基于共晶团簇模型的Sn基焊料成分设计方法

Sn-based solder alloys are widely used in electronic packaging and connection processing. Due to industrial demands for Pb-free and high performance, multi-element alloying is generally conducted on the basis of binary eutectic compositions. The understanding of eutectic composition rule therefore constitutes the origin for the composition design of solder alloys and provides the theoretical foundation for the development of Sn-based solder alloys. In our previous work, we have proposed a dual-cluster formulism for eutectic alloys, i.e., the local structure of a eutectic liquid is a mixture in certain simple proportion of two chemical units that originate from the two relevant eutectic phases. The present project aims at two fundamental key issues in relation to Sn-based eutectics, i.e., the construction of chemical unit for elemental phase beta-Sn and the determination of short-range clusters relevant to the eutectic point. In the former case, we will combine Friedel oscillation with our cluster-plus-glue-atom model for the purpose of determining the number of glue atoms in the structure unit of the elemental phase; with regards to the latter, we obtain the characteristic chemical short-range orders by analyzing metastable phases in the vicinity of the eutectic point. Then, all the binary Sn-based eutectic compositions will be scrutinized following the dual-cluster model for achieving their composition formulas. Finally, these binary formulas will be used to interpret the popular Sn-based solders and the detailed steps for their composition design will be proposed, which provides an effective composition design tool for the development of Sn-based multi-element solder alloys.

Sn基焊料是电子器件连接和封装中不可或缺的材料，由于无铅化和高性能化的工业需求，需要在二元共晶成分基础上实施多元合金化。从共晶点成分规律的源头上出发，可以解决多元焊料的成分设计问题，为新型Sn基焊料的研发提供理论支撑。在前期工作中，我们已经发展了共晶合金的双团簇模型，即共晶液体的局域结构是由源自两个共晶相的化学结构单元以一定比例构成。本项目将针对Sn基共晶的两个重要瓶颈问题开展研究，即beta-Sn的化学结构单元构建和共晶点相关的近程序团簇确定。对于前者，我们将结合Friedel振荡与团簇加连接原子模型，确定单质相结构单元中连接原子个数；对于后者，我们将通过分析亚稳相结构，获取共晶点附近的特征化学近程序。进而按照双团簇模型，系统解析二元Sn基共晶点。最后，用共晶成分式解析常用Sn基焊料的成分，给出多元Sn基焊料成分设计的具体步骤，为新型多元Sn基焊料的研发提供一种有效的成分设计方法。

Sn基焊料作为电子封装中不可或缺的连接材料，其无铅化和高性能化一直以来都是人们关注的重点。在二元基础上进行多元合金化是提高焊料性能的一个重要手段。二元Sn基焊料多为共晶成分，因此从原子结构层面理解Sn基共晶点的近程序结构，对Sn基焊料的成分设计具有重要意义。本项目通过将Friedel振荡引入到团簇加连接原子模型，提出了合金中存在类分子的结构单元，可以用团簇式：[团簇]（连接原子）x表示，x为连接原子的个数，且相邻结构单元位于Friedel振荡势函数第三个波谷的位置，以此建立了完整的固溶体结构模型，并且得到了结构单元中包含的原子个数与团簇半径和平均原子密度间的关系式。利用该关系式可直接计算得到单质相中结构单元的具体形式以及二元合金中的最佳结构单元形式，例如计算得到Cu基二元合金的最佳结构单元形式恰好对应该体系中最常用的工业合金牌号。此外，利用该模型计算得到了Sn基单质共晶相和固溶体共晶相中的结构单元，并提出共晶液体中两个结构单元的比例由杠杆定理确定，建立了普适的双团簇模型，且成功应用于Sn基端际共晶点的解析中，得到了焊料相关Sn基端际共晶点双团簇解析形式。通过分析大量常用多元Sn基焊料成分，得到这些成分的团簇解析式，总结得到Sn基焊料的成分规律：合金化原子多以整数的形式在二元基础团簇式之上进行替换。本项目所发展的多元Sn基焊料的成分设计方法，为多元Sn基焊料的成分设计提供了有力理论支撑，并且为后续的三元共晶点解析奠定了坚实基础，具有巨大的科学价值和社会效益。