一种高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法技术

一种用于电子封装的高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法，本发明专利技术涉及复合钎料及其制备方法领域。本发明专利技术的目的是要解决现有钎料熔点高，焊接润湿性差以及面对功率器件小型化导致焊点内部承载负载电流过大致使焊点失效的问题。该颗粒增强复合钎料包括：Sn基钎料、In基钎料等。增强颗粒包括：Mo颗粒、Cu颗粒、SiC颗粒、Al2O3颗粒、TiO2颗粒、石墨烯、碳纳米管等。本发明专利技术通过调节添加增强相颗粒的比例，达到调节钎料组织性能的目的，抑制了界面IMC的生长、细化了IMC颗粒尺寸，提高了焊接接头强度，改善焊点电迁移抗性。可以根据不同的工作条件，适配合适的硬度、电导率等性能指标的钎料，本发明专利技术可获得一种复合钎料。本发明专利技术可获得一种复合钎料。本发明专利技术可获得一种复合钎料。

A high retention multi size particle reinforced low temperature composite solder and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法


[0001]本专利技术涉及合金钎料及其性能研究领域

技术介绍

[0002]随着传统化石能源的枯竭以及绿色经济的兴起，新能源产业尤其是电力能源得到了大力发展。电力资源的大规模应用对发电、传输、存储、电路控制以及转化的提出了更高的要求。目前，功率电子器件正朝着小型化、高功率密度以及多功能方向发展，内部焊点所承受的热、机、电载荷越来越大，对封装材料提出更高的性能需求。
[0003]为解决这一不足，一方面通过在钎料基体中加入反应性颗粒的方法改善钎料性能，例如在CN109277721B中采用此方法向Sn
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Cu
‑
Ni加入一定含量的Ca和Nd元素，在合适的合金含量范围内钎料的润湿性，焊接接头可靠性得到一定程度改善并且一直钎缝处金属间化合物厚度和钎焊接头锡须的生长。但Ca和Nd元素可添加含量范围十分狭窄，受误差影响较大，且钎料性能规律性较差，此外钎料中加入Ni使得经济成本增加。在专利CN 107538149 B中通过多次熔炼和水冷铜模吸铸法向母合金Sn
‑
Cu中加入Co和Ni合金元素，使得钎料具有更高的接头强度、良好的导电性，较高的使用温度，同时铺展性能也得到了提升，但是多次向钎料中添加合金元素会导致钎料中含有一定量杂质，此外向钎料中添加反应性颗粒会与合金在颗粒外围发生部分反应生成化合物，使得钎料性能下降，长时间时效以及稍高温度会导致钎料中晶粒长大，老化。此外加入Co和Ni会增加钎料经济成本。因此这些问题在很大程度上限制了向钎料中添加反应性纳米颗粒增强相的实际生产应用。在专利CN 114082970 A中利用热压烧结的方法将纳米颗粒氧化石墨烯或碳纳米管复合到钎料中增强钎料性能的方法，可以将纳米颗粒和钎料固态结合添加至钎料中并且操作简单，但是热压烧结的方法需要定制模具，成本较高，此外纳米颗粒添加过程中颗粒团聚的现象无法避免，造成成分不均匀。
[0004]另一方面通过在钎料基体内引入非反应性颗粒强化相以获得性能优异的复合钎料也是目前钎料性能优化的研究热点。专利CN 108817727 A采用热解法合成强结合镀铜石墨烯增强的高强Sn
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Ag
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Cu
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RE系复合钎料。Cu纳米粒子均匀分布在石墨烯表面，形成强结合，提高复合钎料的性能。但是实现石墨烯的表面金属化方法较为复杂不利于广泛应用，且石墨烯纳米片原材料价格较高。
[0005]而本专利技术则是利用非反应性Mo颗粒作为强化相，凭借其极高的熔点以及良好的稳定性加入钎料后能够细化组织改善其力学性能，而且掺杂后复合体系仍能表现出良好的导电性。此外非反应性纳米颗粒作为强化相的钎料纯度更高，杂质更少。因此，采用该方法操作简单，绿色无毒，成本得到合理的控制且制备所得产品质量较高，适合实际生产生活中大批量生产。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是要解决功率器件小型化和高功率密度化，使其内部焊点承载的电
流负载高，引发焊点过早失效的问题，而提供一种新型复合颗粒增强相纤料及其制备方法。
[0007]一种新型复合纤料由锡基、铟基金属及合金和强化颗粒制备而成；
技术实现思路
如下但不限于下列合金钎料，该Sn
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Cu
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Mo合金钎料按照元素重量份数包括，0.7份Cu、x份Mo和其余成分的Sn，其表达式为Sn
‑
0.7Cu
‑
xMo，其中x取值为0.25wt.％、0.5wt.％、0.75wt.％、1.0wt.％。
[0008]所述的一种新型复合Sn
‑
Cu
‑
Mo合金钎料的制备方法，按以下步骤进行：
[0009]按照表达式Sn
