基于第一性原理预测Bi系无铅焊料性能的方法

本发明属于材料科学，具体涉及基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法。

背景技术：

1、随着电子产品向小型化、智能化、集成化和可靠化方向发展，表面组装技术(smt)已成为电子封装领域的主流技术之一。焊料作为一种重要的互联材料，目前广泛应用于表面组装回流焊工艺中。焊膏印刷作为表面组装技术的关键工序，其质量优劣直接影响到表面组装元器件的焊接质量和可靠性。因此提高焊料性能对实现小体积、高密度、高精度和高可靠性的电子器件组装具有重要意义。

2、几十年来，高铅焊料一直被用作分立功率元件的管芯连接和互连材料。分立器件的引脚采用锡铅镀层，或凸点制作为铅锡焊球，有的为pb-10wt.％sn，以适应pcb连接。由于rohs——2012年《电气和电子设备法规》中对某些有害物质的使用进行了限制，面对无铅化与绿色组装的要求，无铅封装已成未来电子封装行业发展的硬性要求。无铅焊料是无铅封装的前提和关键。而现阶段我国的高温无铅焊料工艺还不成熟，主要依靠进口来满足。因此，高温无铅焊料的研究对微电子封装领域的发展具有重大的现实意义。然而，高温应用领域的无铅焊料开发并没有取得重大进展。几个研究小组根据它们的热和电特性以及它们的熔点发现，zn基焊料、bi基复合焊料和au基焊料等是最有潜质的可替代性无铅焊料，然而，由于au的高成本，au系合金作为高温焊料的使用受到限制。由于zn的可氧化性，zn系合金的适用性也受到限制。

3、单质bi是一种同时具有共价键和金属键的半金属，其空间结构为斜方六面体。在电子工业中，bi通常作为焊料的合金元素应用，例如sn-bi、sn-ag-bi、sn-zn-bi、sn-in-bi和sn-pb-bi，加入bi可以降低熔化温度，提高润湿性能。bi的熔点为271℃，其剪切模量为12gpa，与传统的高温pb-sn焊料的熔点相似(9.34gpa，熔点(305-315℃))。此外，bi不仅便宜，而且对人类健康和环境友好。

4、bi基合金被认为最有可能替代高铅焊料用于高温电子封装。然而bi基合金性脆、与钎焊接头界面结合强度较弱。因此，寻找一些方法来改善bi基合金的物理性能及力学性能，对其在微电子封装工业中的使用具有重要的意义。

5、传统情况下，材料设计时，为获得满足力学性能需求的合金材料主要通过试错法，即熔炼制备出铸造合金，再通过相关后续处理工艺以期待获得符合设计需求的合金材料，但试错法周期过长，且受制于材料制备工程中的环境、工艺等一系列影响因素，这极大的影响了新材料设计的效率，并增加了合金材料的研发成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于第一性原理来研究bi系无铅焊料的性能，提出的技术方案为：

2、基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，包括以下步骤：

3、(1)构建bi(16-a-b)manb晶体结构：

4、利用materials project晶体数据库获取bi原子的原胞结构，利用materialsstudio软件对原胞结构进行超胞，超胞结构为2×2×2，替换a个bi原子为m原子，替换b个bi原子为n原子，导出替换后的晶体结构文件并转为vasp格式，其中，a＝0、1、2，b＝0、1、2；

5、(2)优化结构：

6、通过对potcar赝势文件分析得到最大平面波截断能信息，对bi(16-a-b)manb晶体结构进行第一性原理结构优化计算，能量、力的收敛值分别为1×10-6ev、截断能为550ev，k点在第一布里渊区取样；并采用monkhorst-pack方法，取k点为6×6×6，取样密度为使误差低于1mev/atom，得到稳定的晶体结构信息；

