焊接金属间的界面问题

1、焊接金属间的界面问题焊接金属间的界面问题广州先艺电子科技有限公司接头组织：固溶体组织。 金属间化合物。界面的形成: 第一阶段是熔化的焊料在准备接合的固体金属表面进行充分的扩散，这一过程一般称为“润湿”。界面的发展： 用焊料焊接时，润湿是重要的条件。伴随着这种润湿现象，还会出现焊料向固体金属扩散与母材向焊料中的溶解的现象。固溶体与金属间化合物区别：固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。金属间化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物 ，由于金属化合物与母相晶体结构不一致，接头质量较差表面张力和界面张

2、力表面张力和界面张力()：增：增加单位表面或界面面积所需加单位表面或界面面积所需要的能量。要的能量。 润湿角角越小，润湿越充分。实际中我们以90为润湿的分界 润湿定义：液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。影响润湿性的因素1 金属液固相的成分2 表面的氧化物3 表面活性物质 4 温度 5 母材表面粗糙度和清洁度的影响润湿性对可焊性影响 为了获得最佳的焊接质量，首先要使母材表面润湿，使焊料和母材金属的原子间距离接近到原子间隙，这时原子的聚集力起作用，将焊料和母材金属结合为一体。液固相金属的成分对润湿性的影响 如果钎料与母材在液态和固态均不相互作用，则润湿性很差

3、，如Fe-Ag、Fe-Bi、Fe-Pb、Fe-Cd等。根据表面张力计算润湿角Ag的表面张力：Fe的表面张力：Fe-Ag界面张力：润湿角在950以下时，Fe与Ag几乎不互溶解，润湿性很差 如果液相能与母材相互作用，则可以很好地润湿母材相互溶解形成化合物液固相金属的成分对润湿性的影响金属氧化物的表面张力远低于金属本身母材表面氧化物对润湿的影响表面活性物质对润湿性的影响加入表面活性物质能使溶液表面张力显著减小。由于LS减小，则cos增大，润湿性增加 随着温度的升高，液体的表面张力减小，固液反应增强，界面张力减小。提高了润湿性。温度对润湿性的影响液体的表面张力与温度的关系表面粗糙造成的微细槽成为许多的

4、毛细管，可以促进了液相金属的铺展。母材表面粗糙度和清洁度的影响金属表面必清洁，焊料与母材的原子才能接近到能够相互吸引，结合的距离，即接近到原子引力起作用的距离。焊料溶解的结果：接头焊料成分合金化，提高焊缝的强度 清洁母材表面，促进铺展和填缝，但母材过度的溶解会造成溶蚀缺陷是母材向液态焊料的扩散，即溶解焊料扩散的结果：在母材的界面上形成扩散层 晶界扩散可引起接头性能下降是焊料向母材的扩散溶解与扩散焊料 1一般情况下扩散区组织对性能的影响不大2 界面区组织对接头性能影响很大3 接头钎料合金由于溶解和扩散已经与原始成分有很大的差异 为保证焊接能形成可靠的连接，适用的金属材料有以下几类：（1）在固态时

5、可形成一系列的固熔体，并具有良好的相互扩散能力的金属材料如Ag Au、Au Cu 等。（2）通过相互扩散作用，能形成金属间化合物或低共熔点的合金，如Au Al、Au Sn等。接头组织 焊接时，在母材与焊料的界面，即液相与固相界面卜发生扩散现象。焊接后冷却至室温，在焊接处形成由焊料层、合金层和母材层组成的接头结构，此结构决定焊接接头的强度。这个合金层就是在焊料和母材界面上生成的，称“界面层”，与该层直接或间接有关的层称“扩散层”，此时在焊接结合处必须有金属间化合物或固溶体组织。界面上形成固溶体组织形成条件母材材金属或单相合金用同同样体的焊料且且是单相合金固时，焊料直接接母材晶晶表面生生如用黄铜钎

6、料焊接铜 由于母材与钎料的样体相同，会出现局部的交互结晶，使接头部位具有良好的强度和塑性。 金属间化合物，多呈脆性，导电率较低，少量的会对界面键合强度起一定强化作用，过多时则会导致键合强度降低、变脆，以及接触电阻变大等 常见的形成金属间化合物的母材与材金属焊料有：Ag-Mg,Ag-Sb,Ag-Sn,Ag-Al,Au-Pb, Au-Al，Sn-Cu等 形成过程：加热过程中母材向焊料中溶解，固时在界面析出金属间化合物。250C钎焊：生成Cu6Sn5()350C钎焊：生成Cu6Sn5() Cu3Sn()如果系统有几种化合物，则形成的化合物与温度、时间有关。界面上形成金属间化合物金丝与芯片铝膜间的金属

7、化合物 在温度应力下，处于界面的在温度应力下，处于界面的Au、AI能够相互扩散，产生了界面金属间化合物。能够相互扩散，产生了界面金属间化合物。由相图可知，金和铝接触时生成的金属间化合物共有由相图可知，金和铝接触时生成的金属间化合物共有5种：种：Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl和和AuAl2。 其中其中AuAl2(俗称紫斑俗称紫斑），是一种良导体，是一种良导体，300K时，其电阻率是时，其电阻率是8106cm，熔点为熔点为1060 。Au2AI (俗称白斑俗称白斑）是一种很脆的绝缘体，熔点只有）是一种很脆的绝缘体，熔点只有624。危害。危害大大 )。金丝与芯片铝膜键合失效原因： 1

8、 金属间化合物的形成 2 Kirkendall空洞 在元件工作时，在元件工作时， 随着老化加剧，随着老化加剧， AuAI间相互扩散，金属间化合物增加，接间相互扩散，金属间化合物增加，接而使接触电阻增加，键合强度下降，甚至造成焊点开裂，器件失效。因为金属间化而使接触电阻增加，键合强度下降，甚至造成焊点开裂，器件失效。因为金属间化合物的密度比金的密度小。这些相的形成伴随着体积增大，体积增大和合物的密度比金的密度小。这些相的形成伴随着体积增大，体积增大和Kirkendall空隙使键合区与相邻的金层分离，空隙使键合区与相邻的金层分离， 这当然会使焊丝脱落。这当然会使焊丝脱落。 在键合完成初期，就已经形成少量在键合完成初期，就已经形成少量的金属间化合物。少量的金属间化合物的金属间化合物。少量的金属间化合物对界面键合强度起一定的强化作用。对界面键合强度起一定的强化作用。 AuAI系统界面演变却是一个非常复杂的动力学过程。相关研究表明，随系统界面演变却是一个非常复杂的动力学过程。相关研究表明，随着铝膜厚度的不同，着铝膜厚度的不同，AuAI系统金铝问化合物形成的动力学机制将略有不同系统金铝问化合物形成的动力学机制将略有不同。 Au/