專利名稱：無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)和電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)和采用該連接結(jié)構(gòu)的電子裝 置，在該無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，電子部件通過毒性很小的無(wú)Pb焊料 與引線架等的電極連接。
背景技術(shù)：
在過去，為了在有機(jī)主板等的電路主板上，連接LSI等的電子部 件，制造電子電路主板，則采用Sn—Pb共晶焊料，接近該Sn—Pb共 晶焊料，其熔點(diǎn)也類似的Sn—Pb焊料，或在這些焊料中添加有少量的 Bi或Ag的焊料合金。在這些焊料中，按照重量百分比計(jì)，Pb的含量 為40%。這些焊料中的任何一種焊料合金的熔點(diǎn)均基本為183t:，可在 220 - 240"C的溫度下進(jìn)行焊接。
此外，待焊接的QFP (Quad Flat Package) —LSI等電子部件的 電極一般采用下述電極，在該電極中，在作為Fe—Ni系合金的42合 金表面上，通過電鍍等方式，形成按照重量百分比計(jì)，90%Sn—10%Pb (下面簡(jiǎn)稱為Sn—10Pb層)。這是因?yàn)楹噶辖?rùn)性良好，并且保持性 良好，不產(chǎn)生纖維狀結(jié)晶的問題。
但是，包含于上述Sn—Pb系焊料中的Pb為對(duì)人體有毒的重金屬， 這樣由于將包含Pb的制品廢棄，會(huì)產(chǎn)生對(duì)地球環(huán)境造成污染，對(duì)生物 產(chǎn)生惡劣影響的問題。由該電子產(chǎn)品造成的地球環(huán)境的污染是通過下 述方式造成的，即在雨等作用下，從包含因放置而日曬漂白的Pb的電 子制品中，析出Pb，該P(yáng)b的析出因最近的酸雨而有加速傾向。于是， 為了減少環(huán)境污染，替代大量使用的上述Sn—Pb共晶系焊料的，不包 含Pb的低毒性的無(wú)Pb焊料，以及作為在部件電極上所采用的Sn—lOPb 層的替代材料的，不包含Pb的部件電極結(jié)構(gòu)是必須的。作為無(wú)Pb焊 料，從低毒性，材料供給性，成本，浸潤(rùn)性，機(jī)械性質(zhì)，連接可靠性 等的觀點(diǎn)來(lái)看，Sn—Ag — Bi系焊料是有利的侯選者。另外，在焊接中， 通常，通過加熱到220 ~ 240t:附近，在主板的電極與焊料之間產(chǎn)生化 合物的方式，進(jìn)行連接。于是，由于所形成的界面隨著焊料與部件一 側(cè)的電極材料的組合的不同而不同，這樣為了獲得穩(wěn)定的連接界面，必須要求適合該焊料的電極材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，其相對(duì)引線架等 的電極，采用毒性很小的Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料合金，具有足夠 高的連接強(qiáng)度，獲得穩(wěn)定的界面。
另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種電子裝置，該裝置采用毒 性很小的Sn—Ag —Bi系的無(wú)Pb焊料合金，具有下述連接強(qiáng)度，并且 獲得即使隨著時(shí)間的推移仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度指足以抵抗因電 子部件，主板之間的熱膨脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)， 或檢驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)的主板的變形，搬運(yùn)等而在焊料連接部產(chǎn)生的應(yīng)力的連 接強(qiáng)度。
此外，本發(fā)明的還一目的在于提供一種無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)和電子 裝置，其采用毒性很小的Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料合金，確保足夠 高的浸潤(rùn)性，具有足夠高的連接強(qiáng)度，此外還可確保耐纖維狀結(jié)晶性 等。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明涉及一種無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，其 特征在于通過Sn—Bi系層，將Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料與電極連接。 以下的連接結(jié)構(gòu)的實(shí)施例僅為示例。
