一种纳米增强铋基无铅高温焊料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米增强铋基无铅高温焊料及其制备方法，属于无铅焊料的制造技术领域。包含银纳米粉和铋粉或铋、锑的混合粉或合金粉；其中银纳米粉占２～１２ｗｔ％。先制取铋粉（或铋／锑粉），然后将定量配比的铋粉（或铋／锑粉）均匀导入具有搅拌装置的硝酸银溶液，通过添加氨水，形成银氨配合物，然后将络合物还原形成纳米Ａｇ粉和Ｂｉ粉（或铋／锑粉）的均匀复合体。该高温无铅焊料能够改善Ｂｉ－Ａｇ（或Ｂｉ－Ｓｂ－Ａｇ）系合金焊料的导电、导热性差等问题，在焊接及使用过程中具有强度高、服役寿命长、密封性好、焊点圆晕光亮等优点。根据粉末间的不同组成可制配成２６０－３８０℃任意熔点的高温焊料，用于替代电子封装用高Ｐｂ焊料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，该焊料由金属铋粉 (或铋和锑的混合粉/合金粉)和纳米Ag粉通过化学复合而成，属于无铅焊料的制造技术 领域。
技术介绍
重视环保、提倡绿色产品是当今世界经济发展的大趋势，电子产品的无铅化就是 其中一项重大举措。在中低温含铅焊料的无铅化替代方面，经过近io年的研究已经逐步得 到了可靠性验证，并已被广泛应用，然而高铅焊料[w(Pb) > 85% ]至今却还没有合适的替 代品，在RoHS指令中也因此得到了暂时豁免。但根据指令计划欧盟RoHS指令将逐步取消 豁免项目，到2014年7月可能所有豁免将被解除，届时将实现电子组装系统的全面无铅化， 高铅焊料也将被替代，因此制备出性能良好的可用于替代高铅焊料的无铅产品意义重大， 目前对高温无铅焊料的研究主要集中在80Au-Sn合金、Sn-Sb基合金、Zn-Al基合金及Bi基A会 l、80Au-Sn焊料Au-Sn共晶焊料的熔点为280°C ，与高铅焊料的熔点最相近，兼容 性好，与低熔点的无铅共晶钎料相比(约217tO，具有更大的稳定性和可靠性。但是该焊 料较脆，并且由于w(Au)为80%成本太高，因而主要用于光电子封装、高可靠性(如InP激 光二极管)、大功率电子器件电路气密封装和芯片封装中。 2、Sn-Sb合金由于Sn-Sb[w(Sb)《10%]合金熔化区间较窄(232 250°C )，并 且与现有焊料兼容性良好，因而作为高温无铅焊料的候选材料。但其熔点较低，特别是焊料 无铅化以来由于现有无铅焊料的熔点较Sn-Pb共晶合金的高( 一般高30-40°C )，封装温度 会有所提升，导致多级组装时后续回流或波峰焊温度会超过其熔点，进而影响封装器件的 可靠性，甚至造成产品报废。 3、Zn-Al合金Rettenmayr等和Shimizu等分别提出用Zn基合金来取代95Pb_5Sn 焊料实现芯片连接。但Zn基合金加工性差，且容易氧化而导致润湿不良，并且Zn基合金的 较高活性也使得焊接可靠性以受到质疑，因此很大程度上限制了该类合金的应用。 4、 Bi基合金Bi基合金由于熔点合适(27(TC左右)、填充性能良好，被认为是取 代传统高Pb焊料的无铅候选焊料，如日本村田制作所公布的JP2001-205477专利合金。 Bi-Ag系焊料是研究得最多的Bi基合金，常温下Bi和Ag的互溶度很小，其共晶合金熔点为 262. 5t:，研究表明其延伸率比SnAg25SblO(J合金，熔点365°C )还好，增加Ag含量可提高 Bi-Ag合金的强度，并可改善其合金的脆性，但总体上比SnAg25Sb10合金小，并且增加了合 金成本。 Bi基合金的缺陷除力学性能较差外，还表现在导电、导热性能差。日本村田公布的 Bi基高温无铅焊料(美国专利号6， 703， 113)，在基体中添加不超过9. 9wt^的Ag或Cu、Zn， 并添加大约0. l-3wt^的Sb或Sn、In、Cu、Zn、Ge、P等，该焊料主要用其温度热阻性能，焊接 玻璃等脆性基板。霍尼韦尔国际公司公布的Bi-Ag合金焊料(CN1507499A、W02002/097145)热传导率不低于9W/mK、 Is后润湿平衡条件下对Ag的润湿力达到0. 2mN，并且通过添加Zn、 Ni、Ge、P中的一种或几种元素达到了抗氧化目的，但该合金的脆性问题仍难解决，并且其导 电导热性因Ag元素完全合金化而大打折扣。为改善Bi基高温无铅焊料的性能，日本东北大 学Takaku等通过气体雾化法和熔体旋转法来获得Bi-Cu-X(X二 Sb、Sn和Zn)高温无铅焊料 的特殊组织形貌。特别的，日本千柱公布的Bi基高温无铅焊料(欧洲专利号EP1952934A1) 在Bi基体粉末中混合了第二、第三粒子，以及Yamada等在熔融的Bi中添加了雾化法形成 的CuAlMn颗粒来改善Bi合金的力学性能，均获得了较好的结果，但所混合的第二粒子或增 强粒子的尺寸相比较大，因而对焊点性能改善仍不大。 北工大公布的中温焊料(中国专利01144487. 8和200310116809. 2)同样采用了 颗粒增强的方式，但增强粒子的尺寸限制使得在越来越小的微焊点领域使用受限。