Bi@MAX核壳结构、高可靠无铅焊料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了Bi@MAX核壳结构，包括MAX相微纳颗粒和Bi颗粒，MAX相微纳颗粒包覆在Bi颗粒表面。本发明专利技术还公开了Bi@MAX核壳结构的制备方法。本发明专利技术还公开了包含Bi@MAX核壳结构的高可靠无铅焊料及其制备方法。本发明专利技术将MAX相微纳颗粒包裹在Bi金属颗粒表面，制成Bi@MAX核壳结构，然后将其添加到Sn基合金基体中，形成Bi@MAX/Sn基合金复合焊料。在焊接过程中，Sn基合金基体中不含Bi元素，能够避免晶须的快速形核。而在焊料使用过程中，Bi元素会通过MAX相颗粒间的界面及MAX相中的A原子层缓慢释放到基体中，抑制Sn晶须的形核过程，有效发挥Bi元素在低温下对Sn晶须的抑制作用。在低温下对Sn晶须的抑制作用。在低温下对Sn晶须的抑制作用。

【技术实现步骤摘要】
Bi@MAX核壳结构、高可靠无铅焊料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种Bi@MAX核壳结构、高可靠无铅焊料及其制备方，属于无铅焊料


技术介绍

[0002]以锡（Sn）晶须为代表的金属晶须自发生长现象由来已久。Sn晶须会以引发短路、形成金属蒸汽电弧、干扰电子元器件的感光表面等形式引发电路失效，对电路系统可靠性造成巨大威胁。由于金属晶须问题，二战期间战机中无线电设备频繁发生短路并导致重大事故，至少4颗商业卫星完全失效。1959年，贝尔实验室发现在锡中添加少量铅（Pb）可以有效缓解锡晶须生长。同时Sn
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Pb合金还具有熔点低、润湿性好、成本较低等优势，直到21世纪初，Sn
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Pb合金焊料仍然被广泛应用于工业界。
[0003]然而，Pb作为三大重金属污染物之一，会影响人体神经系统、心血管系统、骨骼系统、生殖系统和免疫系统的功能，对人体造成严重损伤。自2003年欧盟颁布《报废电子电气设备指令》（简称WEEE）和《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（简称RoHS）禁令以来，世界各国积极推动电子产品“无铅化运动”，使Sn晶须自发生长再次成为威胁电子系统可靠性的棘手问题。
[0004]目前锡基焊料中的无铅化抑制方法，主要包括非铅合金化、涂覆保形涂层、预镀隔离层、优化热处理工艺等。其中合金化从材料自身的性质出发解决Sn晶须问题，且有望同时改善无铅焊料的使用性能，具有独特的优势。铋（Bi）元素由于一些性质与Pb相似，被看作一种有望取代Pb而抑制晶须生长的元素。然而，实验研究表明Sn
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Bi合金在较低的温度下能够抑制Sn晶须生长，但在较高温度或热循环环境中，Sn
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Bi合金却具有较强的Sn晶须生长倾向。
[0005]Sn
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Bi合金虽然在较低温度下能够抑制锡晶须生长，但在较高温度或热循环环境中仍有较强的Sn晶须生长倾向。
[0006]专利技术人对上述现象进行研究发现，Bi元素在低温下对晶须生长的抑制作用是抑制了晶须形核过程。当Sn
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Bi合金处于较高温度的环境中，会加快晶须形核速度，具有较强的Sn晶须生长倾向。而且即使Sn
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Bi合金只是短暂处于高温环境，Sn晶须也会迅速形核，使Sn
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Bi合金在低温环境中也具有较强的Sn晶须生长倾向。而焊料在使用过程中必然会经历高温焊接过程，会导致晶须快速形核，因此在无铅焊料中直接添加Bi元素来抑制晶须生长的效果有待进一步提升。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种Bi@MAX核壳结构，该核壳结构能够缓慢释放Bi元素，由于MAX相微纳颗粒的包裹，Bi元素在短暂的焊接过程中来不及扩散至基体中，能够有效避免Sn
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Bi合金在焊接过程中形成大量晶须核心的问题。同时MAX相微纳颗粒之间存在大量界面，MAX相中的A原子层也可以为Bi原子扩散提供路径，因此在焊料的长期
服役过程中，被MAX相包裹的Bi颗粒中的Bi原子会缓慢向基体中迁移，并在较低的温度下充分发挥Bi元素对晶须的抑制作用。既避免了焊接过程中Sn晶须快速形核，也能够在焊料服役过程中有效抑制Sn晶须生长。
[0008]同时，本专利技术提供一种Bi@MAX核壳结构的制备方法。
[0009]同时，本专利技术提供一种包含Bi@MAX核壳结构的高可靠无铅焊料。
