錫焊方法及焊接結構體的製作方法
2023-11-10 19:55:32 2
專利名稱：錫焊方法及焊接結構體的製作方法
技術領域：
本發明是關於把一些部件錫焊焊接在另外部件上的焊接方法，更詳細一些講，是關於在電子線路基板的製造工藝中，將基板上形成的焊接區與電子元件的電極(例如導線)進行焊接的方法。進而，本發明還涉及由這種焊接方法所得到的焊接結構體，更詳細一些講，是電子線路基板。
在一般的重熔焊接法中，首先，在基板上形成的布線圖形的一部分的焊接區上，由絲網印刷法供給膏狀焊料(圖中未表示)。膏狀焊料通常是把焊錫材料的粉末和由松香、活性劑、以及溶劑所組成的助熔焊劑混合而成。其後，使由電子元件引出的導線與欲接合的焊接區上配置的膏狀焊料相粘附，從而將電子元件配置到所規定的位置。對這樣通過膏狀焊料而配置了電子元件的基板，在所使用的膏狀焊料的熔點以上的溫度進行熱處理，使助熔焊劑活性化，膏狀焊料中構成焊料粉末的材料就會瞬時熔化，同時，膏狀焊料中的助熔焊劑等其它成分就會揮發或蒸發。接下來，將其冷卻(或空冷)，使熔融的焊錫材料凝固。凝固的焊錫材料形成電子元件的導線與基板的焊接區之間的接合部。在該接合部中，雖然存在有焊錫材料以外的助熔焊劑等其它成分，但由於這些其它成分在熱處理時會與焊錫材料相分離，因此不會存在於結合部的內部，而最多也只是殘留在結合部的表面。這樣，由於由實質的焊錫材料構成了結合部(或焊錫焊接部)，就得到了在基板安裝了電子元件的電子線路基板。
作為焊錫材料，一般使用Sn-Pb系材料，特別是具有共晶成分的材料(以下也稱Sn-Pb共晶材料)。Sn-Pb系材料的共晶成分為Sn-37Pb(即37wt％的鉛與63wt％的錫)，眾所周知，具有共晶成分的Sn-Pb系材料的熔點為183℃。
近年來，設置有上述電子線路基板的電子機器的廢棄處理的問題開始受到了重視，焊錫材料中所含有的鉛對地球環境與人體都有不良的影響。因此，要使用不含鉛的焊錫材料，即，開始使用無鉛焊料，並使其實用化。
現在，提出了具有各種成分的材料作為無鉛焊料，其中之一是Sn-Bi系材料。近年來的研究結果表明，Sn-Bi系材料的共晶成分約為Sn-58Bi，即58wt％的鉍與42wt％的錫，具有共晶成分的Sn-Bi系材料的熔點為139℃。
如果考慮到基板應該安裝的電子元件的耐熱溫度以及設置有電子線路基板的製品的耐熱保證溫度，希望無鉛焊料的熔點應充分的低，以不損傷電子元件，而且，還應該高於製品的耐熱保證溫度。上述Sn-Bi系材料的熔點，比其它的，例如Sn-Ag系無鉛焊料的熔點，進而比歷來的Sn-Pb系材料的熔點都低，又比製品的耐熱保證溫度充分的高，所以具有在低溫下能夠焊接的優點，Sn-Bi系材料是取代Sn-Pb系材料的理想替代材料。
同時提出的作為無鉛焊料的Sn-Ag系材料的共晶成分約為Sn-3.5Ag，即3.5wt％的銀與96.5wt％的錫，已表明具有共晶成分的Sn-Ag系材料的熔點為221℃。從基板應該安裝的電子元件的耐熱溫度以及已有的焊接方法的適用等觀點來看，希望無鉛焊料的熔點應充分的低，以不損傷電子元件，並接近歷來的Sn-Pb材料的熔點，由於上述Sn-Ag系材料的熔點比歷來的Sn-Pb材料的熔點高，因此如果單純採用已有的焊錫焊接的方法，就很難使用Sn-Ag系材料。
但是，研究表明，如果在Sn-Ag系材料中添加鉍而構成Sn-Ag-Bi系材料，就有可能使其熔點降低而接近歷來的Sn-Pb材料的熔點。例如，Sn-3Ag-3Bi-3In成分(即3wt％的銀、3wt％的鉍、3wt％的銦、以及91wt％的錫)的Sn-Ag-Bi系材料的熔點為210℃。因此，Sn-Ag-Bi系材料也可以視為是取代Sn-Pb系材料的理想的替代材料。
然而，使用Sn-Bi系材料或Sn-Ag-Bi系材料來取代Sn-Pb系材料，雖然有能夠避免電子元件的損傷的同時將電子元件焊接到基板上的優點，但將由此得到的電子線路基板在高溫條件下連續試驗的結果表明，基板的焊接區與電子元件的導線之間的接合部容易發生惡化，不能得到充分的耐熱疲勞強度。
這被認為是由於Sn-Bi系材料或Sn-Ag-Bi系材料中所含有的錫與作為焊接區或導線的銅相接觸時，在接合部與焊接區以及接合部與導線的接合面上形成了由Sn-Cu構成的金屬間化合物，使接合界面上鉍(bismuth)的濃度相對增高。
下面參照圖5，對在上述歷來的採用重熔焊接法中使用含有由Sn-Bi系材料以取代Sn-Pb系材料的膏狀焊料，將電子元件焊接到基板的電子線路基板80加以說明。
