金属间化合物的形成机理-深圳市福英达
金属间化合物的形成机理
金属间化合物是一类由金属元素按照特定的原子比例通过化学结合而形成的物质。
要得到良好的焊接效果，焊料成分和母材成分必须发生能形成牢固结合的冶金反应，即在界面上生成适当的合金层（金属间化合物，或称IMC）。因此，在焊接连接界面上，IMC的形成与否或者形成质量好坏，对焊接接头的机械、化学、电气等性能有着关键性的影响。
焊点在连接两种材料时有两个关键目的：良好的导电性和持久的机械连接强度。
以Sn-Pb焊料为例，当两种被连接的母材金属均为Cu时，要达到持久牢固的机械连接目的，就必须将焊点的温度加热到焊料熔点以上约15°C左右，时间为2~15s。这时焊料才有可能在焊盘和元器件引脚之间形成一种新的化学物质，而达到持久地将两者牢固地连接起来的目的。
显然金属间化合物的形成过程与温度和时间关系密切，特别是受温度的影响更为明显。图1描述了焊点内金属间化合物在生成过程中，在不同的温度作用下，金属间化合物的生成厚度及其对焊点强度的影响。
图1.焊接过程中不同的温度段的冶金反应
此时焊点的内部构造如图所示。在电子显微镜下所见到的金属间化合物层，由Cu3Sn和Cu6Sn5两种物质组成，如图2所示。
图2.金属间化合物的构成
在焊接过程中，Cu3Sn和Cu6Sn5的形成机理和形态各不相同。一般来说，Cu6Sn5位于焊料一侧，较厚，呈扇贝形向液态的焊料中生长，导致IMC和焊料边界的粗糙形貌；而Cu3Sn位于铜基板和Cu6Sn5之间，较薄 ，呈平滑的薄层状。这是因为在固–固界面上（即铜基板与固态焊料之间），锡原子向铜基板扩散速度快于铜原子向焊料扩散速度，导致先形成富锡的Cu6Sn5相；而在固–液界面上（即铜基板与液态焊料之间），锡原子向铜基板扩散速度慢于铜原子向焊料扩散速度，导致先形成富铜的Cu3Sn相。
金属间化合物对焊接界面的可靠性有重要影响。一方面，金属间化合物能够提高界面的结合强度和耐腐蚀性；另一方面，金属间化合物也会增加界面的脆性和应力集中，并且随着时间、温度、压力等因素的变化而生长、转变或开裂。因此，在设计和制作无铅锡基焊接体系时，需要考虑金属间化合物的生成、分布、形态、厚度、组成等特征，并采取适当的措施控制其数量和质量。
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