增強表面可焊性的方法
2023-05-27 19:12:41
專利名稱：增強表面可焊性的方法
技術領域：
本發明涉及一種處理表面的方法，該處理增強表面的可焊性。該方法於印刷電路板的製造及組合中特別有用。
背景技術：
焊接通常用於產生對於各種物件的機械、電機械或電子的連接。接頭的預期功能之間的差異很重要，因為各應用對表面製備有其本身的指定需求。三種焊接應用中，製造電子連接是最為嚴格的。
在使用印刷電路製造電子裝置時，電子元件對印刷電路的連接通過將元件引線焊接至通孔、焊墊、焊盤及其他連接點(簡稱為「連接區域」)而完成。一般而言，連接可通過波焊技術產生。
為了利於此焊接操作，印刷電路製造者需要如此安排，使得通孔、焊墊、焊盤及其它連接點對後續的焊接過程是可接受的。因此，這些表面必須容易被焊錫潤溼，並且允許與電子元件引線或表面的整體性導電連接。因為這些需求，印刷電路製造者已設計了各種保持及增強表面可焊性的方法。
一種安排表面良好可焊性的方法為提供用焊錫預塗覆的表面。然而，在印刷電路製造中，此方法具有許多缺點。由於對這些區域不易選擇性地提供焊錫，板的所有導電區域必須用焊錫電鍍。這將對後續的阻焊劑的塗覆產生嚴重的問題。
另一種安排良好表面可焊性的方法為以貴重金屬如金、鈀或銠的最終清漆(final finish)塗料來電鍍。美國第5,235,139號專利(Bengston等人)，其教示併入於此作為參考，提議一種得到前述金屬最終清漆的方法。 Bengston等人提議以無電式鎳-硼電鍍焊接的銅區域，繼而塗覆貴金屬，例如金。類似的方法亦參見授予Juskey，Jr.等人的美國第4,940,181號專利，其教示在此併入作為參考，其提供了一種類似的方法，先是無電式鍍銅，繼而為電解銅，繼而為鎳，繼而為金，製得可焊的表面。這些方法作業良好但耗時且昂貴。
已進行各種嘗試以選擇性地將焊錫僅塗覆於必要區域。一種方法涉及在焊接連接表面上使用有機抗蝕刻劑，繼而在塗覆阻焊劑前選擇性地從銅線路上剝除錫-鉛。參見授予Durnwith等人的美國第4,978,423號專利。其它已知的選擇性焊接法也可參見授予Larson的美國第5,160,579號專利，其教示在此併入作為參考。
直接焊接銅表面是困難且不穩定的。這些問題主要由於在整個焊接操作中無法保持銅表面清潔及無氧化。己研究出各種有機處理以將銅表面保持在易於焊接狀態。例如，參見美國第5,173,130號專利(Kinoshita)，其教示了使用特定的2-烷基苯並咪唑作為銅的預焊劑以保持銅表面的可焊性。如Kinoshita教示的處理已證明是成功的，但是其方法的可靠性仍需要改進。
美國第5,935,640號專利，其教示全部在此併入作為參考，其教示一種通過使用浸漬銀的沉積物而改良表面可焊性的方法。其中使用的浸漬銀鍍浴包括咪唑。視儲存條件而定，通常鍍銀表面可保存約1至60天的時間。隨著鍍銀表面的老化，其可焊性變差。
本發明提供一種方法及電鍍組合物，其改善鍍銀表面的貯藏性及可焊性。因此以本發明的組合物及方法電鍍的表面可保存更長的時間，並同時保留良好的可焊特性。
本發明提出一種通過將浸漬銀鍍於表面上而處理表面(特別是銅或銅合金表面)以增強及/或保持表面的可焊性的組合物及方法。特別地，本發明提出通過使用浸漬鍍銀組合物將銀電鍍在表面上。然後表面分別地接觸包括有機雜環巰基化合物，以及非必要的但優選鹼金屬氫氧化物的溶液。作為可替代的方法，但並不是優選的，如果溶解度許可，可將有機雜環巰基化合物加入鍍銀組合物中。
發明的詳細描述已發現浸漬銀沉積物提供優良的可焊清漆，其在印刷電路板製造特別有用。進一步還發現銀沉積物的長期可焊性可通過鍍銀表面的後續處理而改善，該處理包括使用包括有機雜環巰基化合物、非必要但優選的鹼金屬氫氧化物的組合物，或並非優選的，將有機雜環巰基化合物包括於鍍銀溶液(溶解度許可)。
