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一、作者、机构与发表信息
本研究由 m. mohsin raza 和 yu-lung lo（通讯作者）完成，二者均隶属于台湾台南的 national cheng kung university（国立成功大学）机械工程系。该论文发表于 journal of materials research and technology（材料研究与技术杂志）第39卷，页码为3033至3049，在线发表日期为2025年10月5日，doi为 https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.10.034 。该研究于2025年5月11日投稿，2025年10月2日修回，2025年10月3日接受。
二、学术背景与研究目的
本研究属于激光焊接与材料连接领域，具体聚焦于半导体材料碳化硅（silicon carbide, sic）与金属铜（copper, cu）的异种材料纳秒激光焊接。异种材料焊接在现代微电子、航空航天及高性能能源系统中具有重要应用前景，但由于sic与cu在熔点、热导率和热膨胀系数方面存在显著差异，焊接过程中极易形成脆性金属间化合物（intermetallic compounds, imcs）并产生热应力裂纹，从而严重降低接头强度。
此前的研究表明，硅与铜的超快激光焊接剪切强度仅为2.2 mpa，而本团队早先针对铜上置（cu-on-top）构型的cu–sic搭接接头通过人工神经网络（artificial neural network, ann）优化及摆动焊接策略实现了约20 mpa的剪切强度。然而，sic上置（sic-on-top）构型下，脆性sic直接暴露于激光照射，其分解行为和热传输效应对裂纹形成具有决定性影响，该构型的工艺窗口与失效机制尚不明确。因此，本研究旨在通过实验与flow-3d数值模拟相结合的方法，探究温度梯度驱动的开裂行为、熔池几何特征与界面行为，建立可量化的裂纹判据，并确定实现无裂纹连接的最优工艺参数窗口。
三、研究流程与详细方法
本研究主要包括以下五个步骤：（1）实验设置与sic–cu搭接接头制备；（2）flow-3d数值模型建立与验证；（3）温度梯度与熔池几何数据的提取及裂纹判据建立；（4）基于人工神经网络的工艺图谱构建与实验验证；（5）界面微观组织表征与剪切强度测试。
（1）实验设置与样品制备：研究采用0.33 mm厚的4h–sic基板与0.30 mm厚的商用纯铜箔进行搭接激光焊接，sic置于铜的上方。激光源为纳秒掺镱光纤激光器（型号：ipg photonics ylpn-1000-4x200-30-m），波长为1064 nm，脉冲重复频率为45–65 khz，脉冲宽度为120 ns，焦距为125 mm，激光光斑直径为15 μm，光束质量m² < 1.5。sic在1064 nm波长的透射率仅为18.2%，因此大部分激光能量被sic吸收，同时部分能量可透射至铜表面。sic上置的构型利用铜作为热沉（heat sink），通过受控热传递降低sic层内的温度梯度，从而减小热冲击风险。实验中系统改变了激光平均功率（25–60 w）和扫描速度（2–4 mm/s）。焊接过程采用了摆动扫描策略，摆动宽度为0.300 mm，重叠率为70%，以改善热分布均匀性。
（2）flow-3d数值模型建立与验证：研究使用flow-3d商用计算流体动力学（computational fluid dynamics, cfd）软件构建了激光焊接过程的三维瞬态模型。激光热源采用高斯热流分布，并通过光线追踪技术模拟激光在匙孔内的多次反射。自由表面演化采用流体体积法（volume of fluid, vof）追踪。质量守恒、能量守恒和流体体积方程分别如文中的公式（2）、（3）和（5）所示。材料的相变行为通过焓基连续介质框架描述，如公式（4）所示，其中考虑了sic的激光诱导分解/蒸发引起的质量损失。反冲压力由公式（6）描述，其依赖于熔池表面的局部温度。计算域的上下边界采用外流边界条件，考虑热传导、对流、辐射和蒸发；侧面采用连续性边界条件。模型验证通过比较三个功率水平（28 w、38 w和48 w）下模拟与实验的熔池宽度和深度进行。结果显示模拟与实验值的偏差控制在15%以内，验证了模型对熔池几何的预测精度。值得注意的是，研究中未进行直接的温度实验测量，温度梯度完全通过flow-3d模拟获得。
