题目：陶瓷（AlN，SiC）与金属连接相关的界面润湿和结合机制

随着集成电路、微型组件与大功率半导体器件的迅速发展，对具有高导热性能的陶瓷基板和封装材料的需求量日益增加。AlN、SiC陶瓷由于具有一系列优异的性能而受到广泛关注。陶瓷与金属连接技术是扩大陶瓷材料实际工程应用范围的前提条件。金属钎料和陶瓷材料的界面润湿及界面反应的研究可以为陶瓷与金属连接、陶瓷-金属复合材料的制备提供理论依据和技术支持。 本文首先研究了AlN/CuTi（表示基体为AlN陶瓷，钎料为Cu和Ti组成的合金）体系的润湿性，并对界面处的反应层进行了微观和成分分析。润湿试验结果表明Ti元素的加入显著改善了Cu和AlN陶瓷间的润湿性，Ti含量为0~19.0at%时，随着Ti含量的增加，AlN/CuTi体系的初始润湿角和最终润湿角都显著降低。AlN/Cu19.0Ti（表示钎料中Ti元素含量为19.0at%，其余为Cu元素）体系在真空中1200oC保温7min，体系的最终润湿角为8o。继续增加Ti含量至57.0at%，体系润湿角降低不明显。采用扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）进行微观和成分分析，结果表明，润湿过程中CuTi钎料与AlN陶瓷发生了明显的界面反应，且生成一定厚度的氮化钛反应层。Ti含量增加会导致界面反应产物的差异，如：AlN/Cu10Ti体系的界面反应产物为TiN+Al，而AlN/Cu57Ti体系的界面反应产物则为TiN0.5+Al。Ti含量过高可能会使界面区域的化学反应过于剧烈，导致界面区域产生过大的应力。 为了在改善体系的润湿性的同时控制界面反应程度，并且改善CuTi钎料的性能，向钎料中加入Si或Sn元素作为第三组元。润湿试验结果表明，向纯Cu中加入Si元素可以在一定程度上改善Cu和AlN之间的润湿性，AlN/Cu20Si体系在1200oC真空中保温20min，体系润湿角可降低至96.1o。采用电子探针（EPMA）进行微观和成份分析表明，润湿过程中CuSi钎料和AlN陶瓷之间发生了界面反应，生成Si3N4反应层。当Ti含量一定时，Si或Sn的加入均可起到改善AlN/CuTi体系润湿性的作用，加入Si时，AlN/Cu20Si10Ti体系最终润湿角最小（10o），而加入Sn，AlN/Cu30Sn10Ti体系最终润湿角最小（5o）。Si或Sn的加入可以减缓Ti元素和AlN陶瓷之间的界面反应，但二者的作用机理有所不同。Si元素通过在AlN陶瓷表面生成Ti-Si化合物层，减少Ti向AlN的扩散，从而减缓Ti与AlN的反应；而Ti和Sn之间很容易生成稳定的金属间化合物，从而降低Ti元素在界面反应过程中的活性。AlN/Cu10Ti体系在真空中1200oC保温7min，生成的反应层厚度为50μm，而AlN/Cu20Si10Ti体系润湿试样在相同条件下保温20min，生成的TiN反应层厚度仅为22μm，在AlN/Cu30Sn10Ti体系润湿试样界面区域未观察到有反应层存在。 以AlN/Cu10Ti和AlN/Sn10Ti两体系为研究对象，对钎料中各组分的相互作用及Ti和AlN之间反应的自由能变化ΔG进行分析，结果表明，在考虑到金属的溶解焓变后，AlN/Cu10Ti体系发生界面反应的ΔG为负值，Cu10Ti和AlN的反应为热力学自发过程；而AlN/Sn10Ti发生界面反应的ΔG为正值，Sn10Ti钎料和AlN间的反应为热力学非自发过程。从钎料液滴在AlN陶瓷表面的铺展速率来看，Cu10Ti在AlN表面的铺展速率（8.5×10-7m/s）明显低于Sn10Ti（5×10-6m/s）。Cu20Si钎料与SiC陶瓷不润湿，在1200oC真空中保温15min体系的最终润湿角为107o。向Cu20Si钎料中加入Ti元素可以显著改善体系的润湿性，SiC/Cu20Si5Ti体系在真空中1200oC保温15min，最终润湿角为9o。固定Ti含量为10at%，当Si含量在10~30at%间变化时，Si含量增加有利于体系润湿性改善，SiC/Cu30Si10Ti体系的最终润湿角最小，为9o。升高温度和延长保温时间对SiC/CuSiTi体系润湿性的改善都有促进作用，二者相比，升高温度对于改善润湿性的作用更为明显。通过对SiC/Cu30Si10Ti体系润湿试样界面区域的微观结构和成份进行分析可知，钎料与SiC之间发生了明显的界面反应，润湿过程为反应性润湿。界面区域生成的反应层分为两层，靠近钎料侧反应层由TiSi和TiC组成，而靠近SiC侧的反应层主要为Ti3SiC2相。采用本文中研制的Cu基钎料或Sn基钎料连接AlN陶瓷与可伐合金，钎料与两种母材结合致密，采用SEM观察，在界面区域未看到裂纹和孔洞。得到的连接件热导率可达27~30 W/(m•K)，连接件热阻主要来源于可伐合金本身热阻以及AlN与可伐合金之间的多个界面。采用Sn基合金可以有效地连接AlN陶瓷和金属Cu，连接件中钎料与AlN陶瓷结合紧密，采用SEM观察，未看到裂纹和孔洞。AlN-Cu连接件热导率可达74~77 W/(m•K)，连接件热阻主要来源于AlN和Cu之间的多层界面。由于热膨胀系数差异较大，通过计算得到AlN与Cu连接件的热错配应力可能高达403MPa。采用Cu基钎料或Sn基钎料均可成功连接AlN陶瓷，连接工艺简单，连接件热导率高，可达112~113 W/(m•K)。