一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法。包括步骤：提供钎料基体、纳米增强相和腔体；分别对所述钎料基体、纳米增强相和腔体进行清洗，并分别进行表面处理；将所得钎料基体和纳米增强相混合，所得混合物置入腔体后制成块体材料或预成型片；封闭所得含有块体材料或预成型片的腔体，在外部高能辅助作用下将所述块体材料或预成型片进行熔化、凝固，得到高存留率纳米复合钎料。该复合钎料中具有均匀、稳定的材料结构，强度、延伸率和导热导电性能等大幅提高，相对钎料基体提升幅度可达40‑100%；更可控制处理工艺促使纳米增强相定向排布实现对复合钎料的针对性各向异性强化；材料利用率高、工艺简单。

【技术实现步骤摘要】
一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料
，尤其涉及一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法。
技术介绍
电子信息系统中，为电子元器件各单元之间提供电气连接、机械支撑以及热量传导通道的软钎料焊点是不可或缺的关键部分，其质量和完整性对电子产品的整体性能有着极其重要的影响。然而，随着人们对电子产品性能、尺寸和功能的要求不断提高，电子产品的集成度越来越高，其I/O数大幅增加，钎料焊点的尺寸迅速减小，使得焊点中的电流密度和温度梯度急剧提高。在这种极端的服役条件下，现有无铅钎料已不能完全满足互连强度及可靠性的要求，不仅焊点的机械性能备受挑战，载荷作用下的热/电迁移现象也会导致焊点内部形成小丘、裂纹、相偏析等缺陷，从而严重威胁电子产品的服役性能和可靠性。在传统无铅钎料基体中掺杂增强相（如金属、陶瓷、碳基纳米材料等）制备复合钎料合金，是改善钎料合金及焊点的强度、润湿性、导热性、导电性等性能以及其在服役条件下的蠕变特性和可靠性的一种切实可行的方法。尤其当使用尺寸小、表面原子比例大、表面能高的纳米材料作为增强相时，所得接头的组织结构更优、润湿性和力学性能更佳，因而可以用于解决新一代电子产品的服役和可靠性难题。然而，现有封装工艺条件下，复合钎料中所添加的大部分增强相在焊接过程中容易由于液态钎料的表面张力及钎料晶粒界面能的作用而发生团聚或从钎料中析出，导致焊点中增强相的实际含量远低于设计值（一般仅占钎料整体的0.1-0.5%），焊点的性能及热/电迁移抗性的强化效果无法达到预期。由于这些问题，复合钎料合金在电子制造领域的推广应用受到了严重的限制。为此，本专利技术利用外部高能辅助改变软钎料合金及纳米增强相的能量状态，促使纳米增强相克服液态钎料表面张力和界面能的限制作用，均匀分散在钎料基体中；同时，借助外部高能，引发非平衡凝固，促使纳米增强相自组装形成均匀的强化组织或致密的晶间骨架结构，以实现对钎料合金性能和可靠性的强化。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法，旨在利用纳米颗粒的自组装获得具有特定排布结构或性能的增强组织，解决现有复合钎料中纳米增强相易团聚、易析出、实际存留率低的问题，进一步提高复合钎料合金的性能和可靠性。本专利技术的技术方案如下：一种高存留率纳米复合钎料的制备方法，其中，包括：步骤S1：提供钎料基体、纳米增强相和腔体；步骤S2：分别对所述钎料基体、纳米增强相和腔体进行清洗，并分别进行表面处理；步骤S3：将步骤S2所得钎料基体和纳米增强相混合，所得混合物置入腔体后制成块体材料或预成型片；步骤S4：封闭步骤S3所得含有块体材料或预成型片的腔体，在外部高能辅助作用下将所述块体材料或预成型片进行熔化、凝固，得到高存留率纳米复合钎料。所述的制备方法，其中，所述步骤S1中，所述钎料基体为Sn基合金、Bi基合金、Zn基合金、In基合金、Au基合金、Pb基合金中的一种，所述腔体由钎料基体组分或不锈钢、Ni、Al、SiO2等低扩散系数刚性薄板制得，也可为带有上述材料镀层的其他刚性材料，腔体壁厚为0.25mm-3mm，镀层厚度为0.1-10μm。所述的制备方法，其中，所述步骤S1中，所述纳米增强相为纳米SiC、纳米WC、纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3、纳米银、碳纳米管、石墨烯中的一种；所述纳米增强相为纳米颗粒增强相、纳米线增强相或纳米管增强相，所述纳米颗粒增强相的平均粒径为10nm-1μm，所述纳米线、管增强相的平均直径为30-200nm，长度为5-100μm。所述的制备方法，其中，所述步骤S2中，所述清洗包括超声分散、酸洗、碱洗、有机溶剂清洗、烘干；所述表面处理包括利用敏化、等离子活化、表面活性剂进行表面改性或通过电镀、化学镀和超声包覆在表面沉积过渡材料。所述的制备方法，其中，所述步骤S3中，所得混合物置入腔体后利用超声震动或低温热压工艺制成块体材料或预成型片，其中热压温度为0-100℃，热压时间为2-30min，热压压力为0.1-40MPa。所述的制备方法，其中，所述步骤S4中，采用大功率超声震荡或高频电磁感应脉冲将所述块体材料进行熔化、凝固，得到所述高存留率纳米复合钎料，其中超声震荡的功率高于400W，电磁感应脉冲的频率大于60KHz；或者，采用局部高温热处理（高于钎料基体熔点30-50℃）将所述预成型片进行熔化、凝固，得到所述高存留率纳米复合钎料。