專利名稱：釬焊材料和使用該釬焊材料的電氣或電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種釬焊材料，在制造電子線路板的工藝中為了把電子元件安裝到基板上，使用該材料來將電子元件的外電極連接到基板(或底層)的接點上。此外，本發(fā)明還涉及一種利用該釬焊材料的連接構(gòu)造，以及使用該釬焊材料來連接的電子或電氣裝置。
而且，由于在世界范圍內(nèi)對于全球環(huán)境保護關(guān)注的增多，人們正在協(xié)商一個規(guī)章或一套法律系統(tǒng)來對工業(yè)廢料的處理加以控制。對于電子設(shè)備中的電子線路板，如果廢料處理不充分，包含在連接電子元件到基板上的釬焊材料中的鉛就有可能造成環(huán)境的污染，所以人們正進行研究和改進，來研制一種不含鉛的釬焊材料(也就是，一種所謂的無鉛釬焊材料)作為含鉛釬焊材料的替代品。
迄今為止，廣泛使用的釬焊材料是錫-鉛基的材料，它們以錫和鉛為主要構(gòu)成元素(或成分)。錫-鉛合金的一個共熔組成為63Sn-37Pb(也就是，整體上的基本構(gòu)成為63％重量的錫和37％重量的鉛)，并且該錫-鉛合金在該共熔組成時具有最低的熔點183℃。由于這樣的最低熔點，所以具有這樣共熔組成的錫-鉛基合金通常用作釬焊材料。在下文中，這樣共熔組成的錫-鉛基合金也稱作“錫-鉛易熔合金材料”或“錫-鉛易熔釬焊材料”。
用上述的傳統(tǒng)釬焊材料形成連接的電子線路板在下文作為例子進行描述。