1. 另外，本發(fā)明的特征在于在上述無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，按照重 量百分比計(jì)，上述Sn—Bi系層中的Bi含量在1~20%的范圍內(nèi)。
2. 此外，本發(fā)明的特征在于在上述無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，在上述 Sn—Bi系層與上述電極之間，具有Cu層。
3. 還有，本發(fā)明的特征在于在上述無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，通過Cu 材料，形成上述電極。
4. 再有，本發(fā)明的特征在于上述電極為Fe —Ni系合金或Cu系的 引線。
5. 另外，本發(fā)明的特征在于在上述無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)中，上述 Sn—Ag —Bi系的無(wú)Pb焊料以Sn為主成分，按照重量百分比計(jì)，Bi的 含量在5~25%的范圍內(nèi)，Ag的含量在1. 5 ~ 3%的范圍內(nèi)，Cu的含量在 0~ 1%的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明涉及一種電子裝置，其包括形成 于電子部件上的第1電極、和形成于電路主板上的第2電極，這兩個(gè)電極互相連接，其特征在于在上述第1電極上形成Sn—Bi合金層，通 過Sn—Ag — Bi系的無(wú)Pb焊料，將形成有該Sn—Bi系層的第1電極與 上述第2電極連接。
以下的電子裝置的實(shí)施例僅為示例。
1. 還有，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，按照重量百分比計(jì)， 上迷Sn — Bi系層中的Bi的含量在1~20%的范圍內(nèi)。
2. 再有，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，在上述Sn—Bi系層與 上述第l電極之間，具有Cu層。
3. 另外，本發(fā)明的特征在于通過Cu材料，形成上述第1電極。
4. 此外，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，上述第1電極為Fe — Ni合金或Cu系的引線。
5. 還有，本發(fā)明的特征在于在電子裝置中，上述Sn—Ag—Bi系的 無(wú)Pb焊料以Sn為主成分，按照重量百分比計(jì)，Bi的含量在5~25°/。的 范圍內(nèi)，Ag的含量在1.5 3y。的范圍內(nèi)，01的含量在0~1%的范圍內(nèi)。 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明涉及一種包括電極的無(wú)Pb焊料連 接結(jié)構(gòu)，其特征在于作為與電極連接的無(wú)Pb焊料為Sn—Ag—Bi系焊料。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，相對(duì)引線架等的電極，采用毒性很小的 Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料合金，可具有足夠高的連接強(qiáng)度，獲得穩(wěn)定 的界面。此外，按照上述結(jié)構(gòu)，采用毒性很小的Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb 焊料合金，可具有下述連接強(qiáng)度，并且獲得即使在隨著時(shí)間的推移， 仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度指足以抵抗因電子部件，主板之間的熱膨 脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)，或檢驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)的主板的 變形，搬運(yùn)等而在焊料連接部產(chǎn)生的應(yīng)力的連接強(qiáng)度。還有，按照上 述結(jié)構(gòu)，采用毒性^f艮小的Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料合金，確保這樣 的連接界面比如，220 ~ 240X:的溫度下的足夠高的浸潤(rùn)性，形成足 夠的角焊縫，具有足夠高的連接強(qiáng)度，此外還可確保耐纖維狀結(jié)晶性 等。