在該電子線路基板80中，基板61上形成的焊接部63，與從電子元件67所引出的導線69，通過接合部65而實現電氣及物理接合。焊接部63一般由銅構成，與布線圖形形成一體。而且，導線69一般是在由銅構成的母材69a上覆蓋由Sn-Pb共晶材料所構成的鍍層69b所構成。結合部65是由膏狀焊料經熱處理而形成。由上述可知，焊料粉末實質上有歷來的焊錫材料所構成。
在熱處理時，由於焊錫材料與焊接部63直接接觸，構成焊接部63的銅就會擴散到焊錫材料中，與錫結合，在接觸面上生成由Sn-Cu構成的金屬間化合物73。
而且，在熱處理時，在焊料粉末的焊錫材料熔化的同時，由具有其熔點比一般熱處理溫度低的Sn-Pb共晶材料所構成鍍層69b也會熔化，與熔融狀態的焊錫材料相接觸的鍍層69b的部分，就會向焊錫材料中熔融擴散。因此，導線69的鍍層69b就會發生部分剝離，使母材61a直接與熔融狀態的焊錫材料相接觸。因此，與上述同樣，構成導線69的母材61a的銅，就會向焊錫材料中擴散，與錫結合，在接觸面上生成由Sn-Cu構成的金屬間化合物71。
這樣，在接合界面上形成由Sn-Cu構成的金屬間化合物71，使接合界面上存在的金屬間化合物周圍的局部區域中，鉍的濃度相對上升。因此，就形成鉍以高濃度存在的相75(以下簡稱鉍濃化層)。特別是，將上述焊接有電子元件的基板的高溫下長時間配置時，會有更多的銅向接合部(或焊錫材料)擴散，由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成也會加劇，與此相伴的是鉍濃化層75的粗大化(或長大)，由於鉍濃化層非常脆，所以被認為會引起接合部的顯著惡化。
現在，雖然關於電子元件的導線的鍍層材料也在向無鉛化的方向發展，但是現在仍處於過渡期，仍然有使用Sn-Pb系材料的情況，這些情況不可忽視。
而且，在歷來的方法中，即使是在使用含有由Sn-Pb系材料所構成的焊料粉末的膏狀焊料的情況下，作為焊接區和/或導線材料所使用的銅會向接合部擴散，與Sn-Pb系材料中的錫結合，在接合部與焊接區和/或導線之間的接合面上形成由Sn-Cu構成的金屬間化合物。但是，由Sn-Cu構成的金屬間化合物很穩定，而且，在這種情況下，由於在接合部不存在鉍，所以即使形成由Sn-Cu構成的金屬間化合物，也不會形成鉍濃化層，同時由於也不形成Sn-Bi-Pb合金，所以被認為不會產生接合部惡化的問題。
而且，在構成導線69的母材69a的材料中，除了銅之外，還有使用Fe-42Ni合金(即42wt％的鎳與58wt％的鐵所組成的合金)的情況。在這種情況下，即使是導線69的鍍層69b向焊錫材料中熔融擴散，使母材69a與焊錫材料直接接觸，也不會在導線69與接合部65的界面形成由Sn-Cu構成的金屬間化合物71。但是，由於在由銅構成的焊接部63與接合部65的界面，仍然會形成由Sn-Cu構成的金屬間化合物73，引起鉍濃化層的粗大化，以及在鍍層材料含有鉛的情況下形成Sn-Bi-Pb合金，所以將所得到的電子線路基板在高溫下做連續使用試驗時，就會發生接合部的惡化，不能夠避免得不到充分的耐熱疲勞強度的問題。
上述問題是由於對接合部進行長時間的熱處理而發生的。因此，例如即使在基板的一個面實施重熔焊接，使電子元件接合於基板，在另一個面也實施重熔焊接，使電子元件接合於基板，這樣，即製作成「兩面重熔焊接基板」作為電子線路的基板的情況，或者是在基板的一個面實施澆焊，使電子元件接合於基板，而在另一個面實施重熔焊接，使電子元件接合於基板，這樣，即製作成「一個面澆焊基板/另一個面重熔焊接基板」作為電子線路的基板的情況，在進行兩次或兩次以上的熱處理時，也存在發生與上述試驗同樣問題的可能性。
以上雖然僅對Sn-Bi系材料的情況進行了詳細論述，但是例如對於Sn-Ag-Bi系材料等至少含有錫或鉍的其他焊錫材料，也會發生同樣的問題。
根據本發明的一個要點，能夠提供一種使用Sn-Bi系材料或Sn-Ag-Bi系材料等含有錫或鉍的焊錫材料在第1部件與第2部件之間進行焊接(或接合，以下同)的方法，在該方法中，在第1部件與第2部件的至少一方設置有由含銅材料所構成的母材和覆蓋母材的屏障金屬層，在第1部件與第2部件之間供給(或配置)焊錫材料，在熔融狀態下與屏障金屬層接觸，通過凝固實現第1部件與第2部件之間的焊接。
根據所述焊接方法，由於由含銅材料所構成的母材被屏障金屬層所覆蓋，含錫的焊錫材料與屏障金屬層相接觸，所以能夠避免焊錫材料中的錫與母材中所含的銅之間的直接接觸。這樣，就能夠起到抑制或防止由Sn-Cu所構成的金屬間化合物的形成，因此不會引起鉍濃化層的粗大化，有希望能夠防止鉍濃化層的形成，從而能夠降低或排除在高溫條件下連續使用時焊錫焊接部(本說明書中也稱為接合部)的惡化而成為耐熱疲勞強度下降的原因。
