一种含Bi焊料及其制备方法和应用

一种含bi焊料及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及焊料技术领域，具体涉及一种含bi焊料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着技术的发展，光电器件种类越来越多，而光电器件的封装技术也是光电技术领域中很重要的一部分。在光电元器件封装过程中，需要合适的封装光窗将芯片等核心部件封装保护起来，与外界环境隔离的同时，还要确保有效的光的发射或接收，这就对光学窗口的气密可靠性和出光口径等提出严格要求。
3.性能可靠的封装光窗通常由光窗透镜和金属壳通过焊料焊接、直接熔接或粘接而成，其中光窗透镜一般由光学玻璃、石英、蓝宝石、锗等及透射红外光谱的材料制成，金属壳通常由低膨胀合金制造。
4.采用直接熔接的方式，温度高，不易实现石英、蓝宝石、硅、锗、硒化锌、硫化锌等高熔点光学窗口材料与金属壳气密封接，也不适合精密光学要求、镀膜透镜等光窗制造；采用粘接的方式，不能实现气密性高、高辐射应用光窗产品。因此采用焊料焊接窗口材料和金属壳体也就成为了实现光电封装光窗的首选，高性能的低温焊料材料也就成了关键所在。
5.目前，众多直接焊接光学透镜和金属壳的焊料中，含铅的低温低膨胀焊料有良好的焊接效果。但是铅属于有毒有害物质，影响操作人员健康，对环境和人体健康也有危害。目前，随着行业发展、政策引导、人们环保意识的增强，无铅的环保型焊料已成为行业发展趋势。但是，现有低温无铅焊料，膨胀系数过高（＞7
×
10-6
/℃），无法实现与低膨胀材质透镜的匹配封接。
6.因此，亟需开发一种不含铅、低温环保且膨胀系数低的焊料，这对于环保生产和环保应用以及对操作人员健康具有重要意义。


