CN100579337C - 封装结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种封装结构体，该封装结构体具有：多个软钎料凸起的多个部件、具有多个接合区的基板、以及连接上述软钎料凸起和上述接合区的软钎料连接部，设置在上述基板的外周部的接合区比上述基板的中央部的接合区小，其特征在于，在与设置在上述外周部的接合区连接的上述软钎料凸起的侧面设置抗焊剂。

Description

封装结构体
技术领域
本发明涉及使用毒性小的无铅软钎料合金的混载封装方法及其软钎焊装置，以及使用该软钎焊的封装结构体。该无铅软钎料合金，可以用于将电子零件连接到有机基板等电路基板上，是在220℃附近的软钎焊中使用的Sn-37Pb(单位：质量百分比)软钎料的替代品。
背景技术
以往，作为在电气制品的有机基板等电路基板上进行软钎焊方法，包括下述工序：向电路基板上喷吹热风，使印刷在电极上的焊膏熔融而进行表面封装部件的软钎焊的软熔钎焊工序；以及，使熔融的软钎料的喷流接触电路基板，进行插入封装部件或芯片部件等的一部分的表面封装部件的软钎焊的射流钎焊工序。
于是，将这种软钎焊方法称为混载封装方法。但是，该混载封装方法中的软熔钎焊工序中使用的焊膏和射流钎焊工序中使用的熔融的软钎料的喷流，都要求使用毒性少的无铅软钎料合金。
作为与使用这种无铅软钎料的封装方法有关的现有技术，已知有专利文献1至6等中公开的技术。
在专利文献1(特开平10-166178号公报)中，作为无铅软钎料，记载了Sn-Ag-Bi系软钎料或者Sn-Ag-Bi-Cu系软钎料合金。在专利文献2(特开平11-179586号公报)中，作为无铅软钎料，记载了将强力的Sn-Ag-Bi系软钎料与表面实加了Sn-Bi系层的电极连接。在专利文献3(特开平11-221694号公报)中记载了，使用以Sn为主成分并含有Bi：0～65质量百分比、Ag：0.5～4.0质量百分比、Cu或/和In合计：0～3.0质量百分比的无铅软钎料将电子器件软熔钎焊在由有机基板的第1面和第2面构成的2面的各个面上。在专利文献4(特开平11-354919号公报)中记载了，在用含有Bi的无铅软钎料连接电子器件和电路基板的方法中，使软钎料以约10～20℃/s的冷却速度进行冷却。在专利文献5(特开2001-168519号公报)中记载了，在基板的A面上采用软熔钎焊将电子器件进行表面连接组装，接着，在基板的B面上采用浇注钎焊将从A面侧插入的电子器件的引线浇注钎焊在电极上进行连接组装的方法，其中，在A面侧软熔钎焊中使用的软钎料是由Sn-(1.5～3.5重量百分比)Ag-(0.2～0.8重量百分比)Cu-(0～4重量百分比)In-(0～2重量百分比)Bi的组成构成的无铅软钎料，在B面侧浇注钎焊中使用的软钎料是由Sn-(0～3.5重量百分比)Ag-(0.2～0.8重量百分比)Cu的组成构成的无铅软钎料。在专利文献6(特开2001-36233号公报)中记载了，当使用比以往的Sn-37Pb熔点高的共晶成分的无铅软钎料进行浇注钎焊时，通过在部件本身和基板之间设置热传导材料，在软钎焊后的基板冷却时，有机基板和电子器件本身之间的温度差不会增大。
发明内容
但是，上述的任何一项现有技术都没有考虑以下的问题。
即，在无铅软钎料中具有代表性的Sn-3Ag-0.5Cu软钎料具有高的连接可靠性(在-55℃～125℃、1个循环/小时条件下的温度循环试验中)，因此，进行凸起连接的低耐热性表面封装部件一侧的软钎料凸起全部用该Sn-3Ag-0.5Cu软钎料形成，而软熔连接用焊膏由熔点200℃左右的Sn-9Zn、Sn-8Zn-3Bi形成。
