《Materials Science and Engineering: A》：High-Performance Soldering Achieved through an Energy-Efficient Magnetic Field-Assisted Microwave Hybrid Joining: A Multiscale Study via Molecular Dynamics and First-Principles Calculations
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本研究提出磁电复合焊接（MMHJ）技术，通过在SAC305焊料中加入Ni@Sn纳米颗粒和CF@Ni@Sn复合增强相，利用2.45GHz微波场与纵向磁场协同作用，实现碳纤维定向排列和β-Sn晶粒细化，使接头40秒内达到58.58MPa峰值剪切强度，较传统方法提升30.41%且能耗降低93.92%。经1200次热循环后仍保持26.61%强度优势，结合介电磁响应分析、分子动力学模拟和DFT计算，揭示了热电磁流体动力学效应调控IMC形貌演变的机制。
张帅|曾晨|甘哲豪|刘金红|何鹏|丁天冉|龙伟民|钟素娟|黄育雄|张书越
哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001，中国
摘要
为了推进高可靠性和可持续性的电子封装技术，本研究提出了一种磁场辅助微波混合焊接（MMHJ）策略。通过将Ni@Sn纳米颗粒和镀镍碳纤维（CF@Ni@Sn）掺入Sn-3Ag-0.5Cu（SAC305）基体中，系统研究了复合焊料的磁电响应，特别关注了晶粒取向动力学和微观结构演变。在定制的纵向磁场作用下，碳纤维增强体实现了精确的方向排列，同时有效抑制了镍溶质的偏聚。这种协同调节作用促进了β-Sn晶粒的细化，并显著增加了位错密度。利用2kW的微波场（f=2.45 GHz），经过MMHJ处理的复合接头在40秒内达到了58.58 MPa的峰值剪切强度，比传统的SAC305提高了30.41%，同时能耗降低了93.92%。经过1200次热循环后，MMHJ-Cu/SAC-0.5NCF@/Cu接头仍保持了26.61%的强度优势，显示出优异的服务耐久性。通过介电和磁张量分析，探讨了微波增强体系中的非平衡相互作用机制。通过将界面原子流动的分子动力学（MD）模拟与基于密度泛函理论（DFT）的场扰动理论相结合，揭示了热电磁流体动力学（TEMHD）效应对金属间化合物（IMC）形貌形成的调控作用。这些多尺度见解为实验观察到的高效焊接现象提供了严格的物理基础。
引言
随着电子信息行业向高密度、高可靠性和小型化封装的快速发展，作为电子设备中负责信号传输和结构支撑的关键部件，焊料接头直接影响了整个设备的运行稳定性和寿命[1]。基于Sn的无铅焊料材料因其符合RoHS环保法规而逐渐取代了传统的含铅焊料材料。其中，SAC305焊料材料凭借其优异的机械性能和焊接适应性[42][45][46]，已成为消费电子、汽车电子等领域的主流材料[2][3]。然而，在5G通信和新能源汽车等高端应用中，对封装密度和散热性能的要求日益严格，传统的SAC305焊料材料逐渐暴露出一些问题，如界面处IMC的快速生长以及焊接后高温运行时的可靠性不足[4][5]。因此，通过复合改性和先进焊接工艺实现性能突破迫在眉睫。
复合焊料材料的改性是提高焊料接头可靠性的重要途径之一。近年来，研究人员引入了金属颗粒（如Cu@Sn@Ag核壳颗粒[47][48]和Cu泡沫[48]）以及镀镍碳材料（如镀镍碳纳米管[6][7]和还原氧化石墨[8]等，构建了多尺度增强体系。这不仅利用了碳材料的优异热性能和机械性能来改善钎焊材料基体，还利用金属涂层增强了增强相与Sn基体之间的界面反应性，从而有效抑制了过度的界面反应[9]。然而，对于Cu-Sn-Ni体系，镍涂层的表面主要形成(Cu, Ni)6Sn5金属间化合物，而不是Ni-Sn IMC。Cu-Sn-Ni的三元扩散机制尚不清楚。目前的相关研究主要涉及两种机制：当(Cu, Cu)3Sn4中Cu原子的浓度超过8.6%时，(Ni, Cu)3Sn4会转变为(Cu, Ni)6Sn5 IMC[10]；在Cu-Sn-Ni的三元扩散过程中，Ni提供了低能成核位点，促进了(Cu, Ni)6Sn5 IMC的形成[11]。Cu-Sn-Ni体系中扩散和转变的具体原子路径仍不清楚，因为现有的表征技术在尺度与准确性之间难以平衡。在计算材料科学领域，分子动力学（MD）模拟为观察钎焊过程中的IMC成核和原子传输动态提供了先进的工具。利用LAMMPS[12][13]和OVITO[13]等成熟工具，可以对Sn基焊料行为进行可靠的建模。在本研究中，我们模拟了实际焊接温度下Cu-Sn-Sn和Cu-Sn-Ni三元体系中的原子扩散过程，旨在为实验现象提供高保真度的原子级解释。
