CN101031385A - 焊料组成物及使用该焊料组成物的焊料层形成方法 - Google Patents

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Abstract

焊料组成物(10)用于在设置于基板(20)的电极(21)上形成焊料层，包括：由被有机保护膜(11)覆盖的众多焊料颗粒(12)形成的焊料粉末；以及其沸点大于等于该焊料粉末熔点的媒介物(13)。电极(21)上的焊料层通过焊料颗粒(12)与焊料层聚结而成长。因此，由于焊料颗粒(12)聚结的进行，当焊料层的每单位表面积的有机保护膜的量达到一定量时，焊料层停止成长。也就是，焊料层最终的焊料量取决于最初的焊料颗粒(12)的大小及有机保护膜(11)的量。这样能制止焊料颗粒(12)在电极(21)上超过需要地聚结的情况发生，所以能防止在电极(21)上产生短路等不良现象。

Description

焊料组成物及使用该焊料组成物的焊料层形成方法
技术领域
本发明涉及半导体器件和电子零部件的安装技术，更具体地说，涉及在设置于基板上的电极上形成焊料层用的焊料组成物，以及使用该焊料组成物的焊料层形成方法。
背景技术
现有的在基板上形成焊料层的方法已知有以下几种，即将焊膏通过金属掩模的图形印刷在基板上之后再加热熔融形成焊料层的印刷法、将基板浸泡在熔融的焊料中预涂焊料的浸泡法、利用光刻法在基板上形成图形后再利用真空蒸镀形成焊料层的蒸镀法、利用电镀形成焊料层的电镀法等。前述基板如半导体基板、印刷电路板、插入式(ィンタポ-ザ)基板等那样，是将安装电子零部件的基板或安装了电子零部件的基板的总称。
另外，专利文献1中记载的一项技术为，对焊料粉末和有机金属盐的混合物进行加热，利用焊料与有机金属盐的置换反应使其析出所要的焊料合金，从而在基板上的电极上形成焊料层。
再有，虽然不是焊料层形成方法，但在专利文献2中记载着这样的一项技术，即在加热的油状液体分散熔媒中使焊料熔融，对其搅拌形成液滴状的微粒，将其冷却固化后得到球状焊料颗粒的油中粉化法。
专利文献1：日本特许第2975114号公报
专利文献2：日本特開2003-166007号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，用前述已有的焊料层形成方法应对近些年的电极越来越细微及间距越来越狭窄、以及焊料无铅化的技术动向，则存在以下的问题。
印刷法作为一项将电子零部件安装在印刷电路板上的技术是最为常用的。但是对于在细微、间距狭窄的电极上形成焊料层，存在诸多问题，金属掩模的加工变得困难以及机械强度的降低，还有在印刷后焊膏的塌边，随此产生的短路(搭桥)等。
浸泡法也存在以下的问题，即间距狭窄的电极间产生搭桥、细微的电极被腐蚀，更由于焊料表面张力的关系不能形成较厚的焊料层等问题。
真空蒸镀法由于要引入光刻工序，生产成本随此增加很多，所以仅限于特殊用途的产品。
电镀法对于现有的锡铅焊料相当有效。但是形成无铅焊料、例如锡银铜系焊料的电镀因为组成金属的析出电位显著变高，所以极其困难。另外，能电镀的金属种类也有限制。再者，在电镀后有必要利用蚀刻除去为了施加电场而形成于被处理物上的籽层(シ-ド
Figure A20058003291900041
)(金属导电层)。因此，由于蚀刻不良造成的电极间的短路(绝缘不良)的问题将随着间距变得越来越窄而日趋严重。
再有，用专利文献1中所述的技术的情况下，锡铅合金粉末中离子化倾向大的锡成为锡离子，与有机铅盐的铅发生置换反应，铅被锡铅合金粉末吸收，随着铅组分的增加熔点下降，锡铅合金粉末溶解，堆积于电极上。但是这里也和电镀一样，由于合金系中的离子化倾向支配置换反应，所以合金系的选择余地并不大。另外，由于锡银铜系焊料合金的熔点对于组分的变动不是很敏感，所以要在细微的电极上一样地形成一定组成的合金是件非常困难的事。也就是说，由于该材料存在容易引起组分变动的问题，所以难以形成组分均匀的焊料层。
