專利名稱：：納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于金屬基無鉛復(fù)合釬料制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料及其制備方法。技術(shù)背景元器件的小型化及表面組裝技術(shù)的發(fā)展，對應(yīng)用在電子信息產(chǎn)業(yè)中的釬焊接頭的顯微組織穩(wěn)定性能、力學(xué)性能，特別是抗蠕變性能都提出了更高的要求。特別是目前原有傳統(tǒng)Sn-Pb釬料由于含鉛元素，有毒性，世界各國都在致力研究無鉛的釬料，為了提高無鉛釬料的服役本領(lǐng)，許多研究重點集中于在無鉛釬料中加入納米級或微米級的增強顆粒制造復(fù)合釬料。無鉛釬料的重要基本數(shù)據(jù)應(yīng)包含潤濕性；強度及可靠性；制成釬料膏的能力；與各種基板的匹配性能；形成金屬間化合物的傾向；低溫性能及成本等等。對于加入釬料中的增強相通常有以下的要求(l)有很好的與基體連接性。(2)在正常的再流條件下，有可以接受的在熔化釬料中的可溶性。(3)密度應(yīng)該與釬料基體相匹配以保證均勻的分散。(4)尺寸應(yīng)是最理想的，以便使顯微組織穩(wěn)定。(5)粒子應(yīng)不易于粗化。所添加的增強相的功能(l)外加增強相的合理選擇加入均勻分布的金屬間化合物硬質(zhì)粒子和不易粗化的粒子。(2)M性增強相應(yīng)該是能夠阻礙晶粒長大和裂紋擴展，以便通過改進均勻變形強化釬料抵抗蠕變和斷裂變形。當前，國際上/〉認的侯選合金主要有Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi等。這些合金的都是錫基合金，熔化溫度在210。C-227。C之間。在眾多的無鉛替代品中，Sn-Ag-Cu系無鉛釬料合金被認為是最有前途的Sn-Pb釬料替代品，具有以下幾方面的優(yōu)點1)力學(xué)剪切強度高于傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶釬料；2)耐疲勞性能優(yōu)于Sn-Pb共晶釬料；3)力學(xué)性能良好，可焊性良好。但也存在著熔點偏高(217。C附近)，鋪展工藝性能差，蠕變斷裂壽命不高，成本較高等不足之處，因此限制了其工業(yè)上的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，而提供一種納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料及其制備方法。本發(fā)明所提供的無鉛復(fù)合釬料具有優(yōu)異的釬焊工藝性能、力學(xué)性能和抗蠕變性能，且制備工藝簡單，成本低。本發(fā)明所提供的納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料，由市售Sn-3.OAg-O.5Cu釬料膏和納米結(jié)構(gòu)增強顆粒組成，其中，釬料膏所占重量百分比為97-99%，增強顆粒所占重量百分比為1-3%;釬料膏由Sn-3.OAg-O.5Cu釬料和釬劑組成，其中，釬料所占重量百分比為85%，釬劑所占重量百分比為15%;增強顆粒選自顆粒尺寸范圍為lO-lOOnm的苯基三硅醇倍半硅氧烷(POSS-TriSilanolPhenyl，簡稱P0SS1)、環(huán)己基三硅醇倍半硅氧烷(POSS-TriSilanolCyclohexyl，筒稱P0SS2)或異丁基三硅醇倍半硅氧烷(P0SS-TriSi1ano11sobuty1，簡稱P0SS3)。本發(fā)明所提供的納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料的制備方法，具體步驟為將納米結(jié)構(gòu)增強顆粒POSSl、POSS2或POSS3添加到Sn-3.OAg-0.5Cu釬料膏中，攪拌混合15-30min,混合均勻制得納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料；其中，復(fù)合釬料中，釬料膏所占重量百分比為97-99%,增強顆粒所占重量百分比為1-3%;釬料膏由重量百分比為85%的Sn-3.OAg-O.5Cu釬料和15°/。的釬劑組成。本發(fā)明選用納米結(jié)構(gòu)的倍半珪氧烷(PolyhedralOligomericSilsesquioxanes，簡稱P0SS，類型參數(shù)見表1)聚合物制備無鉛復(fù)合釬料，P0SS表面化學(xué)活性使其與釬料基體相互結(jié)合，而且P0SS核心部分為不與釬料基體反應(yīng)的惰性相，因此在服役過程中不會粗化長大，形成穩(wěn)定彌散分布的增強相，從而可以提高復(fù)合釬料釬焊接頭的力學(xué)性能以及服役過程中的可靠性和蠕變斷裂壽命。