[發明專利]一種高性能錫基釬料合金及其制備方法

無效

• 申請號: 201110437617.6
• 申請日: 2011-12-23
• 公開（公告）號: CN102513720A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 李明雨;肖勇;計紅軍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26;B23K35/36;B23K35/40;C22C1/02;C22C13/00
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所 44248
• 代理人: 胡吉科;羅志強

技術領域

????本發明涉及一種錫基釬料合金，尤其是一種高性能顆粒增強錫基釬料合金。本發明還涉及高性能錫基釬料合金的制備方法。

背景技術

隨著電子產品向體積微型化和功能集成化方向的迅速發展，使得它們對現有封裝材料的可靠性提出了更高要求。顆粒增強釬料目前被認為是提高釬料性能的很有應用前景的一種電子封裝材料，通過向釬料基體中加入硬質難熔第二相（如陶瓷和高熔點金屬顆粒），可以實現在較小影響釬料熔點和韌性的前提下大幅度提高釬料的強度和有效使用溫度區間。

對于一般的顆粒增強合金而言，其性能提升的關鍵在于盡可能減小增強顆粒的粒徑并讓他們均勻分布于金屬基體內。然而對于顆粒增強釬料而言，由于在實際使用時還需要經過不同溫度和時間的重熔，因此其對顆粒增強相在熔融釬料內的穩定性提出了較高的要求。避免顆粒增強相在熔融釬料內發生團聚和分離是提高復合釬料焊點可靠性的關鍵所在。在復合釬料重熔時，顆粒增強相的團聚與增強相的粒徑、釬料內的孔隙率以及增強相與釬料基體的界面結合性能有關，粒徑越小、孔隙度越高、界面結合性能越差，則顆粒增強相越容易在熔融釬料內發生團聚。顆粒增強的分離主要受增強相密度和粒徑的影響，具體的關系為：增強相的分離速度與增強相和釬料基體密度的差值成正比，與增強相的粒徑平方成反比。對于均勻彌散分布的納米顆粒增強相而言，增強相的分離速度將變得非常緩慢，在通常的釬料重熔焊接時，納米顆粒增強相的分離幾乎可以忽略。然而，一旦釬料內存在氣泡或釬料與增強相結合性能較差時，納米增強相將極易團聚，并加快增強相的分離。

機械合金化法和粉末冶金方法是常用的顆粒增強金屬基復合材料制備方式，采用該種方法制備的復合材料其增強顆粒能達到很好的彌散度，然而該方法制備的復合釬料孔隙度高，在釬料的重熔過程中，熔融釬料內的氣孔將促進維納顆粒增強相的團聚，并降低顆粒增強相的強化效果；此外，團聚后的增強相將更容易在熔融的液態釬料內發生分離，從而進一步衰減增強相的強化效果。再者，由于陶瓷增強相普遍具有較低的界面結合性能，對于低熔點的錫基釬料合金而言，例如：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Pb、Sn-Bi和Sn-Zn等錫基系列合金，很難通過機械合金化的方法來改善釬料合金與增強相之間的結合性能，而這也將引起增強相的團聚。

采用超聲輔助輕合金鑄造的方法已經有了較多研究和報道，通過在合金凝固過程中持續超聲，超聲的空化作用和液流攪拌作用可以起到很好的均勻組織、細化晶粒作用；此外，當熔融合金中含有未熔的第二相時，超聲不僅可以使第二相彌散均勻分布，還可以促進液態基體與未熔第二相之間的潤濕，使得未熔第二相在合金熔化時起到形核劑的作用，細化晶粒并增強合金力學性能。對于錫基釬料合金而言，由于該合金具有較大的密度（約6.5g/cm³），而常用的顆粒增強相密度較低（約3.5g/cm³），因此在釬料熔融的過程中即便有超聲或機械輔助攪拌也很難將足量的增強相加入到釬料基體中。正因為如此，目前尚未發現有人采用超聲輔助的方法制備顆粒增強錫基釬料合金，也未能獲得能克服釬料合金重熔時顆粒增強相團聚、力學性能得到明顯提高的錫基釬料合金。

發明內容

為解決上述現有技術存在的問題，本發明提供一種高性能錫基釬料合金，這種錫基釬料合金具有明顯提高的力學性能和耐腐蝕性能。本發明還提供了高性能錫基釬料合金的制備方法。

本發明所采用的技術方案是：一種高性能錫基釬料合金，包括錫基釬料基體和難熔硬質彌散強化相，所述高性能錫基釬料合金還包括重量百分含量為0.01%～2%的摻雜元素，所述摻雜元素為Fe、Ni、Y、Ag、Ti、Zr、Hf、Sb中的一種或幾種。

優選的，所述難熔硬質彌散強化相為SiC、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、MgO、Al₂O₃?、TiB₂、CNTs（碳納米管，以下同）和Cu₆Sn₅中的一種或幾種，其重量百分含量為0.02%～2%。

優選的，所述錫基釬料基體為Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Pb、Sn-Bi或Sn-Zn合金。

本發明的制備如上所述的高性能錫基釬料合金的方法，其中形成所述錫基釬料基體的錫基釬料包括錫基釬料粉末或者不少于錫基釬料基體重量10%的錫基釬料粉末和余下重量的鑄態錫基釬料，所述制備方法包括依次進行的下列步驟：