前沿

     隨著WEEE和RoHS兩項(xiàng)指令的頒布，傳統(tǒng)的含鉛釬料已經(jīng)不能滿足于電子行業(yè)的應(yīng)用，SnAgGu系合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能和可焊性，相對低的熔點(diǎn)，較好的可靠性，已取得實(shí)際應(yīng)用。如，Sn-3.0Ag-0.5Gu（SAC3.5，日本電子協(xié)會(huì)推薦），Sn-3.8Ag-0.7Gu（SAC387，美國NEMI推薦），Sn-4.0Ag-0.5Gu（SAC405，Inter公司等采用）。為了進(jìn)一步提高焊點(diǎn)的性能，業(yè)界主要采取的策略是合金化手段，即在基體合金中加入微量元素。目前國內(nèi)外在合金中加入的微量元素很多，例如：稀土元素、Ga元素、In元素、Ni元素、Ti元素等，這些微量元素的添加對基體合金的某些性能有一定的促進(jìn)作用。

     據(jù)報(bào)道，向釬料合金中添加微量元素Ni，可以起到細(xì)化組織和改善潤濕性作用；Ni可與Sn形成Ni 3 Sn、Ni 3Sn 2 、Ni 3 Sn 4 三種會(huì)屬間化合物，加入Ni抑制了Sn枝晶的生長，使釬料凝固時(shí)Cu 6 Sn 5 微粒與Sn共晶組織分布更加細(xì)化均勻；同時(shí)Ni加入可抑制Cu向釬料中溶解。

     本文主要結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和國內(nèi)外的研究進(jìn)展，總結(jié)Ni元素對無鉛釬料的性能，界面金屬件化合物（IMC）形貌和層結(jié)構(gòu)的影響，并分析Ni元素在釬料中的作用機(jī)理。

1  Ni元素對前來哦性能影響

1.1  機(jī)械性能

     SAC無鉛釬料典型的組織的組織特征為樹枝狀初晶與其間的共晶組織，初晶為β-Sn相，共晶組織包含Cu 6 Sn5 + β-Sn和Ag 3 Sn+ β-Sn兩種二元共晶以及β-Sn+Ag 3 Sn+Cu 6 Sn 5 一種三元共晶，共晶組織中Cu 6 Sn 5 和Ag 3Sn亞微米級晶粒混在一起，如圖示，很難區(qū)別。從金屬學(xué)的角度上看，這些彌散分布著IMC對Sn基體有著明顯的強(qiáng)化作用，從而改變其力學(xué)性能。隨著SAC-Ni釬料合金中Ni元素取代Cu 6 Sn 5 中銅的位置生成（Cu，Ni） 6 Sn 5 ，改善釬料組織合金的微觀結(jié)構(gòu)，加入Ni元素后初生相β-Sn明顯細(xì)化，這是因?yàn)?/span>Ni元素為先析出的富Sn相提供了更多的形核質(zhì)點(diǎn)。

 根據(jù)合金強(qiáng)化理論，元素Ni在基體中國處于置換位置時(shí)，會(huì)改變錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，有利于螺位交滑移，使其容易繞過某些障礙，減少醋味晶格阻力，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，使基體的韌性提高。因此，使合金的斷后伸長率逐漸增大，如圖所示，當(dāng)鎳含量為0.1%時(shí)，斷后增長率最大為39%，比SAC305釬料合金提高了30%。其斷口出現(xiàn)了明顯的韌性斷裂特征。但隨著鎳的繼續(xù)增加，釬料合金中的錫、銅、鎳化合物數(shù)量在逐步增加，錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)通過位于滑移面上該相離子時(shí)，需要消耗額外能量，增大了錯(cuò)位晶格阻力，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使和今年的韌性下降，斷口也出現(xiàn)了較為明顯的脆性斷裂特征。

 圖為合金式樣的熔化行為，隨著Ni含量的增加釬料合金的熔點(diǎn)逐漸升高。合金當(dāng)溫度升高到217 ℃附近時(shí)，DSC曲線都出現(xiàn)了一個(gè)較小的吸收峰，含有少量的Sn-Ag-Cu三元共晶部分，發(fā)生的反應(yīng)是Sn+Ag 3 Sn+Cu 6 Sn 5—— 液相。在218℃-221℃發(fā)生的是Sn+Ag 3 Sn——液相，在221℃-228℃出現(xiàn)主峰發(fā)生的反應(yīng)是Sn+Ag 3 Sn——液相。由圖可見，隨著Ni加入量的增加，DSC主峰明顯相右漂移，表明Ni的加入使得Sn0.3Ag0.7Cu合金的熔化溫度升高1-3℃。

1.2  潤濕性能

     在釬料中添加微量的Ni，可以使熔融釬料表面的針狀化合物 Cu 6 Sn 5 變成球狀，使釬料流動(dòng)性得到明顯的改善，抑制了波峰焊點(diǎn)“橋連”等不良現(xiàn)象的發(fā)生，從而可獲得良好的釬焊效果。

     Ni的添加有助于潤濕性的改善， Sn0.3Ag0.7Cu釬料合金的潤濕時(shí)間為1.283s，最大潤濕力為3.13mN。當(dāng)添加0.05%Ni時(shí)潤濕時(shí)間最短，達(dá)到1.244s，因此實(shí)際釬焊時(shí)所需時(shí)間最短，繼續(xù)添加0.1%的Ni時(shí)潤濕力最大，達(dá)到3.29mN，潤濕效果最好。Ni的添加使得Ni成分的濃度增大，釬料與木材的界面張力下降，并且在家面上發(fā)生吸附現(xiàn)象的緣故。

1.3  Cu基材的溶解

     熔銅量的測試方法是將過量的銅絲浸泡在手工浸錫爐設(shè)定在245℃中并保溫30min，然后燒鑄到光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品模具中，進(jìn)行直讀光譜成分測試，對比溶解前后銅含量的變化，即得到溶銅量。下圖顯示的是添加P或Ni后，無鉛釬料中的Cu溶解量的變化情況。添加Ni后的釬料，其溶銅量隨Ni含量的增加呈不斷降低趨勢，從不添加Ni時(shí)的0.12%降低到添加0.1%Ni時(shí)的0.01%。符合釬料中Ni的存在使得原本SAC-Cu界面上的 Cu 6 Sn 5 層轉(zhuǎn)化為非常未定的（CuNi） 6 Sn 5 ，抑制了生成Cu 3 Sn的反應(yīng)Cu 6 Sn 5 +9Cu——5Cu 3 Sn。