一种复合合金焊料及其制备方法与流程

1.本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种复合合金焊料及其制备方法。


背景技术：

2.三代宽禁带半导体因其优异性能而备受青睐，随着半导体器件功率密度的增加，越来越多的器件被要求应用于200～450℃的高温环境下，市面上多采用高温无铅焊料体系如金基和银基合金，但昂贵的价格以及存在潜在的元素迁移等问题使其无法得到大规模推广普及。
3.中国发明专利cn 108453414 a、cn107486651a公布了基于泡沫金属强化的sn基复合焊料片制备方法，该类方法均通过将多孔泡沫金属热浸镀，将sn基焊料填充进其孔状结构，经轧制或压延形成复合焊料片。由于sn基焊料粘度较大，仅利用毛细吸附力很难保证熔融焊料能充分填满和润湿泡沫金属，导致泡沫金属增强的复合焊料出现空洞缺陷，影响焊料和焊点的强化效果。
4.现在的超声轧制技术，将超声波工作头镶嵌于轧辊内部，超声工作头和轧辊一起转动，超声波通过轧辊以机械波形式传输到工件上，衰减率非常大，空化和声场效率低下。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种复合合金焊料的制备方法，解决超声波与轧辊同时工作时，超声效率衰减的问题。
6.以及焊料熔点高、易脆易断裂的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种复合合金焊料的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤s1、将泡沫金属进行清洁，将合金焊料放置于泡沫金属上表面，形成复合件；
10.步骤s2、将复合件加热，将超声发生器和轧辊分别放置于待处理件的两表面，同时进行超声处理和辊压处理，得到复合合金焊料。
11.优选地，所述合金焊料包括锡、铋、铟、锌、镍、铝、钛、铬、银、铅中的四种或五种以上的元素。
12.优选地，所述合金焊料为snbiinzn合金焊料，所述锡的重量份数为30～50份，所述铋的重量份数为35～52份，所述铟的重量份数为10～25份，所述锌的重量份数为0.1～10份。
13.优选地，所述步骤s1中泡沫金属与合金焊料的重量份数比为0.1～10:90～100，所述泡沫金属的孔隙率为70％～95％。
14.优选地，所述步骤s1中泡沫金属进行清洁具体为将泡沫金属放置于清洁溶剂中超声清洗，吹干，加热100℃～200℃干燥。
15.优选地，所述步骤s2中超声发生器的振动频率为15khz～25khz，振动系统的功率为300～3000w，辊压处理的压力为0.1mpa～1.5mpa，辊压线速度为15mm/s～30mm/s。
16.优选地，所述合金焊料的制备方法为将四种或五种以上的金属加入真空压铸炉中，抽真空，加热500℃～1200℃熔化保温，冷却，压片得到合金焊料。
17.本发明的目的之二在于：针对现有技术的不足，而提供一种复合合金焊料，具有更好的致密性和抗形变的特点，具有更低的熔点。
18.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
19.一种复合合金焊料，其上述的复合合金焊料的制备方法得到。
20.优选地，所述复合合金焊料的厚度为0.1～8mm。
21.优选地，所述复合合金焊料的熔点为80～110℃。
22.相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的一种复合合金焊料的制备方法，采用超声处理与压辊协助处理的方式，避免合金焊粒与泡沫金属填充时出现空洞缺陷，而且分别将超声发生器与轧辊分别设置于复合件的两侧表面，避免超声效率衰减的问题，使合金焊料与泡沫金属完全冶金结合，提高复合合金焊料的性能，使复合合金焊料具有更低的熔点。
附图说明
23.图1是本发明的复合合金的制备方法示意图之一。
24.图2是本发明的复合合金的制备方法示意图之二。
25.图3是本发明使用焊盘对复合合金焊料进行焊接的示意图。
26.图4是本发明实施例1的复合合金的dsc曲线图。
27.图5是本发明实施例2的复合合金的dsc曲线图。
28.图6是本发明实施例3的复合合金的dsc曲线图。
29.图7是本发明cu-sn-ni三元合金等温相图。
30.图8是本发明sn-ag二元相图。
31.其中：1、加热台；2、轧辊；3、超声工作台；4、变幅杆；5、超声换能器；6、超声发生器；7、泡沫金属；8、合金焊料；9、焊盘；10、泡沫金属骨架结构；11、金属间化合物。
