專利名稱：電子設(shè)備的層疊結(jié)構(gòu)和無電鍍金方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有良好焊接性能的電子設(shè)備的層疊結(jié)構(gòu)及其制造方法，還涉及改進(jìn)焊接性能的無電鍍金方法。
背景技術(shù)：
由于金不氧化并且此外還具有較小的電接觸電阻，所以被廣泛用作電子工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各種類型連接器和集成電路接線端的鍍層。特別是，通過在由合成樹脂制成的安裝了大規(guī)模集成電路芯片的印刷電路板表面進(jìn)行無電鍍形成金鍍層。無電極金鍍層用于改進(jìn)焊接性能和接觸功能，隨著電子設(shè)備尺寸和重量的減小，這是需要的。最近這種印刷電路板被廣泛用于需要高封裝密度的電子設(shè)備中，例如移動電話、數(shù)字相機(jī)等。


圖1A、1B和1C按照順序示出了鍍在印刷電路板上的普通無電極金的工藝步驟。
如圖1A所示，印刷電路板具有由環(huán)氧樹脂等制成的絕緣襯底1和層疊在上面作為電路導(dǎo)體的銅箔片2。如圖1B所示，通過無電鍍在該印刷電路板上形成作為下層的鍍鎳層3。鍍鎳層3的厚度為2～5微米左右，并且用來防止銅箔2與隨后形成的鍍金層之間發(fā)生擴(kuò)散并且提高印刷電路板的強(qiáng)度。
揭示了在印刷電路板上形成鍍鎳層的現(xiàn)有技術(shù)包括日本專利公開Nos.3-39488和8-181432。
如圖1C所示，通過無電鍍在鍍鎳層3上形成鍍金層4。由此得到電子設(shè)備的層疊結(jié)構(gòu)。
在將諸如芯片單元之類的電子單元安裝在鍍金的印刷電路板上的步驟中，完成回流或溢出型焊接。通常情況下，焊接需要220～250℃左右的加熱溫度和10秒以下的延續(xù)時間。
當(dāng)在電子設(shè)備的普通層疊結(jié)構(gòu)上完成焊接時，帶來了下列問題。以下借助圖2A和2B進(jìn)行描述。
圖2A示出了焊劑球5依托在電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)的鍍金層4上。由于金與含錫和鉛作為主成份的焊劑具有良好的親和性，所以總是容易熔化在焊劑內(nèi)并且有時候形成易碎的金屬間化合物。因此如圖2B所示，在焊接過程中，直接與焊劑球5接觸的鍍金層4瞬時滲入焊劑。結(jié)果焊劑穿越鍍金層4而粘附在下層鎳層3上。但是鎳與焊劑較差的親和力導(dǎo)致鎳層3與焊劑球5之間焊接強(qiáng)度出現(xiàn)可靠性問題。
由于高密度和緊湊的電子設(shè)備特別容易與其他單元碰撞和跌落，所以碰撞和跌落時的震動導(dǎo)致引線斷開并且設(shè)備可能功能失效。一旦電子設(shè)備出現(xiàn)缺陷，修理起來就非常困難。
在焊接面積盡可能小的同時，在印刷電路板上安裝電子單元必須與各種方式配合(為了縮小尺寸)，包括分立型、芯片單元型、BGA(球面網(wǎng)格陣列)型。因此在鎳層3作為下層形成的普通無電鍍金方法中，焊接強(qiáng)度可靠性的缺點已經(jīng)受到了注意。
由于印刷電路板上焊接的單元粘附到親和力較差的鍍鎳層3上，所以震動、振動和溫度變化時的結(jié)合強(qiáng)度不可靠。為了作改進(jìn)，可以考慮在印刷電路板的銅箔2上直接鍍金、銀、錫等代替形成鎳層。這可以提高焊接強(qiáng)度但是發(fā)生因針孔等帶來的銅箔2的觸須、腐蝕，因此改進(jìn)不了接觸功能。
在與宇航相關(guān)的領(lǐng)域，當(dāng)焊接鍍金單元時，采用的方法是在焊接之前先刮擦欲焊接的鍍金部分。例如在NASA的電子設(shè)備焊接工藝中，嚴(yán)格遵循這樣的程序。但是在非政府領(lǐng)域，從經(jīng)濟(jì)的觀點看，基本上不可能采用這種需要精湛技藝和人工的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供具有可靠焊接強(qiáng)度的電子設(shè)備的層疊結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供能夠防止因針孔等引起的銅箔觸須和腐蝕以改進(jìn)接觸功能的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供制造上述電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是提供一種以合理的成本實現(xiàn)可靠焊接強(qiáng)度的無電鍍金方法。
按照本發(fā)明一個方面的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)包括具有主表面的襯底；由選自錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍的材料制成并且形成于襯底主表面上的下層鍍層；以及形成于下層鍍層上的鍍金層。
錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍中的任何一種都具有與焊劑良好的親和性，因此即使焊劑穿越鍍金層而牢牢地粘附在下層鍍層上，它們之間的焊接強(qiáng)度也可以很好地保持。在牽涉到減小印刷電路板和其他各種類型電子設(shè)備的尺寸和重量的高密度封裝中，這穩(wěn)定和改進(jìn)了焊接質(zhì)量。而且，由于在由錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍制成的下層鍍層與鍍金層之間形成了薄的金化合物，所以可以防止因針孔等引起的銅箔觸須和腐蝕，從而改進(jìn)了接觸功能。
襯底例如是表面有銅箔的印刷電路板。其他例子包括諸如芯片單元之類的電子單元。
按照本發(fā)明另一個方面的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)包括具有主表面的襯底；由在無電鍍中起反催化劑作用的金屬制成并且形成于襯底主表面上的下層鍍層；以及通過無電鍍形成于下層鍍層上的鍍金層。作為反催化劑的金屬例如選自錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍。
按照本發(fā)明一個方面的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)的制造方法包括以下步驟利用選自錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍的金屬在襯底上形成作為下層的鍍層；以及通過無電鍍在下層鍍層上形成鍍金層。構(gòu)成下層鍍層的金屬在無電鍍中起反催化劑的作用。
按照本發(fā)明一個方面的無電鍍金方法包括以下步驟利用錫或銀在襯底上形成作為下層的鍍層；以及通過無電鍍在下層鍍層上形成鍍金層。襯底例如是表面有銅箔的印刷電路板并且銅箔上形成下層鍍層。
比較好的是，該方法進(jìn)一步包括在形成下層鍍層之后將襯底浸入催化劑作用處理液內(nèi)的步驟。形成鍍金層的步驟在浸入步驟之后完成。催化劑作用處理液例如包括氯化鈀和鹽酸。
按照本發(fā)明另一方面的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)的制造方法包括以下步驟利用選自鎘、鉛、鋅和鉍的作為反催化劑的金屬在襯底上形成鍍層作為下層；以及通過無電鍍在下層鍍層上形成鍍金層。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的詳細(xì)描述將更好地理解本發(fā)明的上述和其他目標(biāo)、特征、方面和優(yōu)點。
附圖簡述圖1A、1B和1C依次示出了無電鍍金普通方法的步驟。
圖2A和2B示出了電鍍步驟中普通電子設(shè)備襯底結(jié)構(gòu)。
圖3A、3B和3C依次示出了按照本發(fā)明的無電鍍金方法的步驟系列。
實施發(fā)明的較佳方式參見圖3A、3B和3C，以下將描述獲得電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)的方法步驟。
首先如圖3A所示，制備要電鍍的襯底。在所示實施例中采用印刷電路板11作為襯底。印刷電路板11在其表面提供了銅箔12。
如圖3B所示，例如通過無電鍍在印刷電路板11的銅箔12上形成鍍錫或銀層13作為下層。
隨后如圖3C所示，通過無電鍍在下層鍍層13上形成鍍金層14。在印刷電路板11的無電鍍中，如果僅僅是錫或銀鍍層，可能會發(fā)生不需要的遷移或觸須而且耐腐蝕和接觸特性也不令人滿意。因此需要在下層鍍層13上形成鍍金層14。
當(dāng)通過無電鍍在錫或銀形成的下層涂層13上形成無電鍍金層時，離子化和反催化劑的差異可能導(dǎo)致平滑鍍金層上不充分的淀積。為了避免這個問題，比較好的是在形成下層鍍層13之后將印刷電路板11浸入催化作用處理液中。
錫和銀一般具有超群的焊接性能但是在無電鍍中起反催化劑的作用。因此考慮到其難以在這些金屬上進(jìn)行電鍍，結(jié)果是它們未在工業(yè)上得到應(yīng)用。本發(fā)明的發(fā)明人通過將具有由錫或銀制成的下層涂層13的襯底浸入催化劑作用處理液以阻止反催化劑，使得在這些金屬上進(jìn)行無電鍍鍍金層成為可能。
當(dāng)通過上述步驟在電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)上進(jìn)行焊接時，焊接球穿越鍍金層14以牢牢地粘附在由錫或銀制成的下層鍍層13上。由于錫或銀與焊接具有良好的親和性，所以它們之間的焊接強(qiáng)度可以很好地保持。而且，由于在下層鍍層13與鍍金層14之間形成薄的金化合物，所以可以防止因針孔等引起的銅箔的觸須和腐蝕，從而改進(jìn)接觸功能。
被電鍍的襯底并不局限于印刷電路板，例如可以采用芯片單元或其他各種類型的電子單元。而且下層鍍層的形成并不局限于無電鍍，并且例如可以采用電鍍。
錫或銀是在無電鍍中起反催化劑作用的金屬。類似的金屬有鎘、鉛、鋅和鉍，它們可以用作下層鍍層來代替錫或銀。就焊接特性而言，錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍之間沒有明顯的差別?？紤]到對人的毒性，在上述反催化劑金屬中比較好的是錫和銀。
(實驗例)在印刷電路板上以下列程序進(jìn)行無電鍍金。
(1)將表面刻制銅箔圖案的印刷電路板浸入弱堿性脫脂液中三分鐘以作脫脂處理。
(2)將印刷電路板放在流動的水中一分鐘以清洗，(3)通過無電鍍，在40℃溫度下，經(jīng)過30分鐘在印刷電路板上形成鍍錫層。鍍錫層厚度為1.5微米。
