[发明专利]Bi@MAX核壳结构、高可靠无铅焊料及其制备方法

说明书

本发明公开了Bi@MAX核壳结构，包括MAX相微纳颗粒和Bi颗粒，MAX相微纳颗粒包覆在Bi颗粒表面。本发明还公开了Bi@MAX核壳结构的制备方法。本发明还公开了包含Bi@MAX核壳结构的高可靠无铅焊料及其制备方法。本发明将MAX相微纳颗粒包裹在Bi金属颗粒表面，制成Bi@MAX核壳结构，然后将其添加到Sn基合金基体中，形成Bi@MAX/Sn基合金复合焊料。在焊接过程中，Sn基合金基体中不含Bi元素，能够避免晶须的快速形核。而在焊料使用过程中，Bi元素会通过MAX相颗粒间的界面及MAX相中的A原子层缓慢释放到基体中，抑制Sn晶须的形核过程，有效发挥Bi元素在低温下对Sn晶须的抑制作用。

技术领域

本发明涉及一种Bi@MAX核壳结构、高可靠无铅焊料及其制备方，属于无铅焊料技术领域。

背景技术

以锡（Sn）晶须为代表的金属晶须自发生长现象由来已久。Sn晶须会以引发短路、形成金属蒸汽电弧、干扰电子元器件的感光表面等形式引发电路失效，对电路系统可靠性造成巨大威胁。由于金属晶须问题，二战期间战机中无线电设备频繁发生短路并导致重大事故，至少4颗商业卫星完全失效。1959年，贝尔实验室发现在锡中添加少量铅（Pb）可以有效缓解锡晶须生长。同时Sn-Pb合金还具有熔点低、润湿性好、成本较低等优势，直到21世纪初，Sn-Pb合金焊料仍然被广泛应用于工业界。

然而，Pb作为三大重金属污染物之一，会影响人体神经系统、心血管系统、骨骼系统、生殖系统和免疫系统的功能，对人体造成严重损伤。自2003年欧盟颁布《报废电子电气设备指令》（简称WEEE）和《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（简称RoHS）禁令以来，世界各国积极推动电子产品“无铅化运动”，使Sn晶须自发生长再次成为威胁电子系统可靠性的棘手问题。

目前锡基焊料中的无铅化抑制方法，主要包括非铅合金化、涂覆保形涂层、预镀隔离层、优化热处理工艺等。其中合金化从材料自身的性质出发解决Sn晶须问题，且有望同时改善无铅焊料的使用性能，具有独特的优势。铋（Bi）元素由于一些性质与Pb相似，被看作一种有望取代Pb而抑制晶须生长的元素。然而，实验研究表明Sn-Bi合金在较低的温度下能够抑制Sn晶须生长，但在较高温度或热循环环境中，Sn-Bi合金却具有较强的Sn晶须生长倾向。

Sn-Bi合金虽然在较低温度下能够抑制锡晶须生长，但在较高温度或热循环环境中仍有较强的Sn晶须生长倾向。

发明人对上述现象进行研究发现，Bi元素在低温下对晶须生长的抑制作用是抑制了晶须形核过程。当Sn-Bi合金处于较高温度的环境中，会加快晶须形核速度，具有较强的Sn晶须生长倾向。而且即使Sn-Bi合金只是短暂处于高温环境，Sn晶须也会迅速形核，使Sn-Bi合金在低温环境中也具有较强的Sn晶须生长倾向。而焊料在使用过程中必然会经历高温焊接过程，会导致晶须快速形核，因此在无铅焊料中直接添加Bi元素来抑制晶须生长的效果有待进一步提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种Bi@MAX核壳结构，该核壳结构能够缓慢释放Bi元素，由于MAX相微纳颗粒的包裹，Bi元素在短暂的焊接过程中来不及扩散至基体中，能够有效避免Sn-Bi合金在焊接过程中形成大量晶须核心的问题。同时MAX相微纳颗粒之间存在大量界面，MAX相中的A原子层也可以为Bi原子扩散提供路径，因此在焊料的长期服役过程中，被MAX相包裹的Bi颗粒中的Bi原子会缓慢向基体中迁移，并在较低的温度下充分发挥Bi元素对晶须的抑制作用。既避免了焊接过程中Sn晶须快速形核，也能够在焊料服役过程中有效抑制Sn晶须生长。

同时，本发明提供一种Bi@MAX核壳结构的制备方法。

同时，本发明提供一种包含Bi@MAX核壳结构的高可靠无铅焊料。

同时，本发明提供一种高可靠无铅焊料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：