锡铜系纳米焊料制备、表征及纳米焊接应用

发布时间：2020-03-18 05:38

【摘要】：目前纳米材料的制备、表征及性能研究已日趋成熟,但是用来将其组装加工为功能性纳米器件的纳米制造还处于起步阶段,严重制约着纳米材料的器件化发展。纳米连接是实现纳米制造的核心环节,也是纳米制造中一个亟待解决的棘手问题,因为可靠的纳米连接关乎着纳米器件的完整性和功能性。纳米焊接,在保持纳米材料不被破坏的前提下,利用媒介物—纳米焊料实现纳米材料之间的连接,兼具高精度纳米操纵能力和广泛的纳米材料适用性,是一种非常有潜力和发展前景的纳米连接方法。本文主要围绕纳米焊接研究的三个方面:纳米焊料的制备、纳米焊接机理的探究以及纳米焊接技术的研发来开展,为纳米制造领域提供必要的技术支持和理论基础。纳米焊接是人们按照自己的意愿构筑纳米器件的核心步骤;是将纳米科技从纳米材料的基础研究提升至应用化研究,并大规模投入实际应用的关键环节;是当今乃至未来很长一段时间内纳米科技发展的前沿方向。锡铜系焊料被国际环境评估组织评为“绿色环保型无铅焊料”,具有优良的电学、力学性能和价格低廉等优势,在焊接领域具有巨大的应用潜力和发展前景。本文研究对象为一维锡铜系纳米焊料,其主要研究内容总结如下:一、一维97Sn3Cu纳米焊料的制备、表征及熔点尺寸效应研究。首先利用电化学沉积法,分别在聚碳酸酯(PC)和多孔阳极氧化铝(AAO)模板上成功制备出一维97Sn3Cu纳米焊料,并探讨模板中纳米线的生长过程。然后系统地表征一维97Sn3Cu纳米焊料的形貌、元素分布、化学价态和晶体结构,结果一方面表明纳米焊料的形状主要由模板孔道形状所决定(PC:雪茄状,AAO:均匀圆柱形);另一方面表明一维97Sn3Cu纳米焊料主要是由β-Sn、金属间化合物η’-Cu6Sn5和表层包裹的氧化产物SnO_2组成。最后研究一维97Sn3Cu纳米焊料最重要的一个热力学参数—熔点,结果表明80 nm孔径PC模板制备的纳米焊料其熔点约220.4℃,低于同组分的块体焊料(227℃)。另外采用不同孔径AAO模板制备出一系列不同直径的一维97Sn3Cu纳米焊料,通过研究其熔点随直径的变化规律,揭示熔点的尺寸效应。二、主要利用电子显微技术实时、原位、动态化和图像化研究一维97Sn3Cu纳米焊料的回流性、润湿性及焊接界面的扩散行为,为纳米焊料在WO_3纳米材料上的可焊性和焊接机理提供实验和理论基础。首先利用管式炉、纳米电学、透射电镜电子束辐照和原位加热杆,分别测试一维97Sn3Cu纳米焊料的熔化回流特性,通过研究纳米焊料由纳米线熔化为均相纳米球的回流过程,揭示了在电镜的真空环境中由于氧化层对纳米焊料的包裹作用,纳米焊料的真实回流温度远高于其熔点。然后利用管式炉加热和透射电镜电子束辐照,分别测试一维97Sn3Cu纳米焊料与WO_3纳米材料的润湿性,研究决定纳米焊料可焊性的一个关键性物理量—润湿角,以及原位动态化观测纳米焊料的润湿全过程。最后利用EDX技术分析97Sn3Cu-WO_3润湿界面的元素扩散行为,探索纳米尺度下的焊接机理。三、新型的原位加热纳米焊接技术的开发和应用,及一维97Sn3Cu纳米焊料电学性质的电镜原位测量。该纳米焊接技术的核心部件是实验室自主设计并制造的扫描电镜原位加热台,可实现室温到500℃之间温度的连续变化,而不影响电镜的正常运行。典型的原位加热纳米焊接流程为:在聚焦离子束扫描电镜(SEM-FIB)中,纳米操纵器对母体纳米材料进行抓取、移动和放置从而将其摆放为纳米图案,并将纳米焊料置于焊接部位;接着利用Ga~+离子束清洗焊接区域,去除纳米焊料表面高熔点氧化层;最后利用原位加热台设置焊接温度和保温时间,只熔化纳米焊料而对高熔点母体材料无影响,通过熔融态焊料与母体材料的润湿扩散作用从而形成牢靠的纳米焊接点。该纳米焊接技术的优势在于焊接温度精确可控,技术要求和操作难度较低。应用该技术,一维97Sn3Cu纳米焊料成功地将两根WO_3纳米线焊接在一起。此外,利用扫描电镜两探针法原位测量了一维97Sn3Cu纳米焊料的电学性质,结果显示直径150 nm的纳米焊料其电阻率约为66.8μΩ?cm,约是块体材料电阻率19.8μΩ?cm的三倍。四、一维96.5Sn3Cu0.5Mn纳米焊料的制备、表征及润湿性增强研究。增强纳米焊料与母体材料的润湿性是提升焊接质量的一个有效途径,这里发现一维锡铜纳米焊料通过添加少量活性元素Mn,其润湿性得到增强。首先采用电化学模板法制备一维96.5Sn3Cu0.5Mn纳米焊料,并系统地研究其形貌、化学成分、晶体结构、熔点和回流特性,结果表明该纳米焊料是由β-Sn,金属间化合物η’-Cu6Sn5、MnSn2以及氧化产物SnO_2组成,具有较低熔点221.0℃和良好的回流特性。96.5Sn3Cu0.5Mn和96Sn3Cu纳米焊料在WO_3薄膜上的润湿性对比测试,表明接触角SnCuMn(41.7o)SnCu(73.2o),铺展率SnCuMn(66.4%)SnCu(56.0%),均证实添加少量元素Mn有助于提升锡铜纳米焊料的润湿性。然后通过研究96.5Sn3Cu0.5Mn-WO_3焊接界面的扩散行为,对其润湿性增强机理进行了探讨。最后将一维96.5Sn3Cu0.5Mn纳米焊料成功地应用于WO_3纳米线的焊接。
【图文】：

