專利名稱：無鉛釬料和無鉛接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不含鉛的(無鉛)釬料和不含鉛的接頭(無鉛接頭)，該釬料和接頭適合用于例如電子器件或電子元件。
背景技術(shù)：
通常進(jìn)行釬焊以便將電子元件安裝在印制電路板上，或者對(duì)安裝在印制電路板上的電子元件的內(nèi)部組件(element)等進(jìn)行電子連接。典型使用的釬料是錫和鉛的共晶釬料，而實(shí)際上當(dāng)使用具有183℃熔點(diǎn)的錫-鉛共晶釬料在印制電路板上安裝電子元件時(shí)，是在260℃的最高溫度下進(jìn)行釬焊的。
用來對(duì)安裝在印制電路板上的電子元件所包含的電極和組件等進(jìn)行電子連接的釬焊要求維持穩(wěn)定的連接，即使在上述溫度下用于在安裝板上進(jìn)行釬焊時(shí)。因此，必須使用具有至少260℃熔點(diǎn)的高溫釬料對(duì)電子元件進(jìn)行內(nèi)部釬焊以便即使在這樣的條件下接頭也不會(huì)脫落。此外，對(duì)在高溫下性質(zhì)變化很小的高溫釬料也存在需求。
典型使用具有268℃固相溫度和301℃液相溫度的90重量％鉛和10重量％錫的釬焊材料，或具有277℃固相溫度和290℃液相溫度的90.5重量％鉛，8重量％錫和1.5重量％銀的釬焊材料等作為高溫釬料，其中這些釬料通過使用大量的鉛來提高熔點(diǎn)。
順便提及，根據(jù)技術(shù)簡便性，可靠性等觀點(diǎn)，釬焊在電子器件的制造和組裝中是必不可少的。另一方面，由于釬料包含對(duì)人體有害的鉛，因此不能忽略對(duì)釬料本身的制造場(chǎng)所和利用釬料來釬焊器件的加工場(chǎng)所中工人健康的影響。同時(shí)，考慮到在當(dāng)前情況下處理大量不再使用的電子器件，人們擔(dān)心由于這些廢品中利用了含鉛釬料從而會(huì)引起環(huán)境問題。
因此，提議利用不使用有害物質(zhì)的再生廢品和制造方法。根據(jù)防止環(huán)境污染的觀點(diǎn)需要去除有害的物質(zhì)，其中使用釬料的連接技術(shù)也不例外。電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)等要求實(shí)現(xiàn)不包含有害物質(zhì)鉛的高溫釬料。
先前已提出多種涉及不含鉛的釬料，即無鉛釬料的技術(shù)。例如，日本專利特許公開申請(qǐng)案第55-65341號(hào)中提到的涉及釬料的技術(shù)，該釬料通過添加錫，鋅和銀可優(yōu)選在汽車和摩托車的制動(dòng)器，離合器等中用于連接控制電纜的接頭(fitting)和內(nèi)部線路。此外，日本專利特許公開申請(qǐng)案第55-69341中提出通過另外添加銅來提高接頭強(qiáng)度的技術(shù)。
在日本專利特許公開申請(qǐng)案第11-172352號(hào)中，提出使用鋅作為主要材料加入鋁，鎂和鎵的技術(shù)。日本專利特許公開申請(qǐng)案第11-172353號(hào)公開了使用鋅作為主要材料，加入鋁和鍺，而且另外加入錫和/或銦的技術(shù)。此外，日本專利特許公開申請(qǐng)案第2000-15478號(hào)中提出組成中包括鋅、蒸氣壓高于鋅的物質(zhì)和錫的釬料。
順便提及，典型使用銅作為形成電子器件和電子元件的材料，然而當(dāng)使用含鋅釬料用于釬焊例如銅材料時(shí)，如果處于高溫，在釬料和銅材料的接頭界面處會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物，從而會(huì)使電阻提高。
由于這種金屬間化合物是銅在釬料的金屬組分中擴(kuò)散產(chǎn)生的物質(zhì)而且具有堅(jiān)硬，脆弱和粗糙的結(jié)構(gòu)，因此會(huì)發(fā)生釬焊接頭強(qiáng)度的降低和導(dǎo)電性的降低。使用上述各專利公報(bào)中所公開的釬料組成不能解決這些類型的問題。
考慮到上述的問題設(shè)計(jì)了本發(fā)明，而且本發(fā)明的目的是優(yōu)選用于電子器件和電子元件的釬料。特別地，本發(fā)明旨在提供不包含鉛而以鋅作為主要元素的釬料，和不包含鉛的接頭，其中該接頭具有通過控制與銅連接處金屬間化合物的生長而提供的穩(wěn)定電性能。
