CN106825999B - 一种泡沫金属复合焊料片的制备方法 - Google Patents

一种泡沫金属复合焊料片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，该方法首先对泡沫金属表面进行处理，然后采用电镀或化学镀工艺在泡沫金属基体表面涂覆一层或多层活性金属并进行退火处理，再将带有活性金属镀层的泡沫金属浸入熔融焊料中进行填充后将其取出，得到泡沫金属增强的低熔点复合焊料，最后进行压延加工得到具有一定厚度的金属焊料箔，以此实现提高泡沫金属复合焊料强度及焊接性能的目的。本发明利用泡沫金属增强Sn基或Zn基焊料，涂覆的活性金属镀层可在一定程度提高泡沫金属基体强度，弥补纯泡沫金属孔隙率对其强度的影响；同时活性金属镀层还有利于低熔点焊料对泡沫金属的填充，改善锡与基体金属难以浸润、界面结合不牢的不利局面。

Description

一种泡沫金属复合焊料片的制备方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种泡沫金属复合焊料片的制备方法。
背景技术
随着电子工业的发展和人们对产品性能的要求越来越高，提高焊料的强度等力学性能逐渐成为提升产品品质的重要攻坚方向。目前研究较为广泛的焊料为Sn-Ag-Cu、Sn-Ag、Sn-Cu和Sn-Zn焊料，由于其抗氧化性差、润湿性不好、强度不够优异等缺陷，在工程应用中受到一定限制。通常用来改善焊料强度等力学性能的方法主要有合金化和颗粒增强。受冶炼工艺的影响，焊料合金化过程中元素的真实添加量难以精准控制，不能很好地达到提高焊料性能的目的。通过添加微米级或纳米级的金属或非金属及相关氧化物颗粒可在一定程度提高焊料的力学性能，但颗粒增强相难以均匀分布、易团聚，仍不能很好地满足工程应用中人们对焊料强度等力学性能的要求。
泡沫金属材料具有轻质和高比刚度、高能量吸收等优点，同时还具有隔热、隔音、吸声等功能，易生产可循环利用、无毒环保，兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能材料。选择合适涂覆工艺，利用泡沫金属增强Sn基或Zn基焊料可制得强度、焊接性能较高的复合焊料。涂覆活性金属镀层可在一定程度提高泡沫金属基体强度，弥补纯泡沫金属孔隙率对其强度的影响；同时活性金属镀层还有利于低熔点焊料对泡沫金属的填充，改善锡与基体金属难以浸润，界面结合不牢的不利局面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，该方法首先对泡沫金属进行表面处理，然后在泡沫金属表面涂覆至少一层活性金属层并进行退火处理，接着通过熔浸的方式对涂覆有活性金属镀层的泡沫金属填充低熔点焊料，最后压延得到金属焊料箔。
按照上述方案，所述泡沫金属通过液态金属凝固法、金属沉积法、固态金属烧结法中的任意一种制得，该泡沫金属为球形开孔泡沫金属，具体选自泡沫铝、泡沫铜、泡沫钛、泡沫镍或泡沫镁中的一种。
按照上述方案，泡沫金属表面处理包括除油除锈处理、表面粗化处理、超声清洗处理、去离子水清洗处理以及预热处理，其中超声清洗时间为5-15min，泡沫金属预热时间为5-15min，预热温度为30-60℃。
按照上述方案，采用电镀或化学镀方法在泡沫金属表面涂覆至少一层活性金属层，所述活性金属层选自Ni层、Ag层、Cu层、Ti层、Cr层中的一种，活性金属层的晶粒尺寸为10-20nm，镀层厚度为5-15μm。
按照上述方案，采用电镀方法在泡沫金属表面涂覆至少一层活性金属层，电镀阳极材料为镍板、铜板、银板、石墨或其他不溶性电极材料中的一种，电镀阴极材料为待镀泡沫金属，电镀温度30-60℃，电镀时间15-40min，电流密度1-5A/dm2。
按照上述方案，涂覆完活性金属的泡沫金属还需依次进行除氢、醇洗、吹干以及退火处理，其中退火处理的温度为280-500℃，保温时间为1-3h。
按照上述方案，填充低熔点焊料时将处理好的泡沫金属浸入熔融的低熔点金属中并保持一段时间，待泡沫金属完全被低熔点金属填充后将其取出，所选用的低熔点金属为Sn基焊料或Zn基焊料中的一种，其中低熔点金属镀层的厚度为1-15μm，低熔点金属填充时间30-120s，填充温度为280-320℃。
按照上述方案，所述低熔点金属为纯Sn、Sn-Bi合金、Sn-Ag合金、Sn-Pb合金、Sn-Zn合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金中的一种，或者Zn-Sn合金、Zn-Al合金中的一种。
按照上述方案，采用双辊压延机、四辊压延机、全自动压片机中的任意一种对泡沫金属进行压延加工，压延得到的金属焊料箔厚度为0.01-0.5mm。
优选的，压延得到的金属焊料箔厚度为0.1-0.5mm。
