CN115870667A - 200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料、制备方法及接头制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种在200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料、制备方法及接头制备方法,由核壳结构粉体组成,其中核体材料为高导热导电、高熔点的金属材料如Cu、Ni、Ag等,壳体材料为低熔点单质或共晶合金,如Sn,SnBi合金、SnBiAg合金等。当壳体材料为低熔点单质Sn时,通过低于Sn熔点(180‑200℃)的超声固相扩散焊接或压力烧结,实现低熔点金属的完全转化,生成耐高温(~450℃)的焊接接头;当壳体材料为低温共晶金属SnBi或SnBiAg时,通过低温瞬态液相扩散焊接(160‑200℃)制备耐高温接头。核壳结构预成型焊片双面镀锡解决了复合焊片的非共面性问题,在低于200℃工艺温度下实现了大面积、高致密、耐高温接头制备,而该复合粉末制备的焊膏解决了异形件的焊接问题,器件焊接适应性广。
Description
技术领域
本发明属于高温焊接材料技术领域,特别是涉及一种200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料、制备方法及接头制备方法,用于超低温焊接工艺,焊接形态为片状或膏体,产品适应性广,制备的接头具备耐高温高可靠性能。
背景技术
随着电子工业的发展,电子元器件的工作环境温度越来越高,需要研制更高耐温性、更高可靠性,但工艺温度更低的焊接材料及技术以适应更恶劣的服役环境,特别是第三代宽禁带半导体SiC/GaN芯片的耐高温焊接材料与技术的开发,使得电力电子器件的使用温度由Si器件的125℃提升至200℃。此外,航空、航天、兵器等军用领域对低温焊接、耐高温服役的焊接材料的需求也迫在眉睫,比如航空发动机耐高温叶片的低温修复;大功率密度、结构复杂的小体积军用电机定子绕组引线的焊接,均需要在较低的工艺温度下稳定焊接,器件或接头在极端高温环境中可靠服役。目前的“低温焊接、耐高温应用”焊接材料和技术有烧结纳米Ag、烧结纳米Cu以及瞬态液相扩散焊接技术。烧结纳米Ag技术材料成本高、烧结温度为250℃,存在电迁移问题;而烧结纳米Cu材料易氧化,存储成本高、焊接过程需要高压工艺;瞬态液相扩散焊接材料成本低、与焊接基材的热膨胀系数接近,和传统焊接材料工艺兼容。常用的瞬态液相扩散焊接材料为Cu/Sn、Ag/Sn、Au/Sn、Ni/Sn等,焊接温度为250~280℃,反应时间长,接头太薄,不利于应力传导。
核壳结构的Cu@Sn、Ag@Sn等焊接材料的瞬态液相扩散焊接技术由于材料接触面积大、反应时间缩短,接头厚度不受限制,有利于应力传导和疏散,但反应的焊接温度依然大于250℃,难以满足更低温度的工艺焊接需求。
发明内容
针对以上技术问题,本发明公开了一种200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料、制备方法及接头制备方法;将焊接材料制成焊接温度在160~220℃范围内的核壳结构复合焊片或焊膏,利用固相扩散或者固液扩散焊接原理制备的接头满足耐450℃以上高温的应用需求,解决了传统的瞬态液相扩散焊接技术焊接温度高、焊片对器件的适应性差等问题。
对此,本发明采用的技术方案为:
一种200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料,所述焊接材料为核壳结构复合焊接材料,包括核层和包覆在所述核层外部的壳层;其中核层材料为Cu或Ag,所述壳层材料为单质Sn、SnBi合金或SnBiAg合金。
一种200℃以下焊接、耐高温应用的复合焊接材料的制备方法,其包括如下步骤:
制备Cu@X(X=Sn,SnBi,SnBiAg,下同),所述Sn或Sn基合金层厚度为1~2μm;