圖1示意性地表示了一個電子線路板的局部放大橫截面圖，其中一個集成電路塊元件作為電子元件安裝在基板上。參照圖1，對于電子線路板10，集成電路塊元件7安裝在基板(或底層)上，元件7的側(cè)面有基底電極2、中間電極3和外電極4，其安裝就是通過用釬焊材料1將外電極4和接點5連接來實現(xiàn)的。關(guān)于電子線路板的這些部件，舉個例子，基底電極2用銀制成，中間電極3用鎳制成，外電極4和釬焊材料1用錫-鉛易熔合金材料制成，以及接點5用銅制成。
圖1所示的電子線路板是如下所述地制成的。首先，使用點陣印刷或類似的方法將釬焊材料1置于接點5上，接點5已經(jīng)預(yù)先用蝕刻或類似的方法形成在基板6的預(yù)定位置上。接著，把有層疊形式的基底電極2、中間電極3和外電極4的集成電路塊元件7放置在基板6上，使其外電極4與釬焊材料1接觸。然后，載有集成電路塊7的基板6從回流釬焊爐或者類似的設(shè)備中穿過，以使釬焊材料加熱到其熔點或更高的溫度(例如230℃)，由此來熔化釬焊材料1，并且之后將其冷卻至室溫使釬焊材料凝固。在該工藝中，由于釬焊材料1潤濕了外電極4，熔化的釬焊材料1上升至外電極4的表面上，并在保持著這樣的潤濕狀態(tài)下時凝固，例如圖1所示的形式。這樣，集成電路塊元件7(電子元件)就安裝到基板6上。
圖2示意性地表示了另一個電子線路板的局部放大橫截面圖，其中一個有導(dǎo)線的元件作為電子元件安裝在基板上。參照圖2，對于電子線路板11，將有導(dǎo)線的元件8連接安裝到基板6上，元件8上有從其主體上伸出的中間電極3和包裹中間電極3的外電極4，其安裝就是通過用釬焊材料1連接外電極4和接點5來實現(xiàn)的。電子線路板11的這些部件的材料和安裝該有導(dǎo)線的元件(電子元件)的工藝與上面參照圖1所描述的情況相似。
如上所述，本發(fā)明提出使用以錫和銀為主要成分的錫-銀基合金材料來作為替代含鉛的釬焊材料的無鉛釬焊材料。錫-銀合金的共熔組成為Sn-3.5Ag(也就是，整體上的基本構(gòu)成為96.5％重量的錫和3.5％重量的銀)，并且錫-銀合金的在該共熔組成時具有最低的熔點221℃。該Sn-3.5Ag無鉛釬焊材料與傳統(tǒng)使用的錫-鉛易熔釬焊材料相比，在力學(xué)強度方面具有優(yōu)勢。
但是，Sn-3.5Ag無鉛釬焊材料的熔點(也即221℃)高于錫-鉛易熔釬焊材料的熔點(也即183℃)，所以與錫-鉛易熔釬焊材料相比，為了熔化Sn-3.5Ag釬焊材料則需要將其加熱到更高的溫度。結(jié)果是，為了回流(或熔化)這樣的錫-銀基無鉛釬焊材料，在安裝的工藝中，釬焊電子元件的基板就要忍受更高的溫度。在這樣的情況下，由于這樣的更高溫度超過了電子元件的耐熱溫度，就帶來電子元件可能會損壞的問題。
此外，用來釬焊的電子元件的外電極通常含鉛，當在這種情況下使用無鉛釬焊材料時，因為在大部分釬焊材料和外電極之間的連接部分(或在釬焊材料和外電極之間的交界面附近)形成了弱(或脆性)合金(例如，錫-鉍-鉛合金)，所以會引起電子元件與基板的連接強度和電子線路板可靠性降低的問題。
需要說明的是，“釬焊材料”指的是一種具有相對較低熔點(例如，100至250℃)的金屬材料，它在常溫時為固體，用于電氣地和物理地(或機械地)連接電極(也就是，用于釬焊電極)。例如，在電子元件的安裝工藝中，釬焊材料用來電氣地和物理地連接電子元件的外電極和電子線路板上的接點(或?qū)Ь€)。
在迄今所知的物理冶金學(xué)領(lǐng)域中，錫-鉍合金的共熔組成為42Sn-58Bi(也就是，整體上的基本構(gòu)成為42％重量的錫和58％重量的鉍)，并且錫-鉍合金在該共熔組成時具有最低的熔點138℃。與上面所述的Sn-3.5Ag共熔合金的熔點(也就是大約221℃)相比，該熔點明顯地低。因此，在通過向二元錫-銀合金中添加鉍形成的三元錫-銀-鉍合金中，當錫-銀-鉍合金中鉍的含量增加，而銀保持在3.5％的重量左右時，錫-銀-鉍合金的熔點就降低。
但是，在錫-銀-鉍基合金中增加鉍的含量不僅降低其熔點，還帶來和增加脆性。為了安裝電子元件，釬焊材料要求有較高的強度，所以具有脆性并因而力學(xué)強度差的合金材料是不適宜作釬焊材料的。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，通過向上述的錫-銀-鉍基合金添加鎳，可以制成一種在具有低熔點的同時保持高力學(xué)強度的合金?？梢詫λ鞒鋈缦碌恼f明在錫-銀-鉍基合金中含有大量鉍的情況下，通過熔化的合金固結(jié)形成了相對較大相的鉍(或大量的鉍)，且由于這樣的鉍相，固結(jié)后的合金表現(xiàn)出脆性，并導(dǎo)致低力學(xué)強度。在另一方面，在向錫-銀-鉍基合金添加鎳后形成錫-銀-鉍基合金情況中，由于鉍通過熔化合金的固結(jié)與鎳化學(xué)結(jié)合，形成微小的化合物，如NiBi、NiBi3或類似的化合物，所以就能夠阻止上述的較大相鉍的形成。也就是說，本發(fā)明構(gòu)想添加鎳來把鉍相轉(zhuǎn)換成微小和/或離散相，以此來避免力學(xué)強度的降低。
因此，根據(jù)本發(fā)明提供了一種錫-銀-鉍-鎳基合金的無鉛釬焊材料，材料的組成進行了適當?shù)倪x擇，使其具有更適用于釬焊材料的熔點和力學(xué)強度，例如，該釬焊材料是用來將電子元件安裝到基板上的。錫-銀-鉍-鎳基合金的無鉛釬焊材料的組成的選擇最好使其熔點在160℃至215℃的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的無鉛釬焊材料中的一部分錫也可以由銅和/或銦來替代。