圖1為表示本發(fā)明的QFP—LSI用的引線的截面結(jié)構(gòu)的圖。圖2為 表示本發(fā)明的TSOP用的引線的截面結(jié)構(gòu)的圖。圖3為連接強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖。圖4為表示本發(fā)明的各種金屬化引線的角焊縫 部強(qiáng)度的評(píng)價(jià)結(jié)果的圖。圖5為表示本發(fā)明的各種金屬化引線的浸潤(rùn) 時(shí)間的評(píng)價(jià)結(jié)果的圖。圖6為表示本發(fā)明的各種金屬化引線的浸潤(rùn)荷 栽的評(píng)價(jià)結(jié)果。圖7為表示本發(fā)明的，在金屬層的下方可選地設(shè)置有 Cu層的各種金屬化引線的角焊縫部強(qiáng)度的評(píng)價(jià)結(jié)果的圖。圖8為表示 本發(fā)明的，在金屬層的下方可選地設(shè)置有Cu層的各種金屬化引線的平 直部強(qiáng)度的評(píng)價(jià)結(jié)果的圖。圖9A為表示已有的焊料與形成有Sn—10Pb 鍍層的Fe—Ni合金(42合金)的引線的界面的截面的顯微照片(放大 倍數(shù)XXXX倍)。圖9B為表示在剝離部引線的圖9A的放大圖的顯微 照片(放大倍數(shù)YYYY倍)。圖9C為表示在剝離部焊料的圖9A的放 大圖的顯微照片(放大倍數(shù)YYYY倍)。圖IOA為表示本發(fā)明的焊料 與形成有Sn—10Pb鍍層的Fe—Ni合金(42合金)的引線的界面的截 面的顯微照片(放大倍數(shù)ZZZZ倍)。圖10B為表示在剝離部引線的 圖IOA的放大圖的顯微照片(放大倍數(shù)MMMM倍)。圖10C為表示在 剝離部焊料的圖IOA的放大圖的顯微照片(放大倍數(shù)MMMM倍)。圖 11A為表示本發(fā)明的在Fe—Ni合金(42合金)上，形成Cu層，之后 在其上再形成Sn—4Bi鍍層的引線與焊料的界面的截面的顯微照片(放 大倍數(shù)NMN倍)。圖11B為表示在剝離部引線的圖11A的放大圖的 顯微照片(放大倍數(shù)OOOO倍)。圖11C為表示在剝離部焊料的圖 IIA的放大圖的顯微照片(放大倍數(shù)OOOO倍)。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。
本發(fā)明的實(shí)施例指通過下述方式，形成電子裝置，該方式為采 用毒性很小的無(wú)Pb焊料，將第1電極，與形成于電路主板上的第2電 極之間連接，該第1電極由形成于半導(dǎo)體裝置(LSI)等的電子部件上 的QFP形引線或TS0P形引線等形成。作為無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)，包括 有下述結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，比如，對(duì)上述第1電極，或第2電極，采 用毒性很小的無(wú)Pb焊料進(jìn)行連接。
作為上述毒性很小的無(wú)Pb焊料，采用Sn—Ag — Bi系焊料。但是， 采用毒性很小的Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料合金，必須具有下迷連接 強(qiáng)度，并且獲得即使在隨著時(shí)間的推移，仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度 指足以抵抗因電子部件，主板之間的熱膨脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)，或檢驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)的主板的變形，搬運(yùn)等而在焊料連接 部產(chǎn)生的應(yīng)力的連接強(qiáng)度。
此外，采用毒性很小的Sn—Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料合金，必須確 保在作為從電路主板或電子部件的耐熱性來(lái)說(shuō)，適合的焊接溫度的 220 ~ 240€的范圍內(nèi)的足夠的浸潤(rùn)性，形成足夠的角焊縫形狀，具有 足夠高的連接強(qiáng)度。如果浸潤(rùn)性較差，則不形成足夠的角焊縫形狀， 無(wú)法獲得足夠高的連接強(qiáng)度，或必須要求較強(qiáng)的焊劑，會(huì)對(duì)絕緣電阻 造成惡劣影響。
還有，如果在通過電鍍等方式形成的電極表面上，產(chǎn)生纖維狀結(jié) 晶，并且生長(zhǎng)，則由于在電極間產(chǎn)生短路，從而還必須確保耐纖維狀 結(jié)晶性等。