技术实现要素：

7.为了解决现有低温无铅焊料膨胀系数过高的问题，本发明提出了一种含bi焊料及其制备方法和应用。
8.本发明的技术方案如下：一种含bi焊料，包含如下质量份数的组分：al2o3：3份~11份、sio2：4份~13.5份，cuo：0.8份~2.2份，b2o3：0份~12份，fe2o3：0.6份~1.6份，zno：2.6份~4.9份，bao：2.9份~4.8份，bi2o3：59份~82份，li2o：0.5份~3.3份。
9.优选地，包含如下质量份数的组分：al2o3：4.19份~10.21份，sio2：4.34份~11.52份，cuo：1.02份~1.23份，b2o3：0份~10份，fe2o3：0.81份~0.97份，zno：3.7份~4.43份，bao：3.67份~4.41份，bi2o3：66.46份~79.68份，li2o：0.74份~2.6份。
10.优选地，所述焊料的密度为4.5g/cm3~6.2g/cm3。
11.优选地，所述焊料的密度为4.95g/cm3~5.97g/cm3。
12.优选地，所述焊料的熔融封接温度为420℃~500℃。
13.优选地，所述焊料的膨胀系数为2.0
×
10-6
/℃~5.6
×
10-6
/℃。
14.本发明还提供一种如上所述含bi焊料的制备方法，包含如下步骤：s1、按比例称量各组分，逐一倒入混料桶，搅拌混合均匀；s2、将混合料装入干锅后放入马弗炉中，加热处理，使得混合料反应融合，待熔融均匀后，倒入去离子水中水淬；s3、将步骤s2中产物干燥、粉碎并研磨，得到初级焊料粉，再经过筛网筛选后，得到目标焊料。
15.优选地，步骤s2中所述加热处理具体为：升温至920℃~1250℃，并保温1h~3h。
16.优选地，步骤s3中所述筛网的目数为400目~600目。
17.本发明还提供一种如上所述的含bi焊料的应用，用于对光电器件的封装焊接。
18.与现有技术相比，本发明的具体有益效果为：1.本发明提出了一种低温环保焊料，不含铅等有毒有害成分，环保安全，符合rohs标准；2.本发明采用fe2o3、cuo组分能够增加材料的相熔性，bi2o3组分替代pbo起到降低熔点的作用，使用温度低至500℃以下，适合玻璃、陶瓷和金属材料焊接用，尤其适合光学玻璃、蓝宝石、石英和铁镍合金封接，结合力强、成本低；采用li2o组分能够控制膨胀系数进一步降低，bao组分改善焊料熔融时表面张力和流动性，其余成分能够调整析晶和焊料构成。
19.本发明可应用于封接制造发光器件（如uv led）、光电探测器以及光通讯等类产品的封装光窗中。
附图说明
20.图1为实施例1中焊料的热膨胀曲线图；图2为采用实施例1中焊料的样件焊接位置示意图；图3为实施例2中焊料的热膨胀曲线图。
具体实施方式
21.为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。
22.实施例1.s1、按比例称量如下组分：al2o3：8.67份、sio2：9.68份、cuo：1.08份、fe2o3：0.85份、zno：3.89份、bao：3.86份、bi2o3：69.84份、li2o：2.12份，逐一倒入混料桶，搅拌混合均匀；s2、将混合料装入干锅后放入马弗炉中，升温至1100℃，并保温2h，使得混合料反应融合，待熔融均匀后，倒入去离子水中水淬；s3、将制得的产物干燥、粉碎并研磨，得到初级焊料粉，再经过筛网筛选后，得到目标焊料。
23.将12g焊料放入模具，压制成φ8mm的圆柱体，再烧制成块状体，打磨制成φ6
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50mm的圆柱体样品，把样品放入热膨胀系数仪，测得热膨胀曲线图如图1，得出热膨胀系数、
玻璃化转变温度和软化温度。
24.测得该焊料密度为5.176g/cm3，膨胀系数为2.6
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10-6
/℃，玻璃化转变温度为439℃，软化温度为468℃。
25.应用本实施例制得的焊料，将直径2.0mm的石英半球透镜与可伐合金管壳焊接，图2为采用本实施例焊料的样件焊接位置示意图，对焊接后的部件进行跌落实验，在距离地坪漆地面1m高处自由落体10次，观察到焊料无脱落、无破损；进行红墨水实验，在100℃下2h无渗漏，结果合格。
26.对焊接好的光窗部件进行气密测试，测试过程：采用hasuncast 736-5热固胶，将光窗部件的底部和玻璃片密封粘接牢固，100℃条件下固化烘烤1h，热固胶完全固化，使得光窗部件内部形成密封腔体。将30ml氟油置于150ml烧杯中，加热台设置100℃温度，并加热到恒温，将粘接好的光窗密封部件放入到烧杯中，观察光窗部件焊料焊接区无气泡冒出，证明焊料焊接效果理想，气密焊接性能良好。
27.实施例2.s1、按比例称量如下组分：al2o3：5.8份、sio2：6.26份、cuo：1.17份、b2o3：8.55份、fe2o3：0.93份、zno：4.237份、bao：4.21份、bi2o3：76.15份、li2o：1.24份，逐一倒入混料桶，搅拌混合均匀；s2、将混合料装入干锅后放入马弗炉中，升温至1100℃，并保温2h，使得混合料反应融合，待熔融均匀后，倒入去离子水中水淬；s3、将产物干燥、粉碎并研磨，得到初级焊料粉，再经过筛网筛选后，得到焊料。
28.经测试，得到的焊料粉的密度为5.655g/cm3，膨胀系数为2.8
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10-6
/℃。
29.将12g焊料放入模具，压制成φ8mm的圆柱体，再烧制成块状体，打磨制成φ6
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50mm的圆柱体样品，把样品放入热膨胀系数仪，测得热膨胀曲线图如图3，得出热膨胀系数、玻璃化转变温度和软化温度。
30.测得该焊料密度为5.655g/cm3，膨胀系数为4.8
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10-6
/℃，玻璃化转变温度为430℃，软化温度为463℃。
31.应用本实施例制得的焊料，将直径2.0mm的蓝宝石光窗镜片与可伐合金管壳焊接，然后进行跌落实验，在距离地坪漆地面1m高处自由落体10次，观察到焊料无脱落、无破损；进行红墨水实验，在100℃下2h无渗漏，结果合格。
32.对焊接好的光窗部件进行气密测试，测试过程：采用hasuncast 736-5热固胶，将光窗部件的底部和玻璃片密封粘接牢固，100℃条件下固化烘烤1h，热固胶完全固化，使得光窗部件内部形成密封腔体。将30ml氟油置于150ml烧杯中，加热台设置100℃温度，并加热到恒温，将粘接好的光窗密封部件放入到烧杯中，观察光窗部件焊料焊接区无气泡冒出，证明焊料焊接效果理想，气密焊接性能良好。

