金屬間化合物的形成機理-深圳市福英達
金屬間化合物的形成機理
金屬間化合物是一類由金屬元素按照特定的原子比例通過化學結合而形成的物質。
要得到良好的焊接效果，焊料成分和母材成分必須發(fā)生能形成牢固結合的冶金反應，即在界面上生成適當的合金層（金屬間化合物，或稱IMC）。因此，在焊接連接界面上，IMC的形成與否或者形成質量好壞，對焊接接頭的機械、化學、電氣等性能有著關鍵性的影響。
焊點在連接兩種材料時有兩個關鍵目的：良好的導電性和持久的機械連接強度。
以Sn-Pb焊料為例，當兩種被連接的母材金屬均為Cu時，要達到持久牢固的機械連接目的，就必須將焊點的溫度加熱到焊料熔點以上約15°C左右，時間為2~15s。這時焊料才有可能在焊盤和元器件引腳之間形成一種新的化學物質，而達到持久地將兩者牢固地連接起來的目的。
顯然金屬間化合物的形成過程與溫度和時間關系密切，特別是受溫度的影響更為明顯。圖1描述了焊點內金屬間化合物在生成過程中，在不同的溫度作用下，金屬間化合物的生成厚度及其對焊點強度的影響。
圖1.焊接過程中不同的溫度段的冶金反應
此時焊點的內部構造如圖所示。在電子顯微鏡下所見到的金屬間化合物層，由Cu3Sn和Cu6Sn5兩種物質組成，如圖2所示。
圖2.金屬間化合物的構成
在焊接過程中，Cu3Sn和Cu6Sn5的形成機理和形態(tài)各不相同。一般來說，Cu6Sn5位于焊料一側，較厚，呈扇貝形向液態(tài)的焊料中生長，導致IMC和焊料邊界的粗糙形貌；而Cu3Sn位于銅基板和Cu6Sn5之間，較薄 ，呈平滑的薄層狀。這是因為在固–固界面上（即銅基板與固態(tài)焊料之間），錫原子向銅基板擴散速度快于銅原子向焊料擴散速度，導致先形成富錫的Cu6Sn5相；而在固–液界面上（即銅基板與液態(tài)焊料之間），錫原子向銅基板擴散速度慢于銅原子向焊料擴散速度，導致先形成富銅的Cu3Sn相。
金屬間化合物對焊接界面的可靠性有重要影響。一方面，金屬間化合物能夠提高界面的結合強度和耐腐蝕性；另一方面，金屬間化合物也會增加界面的脆性和應力集中，并且隨著時間、溫度、壓力等因素的變化而生長、轉變或開裂。因此，在設計和制作無鉛錫基焊接體系時，需要考慮金屬間化合物的生成、分布、形態(tài)、厚度、組成等特征，并采取適當的措施控制其數量和質量。
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