CN1152769C - 纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料及其制备方法属于金属基复合材料技术领域。本发明所提供的钎料由颗粒状的锡铅基体及纳米颗粒状增强体混合制成，其特征是：所述的颗粒状的锡铅基体尺寸在35-75μm之间，其中锡的重量百分比为60-65%，Ce基混合稀土的重量百分比为0-0.3%，其余为铅；所述的纳米颗粒状增强体为TiO2、Al2O3、工业纯Ag或Cu，名义尺寸在25-90nm之间，在复合钎料中的体积比为0.5-5%；该钎料通过将上述颗粒状的锡铅基体、纳米颗粒状增强体及中性助焊剂均匀混合，搅拌30-40min制成复合钎料膏，熔化后形成的钎焊接头具有很高的抗蠕变性能，并在钎焊过程中保持了锡铅钎料熔化温度低、润湿性好、抗拉强度及物理性能优良等优点，且制备方法简单，可广泛应用在电子或光电子等领域。
Description
一、技术领域
一种纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料及其制备方法属于金属基复合材料技术领域。
二、背景技术
锡铅钎料在电子工业中有广泛的应用，实现元器件内及元器件与印刷电路板之间的电连接及机械连接。随着元器件的小型化及表面组装技术的发展，对钎料的显微组织稳定性、力学性能，特别是抗蠕变性能的要求越来越高。
汽车发动机附近，冬天的环境温度可在-40℃到200℃范围波动，汽车电子用钎料要经受反复的热循环应力，还要吸收发动机及路面的震动载荷和开车遇到的偶然冲击。在光缆工程中光纤的连接固定，随着时间的推移，光纤的轴垂直面如果因蠕变而逐渐偏离对中，将导致信号透射强度的降低。在光电子组装中，如固体激光器芯片和光纤的球透镜之间的耦合，其耦合率取决于光纤的轴垂直面的精确对中。元件之间的定位在整个运行寿命中必须保持精确，任何因蠕变导致的位移，都可能影响光信号的传输质量，甚至使传输信号完全丧失，这实际上取决于钎料的蠕变性能或连接处的尺寸稳定性。因此，在保持锡铅钎料良好性能的基础上，提高其蠕变抗力十分重要。与常规电讯及数据通讯相比，军用及宇航电子设备要求光纤模块能长期在震动、加速等恶劣环境下服役，钎料的抗蠕变性能也要求更高。
目前，在光电子组装中广泛采用金基钎料，如80Au-20Sn共晶钎料，虽然该钎料蠕变抗力较高，但钎料熔点较高(273℃)，在钎焊过程中，往往造成光纤或光电子器件损伤，而且价格昂贵。
锡铅共晶或近共晶钎料熔点较低(183℃)，价格低廉，钎焊工艺性能好，但抗蠕变性能差。目前开发的无铅焊料，虽然一些无铅焊料的抗蠕变性能优于锡铅钎料，但这些无铅钎料的熔化温度普遍高于锡铅共晶钎料约40℃。
1998年美国朗讯的贝尔实验室，在63Sn-37Pb共晶钎料中加入氧化铝或氧化钛纳米质点，尺寸分别为10nm及5nm，加入体积比为3％，经反复压延制成复合材料。对尺寸为3.5mm×3.5mm×4.5mm的复合材料块做恒载压缩蠕变速率测试，结果表明该复合材料的抗压缩蠕变性能优于80Au-20Sn钎料合金，但未做材料熔化后的性能测试及作为钎料使用时所需物理性能及工艺性能的试验，即没有得出是否能作为钎料使用的数据。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种抗蠕变性能高、制备方法简单的纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料及其制备方法。
本发明所提供的纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料由颗粒状的锡铅基体及纳米颗粒状增强体混合制成，其特征是：所述的颗粒状的锡铅基体尺寸在35-75μm之间，其中锡的重量百分比为60-65％，Ce基混合稀土的重量百分比为0-0.3％，其余为铅；所述的纳米颗粒状增强体为TiO2、Al2O3金属氧化物、工业纯金属Ag或Cu任意一种，名义尺寸在25-90nm之间，在复合钎料中的体积比为0.5-5％。
本发明提供的纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料的制备方法，其特征在于：通过将上述颗粒状的锡铅基体、纳米颗粒状增强体及中性助焊剂机械均匀混合，搅拌30-40min制成复合钎料膏。
为了模拟实际电子连接接头的尺寸与冷却条件，在蠕变试验中采用的试件是微型单搭接头，钎焊接头的搭接面积为1mm2，钎缝厚度为0.15mm，被连接材料为紫铜箔，厚度为0.1mm。为了比较纳米颗粒增强复合钎料与普通锡铅钎料的蠕变性能，采用拉剪蠕变寿命试验，试验在恒载拉伸条件下进行，试件的恒拉剪应力为11.27Mpa，试验温度为15℃，试样的拉断时间为其蠕变寿命。铺展面积试验是参考国标《钎料铺展性及填缝性实验方法》GB11364-89的规定。基板为0.2mm厚的薄铜片，尺寸为40mm×40mm。Cu箔经600号砂纸打磨，无水乙醇清洗凉干。钎料膏重量为0.227g。称料用塞多利斯电子天平。铺展焊接试验用HZ-3C电脑控制再流焊机，空气中进行。实施例中五种纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料试样与63Sn-37Pb钎料试样都是在上述相同的条件下制备和测试的。 其它测试项目包括：拉伸强度、熔化温度、电导率等。
