热力电耦合作用下锡须的生长机理探究及分子动力学模拟

作     者：熊灯杰 

作者单位：重庆科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张龙;黄媛

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：锡须 界面演化 多场耦合 三点弯曲 分子动力学 

摘      要：随着建筑工程的智能化发展,电子设备被广泛应用于智慧工地建设,其可靠性和安全性得到广泛关注。锡须是从锡层或锡合金表面自发生长的一种锡单晶,它将引发电子元器件间近距离的短路、大电流熔断、电弧放电等一系列严重威胁电子产品服役可靠性和安全性的问题。随着可抑制锡须生长的重金属铅被禁用,锡须问题重新成为电子产品可靠性关注的热点和焦点。本文以铜锡镀层为研究对象,采用分子动力学模拟和实验相结合的方法探寻不同温度、不同应力状态和不同电场强度对镀层锡须生长的影响,提出压应力和氧化膜破裂相结合的混合生长机制,为提高无铅焊料可靠性提供研究基础。主要研究内容如下:(1)开展热电耦合作用下,铜锡镀层界面演化和锡须生长过程的分子动力学模拟。电场强度和温度的升高可以促进Cu原子向Sn原子的扩散,在镀层界面处依次形成CuSn和CuSn两种金属间化合物。在镀层中形成压缩应力,使得锡原子在锡层表面氧化膜的薄弱部位析出。电场强度或温度的增加促进了金属间化合物的形成,加速锡须的生长。(2)开展热力电耦合作用下锡须生长时镀层内部应力变化的分子动力学模拟和实验研究。在同一热电耦合作用条件下,施加外加应力会促进镀层中锡原子的析出,并使镀层内部应力增大。而锡原子析出时镀层内部会发生应力松弛,导致镀层内部应力减小。在上一次锡原子析出完成后到下一次锡原子析出开始前,镀层内部会出现应力累积,累积到一定值时,再次触发锡原子析出,因此锡须生长是一个应力累积和松弛的动态过程。对镀层施加热循环或增加热循环的次数都会促进界面原子扩散,促进锡须生长。实验结果表明,镀层表面锡须生长的区域下方的金属间化合物出现了较深的沟槽,形成压缩应力,在锡原子析出区域下方会出现明显的应力梯度,促进锡须生长,与模拟结果一致。(3)由(2)可知,锡须生长是一个应力累计和释放的过程,针对压、拉应力与锡须生长之间的的关系,开展三点弯曲情况下锡须生长的分子动力学模拟和实验研究。模拟结果表明,受压、拉应力区域的应力大小与温度没有明显关联,镀层界面扩散层平均厚度基本一致,镀层受压区域的锡须生长最快,而且,在0.5～1?/ps之间存在一个压头速度值,使受拉区域的拉应力和金属间化合物生成产生的额压应力相互抵消出现应力平衡,从而抑制锡原子析出。从实验结果也发现,镀层的高压应力区出现了大量的锡晶须,而低压应力区出现了少量的锡晶须。镀层的高、低拉应力区也因应力相互抵消均未出现锡须生长,界面金属间化合物层平均厚度基本一致,外加压应力是驱动锡须生长的主要驱动力,实验结果与模拟结果一致。