添加Ag、Ti、In對Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料性能的影響研究

引言

SnCu焊料作為電子封裝領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,但在高性能電子產品的焊接應用中,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焊料的組織結構、物理性能、力學性能、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0.5h。為使焊料熔煉均勻,將其倒置二次熔煉,獲得焊料樣品。

2試樣數據分析

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,并未出現新的物相,初步可以判斷添加金屬元素未改變晶體結構。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構組成,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。由圖可知,在20~120℃測試溫度范圍內,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,Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料的熱膨脹系數為15.73×10-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In焊料的熱膨脹系數為16.42×10-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag焊料的熱膨脹系數為18.1x0-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ti焊料的熱膨脹系數為21.30×10-6/℃。實驗表明,添加金屬元素后,焊料的熱膨脹系數提高。在電子領域,焊料常在Cu基體上進行焊接,而Cu的熱膨脹系數為17×10-6/℃,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-0.2C(C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物后稱重,通過計算獲得焊料的腐蝕速率圖。數據表明,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-0.2C(C為Ag、Ti、In)焊料經過14天腐蝕后SEM圖。由圖可知,Sn-0.7Cu-0.2Ni腐蝕較明顯,出現很多枝條狀的形貌,這是由焊料中Sn基體材料被腐蝕掉,而以Cu6Sn5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基體中呈現出較多的小孔,此外也有少量的較突出的Cu6Sn5枝條狀形貌:Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In則呈現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二0.7Cu二0.2Ni二0.2Ti焊料腐蝕形貌則出現了較大的蝕坑,表明腐蝕嚴重。結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,所用焊料的質量約為0.2g,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,焊料的熱膨脹系數均提高,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In的熱膨脹系數為16.42×10-6/℃,與Cu基體的熱膨脹系數最匹配。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均具有較好的應用前景。