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明所制備的納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料的潤濕性能較好(鋪展面積較大，潤濕角較小)、剪切強度高，力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點，釬焊接頭的蠕變斷裂壽命時間較長，抗蠕變性能較好。圖1、本發(fā)明選用的納米結(jié)構(gòu)增強顆粒P0SS2的透射電鏡顯微組織形貌。圖2、本發(fā)明釬焊搭接接頭試樣示意圖，其中，(a)為搭接前的單個接頭，(b)為搭接后釬焊接頭。以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。具體實施方式鋪展工藝性能試驗參考GB11364-89《釬料鋪展性及填縫性實驗方法》的規(guī)定進行采用0.2mm厚的薄銅片作為基板，尺寸為40mmx40mm，經(jīng)600號砂紙打磨，無水乙醇清洗涼干。釬料膏重量為0.227g，用塞多利斯電子天平稱量。為了模擬實際電子連接接頭的尺寸與冷卻條件，在力學(xué)性能測試和蠕變試驗中采用微型單剪搭接接頭，釬焊接頭的搭接面積為1mm2,試驗接頭部位的寬度為1■，釬縫厚度為0.lmm，被連接材料為紫銅片，厚度為G.5mm。釬焊接頭試樣示意圖見圖2。力學(xué)剪切試驗采用微拉伸試驗機(LLOYD萬能材料試驗機)進行測試，在常溫靜載，試驗加載速率為0.01mm/s。為了比較納米顆粒增強的錫銀銅基復(fù)合釬料與普通Sn-3.OAg-0.5Cu釬料的蠕變性能，采用蠕變壽命測試試-驗，試驗在恒溫恒載條件下進行，試-瞼的溫度為75。C,拉剪應(yīng)力分別為16.17MPa,試樣的拉斷時間為其蠕變斷裂壽命。性能測試結(jié)果如表2所示。對比例稱取5g市售Sn-3.OAg-0.5Cu釬料膏，低溫保存?zhèn)溆谩嵤├?取O.05g尺寸為10-100nm的P0SS1和4.95g的Sn-3.OAg-0.5Cu釬料膏，機械攪拌30min,制成復(fù)合釬料，低溫保存?zhèn)溆?，其中，P0SS1在復(fù)合釬料中的重量比為1°/。實施例2稱取0.lg尺寸為10-100nm的P0SS1和4.9g的Sn-3，0Ag-0.5Cu釬料膏，機械攪拌30min,制成復(fù)合釬料，低溫保存?zhèn)溆?，其中，POSSl在復(fù)合釬料中的重量比為2%。實施例3稱取0.15g尺寸為10-100nmPOSSl和4.85g的Sn-3.OAg-0.5Cu軒-料膏，機械攪拌30min,制成復(fù)合釬料，低溫保存?zhèn)溆?，其中，P0SS1在復(fù)合釬料中的重量比為3°/。。實施例4稱取0.05g尺寸為10-lOOnm的POSS2和4.95g的Sn-3.OAg-0.5Cu4f泮牛膏,機械攪拌30min,制成復(fù)合釬料膏，低溫保存?zhèn)溆?，其中，POSS2在復(fù)合釬料中的重量比為1%。實施例5稱耳又O.lg尺寸為10-100nm的POSS2和4.9g的Sn-3.OAg-O.5Cu釬料膏，機械攪拌30min，制成復(fù)合釬料膏，低溫保存?zhèn)溆?，其中，POSS2在復(fù)合釬料中的重量比為2%。實施例6稱取0.15g尺寸為10-100nm的POSS2和4.85g的Sn-3.OAg-0.5Cu釬料膏，機械攪拌30min，制成復(fù)合釬料膏，低溫保存?zhèn)溆?，其中，P0SS2在復(fù)合釬料中的重量比為3%。實施例7稱取0.05g尺寸為10-100nm的POSS3和4.95g的Sn-3.OAg-O.5Cu釬料膏，機械攪拌30min，制成復(fù)合釬料膏，低溫保存?zhèn)溆?，其中，POSS3在復(fù)合釬料中的重量比為1%。實施例8稱取0.lg尺寸為10-100nm的POSS3和4.9g的Sn-3.OAg-O.5Cu釬料膏，機械攪拌30min,制成復(fù)合釬料膏，低溫保存?zhèn)溆?，其中，P0SS3在復(fù)合釬料中的重量比為2%。實施例9稱耳又0.15g尺寸為10-100nm的P0SS3和4.85g的Sn-3.OAg-O.5Cu釬料膏，機械攪拌30min，制成復(fù)合釬料膏，低溫保存?zhèn)溆?，其中，P0SS3在復(fù)合釬料中的重量比為3%。結(jié)合表2可知與對比例相比實施例1制備的復(fù)合釬料潤濕角變小、鋪展面積提高19%、剪切強度提高8.3%、釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高2倍，具有優(yōu)良的鋪展性能、較好的剪切強度和抗蠕變性能。與對比例相比實施例2制備的復(fù)合釬料潤濕角減小、鋪展面積提高約14%、剪切強度提高19%、釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高近3倍，具有優(yōu)良的鋪展性能、很高的剪切強度和好的抗蠕變性能。與對比例相比實施例3制備的復(fù)合釬料鋪展面積略有提高，剪切強度提高26.3%,釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高3.5倍，其鋪展性能與對比例相當，同時剪切強度和抗蠕變性能較大幅度的提高。