金属间化合物是金属与金属粘接领域的必备之恶,当然也包括焊接。金属与另一种金属的 "化学 "结合有两种基本方式:1)固溶体 2)金属间化合物。由于金属间化合物与焊接领域的关系最为密切,因此我们暂时只关注金属间化合物。
许多人将 "润湿 "与金属间形成(结合)混淆或互换。润湿就是润湿。焊料 "润湿 "表面并不意味着形成了金属间 "结合"。例如,55.5Bi 44.5Pb 可以熔化到一块铜上。熔化的 BiPb 会流动并 "润湿 "到铜的表面。然而,在合金凝固(冷却)后,铋可以剥离。为什么?......因为 BiPb 和铜表面之间没有形成金属间化合物。
为了形成金属间化合物,一定量的表面金属化必须溶解到熔融焊料中。因此,锡一直是焊料合金的关键成分。熔化的锡(锡)是许多其他金属的极佳溶剂。对我们来说,这些 "许多其他金属 "包括铜、金、银等元素,其次还有镍。这些其他金属溶解到熔融锡(焊料)中的速度各不相同。金很容易溶解到焊料中,而镍的溶解速度很慢。因此,由于每种金属的溶解速度不同,金属间化合物的形成速度也不同。我曾与一些公司打过交道,他们长期以来一直使用铜焊料,但无论出于什么原因,他们都不得不改用 ENIG(非电解镍/浸金)表面。(值得注意的是,金层非常薄,只是为了保护镍不被氧化。金层很容易完全溶解在熔融焊料中,实际上是与镍表面 "粘合 "在一起)。当他们做出这种改变时,有时会遇到一些问题,如润湿不完全、粘接强度差等,但却不知道原因何在。他们没有意识到,与铜产生良好(金属间)结合的相同回流曲线(时间和温度)不足以与镍产生相同的金属间结合。一旦他们调整回流曲线(更长的时间和/或更高的温度),使金属间形成充分的结合,他们就能获得可接受的焊点。请记住,溶解(固体溶解为液体的现象)受时间和温度的影响。一般来说,时间越长、温度越高,溶解越多,金属间形成也就越多。
为什么说 "邪恶"?因为它们往往是焊点中最脆的部分。有些金属间化合物比其他金属间化合物更脆(在为特定金属化选择焊料合金时应考虑到这一点)。例如,在锡和金之间形成的金属间化合物通常非常脆。在这种情况下,并非越多越好。是的,需要有金属间化合物才能形成 "结合"。金属间层太薄可能不好,但金属间层太厚也同样不好,甚至更糟。信不信由你,焊料可能无法很好地附着在自己的金属间层上。金属间化合物通常是结晶和化学稳定的结构....,它们一旦形成就不会与其他任何东西发生反应。如果您曾观察过断裂的焊点,您可能会注意到断裂很可能就发生在金属间化合物层和焊料之间的界面上。
金属间层过厚的另一个可能结果是界面 "空化"。为什么会这样呢?我们首先要看一下反应产物。在锡和铜之间形成金属间层的反应产物有两种基本类型。它们是 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")。
金属间的形成不仅限于焊接过程。即使在固态下,金属原子也会发生扩散。这种运动会导致金属原子相互作用、反应并形成金属间化合物,或导致现有的金属间化合物层变厚。通常会进行 "老化 "实验,以测量金属间层的变化程度及其对焊点机械性能的影响。
详尽讨论金属间化合物远远超出了本博文的范围和目的。关于这个主题,可以写成整本书。因此,我还远远没有对金属间化合物这一主题做出公正的评价。我只能希望对这一主题略作说明。
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