[0010]同时，本专利技术提供一种高可靠无铅焊料的制备方法。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：Bi@MAX核壳结构，包括MAX相微纳颗粒和Bi颗粒，MAX相微纳颗粒包覆在Bi颗粒表面。
[0012]Bi颗粒的粒径为5~50微米。
[0013]MAX相的化学通式为M
n+1
(A1‑
x
Bi
x
)X
n
，其中M为过渡金属元素，A为IIIA和IVA主族元素，X为碳或氮；M元素、A元素、Bi元素和X元素的摩尔比为n+1:1
‑
x:x:n，n=1、2、3
…
，0＜x＜0.5。
[0014]MAX相微纳颗粒和Bi颗粒的质量比为1:1至3:1。
[0015]包含Bi@MAX核壳结构的高可靠无铅焊料，包括Sn合金占整体材料质量的90%~99%；Bi@MAX核壳结构占整体材料质量的1%~10%。
[0016]Sn合金即为基体相，基体相包括Sn
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Cu合金、Sn
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Ag合金、Sn
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In合金、Sn
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Zn合金、Sn
‑
Ag
‑
Cu合金。
[0017]Bi@MAX核壳结构的制备方法，包括以下步骤：S1：将MAX相粉体置于等离子球磨机中，进行等离子球磨，得到MAX相微纳颗粒；S2：将MAX相微纳颗粒和Bi颗粒按相应质量比称量后放入球磨机中进行低能球磨；S3：将多余的MAX相微纳颗粒筛除，得到Bi@MAX核壳结构。
[0018]等离子球磨的转速为1000~1500r/min，放电频率为8~10kHz，时间为6~24h。
[0019]低能球磨的球磨转速为50~200r/min，时间为12~48h。
[0020]高可靠无铅焊料的制备方法，包括以下步骤：S1：将MAX相粉体置于等离子球磨机中，进行等离子球磨，得到MAX相微纳颗粒；S2：将MAX相微纳颗粒和Bi颗粒按相应质量比称量后放入球磨机中进行低能球磨；S3：将多余的MAX相微纳颗粒筛除，得到Bi@MAX核壳结构；S4：将Bi@MAX核壳结构和Sn合金粉末按相应质量比称量后放入混粉机中混合均匀；S5：将混合均匀的粉体取出，通过冷压成型得到生坯；S6：将生坯置于烧结炉中，在保护气氛下进行烧结，然后随炉冷却得到Bi@MAX/Sn基合金复合焊料。
[0021]S4中，混合时间为6~48h。
[0022]S5中，冷压成型压力为100~1000MPa，保压时间为1~10min。
[0023]S6中，保护气氛为真空、氩气或氮气气氛，烧结温度为180~230℃，保温时间为1~2h，升温速率为5~15℃/min。
[0024]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种Bi@MAX核壳结构、高可靠无铅焊料及其制备方法，将MAX相微纳颗粒包裹在Bi金属颗粒表面，制成Bi@MAX核壳结构，然后将其
添加到Sn基合金基体中，形成Bi@MAX/Sn基合金复合焊料。在焊接过程中，Sn基合金基体中不含Bi元素，能够避免晶须的快速形核。而在焊料使用过程中，Bi元素会通过MAX相颗粒间的界面及MAX相中的A原子层缓慢释放到基体中，抑制Sn晶须的形核过程，有效发挥Bi元素在低温下对Sn晶须的抑制作用。
[0025]本专利技术主要解决无铅焊料中的锡晶须自发生长问题。本专利技术的适用范围广，可应用于不同成分的无铅焊料，对Sn晶须本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.Bi@MAX核壳结构，其特征在于，包括MAX相微纳颗粒和Bi颗粒，MAX相微纳颗粒包覆在Bi颗粒表面。2.根据权利要求1所述的Bi@MAX核壳结构，其特征在于，MAX相的化学通式为M
n+1
(A1‑
x
Bi
x
)X
n
，其中M为过渡金属元素，A为IIIA和IVA主族元素，X为碳或氮；M元素、A元素、Bi元素和X元素的摩尔比为n+1:1
‑
x:x:n，n=1、2、3
…
，0＜x＜0.5。3.根据权利要求1所述的Bi@MAX核壳结构，其特征在于，MAX相微纳颗粒和Bi颗粒的质量比为1:1至3:1。4.包含根据权利要求1~3任意一项所述的Bi@MAX核壳结构的高可靠无铅焊料，其特征在于，包括Sn合金占整体材料质量的90%~99%；Bi@MAX核壳结构占整体材料质量的1%~10%。5.根据权利要求1~3任意一项所述的Bi@MAX核壳结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将MAX相粉体置于等离子球磨机中，进行等离子球磨，得到MAX相微纳颗粒；S2：将MAX相微纳颗粒和Bi颗粒按相应质量比称量后放入球磨机中进行低能球磨；S3：将多余的MAX相微纳颗粒筛除，得到Bi@MAX核壳结构。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉爽，刘哲学，姚函妤，陶学伟，于皓，王捷，朱一鸣，王金婷，曹璐，李小雪，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：