一种复合金属材料、包含其的高热导率低温钎料膏制造技术

本发明专利技术涉及一种复合金属材料、包含其的高热导率低温钎料膏，所述复合金属材料为Cu核/Ag中间层/Sn外壳型金属粉(Cu@Ag@Sn)，或Cu核/Ni中间层/Sn外壳型金属粉(Cu@Ni@Sn)，颗粒尺寸在20μm～60μm；该复合金属材料与Sn

【技术实现步骤摘要】
一种复合金属材料、包含其的高热导率低温钎料膏


[0001]本专利技术涉及电子焊接
，一种复合金属材料、包含其的高热导率低温钎料膏。

技术介绍

[0002]随着电子产品向超大规模集成化、微型化发展，芯片互联密度急剧增加，在此背景下，焊锡膏已成为表面贴装技术(SMT)中最重要的连接材料。但由于高功率器件发热量大，工作温度高，因此对芯片粘贴所用的针料的导热性能提出了新的挑战。因此，开发出高导热系数针料已成为重要的研究问题。
[0003]传统焊锡膏普遍使用锡银铜(SAC)系列合金作为焊接材料，焊接温度通常需要不低于240℃，电子器件的焊接过程中易产生器件变形等问题，因此目前市场上多采用以Sn
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Bi系列合金为低温焊料的焊锡膏，其中共晶点Sn
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58Bi合金熔点为138℃。Sn
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Bi系列合金中Bi的含量对熔点影响较大，当Bi含量低于58wt％时，则合金熔点高于138℃；反之，则合金熔点低于或等于138℃。
[0004]一方面，现有该系列合金在凝固时会出现偏析硬脆的Bi，导致其导热系数和拉伸强度较低，抗机械跌落冲击性能也较差。另一方面，降低Bi含量可以提升导热性能，但是会导致合金的熔点升高，而铜管焊接时，需要在140℃以下进行，如图1所示，将铜管与散热装置通过焊料进行钎焊，为将铜管的热量更快的传导至散热装置上进行降温，需要将焊料的导热系数提高，同时，受铜管热膨胀的影响，要求焊料焊接温度不能150℃。为了将铜管焊接到散热装置上，焊料需要在低于140℃的情况下熔化，否则，铜管中的液体有爆炸风险。
[0005]因此，开发出一种高导热系数低温钎料具有重要意义。
[0006]复合焊料是一种新型的增强性能的焊料，通过在传统焊料中添加微纳米颗粒，稀有元素和多孔金属等材料制成。近年来，复合焊点由于其在传统焊点中的重要特性，特别是在剪切强度，热稳定性，金属间化合物生长和相成核方面，在学术界和工业界都引起了极大的关注。扬州大学的Yang Liu等人研究发现(Liu,Yang,et al.Journal of Materials Science:Materials in Electronics.2020,31,8258
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8267.)，在Sn58Bi合金中添加多孔泡沫Cu片，可提高Sn58Bi合金的导热系数至41.32W/(m
·
K)，但该方法采用的泡沫Cu成本较高且制成的片层结构不能直接用于配制钎料膏。哈尔滨理工大学的Hao Zhang等人(Hao Zhang,et al.Journal of Materials Science:Materials in Electronics.2019,30:340
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347)向Sn58Bi钎料膏中添加5wt.％的直径5μm的Cu颗粒，可令Sn58Bi钎料层的热导率从18.89W/(m
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K)提升至26.60W/(m
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K)，在LED封装上表现出了较好的热学性能。哈尔滨工业大学的陈宏涛等人(Hongtao Chen,Tianqi Hu,et al.IEEE Transactions on Power Electronics.2017,32(1):441
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51.)提出了一种Cu@Sn核壳结构的钎料。通过在Cu颗粒表面镀Sn形成Cu@Sn核壳金属颗粒，然后将Cu@Sn核壳金属颗粒在30MPa压力下，压制成400
±
20μm复合钎料片，用于Cu
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Cu连接。由于大量Cu核的存在，复合钎料片的热导率可达127.99～154.26W/(m
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K)。但该复合钎料片需要在250℃下实现焊接，以使Sn层熔化使钎料中Cu球相
互连接，外层Sn转变成具有高重熔温度Cu
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Sn金属间化合物，最终使得焊缝耐高温且具备抗热循环的能力，并不适用于150℃的低温连接。因此，开发出一款可用于钎料膏的低熔点、高导热系数的钎料十分重要。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种复合金属材料，该复合金属材料为Cu@Ag@Sn核壳金属粉，或Cu@Ni@Sn核壳金属粉，在回流过程中Sn外壳层不熔化或有限熔化，从而保护Cu核和Ag、Ni中间层不溶解或少量溶解，并且减少内层高热阻金属间化合物Cu6Sn5的生成，可令Sn