所以，根據本發明的另一要點，提供一種焊接方法，在第1部件與第2部件之間供給(或配置)焊錫材料，第1部件及第2部件與呈熔融狀態的焊錫材料相接觸，在通過凝固使第1部件與第2部件之間焊接時，在第1部件與第2部件的至少一方設置有由含銅材料所構成的母材與覆蓋母材的屏障金屬層，該屏障金屬層與呈熔融狀態的焊錫材料相接觸，由此提高焊錫焊接部(或接合部)的耐熱疲勞強度。
還有，在本發明中，也可以第1部件及第2部件都是含銅材料，在銅由雙方部件向焊錫材料(或接合部)進行擴散的情況下，希望能夠在雙方的部件中都設置屏障金屬層，以避免含銅材料與焊錫材料的直接接觸，由此能夠防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成。但是，本發明也不限於此，即使是在上述情況下，也可以僅在任意一方設置屏障金屬層，這樣，與不設置屏障金屬層的情況相比，也能夠使耐熱疲勞強度的下降得到緩和。
例如，即使是在第1部件及第2部件中的一方不設置屏障金屬層，該層由含鉛材料所構成，鉛向焊錫材料(或接合部)進行擴散的情況下，根據本發明，由於另一方的銅母材被屏障金屬層所覆蓋，所以至少能夠在屏障金屬層與接合部之間的界面上防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成，因此，與不設置屏障金屬層的情況相比，也能夠使耐熱疲勞強度的下降得到緩和。對於不設置屏障金屬層的部件，當然也希望在含鉛材料熔融後與焊錫材料接觸的部分不含銅，這樣，在該部件與接合部之間的接合面上，也能夠防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成。
本發明中的屏障金屬層，可以是單層，也可以是多層，但必須保證覆蓋母材，使其不與呈熔融狀態的焊錫材料有實質性的接觸。也就是希望在屏障金屬層中，不在熔融的焊錫材料中有實質性的擴散或溶解，或者是即使有擴散，也不會使位於其下方的含銅材料露出，與焊錫材料有實質性接觸的材料。還有，在本發明說明書中，以應焊接部件的母材為基準，對於此，與焊錫材料相接觸的露出表面側稱為「上方」，而母材一方則稱為「下方」。
進而，希望屏障金屬層能夠由導電性材料所構成，以確保得到第1部件與第2部件之間的導通。例如屏障金屬層可以由金屬或金屬疊層體所構成。
在本發明所希望的形式中，屏障金屬層為鎳層(即由鎳所構成的層，後述其它的層也同樣)或含鎳層的多層疊層體。由於鎳即使與焊錫材料相接觸，也在該焊錫材料中幾乎不擴散，不會使位於其下方的母材露出，所以適合於做屏障金屬層的材料。希望鎳層直接與含銅材料接觸，將其覆蓋，但本發明也並不限於此，也可以在鎳層與母材之間設置由其它導電性材料所構成的層。
而且，在使用含鎳的多層疊層體作為屏障金屬層的情況下，在鎳層的上方設置有從由金層、鈀層、以及Sn-Bi層所組成的層群中選擇出的至少一層。鎳層在空氣中容易氧化，形成的氧化層對焊錫材料的浸潤性較差。但是，金層等所述層比鎳層難以氧化，對焊錫材料的浸潤性良好。例如，屏障金屬層，可以由鎳層/金層、鎳層/鈀層、鎳層/鈀層/金層、鎳層/Sn-Bi層等所構成。在鎳層的上方設置了所述金層等所構成的屏障金屬層，與單獨使用鎳層的屏障金屬層相比，能夠提高對焊錫材料的浸潤性，因此能夠提高接合部的接合可靠度(主要是接合強度)。特別是在屏障金屬層的表層(或最上層)，希望能夠是金層。
構成屏障金屬層的層(在屏障金屬層為多層疊層體的情況下，指其至少一層)，例如可以使用在該領域所熟知的電鍍、熔融鍍、置換鍍、以及蒸發沉積等方法來形成。
而且，根據本發明的另一個要點，可以提供使用含錫及鉍的焊錫材料在第1部件與第2部件之間焊接的焊接結構體，在第1部件與第2部件中至少有一方設置有由含銅材料構成的母材與覆蓋該母材的屏障金屬層。
根據這樣的焊接結構體，由於由含銅材料構成的母材被屏障金屬層所覆蓋，與所述本發明的焊錫焊接方法同樣，能夠起到抑制或防止由Sn-Cu所構成的金屬間化合物的形成，以及由此引起的鉍濃化層粗大化的效果。所以，本發明的焊接結構體即使在高溫下連續使用，也不會引起接合部的惡化，從而能夠維持高的耐熱疲勞強度。
這樣的焊接結構體，可以由所述本發明的焊錫焊接方法而得到。而且，在本發明的焊接結構體中，也可以使用在本發明的焊錫焊接方法中所述同樣的屏障金屬層。還有，在單獨使用鎳層作為屏障金屬層的情況下，由本發明的焊錫焊接方法所得到的焊接結構體雖然殘留有作為屏障金屬層的鎳層，但是，例如，在使用作為屏障金屬層的鎳層及位於其上方的金層等的情況下，由於金層與熔融狀態的焊錫材料相接觸而使得金向焊錫材料中溶出(或熔融擴散)，所以應該注意到，在焊接結構體上設置的作為構成屏障金屬層的其中一層是看不到的。而且，Pd層以及Sn-Bi層也與Au層相同。
