Ni-Sn-Cu体系界面反应的原子尺度解析：TEM与分子动力学研究揭示(Cu, Ni)6Sn5形成机制

【编辑推荐】为解决微电子焊点中Ni-Sn-Cu体系界面反应机制不明的问题，研究人员通过透射电镜（TEM）和分子动力学（MD）模拟，发现Ni的引入加速Cu-Sn互扩散，促使(Cu, Ni)6Sn5优先于Ni3Sn4形成，为复合焊料界面调控提供理论依据。

　　

在微电子封装领域，Sn基无铅焊料是连接电子元器件的关键材料，但其性能受界面金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs）的直接影响。传统Sn基二元或三元焊料存在强度不足、热疲劳寿命短等问题，而添加Ni涂层碳材料（如碳纤维、纳米管等）作为增强相虽能改善性能，但Ni-Sn-Cu体系中Cu-Sn化合物在Ni界面优先形成的机制长期存在争议。究竟是Cu原子在Ni₃Sn₄晶格中富集后转化，还是直接异相成核？这一问题的答案对设计高可靠性焊料至关重要。

北京工业大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，通过原子尺度的透射电镜（TEM）表征和分子动力学（MD）模拟，揭示了Ni-Sn-Cu体系的界面反应动力学过程。研究发现，Ni的加入显著加速了Cu-Sn互扩散，使Cu原子快速抵达Ni/Sn界面。尽管初期会形成Ni₃Sn₄纳米晶，但Cu的快速供应更有利于(Cu, Ni)₆Sn₅的形成。这一发现为理解复合焊料中界面IMCs的调控提供了新视角。

研究采用三项关键技术：1）通过电镀法制备Ni涂层碳纤维（Ni@CFs）并复合至Sn-3.0Ag-0.5Cu（SAC305）焊料；2）利用高分辨TEM结合能谱分析（EDS）和选区电子衍射（SAED）鉴定界面相组成；3）构建Ni-Sn-Cu多相体系MD模型模拟原子扩散路径。

研究结果

1. 原材料与实验方法
   Ni@CFs的圆柱形结构（直径7 μm，Ni涂层厚1 μm）通过电镀工艺实现，其与SAC305焊料复合后形成Cu/Sn/Cu接头。

2. Ni/Sn界面的微观结构与相鉴定
   TEM显示Ni@CFs周围存在双层结构：内侧为含(Ni, Cu)₃Sn₄纳米晶的Ni层，外侧为(Cu, Ni)₆Sn₅大晶粒。SAED证实(Cu, Ni)₆Sn₅的六方晶体结构。

3. 分子动力学模拟
   MD模拟表明，Ni的存在使Cu扩散系数提升3倍，导致Cu原子在0.5 ns内即到达Ni/Sn界面，远快于纯Sn体系（需1.5 ns）。

结论与意义
该研究首次从原子尺度阐明了Ni-Sn-Cu体系中(Cu, Ni)₆Sn₅的优先形成机制：Ni作为“扩散桥梁”加速Cu迁移，使界面Cu浓度迅速超过Ni₃Sn₄稳定阈值（8.6 at%），从而驱动相转变。这一发现不仅解决了长期争议，还为通过调控Ni含量优化焊点IMCs分布提供了理论指导，对开发高可靠性微电子封装材料具有重要应用价值。