微波烧结AlN-Cu复合材料微观结构演变的原位SR-CT研究及其界面极化机制解析

为解决电子封装材料中AlN-Cu界面可靠性问题，研究人员通过微波烧结结合同步辐射计算机断层扫描(SR-CT)技术，原位观测到600℃下6分钟内形成CuAlO2 中间相的关键过程，揭示粒径比(RCu :RAlN =1)对微波能效的调控机制，为高性能复合材料设计提供新思路。

　　

在电子封装领域，氮化铝-铜（AlN-Cu）复合材料因其卓越的导热和导电性能成为高功率器件的理想散热材料。然而，传统烧结工艺存在能耗高、界面反应不可控等问题，制约了材料性能的充分发挥。中国科学技术大学的研究团队创新性地将微波烧结与同步辐射计算机断层扫描（SR-CT）技术结合，首次实现了AlN-Cu材料微观结构演变的全过程原位观测。相关成果发表于《Materials Science and Engineering: B》，为金属-陶瓷复合材料的界面设计提供了全新视角。

研究团队采用上海同步辐射光源BL13HB线站的38 keV单色X射线，构建了包含微波加热、样品高速旋转和X射线成像三大模块的原位实验系统。通过实时采集三维结构数据与X射线衍射（XRD）图谱，结合电磁场模拟计算，系统解析了界面反应动力学与微波能场分布的耦合机制。

实验结果显示：在600℃的低温条件下，微波场仅需6分钟即可诱导铜颗粒与AlN基体间形成CuAlO₂
过渡层。SR-CT三维重建表明，铜颗粒初始体积通过调控"有效微波作用体积"显著影响反应速率，而介电常数差异引发的界面极化现象重构了微波能量分布。

分析讨论部分：当铜与AlN颗粒半径比（R_Cu
:R_AlN
）接近1时，体系获得最佳微波热效率。电磁场模拟证实该比例能平衡电场增强效应与有效体积衰减，使实际热功率达到峰值。这种粒径匹配策略突破了传统烧结对温度与时间的依赖。

结论指出：该研究不仅将AlN-Cu的烧结温度降低200-300℃，更揭示了界面极化对微波能量局域化分配的调控规律。通过优化颗粒半径比，可定向设计复合材料界面结构，这对开发新一代电子封装材料具有重要指导意义。研究获得国家自然科学基金（12027901、12041202）和同步辐射联合基金（KY2090000059）的支持，实验过程得到上海光源BL13HB线站的技术协助。