本發明的焊錫焊接方法、在提高焊錫焊接部(或接合部)耐熱疲勞強度的方法以及焊接結構體中，在第1部件與第2部件的應該焊接的部分，至少有一方是以含銅部分作為母材，該母材被屏障金屬層所覆蓋。例如，在第1部件與第2部件中一方具有含銅的部分，而另一方不具有含銅部分的情況下，具有含銅的部分一方的含銅部分(作為母材)被屏障金屬層所覆蓋。還有，在第1部件與第2部件中雙方都具有含銅部分的情況下，希望該部分至少有一方被屏障金屬層所覆蓋。
在本發明中，第1部件與第2部件分別是基板與電子元件，更詳細一些講，是基板上設置的電極與電子元件的電極。
所述基板，例如可以包括由紙苯酚系材料、玻璃環氧樹脂)系材料、聚醯亞胺系材料、陶瓷系材料、以及金屬系材料所構成的基板。在這樣的基板上形成的電極，例如可以是與布線圖形形成一體的焊接區，例如可以由銅母材被屏障金屬層所覆蓋而形成。
而且，所述電子元件，可以包括半導體元件(例如QFP元件，即四邊形扁平封裝外殼，quad flat package)、CSP(晶片規模封裝外殼，chip scalepackage)元件、以及SOP(單一外表封裝外殼等，single outside package)元件、晶片元件(例如電阻、電容、變壓器、電感等)，並包括連接器。這樣的電子元件的電極，例如可以是由電子元件引出的導線、接頭、或者終端等，例如可以由銅母材被屏障金屬層所覆蓋而形成。
但是，本發明並不限於此，第1部件與第2部件，可以是能夠相互焊接的種種部件。所以根據本發明的另一個要點，還可以提供使用含錫及鉍的焊錫材料所焊接的電氣零件或電子零件，設置有由含銅材料構成的母材與覆蓋母材的屏障金屬層的電氣零件或電子零件。
還有，在本說明書中，所謂焊錫材料，是指具有較低熔點的金屬材料，例如約在100～250℃能夠熔融的金屬材料。所謂含錫及鉍的焊錫材料，是指在這樣的焊錫材料中，至少含有錫及鉍的材料，例如Sn-Bi系材料，或添加了鉍的Sn-Ag系材料(在本說明書中稱為Sn-Ag-Bi系材料，該系材料包括Sn-Ag-Bi材料、Sn-Ag-Bi-In材料、以及Sn-Ag-Bi-Cu材料)。而且，所謂「～系材料」，是指以該金屬成分多構成的共晶成分為中心，進而包含微量的其它金屬成分的材料。例如，Sn-Bi系材料是指以Sn-58Bi共晶成分為中心，並包含微量的其它金屬成分(不論是有意識的添加，還是不可避免的混入)而構成。Sn-Bi系材料，例如具有約130～150℃的熔點。再例如，添加鉍的Sn-Ag系材料是指以Sn-3.5Ag共晶成分為中心，添加一定量的鉍(例如以全體為基準5wt％以下)，並包含微量的其它金屬成分(不論是有意識的添加，還是不可避免的混入)而構成。添加鉍的Sn-Ag系材料，例如具有約200～220℃的熔點。
還有，在本發明中，焊錫焊接方法，例如可以採用重熔焊接法或澆焊接法中的一種而實施，可以在基板的一個面實施焊接，也可以在基板的兩個面實施焊接。而且，本發明的焊接結構體是由上述哪種方法而得到的，能夠很容易被本技術領域的技術人員所理解。
而且，本發明中的通過設置屏障金屬層以防止錫與銅相接觸的概念，是指在鉍存在的體系中，防止錫與銅共存，由Sn-Cu形成金屬間化合物，希望能夠適當地利用這一概念，去除由於鉍濃化層形成引起的危害。
或者是，在本發明的焊錫焊接方法中，不設置屏障金屬層，而是使在第1部件與第2部件之間供給的焊錫材料由熔融狀態以10℃/秒以上的冷卻速度進行冷卻並凝固，也可以達到本發明的目的，根據本發明的另一要點，也可以提供這樣的焊接方法以及由該方法所得到的焊接結構體。
在歷來的一般焊接方法中，冷卻速度不到10/℃秒，一般在5～10℃/秒之間，在供給了焊錫材料之後，沒有對基板(詳細講應該是焊錫材料)進行積極的冷卻。與此相比，根據本發明的上述方法，由於冷卻速度比歷來方法中的要大，所以即使是有鉍濃化層形成，由急冷凝固也可以使鉍濃化層微細分散，即能夠起到抑制鉍濃化層粗大化的效果。這樣，就能夠排除由於在高溫條件下連續使用而引起的焊錫焊接部(本說明書中稱為接合部)的惡化，進而使耐熱疲勞強度下降的原因。
所以，根據本發明的另一要點，能夠提供一種焊接方法，在第1部件與第2部件之間供給(或配置)含錫及鉍的焊錫材料，使第1部件及第2部件與熔融狀態的焊錫層接觸，在通過凝固使第1部件與第2部件之間焊接時，使熔融狀態的焊錫材料以10℃/秒以上的冷卻速度進行冷卻並凝固，由此來提高焊錫焊接部的耐熱疲勞強度。
