CN112072350A - 具有改进的晶须抑制的压配合端子 - Google Patents
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Abstract
一种用于插入到基板的导电通孔中的压配合端子包括具有外表面和内表面的弹性变形部分，所述压配合端子依次包括铜或铜合金基体、镍或镍合金阻挡层、锡或锡合金层以及铟顶层。所述压配合端子显示出减少的晶须形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有改进的晶须抑制的压配合端子，其中所述压配合端子有待插入到基板的导电通孔中。更具体地，本发明涉及一种具有改进的晶须抑制的压配合端子，其中具有改进的晶须抑制的所述压配合端子有待插入到基板的导电通孔中，其中所述压配合端子包括具有外表面和内表面的线性弹性变形部分，所述压配合端子依次包括铜或铜合金基体、镍或镍合金阻挡层、锡或锡合金层以及铟顶层。
背景技术
由于2006年7月欧洲有害物质限制指令(RoHS)法规的实施，认识到锡晶须对无铅电子部件或产品造成更为严重的可靠性威胁。电子器件日益复杂化和小型化的趋势加剧了这一状况。
压配合连接是一种用于制作可靠电子接头的无焊料技术。当与焊接相比时，现代压配合顺应解决方案具有许多优点，诸如无焊料、低热应力、更佳的可靠性、更低的成本等，从而使其成为一种流行的互连技术。据报道，压配合连接器已经开始在电信、计算机印刷电路板(PCB)和汽车电子模块的高端连接器应用中占主导地位。压配合技术允许将压配合销或端子插入到印刷电路板(PCB)中的镀覆通孔(PTH)中，以在不使用焊料的情况下自主地建立冷焊互连，特别是在针对两个接触配对件(销/孔)中的至少一者使用镀锡时。具有弹性压入区的压配合顺应销在插入到PTH中时变形，并在顺应销与PTH之间保持永久的高接触法向力。在执行压入过程期间及其后，由顺应压配合区施加的高外部压力显著增大了产生锡晶须的倾向，尤其是对于纯锡精加工。与由金属间相生长(诸如Cu6Sn5)或CTE(热膨胀系数)不匹配所引入的应力引起的晶须相比，这些晶须在短得多的时间尺度上生长。此外，朝向更高密度的连接器解决方案(更近的销到销/孔到孔距离和高得多的外力(即，千克))的技术趋势进一步增加了由于锡晶须的形成而导致的电短路的风险。
因此，需要一种具有减少的由外部压力或应力引起的晶须形成的压配合端子。
发明内容
本发明涉及一种有待插入到基板的导电通孔中的压配合端子，所述压配合端子包括：具有外表面和内表面的线性弹性变形部分，所述压配合端子依次包括铜或铜合金基体、镍或镍合金阻挡层、锡或锡合金层以及铟顶层。本发明的压配合端子减少了由外部压力或应力引起的晶须形成。
附图说明
图1示出本发明的压配合端子和具有通孔的基板。
图2示出本发明的用于抑制晶须形成的金属层序列。
图3是实例中的晶须分析中所使用的压痕测试仪设备的侧视图的示意图。
具体实施方式
如本说明书通篇所使用的，除非上下文另有明确指示，否则以下缩写具有以下含义：℃＝摄氏度；g＝克；kg＝千克；MPa＝兆帕；1MPa＝1×106帕；cm＝厘米；mm＝毫米；μm＝微米；μm＝1×10-6米；dm＝分米；A＝安培；ASD＝安培/分米2；MSA＝甲磺酸；In＝铟；Sn＝锡；Ni＝镍；Cu＝铜；黄铜＝铜锌合金；ENIG＝无电镍浸金；氮化硅＝Si3N4；sec＝秒；min＝分；wt％＝重量百分比；SEM＝扫描电子显微镜；OSP＝有机可焊性保护剂；并且DI＝去离子的。
在整个说明书中，术语“沉积”、“镀覆”和“电镀”可互换使用。术语“与……相邻”意指两个表面之间使得它们形成共界面的直接物理接触。术语“无光”意指暗沉、不明亮或缺少光泽。术语“退火”意指加热金属然后缓慢冷却，以除去内部应力并使金属韧化。除非另外指明，否则用于镀浴的溶剂是水。所有数值范围都是包含端值的，并且可按任何顺序组合，除了此数值范围被限制为加起来最高达100％是合乎逻辑的情况之外。
