鍵合強度
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-02
鍵合強度的實例教程
在這里，華東理工大學的研究人員引入了具有不同錨定基團的全孔傳輸分子，研究了鍵合強度對單層膜質量的影響，并將其與p-i-n結構的PSC的性能進行了關聯。結果表明，具有較強結合強度的錨定基團有利于提高ASA單分子膜的組裝速率、密度和致密性，從而增強電荷收集，抑制界面復合。基于優化的ASA單層的PSCs原型獲得了21.43%(0.09cm2)的高功率轉換效率(PCE)。更令人振奮的是，當器件面積擴大10倍時，可以獲得20.09%(1.0cm2)的可比PCE，這表明ASA策略在實際應用中是有用的。ASA單層的堅固錨定還增強了設備的穩定性，在三個月后可保留90%的初始PCE。這項研究為有效和穩定的PSCs的ASA電荷傳輸單分子膜提供了重要的見解。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103847
綜上所述，本文揭示了錨定基團對p-i-n結構PSCs中基于ASA的空穴傳輸單分子膜性能的影響。開發了一系列含有不同錨基(-SO3H、-COOH和-PO3H2)的吩噻嗪分子高溫超導材料(TPT-S6、TPT-C6和TPT-P6)，系統地研究了它們對器件性能的影響。結果表明，具有較強鍵合強度的錨定基團不僅提高了組裝速率和吸附密度，而且使有機HTL對鈣鈦礦沉積具有很高的耐受性，從而大大提高了ASA單層在成套器件中的致密性。本文的ASA策略為PSC和其他光電器件提供了一種節省材料、可擴展和高效的電荷傳輸層的有效且現實的方法。（文：SSC）
圖1.調節分子HTMS的錨定基團。
圖2.與膠片緊密程度相關的粘合強度。
展開 影響因素
彈性模量是工程材料重要的性能參數，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。
凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等。因合金成分不同、熱處理狀態不同、冷塑性變形不同等，金屬材料的楊氏模量值會有5%或者更大的波動。
但是總體來說，金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學性能指標，合金化、熱處理（纖維組織）、冷塑性變形等對彈性模量的影響較小，溫度、加載速率等外在因素對其影響也不大，所以一般工程應用中都把彈性模量作為常數。
3.
意義
彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發生彈性變形越小。
彈性模量E 是指材料在外力作用下，產生單位彈性變形所需要的應力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，相當于普通彈簧中的剛度。
剛度
1.
定義
剛度是結構或構件抵抗彈性變形的能力，用產生單位應變所需的力或力矩來量度。
轉動剛度 (k )：k=M/θ。其中，M 為施加的力矩，θ 為旋轉角度。
展開 差分電荷密度（Differential Charge Density）、d帶中心理論（d-Band Center）與晶體軌道哈密頓布居（Crystal Orbital Hamiltonian Population, COHP）作為量子尺度的重要分析工具，可直觀揭示化學鍵形成機制、電荷轉移路徑及催化活性位點特性，為材料理性設計提供理論基石。傳統實驗手段難以直接觀測原子尺度電荷分布與軌道相互作用，而基于密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）的第一性原理計算成為破局關鍵。VASP（Vienna Ab initio Simulation Package）作為國際公認的電子結構計算權威軟件，在以下場景中展現獨特優勢（功能還有很多，這里只做部分介紹）（可視化軟件使用開源軟件VESTA，界面如圖1所示）：
1. 差分電荷密度：通過計算吸附/解吸附過程的電荷的轉移，可以直觀看出材料分界面處的電荷的得失（如圖2、圖3、圖4所示）。當然，如果需要定量的計算，我們也可以通過計算Bader電荷得出相應結論。以此評估材料之間微觀的相互作用。
2. d帶中心理論：關聯過渡金屬d電子態與吸附能強度，定量預測催化活性；
3. COHP分析：量化化學鍵強度與軌道貢獻（例如預測氧還原反應中金屬原子與反應中間體的鍵合強度，如圖5、圖6所示）。通過成鍵態和反鍵態貢獻的對比，評估中間體的吸附強度，有效地指導實驗研究。
圖1 VESTA軟件操作界面圖。
圖 2 MXene結構上吸附Li原子的差分電荷密度圖（這里只截取了結構的一部分）。
圖3 金屬離子在MXene上的擴散路徑。
圖4 金屬離子在MXene上的擴散勢壘。
展開 ③端子引出技術
電動汽車用IGBT 模塊的功率導電端子需要承載數百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求，車載環境中還要承受一定的振動和沖擊力，機械強度要求高。因此，采用傳統焊接工藝的導電端子已難以滿足其大電流沖擊、熱循環作用和機械振動等嚴苛工況的要求。
金屬超聲鍵合是一種適合電動汽車IGBT 導電端子焊接的工藝。它采用高頻超聲能量使金屬原子在兩種材料界面間相互擴散，最終形成一種高強度鍵合界面。該工藝簡單快捷，接觸電阻較低，鍵合強度較高。
