高溫金鍺焊料的機械強度介紹-深圳福英達
高溫金鍺焊料的機械強度介紹-深圳福英達
說起無鉛焊料人們往往會想到錫鉍焊料，錫銀銅焊料和錫銻焊料。這些焊料的應用很廣，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，于是有學者提出了金鍺共晶焊料（Au88Ge12）。金鍺共晶焊料的熔點很高，能達到361℃，且該種焊料有著很好地機械、熱和電氣性能。
金鍺共晶焊料與Cu基板可以在400℃左右進行焊接。在焊接過程中，金鍺合金在焊接過程中與Cu基板會發生界面反應并形成密排六方結構固溶體（HCP）。焊接機械強度是人們對高溫器件的關注點之一。HCP的生長會對焊點的剪切強度帶來直接的影響，因此需要進行更多的研究。
實驗設計
Wang和Peng（2023）使用了金鍺共晶焊片與Cu基板進行焊接。焊接實驗是在400℃熔爐（在H2氣氛下）中持續加熱5分鐘，20分鐘和60分鐘。測試剪切力的儀器是RGM4100萬能機械機。
實驗結果
圖1展示了400°C下焊接5分鐘，20分鐘和60分鐘后的焊點。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.%。靠近Cu襯底的灰色區域是界面反應產物HCP固溶體。通過EDX可以發現HCP為Cu?24Au?12Ge。焊接5分鐘時，HCP的厚度為1.8μm。通過進一步的檢測發現，當焊接時間從5分鐘增加到20分鐘時，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. 不同焊接時間的金鍺焊點背散射圖形。(a)5分鐘; (b)20分鐘；(c)60分鐘。
為了了解HCP層對Au?Ge焊點剪切強度的影響，Wang和Peng在室溫下以1 mm/min的拉伸速率對焊點進行剪切斷裂測試。從圖2可以看到，當焊接5分鐘時，焊點斷裂主要沿著焊料基體中的Ge晶粒發生。由于Ge的脆性性質，焊點可以觀察到解理面，顯示出了脆性斷裂模式。當焊接時間增加到20分鐘，Ge的含量明顯減少，從18.6at.% 減少到 8.1at.%。因此，焊點斷裂模式開始向韌性斷裂轉變。當焊接時間為60分鐘時，焊點斷裂模式為韌性斷裂。
圖2. 不同焊接時間Au?Ge焊點的斷裂形態。(a)5分鐘; (b)20分鐘；(c)60分鐘。
金鍺焊點剪切強度和焊接時間有關系。當焊接時間為5分鐘時，焊點的剪切強度為57MPa。隨著焊接時間增加，焊點剪切強度也增加。當焊接時間為60分鐘時，焊點剪切強度最大，達到了68MPa。此外，當焊接時間超過20分鐘，金鍺焊點的剪切強度明顯會優于金錫焊點，這是因為焊接時間增加會使金錫焊點出現影響焊點強度的脆性Au6.6Cu9.6Sn3.8相。
圖3. 不同焊料和基板的剪切強度。
參考文獻
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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