作為本發(fā)明的上述電極結(jié)構(gòu)，為了獲得足夠高的連接強(qiáng)度，如圖1 和2所示，在由引線形成的電極1的表面上，形成Sn—Bi系層2。下 面對(duì)本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)的選擇進(jìn)行描述。該選擇根據(jù)上述要求，主要 通過連接強(qiáng)度，浸潤(rùn)性，耐纖維狀結(jié)晶性的評(píng)價(jià)來(lái)進(jìn)行。
在開始，給出對(duì)Sn—Ag—Bi系焊料與各種電極材料之間的連接強(qiáng) 度進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果。圖3表示測(cè)定方法的簡(jiǎn)要內(nèi)容，形成樣品引線4， 其是在作為由Fe—Ni系合金(42合金)形成的電極的引線上，形成下 述材料層而構(gòu)成的，該材料層指在作為已有的Sn—10Pb層的替代材料 的沒有Pb的系中，認(rèn)為具有可能的材料(Sn， Sn—Bi， Sn—Zn， Sn— Ag鍍層)。此外，還對(duì)與已有的Sn—10Pb鍍層相組合的場(chǎng)合進(jìn)行評(píng)價(jià)。 上述樣品引線4的形狀是這樣的，按照寬度為3mm，長(zhǎng)度為38mm，焊 接部的長(zhǎng)度為22mm的方式，成直角彎曲。鍍層的厚度對(duì)于各組分來(lái)說(shuō)， 均為10pm左右。采用按照重量百分比計(jì)，82. 2%Sn—2. 8%Ag—15°/。Bi (下面簡(jiǎn)稱為Sn —2. 8Ag — 15Bi )的無(wú)Pn焊料5，將該樣品引線4焊 接于作為電路主板的環(huán)氧玻璃主板6上的Cu片(Cu電極)7上。
上述環(huán)氧玻璃主板6上的Cu片(Cu電極)7的尺寸為3. 5mm x 25mm， 焊料5是通過0. lmmx 25mmx 3. 5mm的焊料箔片供給的。即，將上迷焊 料箔片5放置于上述環(huán)氧玻璃主板6上的Cu片7上，在其上，放置成 直角彎曲的樣品引線4。焊接是在大氣中，在140t:預(yù)熱60秒，最高 溫度為2201C的條件下進(jìn)行的。另外，焊劑是在松香系中，含有氯的焊 劑。在焊接之后，通過有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗。張拉試驗(yàn)針對(duì)下述3種場(chǎng)合進(jìn)行，該3種場(chǎng)合包括在剛焊接之后進(jìn)行焊接；考慮到隨著時(shí)間的 推移，連接部強(qiáng)度變差，在進(jìn)行125'C168小時(shí)的高溫放置之后進(jìn)行焊 接；為了對(duì)引線的浸潤(rùn)性變差的場(chǎng)合的界面強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)查，在將樣品 引線在1501C下放置168小時(shí)之后進(jìn)行焊接。在該張拉試驗(yàn)中，將主板 固定，夾住樣品引線的前端，沿垂直方向，按照5mffl/分鐘的速度進(jìn)行 張拉。將此時(shí)的，最大強(qiáng)度，以及一定值的張拉強(qiáng)度分別作為角焊縫 部強(qiáng)度，平直部強(qiáng)度，對(duì)各組分的樣品引線進(jìn)行評(píng)價(jià)。該試驗(yàn)針對(duì)各 條件進(jìn)行10次，計(jì)算其平均值。
圖4表示各組分的樣品引線的角焊縫部強(qiáng)度的評(píng)價(jià)結(jié)果。如果考 慮到在普通的QFP—LSI等的塑料包裝部件中，印刷電路主板的熱膨脹 系數(shù)的差別，則上述角焊縫部強(qiáng)度必須大于5kgf。由此，在按照在Fe — Ni系合金("合金)上，形成Sn層、或除了含有按照重量百分比計(jì) 23%的Bi的Sn—23Bi以外的Sn—Bi系層的方式所形成的樣品引線中， 獲得大于5kgf的角焊縫部強(qiáng)度，但是可知道在Sn—Zn， Sn—Ag, Sn— Pb層的場(chǎng)合，無(wú)法獲得足夠高的連接界面。此外，在42合金上，形成 厚度為2pm的Ni鍍層。在其上，形成Au鍍層，Pd鍍層，Pb鍍層， 再在其上形成Au鍍層，從而形成3種樣品引線，同樣地進(jìn)行焊接，調(diào) 查其界面強(qiáng)度，但是如圖4所示，無(wú)法獲得足夠高的角焊縫部強(qiáng)度。 由此，可知道，在作為電極的引線上，必須形成Sn—Bi系層。
