Cu-Sn-Ti體系擴(kuò)散偶界面反應(yīng)的研究.pdf

1、在材料研究的過(guò)程中，相圖扮演著極其重要的角色，因?yàn)樗峁┝怂芯矿w系中多種可能的亞穩(wěn)相變的背景及分配系數(shù)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)可以利用計(jì)算得到很多復(fù)雜的相圖，短期內(nèi)實(shí)測(cè)相圖仍然具有不可被替代的重要性。人們采用了很多方法來(lái)實(shí)際測(cè)量相圖，其中最重要，也是最有效的方法之一就是擴(kuò)散偶法。 擴(kuò)散偶就是將兩塊或幾塊材料(主要是金屬)緊密接觸在一起，在一定溫度下使其相互擴(kuò)散并發(fā)生反應(yīng)。保溫一段時(shí)間后淬火急冷，保持其高溫下的組織并進(jìn)行分析的一種實(shí)驗(yàn)方法

2、。基于局部平衡的假設(shè)，并利用擴(kuò)散過(guò)程中，在一個(gè)擴(kuò)散偶樣品中便可覆蓋一個(gè)二元系或三元系中所有成分的特性，就可以利用一個(gè)樣品得到一個(gè)等溫截面。和傳統(tǒng)的合金法測(cè)相圖相比，擴(kuò)散偶法可以大幅度提高相圖研究的效率。 活化焊接(active braze)是目前被廣泛采用的連接陶瓷與金屬的工藝，在焊料中添加Ti等表面活性元素，可使其潤(rùn)濕性得到明顯改善。Ti，zr，Hf, Pd等過(guò)渡族或稀有金屬元素具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，加至焊料中后在高溫下對(duì)氧化物

3、、硅酸鹽具有親和性，可和Cu，Ni，Ag，Au，等一同制成陶瓷一金屬焊接活性焊料?；钚院噶显诙缑嫣幙梢援a(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)結(jié)合。機(jī)械結(jié)合可以認(rèn)為是焊料質(zhì)粒嵌入或滲入陶瓷表層微孔區(qū)，而化學(xué)結(jié)合強(qiáng)度歸結(jié)于焊料和基體間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移和反應(yīng)。陶瓷界面上的反應(yīng)會(huì)大大促進(jìn)潤(rùn)濕性。AgCuTi三元焊料系列，對(duì)大多數(shù)工程陶瓷表面有潤(rùn)濕性，在高溫下伴隨著液固界面的化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)擴(kuò)散，從而在界面形成固溶體相和新化合物相，可提高表面強(qiáng)度。 雖然AgCuTi三

4、元系焊料被廣泛采用，但是它們的強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度還是比較低，并不適用連接鐵基的金剛石工具(主要是刀具)。所以有人加入Ni、Fe、Cr等元素來(lái)提高焊料合金的強(qiáng)度，但這些元素又會(huì)在高溫下促使金剛石向石墨轉(zhuǎn)變，反而降低了金剛石的強(qiáng)度。還有人采用增加焊料中沉淀強(qiáng)化相數(shù)量，如Si<,3>N<,4>、TiC、SiC、WC等的辦法來(lái)改良焊料的性能，取得了一定的效果。但這種做法又帶來(lái)了新的問(wèn)題，就是強(qiáng)化相的數(shù)量不可以過(guò)多，以便在焊接過(guò)程中保持足夠多的液相剩

5、余，保證焊接質(zhì)量。 目前為止，Cu-Sn-Ti焊料是在這個(gè)方面Cu-Ag-Ti焊料的最佳替代者，可以使金剛石刀具的切削速度及使用壽命均得到提高。這主要是由于Sn的存在，造成焊料中Ti的活性降低，使活化焊接時(shí)表面生成強(qiáng)化相的同時(shí)在液相中仍可保持較高的Ti濃度，在液相中生成Ti-Sn的強(qiáng)化相，提高工具性能。 不僅Cu-Sn-Ti三元系具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而且它的三個(gè)邊際二元系也都具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。Cu-Sn二元系由

