【摘 要】
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SiC是一种新兴宽禁带半导体材料,Cu因具有良好导电、导热性被用于制备引线框架。微尺度下,提高Cu材料和SiC功率器件的焊接接头强度,是目前电子封装领域存在的技术难题。研究现状表明,以Ag-Cu-Ti系合金为中间层的方扩散钎焊方法可实现Cu,SiC母材的高质量扩散连接,但对Ag-Cu-Ti系合金体系的研究仍很少。实验中,Ag-Cu-Ti合金材料具有较高研发成本,并存在工艺复杂、性能难以表征等问题,
【基金项目】
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国家自然基金重点项目(Grant Number:51435004);
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SiC是一种新兴宽禁带半导体材料,Cu因具有良好导电、导热性被用于制备引线框架。微尺度下,提高Cu材料和SiC功率器件的焊接接头强度,是目前电子封装领域存在的技术难题。研究现状表明,以Ag-Cu-Ti系合金为中间层的方扩散钎焊方法可实现Cu,SiC母材的高质量扩散连接,但对Ag-Cu-Ti系合金体系的研究仍很少。实验中,Ag-Cu-Ti合金材料具有较高研发成本,并存在工艺复杂、性能难以表征等问题,摸清钎料合金体系的扩散和润湿机理、计算界面性质的等工作有重要的意义。通过扩充Ag-Cu-Ti材料性质数据库库,可优化设计润湿、扩散连接的实验。本文借助分子动力学模拟方法,建立不同成分的原子尺度模型、相互作用势函数、并计算了三元合金的性质,模拟钎料/Cu与钎料/SiC体系中原子弛豫,扩散等过程,对多种能量场下液/固动态润湿性进行了系统研究。本文首先基于密度泛函理论开展第一性原理模拟,经过对模型的能量、电子结构进行计算,优选结构稳定性较高的Ag-Cu-Ti系合金成分。分别计算了钎料的表面能和钎料/母材的界面能,通过对分离功的比较定性分析对金属/非金属界面结合强度。研究了具有(100)、(110)和(111)晶面指数的Ag模型,通过虚拟晶体近似建立Ag-Cu合金表面模型,完成Ti原子在表面模型中原子层中不同原子层的占位,确定了合金的表面能范围:0.995~1.439J/m~2。当界面附近原子间结合力较强时,/母材的界面结合强度较高。比较并分析不同的顶位型、中心型和孔穴型的堆垛界面结构,发现孔穴型堆垛界面界面能最高;C封端结构比Si封端结构的SiC和金属钎料原子之间的结合力更大;在Ag-Cu-Ti系合金的金属原子中,Ti相较于Ag和Cu,形成界面结合后结构更稳定。钎料、母材的体系共包含五种元素,计算原子间相互作用完成对力场的构建,以支持后续模拟计算。由于力场规定了原子间势能的经验表达式,所以力场精度决定了分子动力学计算结果的可靠性。为此本文借助单参数拟合的方法,采集有效的函数训练集,计算多组能量-体积函数关系,突破了相互作用势函数往往少于三元的局限,得到了Ag-Cu-Ti-Si-C五组元复杂金属/陶瓷体系的相互作用势函数。通过计算合金模型的界面能和部分试验数据对势函数予以验证。本文在完成量子力学计算、分子力场模拟的基础上,借助LAMMPS软件,对按质量比成分(Ag72Cu28)98Ti2、(Ag72Cu28)96Ti4、(Ag72Cu28)94Ti6、(Ag72Cu28)92Ti8成分的钎料合金模型进行动力学模拟,钎料的分子动力学计算熔点分别1022K、1037K、1086K、1146K。钎料(Ag72Cu28)92Ti8的熔点偏高,动力学模拟发现升温中结构转变,出现了Cu-Ti的亚稳相,在形成液态组织的过程中二次阻碍了高熔点Ti原子的扩散激活。四种钎料在弛豫动力学过程中,Cu,Ag和Ti种类原子自扩散系数依次减小。钎料与Cu形成互扩散界面后,扩散层随着模拟的动力学进程而厚度增加,最终达到平衡值。界面原子扩散能力随保温温度的升高而增大,母材Cu的晶粒尺寸、晶界数目变化对最终Ag-Cu-Ti合金/Cu扩散层的厚度影响程度较小。进一步分子动力学模拟,研究熔融状态的钎料与Cu,SiC母材之间的润湿界面形成行为及规律。通过计算润湿动力学过程中参量的标度率,综合四种成分钎料对Cu,SiC两种母材形成的界面,评判在润湿过程中的铺展速率快慢、以及界面润湿性好与差。润湿模拟的计算结果表明当在C封端的SiC母材表面时,钎料的润湿程度好于当在Si封端表面时。综合熔点、对金属和对陶瓷的润湿角变化的规律,得出(Ag72Cu28)94Ti6为最适合对Cu和SiC母材扩散钎焊的三元合金成分。开展能量场下对/母材界面润湿的影响规律及微观机理的研究,结论为当保温温度升高,界面原子扩散被促进,进而驱动溶解性润湿,可增强钎料的润湿性。而模拟外加辅助润湿的超声场时发现,高振幅、高频率的机械振动使前驱膜结构更加明显。当Cu母材晶粒细化,更多晶界处的Cu原子扩散更容易被激活,从而增大界面原子的扩散系数,并加速Ag-Cu-Ti/Cu的润湿进程加速。
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