CN1543294A - 金属掩模和使用该金属掩膜印刷无铅焊膏的方法 - Google Patents

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Abstract

使用本发明的金属掩模实施一种无铅焊膏印刷方法，即通过将金属掩模1放置在电路板2上，该电路板具有以预定图案形成的电极21以连接导线元件6的端部，并沿着金属掩模1的上表面移动印刷滚由此将无铅焊膏印刷到电路板2的电极21的表面上。该方法在电路板2电极21上生产出每一个均具有圆形或椭圆形且设置在导线元件6从电极延伸的方向的两个无铅焊膏图案30a，30a。

Description

金属掩模和使用该金属掩膜印刷无铅焊膏的方法
技术领域
本发明涉及金属掩模以及使用该金属掩模印刷无铅焊膏的方法。
背景技术
图6示出了公知的使用传统的锡-铅焊膏将电子部件，导线元件或类似元件连接到电路板的一种回流焊方法(例如，参见JP-A No.2002-362003)。
首先，制备金属掩模1，如图6(a)所示，该金属掩模1在对应于电路板2上的电极21的位置的部分具有开口11。如图6(b)所示，将金属掩模1连接到电路板2，并将锡-铅焊膏放置在金属掩模1上。随后，将印刷滚4在金属掩模1上从其一端向另一端移动，由此将锡-铅焊膏3填充到开口11中。然后将金属掩模剥落，由此如图6(c)所示，将锡-铅焊膏图案3a印刷在电路板2的电极21上。如图6(d)所示，随后将电子部件5，导线元件6等放置在印刷在电路板2的焊膏图案3a上，且电路板2经过用于焊接的回流焊熔炉。
氨基甲酸乙酯，金属或类似物质用作印刷滚4的材料。由于氨基甲酸乙酯的滚子，如果使用的话，具有氨基甲酸乙酯由金属掩模的边缘部分刮掉以至于在电路板或焊膏图案上留下碎片的问题，因此通常使用金属滚子。
所希望的是用于电子器件中的电路板显示出更高的性能，具有多种功能且更加紧凑，使得必须利用回流焊技术将许多电子部件安装到电路板上。到目前为止，上述的锡-铅焊膏通常用于回流焊。
但是，如果电子器件和在其上安装有电子器件的电路板在使用后未经适当地处理而丢弃在自然环境中，将会产生一个问题，即有毒重金属铅将由于暴露于酸雨中以可溶解化合物的形式流走，不仅不利地影响全球环境而且由于进入地下水和其它水系中而对动物，植物和人体造成影响。由于这个原因，强烈要求使用无铅焊料。
因此，已研发出锡-银，锡-银-铜，锡-铋，锡-锌，锡-锑和类似无铅焊料，且将含有这些无铅焊料的焊膏进行使用。特别是，由于银是稳定的，锡-银，锡-银-铜焊料以与传统的同样高的可靠性代替了锡-铅焊料。
通过混合主要含有锡的无铅焊料粉末和焊剂制备无铅焊膏。但是，锡-铅焊料具有大约183℃的熔点，锡-银或锡-银-铜无铅焊料具有大约220℃的高熔点，使得如果使用与在锡-铅焊料中的焊剂相同的焊剂，在回流焊处理中在高熔点焊料熔化前焊剂就会蒸发，这将不能进行满意的焊接。
因此，通常用于高熔点的锡-银或锡-银-铜无铅焊膏的焊剂是含有以松香或改良松香为底料，以及添加到底料中的溶剂，活化剂，触变介质和其它添加剂的混合物(例如，参见JP-ANo.2003-10996)。
在这种将高熔点的锡-银、锡-银-铜等无铅焊膏印刷到电路板上的情况下，将无铅焊膏填充在如图3所示的形成在金属掩模1中的矩形开口11中，且随后金属印刷滚4如图7(a)所示沿着金属掩模1移动。如果每一个开口11的面积均超过5mm2，在示于图7(b)的印刷金属滚4和金属掩模1中开口11的边缘部分15之间容易产生大量的摩擦热。而且因为开口11是矩形的，填充的无铅焊膏的流动性低且容易加热到高的温度，特别是在边缘部分15处。但是，加入到无铅焊膏中的焊剂当暴露于高温时具有产生化学变化和恶化(氧化)的特性使得由于摩擦热，焊剂显著恶化(氧化)以导致焊料的可湿性下降。这严重地降低了导线元件或类似大型元件与电路板之间的粘结强度，必然产生当电路板受到例如，外力或应力作用时部件开始从电路板上脱落的问题。
