專利名稱：一種磁性顆粒錫-鋅基復合焊料及其制備方法
一種磁性顆粒錫-鋅基復合焊料及其制備方法技術領域
本發明屬于電子器件焊接及表面封裝材料領域，特別涉及一種具有特有磁性能， 高潤濕率的復合無鉛合金焊料及其制備方法。
背景技術：
由于鉛對人體和環境的巨大危害性，Sn-H3焊料已逐步為無鉛焊料所取代。在眾多無鉛焊料體系中，Sn-ai基焊料因為熔點(199°C )接近傳統Sn-H3焊料(183°C )、力學性能較好、資源豐富以及生產成本低廉受到廣大研究者關注。但是，潤濕性差和抗氧化性不良這兩個主要缺點限制了 Sn-Si基焊料的應用。當前的研究中，主要靠合金化和微合金化來改善Sn-Si基焊料的抗氧化性和潤濕性。
中國專利CN200510038181. 8公開了一種加入Bi的Sn-Si基無鉛焊料，降低合金熔點的同時提供了潤濕性。
中國專利CN 200810019336. 7公開了一種Sn-Si基無鉛焊料，在焊料的基礎上加入Al和Nd，改善了合金的潤濕性及抗氧化性。
中國專利CN02142912公開了一種加入含量不高于0. 5 %的Fe、Co、Ni元素的 Sn-Cu基無鉛焊料，三種元素的作用是改善了焊料的力學性能和可靠性。
中國專利CN200510013430公開了一種氧化鋯納米顆粒增強型錫銀復合焊料及其制備方法，以氧化鋯作為增強相提高了錫銀焊料的硬度及可靠性。
綜上所述，在Sn-Si焊料領域，提高潤濕性的方法多采用合金化方法，在Sn-Si焊料中加入的元素包括Bi、Al、Ni等，但改進后的Sn-Si焊料的潤濕性仍和Sn-Pb焊料有很大差距。也有加入顆粒使其力學性能增強的報道。另外，磁性顆粒復合焊料也有所報道，但是其所加入的顆粒未進行表面處理，存在加入困難和結合力不強等問題。發明內容
技術問題本發明提供一種潤濕性良好、具有特有磁性能的磁性顆粒錫-鋅基復合焊料及其制備方法。
技術方案一種磁性顆粒錫-鋅基復合焊料，包括錫-鋅基焊料基體和占復合焊料重量百分比為1 10%的磁性顆粒，所述的錫-鋅基焊料基體包含Sn和&1，其中Si占錫-鋅基焊料基體重量百分比為8 10% ；所述的磁性顆粒為表面鍍有Ni層的狗顆粒。
本發明中！^顆粒的粒徑為10 35um，鍍Ni層的厚度為1 3um。
本發明還可以在基體中加入占錫-鋅基焊料基體重量百分比0.001 0.2%的Al 和重量百分比0. 1 10%的Bi。
本發明的一種制備上述磁性顆粒錫-鋅基復合焊料的方法，包括以下步驟
1)按照配比將錫-鋅基焊料基體的組分加入熔煉爐中混合加熱至400°C 士 20°C熔化，保溫30min士 lOmin，使用超聲霧化設備制得錫-鋅基焊粉；
2)采用化學鍍的方法，將10 30um的!^e顆粒放入鍍液中，保溫5 10分鐘，洗滌、烘干得到磁性顆粒；所述鍍液是含硫酸鎳20 30g/L，次磷酸鈉20 30g/L，氫氧化銨 10 20mg/L，絡合劑ND-2，40mg/L，PH = 10 11的混合溶液，溫度保持在75°C ；3)將制得的錫-鋅基焊粉與磁性顆粒按配比在300°C 士20°C的密封坩堝中熔化攪拌至顆粒均勻分布，冷卻得到復合焊料。本發明方法中的步驟1)和步驟幻可同步進行，步驟幻中的狗顆粒放入鍍液保溫5 10分鐘可以得到1 3um的鍍層。有益效果本發明的復合焊膏含有一定量的鍍有M層的狗顆粒，與普通的磁性顆粒相比，具有很大的優點。1. Fe顆粒是磁性顆粒中磁性最大的顆粒，但是！^顆粒表面易形成氧化層，使其與焊料基體的表面張力變大，不易加入。有研究指出，可以采用粉末混合重熔法來制備復合焊料，但制粉過程復雜，成本較高，顆粒與基體的結合也不夠緊密。狗顆粒表面鍍M后，其與焊料基體的表面張力下降，顆粒可直接加入攪拌均勻即可，省去復雜的制粉過程，制備方法簡單，成本較低。2.顆粒進入基體后，鍍Ni層部分融入基體，界面形成!^e-Zn-Ni金屬間化合物，比普通!^e顆粒的界面厚0. 5 1. 5um,如圖2、圖3所，其中過渡層3為Fe-Si-Ni金屬間化合物。由于過渡層厚于普通顆粒，所以具有更緊密的結合力，使磁性作用產生更大的有益效用。即如果要獲得相同的潤濕率，可以減少磁性顆粒的加入量，降低成本。3.顆粒進入基體后，少量Ni的熔入基體，形成Si-Ni金屬間化合物，能使粗大針狀富鋅相細化甚至消失，并且使組織得到一定程度的細化，根據金屬材料的強化機制，這有利于材料力學性能的提高。