高温金锗焊料的机械强度介绍-深圳福英达
高温金锗焊料的机械强度介绍-深圳福英达
说起无铅焊料人们往往会想到锡铋焊料，锡银铜焊料和锡锑焊料。这些焊料的应用很广，涵盖了不同的焊接温度，但也仅限于300℃以下。由于功率器件和航空航天材料的兴起，这些器件的焊接温度往往在300℃以上，于是有学者提出了金锗共晶焊料（Au88Ge12）。金锗共晶焊料的熔点很高，能达到361℃，且该种焊料有着很好地机械、热和电气性能。
金锗共晶焊料与Cu基板可以在400℃左右进行焊接。在焊接过程中，金锗合金在焊接过程中与Cu基板会发生界面反应并形成密排六方结构固溶体（HCP）。焊接机械强度是人们对高温器件的关注点之一。HCP的生长会对焊点的剪切强度带来直接的影响，因此需要进行更多的研究。
实验设计
Wang和Peng（2023）使用了金锗共晶焊片与Cu基板进行焊接。焊接实验是在400℃熔炉（在H2气氛下）中持续加热5分钟，20分钟和60分钟。测试剪切力的仪器是RGM4100万能机械机。
实验结果
图1展示了400°C下焊接5分钟，20分钟和60分钟后的焊点。以焊接5分钟为例，在BSE图中，明亮的基体是Au相。Au相中的Ge和Cu含量分别为约7at.%和30at.%。靠近Cu衬底的灰色区域是界面反应产物HCP固溶体。通过EDX可以发现HCP为Cu−24Au−12Ge。焊接5分钟时，HCP的厚度为1.8μm。通过进一步的检测发现，当焊接时间从5分钟增加到20分钟时，HCP层的厚度从1.8μm增加到5.6μm。HCP的平均晶粒尺寸增加到2.9μm。此外，Ge含量从大约18.6at.%降至大约8.1at.%。平均晶粒尺寸保持在（5.7±3.1）μm。在焊接60分钟后，焊料几乎都消耗并生成HCP，只剩下极少量的Ge。
图1. 不同焊接时间的金锗焊点背散射图形。(a)5分钟; (b)20分钟；(c)60分钟。
为了了解HCP层对Au−Ge焊点剪切强度的影响，Wang和Peng在室温下以1 mm/min的拉伸速率对焊点进行剪切断裂测试。从图2可以看到，当焊接5分钟时，焊点断裂主要沿着焊料基体中的Ge晶粒发生。由于Ge的脆性性质，焊点可以观察到解理面，显示出了脆性断裂模式。当焊接时间增加到20分钟，Ge的含量明显减少，从18.6at.% 减少到 8.1at.%。因此，焊点断裂模式开始向韧性断裂转变。当焊接时间为60分钟时，焊点断裂模式为韧性断裂。
图2. 不同焊接时间Au−Ge焊点的断裂形态。(a)5分钟; (b)20分钟；(c)60分钟。
金锗焊点剪切强度和焊接时间有关系。当焊接时间为5分钟时，焊点的剪切强度为57MPa。随着焊接时间增加，焊点剪切强度也增加。当焊接时间为60分钟时，焊点剪切强度最大，达到了68MPa。此外，当焊接时间超过20分钟，金锗焊点的剪切强度明显会优于金锡焊点，这是因为焊接时间增加会使金锡焊点出现影响焊点强度的脆性Au6.6Cu9.6Sn3.8相。
图3. 不同焊料和基板的剪切强度。
参考文献
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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