本發(fā)明包括各種作為例子的實施例(實施例1至9)，如下(實施例1)一種主要成分為1.0％至4.0％重量的銀、1.0％至20％重量的鉍、0.1％至1.0％重量的鎳以及余量的錫的釬焊材料；(實施例2)一種成分為錫、銀、鉍和鎳的釬焊材料，其熔點在160℃至215℃的范圍內(nèi)；(實施例3)根據(jù)實施例1和2的釬焊材料還包括0.1％至1.0％重量的銅(應(yīng)注意到在本實施例中，一部分的錫由銅替代，所以本釬焊材料主要由銀、鉍、鎳、錫和銅組成)；(實施例4)根據(jù)實施例1至3中任何一個的釬焊材料還包括1.0％至15.0％重量的銦(本實施例中需要說明的是，一部分的錫由銦替代和可選擇地由銅替代，所以本釬焊材料主要由銀、鉍、鎳、錫和銦或者銀、鉍、鎳、錫、銅和銦組成)；(實施例5)一種連接構(gòu)造，其中使用根據(jù)實施例1至4中任何一個的釬焊材料，把外電極連接到某個物件(例如一塊基板)上，且制成外電極的材料的主要成分從一組組成錫、鈀、錫-鉍、錫-銅和錫-銀中選出；
(實施例6)一種用根據(jù)實施例1至4中任何一個的釬焊材料制成的連接部分；(實施例7)一種電氣/電子設(shè)備，其中使用了根據(jù)實施例1至4中任何一個的釬焊材料。
(實施例8)一種電子線路板，其中電子元件的外電極用根據(jù)實施例1至4中任何一個的釬焊材料連接到基板的接點上；以及(實施例9)一種將電子元件安裝到基板上的工藝，該工藝包括把電子元件的外電極用根據(jù)實施例1至4中任何一個的釬焊材料連接到基板的接點上。
下面的標號表示下列元件1……含鉛釬料； 2……基底電極；3……中間電極； 4……外電極；5……接點； 6……基板；7……集成電路塊元件；8……有導(dǎo)線的元件；以及10和11……電子線路板。
在本發(fā)明一個方面，它提供了一種釬焊材料，主要成分為約1.0％至4.0％重量的銀，約1.0％至20％重量的鉍，約0.1％至1.0％重量的鎳以及余量的錫。釬焊材料中會不可避免地有一種或多種雜質(zhì)。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的釬焊材料可以含有約1.0％至4.0％重量的銀、約1.0％至20％重量的鉍、約0.1％至1.0％重量的鎳以及約75％至97.9％重量的錫，但材料中可能會不可避免地包含一種或多種雜質(zhì)。
本文中使用的“％重量”是基于釬焊材料的總重量的，不可避免的雜質(zhì)的重量沒有計入總重量中。所以銀、鉍、鎳和錫的“％重量”中的比例值之和理論上等于100。
更具體地說，鉍的含量較佳的是在約1.0％至5.0％重量的范圍內(nèi)，更佳的是3％的重量。此外，鎳的含量較佳的是在約0.1％至0.5％重量的范圍內(nèi)，更佳的是0.3％的重量。
不可避免的雜質(zhì)可能是包含在生產(chǎn)釬焊材料原材料本身中的和在釬焊材料生產(chǎn)的過程中偶然摻雜進來的雜質(zhì)。不可避免的雜質(zhì)還可能包括一種成分，它是在使用本發(fā)明釬焊材料的釬焊工藝中從電子元件導(dǎo)線通過釬焊轉(zhuǎn)變?yōu)殁F焊材料的。作為不可避免的雜質(zhì)，舉例來說，釬焊材料中有一定量的如鉛、銅及類似的并非有意包含在釬焊材料中的成分。因此，可以理解，釬焊材料的組成比例在某種程度上可能會由于非有意添加的成分而改變。
在本發(fā)明的另一方面，它提供一種釬焊材料，它主要成分為錫、銀和鎳，其組成使材料的熔點在160至215℃范圍內(nèi)，并且最好在160至215℃的范圍內(nèi)。釬焊材料會包含如上所述不可避免的雜質(zhì)。這樣的釬焊材料可以通過如上所述地選擇釬焊材料的組成而得到。
根據(jù)本發(fā)明的這種釬焊材料，提供一種無鉛的釬焊材料，它的熔點低于Sn-3.5Ag釬焊材料的熔點(221℃)，與錫-鉛易熔釬焊材料的熔點(183℃)在相似的水平上，并具備作為一種釬焊材料的足夠力學(xué)強度。本發(fā)明的釬焊材料有足夠的耐熱性或熱穩(wěn)定性(或稱熱疲勞強度)，所以能夠忍受長時間的連續(xù)工作。不僅如此，本發(fā)明的釬焊材料具有足夠的抗沖擊能力和比錫-鉛易熔釬焊材料的小的比重(因此重量比錫-鉛易熔釬焊材料輕)，所以它更適宜用于移動的設(shè)備等等。還有，本發(fā)明的釬焊材料有相近于或更好于錫-鉛易熔釬焊材料或Sn-3.5Ag釬焊材料的良好導(dǎo)電性，所以它能更適用于進行高速度運作的高性能的設(shè)備。
在本發(fā)明的一個實施例中，本發(fā)明的釬焊材料還可以含有約0.1％至1.0％重量的銅來替代本發(fā)明釬焊材料中的一些錫，銅的含量最好為約0.5％至0.8％的重量。也就是說，釬焊材料的主要成分為約1.0％至4.0％重量的銀、約1.0％至20％重量的鉍、約0.1％至1.0％重量的鎳、約0.1％至1.0％重量的銅以及余量的錫(也就是，約74％至97.8％重量的錫)。與上面所述的類似，銀、鉍、鎳、銅和錫 “％重量”中的比例值之和理論上等于100。當然，如前所述，釬焊材料中會不可避免地含有雜質(zhì)。
形成較大相的鉍會引起釬焊材料的脆性，含適當量的銅還有防止釬焊材料脆性的作用。如果銅的含量小于0.1％的重量，就不能充分起到這樣的作用。如果銅的含量大于1.0％的重量，結(jié)果就可能會相反地加大其脆性。因此，釬焊材料最好包含上述含量的銅。
