本研究由M. Mohsin Raza和Yu-Lung Lo完成，两位作者均来自台湾成功大学（National Cheng Kung University）机械工程系。该论文发表于《Results in Engineering》期刊，于2025年10月1日在线发表，属于开放获取文章。

一、研究背景与目的

随着微电子、功率系统和极端环境应用对宽禁带半导体材料需求的不断增长，碳化硅（SiC）作为第三代半导体的代表性材料，因其高电子漂移速度、宽禁带和临界击穿场强等优异性能，在高电压器件、MOSFET和晶闸管等领域展现出巨大潜力。然而，SiC与金属材料（特别是铜）之间的可靠连接一直是制造领域的重大挑战。传统方法通常依赖粘合剂或光吸收中间层，工艺复杂且难以保证接头质量。激光焊接作为一种精密制造技术，具有分辨率高、热影响区小和对复杂几何形状适应性强等优点，但在异种材料焊接中仍面临诸多困难，尤其是SiC的脆性使其在热应力作用下极易产生裂纹。本研究旨在开发一种创新的纳秒脉冲激光动态摆动焊接方法，实现铜（Cu）与4H-SiC搭接接头的高质量连接，并通过数值模拟与人工神经网络（ANN）优化相结合的方式，系统性地确定最佳焊接参数组合。

二、研究方法的详细流程

本研究采用了实验分析、数值模拟与机器学习优化三者相结合的综合研究框架，主要包含以下步骤：

第一，实验装置搭建。研究采用波长为1064 nm的纳秒镱光纤激光器（IPG Photonics YLPN-1000–4×200–30-M），脉冲重复频率固定为80 kHz，脉冲波形为120 ns，焦距125 mm，光斑尺寸15 μm，光束质量M²小于1.5。将厚度0.30 mm的纯铜箔与厚度0.33 mm的4H-SiC基板以搭接形式进行焊接。铜片置于上层，SiC置于下层，这一配置基于材料光学和热学特性的深入考量——SiC在1064 nm波长处的透光率仅为18.2%，几乎不透明，若置于上层将导致激光能量吸收不足并增加微裂纹风险；而铜作为优良热导体，可充当热沉并作为牺牲吸收体，熔化后将热能传递至SiC，从而降低SiC中的温度梯度，减少热冲击断裂风险。

第二，数值模型的建立与验证。研究使用Flow-3D商业模拟软件构建了激光焊接过程的三维数值模型。该模型采用分级网格结构，在铜和SiC区域设置精细网格以捕捉关键热力学现象，在激光束附近的空腔区域使用粗网格以降低计算成本。激光束热源采用高斯分布模型，并通过Flow-3D的实时光线追踪技术捕获动态匙孔内的多次激光反射。模型求解了质量、动量、能量和组分守恒方程（公式3-6），采用流体体积法（VOF）追踪自由表面运动。驱动力包括反冲压力、浮力和表面张力（含马兰戈尼效应），反冲压力模型考虑了蒸发潜热、热容比和蒸发温度等材料本征参数。边界条件涵盖了自由表面的对流、辐射和蒸发热损失以及所有其他边界的能量平衡。材料属性采用随温度变化的函数，包括密度、热导率、比热、粘度、表面张力和热膨胀系数等。为验证模型准确性，将模拟的熔池宽度和深度与实验数据进行了对比，在45 W平均激光功率和2 mm/s切向速度条件下，偏差在10%以内，证明了模型的有效性。

第三，摆动脉冲扫描策略的实施。研究采用了动态摆动焊接技术，摆动宽度a固定为0.300 mm，搭接率保持70%。摆动路径的数学描述由公式(20)给出，其中x(t)和y(t)分别表示激光束在水平和垂直方向上的时间函数。切向速度vt和进给速度vf之间的关系由公式(21)和(22)确定。摆动扫描策略的核心目的在于实现均匀的热分布和材料穿透，有效减少空洞和脆性金属间化合物（IMC）等缺陷，同时保护SiC基板免受损伤。值得注意的是，虽然本研究将摆动宽度固定为0.3 mm，但这一数值是基于前期文献和初步实验选择的，作者明确指出未对摆动幅值和频率进行系统性参数研究，这是本研究的一个局限。

第四，基于圆填充设计的参数空间采样与ANN代理模型构建。为了系统性地探索激光参数空间并降低计算成本，研究采用了圆填充（circle packing）设计方法在参数空间内生成均匀分布的36个采样点，每个点代表切向速度与平均激光功率的特定组合。无量纲化后的参数范围映射到[0,1]区间，圆半径为0.075。随后，基于这36组模拟数据训练了人工神经网络（ANN）模型，使用MATLAB神经网络工具箱开发，以预测熔池宽度和穿透深度作为激光功率和扫描速度的函数。ANN模型达到了0.99的总体R值和99%的平均准确度，展现了极高的预测精度。利用训练好的ANN模型，研究以0.5 W和0.25 mm/s的增量在20-50 W平均功率和2-10 mm/s切向速度范围内生成了完整的加工图谱。