制备的Cu@X,使用不同粒度的Cu颗粒进行Sn层或Sn合金层的电镀,不同粒度的Cu@X(<15μm,15~25μm,25~50μm)颗粒混合,制成混合粉末。
进一步地,制备的Cu@X,使用不同粒度的Cu颗粒进行Sn层或Sn合金层的电镀,不同粒度的Cu@X(<15μm,15~25μm,25~50μm)颗粒按照3:2:1的比例混合后压力成型,制备成Cu@X焊片。
进一步地,制备的Cu@Sn颗粒,所使用的电镀液为甲基磺酸亚锡电镀液,PH为6~7,电镀温度为15~35℃,采用恒电流的计时电位电镀模式,电流密度为30A/dm2,电镀时间为2~4min;
进一步地,制备的Cu@Sn-基共晶合金,所使用的镀液的特征是加入了水溶性良好的苯并唑类磺酸化合物,苯并唑类磺酸化合物在镀液中的质量浓度为1×10-5~10g/L,最好为1×10-4~5g/L;
进一步地,制备的Cu@Sn-基共晶合金,镀液中加入对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、均苯三酚、连苯三酚、α或β-萘酚等防氧化剂,以防止镀液中的Sn2+氧化成Sn4+。防氧化剂的质量浓度为0.05~5g/L,最好为0.2~2g/L;
进一步地,镀液中还可以加入光亮剂、络合剂、pH调整剂、导电性助剂和表面活性剂等各种添加剂,旨在改善镀液和镀层性能,镀液pH值为1~8,镀液温度为10~60℃,最好为15~35℃。
进一步地,利用以上电镀方法制备的Cu@X粉末(x=Sn,SnBi,SnBiAg等),按9:1的比例加入商用助焊剂DL-405,球磨混匀后制备成Cu@X无铅焊膏。
本发明还提供了上述200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料接头制备方法,包括如下步骤:将上述方法制备的Cu@X焊片,通过二次电镀使预成型焊片表面包覆一层1~2μm的Sn层或Sn基合金层,该表面镀Sn或Sn基合金的预成型焊片在170-200℃下通过超声辅助焊接,前者利用固液扩散原理,后者利用固固扩散焊接原理,等温时效8~10min后获得了致密、强韧一体的三维网络接头,室温剪切强度不低于80MPa。
本发明还提供了上述200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料接头制备方法,包括如下步骤:将上述方法制备的Cu@X焊膏,采用二次印刷法先在Cu基板上印刷一层80μm的焊膏,在120℃下脱胶90min,然后再印刷一层40μm的焊膏,Cu@Sn焊膏以70℃/min的升温速率加热至150℃,再以5℃/min的升温速度加热至200℃,保温10min后得到致密三维网络接头。
本发明中,“耐高温”中的“高温”是指最大耐受温度为450℃。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明的Cu@Sn预成型焊片,在低于Sn熔点的180~200℃的温度范围内采用超声辅助的焊接方法加速了Cu核和Sn壳体材料之间的固相扩散速率,Sn层在2分钟内完全转化成为界面金属间化合物IMCs,形成了Cu@IMCs的致密网络结构接头;和传统核壳结构焊片的瞬态液相扩散焊接技术(TLPS)相比,不仅缩短了焊接时间,更重要的是降低了焊接工艺温度,接头耐温性依然大于450℃,满足光学模组等特殊器件的特殊低温焊接温度,高服役温度的可靠应用需求;
2、本发明的Cu@X(X=SnBi,SnBiAg等共晶合金)预成型焊片,在X合金的熔点以上30~50℃即170~200℃瞬态液相扩散焊接,20分钟内低熔点的X合金完全转化为IMCs,形成Cu@IMCs致密网络接头;和传统的Cu@Sn材料TLPS技术相比,壳层材料采用更低熔点的Sn基合金,焊接工艺温度更低,而接头耐温性不变,满足了特殊的200℃以下更低温的焊接需求;
