CN111644777A - 一种超薄均温板用低温封装材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄均温板用低温封装材料、其制备方法及应用。该封装材料包含如下组分：钎料45wt％‑90wt％、成膏体10wt％‑55wt％以及用量为钎料质量0‑5％的钎剂，其中，钎料包含金属粉末Cu和Bi，和/或添加一种以上合金元素；Bi粉为纳米粉末；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超薄均温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，可应用于高功率均温板和不锈钢零件。

Description

一种超薄均温板用低温封装材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种焊接材料，特别涉及一种超薄均温板用低温封装材料、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。例如，CN 1298493C公开了一种自动超薄均温板用低温封装材料，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％。但是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。如果降低封装材料中的钎剂含量，会造成焊接过程中，封装材料无法与基材产生较好的润湿，继而产品触变性、抗塌陷性、粘度及焊接性能等一系列性能不足的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有技术中的不足提供一种超薄均温板用低温封装材料，该低温封装材料不仅钎剂含量低，并且在焊接温度时，其表面张力低，与铜合金基材有优良的润湿性，达到降低甚至消除了钎剂用量给零部件带来的腐蚀性，同时还具有优良的触变性、抗塌陷性、粘度和焊接性能。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超薄均温板用低温封装材料，包含如下组分：钎料45wt％-90wt％、成膏体10wt％-55wt％以及用量为钎料质量0-5％的钎剂，其中，

所述钎料包含Cu、Bi粉末，和/或添加一种以上合金元素，所述合金元素应至少选自Sn、Ni、P和Zn中的任意一种；

所述钎料Bi粉为纳米粉末，粉体粒径为5-500nm，优选为10-100nm；

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，所述钎料为如下成分中的任意一种或两种以上的组合：

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Sn_(13-17)Ni_(3-8)P_(3-8)(重量百分比)；

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Sn_(8-15)(重量百分比)；

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Sn_(40-60)(重量百分比)；

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Zn_(30-55)(重量百分比)；以及

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)P_(5-14)(重量百分比)

进一步的，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％中的任意一种或两种以上的组合。

进一步的，所述CuBi合金为雾化金属粉体，所述钎剂为粉体。

进一步的，所述溶剂至少可选自去离子水、二乙二醇单乙醚、二丙二醇单甲醚、1，2-丙二醇、乙基卡必醇和乙二醇中的任意一种，但不限于此。

进一步的，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、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基淀粉、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、甲壳质、瓜尔胶、黄原胶、阿拉伯胶和槐豆胶中的任意一种，但不限于此。

进一步的，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。

进一步的，所述消泡剂和活化剂至少可选自炔二醇、N,N,N',N'-四-(2羟基丙基)乙二胺、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，而N,N,N',N'-四-(2羟基丙基)乙二胺和硅油分别具有活化和消泡的作用，两者需同时使用。

一种超薄均温板用低温封装材料的制备方法，包括：

(1)按上述超薄均温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、Bi或合金粉末；

(3)将Cu和Bi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。

一种如上所述超薄均温板用低温封装材料或按如上所述方法制备的超薄均温板用低温封装材料在焊接工艺中的应用。

在上述技术方案中，钎剂含量相比现有技术大大减少，而钎料中的金属Bi，能显著降低钎料合金系的表面张力，具有较强表面活性作用，可以与基材有更好的润湿，弥补了钎剂含量降低造成的封装材料润湿性不足的问题。当添加Bi粉粒径大于1μm，Bi含量在1.5-4.0％(质量分数)时，可以提高封装材料的润湿性。基于实验研究发现，当Bi粉粒径为5-500nm，Bi的添加量可降低至0.01-0.3％(质量分数)，Bi粉的添加量不仅可以大幅降低，而且可以达到更好的润湿效果。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：该封装材料不含或仅含有少量钎剂，对零件具有明显低的腐蚀性。此外，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，可被广泛应用于焊接汽车管件、铜基散热组件和不锈钢零件。

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，该封装材料较少甚至不含在高温下具有强烈腐蚀性的钎剂，并具有优良的触变性、抗塌陷性、粘度和焊接性能，以期克服现有封装材料的不足。