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Bi系列钎料85℃下热导率从21.4W/(m
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K)提高到50.82W/(m
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K)，并且钎料熔点仅为138.9℃，适合低温焊接，解决焊料热导率高与熔点低之间矛盾问题，实现热导率和低温熔化的优势结合。
[0008]本专利技术还提供包含上述复合金属材料的高热导率低温钎料膏，其实用性强，解决了目前市面上的钎料膏因热导率低导致功率器件芯片粘贴后散热性差等问题。
[0009]具体方案如下：
[0010]一种复合金属材料，所述复合金属材料呈球形，直径为20μm～60μm；为三层核壳结构，内核为Cu，中间层为Ag或者Ni，壳层为Sn。在具体的实施例中，复合金属材料呈完美的球形，其直径可以是25～55μm，例如可以是30μm，35μm，40μm，42μm，45μm，48μm，50μm，52μm，54μm。具有上述结构的复合金属材料具有较好的结构稳定性，且在焊料中发挥提高焊料导热率的作用，从而提高产品的导热性能。
[0011]进一步的，所述内核的直径为15μm～60μm，优选为20
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50μm，可以是25μm，30μm，33μm，35μm，38μm，40μm，45μm，48μm；所述中间层的厚度为0.5μm～2μm，优选为0.8
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1.8μm，可以是1.0μm，1.2μm，1.4μm，1.5μm，1.6μm，1.7μm；所述壳层的厚度为0.5μm～2μm，优选为0.8
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1.8μm，可以是0.9μm，1.0μm，1.2μm，1.3μm，1.4μm，1.5μm，1.6μm，1.7μm。采用3层厚度优化的复合金属材料，可以更好地发挥对内核的保护作用，且在受热时有效阻止Cu6Sn5的生成，从而显著提高钎料热导率。
[0012]进一步的，所述复合金属材料中按重量计Cu占总重60％
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98％，优选为65
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95％，可以是70％，73％，75％，76％，78％，80％，82％，85％，88％，90％；Ag或者Ni占总重1％
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20％，优选为3
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18％，可以是4％，6％，8％，9％，10％，11％，12％，13％，14％，15％，16％，17％；Sn占总重1％
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20％，优选为3
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18％，可以是4％，6％，8％，9％，10％，11％，12％，13％，14％，15％，16％，17％。通过对3种元素的比例搭配，可以实现了在导热性能提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合金属材料，其特征在于：所述复合金属材料呈球形，直径为20μm～60μm；为三层核壳结构，内核为Cu，中间层为Ag或者Ni，壳层为Sn。2.根据权利要求1所述复合金属材料，其特征在于：所述内核的直径为15μm～60μm，优选为20
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50μm；所述中间层的厚度为0.5μm～2μm，优选为0.8
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1.8μm；所述壳层的厚度为0.5μm～2μm，优选为0.8
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1.8μm。3.根据权利要求1或2所述复合金属材料，其特征在于：所述复合金属材料中按重量计Cu占总重60％
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98％，优选为65
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95％；Ag或者Ni占总重1％
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20％，优选为3