（3）界面温度梯度探针布置与裂纹判据建立：在模拟中，八个虚拟温度探针被布置在sic–cu界面处，沿垂直于界面的方向排列，间距为10 μm。探针位于sic侧和cu侧各一个，垂直通过熔池中心，用于精确计算界面处的局部温度梯度（∂t/∂z）。通过系统改变激光功率和扫描速度，研究获得了不同工艺条件下的温度梯度值。结合实验观察到的结合与裂纹行为，研究建立了裂纹判据：温度梯度在22,000–35,000 k/cm范围内对应无裂纹结合；梯度超过37,000 k/cm时进入易裂区；梯度低于约22,000 k/cm时，由于能量输入不足而无法实现结合。此外，研究同时定义了基于熔池宽深比（width-to-depth ratio, w/d）的第二判据：w/d比约0.967为无裂纹结合的上限阈值，当w/d比均值达到约1.014时，即进入易裂区。
（4）基于ann的工艺图谱构建与实验验证：研究采用circle packing算法在参数空间内生成36个代表性样本点，参数空间由切向速度（1–10 mm/s）和平均激光功率（20–60 w）构成。对这36个参数组合进行cfd仿真，获得熔池穿透深度、结合宽度和温度梯度。三个ann模型分别被训练以预测这三个输出属性，随后在2997个参数组合上进行评估，生成工艺图谱。工艺图谱将参数空间划分为三个区域：“无结合”（蓝色）、“无裂纹结合”（绿色）和“易裂结合”（红色）。为验证图谱，研究选取了八个代表性实验点进行实际焊接试验。
（5）微观组织表征与剪切强度测试：样品表征采用光学显微镜（optical microscopy, om）观察焊缝和热影响区（heat-affected zone, haz）尺寸，扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, sem）结合能量色散x射线能谱（energy-dispersive x-ray spectroscopy, eds）分析界面微观结构和元素分布，拉曼光谱（raman spectroscopy）用于检测sic分解及界面处的硅相关键合信息。剪切强度测试使用stellar 4000型芯片剪切测试仪进行，测试载荷最高为10 kg。对八个代表性样品各进行三次测量，以评估不同工艺参数下的结合强度。
四、主要结果
（1）工艺参数对结合行为的影响：光学显微镜观察显示，在28 w功率下，由于能量不足，sic表面未发生熔化，sic–cu界面未形成结合。在38 w时，sic和cu均发生部分熔化，界面形成了均匀且无明显缺陷的结合。在48 w时，热输入过高导致haz显著扩展，且裂纹主要在熔合边界附近出现。模拟与实验的熔池宽度和深度对比如图7所示，偏差在15%以内，验证了模型的有效性。
（2）温度梯度与裂纹判据的定量化：表1总结了不同平均激光功率和扫描速度下的结合宽度、深度、w/d比、模拟温度梯度及区域分类。无结合区域对应于激光功率<35 w、温度梯度<约22,000 k/cm；无裂纹结合区域对应于35–45 w、2–4 mm/s，温度梯度在22,000–35,000 k/cm范围内；易裂结合区域对应于≥46 w，温度梯度超过37,000 k/cm，最高可达约58,344 k/cm。图8展示了28 w、38 w和48 w下的温度梯度随时间变化曲线，进一步说明了不同功率水平下热行为的差异。图9显示了w/d比与温度梯度的关系图，数据点按工艺条件标注，清晰表明较高w/d比和较高温度梯度与裂纹形成呈正相关。