3、本发明的Cu@X(X=Sn单质,SnBi,SnBiAg等共晶合金)预成型焊片,采用表面镀覆壳层材料进行补强,解决了复合焊片焊接时存在的共面性问题,接头界面致密,剪切强度更高(不低于20MPa),导热导电性能更优,满足电力电子器件的耐高温、高可靠性应用;
4、本发明的Cu@X(X=Sn单质,SnBi,SnBiAg等共晶合金)焊膏,采用二次印刷法,通过排胶、快速升温、慢速加压焊接等步骤实现致密焊接,满足异型件的更低温度焊接、耐高温、高可靠应用需求。
附图说明
图1Sn-Bi及Sn-Bi-Ag合金图;a)SnBi合金相图;b)SnBiAg合金相图;
图2双面镀壳体金属的Cu@Sn预成型焊片及焊膏焊接接头的微观形貌图;
a)Cu@Sn焊膏接头显微形貌;b)Cu@Sn焊片显微形貌;
图3Cu@Sn固相扩散焊接接头及Cu@Sn基合金-TLPS焊接接头的剪切强度;
图4表面补强预成型焊片Cu@X接头与传统Cu@SnTLPS接头的热阻、电阻对比图。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
一种200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料及接头制备方法,其制备步骤如下:
步骤1,制备Cu@X(X=Sn、Sn58Bi合金或者Sn35Bi0.5Ag合金):不同粒度(<15μm,15~25μm,25μm<粒度≤50μm)的Cu颗粒分别进行Sn镀层、Sn58Bi合金镀层或者Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末。
对于不同粒径Cu颗粒,不同镀层材料的制备方法相同,但<15μmCu颗粒的镀层厚度为~1微米,15~25μm粒径(即是粒度)的Cu颗粒镀层厚度为1~2μm,大于25μm且小于等于50μm粒径Cu颗粒的镀层厚度为2~3μm;Sn镀层采用电镀的方法制备,所使用的电镀液为甲基磺酸亚锡电镀液,PH为6~7,电镀温度为15~35℃,采用恒电流的计时电位电镀模式,电流密度为30A/dm2,电镀时间为2~4min;Sn58Bi合金和Sn35Bi0.5Ag合金镀层采用化学镀方法制备,Sn58Bi合金镀层制备中所使用的镀液的特征是加入了水溶性良好的苯并唑类磺酸化合物,苯并唑类磺酸化合物在镀液中的质量浓度为1×10-5~10g/L,最好为1×10-4~5g/L;Sn35Bi0.5Ag合金镀层制备中镀液内加入对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、均苯三酚、连苯三酚、α或β-萘酚等防氧化剂,以防止镀液中的Sn2+氧化成Sn4+,防氧化剂的质量浓度为0.05~5g/L,最好为0.2~2g/L;镀液中还可以加入光亮剂、络合剂、pH调整剂、导电性助剂和表面活性剂等各种添加剂,旨在改善镀液和镀层性能,镀液pH值为1~8,镀液温度为10~60℃,最好为15~35℃。
大粒度核壳结构Cu@Sn粉末、中粒度核壳结构Cu@Sn粉末、小粒度核壳结构Cu@Sn粉末按照1:2:3的重量比例进行级配,获得复合粉末;所述复合粉末为焊接材料。
大粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末、中粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末、小粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末按照1:2:3的重量比例进行级配,获得粒径级配过的Cu@X(X=Sn58Bi)复合粉末;所述复合粉末为焊接材料。
大粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末、中粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末、小粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末按照1:2:3的重量比例进行级配,获得粒径级配过的Cu@X(X=Sn35Bi0.5Ag)复合粉末;所述复合粉末为焊接材料。
