【摘 要】
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SiC陶瓷因为其良好的力学性能和耐高温等性质,可以在很多极端的情况下正常工作,在高温半导体领域中很广泛的使用,因此国内外很多研究机构都对作为母材的SiC陶瓷与各种复合材料钎焊后的性能表现进行了细致的研究。SiC陶瓷在钎焊过程中由于其抗拉强度较小,在焊点处的强度很难保证,同时在微观层面上对于钎料以及焊接材料的结合性质却研究甚少。本文在第一性原理的理论基础指导下,主要对Al与4H-SiC的界面结合情况
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SiC陶瓷因为其良好的力学性能和耐高温等性质,可以在很多极端的情况下正常工作,在高温半导体领域中很广泛的使用,因此国内外很多研究机构都对作为母材的SiC陶瓷与各种复合材料钎焊后的性能表现进行了细致的研究。SiC陶瓷在钎焊过程中由于其抗拉强度较小,在焊点处的强度很难保证,同时在微观层面上对于钎料以及焊接材料的结合性质却研究甚少。本文在第一性原理的理论基础指导下,主要对Al与4H-SiC的界面结合情况、Zn与4H-SiC的界面结合情况、Zn-5Al与4H-SiC的界面情况、Sn与4H-SiC的界面结合情况、Sn-Zn与4H-SiC的界面结合情况进行研究,分别针对4H-SiC的C封端和Si封端两种封端方式,通过收敛性测试保证计算的准确性,用计算分离功的方式确定成键强度,用电子结构分析界面形成的本质,可以得出以下结论:在Al/4H-SiC界面结合过程中,Al-C之间形成的离子共价键,在界面结合过程中起到了主要的作用,虽然Al-Si之间也存在着金属共价键,但是根据界面的布居分析可以看出Al-Si之间相互作用远弱于Al-C之间。在Zn/4H-SiC界面结合过程中,根据电子结构分析得出界面形成的主要因素是ZnC之间形成了共价键,同时在Si封端界面中Zn-C之间没有化学键形成。在Zn-5Al/4H-SiC界面形成过程中,纯Zn中加入Al元素可以提高界面的结合能力,是强化界面的元素,根据界面分离功和布居分析可以看出,Zn-Si、Zn-C键长略大于Al-C键长,说明Zn-Si、Zn-C之间成键强度不如Al-C之间Al-C成键为界面形成的主要原因。在Sn/4H-SiC界面形成过程中,Sn-C之间形成离子键,Sn-Si之间成键方式为共价键,同时Sn-C之间成键强度高于Sn-Si之间。在Sn-Zn/4H-SiC界面形成过程中,Sn-Zn/C之间形成离子键,同时相互作用大于SnZn/Si的化学键强度,说明Sn-Zn/Si成键在界面形成起主要作用,同时Sn-Zn在与SiC进行界面形成时,C封端分离功和Si封端分离功均小于Sn/SiC陶瓷界面处的分离功。进行模拟计算后,分别对Sn-Zn,Zn-5Al进行超声钎焊SiC陶瓷的实验,结果表明:两种钎焊结果中均没有明显的反应层和溶解层,但在Zn-5Al/SiC陶瓷界面中因为Al与O反应所以会有O在界面中体现。
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