CN114055007B - 一种超细低温焊锡粉、锡膏及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊锡粉，具体涉及一种超细低温焊锡粉、锡膏及其制备方法与应用。克服现有超细锡膏金属粉制备过程复杂，成本高，难以产业化生产的问题。焊锡粉按照质量百分比由以下组分组成：银和/或锡包覆铜粉30％～70％，纯锡粉12％～30％，纯铋粉17％～40％，纯铟粉0.1％～1％；其中，银和/或锡包覆铜粉的粒径为2‑8微米，银和/或锡包覆层厚度为50‑900纳米；纯锡粉的粒径为0.1‑1微米，纯铋粉的粒径为0.1‑1微米；纯铟粉的粒径为0.1‑5微米。本发明采用超细单金属混合粉末替代低温合金化金属粉末，超细单金属混合粉末中各金属粉的粒径小于8微米，且通过简单混合即可，实现超细焊锡粉的同时有效地降低了锡膏金属粉的制备成本，可实现工业化批量生产。

Description

一种超细低温焊锡粉、锡膏及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种焊锡粉，具体涉及一种超细低温焊锡粉、锡膏及其制备方法与应用。

背景技术

锡膏是电子工业重要的机械连接和电气连接材料，可以实现电子元器件与电路之间的机械和电气连接。如，LED等功率半导体器件需要用锡膏来固定晶片，既要导电又要导热；光伏领域需要锡膏来实现电流的引出。

现阶段以智能手机、笔记本电脑为主导的电子元器件采用的锡膏主要还是T3/T4粒度的焊锡粉，T3/T4粒度的焊锡粉的粒径约为20-38微米，但是随着电子元器件中焊盘尺寸和间距微小化将使锡膏的下锡和焊接难度显著增加。因此超细锡膏的使用显得尤为必要。同理，在光伏领域，为了避免太阳电池栅线对入射光进一步的遮挡，超细锡膏制备的栅线也显得尤为重要。

目前超细焊锡粉采用超细的锡合金粉末制备，其制备过程复杂，难以工业化生产，因而使得由其制备的超细锡膏超级贵，如，采用T9粒度焊锡粉的锡膏价格达到3000-5000元每公斤，严重限制了使用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种超细低温锡膏金属粉、锡膏及其制备方法与应用，以克服现有超细锡膏金属粉制备过程复杂，成本高，难以产业化生产的问题。

本发明的技术方案是提供一种超细低温焊锡粉，其特殊之处在于，按照质量百分比由以下组分组成：银和/或锡包覆铜粉30％～70％，纯锡粉12％～30％，纯铋粉17％～40％，纯铟粉0.1％～1％；

其中，银和/或锡包覆铜粉的粒径为2-8微米，银和/或锡包覆层厚度为50-900纳米；纯锡粉的粒径为0.1-1微米，纯铋粉的粒径为0.1-1微米；纯铟粉的粒径为0.1-5微米。

进一步地，综合考虑导电性能及加工难度，按照质量百分比由以下组分组成：银和/或锡包覆铜粉70％，纯锡粉12％，纯铋粉17％，纯铟粉1％；

其中，银和/或锡包覆铜粉颗粒的粒径为5微米，银和/或包覆层厚度为500纳米；纯锡粉颗粒的粒径为0.1微米，纯铋粉颗粒的粒径为0.1微米；纯铟粉颗粒的粒径为5微米。