這也是與普通磁性顆粒相比，性能得到進一步改進的一點，改進效果會在實施例的實驗結果中有所體現。4.本發明在使用加熱熔化時，加上一定方向或變化的移動磁場，均勻分布在焊料中的磁性顆粒便沿磁場方向重新分布，同時由于與基體結合緊密，拖拽焊料一起運動，可控制焊料的焊接形狀、路徑。并且顆粒的運動增加了焊料的流動性并且破壞了焊料表面的氧化膜使表面張力減小，潤濕性極大提高。并且鍍鎳后結合力大于普通鐵顆粒，所以本發明的潤濕率要好于普通磁性顆粒復合焊料的潤濕率。用鋪展面積來表示焊料的潤濕率，本發明復合焊料，普通磁性顆粒復合焊料和傳統錫-鋅焊料的鋪展面積如圖4、圖5、圖6所示，可以看出本發明復合焊料的潤濕率明顯大于其他兩種。5.焊點凝固后，磁性顆粒仍均勻分布在其中，因顆粒為硬質相，起到了顆粒增強的作用，由于本發明顆粒與基體的結合力大于普通磁性顆粒顆粒，所以顆粒增強的作用更加顯著。使焊點力學性能有更大提高，例如蠕變性能和剪切力等。提高效果在實施例的實驗結果中有所體現。6.復合焊料基體中可以進一步加入Al、Bi等元素，加入Al可提高焊料基體的抗氧化性，加入Bi可降低焊料基體的表面張力及熔點。兩種合金元素均能進一步提高復合焊料潤濕性。本發明對加入復合焊料的磁性顆粒進行了改進，選擇鐵磁性最強的!^e顆粒，并在其表面化學鍍上一定厚度的M?；瘜W鍍方法簡單，成本低，鍍層均勻、結合性好。鍍有M層的！^顆?？梢灾苯蛹尤肴廴诤噶现校喕酥苽浞椒ǖ姆椒ǎ⒁驗楦蟮慕Y合力而達到更好的磁性效果。


圖1為本發明實施例1的復合焊料的金相顯微組織圖(拋光態)，可看出本發明的磁性顆粒較為均勻地分布在sn-ai基焊料基體中，且粗大針狀ai相消失；
圖2為本發明實施例1中，磁性顆粒與基體結合的界面情況，可以看出鍍M層部分熔入基體，形成較寬的大約為2um的金屬間化合物過渡層；
圖3普通鐵顆粒復合焊料，鐵顆粒與基體結合的界面情況，可以看出形成大約為 0. 5um的金屬間化合物過渡層。
圖4本發明實施例2的復合焊料在移動磁場作用下加熱后在Cu片上的鋪展情況， 黑色線圈內的為鋪展面積；
圖5為普通狗顆粒的復合焊料在移動磁場作用下加熱后在Cu片上的鋪展情況；
圖6為傳統錫鋅焊料加熱后在Cu片上的鋪展情況。
圖7為傳統錫鋅焊料的金相顯微圖(腐蝕態)，可以明顯看到存在粗大的針狀Si相。
圖8為實施例1的金相顯微圖(腐蝕態)，可以看出粗大的針狀Si相消失。
圖中有Sn-Si基焊料基體1，鍍有Ni層的磁性顆粒2，過渡層3，普通磁性顆粒4， Cu片5，本發明復合焊料的焊點6，普通!^e顆粒復合焊料的焊點7，傳統Sn-QSi焊料的焊點 8，粗大針狀Zn相9。
其中，圖4，圖5，圖6中的Cu片為40mmX40mmX2mm的相同大小的Cu片。
具體實施方式
實施例1 本發明的錫-鋅基復合焊料，各組分的重量百分比為錫-鋅焊料基體 99 %，磁性顆粒1 %。其中錫-鋅焊料基體中S1含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比 8%,余量為Sn，磁性顆粒為粒徑IOum的！^顆粒在90°C鍍液中保溫5min得到的鍍Ni層約為Ium的磁性顆粒。
實施例2 本發明的錫-鋅基復合焊料，各組分的重量百分比為錫-鋅焊料基體 95 %，磁性顆粒5 %。其中錫-鋅焊料基體中S1含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比 9%,余量為Sn，磁性顆粒為粒徑20um的！^顆粒在90°C鍍液中保溫8min得到的鍍Ni層約為2um的磁性顆粒。
實施例3 本發明的錫-鋅基復合焊料，各組分的重量百分比為錫-鋅焊料基體 95%，磁性顆粒5%。其中錫-鋅焊料基體中Si含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比 9%,余量為Sn，磁性顆粒為粒徑20um的！^顆粒在90°C鍍液中保溫IOmin得到的鍍Ni層約為3um的磁性顆粒。實施例4本發明的錫-鋅基復合焊料，各組分的重量百分比為錫-鋅焊料基體 90%，磁性顆粒10%。其中錫-鋅焊料基體中Si含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比 10%,余量為Sn，磁性顆粒為粒徑30um的！^顆粒在90°C鍍液中保溫IOmin得到的鍍Ni層約為3um的磁性顆粒。
