CN105772980B - 一种石墨烯‑锡基无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯‑锡基无铅焊料及其制备方法，其所用原料包括石墨烯、硼酸铝晶须和锡，各原料重量比为1~4：0.5~1.5：94.5~98.5。本发明提供的石墨烯‑锡基无铅焊料可替代传统的锡‑铅焊料作为超大规模集成电路的连接材料，克服传统锡‑铅焊料中铅元素带来的环境及健康问题，并具有比现有无铅焊料更高、更可靠的力学性能，是一种符合现代电子工业发展趋势的复合材料。

Description

一种石墨烯-锡基无铅焊料及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-锡基无铅焊料及其制备方法。
背景技术
随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛的发展，计算机、移动电话等产品的迅速普及，使电子产业成为了最引人注目和最具发展潜力的产业之一。电子产业的兴旺也带动了与之密切相关的电子制造业的发展，作为电子制造过程中的一大关键环节，电子封装的重要性也日益显著。而钎焊成为了确保电子封装元器件间导电互连的理想技术。焊料作为一种连接材料，在电子封装过程中担负着实现机械连接、电器连接和热交换等功能的任务。
传统锡-铅焊料合金以其低廉的成本、良好的导电性能和优良的钎焊工艺性能，长期以来被广泛用于元器件封装及印刷电路板组装中，从而成为了电子封装工艺中非常重要的钎焊材料。但是铅会对人体健康及自然环境造成潜在危害。随着电子工业的发展，超大规模集成电路中焊点越来越小，而受到的力学、点穴和热学负载越来越重，对焊料的要求越来越高。传统的锡-铅合金的抗蠕变性能差，不能满足现代电子工业的要求。因此，无铅焊料的开发和应用，担负着保护环境和提高电子产品质量的双重任务。
现有技术的无铅焊料中比较典型的有锡-铜、锡-银-铜、锡-锌等系列合金。但是，到目前为止，仍然没有研制出一种能够完全代替传统锡-铅焊料的无铅焊料。增强焊料性能的可行性方法是在常规焊料里引入第二相，使其成为复合焊料。
石墨烯作为一种目前被广泛关注的碳材料，是目前人类所发现的最薄的二维材料，其微观结构是由碳原子以sp2杂化方式连接而成的。由于石墨烯本身具有稳定的共轭电子体系，因而可以表现出许多优良的物理特性。例如：石墨烯的强度是钢的100多倍，达130GPa，是目前得到的强度最大的材 ；石墨烯的热导率为5×103 W·m-1K-1，是金刚石的3倍；石墨烯具有已知最高的载流子迁移率，为1.5×104 cm2·V-1S-1；除此之外，石墨烯还具有其它一些特殊性质，如室温的铁磁性和室温量子霍尔效应等。正因这些突出的性质，石墨烯为发展新颖的、高性能聚合物复合材料提供了可能的途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯-锡基无铅焊料及其制备方法，其可替代传统的锡-铅焊料作为超大规模集成电路的连接材料，克服传统锡-铅焊料中铅元素带来的环境及健康问题，并具有比现有无铅焊料更高、更可靠的力学性能，是一种符合现代电子工业发展趋势的复合材料。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯-锡基无铅焊料，所用原料包括石墨烯、硼酸铝晶须和锡，其重量比为1~4：0.5~1.5：94.5~98.5。其中，所述锡的纯度为99.9%。
所述石墨烯-锡基无铅焊料的制备方法包括如下步骤：
1）在氮气环境下，将锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按比例取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
本发明的显著优点在于：
（1）石墨烯具有良好的力学、电学和热学性质，可以成为传统焊料优良的增强相。理论计算表明，石墨烯力学性能明显优于其他晶须材料，具有很高的刚度；且石墨烯的低密度和良好的结构稳定性，使其在复合焊料领域具有诱人的应用前景。本发明通过添加适当比例的石墨烯，可以降低触头的接触电阻，提高抗熔焊性等性能，使其作为无铅焊料的增强相，达到绿色环保、焊接可靠的要求，替代了传统的锡-铅焊料，提高了无铅焊料的性能；
（2）硼酸铝晶须性能稳定、机械性能优越，可作为补强材料，增大复合焊料的机械强度和拉伸弹性模量。更重要的是，将硼酸铝晶须与石墨烯混合，能使两者有效均匀的分散在锡中，解决石墨烯不能有效均匀的分散在锡中的难题。
（3）本发明将石墨烯、硼酸铝晶须和锡直接混粉，利用粉末冶金的工艺方法，在不破坏石墨烯原有结构的基础上，提高了石墨烯在基体焊料中的分散性，工艺简单，适合大规模生产。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为95.5：4：0.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例2
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为95：4：1称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例3
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为94.5：4：1.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例4
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为96：3.5：0.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例5
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为95.5：3.5：1称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例6
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为95：3.5：1.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例7
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为96.5：3：0.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例8
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为96：3：1称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例9
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为95.5：3：1.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例10
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为97：2.5：0.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例11
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为96.5：2.5：1称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例12
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为96：2.5：1.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例13
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为97.5：2：0.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例14
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为97：2：1称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
实施例15
1）在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按重量比为98.5：1：0.5称取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min，混合转速为100r/min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5：1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350℃，挤压比为20：1，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
经检测，本发明所得石墨烯-锡基无铅复合焊料的抗拉强度为54.2MPa以上，屈服强度为50.9MPa以上，电阻率低于11.2μΩ·cm-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种石墨烯-锡基无铅焊料，其特征在于：所用原料包括石墨烯、硼酸铝晶须和锡，其重量比为1~4：0.5~1.5：94.5~98.5；
所述石墨烯-锡基无铅焊料的制备方法包括如下步骤：
1）在氮气环境下，将锡超声雾化成200目的锡粉；
2）按比例取所得锡粉与石墨烯、硼酸铝晶须，于V型混粉机中混合2h；
3）将步骤2）所得混合粉体放入VC高效混合机中混合10min；
4）将步骤3）所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h；
5）将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结；
6）将热压烧结后的坯体挤压加工成型，制成所述石墨烯-锡基无铅焊料。
2.根据权利要求1所述石墨烯-锡基无铅焊料，其特征在于：所述锡的纯度为99.9%。
3.根据权利要求1所述石墨烯-锡基无铅焊料，其特征在于：步骤2）中混合转速为10r/min。
4.根据权利要求1所述石墨烯-锡基无铅焊料，其特征在于：步骤3）中混合转速为100r/min。
5.根据权利要求1所述石墨烯-锡基无铅焊料，其特征在于：步骤4）中球料的重量比为5：1。
6.根据权利要求1所述石墨烯-锡基无铅焊料，其特征在于：步骤5）中热压烧结的压力为50MPa，温度600℃，烧结时间为2h。
7.根据权利要求1所述石墨烯-锡基无铅焊料，其特征在于：步骤6）中挤压加工成型的温度为350℃，挤压比为20：1。
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