一种复合成型的整体金属网增强焊料及其制备方法

本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种复合成型的整体金属网增强焊料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着新能源汽车、智能电网、轨道交通等战略性新兴领域的高速发展，市场对功率半导体的需求量不断增加，同时技术的创新也意味着需要在功率半导体的性能上寻求突破。由于长时间要在高频、高电流密度下服役，功率半导体芯片会产生大量热量。为了使芯片运行稳定可靠，需要保证芯片与基板间的连接材料具备良好的高温耐受性，而芯片焊接中产生的连接缺陷引发的热应力问题是造成器件失效的主要原因。为了提高功率半导体器件的可靠性，焊接精度控制和高焊合率、高强度成为提高功率半导体器件性能的关键要素。

2、在焊料中引入合金骨架是解决上述问题的有效方法之一。中国专利cn114222638a公开了一种焊料－金属网格复合材料及其制造方法，该方法使用铜网格作为插层材料制备复合焊料，制备过程需将焊料加热至熔融态涂覆于铜网格表面，加工过程易造成焊料氧化失效，且该方法受限于焊料润湿性影响，可选焊料种类有限。中国专利cn112091474b公开了一种ni合金泡沫强化sn基复合焊料制备方法，该方法采用电镀方法向金属泡沫结构表面沉积sn基焊料，再通过电磁感应加热使sn焊料重熔并轧制成箔，然而该方法存在电镀工艺效率低、污染严重、易引入杂质等问题。此外，由于电磁感应加热的集肤效应会令低温sn基焊料表面温度骤升熔化，最终导致焊料外侧含氧量过高降低焊接可靠性。

技术实现思路

1、针对现有合金骨架增强复合焊料制备方法面临的加工效率低、焊料污染重、焊接可靠性差等问题，本发明的目的在于提供一种复合成型的整体金属网增强焊料及其制备方法。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，包括如下步骤：

4、（1）在经过预处理的金属丝网表面沉积一层金属层，并在真空条件下进行高温合金化，得到整体金属网；

5、（2）取两片焊料片，将步骤（1）所述整体金属网置于保护气体气氛中加热并保温，按照焊料片、整体金属网和焊料片的顺序叠放，得到叠层结构；

6、（3）采用轧机对步骤（2）所述叠层结构进行轧制，利用整体金属网的热量使得焊料熔覆嵌入其中，即制备得到所述复合成型的整体金属网增强焊料。

7、优选的，步骤（1）中，预处理的方式为：将金属丝网放入稀盐酸中进行超声清洗，然后再用水和无水乙醇中清洗。预处理的目的是为了去除金属丝网表面的杂质与氧化膜，确保表面沉积金属层与金属网良好结合。

8、优选的，步骤（1）中，金属丝网为铜丝、镍丝和钛丝中的至少一种，其丝径为25~100μm。目数为100~400目。进一步的，设计使用不同丝径、不同材料金属丝的组合编织方式可以实现多种焊料强化效果。

9、优选的，步骤（1）中，金属丝网由金属丝编织得到，所述编织方式选自平纹、斜纹和缎纹中的一种。

10、优选的，步骤（1）中，金属层的材质为铜、镍、银、钛、锌和铬中的至少一种。

11、优选的，步骤（1）中，表面沉积的方法为电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积和热浸镀中的一种。

12、优选的，步骤（1）中，高温合金化的温度为500~1000℃、时间为0.5~5h。进一步的，控制合金化时间可使异种金属间不完全扩散，形成浓度梯度合金材料，根据材料物性不同可调控焊接冶金反应速率。

13、优选的，步骤（2）中，焊料片为in基合金、sn基合金和zn基合金中的至少一种。

14、优选的，步骤（2）中，焊料片的厚度为5~500μm。进一步的，可根据最终焊料成品用途上下两侧选用不同材料、不同厚度的焊料薄片。

15、优选的，步骤（2）中，保护气体气氛为还原性气体、惰性气体和氮气中的至少一种。

16、优选的，步骤（2）中，加热的方式为陶瓷加热片加热、光波管加热、红外辐射加热和感应加热中的一种。

17、优选的，步骤（2）中，加热的温度为所述焊料片熔点以上50~500℃。进一步的，金属网局部加热时间为5~15秒，通过热电偶对被金属网实时测温，待温度稳定即完成加热。

18、优选的，步骤（3）制得的复合成型的整体金属网增强焊料的厚度不小于整体金属网的厚度。为保持整体金属网增强相的立体规则结构，防止金属网受压造成焊料成品扭曲变形，轧制加工中双辊间距设置应不小于金属网厚度。

19、上述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法制备得到的复合成型的整体金属网增强焊料。

20、所述复合成型的整体金属网增强焊料在微波组件、散热基板以及功率器件连接中的应用。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

22、（1）沉积金属层并高温合金化的整体化方法使金属网材料具有高强韧性与整体连贯性，进而大幅提升焊料的力学性能，同时具有调控增强相与焊料冶金反应行为的作用，提升焊接可靠性。

23、（2）整体金属网材料的结构、成分可自主设计，实现复合焊料强化多样性。可以针对不同的焊缝尺寸、待焊材料、焊接方式等灵活性调整，实现特殊用途场景下的焊料定制。

24、（3）通过直接使用冷态的焊料薄片复合成型避免了电镀、重熔等工艺引发的污染与氧化问题，成品焊料片一致性好，有效提升良品率。

25、（4）单独加热金属网并借助轧制工艺使焊料局部受热熔覆嵌入其中，该方法不受焊料与金属网间润湿行为的影响，可选焊料种类众多，且生产效率高、热输入小，具有低能耗、低污染的优势。

技术特征：

1.一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述高温合金化的温度为500~1000℃、时间为0.5~5h。

3.根据权利要求2所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述加热的温度为所述焊料片熔点以上50~500℃。

4.根据权利要求1~3任一项所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，步骤（3）制得的复合成型的整体金属网增强焊料的厚度不小于整体金属网的厚度。

5.根据权利要求4所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述金属丝网由金属丝编织得到，所述编织方式选自平纹、斜纹和缎纹中的一种；

6.根据权利要求5所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述表面沉积的方法为电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积和热浸镀中的一种；

7.根据权利要求1~3任一项所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述金属丝网为铜丝、镍丝和钛丝中的至少一种，其丝径为25~100μm；

8.根据权利要求7所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述保护气体气氛为还原性气体、惰性气体和氮气中的至少一种；

9.权利要求1~8任一项所述一种复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法制备得到的复合成型的整体金属网增强焊料。

技术总结
本发明公开了一种复合成型的整体金属网增强焊料及其制备方法和应用。所述复合成型的整体金属网增强焊料的制备方法，包括如下步骤：在经过预处理的金属丝网表面沉积一层金属层，并在真空条件下进行高温合金化，得到整体金属网；取两片焊料片，将整体金属网置于保护气体气氛中加热并保温，按照焊料片、整体金属网和焊料片的顺序叠放，得到叠层结构；对叠层结构进行轧制，利用整体金属网的热量使得焊料熔覆嵌入其中，即制备得到所述复合成型的整体金属网增强焊料。本发明通过单独加热金属网使其局部高热熔化焊料避免了电镀与整体重熔方法引发的焊料污染与氧化问题，有效提升良品率，能够获得成分均匀、一致性好的高强度整体金属网增强焊料。

技术研发人员：肖勇,刘佳峻,李丹,张建,李佳琪
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13