一种含石墨烯和铁颗粒的SnBi系无铅钎料的制备方法与流程

本发明属于低温焊接材料技术领域，具体涉及一种含有石墨烯纳米片（gns）和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料的制备方法，所述无铅钎料适用于电子封装、温度保险丝等领域，实现被连接材料之间的连接功能。

背景技术：

snbi共晶钎料具有低熔点（138℃）、高润湿性等优点，成为可以取代sn-pb焊料的选择之一，对环境污染小，适用于低温钎焊领域。然而，较低的塑形阻碍了其广泛应用。为了改善钎料的性能，提高现有无铅钎料的服役可靠性，大多数研究人员选择将无铅钎料合金化和复合化，采用不同的添加相来改善钎料基体的综合性能。增强相主要有以下几类：反应类、非反应类、复合类。其中，反应类包括一些金属粒子（ag、cu、ni、cr、mn等）和金属间化合物（cu6sn5等）；非反应类包括氧化物（al2o3、tio2、fe2o3、zno等）、碳化物（tic、sic等）、碳纳米材料（mcnt、scnt、gns等）、单质（金刚石、si等）；复合类包括有机大分子（poss）和金属非金属复合物（镀ni的cnt、镀ag的gn等）。

本发明通过向sn-58bi共晶钎料中进行fe元素和微量gns的添加，来尝试解决电子封装元器件中钎料焊点在热学、力学、电学等作用下存在的诸多问题。为snbi系钎料合金能够进行大规模生产和使用提供理论依据，并为电子产品可靠性的进一步研究提供理论基础，对各种连接技术有一定的参考作用，对改善焊点的力学性能、抗腐蚀性能和抗电迁移性能有一定的帮助。

技术实现要素：

本发明的任务在于克服现有技术中存在的不足之处，提供一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料的制备方法，本发明的钎料合金为共晶组织，熔点低，微观组织均匀，具有良好的润湿性，此外，不含有毒元素，是一种环保型钎料，适用于低温软钎焊领域。gns的加入有助于改善焊料组织，使微观组织均匀化分布，从而提高焊点的塑形，有利于焊点在服役过程中，稳定性的提高，同时，还能提高钎料合金的抗腐蚀性能；微米级fe颗粒的加入有助于抑制bi相的粗化，改善焊料的力学性能，提高焊点的稳定性，解决电子产品中互连焊点服役过程中，过早失效的问题，有助于延长电子产品的使用寿命。

本发明的任务是根据以下提供的配比完成的，snbi-xfe-ygns低温无铅钎料中，fe元素的质量百分比分别为0.03%、0.07%、0.1%，gns的质量百分比分别为0.03%、0.07%、0.1%，其余成分为snbi二元共晶钎料合金。其中，sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%。

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料的制备方法，该无铅钎料的制备方法是按照以下步骤完成：

按照fe的质量分数为0~0.1%，gns的质量分数为0~0.1%，配比、称量，加入无水乙醇，进行机械研磨1.5~2h，混合均匀后，在smt无铅回焊炉中并且在200~250℃下常压保温反应10~20min，设置温度、时间参数，随炉冷却后，制备出snbi-xfe-ygns低温无铅钎料，最后，将得到的样品在超声清洗器中依次用去离子水、酒精、丙酮清洗，洗去杂质和油污。

本发明的一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.94%：0.03%：0.03%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.90%：0.03%：0.07%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.87%：0.03%：0.1%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.90%：0.07%：0.03%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.86%：0.07%：0.07%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.83%：0.07%：0.1%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.87%：0.1%：0.03%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.83%：0.1%：0.07%。

本发明的另一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.80%：0.1%：0.1%。

一种snbi钎料合金，sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，该钎料为二元共晶合金，熔点为138℃。

在本发明所述的任一个具体实施例中，所述的gns，其特征在于：所含gns的厚度为1~5nm。

在本发明所述的任一个具体实施例中，所述的fe颗粒，其特征在于：所含fe颗粒的直径为1~8μm。

在本发明所述的任一个具体实施例中，所述的snbi钎料合金，其特征在于：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，且snbi合金粉末的直径为30-60μm。

同时，本发明制备流程简单，工序少，价格低，不含对人体和环境有害的金属元素，能够充分体现环保理念，易于推广，在电子封装领域，具有普适性，且能在一定程度上满足大规模的工业生产要求。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的复合钎料合金微观形貌的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.94%：0.03%：0.03%，其中gns的厚度为1-5nm，fe颗粒的直径为1-8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30-60μm。

实施例2

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.90%：0.03%：0.07%。，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1~8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。

实施例3

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.87%：0.03%：0.1%，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1-8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。

实施例4

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.90%：0.07%：0.03%，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1~8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。

实施例5

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.86%：0.07%：0.07%，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1~8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30-60μm。

实施例6

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.83%：0.07%：0.1%，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1~8μm，sn合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。

实施例7

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.87%：0.1%：0.03%，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1~8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。

实施例8

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.83%：0.1%：0.07%，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1~8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。

实施例9

一种含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料，其组成成分中，snbi钎料合金、gns与fe的质量比为99.80%：0.1%：0.1%，其中gns的厚度为1~5nm，fe颗粒的直径为1~8μm，snbi合金为金属粉末，该粉末中：sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，粉末的颗粒直径为30~60μm。

比较例

一种snbi钎料合金，sn的质量百分比为42%，bi的质量百分比为58%，该钎料为二元共晶合金，熔点为138℃。

表1、低温无铅smt回焊炉参数设定值

测试实验

1、熔点测试

熔点测试在升温速率为10℃/min的条件下，用差式扫描热量仪测试，样品质量为20mg，数据由软件自动导出，导出的数据后期经过origin软件处理，做出dsc曲线，峰值温度即为钎料合金的熔点值。

2、润湿性测试

处理20×20×0.2mm的铜片，打磨、抛光后，放入酒精中超声清洗5min。铜片表面涂抹均匀少量的助焊剂，称取0.5g复合钎料，放入低温无铅smt回焊炉，设定好温度、时间参数，进行润湿性测试。随炉冷却后，拿出样品，从中间部分切割开，切割断面打磨、抛光后置于金相显微镜下，观察并测量润湿角。

表2、钎料合金熔点、润湿性能比较

从表中可以看出，实施例1-9中含有gns和微米级fe颗粒的snbi系低温无铅钎料和比较例中的snbi二元共晶钎料合金相比较，复合钎料的熔点提高了10℃左右，润湿性有明显的改善。由此可见，本发明中gns和fe颗粒的加入，提高了钎料合金的性能，适用于低温软钎焊领域。

上述内容仅为本发明的具体实施案例，但保护范围并不局限于所列举案例，任何近似替换都涵盖在本发明保护范围之内。