第五，双准则优化筛选。研究建立了两个质量判据来筛选最佳参数组合：熔池界面宽度判据和熔池穿透深度判据。对于界面宽度，最佳范围为0.290-0.325 mm，低于0.290 mm的区域显示为蓝色（界面宽度过小），高于0.325 mm的区域显示为红色（界面宽度过大），绿色区域代表可接受的界面宽度。对于穿透深度，最佳范围为0.290-0.350 mm，低于0.290 mm表示熔深不足，高于0.350 mm表示熔深过大。通过叠加两个筛选后的加工图谱，获得最终的优化加工图（图9），其中绿色区域代表能够产生高质量Cu-SiC接头的参数组合。

第六，实验验证。从优化区域（绿色区域）随机选取了两个参数组（样品1：43 W和2 mm/s；样品2：41 W和6 mm/s），从非优化区域（红色区域）选取了两个参数组（样品3：48 W和3 mm/s；样品4：47 W和8 mm/s）进行焊接实验。每个参数组制备3个样品。使用Stellar 4000芯片剪切测试仪评估接头剪切强度，载荷能力高达100 kg。通过光学显微镜（OM）观察SiC表面裂纹和孔隙，通过能量色散光谱（EDS）分析元素分布，通过扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌。

三、主要研究结果与分析

光学显微镜结果清晰展示了优化参数与非优化参数之间的显著差异。在优化参数条件下（图10），SiC基板的上下表面均未观察到裂纹或孔隙，表面光滑均匀，证明了焊接过程的有效性。相比之下，非优化参数条件（图11）下，SiC板材出现明显的裂纹、孔隙甚至穿透性切割，这归因于过高的激光功率和切向速度导致过量热输入，超过了材料承受的临界阈值，引发过热和裂纹形成。

EDS元素分析进一步揭示了优化与非优化条件下界面混合行为的本质差异。在优化条件下（图12），铜表面检测到硅残留的原子百分比在19.8%-26.8%范围内，碳残留为17.4%-24.2%，分布均匀。同样，SiC表面检测到的铜残留原子百分比为20.2%-26.4%，也呈现均匀分布特征。这种均匀的元素分布有利于减少裂纹和脆性IMC的形成，促进强界面结合。作者推测在焊接过程中SiC发生分解，硅与铜形成共价键，并结合前期研究提出的激光诱导等离子体辅助穿透（LIPAP）机制，认为形成了Cu-O-Si界面层，增强了粘附力和机械锚固效果。相比之下，非优化条件下（图13），硅的原子百分比高达35.2%-53.6%，碳为12.9%-27.8%，铜为34.4%-59.6%，分布极不均匀，导致了脆性IMC的大量形成和界面裂纹的产生。

剪切强度测试结果显示，优化参数下的样品1和样品2分别达到约20 MPa和12 MPa的平均剪切强度，而非优化参数下的样品3和样品4均低于5 MPa，形成了鲜明的对比。断口形貌分析提供了力学性能差异的微观解释。样品1的断口（图15）呈现内聚破坏模式，铜侧保留有SiC材料，SiC侧存在铜痕迹，表明断裂发生在材料内部而非界面处，说明激光处理有效地促进了界面机械互锁。相反，样品4的断口（图16）呈现典型的脆性断裂特征，两侧均可见明显裂纹，SiC痕迹沿裂纹分布不均，表明界面结合不充分，接头对断裂极为敏感。

四、研究结论与意义

本研究成功开发了一套完整的纳秒激光焊接Cu-SiC搭接接头的优化框架，结合Flow-3D数值模拟、ANN机器学习预测和实验验证，确定了熔池界面宽度0.290-0.325 mm和穿透深度0.290-0.350 mm的关键阈值范围。优化后的接头剪切强度达到20 MPa，是非优化接头的4倍以上。研究证实了动态摆动技术在减少热应力、确保均匀热分布和降低裂纹形成方面的有效性。该方法具有可扩展性，可推广至其他异种材料体系的激光焊接。在应用层面，优化的Cu-SiC接头在微电子封装、功率模块和极端环境器件中具有显著的应用潜力，为宽禁带半导体与金属的可靠连接提供了切实可行的工程解决方案。

五、研究亮点

本研究的主要创新点包括：第一，首次将动态摆动纳秒激光焊接技术应用于Cu与SiC异种材料搭接接头，填补了宽禁带半导体激光焊接研究的空白；第二，建立了Flow-3D数值模拟与ANN代理模型相结合的混合优化策略，通过圆填充设计实现了高效参数空间采样，大幅降低了试错成本和计算时间；第三，提出了基于熔池界面宽度和穿透深度的双准则质量判据，为异种材料焊接的参数优化提供了量化标准；第四，通过EDS和断口形貌分析揭示了SiC分解与Cu-O-Si界面层形成的结合机制，为理解激光焊接异种材料的冶金行为提供了新见解。

研究的局限性包括：摆动宽度固定为0.3 mm未进行系统优化；实验验证样本量相对有限（每个参数组仅3个样品）；未考虑实际工况条件下的性能验证（如高温或腐蚀环境）；氧化层对激光吸收率和界面结合强度的影响未直接研究。作者表示未来工作将致力于整合中间层材料、扩大参数边界以及进行更全面的统计验证。