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金属间化合物分析及制造工艺影响

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浏览:- 发布日期:2019-10-30 14:44:52【

金属间化合物是两个或更多的元(yuan)素,组(zu)成的具有(you)金属(shu)基本特性以及(ji)不同于其组(zu)元(yuan)的长(zhang)程有(you)序的晶体结构(gou)化合(he)物。

主要运(yun)用在(zai)领域,想(xiang)要获得良好的焊接效果,焊材与母料必须发生牢固的冶金反应,这种情况下,界面上形成的合(he)(he)金层,就(jiu)是金属间(jian)化合(he)(he)物。金属间(jian)化合(he)(he)物对于焊点机械,电气性能的好坏有着非常直接的影响,

焊点内部构造图

通(tong)过(guo)对于(yu)焊点(dian)构(gou)造的分析(xi),金属间化合物是链接两种材(cai)料(liao)的关键。对于(yu)要求机械(xie)牢固度以及电气链接的永久性起着非常(chang)关键的作(zuo)用。

不(bu)同(tong)母材与不(bu)同(tong)焊料所(suo)产生(sheng)(sheng)的(de)金(jin)属间(jian)化(hua)合(he)物是(shi)不(bu)同(tong)的(de)。一般所(suo)产生(sheng)(sheng)的(de)金(jin)属间(jian)化(hua)合(he)物都是(shi)既硬又脆的(de),厚度越(yue)厚的(de)焊点强度越(yue)差。两(liang)者之(zhi)间(jian)的(de)关系如下(xia)图所(suo)示:

金属间化合物厚度与强度的关系


金属(shu)间(jian)化合(he)物的生长(zhang)厚度(du)(du)(du)取决于(yu)许多(duo)因素,但主(zhu)要服(fu)从于(yu)Fick扩(kuo)散(san)定律,IMC厚度(du)(du)(du)L与(yu)扩(kuo)散(san)常数(shu)D和受热(re)时间(jian)t的平方根成正(zheng)比关系,而扩(kuo)散(san)常数(shu)D又(you)与(yu)绝(jue)对温度(du)(du)(du)T成正(zheng)比的指数(shu)函数(shu)关系,因此,为了抑制IMC的过(guo)快(kuai)生长(zhang),控制好焊(han)接温度(du)(du)(du)不能(neng)过(guo)高,加热(re)时间(jian)不能(neng)过(guo)长(zhang)是非(fei)常重(zhong)要的,IMC厚度(du)(du)(du)L随温度(du)(du)(du)和时间(jian)的演变如下:

L=√Dt(1)

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

电子装联焊(han)接和(he)服役过(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong),焊(han)料与母材Cu等(deng)金属(shu)交互作用导(dao)致了金属(shu)间化合物的形成(cheng)与生长,一般(ban)认为(wei)(wei),焊(han)接过(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)IMC的形成(cheng)是界(jie)面化学反(fan)应为(wei)(wei)主导(dao)的机制(zhi),服役过(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)IMC是元素扩(kuo)散为(wei)(wei)主导(dao)的机制(zhi)。



电(dian)子装联焊接和服役过(guo)程(cheng)中(zhong),焊料与母材Cu等金属(shu)交互作用导致了金属(shu)间(jian)化(hua)合物的(de)形(xing)成与生(sheng)长,一般认为(wei),焊接过(guo)程(cheng)中(zhong)IMC的(de)形(xing)成是界面化(hua)学(xue)反应为(wei)主(zhu)导的(de)机制,服役过(guo)程(cheng)中(zhong)IMC是元素扩(kuo)散为(wei)主(zhu)导的(de)机制。

金(jin)属间化合物(IMC)的评(ping)价

什么样(yang)的(de)(de)(de)金(jin)属间化合物(IMC)是我们所(suo)追(zhui)求的(de)(de)(de)呢(ni),业内比较公认的(de)(de)(de)说(shuo)法是,焊接后焊点(dian)界面长出(chu)合金(jin)层(ceng)IMC,且长得平坦(tan)、均匀、连续即可(ke),具体来说(shuo),主要用(yong)以下3点(dian)来评(ping)价(jia)。

厚度均匀

金属(shu)间化合(he)物(wu)(IMC)首(shou)先要考虑的是(shi)其厚度,因为IMC厚度多(duo)少将直接决定焊点强度的大小。

IMC厚度典型值

针对IMC厚(hou)(hou)度(du),电装业内没有(you)具体的(de)标准(zhun)。德国ERSA研究所的(de)研究表(biao)明,生(sheng)成的(de)金(jin)属间化合物厚(hou)(hou)度(du)在4um以下时,对焊点(dian)强度(du)影响不大。日本学者管沼克昭(zhao)从可靠性(xing)(xing)观点(dian)出(chu)发(fa),归纳出(chu)理想(xiang)界面的(de)质(zhi)量模(mo)型(xing)(图3),认(ren)为IMC厚(hou)(hou)度(du)应小于5um。理论(lun)界虽(sui)说法不一,但现在业内比较认(ren)可的(de)观点(dian)是,IMC的(de)平均厚(hou)(hou)度(du)在1~4um,且最低值不低于0.5um是比较良性(xing)(xing)的(de)合金(jin)层(ceng)(ceng)。太薄(bo)的(de)合金(jin)层(ceng)(ceng)(<0.5um)焊点(dian)可能呈冷焊状,强度(du)不足,而(er)太厚(hou)(hou)时(>4um)结(jie)构(gou)疏松,合金(jin)层(ceng)(ceng)硬度(du)增加,失去弹性(xing)(xing)发(fa)脆,强度(du)变小。

IMC厚(hou)度会根(gen)据Sn基焊料(liao)结合的金属界(jie)面不(bu)同(tong)(tong)有所(suo)不(bu)同(tong)(tong),根(gen)据业内实践数据,常见Sn-Cu和(he)Sn-Ni的合金层的最宜厚(hou)度如(ru)下(xia):

① Sn-Cu合金层的(de)厚(hou)度控制在(zai)1~4um;

② Sn-Ni合金层的厚度控制在1~2um。

这(zhei)两种IMC合金(jin)层存在差异(yi)的(de)原(yuan)因(yin)主要是(shi)扩散(san)(san)能(neng)的(de)差异(yi)所(suo)致,Sn对Cu的(de)扩散(san)(san)活化(hua)能(neng)为45Kcal/mol,而Sn对Ni的(de)扩散(san)(san)活化(hua)能(neng)为65.5Kcal/mol。

理想焊点质量模型

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