pattern of the composite,a primary structural unit of the interface atomic configuration was determined for purpose of HREM image simulations and of studying the structurul relaxation state in the near-interface region.

纳米AlN颗粒增强铜基复合材料的组织与性能研究

用粉末冶金法制备了AlN增强的Cu/AlN复合材料,研究了AlN含量对复合材料性能的影响和Cu/AlN复合材料的软化温度特性。结果表明,在烧结过程中,弥散分布在铜基体中的纳米AlN颗粒对致密化以及晶粒长大都有阻碍作用。随着复合材料中AlN颗粒质量分数的增加,材料的密度和导电性呈下降趋势,而硬度出现极大值。复合材料的软化温度达到700℃,远远高于纯铜的软化温度(150℃),从而提高了材料的热稳定性。

采用两种银基活性钎料钎焊AlN陶瓷与可伐合金的接头组织与性能

采用Ag-Cu-Ti和Ag-Cu-In-Ti两种活性钎料箔带,分别在860℃/10 min和760℃/10 min两种规范下对AlN与可伐合金(4J29)进行了真空钎焊连接,获得了冶金质量良好的接头.对接头室温抗剪强度进行了测试,AlN/Ag-Cu-Ti/4J29和AlN/Ag-Cu-In-Ti/4J29两种接头强度分别为126和113 MPa.微观分析结果表明,两种接头中靠近陶瓷母材附近生成了连续的扩散反应层,结合XRD结果,该层主要由TiN相组成,反应层的厚度对接头强度有影响;钎缝基体区由铜基固溶体、银基固溶体和复杂的Ni(Fe,Co)-Ti化合物组成.

AlN陶瓷活性法金属化

对AlN陶瓷活性金属化Ag-Cu-Ti钎料配方及工艺进行了研究,发现该钎料浸润AlN陶瓷是活性组元Ti与AlN发生化学反应的结果.要获得良好的金属化质量,钎料中Ti含量应高于2.0%(质量比),金属化层与AlN反应界面厚度应控制在10～15 μm范围内.