Raytron Technical Review RESEARCH ARTICLE

金属界面扩散现象

Diffusion Phenomena at Metal-Metal Interfaces

Gao-Lei Xu¹ *

¹RAYTRON Group Technology Research Center, in National

^*通讯作者

收稿: 2025年12月接受: 2026年2月发布: 2026年3月

DOI: 10.1234/raytron.2026.WP-01-04

摘要

金属-金属界面的扩散决定了双金属导体的形成和稳定性。本Whitepapers全面分析扩散现象，包括体扩散、晶界扩散和界面扩散机制。我们研究了扩散驱动的相变、金属间化合物的形成和生长，以及对加工和服役寿命的影响。提出了控制制造过程中扩散和确保长期稳定性的实用指南。

关键词

扩散;界面扩散;晶界扩散;金属间化合物;Kirkendall效应;扩散阻挡层;双金属稳定性

1. Introduction

1.1 扩散在双金属导体中的作用

扩散在双金属导体中扮演双重角色：

扩散双重作用示意图（形成vs降解）

MEDIA TODO

Figure Fig. 1 DiffusionDualEffect Schematic Diagram（FormationvsDegradation）

关键时间尺度：

制造：秒到小时（可控）
服役：到十年（不可避免）

1.2 为什么理解扩散很重要

2. DiffusionFundamentals

2.1 菲克定律

第一定律（稳态）：

J = -D (∂C/∂x)

(1)

第二定律（非稳态）：

∂C/∂t = D (∂²C/∂x²)

(2)

扩散过程动画，展示浓度分布随时间变化

0:30

VIDEO TODO

Video 1 扩散过程动画，展示浓度分布随时间变化

2.2 温度

扩散系数遵循：

D = D₀ exp(-Q/RT)

(3)

Arrhenius图，多种金属的扩散系数

MEDIA TODO

Figure Fig. 2 Arrhenius Plot, Diffusion Coefficients of Various Metals

2.3 扩散路径

三种主要路径：

三种扩散路径示意图

MEDIA TODO

Figure Fig. 3 Three Types DiffusionPath Schematic Diagram

效扩散系数：

D_eff = (1-f)D_L + f · δ · D_GB

(4)

：f = 晶界面积分数，δ = 晶界宽度（~0.5 nm），D_L = 晶格扩散系数，D_GB = 晶界扩散系数

3. Diffusion Mechanisms

3.1 原子机制

空位机制（金属中主）：

创建空位扩散机制动画

0:20

VIDEO TODO

Video 2 空位扩散机制动画

3.2 晶界扩散

Harrison分类：

Harrison分类示意图

MEDIA TODO

Figure Fig. 4 Harrison Classification Schematic Diagram

3.3 界面扩散

界面作为快速扩散路径：

D_interface ≫ D_lattice

(5)

4. Intermetallic Compounds

4.1 热力学驱动力

当满足以下条件时，金属间化合物形成：

ΔG_reaction = G_IMC - (x · G_A + y · G_B) < 0

(6)

Cu-Al系统自由能图

MEDIA TODO

Figure Fig. 5 Cu-Al System Free Energy Diagram

4.2 生长动力学

抛物线生长定律：

x² = kt

(7)

：x = 金属间化物厚度，k = 生长常数（温度），t = 时间

生长常数：

k = k₀ exp(-Q/RT)

(8)

4.3 多相生长

在实际系统中，多个相同时生长：

多相生长层结构SEM照片

MEDIA TODO

Figure Fig. 6 MultiPhaseGenerationLongLayer StructureSEM Photo

相序 (Cu-Al)：

Cu | Cu₉Al₄ | CuAl | CuAl₂ | Al

5. Kirkendall

5.1 现象描述

当两种金属以不同速率互扩散时，空位在较快扩散侧积累：

创建Kirkendall效应形成动画

0:30

VIDEO TODO

Video 3 Kirkendall效应形成动画

数学描述：

v_K = (D_A - D_B) (∂C/∂x)

(9)

v_K是Kirkendall速度。

5.2 孔洞形成

5.3 缓解策略

Kirkendall孔洞SEM照片

MEDIA TODO

Figure Fig. 7 KirkendallVoidSEM Photo

6. SpecificDiffusion

6.1 铜-铝 (CCA)