對(duì)于進(jìn)行了上述張拉試驗(yàn)的各組分的樣品引線中的，形成了獲得 足夠高的界面強(qiáng)度的Sn—Bi系鍍層的引線，通過半月形圖解法( 義-/，7)，對(duì)Sn—2. 8Ag—15Bi焊料的浸潤(rùn)性進(jìn)行分析。為了調(diào) 查浸潤(rùn)性，焊劑釆用活性較差的類型。試驗(yàn)片是采用在將上述樣品引 線切割成lcm的長(zhǎng)度后形成的制品。浸潤(rùn)性的試驗(yàn)條件是這樣的，焊 料軟熔溫度為220t:，浸漬速度為lmm/分，浸漬深度為2mm,浸漬時(shí)間 為20秒，以荷栽恢復(fù)到0的時(shí)間為浸潤(rùn)時(shí)間，以浸漬20秒后的荷栽 作為浸潤(rùn)荷栽。另外，浸潤(rùn)性的測(cè)定是針對(duì)剛電鍍后的引線，以及在 150'C下放置168小時(shí)的引線這兩種進(jìn)行的。此外，在各條件下，測(cè)定 IO次，取其平均值。
圖5， 6分別表示各組分的浸潤(rùn)時(shí)間，浸潤(rùn)荷載。根據(jù)圖5的浸潤(rùn) 時(shí)間的結(jié)果可知道，在浸潤(rùn)初期的Sn—Bi系電鍍引線中，Bi濃度較高 的引線的浸潤(rùn)性良好，而在150'C下進(jìn)行168小時(shí)的高溫放置的場(chǎng)合，在按照重量百分比計(jì)，Bi的濃度小于lX，以及為23%時(shí)，其浸潤(rùn)性變 差。在按照重量百分比計(jì)，Bi的濃度小于1%的場(chǎng)合，如圖6所示，確 保浸潤(rùn)荷載，但是由于浸潤(rùn)時(shí)間變差，這樣難于實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)。因此，可 知道，同樣在Sn—Bi系層的中，為了獲得足夠高的浸潤(rùn)性，最好按照 重量百分比計(jì)，Bi的含量在1 ~20%的范圍內(nèi)。
此外，在用于熱膨脹系數(shù)的差別較大的材料之間的連接，溫度差 較大的環(huán)境的場(chǎng)合等情況下，由于產(chǎn)生于界面處的應(yīng)力較大，這樣為 了確保足夠的可靠性，界面的連接強(qiáng)度必須大于10kgf。因此，從圖4 可看出，由于在Fe—Ni系合金(42合金)上直接形成Sn—Bi系層， 這樣無(wú)法獲得大于10kgf的角焊縫部強(qiáng)度。可認(rèn)為其原因在于在界面 處的化合物層未充分地形成，于是，為了提高對(duì)界面處的焊料的靈敏 性，在Fe —Ni系合金(42合金)上，形成平均厚度為7ym的Cu鍍層， 在其上形成Sn—Bi系鍍層，測(cè)定其界面強(qiáng)度。圖7按照還對(duì)應(yīng)于沒有 Cu層的場(chǎng)合的方式，列出此時(shí)的角焊縫部強(qiáng)度的結(jié)果，但是除了按照 重量百分比計(jì)，Bi含量為23%的場(chǎng)合以外，獲得大于10kgf的連接強(qiáng) 度，可確認(rèn)基層的Cu層的效果，另外，通過采用該電極結(jié)構(gòu)，如圖7 一起所示的那樣，可獲得在下述場(chǎng)合獲得的剛焊接后的界面強(qiáng)度，大 于12. lkgf的界面強(qiáng)度，該場(chǎng)合指在42合金上直接形成有Sn—10Pb 層的引線上，焊接Sn—Pb共晶焊料的已有的場(chǎng)合。另外，如圖8所示， 通過在Sn—Bi層的下面形成Cu層，也可使平直部強(qiáng)度提高。在這里， 對(duì)于該Cu層，在采用42合金的引線架的場(chǎng)合，按照上述方式，可在 42合金上形成Cu層，但是在采用Cu系引線架的場(chǎng)合，也可將其按照 原樣作為Cu層，還有，由于在引線架材料中添加有其它元素以便使剛 性提高，但是為了不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，故也可再次采用Cu層。此外， 形成了該Cu層的樣品引線的浸潤(rùn)性一起表示于圖5， 6中，但是在幾 乎沒有Cu層影響的情況下，Bi含量按照重量百分比計(jì)仍在1%以下， 在高溫放置的場(chǎng)合，浸潤(rùn)性變差，在Bi含量按照重量百分比計(jì)在1 ~ 20%的范圍內(nèi)的情況下，可獲得足夠的浸潤(rùn)性。還有，圖7，圖8的實(shí) 例采用Sn —2. 8Ag —15Bi，但是即使在采用Bi含量很少的系，比如Sn— 2Ag —7. 5Bi — 0. 5Cu系的情況下，通過在基層上形成Cu層，仍可獲得 界面強(qiáng)度提高的效果。
上述Sn—Bi系層，Cu層不限于電鍍方式，其也可通過浸漬，蒸鍍，滾壓涂敷，通過金屬粉末涂敷的方式形成。
按照上迷方式，為了分析隨電極材料不同而改變的原因，對(duì)連接
部的截面進(jìn)行研磨，分析界面的狀況。此外，通過SEM觀察進(jìn)行了張 拉試驗(yàn)的試料的剝離面。下面對(duì)其中的有代表性的組合的結(jié)果進(jìn)行說(shuō) 明。
