CN105307812A - 焊膏 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种焊膏，其在2次回流焊以及2次回流焊以后的加热时，金属不会从接头流出，在常温下及高温下具有高接合强度，且经时稳定性优异，所述焊膏由金属粉末成分和助焊剂成分构成，该金属粉末成分包含10～70质量％包含Cu及Sn的金属间化合物粉末、和30～90质量％以Sn作为主要成分的软钎料粉末。由于金属间化合物粉末中及软钎料粉末中不存在Cu单相，因此，可抑制Cu离子向助焊剂溶出。

Description

焊膏
技术领域
本发明涉及基板接合所使用的焊膏。
背景技术
随着笔记本型个人计算机、便携电话等民用移动电子设备的普及，对这样的电子设备的小型化、高性能化的要求逐渐提高。为了满足该要求，近年来，除了印刷电路板的高密度化以外，还使用了层叠多层印刷电路板而成的层叠基板。
层叠基板是通过将软钎料等接合材料填充于设在各基板上的导通孔中，一边加热一边加压而使各基板电接合而成的基板。在基板的层叠数为3层以上的情况下，如果第1层与第2层的接合(1次回流焊)时由接合材料形成的接头在与第3层的接合(2次回流焊)时熔融而流出，则会成为连接短路等不良的原因。
另外，在金属未流出的情况下，如果1次回流焊时所形成的接头在2次回流焊时熔融，则有时会发生接合处破损、基板的位置偏移等不良。因此，谋求一种接合材料，该接合材料不仅在2次回流焊时不流出，而且还会形成具有某种程度的接合强度的接头。因此，1次回流焊时所形成的接头可使用在该1次回流焊工艺中高温化(高熔点化)，在2次回流焊时不再熔融的接合材料。
例如在1次回流焊时的加热温度和2次回流焊时的加热温度同为250℃～270℃的情况下，要求接合第1层和第2层的接合材料虽然在1次回流焊时熔融，但通过1次回流焊所形成的接头即使在2次回流焊的最高温度即270℃下也不熔融。
作为这样的再熔融温度高的接合材料，专利文献1中公开的是在助焊剂中混合Cu球和Sn球而成的焊膏。在Sn的熔点以上的温度下，焊膏由Cu球的一部分和Sn球形成包含Cu6Sn5的化合物，且Cu球彼此通过包含Cu6Sn5的化合物而成为结合的状态，因此再熔融温度变高。根据该发明，在Sn球熔解时，Sn润湿扩展到Cu球上，填埋Cu球的间隙，比较均匀地存在于Cu球间。由此，Cu球表面的至少一部分形成熔点显示为400℃以上的Cu6Sn5，Cu球彼此通过Cu6Sn5而结合。
专利文献2、3中公开的是在焊膏中预先配混金属间化合物粉末，但同时还必须配混微细铜粉。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3558063号公报
专利文献2：日本特开2011-62736号公报
专利文献3：日本特表2012-533435号公报
专利文献4：日本特开平09-122967号公报
专利文献5：日本特开2002-124533号公报
专利文献6：WO2007/125861号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1、2、3所公开的焊膏在3个月左右的保存期间会发生经时变化而使粘度上升。通常情况下，焊膏会发生上述经时变化的机理是，金属粉末中的金属元素因助焊剂中的有机酸、活性剂而以金属离子的形式溶出，该金属离子与助焊剂中的有机酸、活性剂反应而生成各自金属盐。
专利文献1、2、3所公开的焊膏中，Sn和Cu以金属粉末的形式添加，但尤其是经氧化的Cu被助焊剂中的有机酸、活性剂还原而成为Cu离子，进而与松香、有机酸反应而成为Cu的金属盐。由于生成这样的金属盐，使焊膏的粘性提高而使表示印刷性、保存性的经时稳定性降低，或与焊膏的挥发成分一起以残渣的形式残留在基板上时，会有引起布线间的连接短路的担心。