第一个问题是，在软熔连接时外周部的部件向上翘曲，因此，在外周部即使焊膏虽然完全熔融，由于在熔融的膏和软钎料凸起之间滞留的助熔剂，有时候也会阻碍连接。据认为，这是由于滞留的助熔剂的表面张力使部件不能充分地沉入所致。另外，相反，软熔后基板的翘曲恢复原状时，软钎料向凸起侧面过剩地润湿扩展，结果，在连接部中形成一部分软钎料不足的连接的部分，有时连接强度会降低。
第二个问题是，使用无铅软钎料在低温度下软熔钎焊中，虽然考虑使用Sn-Zn系的软钎料，但Zn在软钎焊过程中容易被大气中的氧所氧化，因而，对于被软钎焊的电极或软钎料凸起润湿性恶化，该软钎料和被连接部件的界面上的连接强度，与其他的Sn-Ag系等软钎料的场合相比降低了。
本发明的目的是解决上述的问题，为了解决上述各问题，本发明提供了以下的方法。
首先，为了解决上述第一个问题，本申请的发明提出了如下的技术方案，即，在软熔连接时，使发生外周部的部件向上挠曲的部分、外周部附近的熔融的焊膏的上端比中央部附近的熔融的焊膏的上端高。另外，作为防止软钎料向凸起侧面过剩的润湿扩展的措施，提出在凸起上形成润湿扩展阻碍区域的方案。作为这种具体的措施，可举出如下：
(1)在部件被连接的基板上，使外周部附近的接合区尺寸(或者在接合区上形成的抗焊剂的开口部尺寸)比中央部附近的接合区尺寸(或者在接合区上形成的抗焊剂的开口部尺寸)小；
(2)在低耐热封装部件的外周部附近的软钎料凸起侧面上，涂布抗焊剂之类的阻碍软钎料润湿的材料；
(3)形成外周部附近的基板侧接合区的外周长是接合区尺寸的约3.7倍以上的形状；
(4)使得向用于与外周部附近的软钎料凸起连接的基板侧的焊膏供给量大约多10～50％。
其次，为了解决上述的第二个问题，在需要连接强度的产生较高应力的部位使用尽可能降低Zn含量的软钎料。
具体地说，连接前的软钎料凸起是以Sn-Zn系为主体，其组成，在中央部附近的凸起是Zn含量7-9质量百分比、余量为Sn，在外周部附近的凸起是Zn含量4-7质量百分比、余量为Sn。
这是因为，Zn含量为7-9质量百分比的软钎料，能够进行在210～215℃下的软熔钎焊，Zn含量为4-7质量百分比的软钎料，能够进行在215～220℃下的软熔钎焊是可能的，只要在中央部附近使用前者，在外周部附近使用后者，就可以实现一边保护耐热温度是220℃的表面封装部件一边进行软熔钎焊。
下面，详细说明用于解决第一个问题的措施。
首先，上述(1)的措施是，在连接具有凸起3的部件1的基板2上，相对于基板2的中央部(图1(a))的接合区4a的尺寸，使基板2的外周部附近(图1(b))的接合区4b的尺寸减小。这样，供给外周部附近的接合区4b上的焊膏接合区尺寸较小，因而熔融后，软钎料不能停留在基板接合区表面，熔融焊膏遍布至更高的位置，因此，即使对于外周部附近翘曲升高的部件的软钎料凸起，也能充分地连接。在此情况下，软熔之后，基板的翘曲恢复到原状，因此，关于焊膏的连接后的状态，如图1(a)所示，基板的外周部附近的由焊膏形成的软钎料连接部5b的相对于基板的高度，比起中央部的由焊膏形成的软钎料连接部5a的相对于基板的高度提高了。
接下来，如图2(a)所示，由于软钎料向部件1的软钎料凸起3侧面的润湿扩展，软钎料连接部5c的一部分变细，连接强度降低，对于这个问题，上述(2)的措施是，如图2(b)所示，在外周部附近的软钎料凸起3的侧面涂布抗焊剂6之类的阻碍软钎料润湿的材料。供给的焊膏，只在凸起下部的不阻碍软钎料润湿的部位润湿，不能逃逸到软钎料侧面，因此，可以得到不形成导致上述问题的细小部位的软钎料连接部5d。