技术特征：
1.一种含bi焊料，其特征在于，包含如下质量份数的组分：al2o3：3份~11份、sio2：4份~13.5份，cuo：0.8份~2.2份，b2o3：0份~12份，fe2o3：0.6份~1.6份，zno：2.6份~4.9份，bao：2.9份~4.8份，bi2o3：59份~82份，li2o：0.5份~3.3份。2.根据权利要求1所述的含bi焊料，其特征在于，包含如下质量份数的组分：al2o3：4.19份~10.21份，sio2：4.34份~11.52份，cuo：1.02份~1.23份，b2o3：0份~10份，fe2o3：0.81份~0.97份，zno：3.7份~4.43份，bao：3.67份~4.41份，bi2o3：66.46份~79.68份，li2o：0.74份~2.6份。3.根据权利要求1所述的含bi焊料，其特征在于，所述焊料的密度为4.5g/cm3~6.2g/cm3。4.根据权利要求1所述的含bi焊料，其特征在于，所述焊料的密度为4.95g/cm3~5.97g/cm3。5.根据权利要求1所述的含bi焊料，其特征在于，所述焊料的熔融封接温度为420℃~500℃。6.根据权利要求1所述的含bi焊料，其特征在于，所述焊料的膨胀系数为2.0
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10-6
/℃~5.6
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/℃。7.一种如权利要求1-6中任一项所述含bi焊料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：s1、按比例称量各组分，逐一倒入混料桶，搅拌混合均匀；s2、将混合料装入干锅后放入马弗炉中，加热处理，使得混合料反应融合，待熔融均匀后，倒入去离子水中水淬；s3、将步骤s2中产物干燥、粉碎并研磨，得到初级焊料粉，再经过筛网筛选后，得到目标焊料。8.根据权利要求7所述的含bi焊料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述加热处理具体为：升温至920℃~1250℃，并保温1h~3h。9.根据权利要求7所述的含bi焊料的制备方法，其特征在于，步骤s4中所述筛网的目数为400目~600目。10.一种如权利要求1所述的含bi焊料的应用，其特征在于，用于对光电器件的封装焊接。

技术总结
一种含Bi焊料及其制备方法和应用，涉及焊料技术领域，解决了现有焊料膨胀系数过高的问题。包含如下质量份数的组分：Al2O3：3份~11份、SiO2：4份~13.5份，CuO：0.8份~2.2份，B2O3：0份~12份，Fe2O3：0.6份~1.6份，ZnO：2.6份~4.9份，BaO：2.9份~4.8份，Bi2O3：59份~82份，Li2O：0.5份~3.3份。按比例称量各组分后搅拌均匀；将混合料装入干锅放入马弗炉中，加热熔融均匀后倒入去离子水中水淬；将产物粉碎、研磨得到初级焊料粉，再经过筛网筛选得到焊料。再经过筛网筛选得到焊料。再经过筛网筛选得到焊料。


技术研发人员：郝群 魏志鹏 唐鑫 陈梦璐 赵延民 唐吉龙
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2023.08.29
技术公布日：2023/10/7