金屬間化合物分析及制造工藝影響

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瀏覽：- 發(fā)布日期：2020-10-30 14:44:52【大中小】

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。

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