(4)用水清洗印刷電路板。
(5)將印刷電路板浸入包含2克/升氯化鈀和150克/升鹽酸的催化劑作用液內(nèi)3分鐘。
(6)用水清洗印刷電路板1分鐘。
(7)通過無電鍍在70℃下，經(jīng)過10分鐘在印刷電路板上形成鍍金層。鍍金層厚度為0.05微米。
(8)用水清洗印刷電路板。
(9)在60℃熱空氣中干燥印刷電路板。
此外，代替步驟(3)中的錫，以相同的條件通過無電鍍形成鍍銀層，其后的工藝相同。
為了驗證通過上述步驟獲得的印刷電路板的電鍍特性，采用以普通鍍鎳層作為下層的印刷電路板作為比較例以考察焊劑擴(kuò)散的程度。特別是，利用260℃下的焊劑浴，將包含助熔劑的的0.5克焊劑被涂覆在印刷電路板上并且隨后確認(rèn)擴(kuò)散的程度。
當(dāng)以鍍錫層作為下層的襯底在上述條件下經(jīng)過60秒焊接時，假定焊劑擴(kuò)散面積為100，并且將焊劑擴(kuò)散面積與下層金屬進(jìn)行比較并改變焊接時間。表1示出了結(jié)果。
表1

由上述實驗結(jié)果可見，當(dāng)焊接時間較短時鎳下層的焊接性能較差。相反，錫下層和銀下層的焊接特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鎳下層。而且就焊接特性而言，沒有觀察到錫下層與銀下層之間的明顯差別。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述和例舉了本發(fā)明，但是顯而易見的是例舉和實例沒有限定作用，本發(fā)明的精神和范圍由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于包括具有主表面的襯底(11)；由選自錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍的材料制成并且形成于襯底(11)主表面上的下層鍍層(13)；以及形成于下層鍍層(13)上的鍍金層(14)。
2.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于所述襯底(11)是表面有銅箔(12)的印刷電路板。
3.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于所述襯底(11)是諸如芯片單元之類的電子單元。
4.一種電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于包括具有主表面的襯底(11)；由在無電鍍中起反催化劑作用的金屬制成并且形成于襯底(11)主表面上的下層鍍層(13)；以及通過無電鍍形成于下層鍍層(13)上的鍍金層(14)。
5.如權(quán)利要求4所述的電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)，其特征在于作為反催化劑的金屬選自錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍。
6.一種電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于包括以下步驟利用選自錫、銀、鎘、鉛、鋅和鉍的金屬在襯底(11)上形成作為下層的鍍層(13)；以及通過無電鍍在下層鍍層(13)上形成鍍金層(14)。
7.如權(quán)利要求6所述的制造電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于構(gòu)成下層鍍層(13)的金屬在無電鍍中起反催化劑的作用。
8.一種無電鍍金方法，其特征在于包括以下步驟利用錫或銀在襯底(11)上形成作為下層的鍍層(13)；以及通過無電鍍在下層鍍層(13)上形成鍍金層(14)。
9.如權(quán)利要求8所述的無電鍍金方法，其特征在于襯底(11)是表面有銅箔(12)的印刷電路板；并且銅箔(12)上形成下層鍍層(13)。
10.如權(quán)利要求8所述的無電鍍金方法，其特征在于進(jìn)一步包括在形成下層鍍層(13)之后將襯底(11)浸入催化劑作用處理液內(nèi)的步驟，其中形成鍍金層(14)的步驟在浸入步驟之后完成。
11.如權(quán)利要求10所述的無電鍍金方法，其特征在于催化劑作用處理液包括氯化鈀和鹽酸。
12.一種無電鍍金的方法，其特征在于包括以下步驟利用選自鎘、鉛、鋅和鉍的作為反催化劑的金屬在襯底(11)上形成鍍層(13)作為下層；以及通過無電鍍在下層鍍層(13)上形成鍍金層(14)。
全文摘要
一種電子設(shè)備層疊結(jié)構(gòu)包括:具有銅箔(12)的印刷電路板(11);由錫或銀制成并且形成于印刷電路板(11)上的下層鍍層(13);以及通過無電鍍形成于下層鍍層(13)上的鍍金層(14)。錫或銀在無電鍍中是起反催化劑作用的金屬。在形成下層鍍層(13)之后,將印刷電路板(11)浸入催化劑作用處理液以阻止反催化劑。
文檔編號H05K3/34GK1360086SQ01139469
公開日2002年7月24日 申請日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月24日
發(fā)明者武內(nèi)勇, 森光正明 申請人:千年紀(jì)門技術(shù)株式會社