首先，圖9A、圖9B、圖9C表示下述場(chǎng)合的觀察結(jié)果，該場(chǎng)合指 將直接在過去使用的Fe — Ni系合金(42合金)上形成有Sn—10Pb鍍 層的引線，通過Sn—Ag — Bi系焊料連接，但是在該組合中，在界面處， Pb與Bi形成化合物而匯集，剝離產(chǎn)生于42合金與焊料的界面處。另 外，在剝離掉的引線中的42合金表面上，檢測(cè)有較薄的Sn，可認(rèn)為焊 料中的Sn與引線中的42合金形成化合物。因此，可認(rèn)為，由于上述 Pb與Bi的化合物集中于界面上，這樣Sn與42合金的連接面積減小， 連接強(qiáng)度非常弱。
圖IOA、圖IOB、圖IOC表示下述場(chǎng)合的觀察結(jié)果，該場(chǎng)合指Sn— 10Pb鍍層改變?yōu)镾n—4Bi鍍層，但是在界面處形成的化合物較薄，剝 離同樣地產(chǎn)生于焊料與42合金的界面處。然而，由于Bi在粒狀的結(jié) 晶的狀態(tài)下，Sn與42合金的連接面積的降低不象Sn—10Pb的場(chǎng)合那 樣低，這樣可認(rèn)為可獲得大于5kgf的連接強(qiáng)度。經(jīng)俄歇能諉分析，此 時(shí)的化合物層為約70nm的Sn—Fe層。
此外，圖IIA、圖IIB、圖11C表示在Sn—4Bi層下面形成Cu層 的觀察結(jié)果，可知道在界面處，形成較厚的Cu與Sn的化合物層。上 述剝離產(chǎn)生于該化合物層與焊料的界面處，或化合物層中。剝離面在 于圖IOA、圖IOB、圖10C的42合金引線上直接形成有Sn—Bi層的引 線的場(chǎng)合，幾乎是平齊的，與此相對(duì)，在形成有Cu層的場(chǎng)合，剝離面 是凹凸不平的。于是，可認(rèn)為這樣的剝離面的差異與界面強(qiáng)度的提高 有關(guān)。另外，上面的分析結(jié)果與采用Sn—Ag—Bi系焊料的其它的成分 而獲得的結(jié)果相同。
對(duì)上述各成分的樣品引線，調(diào)查纖維狀結(jié)晶的發(fā)生，但是可看到 在形成Sn—Zn鍍層的樣品引線中，產(chǎn)生纖維狀結(jié)晶。另外，對(duì)于Sn 鍍層，在過去，具有纖維狀結(jié)晶性的問題。但是，對(duì)于Sn—Bi系層， 看不到產(chǎn)生纖維狀結(jié)晶，耐纖維狀結(jié)晶性也沒有問題。
因此，按照本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)，對(duì)于Sn—Ag—Bi系焊料，可獲得連接強(qiáng)度，浸潤(rùn)性，耐纖維狀結(jié)晶性優(yōu)良的連接部。
對(duì)于焊料，選擇下述Sn—Ag—Bi系焊料，其主成分為Sn,按照重 量百分比計(jì)，Bi含量在5~25%的范圍內(nèi)，Ag含量在1. 5~ 3%的范圍內(nèi)， Cu含量在0~1%的范圍內(nèi)，之所以這樣選擇是因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)的組分 的焊料可在220 2401C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行焊接，相對(duì)Cu，獲得與具有 已有情況的Sn—Ag共晶基本相同的浸潤(rùn)性，并且具有在高溫條件下足 夠的可靠性。即，雖然有如下?lián)?，該?dān)心指在Sn—Ag — Bi系焊料中， 按照重量百分比計(jì)，Bi含量大于10%，具有在138TC附近熔融的部分(3 元共晶)，對(duì)高溫下的可靠性造成影響，但是將該3元共晶析出量控 制在實(shí)際上沒有問題的值，并且還確保1251C下的高溫強(qiáng)度。于是，通 過采用該組分的焊料，對(duì)上述電極進(jìn)行焊接，則可獲得實(shí)用的，高可 靠度的電子裝置。 (實(shí)施例1 )
圖l表示本發(fā)明的QFP—LSI用的引線的截面結(jié)構(gòu).該圖表示具有 引線的截面結(jié)構(gòu)的一部分，但是在作為Fe—Ni系合金(42合金)的電 極的引線1上，形成Sn—Bi系層2。該Sn—Bi系層2通過電鍍形成， 其厚度為10ym。另外，Sn—Bi鍍層中的Bi濃度按照重量百分比計(jì)為 8%。采用Sn—2. 8 — Ag —15Bi —0. 5Cu焊料，將具有該電極結(jié)構(gòu)的上述 QFF — LSI，焊接于作為電路主板的環(huán)氧玻璃主板上。該焊接是在最高 溫度為220t:，采用氮軟溶爐的條件下進(jìn)行。由此，可獲得具有足夠高 的連接強(qiáng)度的連接部。此外，同樣，采用Sn—2Ag — 7. 5Bi —0. 5Cu焊 料，在環(huán)氧玻璃主板上，在240X:下，于大氣中，進(jìn)行軟溶，經(jīng)軟溶的 接縫中的，特別是在高溫下的可靠性較高。 (實(shí)施例2)