發(fā)明公開提供下列配置作為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)并解決上述問題的方法的實(shí)例。即，依照本發(fā)明的無鉛釬料包括，例如下列配置。即包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳且具有260℃或更高液相溫度的無鉛釬料。
此外，依照本發(fā)明的無鉛釬料包括下列配置。即具有260℃或更高的液相溫度，且包含30至70重量％鋅，5重量％或更少的鎳，和余量的錫的無鉛釬料。
此外，本發(fā)明包括下列配置。即包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳和0.5重量％或更少的鋁且具有260℃或更高的液相溫度的無鉛釬料。
此外，依照本發(fā)明的無鉛釬料包括下列配置。即包含鋅和錫，還包含1重量％或更少的銅且具有260℃或更高液相溫度的無鉛釬料。
依照本發(fā)明的無鉛釬料另外包括下列配置。即包含鋅和錫的無鉛釬料，其中調(diào)整鋅和錫的含量比以便使固相溫度和液相溫度之間的溫度差至少為60℃。
作為實(shí)現(xiàn)上文所提出的目標(biāo)的另一個(gè)方法，本發(fā)明包括下列配置。即包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳的無鉛接頭。
此外，依照本發(fā)明的無鉛接頭包含30至70重量％的鋅，5重量％或更少的鎳，和余量的錫。
再者，本發(fā)明包括下列配置。即包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳和0.5重量％或更少的鋁的無鉛接頭。
依照本發(fā)明的無鉛接頭進(jìn)一步包含鋅和錫，其中調(diào)整鋅和錫的含量比以便使固相溫度和液相溫度之間的溫度差至少為60℃。
例如，可以在銅連接中使用依照本發(fā)明的無鉛接頭。
附圖簡述

圖1是說明依照本發(fā)明的實(shí)施方案的釬料中金屬間化合物生長的曲線圖。
圖2是顯示當(dāng)改變鋅的比率時(shí)含錫，鋅和鎳釬料的熔點(diǎn)的曲線圖；和圖3是顯示不同鋅濃度引起的金屬間化合物生長差異的曲線圖。
實(shí)施本發(fā)明的最好方式下面參照附圖和附表對(duì)依照本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。如上文所述，由于通常是在約260℃的溫度下將電子元件釬焊至印制電路板，例如用于在這些條件下固定安裝在電路板上的電子元件內(nèi)部組件等的接頭的無鉛高溫釬料必須是具有260℃或更高熔點(diǎn)的高溫釬料。
此外，該無鉛高溫釬料不能使用鉛作為其金屬組分，而必須用可控制金屬間化合物產(chǎn)生的成分來配置。另外，必須使用具有低電阻值和高導(dǎo)電性的材料來配置電子元件和電子器件中用于電連接的釬料。
因此，考慮到與錫的電阻率20.648μΩ·cm(20℃)相比，鋅具有5.916μΩ·cm(20℃)的電阻，419℃的熔點(diǎn)，和高的導(dǎo)電性，對(duì)于電子元件的接頭這是重要的特征，而且其顯然是一種廉價(jià)的金屬材料，因此，在本實(shí)施方案中設(shè)計(jì)了具有高的鋅百分比的釬料。
此外，考慮到下列事實(shí)鋅是人體不可缺少的營養(yǎng)元素，已確定成年男人和女人每日所需的量以及每日可攝入的量(例如，參見化學(xué)物質(zhì)安全評(píng)估表(Chemical Substances Safety Evaluation Sheet))。
另一方面，據(jù)了解錫不會(huì)影響人體，其中對(duì)于這個(gè)實(shí)施方案，提出可降低對(duì)人體影響的金屬成分制成的釬料，集中使用鋅和錫(具有231℃的熔點(diǎn))。
