CN109848611A - 一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法 - Google Patents

一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法。首先在多孔Ni金属表面制备一层Cu,然后高温烧结,以便促进Ni和Cu之间相互扩散,使其结合更加紧密;接着将多孔Ni/Cu合金浸入熔融的Sn基焊料中,最后压延成箔即可。经高温烧结处理的多孔Ni/Cu合金中,Ni和Cu之间相互扩散使其结合强度更高、耐氧化性能更好,表现出较好的强度和优良的塑性以及高耐腐蚀性、高延展性。随着烧结参数和电镀参数的改变,多孔Ni/Cu合金中Ni、Cu元素的浓度分布梯度也不同,钎焊时多孔Ni/Cu合金与Sn基焊料反应更加迅速,焊接可靠性高。

Description

一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域,具体涉及一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法。
背景技术
随着电子封装技术的发展,人们对小尺寸、大功率、高频率功率器件的性能要求越来越高。焊料作为互连材料中的重要组成部分,其性能将直接影响互连接头的性能,因此提高焊料的强度和高温性能逐渐成为提升电子器件产品品质的重要攻坚方向。
多孔金属增强的低熔点复合焊料片具有强度高、焊接性能好等优点,在电子封装领域有着广阔的应用前景。发明人团队较早前公开了一种泡沫金属复合焊料片及其制备方法(CN106825999A),该技术通过在泡沫金属表面涂覆一层活性金属镀层,再填充Sn基焊料并压延成箔片,活性金属镀层提高了泡沫金属基体的强度,有利于Sn基焊料填充泡沫金属。但是该技术存在一定局限性,一方面制得的活性金属镀层容易氧化,并且其与泡沫金属基体之间的结合力不够强、韧性较差,在后期压延过程中甚至压延前,金属基体与镀层之间可能会存在一层细小的空隙;另一方面,在扩散钎焊过程中表面的活性金属镀层先与Sn基焊料反应,泡沫金属基体需扩散穿过活性金属镀层再参与反应,导致反应速率慢、效率低。
基于此,发明人团队在此基础上进一步深入研究,开发了一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有复合焊料片存在的易氧化、强度低、韧性差、镀层附着力低、焊接效率低等问题,提供一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法,具体过程如下:首先在多孔Ni金属表面制备一层均匀的Cu金属层,然后烧结,得到多孔Ni/Cu合金;将多孔Ni/Cu合金浸入熔融的Sn基焊料中,取出压延成片即可。
进一步的,选用的多孔Ni金属采用液态金属凝固法、金属沉积法、固态金属烧结法中的任意一种方法制得,其孔隙率为60%-98%。
进一步的,Sn基焊料包括但不限于纯Sn、Sn-Bi合金、Sn-Ag合金、Sn-Pb合金、Sn-Zn合金、Sn-In合金、Sn-In-Bi合金、Sn-Pb-In合金、Sn-Ag-Zn合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金焊料中的一种。
进一步的,采用电镀或气相沉积的方式在多孔Ni金属表面制备一层Cu镀层,电镀所使用的电解液为焦磷酸盐体系电镀液,主盐为焦磷酸铜,络合剂为焦磷酸钾,缓冲剂为柠檬酸铵。
更进一步的,电镀时的电流密度为1-15A/dm2,电镀处理时间为10-60min,水浴温度维持在40-45℃。
进一步的,多孔Ni金属骨架表面形成Cu镀层后,在保护气氛下以2-10℃/min的升温速率加热至600-1050℃,保温0.5-20h,然后随炉冷却至300℃以下取出。烧结完成后,多孔Ni金属和Cu镀层相互扩散,Ni和Cu元素均匀分布在合金骨架中或者呈一定的浓度梯度分布。
进一步的,熔融的Sn基焊料温度为100-260℃,多孔Ni/Cu合金在其中的停留(填充)时间为0.5-300s。
进一步的,压延所得复合焊料片的厚度为0.05mm-1mm。
本发明通过电镀的方式在多孔Ni金属骨架表面形成均匀的Cu镀层,调控电镀时间、电流密度等参数可以方便的控制Cu镀层厚度,改变多孔Ni金属骨架厚度、Cu镀层厚度、烧结时间、烧结峰值温度等参数,能够改变烧结所得多孔Ni/Cu合金中Ni、Cu元素的浓度分布梯度,从而改变复合焊料片的性能。与现有技术相比,本发明的有益效果体现在以下几个方面:
(1)通过惰性气氛中的高温烧结,促进了Ni和Cu金属之间的相互扩散,形成了多孔Ni/Cu合金整体骨架,消除了Ni骨架边界与Cu镀层之间由于结合性不强而导致的细小间隙,两者之间结合力更强,耐氧化性能更好,强度更高;