圖2表示本發(fā)明的TSOP用的引線的截面結(jié)構(gòu)。該圖表示具有引線 的截面結(jié)構(gòu)的一部分，在作為Fe—Ni系合金(42合金)的電極的引線 l上，形成Cu層，在其上形成Sn—Bi系層2。該Cu層，Sn—Bi系層 2通過電鍍方式形成。該Cu層3的厚度為8pm， Sn—Bi系鍍層2的厚 度為10ym。 Sn—Bi系鍍層2的厚度為l()Mm。此外，按照重量百分比 計(jì)，Sn—Bi系鍍層中的Bi含量為5°/。。由于TS0P的引線剛性較大，這 樣在實(shí)際工作時(shí)的部件本身的發(fā)熱，另外用于高溫下的場(chǎng)合，發(fā)生于 界面處的應(yīng)力大于QFP —LSI。在這樣的場(chǎng)合，必須形成具有足以抵抗該界面應(yīng)力的界面強(qiáng)度的界面，在Sn—Bi系層2下面形成Cu層3，則 效果更好。
采用Sn—Ag —Bi系焊料，通過紙軟溶爐，將該TSOP焊接于印刷 電路主板上，進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。該試驗(yàn)條件為下述2個(gè)條件，即-55。C30分鐘，125X: 30分鐘的1個(gè)小時(shí)/1次循環(huán)，以及0X230分鐘， 9(TC30分鐘的1個(gè)小時(shí)/1次循環(huán)，在500次循環(huán)，IOOO次循環(huán)后，對(duì) 截面進(jìn)行觀察，調(diào)查開裂的發(fā)生狀況。將該情況，與下述場(chǎng)合進(jìn)行比 較，該場(chǎng)合指通過Sn—Pb共晶焊料，將包括形成有Sn—10Pb層的引 線的，相同尺寸的TSOP，直接焊接于42合金引線上，但是在-55'C/125
"c的溫度循環(huán)中，開裂的發(fā)生較早，在ot:/9ox:的溫度循環(huán)中，特別 是不會(huì)發(fā)生問題，獲得實(shí)際上充分的連接界面。
(實(shí)施例3)
本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)還可適合用于主板上的電極。比如，為了使主 板的焊接性提高，最好形成焊料涂層，但是在過去，采用包含Sn —Pb 焊料，特別是Sn—Pb共晶焊料等中的Pb的焊料。為此，使上述涂層 用焊料中不具有Pb，可采用本發(fā)明的Sn—Bi層。還有，由于通常，主 板的電極由Cu形成，這樣在采用Sn — Ag—Bi系焊料的場(chǎng)合，可獲得
足夠高的連接強(qiáng)度。圖中表示是適合采用該結(jié)構(gòu)的實(shí)例，但是在電路 主板的環(huán)氧玻璃主板上的Cu片(Cu電極)上，通過滾壓涂敷方式，形 成厚度約為5 y m的Sn—8Bi層'
由于形成有該焊接涂層，這樣相對(duì)主板的浸潤(rùn)性提高，并且還可 使連接強(qiáng)度提高。
工業(yè)的可利用性
按照本發(fā)明，獲得下述效果，該效果指獲得適合用于作為無(wú)Pb材 料，優(yōu)良的Sn—Ag—Bi系的電極結(jié)構(gòu)。
此外，按照本發(fā)明，獲得下述效果，該效果指可形成下述無(wú)Pb焊 料連接結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，采用相對(duì)引線架等的電極，毒性很小的Sn— Ag—Bi系中的無(wú)Pb焊料合金，具有足夠高的連接強(qiáng)度，并且可獲得穩(wěn) 定的連接界面。
另外，按照本發(fā)明，獲得下述效果，該效果指采用Sn—Ag—Bi系 中的無(wú)Pb焊料合金，具有下述連接強(qiáng)度，并且獲得即使在隨著時(shí)間的 推移，仍保持穩(wěn)定的界面，該強(qiáng)度指足以抵抗因電子部件，主板之間的熱膨脹系數(shù)之間的差別，焊接后的切割主板作業(yè)，或檢驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)的 主板的變形，搬運(yùn)等而在焊料連接部產(chǎn)生的應(yīng)力的連接強(qiáng)度。
還有，按照本發(fā)明，采用毒性很小的Sn-Ag—Bi系的無(wú)Pb焊料 合金，確保比如，在220 - 24()TC溫度下的足夠高的浸潤(rùn)性，形成足夠 的角焊縫，具有足夠高的連接強(qiáng)度，此外還可確保耐纖維狀結(jié)晶性等。
再有，按照本發(fā)明，通過采用Sn—Ag—Bi系焊料，對(duì)電子部件進(jìn) 行焊接，則可獲得具有足夠高的連接強(qiáng)度，并且在實(shí)際上還可確保足 夠高的浸潤(rùn)性。另外，纖維狀結(jié)晶性也不會(huì)有問題。于是，便獲得下 述效果，該效果指可采用與已有技術(shù)相同的設(shè)備，工藝，形成有利于 環(huán)境的無(wú)Pb的電子制品。
