CN100400217C - 焊接方法和制备元件安装板的方法 - Google Patents

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Abstract

通过在包括电路板和电子元件的要连接部分的Cu表面的连接界面上形成Cu和Sn的复合物或合金而防止因Cu-Zn复合层导致连接部分的恶化，并然后通过应用组成中含有Sn和Zn的焊接材料进行焊接。

Description

焊接方法和制备元件安装板的方法
本申请以日本专利申请2003-026745为基础，其在此引入并作参考。
技术领域
本发明涉及一种使元件安装到电子电路板上的焊接方法，和一种通过焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
背景技术
近年来，为了电子元件的安装，要求改进焊接部分机械强度和要求改进诸如耐热骤变性的可靠性特征日益增加。另一方面，随着对保护全球环境的兴趣日益增长，通过法律也促进了调整关于电子电路板等的工业废弃物。相应地，需要涉及同时满足这两项要求的焊接的改进。
传统焊接材料的主要组分为Sn和Pb并具有63Sn-37Pb的组成。
下面通过附图说明使用传统焊接材料的焊接方法中电子元件的连接结构和电子电路板。
图3为使用传统焊接材料的连接结构的示意图。图3中，1为焊接材料，其包括Sn和Pb作为组分，2为电子元件的电极，3为电子电路板的焊盘，其含有Cu作为组分，并且4为包括Cu和Sn的复合层，并在连接界面形成。传统的焊接材料具有比较低的熔点并且在高温高湿的环境下的连接部分的可靠性实际上也已足够。但是，考虑到上述的保护全球环境，使用Pb的焊接材料是不适宜的。
因此，可推荐使用无铅焊料，即不含铅的焊接材料。然而，由Sn和Ag作为主要组分制成的焊料，是一种无铅焊料的实例之一，具有比Sn-Pb焊料的熔点高30-40℃的熔点，并且因此其焊接温度高于含铅焊料的焊接温度。从而，焊接温度有时会超过电子元件的耐热温度，并且该无铅焊料具有导致电子元件损坏的缺点。另外，该焊料在湿润性方面还存在不如Sn-Pb焊料的问题。
还想到了使用含有Sn和Zn作为基本组分并且具有比Sn-Pb焊料的熔点高10-20℃的熔点的焊料。
图4为显示连接结构的示意图，其中使用含有Sn和Zn作为基本组分的焊接材料。图4中，5为Sn-Zn焊料并且6为在需连接部件的焊盘3的连接界面形成的Cu-Zn复合层。例如，参见未审查的日本专利申请号Hei-09-094688。
虽然用含有Sn和Zn作为基本组分的焊接材料进行焊接降低了对电子元件的热损坏，但是当在高温高湿的环境下使用电子电路板时，该焊接材料会引起连接部分恶化的问题。在Cu-Zn复合层6和Sn-Zn焊料5的表面中存在的Zn在高温高湿的环境下洗脱，认为这是导致恶化的原因。
发明内容
本发明的目的在于在电子电路板上实现一种在耐高温高湿下性能优异的连接部分。
为了实现该目的，在根据本发明的焊接方法中，在包括要连接的第一组件和第二组件之间的连接部分的Cu表面的连接界面上形成Cu和Sn的化合物或合金，并然后通过使用组成中含有Sn和Zn的焊接材料进行焊接。该Cu表面或者存在于第一组件或第二组件上，或者同时存在于第一和第二组件上。
这方法可以防止因Cu-Zn复合层引起的连接部分的恶化。
另外，还可以通过应用这种焊接来连接电路板和电子元件而制得在耐高温高湿方面呈优异的连接部分的元件安装板。
附图说明
附图中：
图1为显示通过应用含有Sn和Zn作为基本组分的焊接材料而制得的连接结构的示意图，连接结构涉及实现发明的方式；
图2为显示通过应用含有Sn和Zn作为基本组分并且加入少量Ni的焊接材料而制得的连接结构的示意图，连接结构涉及实现发明的方式；
图3为显示通过应用传统焊接材料而制得的连接结构的示意图；和
图4为显示通过应用含有Sn和Zn作为基本组分的焊接材料而制得的连接结构的示意图。
具体实施方式
下面通过附图阐述本发明。该各幅附图中，相同的组件给以相同的标记，并且因此省略了其说明。
图1为显示通过应用含有Sn和Zn作为基本组分的焊接材料而制得的连接结构的示意图，连接结构涉及实现发明的方式。图1中，11为Sn-Zn焊料，12为在连接界面形成的Cu-Sn复合层，13为要连接部件的焊盘，并且14为电子元件的电极。
Sn-Zn焊料11具有比Sn-Pb焊料的熔点高约10-约20℃的熔点。在研究过程中，发现了，当Cu和Sn形成复合物或合金的条件下，对电子电路板上的焊盘13的Cu表面进行焊接时，这种焊接由于Cu母材料与Sn-Zn焊料11中的Zn直接反应而具有抑制Cu-Zn复合物的形成，Cu母材料与Sn-Zn焊料11中的Zn的反应优于Sn。还发现了：如果Cu和Sn的复合物或合金的厚度超过5μm，使化合物或合金具有坚硬和易碎的特性以降低界面强度。因此，当在电子电路板的焊盘13的Cu表面上形成具有5μm或更薄的厚度的复合物或合金的条件下进行焊接时，由于Cu母材与Sn-Zn焊料11中的Zn直接反应而抑止Cu-Zn复合物的形成，因而获得在耐高温高湿方面呈优异的连接部分。
当把少量比Zn更易进行氧化的金属如Ni预先加入到前述焊料中时，在焊料表面可以优先形成所加入金属的氧化层。图2为显示通过应用含有Sn和Zn作为基本组分并且加入少量Ni的焊接材料而制得的连接结构的示意图，连接结构涉及实现发明的方式。图2中，15为含有Sn和Zn作为基本组分并且加入少量Ni的焊接材料，并且16为Ni氧化层。Ni氧化层16在高温高湿环境下起防止焊料中所含Zn的洗脱作用。加入到焊料中的Ni量为0.1重量百分数或更少，并优选0.01重量百分数或更少。Ni的量超过0.1重量百分数导致焊料的湿润性明显降低，而使其难以确保足够的焊接质量。因此，Zn含量理想地为5-10重量百分数。另外，焊接材料优选含有0.1-5.0重量百分数的Bi。
当把少量比Zn更易进行氧化并在高温高湿环境下不被洗脱的Al、Si、In、Mn、Ge、Mo或P加入到焊料中时，获得了相似的效果。
为了形成Cu和Sn的复合物，存在用含Sn金属覆盖Cu表面，并其后进行热处理的方法。用含Sn金属覆盖Cu表面也可通过电镀、浸入熔融金属或气相沉积而实施。对于通过电镀或气相沉积进行覆盖，必须通过热处理而在连接界面形成Cu和Sn的复合层。并且在浸入熔融金属的方法中，通过热处理进一步生长Cu和Sn的复合层可以抑止Cu-Sn复合层的形成，而制备在耐高温高湿方面呈优异的连接部分。
覆盖层的种类包括：Sn覆盖层、Sn-Bi覆盖层、Sn-Ag覆盖层、Sn-Cu覆盖层、Sn-Ag-Cu覆盖层和Sn-Ag-Bi覆盖层等。覆盖层的厚度理想是调节到10μm或更薄。其原因是：超过10μm导致在焊接时覆盖层金属熔融到焊料中或者使金属残留在界面上，甚至即使金属不熔融，导致连接部分的性质变差。
另外，虽然推测在连接界面形成的层是Cu-Sn复合层，但是也可能是Cu-Sn合金层。
另外，通过预先制备Cu-Sn复合物或合金并将其放在焊接部分上可能形成相似的效果。
对电子元件的端电极覆盖也给出和对电子电路板的Cu焊盘覆盖相似的效果。
此外，还可以根据上述方法，通过焊接电路板和电子元件制备一种在耐高温高湿方面呈优异的连接部分的元件安装板。
如上所述，根据本发明，可以通过在具有成为连接部分的Cu表面的连接界面上形成Cu和Sn的复合物或合金，并然后通过使用在组成中含有Sn和Zn的焊接材料进行焊接，而获得防止连接部分因Cu-Zn复合层导致恶化的有益效果。
此外，还可以通过用这种焊接连接电路板和电子元件来制备在耐高温高湿方面呈优异的连接部分的元件安装板。
虽然已经以一定程度特殊性的优选方式说明了本发明，但是应理解：优选方式的发明公开在不背离下面要求的本发明的精神和范围下可以在结构的细节方面和各部分的组合和布置方面进行改变。