步骤3,对于Cu@Sn预成型焊片,通过双面镀Sn1~2μm的Sn层进行表面补强,采用超声辅助的固相扩散焊接方法,在常规回流焊接炉体内加一个超声焊接设备,增加元素之间的扩散速度,进而加快界面的元素的固-固反应速度。在200℃保温2min,使得低熔点的Sn完全转化成高熔点的Cu3Sn,包覆在剩余的Cu颗粒表面,制备出Cu@Cu3Sn接头;对于Cu@Sn58Bi和Cu@Sn35Bi0.5Ag采用超声辅助的瞬态液相扩散焊接分别在180℃和200℃保温2min使得低熔点的Sn完全转化为Cu3Sn,Ag元素完全转化为Ag3Sn,Bi元素弥散分布于接头界面;完成Cu@Cu3Sn/Bi及Cu@Cu3Sn/Ag3Sn/Bi接头的制备;Sn-Bi及Sn-Bi-Ag合金图如图1所示,a)Sn-Bi合金中Bi元素重量含量为58wt.%时,Sn-Bi为共晶合金,具有唯一熔点:158℃;b)当Sn-Bi-Ag中Bi重量含量为35wt.%,Ag重量含量为0.5wt.%时,Sn35Bi0.5Ag共晶合金的熔点为173℃,可以实现200℃以下温度焊接。
步骤4,将粒径级配过Cu@X复合粉末与按8:1的重量比例加入贺立士商用助焊剂,牌号为DL-405,球磨混匀后制备成焊膏;采用二次印刷法先在Cu基板上印刷一层厚度80μm的焊膏,在120℃下脱胶90min,然后再印刷一层厚度40μm的焊膏;
步骤5,Cu@Sn和Cu@Sn35Bi0.5Ag焊膏以70℃/min的升温速率加热至150℃,再以5℃/min的升温速度加热至200℃,压力0.5MPa,保温10min后得到致密三维网络接头;Cu@Sn58Bi焊膏以70℃/min的升温速率加热至130℃,再以5℃/min的升温速度加热至170℃,压力1MPa,保温10min后得到致密三维网络接头。
步骤1得到的双面镀壳体金属的Cu@Sn预成型焊片b)及步骤4得到的焊膏a)通过焊接制备的接头微观形貌如图2所示,采用CONDOR150推拉力计测试了步骤5得到的Cu@Sn固相扩散焊接接头及Cu@Sn基合金-TLPS焊接接头的剪切强度,如图3所示,步骤3得到的表面补强预成型焊片Cu@X接头与未经过表面补强Sn镀层的传统Cu@SnTLPS接头的接头剪切强度均不低于20MPa,如图3所示;接头的热导率、电阻如图4所示,热导率和热扩散系数满足如下关系:k=α·Cp·ρ,通过热导率α、热熔Cp及密度的测定可计算出热导率,热扩散系统采用激光热导仪测量,热熔采用DSC中的蓝宝石法,取与蓝宝石标样质量相近的试样,通过蓝宝石的比热来测试样品的比热。样品的密度由排水法测得。电阻采用I-V曲线测得。
实施例2
步骤1,制备Cu@X(X=Sn、Sn58Bi合金或者Sn35Bi0.5Ag合金):不同粒度(<15μm,15~25μm,25μm<粒度≤50μm)的Cu颗粒分别进行Sn镀层或者Sn58Bi/Sn35Bi0.5Ag合金镀层。
镀层制备方法与实施例1的步骤1相同。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末。
<15μmCu颗粒的镀层厚度为~1微米,15~25μm粒径的Cu颗粒镀层厚度为1~2μm,25~50μm粒径Cu颗粒的镀层厚度为2~3μm制备,大粒度核壳结构Cu@X粉末、中粒度核壳结构Cu@X粉末、小粒度核壳结构Cu@X粉末(X=Sn、Sn58Bi合金或者Sn35Bi0.5Ag合金)按照1:2:3的重量比例进行级配,获得复合粉末;所述复合粉末为焊接材料。