进一步地，银和/或锡包覆铜粉中铜粉为纯度大于99％的球形、准球形或片状纯铜粉，粒径小于8微米。

进一步地，银和/或锡包覆铜粉中铜粉为纯度大于99％的球形纯铜粉。选择球形铜粉主要因为其表面积最小，镀层质量占比最小，表面氧化层质量最小，同时有利于丝网印刷。

进一步地，纯锡粉形状为球形、准球形和/或片状；纯铋粉的形状为球形、准球形和/或片状；纯铟粉的形状为球形、准球形和/或片状。

本发明还提供一种基于上述超细低温焊锡粉的锡膏。

本发明还提供一种上述锡膏的制备方法，其特殊之处在于：

步骤1、在氮气气氛保护下，将银和/或锡包覆铜粉，纯锡粉，纯铋粉，纯铟粉按照上述质量百分比混合均匀；

步骤2、在氮气气氛保护下，将步骤1混合后的金属粉末加入低温助焊膏中，搅拌均匀。

本发明还提供一种上述锡膏作为太阳电池收集电流栅线的应用。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用超细单质金属混合粉末替代低温合金化金属粉末，超细单质金属混合粉末中各金属粉的粒径小于8微米，且通过简单混合即可，实现超细焊锡粉的同时有效地降低了锡膏金属粉的制备成本，可实现工业化批量生产。

2、本发明采用铜粉作为导电载体，以减小焊锡粉粒径，提高导电性，同时，为了避免铜发生氧化，在铜颗粒表面涂覆银和/或锡层，银、锡作为保护层的同时可以起到抗氧化抗腐蚀的作用，通过控制保护层的厚度，使得银和/或锡包覆铜粉的粒径为2-8微米，最终使得焊锡粉的粒径位小于8微米，同时通过添加特定量的纯锡粉和纯铋粉，在热处理过程中，锡铋熔化并包围具有镀层的铜粉，另外，为了降低整个焊锡膏的熔点，本发明通过添加特定量的纯铟粉，在回流焊热处理过程中铟首先熔化并诱导锡、铋熔化，特定量的纯铟粉还可以使得其他金属粉末固溶形成低温状态的良好导体。

3、本发明焊锡粉的平均粒度可以达到5微米以下，利用其制备的锡膏可有效缩短精密器件的焊接间距，增加器件的集成度，降低成本；

4、采用本发明锡膏作为太阳电池收集电流的金属栅线，相对于目前常用的银栅线，成本较低，同时因焊锡粉的平均粒度可以达到5微米，可有效降低栅线的宽度，避免太阳电池栅线对入射光进一步的遮挡。

5、本发明金属粉制成的锡膏固化后导电导热性能大于纯铜的，是高性能的导热导电锡膏，熔点155度，流动性稍差，可应用于太阳电池细栅线印刷，可以替代银浆，可以消除断点，降低串联电阻，提高转换效率，降低成本。

附图说明

图1为利用电子显微镜拍摄的本发明超细低温焊锡粉微观形貌图；

图2为利用电子显微镜拍摄的本发明锡膏作为太阳电池收集电流的金属栅线的微观形貌图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

本实施例超细低温锡膏用金属粉，按照质量百分比由以下组分组成：银包覆铜粉70％，纯锡粉12％，纯铋粉17％，纯铟粉1％；其中银和/或锡包覆铜粉的粒径为5微米，银包覆铜粉中铜粉为粒径等于3.5微米的球形纯铜粉，在其他实施例中还可以为准球形或片状纯铜粉；银层厚度约为500纳米；锡粉为球形纯锡粉，其粒径为0.1微米；铋粉为球形纯铋粉，其粒径为0.1微米，铟粉为球形纯铟粉，其粒径为5微米。在其他实施例中，锡粉、铋粉及铟粉还可以为准球形或片状。银和/或锡包覆层厚度位于50-900纳米即可；纯锡粉的粒径可以为0.1-1微米，纯铋粉的粒径可以为0.1-1微米；纯铟粉的粒径可以大于0.1微米小于5微米。