本发明涉及一种用于插入到基板的导电通孔中的压配合端子，其中所述压配合端子包括具有外表面和内表面的线性弹性变形部分，所述压配合端子依次由以下项构成：铜或铜合金基体、镍或镍合金阻挡层、锡或锡合金层以及铟顶层。由于高外部压力(诸如1000MPa或更大的外部压力)所致的晶须形成得到抑制。
图1示出本发明的压配合端子10的优选实施例。压配合端子是通过对铜或铜合金的金属板执行冲压加工形成的。基板连接部分12被构造成用于插入到基板16(诸如印刷电路板)的通孔14中。众多导电路径18形成在基板的表面上，并且多个通孔14形成在基板16上。此类导电路径优选地为铜或铜合金。在通孔14的内表面上，通过镀覆或本领域已知的其他常规金属沉积工艺形成接触部分20。接触部分20接合到导电路径18或与之相连。接触部分优选地为与导电路径相同的金属。
在压配合端子10的基板连接部分12的一个端部处，形成引导有待插入通孔14中的压配合端子的引导部分22，并且在引导部分22上方，沿着基板连接部分12的长度形成一对弹性变形部分24。弹性变形部分24，包括第一弹性变形部分24A和第二弹性变形部分24B，呈厚条带形状并且向外扩展以形成近似弧形形状，并且在其中形成通道部分26。弹性变形部分24进一步包括外表面24C和内表面24D。这一对弹性变形部分24在与引导部分22相反的第二端部处终止并接合颈部部分28。当将压配合端子插入在通孔中时，这一对弹性变形部分朝向彼此压缩，因此有1000MPa或更大的实质外部压力施加在这一对弹性变形部分上。
在一个实施例中，如图1所示，压配合端子的在纵向方向上略高于中心的外表面在总长度的约三分之一的长度上形成近似线性部分30A和30B，以便彼此平行并形成柔和弧度。对应于近似线性部分30A和30B的部分充当压配合连接部分并且与通孔14的接触部分20进行电接触。任选地，接触部分20可包括精整加工顶层(未示出)，诸如ENIG层、浸锡、浸银以及OSP。此类精整加工是常规的且是本领域中熟知的。可商购获得的ENIG工艺可购自太阳石电路公司(Sunstone Circuits)。
整个压配合端子10是多层金属制品32，如图2所示，所述多层金属制品依次由以下项构成：铟金属顶层34，铟金属层34与锡或锡合金层36相邻，锡或锡合金层36与镍或镍合金阻挡层38相邻，并且镍或镍合金阻挡层38与铜或铜合金层40相邻。铜和铜合金层是构成整个压配合端子10的基体金属。
每个金属层的厚度可有所不同。优选地，铟层的范围是0.1-3μm，更优选地，铟层是0.2-1μm，甚至更优选地，铟层的厚度是0.2-0.5μm，最优选地，铟层具有0.2-0.4μm的厚度。优选地，锡或锡合金层的范围是0.5-5μm，更优选地，锡或锡合金是0.5-4μm厚，最优选地，锡或锡合金层是0.5-1μm厚。优选地，镍或镍合金阻挡层是0.5-5μm，更优选地，1-4μm厚，最优选地，1-2μm厚。
金属可以使用用于在基板上沉积金属和金属合金的一种或多种常规方法来沉积。此类沉积方法包括但不限于镀覆(诸如电镀、无电镀或浸镀)、化学气相沉积或物理气相沉积。优选地，通过使用常规金属或金属合金电镀浴(包括用于电镀金属或金属合金的常规参数)进行的电镀来沉积金属和金属合金层。
优选地，当通过电镀来沉积金属层时，清洁铜或铜合金基体。可以使用常规金属清洁过程。优选地，在清洁溶液中对铜或铜合金进行超声清洁或通过阴极脱脂对其进行清洁。此类清洁溶液可以包含硅酸盐化合物、碱金属碳酸盐以及诸如碱金属氢氧化物、乙二醇醚和一种或多种常规金属螯合剂的化合物。可商购获得的清洁制剂的实例是RONACLEANTM GP-300电清洁组合物(购自特拉华州威明顿的杜邦电子解决方案公司(DuPont ElectronicSolutions))。清洁可以在30℃至80℃的温度下进行。铜基体或压配合端子优于铜合金基体或压配合端子。当基体是铜合金时，铜-锡或铜锌合金是优选的。
优选地，在清洁步骤后，用合适的酸(诸如无机酸)活化铜或铜合金基体。使用稀释浓度的无机酸。这种酸的实例是硫酸，诸如稀释的硫酸(98wt％)水性溶液。然而，可以使用其他无机酸，诸如盐酸和硝酸。这些酸在本领域熟知的常规浓度下使用。活化通常在室温至30℃的温度下进行。
