高溫金鍺焊料的機(jī)械強(qiáng)度介紹-深圳福英達(dá)
高溫金鍺焊料的機(jī)械強(qiáng)度介紹-深圳福英達(dá)
說(shuō)起無(wú)鉛焊料人們往往會(huì)想到錫鉍焊料，錫銀銅焊料和錫銻焊料。這些焊料的應(yīng)用很廣，涵蓋了不同的焊接溫度，但也僅限于300℃以下。由于功率器件和航空航天材料的興起，這些器件的焊接溫度往往在300℃以上，于是有學(xué)者提出了金鍺共晶焊料（Au88Ge12）。金鍺共晶焊料的熔點(diǎn)很高，能達(dá)到361℃，且該種焊料有著很好地機(jī)械、熱和電氣性能。
金鍺共晶焊料與Cu基板可以在400℃左右進(jìn)行焊接。在焊接過(guò)程中，金鍺合金在焊接過(guò)程中與Cu基板會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)并形成密排六方結(jié)構(gòu)固溶體（HCP）。焊接機(jī)械強(qiáng)度是人們對(duì)高溫器件的關(guān)注點(diǎn)之一。HCP的生長(zhǎng)會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度帶來(lái)直接的影響，因此需要進(jìn)行更多的研究。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
Wang和Peng（2023）使用了金鍺共晶焊片與Cu基板進(jìn)行焊接。焊接實(shí)驗(yàn)是在400℃熔爐（在H2氣氛下）中持續(xù)加熱5分鐘，20分鐘和60分鐘。測(cè)試剪切力的儀器是RGM4100萬(wàn)能機(jī)械機(jī)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖1展示了400°C下焊接5分鐘，20分鐘和60分鐘后的焊點(diǎn)。以焊接5分鐘為例，在BSE圖中，明亮的基體是Au相。Au相中的Ge和Cu含量分別為約7at.%和30at.%?？拷麮u襯底的灰色區(qū)域是界面反應(yīng)產(chǎn)物HCP固溶體。通過(guò)EDX可以發(fā)現(xiàn)HCP為Cu?24Au?12Ge。焊接5分鐘時(shí)，HCP的厚度為1.8μm。通過(guò)進(jìn)一步的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接時(shí)間從5分鐘增加到20分鐘時(shí)，HCP層的厚度從1.8μm增加到5.6μm。HCP的平均晶粒尺寸增加到2.9μm。此外，Ge含量從大約18.6at.%降至大約8.1at.%。平均晶粒尺寸保持在（5.7±3.1）μm。在焊接60分鐘后，焊料幾乎都消耗并生成HCP，只剩下極少量的Ge。
圖1. 不同焊接時(shí)間的金鍺焊點(diǎn)背散射圖形。(a)5分鐘; (b)20分鐘；(c)60分鐘。
為了了解HCP層對(duì)Au?Ge焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的影響，Wang和Peng在室溫下以1 mm/min的拉伸速率對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行剪切斷裂測(cè)試。從圖2可以看到，當(dāng)焊接5分鐘時(shí)，焊點(diǎn)斷裂主要沿著焊料基體中的Ge晶粒發(fā)生。由于Ge的脆性性質(zhì)，焊點(diǎn)可以觀察到解理面，顯示出了脆性斷裂模式。當(dāng)焊接時(shí)間增加到20分鐘，Ge的含量明顯減少，從18.6at.% 減少到 8.1at.%。因此，焊點(diǎn)斷裂模式開(kāi)始向韌性斷裂轉(zhuǎn)變。當(dāng)焊接時(shí)間為60分鐘時(shí)，焊點(diǎn)斷裂模式為韌性斷裂。
圖2. 不同焊接時(shí)間Au?Ge焊點(diǎn)的斷裂形態(tài)。(a)5分鐘; (b)20分鐘；(c)60分鐘。
金鍺焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度和焊接時(shí)間有關(guān)系。當(dāng)焊接時(shí)間為5分鐘時(shí)，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度為57MPa。隨著焊接時(shí)間增加，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度也增加。當(dāng)焊接時(shí)間為60分鐘時(shí)，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度最大，達(dá)到了68MPa。此外，當(dāng)焊接時(shí)間超過(guò)20分鐘，金鍺焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度明顯會(huì)優(yōu)于金錫焊點(diǎn)，這是因?yàn)楹附訒r(shí)間增加會(huì)使金錫焊點(diǎn)出現(xiàn)影響焊點(diǎn)強(qiáng)度的脆性Au6.6Cu9.6Sn3.8相。
圖3. 不同焊料和基板的剪切強(qiáng)度。
參考文獻(xiàn)
Wang, M. & Peng, J. (2023). Formation of ductile close-packed hexagonal solid solution on improving shear strength of Au–Ge/Cu soldering joint. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol.33(8), pp.2449-2460.
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