本发明首先对泡沫金属进行表面处理，然后采用电镀或化学镀工艺在泡沫金属基体表面涂覆一层或多层活性金属层，随后对涂覆有活性金属镀层的泡沫金属进行退火处理，再将带有活性金属镀层的泡沫金属浸入熔融焊料中进行填充得到泡沫金属增强的低熔点复合焊料，最后压延得到具有一定厚度的金属焊料箔，以此实现提高泡沫金属复合焊料强度及焊接性能的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)克服了纯泡沫金属强度低的不足，通过泡沫金属涂覆活性金属得到复合材料，大幅提高了泡沫金属的强度等力学性能；
2)对泡沫金属涂覆活性金属有利于熔锡填充泡沫金属，促进Sn与泡沫金属骨架结合，形成牢固冶金连接；
3)将泡沫焊料压延成金属箔可提高焊料的延展性，便于焊接操作，同时焊料变薄可一定程度增大焊接接头中金属间化合物层所占比例，降低中间层薄弱组织含量，提高焊料焊接性能。
附图说明
图1为本发明泡沫金属复合焊料片制备流程示意图。
图2为本发明泡沫金属复合焊料片制备过程中超声波辅助电镀装置结构示意图。
其中，1为超声仪，2为烧杯，3为阳极，4为参比电极，5为阴极，6为电源负极，7为电源辅助电极，8为电源正极，9为电源工作台。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
如图1所示，一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，包括泡沫金属表面处理、泡沫金属基体表面涂覆活性金属、涂覆有活性金属镀层的泡沫金属老化处理、填充低熔点焊料和压延处理等步骤，其中在泡沫金属基体表面涂覆活性金属的操作所使用的超声波辅助电镀装置如图2所示。
实施例1
本实施例中选用的泡沫金属基体为球形开孔泡沫铝，电镀活性金属镀层为镍，Sn金属基体为纯Sn合金，具体操作步骤如下：
将尺寸为60mm×80mm的泡沫铝经过除油除锈处理后，在超声波环境中清洗10min，再进行表面粗化并用超生波清洗和去离子水清洗各10min；在去离子水浴中预热10min，预热温度为40℃，随后进行超声波辅助电镀。阳极为镍板，阴极为待镀泡沫铝工件，电镀温度40℃，电镀时间30min，电流密度1A/dm2；超声波功率5w/L，频率80kHz，超声作用时间20min。电镀完成后将所得复合泡沫铝材料置于豆油中在185℃下除氢处理，自然冷却擦去浮油，然后进行醇洗、水洗并吹干。选择镀层晶粒尺寸10-15nm，镀层厚度为8μm，且厚度均匀的复合泡沫铝在320℃下保温1.5h。再将退火处理所得的复合泡沫铝金属浸入熔锡中，熔锡温度为300℃，浸入熔锡时间为40s，得附有Sn金属的复合泡沫铝焊料。选择镀锡层厚度为5μm且厚度均匀的泡沫铝焊料，利用四辊压延机制得厚度为0.4mm的金属焊料箔，完成复合焊料片的制备。
显微分析结果表明，超声波辅助电镀促进了Ni与泡沫铝基体的结合，有利于镍在泡沫铝表面均匀沉积，并形成较小尺寸的晶粒。活性金属Ni促进了熔Sn与泡沫铝的结合，改善了Sn与泡沫铝的界面结合性能，较大程度度地提高了泡沫铝与Sn的结合强度。对涂覆活性金属镀层的泡沫金属老化处理促进了泡沫Al与Ni之间的冶金结合。
实施例2
本实施例中选用的泡沫金属基体为球形开孔泡沫钛，电镀活性金属镀层为Cu，Sn金属基体为Sn-Cu合金，具体步骤如下：
将尺寸为50mm×90mm的泡沫钛经过除油除锈处理后，在超声波环境中清洗12min，再进行表面粗化并用超生波清洗和去离子水清洗各12min；在去离子水浴中预热10min，预热温度为35℃，随后进行超声波辅助电镀。阳极为石墨，阴极为待镀泡沫钛工件，电镀温度35℃，电镀时间30min，电流密度1A/dm2；超声波功率5w/L，频率80kHz，超声作用时间20min。电镀完成后将所得复合泡沫铝材料置于豆油中在180℃下进行除氢处理，自然冷却擦去浮油，醇洗并吹干。选择镀层晶粒尺寸10-15nm，镀层厚度为8μm，且厚度均匀的复合泡沫钛填充锡金属。熔融Sn-Cu合金温度为300℃，填充时间为40s，得附有Sn-Cu合金的复合泡沫钛焊料。选择锡层厚度为4μm且厚度均匀泡沫钛焊料进行压延处理，制得厚度为0.3mm的金属焊料箔，完成复合焊料片的制备。
显微分析结果表明，超声波辅助电镀促进了Cu与泡沫钛基体的结合，有利于Cu在泡沫铝表面均匀沉积，且晶粒尺寸均匀。Cu促进了熔融Sn-Cu与泡沫钛的结合，改善了Sn与泡沫钛的界面结合性能，较大程度度地提高了泡沫钛与Sn的结合强度。压延加工后的复合泡沫钛焊料片延展性能得到较大程度提高，在实际焊接过程中焊接性能得到了较大提高。
实施例3
本实施例中选用的泡沫金属基体为球形开孔泡沫铜，活性金属镀层为镍，Sn金属基体为Sn-Zn合金，具体步骤如下：
