基于非均质中间层的AlN-Cu钎焊接头残余应力优化研究

doi:10.3901/JME.2025.08.098

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (8): 98-106.doi: 10.3901/JME.2025.08.098

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基于非均质中间层的AlN-Cu钎焊接头残余应力优化研究

王达达¹, 徐海涛¹, 刘平², 金霞², 闾川阳¹, 贺艳明¹

1. 浙江工业大学化工机械设计研究所杭州 310014;
2. 浙江亚通新材料股份有限公司杭州 310030

收稿日期:2024-04-02 修回日期:2024-10-15 发布日期:2025-05-10
作者简介:王达达，男，1999年出生。主要研究方向为异质材料界面行为调控。E-mail：q1439660879@163.com;贺艳明(通信作者)，男，1984年出生，博士，博士研究生导师。主要研究方向为能源装备绿色制造技术；极端条件下材料或焊接结构服役寿命评价；机器学习辅助固态电池电解质设计。E-mail：heyanming@zjut.edu.cn
基金资助:
浙江省重点研发计划(2021C01178)、国家磁约束核聚变能发展研究专项(2019YFE03100400)和国家自然科学基金(52175368，52105162)资助项目。

Optimization of Residual Stress in AlN-Cu Brazing Joint Based on Heterogeneous Interlayer

WANG Dada¹, XU Haitao¹, LIU Ping², JIN Xia², Lü Chuanyang¹, HE Yanming¹

1. Institute of Process Equipment and Control Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014;
2. Zhejiang Ya Tong Advanced Materials Co., Ltd., Hangzhou 310030

Received:2024-04-02 Revised:2024-10-15 Published:2025-05-10

摘要/Abstract

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)是能源变换与传输的核心器件。由于过大的残余应力，其基板的连接成为该器件应用的主要阻碍。该研究就器件常用AlN-Cu基板的残余应力缓解问题展开研究。通过交织的金属丝嵌入接头来缓解残余应力，以力学试验、有限元模拟与力学原理系统地分析了复合结构钎料对残余应力的影响。结果表明，金属丝与焊缝外沿的距离是结构优化的关键参数，而丝数影响不大。在此基础上，通过对嵌入金属丝应力缓解机理的分析，确认了一种预应力效应，它可以使原始钎焊结构应力分布用于确认较优的嵌丝布置位置。这种结构设计方法使AlN-Cu的接头抗剪强度提升至245 MPa，相比无丝结构提高了37.6%，为IGBT基板残余应力的控制提供了一种简单有效的解决方案。

关键词: AlN-Cu接头, 钎焊, 预应力, 结构优化

Abstract: Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is a core device for energy conversion and transmission. Due to excessive residual stress, the connection of the substrate becomes an urgent problem to the application of the device. Aiming at AlN-Cu substrates, this study used embedded interwoven metal wires in the joint to reduce residual stress. Such stress-relaxing effect was systematically studied with mechanical tests, finite element simulations and principle of mechanics. The results showed that the distance between the metal wire and the weld edge is the key parameter for structure optimization while the number of wires has little impact. Besides, a prestress effect was identified, which can be used to determine the optimal wire placement position from stress distribution of non-wire brazing structure. This wire-embedding structure has increased the shear strength of AlN-Cu joint up to 245 MPa, which is 37.6% higher than that of non-wire structures. Providing a simple and effective solution for the residual stress control of IGBT substrates.

Key words: AlN-Cu joint, brazing, prestress effect, optimization

中图分类号:

TG407

王达达, 徐海涛, 刘平, 金霞, 闾川阳, 贺艳明. 基于非均质中间层的AlN-Cu钎焊接头残余应力优化研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 98-106.

WANG Dada, XU Haitao, LIU Ping, JIN Xia, Lü Chuanyang, HE Yanming. Optimization of Residual Stress in AlN-Cu Brazing Joint Based on Heterogeneous Interlayer[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(8): 98-106.

