微量Ni對Sn睠u焊料物理性能及潤濕性能的影響

程艷奎　胡洋　宋寧　吳福洲

摘要：主要研究了添加Ni對Sn0.7Cu焊料的物理性能及其潤濕性能的影響，分別測試了焊料的熔化溫度、電阻率、熱膨脹系數(shù)、抗腐蝕性能及其潤濕性。結(jié)果表明：添加微量的Ni元素使得Sn0.7Cu合金焊料的熔點(diǎn)有小幅度的升高，當(dāng)添加Ni含量為0.2wt%時(shí)，SnCu基焊料熔點(diǎn)為228.83℃；焊料電阻率隨著Ni含量的增加而增加；焊料的熱膨脹系數(shù)隨Ni含量的增加而降低。當(dāng)Ni含量為0.12wt%時(shí)，焊料在室溫到100℃區(qū)間其熱膨脹系數(shù)為12×106/℃。同時(shí)，增加焊料中Ni元素的含量提高了焊料的抗腐蝕能力及其在Cu基板上鋪展面積。

關(guān)鍵詞：SnCuNi；熔點(diǎn)；熱膨脹系數(shù)；抗腐蝕性能；鋪展面積

中圖分類號：TG424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

由于電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，帶來便捷的同時(shí)也增加了對環(huán)境的污染，出于對環(huán)境的保護(hù)以及人們的健康發(fā)展，SnPb焊料在電子領(lǐng)域已經(jīng)受到限制，無鉛焊料的研究已經(jīng)取得一定的成果。[15]以Sn、Ag、Cu組成的合金焊料為代表，因其具有較好的綜合性能得到一定的應(yīng)用。其中，SnCu基合金由于材料來源廣，價(jià)格優(yōu)廉，力學(xué)性能穩(wěn)定，[69]因此得到了研究者的親睞。本文系統(tǒng)研究了添加微量Ni元素對Sn0.7Cu合金焊料熔化溫度、電阻率、熱膨脹系數(shù)、抗腐蝕性能及其潤濕性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原料和方法

1.1 焊料制備

試驗(yàn)配方為Sn0.7CuxNi（x=0、0.03、0.05、0.08、0.12、02）。試驗(yàn)所需用的原材料為Sn粒、Cu片、Ni粉，其純度均大于99.95%。材料的制備采用箱式電阻爐進(jìn)行熔煉，在合金表面覆蓋一層硼砂防止熔化過程中焊料氧化。合金熔液倒入模具中成型備用。

1.2 焊料性能測試

焊料樣品分別取約10mg，采用SDT Q600型同步熱分析儀分析焊料的熔化特性，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫速率10℃/min。將成型好的棒狀焊料樣品置于DIL402PC型熱膨脹系數(shù)儀中，測試焊料的長度變化，并計(jì)算熱膨脹系數(shù)。采用掃描電鏡圖觀察焊料在腐蝕液中的腐蝕情況。腐蝕液為5%的鹽酸溶液。同時(shí)以腐蝕速率為指標(biāo)衡量焊料的抗腐蝕性能。采取鋪展性試驗(yàn)描述焊料的潤濕鋪展性能。準(zhǔn)備質(zhì)量為200mg的焊料若干。將銅片基板若干。將不同Ni含量的Sn0.7Cu基焊料每組取5個樣品分別置于銅片中心，并放入管式爐中在氮?dú)鈿夥罩屑訜嶂?70℃，保溫10min后隨爐冷卻。利用CAD計(jì)算焊料在銅基板上的鋪展面積。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熔化特性

圖1為不同Ni添加量對Sn0.7Cu焊料熔點(diǎn)的影響。由圖可知：添加Ni元素后，其熔化特性曲線均只有一個吸熱峰。焊料的熔點(diǎn)隨Ni含量的增加而略有增加，且熔程都很小。Sn07Cu焊料的熔點(diǎn)為226.77℃，當(dāng)Ni含量為0.2wt%時(shí)，其焊料熔點(diǎn)為228.83℃，提高了約2℃。這說明在Sn0.7Cu焊料中加入微量的Ni元素對其熔點(diǎn)影響不大。

2.2 電阻率分析

焊料的電阻率會影響焊接設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，影響焊接工藝等。圖2為Ni含量對Sn0.7Cu焊料電阻率的影響。由圖可知：隨Ni含量的增加，焊料合金的電阻率不斷升高。Sn0.7Cu焊料的電阻率為12.1μΩ·cm。當(dāng)Ni含量增加到0.2wt%時(shí)，合金的電阻率為12.9μΩ·cm。其電阻率均小于傳統(tǒng)的Sn37Pb焊料的電阻率（13.5μΩ·cm），可以滿足使用要求。

2.3 熱膨脹系數(shù)

圖3為添加不同含量的Ni對焊料線膨脹變化量（ΔL/L）隨溫度變化（20℃至130℃）的影響；由圖可知：Ni含量的添加能夠有效地降低Sn0.7Cu合金的線膨脹變化量，即減小了熱膨脹系數(shù)。焊料的熱膨脹長度變化量隨著溫度的升高而顯著升高，由公式[10]（1）計(jì)算可得Sn0.7Cu焊料熱膨脹系數(shù)（室溫至100℃）達(dá)21.5×106/℃。當(dāng)Ni含量為0.2wt%時(shí)，焊料的熱膨脹系數(shù)（室溫至100℃）為17.5×106/℃；當(dāng)Ni含量為0.12wt%時(shí)，焊料的熱膨脹系數(shù)（室溫到100℃）基本達(dá)到12×106/℃。

