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金屬間化合物分析及制造工藝影響

2020-10-30 14:44:52 

金屬間化合物是兩個(gè)或更多的元素,組成的具有金屬基本特性以及不同于其組元的長(zhǎng)程有序的晶體結(jié)構(gòu)化合物。

主要運(yùn)用在領(lǐng)域,想要獲得良好的焊接效果,焊材與母料必須發(fā)生牢固的冶金反應(yīng),這種情況下,界面上形成的合金層,就是金屬間化合物。金屬間化合物對(duì)于焊點(diǎn)機(jī)械,電氣性能的好壞有著非常直接的影響,

焊點(diǎn)內(nèi)部構(gòu)造圖

通過(guò)對(duì)于焊點(diǎn)構(gòu)造的分析,金屬間化合物是鏈接兩種材料的關(guān)鍵。對(duì)于要求機(jī)械牢固度以及電氣鏈接的永久性起著非常關(guān)鍵的作用。

不同母材與不同焊料所產(chǎn)生的金屬間化合物是不同的。一般所產(chǎn)生的金屬間化合物都是既硬又脆的,厚度越厚的焊點(diǎn)強(qiáng)度越差。兩者之間的關(guān)系如下圖所示:

金屬間化合物厚度與強(qiáng)度的關(guān)系


金屬間化合物的生長(zhǎng)厚度取決于許多因素,但主要服從于Fick擴(kuò)散定律,IMC厚度L與擴(kuò)散常數(shù)D和受熱時(shí)間t的平方根成正比關(guān)系,而擴(kuò)散常數(shù)D又與絕對(duì)溫度T成正比的指數(shù)函數(shù)關(guān)系,因此,為了抑制IMC的過(guò)快生長(zhǎng),控制好焊接溫度不能過(guò)高,加熱時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)是非常重要的,IMC厚度L隨溫度和時(shí)間的演變?nèi)缦拢?/span>

L=√Dt(1)

D =D0exp(-Q/RT)(2)

電子裝聯(lián)焊接和服役過(guò)程中,焊料與母材Cu等金屬交互作用導(dǎo)致了金屬間化合物的形成與生長(zhǎng),一般認(rèn)為,焊接過(guò)程中IMC的形成是界面化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)的機(jī)制,服役過(guò)程中IMC是元素?cái)U(kuò)散為主導(dǎo)的機(jī)制。



電子裝聯(lián)焊接和服役過(guò)程中,焊料與母材Cu等金屬交互作用導(dǎo)致了金屬間化合物的形成與生長(zhǎng),一般認(rèn)為,焊接過(guò)程中IMC的形成是界面化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)的機(jī)制,服役過(guò)程中IMC是元素?cái)U(kuò)散為主導(dǎo)的機(jī)制。

金屬間化合物(IMC)的評(píng)價(jià)

什么樣的金屬間化合物(IMC)是我們所追求的呢,業(yè)內(nèi)比較公認(rèn)的說(shuō)法是,焊接后焊點(diǎn)界面長(zhǎng)出合金層IMC,且長(zhǎng)得平坦、均勻、連續(xù)即可,具體來(lái)說(shuō),主要用以下3點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)。

厚度均勻

金屬間化合物(IMC)首先要考慮的是其厚度,因?yàn)镮MC厚度多少將直接決定焊點(diǎn)強(qiáng)度的大小。

IMC厚度典型值

針對(duì)IMC厚度,電裝業(yè)內(nèi)沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)。德國(guó)ERSA研究所的研究表明,生成的金屬間化合物厚度在4um以下時(shí),對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度影響不大。日本學(xué)者管沼克昭從可靠性觀點(diǎn)出發(fā),歸納出理想界面的質(zhì)量模型(圖3),認(rèn)為IMC厚度應(yīng)小于5um。理論界雖說(shuō)法不一,但現(xiàn)在業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的觀點(diǎn)是,IMC的平均厚度在1~4um,且最低值不低于0.5um是比較良性的合金層。太薄的合金層(<0.5um)焊點(diǎn)可能呈冷焊狀,強(qiáng)度不足,而太厚時(shí)(>4um)結(jié)構(gòu)疏松,合金層硬度增加,失去彈性發(fā)脆,強(qiáng)度變小。

IMC厚度會(huì)根據(jù)Sn基焊料結(jié)合的金屬界面不同有所不同,根據(jù)業(yè)內(nèi)實(shí)踐數(shù)據(jù),常見(jiàn)Sn-Cu和Sn-Ni的合金層的最宜厚度如下:

① Sn-Cu合金層的厚度控制在1~4um;

② Sn-Ni合金層的厚度控制在1~2um。

這兩種IMC合金層存在差異的原因主要是擴(kuò)散能的差異所致,Sn對(duì)Cu的擴(kuò)散活化能為45Kcal/mol,而Sn對(duì)Ni的擴(kuò)散活化能為65.5Kcal/mol。

理想焊點(diǎn)質(zhì)量模型

微信關(guān)注圖