另外，上述(3)的外周部附近的基板侧接合区的外周长超过中央部的接合区尺寸(直径)的约3.14倍(圆周率)，在形成这样的形状的的场合，接合区形状变成偏离正圆的复杂的形状，若超过约3.7倍，供给至外周部附近的接合区上的焊膏就变得对接合区不易润湿，因此，在与上述(1)的方法同样熔融后，软钎料就不能充分地留在基板接合区表面，高度能够高于中央部。
因此，采用该方法，软熔时外周部附近翘曲上升的部件的软钎料凸起中任何部位的焊膏，熔融之后都能够接触。
最后，在上述(4)的措施的场合，即，使得向用于与外周部附近的软钎料凸起连接的基板侧的焊膏供给量大约多10～50％时，也应该得到和上述(1)～(3)同样的效果。
因此，本发明提供一种封装结构体，该封装结构体具有：分别具有多个软钎料凸起的多个部件、具有多个接合区的基板、以及连接上述软钎料凸起和上述接合区的软钎料连接部，设置在上述基板的外周部的接合区比上述基板的中央部的接合区小，其特征在于，在与设置在上述外周部的接合区连接的上述软钎料凸起的侧面设置抗焊剂。
本发明的目的以及本发明的特征和优点，从下述的本发明的优选实施方式的更详细的描述中可以看得更清楚，所述的优选实施方在附图中予以图解说明。
附图说明
图1(a)是表示基板中央部的低耐热封装部件与基板的连接处的图。图1(b)是表示基板外周部的低耐热封装部件与基板的连接处的图。
图2(a)是表示基板外周部的基板的接合区和部件的通常的凸起的连接处的图，图2(b)是表示基板外周部的基板的接合区和在部件的一部分上涂布了抗焊剂的凸起连接处的图。
图3是表示将连接低耐热封装部件的基板的外周部附近的基板侧接合区在直径0.5mm的圆形上设置4个缺口部、外周长为接合区尺寸的约3.8倍的状态的图。
具体实施方式
以下就本发明的实施方式作详细地说明。
实施例1
在印刷了Sn-9Zn焊膏(供给厚度：0.15mm、供给直径：0.5mm)的电路基板上，搭载作为低耐热部件的フルグリツドBGA(耐热温度：220℃、部件尺寸：23mm×23mm，凸起间距：1.0mm、凸起数：484(22行×22列)、凸起组成：Sn-9Zn)，进行软熔钎焊，使部件中央部的凸起的峰值温成为220℃。
另外，在连接中，作为以下的2种基板，基板B一方以外侧5列(340凸起)作为外周部，该部分的接合区尺寸比中央部的接合区尺寸小。
因此，将剩余的12行×12列(144凸起)的部分称为中央部。
另外，在各自的基板试样中，每1片基板连接1个BGA，各制作100片，合计200片。
<基板A>
中央部的接合区尺寸(直径)：0.5mm
外周部的接合区尺寸(直径)：0.5mm
<基板B>
中央部的接合区尺寸(直径)：0.5mm
拐角部的接合区尺寸(直径)：0.4mm
结果，在基板A上1％的基板上发生凸起和焊膏熔融部未连接，而在基板B上，没有发生未连接。
另外，从各试样中各选择10片、合计20片没有发生未连接的基板，进行温度循环试验(-55～125℃、1个循环/小时)，结果证实，基板A的10枚中有2片，经过约200次循环后在拐角部在BGA侧的电极和软钎料凸起界面发生破断。
但是，基板B上经过500次循环后也没有发现断裂。因而，证实本发明的方法具有防止出现未焊接连接以及提高连接可靠性的效果。
实施例2
在印刷了Sn-9Zn焊膏(供给厚度：0.15mm、供给直径：0.5mm)的电路基板上，搭载作为低耐热部件的フルグリツドBGA(耐热温度：220℃、部件尺寸：23mm×23mm，凸起间距：1.0mm、凸起数：484(22行×22列)、凸起组成：Sn-9Zn)，进行软熔钎焊，使部件中央的凸起的峰值温度为220℃。
再者，连接时使用以下的基板、部件A和B。
<基板>
中央部的接合区尺寸(直径)：0.5mm
外周部的接合区尺寸(直径)：0.5mm
