CN113560768B - 一种泡沫金属增强无铅焊料及其制备方法 - Google Patents

一种泡沫金属增强无铅焊料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泡沫金属增强无铅焊料的制备方法，属于无铅焊料技术领域。本发明通过毛细作用，将无铅焊料渗入泡沫金属骨架中，填充其孔状结构，其基本的流程为将固态焊料在高温的作用下进行熔化，变为熔融液态焊料，随后在压力与毛细作用下，焊料不断润湿泡沫金属骨架，渗入其内部孔洞之中。待无铅焊料冷却至室温后，通过再次加热壁面将被固态焊料所包裹的泡沫金属取出，最后通过切割与打磨将试样与外部无铅焊料分离。本发明有着简单方便、环境友好、易得高注入比材料、较宽的应用窗口等优势。

Description

一种泡沫金属增强无铅焊料及其制备方法
技术领域
本发明涉及无铅焊料技术领域，特别是涉及一种泡沫金属增强无铅焊料的制备方法。
背景技术
针对无铅钎料改性的研究，主要有两种方式，合金化和颗粒强化。合金化的方法是目前金属材料研究中较为常用的研究方法，通过基体合金中添加微量的合金元素，促使基体组织发生改变，性能得到提升，该方法早在研究SnPb钎料时，已有研究者采用该方法在无铅钎料研究中获得进一步的推广；颗粒强化是近三年来无铅钎料研究中较为常用的方法，主要是通过颗粒的添加增加焊点在服役期间的可靠性，但对于颗粒增强的钎料相对较为学术性，工业界目前还没有产业化。
铅及其化合物对人体和环境的危害和立法的需要，钎料无铅化已经成为历史发展的必然，是大势所趋，在钎料合金开发方面我国已经落后于欧、美、日等发达国家，拥有自主知识产权的新型无铅钎料对我国电子产品国际化具有重要意义。现阶段我国新型无铅钎料已经在工业生产上得到了应用，但仍然存在不足，因而需要研究具有更好性能的无铅钎料。
对于无铅钎料，多数都是向无铅钎料中添加稀土元素、Ag/Ga/Al/Ge/Mn/Zn/Cu等金属元素、金属颗粒以及金属氧化物颗粒来改善无铅钎料的综合性能，目前在科研界已经认可了Sn-Ag-Cu的综合性能，可是因其价格高，仍然得不到很大范围的使用。而利用微细泡沫金属增强无铅钎料性能和细化其微观组织，至今在研究新型无铅钎料方面还处于空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种泡沫金属增强无铅焊料及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使无铅焊料硬度高且具有较高的致密度，韧性性能优异。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种泡沫金属增强无铅焊料的制备方法，包括以下步骤：
用熔化的无铅焊料浸渍泡沫金属，冷却，即得泡沫金属增强无铅焊料。
进一步地，所述无铅焊料为Sn-Cu系无铅焊料；所述Sn-Cu系无铅焊料中还添加有松香助焊剂。
进一步地，所述泡沫金属、Sn-Cu系无铅焊料与松香助焊剂的体积比为3-20:79.995-96.999:0.001-0.005。
进一步地，所述泡沫金属为泡沫金属Ni或泡沫金属Cu。
进一步地，所述泡沫金属的孔隙密度为75-300PPI。
进一步地，所述Sn-Cu系无铅焊料成分为90-99.3wt.％的Sn与0.7-10wt.％的Cu。
进一步地，浸渍完成后还包括保温处理的过程，保温过程中无铅焊料保持熔化状态。
进一步地，所述保温处理的时间为3-30min。
进一步地，样品冷却后还包括打磨的步骤。
本发明还提供一种上述制备方法制备的泡沫金属增强无铅焊料。
本发明公开了以下技术效果：
本发明在无铅钎料中添加微细Ni泡沫与Cu泡沫，研究微细Ni泡沫与Cu泡沫对无铅钎料性能改善方面的作用，在无铅钎料增强方面体现出极大的先进性。
本发明中泡沫金属具有各向同性、结构均匀的三维网状结构的支撑作用，其结构中的孔可以看作是一种拱，它可以为无铅焊料提供压力传导。泡沫金属的拱形结构可以将外来的力分解为垂直于曲面和平行于曲面的力，因此当普通的平面结构和拱形结构承受同样大小的力时，垂直于面上的力拱形结构比平面结构小，因此拱形结构可以承受更大的力，以此来给无铅焊料增加一层抗压的结构。
本发明制备方法简单、环境友好、易得高注入比材料、具有较宽的应用窗口，制备得到的泡沫金属增强无铅焊料与传统SnPb钎料相比，具有绿色环保的优势，与Sn-Ag-Cu等无铅钎料相比，具有经济效益好，硬度高的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明泡沫金属增强无铅焊料的制备流程示意图；
图2为本发明实施例1制备的泡沫金属增强无铅焊料的表面金相图；
图3为本发明实施例2制备的泡沫金属增强无铅焊料的表面金相图；
图4为本发明实施例3制备的泡沫金属增强无铅焊料的表面金相图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
图1为本发明泡沫金属增强无铅焊料的制备流程示意图。
