專利名稱：焊錫膏、焊接成品及焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在印刷電路基板上焊接半導體集成電路芯片等電子部件時的無鉛的焊錫膏、焊接成品及焊接方法。
作為上述焊錫膏，以往因具有熔融溫度(例如熔點為183℃左右)低的優(yōu)點而常用Sn-Pb(錫鉛)系焊錫膏，但是最近因為判明了鉛會成為引起環(huán)境污染等的原因，所以產(chǎn)生了主要使用Sn-Zn(錫鋅)系或Sn-Zn-Bi(錫鋅鉍)系焊錫膏的傾向(例如參照日本專利文獻1)。作為這種Sn-Zn系焊錫膏，Sn-9Zn焊錫膏(例如熔點(共晶溫度)為197℃左右)等已被公知；作為Sn-Zn-Bi系焊錫膏，Sn-8Zn-3Bi焊錫膏(例如熔點為187(固相溫度)～197(液相溫度)℃左右)等已被公知。而且，元素符號前的數(shù)值表示焊錫合金中的重量％，任何一種都以Sn為主體成分。
上述兩種焊錫膏，雖然不如Sn-Pb系焊錫膏的熔點低，但是因為不含導致環(huán)境污染的鉛，所以被廣泛使用。
而且，在這種焊錫膏無鉛化的同時，也開發(fā)出了以降低焊接電阻為目的在電子部件端子的表面上通過鍍金等形成薄金屬層的部件。[日本專利文獻1]日本專利公開11-138292號公報如上所述，將表面上形成金屬層的端子，利用上述焊錫膏進行焊接時，在這個焊接部分的界面上，焊錫膏中的Zn與端子側(cè)的金(Au)反應而形成層狀化合物Au-Zn。但是這個Au-Zn層對于熱循環(huán)等熱沖擊不具有充分的強度，所以比較容易脫落而存在可靠性下降等缺點。特別是，這種現(xiàn)象，在端子的金屬層非常薄時，例如0.1μm左右時并不明顯，但是達到更厚的膜厚時會頻繁產(chǎn)生，所以需要盡快解決上述問題。
另外，在印刷電路基板的焊接區(qū)等使用銅時，這個焊接區(qū)表面的銅(Cu)可能與焊錫膏中的Zn反應而形成層狀化合物Cu-Zn。存在很多這種Cu-Zn層時，會產(chǎn)生與上述Au-Zn層相同的問題，對于可靠性帶來不良影響。
從而，需要盡量阻止如上所述的化合物Au-Zn或Cu-Zn的形成，用化合物Sn-Cu支配焊接部。
本發(fā)明著眼于以上問題，為了有效解決而提出。本發(fā)明的目的在于，將表面具有金屬層的端子利用焊錫膏進行焊接時，提供對于熱沖擊強度高，且可以提高可靠性的焊錫膏、焊接成品及焊接方法。
本發(fā)明提供的焊錫膏，其特征在于，將Sn-Zn系第一焊錫粉，和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度低的第二焊錫粉，在焊劑中混合而形成。
本發(fā)明還提供一種焊錫膏，其特征在于，上述第二焊錫粉其組成的液相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度。
本發(fā)明提供一種焊接成品，其特征在于，利用將Sn-Zn系第一焊錫粉和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度低的第二焊錫粉在焊劑中混合而形成的焊錫膏，將部件焊接在印刷電路基板上。
本發(fā)明提供將具有至少表面形成金屬層的連接端子的部件進行焊接的方法，其特征在于，使用將Sn-Zn系第一焊錫粉，和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度低的第二焊錫粉，在焊劑中混合而形成的焊錫膏。
圖2為表示

圖1中一部分的放大截面圖。
圖3為表示以往使用Sn-8Zn-3Bi焊錫膏時的焊接部的放大截面圖。
圖4為表示使用本發(fā)明的焊錫膏的實施例1時的兩處焊接部的放大截面圖。