因此，本發明提出在一個實例中使用包括一種有機雜環巰基化合物的鍍銀溶液。關於此點，鍍銀溶液通常包括下述組成a.一種銀離子的可溶來源；b.一種酸；c.一種有機雜環巰基化合物；d.非必要的，一種咪唑；e.非必要的，一種氧化劑；f.水此具體實例可能受有機雜環巰基化合物在鍍銀溶液中的溶解度限制，因此如下所述在後續處理步驟中包括有機雜環巰基化合物並不是優選的。在任何情形，本發明的鍍銀溶液優選為浸漬電鍍溶液。浸漬電鍍是這樣一種過程，該過程由電鍍表面溶解至溶液中且同時電鍍金屬由電鍍溶液沉積至表面上的置換反應而產生。浸漬電鍍通常無需先進行表面的活化而引發。電鍍金屬通常比表面金屬貴重，因此，浸漬電鍍通常遠比需要複雜自動催化電鍍溶液及電鍍前的表面活化方法的無電電鍍較易控制且較節省成本。
在本發明的最佳具體實例中，使用第一具體實例所述的鍍銀溶液(即，包括有機雜環巰基化合物的鍍銀溶液)或優選使用已知鍍銀溶液(即，不包括有機雜環巰基化合物的鍍銀溶液)來電鍍原始表面。該已知鍍銀溶液包括得自麥克德米德有限公司[美國康乃狄克州(06702)沃特伯裡市弗雷特大街245號]的MacDermid SterlingTM鍍銀溶液。在任一種情形下，鍍銀表面進一步接觸包括有機雜環巰基化合物及非必要但優選的鹼金屬氫氧化物的溶液。因此，以上的後續處理溶液包括a.一種有機雜環巰基化合物；b.非必要但優選的，一種鹼金屬氫氧化物；c.水用於鍍銀溶液的銀離子的可溶來源可源自各種銀化合物。優選硝酸銀。鍍銀溶液中的銀的濃度為每升0.1至25克，但優選為以每升0.5至2克的濃度存在。
雖然各種酸適合用於鍍銀溶液的調配，優選甲磺酸。電鍍溶液中的酸的濃度為每升1至150克，但優選為每升5至50克。
非必要的，但優選鍍銀溶液還含有下式的咪唑或咪唑衍生物
其中R1、R2、R3與R4各自獨立地選自於取代或未取代的烷基基團、取代或未取代的芳基基團、滷素、硝基基團以及氫。
如上所述包含咪唑可使電鍍沉積物變亮。此外，咪唑還可延長電鍍溶液的使用壽命。發明人已發現組氨酸為用於本方法目的的最優選咪唑。發明人已發現由含咪唑的電鍍浴生成的銀沉積物比由不具有咪唑的浴電鍍的浸漬銀沉積物更亮、更平滑且更具有粘合性。鍍銀溶液中咪唑的濃度為每升0.1至25克，但優選為每升1至10克。
可用於本發明的鍍銀溶液非必要地還可有利地含有氧化劑。關於此點，優選硝基芳族化合物，更優選二硝基芳族化合物，如3，5二硝基羥基苯甲酸。該氧化劑在溶液中的濃度為每升0.1至25克，但優選為每升0.5至2克。
按照本發明，鍍銀組合物含有機雜環巰基化合物，或鍍銀表面使用含有機雜環巰基化合物的分離溶液進行後續處理，或兩者皆可。如所示的，最優選是用標準鍍銀浴電鍍的表面繼而以包括有機雜環巰基化合物的溶液處理。在任一種情形下，優選的有機雜環巰基化合物包括2-巰基苯並噁唑、2-巰基苯並咪唑、2-巰基噻唑啉、2-噻唑啉-2-硫醇、2-巰基-1-烷基咪唑、及2-巰基苯並噻唑。有機雜環巰基化合物的濃度為0.1至50克/升，但優選為1至10克/升。
如果有機雜環巰基化合物用於與後續處理已鍍銀表面的溶液分離的溶液，則含有機雜環巰基化合物的分離處理溶液還優選含鹼金屬氫氧化物。在此情形，鹼金屬氫氧化物的濃度為0.5至100克/升，但優選為每升1至10克。氫氧化鈉為優選的鹼金屬氫氧化物。
在此所述的鍍銀溶液及/或後續分離處理溶液可在範圍為室溫至200°F但優選為80至120°F的溫度用於本發明的方法。在任一溶液中的浸漬時間為1至30分鐘，但優選為1至6分鐘。
鍍銀溶液如此用於將薄的銀層鍍於待焊接表面上。為了有效增強及保持表面可焊性，生成的銀塗層應為1至100微英寸厚，優選為20至60微英寸厚。
雖然在此所述的技術可有利地用於幾乎任何表面上，其在處理包括銅、鎳、或以上任何合金的表面時最有用，特別是在印刷電路板的製造，而且最優選為製備稞銅上阻焊劑(SMOBC，soldermask over bare copper)的板。因此在製造SMOBC板時，將阻焊劑塗覆於板表面上，然後暴露及顯影以顯示連接區域。連接區域為板上實質上僅僅有銅暴露的區域，其它地方實質上被阻焊劑覆蓋。在製造循環中稍後將電子元件置於板上時，多數情況下通過焊錫，這些連接區域因此預定為連接點。因此，這些連接的曝露點(通常為銅)的可焊性必須增強及保持。