權(quán)利要求
1.一種具有電極的電路板，其特征在于，上述電極由Cu制成。
2. —種適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 該半導(dǎo)體裝置包括引線和形成在上述引線的表面上的第l金屬層， 上述第l金屬層是Sn-Bi系層，上述第l金屬層中Bi的含有量按重量百分比計(jì)是1%以上小于5%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置，其特 征在于，上述引線是Cu系的引線架。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置，其 特征在于，上述引線是Fe-Ni系合金引線架。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置，其 特征在于，在上述引線的上述表面上形成有第2金屬層， 上述第l金屬層形成在上述第2金屬層上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置，其 特征在于，上述第2金屬層是Cu層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置，其 特征在于，上述半導(dǎo)體裝置是QFP (Quad Flat Package)型。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置，其 特征在于，上述半導(dǎo)體裝置是薄小外形封裝型。
9. 一種適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在 于，該方法包括以下工序準(zhǔn)備具有引線和形成在上述引線的表面上的Sn-Bi系層的半導(dǎo)體 裝置的工序；經(jīng)由無(wú)Pb焊料將上述半導(dǎo)體裝置的上述引線與電路板的電極連接 的工序；和在這里，上述Sn-Bi系層中Bi的含有量按重量百分比計(jì)是1%以上 小于5%。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所迷的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置的制 造方法，其特征在于，上述無(wú)Pb焊料是Sn-Ag-Bi系焊料。
11. 根據(jù)權(quán) 要求9所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，上述Sn-Bi系層通過電鍍、浸漬、蒸鍍、或滾 壓涂敷形成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置的制 造方法，其特征在于，上述引線是Cu系的引線架。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置的制 造方法，其特征在于，上述引線是Fe-Ni系合金引線架。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的適合無(wú)Pb焊料連接的半導(dǎo)體裝置的 制造方法，其特征在于，在上述引線的上述表面上形成有Cu層， 上述Sn-Bi系層形成在上述Cu層上。
全文摘要
一種無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)和電子裝置，該無(wú)Pb焊料連接結(jié)構(gòu)具有足夠高的連接強(qiáng)度，獲得即使在隨時(shí)間的推移的情況下仍保持穩(wěn)定的界面，保持足夠的浸潤(rùn)性和對(duì)纖維狀結(jié)晶的抵抗性。特別是，無(wú)Pb焊料的特征在于作為代表性的無(wú)Pb焊料的Sn-Ag-Bi與電極連接，該電極的表面上形成有Sn-Bi層。最好，按照重量百分比計(jì)，上述Sn-Bi層中的Bi濃度在1～20％的范圍內(nèi)，以便獲得足夠高的浸潤(rùn)性。當(dāng)要求更加可靠的接縫時(shí)，在上述Sn-Bi層的下面形成Cu層，以便獲得具有足夠高的界面強(qiáng)度的連接部。
文檔編號(hào)B23K35/00GK101604668SQ20091013317
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期1998年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月16日
發(fā)明者下川英惠, 中冢哲也, 奧平弘明, 曾我太佐男, 石田壽治, 稻葉吉治, 西村朝雄 申請(qǐng)人:株式會(huì)社瑞薩科技