圖1為表示利用本發(fā)明的焊錫膏將電子部件進行焊接時的狀態(tài)的圖，圖2為表示圖1中一部分的放大截面圖。[實施例1]首先，本發(fā)明的焊錫膏，例如在印刷電路基板2的表面上，將集成電路的電子部件等部件4通過回流進行焊接時使用。在這個印刷電路基板2的表面上，形成由導電性金屬，例如銅構(gòu)成的多個焊盤6，在這個焊盤6的上表面通過分配器或絲網(wǎng)印刷等選擇性形成本發(fā)明的焊錫膏8。
而且，在部件4的下表面，對應上述焊盤6形成多個端子10，在這個端子的表面上，為了確保焊接后的焊接強度通過鍍金等形成規(guī)定厚度t的金屬層12。但也可以由金屬形成此端子10的整體。而且，一般在一個印刷電路基板2上焊接多個如上所述的部件4。
另外，以在該印刷電路基板2上搭載上述部件4的狀態(tài)，通過將其在加熱爐內(nèi)加熱，如圖2(B)所示，可以通過上述焊錫膏8將兩者焊接。這樣，形成了本發(fā)明的焊接成品。
此時，本發(fā)明的焊錫膏8，如上所述為了防止環(huán)境污染，使用無鉛物質(zhì)。也就是說，上述本發(fā)明的焊錫膏8，通過將Sn-Zn系第一焊錫粉，和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度低的第二焊錫粉，在焊劑中混合而形成。
具體來說，上述第一焊錫粉可以使用Sn-9Zn(Zn為9重量％)，第二焊錫粉可以使用Sn-10Bi-2.8Ag-0.6Cu(Bi為10重量％，Ag為2.8重量％，Cu為0.6重量％)。焊錫粉，仍然都以錫(Sn)為主體。此時，在整個粉中所占的重量，例如上述第一焊錫粉為70％，上述第二焊錫粉為30％，可以用下式表示。
(Sn-9Zn)×70％+(Sn-10Bi-2.8Ag-0.6Cu)×30％將這些第一及第二焊錫粉，在焊劑中混合而形成糊狀。這個焊錫膏熔融后的組成如下。
Sn-6.3Zn-3Bi-0.84Ag-0.18Cu在上述情況下，第一焊錫粉的共晶溫度約為197℃，第二焊錫粉的固相溫度為低于上述第一焊錫粉的共晶溫度的181℃，液相溫度約為205℃。
通過使用在焊劑中混合這樣的第一和第二焊錫粉而形成的焊錫膏8，在加熱爐內(nèi)第二焊錫粉在第一焊錫粉之前開始熔融，其結(jié)果，在端子10表面的金屬層12的金(Au)，或焊盤6表面的銅(Cu)擴散到上述已熔融的第二焊錫粉中，與在這個第二焊錫粉中多量存在的Sn反應而結(jié)合，形成對于熱沖擊沒有不良影響的Au-Sn或Cu-Sn。從而，在進一步升溫而第一焊錫粉熔融時，與此溶液中的Zn反應的熔融Au或熔融Cu變得非常少，其結(jié)果，可以積極阻止導致對于熱沖擊的耐久性下降的Au-Zn層或Cu-Zn層的形成。即，在第一焊錫粉熔融之前，首先熔融含有容易與Au或Cu結(jié)合的材料的，此時為含有多量Sn的第二焊錫粉，使Sn與Au或Cu首先反應，從而阻止Au-Zn層或Cu-Zn層的形成。
另外，在回流工序中，考慮第一焊錫粉為共晶時，其共晶溫度與第二焊錫粉的固相溫度之間的溫度范圍，或第一焊錫粉不是共晶時，其固相溫度與第二焊錫粉的固相溫度之間的溫度范圍，以及升溫梯度而設(shè)定溫度曲線，可以進一步促進Au-Sn或Cu-Sn的生成。
這種作為方法，可以進一步有效阻止Au-Zn層或Cu-Zn層的形成。[實施例2]另外，作為實施例2，前述第二焊錫粉的組成，其液相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度。具體來說，作為實施例2，上述第一焊錫粉可以使用Sn-9Zn(Zn為9重量％)[這與實施例1相同]，第二焊錫粉可以使用Sn-40Bi-0.1Cu(Bi為40重量％，Cu為0.1重量％)。焊錫粉，仍然都以錫(Sn)為主體。此時，在整個粉中所占的重量，例如上述第一焊錫粉為70％，上述第二焊錫粉為30％，可以用下式表示。
