添加Ag、Ti、In對(duì)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(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(duì)其進(jìn)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(rùn)濕性差、高溫組織不穩(wěn)定等問(wèn)題不能很好地滿(mǎn)足需求。為此,研究者研究了Ni元素含量對(duì)SnCu焊料的組織結(jié)構(gòu)、物理性能、力學(xué)性能、潤(rùn)濕性能等的影響,認(rèn)為Ni可以細(xì)化晶體組織,提高潤(rùn)濕性能。有文獻(xiàn)指出Ti能夠改善焊料的潤(rùn)濕性能,Ag有利于提高焊料的潤(rùn)濕力,添加適量的In能夠改善焊料的焊接性能,可見(jiàn)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(duì)象,研究添加適量的Ag、Ti、In等對(duì)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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中,將Sn、Cu、Ni及添加的金屬粉末按照質(zhì)量百分比稱(chēng)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(shí)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(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x(chóng)RD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(zhǎng)。

如圖2所示,為進(jìn)一步探究焊料中的物相結(jié)構(gòu)組成,對(duì)Sn-0.7Cu-0.2Ni進(jìn)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(shù)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(gè)吸熱峰,而添加Ag金屬的焊料出現(xiàn)了兩個(gè)吸熱峰,表明Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag在熔化過(guò)程中有一小部分低熔點(diǎn)化合物會(huì)先形成。從焊料的熔化溫度來(lái)看,添加三種金屬元素對(duì)焊料的熔化溫度影響很小。從熔程來(lái)看,添加Ag金屬擴(kuò)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(zhǎng)度方向隨溫度變化的相對(duì)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(cè)試溫度范圍內(nèi),四組焊料的線型可近似為直線。通過(guò)計(jì)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15.73×10-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In焊料的熱膨脹系數(shù)為16.42×10-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag焊料的熱膨脹系數(shù)為18.1x0-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ti焊料的熱膨脹系數(shù)為21.30×10-6/℃。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行焊接,而Cu的熱膨脹系數(shù)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?yàn)镮n>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(shí)驗(yàn)方法如下:將四組焊料每組取3個(gè)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(chēng)重,通過(guò)計(jì)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(qiáng)焊料的抗腐蝕性。因此,從提高抗腐蝕性能角度,其影響排序?yàn)镮n>Ag>Ti。

圖6為Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2C(C為Ag、Ti、In)焊料經(jīng)過(guò)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(xiàn)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(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(méi)有脫離基體,進(jìn)而阻止了基體的進(jìn)一步腐蝕:Sn二0.7Cu二0.2Ni二0.2Ti焊料腐蝕形貌則出現(xiàn)了較大的蝕坑,表明腐蝕嚴(yán)重。結(jié)合腐蝕速率和腐蝕后焊料的sEM圖,進(jìn)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(rùn)濕鋪展性能如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中為減小統(tǒng)計(jì)誤差和實(shí)驗(yàn)偏差,所用焊料的質(zhì)量約為0.2g,每組焊料取10個(gè)樣品,四組焊料在相同環(huán)境下同時(shí)進(jìn)行鋪展性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所使用的Cu基體經(jīng)過(guò)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(jìn)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(rùn)濕性能。其中添加金屬I(mǎi)n提升潤(rùn)濕性能最佳,相比Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料,潤(rùn)濕面積提高了13%左右。從提高焊料潤(rùn)濕性能角度分析,其影響排序?yàn)镮n>Ag>Ti。

3結(jié)論

在Sn-0.7Cu-0.2Ni中添加Ag、Ti、In后,焊料沒(méi)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16.42×10-6/℃,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(rùn)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(lái)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。