基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法技术

本发明专利技术公开了基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法，包括获取Sn

【技术实现步骤摘要】
基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法


[0001]本专利技术涉及熔接材料的筛选
，具体涉及一种基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法。

技术介绍

[0002]在电子封装技术中，焊料合金作为连接电子元器件的钎料，通过与器件引脚或电路导线间形成能够导电、导热的机械连接，以实现电子产品在服役过程中性能的稳定性。因此，对于通过封装和组装形成的电路而言，焊料合金的性能对整个电路的运行具有举足轻重的作用。在微电子连接中，对焊料合金材料的研究主要包括具有较低的熔点、优良的流动性和润湿性、足够的导电性、抗蚀性和机械强度等。目前国内主要研究的Sn
‑
Ag、Sn
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Cu、Sn
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Bi、Sn
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Zn、Sn
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In等无铅钎料，这些无铅钎料胜任大多数用途。但在对温度敏感的材料，比如耐热性较差的电子元器件、温度传感器等设备进行封装连接时，就需要在低温下进行焊接，此时焊料合金就表现出了局限性，因此亟需寻找新型低熔点共晶熔接材料。
[0003]开发焊料合金是一项昂贵而耗时的工作，因此需要寻找新的方法来提高效率。利用相图计算(CALPHAD)技术进行新型无铅焊料体系的优化计算，建立焊料体系的相图热力学数据库以指导新型无铅焊料的成分设计是当今无铅焊料研究和开发的另一个特点。这里，我们创建了本方法，通过高通量的第一性原理计算结合CALPHAD模型，建立三元合金体系的热力学模型，获得三元系的液相面投影图，进一步筛选具有超低共晶点的三元合金体系。最后通过实验验证计算的准确性，这极大的节约实验成本，缩短产品的研发周期。

