基于分子动力学和第一性原理计算的In和Sn焊料在AlSc靶材及Cu背板材料上的润湿性研究

《Surfaces and Interfaces》：Wetting Study of In and Sn Solders on AlSc Target and Cu Backboard Materials Based on Molecular Dynamics and First-Principles Calculation

5G通信技术中AlScN薄膜的润湿性研究通过分子动力学和第一性原理方法对比In与Sn在Cu及AlSc不同晶面（100/110/111）的润湿行为，发现In因更强的界面结合能和电子转移能力表现出更优的润湿性能，尤其在Cu和AlSc的(111)晶面上，其润湿机制符合扩散限制模型，且纳米颗粒尺寸对润湿性影响可忽略。

　　在5G通信技术飞速发展的背景下，对高频无线通信设备中的关键组件——滤波器提出了更高的性能要求。作为滤波器的核心材料之一，AlScN薄膜因其优异的压电性能而备受关注。然而，在制备AlScN薄膜的过程中，如何确保AlSc靶材与Cu基板之间的钎焊稳定性，成为影响最终产品性能的关键因素。这一问题的解决不仅关乎薄膜的质量，也直接影响到5G通信设备的可靠性和效率。因此，对In和Sn这两种常见的半导体靶材钎焊材料在Cu和AlSc不同晶面（100、110和111）上的润湿行为进行系统研究，具有重要的理论和应用价值。

本研究采用分子动力学（MD）和第一性原理（DFT）方法，对In和Sn在Cu和AlSc表面的润湿特性进行了比较分析。研究结果表明，与Sn相比，In在Cu和AlSc表面表现出更优越的润湿性能。这一现象可以归因于In/Cu和In/AlSc界面处更强的结合能以及更显著的电子转移现象。特别是，在Cu和AlSc的（111）晶面上，In的润湿性达到了理想状态。此外，研究还发现，In和Sn纳米颗粒（直径分别为37.5 ?和50 ?）在In/Cu、Sn/Cu以及In/AlSc系统中的尺寸效应对润湿性影响极小。这表明，在这些系统中，纳米颗粒的尺寸对润湿行为的控制作用有限，而其他因素如界面结构和材料特性则更为关键。

研究还揭示了In在Cu和AlSc表面的铺展机制遵循扩散受限模型。该模型表明，液滴在固体表面的铺展过程受到原子扩散速率的限制，而非单纯的表面能差异。这一发现为理解钎焊过程中液滴与基板之间的相互作用提供了新的视角。同时，研究进一步指出，In和Sn在不同晶面上的润湿行为存在显著差异，这与晶面的原子排列密度以及液滴与基板之间的界面合金化密切相关。例如，在Cu的（100）晶面上，液滴表现出一定的反应润湿行为，而在（111）晶面上则没有反应发生，但铺展速率更高。这一现象进一步说明了不同晶面在材料润湿性中的作用差异。

为了深入探讨In和Sn在AlSc靶材与Cu基板之间的润湿特性，本研究首先模拟了In和Sn纳米颗粒的熔点，以确定其可能的润湿温度范围。随后，通过MD模拟，对In和Sn在Cu和AlSc不同晶面上的润湿行为进行了详细分析。在分析过程中，采用了接触半径和平衡润湿角作为评价润湿性的关键指标。结果显示，In在所有测试晶面上的润湿性均优于Sn，而Sn在不同晶面上的润湿性表现出较大的波动性。这种差异可能与In和Sn在不同晶面上的结合能力以及表面能分布有关。

此外，研究还对In和Sn在不同晶面的铺展机制进行了深入分析。结果显示，In在Cu和AlSc的（111）晶面上的铺展行为最为稳定，且其铺展速率显著高于其他晶面。而在（100）和（110）晶面上，In的铺展行为虽然仍然优于Sn，但其稳定性相对较弱。这一发现表明，在选择钎焊材料时，需要综合考虑液滴与基板之间的结合能力、表面能以及晶面的原子排列特性。同时，研究还指出，In和Sn在不同晶面上的润湿行为受到液滴尺寸的影响较小，这表明在实际应用中，液滴尺寸对润湿性的控制作用有限，而其他因素如界面合金化和材料特性则更为关键。

在理论研究的基础上，本研究还结合了实验数据，进一步验证了上述结论。实验结果显示，In在Cu和AlSc表面的润湿性确实优于Sn，且其铺展行为更加稳定。此外，In在不同晶面上的润湿行为表现出一定的规律性，这为优化钎焊工艺提供了理论依据。同时，研究还指出，In和Sn在不同晶面上的润湿行为受到温度的影响较小，这表明在实际应用中，温度对润湿性的控制作用有限，而其他因素如界面合金化和材料特性则更为关键。

本研究的意义在于，为AlSc靶材与Cu基板之间的钎焊工艺提供了理论支持。通过深入分析In和Sn在不同晶面上的润湿行为，可以为优化钎焊材料的选择和工艺参数的调整提供依据。此外，研究还揭示了In和Sn在不同晶面上的润湿行为与材料特性的关系，这为今后在5G通信设备中进一步提高滤波器性能提供了理论基础。同时，研究还为理解纳米颗粒在不同材料表面的润湿行为提供了新的视角，这有助于推动纳米材料在电子制造领域的广泛应用。

在实际应用中，钎焊工艺的选择对AlSc靶材与Cu基板之间的连接质量具有重要影响。由于In和Sn在不同晶面上的润湿行为存在差异，因此在选择钎焊材料时，需要根据具体的材料组合和工艺要求进行优化。例如，在Cu和AlSc的（111）晶面上，In的润湿性达到最佳状态，因此可以优先选择In作为钎焊材料。而在其他晶面上，Sn的润湿性虽然较低，但其在某些情况下仍可能表现出一定的优势。因此，在实际应用中，需要综合考虑多种因素，以选择最适合的钎焊材料。

本研究还指出，In和Sn在不同晶面上的润湿行为受到界面合金化的影响。例如，在In/Cu和In/AlSc界面处，In与Cu和AlSc之间的界面合金化程度较高，这有助于提高结合强度和润湿性。而在Sn/Cu和Sn/AlSc界面处，界面合金化程度较低，这可能导致结合强度和润湿性相对较弱。因此，在选择钎焊材料时，需要综合考虑界面合金化程度，以提高连接质量。

此外，研究还发现，In和Sn在不同晶面上的润湿行为受到液滴尺寸的影响较小。这表明，在实际应用中，液滴尺寸对润湿性的控制作用有限，而其他因素如界面结构和材料特性则更为关键。因此，在优化钎焊工艺时，可以适当放宽对液滴尺寸的要求，而更多关注界面结构和材料特性。

综上所述，本研究通过结合分子动力学和第一性原理方法，对In和Sn在Cu和AlSc不同晶面上的润湿行为进行了系统分析。研究结果表明，In在Cu和AlSc表面的润湿性优于Sn，且其铺展行为更加稳定。这一发现为优化AlSc靶材与Cu基板之间的连接工艺提供了理论支持。同时，研究还揭示了In和Sn在不同晶面上的润湿行为与材料特性的关系，这有助于推动钎焊材料在5G通信设备中的应用。此外，研究还为理解纳米颗粒在不同材料表面的润湿行为提供了新的视角，这为今后在电子制造领域的进一步研究奠定了基础。