相比，中 国专利02125594. 6、200810112441. 5及200510013430. 8均采用了纳米增强粒子，改善了焊 料的力学性能及润湿性等，其中中国专利02125594. 6在制备锡膏过程中通过机械搅拌方 式混入纳米粒子，而中国专利200510013430. 8通过向熔融液态Sn-Ag共晶焊料中添加Zr02 纳米颗粒，中国专利200810112441. 5创新性的引入了有机纳米结构材料，但由于其制备方 法均为机械混合方式，因此其纳米增强颗粒的均匀性较难控制，且属中温焊料领域。 为了克服高温无铅焊料目前存在的技术缺陷，解决强度低、服役寿命短、密封性 差、焊点圆晕光亮差等问题，提供一种改进性能的高温无铅焊料成为本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种在焊接及使用过程中具有强度高、服役寿命长、密 封性好、焊点圆晕光亮的高温无铅焊料，并形成纳米Ag相增强Bi基焊料的焊点。本专利技术为 提高Bi基无铅高温焊料的力学性能及电热性能，通过在混有Bi基粉末的硝酸银浑浊液中 化学还原Ag法制备依附于Bi粉(或铋/锑粉)表层的纳米银粒子复合体，进而达到纳米 银粒子与基体粉末颗粒的混合均匀化。在焊接使用中通过焊接时的工艺窗口和不同组分含 量配比等控制，实现部分纳米增强银粒子与基体发生合金化反应，达到结合完美的目的。 为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案 —种纳米增强铋基无铅高温焊料，其特征在于包含银纳米粉和铋粉或铋、锑的混 合粉或合金粉(以下简称铋/锑粉)；其中银纳米粉占2 12wt%。 —种优选的技术方案，其特征在于所述的铋、锑的混合粉或合金粉中，铋含量 > 80wt^，锑含量《20wt%。 —种优选的技术方案，其特征在于还包含总量不超过1%的Sn、In、Cu、Zn、Ge、Au或Ni元素中的一种或几种。 —种优选的技术方案，其特征在于所述的银纳米粉和铋粉或铋、锑的混合粉或合 金粉形成均匀复合体。 本专利技术的另一 目的是提供上述高温无铅焊料的制备方法，解决纳米增强焊料的混 合均匀性问题，利用银纳米增强来缓解Bi-Ag系合金焊料的脆性，改善其导电、导热性，提 高其对常见部件的金属化层(铜、镍、金、银、裸硅等)上的润湿性。 为实现上述专利技术目的，本专利技术采取以下的技术方案 —种纳米增强铋基无铅高温焊料的制备方法，其制备过程如下 (1)称取铋基粉末，可以采用机械破碎或介质雾化等任何已知制粉技术； (2)将定量的铋基粉末均匀导入具有搅拌装置的硝酸银溶液中，使硝酸银溶液中所含的银为银和铋基粉末总重量的2 12%，不断搅拌，使溶液成为均匀的浑浊液； (3)称取相对硝酸银过量的氨水或其他能够与银络合的物质，并将它缓慢的添加至步骤(2)所得的浑浊液中，使银离子完全形成络合物或配合物； (4)在不断搅拌条件下缓慢添加还原剂，将络合物还原，形成纳米银粉和铋基粉末 的均匀复合体； (5)过滤，所得滤饼在保护状态下烘干、吹干或晾干，即得纳米增强铋基无铅高温 焊料。 在所得的焊料中添加定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米增强铋基无铅高温焊料，其特征在于：包含银纳米粉和铋粉或铋、锑的混合粉或合金粉，其中银纳米粉占２～１２ｗｔ％。

【技术特征摘要】
一种纳米增强铋基无铅高温焊料，其特征在于包含银纳米粉和铋粉或铋、锑的混合粉或合金粉，其中银纳米粉占2～12wt％。2. 根据权利要求l所述的纳米增强铋基无铅高温焊料，其特征在于所述的铋、锑的混合粉或合金粉中，铋含量^ 80wt^，锑含量《20wt%。3. 根据权利要求1或2所述的纳米增强铋基无铅高温焊料，其特征在于还包含总量 不超过1%的Sn、 In、Cu、Zn、Ge、Au或Ni元素中的一种或几种。4. 根据权利要求3所述的纳米增强铋基无铅高温焊料，其特征在于所述的银纳米粉 和铋粉或铋、锑的混合粉或合金粉形成均匀复合体。5. —种纳米增强铋基无铅高温焊料的制备方法，包括下列步骤(1) 称取铋基粉末，可以采用机械破碎或介质雾化等任何已知制粉技术；(2) 将定量的铋基粉末均匀导入具有搅拌装置的硝酸银溶液中，使硝酸银溶液中所含 的银为银和铋基粉末总重量的2 12%，不断搅拌，得到均匀的浑浊液；(3) 称取相对硝酸银过量的氨水或其他能够与银络合的物质，并将它缓慢的添加至步 骤(2)所得的浑浊液中，使银离子完全...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐骏，胡强，贺会军，张富文，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，北京康普锡威焊料有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]