α=ΔL/（L×ΔT）（1）

故在Sn0.7Cu焊料中添加微量的Ni能夠比較顯著的降低焊料的熱膨脹系數(shù)，特別是當(dāng)Ni添加量大于0.12wt%時(shí)，可以得到高溫時(shí)熱膨脹系數(shù)較小的合金焊料。

2.4 抗腐蝕性能

圖4為添加微量的Ni元素對于Sn0.7Cu合金焊料腐蝕性能的影響。由圖可知：焊料的腐蝕速率隨時(shí)間延長而提高，添加微量Ni元素能夠降低腐蝕速率，提高抗腐蝕性能。如圖5所示為摻雜不同Ni含量的SnCu焊料在腐蝕液中14天后的掃描電鏡圖。Sn基體容易被腐蝕，而金屬間化合物不容易被腐蝕。未添加Ni元素時(shí)，Sn0.7Cu焊料基體上的腐蝕產(chǎn)物較少，晶界明顯，晶間幾乎無腐蝕產(chǎn)物沉積，呈現(xiàn)出許多裂紋，且露出較多的扁平狀的結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行能譜分析，如圖6，這些扁平狀結(jié)構(gòu)主要是金屬化合物，說明Sn和Cu的金屬間化合物不容易被腐蝕。隨著Ni元素的添加，腐蝕產(chǎn)物在晶界處沉積，然后富集在基體表面，且腐蝕產(chǎn)物越加細(xì)小緊密，形成多微孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，較均勻的鋪在焊料基體上，從而減緩了焊料的腐蝕速率。

2.5 潤濕性能

圖7為添加不同的Ni含量對Sn0.7Cu焊料鋪展面積的影響。隨Ni含量的增加，焊料對銅基板的鋪展?jié)櫇裥阅艿玫矫黠@的改善。當(dāng)Ni含量為0.2wt%時(shí)，與Sn0.7Cu焊料相比，其在銅基板的鋪展面積提高了40%左右。Sn0.7Cu合金主要是由基體Sn和SnCu共晶相組成，添加微量的Ni改變了合金組織，降低了焊料的表面張力，從而使焊料在熔融過程中阻力降低，流動性增強(qiáng)，鋪展面積增大。

3 結(jié)論

（1）添加微量Ni元素提高了Sn0.7Cu合金焊料的熔化溫度及電阻率，明顯降低了其熱膨脹系數(shù)，增強(qiáng)了焊料在5%鹽酸溶液中的抗腐蝕性能。當(dāng)Ni含量為0.2wt%時(shí)，焊料的熔點(diǎn)最高為228.83℃；電阻率最大為12.9μΩ·cm。當(dāng)Ni含量為012%時(shí)，焊料從室溫到100℃的熱膨脹系數(shù)基本達(dá)到12×106/℃。

（2）添加微量的Ni元素有利于提高Sn0.7Cu焊料在Cu基板的鋪展面積。當(dāng)Ni含量為0.2wt%時(shí)，相對于Sn0.7Cu焊料，其鋪展面積提高了40%左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃琴寶，葛盼盼.銦對 SnCu 釬料合金性能的影響研究[J].鑄造技術(shù)，2018，39（6）：13151317.

[2]廖春麗.稀土元素Er對SnCu 基無鉛釬料組織與性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2017，38（11）：27342739

[3]白海龍，滕媛，陳東東，等.微量元素 Ce 對 Sn0.7Cu005Ni無鉛焊料合金性能的影響[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào).2018，43（3）：15.

[4]黃惠珍，盧德，趙駿韋，等.添加Bi和P對Sn0.7Cu無鉛釬料合金性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2016，30（7）：104108.

[5]Ventura T，Terzi S，Rappaz M，Dahle A K.Effects of Ni additions，trace elements and solidification kinetics on microstructure formation in Sn0.7Cu solder[J].Acta Materialia.2011，59（10）：41974206.

[6]Kotadia H R，Howes P D，Mannan S H.A review：On the development of low meltingtemperature of low melting temperature Pbfree solder[J].Microelectronics Reliability，2014，54（67）；1253.

[7]ZHAO Guoji，ZHANG Keke，LUO Jian.Micromorphology of intermetallic compounds in rapid solidification Sn2.5Ag0.7Cu solder alloy and its effects on performance of solder joint[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20（10）：20252030.

[8]Wang H W，F(xiàn)ang J S，Xu Z Q，et al.Improvement of Ga and Zn alloyed Sn0.7Cu solder alloys and joints[J].J Mater Sci，2015，26（6）：3538

[9]Li L F，Cheng Y K，Xu G L，et al.Effects of indium addition on properties and wettability of Sn0.7Cu0.2Ni leadfree solders[J].Mater Des，2014，60：15.

[10]程艷奎，李良峰，徐光亮.微量Ag元素對Sn0.7Cu02Ni釬料性能的影響[J].功能材料，2013，3（44）：384387.

基金項(xiàng)目：四川省教育廳科研項(xiàng)目（18ZB0661）

*通訊作者：程艷奎（1987），男，漢族，山西人，碩士，講師，主要研究方向：材料成型及材料加工。