CN113042931A - 一种抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抑制无铅Sn‑Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，属于微电子材料领域。首先判断Bi原子在金属Sn体内以及表面的热力学稳定性：通过理论模拟计算得出Bi的溶解能以及扩散能垒信息；然后根据结果，总结得到影响Bi偏析的关键微观因素；最后在Sn‑Bi体系中添加一系列合金化元素X，获取此时Bi原子的溶解能以及扩散能垒的变化情况，以此选取可能抑制Bi偏析的几种合金化元素。通过此方法，可以为实验工作提供重要的参考依据，避免大批量重复实验工作的进行，大幅度减少支出，提高研究效率，具有很强的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，属于微电子材料领域。
背景技术
当今微电子领域中，微电子封装技术是支撑行业发展的核心技术之一，在朝着微型化、低功耗、高集成度的方向不断发展。微电子互连材料，即通常所说的焊料，是连接电子元器件与基板，以及元器件与元器件之间的材料，为电子设备提供必不可少的导电、导热、以及机械连接，对于电子设备的功能实现以及可靠运行都起到至关重要的作用，因此也是决定微电子封装技术发展的重要材料。
长期以来，锡铅(Sn-Pb)焊料合金一直被认为是最合适的互连材料，然而，由于铅的毒性被禁止使用，为了代替Sn-Pb合金，无铅焊料合金获得了广泛关注，其中Sn-Bi焊料合金是目前最受关注的理想的焊料合金之一。其共晶熔点仅为139℃，比其他二元Sn基合金体系都要低，可以满足低温气密性封装的要求。性能方面，Sn-Bi合金具有良好的剪切强度、抗疲劳性能、抗拉伸强度、抗蠕变性能，还能有效提高焊料与基板表面连接的润湿性。
然而，由于Bi本身属性偏脆，而且在焊料合金中容易形成粗大组织，导致合金塑性降低，甚至出现脆性破坏，严重影响焊接接头的性能，这是Sn-Bi焊料生产应用中遇到的最大问题。实验工作虽然观察到了这个现象，但由于不清楚其背后的微观机理，无法探寻抑制富Bi相析出的有效方法。因此，理论研究的方法非常必要，弄清楚Bi在Sn基底中偏析的微观机制，在此基础之上，提出一种抑制Bi相偏析的理论设计方法，避免了实验上需要进行大量重复工作来达到相同的目的，减少支出，具有重要的实用意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种理论设计方法，简单快速找到能有效抑制Sn-Bi焊料中Bi相偏析的第三种掺杂合金化元素，减少传统的大量重复性实验工作，为新型Sn-Bi基焊料的设计提供重要基础。
本发明采用计算模拟手段，具体来说采用计算材料科学中的第一原理计算方法，通过理论设计，简单快速地选择出能有效抑制焊料中富Bi相形成的第三类合金化元素，给实际生产提供重要参考。
一种抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，主要包括以下步骤：
(1)判断Bi原子在金属Sn体内以及表面的热力学稳定性：通过理论模拟计算得出Bi的溶解能以及扩散能垒信息；
(2)根据步骤(1)的结果，总结得到影响Bi偏析的关键微观因素；
(3)在Sn-Bi体系中添加一系列合金化元素X，获取此时Bi原子的溶解能以及扩散能垒的变化情况，以此选取可能抑制Bi偏析的几种合金化元素。
步骤(1)中，获取金属Sn体内以及表面中Bi原子的热力学稳定性：建立金属Sn体相超晶胞，以及一系列不同取向的Sn表面体系，通过计算得到这些体系中Bi原子的溶解能；另一方面，获取Bi在Sn中的扩散机制以及相应的扩散能垒。一系列不同取向的Sn表面体系包括(001)、(100)、以及(110)表面。
步骤(2)中，根据计算得到的体系中Bi原子的溶解能，判断Bi的溶解方式以及难易程度；根据Bi在Sn中的扩散机制以及相应的扩散能垒，判断Bi的扩散方式以及难易程度。
步骤(3)中，获取Sn-Bi体系中不同种类合金化元素X的热力学稳定性：在Sn-Bi合金体相以及表面中加入不同种类的合金化元素X，获取Bi原子在Sn体内以及表面的溶解能以及扩散能垒的变化情况，同时分析Sn原子、Bi原子、以及合金化金属原子之间俩俩形成的金属键的强弱情况。所述的合金化元素X包括Au、Pd、Pt、In、Sb、Ag和Cu等。