步骤3,对于Cu@Sn预成型焊片,采用超声辅助的固相扩散焊接方法(同实施例1),该方法在常规回流焊接的基础加入超声技术加速了Cu-Sn之间的固相扩散速率,在190℃保温2min的焊接条件下,低熔点的Sn完全转化为高熔点的Cu3Sn,形成Cu@Cu3Sn三维网络接头结构;对于Cu@Sn58Bi和Cu@Sn35Bi0.5Ag采用超声辅助的瞬态液相扩散焊接分别在170℃和190℃保温5min使得低熔点合金完全转化为Cu3Sn或Ag3Sn,Bi元素集中在界面区域,经过300℃时效48h后弥散分布于接头中,实现接头Cu@Cu3Sn/Bi及Cu@Cu3Sn/Ag3Sn/Bi制备;
步骤4,将Cu@X复合粉末与按9:1的重量比例加入贺立士商用助焊剂,牌号为DL-405,球磨混匀后制备成焊膏;采用二次印刷法先在Cu基板上印刷一层厚度70μm的焊膏,在120℃下脱胶90min,然后再印刷一层厚度50μm的焊膏;
步骤5,Cu@Sn和Cu@Sn35Bi0.5Ag焊膏以70℃/min的升温速率加热至150℃,再以5℃/min的升温速度加热至190℃,压力0.5MPa,保温10min后得到致密三维网络接头;Cu@Sn58Bi焊膏以70℃/min的升温速率加热至140℃,再以5℃/min的升温速度加热至165℃,压力0.35MPa,保温8min后得到致密三维网络接头。
实施例3
步骤1,制备Cu@X(X=Sn、Sn58Bi合金或者Sn35Bi0.5Ag合金):不同粒度(<15μm,15~25μm,大于25μm且小于等于50μm)的Cu颗粒分别进行Sn镀层或者Sn58Bi/Sn35Bi0.5Ag合金镀层制备。
镀层制备方法与实施例1的步骤1相同。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末。
<15μmCu颗粒的镀层厚度为~1微米,15~25μm粒径的Cu颗粒镀层厚度为1~2μm,25~50μm粒径Cu颗粒的镀层厚度为2~3μm。大粒度核壳结构Cu@X粉末、中粒度核壳结构Cu@X粉末、小粒度核壳结构Cu@X粉末按照1:2:3的重量比例进行级配,获得复合粉末;所述复合粉末为焊接材料。
步骤3,对于Cu@Sn预成型焊片,采用超声辅助的固相扩散焊接方法,该焊接方法在180℃下使得Cu与Sn发生固-固扩散反应转化为高熔点的Cu3Sn,辅助超声技术加速了Cu/Sn固相反应速率,使得接头在3分钟完成Cu@Cu3Sn接头制备;对于Cu@Sn58Bi和Cu@Sn35Bi0.5Ag采用超声辅助的瞬态液相扩散焊接(TLPS)分别在180℃和210℃保温4min完成接头Cu@Cu3Sn/Bi和Cu@Cu3Sn/Ag3Sn/Bi制备,该超声辅助的TLPS技术是在常规瞬态液相扩散焊接的基础上加入超声技术,目的是加速了元素之间的界面反应速率,减小反应时间;
步骤4,将Cu@X复合粉末与按9:1的重量比例加入贺立士商用助焊剂,牌号为DL-405,球磨混匀后制备成焊膏;采用二次印刷法先在Cu基板上印刷一层厚度90μm的焊膏,在120℃下脱胶90min,然后再印刷一层厚度30μm的焊膏;
步骤5,Cu@Sn和Cu@Sn35Bi0.5Ag焊膏以70℃/min的升温速率加热至140℃,再以5℃/min的升温速度加热至210℃,压力0.3MPa,保温10min后得到致密三维网络接头;Cu@Sn58Bi焊膏以70℃/min的升温速率加热至140℃,再以5℃/min的升温速度加热至170℃,压力0.30MPa,保温6min后得到致密三维网络接头。
实施例4
步骤1,制备Cu@X(X=Sn、Sn58Bi合金或者Sn35Bi0.5Ag合金):不同粒度(<15μm,15~25μm,大于25μm且小于等于50μm)的Cu颗粒分别进行Sn镀层或者Sn58Bi/Sn35Bi0.5Ag合金镀层制备。
镀层制备方法与实施例1的步骤1相同。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn58Bi合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn58Bi粉末。