與對比例相比實施例4制備的復(fù)合釬料鋪展面積提高17.7%、潤濕角減小、剪切強度提高5.6%、釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高近3倍，具有優(yōu)良的鋪展性能、較高的剪切強度和抗蠕變性能。與對比例相比實施例5制備的復(fù)合釬料潤濕角減小、鋪展面積提高近22%、剪切強度提高24.2%、釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高3倍多，具有優(yōu)良的鋪展性能、較高的剪切強度和抗蠕變性能。與對比例相比實施例6制備的復(fù)合釬料鋪展面積提高9%，剪切強度提高35%，釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高4.12倍，具有較好的鋪展工藝性能、很高的剪切強度和抗蠕變性能。與對比例相比實施例7制備的復(fù)合釬料鋪展面積略有提高、潤濕角稍有減小，鋪展性能與對比例相當，剪切強度提高20.1%，釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高2.1倍，具有較好的剪切強度和抗蠕變性能。與對比例相比實施例8制備的復(fù)合釬料潤濕角變小，鋪展面積提高7%，剪切強度提高25.8%，釬焊接頭的蠕變斷裂壽命提高近3倍，具有較好的鋪展工藝性能、較高的剪切強度和抗蠕變性能。與對比例相比實施例9制備的復(fù)合釬料鋪展面積相當，可以滿足生產(chǎn)需要剪切強度提高了31.9%,釬焊接頭的蠕變斷裂壽命IC高近3倍，具有很高的剪切強度和優(yōu)良的抗蠕變性能。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表1納米結(jié)構(gòu)增強顆粒的類型參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料性能測試結(jié)果權(quán)利要求1.一種納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料，其特征在于，復(fù)合釬料由市售Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料膏和納米結(jié)構(gòu)增強顆粒組成，其中，釬料膏所占重量百分比為97-99％，增強顆粒所占重量百分比為1-3％；釬料膏由Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料和釬劑組成，其中，釬料所占重量百分比為85％，釬劑所占重量百分比為15％；增強顆粒選自顆粒尺寸范圍為10-100nm的苯基三硅醇倍半硅氧烷POSS1、環(huán)己基三硅醇倍半硅氧烷POSS2或異丁基三硅醇倍半硅氧烷POSS3。2、權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料的制備方法，其特征在于，將顆粒尺寸范圍為10-100nm的苯基三硅醇倍半硅氧烷POSSl、環(huán)己基三硅醇倍半硅氧烷P0SS2或異丁基三硅醇倍半硅氧烷P0SS3添加到市售Sn-3.OAg-0.5Cu釬料膏中，攪拌混合15-30min,制得納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料；其中，釬料膏所占重量百分比為97-99%,增強顆粒所占重量百分比為1-3%;釬料膏由重量百分比為85。/。的Sn-3.OAg-0.501釬料和15%的釬劑組成。全文摘要納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料及其制備方法屬于金屬基無鉛復(fù)合釬料制造
技術(shù)領(lǐng)域：
?，F(xiàn)有Sn-Ag-Cu系無鉛釬料鋪展工藝性能差、蠕變斷裂壽命不高，且成本高。本發(fā)明復(fù)合釬料由97-99wt％的市售Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料膏和1-3wt％的增強顆粒(POSS1、POSS2或POSS3)組成；釬料膏由85wt％的Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料和15wt％的釬劑組成。本發(fā)明通過將釬料膏和增強顆粒按上述組分含量攪拌混合15-30min，制得納米結(jié)構(gòu)增強的錫銀銅基無鉛復(fù)合釬料。本發(fā)明復(fù)合釬料具有潤濕性能和抗蠕變性能好、剪切強度高，力學(xué)性能優(yōu)，釬焊接頭的蠕變斷裂壽命時間長，制備工藝簡單等優(yōu)點。文檔編號B23K35/22GK101279405SQ20081011244公開日2008年10月8日申請日期2008年5月23日優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日發(fā)明者彬劉,史耀武,夏志東,楓邰,福郭,雷永平申請人:北京工業(yè)大學(xué)