近日，昆明理工大学材料科学与工程学院、云南省集成计算材料工程创新团队、云南省高端轻合金集成计算材料工程重点实验室(筹)段永华和李萌蘖教授在Sn基合金焊料方向取得重要研究进展，相关研究成果分别发表在《Acta Materialia》、《Corrosion Science》、《Journal of Materials Science & Technology》和《Rare Metals》上。

成果一：

采用主动学习策略和密度泛函理论，对Sn-Ag-Cu基多元合金焊料的成分与性能进行了设计、测试和优化。通过自适应迭代优化的主动学习方法，得以利用相对较少的样本量和更少的实验次数实现了同时提高焊点剪切强度和延展性的设计目标。通过优化合金成分，新设计的合金及其焊点在强度和延展性上实现了同步提升，焊点剪切强度提高超59%，延伸率提高超61%。本工作展示了一种面向多组分合金设计开发的多目标优化策略，该方法也为其它系焊料开发提供了借鉴。相关研究成果以《Simultaneously enhancing strength and ductility of multicomponent alloys via a synergistic study of machine learning, DFT modelling and experimental validation》为题，发表在金属材料领域国际顶级学术期刊《Acta Materialia》上。昆明理工大学为论文第一单位，段永华教授、马立世讲师和李萌蘖教授为论文共同通讯作者，博士研究生杨安仓为论文第一作者。

图1设计和开发新型合金焊料的关键步骤与工作流程示意图

成果二：

由添加合金元素所带来腐蚀性能降低的次生问题一直是Sn-0.7Cu共晶型焊料所面临的长期挑战。虽然添加惰性金属(如Pt，Au)能有效解决这一次生难题，然而它却偏离了Sn基焊料制造的经济设计理念。在本工作中，研究团队报告了一种新的设计方案用于从30种备选元素中筛选Sn-0.7Cu型焊料的耐腐蚀基因元素。结果表明，经济的Al、Zn和Ni是潜在的耐腐蚀候选基因元素。目前的研究方法可为改善多元Sn基合金焊料的耐腐蚀性能提供一种可行的策略。相关研究成果以《Screening corrosion-resistant genetic elements of Sn-0.7Cu solders by high-throughput calculation》为题，发表在腐蚀领域国际顶级学术期刊《Corrosion Science》上。昆明理工大学为论文第一单位，段永华教授、马立世讲师、郑善举副教授与李萌蘖教授为论文共同通讯作者，博士研究生杨安仓为论文第一作者。

图2 耐腐蚀基因元素筛选流程示意图

成果三：

获得厚度适中、导电和导热性能优异、界面缺陷浓度少和界面连接稳定性好的焊料/基板界面金属间化合物(IMCs)连接层一直以来都是Sn基焊料研发所追求的目标，特别是近年来随着电子元器件小型化及三维集成电路整机化的快速发展对焊点体积、连接可靠性和使用性能提出了更高的要求。基于此，研究团队展开了相关工作研究。依据经典的非均匀形核理论和CALPHAD 数据计算得出了η-Cu6Sn5和Cu3Sn的临界形核半径，并探索了影响焊接过程中焊点处IMCs的形成顺序和形成位置的主要原因；提出了一种在掺杂合金元素情况下关于IMCs层新的生长模式。相关研究成果以《Tuning the growth of intermetallic compounds at Sn-0.7Cu solder/Cu substrate interface by adding small amounts of indium》为题，发表在我国材料领域权威学术期刊《Journal of Materials Science and Technology》上。昆明理工大学为论文第一单位，段永华教授、李萌蘖教授和郑善举副教授为论文共同通讯作者，博士研究生杨安仓为论文第一作者。

图3 合金元素对IMCs层生长抑制示意图

成果四：

通过添加少量合金元素来构建具有特定成分的IMCs连接层已被证明是提高电子元器件互连可靠性的一种有效策略。在这项工作中，研究团队报道了一种成分为Sn-0.7Cu-0.175Pt-0.025Al (wt%)新型四元合金焊料；实验结果表明该焊料具备优异的焊接性能，并且对IMCs层的生长抑制率高于40%。此外，利用原子分辨率成像技术和先进数据信息学探索了Al和Pt在η-Cu6Sn5中的取代位点，结果表明Al和Pt分别优先取代Sn和Cu原子生成η-(Cu, Pt)6(Sn, Al)5；同时推导了Sn焊料/Cu基板界面处IMCs层生长的一维动力学模型，并对模型进行了验证；结果表明，所建立的数学模型预测误差小于 5%。最后，进一步阐明了Al和Pt共掺杂对 Cu6Sn5 生长速率的协同影响机制。相关研究成果以《The synergistic inhibition of the growth of intermetallic compounds at Sn-0.7Cu/Cu interface by Al and Pt》为题，发表在我国材料领域顶级学术期刊《Rare Metals》上。昆明理工大学为论文第一单位，段永华教授、马立世讲师、郑善举副教授与彭明军副教授为论文共同通讯作者，博士研究生杨安仓为论文第一作者。

图4 合金元素筛选及对IMCs层生长抑制示意图

以上课题得到了国家自然科学基金、云南省重点研发计划、云南省有色金属加工云计算国际合作基地和云南省创新团队培育项目等项目的支持。

原文链接：

1、https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122548

2、https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112726

3、https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.09.050

4、https://doi.org/10.1007/s12598-024-03200-y

（供稿：材料学院）