CN112122823A - 一种含石墨烯和铁颗粒的SnBi系无铅钎料的制备方法 - Google Patents

一种含石墨烯和铁颗粒的SnBi系无铅钎料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含石墨烯纳米片（GNS）和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料的制备方法，属于低温焊接材料技术领域。其中GNS的质量分数为0~0.1%，铁的质量分数为0~0.1%，其余成分为SnBi二元共晶合金。本发明还公开了该无铅钎料的制备方法。本发明的钎料合金为共晶组织，熔点低，微观组织均匀，且具有良好的润湿性。此外，钎料合金中不含Pb，是一种环保型钎料，适用于低温软钎焊领域。

Description

一种含石墨烯和铁颗粒的SnBi系无铅钎料的制备方法
技术领域
本发明属于低温焊接材料技术领域，具体涉及一种含有石墨烯纳米片（GNS）和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料的制备方法，所述无铅钎料适用于电子封装、温度保险丝等领域，实现被连接材料之间的连接功能。
背景技术
SnBi共晶钎料具有低熔点（138℃）、高润湿性等优点，成为可以取代Sn-Pb焊料的选择之一，对环境污染小，适用于低温钎焊领域。然而，较低的塑形阻碍了其广泛应用。为了改善钎料的性能，提高现有无铅钎料的服役可靠性，大多数研究人员选择将无铅钎料合金化和复合化，采用不同的添加相来改善钎料基体的综合性能。增强相主要有以下几类：反应类、非反应类、复合类。其中，反应类包括一些金属粒子（Ag、Cu、Ni、Cr、Mn等）和金属间化合物（Cu6Sn5等）；非反应类包括氧化物（Al2O3、TiO2、Fe2O3、ZnO等）、碳化物（TiC、SiC等）、碳纳米材料（MCNT、SCNT、GNS等）、单质（金刚石、Si等）；复合类包括有机大分子（POSS）和金属非金属复合物（镀Ni的CNT、镀Ag的GN等）。
本发明通过向Sn-58Bi共晶钎料中进行Fe元素和微量GNS的添加，来尝试解决电子封装元器件中钎料焊点在热学、力学、电学等作用下存在的诸多问题。为SnBi系钎料合金能够进行大规模生产和使用提供理论依据，并为电子产品可靠性的进一步研究提供理论基础，对各种连接技术有一定的参考作用，对改善焊点的力学性能、抗腐蚀性能和抗电迁移性能有一定的帮助。
发明内容
本发明的任务在于克服现有技术中存在的不足之处，提供一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料的制备方法，本发明的钎料合金为共晶组织，熔点低，微观组织均匀，具有良好的润湿性，此外，不含有毒元素，是一种环保型钎料，适用于低温软钎焊领域。GNS的加入有助于改善焊料组织，使微观组织均匀化分布，从而提高焊点的塑形，有利于焊点在服役过程中，稳定性的提高，同时，还能提高钎料合金的抗腐蚀性能；微米级Fe颗粒的加入有助于抑制Bi相的粗化，改善焊料的力学性能，提高焊点的稳定性，解决电子产品中互连焊点服役过程中，过早失效的问题，有助于延长电子产品的使用寿命。
本发明的任务是根据以下提供的配比完成的，SnBi-xFe-yGNS低温无铅钎料中，Fe元素的质量百分比分别为0.03%、0.07%、0.1%，GNS的质量百分比分别为0.03%、0.07%、0.1%，其余成分为SnBi二元共晶钎料合金。其中，Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%。
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料的制备方法，该无铅钎料的制备方法是按照以下步骤完成：
按照Fe的质量分数为0~0.1%，GNS的质量分数为0~0.1%，配比、称量，加入无水乙醇，进行机械研磨1.5~2h，混合均匀后，在SMT无铅回焊炉中并且在200~250℃下常压保温反应10~20min，设置温度、时间参数，随炉冷却后，制备出SnBi-xFe-yGNS低温无铅钎料，最后，将得到的样品在超声清洗器中依次用去离子水、酒精、丙酮清洗，洗去杂质和油污。
本发明的一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.94%：0.03%：0.03%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.90%：0.03%：0.07%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.87%：0.03%：0.1%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.90%：0.07%：0.03%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.86%：0.07%：0.07%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.83%：0.07%：0.1%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.87%：0.1%：0.03%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.83%：0.1%：0.07%。
本发明的另一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.80%：0.1%：0.1%。
一种SnBi钎料合金，Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，该钎料为二元共晶合金，熔点为138℃。
在本发明所述的任一个具体实施例中，所述的GNS，其特征在于：所含GNS的厚度为1~5nm。
在本发明所述的任一个具体实施例中，所述的Fe颗粒，其特征在于：所含Fe颗粒的直径为1~8μm。
在本发明所述的任一个具体实施例中，所述的SnBi钎料合金，其特征在于：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，且SnBi合金粉末的直径为30-60μm。
同时，本发明制备流程简单，工序少，价格低，不含对人体和环境有害的金属元素，能够充分体现环保理念，易于推广，在电子封装领域，具有普适性，且能在一定程度上满足大规模的工业生产要求。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的复合钎料合金微观形貌的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.94%：0.03%：0.03%，其中GNS的厚度为1-5nm，Fe颗粒的直径为1-8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30-60μm。
实施例2
