材料问题研究：LIGA材料的影响和缺陷分析

在微小尺度上，宏观熔化连接中使用的传统材料不会遇到。微小器件的材料偏向于用光刻工艺来制造。因此，期望材料是Si基、树脂或电镀材料（如由LIGA^[1]加工工艺制作的金属零件）。即使遇到最传统的材料，如金和铝引线，可控热膨胀金属和金（可伐合金、52合金等），也是具有特殊性的材料。这些材料可能不会对连接造成特殊的麻烦，但是需要研究问题的方法更加精密。例如，几个微米长的零件，其金相对于一个一般的金相实验室来讲都不成问题，然而，其需要的是电子显微镜，很可能是透射电镜，不仅仅是扫描电子显微镜。传统的电子探针分析变得没有多大用处，因为用探针测量区域的体积在尺度上与熔合区的尺度相近，由此，需要更精密的分析手段。

对于冶金问题，LIGA材料（电镀而成）可能有光亮剂或者减小应力的残留添加剂。常用的作用剂就是糖精。当在这种材料中形成焊缝时，通常要观察孔和裂纹。Ni-Fe磁性合金同时表现出的几个缺陷的例子如图3.6所示。

图3.6 Ni-FeLIGA基体材料中的缺陷（热裂纹、冷裂纹和粗孔），激光点焊平面图金相剖面

已经指出，微焊缝一般具有很大的表面—体积比。如果有充分的热沉，就会造成极其快速的冷却速率。在一些材料中（如304不锈钢），材料的晶体结构凝固时会受冷却速率影响^[50]。若结构没能释放因凝固收缩而产生的应力，就会由于杂质微偏析产生凝固裂纹。从焊缝中凝固出来的熔合区与它们成分一样零件的晶粒结构上具有外延关系。除非这些零件的微观组织极其细小，否则很可能凝固的熔合区中只有为数不多的晶粒。因为任何杂质都趋于向晶界偏析，这就会使晶界更可能促进裂纹产生。

宏观焊缝凝固界面形貌一般以平面晶开始，然后可能断开为胞状晶或者枝状晶形式。这一断裂现象可能受成分过冷控制^[51]，发生在当凝固界面前端的熔化材料实际温度低于局部的、与成分有关的同一位置的液相线温度时，局部成分同时受两个因素扰动：当凝固发生时分配在整个固/液界面上的溶质；向主焊接熔池的扩散和对流。稳态液体成分扰动断面在初始瞬态后发展。这一断面受固液分配系数影响，k由相图给出，还受溶质扩散速率（若有，还受对流影响，尽管在界面前端通常有一不动层，那里对流很小）和界面长大速度影响。数学上，对于稀双相合金平界面不稳定性可按下式说明^[52]：

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式中，G是界面前端的温度梯度；υ是凝固速度；ΔT₀是正在凝固材料正常成分下液相线和固相线温度差；D是合金元素在液体中的扩散速率。如上所述，初始瞬态发生大约的长度δ可由下式给出^[53]：

在这一瞬态期间，由于界面前沿成分梯度与稳态时建立的相反，平界面稳定性一直保持到接近稳态。

在式（3.31）中，小于号右侧由材料系统确定，所以，G/υ是控制因子，决定是在平面前沿凝固还是伴随着更大的分离，以及在微小焊缝或大焊缝中哪一个发生的多或少。计算^[54]表明，随着激光焊缝尺寸减小，G和υ都会增加；对于点焊和缝焊，这个比率都会减小。对于304不锈钢来讲，ΔT₀=30K，而对于液态金属D一般为1×10^-5 cm²/s，表明比率为30K·ms/μm²，由此可得G/υ在0.1～1范围内^[54]，满足非稳判据。对于同样条件下的瞬态距离将小于0.2_μm（k=0.9时），即使与微小焊缝的熔合区相比，这一值也非常小。同时也发现毛细力会使界面稳定^[55]。小于一定波长λ_i下，界面扰动趋于减弱，而不是增长。临界波长由下式给出：

式中，Г是吉布斯—汤姆森（Gibbs-Thomson）系数（由σ/Δs_f给出，表面张力除以单位体积的熵）。对于304不锈钢，计算λ_i给出的值为0.025μm，表明在关注的尺度内，这不是一个趋于稳定的影响，稳定的作用波长应该在0.1～100μm之间。因此，考虑到快速凝固速率尽管形成胞状或者枝状具有更小的直径，但似乎平面凝固在微小焊缝中没有大焊缝中发生得多。