铜锡焊点中元素扩散的分子动力学研究

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焊点在封装结构中起着重要的机械支撑和电气互连作用。钎焊技术作为稳定的连接工艺之一,长期以来广泛地应用于各级封装层次中。液态钎料合金与焊盘发生界面反应时,受到钎料合金的液态结构和粘度性质的影响。了解和掌握钎料的液态结构及粘度性质,对认识界面反应的本质具有重要意义。在日常的环境温度以及电流热效应的影响下,随着焊点内部原子扩散效应累积,导致金属间化合物层(Intermetallic Compound,IMC)过度生长,造成焊点的可靠性降低。目前,关于钎料熔体的液态结构和粘度性质以及它们的相关性研究还不多,对金属间化合物内部及界面处的原子扩散行为研究也还不充分。因此,本文采用分子动力学方法研究了钎料的液态结构和粘度,分析了它们之间的关系;另外揭示了温度对IMC内部及界面处元素扩散行为的影响。  首先,针对Sn熔体进行了不同温度下的分子动力学模拟,研究了粘度变化和液态结构之间的关系。结果表明:随着温度的升高,Sn熔体中的配位数和原子团簇尺寸均减小,出现热收缩现象。熔体中液态结构逐渐增加,菱形结构逐渐减少,两者变化均较为明显;同时,面心立方(Face Center Cubic,FCC)结构和密排六方(Close-packed Hexagonal,HCP)结构的数量稍有减小。熔体的粘度随温度的升高呈下降趋势,且在700K左右呈明显的不连续性,形成两个温区,这是由于原子团的尺寸及排列方式发生转变,对粘度造成了较大影响。  其次,针对Cu6Sn5中两种元素在不同温度下的扩散行为进行了分子动力学模拟,研究了温度对扩散系数的影响,计算了Cu6Sn5内两种元素的扩散激活能。结果表明:Cu6Sn5中Cu的扩散激活能明显低于Sn,在较低温度下的时效过程中Cu要比Sn扩散的快,是主要的扩散元素。  最后,针对不同温度下Cu3Sn/Cu界面处的原子扩散行为进行了分子动力学模拟,分析了界面原子扩散的过程,并计算了各原子的扩散激活能和扩散过渡层厚度。结果表明:Cu3Sn中原子以较快的速率扩散随界面迁移但难以进入Cu晶格内部,Cu晶格内原子以较慢的速率扩散但可以深入Cu3Sn晶格内部。界面处各原子的扩散系数随着温度的升高而增大,Cu晶格内原子的扩散激活能为172.76kJ/mol,Cu3Sn晶格中Cu原子扩散激活能为52.48kJ/mol,Sn原子扩散激活能为77.86kJ/mol。界面处的扩散过程主要是Cu原子向Cu3Sn晶格内扩散,扩散过渡层厚度随着温度和时间的增加而不断增加,结合Arrhenius公式以及扩散的经验公式推导出扩散过渡层厚度的计算公式。
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