纳米颗粒增强锡铅基复合钎料性能的试验结果见附表，试验结果表明：纳米颗粒增强锡铅基复合钎料熔化温度低、润湿性较好(铺展面积较大，润湿角较小)、抗拉强度及物理性能优良等优点，纳米颗粒增强的复合钎料接头蠕变寿命较大，抗蠕变性能较好。
四、具体实施例
实施例1：纳米颗粒增强锡铅复合钎料的基体是60Sn-40Pb近共晶合金，名义尺寸是35μm，含Ce基混合稀土的重量百分比为0.1％。纳米颗粒状增强体是Al2O3纳米氧化物颗粒，表面经防团聚处理，名义尺寸为90nm，在复合钎料中的体积比为0.5％。称取0.024g的Al2O3和0.01g上述混合稀土以及1.36g免清洗中性助焊剂，放入坩埚中机械搅拌30min，待混合均匀后，加入10g的60Sn-40Pb近共晶合金，机械搅拌30min，制成复合钎料膏，低温保存备用。
实施例2：纳米颗粒增强锡铅复合钎料的基体是63Sn-37Pb共晶合金，名义尺寸是43μm。纳米颗粒状增强体是金红石型氧化物TiO2，表面经防团聚处理，名义尺寸为70nm，在复合钎料中的体积比为3％。称取0.158g的TiO2和1.36g免清洗中性助焊剂，放入坩埚中机械搅拌40min，待混合均匀后，加入10g的63Sn-37Pb共晶合金，机械搅拌30min，制成复合钎料膏，低温保存备用。
实施例3：纳米颗粒增强锡铅复合钎料的基体是65Sn-35Pb近共晶合金，名义尺寸是75μm，含Ce基混合稀土的重量百分比为0.3％。纳米颗粒状增强体是锐钛型氧化物TiO2，表面经防团聚处理，名义尺寸为50nm，在复合钎料中的体积比为5％。称取0.269g的TiO2和0.03g上述混合稀土以及1.36g免清洗中性助焊剂，放入坩埚中机械搅拌30min，待混合均匀后，加入10g的65Sn-35Pb近共晶合金，机械搅拌35min，制成复合钎料膏，低温保存备用。
实施例4：纳米颗粒增强锡铅复合钎料的基体是63Sn-37Pb共晶合金，名义尺寸是43μm。纳米颗粒状增强体是纯金属Ag，纯度为99.9％，名义尺寸为35nm，在复合钎料中的体积比为3％。称取0.389g的Ag和1.36g免清洗中性助焊剂，放入坩埚中机械搅拌35min，待混合均匀后，加入10g的63Sn-37Pb共晶合金，机械搅拌30min，制成复合钎料膏，低温保存备用。
实施例5：纳米颗粒增强锡铅复合钎料的基体是63Sn-37Pb共晶合金，名义尺寸是43μm。纳米颗粒状增强体是纯金属Cu，纯度为99.9％，名义尺寸为25nm，在复合钎料中的体积比为3％。称取0.329g的Cu和1.36g免清洗中性助焊剂，放入坩埚中机械搅拌30min，待混合均匀后，加入10g的63Sn-37Pb共晶合金，机械搅拌40min，制成复合钎料膏，低温保存备用。
附表：实施例1至5的纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料性能测试表
| 实施例 | 熔点(℃) | 抗拉强度(MPa) | 铺展面积(mm2) | 润湿角(°) | 表而张力(MN/m) | 电导率(％ICAS) | 相对蠕变寿命 |
| 63Sn37Pb | 183 | 35.5 | 106.1 | 5.7 | 468 | 12.28 | 1 |
| 实施例1 | 183-190 | 43.7 | 106.6 | 7.3 | 469 | 12.31 | 7.0 |
| 实施例2 | 183 | 46.2 | 112.7 | 7.2 | 469 | 12.17 | 4.8 |
| 实施例3 | 183-186 | 47.5 | 109.1 | 7.7 | 469 | 12.05 | 4.4 |
| 实施例4 | 183 | 34.6 | 98.8 | 6.2 | 468 | 12.62 | 40 |
| 实施例5 | 183 | 48.0 | 81.8 | 6.9 | 469 | 12.98 | 6.5 |
*相对蠕变寿命：设63Sn37Pb共晶钎料接头的蠕变寿命为1，表示纳米颗粒增强的复合钎料接头蠕变寿命相对其蠕变寿命倍数。(钎料接头蠕变试件均为12件)。
Claims (2)
1、一种纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料，由颗粒状的锡铅基体及纳米颗粒状增强体混合制成，其特征是：所述的颗粒状的锡铅基体尺寸在35-75μm之间，其中锡的重量百分比为60-65％，Ce基混合稀土的重量百分比为0-0.3％，其余为铅；所述的纳米颗粒状增强体为TiO2、Al2O3金属氧化物、工业纯金属Ag或Cu任意一种，名义尺寸在25-90nm之间，在复合钎料中的体积比为0.5-5％。
2、一种纳米颗粒增强的锡铅基复合钎料的制备方法，其特征在于：通过将上述颗粒状的锡铅基体、纳米颗粒状增强体及中性助焊剂机械均匀混合，搅拌30-40min制成复合钎料膏。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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