零件表面镍层状态对银铜焊料流散性的影响

许丽清　陈宇宁　刘思栋　夏雨楠

摘 要 在电真空器件封装中，银铜28焊料的流散性对器件的外观质量和可靠性有着重要影响。文章对不同电镀方式和镀层厚度对焊料流散性的影响进行了分析研究，结果表明在相同的钎焊制度下，镍层厚度在0.6 mm～2.1 mm范围内，银铜焊料在电镀镍上的流散性优于化学镀镍，同时，焊料的流散性随着电镍层厚度的增加，先增长后逐渐减小。在钎焊过程中，可以根据零件实际状态和产品要求，选择合适的镀镍方式和镍层厚度，以满足实际生产需求。

关键词 银铜28焊料；镍层厚度；镀镍方式；流散性

中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0051-02

Ag系焊料是焊料中使用历史最长、应用最广泛的一类焊料。尤其是Ag-Cu共晶（Ag72-Cu28）焊料是目前电真空器件上应用最多的焊料，它的熔点低、没有结晶间隔、流散性好、所形成的焊缝的导热性和导电性较好，所以在电真空器件制造上，它的使用量占总焊料量的80%以上。

在电真空器件的钎焊工序中，银铜焊料的流散性对器件的外观、气密性、可靠性等有重要影响。在相同的钎焊制度下，银铜焊料流散控制适当，焊料铺展均匀，可以实现结合界面平整，结合紧密，保证器件的气密性，实现高可靠性；银铜焊料的流散过度，焊料铺展面积过大，势必造成界面结合处虚焊，存在孔洞，从而影响器件的气密性，导致可靠性失效；银铜焊料的流散过小，焊料的铺展面积不够，焊缝处焊料流散不连续，也会造成可靠性失效。因此银铜焊料的流散性是钎焊中需要控制的关键因素。

银铜焊料的流散主要由银铜焊料在材料表面的润湿性和流淌时间控制，其中后者主要受工艺条件影响，而焊料的润湿性受多种因素的影响，如零件表面粗糙度、配合公差、表面镍层状态等。本文重点研究零件表面镍层状态对银铜焊料流散的

影响。

1 试验方法和过程

选用厚度0.25 mm的4J42金属板材，分别采用电镀镍和化学镀镍进行表面镀覆，电镀镍为A组，化学镀镍为B组，镍层厚度控制在0.6 mm～2.1 mm之间，焊料的流散性采用焊料在金属底材上的铺展面积进行表征。

对两组试样采用X-射线荧光测厚仪进行镍层测试，镍层厚度测试结果如表1所示。

通过图像处理软件换算出焊料的铺展面积，结果如表2和图2所示。

从表2和图2的结果可以看出：在相同的钎焊制度下，银铜焊料在电镀镍上的铺展面积大于化学镀镍，说明银铜焊料在电镀镍上的流散性优于化学镀镍；同时若零件表面均采用电镀镍进行表面涂覆，银铜焊料的铺展面积随着镍层厚度的增加，出现先增加再减小的变化规律。

2 试验结果与分析

2.1 镀镍方式对焊料流散的影响

a区域基本为钎焊前焊料摆放的区域。该区域为焊料的初始熔融区域，在该阶段焊料开始融化变成液态，液态焊料的接触角减小而沿着固-液界面快速向外流淌，这一阶段的铺展动力是焊料自身熔融所提供的表面张力。

b区域在a区边缘圈。此阶段为由焊料自身的高温熔融阶段向焊料中的Cu与Ni层互溶反应的过渡区域。B组试样在此区域的凸起较为明显。

c区域为焊料铺展的最边缘区域。在该区域，焊料中的Cu与底板材料镀覆的Ni无限共溶而打破界面能平衡的反应流淌阶段，此阶段焊料流散的驱动力是Ni-Cu的共溶化学反应所提供。该区域焊料的润湿角较a、b区域小。

电镀镍A组试样和化学镀镍B组试样的铺展面积在a、b区域差别不大，其铺展面积不同主要是其c区域差异造成。焊料在电镀镍c区域铺展面积明显大于化学镀镍，从而造成A组焊料的铺展面积比B组的铺展面积大。

采用电镀镍后零件表面主要为Ni的单质，基本无其他成分，面心立方晶体结构的Ni均有很好的催化作用，可以和Cu无限共溶，其反应为焊料的流散提供了动力，加剧了焊料的快速流散。而采用化学镀镍（Ni-P）镍层主要为NiP2合金，Ni-P合金的存在降低了Cu与Ni无限共溶化学反应，相应减弱了c区域焊料铺展的驱动力。因此在相同的钎焊制度下，银铜焊料在电镀镍上的铺展面积大于化学镀镍。

2.2 镍层厚度对焊料流散性的影响

从表2中可以看出，采用电镀镍方式，在本试验所采集的镍层厚度在0.6 mm～2.1 mm的范围内，随着镍层厚度的增加，焊料的铺展面积并不是也相应增加，而是先逐渐升高，在一定的厚度值后再逐渐降低。

焊料在电镀镍上的流散动力来自两个方面：一方面，由于表面张力的作用，焊料熔融在镍层表面铺展润湿；另一方面，Ni与焊料中的Cu能够无限互溶为焊料的流散提供动力。

在镍层厚度增加的初期，随着镍层厚度的增加，Ni的表面含量增加，Ni与焊料中的Cu的无限互溶反应充分，其为焊料流散提供的驱动力增加，因此焊料的流散面积逐渐增加。而随着镍层厚度增加到一定的程度后，由Ag-Cu二元合金局部相图（图4）可以看出，当加热温度达到共晶温度以上的A点时，AgCu28共晶焊料开始熔化，这时会有少量的镍溶解，在接触界面形成（Cu，Ni）相，它的生长是依靠铜由液相向界面的扩散进行的，其结果使液态焊料中的铜减小，液相的成分由A点向B点移动，在B点开始出现富Ag的α相，随着（Cu， Ni）相不断地形成，液相中的铜继续减小，成分移至C点（凝固点），液态焊料都转变点成固态的α相，发生了所谓的等温凝固。在该温度点虽然在共晶温度以上，但液态焊料却不继续流散发生了凝固。随着镍层厚度的增加，由A点向C点转变的速度相应加大，即到达等温凝固的时间缩短，因此在随着镀镍层厚度的增加焊料的铺展面积反而有所下降。

3 结束语

1）在相同的钎焊制度下，镀镍层厚度相近时，银铜28焊料在电镀镍层上的流散性优于化学镀镍层。

2）在相同的钎焊制度下，采用电镀镍涂覆，随着镍层厚度的增加，焊料的流散性先增加再逐渐降低。

在电真空器件的钎焊中，根据零件具体状态和产品要求，选择合适的镀镍方式和镍层厚度，以满足实际生产需求。

参考文献

[1]刘联保，等.陶瓷-金属封接技术指南[M].北京：国防工业出版社，1990：51.

[2]赵越.钎焊技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2004：87-96.

[3]徐先锋，洪龙龙，肖鹏，等.碳纤维表面电镀镍和化学镀镍研究[J].功能材料.2013，增刊Ⅱ（44）：264-267.

作者简介

许丽清（1978-），女，江苏徐州人，南京电子器件研究所工程师，硕士，研究方向：电子封装。endprint