本發(fā)明涉及一種無鉛焊料及其制備方法，屬于材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)錫鉛焊料因為具有優(yōu)良的焊接性能，在過去的工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但鉛是一種有毒物質(zhì)，對人體的健康造成了嚴(yán)重威脅。2006年，歐洲首先頒布了相關(guān)法令，嚴(yán)禁商業(yè)電子產(chǎn)品中鉛的使用，此后各國也紛紛出臺相應(yīng)的政策。因此近年來無鉛焊料逐漸取代鉛錫焊料，獲得了廣泛應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，電子電路集成度越來越改，焊點也相應(yīng)的變得越來越小，對其力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等方面的性能提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無鉛焊料已不能滿足當(dāng)前工業(yè)的需求，因此對新型無鉛焊料的開發(fā)和應(yīng)用，變得十分緊迫。

目前市面上已有多種無鉛焊料，比較常見的有sn-cu、sn-ag-cu、sn-zn等系列。但是直到目前，仍然沒有一款焊料能夠完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錫鉛焊料。在傳統(tǒng)無鉛焊料中，引入第二相增強相使其成為復(fù)合焊料，是一種增強焊料性能的可行性方法。

二維過渡金屬碳化物或碳氮化物，即mxene是一種類似石墨烯的新型二維結(jié)構(gòu)材料，具有高比表面積、高電導(dǎo)率；目前，mxene已在儲能、吸附、增強等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。本發(fā)明在傳統(tǒng)的無鉛焊料中，引入mxene作為第二相增強相，制備出mxene增強無鉛焊料。較傳統(tǒng)的無鉛焊料，mxene增強無鉛焊料的力學(xué)、熱學(xué)等方面性能顯著提升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種無鉛焊料及其制備方法，該無鉛焊料引入mxene作為第二相，增強傳統(tǒng)無鉛焊料，得到一種比現(xiàn)有無鉛焊料具有更高力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能，更符合現(xiàn)代電子工業(yè)發(fā)展趨勢的復(fù)合釬焊料。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種無鉛焊料，該焊料包括無鉛焊料基體和增強相，且增強相占無鉛焊料基體質(zhì)量的0.1％～1％；其中所述無鉛焊料基體為sn-ag-cu合金、sn-sb合金、sn-in合金、sn-cu合金或sn-ag合金中的一種，所述的增強相為mxene材料。

所述的sn-ag-cu合金中，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：sn為85％-98％，ag為0.5％-5％，cu為0.5％-10％；所述的sn-sb合金中，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：sb為1％-5％，其余為sn；所述的sn-in合金中，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：in為0.1％-50％，其余為sn；所述的sn-cu合金中，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：cu為0.5％-3.5％，其余為sn；所述的sn-ag合金中，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：ag為1％-5％，其余為sn。

本發(fā)明還提供了一種無鉛焊料的制備方法，該方法包括以下步驟：

1)、將mxene和無水乙醇混合后，超聲分散均勻，之后烘干得到微觀分散均勻的mxene材料，得到增強相；

2)、按比例將步驟1)得到的增強相加入到無鉛焊料基體中混合，得到均勻混合物；

3)、將步驟2)得到的均勻混合物放入模具中，壓模成型得到坯體；

4)、在保護氣氛下，將坯體在150℃-200℃燒結(jié)2～5h(建議給區(qū)間值)得到所述的無鉛焊料。

其中：

步驟1)所述的mxene與無水乙醇的質(zhì)量體積比為0.75mg/ml～1.75mg/ml，所述的超聲分散是指用超聲波震蕩儀震蕩分散30～60min，超聲頻率為20-40khz。

步驟2)所述的將增強相加入到無鉛焊料基體中混合是指將增強相和無鉛焊料基體放入混粉機中，混合6～12h，使mxene均勻的分散在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物。

步驟4)所述的壓模成型是指在500～1000mpa的壓力下將模具中的均勻混合物單軸壓實成圓柱形坯體。

所述的圓柱形坯體的直徑為8～16mm。

所述的保護氣氛是指高純氬氣。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

1、本發(fā)明以sn-ag-cu、sn-ag、sn-in、sn-cu、sn-ag-cu-bi、sn-in-ag粉末以及mxene粉末為初始原料，向傳統(tǒng)無鉛焊料中引入第二相增強相mxene，較傳統(tǒng)無鉛焊料相比，mxene增強無鉛焊料在力學(xué)、熱學(xué)等方面的性能得到了顯著提升。