在本發(fā)明的另一個實施例中，本發(fā)明的釬焊材料還含有約1.0％至15％重量的銦來替代本發(fā)明釬焊材料中的一些錫。也就是說，釬焊材料的主要成分為約1.0％至4.0％重量的銀、約1.0％至20％重量的鉍、約0.1％至1.0％重量的鎳、約1.0％至15％重量的銦(且可選擇約0.1％至1.0％重量的銅)以及余量的錫(也就是，約60％至96.9％重量的錫(或在包含銅時，約59％至96.8％重量的錫))。與上面所述的類似，銀、鉍、鎳、銦和錫以及可選擇的銅“％重量”中的比例值之和理論上等于100。當然，如前所述，釬焊材料中會不可避免地含有雜質(zhì)。
特別是在釬焊材料含銦的情況下，最好釬焊材料的組成成分主要為約1.0％至4.0％重量的銀、約1.0％至10％重量的鉍、約0.1％至0.5％重量的鎳、約1.0％至10％重量的銦以及余量的錫(也就是，約75.5％至96.9％重量的錫)。
含適量的銦可以起到降低本發(fā)明釬焊材料熔點的作用，而且可以通過銦的延性來防止由于鉍產(chǎn)生的材料脆性。
不僅如此，特別是在釬焊材料同時包含銦和銅的情況下，最好釬焊材料的組成成分主要為約1.0％至4.0％重量的銀、約1.0％至10％重量的鉍、約0.1％至0.5％重量的鎳、約1.0％至10％重量的銦、約0.5％至0.7％重量的銅以及余量的錫(也就是，約74.8％至96.4％重量的錫)。
如上所述的本發(fā)明的釬焊材料可以以任何形式使用。例如，它可以以釬焊絲、波峰(或波浪)釬焊用釬焊料、釬焊料球、膏狀釬焊料(釬焊料糊)或者類似的形式來使用。本發(fā)明的釬焊材料可以與一種或多種其他成分混合使用，如焊劑、活化劑、松香、觸融劑以及類似的成分。
本發(fā)明的釬焊材料是無鉛釬焊材料，因此使用這種釬焊材料進行釬焊的電子元件外電極最好使用無鉛釬焊材料。當選擇的釬焊材料和外電極材料不含鉛，則在凝固的釬料主體和外電極之間的連接部分就不會形成脆性的熔合物，所以能夠保證足夠高的連接強度和連接的可靠性。
這樣，在本發(fā)明的另一方面，如上所述，它提供了一種使用本發(fā)明釬焊材料的連接外電極的連接構(gòu)造，例如連接到基板上。
外電極的材料最好是以錫、鈀、錫-鉍、錫-銅或錫-銀為主要成分的材料?！爸饕煞帧北硎净?或占支配地位的)成分，而材料可以包含相對較少量的任何其他成分。
本發(fā)明還有另一個方面，它提供了一種用上述的本發(fā)明釬焊材料構(gòu)成的連接部分。該連接部分通常是使用本發(fā)明的釬焊材料釬焊形成的。這樣的連接部分可能包含除上述釬焊材料外的其他成分，例如在熔化狀態(tài)中從外電極(例如其上的電鍍材料)洗提到釬焊材料中的成分。連接部分還可以包括一些成分，它們原本就存在于除本發(fā)明釬焊材料外其它材料中的成分，它們在這些其它材料與熔化的釬焊材料接觸以形成連接部分時，以熔化的狀態(tài)轉(zhuǎn)移的釬焊材料中。
本發(fā)明的釬焊材料可以應(yīng)用于各種電氣/電子設(shè)備，這些設(shè)備中的每一個都有一個連接構(gòu)造，在連接構(gòu)造中至少有一個外電極用釬焊材料連接到諸如基板之類的某個物件上?！半姎?電子設(shè)備”包括各種設(shè)備和裝置，例如家用電器、視聽系統(tǒng)以及信息/通信裝置。家用電器包括，例如，電冰箱、洗衣機、空調(diào)等等。視聽系統(tǒng)包括，例如，數(shù)碼相機、便攜式攝像機、錄像機(或放像機)、電視機、數(shù)碼CD播放機(如迷你CD播放機和小型CD播放機)、雙耳耳機立體聲盒式磁帶錄音機等等，且更適宜于便攜式的類型(例如便攜式音響處理器)。還有，信息/通信裝置包括，例如，個人電腦、手機、個人電腦附件(如PC卡)以及汽車行駛系統(tǒng)等等。
這樣，在本發(fā)明的另一方面，它提供了一種電氣/電子設(shè)備(或裝置)，在其中使用了如上所述的本發(fā)明釬焊材料。
更具體地說，本發(fā)明提供了一種電子線路板，其中電子元件的外電極用上述的本發(fā)明釬焊材料的方式與基板上的接點連接。
本發(fā)明還有另一個方面，它提供了一種電子元件的安裝工藝，工藝包括用上述本發(fā)明的釬焊材料將電子元件的外電極連接到基板的接點上。也就是說，提供了一種方法，用來生成連接構(gòu)造、連接部分、電氣/電子設(shè)備或電子線路板，如前所述。
每種這樣制備的釬焊材料的熔點(℃)取為用不同熱分析器完全熔化釬焊材料時所測得的溫度。測得的熔點也列于表5至16中。
另外，用拉伸試驗機測量了每種釬焊材料的抗拉強度。測得值列于表5至16中?？勺⒁獾匠隋a(因為余量主要由錫組成)以外成分的比例均列出。此外，抗拉強度以“kgf/mm2”為單元表示，并且分別在圓括號中列出轉(zhuǎn)換成“106Pa”為單位時的值。
不僅如此，對所有用于電氣/電子設(shè)備的釬焊材料所要求的性能耐熱性、抗沖擊能力、輕質(zhì)性以及導(dǎo)電性都以五個等級的方式進行了評定，評定所依據(jù)的標準分別如下(1)耐熱性用上述的各種釬料分別把電子元件連接到線路板上來制成電子線路板，將這樣制成的電子線路板放在恒定溫度為125℃的空氣中，每隔500小時進行一次表觀檢查，查看在該釬焊材料制成的連接部分處是否有裂縫。這樣，根據(jù)下面的表1，就可以對每種材料的耐熱性(或熱疲勞強度)進行評定。例如，盡管在經(jīng)過時間1000小時時并沒有發(fā)現(xiàn)電子線路板上有裂縫，但是如果在經(jīng)過時間1500小時后的檢查中發(fā)現(xiàn)裂縫，那么該基板使用的釬焊材料被評定為等級3。盡管由于根據(jù)各個電子線路板而定的可靠性的要求的不同，本要求并不是必須的，但是通常釬焊材料最好被評定為3級或更高的等級，以使它能夠忍受長時間的連續(xù)工作。表1 耐熱性的評定標準

