金属间化合物浅析.pdf

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1、◆山水世人出品金属间化合物（IMC）浅析•山水世人1◆山水世人出品目录•IMC定义•IMC的特点及应用领域•IMC对焊点的影响•IMC的形成和长大规律•如何适当的控制IMC•保护板镀层中IMC实例•总结2◆山水世人出品IMC的定义•金属间化合物（itintermetllitalliccompound）是指金属与金属、金属与类金属之间以金属键或共价键形式结合而成的化合物。在金属间化合物中的原子遵循着某种有序化的排列。CuSn、CuSn、CuZn、InSb、653GaAs、CdSe等都是金属间化合物，•金属间化合物与一般化合物是有区别的。首先，金属间化合物的组成常常在一定的范围内变动

2、；其次金属间化合物中各元素的化合价很难确定，而且具有显著的金属键性质。3◆山水世人出品IMC的特点及应用领域•金属间化合物在室温下脆性大，延展性极差，很容易断裂，缺乏实用价值。经过50多年的实验研究，人们发现，含有少量类金属元素如硼元素的金属间化合物其室温延展性大大提高，从而拓宽了金属间化合物的应用领域。与金属及合金材料相比，金属间化合物具有极好的耐高温及耐磨损性能，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增强，是耐高温及耐高温磨损的新型结构材料。•除了作为高温结构材料以外，金属间化合物的其他功能也被相继开发，稀土化合物永磁材料、储氢材料、超磁致伸缩材料、功能敏感材料等也相

3、继开发应用。•金属间化合物材料的应用，极大地促进了当代高新技术的进步与发展，促进了结构与元器件的微小型化、轻量化、集成化与智能化，促进了新一代元器件的出现。金属间化合物这一“高温英雄”最大的用武之地是将会在航空航天领域，如密度小、熔点高、高温性能好的钛铝化合物等具有极诱人的应用前景。4◆山水世人出品IMC对焊点的影响•块体焊料中弥撒分布的细小IMC会使焊料的蠕变和疲劳抗力有所提高，而界面板层状分布的粗大IMC脆性较大，会降低界面的力学完整性，使得界面弱化并引起焊点在IMC与焊料的边界上损伤的萌生和最终破坏。5◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•在电子封装焊接和服役过程中，焊料和

4、Cu基板间的交互作用导致了界面金属间化合物的形成和生长。•一般认为，焊接过程中IMC的形成是界面化学反应为主导的机制，服役过程中IMC的演变是元素扩散为主导的机制。•实际上，这两个阶段的IMC的形貌和生长动力学有十分明显的差别。6◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•在焊点形成后，SAC/CSnAgCu/Cu界面存在CuSn和CuSn两种金属间化653合物。如图一所示。图一7◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•CuSn层位于焊料一侧，而CuSn层位于Cu基板和CuSn之间。焊65365接过程中界面处的Cu6Sn5呈扇贝形向液态的焊料中生长，导致IMC与焊料边界的粗糙形貌。•一般

5、认为，CuSn与Cu基板之间的CuSn是由于热力学平衡条件的653要求而形成的，这层IMC较薄。•除上述两种IMC外，焊态时还发现有板条状的Ag3Sn形成，时常还有空洞产生，如图二。图二8◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•由于焊料与基板间IMC的存在，界面通常被弱化，焊点的破坏模式除取决于载荷特性外，也常与界面IMC的形貌和尺寸有关。大多数情况下，焊点的损伤发生在焊料与基板的界面区域，但焊点承受纯剪切载荷时，焊点的破坏主要表现为CuSn层脆性开裂，但焊点承受纯拉伸65载荷时，焊点破坏则主要表现为CuSn-SnAgCu界面的脱层开裂。65图三图四9◆山水世人出品IMC的形成和长

6、大规律•SACSnAgCu界面IMC的形成分两个阶段，第一阶段是焊接过程中Cu基板与液态焊料之间形成的IMC，第二阶段是焊后Cu基板与固态焊料之间的IMC。•在焊接过程中，Cu基板与液态焊料发生冶金接触后，固态Cu便开始向液态焊料中溶解，这样，紧邻Cu基板的液态焊料中便形成了一层饱和的Cu。从理论上讲，但Cu的溶解达到局部平衡状态时，IMC便在此形成。•结合下图五所示的Cu-Sn二元平衡相图，识别此时形成的IMC是η相的CuSn6510◆山水世人出品IMC的形成和长大规律图五Cu-Sn二元合金平衡相图11◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•CuSn的形成，消耗了饱和态的液体焊料

7、中的Cu，一起了基板Cu向65液态焊料的进一步溶解。随着CuSn的结晶和相互连接，在Cu基板65和焊料的界面上形成了一层连续的IMC，这层连续分布的IMC阻断了基板Cu向液态焊料进一步溶解的通路。•从相图可以看出Sn和CuSn处于平衡状态，但固态Cu与CuSn层的6565界面非稳定界面。一旦温度足以激活Cu原子与Sn原子的反应，在Cu基板与CuSn层间的界面上便会依赖固相扩散形成ε相的CuSn金属653间化合物。（更稳定）12◆山水世人出品IMC的形成和长大规律•在焊后的固相状态