CN114951947A - 一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法 - Google Patents

一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114951947A
CN114951947A CN202210825923.5A CN202210825923A CN114951947A CN 114951947 A CN114951947 A CN 114951947A CN 202210825923 A CN202210825923 A CN 202210825923A CN 114951947 A CN114951947 A CN 114951947A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tin
graphene
copper
based composite
composite solder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210825923.5A
Other languages
English (en)
Inventor
孙树福
杨敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Xinyuan New Materials Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Xinyuan New Materials Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Xinyuan New Materials Co ltd filed Critical Shenzhen Xinyuan New Materials Co ltd
Priority to CN202210825923.5A priority Critical patent/CN114951947A/zh
Publication of CN114951947A publication Critical patent/CN114951947A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B23K20/023—Thermo-compression bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/26—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/40—Making wire or rods for soldering or welding

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明涉及电子封装领域，更具体地，涉及一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法。所述方法包括：S1：将铜粉和固体碳源粉末进行机械研磨，获得混合粉末；S2：将混合粉末置于反应腔室加热，通入还原性气体，获得石墨烯‑铜复合材料；S3：将石墨烯‑铜复合材料、锡基金属颗粒和有机载体进行混合，获得石墨烯增强锡基复合焊料。该方法可以将石墨烯大量、均匀地引入锡基复合焊料中；通过化学气相还原的方式，改善石墨烯与铜的界面结合强度；提升复合焊料的导热性能；提升复合焊料的韧性，增强焊点服役的机械可靠性。

