一种镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金及其焊膏制造技术

本发明专利技术提供了一种镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金及其焊膏，所述镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金包含的组分及其重量份数为：锡基焊料84‑95份，碳纳米材料0.01‑0.2份；所述镀锡碳纳米材料增强复合焊膏还包括助焊剂5‑15份。采用本发明专利技术的技术方案，提高了镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金及其焊膏所形成焊点的抗蠕变性能、导电性和耐热老化性能；所制得焊膏中碳纳米材料分布均匀，工艺简单可靠、适应性强且成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接材料
，尤其涉及一种镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金及其焊膏。
技术介绍
近年来，半导体器件逐渐向着小型化、高密度、高功率的方向发展，尤其是以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料应用的逐渐成熟，使得半导体器件的使用温度越来越高，第三代半导体器件的使用温度最高可达150-200℃，这对半导体器件的封装材料提出了严峻的挑战。新型的热界面材料如纳米银膏、纳米铜膏等材料具有各自的缺陷，应用尚不成熟。目前绝大多数领域使用的热界面材料依然是锡基焊料。然而锡基焊料的熔点普遍较低，其蠕变性能对高温应用环境较为敏感。金属材料的蠕变温度一般约为0.3Tm，其中，Tm为熔化温度，蠕变达到蠕变温度以上会变得显著。在较高温度下将会加速锡基焊料蠕变的进行，从而导致器件快速失效。另一方面，近年来一些热敏元器件如LED、LCD、温控元件、柔性电子器件的使用日益广泛。在对它们进行电子封装时，中高温焊料的使用则受到限制，因而只能使用低温焊料。但是低温焊料如SnBi系列焊料合金在使用时，其蠕变性能对温度的反应较中高温焊料合金更加敏感，更易失效。所以，提高锡基焊料的抗蠕变性能迫在眉睫。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金及其焊膏，提高了锡基焊料合金及其焊膏的抗蠕变性能；其制备方法采用超声作用在低温条件下实现碳纳米材料表面局部锡镀层，并解决了碳纳米材料与焊料基体之间不润湿的问题，所制得焊膏中碳纳米材料分布均匀，工艺简单可靠、适应性强并且成本低廉。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，其包含的组分及其重量份数为：锡基焊料84-95份，碳纳米材料0.01-0.2份。优选的，所述锡基焊料为粉末状，为锡基焊料粉。进一步优选的，所述锡基焊料为两种或两种以上的锡基焊料。材料的蠕变主要是由点缺陷和位错等缺陷的运动扩散引起的。因此有效阻挡其扩散路径是改善锡基焊料抗蠕变性能的根本方法，研究发现，主要可以通过形成弥散硬化合金的方法来实现，包括在焊料中添加其它少量元素形成固溶体或添加纳米材料等方式。碳纳米管、石墨烯等碳材料具有优异的力学性能、导电性和导热性。将性能优异的碳纳米材料适量添加至锡基焊料中可以明显改善其蠕变性能，从而有效解决上述应用中的实际问题。并且碳纳米材料的适量添加可以在锡基焊料中形成良好的导电网络，使得更多的电流通过碳纳米材料形成的导电网路传输，从而改善锡基焊料的电迁移性能。上述技术方案中，专利技术人研究发现，碳纳米材料的质量比例对焊膏性能影响明显。碳纳米材料的质量份数介于0.01-0.2份时，能够有效改善焊点的蠕变性能，提高焊点在较高温度服役时的抗疲劳性能。当碳纳米材料的质量比例低于0.01份，其作用不明显。当碳纳米材料的质量比例高于0.2份时，随着质量比例的增加，会在焊点中形成越来越多的碳纳米材料团簇，从而导致焊点的力学性能降低。作为本专利技术的进一步改进，其包含的组分及其重量份数为：锡基焊料86-92份，碳纳米材料0.05-0.15份。作为本专利技术的进一步改进，所述碳纳米材料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、石墨烯微片、碳纳米管-石墨烯杂化物中的一种或几种。作为本专利技术的进一步改进，所述石墨烯为1～10层。作为本专利技术的进一步改进，所述锡基焊料为Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Ni、Sn-Ag-Cu-Ni、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Bi-Ag、Sn-Bi-Zn、Sn-Bi-In、Sn-In中的一种或几种。作为本专利技术的进一步改进，所述锡基焊料的粒径为0.5-40μm。作为本专利技术的进一步改进，所述的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金采用以下步骤制备得到：步骤S1：将所述碳纳米材料加入到有机溶剂中并进行超声清洗；步骤S2：将步骤S1清洗后的碳纳米材料与锡基焊料搅拌混合均匀得到复合焊料粉，其中所述碳纳米材料与锡基焊料的质量比例为1:4-1:99，然后将复合焊料粉在200-300℃环境中静置，得到液态焊料；步骤S3：将超声探头置于步骤S2的液态焊料中，并施加横波或纵波进行超声混合，静置，待焊料凝固后，得到含碳纳米材料的中间焊料合金；步骤S4：将步骤S3得到的含碳纳米材料的中间焊料合金加入到剩余比例的300-400℃液态锡基焊料中，凝固后得到镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金。得到的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金可用于波峰焊。