一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法及封装方法技术

本发明专利技术提供了一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法及封装方法，所述金属气凝胶基预成型焊片的制备方法包括以下步骤：准备金属气凝胶基体，对其进行清洗和表面裁切；将所得的金属气凝胶基体进行压缩，经过裁切得到预成型焊片。采用金属气凝胶基预成型焊片进行封装时，根据焊接结构对其进行加工，使尺寸和形状适应；然后将加工后的金属气凝胶基预成型焊片放置在待焊位置，对准、加压，并施加焊接载荷，完成封装。本发明专利技术技术方案所得纳米金属气凝胶基材料具有良好的可变性性能、结构适应性和材料兼容性；不含额外的助焊剂及保护剂等，且所需焊接温度低、焊点完整性高、焊后强度及高温性能好，能够解决异质材料的大尺寸低温封装、高温服役难题。

【技术实现步骤摘要】
一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法及封装方法
本专利技术涉及电子封装材料及
，尤其涉及一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法及封装方法。
技术介绍
随着电子工业的不断革新和第三代宽禁带半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的发展，电子系统的集成度和功率密度日益提高，具有高温（>250℃）服役需求的功率电子器件得到了越来越广泛的应用。然而，传统的封装材料和技术难以满足该类器件的封装和服役要求。常见的Sn基焊料熔点较低，在高温情况下将直接失去结构强度和稳定性；高铅焊料具有严重的环境毒性；An-Sn系高温钎料合金的成本极高，Zn基、Cu基、Al基等焊料容易氧化、可焊性较差；Au-Au互连和Si-Si互连等方法对表面平整度的要求极高；同时这些材料所需较高的焊接工艺温度也会引起电子系统内部基板、线路、热敏感器件的热损伤，甚至失效，因此亟待具有低温封装要求和高温服役性能的新型封装材料。由于纳米尺寸效应，当材料的尺寸达到纳米量级（1-100nm）时，其表面活性将大幅提高，并引起熔点的显著降低。例如，银的熔点为961℃，但纳米银在250-300℃即可完成烧结，形成性能接近银单质的块体材料。因此，以纳米材料作为封装材料能够在较低的温度条件实现高温服役的互连需求。然而，电子元器件的集成和封装结构越来越复杂，电子系统中不断出现腔体、曲面、阶梯集成等特殊结构。现有的纳米银焊膏难以满足此类结构的封装需求，不仅难以涂敷，且由于助焊剂、表面活性剂等组分的挥发，易导致孔洞、强度不足等可靠性问题，甚至虚焊、失效。因此，亟需研发一种具有复杂结构自适应焊接能力的封装材料。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法及封装方法，采用具有柔弹性的金属气凝胶作为材料基底，得到的预成型焊片兼备良好的变形性、可焊性和物理、化学性能，可以实现各种复杂结构和材料的自适应焊接。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤S1，准备金属气凝胶基体，对金属气凝胶基体进行清洗和表面裁切，去除残余试剂和不均匀区；步骤S2，将所得的金属气凝胶基体进行压缩，经过裁切得到预成型焊片。气凝胶是一种以气体为分散介质的凝胶材料，其内部固体相尺寸和孔隙结构大小均为纳米量级，因而也具有纳米材料的尺寸效应以及低温烧结、高温服役的材料优势。气凝胶材料内部为由纳米线交织而成的连续的三维立体网络，且宏观结构具有优秀的弹柔性和变形能力，可置于凹面、曲面、环形、阶梯状等各种复杂结构界面，自适应匹配并填充焊接区域，因此是一种具有显著应用和性能优势的封装材料，所以有望解决本专利技术
技术介绍
的封装难题。作为本专利技术的进一步改进，所述金属气凝胶基体的材料包括银、铜、镍、金、锡等金属材料中的至少一种。即可以采用其中的一种，或者两种以上的复合。作为本专利技术的进一步改进，所述金属气凝胶基体内部为金属纳米线组成的三维立体网络。进一步的，所述金属纳米线的直径为20-1000nm，所述金属纳米线的线间空隙尺寸为50nm-10μm，密度为1-600mg/cm3。采用此技术方案，能够利用纳米材料的尺寸效应，有效提高材料的可变形能力和焊接性，并降低所需制作成本。作为本专利技术的进一步改进，所述金属气凝胶基体的厚度为5-100mm。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述金属气凝胶基体通过絮凝-冷冻固化或基于三维生长活性剂的“一步式”液相还原的方法实现纳米相之间的交联，并采用超临界干燥或冷冻干燥方法去除残余溶剂。其中，基于三维生长活性剂的“一步式”液相还原的方法反应流程简单，环境及设备要求低，可以保证纳米线的三维生长过程快速、充分进行，形成凝胶组织，能够有效去除未完全反应的前驱体、表面活性剂和有机溶剂等，并可避免干燥过程中气凝胶结构由于液体表面张力的作用而坍塌或者损坏。而絮凝-冷冻固化方式以纳米线为原料，制作及清洗过程较为复杂，但可以进行大规模干燥，制备效率较高。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述基于三维生长活性剂的“一步式”液相还原所得金属气凝胶基体采用以下步骤制备：预制三维生长活性剂，即将活性基体材料加入到溶剂中混合，得到三维生长活性剂；混合金属前驱体、表面活性剂、三维生长活性剂，搅拌均匀；放入密闭的反应模具中进行加热，反应得到与模具表面结构相同且内部含有溶剂的金属气凝胶基组织；将气凝胶半成品取出，清洗去除残余溶剂、游离纳米线单体和活性剂，干燥，最终得到具有三维立体结构的金属气凝胶基组织。得到的金属气凝胶基组织为果冻状的块体，其内部组织为相互交联为泡沫状的纳米线连续网络结构。这种气凝胶的制备工艺简单可控且稳定，适合于大规模工业生产。作为本专利技术的进一步改进，所述活性材料基体为木质素、纤维素、氨基酸、石蜡材料及前述材料的分解产物中的一种或几种的混合物。作为本专利技术的进一步改进，所述三维生长活性剂中溶剂的质量比不小于70%；所述溶剂为丙酮、乙醇或多元醇。所述混合的方式为采用加热、搅拌、球磨等方式进行混合。作为本专利技术的进一步改进，将活性材料基体进行清洗和活化后再加入到溶剂中混合溶解，得到三维生长活性剂。所述溶解为借助加热、搅拌、球磨等进行的溶解或分散。作为本专利技术的进一步改进，所述金属前驱体、表面活性剂为制备Ag、Cu、Ni或Au等纳米线所需的相应的反应试剂。进一步的，所述金属前驱体为制备Ag、Cu、Ni或Au等金属纳米线所需的相应的盐或有机化合物，所述表面活性剂为相应的PVP、水合肼、葡萄糖等常用表面活性剂。进一步的，所述混合金属前驱体、表面活性剂、三维生长活性剂的方式为电磁或机械搅拌，搅拌速度为100-400rpm，以保证形核的稳定性，并抑制晶核过度生长。作为本专利技术的进一步改进，所述密闭的反应模具为由聚四氟乙烯、不锈钢或其他不与溶剂发生物理及化学反应的材料所制的具有内部腔体的模具。作为本专利技术的进一步改进，所述密闭的反应模具的内部腔体深度不大于50mm。这是由于气凝胶及纳米线的生长往往受氧化过程的影响，即使使用更深的腔体，也无法取得更大尺寸的气凝胶，只有当加入其他氧化剂如H2O2、O3、Fe3+等提高反应活性时，才能使用更深的腔体。作为本专利技术的进一步改进，所述清洗采用浸泡+连续溶剂置换的方式。进一步的，置换过程中，溶剂完全淹没金属气凝胶组织，置换过程依次使用去离子水-丙酮/乙醇-去离子水或单一溶剂，溶剂的置换速度为1-50ml/min，置换时间为0.5-24h。溶剂置换速度过快，易引起凝胶结构的破损，置换速度过慢则无法实现凝胶内部的清洗，而0.5h是高置换速度条件下保证清洗效果所需的最短置换时间。作为本专利技术的进一步改进，采用超临界干燥或超低温N2冷冻+真空冷冻干燥的方式进行干燥。采用本专利技术的技术方案得到的纯金属气凝胶具有三维立体结构，其为完全由纳米线交联组成的泡沫状柔性块体材料。上述干燥方法可以避免气凝胶网络结构由于液体表面张力作用而造成坍塌或损坏。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1还包括对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：/n步骤S1，准备金属气凝胶基体，对金属气凝胶基体进行清洗和表面裁切，去除残余试剂和不均匀区；/n步骤S2，将所得的金属气凝胶基体进行压缩，经过裁切得到预成型焊片。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属气凝胶基预成型焊片的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S1，准备金属气凝胶基体，对金属气凝胶基体进行清洗和表面裁切，去除残余试剂和不均匀区；
步骤S2，将所得的金属气凝胶基体进行压缩，经过裁切得到预成型焊片。