本发明的目的在于提供一种能解决伴随着电极的细微化及焊料的无铅化而产生的上述诸多问题的焊料组成物以及使用该焊料组成物的焊料层形成方法。
解决问题的手段
为达到上述目的，本发明的焊料组成物，用于在基板的电极上形成焊料层，其特征在于，包含焊料粉末和媒介物的混合物，
所述焊料粉末具有抑制焊料粉末的颗粒的聚结的聚结抑制膜，所述媒介物为其沸点大于等于焊接温度的溶剂。另外，所述聚结抑制膜最好由有机保护膜构成。还有，所述媒介物也可以是液体或膏状体中的任一种。
所述焊料粉末的颗粒(以后称为焊料颗粒)近似球状，直径也大致均匀。这里，若将焊料组成物加热至大于等于焊接温度(包括焊料粉末的熔点)，则n个焊料颗粒聚结，该聚结的焊料颗粒的体积及有机保护膜量增大到n倍、其表面积增加到n2/3倍。因此，由n个焊料颗粒聚结的新颗粒其每单位表面积的有机保护膜量增加到n1/3倍。也就是，焊料颗粒越是聚结，聚结的焊料颗粒的每单位表面积的有机保护膜量就越增加。例如，若8个焊料颗粒聚结，该聚结的焊料颗粒的体积及有机保护膜量增加到8倍、其表面积增加到4倍、其每单位表面积的有机保护膜量增加到2倍。另外，所述每单位表面积的有机保护膜量越增加，被有机保护膜覆盖的焊料颗粒彼此之间的接触越加困难，因此焊料颗粒的聚结得到抑制。
另一方面，电极上的焊料层通过焊料颗粒与焊料层聚结而成长。因此，随着电极上焊料颗粒的聚结的进行，当焊料层的单位表面积的有机保护膜量达到一定量时，焊料层停止成长。也就是，焊料层的最终的焊料量除了取决于电极的大小外，还取决于最初的焊料颗粒的大小及有机保护膜量。还有，每单位表面积的有机保护膜量达到一定量的焊料颗粒也不会与焊料层聚结。
借助于此，能够抑制焊料颗粒在电极上超过需要地聚结，所以能使焊料层的焊料量均匀化，同时还能防止电极短路等问题。例如最初的焊料颗粒的有机保护膜量可以设定成在焊料层到达一定的焊料量之前允许焊料颗粒与焊料层聚结，若超过一定的焊料量则加以抑制。
本发明的焊料组成物也可以将促进前述焊料粉末的颗粒的聚结的聚结促进剂，和抑制前述焊料粉末的颗粒的聚结的聚结抑制剂中的至少一种添加于前述混合物中。所述聚结促进剂最好含有酸成分，所述酸成分最好含有羧酸、松香中的至少一种。另外，所述聚结抑制剂最好含有有机酸的金属盐，所述有机酸的金属盐最好由前述酸成分和构成所述焊料粉末的颗粒的金属组成。还有，前述聚结促进剂含有酸成分，前述聚结抑制剂含有机酸金属盐，所以也可以以酸成分、有机酸金属盐为主要成分。再有，也可以在新的聚结促进剂、聚结抑制剂中含有酸成分、有机酸金属盐。
酸成分促进焊料颗粒的聚结，而有机酸金属盐抑制焊料颗粒的聚结，所以能调节有机保护膜的作用。作为酸成分的羧酸是例如甲酸、油酸、甘油三酯酸、草酸等，作为酸成分的松香有例如L-松香酸、松香、氢化松香等松香衍生物等。
另外，所述焊料粉末的颗粒最好是锡、铟或其合金中的任一种。再有，所述焊料粉末的颗粒可以是在前述单体金属或前述合金中含有铜、银、金、镍、铅、铋、锑、锌、锗或铝等中的至少某一种的合金。另外，所述媒介物可以是包含碳化氢类、酯类、醇类或乙二醇类中的至少某一种的媒介物。
本发明的焊料层形成方法，其特征在于，包括：将焊料粉末和溶剂的混合物涂布于基板上的工序；以及使所述焊料粉末熔融，并控制所述焊料粉末的颗粒的聚结，在所述基板的电极上形成由所述焊料粉末形成的焊料层的工序。
以下对为了获得所需的焊料层的高度所用的焊料颗粒及其有机保护膜量的设计方法进行说明。
设焊料颗粒的体积记为V1、有机保护膜量记为F1。焊料颗粒的形状为球形。为了形成焊料层而聚结的全体焊料颗粒的体积记为V2、有机保护膜量记为F2、表面积记为S2。电极的面积记为S0。设表示焊料层表面积和电极的面积间关系的校正系数为A。设为了形成焊料层而聚结的全体焊料颗粒的每单位表面积的最大有机保护膜量为Fmax。