(Sn-9Zn)×70％+(Sn-40Bi-0.1Cu)×30％將這些第一及第二焊錫粉，在焊劑中混合而形成糊狀。這個焊錫膏熔融后的組成如下。
Sn-6.3Zn-12Bi-0.03Cu在上述情況下，第一焊錫粉的共晶溫度如實施例1的說明約為197℃，第二焊錫粉的固相溫度為低于上述第一焊錫粉的共晶溫度的138℃，液相溫度為低于上述第一焊錫粉的共晶溫度的170℃。
在該實施例2中，與前述實施例1一樣，可以積極阻止導致對于熱沖擊的耐久性下降的Au-Zn層或Cu-Zn層的形成。即，在第一焊錫粉熔融之前，首先熔融含有容易與Au或Cu結(jié)合的材料的，此時為含有多量Sn的第二焊錫粉，使Sn與Au或Cu首先反應，從而阻止Au-Zn層或Cu-Zn層的形成。
而且，如圖2(A)所示，在端子10中形成的金屬層12的厚度t一般為例如0.3μm以上，根據(jù)制造廠商而不同，例如約為0.6μm左右。
此時，進行了本發(fā)明的焊錫膏與以往焊錫膏相對熱沖擊的評價，下面對其評價結(jié)果進行說明。
圖3為表示使用以往Sn-8Zn-3Bi焊錫膏時的焊接部的放大截面圖，圖4為使用前面說明的本發(fā)明焊錫膏的實施例1時的兩處焊接部的放大截面圖，都用顯微鏡照片和其模式圖來表示。此時，端子的金屬層12厚度t(參照圖2(A))為0.6μm。另外，對于熱循環(huán)施加了重復100次從-25℃(放置15分鐘)到125℃(放置15分鐘)之間的熱沖擊。
如圖3所示，使用以往焊錫膏時，在端子與焊錫膏的界面部分明顯產(chǎn)生一層Au-Zn層。而且，施加上述100次熱循環(huán)的結(jié)果，這個Au-Zn層中產(chǎn)生剝離而電子部件脫焊。
相對于此，使用如圖4所示本發(fā)明的焊錫膏時，在端子與焊錫膏的界面部分沒有產(chǎn)生Au-Zn層。但是，形成被微細分割的Au-Zn層14熔融之后微量分散在焊錫膏內(nèi)的狀態(tài)。對其施加如上述100次熱循環(huán)的結(jié)果，在界面部分沒有發(fā)現(xiàn)剝離或脫落，而且也沒有發(fā)現(xiàn)電子部件的脫焊，可以確定耐久性高，且可靠性高。
另外，將端子的金屬層12的厚度t設(shè)定為0.3μm之后，進行上述評價試驗，得到了與上述評價結(jié)果相同的結(jié)果。
在上述實施例中，作為第一焊錫粉使用了Sn-9Zn焊錫粉，但是沒有限定于此，可以使用其它重量比，例如Sn-8Zn或Sn-11.5Zn。
而且，在實施例1中，作為第二焊錫粉，使用了Sn-10Bi-2.8Ag-0.6Cu，但是沒有限定于此，可以使用第二焊錫粉的固相溫度低于第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度的其他物質(zhì)，例如Sn-13Bi-3Zn。
進而，作為實施例1、2以外的焊錫膏的具體例，有第一焊錫粉使用Sn-8Zn，第二焊錫粉使用Sn-13Bi-3Zn，各自按9∶1混合的焊錫膏。這個焊錫膏熔融后的組成為Sn-7.5Zn-1.3Bi。
而且，作為其他例，有第一焊錫粉使用Sn-9Zn，第二焊錫粉使用Sn-13Bi-3Zn，各自按9∶1混合的焊錫膏。這個焊錫膏熔融后的組成為Sn-8.4Zn-1.3Bi。
本發(fā)明者潛心研究結(jié)果，提出了可以作為第一焊錫粉和第二焊錫粉使用的系列及組成比例，和第一焊錫粉與第二焊錫粉的有效配合比例。下面對此進行說明。