2.根据权利要求1所述的金属气凝胶基预成型焊片的制备方法，其特征在于：所述金属气凝胶基体的材料包括银、铜、镍、金、锡中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的金属气凝胶基预成型焊片的制备方法，其特征在于：所述金属气凝胶基体内部为金属纳米线组成的三维立体网络，所述金属纳米线的直径为20-1000nm，所述金属纳米线的线间空隙尺寸为50nm-10μm，密度为1-600mg/cm3；所述金属气凝胶基体的厚度为5-100mm。


4.根据权利要求1所述的金属气凝胶基预成型焊片的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述金属气凝胶基体通过絮凝-冷冻固化或基于三维生长活性剂的“一步式”液相还原的方法实现纳米相之间的交联，并采用超临界干燥或冷冻干燥方法去除残余溶剂。


5.根据权利要求4所述的金属气凝胶基预成型焊片的制备方法，其特征在于：
步骤S1中，所述基于三维生长活性剂的“一步式”液相还原所得金属气凝胶基体采用以下步骤制备：将活性基体材料加入到溶剂中混合，得到三维生长活性剂；混合金属前驱体、表面活性剂、三维生长活性剂，搅拌均匀，放入密闭的反应模具中进行加热，反应得到与模具表面结构相同且内部含有溶剂的金属气凝胶基组织；将气凝胶半成品取出，清洗去除残余溶剂、游离纳米线单体和活性剂，干燥，最终得到具有三维立体结构的金属气凝胶基...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝温泊，杨帆，韩喆浩，胡少伟，胡博，李明雨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44