将尺寸为50mm×90mm泡沫铜经过除油除锈处理后，在超声波环境中清洗12min，再进行表面粗化并用超生波清洗和去离子水清洗各12min；在去离子水浴中预热10min，预热温度为50℃，随后进行超声波辅助电镀。阳极为石墨，阴极为待镀泡沫铜工件，电镀温度50℃，电镀时间30min，电流密度2A/dm2；超声波功率5w/L，频率60kHz，超声作用时间20min。电镀液成分及各成分浓度如下：NiSO4·6H2O，10g/L；NiCl2·6H2O，0.6g/L；H3BO3，1.3g/L；C6H8O7，0.6g/L；无水Na2SO4，5g/L，并加入适量稀硫酸把电镀液pH值调到4。电镀完成后将所得复合泡沫铜材料置于豆油中在185℃下除氢处理，自然冷却擦去浮油，最后进行醇洗、水洗并吹干，选择镀层晶粒尺寸10-15nm，镀层厚度为10μm，且厚度均匀的复合泡沫铜填充Sn金属。熔融Sn-Zn合金温度为280℃，填充时间为60s，得附有Sn-Zn合金的复合泡沫铜焊料，选择镀锡层厚度为6μm，且厚度均匀泡沫铜焊料压延加工得到厚度为0.2mm的金属焊料箔，完成复合焊料片的制备。
显微分析结果表明，超声波辅助电镀促进了Ni与泡沫铜基体的结合，Ni在泡沫铜表面均匀沉积，晶粒尺寸较为均匀。活性镀层Ni促进了熔融Sn-Zn与泡沫铜骨架的结合，改善了Sn-Zn与泡沫铜的界面结合性能。压延加工后的复合泡沫铜焊料片延展性能得到较大程度提高，制得的焊接接头中金属间化合物层厚度所占比例增加，焊料焊接性能得到提高。
以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的范围只局限于这些说明。上述实施例中还可以改变泡沫金属基体的材质组成和及气孔形状，也能改变镀层金属的种类和涂覆工艺及压延加工方式，在不脱离本发明构思的前提下，所做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先对泡沫金属进行表面处理，然后在泡沫金属表面涂覆至少一层活性金属层并进行退火处理，接着通过熔浸的方式使涂覆有活性金属镀层的泡沫金属填充低熔点焊料，最后压延得到金属焊料箔；其中，所述泡沫金属选自泡沫铝、泡沫铜、泡沫钛、泡沫镍或泡沫镁中的一种；所述活性金属层选自Ni层、Ag层、Cu层、Ti层、Cr层中的一种；所选用的低熔点焊料为Sn基焊料或Zn基焊料中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：所述泡沫金属为球形开孔泡沫金属。
3.根据权利要求1所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：泡沫金属表面处理包括除油除锈处理、表面粗化处理、超声清洗处理、去离子水清洗处理以及预热处理，其中超声清洗时间为5-15min，泡沫金属预热时间为5-15min，预热温度为30-60℃。
4.根据权利要求1所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：采用电镀或化学镀方法在泡沫金属表面涂覆至少一层活性金属层，活性金属层的晶粒尺寸为10-20nm，镀层厚度为5-15μm。
5.根据权利要求4所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：采用电镀方法在泡沫金属表面涂覆至少一层活性金属层，电镀阳极材料为镍板、铜板、银板、石墨或其他不溶性电极材料中的一种，电镀阴极材料为待镀泡沫金属，电镀温度30-60℃，电镀时间15-40min，电流密度1-5A/dm2。
6.根据权利要求1所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：涂覆完活性金属的泡沫金属还需依次进行除氢、醇洗、吹干以及退火处理，其中退火处理的温度为280-500℃，保温时间为1-3h。
7.根据权利要求1所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：填充低熔点焊料时，将处理好的泡沫金属浸入熔融的低熔点金属中并保持一段时间，待泡沫金属完全被低熔点金属填充后将其取出，其中低熔点金属镀层的厚度为1-15μm，低熔点金属填充时间30-120s，填充温度为280-320℃。
8.根据权利要求7所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：所述低熔点金属为纯Sn、Sn-Bi合金、Sn-Ag合金、Sn-Pb合金、Sn-Zn合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金中的一种，或者Zn-Sn合金、Zn-Al合金中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：采用双辊压延机、四辊压延机、全自动压片机中的任意一种对泡沫金属进行压延加工，压延得到的金属焊料箔厚度为0.01-0.5mm。
10.根据权利要求9所述的一种泡沫金属复合焊料片的制备方法，其特征在于：压延得到的金属焊料箔厚度为0.1-0.5mm。
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