CN101817127A

CN101817127A - 碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料及其制备方法

Info

Publication number: CN101817127A
Application number: CN 201010167210
Authority: CN
Inventors: 何鹏; 马鑫; 安晶; 陈�胜; 林铁松; 钱乙余
Original assignee: YICHENGDA INDUSTRIAL Co Ltd SHENZHEN CITY; Harbin Institute of Technology
Current assignee: YICHENGDA INDUSTRIAL Co Ltd SHENZHEN CITY; Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2010-09-01

Abstract

碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料及其制备方法，它涉及一种低温钎料及其制备方法。本发明解决了Bi本身很脆使Sn-58Bi合金塑性降低，影响焊接接头性能的问题。碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料由共晶Sn-58Bi合金粉、碳纳米管和助焊剂制成；制备方法如下：将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下球磨得到钎料粉末，再将钎料粉末与助焊剂均匀混合后熔炼，空冷，制得。本发明的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料抗弯强度最高为184.12MPa，比Sn-58Bi钎料合金的抗弯强度提高了10％。其延伸率与Sn-58Bi钎料合金的延伸率相比提高了将近48.90％。与原始钎料相比，焊点抗拉强度分布在11～15N的焊点数量提高了52.2%。

Description

碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低温无铅钎料及其制备方法。

背景技术

以Sn-58Bi合金系为代表的低温焊料在低温封装的应用中具有独特的优势。但是由于Bi本身很脆使得Sn-58Bi合金脆性大，延展性小。Bi在合金中易结晶形成粗大不规则的形状，特别是在长期高温工作时粗化更严重，导致合金塑性降低，甚至出现脆性破坏，从而严重影响焊接接头性能，因此降低合金的脆性是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决Bi本身很脆使Sn-58Bi合金塑性降低，影响焊接接头性能的问题，提供了一种碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料及其制备方法。

本发明碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料是将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下球磨，然后将混合物加入助焊剂进行熔炼，空冷制成，其中共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.01%～0.1%，共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物与助焊剂的质量比为8﹕2。

碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法如下：一、将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下，以300r/min的转速球磨50min，得到碳纳米管质量分数为0.01%～0.1%的钎料粉末；二、将钎料粉末与助焊剂按照8﹕2的质量比混合均匀后在170℃～180℃的条件下保温60s～80s熔炼，空冷，即得碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料。

上述共晶Sn-58Bi合金粉的粒度为25μm～75μm；上述助焊剂为Flux55。

本发明的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料抗弯强度最高为184.12MPa，与Sn-58Bi钎料合金的抗弯强度（167.68MPa）相比，其抗弯强度提高了10％。碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的延伸率（21.68%）与Sn-58Bi钎料合金的延伸率（14.56%）相比提高了将近48.90％。在再流焊点的拉脱强度试验表明，与原始钎料相比，碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料抗拉强度在分布在11～15N的焊点数量提高了52.2%。

附图说明

图1是本发明所用碳纳米管的SEM形貌图；图2是具体实施方式十三中三点弯曲试验示意图；图3是具体实施方式十三中三点弯曲试验示意图；图4是具体实施方式十三中拉伸试样示意图；图5是具体实施方式十三中拉伸断口中观察到的碳纳米管的形貌图；图6是具体实施方式十三中拉脱强度检验测试示意图；图7是本发明所用Sn-58Bi钎料的组织形貌图；图8是具体实施方式十三中所得碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料（Sn-58Bi-0.03CNTs）的组织形貌图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料是将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下球磨，然后将混合物加入助焊剂进行熔炼，空冷制成，其中共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.01%～0.1%，共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物与助焊剂的质量比为8﹕2。所述共晶Sn-58Bi合金粉中Sn的质量分数为42%，Bi的质量分数为58%。

本实施方式中所用的碳纳米管为多壁碳纳米管。

本实施方式中所用的碳纳米管（FloTube9000）由天奈纳米（Cnano）有限公司提供，球磨所用的球磨机为南京大学仪器厂生产的QM-1SP型行星式球磨机。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述共晶Sn-58Bi合金粉的粒度为25μm～75μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述助焊剂为Flux55。其它与具体实施方式一或二之一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.04%～0.08%。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.06%。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.03%。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式中碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法如下：一、将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下，以300r/min的转速球磨50min，得到碳纳米管质量分数为0.01%～0.1%的钎料粉末；二、将钎料粉末与助焊剂按照8﹕2的质量比混合均匀后在170℃～180℃的条件下保温60s～80s熔炼，空冷，即得碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料。步骤一中所述共晶Sn-58Bi合金粉中Sn的质量分数为42%，Bi的质量分数为58%。

本实施方式中所用的碳纳米管为多壁碳纳米管。

本实施方式所得碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料与Sn-58Bi钎料的抗拉强度和延伸率如表1：

本实施方式所得碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料与Sn-58Bi钎料的弯曲试验性能测试的结果如表2：

由表1和表2看出添加了碳纳米管的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料与Sn-58Bi钎料相比其抗拉强度改变不大，但是延伸率和抗弯强度均有明显的提高。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述共晶Sn-58Bi合金粉的粒度为25μm～75μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八之一不同的是步骤二中所述助焊剂为Flux55。其它与具体实施方式七或八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是步骤一中所述钎料粉末中碳纳米管质量分数为0.06%。其它与具体实施方式七至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是步骤一中所述钎料粉末中碳纳米管质量分数为0.04%～0.08%。其它与具体实施方式七至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是步骤一中所述钎料粉末中碳纳米管质量分数为0.03%。其它与具体实施方式七至十之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式中碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法如下：一、将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下，以300r/min的转速球磨50min，得到碳纳米管质量分数为0.03%的钎料粉末；二、将钎料粉末与助焊剂按照8﹕2的质量比在180℃的条件下保温60s熔炼，空冷，即得碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料（Sn-58Bi-0.03CNTs）。

