1234钎焊中镍的影响

外 文 资 料 译 文

Sn–Ag–Cu/Cu 和Sn–Ag–Ni/Cu 钎焊焊点钎料的润湿性和界面反应

摘要

在用于与铜基板焊接的锡银钎料中添加一定量的Ni对其润湿性和界面反应的影响已经被深入的研究过了。我们首先通过润湿性平衡测试衡量了Sn–3.0Ag–0.5Cu和Sn–3.0Ag–0.5Ni合金钎料的润湿性，接着将这两种合金钎料与铜基板进行焊接，并比较了其钎焊接口处金属间化合物形成与生长的区别。在润湿性测试中我们发现铜和Ni的添加对锡银钎料的润湿性分别起到积极和消极的作用。在Sn–Ag–Ni/Cu接口处的固态反应中，Cu6Sn5和 Cu3Sn这两种金属间化合物会随着接口时效时间的增长而长大，而且在150℃~170℃的高时效温度下Cu3Sn的生长速率要高于Cu6Sn5。另一方面，在等温时效过程Sn–Ag–Ni/Cu接口处的界面中会有大量的(Cu,Ni)6Sn5和少量的Cu3Sn形成和生长。对于锡银钎料，Ni的添加可以有效地抑制钎焊接口处的Cu3Sn，同时也会促进(Cu,Ni)6Sn5的生长。

1.简介

由于锡银铜合金钎料具有较好的润湿性，优越的界面性能，高的抗蠕变性和低的粗化率等性能，无疑使它成为最有希望替代传统的锡铅钎料。不过，它仍然也存在一些缺陷。一些研究已经证明，在锡银钎料中添加少量的其他元素可以不同程度的提升其各方面性能。如在其中添加Cu，Ni，Co，Sb，Bi等元素可以降低钎料的熔化温度，同时提升其力学性能。同时还有一些研究表明，在现在的电子行业中要求钎焊的焊点处具有高的结合强度和其他必要的力学性能。

在这些添加的元素中Cu，Ni两种元素由于可以形成额外的金属间化合物以提升钎料接口处的力学性能而备受青睐。添加少量的Cu可以降低锡银钎料的熔化温度，同时提升其润湿性。然而，添加Ni可以阻止或者至少抑制Cu6Sn5 和 Cu3Sn这两种金属间化合物的形成，且还会形成一些其他的金属间化合物以提升钎料接口处的力学性能。同时Ni作为一种有效的添加剂，其形成的Ni–Sn金属间化合物的速度要低于Cu–Sn金属间化合物。

图1 (a)Sn3.0Ag0.5Cu和(b)Sn3.0Ag0.5Ni钎料合金的DSC分析结果

将电子元件焊接到印制电路板上，由于需要保持其能正常工作，一般需要焊接接头具有一定的导电性能和机械强度。同时在包装材料系统的发展中，焊接接头的可靠性是其最重要的指标之一。现今已经进行了多项关于在回流过程中接头的可靠性，无铅钎料及像Cu，Au/Ni/Cu和化学镀Ni浸金的各种表面处理间的界面反应的研究。不过，Sn–Ag–Cu/Cu和Sn–Ag–Ni/Cu间接口处界面反应的比较研究仍然不足。因此，在本文中，我们研究了Ni的添加对提升Sn-Ag钎料的可焊性或润湿性和界面反应性能的影响，同时也研究了含Ni的Sn-Ag钎料和铜基板间的界面金属间化合物的形成和生长，并与Sn–Ag–Cu/Cu进行了比较。

2.实验过程

可以通过差动扫描量热仪（DSC，Extar600，日本精工研究所）对Sn–3.0Ag–0.5 Cu (Ni)合金钎料以每10㎎进行计件测量其熔化温度。它在4℃/min的加热速率下所扫描的温度范围为25℃~325℃。.此外，通过润湿性平衡测试（SAT–5100，Rhesca有限公司，日本）来衡量这两种合金钎料在铜基板上的可焊性，其中以Sn–3.5Ag共晶钎料作为衡量标准。在进行测试之前，先将铜片（7×30×0.2mm3）放在轻度活化松香（RMA）型助焊剂浸泡一段时间。润湿温度分别在240℃，250℃，260℃和270℃，同时样品的浸透温度、浸透深度和浸泡时间分别为10mm/s，5mm和10s。此衡量方法也同样适用于其他合金钎料的可靠的可焊性的测量。而且我们同时用了十种方法分别测量了试样的每一个条件提高以提高测量结果的准确性。其中用润湿力、最大润湿力（Fmax）和过零时间（Tzero）来评估合金钎料的润湿性。