作为用于提高焊膏的经时稳定性的对策，对于焊膏中所含的助焊剂中的松香、添加剂，会考虑选择活性力弱的物质。然而，这样被认为会使松香、添加剂的选择范围变窄，根据情况会因活性力降低而引起润湿性大幅度降低。
然而，近年来因电子设备的小型化而使安装技术也高密度化，印刷电路板的连接端子的尺寸也向小型化推进。因此，焊膏的印刷区域也变得微小，邻接间隔也变窄，要求印刷于连接端子的焊膏具有优异的印刷性。
如上所述，含Cu球的焊膏制备后即使保存于密闭容器中，也会在3个月左右的保存期间发生经时变化而使粘度上升。另外，在开启收纳焊膏的容器而开始用于软钎焊作业时，容器内的焊膏在半天左右就会发生经时变化而使粘度增大。
如此，含有Cu球的焊膏无法避免保存中及使用中的经时变化。
考虑到以往的普通焊膏可给予6个月的保证期间，希望含有Cu球的焊膏也可给予3个月以上的保证期间。
尤其是，保存期间中的上述经时变化的问题在如今用于微细电路的焊膏的情况下变得很显著。即，金属掩模的孔变小约为200μm以下，需要粒径为25～38μm这样的比以往更细的软钎料颗粒。因此，软钎料颗粒整体的表面积变大，认为这对焊膏的经时变化有较大影响。
因而，对于近年来的焊膏，除了需要制备后即使长期保存也不会发生经时变化的保存性以外，还需要如下经时稳定性：即使印刷时暴露在氧化气氛下也不会增稠而可以稳定地连续使用的优异印刷稳定性，即，能够发挥连续印刷性，且能够长期维持连续印刷性。本说明书中将这些性能归纳简称为“经时稳定性”。
本发明的课题在于，为了应对近年来的电子设备的小型化，而提供一种焊膏，其尤其在层叠基板的2次回流焊以及2次回流焊以后的加热时，通过1次回流焊形成的接头不会流出，在常温下(25℃)及高温下(250℃)均具有与含有Cu球的焊膏同等以上的高接合强度，且具备与不含Cu球的普通焊膏同等以上的良好经时稳定性。
本发明人等为了不使Cu离子在助焊剂中溶出而形成Cu的金属盐，着眼于焊膏中的金属粉末而不是助焊剂成分。具体而言，作为添加于焊膏中的金属粉末，不是着眼于添加Cu粉末，而是取而代之在焊膏中添加预先使其与Sn反应而形成金属间化合物的CuSn金属间化合物粉末。其结果，本发明人等得到如下想法：在焊膏中添加预先使Cu和Sn反应而得到的“包含Cu及Sn的金属间化合物粉末”，而不是“Cu粉末”，由此Cu不是单独存在于接合材料中，因此可以抑制Cu离子的溶出。
即，在本发明中，将助焊剂与Sn基底软钎料粉末及金属间化合物粉末的混合物配混来制成焊膏。以往，由于金属间化合物的润湿性差，因此，即使将其作成粉末配混在焊膏中，也不认为能得到具有充分的接合强度的接头。
然而，在本发明的情况下，由于2次回流焊以及2次回流焊以后能在250～270℃这样的加热温度下进行软钎焊，因此润湿性差这一点并非不利。反而是由于包含Cu及Sn的金属间化合物粉末比Cu粉末更不容易氧化，因此，在作成糊剂时对基板的润湿性更优异。关于这方面，出乎预料的是，在为金属间化合物的情况下，由于具有即使粉末化而使表面积变大也不容易氧化，即，表面不容易形成氧化物这样的性质，因此可知，即使作成焊膏时，也具有经时变化少的优点。进而，在作成焊膏的情况下，与Cu粉末、Sn粉末等相比，由于表面不容易形成氧化物，因此可较大地显现助焊剂的效果，且可较大地改善润湿性。虽然是本来被认为润湿性差的金属间化合物粉末，但在用于焊膏的情况下，反而可改善润湿性，可以说这是出乎预料的效果。
需要说明的是，目前，如专利文献4、5所示，提出了在焊膏中配混少量的金属间化合物，但其目的是改善常温下的强度，而不是提高接头的熔融温度。关于这方面，作为提高接头的熔融温度的材料，虽然有专利文献6公开的材料，但该材料是在Cu粉上镀Ni，这与本发明的焊膏的组成不同。
