Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi焊料性能研究

程艷奎 楚 功 門延會 郭 容

宜賓職業技術學院 四川宜賓 644003

隨著電子封裝領域的快速發展，對焊料的性能要求也相應提高。由于SnCu基體的焊料價格相對便宜，使用性能較為良好，因此得到了廣大學者的研究[1-3]。以Sn-0.7Cu為研究對象，添加微量的Ni在綜合力學性能和潤濕性能等方面都具有較高的優勢[4-6]。因此以SnCuNi為代表的焊料也得到了廣泛研究，通過在基體中添加一些微量的金屬元素，以期改善焊料的合金性能，在焊料的綜合性能方面有所提升。本課題研究的焊料因其焊接后的產品需要在特殊環境下工作，對抗腐蝕性能要求較高。焊料作為連接兩個母體的材料，屬于過渡層，研究焊料熔化熱性，抗腐蝕性能以及潤濕性能就很關鍵。研究表明，Ti能夠提高SnCu焊料的潤濕性、抗氧化性，又由于Ti金屬具有較強的耐腐蝕性能[7-8]，因此本課題以Sn-0.7Cu-0.2Ni為基體，通過添加Ti金屬研究新焊料的綜合性能。

1 實驗過程

本實驗以Sn-0.7Cu-0.2Ni為基體焊料，按照Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi(y=0，0.1，0.2，0.3)精確準備純度為99.99%以上的原材料，將原材料置于石英管中置于電阻爐中熔煉，獲得直徑為12mm的棒狀試樣材料。

試樣通過阿基米德原理測試Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi的密度。通過D/max-RB型X射線衍射儀對Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi進行物相分析。采用SDT Q600型熱分析儀獲取試樣的熔化特性，為防止氧化，測試采用氮氣保護，升溫速率設置為10℃/min。試樣的抗腐蝕性能采用濃度為5%的HCl溶液，Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi試樣為直徑為12mm、厚度為1mm的圓片樣品。試樣的潤濕性能采用樣品置于銅片中央并在270℃下保溫，利用CAD軟件測量在Cu片上的鋪展面積。

2 實驗結果分析

在Sn-0.7Cu-0.2Ni釬料中添加微量的Ti，其含Ti焊料密度如下表所示。添加微量的Ti對焊料的密度影響較小，隨Ti含量的增加，密度略有降低。一方面，Ti的密度要低于焊料密度；另一方面，Ti元素的添加并未改變焊料合金的晶體結構。圖1為不同Ti含量的焊料XRD圖，可知焊料的物相主要是B-Sn基體和Cu6Sn5金屬間化合物，未見明顯的含Ti的物相。為進一步探究焊料中的物相結構組成，以Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.1Ti為例進行了能譜分析。如圖2所示，圖譜表明焊料中主要是以Sn為基體，一些凸起的呈樹枝狀和塊狀的物質是以Cu6Sn5為主的金屬間化合物，在能譜分析中并沒有找到含有Ti的原子區域。

Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi密度表

圖1 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi物相分析

圖2 Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.1Ti能譜分析

如圖3所示為添加微量Ti對Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi的熔化特性的影響。實驗中，Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi均只有一個吸熱峰，峰值略有向左移動。添加Ti后，焊料的熔化溫度略有降低，但影響不大，對焊料的熔程影響也很小。

圖3 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi熔化特性圖

圖4為Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi在濃度為5%鹽酸溶液中浸泡14天后樣品的腐蝕速率圖。腐蝕速率按照下式計算獲得。其中，M1、M2代表腐蝕前后樣品的質量，S代表樣品的表面面積，t為浸泡時間。

由圖4可知，Sn-0.7Cu-0.2Ni的腐蝕速率為0.355mm/a，Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.1Ti的腐蝕速率大約0.480mm/a，繼續添加Ti含量，腐蝕速率有所降低，但仍然比未添加Ti之前高。這是由于Ti元素的添加，增加了焊料組元之間的電勢差，增加了焊料的電腐蝕性能。如圖5為腐蝕后的表面形貌圖，未添加Ti時，焊料的腐蝕孔洞較少，沒有出現明顯的枝條狀組織結構，添加質量為1%的Ti時，焊料腐蝕后明顯出現了較多的腐蝕孔洞，且有許多細長的枝條狀組織結構；添加2%的Ti時，腐蝕孔有所減少，但仍有部分枝條組織形貌。圖6為樣品腐蝕14天之后的XRD圖，可知當Ti含量為0.1wt%時，腐蝕產物中出現一些新的物相，有的物相峰強加強，有的物相峰強減弱。這些物相可能是影響腐蝕速率的原因之一。結合腐蝕速率、腐蝕形貌和XRD圖，添加抗腐蝕性能強的Ti元素，并沒有提高焊料的抗腐蝕性。

圖4 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi腐蝕速率圖

圖5 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi樣品腐蝕后表面形貌圖

圖6 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi樣品腐蝕14天后XRD圖

如圖7為Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi焊料在Cu片上的鋪展面積圖，Sn-0.7Cu-0.2Ni焊料的鋪展面積為52.36mm2，添加Ti后，焊料在Cu片上的鋪展面積增大，Sn-0.7Cu-0.2Ni-0.2Ti焊料的鋪展面積為58.37mm2。由此可見，Ti元素的添加有助于提高焊料與Cu片間的互溶度，增強焊料的潤濕性能。

圖7 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi焊料鋪展面積圖

圖8為Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi焊料在Cu片潤濕后的斷面界面形貌圖，結合潤濕面積分析，盡管添加Ti增強了焊料與基板的相互滲透作用，但并未改變Sn-0.7Cu-0.2Ni-xTi/Cu界面的形貌，甚至會出現凸凹不平的連接界面，有些區域未潤濕。為了解Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi/Cu釬焊界面IMC的物質組成，對此區域進行能譜分析，如圖9所示，分析結果表明，此區域基本只含有Cu和Sn兩種原子，按照原子數比進行計算，可以推斷界面IMC為Cu6Sn5金屬間化合物，說明了Ni和Ti沒有進入界面IMC的生長。

圖8 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi/Cu釬焊界面IMC形貌圖

圖9 Sn-0.7Cu-0.2Ni-yTi/Cu釬焊界面層能譜分析

3 實驗結論

在Sn-0.7Cu-0.2Ni添加微量Ti后，焊料沒有形成新的物相。微量Ti對焊料的密度影響很小，隨Ti含量的增加，焊料的熔化溫度略有降低。添加Ti并不能提高焊料的抗腐蝕性能。當Ti含量為0.1%時，樣品在5%HCl溶液中浸泡的抗腐蝕速率最大為0.480mm/a；當Ti含量為0.2%時，焊料在Cu片上的鋪展面積最大，潤濕性能最好。