锡钎料在亚稳结构表面的润湿行为与微观机制

液体在固体表面的润湿与固相基底的表面结构密切相关。非晶、纳米晶合金属于亚稳材料，由于原子排列和结构上的特异性将使金属熔体在其上的润湿和铺展行为出现新的现象和变化规律，界面微观结构也将呈现新的特征。本项目提出采用先进的改良座滴法技术，考察低熔锡钎料在几种重要的Cu-/Ni-/Fe-/Zr-基非晶合金及其晶化形成的纳米晶上的润湿性，铺展动力学和界面特征，并与同成分的稳态粗晶材料进行对比；从表/界面能量、驰豫效应、尺寸效应、原子扩散、界面反应等角度探索非晶、纳米晶和常规粗晶材料在加热和润湿过程中发生和发展的主要物理化学现象和机制，建立微结构-能量-润湿性之间的内在联系，以揭示亚稳和稳态结构表面润湿性的差异与根源，对经典晶体材料表/界面理论进行修正或补充，并为解决高密度微电子封装中的润湿弱化以及非晶和纳米晶材料的连接问题奠定基础或提供新思路。

液体在固体表面的润湿与固相基底的表面结构密切相关。非晶、纳米晶合金由于原子排列和结构上的特异性将使金属熔体在其上的润湿和铺展行为出现新的现象和变化规律。本项目采用改良座滴法技术，考察了Sn及Sn钎料熔体在Ni基，Fe基和Co基三类非晶及其退火形成的纳米晶上的润湿性，铺展动力学和界面结构。从基板结构，表/界面自由能，界面反应，IMCs生长形貌，前驱膜和扩散层角度，分析了不同温度退火对基板结构变化、润湿行为和界面反应的影响，并阐述了相关机制，获得了如下重要结论：(1)对于非反应系而言，非晶向纳米晶的结构转变对体系的润湿性影响不大。固/液间原子的亲和力弱，无化学作用，体系不能润湿。(2) 对反应系而言，退火不仅改变了亚稳基板的表面结构和能量状态，而且改变了固液界面原子间的结合方式和强度。当基板处于非晶态时，表面原子活性较高，润湿性好。而纳米晶化增强了基板原子间的内聚力，削弱了与液体原子的亲和力，导致润湿和铺展性能恶化。(3) 大范围的纳米晶化产生了大量的晶界和相界，促进了Sn沿着三相线前沿的晶界或相界沟槽扩散并形成前驱膜，从而不同程度地改善了润湿。(4) 反应体系的润湿性不仅受表/界面结构的影响，而且受界面反应、原子扩散和IMCs形成及生长控制。(5) 界面反应可以引发非晶基板在反应区域的局部晶化，并促进Sn原子向基板内部扩散形成扩散层。扩散层越厚越不利于润湿。(6) 深入探索了不同Sn基钎料在Ni基和Fe基非晶/纳米晶两大类基板上的润湿性和界面结构。上述研究结果在很大程度上揭示了非晶–纳米晶结构转变对润湿性和界面结构的影响本质。这些结果不仅丰富了表/界面理论，而且可为利用软钎焊技术实现非晶、纳米晶材料的连接提供重要的参考和指导。