Zn、Ni元素的添加对Cu6Sn5金属间化合物性能的影响

摘要

随着电子封装的无铅化和微型化，锡基无铅焊料与衬底金属界面反应生成的金属间化合物(Intermetallic compound-IMC)是软钎焊实现金属互联的根本前提，它的结构和性能对无铅焊点的完整性及可靠性有着举足轻重的影响。本文工作以界面反应中最容易形成的Cu6Sn5金属间化合物为研究对象，通过添加一定成分的第三元素，结合微观组织、纳米压痕实验，并利用第一性原理计算，系统研究和分析了不同第三组元素的添加对Cu6Sn5金属间化合物的结构、力学、热力学等性能方面的影响。上述研究包含的主要内容和得到的结论是：
　　(1)以Zn为第三元素的添加对Cu6Sn5金属间化合物性能影响的研究。结果表明：在Cu-Sn-(Zn)合金元素高温熔炼反应中，分别有Cu6Sn5与Cu6(Zn,Sn)5两种金属间化合物生成，并测得微量Zn元素大部分溶解到Cu6Sn5晶格结构中形成更稳定的三元相化合物Cu6Zn0.5Sn4.5。由XRD分析结果得出Zn元素的添加能够抑制高温相结构η向低温相结构η′的转变，使形成的Cu6Zn0.5Sn4.5化合物保持在高温相结构。同时，纳米压痕实验测试结果表明Zn元素的添加能够增大高温相Cu6Sn5的杨氏模量及硬度,与第一性原理计算结果具有很好的一致性。另外，通过计算分析其相应结构的电荷密度及差分电荷密度分布，结果显示Zn元素进入Cu6Sn5晶格结构后与周围Cu和Sn原子发生轨道杂化形成强的键合作用，从而使得Cu6Zn0.5Sn4.5结构更加稳定。
　　(2)系统研究了不同浓度的Ni元素添加对高温相Cu6Sn5金属间化合物性能的影响。结果表明：在η-Cu6-xNixSn5(x=0,0.5,1,1.5,2)五种金属间化合物中，随着Ni浓度的增加，高温相Cu6Sn5的结构更加稳定，并且Ni原子更容易占据Cu2+Cu1c位置形成高温η-Cu4Ni2Sn5金属间化合物。同时，金属间化合物Cu6Sn5的体积和晶格常数随着Ni浓度的增加而减小，此结果与K.Nogita,D.Mu等人的实验结果具有很好的一致性。另外，我们利用应力-应变的方法计算了相应五种结构的弹性性能，结果显示Ni元素的添加能够增强高温相Cu6Sn5的脆性、杨氏模量、德拜温度及机械稳定性等性能，因此，Ni的添加能够提高焊点的强度和力学性能从而增加了焊点的完整性与可靠性。通过计算其相应结构的总态密度与电荷密度分布，表明Cu-d,Sn-s和Ni-d轨道之间相互杂化所形成的能量是稳定金属间化合物性能的主要原因。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 Cu6Sn5金属间化合物的研究现状

1.3 计算材料学

1.4本文的主要研究内容

第二章 计算与试验方法

2.1基于密度泛函理论的第一性原理计算方法

2.2 第一性原理软件——VASP

2.3 实验材料及试验方法

第三章 Zn元素对Cu6Sn5金属间化合物性能的影响

3.1前言

3.2 合金微观组织及成分分析

3.3 合金的纳米压痕实验

3.4 Cu-Sn-(Zn)金属间化合物性能的理论研究

3.5 本章小结

第四章 不同浓度的Ni元素对η-Cu6Sn5性能的影响

4.1前言

4.2 Cu-Sn-Ni金属间化合物的基态性质

4.3 Cu-Sn-Ni金属间化合物的力学性质

4.4 Cu-Sn-Ni金属间化合物的电子特性

4.5本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