根据计算得到的合金化元素的溶解能，判断合金化元素是否能在Sn-Bi体系中稳定存在；通过全面分析合金化元素X添加后，形成后的Sn-X、Bi-X金属键相比于原来的Sn-Sn、Sn-Bi、以及Bi-Bi金属键的变化情况，分析得到合金化元素发挥的本质作用。
通过以上技术分析，选择能有效降低Sn基底中Bi原子的溶解能，同时又能升高Bi原子的扩散势垒的几种合金化元素，分析这些合金化元素之所以发挥作用的本质物理原因，从而为设计新型的脆性得到改善的Sn-Bi基焊料提供重要的理论依据。
本发明通过计算模拟的手段，系统研究Sn-Bi焊料中富Bi相的析出过程，分别考虑Bi原子在纯Sn合金体内以及金属Sn表面上的溶解行为以及扩散行为，得出导致Bi相偏析的微观因素。在此基础之上，在Sn-Bi体系内加入一系列不同种类的合金化元素X，获取材料特征数据，包括这些合金化元素X对于Bi原子在Sn基底中的溶解能以及扩散势垒的改变情况，选择同时满足以下条件的合金元素：1)能有效降低Bi在Sn体内的溶解能，2)升高Bi在Sn体内的扩散势垒，3)合金化元素X自身在Sn体内的形成能是负值，4)加入合金化元素X后Sn-Bi、Sn-X、Bi-X金属键比原来的Sn-Sn、Sn-Bi和Bi-Bi金属键的键强增强，利用这些合金化元素对无铅Sn-Bi焊料进行掺杂，来抑制Bi从Sn基底中向外析出。
本发明的优点：
本发明利用计算模拟方法，从本质上探讨无铅Sn-Bi焊料中富Bi相偏析的本质原因，在此基础上，按照本发明的方法，添加一系列合金化元素，仅仅通过分析这些合金化元素对于Bi原子在Sn体系中溶解能以及扩散势垒的影响情况，就可以总结得到能发挥抑制Bi偏析作用的合金化元素，避免了大量重复性实验工作，简单快捷，是一种效率极高的理论设计方法。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明实施方案的关键步骤图。
图2为含有Bi原子以及合金化元素的金属Sn的晶格结构示意图。
表1为加入不同合金化元素(X)后，合金化元素本身的形成能，Bi原子的溶解能、Bi原子的扩散势垒、以及Sn-Bi、Sn-X、Bi-X的键强。
具体实施方式
如图1所示，为本发明实施方案的关键步骤图，首先选取一系列合金化元素(X)，探讨其对Sn-Bi材料特征数据的影响情况，包括合金化元素X自身在Sn体内的形成能，Bi原子在Sn体内的溶解能，Bi原子在Sn体内的扩散能垒，以及Sn-Bi、Sn-X、Bi-X各金属键之间的键强，这四个方面，分别按照不同的标准，如果同时能满足条件，即可筛选出能发挥抑制作用的合金化元素，完成本发明的理论设计。
本发明抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，包括以下步骤：
(1)获取金属Sn体内以及表面中Bi原子的热力学稳定性：建立金属Sn体相超晶胞，以及一系列不同取向的Sn表面体系，通过计算得到这些体系中Bi原子的溶解能；另一方面，探寻Bi在Sn中的扩散机制以及相应的扩散能垒，同样判断Bi的扩散方式以及难易程度。
(2)获取Sn-Bi体系中不同种类合金化元素的热力学稳定性：在Sn-Bi合金体相以及表面中加入不同种类的合金化元素，计算得到这些合金化元素的溶解能，判断这些合金化元素是否能在Sn-Bi体系中稳定存在；
(3)探讨合金化元素存在时，对于Bi原子偏析的影响情况：计算合金化元素存在时，Bi原子在Sn体内以及表面的溶解能以及扩散能垒是如何变化的，同时分析Sn原子、Bi原子、以及合金化金属原子之间俩俩形成的金属键的强弱情况；
(4)通过以上步骤的技术分析，选择能有效降低Sn基底中Bi原子的溶解能，同时又能升高Bi原子的扩散势垒，达到这样效果的几种合金化元素，分析这些合金化元素之所以发挥作用的本质物理原因，从而为设计新型的脆性得到改善的Sn-Bi基焊料提供重要的理论依据。
下面是抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法的一个具体实施例，包括如下步骤：
(1)获取Sn体内Bi原子的热力学稳定性：建立金属Sn体相晶胞，在晶胞内加入一个Bi原子，热力学稳定位置为替代一个Sn晶格的位置，如图2所示，计算得到Bi原子的溶解能为0.16eV。之后，探讨Bi原子的扩散行为，发现其机制是空位机制，即借助空位的存在，Bi原子从一个晶格位置扩散到近邻的另一个晶格位置(图2中标示出的Sn1、Sn2、Sn3、Sn4、Sn5晶格位)，计算得到Bi的扩散能垒最低为0.72eV。
