[发明专利]一种高性能锡基钎料合金及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种锡基钎料合金，尤其是一种高性能颗粒增强锡基钎料合金。本发明还涉及高性能锡基钎料合金的制备方法。

背景技术

随着电子产品向体积微型化和功能集成化方向的迅速发展，使得它们对现有封装材料的可靠性提出了更高要求。颗粒增强钎料目前被认为是提高钎料性能的很有应用前景的一种电子封装材料，通过向钎料基体中加入硬质难熔第二相（如陶瓷和高熔点金属颗粒），可以实现在较小影响钎料熔点和韧性的前提下大幅度提高钎料的强度和有效使用温度区间。

对于一般的颗粒增强合金而言，其性能提升的关键在于尽可能减小增强颗粒的粒径并让他们均匀分布于金属基体内。然而对于颗粒增强钎料而言，由于在实际使用时还需要经过不同温度和时间的重熔，因此其对颗粒增强相在熔融钎料内的稳定性提出了较高的要求。避免颗粒增强相在熔融钎料内发生团聚和分离是提高复合钎料焊点可靠性的关键所在。在复合钎料重熔时，颗粒增强相的团聚与增强相的粒径、钎料内的孔隙率以及增强相与钎料基体的界面结合性能有关，粒径越小、孔隙度越高、界面结合性能越差，则颗粒增强相越容易在熔融钎料内发生团聚。颗粒增强的分离主要受增强相密度和粒径的影响，具体的关系为：增强相的分离速度与增强相和钎料基体密度的差值成正比，与增强相的粒径平方成反比。对于均匀弥散分布的纳米颗粒增强相而言，增强相的分离速度将变得非常缓慢，在通常的钎料重熔焊接时，纳米颗粒增强相的分离几乎可以忽略。然而，一旦钎料内存在气泡或钎料与增强相结合性能较差时，纳米增强相将极易团聚，并加快增强相的分离。

机械合金化法和粉末冶金方法是常用的颗粒增强金属基复合材料制备方式，采用该种方法制备的复合材料其增强颗粒能达到很好的弥散度，然而该方法制备的复合钎料孔隙度高，在钎料的重熔过程中，熔融钎料内的气孔将促进维纳颗粒增强相的团聚，并降低颗粒增强相的强化效果；此外，团聚后的增强相将更容易在熔融的液态钎料内发生分离，从而进一步衰减增强相的强化效果。再者，由于陶瓷增强相普遍具有较低的界面结合性能，对于低熔点的锡基钎料合金而言，例如：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Pb、Sn-Bi和Sn-Zn等锡基系列合金，很难通过机械合金化的方法来改善钎料合金与增强相之间的结合性能，而这也将引起增强相的团聚。

采用超声辅助轻合金铸造的方法已经有了较多研究和报道，通过在合金凝固过程中持续超声，超声的空化作用和液流搅拌作用可以起到很好的均匀组织、细化晶粒作用；此外，当熔融合金中含有未熔的第二相时，超声不仅可以使第二相弥散均匀分布，还可以促进液态基体与未熔第二相之间的润湿，使得未熔第二相在合金熔化时起到形核剂的作用，细化晶粒并增强合金力学性能。对于锡基钎料合金而言，由于该合金具有较大的密度（约6.5g/cm³），而常用的颗粒增强相密度较低（约3.5g/cm³），因此在钎料熔融的过程中即便有超声或机械辅助搅拌也很难将足量的增强相加入到钎料基体中。正因为如此，目前尚未发现有人采用超声辅助的方法制备颗粒增强锡基钎料合金，也未能获得能克服钎料合金重熔时颗粒增强相团聚、力学性能得到明显提高的锡基钎料合金。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高性能锡基钎料合金，这种锡基钎料合金具有明显提高的力学性能和耐腐蚀性能。本发明还提供了高性能锡基钎料合金的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：一种高性能锡基钎料合金，包括锡基钎料基体和难熔硬质弥散强化相，所述高性能锡基钎料合金还包括重量百分含量为0.01%～2%的掺杂元素，所述掺杂元素为Fe、Ni、Y、Ag、Ti、Zr、Hf、Sb中的一种或几种。

优选的，所述难熔硬质弥散强化相为SiC、TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、MgO、Al₂O₃ 、TiB₂、CNTs（碳纳米管，以下同）和Cu₆Sn₅中的一种或几种，其重量百分含量为0.02%～2%。

优选的，所述锡基钎料基体为Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Pb、Sn-Bi或Sn-Zn合金。

本发明的制备如上所述的高性能锡基钎料合金的方法，其中形成所述锡基钎料基体的锡基钎料包括锡基钎料粉末或者不少于锡基钎料基体重量10%的锡基钎料粉末和余下重量的铸态锡基钎料，所述制备方法包括依次进行的下列步骤：