参考文献

[1] KRANZMANN A. Aluminum nitride [M]//BROOK R J. Concise encyclopedia of advanced ceramic materials. Oxford：Pergamon，1991：8-9.
[2] BAIK Y，DREW R A L. Aluminum nitride：Processing and applications[J]. Key Engineering Materials，1996，122-1：553-570.
[3] WAY M，WILLINGHAM J，GOODALL R. Brazing filler metals [J]. International Materials Reviews，2020，65(5)：257-285.
[4] KARA SLIMANE A，JUVE D，LEBLOND E，et al. Joining of AlN with metals and alloys[J]. Journal of the European Ceramic Society，2000，20(11)：1829-1836.
[5] 刘多，刘景和，周英豪，等. 紫铜/Al₂O₃陶瓷/不锈钢复合结构钎焊接头残余应力研究[J]. 材料工程，2018，46(3)：61-66. LIU Duo，LIU Jinghe，ZHOU Yinghao，et al. Research on residual stress in copper/Al₂O₃ceramic/stainless steel composite structure brazed joint[J]. Journal of materials Engineering，2018，46(3)：61-66.
[6] 李娟，常子恒，赵宏龙，等. 填充泡沫Ti/AlSiMg复合钎料的70% SiCp/Al复合材料钎焊接头组织性能研究[J]. 机械工程学报，2023，59(14)：92-105. LI Juan，Chang Ziheng，Zhao Honglong，et al. Study on the microstructures and properties of 70% SiCp/Al composites joints brazed with titanium foam/AlSiMg composite filler metal[J]. Journal of Mechanical Engineering，2023，59(14)：92-105.
[7] 李淳，王志权，司晓庆，等. 轻质金属与陶瓷连接研究综述[J]. 机械工程学报，2020，56(6)：73-84. LI Chun，WANG Zhiquan，SI Xiaoqing，et al. Review on the research of the joining of lightweight metals and ceramics[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(6)：73-84.
[8] LIU D，LIU K，SONG Y，et al. Brazing of graphite to tungsten using graphene nanoplates reinforced TiNiCu composite filler[J]. Journal of Alloys and Compounds，2023，968：172107.
[9] WANG Y，WANG W，HUANG J，et al. Composite brazing of C/C composite and Ni-based superalloy using (Ag-10Ti)+TiC filler material[J]. Journal of Materials Processing Technology，2021，288：116886.
[10] ZHAO Y X，WANG M R，CAO J，et al. Brazing TC4 alloy to Si₃N₄ ceramic using nano-Si₃N₄ reinforced AgCu composite filler[J]. Materials & Design，2015，76：40-46.
[11] LIU D，CHEN B，JIN G，et al. Interfacial characteristics in CNTs-AgCuTi systems[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2022，35(4)：450-460.
[12] WANG Q，SHI J M，ZHANG L X，et al. Additive manufacturing of a high-strength ZrC-SiC and TC4 gradient structure based on a combination of laser deposition technique and brazing[J]. Journal of Materiomics，2021，7(4)：766-779.
[13] LI S J，ZHOU Y，DUAN H P，et al. Joining of SiC ceramic to Ni-based superalloy with functionally gradient material fillers and a tungsten intermediate layer[J]. Journal of Materials Science，2003，38(19)：4065-4070.
[14] SYPECK D J，WADLEY H N G. Multifunctional microtruss laminates：Textile synthesis and properties [J]. Journal of Materials Research，2001，16(3)：890-897.
[15] YANG Z W，ZHANG L X，CHEN Y C，et al. Interlayer design to control interfacial microstructure and improve mechanical properties of active brazed Invar/SiO₂-BN joint [J]. Materials Science and Engineering：A，2013，575：199-205.
[16] HUANG P，WANG Y M，PENG H B，et al. Diffusion bonding W and RAFM-steel with an Fe interlayer by hot isostatic pressing [J]. Fusion Engineering and Design，2020，158：111796.
[17] ZHONG Z H，ZHOU Z J，GE C C. Brazing of doped graphite to Cu using stress relief interlayers[J]. Journal of Materials Processing Technology，2009，209(5)：2662-2670.
[18] PARK J W，EAGAR T W. Strain energy release in ceramic-to-metal joints with patterned interlayers [J]. Scripta Materialia，2004，50(4)：555-559.
[19] ZHANG S，YAN L，GAO K，et al. Thermal ratchetting effect of AMB-AlN ceramic substrate：Experiments and calculations[J]. Ceramics International，2019，45(12)：14669-14674.
[20] LU C，ZHANG C，XU H，et al. Constructing a heterogeneous interlayer in relieving the residual stresses for the AlN/Cu brazed joint used in IGBT [J]. Materials Characterization，2023，199：112759.
[21] SUHIR E. Stresses in bi-metal thermostats [J]. Journal of Applied Mechanics，1986，53(3)：657-660.
[22] LURIE A I，BELYAEV A. Theory of elasticity[M]. Berlin，Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg，2005.
[23] Problems in polar coordinates[M]//BARBER J R. Elasticity. Dordrecht：Springer Netherlands. 2004：97-110.

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Optimization of Residual Stress in AlN-Cu Brazing Joint Based on Heterogeneous Interlayer

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[3]	杨逸凡, 陈是扦, 王开云, 肖绯雄, 马呈祥. 基于模态共振原理的重载机车一系钢弹簧结构优化研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 247-256.
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[8]	王颖, 木瑞洁, 牛士玉, 孙孔波, 杨振文. 高熵碳化物陶瓷及其钎焊接头的组织和力学性能[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 76-85.
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[10]	张振阳, 王景宽, 李鹏, 王银晨, 李超, 张亮亮, 董红刚. 钎料成分及钎焊温度对Ti₂AlNb与GH4169合金钎焊接头组织性能的影响[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 116-129.
[11]	申志康, 王波, 杨益, 管月辉, 周平, 侯文涛, 朴钟宇, 刘小超, 黄国强, 杨夏炜, 陈海燕, 田艳红, 李文亚, 李会军. 铝/钢搅拌摩擦钎焊连接机理及疲劳性能研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 130-138.
[12]	贾旭, 胡利方, 李子昊, 郑植, 刘伟, 张鹏. 基于阳极键合玻璃与铜的钎焊连接机理研究及其力学性能分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 140-149.
[13]	薛钢, 刘延俊, 薛祎凡, 郭磊. 集成水力翼板的深海着陆器水动力特性研究与结构优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(2): 209-223.
[14]	王金栋, 吴展扬, 谢宇鸿. 基于牛牙几何特征的仿生研磨副结构协同设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 212-224.
[15]	夏令伟, 谢亿民, 马国伟. 3D打印制造约束下的多孔结构与路径协同优化方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 241-249.