金屬間化合物的形成機(jī)理-深圳市福英達(dá)
金屬間化合物的形成機(jī)理
金屬間化合物是一類由金屬元素按照特定的原子比例通過化學(xué)結(jié)合而形成的物質(zhì)。
要得到良好的焊接效果，焊料成分和母材成分必須發(fā)生能形成牢固結(jié)合的冶金反應(yīng)，即在界面上生成適當(dāng)?shù)暮辖饘樱ń饘匍g化合物，或稱IMC）。因此，在焊接連接界面上，IMC的形成與否或者形成質(zhì)量好壞，對(duì)焊接接頭的機(jī)械、化學(xué)、電氣等性能有著關(guān)鍵性的影響。
焊點(diǎn)在連接兩種材料時(shí)有兩個(gè)關(guān)鍵目的：良好的導(dǎo)電性和持久的機(jī)械連接強(qiáng)度。
以Sn-Pb焊料為例，當(dāng)兩種被連接的母材金屬均為Cu時(shí)，要達(dá)到持久牢固的機(jī)械連接目的，就必須將焊點(diǎn)的溫度加熱到焊料熔點(diǎn)以上約15°C左右，時(shí)間為2~15s。這時(shí)焊料才有可能在焊盤和元器件引腳之間形成一種新的化學(xué)物質(zhì)，而達(dá)到持久地將兩者牢固地連接起來的目的。
顯然金屬間化合物的形成過程與溫度和時(shí)間關(guān)系密切，特別是受溫度的影響更為明顯。圖1描述了焊點(diǎn)內(nèi)金屬間化合物在生成過程中，在不同的溫度作用下，金屬間化合物的生成厚度及其對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響。
圖1.焊接過程中不同的溫度段的冶金反應(yīng)
此時(shí)焊點(diǎn)的內(nèi)部構(gòu)造如圖所示。在電子顯微鏡下所見到的金屬間化合物層，由Cu3Sn和Cu6Sn5兩種物質(zhì)組成，如圖2所示。
圖2.金屬間化合物的構(gòu)成
在焊接過程中，Cu3Sn和Cu6Sn5的形成機(jī)理和形態(tài)各不相同。一般來說，Cu6Sn5位于焊料一側(cè)，較厚，呈扇貝形向液態(tài)的焊料中生長，導(dǎo)致IMC和焊料邊界的粗糙形貌；而Cu3Sn位于銅基板和Cu6Sn5之間，較薄 ，呈平滑的薄層狀。這是因?yàn)樵诠台C固界面上（即銅基板與固態(tài)焊料之間），錫原子向銅基板擴(kuò)散速度快于銅原子向焊料擴(kuò)散速度，導(dǎo)致先形成富錫的Cu6Sn5相；而在固–液界面上（即銅基板與液態(tài)焊料之間），錫原子向銅基板擴(kuò)散速度慢于銅原子向焊料擴(kuò)散速度，導(dǎo)致先形成富銅的Cu3Sn相。
金屬間化合物對(duì)焊接界面的可靠性有重要影響。一方面，金屬間化合物能夠提高界面的結(jié)合強(qiáng)度和耐腐蝕性；另一方面，金屬間化合物也會(huì)增加界面的脆性和應(yīng)力集中，并且隨著時(shí)間、溫度、壓力等因素的變化而生長、轉(zhuǎn)變或開裂。因此，在設(shè)計(jì)和制作無鉛錫基焊接體系時(shí)，需要考慮金屬間化合物的生成、分布、形態(tài)、厚度、組成等特征，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┛刂破鋽?shù)量和質(zhì)量。
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