异质相界面对低熔点金属晶须自发生长的影响机制研究

The spontaneous growth of metal whiskers has been perplexing many industrial sectors, such as electronics, electricity, communication engineering. The mechanism behind the whiskering phenomenon has been elusive, although efforts have been cast to this issue for nearly 70 years. Some different growth behaviors were observed by the applicant in the preliminary study, which provide new clues to seek the physics behind this phenomenon. In this proposal, a new family of samples of “metal-heterogeneous phase” composite system, including A-MAX, metal-intermetallic, etc., will be focused to study the nucleation mechanism and the driving force for the whisker growth. A series of “metal-heterogeneous phase” samples will be designed, and under the assistance of experimental techniques, such as Micro-CT, SEM, EDS, TEM, FIB sampling and DSC, the nucleating sites, atom diffusion path, growth behaviors and the geometry characteristics of the whiskers will be depicted. The effect of the crystal parameters of the metal-heterogeneous phase interface on the nucleation of metal whiskers and the driving force for the whisker growth will be analyzed. Finally, mechanisms of the whisker growth in the “metal-heterogeneous phase” systems will be established, which may open a new window to address the more general metal whisker growth phenomenon. The study is expected to give a solid support for the solution-seeking work aiming to address the whiskering issue in engineering.

金属晶须自发生长问题长期困扰着电子、电力、通讯等众多工程领域，虽经过近70年的研究，提出过很多理论、生长模型，但都有明显的局限性。申请人在前期研究中发现，“金属-异质相”复合体系中，金属晶须的自发生长现象显示了以往的研究中不能发现的很多生长特征。本研究以A-MAX、金属-金属间化合物等“金属-异质相”复合体系为研究对象，以晶须的形核机制与生长动力为研究目标。设计几种典型的金属-异质相界面，利用Micro-CT、SEM、EDS、TEM、FIB、DSC等技术手段，观察并分析晶须的形核位点特征、金属原子的扩散路径、晶须生长规律以及几何特征等。解决异质界面的晶体学特征与金属晶须形核的关系，以及金属晶须生长过程中原子的扩散机制及其驱动力等关键科学问题；从而阐明异质相界面对晶须生长的影响机制，并揭示金属晶须自发生长的普遍规律与物理本质。研究成果将有助于解决工程界的金属晶须问题。

在“A元素-MAX相”，“金属-金属间化合物”，“金属-碳/氧化物”和“金属-非金属”等“金属-异质相”基体中系统研究了异质相界面存在条件下金属晶须的自发生长普遍性、生长特征与规律和生长机理等问题。确立了Sn晶须快速、可控生长的体系，解决了相关研究中遇到的周期长、Sn晶须生长随机性大等困难；确定了MAX-A元素基体上A元素晶须自发生长具有普遍性，而对于MAX-B元素体系（Ti3AlC2-Sn等）则未观察到金属晶须自发生长现象；但是，在MAX-B体系中发现了一个新的现象，初步确定与MAX晶格中A原子层中的扩散有关，这位SnPb合金中Pb对Sn晶须的抑制作用提供了线索。特别地，鉴于Sn晶须自发生长在电子封装领域的实际问题，以Ti2SnC-Sn体系为代表，围绕界面对Sn晶须自发生长影响深入研究，明确了界面晶体学特征对Sn晶须形核的作用，初步提出了一个新的界面“催化”形核机制；设计了其他对比含Sn体系，对比研究了体系对Sn原子扩散路径的影响，提出了Sn原子快速扩散的两种可能情况(界面流机制以及经过MAX晶格的体扩散)，确定了Sn晶须形貌的起源以及表面氧化层对Sn晶须表面典型纵向条纹形成的限域作用。此外，在MAX相衍生物MXene的制备与应用领域做出了特色探索，包括MXene基材料的改性、原位复合等制备及其在储能与Sn晶须抑制以及环保电触头领域的应用。MXene的制备及后期改性、复合技术在本课题组依然成熟，并且初步显示少量添加MXene即可有效缓解Sn晶须的自发生长，并且类似的金属基MXene体系(Ag/MXene)作为电触头材料也表现出优异的性能。本项完成了既定的研究目标，并沿相关方向做出了新的探索，为进一步研究Pb对Sn晶须的抑制机制以及开发无铅Sn基焊料提供了理论支撑与新的起点。