滿足上述條件的同時(shí)，發(fā)明者反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)和產(chǎn)品試制，以便尋找不含鉛的適當(dāng)金屬組成，并確定是否可將所得試樣可用于高溫釬料。在測(cè)試中，得到了包含錫和鋅作為主要成分且具有變化錫和鋅含量比的金屬合金，并對(duì)這些合金的固相溫度和液相溫度的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了初步的檢驗(yàn)。
結(jié)果，由20至70重量％鋅和余量的錫組成的錫-鋅合金具有約200℃的確定固相溫度。在該合金包含20重量％鋅的情形中，據(jù)證實(shí)液相溫度約為260℃，當(dāng)進(jìn)一步提高鋅的比率時(shí)該溫度上升。
換言之，通過調(diào)整錫和鋅的含量比從而使固相和液相溫度之間的溫度差至少為60℃，可滿足對(duì)高溫釬料的要求，其中該釬料可承受向印制電路板上安裝元件時(shí)的溫度或類似的溫度。
對(duì)于本發(fā)明，上述條件是基本的要求。
發(fā)明者關(guān)注于向上述錫-鋅合金加入鎳來處理金屬間化合物產(chǎn)生和釬焊位置電阻值升高的問題。然后改變作為主要成分為錫、鋅、和鎳的釬料的含量比以便對(duì)其進(jìn)行特性測(cè)試。
更具體地，對(duì)由30至70重量％的鋅，0.01至5重量％的鎳，和余量的錫組成的無鉛釬料進(jìn)行測(cè)試。應(yīng)注意在鋅比率低于30重量％的情形中，該釬料的液相溫度不會(huì)維持在260℃或更高，因此其不適合在電子元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中用作高溫釬料。此外，在鋅比率超過70重量％的情形中，存在提高釬料液相溫度，增加硬度，和使用性復(fù)雜化的問題。
表1顯示了當(dāng)改變鋅的組成比時(shí)釬料電阻值的測(cè)量結(jié)果。測(cè)試樣品是長度為30cm直徑為1.6mm的絲狀釬料，其中對(duì)各種組成比的十個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量然后計(jì)算其平均值。
表1

由表1給出的結(jié)果顯而易見，由于依照本實(shí)施例的釬料的電阻值至多為錫和90重量％鉛制成的傳統(tǒng)釬料(試樣6)電阻值的一半，因此該釬料可充分滿足維持高導(dǎo)電性的要求。應(yīng)注意出于液相溫度，可使用性等觀點(diǎn)，該錫-鋅-鎳釬料的最佳組成比是40至60重量％的鋅，1至3重量％的鎳，和余量的錫。
接下來，描述上述的金屬間化合物。例如，在使用鋅和錫制成的釬料向銅或銅合金上釬焊時(shí)，由于例如暴露于100℃或更高的高溫的環(huán)境條件下銅會(huì)擴(kuò)散到鋅中，因此會(huì)在鋅和銅的接頭界面上產(chǎn)生鋅和銅的金屬間化合物。結(jié)果，釬焊位置處的電阻增加。
由于典型使用銅材料來維持電子器件和電子元件中的導(dǎo)電性，出于確保器件等的可靠性和性能的觀點(diǎn)，必須最大程度上減小這種金屬間化合物的產(chǎn)生所引起的電阻增加。
圖1是顯示當(dāng)暴露于125℃的條件下時(shí)，使用下列釬料釬焊鍍錫銅板時(shí)金屬間化合物的生長相對(duì)于時(shí)間的曲線圖包含錫和60重量％鋅的釬料(圖中的■符號(hào))，包含錫，60重量％鋅和0.01重量％鎳的釬料(圖中的▲符號(hào))，包含錫，60重量％鋅和0.1重量％鎳的釬料(圖中的●符號(hào))，包含錫，60重量％鋅和5重量％鎳的釬料(圖中的◆符號(hào))，和使用下列釬料釬焊用鎳進(jìn)行敷底涂覆的2μm厚鍍錫銅板的試樣包含錫和60重量％鋅的釬料(圖中的○符號(hào))和包含錫，60重量％鋅和0.7重量％銅的釬料(圖中的□符號(hào))。
從圖1中給出的測(cè)試結(jié)果可以清楚，對(duì)于具有鎳底鍍層的銅板，金屬間化合物的生長(產(chǎn)生的厚度)約為1μm，這對(duì)電阻值變化的影響很小。這意味著該鎳鍍層對(duì)控制金屬間化合物的生長非常有效。
此外，從圖1中可以清楚，相比于不向其中加入鎳的釬料，在添加鎳的釬料情形中金屬間化合物的生長得到了控制。待加入的鎳量優(yōu)選為0.01至5重量％，這使得金屬間化合物的生長小于原來的一半(less thanhalf)。然而，只要向其中加入鎳，即使小于0.01重量％，也存在控制金屬間化合物生長的效果。
