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随着集成电路芯片向小型化、多功能化的发展,对键合丝这一电子封装关键材料提出更高的要求。铜键合丝由于具有成本低、导电导热性较高等优点,已成为替代金键合丝的首选材料,在电子封装领域具有极大的应用前景。然而,铜丝与基板焊盘（一般为Al、Cu、Au）键合后,仍存在一些问题,如键合界面稳定性较差,易脱落而导致键合失效,因而其键合界面可靠性问题已成为制约铜丝广泛应用的因素之一。目前主要通过在纯铜丝中添加微量合金元素来提高其力学性能、键合可靠性、抗氧化性能等,成为研发高质量铜键合丝的主要方向。由于实验条件限制,难以从原子尺度上研究键合界面化学键的特性、电子结构、界面能等界面信息,随着计算材料科学的快速发展,第一原理计算已广泛用于材料性能的预测及评价,利用理论指导实验可以缩短研发周期、节省研究成本。因此,本课题采用第一性原理计算的方法研究Cu中掺杂合金元素X（X=Ag、Al、Be、Fe、In、Mg、Ni、P、Pd、Si、Sn、Zn）对三种Cu/（Al、Cu、Au）界面性质的影响,计算其界面分离功、界面能以及电子结构,探讨合金元素对界面稳定性的影响,并根据电子结构讨论合金元素对界面的微观作用机理,为新型铜键合丝研发提供理论参考。主要研究结果如下:1.对Cu、Al、Au低指数晶面的表面能进行了研究。结果表明三种金属的表面能σ均存在如下关系:σ（111）<σ（100）<σ（110）,密排面（111）的表面能最低,结构最稳定,因此本文选择（111）面构成的界面模型进行研究,Cu、Al、Au三种金属的表面能分别为:σCu（111）=1.328 J/m2,σAl（111）=0.781J/m2,σAu（111）=0.669 J/m2。当原子层数为5层时,表面能已收敛,故Cu（111）、Al（111）、Au（111）均采用5个原子层分别与5个原子层的Cu（111）构建界面模型。2.研究了合金元素对Cu/Al界面性质的影响。Cu20/Al20界面的分离功和界面能分别为1.423J/m2、0.686J/m2,说明该界面结合相对稳定。Al、Be、Fe、Pd、Zn元素掺杂后,Cu19（X）/Al20界面分离功增加,界面能降低,其界面稳定性增强,其中Pd元素的增强效果最为显著,Cu19（Pd）/Al20界面的分离功最高（1.57 J/m2）,界面能最低（0.539J/m2）;而Ag、In、Mg、Ni、P、Si、Sn元素掺杂后,Cu19（X）/Al20界面分离功降低,界面能增加,表明界面的稳定性降低了。界面电子结构分析表明,合金元素掺杂后有新的成键峰形成,界面处有更多的电荷累积,增强了界面Cu-Al共价键强度,是提高Cu/Al界面稳定性的主要因素。Cu-Al化学键的共价性减弱,导致了界面稳定性下降,如Cu20/Al20界面的Cu（1）-Al（1）平均键布居数为0.187,Si掺杂后减小到0.174。3.研究了合金元素对Cu/Cu界面性质的影响。Cu20/Cu20界面的分离功和界面能分别为1.756J/m2、0.899J/m2。除Ag和Zn元素外,其余元素掺杂后Cu19（X）/Cu20界面分离功增加,界面能降低,均有利于界面稳定性的提高,合金元素对Cu19（X）/Cu20界面分离功增加程度的排列顺序为:Be>Sn>Si>P>Al>In>Ni>Mg>Fe>Pd。其中Cu19（Be）/Cu20、Cu19（Sn）/Cu20界面的稳定性较高,分离功分别为1.877J/m2、1.851J/m2,界面能分别为0.779J/m2、0.805J/m2。界面电子结构分析表明,合金元素Be、Sn、Si、P、Al、In、Ni、Mg、Fe、Pd掺杂后增加了界面Cu原子间的电荷累积,且界面处Cu-Cu键的布居值增加,因此提高了界面稳定性。Ag和Zn元素掺杂后,界面处Cu-Cu键的键长增大,使Cu原子间成键作用减弱,从而导致Cu19（Ag）/Cu20、Cu19（Zn）/Cu20界面稳定性降低。4.研究了合金元素对Cu/Au界面性质的影响。Cu20/Au20界面的分离功和界面能分别为-0.723J/m2、2.757J/m2,相较于Cu20/Al20、Cu20/Cu20界面,Cu20/Au20界面分离功最小,界面能最大,因此从能量学角度认为Cu20/Au20界面的稳定性最差。当掺杂合金元素X后,Cu19（X）/Au20界面分离功增加,界面能降低,表明掺杂的12种合金元素均有利于Cu/Au界面稳定性提高,合金元素对Cu19（X）/Au20界面分离功增加程度的排列顺序为:Al>Fe>In>Zn>Be>Sn>Si>P>Ni>Pd>Ag>Mg。其中Cu19（Al）/Au20、Cu19（Fe）/Au20界面的稳定性较高,分离功分别为0.706J/m2、0.645J/m2,界面能分别为1.328J/m2、0.645J/m2。而Mg元素掺杂后,Cu19（Mg）/Au20界面的分离功为-0.440J/m2,界面能为2.474J/m2,分离功仍为负值,表明界面结合仍不稳定。从界面电子结构来看,合金元素掺杂后增强了Cu原子和Au原子的化学成键作用,且平均键布居值的增加规律与界面的分离功增加规律基本吻合。