示意图,紫外线探测器,三氧化钨,纳米带

1-1 （a）三氧化钨纳米带紫外线探测器示意图；（b-f）该探测器性能测试众多的半导体材料中，三氧化钨纳米材料由于其独特的电致发光、发射效应和气致变色特性而得到研究工作者的广泛关注[33-38]。三氧，例如纳米线[39]、纳米薄膜[40]、纳米棒[41]、纳米带[42]等已经被制备计并组装成性能优异的各类器件。Liang 等[43]制备的高性能柔性电具有快速色转变速率，强着色效应，，良好的循环稳定性以及高度等[44]制备出一种三维 WO纳米线网络结构，据此结构设计出的 N

原子,公司,宽度,纳米制造

加工成具有实用功能的纳米器件。纳米器件的研发水平和实用纳米科技发展时代的重要标志。，纳米材料的研究发展已进入第三阶段，这是纳米材料研究成规模实际应用的关键阶段，如何通过纳米制造将性能优异的纳大众的纳米产品，是纳米技术行业的核心环节和热门前沿方向绍的一类重要的纳米材料—半导体纳米材料，例如 WO3，通装成电致发光器件、气体传感器、紫外探测器等纳米科技产品研究意义，它使得人们可以充分利用其研发出的优异性能，享成果。远发展来看，纳米材料研究成果从实验室走向工业化生产面临开发经济实用且产量可观的纳米材料生产工艺和新设备；（2）和加工技术的精度；（3）建立纳米空间可靠性测试和缺陷检测米工业中尤为重要；（4）在高速率和大批量纳米制造过程中及保持纳米结构原有的纳米级特征；（5）评估纳米技术对环境、。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG42;TB383.1

【相似文献】