[发明专利]一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法。包括步骤：提供钎料基体、纳米增强相和腔体；分别对所述钎料基体、纳米增强相和腔体进行清洗，并分别进行表面处理；将所得钎料基体和纳米增强相混合，所得混合物置入腔体后制成块体材料或预成型片；封闭所得含有块体材料或预成型片的腔体，在外部高能辅助作用下将所述块体材料或预成型片进行熔化、凝固，得到高存留率纳米复合钎料。该复合钎料中具有均匀、稳定的材料结构，强度、延伸率和导热导电性能等大幅提高，相对钎料基体提升幅度可达40‑100%；更可控制处理工艺促使纳米增强相定向排布实现对复合钎料的针对性各向异性强化；材料利用率高、工艺简单。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法。

背景技术

电子信息系统中，为电子元器件各单元之间提供电气连接、机械支撑以及热量传导通道的软钎料焊点是不可或缺的关键部分，其质量和完整性对电子产品的整体性能有着极其重要的影响。然而，随着人们对电子产品性能、尺寸和功能的要求不断提高，电子产品的集成度越来越高，其I/O数大幅增加，钎料焊点的尺寸迅速减小，使得焊点中的电流密度和温度梯度急剧提高。在这种极端的服役条件下，现有无铅钎料已不能完全满足互连强度及可靠性的要求，不仅焊点的机械性能备受挑战，载荷作用下的热/电迁移现象也会导致焊点内部形成小丘、裂纹、相偏析等缺陷，从而严重威胁电子产品的服役性能和可靠性。

在传统无铅钎料基体中掺杂增强相（如金属、陶瓷、碳基纳米材料等）制备复合钎料合金，是改善钎料合金及焊点的强度、润湿性、导热性、导电性等性能以及其在服役条件下的蠕变特性和可靠性的一种切实可行的方法。尤其当使用尺寸小、表面原子比例大、表面能高的纳米材料作为增强相时，所得接头的组织结构更优、润湿性和力学性能更佳，因而可以用于解决新一代电子产品的服役和可靠性难题。然而，现有封装工艺条件下，复合钎料中所添加的大部分增强相在焊接过程中容易由于液态钎料的表面张力及钎料晶粒界面能的作用而发生团聚或从钎料中析出，导致焊点中增强相的实际含量远低于设计值（一般仅占钎料整体的0.1-0.5 %），焊点的性能及热/电迁移抗性的强化效果无法达到预期。由于这些问题，复合钎料合金在电子制造领域的推广应用受到了严重的限制。

为此，本发明利用外部高能辅助改变软钎料合金及纳米增强相的能量状态，促使纳米增强相克服液态钎料表面张力和界面能的限制作用，均匀分散在钎料基体中；同时，借助外部高能，引发非平衡凝固，促使纳米增强相自组装形成均匀的强化组织或致密的晶间骨架结构，以实现对钎料合金性能和可靠性的强化。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高存留率纳米复合钎料及其制备方法，旨在利用纳米颗粒的自组装获得具有特定排布结构或性能的增强组织，解决现有复合钎料中纳米增强相易团聚、易析出、实际存留率低的问题，进一步提高复合钎料合金的性能和可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种高存留率纳米复合钎料的制备方法，其中，包括：

步骤S1：提供钎料基体、纳米增强相和腔体；

步骤S2：分别对所述钎料基体、纳米增强相和腔体进行清洗，并分别进行表面处理；

步骤S3：将步骤S2所得钎料基体和纳米增强相混合，所得混合物置入腔体后制成块体材料或预成型片；

步骤S4：封闭步骤S3所得含有块体材料或预成型片的腔体，在外部高能辅助作用下将所述块体材料或预成型片进行熔化、凝固，得到高存留率纳米复合钎料。

所述的制备方法，其中，所述步骤S1中，所述钎料基体为Sn基合金、Bi基合金、Zn基合金、In基合金、Au基合金、Pb基合金中的一种，所述腔体由钎料基体组分或不锈钢、Ni、Al、SiO₂等低扩散系数刚性薄板制得，也可为带有上述材料镀层的其他刚性材料，腔体壁厚为0.25mm-3mm，镀层厚度为0.1-10μm。