(2)复合焊料片性能调节性强,结果可控,改变电镀时间和温度可以有效控制多孔Ni金属骨架表面Cu镀层的厚度,改变烧结参数及Cu镀层、Ni金属骨架厚度,又能够有效调节烧结所得多孔Ni/Cu合金中Ni、Cu浓度分布梯度,从而得到性能各异的复合焊料片;
(3)CN106825999A提供的复合焊料片在钎焊过程中,未烧结前Ni骨架表面的Cu镀层先与Sn基焊料反应生成金属间化合物,Ni需扩散并穿过Cu镀层才能参与Cu和Sn的反应;而在本发明中,合金骨架中的Ni和Cu元素呈均匀分布或一定的浓度梯度分布,Ni和Cu直接与Sn进行反应,反应更迅速。
附图说明
图1为本发明实施例1中在多孔Ni骨架表面电镀Cu镀层后的实物照片;
图2为本发明实施例1中在多孔Ni骨架表面电镀Cu镀层后的横截面照片;
图3为本发明实施例1中烧结所得多孔Ni/Cu合金骨架超景深相机照片;
图4为本发明实施例1中烧结所得多孔Ni/Cu合金元素分布线扫图;
图5为本发明实施例1中制得的复合焊料片钎焊后接头的金相图。
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。
实施例1
将尺寸为40mm*25mm*1mm的多孔Ni金属(孔隙率98%)先后放入浓度为5%(体积分数,下同)的稀盐酸和酒精中,取出后置入超声波清洗机中清洗5min左右,吹干后进行电镀。电镀阳极为纯铜板,阴极为多孔Ni金属,电镀温度维持在40℃,电镀时间30min,电流密度8A/dm2。电镀完成后将得到的多孔Ni/Cu金属片先后置于去离子水和酒精中清洗1min,然后取出吹干。立即将该多孔金属片转移至高温烧结炉中,持续通入保护气体Ar气,以10℃/min的升温速率进行加热,烧结峰值温度为1000℃,保温时间为5h。烧结结束后随炉冷却至300℃开炉,取出多孔Ni/Cu合金片,立即浸入熔融的纯Sn焊料中(温度260℃),浸入时间为5s。多孔Ni/Cu合金片浸渗完成后取出,压延至0.1mm厚,至此完成复合焊料片的制备。
本实施例制得的复合焊料片实物照片、横截面照片、超景深照片分别如图1、图2和图3所示,由图可见Cu镀层在泡沫Ni骨架表面分布均匀。高温烧结后Cu/Ni合金泡沫的截面显微图及元素含量线扫结果如图4所示,由图可见烧结后的多孔Ni/Cu合金中,Ni和Cu元素之间相互扩散,分布均匀。这也说明该多孔Ni/Cu合金抗氧化性能好,利用其制备的复合焊料片具有较高强度。
实施例2
将尺寸为40mm*25mm*1mm的多孔Ni金属(孔隙率80%)先后放入浓度为5%的稀盐酸和酒精中,取出后置入超声波清洗机中清洗5min左右,吹干后进行电镀。电镀阳极为纯铜板,阴极为多孔Ni金属,电镀温度维持在40℃,电镀时间30min,电流密度4A/dm2。电镀完成后将得到的多孔Ni/Cu金属片先后置于去离子水和酒精中清洗1min,然后取出吹干。立即将该多孔金属片转移至高温烧结炉中,持续通入保护气体Ar气,以10℃/min的升温速率进行加热,烧结峰值温度为850℃,保温时间为2h。烧结结束后随炉冷却至300℃开炉,取出多孔Ni/Cu合金片,立即浸入熔融的Sn-Bi焊料中(温度240℃),浸入时间为2s。多孔Ni/Cu合金片浸渗完成后取出,压延至0.5mm厚,至此完成复合焊料片的制备。
对复合焊料片的显微结构进行分析发现,烧结后的多孔Ni/Cu合金中Ni和Cu元素相互扩散充分,浓度均匀。Sn-Bi合金在多孔合金中填充性好,压延过程中开裂倾向小,呈现出较好的加工性能和强度。
实施例3
将尺寸为40mm*25mm*1mm的多孔Ni金属(孔隙率98%)先后放入浓度为5%的稀盐酸和酒精中,取出后置入超声波清洗机中清洗5min左右,吹干后进行电镀。电镀阳极为纯铜板,阴极为多孔Ni金属,电镀温度维持在40℃,电镀时间30min,电流密度12A/dm2。电镀完成后将得到的多孔Ni/Cu金属片先后置于去离子水和酒精中清洗1min,然后取出吹干。立即将该多孔金属片转移至高温烧结炉中,持续通入保护气体Ar气,以10℃/min的升温速率进行加热,烧结峰值温度为1000℃,保温时间为2h。烧结结束后随炉冷却至300℃开炉,取出多孔Ni/Cu合金片,立即浸入熔融的Sn-Ag焊料(钎料)中(温度260℃,熔锡炉设定温度),浸入时间为4s。多孔Ni/Cu合金片浸渗完成后取出,压延至0.1mm厚,至此完成复合焊料片的制备。
对本实施例制得的复合焊料片进行显微分析,焊料片截面图如图5所示。可见烧结后的多孔Ni/Cu合金中Ni和Cu元素之间扩散充分,多孔Ni-Cu合金表面及附近形成了大量的金属间化合物,说明Ni/Cu合金泡沫与Sn基焊料之间具有良好的反应活性。