實施例5 本發明的錫-鋅基復合焊料，各組分的重量百分比為錫-鋅焊料基體 95 %，磁性顆粒5 %。其中錫-鋅焊料基體中Si含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比9%,Al含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比0. 001 %，Bi占0. 1 %，余量為Sn，磁性顆粒為粒徑20um的！^顆粒在90°C鍍液中保溫8min得到的鍍Ni層約為2um的磁性顆粒。實施例6 本發明的錫-鋅基復合焊料，各組分的重量百分比為錫-鋅焊料基體 95%，磁性顆粒5%。其中錫-鋅焊料基體中Si含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比 8%, Al含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比0.05%，Bi占5%，余量為Sn，磁性顆粒為粒徑20um的！^顆粒在90°C鍍液中保溫8min得到的鍍Ni層約為2um的磁性顆粒。實施例7 本發明的錫-鋅基復合焊料，各組分的重量百分比為錫-鋅焊料基體 95%，磁性顆粒5%。其中錫-鋅焊料基體中Si含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比 8%, Al含量為占錫-鋅基焊料基體重量百分比0.1%，Bi占10%，余量為Sn，磁性顆粒為粒徑30um的！^顆粒在90°C鍍液中保溫IOmin得到的鍍Ni層約為3um的磁性顆粒。實施例1、2、3、4、5的鋪展面積測量結果如表1 (0. 3g的焊料小球在 40mmX 40mmX 2mm的Cu板上進行鋪展實驗，實驗溫度為280°C )。表 權利要求
1.一種磁性顆粒錫-鋅基復合焊料，其特征在于，該復合焊料包括錫-鋅基焊料基體和占復合焊料重量百分比為ι 10%的磁性顆粒，所述的錫-鋅基焊料基體包含Sn和Si， 其中Si占錫-鋅基焊料基體重量百分比為8 10% ；所述的磁性顆粒為表面鍍有M層的 Fe顆粒。
2.根據權利要求1所述的磁性顆粒錫-鋅基復合焊料，其特征在于，所述的狗顆粒的粒徑為10 35 μ m，所述Ni層的厚度為1 3um。
3.根據權利要求2所述的磁性顆粒錫-鋅基復合焊料，其特征在于，所述的錫-鋅基焊料基體中，還包括占錫-鋅基焊料基體重量百分比0. 001 0. 2 %的Al和重量百分比0. 1 10%的 Bi。
4.一種制備權利要求1所述磁性顆粒錫-鋅基復合焊料的方法，其特征在于，包括以下步驟1)按照配比將錫-鋅基焊料基體的組分加入熔煉爐中混合加熱至400°C士20°C熔化， 保溫30min 士 lOmin，使用超聲霧化設備制得錫-鋅基焊粉；2)采用化學鍍的方法，將10 30um的!^e顆粒放入鍍液中，保溫5 10分鐘，洗滌、烘干得到磁性顆粒；所述鍍液是含硫酸鎳20 30g/L，次磷酸鈉20 30g/L，氫氧化銨10 20mg/L，絡合劑ND-2，40mg/L，PH = 10 11的混合溶液，溫度保持在75°C ；3)將制得的錫-鋅基焊粉與磁性顆粒按配比在300°C士20°C的密封坩堝中熔化攪拌至顆粒均勻分布，冷卻得到復合焊料。
全文摘要
一種磁性顆粒錫-鋅基復合焊料及其制備方法，包括Sn-Zn基焊料基體和10％的磁性顆粒，錫-鋅基焊料基體包含Sn和Zn，其中Zn占錫-鋅基焊料基體重量百分比為8～10％；所述的磁性顆粒為表面鍍有Ni層的Fe顆粒。本發明中的Fe顆粒由于有鍍Ni層的存在，更易加入焊料基體，簡化了顆粒加入的方法；使顆粒與基體結合更緊密，磁力發揮更大的效力，可使用較少的磁性顆粒而達到相同的作用效果，節省原料，降低成本；鍍Ni層部分融入基體，改善基體性能。本發明是制備方法簡單，具有特殊磁性能，潤濕性良好的一種復合焊料。
文檔編號C22C1/04GK102513719SQ20111036121
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者劉思棟, 周健, 姚瑤, 白晶, 薛烽, 陳旭 申請人:東南大學