2、本發(fā)明用粉末冶金的方法，提高了mxene在無鉛焊料基體中的分散性。

3、在保護性氣氛下加熱至100-200℃，快速合成mxene增強無鉛焊料，使用設(shè)備簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

具體實施方式

實施例1：

稱取0.005gmxene，置于3.75ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-5ag-10cu(sac)合金中，放入混粉機中混合6個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在500mpa的壓力下，壓成直徑為16mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，200℃燒結(jié)，保溫2h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例2：

稱取0.01gmxene，置于17.5ml無水乙醇中，超聲震動60min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-1ag-1cu(sac)合金中，放入混粉機中混合11個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在600mpa的壓力下，壓成直徑為9mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，160℃燒結(jié)，保溫3.5h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例3：

稱取0.025gmxene，置于31.25ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-5ag-0.5cu(sac)合金中，放入混粉機中混合9個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在800mpa的壓力下，壓成直徑為10mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，180℃燒結(jié)，保溫4h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例4：

稱取0.05gmxene，置于37.5ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-0.5ag-10cu(sac)合金中，放入混粉機中混合11個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在900mpa的壓力下，壓成直徑為14mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，190℃燒結(jié)，保溫3h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例5：

稱取0.01gmxene，置于17.5ml無水乙醇中，超聲震動60min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體49sn-51in合金中，放入混粉機中混合12個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在700mpa的壓力下，壓成直徑為8mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，150℃燒結(jié)，保溫5h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例6：

稱取0.01gmxene，置于17.5ml無水乙醇中，超聲震動60min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-0.1in合金中，放入混粉機中混合12個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在700mpa的壓力下，壓成直徑為8mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，150℃燒結(jié)，保溫5h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例7：

稱取0.025gmxene，置于31.25ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-1sb合金中，放入混粉機中混合8個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在1000mpa的壓力下，壓成直徑為11mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，170℃燒結(jié)，保溫3h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例8：

稱取0.025gmxene，置于31.25ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-5sb合金中，放入混粉機中混合8個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在1000mpa的壓力下，壓成直徑為11mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，170℃燒結(jié)，保溫3h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例9：

稱取0.05gmxene，置于37.5ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-1ag合金中，放入混粉機中混合10個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在900mpa的壓力下，壓成直徑為14mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，180℃燒結(jié)，保溫4h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例10：

稱取0.05gmxene，置于37.5ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-5ag合金中，放入混粉機中混合10個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在900mpa的壓力下，壓成直徑為14mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，180℃燒結(jié)，保溫4h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例11：

稱取0.05gmxene，置于37.5ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將mxene加入到5g無鉛焊料基體sn-0.5cu合金中，放入混粉機中混合10個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在900mpa的壓力下，壓成直徑為14mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，180℃燒結(jié)，保溫4h，得到mxene增強無鉛焊料。

實施例12：

稱取0.05gmxene，置于37.5ml無水乙醇中，超聲震動30min，烘干后得到分散性好的mxene；之后將二維碳化鈦加入到5g無鉛焊料基體sn-3.5cu合金中，放入混粉機中混合10個小時，使mxene均勻的分布在無鉛焊料基體中，得到均勻混合物；將均勻混合物放入模具中，在900mpa的壓力下，壓成直徑為14mm的圓柱形坯體；之后將坯體在高純氬氣的保護氣氛下，180℃燒結(jié)，保溫4h，得到mxene增強無鉛焊料。

表1是sac焊料及mxene增強無鉛焊料的密度、硬度、熔點的測試結(jié)果,；

表2是sac焊料及mxene增強無鉛焊料在不同溫度下的熱擴散系數(shù)；

通過表1以及表2可以看到，sac無鉛焊料中加入mxene后，熔點降低，硬度最高提升7％，熱擴散系數(shù)最高可提升68％，無鉛焊料的力學(xué)、熱學(xué)性能得到顯著提升。

表1sac無鉛焊料及mxene增強無鉛焊料的密度、硬度、熔點

表2sac無鉛焊料及mxene增強無鉛焊料在不同溫度下的熱擴散系數(shù)