Золото и алюминий имеют хорошую взаимную свариваемость при отсутствии толстых оксидных пленок на алюминии. Однако при микросварке золотой проволоки на алюминиевую подложку (либо алюминиевой проволоки на позолоченную подложку) в месте контакта двух различных металлов возникают интерметаллические соединения золота и алюминия. Эти интерметаллические соединения обладают свойствами, отличными от свойств золота и алюминия, что приводит к термодинамической неустойчивости сварных отпечатков. Интерметаллические соединения появляются уже в процессе формирования сварного соединения как при термокомпрессионной сварке, так и при ультразвуковой сварке, и продолжают расти при повышенной температуре в процессе технологических обработок и эксплуатации приборов.
Основными образующимися соединениями являются Au5Al2 («белая чума») и AuAl2 («пурпурная чума»), которые образуются при высоких температурах. Белой чумой называют как само соединение Au5Al2, так и собственно проблему, которую оно вызывает. Это соединение имеет низкую электропроводность, поэтому его образование на стыке металлов приводит к увеличению электрического сопротивления, что может привести к отказу. Пурпурная чума (также ещё известная под названием «пурпурная смерть» или «пурпурное золото») является хрупким, ярко-пурпурным соединением AuAl2, состоящим из около 78,5% Au и 21,5% Al по массе. AuAl2 является наиболее термически стабильным из интерметаллических соединений Au – Al, с температурой плавления 1060°C, сравнимой с температурой плавления чистого золота.
]Процесс роста интерметаллических слоев вызывает уменьшение объема и, следовательно, создает полости (разрывы) в металле около границы раздела между золотом и алюминием. В результате проволока по всему периметру сварочного отпечатка электрически отключается от подложки, а спустя некоторое время происходит и механическое отслоение. Когда электрическое отключение уже произошло, а механическая прочность ещё имеется, этот дефект очень трудно обнаружить (отсюда, видимо, возникли и такие названия — «чума», «смерть»). Иногда достаточно подать на такое полуразрушенное соединение импульс тока, например в процессе измерения, чтобы оно временно восстановилось.
Другие золото-алюминиевые интерметаллические соединения также могут вызывать проблемы с качеством микросварки. При температуре ниже 624°C пурпурная чума заменяется Au2Al, веществом коричневого цвета. Это плохой проводник, приводящий как к электрическим, так и к механическим отказам. При более низких температурах, около 400–450°C, на стыке металлов происходит взаимный процесс диффузии. Это приводит к образованию слоев из нескольких интерметаллических соединений различного состава, от богатого золотом до богатого алюминием, с разной скоростью роста. В результате происходит возникновение пустот по мере того, как более плотные, быстрорастущие слои поглощают более медленно растущие. Этот процесс, известный как опустошение по Киркендаллу, приводит как к увеличению электрического сопротивления, так и к механическому ослаблению проволочного соединения.
Образование интерметаллических соединений в контактах золота с алюминием происходит уже при температуре 100 ºС. В начальный момент времени образуются кристаллы Au2Al, позже появляется фаза AuAl2, а при дальнейшей выдержке фаза Au2Al уменьшается, пока в образце не остаются кристаллы пурпурного цвета AuAl2. Процесс завершается более чем за 150 ч. Пурпурный цвет соединений золота с алюминием связан с образованием исключительно фазы AuAl2. В результате взаимодействия контактирующих пленок золота и алюминия при температуре 150 °С и выше при соотношении толщин δAu/δAl = 3 кристаллов «пурпурной чумы» не обнаружено.
Установлено, что соотношение размеров проволоки и пленки влияет на качество сварных соединений. Например, если отношение ширины деформированной части алюминиевого вывода к толщине золотой пленки больше чем 4 сопротивление контакта изменяется незначительно. Таким образом, выбором соотношения толщин свариваемых материалов можно повышать надежность соединений.
Деградацию сварных соединений системы Al-Au можно существенно уменьшить легированием золотой пленки Pd и Ag, а также алюминиевой проволоки 1-2 % Pd или 1 % Be. Загрязнения золотой металлизации примесями Pb, Zn, Та, Те, S, Co, Fe и т. д. значительно ускоряют диффузионные процессы в сварных соединениях. Отрицательное действие оказывает на деградацию сварных соединений и загрязнение поверхностей соединяемых элементов органическими веществами типа смолы и т. п.
Литература:
1. Физико-химические основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. школа, 1979. — 205 с. (Иванов-Есипович Н.К.)
2. Wikipedia, «Gold–aluminium intermetallic»
3. https://stydopedia.ru/3×785.html
Демонстрация работы