添加Ag、Ti、In对Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料性能的影响研究

引言

SnCu焊料作为电子封装领域的重要焊接材料之一,因其原材料便宜,许多科研人员都对其进行了研究,但在高性能电子产品的焊接应用中,SnCu焊料因润湿性差、高温组织不稳定等问题不能很好地满足需求。为此,研究者研究了Ni元素含量对SnCu焊料的组织结构、物理性能、力学性能、润湿性能等的影响,认为Ni可以细化晶体组织,提高润湿性能。有文献指出Ti能够改善焊料的润湿性能,Ag有利于提高焊料的润湿力,添加适量的In能够改善焊料的焊接性能,可见添加微量金属元素有利于提高焊料的综合性能。本文以Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料为研究对象,研究添加适量的Ag、Ti、In等对焊料的影响,以期更好地匹配高性能电子产品封装需求。

1焊料试样准备

在以Sn-0.7Cu-0.2Ni为基体的焊料中,按照质量百分比添加Ag、Ti、In等金属元素,制备Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x(x为添加的金属元素Ag、Ti、In)。在实验中,将Sn、Cu、Ni及添加的金属粉末按照质量百分比称量,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),将石英管置于电阻炉中熔炼,温度为400℃,保温时间为0.5h。为使焊料熔炼均匀,将其倒置二次熔炼,获得焊料样品。

2试样数据分析

图1为Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x(x为Ag、Ti、In)焊料的xRD图,添加微量的金属元素后仍以Sn单相为主,并未出现新的物相,初步可以判断添加金属元素未改变晶体结构。但添加了Ag金属的焊料xRD的峰值明显比其他焊料的峰值要高,表明添加Ag元素有利于晶体生长。

如图2所示,为进一步探究焊料中的物相结构组成,对Sn-0.7Cu-0.2Ni进行能谱分析。图谱表明,在焊料中b处主要是以Sn为基体,a处一些凸起的呈树枝状的物质成分主要是Sn和Cu组成的化合物,而Ni及NiSn化合物可能弥散在Sn基体中。

Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x(x为Ag、Ti、In)焊料的熔化特性DsC曲线图如图3所示。添加微量的Ti和In金属的焊料有一个吸热峰,而添加Ag金属的焊料出现了两个吸热峰,表明Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag在熔化过程中有一小部分低熔点化合物会先形成。从焊料的熔化温度来看,添加三种金属元素对焊料的熔化温度影响很小。从熔程来看,添加Ag金属扩大了焊料熔程,比其他三种焊料熔程提高了3℃左右。

图4为Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2x(x为Ag、Ti、In)焊料的热膨胀变化情况,即长度方向随温度变化的相对变化量(即dL/L),其曲线的斜率即代表热膨胀系数。由图可知,在20~120℃测试温度范围内,四组焊料的线型可近似为直线。通过计算可获得在20~120℃温度范围内,Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料的热膨胀系数为15.73×10-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In焊料的热膨胀系数为16.42×10-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag焊料的热膨胀系数为18.1x0-6/℃,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ti焊料的热膨胀系数为21.30×10-6/℃。实验表明,添加金属元素后,焊料的热膨胀系数提高。在电子领域,焊料常在Cu基体上进行焊接,而Cu的热膨胀系数为17×10-6/℃,从与Cu基体热膨胀性能匹配的角度分析,其匹配度高低排序为In>Ag>Ti。

图5为Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2C(C为Ag、Ti、In)焊料的腐蚀速率图。实验方法如下:将四组焊料每组取3个样品分别放入浓度为5%的盐酸溶液中,分别浸泡4、7、14天,清洗掉焊料表面的腐蚀产物后称重,通过计算获得焊料的腐蚀速率图。数据表明,在Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料中添加Ag、In有利于降低焊料的腐蚀速率,从而提高焊料的抗腐蚀性能:而添加Ti则提高了焊料的腐蚀速率,不利于增强焊料的抗腐蚀性。因此,从提高抗腐蚀性能角度,其影响排序为In>Ag>Ti。

图6为Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2C(C为Ag、Ti、In)焊料经过14天腐蚀后SEM图。由图可知,Sn-0.7Cu-0.2Ni腐蚀较明显,出现很多枝条状的形貌,这是由焊料中Sn基体材料被腐蚀掉,而以Cu6Sn5为主的金属间化合物不易腐蚀造成的:Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag焊料的腐蚀图是在Sn基体中呈现出较多的小孔,此外也有少量的较突出的Cu6Sn5枝条状形貌:Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In则呈现出毛茸茸的絮状形貌,表明焊料Sn基体在浅层受到腐蚀,而腐蚀层还没有脱离基体,进而阻止了基体的进一步腐蚀:Sn二0.7Cu二0.2Ni二0.2Ti焊料腐蚀形貌则出现了较大的蚀坑,表明腐蚀严重。结合腐蚀速率和腐蚀后焊料的sEM图,进一步证明了添加Ag和In有助于提高焊料的抗腐蚀性能。

Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2X(X为Ag、Ti、In)焊料在铜基板上的润湿铺展性能如图7所示。实验中为减小统计误差和实验偏差,所用焊料的质量约为0.2g,每组焊料取10个样品,四组焊料在相同环境下同时进行铺展性能测试。实验所使用的Cu基体经过砂纸打磨后用丙酮去除油迹,用稀盐酸除去铜基体表面氧化膜,并用酒精溶液进行超声振荡。

结果表明,在焊料中添加金属元素能够降低焊料的表面张力,从而提高了钎料与铜基板的结合能力,明显有助于提高焊料的润湿性能。其中添加金属In提升润湿性能最佳,相比Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料,润湿面积提高了13%左右。从提高焊料润湿性能角度分析,其影响排序为In>Ag>Ti。

3结论

在Sn-0.7Cu-0.2Ni中添加Ag、Ti、In后,焊料没有形成新的物相,焊料的熔化温度变化很小,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,焊料的热膨胀系数均提高,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In的热膨胀系数为16.42×10-6/℃,与Cu基体的热膨胀系数最匹配。添加Ag和In有利于降低焊料的腐蚀速率,而添加Ti则相反。添加Ag、Ti、In均有利于提高焊料在Cu基体上的润湿铺展面积,其中添加In焊料相比Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料铺展面积提高了13%左右。从焊料的综合性能来讲,Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2In、Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ag均具有较好的应用前景。