扩散特：

D_{Al in Cu} (400°C): 1.8 × 10⁻¹⁴ m²/s
D_{Cu in Al} (400°C): 3.2 × 10⁻¹⁴ m²/s
主IMC: CuAl₂ (θ)
生长速率: 8 μm²/h

加工窗口：

CCA加工窗口图（温度vs时间）

MEDIA TODO

Figure Fig. 8 CCA Processing Window Chart (Temperature vs Time)

6.2 铜-钢 (CCS)

扩散特：

D_{Fe in Cu} (500°C): 2.1 × 10⁻¹⁸ m²/s
D_{Cu in Fe} (500°C): 5.0 × 10⁻¹⁸ m²/s
金属间化物: 无显著
主机制: 机械结合

：限的扩散意味着中温下界面稳定。

6.3 镍-铜 (NCC)

扩散特性：

D_{Ni in Cu} (400°C): 3.2 × 10⁻¹⁸ m²/s
D_{Cu in Ni} (400°C): 2.1 × 10⁻¹⁸ m²/s
IMC形成: 无（固溶体）
结合机制: 扩散+机械

优势：完全固溶防止脆性IMC形成。

6.4 银-铜 (SCC)

扩散特性：

D_{Ag in Cu} (400°C): 4.5 × 10⁻¹⁶ m²/s
D_{Cu in Ag} (400°C): 6.0 × 10⁻¹⁶ m²/s
IMC形成: 无
特殊考虑: 780°C共晶

7.

7.1 工艺温度控制

7.2 时间管理

优化原则：

t_process = t_required + safety_margin

(10)

7.3 扩散阻挡层

对于关键Applications，可以采用阻挡层：

扩散阻挡层结构示意图

MEDIA TODO

Figure Fig. 9 DiffusionBarrier Layer Structure Schematic Diagram

7.4 金化策略

改成分：

Al中加Si：减少Al扩散，减缓IMC生长
Cu中加Fe：阻挡Cu扩散，更稳定界面
Al中加Mg：优先氧化，Surface保护

8.

8.1 长期界面演变

服役温度效应：

服务寿命vs温度曲线

MEDIA TODO

Figure Fig. 10 Service Life vs Temperature Curve

8.2 热循环效应

机制：

CTE不匹配引起应力
应力加速扩散
IMC生长加速
可能形成

热循环后界面退化SEM照片

MEDIA TODO

Figure Fig. 11 HotCycle rear Interface DegradationSEM Photo

8.3 服役寿命预测

经验模型：

IMC(t,T) = IMC₀ + √(2k(T) · t)

(11)

示例计算：

对于150°C运行的CCA：

IMC₀ = 2.0 μm（初始）
k(150°C) = 0.002 μm²/h
25后（219,000 h）：IMC = 2.0 + √(2 × 0.002 × 219000) = 4.1 μm

是否可接受？勉强——接近5 μm限值。

9. Conclusion

9.1 关键现

扩散在双金属体中既利又有害
温度控制是管理扩散的主要工具
金属间化物是Cu-Al系统的主要关注点
Kirkendall在严重情况下可导致失效
长期稳定需要理解服役条件

9.2 设计指南

对制造：尽量减少温停留时间、使用适当气氛、监控IMC厚度、实施工艺控制

对Applications：定义最高服役温度、考虑热循环效应、规划界面演变、设计可接受的寿命

9.3 未来方向

研究需求：

长期预测的加速测试方法
先进扩散阻挡层技术
界面演变的原位监控
基于机器学习的寿命预测模型

图表

DiffusionDualEffect Schematic Diagram（FormationvsDegradation）

Fig. 1 DiffusionDualEffect Schematic Diagram（FormationvsDegradation）

Arrhenius Plot, Diffusion Coefficients of Various Metals

Fig. 2 Arrhenius Plot, Diffusion Coefficients of Various Metals

Three Types DiffusionPath Schematic Diagram

Fig. 3 Three Types DiffusionPath Schematic Diagram

Harrison Classification Schematic Diagram

Fig. 4 Harrison Classification Schematic Diagram

Cu-Al System Free Energy Diagram

Fig. 5 Cu-Al System Free Energy Diagram

MultiPhaseGenerationLongLayer StructureSEM Photo

Fig. 6 MultiPhaseGenerationLongLayer StructureSEM Photo

KirkendallVoidSEM Photo

Fig. 7 KirkendallVoidSEM Photo

CCA Processing Window Chart (Temperature vs Time)