6、于其在電子工業(yè)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)被多次研究。金屬Ti由于其具有良好的物理性能和化學(xué)性能而作為電子封裝中的焊點(diǎn)下金屬(UBM)層電鍍?cè)诖附拥碾娮悠骷?。在高?qiáng)高導(dǎo)銅合金的制備過(guò)程中加入Ti可以使其在保持良好的導(dǎo)電性的同時(shí)獲得較高的強(qiáng)度。 本文首先制備了Cu-Sn-Ti三元系相關(guān)的邊際二元系的擴(kuò)散偶，其中Ti-Sn及Cu-Sn兩個(gè)二元系為固．液擴(kuò)散偶，Cu-Ti二元系為固態(tài)擴(kuò)散偶，在不同溫度下退火不同的時(shí)間，利用掃描電鏡和電子探針?lè)治?/p>

7、了其擴(kuò)散層組織。Ti／Sn固-液擴(kuò)散偶在873K下退火30～160mins時(shí)，只有Sn<,3>Ti<,2>相生成。Cu／Sn固-液擴(kuò)散偶在808K下退火10mins時(shí)，Central South LJniversity Master’s Degree Thesis只有Cu<,3>Sn相生成。當(dāng)退火時(shí)間延長(zhǎng)至30mins后在Cu與Cu<,3>Sn的界面上生成了Cu4lSnll。退火60mins后在Cu與Cu4lSnll的界面上又生成了Bc

8、c_a<,2>。Cu／Ti二元固相擴(kuò)散偶在1023K下退火1000h后，生成了CuTi<,2>，CuTi，Cu<,4>Zi<,3>，Cu<,4>Ti<,4>個(gè)化合物，而Cu<,3>Ti<,2>相并未在擴(kuò)散偶中出現(xiàn)。 對(duì)于Cu-Sn-Ti相關(guān)二元系的界面反應(yīng)產(chǎn)物及相的生成序列采用Thermocalc軟件，依據(jù)最大驅(qū)動(dòng)力模型對(duì)其相形成序列及形貌進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。 值得注意的是，在Lee等人提出最大驅(qū)動(dòng)

9、力模型的文章中，只提到了最大驅(qū)動(dòng)力模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)界面反應(yīng)中第一個(gè)生成的相。而在本文中除Sn-Ti二元系只有一個(gè)中間化合物生成外，Cu-Sn二元系在808K下依次生成了該溫度下所有的三個(gè)化合物，而Cu-Ti二元系則是在退火1000小時(shí)后生成了4個(gè)化合物，只有一個(gè)Cu3Ti2一個(gè)化合物沒(méi)有在擴(kuò)散偶中出現(xiàn)。本文利用擴(kuò)散偶試樣中，一旦生成了中間化合物，則出現(xiàn)新的亞穩(wěn)平衡的特點(diǎn)，反復(fù)使用最大驅(qū)動(dòng)力模型，成功解釋了所出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 將1

10、023K下退火1000小時(shí)得到的Cu／Ti二元擴(kuò)散偶與含Cu量為20wt.％的Cu-Sn溶液在823K下做成固一固／液三元擴(kuò)散偶，退火30～480mins，利用掃描電鏡及電子探針?lè)治龅玫皆撊翟?23K時(shí)的相關(guān)系。 在對(duì)退火不同時(shí)間得到的擴(kuò)散偶樣品進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同退火時(shí)間的擴(kuò)散偶中所出現(xiàn)的相及其相關(guān)系都是相同的。只有Sn<,3>Ti<,2>、Cu<,3>Sn、CuSnTi和．liquid相的平衡關(guān)系比較模糊，經(jīng)過(guò)對(duì)這四個(gè)相

11、的數(shù)量、形貌、分布位置及在不同的擴(kuò)散偶中的相對(duì)變化，確定了其相關(guān)系為liquid+Sn<,3>Ti<,2>+CuSnTi和liquid+CuSnTi+Cu<,3>Sng兩個(gè)三相平衡。 由于CuSnTi三元相與Cu-Sn化合物接觸部分的形貌非常復(fù)雜，即使采用電子探針技術(shù)也無(wú)法確定其精確的截線。本文采用CuSnTi三元相為計(jì)量比化合物及Cu-Sn二元化合物中Ti的溶解度可忽略不計(jì)的假設(shè)，將CuSnTi的成分從得到的成分?jǐn)?shù)據(jù)中去除，與