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、抗腐蝕性能及其潤濕性。結果表明：添加微量的Ni元素使得Sn0.7Cu合金焊料的熔點有小幅度的升高，當添加Ni含量為0.2wt%時，SnCu基焊料熔點為228.83℃；焊料電阻率隨著Ni含量的增加而增加；焊料的熱膨脹系數隨Ni含量的增加而降低。當Ni含量為0.12wt%時，焊料在室溫到100℃區間其熱膨脹系數為12×106/℃。同時，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。

關鍵詞：SnCuNi；熔點；熱膨脹系數；抗腐蝕性能；鋪展面積

中圖分類號：TG424文獻標識碼：A

由于電子產品的快速發展，帶來便捷的同時也增加了對環境的污染，出于對環境的保護以及人們的健康發展，SnPb焊料在電子領域已經受到限制，無鉛焊料的研究已經取得一定的成果。[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用。其中，SnCu基合金由于材料來源廣，價格優廉，力學性能穩定，[69]因此得到了研究者的親睞。本文系統研究了添加微量Ni元素對Sn0.7Cu合金焊料熔化溫度、電阻率、熱膨脹系數、抗腐蝕性能及其潤濕性能的影響。

1 實驗原料和方法

1.1 焊料制備

試驗配方為Sn0.7CuxNi（x=0、0.03、0.05、0.08、0.12、02）。試驗所需用的原材料為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，采用氮氣保護，升溫速率10℃/min。將成型好的棒狀焊料樣品置于DIL402PC型熱膨脹系數儀中，測試焊料的長度變化，并計算熱膨脹系數。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。同時以腐蝕速率為指標衡量焊料的抗腐蝕性能。采取鋪展性試驗描述焊料的潤濕鋪展性能。準備質量為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氣氣氛中加熱至270℃，保溫10min后隨爐冷卻。利用CAD計算焊料在銅基板上的鋪展面積。

2 實驗結果及分析

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。焊料的熔點隨Ni含量的增加而略有增加，且熔程都很小。Sn07Cu焊料的熔點為226.77℃，當Ni含量為0.2wt%時，其焊料熔點為228.83℃，提高了約2℃。這說明在Sn0.7Cu焊料中加入微量的Ni元素對其熔點影響不大。

2.2 電阻率分析

焊料的電阻率會影響焊接設備參數的設置，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Ni含量增加到0.2wt%時，合金的電阻率為12.9μΩ·cm。其電阻率均小于傳統的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

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。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）計算可得Sn0.7Cu焊料熱膨脹系數（室溫至100℃）達21.5×106/℃。當Ni含量為0.2wt%時，焊料的熱膨脹系數（室溫至100℃）為17.5×106/℃；當Ni含量為0.12wt%時，焊料的熱膨脹系數（室溫到100℃）基本達到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，特別是當Ni添加量大于0.12wt%時，可以得到高溫時熱膨脹系數較小的合金焊料。

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，Sn0.7Cu焊料基體上的腐蝕產物較少，晶界明顯，晶間幾乎無腐蝕產物沉積，呈現出許多裂紋，且露出較多的扁平狀的結構，對其進行能譜分析，如圖6，這些扁平狀結構主要是金屬化合物，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，腐蝕產物在晶界處沉積，然后富集在基體表面，且腐蝕產物越加細小緊密，形成多微孔的網狀結構，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潤濕性能得到明顯的改善。當Ni含量為0.2wt%時，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，鋪展面積增大。

3 結論

（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，增強了焊料在5%鹽酸溶液中的抗腐蝕性能。當Ni含量為0.2wt%時，焊料的熔點最高為228.83℃；電阻率最大為12.9μΩ·cm。當Ni含量為012%時，焊料從室溫到100℃的熱膨脹系數基本達到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Ni含量為0.2wt%時，相對于Sn0.7Cu焊料，其鋪展面積提高了40%左右。

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基金項目：四川省教育廳科研項目（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。