微量Ni对Sn睠u焊料物理性能及润湿性能的影响

程艳奎　胡洋　宋宁　吴福洲

摘要：主要研究了添加Ni对Sn0.7Cu焊料的物理性能及其润湿性能的影响，分别测试了焊料的熔化温度、电阻率、热膨胀系数、抗腐蚀性能及其润湿性。结果表明：添加微量的Ni元素使得Sn0.7Cu合金焊料的熔点有小幅度的升高，当添加Ni含量为0.2wt%时，SnCu基焊料熔点为228.83℃；焊料电阻率随着Ni含量的增加而增加；焊料的热膨胀系数随Ni含量的增加而降低。当Ni含量为0.12wt%时，焊料在室温到100℃区间其热膨胀系数为12×106/℃。同时，增加焊料中Ni元素的含量提高了焊料的抗腐蚀能力及其在Cu基板上铺展面积。

关键词：SnCuNi；熔点；热膨胀系数；抗腐蚀性能；铺展面积

中图分类号：TG424文献标识码：A

由于电子产品的快速发展，带来便捷的同时也增加了对环境的污染，出于对环境的保护以及人们的健康发展，SnPb焊料在电子领域已经受到限制，无铅焊料的研究已经取得一定的成果。[15]以Sn、Ag、Cu组成的合金焊料为代表，因其具有较好的综合性能得到一定的应用。其中，SnCu基合金由于材料来源广，价格优廉，力学性能稳定，[69]因此得到了研究者的亲睐。本文系统研究了添加微量Ni元素对Sn0.7Cu合金焊料熔化温度、电阻率、热膨胀系数、抗腐蚀性能及其润湿性能的影响。

1 实验原料和方法

1.1 焊料制备

试验配方为Sn0.7CuxNi（x=0、0.03、0.05、0.08、0.12、02）。试验所需用的原材料为Sn粒、Cu片、Ni粉，其纯度均大于99.95%。材料的制备采用箱式电阻炉进行熔炼，在合金表面覆盖一层硼砂防止熔化过程中焊料氧化。合金熔液倒入模具中成型备用。

1.2 焊料性能测试

焊料样品分别取约10mg，采用SDT Q600型同步热分析仪分析焊料的熔化特性，采用氮气保护，升温速率10℃/min。将成型好的棒状焊料样品置于DIL402PC型热膨胀系数仪中，测试焊料的长度变化，并计算热膨胀系数。采用扫描电镜图观察焊料在腐蚀液中的腐蚀情况。腐蚀液为5%的盐酸溶液。同时以腐蚀速率为指标衡量焊料的抗腐蚀性能。采取铺展性试验描述焊料的润湿铺展性能。准备质量为200mg的焊料若干。将铜片基板若干。将不同Ni含量的Sn0.7Cu基焊料每组取5个样品分别置于铜片中心，并放入管式炉中在氮气气氛中加热至270℃，保温10min后随炉冷却。利用CAD计算焊料在铜基板上的铺展面积。

2 实验结果及分析

2.1 熔化特性

图1为不同Ni添加量对Sn0.7Cu焊料熔点的影响。由图可知：添加Ni元素后，其熔化特性曲线均只有一个吸热峰。焊料的熔点随Ni含量的增加而略有增加，且熔程都很小。Sn07Cu焊料的熔点为226.77℃，当Ni含量为0.2wt%时，其焊料熔点为228.83℃，提高了约2℃。这说明在Sn0.7Cu焊料中加入微量的Ni元素对其熔点影响不大。

2.2 电阻率分析

焊料的电阻率会影响焊接设备参数的设置，影响焊接工艺等。图2为Ni含量对Sn0.7Cu焊料电阻率的影响。由图可知：随Ni含量的增加，焊料合金的电阻率不断升高。Sn0.7Cu焊料的电阻率为12.1μΩ·cm。当Ni含量增加到0.2wt%时，合金的电阻率为12.9μΩ·cm。其电阻率均小于传统的Sn37Pb焊料的电阻率（13.5μΩ·cm），可以满足使用要求。

2.3 热膨胀系数

图3为添加不同含量的Ni对焊料线膨胀变化量（ΔL/L）随温度变化（20℃至130℃）的影响；由图可知：Ni含量的添加能够有效地降低Sn0.7Cu合金的线膨胀变化量，即减小了热膨胀系数。焊料的热膨胀长度变化量随着温度的升高而显著升高，由公式[10]（1）计算可得Sn0.7Cu焊料热膨胀系数（室温至100℃）达21.5×106/℃。当Ni含量为0.2wt%时，焊料的热膨胀系数（室温至100℃）为17.5×106/℃；当Ni含量为0.12wt%时，焊料的热膨胀系数（室温到100℃）基本达到12×106/℃。

α=ΔL/（L×ΔT）（1）

故在Sn0.7Cu焊料中添加微量的Ni能夠比较显著的降低焊料的热膨胀系数，特别是当Ni添加量大于0.12wt%时，可以得到高温时热膨胀系数较小的合金焊料。

2.4 抗腐蚀性能

图4为添加微量的Ni元素对于Sn0.7Cu合金焊料腐蚀性能的影响。由图可知：焊料的腐蚀速率随时间延长而提高，添加微量Ni元素能够降低腐蚀速率，提高抗腐蚀性能。如图5所示为掺杂不同Ni含量的SnCu焊料在腐蚀液中14天后的扫描电镜图。Sn基体容易被腐蚀，而金属间化合物不容易被腐蚀。未添加Ni元素时，Sn0.7Cu焊料基体上的腐蚀产物较少，晶界明显，晶间几乎无腐蚀产物沉积，呈现出许多裂纹，且露出较多的扁平状的结构，对其进行能谱分析，如图6，这些扁平状结构主要是金属化合物，说明Sn和Cu的金属间化合物不容易被腐蚀。随着Ni元素的添加，腐蚀产物在晶界处沉积，然后富集在基体表面，且腐蚀产物越加细小紧密，形成多微孔的网状结构，较均匀的铺在焊料基体上，从而减缓了焊料的腐蚀速率。

2.5 润湿性能

图7为添加不同的Ni含量对Sn0.7Cu焊料铺展面积的影响。随Ni含量的增加，焊料对铜基板的铺展润湿性能得到明显的改善。当Ni含量为0.2wt%时，与Sn0.7Cu焊料相比，其在铜基板的铺展面积提高了40%左右。Sn0.7Cu合金主要是由基体Sn和SnCu共晶相组成，添加微量的Ni改变了合金组织，降低了焊料的表面张力，从而使焊料在熔融过程中阻力降低，流动性增强，铺展面积增大。

3 结论

（1）添加微量Ni元素提高了Sn0.7Cu合金焊料的熔化温度及电阻率，明显降低了其热膨胀系数，增强了焊料在5%盐酸溶液中的抗腐蚀性能。当Ni含量为0.2wt%时，焊料的熔点最高为228.83℃；电阻率最大为12.9μΩ·cm。当Ni含量为012%时，焊料从室温到100℃的热膨胀系数基本达到12×106/℃。

（2）添加微量的Ni元素有利于提高Sn0.7Cu焊料在Cu基板的铺展面积。当Ni含量为0.2wt%时，相对于Sn0.7Cu焊料，其铺展面积提高了40%左右。

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基金项目：四川省教育厅科研项目（18ZB0661）

*通讯作者：程艳奎（1987），男，汉族，山西人，硕士，讲师，主要研究方向：材料成型及材料加工。