(2)抗沖擊能力用上述的各種釬料分別將電子元件連接到線路板上來制成電子線路板，讓這樣制成的電子線路板忍受下落高度為0.1米的落錘沖擊荷載試驗，然后通過評定電子元件是否可以正常工作(該測試稱為功能測試)來測試它們的電子功能。然后，對在功能檢查中運作良好的電子線路板，再對它們釬焊材料制成的連接部分的表面進行表觀檢查。這樣，根據(jù)下面表2所列的標準，可以對每一塊基板的釬焊材料抗沖擊能力進行評定。例如，如果一塊電子線路板在電子功能的測試中發(fā)現(xiàn)缺陷，那么用于該基板使用的釬焊材料就被評定為等級1。如果一塊電子線路板電子功能測試中功能良好，但在釬焊材料部分發(fā)現(xiàn)一條細小的裂縫，那么用于該基板使用的釬焊材料就被評定為等級3。盡管不是必須的，但用于釬焊的釬焊材料一般最好可以評定為等級3或更高。尤其是用于諸如要求高抗沖擊能力的便攜式設(shè)備中的釬焊材料更好的是可以評定為等級5?？勺⒁獾剑?中所用的“起皺”是指凝固的釬焊材料表面的起皺現(xiàn)象，這個現(xiàn)象在從皺紋就要發(fā)展到裂縫時可以觀察到。表2 抗沖擊能力評定標準

