纳米Cu/Ti-Si3N4陶瓷基板热疲劳失效机制研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为成都大学建筑与土木工程学院的Chenglai Xin（第一作者）和Qingyuan Wang（共同通讯作者），合作单位包括成都大学机械工程学院及成都大学高等研究院。研究成果发表于2024年1月的《Ceramics International》期刊（卷50，页码13711–13720）。

学术背景
本研究聚焦于高功率电子器件中陶瓷基板的可靠性问题。随着集成电路向高频、小型化、高功率方向发展，陶瓷基板（如Si3N4）因优异的机械强度和热导率成为关键材料。然而，金属层（如Cu）与陶瓷间的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）失配会导致热循环过程中界面热应力积累，引发热疲劳失效。尽管已有研究通过改进界面结合强度或优化金属/陶瓷结构来缓解应力，但纳米结构金属层在热循环中的微观失效机制尚不明确。本研究旨在探究纳米Cu/Ti-Si3N4陶瓷基板在热循环后的界面失效机制，为高可靠性基板设计提供理论依据。

研究流程
1. 样品制备
- 基板处理：采用10×10×0.3 mm的Si3N4陶瓷片，表面抛光后通过磁控溅射沉积1 μm厚的Ti预处理层。
- 纳米Cu层烧结：使用平均粒径50 nm的Cu粉，通过放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）在600°C下保温200秒，形成“三明治”结构的纳米Cu/Ti-Si3N4基板（尺寸10×10×0.9 mm）。

1. 热循环实验

   • 条件设置：在-30°C至150°C范围内进行热循环（每周期4小时，高温保持10分钟，低温80分钟），湿度>90%，对比组为150°C恒温保持96小时。
     
   • 测试设备：采用高低温交变湿热试验箱（图2），温度曲线通过热电偶记录（图3）。
     

2. 表征方法

   • 宏观观察：检查Cu层剥离和氧化情况。
     
   • 微观分析：通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析界面微观结构、元素分布及物相组成。TEM样品通过聚焦离子束（FIB）技术制备。
     

主要结果
1. 纳米Cu层氧化行为
- 随热循环次数增加（尤其400次后），Cu层严重氧化，表面出现CuO、CuAlO2和CuAl2O4等氧化物（图4）。XRD显示Cu2O含量随循环次数增加而升高（图4e），但CuO仅存在于表层。

1. 界面腐蚀区演化

   • 100次循环：界面过渡层（Ti3Cu3O/Ti2O）无明显变化（图5b）。
     
   • 400次循环：界面分为三区（图5c）：
     
     • 热影响区（I）：含Cu氧化物（EDS检测到O、Cu）。
       
     • 腐蚀区（II）：含Ti-Cu-O化合物及纳米级裂纹（TEM证实存在CuO、CuAl2O4，图6-7）。
       
     • 反应过渡层（III）：保留Ti固溶体结构，但Ti3Cu3O部分分解为CuO/Cu2O（图9）。
       
   • 500次循环：腐蚀区厚度不均，界面出现宏观裂纹（图10b），恒温组无类似现象（图11），表明热应力是腐蚀主因。
     

2. 热应力缓解机制

   • Cu和Cu2O通过位错增殖和纳米孪晶（图12）塑性变形缓解应力，而Ti3Cu3O和氧化物层（如CuAl2O4）因脆性无法有效释放应力，导致裂纹萌生（图9）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了纳米Cu/Ti-Si3N4界面在热循环中的氧化-腐蚀-开裂链式失效机制，明确了Cu/Al氧化物对界面脆化的贡献。
- 提出纳米孪晶和位错滑移是Cu层塑性变形缓解热应力的关键途径。

1. 应用价值
   
   • 为高功率陶瓷基板设计提供优化方向：需抑制界面氧化（如致密化过渡层）或增强金属层塑性（如纳米晶Cu）。
     
   • 证实环境湿度加速界面腐蚀，提示封装工艺需隔绝水氧。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次结合SPS制备纳米Cu/Ti-Si3N4基板，并通过原位TEM揭示腐蚀区纳米级氧化物分布。
2. 机制突破：发现CuAl2O4等尖晶石相是界面脆化的关键因素，填补了热疲劳微观机制研究的空白。
3. 工程指导：量化了热循环次数（400次为临界点）与界面失效的关联性，为加速寿命测试提供依据。

其他发现
恒温实验（150°C）未引发腐蚀（图11），佐证热应力而非高温是失效主因，这对区分热疲劳与纯氧化失效模式具有重要意义。

（注：文中图/表引用均对应原文献编号）