金属层以相同顺序沉积在铜或铜合金上，无论用于沉积金属层的工艺如何。当使用电镀来沉积金属层时，在铜或铜合金基体上镀覆镍或镍合金阻挡层，使得与铜或铜合金直接相邻地电镀镍或镍合金阻挡层。可以使用常规镍或镍合金电镀浴来镀覆镍或镍合金。优选的镍合金是镍磷。镍磷镀浴是本领域熟知的。可以用于在铜或铜合金上镀覆镍的可商购获得的镍镀浴的实例是NIKALTM MP-200电解镍浴，它是购自特拉华州威明顿的杜邦电子解决方案公司的硫酸盐基镍镀浴。浴提供明亮镍沉积物。镍电镀可以在1-10ASD、优选地1-5ASD的电流密度下进行。镍电镀浴温度的范围可以是30-60℃，优选地50-60℃。镍电镀进行到在铜或铜合金基体上沉积优选地0.5-5μm的镍厚度为止。
在与铜或铜合金直接相邻地沉积镍或镍合金之后，与镍或镍合金层直接相邻地镀覆锡或锡合金。可以使用常规锡或锡合金电镀浴以及常规镀覆参数。优选的锡合金是锡-铋、锡-铟或锡-银。锡-铋、锡-铟和锡-银合金镀浴是本领域技术人员熟知的。可商购获得的纯锡电镀浴和工艺的实例是SOLDERONTM ST-200电解锡浴和工艺，它是购自特拉华州威明顿的杜邦电子解决方案公司的MSA基浴。浴提供无光锡沉积物。锡电镀可以在0.5-30ASD、优选地10-30ASD的电流密度下进行。锡电镀浴温度的范围可以是30-60℃，优选地40-60℃。在镍或镍合金层上进行的锡电镀进行到实现范围优选地为0.5-5μm的镍层为止。
与锡或锡合金层直接相邻地沉积铟金属。铟金属不含任何合金金属。可以从提供铟金属沉积物而不是铟合金沉积物的本领域已知的任何常规铟电镀浴电镀铟金属层。可商购获得的铟金属电镀浴是INDIPALTETM APF电解铟浴，它是MSA基浴。浴在锡或锡合金层上沉积无光铟层。铟电镀可以在1-20ASD、优选地1-15ASD的电流密度下进行。铟电镀进行到在锡或锡合金层上沉积具有0.1-3μm的厚度的铟层为止。当在锡或锡合金层上镀覆具有0.1-0.4μm的厚度的铟预镀物(strike)层时，电流密度优选地是15-20ASD。铟镀覆温度的范围可以是30-60℃，优选地40-55℃。
任选地，在将金属层沉积在压配合端子上之后，可在125-160℃、优选地145-155℃的温度下使压配合端子退火。优选地，不对压配合端子金属层进行加热或回流。金属层序列可在无需加热、退火或回流的情况下抑制晶须形成。最优选的是，不对压配合端子的金属层进行加热、退火或回流。
以下实例中所使用的压痕测试仪设备100在图3中以示意图示出，并且包括内部轴110、不锈钢轴保持器120、矩形样品台130、轮140、四个调平支脚150(仅示出四个中的两个)、三块不锈钢配重和轴承(未示出)。内部轴110包括不锈钢杆160和可拆卸尖端170，所述可拆卸尖端具有直径范围为0.8mm-6.35mm的氮化硅陶瓷球。内部轴110的长度是大约200mm。内部具有轴承的不锈钢保持器120用于帮助保持内部轴竖直并使摩擦最小化。轮140用于在有或没有配重的情况下对轴进行加载和卸载，以便与矩形样品台130上的样品的表面接触，所述矩形样品台设置在平坦且无振动的台子(未示出)上。轴本身的重量是500g，并且通过在其上添加另外的配重，负载可达到2000g。四个调平支脚150被调整以确保矩形样品台130上的样品朝向轴处于垂直位置。不锈钢轴保持器120由柱200接合到矩形样品台130。将由陶瓷球的重量和大小决定的预设压力施加在样品上达预选时间段。已经证明三天足以生成晶须。
为了校准设备，第一步是将装置调平，然后使用具有数字显示器的小型常规电子天平来检查基本负载(无任何配重)。如果基本负载在统计上非常接近500g，则无需调整即可使用。如果基本负载远低于500g，则意味着内部的轴承过紧，从而在轴承与杆之间产生一些阻力。需要稍微放松轴承。
负载测量和晶须测试是两个分开的步骤。负载测量用于在晶须测试之前检查负载。在确认负载满足目标负载之后，将样品置于样品台上以用于进行晶须测试。对于负载测试或晶须测试，程序如下：
1)通过逆时针旋转轮来将杆升高；
2)将天平或样品置于杆下方；
3)将配重置于杆上(用于在高于500g的负载下进行测试)；
4)顺时针轻轻地旋转轮以将负载施加在天平或样品上(当负载完全施加在天平或样品上时，轮感觉到放松)；并且