在此，本发明如下所述。
(1)一种焊膏，其特征在于，其由金属粉末成分和助焊剂成分构成，该金属粉末成分包含：包含Cu及Sn的金属间化合物粉末、和以Sn作为主要成分的软钎料粉末，该金属粉末成分包含10～70质量％前述金属间化合物粉末和30～90质量％前述软钎料粉末。
在此，在本发明中，“金属间化合物”是指Cu和Sn以规定的整数比结合而形成的化合物。
(2)如上述(1)所述的焊膏，其中，前述金属粉末成分的平均粒径为50μm以下。
(3)如上述(1)或上述(2)所述的焊膏，其中，前述软钎料粉末中的Sn含量为40～100质量％。
(4)如(1)～(3)中的任一项所述的焊膏，其中，前述软钎料粉末为组成不同的2种以上软钎料粉末的混合物。
(5)一种钎焊接头，其特征在于，其是使用(1)～(4)中的任一项所述的焊膏而形成的。
具体实施方式
本发明的焊膏含有金属粉末成分，该金属粉末成分包含：包含Cu及Sn的金属间化合物粉末、及以Sn作为主要成分的软钎料粉末。上述金属粉末成分中不存在Cu单相的成分。
首先，包含Cu及Sn的金属间化合物中不存在形成立方晶的Cu单相。包含Cu及Sn的金属间化合物由于由Cu和Sn形成六方晶，因此，Cu原子比较稳定地存在于金属间化合物中。
另外，通常情况下，已知为了使Cu单相存在，在金属间化合物或软钎料合金中，Cu必须在常温下存在90质量％以上。假设以Sn作为主要成分的软钎料粉末含有Cu时，Cu含量即使最大也不足60％，因此，上述软钎料粉末中也不存在Cu单相，而是以作为六方晶的Sn与Cu的金属间化合物的形式存在。因而，本发明中使用的软钎料粉末是比作为立方晶的Cu单相更稳定的组织。
即，构成本发明的焊膏的金属间化合物粉末中及软钎料粉末中的Cu比Cu单相中的Cu更稳定地存在。因而，对本发明的焊膏而言，由于接合材料中Cu离子极少溶出，因此，几乎不与助焊剂成分反应而形成Cu的金属盐，具有优异的经时稳定性。
另外，由本发明的焊膏与基板的连接端子形成接头时，包含Cu及Sn的金属间化合物粉末与软钎料粉末的Sn发生反应，通过该反应在金属间化合物粉末间及金属间化合物粉末与连接端子之间形成金属间化合物的网络结构。即，由于软钎料粉末中的Sn形成新的Cu6Sn5的网络结构，因此高温下的接合强度提高。因此，对使用本发明的焊膏而形成的接头而言，由于所形成的金属间化合物的熔点高，因此，在2次回流焊以及2次回流焊以后的加热时，金属不会从接头流出，且能够形成具有高接合强度的接头。
进而，由于可以使用因经时稳定性的问题以往不能使用的活性力强的松香、添加剂，因此，可提高焊膏的润湿性、及促进基于新的金属间化合物的形成的网络结构的形成，其结果，还可以期待接合强度的进一步提高。
下面，对构成本发明的焊膏的金属间化合物粉末及软钎料粉末进行说明。
·金属间化合物粉末
本发明的焊膏中使用的金属间化合物粉末包含Cu及Sn，且Cu和Sn形成金属间化合物，因此，不存在Cu单相。由此，在作成焊膏时Cu离子几乎不会向助焊剂中溶出，具有优异的经时稳定性。
在本发明中，以相对于金属粉末成分的比例计，上述金属间化合物的配混比例为10～70质量％、优选为15～65质量％、更优选为20～50质量％。
使用本发明的焊膏所形成的接头通过回流焊时的加热而形成金属间化合物的网络结构。由于通常金属间化合物的熔点较高，因此，在本发明的焊膏用于第1层基板和第2层基板的接合时，在接合第3层以及第3层以后的基板的温度即250℃～270℃下，金属不会从接头流出，可得到高接合强度。