(3)輕質(zhì)性對上述各種釬焊材料中每一個的比重“dn”進行測量，并根據(jù)下面表3的標準，通過將這樣測得的比重與傳統(tǒng)的錫-鉛易熔釬焊材料的比重“d0”比較，來對它們重量上的輕質(zhì)性進行評定。盡管不是必須的，但是為了獲得至少相近于傳統(tǒng)的錫-鉛易熔釬焊材料的輕質(zhì)性，釬焊材料最好可以評定為等級4或更高的等級。應(yīng)注意到d0為8.3g/cm3。表3 輕質(zhì)性評定標準

(4)導(dǎo)電性對上述各種釬焊材料中每一個的電阻率“Rn”進行測量，并根據(jù)下面表4的標準，通過將這樣測得的電阻率與傳統(tǒng)的錫-鉛易熔釬焊材料的電阻率“R0”比較，來對它們的導(dǎo)電性進行評定。盡管不是必須的，但是為了獲得至少相近于傳統(tǒng)的錫-鉛易熔釬焊材料的導(dǎo)電性，釬焊材料的導(dǎo)電性最好可以評為等級5。應(yīng)注意到R0為0.2μΩ·m。表4 導(dǎo)電性評定標準

這樣評定的結(jié)果列于下面的表5至表16，表中分別列出了根據(jù)上述的標準評定的各種釬焊材料的性能(1)耐熱性；(2)抗沖擊能力；(3)輕質(zhì)性；(4)導(dǎo)電性。表5(例1)

注*)余量的成份主要為錫；以及**)抗拉強度值以“kgf/mm2”為單位表示，并同時分別轉(zhuǎn)換成以“106Pa”為單位的值列于在圓括號中。
這些注釋未在表6至表16中列出，但也同樣適用于表6至表16。表6(例1)

表7(例1)

表8(例1)

表9(例1)

表10(例1)

表11(例1)

表12(例1)

表13(例1)

表14(例1)

表15(例1)

表16(例1)

(比較例1)此外，作為例1的比較例，對傳統(tǒng)的錫-鉛易熔釬焊材料(也就是63Sn-37Pb合金材料)和Sn-3.5Ag易熔釬焊材料(也就是96.5Sn-3.5Ag合金材料)，以及通過向以錫-銀-鉍基釬焊材料添加銦、銅和/或鎳并具有某個不在本發(fā)明范圍內(nèi)的組成的材料作了類似于例1的評定。結(jié)果列于表17和18中。應(yīng)注意到，數(shù)值和等級均是以與表5至16中相同的方式列出的。表17(比較例1)

注**)抗拉強度值以“kgf/mm2”為單位表示，并同時分別轉(zhuǎn)換成以“106Pa”為單位的值列于在圓括號中。表18(比較例1)

