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    金屬間化合物分析及制造工藝影響

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    瀏覽:- 發布日期:2020-10-30 14:44:52【

    金屬間化合物是兩個或更多的元素,組成的具有金屬基本特性以及不同于其組元的長程有序的晶體結構化合物。

    主要運用在領域,想要獲得良好的焊接效果,焊材與母料必須發生牢固的冶金反應,這種情況下,界面上形成的合金層,就是金屬間化合物。金屬間化合物對于焊點機械,電氣性能的好壞有著非常直接的影響,

    焊點內部構造圖

    通過對于焊點構造的分析,金屬間化合物是鏈接兩種材料的關鍵。對于要求機械牢固度以及電氣鏈接的永久性起著非常關鍵的作用。

    不同母材與不同焊料所產生的金屬間化合物是不同的。一般所產生的金屬間化合物都是既硬又脆的,厚度越厚的焊點強度越差。兩者之間的關系如下圖所示:

    金屬間化合物厚度與強度的關系


    金屬間化合物的生長厚度取決于許多因素,但主要服從于Fick擴散定律,IMC厚度L與擴散常數D和受熱時間t的平方根成正比關系,而擴散常數D又與絕對溫度T成正比的指數函數關系,因此,為了抑制IMC的過快生長,控制好焊接溫度不能過高,加熱時間不能過長是非常重要的,IMC厚度L隨溫度和時間的演變如下:

    L=√Dt(1)

    D =D0exp(-Q/RT)(2)

    電子裝聯焊接和服役過程中,焊料與母材Cu等金屬交互作用導致了金屬間化合物的形成與生長,一般認為,焊接過程中IMC的形成是界面化學反應為主導的機制,服役過程中IMC是元素擴散為主導的機制。



    電子裝聯焊接和服役過程中,焊料與母材Cu等金屬交互作用導致了金屬間化合物的形成與生長,一般認為,焊接過程中IMC的形成是界面化學反應為主導的機制,服役過程中IMC是元素擴散為主導的機制。

    金屬間化合物(IMC)的評價

    什么樣的金屬間化合物(IMC)是我們所追求的呢,業內比較公認的說法是,焊接后焊點界面長出合金層IMC,且長得平坦、均勻、連續即可,具體來說,主要用以下3點來評價。

    厚度均勻

    金屬間化合物(IMC)首先要考慮的是其厚度,因為IMC厚度多少將直接決定焊點強度的大小。

    IMC厚度典型值

    針對IMC厚度,電裝業內沒有具體的標準。德國ERSA研究所的研究表明,生成的金屬間化合物厚度在4um以下時,對焊點強度影響不大。日本學者管沼克昭從可靠性觀點出發,歸納出理想界面的質量模型(圖3),認為IMC厚度應小于5um。理論界雖說法不一,但現在業內比較認可的觀點是,IMC的平均厚度在1~4um,且最低值不低于0.5um是比較良性的合金層。太薄的合金層(<0.5um)焊點可能呈冷焊狀,強度不足,而太厚時(>4um)結構疏松,合金層硬度增加,失去彈性發脆,強度變小。

    IMC厚度會根據Sn基焊料結合的金屬界面不同有所不同,根據業內實踐數據,常見Sn-Cu和Sn-Ni的合金層的最宜厚度如下:

    ① Sn-Cu合金層的厚度控制在1~4um;

    ② Sn-Ni合金層的厚度控制在1~2um。

    這兩種IMC合金層存在差異的原因主要是擴散能的差異所致,Sn對Cu的擴散活化能為45Kcal/mol,而Sn對Ni的擴散活化能為65.5Kcal/mol。

    理想焊點質量模型

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