冷卻速度為10℃/秒以上時，能夠使耐熱疲勞強度比歷來的方法得到的耐熱疲勞強度得以提高，當冷卻速度更大時，例如20℃/秒以上時更好，例如希望能夠達到20～30℃/秒。由這樣的冷卻速度，能夠使耐熱疲勞強度比歷來的有效地提高。
還有，在本發明中，冷卻速度是指，由熱電偶等定時測定的配置焊錫材料的焊接區(或焊錫焊接部)的溫度輪廓曲線求出其峰值溫度，自達到該溫度的時刻起，到溫度下降到Sn-Bi-Pb合金的熔點98℃期間的平均冷卻速度。溫度98°C比焊錫材料的熔點充分的低，可以認為在該溫度焊錫材料已經發生了實質性的凝固。
還有，在本發明的焊錫焊接方法中，還希望能夠理解作為第1部件與第2部件之間焊接的焊接結構體的製造方法。
圖2是本發明的一個實施形式中的電子線路基板在180℃的氣氛中進行熱處理後，焊接區的屏障金屬層(鎳層)與接合部(焊錫層)的接合界面附近截面的掃描電子顯微鏡照片。圖2(a)是經60秒熱處理後的照片，圖2(b)是經180秒熱處理後的照片。
圖3是比較例的電子線路基板在180℃的氣氛中進行熱處理後，焊接區的屏障金屬層(鎳層)與接合部(焊錫層)的接合界面附近截面的掃描電子顯微鏡照片。圖3(a)是經60秒熱處理後的照片，圖3(b)是經180秒熱處理後的照片。
圖4是由本實施形式的焊錫材料所構成的接合部的溫度輪廓曲線與比較例的溫度輪廓曲線。
圖5是由歷來的焊接方法所得到的電子線路基板的概略部分的截面圖。符號說明1-基板3a-焊接部母材3b-屏障金屬層3-焊接部5-焊錫焊接部(接合部)7-電子元件9a-導線母材9b-屏障金屬層9-導線首先，準備基板1與應該接合的電子元件7。在基板1上，形成由銅構成的母材3a及由鎳單層所構成的屏障金屬層3b所覆蓋而形成的焊接區3。該焊接區3，例如可以由以下的方法所形成。
例如，在由玻璃環氧樹脂等所構成的基板上面，通過銅箔的熱壓接合(或貼附)、以及侵蝕等方法，將由銅構成的母材與布線圖形一體形成。布線圖形，例如可以具有50～100μm的寬度。其後，在基板1表面所規定的區域形成覆蓋布線圖形的保護膜。此時，母材3a不被保護膜所覆蓋而露出。母材3a的高度(即布線圖形的高度)，例如約為15～40μm。
將這樣形成了母材3a的基板1浸入溶解了鎳的電解液中，對母材3a施加適當的電壓，在母材3a的表面析出鎳，即利用電鍍的方法，在母材3a的表面形成作為屏障金屬層3b的鎳層。鎳層的高度(在本實施形式中與屏障金屬層3b的高度相等)，例如約為2～5μm。這樣，在基板1的表面，就可以形成由母材3a與覆蓋母材3a的屏障金屬層3b(在本實施形式中為鎳層)所構成的焊接區3。焊接區3，例如可以具有從基板上方看為矩形的形狀，寬度約為0.5～1.5μm，長度約為0.5～1.5μm。但是，本實施形式並不限於此，可以具有任意適當的形狀與尺寸。
還有，在上述例中雖然給出了用電鍍來形成鎳層的方法，但也可以採用其它的方法，例如可以採用將形成了母材3a的基板浸入熔融狀態的鎳中的熔融鍍層法、將該基板浸入含鎳的溶液，使母材3a表面部分被鍍層金屬所置換的置換鍍層法、在母材3a上蒸鍍(沉積)鎳的蒸鍍鍍層法。這些電鍍、熔融鍍、蒸鍍等方法，可以由操作者設置適當的條件而實施。
另一方面，在電子元件7上設置有導線9。導線9是由銅構成的母材9a被由鎳單層構成的屏障金屬層9b覆蓋而成。該導線9可以採用與上述同樣的方法，使作為屏障金屬層9b的鎳層在母材9a的表面形成而得到，製作使用該導線9的電子元件7。
在進行了以上準備的基板1的焊接區3上，例如使用絲網印刷法、分配法等供給膏狀焊料。該膏狀焊料，是由作為含錫及鉍的焊錫材料的Sn-Ag-Bi系材料，例如Sn-3Ag-2.5Bi-2.5In材料或Sn-3.5Ag-0.5Bi-3In材料所構成的金屬顆粒(或焊料粉末)，分散於助熔焊劑而構成。助熔焊劑可以使用由松香、活性劑、以及溶劑所組成等市場上所銷售的物質。金屬顆粒，例如可以具有20～40μm的平均粒徑，佔膏狀焊料全體的85～90wt％。
其後，使電子元件7的導線9與焊接區3上供給的膏狀焊料相接觸，將電子元件7配置在基板1的適當位置。這裡，膏狀焊料與導線9的屏障金屬層9b以及焊接區3的屏障金屬層3b相接觸，與母材9a及3a不相接觸。對這樣所得到的基板，例如在約215～240℃，更希望在約220～230℃的加熱氣氛中進行熱處理。這樣，對膏狀焊料供給熱，使膏狀焊料中構成金屬顆粒的焊錫材料(在本實施例中為Sn-Ag-Bi系材料)熔融，同時使金屬顆粒以外的成分蒸發(或揮發)去除。
