通过含Cu2O纳米层中间层的超快激光微焊接技术实现强度-塑性协同效应且热阻较低的蓝宝石/铜接头

《Journal of Materials Science & Technology》：Strength-plasticity synergic and low-thermal-resistance sapphire/Cu joints via ultrafast laser micro-welding with intermediate Cu 2O nanolayer

　　

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  通过预先制备的Cu₂O纳米层来调控空间受限的超快激光烧蚀等离子体，从而激活惰性的蓝宝石表面，并塑造蓝宝石与铜连接处的多机制界面微纳结构。
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  经过处理的蓝宝石/铜连接结构具备强度与塑性的协同效应，其剪切强度为121.1 ± 3.3 MPa，且剪切位移比未添加Cu₂O纳米层的蓝宝石/铜连接结构高出270.1%。
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  由于在过渡区域存在高质量的界面结合以及嵌入的铜纳米晶体，该结构在室温下的热阻低至1.89 ± 0.24 K mm² W^-1。
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  经过处理的蓝宝石/铜连接结构在-40°C至120°C的温度循环条件下仍保持稳定，500次循环后的强度下降幅度低于21.6%，同时还具有较好的抗染料渗透能力。

引言

先进的单晶氧化物材料（如蓝宝石）因其优异的电绝缘性、出色的热稳定性以及强大的机械性能，被广泛应用于电气和电子领域[1,2]。在功率电子器件（如高亮度LED）中，蓝宝石基板面临的主要挑战是热量散发问题[3]，因为微电子封装内的热量积聚可能导致热点产生，进而引发器件故障[4]。因此，将蓝宝石与具有高导热性的金属如铜直接结合，以形成有效的散热路径至关重要[5]。所以，制造出兼具强结合力与低界面热阻的高质量蓝宝石/铜异质结构，对于确保先进微纳器件的可靠性而言极为关键。

然而，由于蓝宝石与铜之间存在固有的物理化学差异，要建立稳定的蓝宝石/铜连接十分困难[6]。蓝宝石的化学惰性使得其在平衡状态下难以与金属发生化学反应。此外，蓝宝石与铜的热膨胀系数差异较大，在高温或高压环境下容易产生严重的残余应力，从而影响结构的稳定性[7]。通常，实现蓝宝石与铜的连接的方法包括：通过钎焊引入活性金属中间层来促进界面化学反应[8]，或者利用薄金属中间层（如铌）通过固态扩散来实现结合[9]。除了这些传统方法之外，近期还有诸如微波混合焊接技术[[10], [11], [12]]以及纳米材料整合技术[13,14]等新方法被用于提升加热均匀性、调节电磁/热响应，并提高连接的可靠性。不过，这些方法往往需要整体加热和加压，这可能会带来不必要的热效应和残余应力[15]。因此，要满足人们对高性能、低损伤以及局部化集成化的需求，仍然面临诸多挑战。

超快激光微焊接技术由于其高空间选择性和极小的热效应，为硬而脆的氧化物与金属之间的连接提供了一种极具前景的替代方案[16]。高强度的激光照射能够引发强烈的非线性及非平衡材料响应。同时，极短的脉冲持续时间（短于电子-晶格弛豫时间）也能有效缩小热影响区[17]。更为重要的是，超快激光烧蚀产生的高能等离子体会在异质结内部受限膨胀，而烧蚀产生的粒子或团簇可以对化学性质稳定的蓝宝石进行局部改性（如烧蚀、形态变化及相变），从而促进界面结合的形成[18]。

不过，由于蓝宝石与铜界面处的化学反应活性较低，直接连接存在一定难度[19,20]，此外铜对红外激光的强反射特性也会阻碍能量在界面处的有效传递[21]。有研究指出，通过调节烧蚀等离子体的成分及喷射状态，可以促进界面化学反应，进而帮助不同材质之间形成稳定的连接[22,23]。因此，为克服蓝宝石/铜直接超快激光焊接的固有难题，并规避现有连接方法的局限性，本研究提出了一种创新的协同策略：在超快激光焊接过程中引入预先制备的数百纳米厚的Cu₂O纳米层作为经过精心设计的中间材料。该中间层具有双重关键功能：首先，它在超快激光照射下可作为易离子化的物质，有效调控受限等离子体的成分、密度及动态行为，从而高效激活惰性的蓝宝石表面；其次，它可作为反应前驱体，参与并引导原位界面反应，最终帮助形成一种能够连接两种基材的微纳复合界面结构。

基于上述策略，本研究旨在系统探究Cu₂O纳米层在超快激光微焊接过程中的核心作用，并通过实验验证能否制备出具备强度-塑性协同效应且热阻较低的蓝宝石/铜连接结构。研究中对界面微观结构的演变过程及反应产物进行了详细分析，结合热力学计算与分子动力学模拟阐明了其形成机制。同时，也对材料的机械性能（包括剪切强度及断裂行为）以及界面热阻进行了全面评估。研究结果表明，借助Cu₂O介导的工艺，确实可以制备出高质量の蓝宝石/铜异质结构，这类结构不仅具备出色的强度-塑性协同效应，其热边界阻值也极低。这项工作为不同材质的整合开辟了新的思路，有望在功率器件中的热管理基板等领域得到广泛应用。

章节要点

材料与超快激光微焊接工艺

选用厚度为400 μm的商业蓝宝石晶片，并对其双面进行抛光处理。铜板则经过机械抛光，随后通过简单的溶液相沉积法在抛光的铜基底上预先制备出Cu₂O纳米层[24]。具体步骤为：首先将基底浸泡在0.1 mol L^?1的盐酸中10分钟，以去除表面的天然氧化物并激活表面，之后用去离子水彻底冲洗。接着将基底放入25 ± 2°C的0.05 mol L^?1 Cu(NO₃)₂溶液中浸泡8

超快激光焊接后蓝宝石/铜连接结构的微观形态

当激光束穿过上方的蓝宝石晶片并照射到下方的铜基底时，便能在受限区域内产生超快激光烧蚀等离子体。如图1(a)所示，这种机制是通过高能等离子体与蓝宝石晶片的相互作用来改变其表面性质，而这一表面改变化学过程对于促进连接结构的形成至关重要。值得注意的是，所形成的蓝宝石/铜异质结构可用作热管理基板，有助于散发热量

结论

在本研究中，通过借助数百纳米厚的Cu₂O纳米层辅助的超快激光微焊接技术，成功制备出了具备强度-塑性协同效应且热阻较低的蓝宝石/铜连接结构，主要结论如下：

• (1)
  通过分子动力学模拟与热力学计算发现，受限空间内的烧蚀等离子体可以通过引入的氧化物纳米层得到调控，这有利于促进有利的界面反应动力学以及微纳结构的形成

作者贡献说明

左欣德：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿撰写、结果验证、软件应用、资源获取、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理。 林路昌：论文撰写——审稿与编辑、资源获取、资金申请。 詹千雷：软件应用、方法设计。 季俊德：软件应用。 吴伟青：资源获取。 李竹国：资源获取、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本项研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号为52475381和52205398）的资助。

Xinde Zuo|Luchan Lin|Qianlei Zhan|Junde Ji|Weiqing Wu|Zhuguo Li