具体实施方式
32.1、一种复合合金焊料的制备方法，包括以下步骤：
33.步骤s1、将泡沫金属7进行清洁，将合金焊料8放置于泡沫金属7上表面，形成复合件；
34.步骤s2、将复合件加热，将超声发生器6和轧辊2分别放置于待处理件的两表面，同时进行超声处理和辊压处理，得到复合合金焊料8。
35.为了改善焊点强度和塑性，在焊料中加入泡沫cu、泡沫ni、泡沫ag等泡沫金属7，在形成焊点时接头处由泡沫金属7作为骨架，液态焊料既能和焊盘9的金属发生冶金反应，也能进一步和泡沫金属7并发生原位反应，焊点具有优良的抵抗变形，降低imc生长过程的应力累积、以及改善焊点的力学性能。
36.本发明提供的泡沫金属7增强高熵焊片的制备方法，使用高熵焊料和泡沫金属7置于加热台1上加热，在超声工作台3上进行超声直接作用于钎料上面，高熵焊料和泡沫金属7在焊盘9上，在超声和轧辊2的延压协同作用下，熔融焊料在固态金属泡沫孔隙内部快速流
被cu5zn8金属化合物取代，cu5zn8化合物可作为sn/cu钎焊互连界面反应中的扩散阻挡层。本发明通过优化四元sn-bi-in-zn钎料成分比例，可在降低焊料熔点的前提下抑制界面bi相偏析，抑制cu和sn的扩散以延缓焊点熟化老化进程，以达到有效控制焊点的物相结构，提高3d封装焊点的强度。进一步地调控焊点的塑性，向低熔点snbilnzn焊料中加入高熔点泡沫金属7，在超声热压条件液态焊料润湿泡沫金属骨架结构10并发生原位反应，形成的三维网络型金属间化合物11作为tlp接头内的骨架如图3所示，这种结构可以控制微焊点中脆性cu3sn和cu6sn的百分比含量，抵抗变形和降低imc生长过程的应力累积，达到延长焊点服役寿命的目标。
42.优选地，所述步骤s1中泡沫金属7与合金焊料8的重量份数比为90～100:0.1～10，所述泡沫金属7的孔隙率为70％～95％。优选地，泡沫金属7与合金焊料8的重量份数比为90:10、92:8、95:5、96:4、97:3、98:2。优选地，泡沫金属7的孔隙率为70％、75％、79％、82％、86％、89％、90％、92％、94％、95％。
43.优选地，所述步骤s1中泡沫金属7进行清洁具体为将泡沫金属7放置于清洁溶剂中超声清洗，吹干，加热100℃～200℃干燥。加热温度为100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃。所述清洁剂为丙酮、乙酮、乙醇中的一种。
44.优选地，所述步骤s2中超声发生器6的振动频率为15khz～25khz，振动系统的功率为300～3000w，辊压处理的压力为0.1mpa～1.5mpa，辊压线速度为15mm/s～30mm/s。超声发生器6的振动频率为15khz、18khz、20khz、22khz、23khz、25khz。振动系统的功率为300w、500w、800w、1200w、1500w、1800w、2200w、2600w、2800w、3000w。辊压处理的压力为0.1mpa、0.5mpa、0.9mpa、1.1mpa、1.3mpa、1.5mpa。辊压线速度为15mm/s、18mm/s、19mm/s、20mm/s、23mm/s、26mm/s、27mm/s、30mm/s。设置一定的振动频率、功率和辊压压力，能够提高焊料和泡沫金属7之间的填充密实性，同时需要配合一定的辊压线速度。优选地，辊压线速度为15mm/s、18mm/s、22mm/s、25mm/s、28mm/s、30mm/s。
45.优选地，所述合金焊料8的制备方法为将四种或五种以上的金属加入真空压铸炉中，抽真空，加热500℃～1200℃熔化保温，冷却，压片得到合金焊料8。使用多种金属进行熔融制备合金，形成多熵焊料，有利于高熵焊料与泡沫金属7生成的三维网络型金属间化合物11作为全imc焊点接头内的骨架。
46.2、一种复合合金焊料8，具有更好的致密性和抗形变的特点，具有更低的熔点。
47.本技术的复合合金焊料8具有更低的熔点，更好的抗开变性能，焊接后不易脆化，不易扭曲变形。
48.本发明的一种复合合金焊料8，其上述的复合合金焊料8的制备方法得到。
49.优选地，所述复合合金焊料8的厚度为0.1～8mm。本发明的复合合金焊料8具有一定的厚度，优选地，厚度为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm。