<部件A>
对于上述BGA不进行任何处理。
<部件B>
以上述BGA的外侧5列(340凸起)作为外周部，在该部分的凸起表面的一部分上涂布抗焊剂。
另外，此时形成高度后，在部件封装侧约60％的部分进行涂布，使得在与焊膏接触一侧的高度上约40％不附着。因此，将剩余的12行×12列(144凸起)的部分称为中央部，在此不涂布抗焊剂。
另外，在各自的基板试样上，每1片基板连接1个BGA，各制作100片，合计200片。
将连接了部件A、B的基板分别称为基板A、B。
结果，在基板A上1％的基板上发生了凸起和焊膏熔融部未连接的情况，而在基板B上没有发生未连接。
另外，从各试样中各选择10片、合计20片没有发生未连接的基板，进行温度循环试验(-55～125℃、1个循环/小时)，结果证实，基板A的10片中有2片经过约200次循环后在拐角部、BGA侧的电极和软钎料凸起界面发生断裂。
可是，在基板B上，经过500次循环后仍未观察到开裂。因此，证实本方法具有防止软钎料未连接以及提高连接可靠性的效果。
实施例3
在印刷了Sn-9Zn焊膏(供给厚度：0.15mm、供给直径：0.5mm)的电路基板上，搭载作为低耐热部件的フルグリツドBGA(耐热温度：220℃、部件尺寸：23mm×23mm，凸起间距：1.0mm、凸起数：484(22行×22列)、凸起组成：Sn-9Zn)，进行软熔钎焊，使部件中央部的凸起的峰值温度达到220℃。
再者，在连接时，作为以下的2种基板，基板B一方以外侧5列(340凸起)作为外周部，该部分的基板侧接合区形状7，如图3所示，通过在直径0.5mm的圆形上在4个地方设置缺口部，使外周长为接合区尺寸的约3.8倍。
另一方面，将剩余的12行×12列(144凸起)的部分称为中央部，该部分为直径0.5mm的圆形。
另外，在各自的基板试样上，每1片基板连接1个BGA，各制作100片，合计200片。
结果，基板A中1％的基板上发生凸起和焊膏熔融部未连接，而在基板B上没有发生未连接。
另外，从各试样中各选择10片、合计20片没有发生未连接的基板，进行温度循环试验(-55～125℃、1个循环/小时)，结果证实，基板A的10片中有2枚经过约200次循环后在拐角部、BGA侧的电极和软钎料凸起界面发生开裂。
但是，在基板B上经过500次循环后仍未观察到开裂。因此，证实本方法具有防止软钎料未连接和提高连接可靠性的效果。
实施例4
在印刷了Sn-9Zn焊膏(供给厚度：0.15mm)的电路基板上，搭载作为低耐热部件的フルグリツドBGA(耐热温度：220℃、部件尺寸：23mm×23mm，凸起间距：1.0mm、凸起数：484(22行×22列)、凸起组成：Sn-9Zn)，进行软熔钎焊使部件中央部的凸起的峰值温度为220℃。
再者，在连接时，作为以下的4种基板，基板B、C和D以外侧5列(340凸起)作为外周部，使该部分的焊膏供给直径比剩余的12行×12列(144凸起)的部分(称为中央部)大，供给较多的焊膏。
另外，在各自的基板试样上，每1片基板连接1个BGA，各制作50片，合计制作200片。
<基板A>
中央部的焊膏供给直径：0.5mm
外周部的焊膏供给直径：0.5mm
<基板B>
中央部的焊膏供给直径：0.5mm
外周部的焊膏供给直径：0.53mm
<基板C>
中央部的焊膏供给直径：0.5mm
外周部的焊膏供给直径：0.6mm
<基板D>
中央部的焊膏供给直径：0.5mm
外周部的焊膏供给直径：0.65mm
结果，在基板A中，2％的基板上发生凸起和焊膏熔融部未连接的情况，而在基板B、C和D上没有发生未连接。
不过，在基板D中，4％的基板上在相邻的连接部彼此间发生软钎料跨接。