Description

一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法
技术领域
本发明涉及电子封装领域，更具体地，涉及一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法。
背景技术
电力电子器件作为工业设备的关键部件，需要长时间在高压、高频、高温下稳定服役。以新能源汽车、轨道牵引为代表的电力电子器件应用场景中，电压等级、服役温度、机械可靠性要求日益苛刻，传统的锡基钎料受制于低熔点以及有限的导热、导电性能，无法满足新兴电力电子器件的封装需求。近年来，研究学者提出一种基于瞬时液相扩散焊技术的锡基连接材料，在回流过程中，金属锡发生熔化，与焊料中的高熔点金属(如铜、镍、银等)发生冶金反应，生成具有高熔点的金属间化合物。该方法相较于传统锡基钎焊，焊点具有更高的熔点、更优良的导热性能。然而，金属间化合物存在硬、脆的秉性，难以抵抗焊点服役过程中的热机械应力以及形变，易产生裂纹、孔洞等缺陷，使得焊点可靠性大大降低。
目前的技术方案为将高熔点金属颗粒(如铜、镍、银等)、金属锡颗粒和有机载体(如助焊剂、高沸点溶剂等)机械混合，获得锡基复合焊料。封装过程中，将复合焊料印刷于基板，而后贴片，进行回流加热或者热压焊接工艺，获得以金属间化合物为主体的高熔点焊点结构。
金属间化合物在焊点服役过程中会由于温度升高，激发原子定向扩散，形成柯肯达尔空洞；部分金属间化合物如Cu6Sn5，存在相变行为，因相变致体积收缩进而产生孔洞；金属间化合物为硬脆相，易受到焊点服役时热机械应力的作用而产生裂纹，导致焊点失效；金属间化合物的热导率虽高于传统锡基焊料，然而相比烧结银、烧结铜(＞200W/mK)等材料，热导率偏低，仅为50-70W/mK。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明通过化学气相沉积的方式实现高体积分数的石墨烯与铜复合，降低石墨烯和铜的接触电阻和接触热阻；将石墨烯引入锡基复合焊料中，增强焊点的韧性和断裂强度，提升焊点服役可靠性；增强焊点的导热性能。
本发明的目的是提供一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法，旨在提高锡基复合焊料在形成焊点后的韧性、导热性能和机械可靠性。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明首先提供了一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将铜粉和固体碳源粉末进行机械研磨，获得混合粉末；
S2：将混合粉末置于反应腔室加热，通入还原性气体，获得石墨烯-铜复合材料；
S3：将石墨烯-铜复合材料、锡基金属颗粒和有机载体进行混合，获得石墨烯增强锡基复合焊料。
本发明通过研究发现，通过机械混合的方式将石墨烯直接添加在复合焊料中，然而该方法存在几个问题：1.添加量有限；2.石墨烯和焊料结合力较差，增强导热和韧性效果不理想。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中铜粉的尺寸为0.5-10μm。固体碳源粉末可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺中的一种等，尺寸为0.1-1μm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1铜粉和固体碳源粉末的比例为100:1-10:1。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中机械研磨可以为球磨、辊磨、棒磨中的一种，优选球磨。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中混合粉末的直径为1-20μm，厚度为0.1-1μm。
对于锡基复合钎料，使用较小尺寸(球磨后1-20μm)的铜粉可以加速焊接反应过程，缩短反应时间，提升焊接效率。对于固体碳源粉末，如果粉体厚度太大(大于1μm)会导致混合粉末表面包覆的有机物过厚，难以在还原性气体中完全还原为石墨烯，如果粉体厚度太小(小于0.1μm)会导致混合粉末表面包覆的有机物过薄，无法保证石墨烯对铜的均匀包覆。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2中加热温度为600-900℃，还原性气体为氢气、氢气和氩气混合气体、氢气氮气混合气体中的一种，混合气体中氢气的体积分数不低于90％。混合粉末的用量为1-10kg，加热时间为1-5h，反应过程中的还原性气体流速为1-10L/min。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中石墨烯-铜复合材料的质量分数为40-70wt％，锡基金属颗粒的质量分数为20-50wt％，有机载体的质量分数为10-15wt％，各物质比例之和为100％。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中锡基金属颗粒为锡、锡银铜305合金、锡银合金、锡铜合金、锡铋合金、锡铟合金中的一种，尺寸为2-30μm，有机载体为氢化松香树脂、戊二酸、己二酸、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、松油醇等的混合物。
本发明进一步提供了一种石墨烯增强锡基复合焊料的封装方法，包括以下步骤：
S1：将前述方法制备得到的石墨烯增强锡基复合焊料印刷于基板上；
S2：将涂覆焊料的基板进行烘烤，而后贴片形成封装结构；
S3：将封装结构进行热压焊接，获得焊点。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中焊膏印刷厚度为20-200μm，基板表面为铜、金、银、镍、钯、铂的一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2中烘烤温度为80-120℃，时间为10-30min，使用鼓风干燥箱或热板进行烘烤。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中热压焊接使用热压焊接设备进行，温度为150-280℃，压力为1-10MPa，时间为2-10min。
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
(1)本发明可以将石墨烯大量、均匀地引入锡基复合焊料中；
(2)本发明通过化学气相还原的方式，改善石墨烯与铜的界面结合强度；
(3)本发明提升复合焊料的导热性能；
(4)本发明提升复合焊料的韧性，增强焊点服役的机械可靠性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于此。
实施例1：
将10μm铜粉和固体碳源粉末进行机械球磨(球磨转速为200RPM，球磨时间为8h)，固体碳源粉末为0.5μm聚甲基丙烯酸甲酯，铜粉和固体碳源粉末的质量比例为50:1，获得混合粉末，混合粉末的直径为20μm，厚度为0.8μm；