本实施例焊锡粉的平均粒度可以达到5微米以下，参见图1。

通过下述过程将其制备成锡膏：

取140g银包覆铜粉、24g纯锡粉、34g纯铋粉以及2g纯铟粉；将其在氮气气氛保护下混合均匀。

将混合好的金属粉末在氮气气氛保护下加入低温助焊膏，并搅拌均匀，使得金属粉均一混合于助焊膏中，完成搅拌混合的锡膏瓶装并冷藏于2-10℃冰箱中。

通过以下试验验证上述锡膏的导电性能：

选取环氧树脂模具，该环氧树脂模具上开设若干条长度相等的矩形凹槽，多条凹槽的宽度各不相同，将其中5条凹槽分别定义为1号凹槽、2号凹槽、3号凹槽、4号凹槽及5号凹槽。

取制备好的锡膏，搅拌并回温，将其置于上述5条凹槽中，接着采用75-95硬度的刮胶条使得锡膏致密并饱满填充于凹槽中。接着将填充完好锡膏的模具置于具有惰性气氛保护的回流焊炉中热处理，温度从室温升高至190℃，然后缓慢自然降温至室温，设置温度曲线进行熔化形成导线。采用四探针直流电阻测试仪，将四根探针扎于凹槽内锡膏线条两端，确保两端探针之间的间距为100mm，并测试其每根锡膏线条的线电阻，并记录如下，进而评估体锡膏体电阻率。

从上表数据可以得出，该锡膏体电阻率的平均值为2.3228μΩ·cm，相比于金属铜的体电阻率，增加了30％，而相比于纯锡膏的体电阻率，体电阻率降低了80％，镀银铜粉的掺入超细锡粉的锡膏中，其锡膏的体电阻明显降低。

将该锡膏应用于太阳电池金属栅线，具体如下，通过丝网印刷匹配50-100微米厚度的丝网在IBC太阳电池表面的点状烧结浆料连线上印刷若干条超细金属混合粉锡膏，而印刷锡栅线的下方已完成间断烧穿型点状银浆并烧结处理与硅电池形成欧姆接触。超细粉锡膏栅线的宽度30-60微米(如图2，其中太阳电池表面一条栅线的宽度为58.589微米)，栅线的高度为10-30微米，在回流焊炉中按照预设的温度曲线进行锡金属栅线的固化，回流焊最高温度190℃，热处理时间为2-10分钟，从而使得锡栅线与联排间断点状烧穿型银浆形成金属间的欧姆连接。对印刷完成锡栅线的电池安照20*20mm的规格进行激光切割为若干小样，同时对比印刷银浆栅线的电池片按照同样的工艺进行切割，分别测试电性能的IV曲线数据得出，印刷锡膏栅线电池的填充因子比印刷低温银浆栅线电池的填充因子增加了1.1％。在同一块IBC电池来说，整个电池片具有良好的均一性，从而说明了电池的串联电阻降低，锡栅线的体电阻率小于银栅线的体电阻率。尤其对于太阳电池的栅线，银浆的耗量大约为150mg，根据现有银浆的价格，每片电池副栅线的金属成本大约为1.2元，而采用铜锡膏制备太阳电池的栅线，其金属化成本降低60％。应用于太阳电池细栅线印刷，可以替代银浆，可以消除断点，降低串联电阻，提高转换效率，降低成本。

该金属粉制成的锡膏固化后导电导热性能大于纯铜的70％，是高性能的导热导电锡膏，熔点155度，流动性稍差，可应用于太阳电池细栅线印刷，形成超细栅线，避免太阳电池栅线对入射光进一步的遮挡，可以替代银浆，可以消除断点，降低串联电阻，提高转换效率，降低成本。

实施例2

本实施例超细低温锡膏用金属粉，按照质量百分比由以下组分组成：银包覆铜粉30％，纯锡粉30％，纯铋粉39.9％，纯铟粉0.1％；其中银和/或锡包覆铜粉的粒径位于2-8微米之间，银包覆铜粉中的铜粉为5微米的球形纯铜粉；银层厚度约为50纳米；锡粉为球形纯锡粉，其粒径为1微米；铋粉为纯铋粉，其粒径为1微米，铟粉为纯铟粉，其粒径小于1微米。

