电子辐照下SnPb焊点界面驱动的不对称扩散与力学退化机制：多尺度模拟揭示空间电子封装材料可靠性关键

为解决航空航天电子系统在极端辐照环境下焊点可靠性问题，哈尔滨工业大学精密焊接与连接材料及结构国家重点实验室团队通过多尺度模拟方法，系统研究了1.2 MeV电子辐照下SnPb共晶焊点的界面原子机制。研究揭示了Sn/Pb相间不对称扩散导致界面失稳的规律，阐明了辐照诱导非晶化（amorphization）的相依赖性差异，并首次通过密度泛函理论（DFT）解析了界面剪切强化的电子起源。该成果为抗辐射电子封装设计提供了原子尺度理论依据。

　　

在深空探测任务周期不断延长的背景下，航天器电子系统面临着高能电子辐照的严峻挑战。统计显示，近70%的航天电子器件失效源于封装结构问题，其中焊点损伤尤为突出。尽管SnPb焊料因其优异的可焊性和抗疲劳性能仍被NASA规定为关键应用材料（要求含铅量≥3%），但现有研究多聚焦于γ射线辐照效应，对空间环境中更为普遍的MeV级电子辐照作用机制认识不足。特别是电子辐照引发的界面原子迁移、非晶化演变及其与力学性能的关联规律，成为制约长寿命航天电子发展的关键瓶颈问题。

哈尔滨工业大学精密焊接与连接材料及结构国家重点实验室的研究团队通过创新性设计准原位实验与多尺度模拟相结合的研究策略，在《Materials Letters》发表了关于SnPb焊点辐照损伤机制的重要成果。研究人员采用1.2 MeV电子辐照系统（通量1×10¹² e^-/cm²·s）结合透射电镜（TEM）、透射菊池衍射（TKD）和分子动力学（MD）模拟，系统揭示了界面主导的损伤演化规律。关键技术包括：1）准原位追踪不同辐照通量（0-2×10¹⁶ e^-/cm²）下的微观结构演变；2）基于Nudged Elastic Band方法的扩散能垒计算；3）采用修正嵌入原子势（MEAM）和嵌入原子势（EAM）的MD模拟；4）基于CASTEP软件的密度泛函理论（DFT）界面剪切分析。

3.1 焊点微观结构演变

通过几何相位分析（GPA）发现，Sn基固溶体（SnSS）在5×10¹⁵ e^-/cm²辐照后即出现空位簇，而Pb基固溶体（PbSS）的缺陷密度显著更低。非晶层厚度测量显示Sn相的非晶化增长率（10.97倍）远超Pb相（1.81倍），证实了辐照损伤的相选择性。TKD分析进一步揭示Sn晶粒会向<114>方向旋转11.8°，同时伴随纳米亚晶（NSs）的形成，这种动态再结晶过程与缺陷累积直接相关。

3.2 力学性能演化

剪切测试呈现典型的"先强化后退化"现象：在5×10¹⁵ e^-/cm²通量下剪切强度提升12.55%，但通量增至2×10¹⁶ e^-/cm²时强度下降8.89%。断口分析表明，随着辐照剂量增加，韧窝特征逐渐被解理面取代，力-位移曲线中的每100 μm位移力降从0.70 N增至1.24 N，证实塑性显著降低。

4.2 不对称扩散机制

蒙特卡洛模拟显示1.2 MeV电子在Sn中的穿透深度（150.96 μm）大于Pb（107.00 μm）。MD模拟结合过渡态理论计算发现，Sn原子向Pb相扩散的能垒（<5 eV）显著低于反向扩散（>10 eV），导致界面区Sn/Pb原子比从0.266增至0.547，而Pb/Sn比保持稳定。这种不对称性源于Sn更低的位移阈值（22±2 eV vs Pb的25±5 eV）和更高的缺陷迁移率。

4.4 力学性能演变机制

DFT计算首次揭示：含空位缺陷的Sn(110)/Pb(111)界面剪切强度（3.01 GPa）反而高于理想界面（2.33 GPa）。电子局域函数（ELF）分析表明，空位诱导的原子重排会增强特定Sn-Pb键的电子局域化，这种缺陷介导的界面强化解释了早期辐照阶段的强度提升现象。

这项研究通过多尺度关联分析，建立了电子辐照参数-界面原子行为-宏观性能的定量关系模型。不仅阐明了SnPb焊点在空间辐照环境下的失效机理，更为发展新型抗辐射焊料提供了理论指导：通过调控界面化学组成和缺陷分布，有望设计出兼具辐照稳定性和力学可靠性的先进电子封装材料。该成果对延长深空探测器服役寿命、保障载人航天电子系统安全具有重要工程价值。