7、(3)计算：

8、基于优化后的contcar文件进行能带、态密度、电荷局域函数、弹性系数、弹性各向异性的计算，预测bi(16-a-b)manb的润湿性、导电性和力学性能。

9、电荷局域函数(elf)取值在0到1之间，取上限值1表示电子完全局域化，即表示共价键；elf等于1/2表示均匀电子气状态，即表示金属键；而elf为0则表示电子完全离域(也可能该处没有电子存在)。成键类型与材料的润湿性大小相关，由于共价键本身具有方向性和饱和性，在进行润湿实验时减弱了bi基无铅焊料的流动性。弹性系数、弹性各向异性的存在是引起材料诱发微裂纹可能性密切相关的一个重要参数。

10、优选的，m原子为ag或cu；n原子为cu、ge、in中的一种，且m和n不同。

11、优选的，m原子为ag时，ag原子质量百分比为0～7.57wt.％。

12、优选的，n原子为ge时，ge原子质量百分比为0～5.23wt.％。

13、优选的，n原子为in时，in原子质量百分比为0～8.02wt.％。

14、优选的，n原子为cu时，cu原子质量百分比为0～4.75wt.％。

15、优选的，步骤(3)中，能带、态密度及电荷局域函数(elf)的计算结果表明m原子或n原子的加入提高了bi系无铅焊料的导电性、润湿性；弹性模量和弹性各向异性的计算结果表明n原子或m原子的加入增强了bi系无铅焊料的弹性各向异性。

16、优选的，步骤(3)中，弹性系数计算时，取poscar中应变变化范围为-0.010、-0.005、0.000、+0.005、+0.010。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、本发明基于第一性原理来预测bi系无铅焊料的性能，只需输入晶体结构信息再进行计算，不涉及其它实验或经验参量，具有很好的移植性，避免了传统实验试错法周期长、易受制于材料制备工程中的环境工艺等影响因素的缺点，极大程度上提高了新材料设计的效率，降低了合金材料的研发成本。

技术特征：

1.基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，所述m原子为ag或cu；所述n原子为cu、ge、in中的一种，且m和n不同。

3.根据权利要求2所述的基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，所述m原子为ag时，ag原子质量百分比为0～7.57wt.％。

4.根据权利要求2所述的基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，所述n原子为ge时，ge原子质量百分比为0～5.23wt.％。

5.根据权利要求2所述的基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，所述n原子为in时，in原子质量百分比为0～8.02wt.％。

6.根据权利要求2所述的基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，所述n原子为cu时，cu原子质量百分比为0～4.75wt.％。

7.根据权利要求1所述的基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，步骤(3)中，能带、态密度及电荷局域函数的计算结果表明所述m原子或所述n原子的加入提高了所述bi系无铅焊料的导电性、润湿性；弹性模量和弹性各向异性的计算结果表明所述n原子或所述m原子的加入增强了所述bi系无铅焊料的弹性各向异性。

8.根据权利要求1所述的基于第一性原理预测bi系无铅焊料性能的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述弹性系数计算时，取poscar中应变变化范围为-0.010、-0.005、0.000、+0.005、+0.010。

技术总结
本发明提供了基于第一性原理预测Bi系无铅焊料性能的方法，构建Bi<subgt;(16‑a‑b)</subgt;M<subgt;a</subgt;N<subgt;b</subgt;晶体结构，其中，a＝0、1、2，b＝0、1、2，M代表Ag、Cu中的一种；N代表Cu、Ge、In中的一种，且M和N不同。利用Materials Project晶体数据库获取Bi的原胞结构，利用Materials Studio软件进行超胞，超胞结构为2×2×2，导出并借助VESTA软件将结构数据文件类型转为Vasp格式；通过Vasp计算晶体结构的电子结构、成键性质和力学性能，从而能对Bi<subgt;(16‑a‑b)</subgt;M<subgt;a</subgt;N<subgt;b</subgt;的润湿性、导电性、力学性能等有一个较好的预测。

技术研发人员：许哲峰,王慧慧,于金库,温斌,祝萌莹,王妍,张辉辉
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14