通过下述过程将其制备成锡膏：

取60g银包覆铜粉、60g的纯锡粉、79.8g的纯铋粉和0.2g的纯铟粉，将其在氮气气氛保护下混合均匀。

将混合好的金属粉末在氮气气氛保护的环境下加入低温助焊膏，并搅拌均匀，使得金属粉均一混合于助焊膏中，完成搅拌混合的锡膏瓶装并冷藏于2-10℃冰箱中。

通过以下试验验证上述锡膏的导电性能：

取环氧树脂模具，将上述制备好的锡膏，搅拌并回温，通过刮涂的方式置于环氧树脂模具凹槽中。接着将填充完好锡膏的模具置于具有惰性气氛保护的回流焊炉中回流焊炉中热处理，温度从室温升高至190℃，然后缓慢自然降温至室温，设置温度曲线进行熔化形成导线。采用四探针直流电阻测试仪，将四根探针扎于凹槽内锡膏线条两端，确保两端探针之间的间距为100mm，并测试其每根锡膏线条的线电阻，并记录如下，进而评估锡膏体电阻率。

从上表数据可以得出，该锡铜金属浆料的体电阻率的平均值为3.1348μΩ·cm，相比于金属铜的体电阻率，增加了70％，而相比于纯锡膏的体电阻率，体电阻率降低了70％，镀银铜粉的掺入超细锡粉的锡膏中，其锡膏的体电阻明显降低。

该金属粉制成的锡膏因铜含量的占比较小，回流焊热处理时流动性强，固化后导电导热性能大于纯铜的30％，是高性价比的导热导电锡膏，熔点155度，流动性好，可应用于LED芯片的焊接，在提高导热导电性能的同时，保留了焊接时的自对准特性，可以降低LED芯片的工作温度，提高使用寿命。

实施例3

本实施例超细低温锡膏用金属粉，按照质量百分比由以下组分组成：锡包覆铜粉50％，纯锡粉20％，纯铋粉29％，纯铟粉1％；其中锡包覆铜粉颗粒的粒径为5微米，锡包覆铜粉中铜粉为3微米的球形纯铜粉，在其他实施例中还可以为准球形或片状纯铜粉，粒径小于8微米即可；银层厚度约为100纳米；锡粉为球形纯锡粉，其粒径为0.5微米；铋粉为球形纯铋粉，其粒径为0.5微米，铟粉为球形纯铟粉，其粒径为0.5微米。在其他实施例中，锡粉、铋粉及铟粉还可以为准球形或片状。

通过下述过程将其制备成锡膏：

取100g锡包覆铜粉、40g纯锡粉、58g纯铋粉以及2g纯铟粉；将其在氮气气氛保护下混合均匀。

将混合好的金属粉末在氮气气氛保护下加入低温助焊膏，并搅拌均匀，使得金属粉均一混合于助焊膏中，完成搅拌混合的锡膏瓶装并冷藏于2-10℃冰箱中。

通过以下试验验证上述锡膏的导电性能：

取制备好的锡膏，搅拌并回温，将其置于实施例1所述模具的5条凹槽中，接着采用75-95硬度的刮胶条使得锡膏致密并饱满填充于凹槽中。接着将填充完好锡膏的模具置于回流焊炉中热处理回流焊炉中热处理，温度从室温升高至190℃，然后缓慢自然降温至室温，设置温度曲线进行熔化形成导线。采用四探针直流电阻测试仪，将四根探针扎于凹槽内锡膏线条两端，确保两端探针之间的间距为100mm，并测试其每根锡膏线条的线电阻，并记录如下，进而评估体锡膏体电阻率。

从上表数据可以得出，该锡膏体电阻率的平均值为2.61μΩ·cm，相比于金属铜的体电阻率，增加了50％，而相比于纯锡膏的体电阻率，体电阻率降低了60％，镀银铜粉的掺入超细锡粉的锡膏中，其锡膏的体电阻明显降低。