图2 润湿力对Sn3.0Ag0.5Cu 和Sn3.0Ag0.5Ni钎料合金的影响：(a) 润湿力 (b) 润

湿时间。Sn3.5Ag共晶焊料被用来作为底线。

实验过程中，我们用直径为500um的合金钎料小球进行等温时效处理来对在固态反应过程中Sn–Ag–Cu(Ni)合金钎料与铜基板间的界面反应。其中铜基板是由一个直径为460um的圆形开口铜垫和FR-4组成的。先在铜垫上涂上RMA型助焊剂，再将钎料球放在其上，然后放进红外四区回流焊机中进行回流。其中回流的峰值温度和停留时间分别为270℃和120s。待回流结束后，将试样取出冷却至室温并用异丙醇清洗干净，再将其分别放进温度为100℃，150℃和170℃的炉箱内进行时效处理，时效28天（即4个星期）后取出。在回流和抛光处理后，对试样的接口处的横截面进行研磨和抛光，并用95%C2H2OH–4%HNO3–1%HCL组成的腐蚀剂涂于其上，然后用装备有能量色散X射线光谱仪的扫描电镜观察研究其微观结构和力学性能，并用图像分析软件分析得到界面层的厚度以求得界面层的总面积，用在横截面上得到的平均厚度显示出的界面长度来区分相区。

3.结果和讨论

3.1 DSC分析

DSC分析的结果可以用来评价Sn–Ag钎料中添加Cu和Ni对其熔化温度的影响。图1所示的就是这两种合金钎料加热过程中的热流曲线。其中每条曲线中一个简单的吸热峰均代表着合金钎料的熔化情况，该吸热峰的起始值就表示其钎料合金的熔化温度。可以看出这两种合金钎料的熔化温度均约为217℃，其与Sn–Ag–Cu共晶钎料的熔化温度很接近。此外，Sn–Ag–Cu合金钎料的熔化温度范围要低于Sn–Ag–Ni合金钎料。故而可以看出，尽管添加Ni使得Sn–Ag–Ni合金钎料的熔化温度范围要略高于Sn–Ag–Cu合金钎料，但实质上两者没有什么明显的差别。因此，两种合金钎料在回流过程中可以适用同样的加热条件。

3.2 可焊性测试

钎料接头连接的可靠性主要取决于钎料是否具有良好的润湿性，故而润湿性的好坏对于合金钎料来说是非常重要的。以Sn–3.5Ag共晶钎料作为行量基准，通过润湿性平衡测试测量Sn–Ag–Cu(Ni)合金钎料的可焊性。Sn–Ag共晶化合物具有较明显的特点，其化合物共晶成分和熔化温度分别为Sn–3.5%Ag和221℃，而且它通常作为无铅钎料替代品的首选。如图2所示，即为两种合金钎料试样与Sn–3.5Ag共晶钎料润湿性平衡测试比较的结果，图中我们平均用10个数据分别绘制出每一种合金钎料的最大润湿力（Fmax）和润湿时间（过零时间Tzero）。由图中我们可以得到，在此三种钎料中Sn–3.0Ag–0.5Ni合金钎料的最大润湿力（Fmax）最低，Sn–3.0Ag–0.5Cu合金钎料的最大润湿力（Fmax）要略高于Sn–3.5Ag共晶钎料。故可知，在Sn–Ag钎料中添加Cu可以提升其最大润湿力（Fmax），而添加Ni则会使其最大润湿力（Fmax）降低，同时这三种钎料的最大润湿力（Fmax）均会随着润湿温度的升高而升高。