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作者及发表信息

本研究由Zhang Xiangzhao、Zhou Yansheng、Zhang Yinuo、Chen Kerou、Liu Guiwu和Qiao Guanjun（通讯作者）合作完成，研究团队来自江苏大学材料科学与工程学院。论文发表于期刊Ceramics International（2025年，第51卷，第12940–12950页），标题为《Theoretical screening and experimental fabrication of metallized layer for enhanced Cu wetting and adhesion on Si3N4 substrate》。

学术背景

研究领域为陶瓷-金属复合材料，具体聚焦于氮化硅（Si3N4）覆铜层压板（Si3N4 CCL）的界面结合优化。Si3N4陶瓷因其高热导率、高弯曲强度和断裂韧性，成为高功率电子器件（如IGBT模块）的理想基板材料。然而，铜（Cu）与Si3N4的润湿性差，传统活性金属钎焊（active metal brazing）方法存在工艺复杂、界面残余应力等问题。因此，本研究旨在通过理论计算筛选金属化层（metallized layer）并结合实验验证，开发一种新型的Cu/Si3N4界面强化策略，以提升结合强度和导电性能。

研究流程

研究分为理论筛选和实验验证两大阶段，具体流程如下：

1. 理论筛选金属化层

• 筛选标准：基于熔点（>1083°C）、热膨胀系数（CTE，3–17×10⁻⁶/K）、与Cu的固溶度（solid solubility）及界面粘附功（work of adhesion, Wa）四个指标，从59种金属中初筛出Ni、Co、Rh、Pd、Pt五种候选金属。
  
• 密度泛函理论（DFT）计算：通过VASP软件模拟金属(111)/Si3N4(0001)界面，计算Wa值。结果显示，Ni/Si3N4界面的Wa最高（3.44 J/m²），显著优于Cu/Si3N4（1.41 J/m²），且电荷转移分析表明Ni与Si3N4的相互作用更强。
  

2. 实验制备与表征

• Ni层制备：采用丝网印刷（screen-printing）技术将Ni浆料涂覆于Si3N4基板，经干燥和真空烧结（1100°C/120分钟）形成多孔Ni层。通过调整印刷次数（1–4次）控制厚度（60–105 μm），发现3次印刷的Ni层（3Ni-Si3N4）孔隙均匀且界面无缺陷。
  
• Cu覆层工艺：将不同质量（0.05–0.30 g）的Cu片置于Ni-Si3N4表面，在1150°C真空炉中熔融渗透。实验表明，0.20 g Cu可完全填充Ni层孔隙，形成致密的Cu-Ni合金层，且界面结合最佳；过量Cu（≥0.25 g）会导致界面富Cu相聚集，削弱结合强度。
  
• 性能测试：
  
  • 力学性能：通过剪切测试评估结合强度，Cu质量为0.20 g时，3Ni-Si3N4/Cu/3Ni-Si3N4接头的平均剪切强度达14.9 MPa。
    
  • 电学性能：霍尔效应测试显示，优化后的Si3N4 CCL表面电导率达1.01×10⁵/(Ω·cm)，满足高功率器件需求。
    

3. 数据分析

• 微观结构：SEM和EDS分析证实，Cu-Ni合金层由表面富Cu区、中部富Ni区及界面过渡区组成，且富Cu相分布影响界面结合。
  
• DFT辅助验证：计算表明，界面处掺杂Cu会降低Wa（从3.44降至2.23 J/m²），与实验中过量Cu导致界面失效的现象一致。
  

主要结果

1. 理论筛选：Ni因其高Wa和与Cu的无限固溶性，被确定为最佳金属化层。
   
2. Ni层优化：3次印刷的Ni层孔隙均匀（平均孔径8.35 μm），与Si3N4界面无缺陷。
   
3. Cu渗透行为：0.20 g Cu可实现平面铺展和垂直渗透，形成等轴晶结构的致密合金层；过量Cu导致界面裂纹。
   
4. 性能数据：最优样品的剪切强度（14.9 MPa）和电导率（1.01×10⁵/(Ω·cm)）均显著提升。
   

结论与价值

1. 科学价值：提出了一种基于DFT计算指导的金属化层设计策略，揭示了Cu-Ni/Si3N4界面的结合机制。
   
2. 应用价值：开发的Si3N4 CCL具有优异的界面结合和导电性，适用于高功率电子器件的散热与电路集成。
   
3. 方法论创新：结合理论筛选与丝网印刷-熔渗工艺，为陶瓷-金属复合材料提供了可扩展的制备方案。
   

研究亮点

1. 多尺度设计：从原子尺度（DFT计算）到宏观工艺（丝网印刷）的全流程优化。
   
2. 界面调控：首次通过控制Cu质量避免富Cu相聚集，解决了高固溶度体系的界面失效问题。
   
3. 性能突破：实现了Si3N4 CCL力学与电学性能的协同提升，优于传统钎焊方法。
   

其他价值

• 补充数据（如孔隙分布统计、XRD相分析）为类似研究提供了详实的实验参考。
  
• 开源筛选代码（GitHub）促进了计算材料学的工具共享。
  

（报告总字数：约1500字）