将该锡膏应用于太阳电池金属栅线，具体如下通过丝网印刷匹配50-100微米厚度的丝网在背接触太阳电池表面的点状烧结浆料连线上印刷若干条超细金属混合粉锡膏，而印刷锡栅线的下方已完成间断烧穿型银浆并烧结处理与硅电池形成欧姆接触。超细粉锡膏栅线的宽度30-50微米，栅线的高度为10-30微米，在回流焊炉中按照预设的温度曲线进行锡金属栅线的固化，回流焊最高温度180℃，热处理时间为2-10分钟，从而使得锡栅线与联排间断点状烧穿型银浆形成金属间的欧姆连接。对印刷完成锡栅线的电池安照20*20mm的规格进行激光切割为若干小样，同时对比印刷银浆栅线的电池片按照同样的工艺进行切割，分别测试电性能的IV曲线数据得出，印刷锡膏栅线电池的填充因子比印刷低温银浆栅线电池的填充因子增加了0.6％。在同一块IBC电池来说，整个电池片具有良好的均一性，从而说明了电池的串联电阻降低，锡栅线的体电阻率小于银栅线的体电阻率。尤其对于太阳电池的栅线，银浆的耗量大约为150mg，根据现有银浆的价格，每片电池副栅线的金属成本大约为1.2元，而采用铜锡膏制备太阳电池的栅线，其金属化成本降低60％。应用于太阳电池细栅线印刷，可以替代银浆，可以消除断点，降低串联电阻，提高转换效率，降低成本。

该金属粉制成的锡膏固化后导电导热性能大于纯铜的50％，是高性能的导热导电锡膏，熔点155度，流动性稍差，可应用于太阳电池细栅线印刷，可以替代银浆，可以消除断点，降低串联电阻，提高转换效率，降低成本。

以上对本发明实施所提供的技术方案进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种超细低温焊锡粉，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：银和/或锡包覆铜粉30％～70％，纯锡粉12％～30％，纯铋粉17％～40％，纯铟粉0.1％～1％；

其中，银和/或锡包覆铜粉的粒径为2-8微米，银和/或锡包覆层厚度为50-900纳米；纯锡粉的粒径为0.1-1微米，纯铋粉的粒径为0.1-1微米；纯铟粉的粒径为0.1-5微米；

通过简单混合上述组分即可获得。

2.根据权利要求1所述的超细低温焊锡粉，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：银和/或锡包覆铜粉70％，纯锡粉12％，纯铋粉17％，纯铟粉1％；

其中，银和/或锡包覆铜粉颗粒的粒径为5微米，银和/或包覆层厚度为500纳米；纯锡粉颗粒的粒径为0.1微米，纯铋粉颗粒的粒径为0.1微米；纯铟粉颗粒的粒径为5微米。

3.根据权利要求1或2所述的超细低温焊锡粉，其特征在于：银和/或锡包覆铜粉中铜粉为纯度大于99％的球形、准球形或片状纯铜粉，粒径小于8微米。

4.根据权利要求3所述的超细低温焊锡粉，其特征在于：银和/或锡包覆铜粉中铜粉为纯度大于99％的球形纯铜粉。

5.根据权利要求1或2所述的超细低温焊锡粉，其特征在于：纯锡粉形状为球形、准球形和/或片状；纯铋粉的形状为球形、准球形和/或片状；纯铟粉的形状为球形、准球形和/或片状。

6.一种基于权利要求1-5任一所述超细低温焊锡粉的锡膏。

7.一种权利要求6所述锡膏的制备方法，其特征在于：

步骤1、在氮气气氛保护下，将银和/或锡包覆铜粉，纯锡粉，纯铋粉，纯铟粉按照上述质量百分比混合均匀；

步骤2、在氮气气氛保护下，将步骤1混合后的金属粉末加入低温助焊膏中，搅拌均匀。

8.权利要求6所述锡膏作为太阳电池金属栅线的应用。

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