[发明专利]一种纳米焊料合金粉末的制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米焊料合金粉末的制备方法，属于电子行业组装用焊接材料、纳米材料制备技术领域。该方法以焊料合金块体或粗粉为原料，以水或有机液体为溶剂，通过对溶剂施加热和剪切力(搅拌、超声等)使合金熔化、分散、细化，并通过加入表面修饰剂使细化后的焊料合金液滴保持分散与稳定，并随温度降低凝固。本发明可通过温度、溶剂、表面修饰剂、外力强度及作用时间的控制，实现不同种类不同粒径焊料合金的制备。

技术领域

本发明涉及电子行业组装用焊接材料、纳米材料制备技术领域，具体涉及一种纳米焊料合金粉末的制备方法。

背景技术

电子封装互连过程中，焊料是用量最大的连接材料之一，焊料熔点的高低是决定焊接工艺的重要依据。焊料的熔点高，在电子器件连接过程中就会需施加较高的连接温度，不仅会增加了电子组装过程中的时间和能量消耗，也会对器件和其它材料的可靠性造成影响。特别是近年来，一方面随着欧盟开始实施WEEE/ROHS法案，电子产品开始实行无铅化，无铅焊料在民用领域开始代替传统的Sn-Pb焊料，SnAgCu等无铅合金焊料日益广泛地应用于电子封装领域。由于无铅焊料合金的熔点通常在210℃以上，远高于传统的Sn-Pb共晶焊料的熔点(183℃)，因此焊料无铅化后在减少了铅的危害同时，又带来了能耗大、对线路版及器件可靠性要求高等新的问题。另一方面随着汽车电子智能化程度的提高，汽车上所需焊料需求量日益增加，而由于汽车电子特殊的使用环境，对焊料的种类和性能要求也高于常规的便携电子产品中的材料，使得焊料要求的焊接温度也随之变化，并对可靠性提出更高的要求，因此新的焊料材料种类和制备方法的研究开发具有重要意义。

纳米材料由于比表面积大、活性高，通常会具有一些特殊的性能，如热力学尺寸效应，良好的力学性能等。已有和纳米焊料相关的研究工作表明，金属粒子的熔化温度表现出明显的尺寸效应，熔点随着颗粒尺寸的减小而降低，纳米焊料粒子的熔点较块体材料有大幅度的降低。如美国的C.P.Wong等在惰性气氛保护和-20℃的低温下制备了Sn-3.5Ag焊料合金的纳米粒子，证明10nm左右的纳米粒子的熔化温度在195℃左右，低于对应块体合金的熔化温度(221℃)，但由于其制备条件非常苛刻，不适于大批量的制备和推广。其它学者采用化学共沉淀法制备了平均尺寸为30nm的Sn3.5Ag纳米粒子，测量的熔化温度为210℃，也显著低于Sn3.5Ag大块合金的熔化温度。

将纳米粒子的尺寸效应应用到电子互连材料中，一方面可以在更广的材料体系中研发新的焊料合金，另一方面可以降低现有焊料材料的焊接温度，在相对低的焊接温度下实现电子器件的互连，拓展其应用范围，两者均可同时降低生产中的能耗时耗，并提高其服役的可靠性。

目前纳米焊料制备的主要方法有：机械合金法、电弧法、物理气相沉积法、液相化学还原法等。机械合金化法是通过将焊料金属或合金粉末在高能球磨机中进行球磨，通过研磨球的碰撞、挤压、破碎等机械力的作用，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得细小合金化粉末的一种技术；电弧法首先需要将制备材料做成自耗电极，而后使电极熔化或蒸发，在冷却介质的冷凝作用下形成纳米粒子；物理气相沉积法是在真空下通过各种形式的加热方法使大块材料蒸发成气态离子，而后经过冷凝收集而得到纳米粒子的一种方法；液相化学还原法是液相化学还原法是通过还原溶液中均一的金属离子而形成纳米粒子的方法，制备过程中纳米粒子的形成经过了离子-团簇-形核-团聚与长大几个阶段，通过控制反应条件能够控制不同阶段的作用，获得不同尺寸和形貌的产物。综合比较上述几种方法可以看出，机械合金法工艺简单，但是制备时间长、获得的粉末尺寸不均匀，易团聚而且容易引入某些杂质；电弧法制备的粉末球形度好、但粉末尺寸分布范围广，需二次分离；物理气相沉积法反应速度快，获得的粉末结晶度高，但是反应条件苛刻，难以寻找合适的调控手段来控制纳米粒子的尺寸和形貌，同时制备过程需在真空环境下进行，对设备要求高、投资大；液相化学还原法，工艺过程简单，设备投资小，可以通过控制工艺条件合理调控纳米粒子的尺寸和形貌，但需要有合适的前驱体，合成焊料的成分受到很大限制。

发明内容