50.优选地，所述复合合金焊料8的熔点为80～110℃。本发明的复合合金焊料8的熔点可以为80℃、90℃、100℃、110℃。
51.下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
52.实施例1
53.(1)把原子摩尔比sn50％，bi为25％，in为20％，zn为5％的合金组成换算成质量百分比，换算如表1所示，分别按质量百分比称纯金属sn为42.9％，bi为38％，in为16.7％，zn为2.4％，即锡、铋、铟、锌的重量份数比为42.9:38:16.7:2.4。将以上四种纯金属放进真空压铸炉内，将炉内抽真空，温度升至500℃，待所有的金属熔化后保温。合金液自动浇注在提前预热好的模具中，冷却后取出，制成熔点为80～102℃的高熵焊料，其dsc如图4所示。
54.(2)采用超声清洗仪对孔隙率为80～95％的泡沫金属7cu进行超声清洗，将泡沫金属7处于丙酮中进行泡浸，吹干。
55.(3)按重量进行计算，称取孔隙率70％的泡沫铜2份，高熵焊料98份，将高熵焊料覆盖在泡沫铜表面形成复合件，将复合件并置于加热台1中进行加热，温度为150℃～200℃。
56.(4)如图1所示，对超声工作头进行充分预热，温度为100～150℃。启动超声发生器66，超声波振动系统的功率为2000w，振动频率为20khz。打开轧辊22，加载压力为0.5mpa；轧辊2线速度为20mm/s。在轧制力载荷作用下通过超声波振动系统辅助轧制成型。
57.(5)多道次轧制成形：采用表面光滑的轧辊2机，对连接界面的高熵焊料/泡沫金属7进行多道次轧制，使得连接界面微区进一步协调形变，获得所需要厚度的复合合金焊料8。
58.上述步骤形成的金属复合薄/箔材，高熵焊料/泡沫铜界面形成在超声作用下快速形成cu3(insn)和cu6(insn)5金属间化合物11，这种复合薄/箔材应用于瞬态液相(transient liquid phase，tlp)键合技术，泡沫cu和cu3(insn)和cu6(insn)5金属化合物在全imc焊点接头中充当三维网络骨架，一方面可以阻碍焊点在服役过程中的元素扩散以延缓焊点老化进程，以及降低imc生长过程的应力累积，达到延长焊点服役寿命的目标。
59.实施例2
60.(1)把原子摩尔比sn40％，bi为35％，in为24％，zn为1％的合金组成换算成质量百分比，换算如表1所示，分别按质量百分比称纯金属sn为31.8％，bi为49.2％，in为18.6％，zn为0.4％，即锡、铋、铟、锌的重量份数比为31.8:49.2:18.6:0.4。将以上四种纯金属放进真空压铸炉内，将炉内抽真空，温度升至400℃，待所有的金属熔化后保温。合金液自动浇注在提前预热好的模具中，冷却后取出，制成熔点为82～105℃的高熵焊料，其dsc如图5所示。
61.(2)采用超声清洗仪对孔隙率为80～95％的泡沫金属7镍进行超声清洗，将泡沫金属7处于丙酮中进行泡浸，吹干。
62.(3)按重量进行计算，称取孔隙率90％的泡沫镍5份，高熵焊料95份，将高熵焊料覆盖在泡沫铜表面形成复合件，将复合件置于加热台1中进行加热，温度为150℃～200℃。
63.(4)如图2所示，对超声工作头进行充分预热，温度为100～150℃。启动超声发生器66，超声波振动系统的功率为800w，振动频率为18khz。打开轧辊22，加载压力为0.5mpa；轧辊2线速度为20mm/s。在轧制力载荷作用下通过超声波振动系统辅助轧制成型。
64.(5)多道次轧制成形：采用表面光滑的工作辊，在室温下大轧制力载荷作用下，对焊料复合薄/箔材继续进行轧制，使得连接界面微区进一步协调形变，直至获得所需厚度的金属复合薄/箔材，即复合合金焊料8。
65.根据cu-sn-ni三元合金等温相图可知，如图7所示，全imc焊点除了形成cu3sn和cu6sn5外，在焊料和泡沫镍之间还可形成ni3sn4和ni3sn金属化合物充当三维网络骨架，既可以阻碍焊点在服役过程中的元素扩散以延缓焊点老化进程和降低imc生长过程的应力累积，达到延长焊点服役寿命的目标。
66.实施例3
67.(1)把原子摩尔比sn55％，bi为28％，in为15％，zn为2％的合金组成换算成质量百分比，分别按质量百分比称纯金属sn为46％，bi为41％，in为12.1％，zn为0.9％，即锡、铋、铟、锌的重量份数比为46:41:12.1:0.9。将以上四种纯金属放进真空压铸炉内，将炉内抽真空，温度升至400℃，待所的金属熔化后保温。合金液自动浇注在提前预热好的模具中，冷却后取出，制成熔点为79～103℃的高熵焊料，其dsc如图6所示。