(2)获取Sn-Bi体系中不同种类合金化元素的热力学稳定性：同样在图2所示的晶胞中，放入一个合金化金属原子(X)，计算得到此原子的形成能，合金化金属原子(X)为Au、Pd、Pt、In、Sb、Ag、Cu，具体数值在表1中列出。分析形成能数据，如果为负值，说明此原子容易在Sn-Bi体系中稳定存在，是可以添加的合金化元素，比如Au、Pd、Pt这三种元素；如果形成能接近于零，一定程度上也可以作为掺杂元素，比如In、Sb、Ag等元素；然而，形成能为正值的元素，则是不易于添加进去的，如Cu元素，则在后续步骤中应不予考虑。
(3)探讨合金化元素对于Bi原子偏析的影响情况：在步骤(1)和(2)得到结果的基础之上，计算得到当合金化元素(X)存在时，Bi原子的溶解能以及扩散势垒，结果在表1中所示。对比纯Sn中Bi原子的溶解能(0.16eV)以及扩散能垒(0.72eV)，选取那些能降低Bi原子的溶解能，同时又能升高其扩散势垒的元素，例如Pd元素，在其存在时，Bi原子溶解能降低为-0.63eV，其扩散能垒又升高至1.02eV。进一步，分析Sn-Bi、Sn-X、Bi-X各金属键的键强，并与Sn-Sn、Sn-Bi、以及Bi-Bi键强相比较，如果各个键强都有所增强，那就证明此元素能与Bi原子形成较强的金属键，有利于将Bi束缚在Sn体内，阻止其向体外或者表面偏析，从而抑制富Bi相形成。
(4)根据以上步骤，最终筛选出合适的合金化元素，进行成分设计，达到利用合金化元素掺杂来抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的目的，改善材料脆性，提高焊料可靠性。
表1
通过本发明方法，可以为实验工作提供重要的参考依据，避免大批量重复实验工作的进行，大幅度减少支出，提高研究效率，具有很强的实用价值。
Claims (7)
1.一种抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，包括以下步骤：
(1)判断Bi原子在金属Sn体内以及表面的热力学稳定性：通过理论模拟计算得出Bi的溶解能以及扩散能垒信息；
(2)根据步骤(1)的结果，总结得到影响Bi偏析的关键微观因素；
(3)在Sn-Bi体系中添加一系列合金化元素X，获取此时Bi原子的溶解能以及扩散能垒的变化情况，以此选取可能抑制Bi偏析的几种合金化元素。
2.根据权利要求1所述的抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，其特征在于：获取金属Sn体内以及表面中Bi原子的热力学稳定性包括：建立金属Sn体相超晶胞，以及一系列不同取向的Sn表面体系，通过计算得到这些体系中Bi原子的溶解能；另一方面，获取Bi在Sn中的扩散机制以及相应的扩散能垒。
3.根据权利要求2所述的抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，其特征在于：一系列不同取向的Sn表面体系包括(001)、(100)以及(110)表面。
4.根据权利要求2所述的抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，其特征在于：根据计算得到的体系中Bi原子的溶解能，判断Bi的溶解方式以及难易程度；根据Bi在Sn中的扩散机制以及相应的扩散能垒，判断Bi的扩散方式以及难易程度。
5.根据权利要求1所述的抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，其特征在于：获取Sn-Bi体系中不同种类合金化元素X的热力学稳定性包括：在Sn-Bi合金体相以及表面中加入不同种类的合金化元素X，获取Bi原子在Sn体内以及表面的溶解能以及扩散能垒的变化情况，同时分析Sn原子、Bi原子、以及合金化金属原子之间俩俩形成的金属键的强弱情况。
6.根据权利要求5所述的抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，其特征在于：所述的合金化元素X包括Au、Pd、Pt、In、Sb、Ag和Cu。
