添加Ag、Ti、I n對Sn-0.7Cu-0.2Ni 焊料性能的影響研究

程艷奎 楚 功 門延會 楊聲弟

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003）

0 引言

SnCu焊料作為電子封裝領(lǐng)域的重要焊接材料之一，因其原材料便宜，許多科研人員都對其進行了研究，但在高性能電子產(chǎn)品的焊接應(yīng)用中，SnCu焊料因潤濕性差、高溫組織不穩(wěn)定等問題不能很好地滿足需求。為此，研究者研究了Ni元素含量對SnCu焊料的組織結(jié)構(gòu)、物理性能、力學(xué)性能、潤濕性能等的影響，認為Ni可以細化晶體組織，提高潤濕性能。有文獻指出Ti能夠改善焊料的潤濕性能，Ag有利于提高焊料的潤濕力，添加適量的In能夠改善焊料的焊接性能，可見添加微量金屬元素有利于提高焊料的綜合性能。本文以Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料為研究對象，研究添加適量的Ag、Ti、In等對焊料的影響，以期更好地匹配高性能電子產(chǎn)品封裝需求。

1 焊料試樣準備

在以Sn-0.7Cu-0.2Ni為基體的焊料中，按照質(zhì)量百分比添加Ag、Ti、In等金屬元素，制備Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x（x為添加的金屬元素Ag、Ti、In）。在實驗中，將Sn、Cu、Ni及添加的金屬粉末按照質(zhì)量百分比稱量，混合置于石英管中，并在材料最表面倒入一些硼砂（防止材料氧化），將石英管置于電阻爐中熔煉，溫度為400 ℃，保溫時間為0.5 h。為使焊料熔煉均勻，將其倒置二次熔煉，獲得焊料樣品。

2 試樣數(shù)據(jù)分析

圖1為Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x（x為Ag、Ti、In）焊料的XRD圖，添加微量的金屬元素后仍以Sn單相為主，并未出現(xiàn)新的物相，初步可以判斷添加金屬元素未改變晶體結(jié)構(gòu)。但添加了Ag金屬的焊料XRD的峰值明顯比其他焊料的峰值要高，表明添加Ag元素有利于晶體生長。

如圖2所示，為進一步探究焊料中的物相結(jié)構(gòu)組成，對Sn-0.7Cu-0.2Ni進行能譜分析。圖譜表明，在焊料中b處主要是以Sn為基體，a處一些凸起的呈樹枝狀的物質(zhì)成分主要是Sn和Cu組成的化合物，而Ni及NiSn化合物可能彌散在Sn基體中。

Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x（x為Ag、Ti、In）焊料的熔化特性DSC曲線圖如圖3所示。添加微量的Ti和In金屬的焊料有一個吸熱峰，而添加Ag金屬的焊料出現(xiàn)了兩個吸熱峰，表明Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag在熔化過程中有一小部分低熔點化合物會先形成。從焊料的熔化溫度來看，添加三種金屬元素對焊料的熔化溫度影響很小。從熔程來看，添加Ag金屬擴大了焊料熔程，比其他三種焊料熔程提高了3 ℃左右。

圖4為Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x（x為Ag、Ti、In）焊料的熱膨脹變化情況，即長度方向隨溫度變化的相對變化量（即dL/L），其曲線的斜率即代表熱膨脹系數(shù)。由圖可知，在20～120 ℃測試溫度范圍內(nèi)，四組焊料的線型可近似為直線。通過計算可獲得在20～120 ℃溫度范圍內(nèi)，Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料的熱膨脹系數(shù)為15.73×10/℃，Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In焊料的熱膨脹系數(shù)為16.42×10/℃，Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag焊料的熱膨脹系數(shù)為18.1×0/℃，Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ti焊料的熱膨脹系數(shù)為21.30×10/℃。實驗表明，添加金屬元素后，焊料的熱膨脹系數(shù)提高。在電子領(lǐng)域，焊料常在Cu基體上進行焊接，而Cu的熱膨脹系數(shù)為17×10/℃，從與Cu基體熱膨脹性能匹配的角度分析，其匹配度高低排序為In＞Ag＞Ti。

圖5為Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x（x為Ag、Ti、In）焊料的腐蝕速率圖。實驗方法如下：將四組焊料每組取3個樣品分別放入濃度為5%的鹽酸溶液中，分別浸泡4、7、14天，清洗掉焊料表面的腐蝕產(chǎn)物后稱重，通過計算獲得焊料的腐蝕速率圖。數(shù)據(jù)表明，在Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料中添加Ag、In有利于降低焊料的腐蝕速率，從而提高焊料的抗腐蝕性能；而添加Ti則提高了焊料的腐蝕速率，不利于增強焊料的抗腐蝕性。因此，從提高抗腐蝕性能角度，其影響排序為In＞Ag＞Ti。

圖6為Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x（x為Ag、Ti、In）焊料經(jīng)過14天腐蝕后SEM圖。由圖可知，Sn-0.7Cu-0.2Ni腐蝕較明顯，出現(xiàn)很多枝條狀的形貌，這是由焊料中Sn基體材料被腐蝕掉，而以CuSn為主的金屬間化合物不易腐蝕造成的；Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag焊料的腐蝕圖是在Sn基體中呈現(xiàn)出較多的小孔，此外也有少量的較突出的CuSn枝條狀形貌；Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In則呈現(xiàn)出毛茸茸的絮狀形貌，表明焊料Sn基體在淺層受到腐蝕，而腐蝕層還沒有脫離基體，進而阻止了基體的進一步腐蝕；Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ti焊料腐蝕形貌則出現(xiàn)了較大的蝕坑，表明腐蝕嚴重。結(jié)合腐蝕速率和腐蝕后焊料的SEM圖，進一步證明了添加Ag和In有助于提高焊料的抗腐蝕性能。

Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x（x為Ag、Ti、In）焊料在銅基板上的潤濕鋪展性能如圖7所示。實驗中為減小統(tǒng)計誤差和實驗偏差，所用焊料的質(zhì)量約為0.2 g，每組焊料取10個樣品，四組焊料在相同環(huán)境下同時進行鋪展性能測試。實驗所使用的Cu基體經(jīng)過砂紙打磨后用丙酮去除油跡，用稀鹽酸除去銅基體表面氧化膜，并用酒精溶液進行超聲振蕩。

結(jié)果表明，在焊料中添加金屬元素能夠降低焊料的表面張力，從而提高了釬料與銅基板的結(jié)合能力，明顯有助于提高焊料的潤濕性能。其中添加金屬In提升潤濕性能最佳，相比Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料，潤濕面積提高了13%左右。從提高焊料潤濕性能角度分析，其影響排序為In＞Ag＞Ti。

3 結(jié)論

在Sn-0.7Cu-0.2Ni中添加Ag、Ti、In后，焊料沒有形成新的物相，焊料的熔化溫度變化很小，其中添加Ag元素的焊料熔程比其他焊料高3 ℃左右。添加Ag、Ti、In后，焊料的熱膨脹系數(shù)均提高，Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In的熱膨脹系數(shù)為16.42×10/℃，與Cu基體的熱膨脹系數(shù)最匹配。添加Ag和In有利于降低焊料的腐蝕速率，而添加Ti則相反。添加Ag、Ti、In均有利于提高焊料在Cu基體上的潤濕鋪展面積，其中添加In焊料相比Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料鋪展面積提高了13%左右。從焊料的綜合性能來講，Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In、Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag均具有較好的應(yīng)用前景。