SiCp/Al-Cu异质层状结构界面微区微观组织与强塑性协同强化机制研究

为满足微电子领域对铝基复合材料热-力学性能的严苛需求，研究人员通过放电等离子烧结（SPS）制备了碳化硅颗粒增强铝/铜（SiCp/Al-Cu）异质层状结构，揭示了热轧工艺对界面相变及微观组织演化的调控作用，阐明了界面产物对热导率的阻碍机制，并解析了异质层状结构的强塑性协同增强效应。结果表明，界面Al2Cu和Al4Cu9金属间化合物（IMC）层的增厚显著提升了热阻，而层间界面通过促进位错积累和裂纹偏转使材料延伸率较单体SiCp/Al提高112.35%，为高性能电子封装材料设计提供了理论指导。

　　

随着微电子器件功率密度指数级增长，55%的元件失效源于热流集中导致的过热问题。传统单质材料难以兼顾高导热与力学性能，而铝/铜异质结构虽能结合轻量化与高导热优势，但界面金属间化合物（IMC）的脆性和热阻效应制约了其应用。针对这一挑战，江苏大学团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过创新性采用放电等离子烧结（SPS）结合热轧工艺，构建了碳化硅颗粒（SiCp）增强的Al-Cu层状复合材料，系统解析了界面微观组织演化规律与性能调控机制。

研究采用球磨混粉-SPS烧结-热轧的三步法制备5 vol.% SiCp/Al-Cu层状结构，通过SEM、EBSD和激光闪射法分别表征界面形貌、晶体取向和热扩散系数，结合拉伸测试分析力学性能。

Microstructure
SPS烧结后界面形成Al₂Cu和Al₄Cu₉双层IMC结构，热轧促使AlCu亚层析出并使IMC总厚度增加47.6%。SiCp在Al基体中的均匀分布有效抑制了界面孔隙缺陷。

Interface structure of IMC layer
原子扩散分析表明IMC析出顺序为Al₄Cu₉→Al₂Cu→AlCu。高分辨TEM显示Al₂Cu/Al₄Cu₉界面存在半共格关系，其错配位错网络可缓解热应力。

Conclusions
热轧应变能加速IMC层增厚，使界面热阻提升32%，但层状结构通过几何必需位错（GND）积累产生异质变形诱导（HDI）强化，使抗拉强度达340 MPa的同时延伸率较单体材料提升1.12倍。该研究为电子封装材料的多尺度界面设计提供了新思路。

研究创新性在于揭示了IMC层厚度与热阻的定量关系，并首次报道AlCu亚层对裂纹偏转的积极作用。作者指出未来可通过调控SPS脉冲参数优化IMC结晶度，进一步平衡热-力性能。这项工作得到江苏省自然科学基金（BK20240935）支持，其方法论对开发新型热管理材料具有普适指导价值。