实施例1
将Sn-Cu系无铅焊料(99.3wt％Sn、0.7％wt Cu)放入坩埚中，放入电阻炉并加热至450℃将其熔融，待焊料完全熔融后加入松香助焊剂，随后将孔隙密度为75PPI、大小为15mm正方形形状泡沫镍金属切成放入坩埚中，其中，泡沫镍、Sn-Cu系无铅焊料和松香助焊剂的体积比为3:96.999:0.001。之后在450℃条件下保温3分钟，之后用镊子在炉内将坩埚稍稍翘起一个角度，用镊子轻轻地将泡沫金属与熔化的焊料分离开来，然后再用镊子将坩埚从炉内夹出来，待到坩埚冷却后，将坩埚翻转并轻轻敲打，将所需的样品敲打下来，在砂纸上进行粗磨，使其表面平整，精磨，得到厚度2mm的泡沫金属增强无铅焊料。
图2为本发明实施例1制备的泡沫金属增强无铅焊料的表面金相图；
本发明实施例1制备的泡沫金属增强无铅焊料的致密度为96.31％，硬度为10.86HV。
由于实施例1所获材料规格较小，尚不能满足现今强度及韧性测试的试样要求，而高致密度能够提高材料的韧性，因此本发明采用致密度参数进行性能体现。
实施例2
将Sn-Cu系无铅焊料(97wt％Sn、3％wt Cu)放入坩埚中，放入电阻炉并加热至450℃将其熔融，待焊料完全熔融后加入松香助焊剂，随后将孔隙密度为150PPI、大小为15mm正方形形状泡沫铜金属切成放入坩埚中，其中，泡沫铜、Sn-Cu系无铅焊料和松香助焊剂的体积比为20:79.995:0.005。之后在450℃条件下保温15分钟，之后用镊子在炉内将坩埚稍稍翘起一个角度，用镊子轻轻地将泡沫金属与熔化的焊料分离开来，然后再用镊子将坩埚从炉内夹出来，待到坩埚冷却后，将坩埚翻转并轻轻敲打，将所需的样品敲打下来，在砂纸上进行粗磨，使其表面平整，精磨，得到厚度2mm的泡沫金属增强无铅焊料。
图3为本发明实施例2制备的泡沫金属增强无铅焊料的表面金相图；
本发明实施例2制备的泡沫金属增强无铅焊料的致密度为96.87％，硬度为11.88HV。
实施例3
将Sn-Cu系无铅焊料(99.3wt％Sn、0.7％wt Cu)放入坩埚中，放入电阻炉并加热至450℃将其熔融，待焊料完全熔融后加入松香助焊剂，随后将孔隙密度为300PPI、大小为15mm正方形形状泡沫镍金属切成放入坩埚中，其中，泡沫镍、Sn-Cu系无铅焊料和松香助焊剂的体积比为15:83.125:0.003。之后在450℃条件下保温30分钟，之后用镊子在炉内将坩埚稍稍翘起一个角度，用镊子轻轻地将泡沫金属与熔化的焊料分离开来，然后再用镊子将坩埚从炉内夹出来，待到坩埚冷却后，将坩埚翻转并轻轻敲打，将所需的样品敲打下来，在砂纸上进行粗磨，使其表面平整，精磨，得到厚度2mm的泡沫金属增强无铅焊料。
图4为本发明实施例3制备的泡沫金属增强无铅焊料的表面金相图；
本发明实施例3制备的泡沫金属增强无铅焊料的致密度为96.1％，硬度为10.2HV。
对比例1
与实施例1不同之处在于将泡沫镍替换成泡沫钨。
本对比例制备的泡沫金属增强无铅焊料的致密度为96.67％，硬度为23.56HV。
对比例2
与实施例1不同之处在于保温时间为35min。
本对比例制备的泡沫金属增强无铅焊料的致密度为97.56％，硬度为12.37HV。
由于该温度下泡沫金属发生变断，导致增强焊料的性能受到影响。
对比例3
实施例1中不进行泡沫镍增强的无铅焊料硬度为7.5HV。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种泡沫金属增强无铅焊料的制备方法，其特征在于，
所述泡沫金属增强无铅焊料包括如下组分：
泡沫金属、无铅焊料与松香助焊剂；
所述无铅焊料为Sn-Cu系无铅焊料；
所述泡沫金属、Sn-Cu系无铅焊料与松香助焊剂的体积比为3-20:79.995-96.999:0.001-0.005；
所述的制备方法，包括以下步骤：
用熔化的无铅焊料浸渍泡沫金属，将泡沫金属与熔化的焊料分离开来，冷却，即得泡沫金属增强无铅焊料；
所述泡沫金属为泡沫金属Ni或泡沫金属Cu；
所述泡沫金属的孔隙密度为75-300PPI。
2.根据权利要求1所述的泡沫金属增强无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述Sn-Cu系无铅焊料成分为90-99.3wt .％的Sn与0.7-10wt .％的Cu。
3.根据权利要求1所述的泡沫金属增强无铅焊料的制备方法，其特征在于，浸渍完成后还包括保温处理的过程，保温过程中无铅焊料保持熔化状态。
4.根据权利要求3所述的泡沫金属增强无铅焊料的制备方法，其特征在于，所述保温处理的时间为3-30min。
5.根据权利要求1所述的泡沫金属增强无铅焊料的制备方法，其特征在于，样品冷却后还包括打磨的步骤。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的制备方法制备的泡沫金属增强无铅焊料。
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