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.
Алюминий — Самый РАСПРОСТРАНЕННЫЙ Металл на ЗЕМЛЕ!
]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.
Про алюминий интересно
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.
Источник: eastbond.ru
1.2. Сопоставительная характеристика цветных металлов
Таблица 1.1 — Распространенность ряда металлов в природе
В таблице 1.2 приведены некоторые физические свойства наиболее широко применяемых цветных металлов, определяющие многие направления их использования. Так, минимальные значения электросопротивления имеют (в порядке его возрастания) серебро, медь, золото и алюминий. Поэтому эти металлы используются в электротехнике как материалы с высокой электропроводимостью.
Из сравнения плотности этих металлов следует, что в сравнении с алюминием медь тяжелее его в 3,3 раза, серебро — в 3,9 раза, а золото — в 7,1 раза. Поэтому алюминий, имея несколько более высокие значения удельного электрического сопротивления в сравнении с этими металлами, вследствие малой плотности часто применяется для изготовления проводников большого сечения (например, провода для высоковольтных линий электропередач). В то же время серебро и золото, обладающие высокой коррозионной стойкостью, используются как материал для контактов и других токоведущих элементов точных приборов и электронных устройств, работающих в агрессивных средах.
При необходимости обеспечения минимального веса конструкций и изделий их изготавливают из сплавов таких металлов, как магний, бериллий, алюминий, титан, плотность которых соответственно в 4,5, 4,2, 2,9 и 1,8 раза меньше, чем у железа. Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ниобий- используются для изготовления изделий, нагревающихся в процессе работы до высоких температур, в частности, нагревательных элементов, нитей накаливания осветительных приборов (вольфрам).
Таблица 1.2 — Физические свойства ряда чистых металлов
Плот-ность при 20 С,
Температу-ра плавления, С
Теплопро-водность (0-100С), Вт/(м х К)
Средняя удельная теплоемкость
Электросопротивление при 20С, МкОм х см
Металлы с низкой температурой плавления — олово, свинец, цинк — являются основой легкоплавких сплавов, подшипниковых материалов, припоев. Коррозионностойкие непассивирующиеся металлы (золото, серебро, платина) используются для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах, например, химической посуды (платина), декоративных и защитных покрытий и т.д. Высокой коррозионной стойкостью обладают и такие элементы, как титан и алюминий, но, в отличие от “благородных” металлов, они являются пассивирующимися (самопассивирующимися) металлами, высокая коррозионная стойкость которых обусловлена образованием на поверхности изделий стойкой пленки окислов.
Свойства, характерные для чистых металлов, в значительной мере присущи и сплавам на их основе. Безусловно, свойства сплавов изменяются в зависимости от их состава и структуры. Так, например, сплавы на основе алюминия в сравнении с чистым металлом характеризуются более высокой прочностью, но более низкими показателями электропроводности и коррозионной стойкости. Температура плавления сплава, в зависимости от его состава, может оказаться как выше, так и ниже таковой у чистых компонентов.
Поэтому выбор материала для конкретного применения определяется комплексом требований, учитывающих действующие нагрузки, условия эксплуатации, требования по массе изделий, их удельной прочности и т.д. При этом, безусловно, следует учитывать и стоимость материала, конкурентоспособность изделий и другие факторы.
В таблицах 1.3 и 1.4. приведены данные об относительной стоимости чистых металлов (табл. 1.3, за 1 принята стоимость алюминия технической чистоты марки А8) и некоторых сплавов (табл.1.4., за 1 принята стоимость силумина АЛ 2).
Таблица 1.3 — Относительная ориентировочная стоимость цветных
металлов промышленной чистоты
Относительная стоимость, ед.
Относительная стоимость, ед.
Источник: studfile.net
Диаграмма состояния системы алюминий-золото (Αl-Au)
Система Аl— Au характеризуется наличием пяти соединений: AuAl 2 , AuAl , Au 2 Al , Au 5 Al 2 и Au 4 Al , образование которых было подтверждено в работе . Два из них конгруэнтно плавящиеся: AuAl 2 (1060 ° C ) и Au 2 Al (624 ° C ). Область гомогенности соединения AuAl 2 при температурах 300—400 °С составляет 32,92-33,92 % (ат.) [79,9-80,6 % (по массе)] Аu, т.е. несколько превышает по концентрации А u состав, приводимый в работе — 33,3 % (ат.) [78,5 % (по массе)] А u . Соединение А u 2 А1 имеет высокотемпературную фазу γА u 2 А1, которая при температуре около 550 °С распадается на две низкотемпературные аллотропические близкие по составу фазы βА u 2 А1 и αА u 2 А1. Область гомогенности для соединения А u 2 А1 лежит в интервале концентраций 64,0—66,4 % (ат.) А u при температуре 500 °С и 65,4—66,4 % (ат.) А u при температуре 400 °С. Область гомогенности для γAu составляет 65,0—66,8 % (ат.) А u , для βА u — 65,1—66,1 % (ат.) А u и для αAu — 66,3—66,7 % (ат.) А u .
Остальные соединения AuAl , Au 5 Al 2 и Au 4 Al плавятся инконгруэнтно при температурах 625, 575 и 545 °С, соответственно. Для соединения с формулой А u 5 Аl2 указывается также другая формула А u 8 Аl3, соответствующая несколько большему (на 1,3 % (ат.)) содержанию А u . В области соединения А u 4 Аl вначале предполагалось образование соединения А u 3 Аl со структурой βΜ n . Формула Аи4А1 принята по более поздним исследованиям, в которых установлено, что решетка этого соединения подобна, но не идентична βΜ n . Ширина области гомогенности соединений А uAl 2 и А u 4 Аl составляет 0,5—1,0 % (ат.). Превращения в области соединения А u 4 Аl сложные.
Неупорядоченная β -фаза, являющаяся высокотемпературной модификацией Au 4 Al , превращается при охлаждении в низкотемпературную α -фазу А u 4 А1 при температуре около 400 °С, а при нагреве идет обратное превращение при температуре около 500 °С. По перитектической реакции Ж + ( Au ) ↔ β при температуре 545 °С образуется фаза β, которая при температуре 500 °С распадается по эвтектоидной реакции β ↔ Au 4 Al + ( Au ). Соединение Au 4 Al стабильно при температуре до 510 °С, при этой температуре наступает равновесие Au 4 Al ↔ Au 5 Al 2 + β. Границы фазы β могут быть экстраполированы до 424 °С — температуры метастабильной эвтектической реакции β ↔ ( Au ) + Au 5 Al 2 . Со стороны А1 в системе имеет место эвтектическое превращение Ж ↔ (А1) + А u А12 при температуре 650±3 °С и содержании 1,1 ±0,4 % (ат.) Au либо при 648 °С и 1,1 % (ат.) Au , либо при 642 °С и 0,7 % (ат.) Au .
Источник: markmet.ru