此時，雖然熔融狀態的焊錫材料與屏障金屬層3b及9b相接觸，但由於構成屏障金屬層3b及9b的鎳卻幾乎不向呈熔融狀態的焊錫材料中擴散。所以能夠防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成，因此也不生成鉍濃化層。
接下來，將熱處理後的基板進行冷卻(或空冷)使熔融狀態的焊錫材料凝固，形成實質上由焊錫材料所構成的接合部(或焊錫焊接部)5。通過該接合部5，實現電子元件7的導線9與基板1的焊接部3之間的電氣及機械的接合(或焊錫焊接)。還有，在本實施形式中基板冷卻時焊錫材料的冷卻速度，也可以與歷來的焊錫焊接方法這的冷卻速度同等。
按照上述做法，就可以製作將電子元件7安裝到基板1上的電子線路基板20。在所得到的電子線路基板20中，無論是在元件7的導線9與接合部5之間的接合界面，還是基板1的焊接部3與接合部5之間的接合界面，都能夠防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成，而且鉍濃化層的形成也可得到實質性的抑制。
圖2(a)及(b)是以上製作的本實施形式中的電子線路基板在約180℃的氣氛中進行熱處理後，焊接區的屏障金屬層(鎳層)與實質上由焊錫材料構成的接合部(焊錫層)的接合界面附近截面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖2(a)是經60秒熱處理後的照片，圖2(b)是經180秒熱處理後的照片。由圖2(a)及(b)可知，不論是經60秒熱處理後還是經180秒熱處理後，鎳層附近的焊錫層都具有均勻的組成。
與此相比，作為本實施形式的比較例，製作了與本實施形式同樣的電子線路基板，其不同之處在於，沒有設置焊接區3的屏障金屬層3b(即僅由銅母材3a構成焊接區3)，而且，使用了在母材9a上實施了電鍍Sn-Pb的電子元件，以取代導線9的屏障金屬層9b。圖3(a)及(b)是這樣得到的比較例的電子線路基板在180℃的氣氛中進行熱處理後，焊接區(銅相)與實質上由焊錫材料構成的接合部(焊錫層)的接合界面附近截面的掃描電子顯微鏡照片。圖2(a)是經60秒熱處理後的照片，圖2(b)是經180秒熱處理後的照片。圖3(a)及(b)分別與圖2(a)及(b)相對應，圖3(a)是經60秒熱處理後的照片，圖3(b)是經180秒熱處理後的照片。如圖3(a)所示，在銅相與焊錫層形成了由Sn-Cu構成的金屬間化合物，其周圍的Sn-Bi-Pb合金(圖中Sn-Cu金屬間化合物附近的白色部分)發生偏析。由於該Sn-Bi-Pb合金具有約100℃的低熔點，可以認為在熱處理時成為熔融狀態。經進一步的熱處理，如圖3(b)所示，在Sn-Cu金屬間化合物的周圍發生自Sn-Bi-Pb合金的部分的剝離，形成孔洞(圖中Sn-Cu金屬間化合物與焊錫層之間的黑色部分)。這被認為是接合部結合強度下降的原因。
還有，在本實施形式中，形成了由鎳單層構成的屏障金屬層，但本發明並不限於此，也可以採用與形成鎳層同樣的方法，在鎳層的上方設置其它金屬層，例如金層，形成有多層疊層體構成的屏障金屬層。在鎳層的上方設置的其它金屬層，例如可以每一層形成約0.01～0.1μm的高度。
還有，在本實施形式中，焊接區與導致的雙方的母材都是由銅構成，這些母材的雙方都覆蓋了屏障金屬層。但本發明並不限於此，只要是至少一方含有銅，含銅的母材覆蓋了屏障金屬層即可。例如，在導線的母材由Fe-42Ni合金材料構成，不含銅的情況下，就不一定有必要對該母材用屏障金屬層覆蓋，例如也可以採用Sn-Pb系材料的鍍層對該母材進行覆蓋。
特別是，採用Sn-Pb系材料對該導線母材進行鍍層的情況下，由於焊接區的母材由銅構成，被屏障金屬層所覆蓋，在焊接區與接合部的界面上不形成由Sn-Cu構成的金屬間化合物，因此不會發生鉍濃化層的粗大化，更希望實質上不會形成，所以能夠有效地降低導線鍍層中含有的鉛向接合部的溶解及Sn-Bi-Pb合金的形成。
還有，在本實施形式中，作為含錫及鉍的焊錫材料，使用了Sn-Ag-Bi系材料，但本發明並不限於此，使用Sn-Bi系等其它材料也可以取得同樣的效果。
進而，在本實施形式中，是採用重熔焊接法將電子元件焊接(或接合)到基板上的，但本發明並不限於此，對於與本實施形式同樣準備的基板與電子元件，例如也可以採用澆焊法進行焊接。
(實施形式2)下面，對本發明的另一實施形式加以說明。本實施形式是關於第1部件與第2部件雙方都不設置屏障金屬層，而焊錫材料的冷卻速度比歷來方法中的冷卻速度大的類型的實施形式。