7.根据权利要求1所述的抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法，其特征在于：选择同时满足以下条件的合金元素：1)能有效降低Bi在Sn体内的溶解能，2)升高Bi在Sn体内的扩散势垒，3)合金化元素X自身在Sn体内的形成能是负值，4)加入合金化元素X后Sn-Bi、Sn-X、Bi-X金属键比原来的Sn-Sn、Sn-Bi和Bi-Bi金属键的键强增强，利用这些合金化元素进行掺杂，来抑制Bi从Sn基底中向外析出。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113779807A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-10 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种基于添加合金化元素M对Sn-Bi焊料界面处Bi偏析程度的定量描述方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011001630A (ja) * | 2009-05-18 | 2011-01-06 | Molex Japan Co Ltd | コネクタ |
| CN108228951A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-06-29 | 北京有色金属研究总院 | 一种三元合金析氢电极成分的筛选方法 |
| CN108212142A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-06-29 | 北京有色金属研究总院 | 一种改善铈锆材料中锆偏聚问题的方法 |
| CN109273055A (zh) * | 2018-08-15 | 2019-01-25 | 北京康普锡威科技有限公司 | 一种判定合金表面偏析状态的方法以及制造合金的方法 |
| CN110516378A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-11-29 | 桂林电子科技大学 | 一种锡基二元共晶相分离的有限元模拟方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011001630A (ja) * | 2009-05-18 | 2011-01-06 | Molex Japan Co Ltd | コネクタ |
| CN108228951A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-06-29 | 北京有色金属研究总院 | 一种三元合金析氢电极成分的筛选方法 |
| CN108212142A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-06-29 | 北京有色金属研究总院 | 一种改善铈锆材料中锆偏聚问题的方法 |
| CN109273055A (zh) * | 2018-08-15 | 2019-01-25 | 北京康普锡威科技有限公司 | 一种判定合金表面偏析状态的方法以及制造合金的方法 |
| CN110516378A (zh) * | 2019-08-30 | 2019-11-29 | 桂林电子科技大学 | 一种锡基二元共晶相分离的有限元模拟方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 庞学永等: "元素掺杂对Bi电迁移影响的第一原理计算", 《中国有色金属学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113779807A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-10 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种基于添加合金化元素M对Sn-Bi焊料界面处Bi偏析程度的定量描述方法 |
| CN113779807B (zh) * | 2021-09-23 | 2023-08-15 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种基于添加合金化元素M对Sn-Bi焊料界面处Bi偏析程度的定量描述方法 |
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