注*)余量的成份主要為錫；以及**)抗拉強度值以“kgf/mm2”為單位表示，并同時分別轉(zhuǎn)換成以“106Pa”為單位的值列于在圓括號中。
列于表5至16的例1釬焊材料的熔點在162至218℃的范圍之內(nèi)，低于表17中(比較例1的編號2)所示的Sn-3.5Ag釬焊材料的熔點221℃，并且與表17中(比較例1的編號1)所示的錫-鉛易熔釬焊材料在相近的水平上。
至于力學(xué)強度，可以把如上所述抗拉強度作為一個度量，在其基礎(chǔ)上進行評定。例1的釬焊材料的抗拉強度在4.2kgf/mm2至6.3kgf/mm2(41.2×106Pa至61.7×106Pa)的范圍內(nèi)，參見表5至16。這樣的抗拉強度值遠高于錫-鉛易熔釬焊材料(比較例1的編號1)的抗拉強度值3.8kgf/mm2(37.2×106Pa)和Sn-3.5Ag釬焊材料(比較例1的編號2)的抗拉強度值3.0kgf/mm2(29.4×106Pa)，見表17。不僅如此，這樣的值也高于其組成在本發(fā)明范圍外的以錫-鉛-銦基釬焊材料(比較例1的編號3至18)的抗拉強度值，它們的值在2.5kgf/mm2至3.0kgf/mm2(24.5×106Pa至29.4×106Pa)的范圍內(nèi)。因此，例1的釬焊材料具有足夠高的力學(xué)強度，并且，可以理解，通過將以錫-鉛-銦基釬焊材料的組成選擇在本發(fā)明的范圍內(nèi)，是能夠提高其抗拉強度的。
此外，參見表5至16，例1中所有釬焊材料的耐熱性均被評定為等級5。因此，例1的釬焊材料具有足夠的熱疲勞強度，并可認它們能夠忍受長時間的連續(xù)工作。
同樣參見表5至16，例1的釬焊材料的抗沖擊能力與表17中(分別為比較例1的編號1和2)所示的錫-鉛易熔釬焊材料和Sn-3.5Ag釬焊材料的抗沖擊能力在相近的水平上，并且抗沖擊能力好于其組成在本發(fā)明范圍外的以錫-鉛-銦基釬焊材料(比較例1的編號3至18)。因此，例1的釬焊材料具有足夠好的抗沖擊能力，并且，可以理解，通過將以錫-鉛-銦基的釬焊材料的組成選擇在本發(fā)明的范圍內(nèi)，是能夠提高其抗沖擊能力的。
例1的釬焊材料的比重比錫-鉛易熔釬焊材料的比重輕，且重量上的輕質(zhì)性被評定為等級5，如表5至16所示。因此，例1的釬焊材料可更適宜于特別關(guān)注其輕質(zhì)性的裝置，例如便攜式的設(shè)備。
不僅如此，例1的釬焊材料的導(dǎo)電性也均被評定為等級5，如表5至16所示，與表17中(分別為比較例1的編號1和2)所示的錫-鉛易熔釬焊材料和Sn-3.5Ag釬焊材料的導(dǎo)電性在相近的水平上，并且高于其組成在本發(fā)明范圍外的以錫-鉛-銦基釬焊材料(比較例1的編號3至18)。因此，與傳統(tǒng)的錫-鉛易熔釬焊材料類似，例1的釬焊材料也可適用于高速運作的裝置。
從上面所述的結(jié)果看，可以理解，本發(fā)明的釬焊材料在重量上比錫-鉛易熔釬焊材料輕，具有比Sn-3.5Ag低的熔點，并且具有足夠的高的力學(xué)強度、耐熱性、抗沖擊能力以及導(dǎo)電性。
(例2和比較例2)在本例中，用根據(jù)本發(fā)明的釬焊材料將各種材料制成的外電極連接到基板上，連接時先加熱然后冷卻釬焊材料，形成連接構(gòu)造，所用的釬焊材料主要成分為1.0至4.0％重量的銀、1.0至20％重量的鉍、0.1至1.0％重量的鎳以及余量的錫。對于每一個這樣產(chǎn)生的連接構(gòu)造，用拉伸試驗機對基板和外電極之間的釬焊材料連接部分的連接強度(或結(jié)合強度)進行測量，在拉伸試驗機中外電極是被拉離基板的。
作為外電極的材料，錫、鈀和42Sn-58Bi材料使用于各個連接構(gòu)造中。另外，比較例2中還使用了63Sn-37Pb易熔釬焊材料制成的外電極。這樣測得的值列于表19。表19(例2和比較例2)