粒度<15μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到小粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;粒度15~25μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到中粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末;25μm<粒度≤50μm的Cu颗粒进行Sn35Bi0.5Ag合金镀层的制备,得到大粒度核壳结构Cu@Sn35Bi0.5Ag粉末。
<15μmCu颗粒的镀层厚度为~1微米,15~25μm粒径的Cu颗粒镀层厚度为1~2μm,25~50μm粒径Cu颗粒的镀层厚度为2~3μm,大粒度核壳结构Cu@X粉末、中粒度核壳结构Cu@X粉末、小粒度核壳结构Cu@X粉末按照1:2:3的重量比例进行级配,获得复合粉末;所述复合粉末为焊接材料。
步骤3,对于Cu@Sn预成型焊片,采用超声辅助的固相扩散焊接方法该焊接方法在160℃下使得Cu与Sn发生固-固扩散反应转化为高熔点的Cu3Sn,辅助超声技术加速了Cu/Sn固相反应速率,使得接头在4分钟完成Cu@Cu3Sn接头Cu@Cu3Sn的制备;对于Cu@Sn58Bi和Cu@Sn35Bi0.5Ag采用超声辅助的瞬态液相扩散焊接分别在160℃和195℃保温5min完成接头Cu@Cu3Sn/Bi和Cu@Cu3Sn/Ag3Sn/Bi的制备,该超声辅助的TLPS技术是在常规瞬态液相扩散焊接的基础上加入超声技术,目的是加速了元素之间的界面反应速率,减小反应时间;
步骤4,将Cu@X复合粉末与按8.5:1的重量比例加入贺立士商用助焊剂,牌号为DL-405,球磨混匀后制备成焊膏;采用二次印刷法先在Cu基板上印刷一层厚度75μm的焊膏,在120℃下脱胶90min,然后再印刷一层厚度60μm的焊膏;
步骤5,Cu@Sn和Cu@Sn35Bi0.5Ag焊膏以70℃/min的升温速率加热至155℃,再以5℃/min的升温速度加热至190℃,压力2MPa,保温5min后得到致密三维网络接头;Cu@Sn58Bi焊膏以70℃/min的升温速率加热至110℃,再以5℃/min的升温速度加热至180℃,压力3MPa,保温5min后得到致密三维网络接头。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述,优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。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 (11)
1.一种200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料,其特征在于,所述焊接材料为核壳结构复合焊接材料,包括核层和包覆在所述核层外部的壳层;其中核层材料为Cu或Ag,所述壳层材料为单质Sn、SnBi合金或SnBiAg合金。
2.根据权利要求1所述的焊接材料,其特征在于,针对壳层材料为单质Sn的所述核壳结构复合焊接材料,焊接温度低于单质Sn的熔点,为180~220℃,焊接原理为超声辅助的固相扩散焊接。
3.根据权利要求1所述的焊接材料,其特征在于,针对壳层材料为SnBi或SnBiAg共晶合金的焊接材料,所述SnBi共晶合金为Sn58Bi共晶合金,所述Sn58Bi共晶合金的熔点为138℃,焊接温度为170℃;所述SnBiAg共晶合金为SnBi35Ag0.5共晶合金,所述SnBi35Ag0.5共晶合金的熔点为172℃,焊接温度为200℃,采用瞬态液相扩散焊接实现耐高温连接。
4.根据权利要求2或3所述的焊接材料,其特征在于,Cu@Sn核壳结构表面物理气相沉积(PVD)镀覆一层Ag,厚度为~1μm,制备的耐高温接头成分为Cu,Cu3Sn和Ag3Sn,接头耐温性最高450℃;优选地,Cu@SnBi核壳结构表面PVD镀覆一层Ag,厚度为~1μm,制备的耐高温接头成分为Cu,Cu3Sn和Ag3Sn,部分Bi元素弥散分布于界面金属间化合物中,接头耐温性最高450℃。