除了焊料优化之外，焊接工艺的改进对于充分发挥复合钎焊接头的潜力至关重要。传统的热风回流焊接存在固有的缺点，包括加热效率低、能耗高以及组装件上的温度梯度大[13][14]。相比之下，微波辅助焊接利用体积加热机制实现填充金属的瞬间熔化，不仅大大压缩了加工时间，还符合当前推动绿色电子制造的“碳中和”要求[15][16]。大量研究表明，在微波加热过程中，物质的传输显著增加。这是因为随着温度的升高，金属表层的深度增加，一旦达到某个阈值，它们开始吸收微波辐射[17]。微波皮肤深度是指电磁场强度衰减到初始值的1/e的距离。虽然目前的研究主要关注MHH机制，但通常侧重于具有强微波吸收特性的辅助加热材料[18]，忽视了微波与焊料的直接相互作用。此外，磁场辅助技术作为一种非接触控制方法，可以通过洛伦兹力诱导熔池对流，调节原子扩散动力学和晶体取向[19][20][21]，为先进封装技术提供了新的思路。吴等人[22]在焊接Sn58Bi-Ni填充金属时施加了水平磁场，发现磁场可以加速(Cu, Ni)6Sn5相的形成，从而将接头的剪切强度提高了约30%。Hammad等人[23]进一步证实，旋转磁场可以通过强制对流细化SAC-Z焊料的晶粒，提高其蠕变性能。通过将节能的微波焊接技术与磁场辅助技术相结合，开发出了“磁场辅助微波混合焊接”（MMHJ）技术，有望实现高效、低能耗和高质量的复合焊料焊接。
为了优化微波吸收并确保SnAgCu合金中颗粒的均匀分布，本研究采用Ni@Sn纳米颗粒和CF@Ni@Sn复合材料作为SAC305焊料基体的增强剂。提出了一种新的节能MMHJ技术，通过这种方法实现了碳纤维的方向排列和β-Sn晶粒的细化，最终实现了高性能和低能耗的焊接。本研究旨在从多尺度角度阐明MMHJ的物理机制。主要阐明了2.45 GHz电磁场与多尺度增强体（CF@Ni@Sn和Ni@Sn）之间的非平衡相互作用，特别是表征了它们的介电和磁损耗响应。这些见解有助于构建界面强化和耦合热/质量传输的稳健模型。随后，通过将分子动力学（MD）与嵌入原子法（EAM）势能相结合，精确解码了Cu/Sn/Ni边界处的原子尺度扩散动力学和界面反应路径。最终，通过密度泛函理论（DFT）在外场扰动下验证了热电磁流体动力学（TEMHD）效应对金属间化合物（IMC）演变的调控作用。这种电子层面的分析为实验观察到的协同性能提升提供了严格的理论支撑。
章节摘录
焊料接头的制备与组装
在实验阶段，准备了无氧纯铜基板，并将其切割成两种不同的规格：5 mm × 5 mm × 2 mm和5 mm × 10 mm × 2 mm。为了确保 bonding界面的纯净，所有Cu样品都经过了严格的预处理以去除表面污染物。对于填充金属的制备，通过严格控制焊料与助焊剂的质量比（6:1）精心配制了复合焊料膏，以确保一致性
第二相颗粒和焊料的表征
第二相颗粒Ni@Sn和CF@Ni@Sn的合成过程如图1(a)所示。首先，将20 g的Na3C6H5O7·5H2O、7.6 g的NTA和6.8 g的EDTA·2Na·2H2O溶解在去离子水中，并在400 rpm下机械搅拌得到溶液A。另外，将SnCl2·2H2O溶解在盐酸中并在超声搅拌下得到溶液B。然后将溶液B加入溶液A中搅拌至混合物澄清，得到溶液C。随后加入2 g的
结论
为了提高接头的可靠性和整体性能，本研究采用了一种创新的MMHJ方法，使用了掺有Ni@Sn纳米颗粒和CF@Ni@Sn的SAC焊料膏。通过第一性原理计算和分子动力学模拟相结合，研究了涉及热-质量-电子耦合的潜在机制。此外，还研究了不同热循环条件对接头机械强度和微观结构演变的影响
CRediT作者贡献声明
张帅：撰写 – 原始草案，软件开发，形式分析，概念构思。曾晨：方法学研究，数据管理。甘哲豪：方法学研究。钟素娟：验证工作，软件应用。黄育雄：可视化处理，验证，监督。张书越：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。刘金红：可视化处理，验证，资源协调。何鹏：资金筹集。丁天冉：资金筹集。龙伟民：方法学研究
数据可用性声明
由于技术限制，目前无法共享重现这些结果所需的原始/处理数据。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
作者感谢先进钎焊填充金属与技术国家重点实验室（SKLABFMT-2023-03）的财政支持。