将混合粉(2kg)末置于反应腔室加热，加热温度为800℃，通入氢气，加热时间为3h，反应过程中的还原性气体流速为5L/min，获得石墨烯-铜复合材料；
将石墨烯-铜复合材料、锡基金属颗粒和有机载体进行混合，石墨烯-铜复合材料的质量分数为50wt％获得石墨烯增强锡基复合焊料；锡基金属颗粒是锡银铜305合金，尺寸为5-15μm，质量分数为35wt％；有机载体的质量分数为15wt％，有机载体为氢化松香树脂、己二酸、乙二醇的混合物，质量比例为5:1:5。
将石墨烯增强锡基复合焊料印刷于铜基板上，焊膏印刷厚度为100μm；将涂覆焊料的基板进行烘烤，烘烤温度为100℃，而后贴片形成封装结构；将封装结构进行热压焊接，温度为230℃，压力为2MPa，时间为3min，获得焊点。
对焊点进行测试，剪切强度为90MPa，热导率为150W/mK。对焊点进行冷热冲击测试，低温为-40℃，高温为125℃，高低温保持时间为15min，转换时间小于3min，经过1000个周期后，焊点依然保持70MPa的剪切强度。
实施例2：
将0.5μm铜粉和固体碳源粉末进行机械球磨(球磨转速为200RPM，球磨时间为8h)，固体碳源粉末为0.1μm聚甲基丙烯酸甲酯，铜粉和固体碳源粉末的质量比例为10:1，获得混合粉末，混合粉末的直径为2μm，厚度为0.2μm；
将混合粉(1kg)末置于反应腔室加热，加热温度为800℃，通入氢气，加热时间为1h，反应过程中的还原性气体流速为2L/min，获得石墨烯-铜复合材料；
将石墨烯-铜复合材料、锡基金属颗粒和有机载体进行混合，石墨烯-铜复合材料的质量分数为45wt％获得石墨烯增强锡基复合焊料；锡基金属颗粒是锡银铜305合金，尺寸为5-15μm，质量分数为40wt％；有机载体的质量分数为15wt％，有机载体为氢化松香树脂、己二酸、乙二醇的混合物，质量比例为5:1:5。
将石墨烯增强锡基复合焊料印刷于铜基板上，焊膏印刷厚度为100μm；将涂覆焊料的基板进行烘烤，烘烤温度为100℃，而后贴片形成封装结构；将封装结构进行热压焊接，温度为230℃，压力为2MPa，时间为3min，获得焊点。
对焊点进行测试，剪切强度为103MPa，热导率为135W/mK。对焊点进行冷热冲击测试，低温为-40℃，高温为125℃，高低温保持时间为15min，转换时间小于3min，经过1000个周期后，焊点依然保持86MPa的剪切强度。
对比例1：
将10μm铜粉进行机械球磨，获得粉末，粉末的直径为18μm，厚度为0.9μm；将铜粉末、锡基金属颗粒和有机载体进行混合，铜的质量分数为50wt％；锡基金属颗粒是锡银铜305合金，尺寸为5-15μm，质量分数为35wt％；有机载体的质量分数为15wt％，有机载体为氢化松香树脂、己二酸、乙二醇的混合物，比例为5:1:5。将复合焊料印刷于铜基板上，焊膏印刷厚度为100μm；将涂覆焊料的基板进行烘烤，烘烤温度为100℃，而后贴片形成封装结构；将封装结构进行热压焊接，温度为230℃，压力为2MPa，时间为3min，获得焊点。
对焊点进行测试，剪切强度为40MPa，热导率为35W/mK。对焊点进行冷热冲击测试，低温为-40℃，高温为125℃，高低温保持时间为15min，转换时间小于3min，经过1000个周期后，焊点强度下降至20MPa。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将铜粉和固体碳源粉末进行机械研磨，获得混合粉末；
S2：将混合粉末置于反应腔室加热，通入还原性气体，获得石墨烯-铜复合材料；
S3：将石墨烯-铜复合材料、锡基金属颗粒和有机载体进行混合，获得石墨烯增强锡基复合焊料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中铜粉的尺寸为0.5-10μm；固体碳源粉末可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺中的一种等，尺寸为0.1-1μm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1铜粉和固体碳源粉末的质量比例为100:1-10:1。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中机械研磨可以为球磨、辊磨、棒磨中的一种，优选球磨。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中混合粉末的直径为1-20μm，厚度为0.1-1μm。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中加热温度为600-900℃，还原性气体为氢气、氢气和氩气混合气体、氢气氮气混合气体中的一种，混合气体中氢气的体积分数不低于90％，混合粉末的用量为1-10kg，加热时间为1-5h，反应过程中的还原性气体流速为1-10L/min。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中石墨烯-铜复合材料的质量分数为40-70wt％，锡基金属颗粒的质量分数为20-50wt％，有机载体的质量分数为10-15wt％，各物质比例之和为100％。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中锡基金属颗粒为锡、锡银铜305合金、锡银合金、锡铜合金、锡铋合金、锡铟合金中的一种，尺寸为2-30μm，有机载体为氢化松香树脂、戊二酸、己二酸、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇、松油醇等的混合物。
9.一种石墨烯增强锡基复合焊料的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将前述权利要求1-8任一项所述方法制得的石墨烯增强锡基复合焊料印刷于基板上；
S2：将涂覆焊料的基板进行烘烤，而后贴片形成封装结构；
S3：将封装结构进行热压焊接，获得焊点。
10.根据权利要求9所述的一种石墨烯增强锡基复合焊料的封装方法，其特征在于，
所述步骤S1中焊膏印刷厚度为20-200μm，基板表面为铜、金、银、镍、钯、铂的一种；
所述步骤S2中烘烤温度为80-120℃，时间为10-30min，使用鼓风干燥箱或热板进行烘烤；
所述步骤S3中热压焊接使用热压焊接设备进行，温度为150-280℃，压力为1-10MPa，时间为2-10min。
CN202210825923.5A 2022-07-14 2022-07-14 一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法 Pending CN114951947A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210825923.5A CN114951947A (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210825923.5A CN114951947A (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114951947A true CN114951947A (zh) 2022-08-30

