D0I:10.13374/i.issnl001t03.2009.07.031 第31卷第7期 北京科技大学学报 Vol.31 No.7 2009年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2009 SnAgNi钎料钎焊Ni镀层SiC,/Al复合材料的接头微 观结构及剪切性能 吴茂何新波孟菲菲 曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用Sn-2.5Ag一2.0Ni焊料钎焊了具有Ni(P)/Ni(B)和Ni(P)/Ni两种双镀层结构的SiC,/A1复合材料.结果表明， SnAgNi//Ni(B)/Ni(P)和SnAgNi/Ni/Ni(P)两种接头均生成唯一的金属间化合物NiSn·SnAgNi焊料与Ni(B)镀层之间的快 速反应速度使NiSn4金属间化合物具有高的生长速度.时效初期的SnAgNi/Ni/Ni(P)接头的剪切强度高于SnAgNi/Ni(B)/ Ni(P)接头，但在250h时效后其剪切强度剧烈下降，低于SnAgNi/Ni(B)/Ni(P)接头·金属间化合物的生长及裂纹的形成是 SnAgNi//Ni/Ni(P)接头失效的主要原因，而SnAgNi//Ni(B)/Ni(P)接头失效的主要原因是Ni(P)镀层中Ni原子的定向扩散使 SiC,/Al复合材料与Ni(P)处产生孔洞. 关键词焊料：金属间化合物：时效处理：SiC/Al复合材料：焊接接头 分类号TN305.94 Microstructure and shear strength of solder joints of SiCp/Al composites with Ni plating with Sn-2.5Ag-2.0Ni solder WU Mao.HE Xin-bo,MENG Fei-fei.QU Xuan-hui School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083,China ABSTRACI An experimental study was presented to evaluate the microstructures and reliability of solder joints bet ween Sn-2.5Ag 2.0Ni solder and various Ni plating layers.Ni(P)/Ni(B)and Ni(P)/Ni double layers were used to deposit on SiCp/Al composites. The high reaction rate between Ni(B)layer and SnAgNi solder leaded to the highest growth rate of intermetallic compound (IMC) NiaSn4.The shear strength of solder joints with Ni(P)/Ni layer is higher than that of solder joints with Ni(P)/Ni(B)layer at the initial stage of aging,but lower than that after 250 h aging.Intermetallic layer growth and crack formation are the major reasons of failure for a SnAgNi/Ni/Ni(P)solder joint.While the failure of a SnAgNi/Ni(B)/Ni(P)solder joint is caused by the formation of holes between Ni(P)and SiCp/Al composites.which result from directional diffusion of Ni toward solder. KEY WORDS solder:intermetallic compounds:aging treatment:SiCp/Al composites:solder joint 由于具有高热导率、低密度和低热膨胀系数等 续工艺的研究却很少，如焊接及热处理等] 一系列优点，SiC,/Al复合材料将成为一种理想的电 在金属外壳封装领域，最常用的外壳材料是 子封装材料，它既可以代替包铜的钼及包铜的殷钢 Kovar合金，但其具有热导率低和密度高等缺点，使 作为印刷电路板的板芯，也可代替W/Cu、Kovar等 其应用受到了很大的限制，本文主要研究用SiC 封装合金作为电子元器件的基座和外壳材料，目 Al复合材料替代Kovar合金作为金属外壳材料，传 前，国内对SiC,/A!复合材料的研究主要集中于材 统的封装外壳工艺中，首先会在Kovar合金表面分 料的制备及性能上，但对其用于电子封装领域的后 别进行电镀Ni及镀Au处理，形成Ni/Au双镀层结 收稿日期：2008-07-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50274014:No-50774005):国家重点基础研究发展计划资助项目(Na,2006CB605207):国家高技术 研究发展计划资助项目(No-2006AA03Z557) 作者简介：吴茂(1981一）男，博士研究生：曲选辉(1960一)，男，教授，博士生导师，E-mail:quxh@mater-ustb-edu-cmSnAgNi 钎料钎焊 Ni 镀层 SiCp／Al 复合材料的接头微 观结构及剪切性能 吴 茂 何新波 孟菲菲 曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 摘 要 采用 Sn－2∙5Ag－2∙0Ni 焊料钎焊了具有 Ni（P）／Ni（B）和 Ni（P）／Ni 两种双镀层结构的 SiCp／Al 复合材料．