空位对Cu-Sn无铅焊点界面元素扩散的影响

空位对Cu/Sn 无铅焊点界面元素扩散的影响

李 扬， 李晓延， 姚 鹏

(北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124)

摘 要： 界面柯肯达尔空洞形成的过程伴随着空位的形成与扩散，对空位行为的研究有利于深入理解界面扩散和空洞形成过程. 运用分子动力学方法模拟Cu/Cu 3Sn 界面上空位对扩散的影响，计算空位形成能、扩散势垒及空位扩散激活能. 结果表明，相同条件下含空位的模型发生扩散的几率要高于不含空位的模型. 另外，计算表明铜晶体的空位形成能大于Cu 3Sn 晶体中铜空位的形成能；Cu 3Sn 晶格中不同晶位的Cu 空位(Cu1空位和Cu2空位)的形成能比较接近，但均小于锡的空位形成能. 此外，对Cu/Cu 3Sn 界面的空位扩散势垒及空位扩散激活能的计算结果表明，Sn 原子的空位扩散激活能高于Cu 原子.

关键词： Cu/Cu 3Sn ；分子动力学模拟；空位；扩散势垒；扩散激活能

中图分类号：TG 406 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .2018390292

0 序 言

在Cu-Sn-Cu 钎焊反应中铜迅速地向液态钎料中扩散溶解，Cu 6Sn 5金属间化合物会很快在焊盘与钎料的界面处出现. 在锡基钎料/金属间化合物/铜接头的服役过程中，Cu 6Sn 5/Cu 界面会发生固态扩散反应，形成Cu 3Sn 层. 随着Cu 3Sn 层的形成和生长，在层内和Cu/Cu 3Sn 界面常出现大量亚微米级的空洞，被称为柯肯达尔空洞[1]

. 这种空洞的存在会危及接头的可靠性，已引起了极大关注

[2-3]

. 在

较低温度下(20~70 ℃)[4]

，Sn/Cu 扩散偶中铜是界面处的主导扩散元素，以间隙扩散和晶界扩散为主要扩散方式；而在较高温度下(>170 ℃)

[5-8]

，锡取代铜

成为界面的主导扩散元素，主要扩散方式是空位扩散或体扩散. 对于界面柯肯达尔空洞，其形成的过程伴随着空位的形成与扩散[9]

.

空位在研究界面扩散和空洞形成过程中是一个不可忽略的因素. 当前，有关无铅焊点界面的结构以及元素扩散行为相关的研究还处于摸索积累阶段，在理论和技术上都还有待于进一步的深入. 分子动力学方法可以对大体系进行模拟，能够描述到系统中粒子的动态过程，而且可以得到热力学统计

结果，目前已成为研究界面性质的重要研究方法.

运用分子动力学方法模拟Cu/Cu 3Sn 界面上空位对扩散的影响，计算出空位形成能及其扩散势垒，并计算了含空位的Cu/Cu 3Sn 界面上元素的扩散激活能.

1 计算原理

1.1 势能模型

原子间相互作用势是分子动力学模拟的基础，模拟结果的准确性主要取决于是否选取了能够准确描述分子微观结构的势能模型. MEAM 原子间作用势模型能够很好地描述金属原子间扩散的性质. 采用MEAM 多体势描述基体原子之间以及钎料与基体原子之间的作用，其势函数形式为

[10]

ρi R F i (ρi )φij (R i j )E 0i A i 式中：为距离原子i 为的第j 个原子在i 处产生的电子密度；为第i 个原子的嵌入能；为原子i 和原子j 之间的两体作用势；为原子i 在相关结构中结合能；为结构参数.

Cheng 等人

[11]

得到的MEAM 势函数较好地描

述了Cu ，Sn 及Cu-Sn 原子间的相互作用，有关计算参考了这些参数，如表1和表2所示.

收稿日期：2017 ? 07 ? 03

基金项目：国家自然科学基金资助项目(5157011)；北京市自然科学基金

资助项目(2162002)

第 39 卷 第 12 期2018 年 12 月

焊 接 学 报

TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

Vol .39(12):025 ? 030December 2018

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