将本实施方式制备的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料进行以下性能测试：

（a）将熔炼钎料合金线切割成三点弯曲试样，尺寸为长、宽和高分别为21mm、4.5mm、0.6mm。三点弯曲试验示意图如图2、图3所示。所用试验仪器为INSTRONMODEL1186电子万能试验机，压头移动速率为2mm/min。

本实施方式制备的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料抗弯强度最高为184.12MPa，与相同制备条件下Sn-58Bi钎料合金的抗弯强度（167.68MPa）相比，其抗弯强度提高了10％。由图7和图8可知Sn-58Bi-0.03CNTs组织中的黑色的枝晶初生相数量明显减少，组织成分均匀，而且合金的组织明显细化，复合钎料的抗弯强度升高。

（b）将熔炼钎料合金线切割成拉伸试样，尺寸单位为mm，拉伸试样示意图如图4所示。所用试验仪器为INSTRONMODEL1186电子万能试验机，拉伸速率为1mm/min。

本实施方式制备的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的抗拉强度（94.42MPa）与Sn-58Bi的抗拉强度（91.65MPa）相比改善效果不明显，但是本实施方式制备的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的延伸率（21.68%）与Sn-58Bi钎料合金的延伸率（14.56%）相比显著提高，提高了将近48.90％。

图5为拉伸断口中观察到的碳纳米管的形貌图。从此图可以观察到碳纳米管阻止了晶界的开裂，提高了钎料合金的强度和韧性。这是因为位错在运动中遇到纳米尺度的CNTs质点受到阻碍，CNTs将的位错线受弯后绕过质点继续运动。若位错继续移动则需要更大的应力，这样进一步抑制位错的移动，这将提高碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的屈服强度。在室温下，Sn-58Bi钎料的热膨胀系数CTE_Sn-58Bi为-1.5×10^-6/K，而CNTs的热膨胀系数则相对很小（CTE_CNTs为-5.86×10^-9/K）。CNTs和Sn-58Bi钎料合金的界面存在很好的键合，故CNTs低的CTE可以抑制基体Sn-58Bi的膨胀。此外，CNTs与Sn-58Bi钎料之间存在的热膨胀系数差异，可导致在界面处位错冲孔，而使基体材料产生加工硬化，使钎料合金的强度提高。

（c）试验基板采用FR-4单面刚性板，厚度为2.2mm，选用焊盘镀层为Cu。PCB板在焊膏印刷前用丙酮进行清洗，去除表面杂质污物，印刷使用的不锈钢印刷版厚度为0.12mm。

将本实施方式制备的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料与Sn-58Bi钎料分别用电烙铁在Cu焊盘上涂覆厚度为0.12mm的合金涂层，并用不锈钢印刷版在其表面刷上一层助焊剂（Flux55）后贴上QPF元器件。

本实施方式所用拉脱试验机为微机控制电子拉力试验机，型号为KD-0.5。取形态相近的焊点做拉脱强度测试。因试验选用QPF元器件引线间距较小，选用钩针无法从两个引线之间的空隙直接伸入到引线肩部测试，因此只能从边缘处开始测试。在对边缘第一个焊点测试后，将其拉断的引线折断，以利于对下一个焊点进行测试。

将所要测试的元器件固定在45度角倾斜的工作台上，如图6所示。固定后基板与垂直方向呈45度角；用针钩挂住引线肩部，沿垂直方向以5mm/min的测试速度向上钩住引脚，直至焊点达到最大载荷后断裂。

通过焊点载荷值的分布数据表3（再流焊焊点的拉脱强度分布情况）可以看出，在所测试的焊点中，与原始钎料相比，碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料焊点抗拉强度分布在11～15N的焊点数量提高了52.2%。

表3

Claims

1.碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料，其特征在于所述碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料是将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下球磨，然后将混合物加入助焊剂进行熔炼，空冷制成，其中共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.01%～0.1%，共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物与助焊剂的质量比为8﹕2。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料，其特征在于所述共晶Sn-58Bi合金粉的粒度为25μm～75μm。

3.根据权利要求1或2所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料，其特征在于所述助焊剂为Flux55。

4.根据权利要求3所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料，其特征在于所述共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.06%。

5.根据权利要求3所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料，其特征在于所述共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管球磨后的混合物中碳纳米管的质量分数为0.03%。

6.碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法，其特征在于碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法如下：一、将共晶Sn-58Bi合金粉和碳纳米管在氩气保护下，以300r/min的转速球磨50min，得到碳纳米管质量分数为0.01%～0.1%的钎料粉末；二、将钎料粉末与助焊剂按照8﹕2的质量比混合均匀后在170℃～180℃的条件下保温60s～80s熔炼，空冷，即得碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料。

7.根据权利要求6所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤一中所述共晶Sn-58Bi合金粉的粒度为25μm～75μm。

8.根据权利要求6或7所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤二中所述助焊剂为Flux55。

9.根据权利要求8所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤一中所述钎料粉末中碳纳米管质量分数为0.06%。

10.根据权利要求8所述的碳纳米管强化Sn-58Bi无铅钎料的制备方法，其特征在于步骤一中所述钎料粉末中碳纳米管质量分数为0.03%。