Claims (8)

1.一种基于多孔Ni/Cu合金的Sn基复合焊料片的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:首先在多孔Ni金属表面制备一层Cu,然后烧结,得到多孔Ni/Cu合金;将多孔Ni/Cu合金浸入熔融的Sn基焊料中,取出压延成片即可。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述多孔Ni金属采用液态金属凝固法、金属沉积法、固态金属烧结法中的任意一种方法制得,多孔Ni金属的孔隙率为40%-98%。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:Sn基焊料包括纯Sn、Sn-Bi合金、Sn-Ag合金、Sn-Pb合金、Sn-Zn合金、Sn-In合金、Sn-In-Bi合金、Sn-Pb-In合金、Sn-Ag-Zn合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金焊料中的一种。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:采用电镀或气相沉积的方式在多孔Ni金属表面制备一层Cu镀层,电镀所使用的电解液为焦磷酸盐体系电镀液,主盐为焦磷酸铜,络合剂为焦磷酸钾,缓冲剂为柠檬酸铵。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:电镀时的电流密度为1-15A/dm2,电镀时间为10-60min,水浴温度维持在40-45℃。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:多孔Ni金属骨架表面形成Cu层后,在保护气氛下以2-10℃/min的升温速率加热至600-1050℃,保温0.5-20h,然后随炉冷却至不超过300℃取出。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:熔融的Sn基焊料温度为100-260℃,多孔Ni/Cu合金在其中的停留时间为0.5-300s。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:压延所得复合焊料片的厚度为0.05mm-1mm。
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