[发明专利]一种在热电耦合作用下实现Cu/Cu3Sn/Cu界面分离的方法

说明书

本发明涉及一种在热电耦合作用下实现Cu/Cu₃Sn/Cu界面分离的方法。Cu/Sn/Cu三明治结构试样放置于恒温管式炉中，通过控制工艺参数得到Cu/Cu₃Sn/Cu焊点。在界面分离试验中，将Cu/Cu₃Sn/Cu界面结构试样以搭接的形式固定于通电夹具上，并置于油浴锅中进行通电，通电过程中，界面Cu、Sn原子在浓度梯度、温度梯度及电子风力(电子与原子的碰撞作用)驱动下发生相变扩散，原子的扩散伴随着空位的扩散，空位在界面聚集形成微孔洞，并随着通电时间的延长及电流密度的增大，最终在界面形成贯穿整个界面的微裂纹，根据美国军用微电路测试方法标准判定界面分离。本发明通过施加电场实现了Cu/Cu₃Sn/Cu连接界面的分离，验证了在电场及热场耦合作用下金属界面实现可逆连接的可行性。

技术领域

本发明属于金属材料焊接与连接领域，涉及一种在热电耦合作用下实现Cu/Cu₃Sn/Cu界面分离的方法。

背景技术

焊接加工是采用不同的工艺方法来实现被连接件之间的永久结合。随着制造技术的发展，焊接加工在大型复杂结构、微型精密结构制造中均发挥着不可替代的作用。这种精密化、复杂化使制造结构和装备具有了高成本、长周期的特点。这些结构和装备中，个别被连接界面的性能和质量决定了整个结构或装备的性能和质量，且在服役过程中，连接界面性能和质量的退化可能导致整个结构或装备的报废。其根本原因是界面被连接成不可逆的永久结合而无法更新，且界面的这种永久结合造成其无法拆解，给环境友好处理及资源化带来极大的困难。

在资源利用和环境友好需求方面，材料加工直接或间接地产生了自然资源的消耗，尤其是一些稀有或不可再生资源的消耗，这种资源消耗最终使传统制造业受到巨大的挑战。而可逆连接通过对被连接件进行再用、更换，避免了资源的直接消耗，降低了高端制造整体资源的消耗水平。另一方面，可逆连接技术的运用可对一些复杂结构和装备进行拆解，简化了分离技术，提高了分离效率，实现了分类处理与再循环，减少了环境负荷。

在制造成本和经济规律的需求方面，复杂的结构形式，高的集成度。均使传统制造中采用不可逆连接形式的构件的可替代性降低，构件的局部返修难以进行，制造难度大大增加，而制造中会因连接界面的局部缺陷难以可逆修复而导致整体结构的报废。最终提高了原材料成本和制造成本。现代高端制造业发展的趋势是模块化和集成化，而这都要求基本单元模块连接的可逆性。界面的可逆连接可实现基本单元模块的组装与替代，资源的利用效率得以提高，制造成本有效降低。

在工程应用的需求方面，国民经济和国防军事许多重大工程(如航空航天、高速铁路等运载系统，能源动力系统)的可靠服役依赖于这些工程中先进机械装备、先进电子装备和基础建设的性能和可靠性。这些复杂系统的整体可靠性常常取决于子系统、子结构，甚至单元零部件的可靠服役。实际上，单元零部件、子结构、子系统中连接界面的可靠服役和性能变化对整个系统的服役性能和寿命有重要影响。在传统设计、制造和运行中，人们大多关注连接界面的功能和性能，较少关注连接界面的寿命和维修，因而常将连接界面设计、制造成永久连接。这种永久连接虽然保障了界面的整体性，但也使工程服役中的维修和更新几无可能。由个别界面的故障和失效而引起的装备和系统的失效或报废事故多有报道，如某复杂电子系统运行中，因个别焊点界面故障无法修复而“带伤”运行，造成装备和人员的重大损失。这些事故的发生与连接界面的不可逆有重要关系，而可逆连接界面则有利于重大工程的建设中效率的提高和成本的降低，有利于重大工程运行中维修技术难度的降低，有利于重大工程安全服役寿命的提高。

界面可逆连接包括Cu/Cu₃Sn/Cu连接界面制备与界面分离两部分。目前，在界面制备方面已有相关报道，而在界面分离方面，尤其是在外加能场作用条件下，仍无相关报道。因此，本发明以Cu/Cu₃Sn/Cu界面结构为对象，开发了一种在热电耦合作用下实现Cu/Cu₃Sn/Cu界面分离的方法。