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.90%：0.03%：0.07%。，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1~8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。
实施例3
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.87%：0.03%：0.1%，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1-8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。
实施例4
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.90%：0.07%：0.03%，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1~8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。
实施例5
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.86%：0.07%：0.07%，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1~8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30-60μm。
实施例6
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.83%：0.07%：0.1%，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1~8μm，Sn合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。
实施例7
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.87%：0.1%：0.03%，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1~8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。
实施例8
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.83%：0.1%：0.07%，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1~8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。
实施例9
一种含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其组成成分中，SnBi钎料合金、GNS与Fe的质量比为99.80%：0.1%：0.1%，其中GNS的厚度为1~5nm，Fe颗粒的直径为1~8μm，SnBi合金为金属粉末，该粉末中：Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。
比较例
一种SnBi钎料合金，Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%，该钎料为二元共晶合金，熔点为138℃。
表1、低温无铅SMT回焊炉参数设定值
Figure 131643DEST_PATH_IMAGE001
测试实验
1、熔点测试
熔点测试在升温速率为10℃/min的条件下，用差式扫描热量仪测试，样品质量为20mg，数据由软件自动导出，导出的数据后期经过Origin软件处理，做出DSC曲线，峰值温度即为钎料合金的熔点值。
2、润湿性测试
处理20×20×0.2mm的铜片，打磨、抛光后，放入酒精中超声清洗5min。铜片表面涂抹均匀少量的助焊剂，称取0.5g复合钎料，放入低温无铅SMT回焊炉，设定好温度、时间参数，进行润湿性测试。随炉冷却后，拿出样品，从中间部分切割开，切割断面打磨、抛光后置于金相显微镜下，观察并测量润湿角。
表2、钎料合金熔点、润湿性能比较
Figure 58010DEST_PATH_IMAGE002
从表中可以看出，实施例1-9中含有GNS和微米级Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料和比较例中的SnBi二元共晶钎料合金相比较，复合钎料的熔点提高了10℃左右，润湿性有明显的改善。由此可见，本发明中GNS和Fe颗粒的加入，提高了钎料合金的性能，适用于低温软钎焊领域。
上述内容仅为本发明的具体实施案例，但保护范围并不局限于所列举案例，任何近似替换都涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含石墨烯纳米片（GNS）和Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其特征在于：该无铅钎料的制备方法是按照以下步骤完成：按照Fe的质量分数为0~0.1%，GNS的质量分数为0~0.1%，配比、称量；依次将GNS和Fe在无水乙醇中超声震荡2h后，再加入SnBi合金粉末机械研磨1.5~2h，混合均匀后，放入SMT精密无铅回焊炉，设置好各个阶段的温度、时间参数，200~250℃保温10~20min；随炉冷却后，制备出Sn-Bi-xFe-yGNS低温无铅钎料；最后，将得到的样品在超声清洗器中依次用去离子水、酒精、丙酮清洗，洗去表面杂质和油污。
2.根据权利要求1所述的含GNS和Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其特征在于：所含GNS的厚度为1~5nm。
3.根据权利要求1所述的含GNS和Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其特征在于：所含Fe颗粒的直径为1~8μm。
4.根据权利要求1所述的含GNS和Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其特征在于：所含SnBi二元合金为SnBi合金粉末，其中，Sn的质量百分比为42%，Bi的质量百分比为58%。
5.根据权利要求4所述的含GNS和Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其特征在于：所含SnBi合金粉末的颗粒直径为30~60μm。
6.根据权利要求1所述的含GNS和Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其特征在于：该无铅钎料的中Fe的质量百分比为0~0.1%。
7.根据权利要求1所述的含GNS和Fe颗粒的SnBi系低温无铅钎料，其特征在于：该无铅钎料的中GNS的质量百分比为0~0.1%。
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