④散熱設計
早期電動汽車用IGBT 通常采用帶銅基板的三明治結構，芯片工作中產生的熱量流經各導熱層，最終經導熱硅脂傳遞給水冷系統。這種結構工藝簡單成熟，但是熱阻大、散熱性能差、結構笨重。目前散熱系統的設計采用平面互連和雙面冷卻技術，使得散熱效果大幅提升。
小結：
國際主流的電動汽車IGBT 模塊生產廠家，如英飛凌、富士電機、三菱電機、賽米控、博世、電裝等，均成功推出了系列化產品，并在電動汽車上得到較為廣泛的應用。
當然，電動汽車雖然已有多種車型量產上市，但是對于它的提升和優化空間還很大。不僅僅是我們說的IGBT模塊，還有其他關鍵元器件的發展，比如電池(里程和充電速度)，而且外在設備也很重要，比如充電問題。
所以電動汽車還會不斷發展，現在看來，也僅僅是前中期。
展開 傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學Sangyeop Lee教授團隊研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學蒙特卡羅(MC)技術求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運的穩態Peerls - Boltzmann輸運方程。此外，該團隊計算了聲子-聲子散射產生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產生的阻力遠大于界面散射直接引起的阻力。
根據玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導致了聲子散射時產生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態密度和群速度的不匹配解釋了鍺中非平衡聲子的物理起源，為預測非平衡聲子對界面熱阻的影響提供指導。該團隊的工作清楚地表明，除了先前研究的原子尺度外，界面熱輸運還需要在微觀尺度上理解。該研究彌補了原子尺度和微觀尺度現象之間的差距，提供了對整體界面熱運輸和聲子-聲子散射的重要作用的全面理解。
展開 
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設計人員應關注粘合劑材料的鍵合強度和最高溫度，因為這些值會限制機械和熱載荷。
導電層
層壓堆疊的導電層通常由銅制成，也可以在必要時使用其他導電金屬。在大多數應用中，銅層由鍵合到基板上的箔片創建而成，然后被蝕刻以創建所需的電路。金屬箔片也可以具有多種厚度。銅箔通常經過軋制，以生產鍛造銅箔或電沉積物。另外，還可以使用導電油墨打印走線。
COHP分析：量化化學鍵強度與軌道貢獻（例如預測氧還原反應中金屬原子與反應中間體的鍵合強度，如圖5、圖6所示）。通過成鍵態和反鍵態貢獻的對比，評估中間體的吸附強度，有效地指導實驗研究。
圖1 VESTA軟件操作界面圖。
圖 2 MXene結構上吸附Li原子的差分電荷密度圖（這里只截取了結構的一部分）。
傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。
需要注意的是，10 kV SiC MOSFET 芯片下表面鍍有 Au，由于 Ag 會往 Au 層中擴散，若 Ag 擴散較 多會在 Ag-Au 界面產生 Kirkendall 空隙，降低鍵合強度。
目前鍵合多采用Au-In鍵合、Au-Au鍵合和Au-Sn鍵合，效果穩定，鍵合強度大，但Au單價偏高，影響生產成本，不符合Micro LED的商業化發展趨勢；不僅如此，傳統鍵合方式還要克服因為溫度升高，轉移頭和目標基板的熱膨脹系數不一樣而導致的對位偏移等問題。
與不可逆技術不同，夾具創建了一個可以重復安裝和拆卸的密封界面（圖1b），同時提供與等離子鍵合相當甚至更高（高達600 kPa）的鍵合強度。
1. 夾緊技術
（1）真空夾緊
在真空夾緊中，功能性流體歧管被一個額外的微通道或微柱空氣網絡包圍（圖2a）。當對該空氣網絡施加中等真空時會產生一種粘附力，能夠將微流體體固定在基板上。
表面粗糙（不平整）、有氧化層形成或是有化學沾污、吸潮等都會影響到鍵合效果，降低鍵合強度熱壓焊的溫度在 300℃~400℃，時間一為 40ms（通常,加上尋找鍵合位置等程序，鍵合速度是每秒二線）。超聲焊的優點是可避免高溫，因為它用20kHz~60kHz的超聲振動提供焊接所需的能量，所以焊接溫度可以降低一些。將熱和超聲能量同時用于鍵合，就是所謂的熱超聲焊。
彈性模量是材料的一個固有的特性，從宏觀角度來說，是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。
塑膠件的彈性變形，本質上就是分子鏈段的運動或內旋轉，分子鏈段的運動或內旋轉的難易程度可視為彈性模量的大小。
有時，彎曲產生的應力會導致鍵合點開裂或鍵合強度下降。
影響引線鍵合的因素包括封裝設計、引線布局、引線材料與尺寸、模塑料屬性、引線鍵合工藝和封裝工藝等。影響引線彎曲的引線參數包括引線直徑、引線長度、引線斷裂載荷和引線密度等等。
有時，彎曲產生的應力會導致鍵合點開裂或鍵合強度下降。
影響引線鍵合的因素包括封裝設計、引線布局、引線材料與尺寸、模塑料屬性、引線鍵合工藝和封裝工藝等。影響引線彎曲的引線參數包括引線直徑、引線長度、引線斷裂載荷和引線密度等等。
