近日，复旦大学工程与应用技术研究院（以下简称“工研院”）超越照明研究所宽禁带半导体团队樊嘉杰青年研究员在国际Top学术期刊《Materials & Design》上连续发表两篇学术论文。烧结纳米铜作为SiC功率器件的关键封装材料之一，在近海、海上风电等环境中存在腐蚀退化失效的风险。两篇论文分别采用了第一性原理（DFT）以及反应力场分子动力学（ReaxFF MD）仿真结合实验的方法，探索了烧结纳米铜材料在硫（S8）蒸汽以及H2S气体作用下的电、热、力学性能退化演变规律并厘清了腐蚀失效机制。两项研究的结果为新型耐硫型SiC功率模块开发，确保电力电子系统在恶劣环境中可靠运行提供了重要的理论研究支撑。

两篇论文的第一作者均为工研院超越照明研究所2021级博士生陈威，唯一通讯作者均为工研院超越照明研究所青年研究员樊嘉杰。复旦大学工研院为唯一通讯单位，复旦大学宁波研究院、美国拉马尔大学、荷兰代尔夫特理工大学参与合作研究。两项工作得到了国家自然科学基金（面上项目）、上海浦江人才计划、太原市揭榜挂帅项目以及上海市科委等项目的资助。

论文1介绍

论文题目：Insights into sulfur and hydrogen sulfide induced corrosion of sintered nanocopper paste: A combined experimental and ab initio study

DOI：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112876

本研究通过实验和密度泛函理论（DFT）模拟方法，深入探究了烧结铜在高温高湿且含有S8蒸气或者H2S环境下的腐蚀现象、腐蚀机制及其对机械性能的影响。首先，本研究通过实验详细分析了S8老化和H2S老化对烧结铜的腐蚀行为。实验结果显示，在S8老化过程中，烧结铜表面出现了疏松的腐蚀产物；而在H2S老化过程中，则形成了紧密的层状腐蚀产物。与H2S老化相比，S8老化造成了烧结铜更为严重腐蚀，腐蚀过程中产生了更多的腐蚀产物，并导致机械性能更为显著下降。此外，本研究还发现S8老化过程中出现了超过10µm的腐蚀渗透现象。为了进一步揭示腐蚀机理，本研究利用DFT模拟方法进行了深入分析。模拟结果表明，烧结铜氧化物层[Cu2O(111)]上的不饱和Cu位点具有同时吸附H2S和S8的能力，而饱和Cu位点则主要吸附S8。这一发现解释了为什么S8老化对烧结铜的腐蚀作用更为严重。

图1 论文1的主要研究内容与结果

论文2介绍

论文题目：Unraveling the hydrogen sulfide aging mechanism on electrical-thermal–mechanical property degradation of sintered nanocopper interconnects used in power electronics packaging

DOI：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112702

为了深入探究硫化氢（H2S）诱导烧结铜腐蚀的演变机制，本研究采用了实验和基于反应力场（ReaxFF）的分子动力学（MD）模拟相结合的方法，同时以块状铜作为参照对象。   实验结果表明，无论是烧结铜还是块状铜，在与H2S发生反应之前，都会首先与氧气（O2）相互作用，生成一系列化合物，如Cu2O、Cu2S、CuO和CuS。进一步分析发现，H2S诱导的腐蚀对烧结铜和块状铜的性能均造成了负面影响，具体表现为电学、热学和机械性能的恶化。值得注意的是，烧结铜在这一过程中的腐蚀现象以及性能下降更为显著。为了验证实验结果，本研究利用ReaxFF MD模拟方法进行了深入探究。模拟结果清楚地展示了H2S和O2如何渗透进入烧结铜/铜的结构，并与铜元素发生反应，最终形成腐蚀产物膜。相比于纯铜材料，H2S和O2渗透烧结铜的深度更大，这也是导致烧结铜性能下降更为显著的关键原因。

图2 论文2的主要研究内容与结果

相关研究内容：

课题组依托工研院超越照明研究所、上海市碳化硅功率器件与工程技术研究中心开展学术研究，主要研究方向为：（1）宽禁带半导体封装工艺及可靠性；（2）关键封装材料测试及性能表征；（3）多尺度-多物理场仿真模拟；（4）外延缺陷表征及界面力学模型；（5）可靠性预测、健康管理及数字孪生技术等。近年来，在关键封装材料腐蚀可靠性研究方面，课题组已经在Laser & Photonics Reviews, Corrosion Science, Materials & Design等高质量期刊上发表系列性研究成果，包括：

[1] Hu Dong, Gu Tijian, Cui Zhen, Vollebregt Sten, Fan Xuejun, Zhang G.Q, Fan, Jiajie*, Insights into the high-sulphur aging of sintered silver nanoparticles: An experimental and ReaxFF study. Corrosion Science, 192, 109846, 2021;

[2] Guo Baotong, Wen Minzhen, Tang Hongyu, Lishik Sergey, Fan Xuejun, Zhang, G.Q, Fan, Jiajie*, Revealing The Degradation Mechanism of (Sr,Ca)AlSiN 3 :Eu 2+ Phosphor Aged Under Thermal‐Moisture‐Sulfur Conditions: A Combined Experimental and Ab Initio Study. Laser & Photonics Reviews, 18, 2300838, 2024;

[3] Chen Wei, Liu Xu, Hu Dong, Liu Xu, Zhu Xi, Fan Xuejun, Zhang Guoqi, Fan Jiajie*, Unraveling the hydrogen sulfide aging mechanism on electrical-thermal–mechanical property degradation of sintered nanocopper interconnects used in power electronics packaging, Materials & Design, 238,

112702, 2024;

[4] Chen Wei, Liu Xu, Yang Zhoudong, Hu Dong, Liu Xu, Zhu Xi, Fan Xuejun, Zhang Guoqi, Fan Jiajie*, Insights into sulfur and hydrogen sulfide induced corrosion of sintered nanocopper paste: A combined experimental and ab initio study, Materials & Design, 240, 112876, 2024.