Claims (18)

1.一种焊接方法，包括步骤：
提供具有包含Cu表面的连接界面的连接部分；
预先制备Cu和Sn的复合物或合金，将该复合物或合金层在焊接之前放在该连接界面；和
以含Sn和Zn组成的焊接材料进行焊接。
2.按照权利要求1的方法，其中复合物或合金的厚度为5μm或更薄。
3.按照权利要求1的方法，其中用于形成Cu和Sn的复合物的方法为使用含Sn金属覆盖Cu表面并进行热处理的方法。
4.按照权利要求3的方法，其中覆盖层为Sn覆盖层、Sn-Bi覆盖层、Sn-Ag覆盖层、Sn-Cu覆盖层、Sn-Ag-Cu覆盖层和Sn-Ag-Bi覆盖层中之一。
5.按照权利要求3的方法，其中覆盖方法为电镀、浸渍法和气相沉积中之一。
6.按照权利要求3的方法，其中覆盖层的厚度为10μm或更薄。
7.按照权利要求1的方法，其中焊接材料进一步包括比焊接材料中的Zn更易进行氧化的金属。
8.按照权利要求7的方法，其中所述金属选自Al、Ni、Si、In、Mn、Ge、Mo和P中的任一种。
9.按照权利要求8的方法，其中所述金属的量为0.1重量百分数或更少。
10.一种通过根据权利要求1的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
11.一种通过根据权利要求2的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
12.一种通过根据权利要求3的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
13.一种通过根据权利要求4的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
14.一种通过根据权利要求5的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
15.一种通过根据权利要求6的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
16.一种通过根据权利要求7的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
17.一种通过根据权利要求8的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
18.一种通过根据权利要求9的方法进行焊接电路板和电子元件而制备元件安装板的方法。
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