CN111644776A

CN111644776A - 一种vc均热板用低温封装材料及其制备方法及应用

Info

Publication number: CN111644776A
Application number: CN202010348576.2A
Authority: CN
Inventors: 韩启航; 易翠; 莫文剑; 帅歌国
Original assignee: Jiangsu Jicui Advanced Metal Material Institute Co ltd
Current assignee: Jiangsu Jicui Advanced Metal Material Institute Co ltd
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2020-09-11

Abstract

本发明公开了一种VC均热板用低温封装材料、其制备方法及应用。该封装材料包含如下组分：钎料53wt％‑94wt％、成膏体6wt％‑47wt％以及用量为钎料质量0‑9％的钎剂，其中，钎料包含CuB合金，和/或添加一种以上其他合金元素；钎剂包含BaF₂、CaF₂、KF、NaF、丁二酸、癸二酸、月桂酸和硼酸中的任意一种或两种以上的组合；成膏体包含溶剂、增稠剂、流变剂、消泡剂和活化剂。本发明还公开了一种VC均热板用低温封装材料的制备方法。采用本发明的方法制备的封装材料在焊接前的焊膏涂装过程中，焊膏触变性、抗塌陷能力和流动性好，焊接后零件接头强度高，焊缝饱满且无残留物，零件无需清洗，可应用于高功率散热模组和不锈钢零件。

Description

一种VC均热板用低温封装材料及其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种焊接材料，特别涉及一种VC均热板用低温封装材料、其制备方法及应用。

背景技术

随着现代化工业自动化封装(钎焊)高效率大规模生产的发展，封装(钎焊)工件日趋小型化批量生产，焊缝形状不断多样化复杂化。用膏状焊接材料—钎料膏取代传统的丝状、环状、条状焊接材料实现高效率自动化焊接生产已是大势所趋。我国近年来不断引进国外先进自动化封装(钎焊)生产线，如火焰自动钎焊生产线、保护气氛网带炉钎焊生产线；同时国内也有不少厂家自主开发研制较先进的自动化钎焊生产线，来满足日益增长的市场需求。与传统的Cu合金焊丝、焊环和钎料薄带相比，采用封装材料和自动点胶设备相结合，可对复杂零件和异型零件进行自动化涂装，涂装后的待焊零件进入连续式钎焊炉钎焊，从而实现整个焊接工艺的连续化和自动化。经过焊接后的零件接头强度高、焊缝美观且耐蚀性好。例如，CN 1298493C公开了一种自动VC均热板用低温封装材料，其金属粉体(钎料)成分为Cu，_余量Ni_(0.52-1.0)(wt％，下同)、P(4-8)、Sn(4-7)、B(0.05-0.9)、Ti(0.05-0.5)、In(0.05-0.9)、稀土(0.05-0.1)的合金粉末；钎剂采用成分为KxByOzFm的氟硼酸钾和硼酸钾的混合物，钎剂与钎料的比例为(12-18):(88-82)；成膏体(成膏体)由聚异丁烯混合物、C6-C18有机溶剂、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸甘油酯、苯并三锉、不饱和脂肪酸和动植物油组成，成膏体在焊膏中的含量为5.1-10.1％。此种封装材料中钎剂含量高达10％以上，由于氟硼酸盐在高温下具有强烈的腐蚀性，对于被焊零件和钎焊设备均会造成过度腐蚀和破坏，焊后需要对零件进行清洗，焊接过程中的腐蚀性挥发物还会对工作环境和环保带来一系列问题。

专利号为ZL200510036064.8的发明专利提出了一种锡焊膏用的成膏体，它由流变剂、稳定剂、树脂、活性剂和溶剂五部分组成，由于锡焊膏的钎焊温度在150-300℃之间，此种成膏体必须在低于此钎焊温度时完全分解。而对封装材料的焊接工艺而言，钎焊温度高于1090℃，成膏体完全分解的温度应在400-500℃，才能使封装材料在成膏体挥发后形成具有一定强度的烧结体，附着于被焊接零件之上，因此，目前已有的锡焊膏用成膏体体系不适用于制作封装材料。

并且，上述技术方案制得的封装材料，存在封装强度和耐蚀性不足的问题，尤其是应用于超薄均热板和不锈钢均热板时，这种不足就更加明显，容易降低均热板的成品率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的封装材料强度和耐蚀性不足的问题提供一种VC均热板用低温封装材料，可以显著地提高封装材料的强度，使合金在封装过程中，合金净化、晶粒细化和封装强度显著提高。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种VC均热板用低温封装材料，包含如下组分：钎料53wt％-94wt％、成膏体6wt％-47wt％以及用量为钎料质量0-9％的钎剂，其中，