‑
0.7Cu
‑
xMo中各元素重量比，按照比例称取纯度99.00％的Sn颗粒、Cu颗粒以及Mo微米颗粒共10g，混合均匀，得到混合粉末，其中x取值为0.25wt.％、0.5wt.％、0.75wt.％、1.0wt.％；
[0010]将步骤一获得的混合粉末放入装有酒精的烧杯中进行30min的超声波震荡搅拌，然后过滤烘干，并分别进行表面活化处理；
[0011]将步骤二获得的混合粉末放入石英坩埚中，加入覆盖剂，然后采用电磁搅拌加热炉加热至500℃，保温2h，自然冷却，获得熔液；
[0012]将步骤三获得的熔液放入高频感应熔炼炉中进行二次熔炼，同时进行充分机械搅拌，冷却后的铸锭均使用超声波清洗器在酒精中去除表面残留的覆盖剂以及油污，获得钎料液；
[0013]将步骤四获得的钎料液在室温下凝固轧制成长条片状钎料，得到所述一种多尺寸颗粒强化低温复合钎料。
[0014]本专利技术的有益效果是：
[0015]本专利技术通过液态金属法将微米级的增强相Mo颗粒添加至Sn
‑
0.7Cu钎料中，Mo作为强化颗粒，凭借其极高的熔点以及良好的稳定性加入钎料后能够细化组织改善其力学性能，而且掺杂后复合体系仍能表现出良好的导电性，合理控制钎料熔程，避免形成固溶体或化合物，提高钎料稳定性，改善焊接反应层形貌减缓老化速度。
[0016]一、本专利技术制备的新型复合纤料添加少量增强相Mo时，细化钎料微观组织的机理是：
[0017]当成分为Sn
‑
0.7Cu
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0.25Mo时，复合钎料组织由大量的胞状的β
‑
Sn和共晶组织构成。随着Mo微米颗粒添加量进一步的增加，胞状β
‑
Sn被枝晶状β
‑
Sn取代；
[0018]在钎料中掺杂的小尺寸颗粒能够为β
‑
Sn晶粒的形成提供了大量非均质形核点，从而抑制基体中β
‑
Sn的生长。Mo微米颗粒因其较高的表面能，在熔炼阶段极易发生聚集形成尺寸较大的Mo团聚物。这导致了添加微米颗粒较多时细化钎料微观组织的效果反而减弱。
[0019]二、本专利技术制备的新型复合纤料添加少量增强相Mo时，增强钎料显微硬度的机理是：
[0020]在材料变形过程中，Mo微米颗粒作为障碍，抑制了位错运动，阻碍了材料的变形；
[0021]掺杂Mo微米颗粒对Sn
‑
0.7Cu钎料合金组织起到了细化作用。根据霍尔
‑
佩奇关系，晶粒尺寸越小，材料的屈服强度越大，其抵抗变形的能力越强。
[0022]三、本专利技术制备的新型复合纤料添加少量增强相Mo时，降低钎料导电性的机理是：
[0023]Mo本身的电阻率小，而且Mo微米颗粒在钎料体系中十分稳定，没有生产相关的金属间化合物。随着Mo微米颗粒含量的增加，其对钎料基体组织的细化效果减弱，基体内部的自由电子数量减少，而且破坏了钎料基体内部的晶体结构连续性产生了畸变，增加了运动
电子的散射几率。最终导致了复合钎料的电导率进一步下降。
[0024]四、本专利技术制备的新型复合纤料添加少量增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电子封装的高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法，其特征在于：所述高留存率复合钎料为合金钎料形式，包括所述多尺寸金属颗粒强化低温复合钎料构成为微米、亚微米、纳米级强化颗粒和低温钎料基体合金，所述强化颗粒为Mo颗粒、Cu颗粒、SiC颗粒、Al2O3颗粒、TiO2颗粒、石墨烯、碳纳米管等，所述低温钎料基体为Sn基钎料、In基钎料等。2.根据权利要求1所述的一种用于电子封装的高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法，其特征在于：所述多尺寸强化颗粒的平均粒径为50nm、2μm的微纳米添加颗粒。3.根据权利要求2所述的一种用于电子封装的高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法，其特征在于：所述平均粒径为50nm的颗粒粒径范围是35～65nm，所述平均粒径2μm的颗粒粒径范围是1～3μm。4.根据权利要求3所述的一种用于电子封装的高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法，其特征在于：多尺寸强化颗粒构成的混合粉末中，所述平均粒径为50nm颗粒质量分数为20％～30％，所述平均粒径为2μm颗粒质量分数为70％～80％。5.根据权利要求4所述的一种用于电子封装的高留存率多尺寸颗粒强化低温复合钎料及制备方法，其特征在于：所述的三种粒径的质量比例依据Horsfield最密堆积理论与对照实验结果相结合而确定。6.权利要求1～5任一所述基于多尺寸强化颗粒强化低温复合钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：按照表达式Sn
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0.7Cu
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xMo，称取Sn块、Cu块以及Mo颗粒，其中Mo为微纳米增强相；步骤二：分别对所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敬泽，孙云龙，尹佳庆，常晶，翁冠军，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：