论文摘要
准确描述电子封装焊点微观力学及热学行为是解决电子器件可靠性问题的基本前提。近年来,为满足电子器件微小化要求,焊点尺度持续减小,金属间化合物在其内所占的体积百分比越来越大,因此已不能把焊点简化成各向同性、均匀无结构的钎料合金整体。另一方面,传统的实验研究以大块材料作为试样,采用自上而下的研究范式,着重于宏观现象描述,已不太适用于目前和未来的小尺度焊点。本文通过第一性原理方法在原子尺度上系统地研究了焊点内金属间化合物的基本物性,同时构建了能够准确反映β-Sn晶体金属共价混合成键特性的原子间相互作用势,为深入研究焊点可靠性提供了基本数据和理论基础。本文包含以下主要内容。根据研究对象的特点选取了合适的计算参数,并详细考察了两个关键参量截断能和k点间距与计算收敛性之间的关系,论证了计算结果的可靠性。在此基础上,基于真实的晶体结构构建了计算初始构型,经几何优化得到了各金属间化合物的平衡晶体结构。结果表明,计算结果同试验数据吻合良好,进一步证实了计算的可靠性。对几何优化后的构型施加了特定的变形,计算了应力矩阵。获得一系列变形-应力数据后,用最小二乘法拟合得到了单晶体的弹性刚度系数和弹性柔度系数。运用Voit、Reuss、Voit-Reuss-Hill以及Hashin-Shtrikman理论推导出了多晶体的弹性性质,并利用Pugh判据评估了韧脆性。同时,根据已得到的弹性常数预测了金属间化合物的Debye温度及热导率。通过分析不同晶向上的体变模量和杨氏模量,研究了金属间化合物的各向异性力学行为。结果表明,几乎所有的金属间化合物都表现出强烈的弹性各向异性,而且晶体学对称性高低并不完全决定IMC的各向异性程度。各向异性是造成弹性性质试验数据分散的主要原因。结合虚拟静水压力试验,确定了IMC的状态方程,研究了IMC的成键状态和电子结构及其压力响应。结果表明,IMC晶体具有共价性或共价-金属混合性的原子结合,弹性各向异性本质上是由其内共价键的方向性引起的。在Tersoff-Brenner键级势模型基础上,建立了Sn原子间相互作用势;并结合分子动力学方法预测了β-Sn和bct-Sn的晶体结构、结合能、键距、键能以及体变模量,计算了α-Sn和β-Sn的晶体振动模式密度和热容,研究了Sn的α?β相变。结果表明,构建的Sn的原子间相互作用势很好地反映了各种Sn相的成键状态,且具有良好的可移植性。