焊接中的金属间化合物

在金属与金属之间的焊接层领域（其中无疑包括焊接），金属间化合物是一种“必要的恶”。金属与另一种金属“化学”结合主要有两种方式：1）固溶体；2）金属间化合物。目前我们将仅关注金属间化合物，因为这与焊接领域最为相关。

许多人将“润湿 ”与金属间化合物的形成（焊接层）混淆或互换使用。润湿实际上只是润湿。仅仅因为焊料能够“润湿”表面，并不意味着已经形成了金属间“键”。例如，我本人就曾做过这样的实验：将55.5% Bi和44.5% Pb的合金熔化并涂覆在一块铜片上。熔融的BiPb会流动并“润湿”铜表面。然而，当合金冷却凝固后，BiPb合金层可以被剥离下来。为什么？……因为BiPb与铜表面之间并未形成金属间化合物。

要形成金属间化合物，一定量的表面金属层必须溶解到熔融焊料中。正因如此，Sn（锡）长期以来一直是焊料合金的关键成分。熔融的Sn（锡）是许多其他金属的极佳溶剂。而且，对我们来说很方便的是，这些“许多其他金属”包括铜、金（Au）、银以及（程度较轻的）镍等元素。这些其他金属溶解于熔融锡（焊料）中的速率各不相同。金（Au）很容易溶解于焊料中；而镍的溶解则较为缓慢。因此，由于每种金属的溶解速率不同，其金属间化合物的形成速率也各不相同。我曾与一些在铜材焊接领域拥有悠久历史的公司合作，但出于各种原因，它们被迫改用ENIG（镀镍浸金）（无电镀镍/浸镀金（Au））表面。（需要注意的是，金（Au）层非常薄，仅用于保护镍层免受氧化。这层金（Au）层会迅速完全溶解于熔融焊料中，而实际的“结合”是与镍表面形成的）。在进行这种工艺变更时，他们有时会遇到诸如润湿不完全、结合强度差等问题，却不知原因所在。他们并未意识到，那些曾使铜形成良好（金属间化合物）结合的回流曲线（时间和温度）参数，对于在镍上形成相同的金属间化合物结合而言并不充分。一旦他们调整工艺曲线（延长处理时间和/或提高温度），以确保形成足够量的金属间化合物，便能实现可接受焊点。请注意，溶解（即固体溶解于液体的现象）受时间和温度的双重影响。一般而言，更长的时间更多和更高的温度能促进更充分的溶解，从而形成更多的金属间化合物。

正如我在开篇所提到的，金属间化合物是一种“必要的恶”。为什么说是“恶”？因为它们往往是焊点中最脆的部分。有些金属间化合物的脆程度比其他更高。（在为特定的金属化层选择焊料合金时，应将这一点考虑在内）。例如，Sn与Au之间形成的金属间化合物通常极其脆。由于其脆，它们可能会发生断裂等现象。这正是“更多并不总是更好”的一个典型例子。没错，你需要金属间化合物来形成“结合”。金属间化合物层太薄可能不好；但如果太厚，后果可能同样糟糕，甚至更糟。信不信由你，焊料可能无法很好地附着在其自身的金属间化合物层上。金属间化合物通常是晶体结构且化学性质稳定……一旦形成，它们实际上不会与其他物质发生反应。如果你曾观察过断裂的焊点，可能会注意到断裂很可能就发生在金属间化合物层与焊料本体之间的界面处。

金属间层过厚可能导致的另一种结果是界面处出现“空洞率 ”。为什么呢？首先，我们需要分析反应产物。在Sn和Cu之间形成的金属间层主要由两种反应产物组成，即Cu3Sn和Cu6Sn5。在……第一种情况是每 3 个锡原子对应 3 个铜原子，第二种情况是每 5 个锡原子对应 6 个铜原子。在这两种情况下，铜原子的消耗速度都快于锡原子。由于反应中的这种差异，在夸张的情况下，铜表面会形成小孔或空位（"空洞"）。