一种抗氧化耐低温焊锡材料及其制备方法与流程

本发明属于适应在极寒条件下工作的电子电路焊接材料领域，具体涉及一种抗氧化耐低温环境工作的电路焊接焊锡材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着现代电子技术的飞速发展，电子产品的应用领域不断拓宽，特别是在极端寒冷环境下工作的电子电路，这对电子电路组装焊接的辅助材料提出了更高的耐低温环境条件要求。传统的焊锡材料中，锡铅（snpb）材料由于对环境和人类健康有害，在2006年7月1日发布的限制危害物质指令(rohs)，已经禁止在电子互连和电子包装行业中使用基于pb的焊锡。锡银（snag）合金因其导电性能和抗氧化性能俱佳，而被应用于电子组装与封装领域。纯锡（sn）虽然具有良好的导电性能，但极易在空气中氧化，导致焊接接头的可靠性降低。为了提高抗氧化性能，通常会加入银（ag），然而银材料价格昂贵，增加了生产成本。

2、锡铋（snbi）合金因其低熔点和低成本而备受关注。特别是sn58bi共晶合金，其熔点仅为138℃，与snpb合金具有相近的微观组织和机械强度，因此在电子领域具有广阔的应用前景。然而，snbi合金也存在一些亟待解决的问题，如bi相的脆性导致的合金塑性较差，以及焊点热老化过程中bi相偏聚导致的界面脆化，这些问题都影响了焊点的长期服役可靠性。为了改善snbi合金的性能，研究者们进行了大量的合金化研究，通过添加不同的合金元素来优化snbi合金的微观组织和性能。例如，添加ag、cu、zn、in等元素可以在一定程度上改善snbi合金的熔点、润湿性、微观组织和机械性能。

3、此外，sn在低温环境下容易变脆，影响其抗冻性。无论是snag合金还是snbi合金，sn是重要的组成成分之一，当sn的温度降低到13.2℃以下时，白sn（βsn）会逐渐转变为灰sn（αsn），这种转变是一种同素异形体转变，灰sn为粉末状，其结构呈金刚石型立方晶格，相对密度小于白sn，且质地松散、强度低，使得原本致密的sn制品变得脆弱易碎，从而丧失了其正常的使用性能。

4、发明人发现，铈（ce）、镧（la）稀土氯化物能够细化焊锡的晶粒，提高焊锡的组织结构稳定性，从而增强焊锡的耐低温性能。在低温环境下，稀土氯化物可以抑制焊锡的脆性增加，提高其韧性和抗冲击性。稀土氯化物、mxene还可以在焊锡材料表面形成一层致密的氧化膜，阻止氧气和其他腐蚀性介质的侵入，提高焊锡的抗氧化性和耐腐蚀性能，这对于提高焊接接头的长期稳定性和可靠性具有重要意义。

5、近年来，纳米技术的发展为改善焊锡性能提供了新的思路。通过引入纳米增强相，如纳米颗粒、纳米线或纳米片等，可以有效地提高焊锡的力学性能和可靠性。其中，mxene作为一种新型的二维纳米材料，因其优异的力学性能和电学性能而备受瞩目。将mxene引入snbi基焊锡材料中，有望进一步提高其力学性能和可靠性。将稀土氯化物与mxene结合，形成稀土氯化物@mxene复合纳米结构，不仅可以发挥mxene的纳米增强效应，还可以利用稀土氯化物的独特性质来进一步改善snbi基焊锡的性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种抗氧化耐低温焊锡材料及其制备方法，通过引入稀土氯化物和mxene等新型材料，得到一种低成本、抗氧化、抗冻性能优良的焊锡材料，以解决传统焊锡材料成本高、抗冻性不足的问题。本发明的焊锡材料不仅具有较低的成本，还能在极端低温环境下保持良好的物理和化学稳定性，从而满足现代电子产品对高性能焊接材料的需求。