Family

ID=82968994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210825923.5A Pending CN114951947A (zh) 2022-07-14 2022-07-14 一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114951947A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116810210A (zh) * 2023-05-26 2023-09-29 齐齐哈尔大学 一种复合钎料及制备方法和应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116810210A (zh) * 2023-05-26 2023-09-29 齐齐哈尔大学 一种复合钎料及制备方法和应用
CN116810210B (zh) * 2023-05-26 2024-04-09 齐齐哈尔大学 一种制备复合钎料的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11699632B2 (en) Methods for attachment and devices produced using the methods
Suganuma et al. Low-temperature low-pressure die attach with hybrid silver particle paste
JP4342176B2 (ja) 機能性合金粒子
CN104759725B (zh) 一种使用微纳米级金属颗粒填充Sn基焊料实现电子组件高温封装的方法
CN109797392B (zh) 一种铝合金表面改性烧结无铅低温银浆厚膜法
Jung et al. Pressureless die attach by transient liquid phase sintering of Cu nanoparticles and Sn-58Bi particles assisted by polyvinylpyrrolidone dispersant
Nguyen et al. Enhancement of bonding strength in BiTe-based thermoelectric modules by electroless nickel, electroless palladium, and immersion gold surface modification
CN114951947A (zh) 一种石墨烯增强锡基复合焊料的制备及封装方法
CN114643435A (zh) 一种低温烧结的纳米铜焊膏、其制备方法及其使用方法
Liu et al. Microstructural evolution, fracture behavior and bonding mechanisms study of copper sintering on bare DBC substrate for SiC power electronics packaging
Wu et al. Rapid and low temperature sintering bonding using Cu nanoparticle film for power electronic packaging
CN114391169A (zh) 银烧结制备物及其用于连接电子部件的用途
CN112961633A (zh) 一种低温固化的导电胶及其制备方法
Zhang et al. Low temperature die attach based on sub-micron ag particles and the high temperature reliability of sintered joints
CN108161270B (zh) 一种用于低温封装铝合金与LED芯片的颗粒增强Sn-Zn纳米焊料及制备方法
CN112809241B (zh) 一种铝焊膏及其制备方法
Zhang et al. Exploration of Key Factors for the Sintering of Micro-Nano Silver Paste
Jang et al. Effects of Ag Flake Addition in Sn-3.0 Ag-0.5 Cu on Microstructure and Mechanical Properties with High-Temperature Storage Test
Wernicki et al. Preparation and characterization of nano-solder paste with high nanoparticle loading and their thermal and printing properties
Li et al. Nano-Ag filled anisotropic conductive adhesives (ACA) with self-assembled monolayer and sintering behavior for high
CN116890181A (zh) 一种基于Cu@Sn@Ag核壳壳结构的锡基复合焊料及其制备方法和封装方法
CN115894064B (zh) 一种低银含陶瓷金属化用amb浆料及其制备方法
Dai et al. Achieving high-quality nano-silver joints for high-reliability power electronics via pressureless sintering
CN114833494B (zh) 实现低温焊接高温服役的过程反应性焊料及接头制备方法
Zeng et al. Review of Copper-Silver Core-Shell Sintering Pastes: Technology and Future Trends

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination