CN1247689A - 印刷电路组件 - Google Patents
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Abstract
一种印刷电路组件(36),包括一个印刷电路板(30),此印刷电路板具有镀覆有镍(42)和金(44)的焊点以及具有约90%的铅和10%的锑的组成的焊料(46)。该印刷电路组件在约280—290℃的温度下通过IR或对流加热而发生回流,并且当该印刷电路组件(36)随后通过标准的锡—铅焊料系被安装至第二印刷电路板时维持焊料连接整体性。
Description
发明背景
1.发明领域
本发明涉及印刷电路组件结构的领域。更具体地讲，本发明涉及元件和引线焊接技术，这种技术用于在顺序进行的焊接步骤中防止焊料回流(reflow)。
2.相关技术描述
在制造电气和电子产品时，通过将各元件焊接至印刷电路板而形成电路是最普遍的实用方法，印刷电路板设有导电迹线(traces)，用于按需要的方式互连各元件。在某些情况中，元件被单个地手工焊接至其合适的位置处。在其它应用中，多个元件同时被放置在一个印刷电路板上，并且被基本上同时地焊接就位，该焊接是通过波动焊接方法或者通过红外或对流加热炉回流焊接技术实现的。回流焊接方法在包括表面安装元件的印刷电路组件中是特别普遍的。
在一般的回流焊接程序中，印刷电路板迹线的焊点采用模板或丝网印刷工艺涂覆有焊料膏。随后，诸如电阻器、电容器等电路元件被固定至其合适的位置，这种固定通常是采用少量的粘结剂。然后组件被置于一个加热炉内，在此焊料膏被加热至高于其“液相线”温度的温度，在此温度下焊料全部为液态的。当冷却时，焊料固化，从而将元件固定至焊点。
在许多现代的电子应用中，上述的印刷电路组件被密封或封装，从而形成单个的电子模块，此模块具有端子和/或引线，用于外连至其它电路。这种模块随后可被用作另一“下游”印刷电路组件的一个元件。在这种情况下，模块的端子或引线在一个下游的制造装置中被焊接至另一印刷电路板。这种焊接工艺也可以包括手工焊接、波动焊接或回流焊接技术。可以理解的是，在对模块进行的这个后续的焊接程序中，需要使模块内的焊料维持低于其“固相线”温度，在此温度下焊料合金全部是固态的。如果模块内的焊料升温至固相线温度以上，将开始形成迁移和热裂，导致内部焊料连接的稳定性降低。如果接近液相线温度，模块内的焊料可能再次回流，形成内部短路并导致模块损坏。
为解决这个问题所做的努力集中于模块焊料系的使用，这种焊料系的固相线和液相线温度高于为将模块固定至另一印刷电路板所用的焊料系。最普通的焊料采用锡(Sn)和铅(Pb)的合金，它具有约183℃的固相线温度。63％的锡和37％的铅(63Sn/37Pb)的合金是通常的组成，并且配比常常可以是在以下范围内：40％-60％的Pb以及作为余量的Sn。虽然这些锡-铅合金是最普通的，但可以添加其它元素或用其它元素替代全部或部分的Pb或Sn，以制成具有不同机械强度、颗粒尺寸或液相线/固相线温度的焊料。这类元素包括例如镉(Cd)、铋(Bi)、锑(Sb)和银(Ag)。
最下游的印刷电路组件制造商在约220-235℃的回流焊接加热炉温度下采用Sn/Pb合金焊料。为避免模块在这些加热炉条件下回流，在某些市场上可以得到的已有技术的模块中已使用了较高温度的模块焊料系，它采用85Pb/10Sb/5Sn组成。这种焊料具有约239℃的固相线温度和约243℃的液相线温度。即使使用这种焊料合金的模块已经采用下述这样的焊点制造出来，即，焊点首先镀覆镍然后镀覆金(由此消除了通常设置在裸露的铜印刷电路板焊点上的薄的Sn/Pb焊料涂层)，但也已发现，在许多使用标准的Sn/Pb焊料合金的下游制造环境中，这些模块呈现不希望的焊料回流，并且发现了与这种回流相关的模块故障。
另一种已有的系统目前是由本申请的受让人制造的，它在焊点上使用88Pb/10Sn/2Ag焊料，焊点由标准Sn/Pb焊料浸液处理而不是镀覆镍和金。88Pb/10Sn/2Ag焊料合金具有约299℃的液相线温度。这种焊料在下游制造工序中不会有后续的回流问题，但这种焊料所需的320-330℃的初始回流温度使得要使用昂贵的高温印刷电路板30、诸如环氧树脂/聚苯撑氧树脂板，这类印刷电路板例如可以从通用电气公司获得，型号为GETEK(TM)。这种高的初始回流温度还趋于使印刷电路板30上安装的元件受力过大，因为这些元件通常被元件制造商确定为在焊接过程中仅能承受约260℃的温度。
因此，在本领域中需要一种改进的模块焊接系统，它在下游的采用标准Pb/Sn焊接方法安装至另一印刷电路组件的过程中不存在回流问题。模块焊接技术还应当使用由标准的廉价印刷电路板和电路元件可以承受的回流温度。
发明概述
在本发明的一个方面中，采用了一种铅-锑合金焊料，它具有既能避免后续的回流问题又能避免元件受力过大的液相线和固相线温度。因此，根据本发明的这个方面的印刷电路组件包括：一个印刷电路板，它包括一个电介质衬底和导电的迹线；和一个电路元件，它是通过焊料被固定至迹线之一上的一个焊点处的，其中焊料的金属含量包括约90％的铅和10％的锑。在一些实施例中，焊点包括一层铜，其上镀覆有一层镍和一层金。
本发明还包括一种制造印刷电路组件的方法，该方法包括以下步骤：在一个印刷电路板上的选定位置处设置焊料膏；将电路元件设置在印刷电路板的选定位置上；以及在约280-290℃的温度下使焊料膏回流。这种方法可以有益地包括使用具有约90％的铅和10％的锑的组成的焊料膏。
在后续的制造步骤中，当将根据上面描述的原理制成的印刷电路组件安装至另外的印刷电路组件时，由本发明提供的印刷电路组件可靠性方面的优点尤其明显。因此，本发明还包括一种模块，这种模块包括：(1)第一印刷电路板，它包括一个电介质衬底和多根导电的迹线；(2)一个端子，它具有耦连至多根导电的迹线之一的一个部分；以及(3)一个电路元件，它是通过第一焊料组分被固定至迹线之一上的一个焊点处的，其中第一焊料组分不包括锡。此外，设置有第二印刷电路板，它包括一个电介质衬底和多根导电的迹线，其中模块的端子的一个部分通过第二焊料组分耦连至第二印刷电路板上的多根导电的迹线之一，其中第二焊料组分包括约40％或更多的锡。在这个组件的优选实施例中，含锡焊料的回流不会影响模块的不含锡焊料结合的整体性。
附图简述
图1是根据本发明的一个方面的印刷电路组件的立体图；
图2是一个子组件的内部结构立体图，此子组件是图1的印刷电路组件的一部分；
图3是沿图2的线3-3截取的此图所示模块中焊料结合部分的剖面图。
优选实施方案描述
下面将参照附图描述本发明的优选实施例，在所有附图中相同的标号表示相同的元件。本说明书中所采用的术语应按其最宽的合理方式理解，即使这种术语是与本发明的特定优选实施例的具体细节描述结合使用的。这还将在下面参照这里使用的某些特定术语予以了强调。在本说明书中，由读者以任何限制方式理解的任何术语都将如此明确地和具体地定义。
在图1中，示出了印刷电路组件10的一部分。印刷电路组件10包括一个由电介质材料制成的印刷电路板12，它可以包括本领域技术人员公知的多种材料和结构。一些公知的可选择方案包括层叠的纸/酚醛树脂和玻璃/环氧树脂组成结构。铜迹线14设置在印刷电路板的至少一个表面上，并且还常常设置在反面上和印刷电路板12的内部叠层上。迹线14提供了印刷电路板12上安装的各元件之间的电连接，所述各元件例如为图1中所示的电容器16和电阻器18。通常，这些元件16、18被焊接在迹线14的焊点22上，这种焊接是采用插入印刷电路板12中的通孔内的引线或者在电路板表面上进行(如果这些元件要表面安装的话)。
在许多印刷电路组件应用中，一个密封的或封装的模块20形成最终的印刷电路组件的一部分。目前可得到许多不同类型的封装模块，包括诸如光隔离器、放大器、诸如门阵列等数字逻辑电路或处理器等器件。在有些情况下，封装模块20本身将包括一个带有焊接安装的元件的内部印刷电路板。例如，在通信应用中，封装电感元件已变得非常普遍，这些电感元件诸如电话线接口变压器、高电感共模扼流圈、双线数字接口变压器以及其它类似的元件和电路。这类元件通常被焊接至一个印刷电路板并且被封装，以便此后组装至一个“下游”印刷电路组件，如图1所示。在这些情况下，封装模块20内的印刷电路板具有其自身的迹线，这种迹线连接至端子24，这些端子可以形成封装结构的引出线。这些引线随后被焊接至印刷电路板12，焊接方式与参照上述的元件(例如电阻器16和电容器18)描述的方式相似。当然，本领域的普通技术人员将能理解，模块中的电路结构的类型可以改变，本发明的范围绝不局限于封装结构中所设置的元件或电路的性质。正如元件16、18那样，封装模块20可以适于通孔安装或表面安装。
在本发明的一些实施例中，元件16、18和封装模块20被焊接至印刷电路板，焊接采用Sn/Pb合金焊料，这种焊料的固相线温度约为183℃。如上所述，印刷电路组件10的焊接可以通过手工焊接、波动焊接实现，或者通过IR或对流加热炉回流焊接技术实现。当印刷电路组件10包括许多表面安装元件时，加热炉回流焊接方法是最常用的。在采用固相线温度为183℃的Sn/Pb焊料实施加热炉回流焊接工艺时，回流焊接加热炉的温度通常约为220-240℃。这保证了全部焊料升温至液相线温度之上，这样将会产生充分的润湿和金属间的结合。
图2示出了根据本发明一个方面的封装模块20的内部结构。模块20包括一个印刷电路板30，印刷电路板30带有诸如电感器和/或电阻器32之类的元件，这些元件被焊接至印刷电路板30表面上的迹线34上的焊点处。作为一个特定的实施例，其还在图3中示出并且下面将更详细地描述，一个表面安装电阻器38通过一个焊料结合部分36被固定至一个迹线上的焊点处。由此模块20的内部结构可以在许多方面与图1中所示的下游印刷电路组件相似。
考虑到尺寸，表面安装元件通常被用作图2中所示类型的封装模块20中的许多元件。表面安装元件一般是通过这样的方式连接至印刷电路板上的：将焊料膏以丝网印刷方法涂敷至印刷电路板的选定位置处，并且通过粘结剂将元件以相对于丝网印刷的焊料膏合适的位置固定至电路板上。随后，通常将整个组件置于一个回流焊接加热炉中，使焊料升温至其液相线温度之上。当冷却时就形成了焊料结合部分。非表面安装元件例如通常的电感器则在加热炉回流焊接程序之后被手工焊接至印刷电路板30。
在安装至下游印刷电路组件10之后，模块20可以被再次置于回流焊接加热炉中。相应地，为将各元件固定至封装模块20内的印刷电路板30上所用的焊料系应能够承受后续的焊接步骤中达到的温度，而不能因模块20内的部分或全部焊料回流导致结合减弱。已有技术中为防止模块20中这种不希望的回流所作的尝试存在明显的缺点。因此，焊料组成应当具有足够高的固相线温度，以便在后续的焊接程序中维持固态。虽然许多焊料组成具有远高于下游回流焊接操作中使用的一般为约220-240℃的固相线温度，但模块20中使用的焊料的液相线温度还应当足够低，以便对模块20进行初始的回流焊接工艺必需的加热炉温度不会损坏印刷电路板30或元件32、38。如上所述，在本发明之前，对于这种或那种要求而言，寻找满足这些要求的合适的焊料系的尝试已是不成功的。
图3中示出了一种改进的焊料结合系统，它克服了已有技术的这些缺点，图3是图2的一个表面安装元件38的剖面图，此元件结合至印刷电路板30。因此，参照图3，印刷电路板30包括一根迹线34，此迹线最好是由铜制成的。迹线的厚度将随连接所需的电流容量而改变，但对于许多应用而言约1.4mil(密耳)的厚度是合适的。除了焊点区域之外，迹线34被一个焊料掩蔽层40覆盖，此掩蔽层的合适厚度约为1.5-2.0mil。采用适量的焊料46，元件38在迹线上的一个焊点处被固定至印刷电路板30。焊料46的金属含量最好大约是90％的Pb和10％的Sb(90Pb/10Sb)。通常，焊料46是按一定量的焊料膏使用的，焊料膏具有-200+325的粒度、92％的金属含量并且包含水溶性或RMA溶剂。
90Pb/10Sb焊料组分具有约252℃的固相线温度和约260℃的液相线温度。因此这种焊料组分具有稍高于220-240℃的固相线温度，这个220-240℃的温度通常是在安装至第二印刷电路组件时的后续的下游安装程序中遇到的。另外，90Pb/10Sb焊料的液相线温度处于这样的温度，即，廉价的印刷电路板30的材料和电气元件可以承受这种温度，而不会产生明显的不良影响。
可以指出的是，采用90Pb/10Sb焊料进行的初始的试验并不是特别令人满意的。在许多试验模块中，当90Pb/10Sb焊料膏替代88Pb/10Sn/2Ag焊料膏时，在下游的制造工艺中会再次产生回流。不过，附加的试验表明：如果印刷电路板上的焊点被镀金而不是在Pb/Sn焊料液槽中浸渍而被涂敷的话，90Pb/10Sb焊料系的特性明显改善。因此，本发明的优选实施例提供了一种焊点，它构成了迹线40的一部分，其上镀敷有第一镍层42。镍厚度可以在宽的范围内变化，但最好在大约80-120微英寸之间变化。在这层镍薄膜42的顶部设有一个金镀层，它最好大约5-10微英寸厚。在回流焊接过程中，金层逸散至焊料合金中，并且与镍形成强的金属间结合。虽然焊料结合实际上是由镍层形成的，但金被设置用于防止镍氧化，因为当暴露于空气时，镍会很快发生氧化，这种氧化会影响回流焊接工艺中焊料结合的形成。可以理解的是，为了清楚起见，图3中所示的这些层不是按比例画出的，并且要比在肉眼观察时将实际显现的厚度大得多。
金焊料合金界面替代通常设置在裸电路板上的包括90Pb/10Sb合金和Pb/Sn涂层的界面明显地使90Pb/10Sb合金的固相稳定，由此使固相线温度提高至足以防止初始观察到的回流问题。另外，90Pb/10Sb合金的液相线温度维持足够低，以便在模块20制造过程中的初始焊接步骤不会使标准的印刷电路板材料或诸如电阻器和电容器之类的电路元件受力过大。
因此，根据本发明的一个方面，优选的封装模块的制造是如上所述从采用一层镍薄膜42和一层金薄膜44镀覆印刷电路板上的焊点开始的。包括90Pb/10Sb焊料合金的焊料膏被丝网印刷至印刷电路板上的合适位置处。元件被置于带有焊料膏的印刷电路板上，并且组件被置于IR或对流加热炉中，用于在约280-290℃的温度下对元件进行回流焊接。这保证了全部焊料(具有约260℃的液相线温度)完全熔化并且合适的表面由焊料合金润湿。在冷却和结合形成之后，印刷电路板30被封装而形成模块20。
随后进行后续的下游制造操作，以将模块安装至另一印刷电路板上。在大多数普通情况下，Pb/Sn合金焊料系将被用于这类下游操作。在这些下游操作中使用的加热炉温度通常为220-240℃，这种温度将不会使模块中的焊料的温度升高至约252℃的固相线温度以上，由此防止了在下游制造工艺中模块焊料的迁移或回流。因此，这里描述的和要求保护的本发明克服了已有技术中存在的前述问题，这是通过提供能够在下游制造工艺中避免回流、但可以与廉价的印刷电路板材料和电路元件联用的一种焊料系实现的。
以上说明详细地阐明了本发明的特定优选实施例，并且描述了预期的最佳方式。不过，将能理解的是，无论以上说明如何详细，本发明均可以按许多种方式实施。正如上面也已指出的，应当注意的是，当描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用并不意味着不欲涵盖这种术语的最宽的合理含义，或者并不意味着这种术语在这里被重新定义以限制为包括与这种术语相关的本发明的特征或方面的任何具体特性。因此本发明的范围应当根据所附权利要求及其任何等同物解释。
Claims (17)
1.一种印刷电路组件，包括：
一个印刷电路板，它包括一个电介质衬底和导电的迹线；
一个电路元件，它是通过焊料被固定至所述迹线之一上的一个焊点处的，其中所述焊料的金属含量包括约90％的铅和约10％的锑。
2.根据权利要求1的印刷电路组件，其特征在于，所述焊点包括一层金。
3.根据权利要求2的印刷电路组件，其特征在于，所述焊点包括一层铜，其上镀覆有一层镍和一层金。
4.一种印刷电路组件，包括：
一个模块，所述模块包括：(1)第一印刷电路板，它包括一个电介质衬底和多根导电的迹线；(2)一个端子，它具有耦连至所述多根导电迹线之一的一个部分；以及(3)一个电路元件，它是通过第一焊料组分被固定至所述迹线之一上的一个焊点处的，其中所述第一焊料组分包括一种不含锡的金属组分；
第二印刷电路板，它包括一个电介质衬底和多根导电的迹线，其中所述模块的所述端子的一个部分通过第二焊料组分耦连至所述第二印刷电路板上的多根导电迹线之一，其中所述第二焊料组分的金属含量包括至少约40％的锡。
5.根据权利要求4的印刷电路组件，其特征在于，所述模块被封装
6.根据权利要求4的印刷电路组件，其特征在于，具有所述第一焊料组分的焊料具有大于约250℃的固相线温度。
7.根据权利要求6的印刷电路组件，其特征在于，所述第一焊料组分包括约90％的铅和10％的锑。
8.根据权利要求4的印刷电路组件，其特征在于，所述焊点包括一层金。
9.根据权利要求8的印刷电路组件，其特征在于，所述焊点包括一层铜，其上镀覆有一层镍和一层金。
10.一种制造印刷电路组件的方法，包括以下步骤：
采用一层镍来镀覆一根铜迹线的一部分；
采用一层金来镀覆所述镍层；和
采用焊料将一个电路元件焊接至所述金层，该焊料组分包括约90％的铅和10％的锑。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述焊接步骤包括以下步骤：将所述印刷电路组件置于一个回流加热炉中并且在约280-290℃的温度下使所述焊料回流。
12.一种制造印刷电路组件的方法，包括以下步骤：
在一个印刷电路板上的选定位置处设置焊料膏；
将电路元件设置在所述印刷电路板的选定位置上；
在约280-290℃的温度下使所述焊料膏回流。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，所述设置焊料膏的步骤包括设置具有不含锡组成的焊料膏的步骤。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述设置焊料膏的步骤包括设置具有约90％铅和10％锑的金属含量的焊料膏的步骤。
15.根据权利要求10的方法，还包括封装所述印刷电路板的步骤。
16.根据权利要求15的方法，还包括将所述印刷电路组件焊接至第二印刷电路板的步骤。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述焊接步骤包括在约220-240℃的温度下使所述焊料膏回流。
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