5.根据权利要求1所述的焊接材料,其特征在于,所述壳层为单质Sn镀层、SnBi合金镀层或SnBiAg合金镀层;单质Sn镀层、SnBi合金镀层或SnBiAg合金镀层是采用化学镀或电镀的方法制备,镀层厚度为1~2μm。
6.根据权利要求1所述的焊接材料,其特征在于,所述焊接材料的焊接形式是预成型焊片或者焊膏。
7.根据权利要求1所述的焊接材料,其特征在于,核壳结构复合焊接材料压制成型,制成预成型焊片,通过表面镀Sn对预成型焊片进行表面补强,镀Sn层厚度为1~2μm。
8.权利要求1-7任一项所述的焊接材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
使用粒度<15μm的Cu颗粒电镀金属层,得到第一粒径Cu@X颗粒;使用粒度15~25μm的Cu颗粒电镀金属层,得到第二粒径Cu@X颗粒;使用粒度大于25且小于等于50μm的Cu颗粒电镀金属层,得到第三粒径Cu@X颗粒;所述第一粒径Cu@X颗粒、第二粒径Cu@X颗粒和第三粒径Cu@X颗粒颗粒中的金属层厚度均为1~2μm;将第一粒径Cu@X颗粒、第二粒径Cu@X颗粒和第三粒径Cu@X颗粒混合后得到所述焊接材料;其中,所述金属为X,X=Sn、SnBi或SnBiAg;优选地,第一粒径Cu@X颗粒、第二粒径Cu@X颗粒和第三粒径Cu@X颗粒混合重量比为3:2:1。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,
制备的Cu@Sn颗粒,所使用的电镀液为甲基磺酸亚锡电镀液,PH为6~7,电镀温度为15~35℃,采用恒电流的计时电位电镀模式,电流密度为30A/dm2,电镀时间为2~4min;
或者,制备的Cu@SnBi共晶合金颗粒,所使用的镀液是加入了苯并唑类磺酸化合物,苯并唑类磺酸化合物在镀液中的质量浓度为1×10-5~10g/L,优选为1×10-4~5g/L;
或者,制备的Cu@SnBiAg共晶合金颗粒,镀液中加入对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、均苯三酚、连苯三酚、或者α或β-萘酚防氧化剂,以防止镀液中的Sn2+氧化成Sn4+;防氧化剂的质量浓度为0.05~5g/L,优选为0.2~2g/L;
优选地,镀液中还可以加入光亮剂、络合剂、pH调整剂、导电性助剂和表面活性剂中的一种或多种,镀液pH值为1~8,镀液温度为10~60℃,优选为15~35℃。
10.一种200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料接头制备方法,其特征在于,使用如权利要求1-7任一项所述的焊接材料或如权利要求8-9任一项所述的方法制备的焊接材料,其包括如下步骤:将所述焊接材料压力成型制成预成型焊片,通过二次电镀使预成型焊片表面包覆一层1~2μm的Sn层或Sn基合金层,该表面镀Sn或Sn基合金的预成型焊片在170-200℃下通过超声辅助焊接,镀Sn的预成型焊片利用固液扩散原理,或者镀Sn基合金的预成型焊片利用固固扩散焊接原理,等温时效8~10min后获得三维网络接头,所述三维网络接头室温剪切强度不低于80MPa;所述的Sn基合金层为SnBi合金层或SnBiAg合金层。
11.一种200℃以下焊接、耐高温应用的焊接材料接头制备方法,其特征在于,使用如权利要求1-7任一项所述的焊接材料或如权利要求8-9任一项所述的方法制备的焊接材料,其包括如下步骤:将所述的焊接材料与助焊剂球磨混匀后制备成焊膏,制备的Cu@X焊膏,采用二次印刷法先在Cu基板上印刷一层焊膏,脱胶,然后再印刷一层焊膏,将Cu@Sn焊膏加热,保温后得到三维网络接头。
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