为了使Cu稳定地存在于粉末中，金属间化合物粉末中的Sn与Cu的质量比优选为8:2～1:9的范围、更优选为7:3～2:8、特别优选为6:4～3:7、最优选为6:4～4:6。作为以该质量比形成的金属间化合物，例如可举出Cu3Sn及Cu6Sn5。它们的熔点显示为400℃以上，因此，在接头由这些金属间化合物构成时，再熔融温度提高，可以以进行多次加热作为前提而使用。
本发明的焊膏优选含有Cu3Sn作为金属间化合物。其原因在于，如果焊膏中存在Cu3Sn，则在通过回流焊形成钎焊接头时，软钎料中的Sn与金属间化合物粉末中的Cu3Sn反应，使Cu3Sn的一部分变成Cu6Sn5，该新形成的Cu6Sn5在预先添加的金属间化合物粉末之间及连接端子与金属间化合物粉末之间形成Cu6Sn5的网络结构。
另外，由本发明的焊膏形成的钎焊接头中的Cu3Sn与Cu6Sn5的含有比优选为48:1～13:33。如果为该范围，则接头的接合强度显示出较高的值。
需要说明的是，本发明的“Cu3Sn与Cu6Sn5的含有比”表示金属间化合物整体中的Cu3Sn与Cu6Sn5的含有比。
对于金属间化合物粉末的平均粒径，为了用作焊膏而优选为50μm以下。然而，如上所述，本发明是为了解决阻止以往的焊膏中制成微细粉时的经时变化的课题而提出的，如果考虑用于微细结构用的软钎焊时，平均粒径优选为40μm以下、更优选为30μm以下。对下限没有特别限制。需要说明的是，基于制造上的理由，通常粒径为0.1μm以上(D＝50％值)。
本发明中，在前述金属间化合物粉末的表面，可以被覆由Cu以外的1种以上的金属元素形成的金属镀层。如果在金属间化合物粉末的表面被覆金属镀层，则可以防止在软钎料粉末熔融前软钎料粉末与金属间化合物粉末反应。因此，可以实现抑制钎焊接头的空隙产生、改善聚集率。还可以显著改善经时稳定性。
作为对金属间化合物粉末的镀覆材料，作为Cu以外的金属元素，可举出Sn、Ni等。
金属镀层可以通过电镀、化学镀等目前众所周知的方法来形成。对金属镀层的膜厚没有特别限制，通常考虑为0.01～10μm。优选为0.1～3μm。
·软钎料粉末
本发明中使用的软钎料粉末可以用于基板的连接端子与金属间化合物粉末的接合、金属间化合物粉末间的接合。
本发明中，以Sn作为主要成分的软钎料粉末相对于金属粉末成分的比例为30～90质量％、优选为40～85质量％、进一步优选为50～80质量％。
本发明中，“以Sn作为主要成分”是指软钎料粉末中的Sn含量为40～100质量％。以Sn作为主要成分的原因在于，通常用于基板的连接端子的材质为Cu，且在本发明所使用的金属间化合物粉末与连接端子之间形成金属间化合物的网络结构。另外，在Sn含量为40～100质量％时，假定即使软钎料粉末的合金组成含有Cu时，也不存在Cu单相。
在此，本发明中，“软钎料”是指用于材料间的接合的金属、合金，且在安装时的峰值温度为270℃以下能够进行回流焊。
作为软钎料粉末的组成，可举出：Sn、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Sb、Sn-Ni等。另外，在前述各组成中，为了提高强度、润湿性，还可以从Ag、Cu、Bi、In、Ni、Co、Sb、Ge、Ga、P、Fe、Zn、Al、Ti中选择至少1种以上未被添加的元素，并分别添加各元素5质量％以下。
进而，在软钎料粉末的表面，还可以被覆1层以上与软钎料粉末的组成不同的由Sn、Ag、Cu、Bi、In、Ni、Co、Sb、Ge、Ga、P、Fe、Zn、Al、Ti中的至少1种以上构成的、除Cu单质以外的金属或合金。
另外，构成本发明的焊膏的软钎料粉末还可以使用组成、粒径不同的2种以上软钎料粉末的混合物。
对于软钎料粉末的平均粒径，用作焊膏的软钎料粉末为50μm以下。本发明中软钎料粉末的粒径只要如以往那样即可，没有特别限制。需要说明的是，目前，基于制造上的理由，粒径的下限为0.1μm(D＝50％值)左右。
