镀镍碳纳米管增强Sn-Ag-Cu无铅焊料的性能研究

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碳纳米管拥有极高的强度、良好的韧性以及优秀的电学性能,由此被认为是增强相的最佳选择之一。本文以镀镍多壁碳纳米管作为增强相制备了SnAgCu无铅复合焊料,测试了复合焊料的熔点、密度、润湿性和界面反应等一些基本性能,对其抗拉伸性能和抗蠕变性能等机械性能,以及抗电迁移性能进行了系统的研究。镀镍多壁碳纳米管的添加对SnAgCu无铅焊料的熔点影响很小。随着镀镍多壁碳纳米管增强相添加量的增加SnAgCu无铅复合焊料的密度会随之增加,润湿性能也随之提升。由于碳纳米管上有Ni镀层的存在,复合焊料/铜基底界面处的金属原子间的反应发生了变化,使得该界面处生成的金属间化合物由原先的扇贝状的Cu6Sn5转变为层状的(Cu,Ni)6Sn5。机械性能的研究表明:0.05wt.%镀镍多壁碳纳米管的添加能够使复合焊料的极限拉伸强度提升9.80%,而使复合焊点的极限拉伸强度提升多达15.95%。焊点在增强效果上的良好表现可归结于其在焊接过程中所发生的界面反应消耗了焊料中过量的Ni。通过纳米压痕测试得到的结果显示:相对于未经镀镍多壁碳纳米管增强的SnAgCu无铅焊料,复合焊料的抗蠕变性能得到明显的提高。由有限元模拟分析可知碳纳米管与焊料母体之间的的应力传递对复合焊料蠕变性能的提高起到了一定的作用,但其效果远小于镀镍多壁碳纳米管充当障碍物阻碍位错滑移的作用效果。电迁移试验的研究表明:镀镍多壁碳纳米管的添加有效地抑制了焊点中电迁移效应引起的原子扩散。结合实验结果和有限元模拟分析,我们认为碳纳米管在焊料母体中形成了部分碳纳米管网络,而这些网络为电子充当了快速通道的角色,从而减小了焊料母体中的电流密度,最终导致了复合焊料的抗电迁移性能的提升。
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