柯肯多尔空洞
2023-08-05
一、发现在两种不相同的材料之间,由于扩散速率的不同所产生的空洞称为柯肯达尔(Kirkendall)空洞。1947年,柯肯达尔(kirkendall)等人设计了一个试验,在质量分数为30%的黄铜块上镀一层铜,并在铜和黄铜界面上预先放两排Mo丝。将该样品经过785℃扩散退火56d后,发现上下两排Mo丝的距离L减小了0.25mm,并且在黄铜上留有一些小洞。假如Cu和Zn的扩散系数相等,那么以原Mo丝平面为分界面,两侧进行的是等量的Cu和Zn原子互换,考虑到Zn的原子尺寸大于Cu原子,Zn的外移会导致Mo丝(标记面)向黄铜一侧移动,但经计算移动量仅为观察值的1/10左右。由此可见,两种原子尺寸的差异不是Mo丝移动的主要原因,这只能是在退火时,因Cu,Zn两种原子的扩散速率不同,导致了由黄铜中扩散出的Zn的通量大于铜原子扩散进入的通量。这种不等量扩散导致Mo丝移动的现象称为Kirkendall Effect(柯肯达尔效应)。以后,又发现了多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应,例如,Ag-Au,Ag-Cu,Au-Ni,Cu-Al,Cu-Sn及Ti-Mo。二、原理“近朱者赤,近墨者黑”可以作为固态物质中一种扩散现象的描述。固态中的扩散速率十分缓慢,不像气体和液体中扩散那样易于观察,但它确确实实地存在着。金属结晶时液态金属原子向固态晶核的迁移再结晶的晶粒长大,钢的脱碳和渗碳,以及金属的焊接等,都可以作为固态金属中的扩散例子。为了进一步证实固态扩散的存在,可作下述试验:把Cu,Ni两根金属棒对焊在一起,在焊接面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志然后加热到高温并保温很长时间后,令人惊异的事情发生了:作为界面标志的钨丝向纯Ni一侧移动了一段距离。经分析,界面的左侧(Cu)也含有Ni原子,而界面的右侧(Ni)也含有Cu原子,但是左侧Ni的浓度大于右侧Cu的浓度,这表明,Ni向左侧扩散过来的原子数目大于Cu向右侧扩散过来的原子数目。过剩的Ni原子将使左侧的点阵膨胀,而右边原子减少的地方将发生点阵收缩,其结果必然导致界面向右漂移。以上是关于KIrkendall效应的另一个试验。三、影响国外有文献报导在BGA的Cu和Sn37Pb钎料界面,在125℃温度下,时间为20天的固相老化后,在ε-Cu3Sn的IMC中有空洞形成,并且焊点强度降低,S.Ahat等人研究了Sn3.5Ag和Sn36Pb2Ag等钎料合金在Cu基板、150℃下分别老化0h、50h、250h、500h和1 000h后的界面显微组织和剪切强度。在所有老化样品的钎料和Cu界面上,发现了靠近钎料的δ-Cu6Sn5和靠近Cu的ε-Cu3Sn两种微组织。且随着老化时间的增加,空洞在ε-Cu3Sn相中形成,两种钎料焊点的剪切强度都随老化时间的增加而降低。断裂模式自老化初始时刻在钎料和IMC中混合断裂,至老化1 000h后在IMC层中完全断裂。在BGA的Cu和Sn37Pb钎料界面形成的柯肯达尔空洞本文根据樊融融老师的现代电子装联工艺可靠性及百度百科相关内容整编。
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