另外，本发明的金属间化合物粉末由Cu3Sn及Cu6Sn5中的1种以上构成，在金属间化合物粉末满足前述含有比时，本发明的焊膏中存在的Sn含量与Cu3Sn含量和Cu6Sn5含量的含有比优选满足下述式。
(Sn含量)/(Cu3Sn含量和Cu6Sn5含量的总量)≥1/10…式
如果使用满足该式的接合材料形成接头，则高温下的接合强度提高。
本发明中，通过在软钎料粉末、金属间化合物粉末中使用低α射线材料，可得到低α射线的接合材料。通过将该接合材料用于存储器周边的接合，能够防止软故障(softerror)。
对于本发明中使用的助焊剂，只要是通常用于焊膏的助焊剂就没有特别限制。因而，只要使用适当配混有通常使用的松香、有机酸、活性剂、以及溶剂的助焊剂即可。需要说明的是，在本发明的情况下，由于Cu并非以金属单质的形式被含有，不会因Cu离子的溶出而损害经时稳定性，因此，即使比通常更增多助焊剂活性成分、或即使使用比常用的活性剂更强力的活性剂也仍具有该优点。
本发明中对金属粉末与助焊剂成分的配混比例没有特别限制，优选金属粉末成分为80～90质量％、助焊剂成分为10～20质量％。
对于如此制备的本发明的焊膏，可以通过例如印刷法、使用有分配器的喷出法、或利用转印针(Transferpin)的转印法，在微细结构的电路基板上使其附着于软钎焊部，进行回流焊。在这种情况下，能够实现与不含有Cu球及Cu粉末的普通焊膏同等以上的经时稳定性。
本发明中，对软钎焊温度、即回流焊温度没有特别限制，只要能在例如250～270℃的温度下进行软钎焊，就没有特别问题。
实施例
制备含有表1所示的组成比例的软钎料粉末和金属间化合物粉末的实施例的焊膏，及制备适当组合含有同样表1所示的软钎料粉末、金属间化合物粉末、以及Cu粉末的比较例的焊膏，对于各焊膏，考察常温、高温下的接合强度、软钎焊部的外观颜色、以及通过粘度变化而评价的经时稳定性。本例中的金属粉末成分与助焊剂成分的配混比例为金属粉末成分88质量％、助焊剂成分12质量％。其中，比较例4的金属粉末成分为80质量％、助焊剂成分为20％。
本实施例的焊膏的制作方法、各特性的评价方法如下所述。
·焊膏的制作方法
如下制作实施例的焊膏。首先，以仅为表1所示比例的量准备平均粒径为20μm的Sn粉末(软钎料粉末)及以Sn作为主要成分的各软钎料粉末、平均粒径为20μm的Sn含量相对于Cu在23～68质量％之间适当选择的包含Cu及Sn的金属间化合物粉末，将这些金属粉末浸渍在千住金属制造的SDC5(商品名)的糊剂状松香系助焊剂中，并混炼5分钟来制作实施例的焊膏。以使助焊剂的比例相对于焊膏整体的质量为12质量％的方式进行调节。
对于比较例的糊剂，与实施例的焊膏同样操作来制备，比较例3的Cu粉末使用平均粒径为7.5μm的福田金属箔粉工业制造的Cu粉末，比较例4的Cu粉末使用符合专利文献2的平均粒径为0.3μm的Cu粉末。
使用如此得到的焊膏，以下述方式进行回流焊。回流焊温度为250℃。
·接合强度的评价
使用各焊膏，将3216尺寸的芯片电阻通过回流焊安装在基板上。
使用RhescaCorporation制造的接头强度试验机STR-1000，在常温时(25℃)和高温时(250℃)的2种温度条件下，测定芯片电阻与基板的接头部的剪切强度作为接合强度。对于剪切强度的试验条件，剪切速度在常温时为每分钟6mm、高温时为每分钟24mm，试验高度在常温时、高温时均为100μm。然后，对各焊膏测定10次剪切强度，计算出其平均值。在常温时的试验中，假定具有本发明的接头的安装品运转时，以不会因冲击等而破损、平均值超过20.0N的样品为“合格”。另一方面，在高温时的试验中，假定在制造具有本发明的接头的电子部件时，以2次回流焊以及2次回流焊以后的加热时接头不会流出、或搭载的部件不会偏移、平均值超过0.0N的样品为“合格”。