所述钎料包含CuB合金，和/或添加一种以上其他合金元素，所述其他合金元素应至少选自Sn、Ni、P和Z中的任意一种；

所述钎剂包含BaF₂、CaF₂、KF、NaF、丁二酸、癸二酸、月桂酸和硼酸中的任意一种或两种以上的组合；

所述成膏体包含如下组分：溶剂60-98wt％，增稠剂0.5-8wt％，流变剂0.2-35wt％，消泡剂和活化剂0.1-5wt％。

作为优选方案之一，所述CuB合金为如下成分中的任意一种或两种以上的组合：

Cu_余量B_(1-3)(重量百分比)；

Cu_余量B_(1-3)Sn_(13-17)Ni_(3-8)P_(3-8)(重量百分比)；

Cu_余量B_(1-3)Sn_(8-60)(重量百分比)；

Cu_余量B_(1-3)Zn_(30-55)(重量百分比)；

Cu_余量B_(1-3)P_(5-14)(重量百分比)。

作为优选方案之一，所述钎料中还包含Fe粉0.5-5wt％、Ni粉0.05-5wt％、Mn粉0.1-5wt％、Si粉0.05-2wt％、B粉0.05-2wt％中的任意一种或两种以上的组合。

作为优选方案之一，所述钎料中铜硼合金或其他合金为雾化金属粉体，所述钎剂为粉体。

作为优选方案之一，所述溶剂至少可选自去离子水、二乙二醇单乙醚、二丙二醇单丁醚、1，2-丙二醇、卡必醇和乙二醇中的任意一种，但不限于此。

作为优选方案之一，所述增稠剂至少可选自羟乙基淀粉、羟丙基淀粉、丙烯酸甲酯、羧甲基淀粉、乙基羟乙基纤维素、甲壳质、瓜尔胶、阿拉伯胶和槐豆胶中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

作为优选方案之一，所述流变剂至少可选自氢化蓖麻油、改性蓖麻油、甘油、硬脂酸、去离子水杨酸酰胺中的任意一种，但不限于此。

作为优选方案之一，所述消泡剂和活化剂至少可选自炔二醇、苯并三氮锉、硅油、矿物油和植物油中的任意一种，但不限于此。由于炔二醇具有活化和消泡的作用，可作为消泡剂兼活化剂使用。

一种VC均热板用低温封装材料的制备方法，包括：

(1)按上述VC均热板用低温封装材料的组成准备制备原料；

(2)采用气雾化或水雾化法制备Cu、B或合金粉末；

(3)将Cu和B与合金粉末、添加粉末混合均匀；

(4)将增稠剂、流变剂、消泡剂和活化剂按一定比例和顺序加入溶剂中，搅拌并形成均匀的溶液，形成成膏体，在封装材料的组成中包含钎剂的情况下，需要首先将钎剂加入到溶剂中搅拌均匀，然后再在所述溶液按照比例和顺序加入增稠剂、流变剂、消泡剂和活化剂，形成混有钎剂的成膏体；

(5)将钎料加入成膏体或混有钎剂的成膏体中搅拌均匀，制得封装材料。

一种如上所述VC均热板用低温封装材料或按如上所述方法制备的VC均热板用低温封装材料在焊接工艺中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：(1)硼在铜合金中起了变质剂的作用，由于在凝固过程或凝固前形成针状相及块状相，部分地起到了均质形核的作用。同时，硼在铜中的固溶度很小，易在晶界处偏聚，阻碍晶粒长大并降低界面能，也起到细化晶粒的作用。此外，硼偏聚于晶界，还能改变界面能量，有利于改变晶界上第二相的形态，使之更易于球化，提高晶界强度；(2)硼元素在封装材料中还作为脱氧除气剂，从而提高封装材料焊接强度和耐腐蚀性。

具体实施方式

如前所述，本发明旨在提出一种或多种封装材料，通过在钎料中添加适量的B元素，一方面作为脱氧除气剂，同时起变质剂的作用，显著地提高封装材料的强度，使合金在封装过程中，合金净化、晶粒细化和封装强度显著提高。

进一步的讲，本发明的封装材料由钎料、钎剂和成膏体三部分组成，其中：

钎料为金属粉末和/或添加粉末组成，包含Cu(纯度>99％)、B(1-3％)和/或Cu余量B(1-3％)Sn(13-17％)Ni(3-8％)P(3-8％)、Cu余量B(1-3％)Sn(8-15％)、Cu余量B(1-3％)Sn(40-60％)、Cu余量B(1-3％)Zn(30-55％)、Cu余量B(1-3％)P(5-14％)五种Cu合金粉末中的一种或多种的混合物。