（3）优化工艺图谱与验证：图11展示了基于ann预测生成的工艺图谱，其中绿色区域（35–45 w，1–10 mm/s）为无裂纹结合窗口。表2列出了用于验证的八个样品参数。图12的om图像显示，样品1（45 w，3 mm/s）形成了均匀的结合界面，haz宽度约20 μm；样品6（57 w，5 mm/s）则在sic和cu表面均出现可见裂纹，haz扩展超过30 μm。所有八个验证点的实验结果均与工艺图谱预测一致。
（4）界面微观组织与元素分布：sem和eds分析揭示了界面化学特征。在优化条件（样品1）下，sic侧铜的原子百分比在26.4–34.5 at.%之间，呈受控梯度分布；cu侧硅含量在19.8–32.8 at.%之间，碳含量在12.8–24.5 at.%之间。这种均匀的元素过渡有助于抑制脆性imcs的形成。eds结果表明界面处形成了cu–o–si层，该层由晶态铜、铜氧化物和非晶态cu–o–si相组成，其形成机制与sic在高温激光作用下的分解及si、c物种向铜中的扩散有关。相比之下，在非优化条件（样品6）下，sic表面铜含量波动剧烈（27.8–70.5 at.%），cu侧硅含量在33.6–70.6 at.%之间大幅波动，这种不均匀混合促进了脆性imcs的形成及裂纹的萌生。拉曼光谱在cu侧观察到507 cm⁻¹的晶态硅特征峰，在sic表面观察到520 cm⁻¹附近的峰，进一步证实了sic分解后元素si的迁移与再沉积。
（5）剪切强度结果：图17显示了八个样品的剪切强度。样品1–4（绿色区域）表现出较高且一致的剪切强度，最高值在样品1（45 w，3 mm/s）达到4.5 mpa。样品5–8（亚优化区域）的剪切强度较低且变异性大，其中高功率条件（53–57 w）下，过大的温度梯度和局部过热导致sic分解加剧、界面混合不均匀及裂纹形成，剪切强度可降至约1 mpa。
五、结论与意义
本研究通过实验与flow-3d数值模拟相结合，系统研究了sic–cu纳秒激光焊接中温度梯度对结合与开裂行为的影响。研究得到了以下主要结论：（1）实现无裂纹结合的最优温度梯度范围为22,000–35,000 k/cm；（2）无裂纹结合的最优w/d比约为0.967，高于约1.014时裂纹倾向显著增加；（3）最优工艺窗口为激光功率35–45 w、扫描速度2–4 mm/s，在此范围内haz可控制在10–25 μm；（4）在45 w和3 mm/s条件下获得最高剪切强度4.5 mpa；（5）优化条件下界面形成了均匀的cu–o–si层，有效抑制了脆性imcs的形成。
本研究的科学价值在于建立了针对sic–cu异种材料纳秒激光焊接的定量化裂纹判据，将温度梯度阈值和熔池宽深比阈值作为可操作的工艺控制指标。与以往仅依赖实验试错的方法相比，本研究通过ann耦合cfd仿真构建的工艺图谱显著减少了实验迭代成本，提供了一种系统化的工艺优化范式。在应用层面，该研究为微电子封装、航空航天及高性能能源系统中半导体–金属接头的可靠连接提供了直接指导，尤其在sic功率器件与铜散热基板的集成方面具有重要工程意义。
六、研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下三个方面：第一，首次针对sic上置构型提出了温度梯度与w/d比双重定量裂纹判据，明确了从无结合到无裂纹结合再到易裂结合的过渡边界；第二，将flow-3d模拟、ann建模和circle packing实验设计方法有机结合，实现了高精度工艺图谱的构建，显著提高了工艺优化的效率和可靠性；第三，通过eds和拉曼光谱的联合表征，揭示了cu–o–si界面层的形成机制及其对抑制脆性imcs和提升结合强度的关键作用。
七、其他有价值内容
值得关注的是，与作者此前报道的铜上置构型（剪切强度约20 mpa）相比，sic上置构型的剪切强度明显较低（4.5 mpa），作者将这一差异归因于sic直接暴露于激光辐照导致其对温度梯度的敏感性显著增加。这一对比揭示了接头构型对焊接质量的显著影响，为实际工程中sic–cu接头的设计提供了重要参考。此外，论文指出，尽管在优化条件下获得了较好的结合，但界面处含氧相的具体物相鉴定尚未完成，需通过透射电子显微镜（tem）和更高温度下的可靠性测试进一步研究。