在本實施形式中，使用一般的重熔焊接所用的重熔爐，使用Sn-Ag-Bi系材料作為含錫及鉍的焊錫材料，將電子元件的導線與基板的焊接區相焊接。電子元件的導線中，例如可以使用對銅構成的母材實施Sn-Pb鍍層等一般的電子元件。而且，基板的焊接區中，使用由銅構成的焊接區(不設置屏障金屬層)。
本實施形式與歷來技術的不同點在於，在重熔時焊錫材料熔融後，對基板(詳細講應該是熔融狀態的焊錫材料)採取了積極的冷卻。具體說來，首先，例如利用絲網印刷法，向基板的焊接區上供給含有粉末狀焊錫材料的膏狀焊料，通過焊錫材料使電子元件的導線配置在基板焊接區的適當的位置，將由此得到的基板放入重熔爐進行熱處理。此時焊接區的溫度曲線(急冷曲線)如圖4的實線所示。如圖4所示，焊接區的溫度首先上升到約150℃，在該溫度保溫約100秒，接著再升溫，達到約230℃的峰值溫度。此時，在供給到焊接區上的膏狀焊料中的焊錫材料(焊錫粉末)熔融的同時，膏狀焊料中的助熔焊劑等其它成分就會蒸發(主要是揮發)而去除。其後，在本實施形式中，將常溫的氮氣以每分鐘200～500升的流量通入重熔爐，例如為了達到所希望的溫度曲線，一邊調節流量進行供給，對基板進行急冷卻，冷卻焊錫材料。這樣，很快使焊接區的溫度下降到98℃。這樣使焊接區上的焊錫材料凝固而形成接合部，使基板的焊接區與電子元件的導線之間焊接。在本實施形式的重熔焊接中，自焊接區的溫度達到峰值溫度(本實施形式中約為230℃)的時刻起，至該溫度下降到Sn-Bi-Pb合金的熔點98℃的時刻止的平均冷卻速度，例如在大約10℃/秒以上，希望能夠為20～30℃/秒。
按照以上的操作，可以製作電子元件安裝到基板上的電子線路基板。在所得到的電子線路基板中，無論是在電子元件的導線與接合部之間的接合界面，還是在基板的焊接部與接合部之間的接合界面，都能夠防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成，而且鉍濃化層的形成也可得到實質性的抑制。
與此相比，作為本實施形式的對比例，不實施急冷的歷來的重熔焊接時的溫度曲線(歷來的輪廓曲線)表示為圖4中的點畫線(虛線)。在歷來的重熔焊接中，一般不進行積極的冷卻。而且，雖然也有向重熔爐中通入常溫空氣的情況，但其流量不會超過50～100升/分。在這樣的歷來的重熔焊接中，自焊接區達到峰值溫度(約230℃)的時刻起，至該溫度下降到Sn-Bi-Pb合金的熔點98℃的時刻止的平均冷卻速度約為5℃/秒，充其量也不會達到10℃/秒。在這樣由歷來的重熔焊接方法所得到的電子線路基板中，無論是在電子元件的導線與接合部之間的接合界面，還是在基板的焊接部與接合部之間的接合界面，都不能夠防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成，從而引起鉍濃化層的粗大化。因此，不能得到充分的耐熱疲勞強度。特別是將實施了Sn-Pb鍍層的導線焊接於基板的焊接區時，會引起Sn-Bi-Pb合金的形成，使接合部發生顯著的惡化。
還有，在本實施形式中，為了使熔融狀態的焊錫材料能夠以10℃/秒以上的速度進行冷卻，進而凝固，作為冷卻手段是採用了氮氣進行氣體冷卻，但本發明並不限於此，可以採用任意適當的手段。例如可以採用風扇或噴嘴將適當溫度的空氣吹入重熔爐的爐室內，例如可以向基板全體或焊錫材料，流入充分的流量；也可以將液滴製成薄霧狀而吹向基板；或者是將基板全體浸入適當溫度的液體，例如水中，以對焊錫材料進行冷卻。
還有，在本實施形式中，作為含錫及鉍的焊錫材料，使用了Sn-Ag-Bi系材料，但本發明並不限於此，使用Sn-Bi系等其它材料也可以取得同樣的效果。
進而，在本實施形式中，是對重熔焊接法進行了說明，但本實施形式中的以10℃/秒以上的速度對焊接接合部進行冷卻的特徵，也同樣適用於澆焊法，在這種情況下也可以取得同樣的效果。
以上對本發明的兩個實施形式進行了說明，但本發明並不限於這兩個實施形式，在不超出本發明概念的範圍內，可以進行種種的改變，這很容易得到本領域技術人員的理解。
根據本發明，在使用含錫及鉍的焊錫材料對第1部件與第2部件之間進行焊接的方法中，在第1部件與第2部件之中，至少有一方設置有由含銅材料所構成的母材，以及覆蓋該母材的屏障金屬層，焊接材料在熔融狀態下與屏障金屬層接觸，通過凝固實現第1部件與第2部件之間的焊接(或接合)。
根據這樣的焊接方法，由於焊錫材料中的錫不與該母材中所含有的銅直接接觸，因此能夠抑制或防止由Sn-Cu構成的金屬間化合物的形成，及由此引起的鉍濃化層的粗大化，所以能夠降低或排除在高溫條件下連續使用而引起的接合部的惡化，進而使耐熱疲勞強度下降的原因。