而且，如果金属掩模1的开口11的尺寸增加，将难以用焊膏均匀地填充开口11。此外，回流焊方法，即如图6(d)所示的在其上印刷有焊膏图案3a并在该图案上安装部件的电路板2经过回流焊炉以由此熔化焊膏且将部件焊接到电路板2上，会产生这样的问题即，由于当焊膏熔化时产生的自对准作用，部件将从特定的位置移动和移位。
发明内容
因此，考虑到前述问题，本发明的一个目的是通过减少即使在使用高熔点的锡-银，锡-银-铜或类似无铅焊膏时由于摩擦热产生的化学变化导致的焊剂恶化，提供一种用于有效地进行回流焊的金属掩模以及一种使用该金属掩模印刷焊膏的方法。
本发明提供一种用于具有以预定的图案形成的电极的电路板的金属掩模以连接用于提供无铅焊膏至具有预定图案的电极的导线元件的端部。该金属掩模的特征在于：该金属掩模具有形成在对应于电路板上的电极的位置上且在导线元件从该电极向另一个电路板延伸的方向设置的两个开口，这两个开口每一个均是圆形或椭圆形。
本发明还提供一种无铅焊膏印刷方法，其如此实施：即将本发明的金属掩模放置在电路板上，且沿着金属掩模的上表面移动印刷滚以由此将无铅焊膏压到该金属掩模上，迫使焊膏通过形成在掩模上的开口且将焊膏印刷到形成在电路板上的具有预定图案的电极上。
无铅焊膏含有熔点高于183℃的焊料。电路板具有连接到导线元件的电极，该导线元件用于与其它的电路电连接。该方法在电路板的电极上产生每一个均为圆形或椭圆形的两个无铅焊膏图案且在导线元件从该电极向另一个电路延伸的方向设置。
当使用时，本发明的无铅焊膏印刷方法减少印刷滚和金属掩模之间产生的摩擦热，在金属掩模的开口中为焊膏提供改进的流动性，且抑制由于摩擦热导致的焊膏温度升高。因此，在不使焊剂恶化(氧化)削弱粘结强度的情况下令人满意地对部件进行焊接。
如果金属掩模具有两个在沿着垂直于导线元件延伸的方向并排设置的开口，焊膏将不能以足够的流量提供给电极的端部，当导线元件连接到电极时，在电极上从外部施加大的应力。因此这种设置具有不能提供改进的粘结强度的可能性。
附图说明
图1包括示出根据本发明的印刷无铅焊膏的方法的步骤的一系列透视图；
图2是实施本发明的金属掩模的平面图；
图3是传统金属掩模的平面图；
图4是具有用于一个电极的两个椭圆形开口的金属掩模的平面图；
图5是具有用于一个电极的四个圆形开口的金属掩模的平面图；
图6是包括示出传统的印刷无铅焊膏的方法的步骤的一系列透视图；
图7(a)和图7(b)分别是表示在印刷滚和金属掩模之间产生摩擦的剖视图和平面图；以及
图8是示出具有两个互相连接的开口的金属掩模的平面图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下面参考相关的附图进行描述。使用本发明的金属掩模的印刷焊膏的方法通过使用含有熔点高于183℃的焊料的无铅焊膏，如含有锡-银或锡-银-铜的无铅焊料的无铅焊膏进行。由于银是稳定的，这样的无铅焊膏可以以与传统可用的同样高的稳定性代替锡-铅焊料使用。
参考图4，实施本发明的金属掩模1在对应于一个电极21的位置处个有两个开口11，11，其中电极21设置在电路板上并连接一个导线元件6。这两个开口11，11沿着从电极21延伸的导线元件6的方向设置，每一个面积均小于传统的面积且是椭圆形的。
参考图5，根据本发明的另一个金属掩模1在对应于电极21的位置具有四个开口11，11，11，11，且该电极21设置在电路板上且该电极连接于导线元件6。四个开口11沿着从电极21延伸的导线元件6的方向和沿着垂直于该方向的方向设置，每一个面积均小于传统的面积且是圆形的。
图1示出了本发明的焊膏印刷方法的步骤，其中使用如图2所示的金属掩模1。该金属掩模1具有对应于一个电极21的两个椭圆形开口11a，11b，其中电极21设置在电路板上且连接于导线元件6。开口11a，11b沿着导线元件6从电极延伸的方向设置。位于更接近于导线元件6的基部端的这两个开口11a，11b中的第一个11a的面积比另一个，即第二个开口11b，小，且第一开口11a的面积S1与第二开口11b的面积S2比值，即，S1∶S2设定为1∶2。
此外，两个开口11a，11b如此设定尺寸使得其相对端在垂直于导线元件6延伸的方向上以向着各自的方向凸出于电路板上的电极21，且凸起尺寸A是0.3到0.5mm。第二开口11b进一步如此设定尺寸使得其端部在导线元件6延伸的方向上以向着相同的方向凸出于电极21，且凸起尺寸B是0.3到0.5mm。两个开口11a，11b之间相隔的距离C为0.3到0.4mm。
如图1(a)所示，首先制备上述的金属掩模1，其在对应于电路板2上电极21的位置处具有两个开口11a，11b。如图1(b)所示，将金属掩模1附着到电路板2上。接下来，将锡-银-铜无铅焊膏30放置在金属掩模1上，且在金属掩模1上从其一端向另一端移动印刷滚4，由此用无铅焊膏30填充金属掩模1的两个开口11a，11b。
随后将金属掩模1从电路板2剥落。因此，如图1(c)所示，将无铅焊膏图案30a印到电路板2的电极21上。然后如图1(d)所示将电子部件5，条形的导线元件6等放置在电极21上的焊膏图案30a上，且然后将电路板2经过回流炉进行焊接。焊膏在炉中熔化且当施加超过电极面积时，焊膏部分被限制在电极面积中。
通过描述的印刷方法无铅焊膏30可以容易地均匀填充到金属掩模1的开口11a，11b中。该方法还减少了如图7(b)所示的传统地在印刷金属滚4和金属掩模1的开口11的边缘部分15之间产生的摩擦热，进一步允许无铅焊膏30在开口中显示出改进的流动性以抑制焊膏30的温度升高。
如图2所示，承受较大外部压力和应力的导线元件6的第二开口11b具有大于向着导线元件6的基部端设置的第一开口11a的面积，且极大超过电极面积地印刷焊膏图案。即使导线元件6在回流处理中由于自对准作用而变位，其也可以在向着导线元件延伸的方向在端部和在垂直于该方向的方向上在相对端部将足够量的焊膏提供给电极，即当导线元件连接到电极时，从外部施加大的压力和应力的电极端部，因此确保较大的粘结强度。由此，导线元件6可以以增加的强度连接到电路板上且变得更不可能从电路板脱落。
第一开口11a与第二开口11b的面积比，即由在第一开口中的焊膏提供的第一印刷部分和同样由第二开口提供的第二印刷部分的面积比优选地在1∶1.5到1∶3的范围内。如果第一印刷部分的面积大于这个范围，第一印刷部分和第二印刷部分在面积上的差异变得小，不能提供有效影响以对抵抗外部应力而具有改进粘结强度。另一种选择是，如果第二印刷部分的面积大出这个范围，由于第二开口11b面积增加，印刷滚不能将无铅焊膏均匀地提供给电路板，因此削弱了粘结强度。
根据本发明的无铅焊膏印刷方法，在金属掩模1中的两个开口11a，11b隔开一个小距离，使得焊膏可以为印刷有效地转移，即金属掩模可从得到的印刷物上光滑地去除。金属掩模1在一个电极21上产生两个无铅焊膏图案30a，30a，在这两个图案30a，30a之间形成小的间隙，因此在焊接过程中放出的气体通过这个间隙容易地释放。
即使当焊膏使用熔点高的锡-银或锡-银-铜无铅焊膏时，使用本发明的金属掩模印刷无铅焊膏的方法减少了印刷滚和金属掩模之间产生的摩擦热且允许焊膏显示出在模板开口中改进的流动性以抑制由于摩擦热导致的焊膏温度的升高。因此，可以不引起焊剂的恶化(氧化)而令人满意地对部件进行焊接，焊剂恶化会削弱粘结强度。
本发明的金属掩模和方法并不限制于前述的实施例而是在不偏离本发明精神的情况下本领域技术人员可以作各种变形。例如，当形成在金属掩模1上的两个开口11a，11b在如图8所示的它们的侧边部分彼此相通时，也可以得到上述相同的优点。在本发明的金属掩模中的开口并不局限于圆形或椭圆形，而可以是与圆形或椭圆形等同并可以产生与圆形或椭圆形开口等同效果的其它形状。

Claims (13)

1.一种用于电路板(2)的金属掩模，该电路板具有以预定图案形成的电极(21)以连接用于提供无铅焊膏(30)至具有预定图案的电极(21)的导线元件(6)的端部，该金属掩模的特征在于：该金属掩模具有形成在对应于电路板(2)的电极(21)的位置上的两个开口(11a，11b)，且这两个开口设置在导线元件(6)从电极(21)向着另一电路延伸的方向，且两个开口(11a，11b)每一个均是圆形或椭圆形。
2.根据权利要求1的金属掩模，其中两个开口(11a，11b)每一个在导线元件(6)延伸的所述方向上是具有短轴的椭圆形。
3.根据权利要求1的金属掩模，其中两个开口(11a，11b)中的第一个(11a)比另一个第二开口(11b)面积小，其中第一开口(11a)位于更接近导线元件(6)的所述端部以连接到电路板(2)的电极(21)。
4.根据权利要求3的金属掩模，其中第一开口(11a)与第二开口(11b)的面积比为1∶1.5到1∶3。
5.根据权利要求1的金属掩模，其中两个开口(11a，11b)如此设定尺寸使得其相对端在垂直于导线元件(6)延伸的所述方向的方向上以向着各自的方向凸出于电路板(2)的电极(21)。
6.根据权利要求5的金属掩模，其中两个开口(11a，11b)中的向着导线元件延伸的所述方向设置的开口(11b)如此设定尺寸使得其向着导线元件延伸的所述方向的端部向着所述相同的方向凸出于电路板(2)上的电极(21)。
7.根据权利要求1的金属掩模，其中两个开口(11a，11b)在其侧边部分彼此相通。
8.一种无铅焊膏印刷方法，包括：在电路板(2)上放置金属掩模(1)，该电路板具有以预定图案形成的电极(21)以连接导线元件(6)的端部，以及沿着金属掩模(1)的上表面移动印刷滚(4)，由此在电路板(2)的电极(21)的表面上印刷无铝焊膏(30)，该印刷方法的特征在于，该金属掩模具有形成在对应于电路板(2)的电极(21)的位置处的两个开口(11a，11b)，每一个均为圆形或与椭圆形，且使用金属掩模(1)将两个开铅焊膏图案(30a)印刷到电极(21)上，两个焊膏图案设置在导线元件(6)从电极(21)向着另一个电路延伸的方向上。
9.根据权利要求8的无铅焊膏印刷方法，其中金属掩模(1)的两个开口(11a，11b)中的第一个(11a)比另一个第二开口(11b)面积小，其中第一开口(11a)位于更接近导线元件(6)的所述端部以连接到电路板(2)的电极(21)。
10.根据权利要求9的无铅焊膏印刷方法，其中金属掩模(1)的第一开口(11a)与第二开口(11b)的面积比为1∶1.5到1∶3。
11.根据权利要求8的无铝焊膏印刷方法，其中金属掩模(1)的两个开口(11a，11b)如此设定尺寸使得其相对端在垂直于导线元件(6)延伸的所述方向上以向着各自的方向凸出于电路板(2)上的电极(21)。
12.根据权利要求11的无铅焊膏印刷方法，其中金属掩模(1)的两个开口(11a，11b)中的向着导线元件延伸的所述方向设置的开口(11b)如此设定尺寸使得其向着导线元件延伸的所述方向的端部向着所述相同的方向凸出于电路板(2)上的电极(21)。
13. 根据权利要求8的无铝焊膏印刷方法，其中无铅焊膏(30)包括主要含有锡且含有银的焊料，或主要含有锡且含有银和铜的焊料。
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