这时以下的关系式成立。
F2＝(V2/V1)×F1                          …(1)
Fmax＝F2/S2                              …(2)
S2＝A×S0                                …(3)
将式(3)代入式(2)可得下式。
Fmax＝F2/(A×S0)
∴F2＝Fmax×A×S0                        …(4)
然后将式(4)代入式(1)得到下式。
Fmax×A×S0＝(V2/V1)×F1                 …(5)
∴F1＝(V1/V2)×Fmax×A×S0               …(6)
这里，与所要的焊料层的高度相对应决定V2，若V1、Fmax、A、S0都已定，则可根据式(6)求出F1。
另外，若焊料颗粒的大小(即V1)尚未定，则求满足从式(5)求得的下式(7)的关系的F1、V1。
F1/V1＝(1/V2)×Fmax×A×S0               …(7)
还有，在式(3)中，校正系数A根据焊料层的体积、电极形状、为了形成焊料层而聚结的全体焊料颗粒的表面张力等取不同的值。例如焊料层体积越大，焊料层的表面积亦大，所以A也为较大的值。电极的形状由于方形较圆形难以形成球面，表面积增大，所以A也为较大的值。为了形成焊料层而聚结的全体焊料颗粒的表面张力小，但由于难以形成球面而表面积增大，所以A也为较大的值。实际校正系数A可通过实验求得。
如上所述，本发明是在利用已有的焊膏的电子零部件的安装方法上，着眼于焊膏中的焊料颗粒的聚结的进行并形成焊料连接部的现象而完成的，通过控制焊料颗粒的聚结，能在电极上形成所要的焊料量的焊料层。
在焊膏中，焊料粉末表面氧化，所以添加活性剂。为了与细微的图案对应，焊料颗粒也应做得很细。因此焊料粉末的颗粒的总表面积增加，所以使其表面氧化所需的焊膏中的活性剂也有增加的倾向。另外，焊料颗粒表面的氧化膜由于具有防止焊料颗粒彼此之间凝聚的效果，在制作焊膏上成为一个重要的因素。但从细微化及焊料浸润性角度看，焊料粉末氧化量增大是不理想的。因而，本发明中，作为防止凝聚的一种手段，关注有机保护膜，通过在焊料颗粒表面形成有机保护膜，控制焊料颗粒的聚结。
即本发明为由表面具有有机保护膜的焊料粉末、和使焊料粉末分散的溶剂(媒介物)组成的焊料组成物。例如利用专利文献2所述的油中粉化法制造焊料颗粒，能在焊料颗粒的表面形成有机保护膜。另外，溶剂(媒介物)的沸点大于等于包括焊料的熔点在内的焊接温度。再有，也可以赋予调整有机保护膜用的酸成分或有机酸金属盐。
然后，将该焊料组成物涂于基板的电极上，当加热至焊接温度以使的温度时，焊料粉末熔解。这时，与电极接触的焊料粉末的颗粒浸润于电极上，形成焊料层。电极上的焊料层与焊料粉末的颗粒的聚结每进行一次，表面的有机保护膜就变得更紧密。而当有机保护膜超过一定量时，便起作用阻止其与焊料粉末的颗粒的聚结。利用这一作用，一方面形成所要的焊料量的焊料层，而另一方面，通过防止与多余的颗粒的聚结，从而能防止短路。还有，添加的酸成分作为聚结的促进剂起作用，同样有机酸金属盐作为聚结的抑制剂起作用，一起调整有机保护膜的作用。
发明效果
如以上所说，采用本发明，将由具有大于等于焊接温度的沸点的溶剂和具有有机保护膜的焊料粉末组成的焊料组成物涂布于基板的电极部分上，加热至焊接温度以上的温度，以在基板的电极上形成焊料层，同时利用焊料层表面的有机保护膜的生长能阻止多余的焊料颗粒的聚结。这样，即使在细微的电极图案上也不会发生短路，能以低成本简单地形成组成非常均匀的焊料层。