注***)連接強度值以“kgf”為單位表示，這些值與“N”為單位的值大致相同。
參見表19，例2的各個由無鉛材料鈀、錫、錫-鉍或錫-銀制成外電極連接構(gòu)造連接強度高于比較例2中由錫-鉛易熔釬焊材料制成外電極的連接構(gòu)造的連接強度。
工業(yè)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的釬焊材料，就可以提供一種無鉛的釬焊材料，這種釬焊材料具有足夠的力學(xué)強度，而且其熔點低于Sn-3.5Ag釬焊材料熔點并與錫-鉛釬焊材料的熔點相近。本發(fā)明的釬焊材料具有足夠的耐熱性(或耐熱疲勞強度)，所以它能夠忍受長時間的連續(xù)工作。此外，本發(fā)明的釬焊材料具有足夠的抗沖擊能力，并且由于其比重比錫-鉛易熔釬焊材料小而重量更輕，所以尤其更適宜用于便攜式設(shè)備等。不僅如此，本發(fā)明的釬焊材料具有與錫-鉛易熔釬焊材料和Sn-3.5Ag釬焊材料相近或更好的良好導(dǎo)電性，所以可更適宜用于高速運作的高性能設(shè)備。
另外，應(yīng)用本發(fā)明的釬焊材料還可以提供一種具有足夠連接強度的連接構(gòu)造和/或連接部分。盡管本發(fā)明的釬焊材料可以用于各種電子或電氣設(shè)計中，但是它特別適宜用作制造電子線路板的工藝中將電子元件安裝到基板上的釬焊材料。
本申請根據(jù)巴黎公約要求了日本專利申請?zhí)?000-281718的優(yōu)先權(quán)，2000年9月18日立案，案名為“釬焊材料和使用該釬焊材料的電子/電氣設(shè)備”。該申請的內(nèi)容已完整地援引于此，以作參考。
權(quán)利要求
1.一種釬焊材料，其主要成分為1.0％至4.0％重量的銀、1.0％至20％重量的鉍、0.1％至1.0％重量的鎳以及75％至97.9％重量的錫。
2.如權(quán)利要求1所述的釬焊材料，還包括0.1％至1.0％重量的銅，替代一部分的錫。
3.如權(quán)利要求1所述的釬焊材料，還包括1.0％至15.0％重量的銦，替代一部分的錫。
4.如權(quán)利要求2所述的釬焊材料，還包括1.0％至15.0％重量的銦，替代一部分的錫。
5.一種釬焊材料，其主要成分為錫、銀、鉍和鎳，且其熔點在160℃至215℃的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的釬焊材料，還包括替代一部分錫的銅。
7.如權(quán)利要求5所述的釬焊材料，還包括替代一部分錫的銦。
8.如權(quán)利要求6所述的釬焊材料，還包括替代一部分錫的銦。
9.一種連接構(gòu)造，其中使用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一個的釬焊材料，把外電極連接到某個物件(例如一塊基板)上，且制成外電極的材料的主要成分從一組組成錫、鈀、錫-鉍、錫-銅和錫-銀中選出。
10.一種用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一個的釬焊材料制成的連接部分。
11.一種電氣或電子設(shè)備，其中使用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一個的釬焊材料來形成連接。
12.一種電子線路板，其中電子元件的外電極用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一個的釬焊材料連接到基板的接點上。
13.一種將電子元件安裝到基板上的工藝，該工藝包括把電子元件的外電極用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一個的釬焊材料連接到基板的接點上。
全文摘要
提供了一種改進的無鉛釬焊材料，它更適宜用作電子元件安裝工藝中的連接材料。根據(jù)本發(fā)明的釬焊材料包含1.0％至4.0％重量的銀、1.0％至20％重量的鉍、0.1％至1.0％重量的鎳以及75％至97.9％重量的錫。
文檔編號H05K3/34GK1392817SQ01802792
公開日2003年1月22日 申請日期2001年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月18日
發(fā)明者山口敦史, 平野正人, 酒井良典 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社