结果表明‚ SnAgNi／Ni（B）／Ni（P）和 SnAgNi／Ni／Ni（P）两种接头均生成唯一的金属间化合物 Ni3Sn4．SnAgNi 焊料与 Ni（B）镀层之间的快 速反应速度使 Ni3Sn4 金属间化合物具有高的生长速度．时效初期的 SnAgNi／Ni／Ni（P）接头的剪切强度高于 SnAgNi／Ni（B）／ Ni（P）接头‚但在250h 时效后其剪切强度剧烈下降‚低于 SnAgNi／Ni（B）／Ni（P）接头．金属间化合物的生长及裂纹的形成是 SnAgNi／Ni／Ni（P）接头失效的主要原因‚而 SnAgNi／Ni（B）／Ni（P）接头失效的主要原因是 Ni（P）镀层中 Ni 原子的定向扩散使 SiCp／Al 复合材料与 Ni（P）处产生孔洞． 关键词 焊料；金属间化合物；时效处理；SiCp／Al 复合材料；焊接接头 分类号 T N305．94 Microstructure and shear strength of solder joints of SiCp／Al composites with Ni plating with Sn-2∙5Ag-2∙0Ni solder W U Mao‚HE Xin-bo‚MENG Fe-i fei‚QU Xuan-hui School of Materials Science and Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT An experimental study was presented to evaluate the microstructures and reliability of solder joints between Sn-2∙5Ag- 2∙0Ni solder and various Ni plating layers．Ni（P）／Ni（B） and Ni（P）／Ni double layers were used to deposit on SiCp／Al composites． T he high reaction rate between Ni（B） layer and SnAgNi solder leaded to the highest growth rate of intermetallic compound （IMC） Ni3Sn4．T he shear strength of solder joints with Ni（P）／Ni layer is higher than that of solder joints with Ni（P）／Ni（B） layer at the initial stage of aging‚but lower than that after250h aging．Intermetallic layer growth and crack formation are the major reasons of failure for a SnAgNi／Ni／Ni（P） solder joint．While the failure of a SnAgNi／Ni（B）／Ni（P） solder joint is caused by the formation of holes between Ni（P） and SiCp／Al composites‚which result from directional diffusion of Ni toward solder． KEY WORDS solder；intermetallic compounds；aging treatment；SiCp／Al composites；solder joint 收稿日期：2008-07-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50274014；No．50774005）；国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2006CB605207）；国家高技术 研究发展计划资助项目（No．2006AA03Z557） 作者简介：吴 茂（1981－）‚男‚博士研究生；曲选辉（1960－）‚男‚教授‚博士生导师‚E-mail：quxh＠mater．ustb．edu．cn 由于具有高热导率、低密度和低热膨胀系数等 一系列优点‚SiCp／Al 复合材料将成为一种理想的电 子封装材料．它既可以代替包铜的钼及包铜的殷钢 作为印刷电路板的板芯‚也可代替 W／Cu、Kovar 等 封装合金作为电子元器件的基座和外壳材料．目 前‚国内对 SiCp／Al 复合材料的研究主要集中于材 料的制备及性能上‚但对其用于电子封装领域的后 续工艺的研究却很少‚如焊接及热处理等［1－6］． 在金属外壳封装领域‚最常用的外壳材料是 Kovar 合金‚但其具有热导率低和密度高等缺点‚使 其应用受到了很大的限制．本文主要研究用 SiCp／ Al 复合材料替代 Kovar 合金作为金属外壳材料．传 统的封装外壳工艺中‚首先会在 Kovar 合金表面分 别进行电镀 Ni 及镀 Au 处理‚形成 Ni／Au 双镀层结 第31卷 第7期 2009年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．7 Jul．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．07．031