焊接中的金屬間化合物

週五，2011年11月11日， Eric Bastow [流覽簡歷]

金屬間化合物是金屬對金屬粘結世界裏的必要之惡，金屬對金屬的粘結必然包括焊接。有兩種方法可以使金屬“以化學的方法”粘結到另一種金屬上： 1) 固溶體 2) 金屬間化合物。 我們只重點研究金屬間化合物，因為就目前來看，它與焊接世界最為相關。

很多人混淆或將“潤濕”誤認為是金屬間化合物的形態（粘結）。潤濕只是潤濕而已。 焊料“潤濕”了表面，並不意味著金屬間化合物“粘結”就形成了。舉例來說， 55.5Bi 44.5Pb 能夠熔化成銅，我自己也曾嘗試過這件事。熔化的BiPb 會流動並“潤濕”銅的表面。然而，合金凝固（冷卻）後，BiPb就會剝落。為什麼會這樣？……因為沒有金屬間化合物可以在BiPb和銅的表面形成。

為了生成金屬間化合物，必須將一定量的表面金屬噴鍍溶入到液化的焊料中。因為這個原因，Sn (tin) 一直以來都是焊料合金的重要組件。熔化的Sn (tin) 是很多其他金屬的優秀溶劑。  而“很多其他金屬”包括的元素有銅、金、銀等，更小的等級，如鎳。這些其他金屬熔化進液體錫（焊料）的比率會有所不同。 金易於溶入焊料；與之相反的，鎳的溶入速度很慢。因此，由於不同金屬有不同的溶解速率，所以，金屬間合金的形成速率也就有所不同。我同很多擁有悠久歷史從事焊接銅生產的公司打過交道，但是，因為種種原因，他們都被迫轉而生產表面化鎳浸金（化學鍍鎳/ 浸金）。(值得注意的是，金屬層很薄，只能用於防止鎳氧化。這個金屬層很容易完全融入到液體焊料中，並且“粘結”實際上要粘到鎳的表面)。在他們轉型過程中，有時會碰到一些問題，像是潤濕不完全，粘結力不足等等，但他們卻並不知道這是什麼原因造成的。 他們沒有意識到，相同的回流溫度曲線（時間和溫度）條件下，能夠產出優良的可粘結到銅的金屬間化合物，但這卻不足以獲得可粘結到鎳的相同的金屬間化合物。一旦他們調整了自己的資料（更長的時間和/或者更高的溫度），以便更有利於形成充分的金屬間化合物，那麼，他們就能找到令人滿意的焊接點。 請記住不管是溶解，還是固體融化成液體的現象，都受到時間和溫度的影響。一般來說，更長的時間和更高的溫度會有更多的溶解，從而形成更多的金屬間化合物。

像我在開篇中說的，金屬間化合物是必要之惡。為什麼稱之為“惡”呢？因為他們是焊接點中最脆弱的部分。 一些金屬間化合物比其他的化合物更脆弱（當選擇焊料合金作為特殊金屬噴鍍的時候，這點要考慮到）。  比如，Sn和Au之間形成的金屬間化合物往往是最脆弱的。因為脆弱，它們會容易被折斷等。 這就是過猶不及的例子。當然，你需要的通過金屬化合物來實現“粘結”。金屬間化合物太薄不好；但是太厚了也不好，甚至可能更糟。 信不信由你，焊料也許不能很好的粘著在它自己的金屬間化合物層上。金屬間化合物一般是一種透明的、化學性能穩定的結構。如果你曾觀察過斷裂的焊接點，你可能會注意到，斷裂很可能正好位於金屬間化合物層和主體焊料之間的接觸面上。

金屬間化合物層過厚的另一個可能的結果就是造成接觸面上的“空洞”。這是 為什麼呢？好，我們首先需要看一下反應產物。 Sn 和 Cu之間形成的反應產物主要有兩種類型，即 Cu3Sn 和Cu6Sn5。第一種中每1個Sn原子對應3個Cu原子，第二種中 每5個Sn 原子對應6個Cu 原子。不管哪種情況下，Cu原子都比Sn原子消耗的快。因為反應中的這種不一致，在一個劇烈地反映情況下，小洞或是空點（空洞）就會在銅的表面形成。

金屬間化合物的形成不是僅限於焊接工序中。即使在固體狀態，金屬原子也會擴散。並且，該運動會引起金屬原子間相互影響、相互反應，最終形成金屬間化合物或者加厚現有的金屬間化合物層。 “老化”實驗經常用來測量：1. 有多少金屬間化合物層將會被改變；2. 它對連接點的力學性質有什麼影響。

對於 金屬間化合物更加詳盡的討論， 既不是這篇博文能夠提供的範圍，也不是這寫篇博文目的， 這個話題都能寫成一本書了。因此，我離真正反映金屬間化合物這個主題還很遠。我只是希望稍微闡述清楚這個主題。

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