所述的制备方法，其中，所述步骤S4中，所述外部高能在整个熔化、凝固过程持续加载，加载时间为5s-600s。所述的制备方法，其中，所述步骤S4中，在外部高能辅助作用下将所述块体材料或预成型片进行熔化、凝固的过程中，对所述块体材料或预成型片加载压力或预热；其中加载压力为0-20MPa，预热温度为室温至腔体的熔点之间。一种高存留率纳米增强的复合钎料，其中，采用本专利技术所述的制备方法制备得到。所述的高存留率纳米增强的复合钎料，其中，所述复合钎料中，纳米增强相的净存留率>1wt.%。有益效果：相较于现有技术，本专利技术具有以下好处：（1）本专利技术基于最小表面能原理和非平衡凝固，通过在复合钎料熔化、凝固结晶过程中对焊点互连区域施加超声震动、局部瞬时高温（RTP）等高能载荷，提高纳米增强相及钎料合金的能量状态，使纳米增强相克服液态钎料表面张力和界面能的限制作用，均匀分散在钎料基体中；同时，借助强烈机械震动或高温度梯度作用下钎料内发生的强烈对流运动或成分过冷，引发非平衡凝固，诱导纳米颗粒在溶质捕获效应以及高温度梯度下定向凝固引发的晶界偏析的作用下自组装形成均匀的强化组织或致密的晶间骨架增强结构，以细化晶粒并阻碍晶粒的长大和元素的扩散/迁移，进而改善焊点的服役性能和热/电迁移抗性。（2）与传统复合钎料相比，该复合钎料具有均匀、稳定的材料结构，强度、延伸率和导热导电等性能大幅提高。同时，通过调整纳米增强相的类型和高能驱动方法，可以实现对复合钎料的针对性强化。如掺入导电、导热能力强的纳米增强相并均匀分散，获得各向同性的高性能复合钎料，或促使各种纳米增强相定向排布实现对复合钎料性能的各向异性强化（如掺入绝缘纳米增强相实现单向导电功能，掺入高导热、高强度纳米材料实现单向高导热、剪切/拉伸强度增强等）。（3）本专利技术所述材料可在较短的时间内、较低的温度条件下获得高存留率的纳米增强复合钎料，大幅强化复合钎料的强度、导电率和可靠性，其增强幅度可达50%以上，同时其材料利用率高、工艺结构较为简单且与现有材料制备、加工工艺兼容，尤其适合应用于电子制造领域作为结构材料、热界面材料或封装材料。附图说明图1为实施例2所得高存留率纳米IMC增强复合钎料焊点的微观组织形貌。图2为实施例3所用复合腔体结构的示意图。具体实施方式本专利技术提供一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供一种高存留率纳米复合钎料的制备方法，其中，包括：步骤S1：提供钎料基体、纳米增强相和腔体；步骤S2：分别对所述钎料基体、纳米增强相和腔体进行清洗，并分别进行表面处理；步骤S3：将步骤S2所得钎料基体和纳米增强相混合，所得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高存留率纳米复合钎料的制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：提供钎料基体、纳米增强相和腔体；步骤S2：分别对所述钎料基体、纳米增强相和腔体进行清洗，并分别进行表面处理；步骤S3：将步骤S2所得钎料基体和纳米增强相混合，所得混合物置入腔体后制成块体材料或预成型片；步骤S4：封闭步骤S3所得含有块体材料或预成型片的腔体，在外部高能辅助作用下将所述块体材料或预成型片进行熔化、凝固，得到高存留率纳米复合钎料。

【技术特征摘要】
1.一种高存留率纳米复合钎料的制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：提供钎料基体、纳米增强相和腔体；步骤S2：分别对所述钎料基体、纳米增强相和腔体进行清洗，并分别进行表面处理；步骤S3：将步骤S2所得钎料基体和纳米增强相混合，所得混合物置入腔体后制成块体材料或预成型片；步骤S4：封闭步骤S3所得含有块体材料或预成型片的腔体，在外部高能辅助作用下将所述块体材料或预成型片进行熔化、凝固，得到高存留率纳米复合钎料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述钎料基体为Sn基合金、Bi基合金、Zn基合金、In基合金、Au基合金、Pb基合金中的一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述纳米增强相为纳米SiC、纳米WC、纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3、纳米银、碳纳米管、石墨烯中的一种；所述纳米增强相为纳米颗粒增强相、纳米线增强相或纳米管增强相，所述纳米颗粒增强相的平均粒径为10nm-1μm，所述纳米线、管增强相的平均直径为30-200nm，长度为5-100μm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述清洗包括超声分散、酸洗、碱洗、有机溶剂清洗、烘干；所述表面处理包括利用敏化、等离子活化、表面活性剂进行表面改性或通过电镀、化学镀和超声包覆在表面沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓婷，祝温泊，朱宇阳，顾佳慧，胡博，汪敏，李明雨，马鑫，
申请(专利权)人：深圳市汉尔信电子科技有限公司，哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44