技术实现思路

[0004]本专利技术基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法，包括以下内容：
[0005]步骤1，获取Sn
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In
‑
TM体系中存在的二元晶体结构，其中TM代表Sb、Ag、Zn、Bi、Cu中的一种；
[0006]步骤2，分别对截断能和k点网格密度进行收敛性测试，选取能量最低点对应的截断能，选取能量最低点对应的k点网格密度；
[0007]步骤3，基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对各二元晶体结构，进行低精度的结构优化，能量的收敛准则为10
‑6eV，力的收敛准则为然后分别对低精度优化后的各二元晶体结构进行高精度的结构优化，能量的收敛准则为10
‑8eV，力的收敛准则为达到收敛标准后，基于高精度优化后的各二元晶体结构，分别计算基本物相信息；
[0008]步骤4，基于高精度优化后的各二元晶体结构，对各二元晶体结构进行声子谱计算，筛选声子谱无虚频的二元晶体结构；
[0009]步骤5，基于准简谐近似方法，分别对筛选出的声子谱无虚频的各二元晶体结构进行热学性能的计算；
[0010]步骤6，基于计算的各二元晶体结构的热学性能，得到热力学数据，结合CALPHAD模
型，根据热力学数据优化CALPHAD模型参数，建立Sn
‑
In
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TM体系的热力学模型；
[0011]步骤7，基于Sn
‑
In
‑
TM体系的热力学模型，获得Sn
‑
In
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TM体系的液相投影面，分析共晶点的成分比和温度，筛选出超低熔点共晶合金熔接材料。
[0012]本专利技术优选的实施方式在于，步骤2具体包括：测试截断能时，选取k点网格密度4*4*4,固定其他参数，分别测试150,200,250,300,350,400,450,500不同截断能下对应的能量，选取能量最低点对应的截断能450；然后测试k点网格密度，选取截断能为450，固定其他参数，分别测试4*4*4，6*6*6，8*8*8,10*10*10不同k点网格密度下的能量，选取能量最低点对应的k点网格密度8*8*8。
[0013]本专利技术优选的实施方式在于，步骤3具体包括：
[0014]步骤3.1，设置参数优化参数“ISIF＝3，IBRION＝2”，分别对Sn
‑
In二元晶体结构、In
‑
Bi二元晶体结构和Sn
‑
Bi二元晶体结构进行低精度结构优化，能量的收敛准则为10
‑6eV，力的收敛准则为
[0015]步骤3.2，低精度结构优化完成后，基于低精度结构优化后的Sn
‑
In二元晶体结构、In
‑
Bi二元晶体结构和Sn
‑
Bi二元晶体结构再次进行高精度的结构优化，能量的收敛准则为10
‑8eV，力的收敛准则为两次结构优化之后没有达到收敛标准，修改优化参数为“ISIF＝2，IBRION＝1”,继续进行优化，达到收敛标准；
[0016]步骤3.3，基于高精度结构优化后的结构能量，分别计算基本物相信息，所述基本物相信息包括形成焓，利用形成焓计算公式分别计算各二元晶体结构的形成焓。
[0017]本专利技术优选的实施方式在于，步骤4具体包括：
[0018]步骤4.1，设置参数“ISIF＝2，IBRION＝8”，利用Phonopy有限位移法逐个对各二元晶体结构进行声子谱计算，声子谱高对称点处存在虚频；
[0019]步骤4.2，对高精度结构优化后的各二元晶体结构再次进行结构优化，把力的收敛准则提高到能量的收敛准则不变，分别对各二元晶体结构进行2*2*2的扩胞，对应的高对称k点设置缩小一半，再次进行声子谱计算，直到声子谱无虚频。
[0020]本专利技术优选的实施方式在于，所述步骤6包括：
[0021]CALPHAD模型如下：
[0022]化合物在不同温度下的吉布斯能如下所示：
[0023][0024]其中a,b,c,d,e和f是模型参数，由上面描述的第一性原理的准简谐计算得到的热力学数据评估得到，H
SER
是最稳定单质在298.15K和1bar下的焓作为参考态。
[0025]本专利技术优选的实施方式在于，步骤6进一步包括：
[0026]液相的吉布斯能表达式为：
[0027][0028]其中y
i
是组元i在液相中的摩尔分数，
xs
G
L
是过剩吉布斯能相，代表纯液相的吉布斯能；
[0029]过剩吉布斯能
xs
G
L
的形式为：
[0030][0031]其中是组元i和j之间的vth阶交互作用参数，由下式得到：
[0032][0033]模型参数
v,Liq
A和
v,Liq
B是由热力学数据和液相相关的相边界数据评估得到。
[0034]本专利技术优选的实施方式在于，Sn
‑
In
‑
Bi体系的热力学模型为：
[0035][0036]本专利技术优选的实施方式在于，从Sn
‑
In...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法，其特征在于，包括以下内容：步骤1，获取Sn
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In
‑
TM体系中存在的二元晶体结构，其中TM代表Sb、Ag、Zn、Bi、Cu中的一种；步骤2，分别对截断能和k点网格密度进行收敛性测试，选取能量最低点对应的截断能，选取能量最低点对应的k点网格密度；步骤3，基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对各二元晶体结构，进行低精度的结构优化，能量的收敛准则为10
‑6eV，力的收敛准则为然后分别对低精度优化后的各二元晶体结构进行高精度的结构优化，能量的收敛准则为10
‑8eV，力的收敛准则为达到收敛标准后，基于高精度优化后的各二元晶体结构，分别计算基本物相信息；步骤4，基于高精度优化后的各二元晶体结构，对各二元晶体结构进行声子谱计算，筛选声子谱无虚频的二元晶体结构；步骤5，基于准简谐近似方法，分别对筛选出的声子谱无虚频的各二元晶体结构进行热学性能的计算；步骤6，基于计算的各二元晶体结构的热学性能，得到热力学数据，结合CALPHAD模型，根据热力学数据优化CALPHAD模型参数，建立Sn
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In
‑
TM体系的热力学模型；步骤7，基于Sn
‑
In
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TM体系的热力学模型，获得Sn
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In
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TM体系的液相投影面，分析共晶点的成分比和温度，筛选出超低熔点共晶合金熔接材料。2.根据权利要求1所述的基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法，其特征在于，步骤2具体包括：测试截断能时，选取k点网格密度4*4*4，固定其他参数，分别测试150,200,250,300,350,400,450,500不同截断能下对应的能量，选取能量最低点对应的截断能450；然后测试k点网格密度，选取截断能为450，固定其他参数，分别测试4*4*4，6*6*6，8*8*8,10*10*10不同k点网格密度下的能量，选取能量最低点对应的k点网格密度8*8*8。3.根据权利要求1所述的基于第一性原理筛选超低熔点共晶合金熔接材料的方法，其特征在于，步骤3具体包括：步骤3.1，设置参数优化参数“ISIF＝3，IBRION＝2”，分别对Sn
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In二元晶体结构、In
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Bi二元晶体结构和Sn
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Bi二元晶体结构进行低精度结构优化，能量的收敛准则为10
‑6eV，力的收敛准则为步骤3.2，低精度结构优化完成后，基于低精度结构优化后的Sn
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In二元晶体结构、In
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Bi二元晶体结构和Sn
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：种晓宇，宋平，冯晶，宋东明，余威，林洋，母昆阳，杨志恒，
申请(专利权)人：云南前沿液态金属研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：