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％)、Bi(0.01-0.3％)和/或Cu余量Bi(0.01-0.3％)Sn(13-17％)Ni(3-8％)P(3-8％)、Cu余量Bi(0.01-0.3％)Sn(8-15％)、Cu余量Bi(0.01-0.3％)Sn(40-60％)、Cu余量Bi(0.01-0.3％)Zn(30-55％)、Cu余量Bi(0.01-0.3％)P(5-14％)五种Cu合金粉末中的一种或多种的混合物。

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。

钎剂用量为钎料质量的0-5％，需要特别说明的是，可根据焊接工艺的要求，在保证良好焊接性能的前提下，不使用钎剂。

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、二丙二醇单甲醚、1，2-丙二醇、乙基卡必醇、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、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基淀粉、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、甲壳质、瓜尔胶、黄原胶、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、N,N,N',N'-四-(2羟基丙基)乙二胺、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，而N,N,N',N'-四-(2羟基丙基)乙二胺和硅油分别具有活化和消泡的作用，两者需同时使用。

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(Bi粉粒径为10-50nm)：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu_余量Bi_0.02粉与Cu_余量Bi_0.05P₇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.将羟乙基纤维素、黄原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N,N,N',N'-四-(2羟基丙基)乙二胺，搅拌10分钟，形成混有钎剂的成膏体；

4.将混合好的Cu_余量Bi_0.02粉和Cu_余量Bi_0.05P₇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，主要用于封装均温板，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(Bi粉粒径为30-80nm)：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu_余量Bi_0.08Sn₁₅粉与Ni粉按比例在混料机中混合均匀；

2.将二丙二醇单甲醚和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Bi_0.08Sn₁₅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(Bi粉粒径为200-300nm)：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu余量Cu_余量Bi_0.13Sn₁₄Ni₅P_4.2粉与Cu_余量Bi_0.15Sn_27.5粉按比例在混料机中混合均匀；

2.将二乙二醇单乙醚和乙基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、羟丙基纤维素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Bi_0.13Sn₁₄Ni₅P_4.2粉与Cu_余量Bi_0.15Sn_27.5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(Bi粉粒径为100-300nm)：

其后，具体的制备步骤包括：

1.将Cu_余量Bi_0.21P₈粉与CuSn₇P₇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、羟丙基纤维素、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Bi_0.21P₈粉与CuSn₇P₇粉加入该成膏体中，搅拌60分钟,制成封装材料。按照实施例4所制得的封装材料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。

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 (10)

1.一种超薄均温板用低温封装材料，其特征在于，它包含如下组分：钎料45wt％-90wt％、成膏体10wt％-55wt％以及用量为钎料质量0-5％的钎剂，其中，

所述钎料包含金属粉末Cu和Bi，Bi为必须元素，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Zn中的任意一种；

所述金属粉末Bi为纳米粉末，占钎料重量百分比0.01-0.3％，粉体粒径为5-500nm；

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％。

2.根据权利要求1所述的超薄均温板用低温封装材料，其特征在于所述金属粉末Bi的粉体粒径为10-100nm。

3.根据权利要求1所述的超薄均温板用低温封装材料，其特征在于，所述钎料为如下成分中的任意一种或两种以上的组合：

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Sn_(13-17)Ni_(3-8)P_(3-8)(重量百分比)；

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Sn_(8-15)(重量百分比)；

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Sn_(40-60)(重量百分比)；

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)Zn_(30-55)(重量百分比)；

Cu_余量Bi_(0.01-0.3)P_(5-14)(重量百分比)。

4.根据权利要求1中任一项所述的超薄均温板用低温封装材料，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％中的任意一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的超薄均温板用低温封装材料，其特征在于，所述Cu、Bi为雾化金属粉体，所述钎剂为粉体。

6.根据权利要求1中所述的超薄均温板用低温封装材料，其特征在于，所述溶剂是去离子水、二乙二醇单乙醚、二丙二醇单甲醚、1，2-丙二醇、乙基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中所述的超薄均温板用低温封装材料，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、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基淀粉、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、甲壳质、瓜尔胶、黄原胶、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中所述的超薄均温板用低温封装材料，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中所述的超薄均温板用低温封装材料，其特征在于，所述消泡剂和活化剂是炔二醇、N,N,N',N'-四-(2羟基丙基)乙二胺、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。

10.一种超薄均温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中任一项所述超薄均温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、Bi或所述合金粉末；

(3)将Cu、Bi或所述合金粉末与添加粉末混合均匀；

(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。