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18％；Sn占总重1％
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20％，优选为3
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18％。4.权利要求1
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3任一项所述复合金属材料的制备方法，其特征在于：所述复合金属材料为Cu@Ag@Sn核壳金属粉，制备过程包括：S1：取Cu粉进行酸洗，之后分散在蒸馏水中形成混合溶液A；S2：将还原剂和稳定剂加入所述溶液A中，超声波分散后加入油胺，获得混合溶液B；将所述混合溶液B倒入反应釜中进行加热反应，收集反应产物，对所述反应产物进行漂洗，然后分散于蒸馏水中，得到混合溶液C；S3：向所述混合溶液C中加入络合剂、光亮剂、硝酸银、pH调节剂，混合均匀后得到混合溶液D；将所述混合溶液D进行保温反应，收集反应产物，进行漂洗，然后分散于蒸馏水中，得到混合溶液E；S4：向所述混合溶液E中加入分散剂、配位剂、Sn粉，搅拌反应，反应结束后收集产物，进行漂洗、干燥，即获得Cu@Ag@Sn核壳金属粉。5.根据权利要求4所述复合金属材料的制备方法，其特征在于：S1中用筛网选取粒径分布在15μm～60μm的Cu粉，进行超声波酸洗，再均匀分散在蒸馏水中形成混合溶液A，使Cu粉浓度为1g/mL～3g/mL；优选地，酸洗采用硝酸、盐酸或硫酸中的任意一种，质量浓度为2％～5％；任选的，S2中所述还原剂为甲酸盐，选自甲酸钠、甲酸钾、甲酸钙中的一种，所述还原剂在所述混合溶液B中的浓度为0.1g/mL～0.2g/mL；所述稳定剂选自N,N
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二甲基甲酰胺、甘油、丙二醇中的一种，所述稳定剂的加量占所述混合溶液B体积的60～80％；油胺的加量占所述混合溶液B体积的3～6％；优选地，所述加热反应是在120℃～200℃下保温10小时～20小时，保温期间施加磁力搅拌，转速为100转/分钟～500转/分钟；所述漂洗采用蒸馏水和乙醇交替漂洗2
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3次；所述混合溶液C的浓度为5g/mL～10g/mL；任选的，S3中所述络合剂选自N
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β
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羟基乙基乙二胺三乙酸、咪唑、檬酸、酒石酸、葡萄糖酸中的至少一种，所述络合剂在所述混合溶液D中的浓度为0.03g/mL～0.05g/mL；所述光亮剂选自甘油、乙二醇、甘氨酸中的一种，所述光亮剂在所述混合溶液D中的浓度为0.003g/mL～0.005g/mL；硝酸银在所述混合溶液D中的浓度为0.004g/mL～0.006g/mL；所述pH调节剂选自硝酸，盐酸中的至少一种，调节所述混合溶液D的pH至3
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4；优选地，所述保温反应是在40℃～70℃下保温2分钟～8分钟，保温期间施加磁力搅拌，转速为100转/分钟～200转/分钟；所述混合溶液E的浓度为0.1g/mL～0.3g/mL；任选的，S4中，所述分散剂选自石蜡、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的至少一种，所述分散剂在所述混合溶液E中的浓度为0.1g/mL～0.2g/mL；所述配位剂选自硫氰化铵，硫脲中的至少一种，所述配位剂在所述混合溶液E中的浓度为0.1g/mL～0.2g/mL；Sn粉在所述混合溶
液E中的浓度为0.03g/mL～0.06g/mL；优选地，所述搅拌反应是在室温下搅拌5
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10分钟，转速为100转/分钟～200转/分钟；收集产物用蒸馏水漂洗2
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3次，在50
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70℃条件下干燥30
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60分钟，即获得Cu@Ag@Sn核壳金属粉。6.权利要求1
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3任一项所述复合金属材料的制备方法，其特征在于：所述复合金属材料为Cu@Ni@Sn核壳金属粉，制备过程包括：P1：取Cu粉进行酸洗，之后分散在蒸馏水中形成混合溶液A；P2：将还原剂和稳定剂加入所述溶液A中，超声波分散后加入油胺，获得混合溶液B；将所述混合溶液B倒入反应釜中进行加热反应，收集反应产物，对所述反应产物进行漂洗...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑序漳，刑济显，王光新，张志昊，李世钦，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：