换言之，作为一项在基板的电极部分上形成焊料层的技术，应对近年来的电极细微化及焊料无铅化的要求，无需使印刷法等的掩膜位置提高精度，而且能制止短路等问题的发生，形成组成均匀、具有充分的焊料量的焊料层。即能提供一种性能价格比相当优良的焊料组成物以及使用该焊料组成物的焊料层形成方法。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1为表示本发明一实施方式的焊料组成物的概略断面图。
如图1所示，在设置于基板20的电极21上涂布焊料组成物10。焊料组成物10用于在电极21上形成焊料层32(图2(2))，含有具有有机保护膜11的焊料粉末、和沸点大于等于该焊料粉末的熔点的媒介物13。焊料粉末可用例如油中粉化法制造。媒介物13具有大于等于焊料粉末的熔点的沸点，例如具有大于等于焊接温度的沸点，可以是液体状也可以是膏状。焊料粉末的颗粒(焊料颗粒12)如图1所示，各表面分别被有机保护膜11覆盖。
图2为表示图1的焊料组成物的作用的概略断面图。以下参照该图进行说明。
图2表示将焊料组成物10(图1)加热至焊料粉末的熔点以使的温度的状态，图2(1)表示焊料粉末的颗粒(焊料颗粒)12a、12b彼此之间聚结的状态，图2(2)表示焊料颗粒12d和焊料层32聚结的状态。但是媒介物13(图1)在图中省略而未示出。
如图2(1)所示，焊料颗粒12a、12b近似球状，直径也均匀划一，有机保护膜11a、11b的量也相等，这里假设两个焊料颗粒12a、12b聚结，成为新的焊料颗粒12c。焊料颗粒12c与焊料颗粒12a、12b相比，体积变成两倍，有机保护膜11c的量也变成两倍，但表面积仅为1.59倍。因此焊料颗粒12a、12b聚结后得到的焊料颗粒12c每单位表面积的有机保护膜11c的量约为1.26倍。即焊料颗粒12c的聚结的情况越是进行下去，单位表面积的有机保护膜11c的量越发增加。另外，单位表面积的有机保护膜11a、11b的量越增加，则有机保护膜11a、11b覆盖下的焊料颗粒12a、12c彼此间的接触就越难，所以焊料颗粒12a、12b的聚结得到抑制。
另一方面，如图2(2)所示，电极21上的焊料层32呈半球状，通过焊料颗粒12d与焊料层32聚结而成长。因此，由于焊料颗粒12d的聚结的进行，当焊料层32的每单位表面积的有机保护膜31的量达到一定量时，焊料层32的成长就停止。也就是，焊料层31最终的焊料量由电极21的面积以及最初焊料颗粒12a、12b的大小及有机保护膜11a、11b的量决定。另外，焊料颗粒12d若每单位表面积的有机保护膜11d的量达到一定量，则不会与焊料层23聚结。即对于焊料层32的每单位表面积的有机保护膜31的量或焊料颗粒12d的每单位表面积的有机保护膜11d的量，若其中某一方达到一定值，则聚结不发生。
通过这样，能抑制焊料颗粒12d在电极21上超过需要地聚结的情况发生，所以能防止电极21短路等问题的发生。例如，最初的焊料颗粒12a、12b的有机保护膜11a、11b的量设定成在焊料层32为一定的焊料量之前允许焊料颗粒12d与焊料层32聚结，当超过一定的焊料量时就加以抑制。
实施例1
首先，在巳注入容器的900g精制蓖麻籽油中，加入锡银铜焊料90g、马来酸变性松香18g。锡银铜焊料是含有Sn、3.0质量％的Ag、0.5质量％的Cu的无铅焊料，熔点为220℃。而且，将该精制蓖麻籽油加热至230℃，以10000rpm使搅拌机旋转，以此将焊料合金粉碎于精制蓖麻籽油中，以此获得焊料颗粒表面附有马来酸变性松香的有机保护膜的焊料粉末。还有，在搅拌中将容器内气氛置换成氮气。另外，焊料粉末沉淀后除去容器上部的澄清的液体后，用醋酸乙酯(酢酸エチル)清洗，然后将其真空烘干。
然后，使所得的1.5g焊料粉末分散于50ml多元醇酯(三羟甲基丙烷脂肪酸缩合酯(トリメチロルプロパン脂肪酸缩合エステル))中，以调整焊料组成物。接着，将该焊料组成物涂布于以电极直径φ40μm、电极间距80μm形成图案的硅芯片上，以峰值温度260℃的条件加热使其熔融。该电极由Ni/Au电镀构成。这样形成焊料层后，对硅芯片在醋酸乙酯中进行超声波清洗，干燥后用激光显微镜检查外观并测量焊料层高度。