進而，根據本發明，能夠提供使用含錫及鉍的焊錫材料對第1部件與第2部件之間進行焊接而得到的焊接結構體，在第1部件與第2部件之中，至少有一方設置有由含銅材料所構成的母材，以及覆蓋該母材的屏障金屬層的焊接結構體，可以得到與上述同樣的效果。
或者，根據本發明，還可以提供在所述本發明的焊接方法中，不設置屏障金屬層，而是通過使熔融狀態的焊錫材料以10℃/秒以上的速度進行冷卻而凝固的焊接方法及由此所得到的焊接結構體。根據這樣的方法，也可以獲得抑制或防止鉍濃化層形成的效果，所以能夠降低或排除在高溫條件下連續使用而引起的接合部的惡化，進而使耐熱疲勞強度下降的原因。
權利要求
1.一種焊錫焊接方法，是一種使用含錫及鉍的焊錫材料在第1部件與第2部件之間進行錫焊的方法，其特徵在於在第1部件及第2部件的至少一方設置有由含銅材料所構成的母材和覆蓋該母材的屏障金屬層，通過向第1部件和第2部件之間供給焊接材料，使焊錫材料在熔融狀態下與屏障金屬層接觸，並使其凝固，實現第1部件與第2部件之間的焊接。
2.根據權利要求1所述的焊錫焊接方法，其特徵在於在第1部件及第2部件的一方設置有屏障金屬層，而另一方具有由含鉛材料所構成的表面，熔融狀態的焊錫與該表面接觸。
3.根據權利要求1或2所述的焊錫焊接方法，其特徵在於屏障金屬層中含有鎳(Ni)層。
4.根據權利要求3所述的焊錫焊接方法，其特徵在於屏障金屬層中還包括位於鎳層上方的從含有由Au層、Pd層以及Sn-Bi層所組成的層群中選擇出的至少一層的層。
5.一種焊錫焊接方法，是一種使用含錫及鉍的焊錫材料在第1部件與第2部件之間進行錫焊的方法，其特徵在於通過向第1部件與第2部件之間供給焊錫材料，使熔融狀態的焊錫材料以10℃/秒以上的冷卻速度冷卻、凝固，實現第1部件與第2部件之間的焊接。
6.根據權利要求5所述的焊錫焊接方法，其特徵在於在第1部件及第2部件的至少一方具有由含鉛材料所構成的表面，焊錫在熔融狀態下與該表面接觸。
7.根據權利要求1～6任意一項所述的焊接方法，其特徵在於第1部件是形成在基板上的電極，第2部件是電子元件的電極。
8.根據權利要求1～7任意一項所述的焊接方法，其特徵在於使用澆焊法或重熔焊接法進行錫焊焊接。
9.一種焊接結構體，是一種通過使用含錫及鉍的焊錫材料在第1部件與第2部件之間進行錫焊焊接而成的焊接結構體，其特徵在於在第1部件及第2部件的至少一方設置有由含銅材料所構成的母材和覆蓋該母材的屏障金屬層。
10.根據權利要求9所述的焊接結構體，其特徵在於在第1部件及第2部件的一方設置有屏障金屬層，在另一方具有由含鉛材料所構成的表面。
11.根據權利要求9或10所述的焊接結構體，其特徵在於第1部件是形成在基板上的電極，第2部件是電子元件的電極。
12.一種焊接結構體，其特徵在於通過使用權利要求1～8任意一項所述的焊接方法，在第1部件與第2部件之間進行錫焊焊接而成。
13.一種電氣或電子元件，是一種通過使用含錫及鉍的焊錫材料錫焊焊接而成的電氣或電子元件，其特徵在於具有設置有由含銅材料所構成的母材和覆蓋該母材的屏障金屬層的電極。
14.一種錫焊焊接方法，其特徵在於在向第1部件與第2部件之間供給含錫及鉍的焊錫材料，通過使焊錫在熔融狀態下與第1部件及第2部件接觸、凝固，進行第1部件與第2部件之間的焊接時，把設置在第1部件及第2部件的至少一方上的由含銅材料所構成的部分作為母材，設置覆蓋該母材的屏障金屬層，通過使焊錫材料在熔融的狀態下與屏障金屬層接觸，而提高焊錫焊接部的耐熱疲勞強度。
15.一種焊錫焊接方法，其特徵在於在向第1部件與第2部件之間供給含錫及鉍的焊錫材料，通過使焊錫在熔融狀態下與第1部件及第2部件接觸、凝固，進行第1部件與第2部件之間的焊接時，通過使熔融狀態的焊錫材料以10℃/秒以上的速度冷卻而凝固，從而提高焊錫焊接部的耐熱疲勞強度。
全文摘要
本發明提供一種錫焊焊接方法及通過該方法構成的焊接結構體。在基板上形成的電極與電子元件的電極的至少一方，設置有覆蓋由含銅材料所構成的母材的屏障金屬層，在這些電極之間供給含錫(Sn)及鉍(Bi)的焊錫材料，在焊錫材料呈熔融狀態下與屏障金屬層接觸，通過凝固實現電子元件與電極之間的焊接。這樣，在使用Sn－Bi類材料或添加了鉍(Bi)的Sn－Ag材料等將電子元件焊接到基板上時，能夠防止焊錫焊接部發生的惡化，從而得到充分的耐熱疲勞的強度。
文檔編號H05K3/34GK1430465SQ0215936
公開日2003年7月16日 申請日期2002年12月26日 優先權日2001年12月28日
發明者山口敦史, 平野正人 申請人:松下電器產業株式會社