2、具体地，本发明提供以下技术方案：

3、一种抗氧化耐低温焊锡材料，所述焊锡材料包含：83-98.9wt%的snbi基共晶合金、0.1-10wt%的稀土改性mxene、1-7wt%的助焊剂。

4、所述snbi基共晶合金为sn58bi（42wt%sn、58wt%bi）、sn58bi0.5ag（41.5wt%sn、58wt%bi、0.5wt%ag）、sn58bi4cu（38wt%sn、58wt%bi、4wt%cu）、sn58bi0.5in（41.5wt%sn、58wt%bi、0.5wt%in）和sn58bi3zn（39wt%sn、58wt%bi、3wt%zn）中的一种，所述稀土为la、ce中的一种，所述助焊剂包括：松香94-98wt%、活性剂1-3wt%以及表面活性剂0.5-3wt%，所述活性剂为丁二酸、己二酸、癸二酸、月桂酸或三乙醇胺中的至少一种，所述表面活性为季戊四醇油酸脂或聚乙二醇200中的至少一种。

5、所述焊锡材料的制备过程按照以下步骤完成：步骤s1：化学刻蚀法制备mxene；步骤s2：原位合成xcl3@mxene；步骤s3：采用熔炼法或者球磨法制备xcl3@mxene增强焊锡材料。

6、所述步骤s1中化学刻蚀法制备mxene的具体过程为：将max相粉末加入到40wt%hf溶液中，然后转移到40℃水浴中加热反应24h，待反应结束后沉淀物用去离子水离心洗涤至ph值为中性，最后在60℃真空干燥箱中干燥24h，得到mxene粉末。

7、所述步骤s2中x为ce、la中的一种。

8、所述步骤s2中原位合成xcl3@mxene的具体过程为：将制备好的mxene分散在去离子水中，形成均匀的悬浮液，向mxene悬浮液中加入x2(co3)3与足量hcl不断搅拌使其充分反应，反应结束后反应产物经离心、洗涤、干燥制得xcl3@mxene；所述mxene与x2(co3)3的重量分数比为2:1-10。

9、所述步骤s3中熔炼法制备xcl3@mxene增强焊锡材料的具体过程为：将snbi基共晶合金、稀土改性mxene、助焊剂在氩气保护下进行球磨混合，然后在温度为150-250℃的熔炼炉中熔炼15-30min，得到复合焊锡材料。

10、所述步骤s3中球磨法制备xcl3@mxene增强焊锡材料的具体过程为：将snbi基共晶合金、稀土改性mxene、助焊剂按照一定比例添加到球磨机中，将球磨机充入氩气，在2000-4000r/min的转速下研磨至固体颗粒粒径≤40μm，即可得复合焊锡材料。

11、本发明的有益效果部分：

12、（1）本发明的耐低温焊锡材料中，ce、la稀土氯化物能够细化焊锡的晶粒结构，提高焊锡组织结构的稳定性，抑制脆性的增加，提高其韧性和抗冲击性能，从而增强焊锡材料的耐低温性能。

13、（2）ce、la稀土氯化物的存在降低了焊锡与母材之间的界面张力，改善了焊锡的润湿性，使得焊锡在焊接过程中能够更均匀地铺展在焊接面上，提高焊接质量。

14、（3）ce、la稀土氯化物、mxene还可以在焊锡材料表面形成一层致密的氧化膜，阻止氧气和其他腐蚀性介质的侵入，提高焊锡的抗氧化性和耐腐蚀性能，这对于提高焊接接头的长期稳定性和可靠性具有重要意义

15、（4）mxene作为一种新型二维纳米材料，具有优异的力学性能，与ce、la稀土氯化物协同作用，能够显著细化snbi基焊锡材料的微观组织，减少组织粗大和晶界偏析等问题，从而提高焊锡材料的强度、硬度和抗疲劳性等力学性能指标，使焊点在受到外力作用时更难发生断裂，增强了焊接结构的稳定性。

16、（5）ce、la稀土氯化物和mxene在焊锡材料中并不是孤立存在的，它们之间存在一定的相互作用，稀土氯化物能够吸附在mxene的表面，形成稳定的化学键合，从而增强了mxene在焊锡材料中的稳定性和分散性，这种协同作用不仅提高了焊锡材料的力学性能，还使得焊锡材料在低温下具有更好的热稳定性和抗老化性能。