首先，可以作為第一焊錫粉使用的焊錫粉系列為Sn-Zn系，組成比例a、b、c(重量％)如下。此時所述的Sn-Zn系，表示主要成分的系，在如下所示范圍中可以含有α(Bi、In等)。
<可以作為第一焊錫粉使用的系列與組成比例>
Sn-aZn-bα(5≤a≤12，0≤b≤5)其中，α為Bi、In等。
對于第二焊錫粉如下所述。
<可以作為第二焊錫粉使用的系與組成比例>
Sn-cBi-dAg-eαSn-cBi-dZn-eβSn-cBi-dIn-eα(1≤c≤45，0≤d≤5，0≤e≤5)。c～e表示組成比例(重量％)。而且，α為Ga、Al、Cu、Zn等，β為相對α不含Zn的物質(zhì)。而且，上述①～③有重復的情況(例如，d＝0，α、β為相同成分時)，但是為了便于理解沒有一一贅述。
另外，第一焊錫粉與第二焊錫粉的配合比例，將其比例設(shè)定為A∶1時，1.5≤A≤10。
在以上說明的系列、組成比例及配合比例的范圍內(nèi)，可以選擇適當?shù)慕M成和各種比例而形成焊錫膏。
在以上說明的實施例中，對于作為電子部件使用集成電路時的例進行了說明，但是沒有限定于此，在使用其它電子部件，例如連接接頭時也適用本發(fā)明。發(fā)明效果如上所述，根據(jù)本發(fā)明的焊錫膏、焊接成品及焊接方法，可以發(fā)揮如下優(yōu)良的作用效果。
將表面具有金屬層的端子利用焊錫膏進行焊接時，對于熱沖擊的耐久性強，且可以提高可靠性。
權(quán)利要求
1.一種焊錫膏，其特征在于，將Sn-Zn系第一焊錫粉和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度的第二焊錫粉在焊劑中混合而形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊錫膏，其特征在于，第二焊錫粉，其組成的液相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度。
3.一種焊接成品，其特征在于，利用將Sn-Zn系第一焊錫粉和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度的第二焊錫粉在焊劑中混合而形成的焊錫膏，將部件焊接在印刷電路基板上。
4.一種焊接方法，將具有至少表面形成金屬層的連接端子的部件進行焊接，其特征在于，使用將Sn-Zn系第一焊錫粉和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度的第二焊錫粉在焊劑中混合而形成的焊錫膏。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用焊錫膏焊接表面具有金屬層的端子時，對于熱沖擊的耐久性強，且可以提高可靠性的焊錫膏。將Sn－Zn系第一焊錫粉，和其組成的固相溫度低于前述第一焊錫粉的共晶溫度或固相溫度低的第二焊錫粉，在焊劑中混合而形成焊錫膏。這樣，例如焊接表面具有金屬層的連接端子(10)的部件(4)時，金(Au)擴散到上述已熔融的第二焊錫粉中，與在這個第二焊錫粉中的Sn反應而結(jié)合，形成對于熱沖擊沒有不良影響的Au－Sn。從而，在進一步升溫而第一焊錫粉熔融時，待與此溶液中的Zn反應的熔融Au變得非常少，其結(jié)果，可以積極阻止導致對于熱沖擊的耐久性下降的Au－Zn層的形成。
文檔編號B23K35/26GK1445049SQ0312063
公開日2003年10月1日 申請日期2003年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月19日
發(fā)明者金井和久, 竹內(nèi)誠 申請人:日本勝利株式會社