5)逆时针轻轻地旋转轮以移除负载，然后取出天平或样品。
包括以下实例以进一步说明本发明，但是并不意图限制其范围。
实例
实例中所使用的基板是3cm×3cm黄铜基板(赫尔槽板)。用铟、锡和镍来镀覆黄铜板，如下表2-9所示。顶层或外层是铟或锡。
在将金属层沉积在黄铜板上之前，使用RONACLEANTM GP-300电清洁组合物(购自特拉华州威明顿的杜邦电子解决方案公司)来对黄铜板进行电清洁。在电清洁之后，将黄铜板在室温下浸入水性10wt％硫酸中达1-2秒。
使用金属镀浴来将铟、锡和镍沉积在黄铜板上，并且厚度范围、电流密度和镀覆温度公开于以下表1中。
表1
镀浴和参数
1购自特拉华州威明顿的杜邦电子解决方案公司。
在以金属层镀覆黄铜板之后，将它们用DI水冲洗并在室温下干燥。
对每个金属镀覆黄铜板进行压痕测试以用于进行晶须性能对比。压痕在中央1cm×1cm区域内进行。晶须测试设备(上文有所描述且购自香港杜邦电子解决方案公司)包括重量变化为500-2000g的重量可变竖直外壳以及直径范围为0.8-6.35mm的陶瓷球。用于晶须测试的负载在1mm氮化硅陶瓷球的情况下是2000g。施加到中央区域的外部压力是大约1300MPa。将2000g的静态负载施加在镀覆样品上达3天，然后将负载移除并将样品取出以用于在压痕周围进行晶须检验(测量晶须的真实长度)并且使用SEM(Zeiss，Sigma 300显微镜)进行晶粒形态观察。将具有In/Sn/Ni/黄铜(未加热)和Sn/In/Ni/黄铜(未加热)的金属层序列的两个镀覆黄铜板和具有相同金属层序列的第二组两个黄铜板在150℃下烘焙一夜，然后使其冷却至室温。
在进行压痕测试之后三天，观察每个镀覆金属黄铜板的晶须形成并进一步检查铟晶粒形态。将具有均匀晶粒大小的紧密堆积的晶粒定义为良好晶粒形态。将具有大量孔或具有蠕虫样晶粒和显著间隙的涂层分类为具有不良晶粒形态。下表中示出每种金属层序列的结果。
表2(发明)
表3(发明)
表4(对比)
表5(对比)
表6(对比)
表7(对比)
表8(对比)
表9(对比)
表2的金属层序列实现最佳结果，其中铟是顶层，其与锡层相邻，锡层与镍阻挡层相邻，镍阻挡层与黄铜板铜合金相邻。未观察到晶须形成，并且除了其中铟沉积物具有0.5μm和1μm的厚度的一些可观察到的针孔之外，铟的晶粒形态良好。对In/Sn/Ni/黄铜的金属层序列进行烘焙阻碍了晶须抑制，但由于合金形成，晶粒形态存在显著变化。
Claims (7)
1.一种有待插入到基板的导电通孔中的压配合端子，所述压配合端子包括：具有外表面和内表面的线性弹性变形部分，所述压配合端子依次包括铜或铜合金基体、镍或镍合金阻挡层、锡或锡合金层以及铟顶层。
2.如权利要求1所述的有待插入到基板的导电通孔中的压配合端子，其中所述镍或镍合金层具有0.5-5μm的厚度。
3.如权利要求1所述的有待插入到基板的导电通孔中的压配合端子，其中所述锡或锡合金层具有0.5-5μm的厚度。
4.如权利要求1所述的有待插入到基板的导电通孔中的压配合端子，其中所述铟顶层具有0.1-3μm的厚度。
5.如权利要求4所述的有待插入到基板的导电通孔中的压配合端子，其中所述铟顶层具有0.1-0.4μm的厚度。
6.如权利要求1所述的有待插入到基板的导电通孔中的压配合端子，其中所述基板是印刷电路板。
7.一种有待插入到印刷电路板的导电通孔中的压配合端子，所述压配合端子包括：第一弹性变形部分和第二弹性变形部分，所述第一弹性变形部分和所述第二弹性变形部分是沿着所述压配合端子的长度的，所述第一线性弹性变形部分和所述第二线性弹性变形部分具有外表面和内表面，所述第一弹性变形部分和所述第二弹性变形部分在一个端部处由引导部分接合并且在与所述引导部分相反的端部处由颈部部分接合，并且通道部分形成在所述第一弹性变形部分与所述第二弹性变形部分之间，所述压配合端子依次包括铜或铜合金基体、与所述铜或铜合金基体相邻的镍或镍合金阻挡层、与所述镍或镍合金阻挡层相邻的锡或锡合金层以及与所述锡或锡合金阻挡层相邻的铟顶层。
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