68.(2)采用超声清洗仪对孔隙率为85％的泡沫金属7银进行超声清洗，将泡沫银处于丙酮中进行泡浸，吹干。
69.(3)按重量进行计算，称取孔隙率90％的泡沫银7份，高熵焊料93份，将高熵焊料覆盖在泡沫铜表面形成复合件，并将复合件置于加热台1中进行加热，温度为150℃～200℃。
70.(4)对超声工作头进行充分预热，温度为100～150℃。启动超声发生器66，超声波振动系统的功率为500w，振动频率为20khz。打开轧辊22，加载压力为0.5mpa；轧辊2线速度为20mm/s。在轧制力载荷作用下通过超声波振动系统辅助轧制，利用超声波作用加速焊料在泡沫银内部的流布和填充，并压制成型。
71.(5)多道次轧制成形：采用表面光滑工作辊，在室温和大轧制力载荷作用下，继续进行轧制，使得连接界面微区进一步协调形变，直至获得所需厚度的金属复合薄/箔材，即复合合金焊料8。
72.(6)根据sn-ag二元相图可知，如图8所示，全imc焊点除了形成cu3sn和cu6sn5外，在焊料和泡沫ag之间还可形成ag3sn金属化合物充当三维网络骨架，既可以阻碍焊点在服役过程中的元素扩散以延缓焊点老化进程和降低imc生长过程的应力累积，达到延长焊点服役寿命的目标。
73.实施例4
74.与实施例1的区别在于：所述合金焊料8为snbiinzn合金焊料8，所述锡的重量份数为30份，所述铋的重量份数为35份，所述铟的重量份数为10份，所述锌的重量份数为0.2份。
75.其余与实施例1的相同，这里不再赘述。
76.实施例5
77.与实施例1的区别在于：所述合金焊料8为snbiinzn合金焊料8，所述锡的重量份数为35份，所述铋的重量份数为38份，所述铟的重量份数为12份，所述锌的重量份数为0.8份。
78.其余与实施例1的相同，这里不再赘述。
79.实施例6
80.与实施例1的区别在于：所述合金焊料8为snbiinzn合金焊料8，所述锡的重量份数为35份，所述铋的重量份数为38份，所述铟的重量份数为12份，所述锌的重量份数为0.8份。
81.其余与实施例1的相同，这里不再赘述。
82.实施例7
83.与实施例1的区别在于：所述泡沫金属7的孔隙率为70％，泡沫金属7与合金焊料8的重量份数比为0.5:99.5。
84.其余与实施例1的相同，这里不再赘述。
85.实施例8
86.与实施例1的区别在于：所述泡沫金属7的孔隙率为70％，泡沫金属7与合金焊料8
的重量份数比为8:92。
87.其余与实施例1的相同，这里不再赘述。
88.实施例9
89.与实施例1的区别在于：所述泡沫金属7的孔隙率为80％，泡沫金属7与合金焊料8的重量份数比为2:98。
90.其余与实施例1的相同，这里不再赘述。
91.实施例10
92.与实施例1的区别在于：所述泡沫金属7的孔隙率为90％，泡沫金属7与合金焊料8的重量份数比为2:98。
93.其余与实施例1的相同，这里不再赘述。
94.对比例1
95.与实施例1的区别在于：使用超声发生器与轧辊二合一式工作辊，进行辊压时，同时对工件进行超声处理和施力压力进行压辊处理。
96.其余与实施例1相同。
97.对比例2
98.与实施例1的区别在于：所述合金焊料8为sn-ag-cu合金。
99.其余与实施例1相同。
100.性能测试：将上述实施例1-10以及对比例1和2制备出的复合合金焊料8进行性能测试，测试结果记录表1。
101.表1
[0102][0103][0104]
由上述表1可以得出，本发明的复合合金焊料8的制备方法相对于对比例1的制备方法更好，有效解决超声处理与辊压处理时，超声效率衰减的问题，使制备出的复合合金焊料具有更高的抗拉强度和抗形变性能，致密性更好，机械性能更佳，且具有更低的熔点，抗拉强度高达89mpa，延伸率只有21％，抗形变性更好，且熔点低至89℃。
[0105]
由实施例1-6对比得出，当设置锡、铋、铟、锌的重量份数比为42.9:38:16.7:2.4时，制备出的复合合金焊料8具有更高的抗拉强度和抗形变性能。
[0106]
由实施例1、7-10对比得出，当设置设置锡、铋、铟、锌的重量份数比为42.9:38:16.7:2.4时，制备出的复合合金焊料8具有更高的抗拉强度和抗形变性能。
[0107]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方
式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。