其结果，确认了在10mm见方的硅芯片上14639个电极之间短路现象为零，形成平均高度约20μm(约σ＝2)的焊料层。
实施例2
将用和实施例1同样的方法得到的表面具有有机保护膜的焊料粉末1.5g分散于添加了0.165g硬脂酸及0.35g硬脂酸锡的50ml多元醇酯中，以对焊料组成物进行调整。
将该焊料组成物涂布于高度50μm的凸起电极(电极直径100μm)以200μm间距形成于其上的树脂基板上，并以峰值温度260℃的条件加热使其熔融，从而形成焊料层。焊料层形成后，用醋酸乙酯对树脂基板进行超声波清洗。在烘干后用激光显微镜进行外观检查并测定焊料层的高度。其结果，确认了在基板上1600个电极之间短路现象为零，形成平均高度(包括凸起电极的高度)约70μm(约σ＝3.4)的焊料层。
实施例3
将用和实施例1同样的方法得到的表面具有有机保护膜的2.0g焊料粉末分散于添加了1ml油酸的50ml多元醇酯中，以对焊料组成物进行调整。
将该焊料组成物涂布于以电极直径φ40μm、电极间距80μm的条件形成图案于其上的硅芯片上，以峰值温度260℃的条件加热使其熔融。这样形成焊料层后，将硅芯片在醋酸乙酯中进行超声波清洗，干燥后用激光显微镜检查外观并测量焊料层的高度。
其结果，确认了在10mm见方的硅芯片上14639个电极之间短路现象为零，形成平均高度约25μm(约σ＝2)的焊料层。
工业上的实用性
如上所述，本发明能提供一种焊料组成物及使用该焊料组成物的焊料层形成方法，利用该焊料组成物、及使用该焊料组成物的焊料层形成方法能解决随着电极细微化和焊料无铅化而产生的问题。
附图说明
图1为表示本发明的焊料组成物的一实施方式的概略断面图。
图2为表示图1的焊料组成物的作用的概略断面图。
符号说明
10  焊料组成物
11、11a～11d  焊料颗粒的有机保护膜
12、12a～12d  焊料颗粒
13  媒介物
20  基板
21  电极
31  焊料层的有机保护膜
32  焊料层

Claims (11)

1.一种焊料组成物，用于在基板上的电极上形成焊料层，其特征在于，
包含焊料粉末和媒介物的混合物，
所述焊料粉末具有抑制焊料粉末的颗粒的聚结的聚结抑制膜，
所述媒介物为其沸点大于等于焊接温度的溶剂。
2.如权利要求1所述的焊料组成物，其特征在于，
所述聚结抑制膜由有机保护膜构成。
3.如权利要求1所述的焊料组成物，其特征在于，
在促进所述焊料粉末的颗粒的聚结的聚结促进剂、和抑制所述焊料粉末的颗粒的聚结的聚结抑制剂中，至少将其中一方添加于所述混合物中。
4.如权利要求3所述的焊料组成物，其特征在于，
所述聚结促进剂含有酸成分。
5.如权利要求4所述的焊料组成物，其特征在于，
所述酸成分含有羧酸、松香中的至少一种。
6.如权利要求3所述的焊料组成物，其特征在于，
所述聚结抑制剂含有有机酸金属盐。
7.如权利要求6所述的焊料组成物，其特征在于，
所述有机酸金属盐由所述酸成分及构成所述焊料粉末颗粒的金属组成。
8.如权利要求1所述的焊料组成物，其特征在于，
所述焊料粉末的颗粒为锡、铟或它们的合金中任一个。
9.如权利要求8所述的焊料组成物，其特征在于，
所述焊料粉末的颗粒为在所述单体金属或所述合金中含有铜、银、金、镍、铅、铋、锑、锌、锗或铝中的至少一种的合金。
10.如权利要求1所述的焊料组成物，其特征在于，
所述媒介物为包含碳化氢类、酯类、醇类或乙二醇类中的至少一种的媒介物。
11.一种焊料层形成方法，其特征在于，包括
将焊料粉末和溶剂的混合物涂布于基板上的工序；以及
使所述焊料粉末熔融，并控制所述焊料粉末的颗粒的聚结，在所述基板的电极上形成由所述焊料粉末形成的焊料层的工序。
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