溶质-空位复合体调控β-Sn中铜扩散各向异性的第一性原理与实验研究

为解决第三代无铅焊料在热机械疲劳与电迁移可靠性之间的性能矛盾，研究人员通过第一性原理计算与电迁移实验相结合，揭示了Bi/Sb/In/Ga溶质与空位形成稳定复合体降低Cu扩散能垒的原子机制。研究发现Sb可降低扩散各向异性，为平衡焊料抗疲劳性与电迁移可靠性的合金设计提供理论依据。

　　

在极端工况下的电子设备中，焊点可靠性面临热机械疲劳与电迁移失效的双重挑战。虽然第三代Sn-Ag-Cu（SAC）无铅焊料通过添加Bi、In、Sb等元素提升了抗热循环性能，却意外加速了电迁移导致的金属间化合物（IMC）生长——这一矛盾现象背后的原子机制亟待揭示。北京科技大学（National Science Foundation of China资助项目51804032和52275309承担单位）的研究团队通过第一性原理与实验的协同研究，解开了溶质原子调控铜扩散的微观奥秘。

研究采用密度泛函理论（DFT）计算结合高电流密度（8.15×10³ A/cm²）电迁移实验。通过维也纳从头算模拟软件包（VASP）构建β-Sn固溶体超胞模型，计算溶质-空位复合体结合能与铜扩散能垒；同步开展SAC305-1Bi/Sb焊点时效实验，定量分析Cu₆Sn₅金属间化合物生长动力学。

第一性原理计算
研究发现Bi/Sb/In/Ga在β-Sn中形成稳定的溶质-空位复合体（VXSn）。原子半径较大的Bi/In使空位稳定在1NN（第一近邻）位点，而较小半径的Sb/Ga倾向2NN位点。特别地，Sb-空位复合体使铜间隙扩散能垒降低最显著（各向异性仅0.15 eV），这解释了其实验中观察到的均匀IMC生长形貌。

铜间隙扩散能垒
溶质-空位复合体重构了铜扩散路径的能量景观：Bi使[001]晶向能垒从0.42 eV降至0.21 eV，而Sb使[100]/[010]能垒分别降低56%和49%。这种定向调控作用源于溶质原子电负性差异导致的局部电荷重分布，其中Sb（1.61）与Sn（1.96）的适中电负性差形成了最优的电子协同效应。

实验验证
100小时高电流老化实验显示，含1 wt% Bi/Sb的SAC305焊点中Cu₆Sn₅面积分数比基准合金增加10-13%。微观结构表征证实Sb改性焊点的IMC层更均匀，与理论预测的低各向异性扩散行为高度吻合。

该研究首次建立了溶质化学-扩散各向异性-电迁移失效的定量构效关系，提出通过调控Sb含量（1.5-3.5 wt%）可协同优化焊料抗疲劳性与电迁移寿命。这一发现为Innolot等商用焊料配方的改进提供了原子尺度设计原则，对高可靠性电子封装材料的开发具有重要指导意义。