按照本發明，這些區域優選使用酸清潔劑清潔，並繼而微蝕刻以製備可接受電鍍的表面。按照上述的優選製備，將板浸於鍍銀溶液，以得到適當厚度的銀沉積物。優選地，不論鍍銀溶液是否含有機雜環巰基化合物，鍍銀表面繼而均要接觸所述的包括有機雜環巰基化合物及優選的鹼金屬氫氧化物的處理溶液。
僅為了描述的目的，本發明在以下實例中進一步描述，其絕非限制本發明。
實施例1(比較)將標準FR-4覆銅環氧積層體以陣列鑽孔。孔以酸電解鍍銅法通過已知方法電鍍，使得孔的表面及積層體的其它表面鍍以約2.5微米的銅。然後將以上的積層體切割成數片試樣，其各使用以下的鍍銀法鍍銀硝酸銀1克/升甲磺酸(70％)20毫升/升3，5二硝基羥基苯甲酸1克/升1-組氨酸1克/升加水至1升溫度100°F時間5分鐘在封閉環境中經含1％硫酸與1克/升硫化鈉(九水合物)的溶液將試樣片人工老化18小時。試樣片然後漂浮在450°F的熔化焊錫上10秒以檢驗可焊性。可焊性以被焊錫完全充滿或覆蓋的孔數佔孔總數的比例(以百分數表示)來評估。
在此情形，試樣片中僅1.9％的孔被焊錫充滿或完全覆蓋。
實施例2重複實施例1，除了此次在鍍銀溶液中電鍍後以及在人工老化前將試樣片在以下處理溶液中處理2-巰基苯並咪唑6克/升氫氧化鈉 7.7克/升加水至1升溫度55℃處理時間2分鐘在此情形，試樣片中95.9％的孔被焊錫充滿或完全覆蓋。
實施例3重複實施例1，除了此次在鍍銀溶液中電鍍後以及人工老化前將試樣片在以下處理溶液中處理2-巰基苯並噻唑5克/升氫氧化鈉 6克/升處理溫度50℃處理時間1分鐘在此情形，試樣片中97.8％的孔被焊錫充滿或完全覆蓋。
權利要求
1.一種增強表面可焊性的方法，該方法包括使用含一種有機雜環巰基化合物的鍍銀溶液將銀沉積物鍍於表面上。
2.如權利要求1所述的方法，其中表面為選自於銅、鎳以及上述任一種的合金的材料。
3.如權利要求1所述的方法，其中表面為印刷電路板上的一個區域。
4.如權利要求1所述的方法，其中將銀鍍至1至100微英寸的厚度。
5.如權利要求1所述的方法，其中有機雜環巰基化合物選自於2-巰基苯並噁唑、2-巰基苯並咪唑、2-巰基噻唑啉、2-巰基-1-烷基咪唑、及2-巰基苯並噻唑。
6.如權利要求1所述的方法，其中鍍銀溶液還含有至少一種選自於咪唑及硝基芳族化合物的材料。
7.如權利要求1所述的方法，其中表面為選自於銅及銅合金的材料。
8.如權利要求5所述的方法，其中表面為選自於銅、鎳以及上述任一種的合金的材料。
9.如權利要求5所述的方法，其中鍍銀溶液還含有至少一種選自於咪唑及硝基芳族化合物的材料。
10.如權利要求5所述的方法，其中表面為選自於銅及銅合金的材料。
11.如權利要求9所述的方法，其中表面為選自於銅及銅合金的材料。
12.一種增強表面可焊性的方法，該方法包括將銀沉積物鍍於表面上，然後使銀沉積物接觸含有機雜環巰基化合物的溶液。
13.如權利要求12所述的方去，其中表面為選自於銅、鎳以及上述任一種的含金的材料。
14.如權利要求12所述的方法，其中溶液還含有一種鹼金屬氫氧化物。
15.如權利要求12所述的方法，其中有機雜環巰基化合物選自於2-巰基苯並噁唑、2-巰基苯並咪唑、2-巰基噻唑啉、2-巰基-1-烷基咪唑、及2-巰基苯並噻唑。
16.如權利要求12所述的方法，其中表面為選自於銅及銅合金的材料。
17.如權利要求15所述的方法，其中表面為選自於銅、鎳以及上述任一種的合金的材料。
18.如權利要求15所述的方法，其中溶液還含有一種鹼金屬氫氧化物。
19.如權利要求18所述的方法，其中表面為選自於銅、鎳以及上述任一種的合金的材料。
20.如權利要求19所述的方法，其中表面為選自於銅及銅合金的材料。
全文摘要
本發明公開了一種增強一表面，特別是印刷線路板上的銅表面的可焊性的方法，使用鍍銀溶液來電鍍表面。然後用一種含有有機雜環巰基化合物以及優選的一種鹼金屬氫氧化物的溶液來進一步處理電鍍表面。
文檔編號H05K3/24GK1468326SQ01816663
公開日2004年1月14日 申請日期2001年9月19日 優先權日2000年10月3日
發明者利文·泰特薩斯, 利文 泰特薩斯 申請人:麥克德米德有限公司