Ni/Zn掺杂对Sn焊料-Cu基板金属间化合物稳定性及导电导热性能的调控机制研究

针对电子封装中Cu-Sn金属间化合物(IMC)界面稳定性与性能调控难题，研究人员通过第一性原理计算结合玻尔兹曼输运理论，系统探究了Ni/Zn掺杂对Cu6Sn5/Cu界面形成焓、电子结构及导电/导热行为的影响。发现Ni掺杂提升界面稳定性而Zn降低稳定性，二者均通过电子转移和轨道杂化形成共价-离子混合键，但会减少自由电子数量导致导电导热性能下降，为微焊点材料设计提供理论依据。

　　

随着电子封装技术向微型化发展，焊点中金属间化合物(IMC)的稳定性与性能成为影响器件可靠性的关键因素。Sn基无铅焊料与Cu基板反应生成的Cu₆Sn₅和Cu₃Sn等IMC材料，虽能实现电气连接与热管理，但其本征脆性和导电/导热性能不足制约着高密度封装发展。尤其当焊点尺寸缩至微米级时，IMC在界面中的占比显著增加，其性能直接影响器件寿命。现有研究表明，通过Ni、Zn等微量掺杂可改变IMC晶体结构，但原子尺度作用机制尚不明确，且不同掺杂元素对界面稳定性与输运性能的差异化影响缺乏系统认知。

云南大学的研究团队在《Vacuum》发表论文，采用密度泛函理论(DFT)结合玻尔兹曼输运理论，构建Cu-Sn-X(X: Ni, Zn)/Cu界面模型，首次从电子结构层面揭示了Ni/Zn掺杂对IMC界面性能的调控规律。研究通过计算界面形成焓、理想粘附功(W_ad)、电子态密度及载流子浓度等参数，发现Ni占据Cu₂位点时可使Cu₄Ni₂Sn₅获得最佳热导率，而Zn掺杂会降低系统自由电子数量。这些发现为开发高性能微焊点材料提供了精准的理论指导。

关键技术方法包括：1) 基于VASP软件包进行第一性原理计算，采用PAW赝势和PBE泛函处理电子关联；2) 利用BoltzTraP2代码计算电/热导率；3) 构建含15?真空层的界面模型；4) 通过声子谱分析验证晶体稳定性。

Crystral structure
研究发现Ni掺杂能稳定η'-Cu₆Sn₅单斜相，当Ni占据Cu₂位点时形成Cu₄Ni₂Sn₅结构具有最优热导率。Zn掺杂则通过重构晶格提升η-Cu₆Sn₅六方相稳定性，但会增加体系形成能。

Conclusion
Ni掺杂使界面形成焓绝对值增大，W_ad>0证实所有界面模型均稳定；Zn掺杂则降低形成焓绝对值。电子结构分析显示界面处存在电子转移和轨道杂化，形成共价-离子混合键。两种掺杂均减少自由电子浓度，导致电/热导率降低，其中Ni掺杂体系性能衰减更显著。

该研究首次从原子尺度阐明Ni/Zn掺杂对IMC界面性能的差异化影响：Ni通过稳定晶体结构提升机械性能但牺牲导电性，Zn则可能更适合需要平衡强度与导热的应用场景。这些发现为电子封装材料的多目标优化设计建立了理论框架，特别是对5G芯片等高频器件中微焊点的成分调控具有重要指导价值。