Raytron Technical Review RESEARCH ARTICLE

金属界面扩散现象

Diffusion Phenomena at Metal-Metal Interfaces

RAYTRON技术团队¹ *

¹RAYTRON集团技术研究中心, 中国

^*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

1. 引言

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 扩散双重作用示意图（形成vs降解）

关键时间尺度：

制造：秒到小时（可控）
服役：年到十年（不可避免）

1.2 为什么理解扩散很重要

2. 扩散基础

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 温度依赖性

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图，多种金属的扩散系数

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 三种扩散路径示意图

有效扩散系数：

D_eff = (1-f)D_L + f · δ · D_GB

(4)

其中：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. 扩散机制

3.1 原子机制

空位机制（金属中主导）：

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分类示意图

3.3 界面扩散

界面作为快速扩散路径：

D_interface ≫ D_lattice

(5)

4. 金属间化合物形成

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系统自由能图

4.2 生长动力学

抛物线生长定律：

x² = kt

(7)

其中：x = 金属间化合物厚度，k = 生长常数（温度依赖），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 多相生长层结构SEM照片

相序 (Cu-Al)：

Cu | Cu₉Al₄ | CuAl | CuAl₂ | Al

5. Kirkendall效应

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)

其中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 Kirkendall孔洞SEM照片

6. 特定系统中的扩散

6.1 铜-铝 (CCA)

扩散特性：

D_{Al in Cu} (400°C): 1.8 × 10⁻¹⁴ m²/s
D_{Cu in Al} (400°C): 3.2 × 10⁻¹⁴ m²/s
主导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加工窗口图（温度vs时间）

6.2 铜-钢 (CCS)

扩散特性：

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

优势：有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. 控制策略

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

对于关键应用，可以采用阻挡层：

扩散阻挡层结构示意图

MEDIA TODO

Figure Fig. 9 扩散阻挡层结构示意图

7.4 合金化策略

改性成分：

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，表面保护

8. 服役寿命影响

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 服务寿命vs温度曲线

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
可能形成孔隙

热循环后界面退化SEM照片

MEDIA TODO

Figure Fig. 11 热循环后界面退化SEM照片

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年后（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. 结论

9.1 关键发现

扩散在双金属导体中既有利又有害
温度控制是管理扩散的主要工具
金属间化合物是Cu-Al系统的主要关注点
Kirkendall孔隙在严重情况下可导致失效
长期稳定性需要理解服役条件

9.2 设计指南

对制造：尽量减少高温停留时间、使用适当气氛、监控IMC厚度、实施工艺控制

对应用：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

扩散双重作用示意图（形成vs降解）

Fig. 1 扩散双重作用示意图（形成vs降解）

Arrhenius图，多种金属的扩散系数

Fig. 2 Arrhenius图，多种金属的扩散系数

三种扩散路径示意图

Fig. 3 三种扩散路径示意图

Harrison分类示意图

Fig. 4 Harrison分类示意图

Cu-Al系统自由能图

Fig. 5 Cu-Al系统自由能图

多相生长层结构SEM照片

Fig. 6 多相生长层结构SEM照片

Kirkendall孔洞SEM照片

Fig. 7 Kirkendall孔洞SEM照片

CCA加工窗口图（温度vs时间）

Fig. 8 CCA加工窗口图（温度vs时间）

扩散阻挡层结构示意图

Fig. 9 扩散阻挡层结构示意图

服务寿命vs温度曲线

Fig. 10 服务寿命vs温度曲线

热循环后界面退化SEM照片

Fig. 11 热循环后界面退化SEM照片

表格

Table 1 扩散相关问题

问题	原因	后果
IMC生长	持续扩散	脆化
孔隙形成	Kirkendall效应	导电率降低
界面电阻	成分变化	性能损失
分层	IMC应力	失效

Table 2 铜中扩散参数

扩散物种	D₀ (m²/s)	Q (kJ/mol)	D at 400°C (m²/s)
Cu in Cu (自扩散)	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 激活能组成

组成	描述	典型值 (kJ/mol)
空位形成	E_f	80-120
空位迁移	E_m	60-100
总激活能	Q = E_f + E_m	140-220

Table 4 Cu-Al系统金属间化合物稳定性

化合物	ΔG_f (400°C, kJ/mol)	形成顺序
CuAl₂ (θ)	-35	第一
Cu₉Al₄ (γ)	-28	第二
CuAl (η)	-25	第三

Table 5 Cu-Al IMC生长常数

温度	k (μm²/h)	形成5 μm所需时间
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 金属系统中的Kirkendall效应

系统	较快扩散者	孔洞位置	严重程度
Cu/Al	Al → Cu	Al侧	显著
Cu/Ni	Ni → Cu	Ni侧	中等
Cu/Zn	Zn → Cu	Zn侧	显著
Ni/Al	Al → Ni	Al侧	严重

Table 7 Kirkendall缓解方法

策略	机制	有效性
扩散阻挡层	阻挡快速扩散者	高
梯度界面	降低浓度梯度	中等
温度控制	降低扩散速率	中等
优化成分	平衡扩散速率	可变

Table 8 加工温度限制

材料	最高加工温度	限制因素
CCA	400°C	IMC生长
CCS	600°C	钢性能
NCC	500°C	Ni氧化
SCC	400°C	Ag软化

Table 9 工艺时间指南

材料	最短时间（最佳温度）	推荐
CCA	30 min	45-60 min
CCS	15 min	20-30 min
NCC	20 min	30-45 min

Table 10 扩散阻挡层材料

阻挡层	厚度	有效性	应用
Ni	1-5 μm	良好	Cu/Al界面
Cr	0.5-2 μm	良好	Cu/Al界面
Ti	1-3 μm	中等	各种
W	0.1-1 μm	优秀	高温

Table 11 服役温度下预测的IMC生长

服役温度	初始IMC	10年后	25年后
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 热循环性能

循环次数	温度范围	IMC变化	机制
1000	-40 to +125°C	+0.2 μm	应力辅助扩散
500	-55 to +200°C	+0.5 μm	显著加速
100	-65 to +250°C	+1.0 μm	严重退化

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

1. 引言

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. 扩散基础

2.1 菲克定律

2.2 温度依赖性

2.3 扩散路径

3. 扩散机制

3.1 原子机制

3.2 晶界扩散

3.3 界面扩散

4. 金属间化合物形成

4.1 热力学驱动力

4.2 生长动力学

4.3 多相生长

5. Kirkendall效应

5.1 现象描述

5.2 孔洞形成

5.3 缓解策略

6. 特定系统中的扩散

6.1 铜-铝 (CCA)

6.2 铜-钢 (CCS)

6.3 镍-铜 (NCC)

6.4 银-铜 (SCC)

7. 控制策略

7.1 工艺温度控制

7.2 时间管理

7.3 扩散阻挡层

7.4 合金化策略

8. 服役寿命影响

8.1 长期界面演变

8.2 热循环效应

8.3 服役寿命预测

9. 结论

9.1 关键发现

9.2 设计指南

9.3 未来方向

图表

表格

参考文献

权威参考链接

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