焊接金属间的界面问题.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,焊接金属间的界面问题,表面张力和界面张力()：增加单位表面或界面面积所需要的能量。,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,。,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，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,母材纯金属或单相合金,在键合完成初期，就已经形成少量的金属间化合物。,Au/AI系统键合及老化后，随着老化时间的增加，铝原子向金丝中扩散，AI/Au键合界面出现金属间化合物，反应所需的铝原子由铝膜补充，这样在铝层中部分区域就出现了空隙，同时，Kirkendall空洞出现。,如果液相能与母材相互作用，则可以很好地润湿母材,350C钎焊：生成Cu6Sn5(),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,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。,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。,是母材向液态焊料的扩散，即溶解,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。,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。,润湿定义：液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。,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,母材纯金属或单相合金,采用同样基体的焊料且也是单相合金,凝固时，焊料直接从母材晶粒表面生长,如用黄铜钎料焊接铜,由于母材与钎料的基体相同，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纯金属焊料有：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，凝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化合物,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。由相图可知，金和铝接触时生成的金属间化合物共有5种：Au,4,Al、Au5Al,2,、Au,2,Al、AuAl和AuAl,2,。,其中AuAl,2,(俗称紫斑），是一种良导体，300K时，其电阻率是8106cm，熔点为1060。Au,2,AI(俗称白斑）是一种很脆的绝缘体，熔点只有624。危害大)。,如果系统有几种化合物，则形成的化合物与温度、时间有关。,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。,溶解的结果：接头焊料成分合金化，提高焊缝的强度,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，这当然会使焊丝脱落。,是母材向液态焊料的扩散，即溶解,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。,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。,形成过程：加热过程中母材向焊料中溶解，凝固时在界面析出金属间化合物。,实际中我们以90为润湿的分界,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,常见的形成金属间化合物的母材与纯金属焊料有：Ag-Mg,Ag-Sb,Ag-Sn,Ag-Al,加入表面活性物质能使溶液表面张力显著减小。,1一般情况下扩散区组织对性能的影响不大,晶界扩散可引起接头性能下降,母材表面粗糙度和清洁度的影响,Cu3Sn(),金丝与芯片铝膜键合失效原因：1 金属间化合物的形成,2 Kirkendall空洞,在元件工作时，随着老化加剧，AuAI间相互扩散，金属间化合物增加，从而使接触电阻增加，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Kirkendall空隙使键合区与相邻的金层分离，这当然会使焊丝脱落。,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,。,Au/AI系统键合及老化后，随着老化时间的增加，铝原子向金丝中扩散，AI/Au键合界面出现金属间化合物，反应所需的铝原子由铝膜补充，这样在铝层中部分区域就出现了空隙，同时，Kirkendall空洞出现。,Kirkendall效应：1 AuAI异种金属之间的互扩散,2 不同的扩散速度,谢谢观看,谢谢观看,