庞学永，刘志权，王绍青，尚建库

(中国科学院 金属研究所，沈阳 110016)

元素掺杂对Bi电迁移影响的第一原理计算

庞学永，刘志权，王绍青，尚建库

(中国科学院 金属研究所，沈阳 110016)

应用第一原理方法研究通过元素掺杂来抑制SnBi无铅焊料中Bi的电迁移问题。在SnBi体系中掺杂Zn和Sb元素，通过用近弹性带方法计算掺杂体系中Bi元素的扩散能垒。结果表明：加入Sb之后，Bi的扩散能垒由原来的0.32 eV升高到0.46 eV，扩散激活能由原来的1.14 eV升高到1.18 eV；加入Zn后，Bi的扩散能垒由原来的0.32 eV升高到0.48 eV，扩散激活能由原来的1.14 eV升高到1.22 eV。由此可得，Zn和Sb的加入都能够提高Bi的扩散激活能，起到抑制扩散的作用。通过分析态密度可知：加入Zn和Sb后，体系中Sb与Bi的p态曲线几乎完全重合，比Sn与Bi的p态曲线重合度高很多，说明Sb和Bi的共价键作用很强，且比Sn-Bi的共价键作用强，从而增加Bi的扩散能垒。同样，Zn和Bi的p态曲线重合度也比Sn和Bi的曲线重合度高很多，表明Zn—Bi的共价键同样比Sn—Bi的共价键强，所以Zn的加入同样增加Bi的扩散能垒。总结说来，Sb和Zn的掺杂能够抑制SnBi焊料中Bi的电迁移。

第一原理计算；电迁移；SnBi无铅焊料；元素掺杂

由于微处理器和其他电子消费品的小型化及高性能集成化的趋势，作为起到电流导通作用的焊料凸点和焊料连接点处的电流密度可达到约104A/cm2。在如此高的电流密度下，电迁移极易发生，已有大量文献报道了高密度电流通过焊点导致焊点的阴极界面上出现孔洞，最终使得器件失效[1−6]，所以，集成电路的电迁移问题已经成为决定集成电路稳定性的关键。……