Fig. 8 CCA Processing Window Chart (Temperature vs Time)

DiffusionBarrier Layer Structure Schematic Diagram

Fig. 9 DiffusionBarrier Layer Structure Schematic Diagram

Service Life vs Temperature Curve

Fig. 10 Service Life vs Temperature Curve

HotCycle rear Interface DegradationSEM Photo

Fig. 11 HotCycle rear Interface DegradationSEM Photo

表格

Table 1 DiffusionCorrelationQuestion

Question	Reason	rear
IMCGenerationLong	Diffusion
Formation	Kirkendall Effect	ConductivityReductionLow
Interface Resistance	Composition Variation	PropertyDamageLoss
Delamination	IMC Stress	Failure

Table 2 Copper in DiffusionParameter

Diffusion物种	D₀ (m²/s)	Q (kJ/mol)	D at 400°C (m²/s)
Cu in Cu (自 Diffusion)	2.0 × 10⁻⁵	197	2.1 × 10⁻¹⁶
Al in Cu	6.5 × 10⁻⁵	136	1.8 × 10⁻¹⁴
Ni in Cu	2.7 × 10⁻⁵	236	3.2 × 10⁻¹⁸
Fe in Cu	3.0 × 10⁻⁴	240	2.1 × 10⁻¹⁸

Table 3 Activation Energy Composition

Composition	描述	Typical Value (kJ/mol)
VacancyFormation	E_f	80-120
Vacancy Migration	E_m	60-100
TotalActivation Energy	Q = E_f + E_m	140-220

Table 4 Cu-AlSystem Intermetallic CompoundStability

Compound	ΔG_f (400°C, kJ/mol)	FormationOrder
CuAl₂ (θ)	-35	First
Cu₉Al₄ (γ)	-28	Second
CuAl (η)	-25	Third

Table 5 Cu-Al IMCGenerationLong常Count

Temperature	k (μm²/h)	Formation5 μmRequired Time
300°C	0.5	50 h
350°C	2.0	12.5 h
400°C	8.0	3.1 h
450°C	30.0	0.8 h

Table 6 MetalSystem in Kirkendall Effect

System	ComparativelyFast Diffusionor	Void位置	StrictHeavy程Degree
Cu/Al	Al → Cu	AlSide	Significant
Cu/Ni	Ni → Cu	NiSide	in etc.
Cu/Zn	Zn → Cu	ZnSide	Significant
Ni/Al	Al → Ni	AlSide	StrictHeavy

Table 7 Kirkendall缓解Method

Strategy	Mechanism	Effective Properties
DiffusionBarrier Layer	阻挡Fast速 Diffusionor	High
Gradient Interface	ReductionLow ConcentrationGradient	in etc.
Temperature Control	ReductionLow DiffusionRate	in etc.
Optimization Composition	Balance DiffusionRate	Variable

Table 8 Processing Temperature Limitations

Material	MostHigh Processing Temperature	LimitationsFactor
CCA	400°C	IMCGenerationLong
CCS	600°C	SteelProperty
NCC	500°C	Ni Oxidation
SCC	400°C	Ag Softening

Table 9 Process Time Guide

Material	MostShort Time（Optimal Temperature）	Recommended
CCA	30 min	45-60 min
CCS	15 min	20-30 min
NCC	20 min	30-45 min

Table 10 DiffusionBarrier LayerMaterial

Barrier Layer	Thicknessss	Effective Properties	Applications
Ni	1-5 μm	Good	Cu/Al Interface
Cr	0.5-2 μm	Good	Cu/Al Interface
Ti	1-3 μm	in etc.	Each 种
W	0.1-1 μm	Excellent	High Temperature

Table 11 Service Temperature under Prediction IMCGenerationLong

Service Temperature	InitialIMC	10Year rear	25Year rear
75°C	2.0 μm	2.1 μm	2.2 μm
100°C	2.0 μm	2.2 μm	2.4 μm
150°C	2.0 μm	2.5 μm	3.0 μm
200°C	2.0 μm	3.5 μm	5.0 μm