·经时稳定性的评价
在本试验中，为了评价经时稳定性，进行静态试验和动态试验。
静态试验是评价保存稳定性的试验。具体而言，在烧杯内加入软钎料粉末、Cu粉末或金属间化合物粉末、从糊剂用助焊剂中去掉触变剂(thixotropicagent)的物质并进行混炼。然后，将制作好的各样品在35℃的状态下放置24小时，通过外观目测来确认颜色的变化。将未从原来的黄色变色或即使稍有变化也是黄绿色的样品设为“○(良)”、将变成绿色的样品设为“×(不良)”。该试验用于确认对经时稳定性有影响的Cu离子是否溶出至助焊剂中而引起铜绿的生成。
另外，用MalcomCo.,Ltd.制造的PCU-205装置测定各焊膏刚制造后的初始粘度和经过在0℃～10℃下冷藏保管6个月后恢复到常温的各焊膏的经时后粘度，通过{(经时后粘度-初始粘度)/初始粘度×100}的计算式算出粘度变化率。将粘度变化率在初始粘度±15％以内的样品设为“合格”。
动态试验是根据连续印刷性评价实际使用时的经时稳定性的试验。具体而言，每8小时测定用印刷机最大24小时将制作好的焊膏施加于刮板时的粘度，通过与前述静态试验同样方法算出粘度变化率，根据粘度变化率超过15％的时间，以连续印刷性的形式进行评价。试验装置也使用与前述静态试验同样的装置。
将这些评价试验的评价结果示于表1。需要说明的是，表中所示的各重量比为相对于焊膏的质量％(wt％)。
[表1]
如表1所示，实施例的焊膏均未观察到助焊剂的变色，因此，可以认为Cu离子并没有发生对经时稳定性造成影响的溶出。对于粘度变化，保存性、连续印刷性也均稳定，因而，可知实施例的焊膏的经时稳定性优异。
关于接合强度，可知显示在常温下为40N以上、高温下为1.0N以上等，改善到以往没有的程度。
另一方面，对于比较例的焊膏，由于助焊剂变成黄绿色，因此可以认为Cu离子大量溶出。因而，可知比较例的焊膏的经时稳定性差。另外，比较例1中，由于金属间化合物粉末较少为5％，因此，虽然可确保经时稳定性，但无法保持250℃下的钎焊接头的接合强度。比较例2中，由于金属间化合物粉末较多为80％，因此，Sn软钎料粉末少，不能进行充分的接合。比较例3是使用有Cu粉末的例子，粘度变化较大。比较例4是包含金属间化合物粉末、Cu粉末、软钎料粉末这3种粉末的例子，粘度变化显著。

Claims (9)

1.一种焊膏，其特征在于，其由金属粉末成分和助焊剂成分构成，该金属粉末成分包含：包含Cu及Sn的金属间化合物粉末、和以Sn作为主要成分的软钎料粉末，该金属粉末成分包含10～70质量％所述金属间化合物粉末和30～90质量％所述软钎料粉末。
2.根据权利要求1所述的焊膏，其中，所述金属粉末成分的平均粒径为50μm以下。
3.根据权利要求1所述的焊膏，其中，所述软钎料粉末中的Sn含量为40～100质量％。
4.根据权利要求2所述的焊膏，其中，所述软钎料粉末中的Sn含量为40～100质量％。
5.根据权利要求1所述的焊膏，其中，所述软钎料粉末为组成不同的2种以上软钎料粉末的混合物。
6.根据权利要求2所述的焊膏，其中，所述软钎料粉末为组成不同的2种以上软钎料粉末的混合物。
7.根据权利要求3所述的焊膏，其中，所述软钎料粉末为组成不同的2种以上软钎料粉末的混合物。
8.根据权利要求4所述的焊膏，其中，所述软钎料粉末为组成不同的2种以上软钎料粉末的混合物。
9.一种钎焊接头，其特征在于，其是使用权利要求1～8中的任一项所述的焊膏而形成的。
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