零件表面鎳層狀態對銀銅焊料流散性的影響

許麗清　陳宇寧　劉思棟　夏雨楠

摘 要 在電真空器件封裝中，銀銅28焊料的流散性對器件的外觀質量和可靠性有著重要影響。文章對不同電鍍方式和鍍層厚度對焊料流散性的影響進行了分析研究，結果表明在相同的釬焊制度下，鎳層厚度在0.6 mm～2.1 mm范圍內，銀銅焊料在電鍍鎳上的流散性優于化學鍍鎳，同時，焊料的流散性隨著電鎳層厚度的增加，先增長后逐漸減小。在釬焊過程中，可以根據零件實際狀態和產品要求，選擇合適的鍍鎳方式和鎳層厚度，以滿足實際生產需求。

關鍵詞 銀銅28焊料；鎳層厚度；鍍鎳方式；流散性

中圖分類號：TG454 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0051-02

Ag系焊料是焊料中使用歷史最長、應用最廣泛的一類焊料。尤其是Ag-Cu共晶（Ag72-Cu28）焊料是目前電真空器件上應用最多的焊料，它的熔點低、沒有結晶間隔、流散性好、所形成的焊縫的導熱性和導電性較好，所以在電真空器件制造上，它的使用量占總焊料量的80%以上。

在電真空器件的釬焊工序中，銀銅焊料的流散性對器件的外觀、氣密性、可靠性等有重要影響。在相同的釬焊制度下，銀銅焊料流散控制適當，焊料鋪展均勻，可以實現結合界面平整，結合緊密，保證器件的氣密性，實現高可靠性；銀銅焊料的流散過度，焊料鋪展面積過大，勢必造成界面結合處虛焊，存在孔洞，從而影響器件的氣密性，導致可靠性失效；銀銅焊料的流散過小，焊料的鋪展面積不夠，焊縫處焊料流散不連續，也會造成可靠性失效。因此銀銅焊料的流散性是釬焊中需要控制的關鍵因素。

銀銅焊料的流散主要由銀銅焊料在材料表面的潤濕性和流淌時間控制，其中后者主要受工藝條件影響，而焊料的潤濕性受多種因素的影響，如零件表面粗糙度、配合公差、表面鎳層狀態等。本文重點研究零件表面鎳層狀態對銀銅焊料流散的

影響。

1 試驗方法和過程

選用厚度0.25 mm的4J42金屬板材，分別采用電鍍鎳和化學鍍鎳進行表面鍍覆，電鍍鎳為A組，化學鍍鎳為B組，鎳層厚度控制在0.6 mm～2.1 mm之間，焊料的流散性采用焊料在金屬底材上的鋪展面積進行表征。

對兩組試樣采用X-射線熒光測厚儀進行鎳層測試，鎳層厚度測試結果如表1所示。

通過圖像處理軟件換算出焊料的鋪展面積，結果如表2和圖2所示。

從表2和圖2的結果可以看出：在相同的釬焊制度下，銀銅焊料在電鍍鎳上的鋪展面積大于化學鍍鎳，說明銀銅焊料在電鍍鎳上的流散性優于化學鍍鎳；同時若零件表面均采用電鍍鎳進行表面涂覆，銀銅焊料的鋪展面積隨著鎳層厚度的增加，出現先增加再減小的變化規律。

2 試驗結果與分析

2.1 鍍鎳方式對焊料流散的影響

a區域基本為釬焊前焊料擺放的區域。該區域為焊料的初始熔融區域，在該階段焊料開始融化變成液態，液態焊料的接觸角減小而沿著固-液界面快速向外流淌，這一階段的鋪展動力是焊料自身熔融所提供的表面張力。

b區域在a區邊緣圈。此階段為由焊料自身的高溫熔融階段向焊料中的Cu與Ni層互溶反應的過渡區域。B組試樣在此區域的凸起較為明顯。

c區域為焊料鋪展的最邊緣區域。在該區域，焊料中的Cu與底板材料鍍覆的Ni無限共溶而打破界面能平衡的反應流淌階段，此階段焊料流散的驅動力是Ni-Cu的共溶化學反應所提供。該區域焊料的潤濕角較a、b區域小。

電鍍鎳A組試樣和化學鍍鎳B組試樣的鋪展面積在a、b區域差別不大，其鋪展面積不同主要是其c區域差異造成。焊料在電鍍鎳c區域鋪展面積明顯大于化學鍍鎳，從而造成A組焊料的鋪展面積比B組的鋪展面積大。

采用電鍍鎳后零件表面主要為Ni的單質，基本無其他成分，面心立方晶體結構的Ni均有很好的催化作用，可以和Cu無限共溶，其反應為焊料的流散提供了動力，加劇了焊料的快速流散。而采用化學鍍鎳（Ni-P）鎳層主要為NiP2合金，Ni-P合金的存在降低了Cu與Ni無限共溶化學反應，相應減弱了c區域焊料鋪展的驅動力。因此在相同的釬焊制度下，銀銅焊料在電鍍鎳上的鋪展面積大于化學鍍鎳。

2.2 鎳層厚度對焊料流散性的影響

從表2中可以看出，采用電鍍鎳方式，在本試驗所采集的鎳層厚度在0.6 mm～2.1 mm的范圍內，隨著鎳層厚度的增加，焊料的鋪展面積并不是也相應增加，而是先逐漸升高，在一定的厚度值后再逐漸降低。

焊料在電鍍鎳上的流散動力來自兩個方面：一方面，由于表面張力的作用，焊料熔融在鎳層表面鋪展潤濕；另一方面，Ni與焊料中的Cu能夠無限互溶為焊料的流散提供動力。

在鎳層厚度增加的初期，隨著鎳層厚度的增加，Ni的表面含量增加，Ni與焊料中的Cu的無限互溶反應充分，其為焊料流散提供的驅動力增加，因此焊料的流散面積逐漸增加。而隨著鎳層厚度增加到一定的程度后，由Ag-Cu二元合金局部相圖（圖4）可以看出，當加熱溫度達到共晶溫度以上的A點時，AgCu28共晶焊料開始熔化，這時會有少量的鎳溶解，在接觸界面形成（Cu，Ni）相，它的生長是依靠銅由液相向界面的擴散進行的，其結果使液態焊料中的銅減小，液相的成分由A點向B點移動，在B點開始出現富Ag的α相，隨著（Cu， Ni）相不斷地形成，液相中的銅繼續減小，成分移至C點（凝固點），液態焊料都轉變點成固態的α相，發生了所謂的等溫凝固。在該溫度點雖然在共晶溫度以上，但液態焊料卻不繼續流散發生了凝固。隨著鎳層厚度的增加，由A點向C點轉變的速度相應加大，即到達等溫凝固的時間縮短，因此在隨著鍍鎳層厚度的增加焊料的鋪展面積反而有所下降。

3 結束語

1）在相同的釬焊制度下，鍍鎳層厚度相近時，銀銅28焊料在電鍍鎳層上的流散性優于化學鍍鎳層。

2）在相同的釬焊制度下，采用電鍍鎳涂覆，隨著鎳層厚度的增加，焊料的流散性先增加再逐漸降低。

在電真空器件的釬焊中，根據零件具體狀態和產品要求，選擇合適的鍍鎳方式和鎳層厚度，以滿足實際生產需求。

參考文獻

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作者簡介

許麗清（1978-），女，江蘇徐州人，南京電子器件研究所工程師，碩士，研究方向：電子封裝。endprint