一种石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯?氧化锌晶须?锡基复合材料及其制备方法，其所用原料包括石墨烯、氧化锌晶须和锡，各原料重量比为1~4：0.5~1.5：94.5~98.5。本发明提供的石墨烯?氧化锌晶须?锡基复合材料可替代传统的锡?铅焊料作为超大规模集成电路的连接材料，克服传统锡?铅焊料中铅元素带来的环境及健康问题，并具有比现有无铅焊料更高、更可靠的力学性能，是一种符合现代电子工业发展趋势的复合材料。
【专利说明】
一种石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛的发展，计算机、移动电话等产品的迅速普及，使电子产业成为了最引人注目和最具发展潜力的产业之一。电子产业的兴旺也带动了与之密切相关的电子制造业的发展，作为电子制造过程中的一大关键环节，电子封装的重要性也日益显著。而钎焊成为了确保电子封装元器件间导电互连的理想技术。焊料作为一种连接材料，在电子封装过程中担负着实现机械连接、电器连接和热交换等功能的任务。
[0003]传统锡-铅焊料合金以其低廉的成本、良好的导电性能和优良的钎焊工艺性能，长期以来被广泛用于元器件封装及印刷电路板组装中，从而成为了电子封装工艺中非常重要的钎焊材料。但是铅会对人体健康及自然环境造成潜在危害。随着电子工业的发展，超大规模集成电路中焊点越来越小，而受到的力学、点穴和热学负载越来越重，对焊料的要求越来越高。传统的锡-铅合金的抗蠕变性能差，不能满足现代电子工业的要求。因此，无铅焊料的开发和应用，担负着保护环境和提高电子产品质量的双重任务。
[0004]现有技术的无铅焊料中比较典型的有锡-铜、锡-银-铜、锡-锌等系列合金。但是，到目前为止，仍然没有研制出一种能够完全代替传统锡-铅焊料的无铅焊料。增强焊料性能的可行性方法是在常规焊料里引入第二相，使其成为复合焊料。
[0005]石墨烯作为一种目前被广泛关注的碳材料，是目前人类所发现的最薄的二维材料，其微观结构是由碳原子以Sp2杂化方式连接而成的。由于石墨烯本身具有稳定的共轭电子体系，因而可以表现出许多优良的物理特性。例如:石墨烯的强度是钢的100多倍，达130GPa，是目前得到的强度最大的材；石墨烯的热导率为5X103 W.m—1IT1，是金刚石的3倍;石墨稀具有已知最高的载流子迀移率，为1.5X 104 cm2.V—1;除此之外，石墨稀还具有其它一些特殊性质，如室温的铁磁性和室温量子霍尔效应等。正因这些突出的性质，石墨烯为发展新颖的、高性能聚合物复合材料提供了可能的途径。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料及其制备方法，其可替代传统的锡-铅焊料作为超大规模集成电路的连接材料，克服传统锡-铅焊料中铅元素带来的环境及健康问题，并具有比现有无铅焊料更高、更可靠的力学性能，是一种符合现代电子工业发展趋势的复合材料。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料，所用原料包括石墨烯、氧化锌晶须和锡，其重量比为I?4:0.5-1.5:94.5-98.5。其中，所述锡的纯度为99.9%。
[0008]所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的制备方法包括如下步骤:
1)在氮气环境下，将锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按比例取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为1r/
min；
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0009]本发明的显著优点在于:
(1)石墨烯具有良好的力学、电学和热学性质，可以成为传统焊料优良的增强相。理论计算表明，石墨烯力学性能明显优于其他晶须材料，具有很高的刚度;且石墨烯的低密度和良好的结构稳定性，使其在复合焊料领域具有诱人的应用前景。本发明通过添加适当比例的石墨烯，可以降低触头的接触电阻，提高抗熔焊性等性能，使其作为无铅焊料的增强相，达到绿色环保、焊接可靠的要求，替代了传统的锡-铅焊料，提高了无铅焊料的性能；
(2)氧化锌晶须性能稳定、机械性能优越，可作为补强材料，增大复合焊料的机械强度和拉伸弹性模量。更重要的是，将氧化锌晶须与石墨烯混合，能使两者有效均匀的分散在锡中，解决石墨烯不能有效均匀的分散在锡中的难题。
[0010](3)本发明将石墨烯、氧化锌晶须和锡直接混粉，利用粉末冶金的工艺方法，在不破坏石墨烯原有结构的基础上，提高了石墨烯在基体焊料中的分散性，工艺简单，适合大规模生产。
【具体实施方式】
[0011]为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合【具体实施方式】对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
[0012]实施例1
I)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2 )按重量比95.5:4:0.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为I Or/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0013]实施例2 1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比95:4: I称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为 10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0014]实施例3
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比94.5:4:1.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为I Or/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0015]实施例4
I)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2 )按重量比96:3.5:0.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为I Or/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0016]实施例5
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比95.5:3.5:1称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为I Or/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h; 5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0017]实施例6
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比95:3.5:1.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0018]实施例7
I)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2 )按重量比96.5:3:0.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0019]实施例8
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比96: 3: I称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为 10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0020]实施例9
I)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉； 2)按重量比95.5:3:1.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0021]实施例10
I)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2 )按重量比97:2.5:0.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0022]实施例11
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比96.5:2.5:1称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0023]实施例12
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比96:2.5:1.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0024]实施例13
I)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2 )按重量比97.5:2:0.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0025]实施例14
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比97:2:1称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为 10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0026]实施例15
1)在氮气环境下，将纯度99.9%的锡超声雾化成200目的锡粉；
2)按重量比98.5:1:0.5称取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h，混合转速为10r/min;
3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min，混合转速为100r/min；
4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，球料的重量比为5:1，然后充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h;
5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结，烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h;
6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，加工温度为350°C，挤压比为20:1，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。
[0027]经检测，本发明所得石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的抗拉强度为53.9MPa以上，屈服强度为50.8MPa以上，电阻率低于11.2μΩ.cnf1。
[0028]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1.一种石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料，其特征在于:所用原料包括石墨烯、氧化锌晶须和锡，其重量比为I?4:0.5-1.5:94.5-98.5。2.根据权利要求1所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料，其特征在于:所述锡的纯度为99.9%。3.—种如权利要求1所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: 1)在氮气环境下，将锡超声雾化成200目的锡粉； 2)按比例取所得锡粉、石墨烯、氧化锌晶须，于V型混粉机中混合2h; 3)将步骤2)所得混合粉体放入VC高效混合机中混合1min; 4)将步骤3)所得混合粉体与高碳铬轴承钢质磨球同时置于搅拌式球磨机中，充入液氮至完全浸没磨球后，低温球磨2h; 5)将球磨后的粉末取出，置于惰性气体保护箱中冷却至室温，然后装入模具中热压烧结； 6)将热压烧结后的坯体挤压加工成型，制成所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料。4.根据权利要求3所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤2 )中混合转速为I Or/min。5.根据权利要求3所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤3 )中混合转速为I OOr/min。6.根据权利要求3所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤4)中球料的重量比为5: I。7.根据权利要求3所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤5)中热压烧结的压力为50MPa，温度600 °C，烧结时间为2h。8.根据权利要求3所述石墨烯-氧化锌晶须-锡基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤6)中挤压加工成型的温度为350°C，挤压比为20:1。
【文档编号】B23K35/26GK106001979SQ201610332022
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】刘乐光
【申请人】厦门圣之岛金属科技有限公司