另外，在基板A、B、C、D中，外周部附近的焊膏供给量，与内部附近相比，分别增多0％、约12％、约44％、约69％。
另外，从各试样中各选择10片、合计40片没有发生未连接或软钎料跨接的基板，进行温度循环试验(-55～125℃、1个循环/小时)，结果证实，基板A的10片中有2片经过约200次循环后在拐角部、在BGA侧的电极和软钎料凸起界面处发生破断。
可是，在基板B、C和D中，经过500次循环后也未观察到破断。因此，证实本方法具有防止软钎料未连接和提高连接可靠性的效果。
实施例5
在印刷了Sn-9Zn焊膏(供给厚度：0.15mm、供给直径：0.5mm)的电路基板上，搭载作为低耐热部件的フルグリツドBGA(耐热温度：220℃、部件尺寸：23mm×23mm，凸起间距：1.0mm、凸起数：484(22行×22列))，使部件中央部的凸起的峰值温度为220℃地进行软熔钎焊。另外，在连接时使用以下的基板。
该基板以外侧5列(340凸起)作为外周部，该部分的接合区尺寸比中央部的接合区尺寸减小。
剩余的12行×12列(144凸起)的部分为中央部。
而且，在中央部设置Sn-9Zn软钎料凸起，在外周部也设置Sn-9Zn软钎料凸起，以这样得到的部件作为部件A。
另外，在中央部设置Sn-9Zn软钎料凸起，在外周部设置Zn含量较少、高可靠性的Sn-4Zn软钎料，以这样得到的部件作为部件B。
然后，在各自的基板试样中，每1片基板连接1个BGA，各制作100片，合计制作200片。
<基板规格>
中央部的接合区尺寸(直径)：0.5mm
拐角部的接合区尺寸(直径)：0.4mm
结果，在基板A、B上都没有发生凸起和焊膏熔融部未连接的情况。
另外，自各试样中各使用10片基板、合计20片基板，进行温度循环试验(-55～125℃、1个循环/小时)，结果证实，基板A的10片中有1片经过约700次循环后在拐角部、在BGA侧的电极和软钎料凸起界面处发生破断。
而在基板B中，经过1000次循环后也未观察到破断。因此，证实本方法具有防止软钎料未连接和提高连接可靠性的效果。
以上，对于几个实施例，以Sn-Zn系焊膏为例进行了说明，但本发明不限于此，不言而喻，即使是其他的焊膏，与构成组合时也有效果。
本发明可以提供一种方法，通过改善与进行凸起连接的低耐热性部件的凸起相连接的焊膏供给形状或组成，可以保护该部件不受热的影响，在确保高的连接可靠性的情况下进行该部件的软熔钎焊。
在不脱离其精神或基本特征情况下本发明可以包括其他的具体的形式。因此，该具体实施方式应当被认为是例证性的而非限制性的，本发明的范围由后附的权利要求而不是上述的描述来表明，在权利要求的等效的含义和范围内的所有变化都应被包含在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种封装结构体，该封装结构体具有：分别具有多个软钎料凸起的多个部件、具有多个接合区的基板、以及连接上述软钎料凸起和上述接合区的软钎料连接部，设置在上述基板的外周部的接合区比上述基板的中央部的接合区小，该封装结构体的特征在于，在与设置在上述外周部的接合区连接的上述软钎料凸起的侧面设置抗焊剂。
2.根据权利要求1所述的封装结构体，其特征在于，设置在上述外周部的接合区的外周长是上述中央部的圆形接合区的直径的3.7倍以上。
3.根据权利要求1所述的封装结构体，其特征在于，上述外周部的凸起的组成是：Zn含量为4至7质量百分比、余量为Sn，上述中央部的凸起的组成是：Zn含量为7至9质量百分比、余量为Sn。
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