Table 12 HotCycleProperty

Cycle次Count	TemperatureScope	IMC Variation	Mechanism
1000	-40 to +125°C	+0.2 μm	StressAuxiliary Diffusion
500	-55 to +200°C	+0.5 μm	SignificantAccelerated
100	-65 to +250°C	+1.0 μm	StrictHeavy Degradation

参考文献

Mehrer, H. Diffusion in Solid Metals and Alloys Springer-Verlag (2007)
Shewmon, P. G. Diffusion in Solids (2nd ed.) TMS (1989)
Glicksman, M. E. Diffusion in Solids: Field Theory, Solid-State Principles, and Applications Wiley (2000)
Philibert, J. Atom Movements: Diffusion and Mass Transport in Solids Les Editions de Physique (1991)
Kirkaldy, J. S., & Young, D. J. Diffusion in the Condensed State Institute of Metals (1987)
Bocquet, J. L., et al. Diffusion in Metals and Alloys Trans Tech Publications (1996)
Springer, H., et al. Intermetallic phase formation Acta Materialia 59 , 1586-1600 (2011)
Xu, L., et al. Interface evolution in CCA Materials Science and Engineering A 771 , 138613 (2020)
Peng, X., et al. IMC growth kinetics Journal of Materials Processing Technology 267 , 1-9 (2019)
ASTM International ASTM B566-04: Standard for Copper-Clad Aluminum Wire ASTM (2020)

权威参考链接

ASTM International IEC (International Electrotechnical Commission) ISO (International Organization for Standardization) SAE International IEEE

徐

徐高磊

(Gaolei Xu)

资深材料科学家

资质荣誉

• 锐创集团 CTO
• 浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才
• 绍兴市"科技副总"
• 绍兴市科技特派员
• 全国有色金属standards化技术委员会重金属分技术委员会(TC243/SC2)委员

国家standards（主要起草人）查看官方

GB/T 27671-2011 - 导电用铜型材
YS/T 1043-2015 - 电机整流子用银无氧铜带材
YS/T 974-2014 - 复合触点材料用铜及铜合金带材
YS/T 1082-2015 - 灯引线支架用铜带

发明专利检索专利

CN104959396A - 一种复合触点材料用铜带的生产工艺
CN106077125A - 一种磁极线圈用铜型材的生产工艺
CN201410710206 - 一种高铁牵引电机用导电材料及其生产方法
CN201310719717 - 一种连续挤压法铜带坯板形控制方法
CN201310720126 - 一种连续挤压法铜带坯板形控制装置
CN201310376884 - 一种五位一体变压器用铜带边部处理设备
CN201420184755 - 一种连续挤压模具促流装置
CN201320761640 - 一种连续挤压废料清理装置

专业Section

CCA(CCA)技术铜包钢(CCS)制造工艺双金属复合材料光伏焊带技术电动汽车电池极耳材料连续挤压技术

代表性论文

• 轧制法制造金属层状复合材料的研究与Applications，《铝加工》2008年第3期
• 铜铝复合带退火工艺的研究
• 电缆用铜铝复合带制备工艺研究
• 轧制铜/铝复合带材在退火过程中的界面组织演变

徐高磊先生是有色金属加工Section的知名专家，拥有超过15年的丰富经验。他入选浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才。他在双金属复合材料技术开发方面做出了重要贡献，并为中国铜及双金属材料的standards化工作做出了重要贡献。

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1. Introduction

1.1 扩散在双金属导体中的作用

1.2 为什么理解扩散很重要

2. DiffusionFundamentals

2.1 菲克定律

2.2 温度

2.3 扩散路径

3. Diffusion Mechanisms

3.1 原子机制

3.2 晶界扩散

3.3 界面扩散

4. Intermetallic Compounds

4.1 热力学驱动力

4.2 生长动力学

4.3 多相生长

5. Kirkendall

5.1 现象描述

5.2 孔洞形成

5.3 缓解策略

6. SpecificDiffusion

6.1 铜-铝 (CCA)

6.2 铜-钢 (CCS)

6.3 镍-铜 (NCC)

6.4 银-铜 (SCC)

7.

7.1 工艺温度控制

7.2 时间管理

7.3 扩散阻挡层

7.4 金化策略

8.

8.1 长期界面演变

8.2 热循环效应

8.3 服役寿命预测

9. Conclusion

9.1 关键现

9.2 设计指南

9.3 未来方向

图表

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参考文献

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