其中，所述剩余比例的300-400℃液态锡基焊料可以为与步骤S2中不同成分的锡基焊料，但是所述剩余比例的300-400℃液态锡基焊料与步骤S2的锡基焊料的总份数、碳纳米材料的份数满足锡基焊料84-95份，碳纳米材料0.01-0.2份。优选的，步骤S2采用纯锡，步骤S4采用Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Ni或Sn-Ag-Cu-Ni合金。此技术方案结合了超声波辅助镀锡和碳纳米材料掺杂两种方案。首先将碳纳米材料与液相锡基焊料混合，同时附以适当功率的超声波促进碳纳米材料与焊料之间的润湿，成功实现短时间内碳纳米材料表面金属化，并制得中间焊料合金。然后将熔化的中间焊料合金按照一定比例与熔化的锡基焊料混合制得可用于波峰焊的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，该方法工艺简单、成本低廉、制备得到的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金具有优异的抗蠕变性能，所获得的焊点具有优异的高温耐疲劳性。作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述超声混合的频率为10-1000kHz，振幅为1-20μm，施加超声时间为5-200秒。作为本专利技术的进一步改进，所述的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金采用以下步骤制备得到：步骤S1：将所述碳纳米材料加入到有机溶剂中并进行超声清洗；步骤S2：将步骤S1清洗后的碳纳米材料与锡基焊料搅拌混合均匀得到复合焊料粉，其中所述碳纳米材料与锡基焊料的质量比例为1:4-1:99，然后将复合焊料粉在200-300℃环境中静置，得到液态焊料；步骤S3：将超声探头置于步骤S2的液态焊料中，并施加横波或纵波进行超声混合，静置，待焊料凝固后，得到含碳纳米材料的中间焊料合金；步骤S4：将步骤S3得到的含碳纳米材料的中间焊料合金加入到剩余比例的300-400℃液态的锡基焊料中，凝固后得到镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金。得到的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金可用于波峰焊。其中，所述剩余比例的300-400℃液态锡基焊料可以为与步骤S2中不同成分的锡基焊料。优选的，步骤S2采用纯锡，步骤S4采用Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Ni或Sn-Ag-Cu-Ni合金。本专利技术还公开了一种镀锡碳纳米材料增强复合焊膏，其采用如上任一项所述的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金制备得到，其还包括助焊剂5-15份。即所述镀锡碳纳米材料增强复合焊膏包含的组分及其重量份数为：锡基焊料84-95份，碳纳米材料0.01-0.2份，助焊剂5-15份。优选的，所述锡基焊料为锡基焊料粉。作为本专利技术的进一步改进，所述助焊剂为松香基、水洗基或免清洗型助焊剂。作为本专利技术的进一步改进，所述镀锡碳纳米材料增强复合焊膏包含的组分及其重量份数为：锡基焊料86-92份，碳纳米材料0.05-0.15份，助焊剂8-12份。作为本专利技术的进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，其特征在于：其包含的组分及其重量份数为：锡基焊料84‑95份，碳纳米材料0.01‑0.2份。

【技术特征摘要】
1.一种镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，其特征在于：其包含的组分及其重量份数为：锡基焊料84-95份，碳纳米材料0.01-0.2份。2.根据权利要求1所述的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，其特征在于：其包含的组分及其重量份数为：锡基焊料86-92份，碳纳米材料0.05-0.15份。3.根据权利要求1所述的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，其特征在于：所述碳纳米材料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、石墨烯微片、碳纳米管-石墨烯杂化物中的一种或几种；所述石墨烯为1~10层。4.根据权利要求1所述的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，其特征在于：所述锡基焊料为Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Ni、Sn-Ag-Cu-Ni、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Bi-Ag、Sn-Bi-Zn、Sn-Bi-In、Sn-In中的一种或几种；所述锡基焊料的粒径为0.5-40μm。5.根据权利要求1~4任意一项所述的镀锡碳纳米材料增强复合焊料合金，其特征在于：其采用以下步骤制备得到：步骤S1：将所述碳纳米材料加入到有机溶剂中并进行超声清洗；步骤S2：将步骤S1清洗后的碳纳米材料与锡基焊料搅拌混合均匀得到复合焊料粉，其中所述碳纳米材料与锡基焊料的质量比例为1:4-1:99，然后将复合焊料粉在200-300℃环境中静置，得到液态焊料；步骤S3：将超声探头置于步骤S2的液态焊料中，并施加横波或纵波进行超声混合，静置，待焊料凝固后，得到含碳纳米材料的中间焊料合金；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖勇，杨明，吴建新，吴建雄，苏培燕，
申请(专利权)人：亿铖达焊锡制造昆山有限公司，深圳市亿铖达工业有限公司，东莞市亿铖达焊锡制造有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32