硼元素为钎料的必需元素，在封装材料中有重要作用，可以作为脱氧除气剂，同时可以显著地提高封装材料的强度和耐腐蚀性。基于实验研究发现，硼含量在1-3％(质量分数)时，可以达到最佳的综合作用效果。

此外，还可根据焊接强度和焊缝外观的需求，添加占钎料重量0.5-5％的Fe粉、0.05-5％的Ni粉、0.1-5％的Mn粉、0.05-2％的Si粉、0.05-2％的B粉中的一种或几种。

钎料用量优选为封装材料重量的53％-94％。

钎剂为粉末状态，包含BaF₂、CaF₂、KF、NaF、丁二酸、癸二酸、月桂酸和硼酸中的一种或多种混合物。

成膏体主要由溶剂、增稠剂、流变剂、消泡剂、活化剂组成。

溶剂为去离子去离子水、二乙二醇单乙醚、二丙二醇单丁醚、1，2-丙二醇、卡必醇、乙二醇中的至少一种；

增稠剂为羟乙基淀粉、羟丙基淀粉、丙烯酸甲酯、羧甲基淀粉、乙基羟乙基纤维素、甲壳质、瓜尔胶、阿拉伯胶、槐豆胶中的至少一种；

流变剂为氢化蓖麻油、改性蓖麻油、甘油、硬脂酸、去离子水杨酸酰胺中的至少一种；

消泡剂和活化剂为炔二醇、苯并三氮锉、硅油、矿物油、植物油中的至少一种；由于炔二醇具有活化和消泡的作用，可作为消泡剂兼活化剂使用。

成膏体占封装材料重量的6％-47％，其中溶剂占成膏体重量的60％-98％，增稠剂占成膏体0.5％-8％，流变剂占成膏体重量的0.2-35％，消泡剂和活化剂占成膏体重量的0.1％-5％。

需要指出的是，本说明书中，如无特别说明，则所述的百分比含量均为重量百分比含量。

以下结合若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

首先，按照如下的组分准备制备原料：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu粉B粉与Fe粉按比例在混料机中混合均匀；

2.将KF加入盛有去离子水的搅拌机中搅拌10分钟；

3.将乙基羟乙基纤维素、瓜尔胶和阿拉伯胶按比例加入以上水溶液中，搅拌120分钟后再加入甘油、氢化蓖麻油、硅油和炔二醇，搅拌10分钟，形成混有钎剂的成膏体；

4.将混合好的Cu粉、B粉和Fe粉加入该成膏体中，搅拌45分钟，制成封装材料。

按照实施例1所制得的封装材料，主要用于封装散热模组，封装后组件表面无残留，焊缝细密，并且具有非常高的焊接强度。

实施例2

首先，按照如下的组分准备制备原料：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu_余量B₂Sn₁₀粉与Ni粉按比例在混料机中混合均匀；

2.将二丙二醇丁醚和1，2-丙二醇在搅拌机中混合10分钟；

3.将癸二酸和月桂酸加入以上溶剂中；

4.将乙基羟乙基纤维素、丙烯酸甲酯按比例加入以上溶液中，搅拌90分钟后再加入改性蓖麻油、炔二醇，搅拌10分钟，形成混有钎剂的成膏体；

5.将混合好的Cu_余量B₂Sn₁₀粉与Ni粉加入该成膏体中，搅拌45分钟，制成封装材料。

按照实施例2所制得的封装材料用于焊接不锈钢组件，焊后零件表面和焊缝颜色一致，焊缝无任何残留物。

实施例3

首先，按照如下的组分准备制备原料：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu余量B_2.5Sn₁₄Ni₅P₅粉与Cu_余量B_2.5Sn₅₀粉按比例在混料机中混合均匀；

2.将二乙二醇单乙醚和卡必醇在搅拌机中混合10分钟；

3.将羟丙基淀粉、乙基羟乙基纤维素、羟丙基淀粉和槐豆胶按比例加入以上溶液中，搅拌120分钟后再加入去离子水杨酸酰胺和矿物油，搅拌10分钟，形成成膏体；

4.将混合好的Cu_余量B_2.5Sn₁₄Ni₅P₅粉与Cu_余量B_2.5Sn₅₀粉加入成膏体中，搅拌45分钟,制成封装材料。

按照实施例3所制得的封装材料用于低温焊接超薄均热板组件，可得到较好的焊接强度。

实施例4

首先，按照如下的组分准备制备原料：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu_余量B_1.1P_8.5粉与Cu_余量B_1.5Zn₄₀粉按比例在混料机中混合均匀；

