该研究由来自台湾成功大学（National Cheng Kung University）机械工程系的 M. Mohsin Raza 和 Yu-Lung Lo 完成，发表于 Results in Engineering 期刊，文章于2025年5月28日收稿，同年8月3日修订，9月29日接受，10月1日在线发表。论文题为《Nanosecond laser welding for copper to silicon carbide lap joints with optimized parameters》，属于单一原创研究，聚焦于铜（copper, Cu）与碳化硅（silicon carbide, SiC）异种材料的纳秒脉冲激光搭接焊接工艺开发与参数优化。

该研究属于激光微连接与异种材料焊接领域。随着宽禁带半导体（wide bandgap semiconductor）如碳化硅在高电压功率器件、MOSFET及高温极端环境应用中的重要性日益提升，实现铜与碳化硅之间可靠连接成为微电子封装和功率系统中的关键需求。然而，碳化硅本身脆性高，在激光焊接过程中极易因热应力产生裂纹；铜与碳化硅的物性差异也使得界面冶金结合困难。传统方法常依赖中间层或胶粘剂，工艺复杂且不利于集成。因此，该研究旨在利用纳秒脉冲激光结合动态摆动（dynamic wobbling）技术，探索在无中间层条件下实现高质量铜—碳化硅搭接接头的可行路径，并通过模拟与人工神经网络（artificial neural network, ANN）构建参数优化框架。

研究流程可分为四个主要阶段。第一阶段为实验装置搭建。研究对象为0.30 mm厚商业纯铜箔与0.33 mm厚4H-SiC基板，采用1064 nm波长掺镱光纤激光器（ytterbium fiber laser），脉冲重复频率固定为80 kHz，脉冲宽度120 ns，焦点光斑直径15 μm。铜置于上层、碳化硅置于下层，形成搭接构型。铜在1064 nm波长下吸收率高，可促进能量耦合；碳化硅在该波长透射率仅18.2%，置于下层可降低其直接受热开裂风险。焊接过程采用振幅0.300 mm的摆动路径，保持70%光斑重叠率，以实现均匀热输入与界面混合。

第二阶段为数值模拟。研究利用Flow-3D商用软件建立三维热流模型，模拟熔池动力学和热分布。计算域采用分级网格，靠近激光束区域使用较粗网格以降低计算量，铜和碳化硅区域使用细网格以捕捉热-机械现象。热源采用高斯分布，并通过光线追踪方法模拟激光在动态匙孔（keyhole）内的多次反射与菲涅尔吸收。模型考虑反冲压力、浮力、表面张力及马兰戈尼效应（Marangoni effect）等驱动力。材料属性均设为温度依赖函数，其中熔融铜的粘度使用Arrhenius型关系，4H-SiC因在约2800 K发生分解而未设定液相。模拟结果与实验对比显示，在45 W、2 mm/s条件下，熔池宽度和深度偏差均在10%以内，验证了模型可靠性。

第三阶段为基于人工神经网络的参数优化。为系统寻找无裂纹且界面结合优良的工艺窗口，研究采用圆堆积设计（circle packing design）生成36组均匀分布的速度与功率参数组合进行模拟，并训练ANN以预测熔池界面宽度与穿透深度。ANN训练结果的决定系数R值达0.99，平均预测精度为99%。研究进一步定义了熔池几何质量准则：界面宽度应为0.290–0.325 mm，穿透深度应为0.290–0.350 mm。原始处理图分别经宽度准则和深度准则过滤后叠加，得到优化处理图（processing map）。图中绿色区域为最优参数区，蓝色区域能量不足，红色区域能量过高。为验证优化结果，从绿色区域选取两组参数（43 W、2 mm/s；41 W、6 mm/s），从红色区域选取两组参数（48 W、3 mm/s；47 W、8 mm/s）进行实验，每组工况制备三个样品，共十二个样品用于后续测试。

第四阶段为接头表征与力学测试。光学显微镜（optical microscopy, OM）观察显示，绿色区域参数焊接后碳化硅上下表面均未发现裂纹或孔隙，表面平滑均匀；红色区域样品则出现明显裂纹、孔隙甚至穿透性切割损伤，表明过高的激光能量导致碳化硅热应力开裂。能量色散谱（energy dispersive spectroscopy, EDS）分析表明，优化样品中铜表面硅含量为19.8–26.8 at%，碳含量为17.4–24.2 at%，分布均匀；碳化硅表面铜残留量为20.2–26.4 at%，同样均匀。这种均匀混合有利于形成Cu-O-Si界面层并抑制脆性金属间化合物（intermetallic compounds, IMCs）的生成。相反，非优化样品中硅含量高达35.2–53.6 at%，铜在碳化硅表面高达34.4–59.6 at%，元素分布严重不均，伴随裂纹和脆性IMC。剪切测试使用Stellar 4000芯片剪切测试仪进行，样品1和样品2的平均剪切强度分别约为20 MPa和12 MPa，而样品3和样品4均低于5 MPa。断口形貌分析显示，优化样品表现为内聚破坏（cohesive failure），铜侧断口保留大量碳化硅，碳化硅侧断口有铜转移，说明断裂扩展进入母材而非沿界面，证明界面结合强度高；非优化样品则呈现脆性断裂特征，裂纹贯穿结合区，铜与碳化硅之间混合不充分，界面连续性差。

通过以上逐层递进的研究，论文得出以下结论：纳秒激光摆动焊接可以在无中间层条件下实现铜与碳化硅的可靠连接；动态摆动技术与优化参数可有效抑制碳化硅裂纹和脆性IMC；熔池界面宽度与穿透深度是影响接头质量的关键几何指标；ANN驱动的处理图能以高精度预测并筛选出最优工艺窗口；优化工艺下获得的剪切强度最高达20 MPa，远优于非优化状态的5 MPa以下。

该研究的科学价值在于提出了“模拟—ANN优化—实验验证”的完整闭环方法，显著减少了试错成本，并为脆性半导体材料的激光焊接提供了可扩展的工艺框架。在应用层面，该技术可服务于微电子封装、功率模块互连及极端环境器件制造等领域，特别是碳化硅功率器件的铜电极直接键合。研究的亮点包括：首次将动态摆动纳秒激光用于Cu-SiC搭接接头；建立了99%预测精度的ANN处理图；通过EDS和断口分析系统揭示了优化与非优化参数下界面混合与失效模式的本质差异。此外，研究也指出了局限性，例如未系统考察摆动幅度与频率对应力分布的影响，以及未在高温或腐蚀环境下验证接头长期可靠性，为后续研究提供了明确方向。