2.将氟化钠和硼酸加入乙二醇中，搅拌10分钟；

3.将甲壳质、羟丙基淀粉、羟乙基淀粉按比例加入以上溶液中，搅拌120分钟后再加入硬脂酸、植物油和矿物油，搅拌15分钟，形成混有钎剂成膏体；

4.将混合好的Cu_余量B_1.1P_8.5粉与Cu_余量B_1.5Zn₄₀粉加入该成膏体中，搅拌60分钟,制成封装材料A。

5.采用上述1-4的步骤，将其中的Cu_余量B_1.1P_8.5粉与Cu_余量B_1.5Zn₄₀粉B的重量百分比换为0.6份，制成封装材料B。

按照实施例4所制得的封装材料A具有很好的触变性和适当的粘度，用于低温焊接铜合金组件，焊缝饱满，可得到很好的焊接强度。

按照实施例4所制得的封装材料B由于硼含量低于1％，其焊接强度显著低于封装材料A。

在常规铜散热器、超薄散热模组和不锈钢零件上采用以上实施例1-4制备的封装材料进行了一系列的焊接试验，试验结果表明，这些封装材料具有优良的触变性、抗塌陷性、粘度和焊接性能，且焊接后零件接头强度高，焊缝饱满且无残留物，零件无需清洗。

此外，通过大量实验研究发现，硼的添加量需要超过硼在铜中的极限固溶度(0.53wt％)，最佳添加量在1wt％以上，才能在封装过程中，对合金净化、晶粒细化和封装强度做出显著贡献。

最后需要指出的是，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种VC均热板用低温封装材料，它包含如下组分：钎料53wt％-94wt％、成膏体6wt％-47wt％以及用量为钎料质量0-9％的钎剂，其特征在于，

所述钎料包含CuB合金，B为必需元素，和/或添加一种以上其他合金元素，所述其它合金元素应至少选自Sn、Ni、P和Zn中的任意一种；

2.根据权利要求1所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于所述B在CuB合金中所占重量百分比为1-3％。

3.根据权利要求1所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于，所述CuB合金成分为如下成分中的任意一种或两种以上的组合：

Cu_余量B_(1-3)；

Cu_余量B_(1-3)Sn_(13-17)Ni_(3-8)P_(3-8)；

Cu_余量B_(1-3)Sn_(8-60)；

Cu_余量B_(1-3)Zn_(30-55)；

Cu_余量B_(1-3)P_(5-14)；

其中该含量为重量百分比，Cu和B为必选元素。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于，所述钎料中还包含添加粉末，所述添加粉末是Fe粉0.5-5wt％、Ni粉0.05-5wt％、Mn粉0.1-5wt％、Si粉0.05-2wt％、B粉0.05-2wt％中的任意一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于，所述钎料中CuB合金和其他合金为雾化金属粉体，所述钎剂为粉体。

6.根据权利要求1所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于，所述溶剂是去离子水、二乙二醇单乙醚、二丙二醇丁醚、1，2-丙二醇、卡必醇和乙二醇中的任意一种或两种以上的组合。

7.根据权利要求1所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于，所述增稠剂是羟乙基淀粉、羟丙基淀粉、丙烯酸甲酯、羧甲基淀粉、乙基羟乙基纤维素、甲壳质、瓜尔胶、阿拉伯胶和槐豆胶中的任意一种或两种以上的组合。

8.根据权利要求1所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于，所述流变剂是氢化蓖麻油、改性蓖麻油、甘油、硬脂酸、去离子水杨酸酰胺中的任意一种或两种以上的组合。

9.根据权利要求1所述的VC均热板用低温封装材料，其特征在于，所述消泡剂和活化剂是炔二醇、苯并三氮锉、硅油、矿物油和植物油中的任意一种或两种以上的组合。

10.一种VC均热板用低温封装材料的制备方法，其特征在于，它包括：

(1)按权利要求1-9中任一项所述VC均热板用低温封装材料的组成准备原料；

(2)采用气雾化或水雾化法制备Cu、B或其他合金粉末；

(3)将Cu、B或其它合金粉末与添加粉末混合均匀；

11.如权利要求1-9中任一项所述VC均热板用低温封装材料或权利要求10所述方法制备的VC均热板用低温封装材料在焊接工艺中的应用。