圖3顯示了將具有變化鋅含量的Sn-Zn釬料釬焊至銅板然后在125℃條件下暴露1000小時(shí)的情形中金屬間化合物生長的差異。根據(jù)該圖可以清楚，隨著鋅含量的增加，產(chǎn)生的金屬間化合物的厚度也隨之增加。因此，根據(jù)鋅含量按比例增加鎳的含量可有效控制金屬間化合物的生長，而且鎳與鋅的含量比優(yōu)選為至少0.16重量百分比。
應(yīng)注意即使在加入0.1至1重量％銅而不加入鎳的情形中，也可以獲得與加入鎳的情形相同的金屬間化合物控制效果。在這種方法中，包含鎳或銅的釬料使得無需對(duì)銅材料用鎳事先進(jìn)行敷底涂覆。
一方面，據(jù)證實(shí)加入5重量％的鎳可改善釬料的潤濕性并產(chǎn)生流動(dòng)性。這種潤濕性的提高是鋅型釬料的優(yōu)勢(shì)(釬焊性的提高)，然而因?yàn)殁F料是以固-液共存的狀態(tài)移動(dòng)，流動(dòng)性是由電子器件和電子元件制造過程中的再次加熱引起的接頭形狀改變的原因。因此，鎳加入量的上限是例如5重量％。
應(yīng)注意，例如接頭，可在電子器件和電子元件中維持各部分(例如組件和具有預(yù)定電性能的電極，電子元件的電極和印制電路板上的線路圖等等)之間的連接。
作為本發(fā)明的接頭形成方法，當(dāng)用于將組件部分和電極部分連接和固定在一起時(shí)，可使用依照本發(fā)明建立的釬料組成比對(duì)釬料進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，利用該釬料來形成組件和電極的接頭，或者可以利用熔化和混合例如包含錫和鋅的第一種釬料和包含鎳和鋁的第二種釬料的結(jié)果形成接頭，其中該接頭滿足依照本發(fā)明的釬料所需要的組成比。
根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案，這時(shí)可向金屬成分錫、鋅、和鎳組成的金屬間化合物中進(jìn)一步加入0.01重量％的鋁，作為控制上述的流動(dòng)性的手段。結(jié)果通過改善流動(dòng)性防止了接頭形狀的改變。
表2顯示了向金屬成分錫、鋅和鎳組成的釬焊材料中加入鋁的情形中電阻值的變化率。表2中給出的數(shù)據(jù)是暴露于125℃持續(xù)500小時(shí)的電阻值改變的測(cè)試結(jié)果，其中在印制電路板上形成間距5mm的2平方毫米鍍錫銅焊盤圖案(land pattern)，并用表中給出的各種金屬組成形成的釬料使100μm的鍍銀銅線穿過該圖案并固定在其上。
表2

如表2所示，可以清楚向錫、鋅和鎳組成的釬料中加入鋁會(huì)提高電阻值的變化率(在試樣4的組成情形中特別明顯)。這來自于鋁的氧化，其中鋁的最終添加是(改善)釬料流動(dòng)性的有效方式，但是增加鋁時(shí)其電阻值的變化率隨之提高，因此添加鋁的適當(dāng)上限是0.5重量％。因此，與利用依照本發(fā)明的不含鉛釬料的特征一致，可以在該范圍內(nèi)選擇加入的量。
應(yīng)注意當(dāng)以允許的流動(dòng)性利用時(shí)，不必向釬料中加入鋁，然而為便于操作該釬料優(yōu)選加入至少0.01重量％。
圖2顯示了包含錫，鋅，和鎳(2重量％)的釬料在不同鋅比率情形下的熔點(diǎn)。根據(jù)該圖，在鋅的組成比為30重量％的情形中，該釬料的固相溫度是199℃而液相溫度是325℃，其中液相溫度隨鋅比率的增加而升高。應(yīng)注意，依照本發(fā)明范圍的鎳或鋁的加入量顯示固相溫度和液相溫度與圖2中的固相溫度和液相溫度幾乎相等，由此依照本發(fā)明該實(shí)施方案的釬料顯然滿足260℃或更高液相溫度的要求。
此外，在鋅的組成比是70重量％的情形中，液相溫度約為370℃，這對(duì)電子器件和電子元件中的使用是足夠了。
此外，依照本實(shí)施方案的釬料的特性在于它在固相溫度和液相溫度之間保持固-液共存的狀態(tài)，這具有下文給出的特性。即據(jù)證實(shí)，作為測(cè)試的結(jié)果，在固相溫度和液相溫度之間該釬料是固-液共存的狀態(tài)并大致具有果凍(sherbet)的粘稠度，其中潤濕性低下而且釬焊區(qū)域不會(huì)展開。結(jié)果，利用依照本實(shí)施方案的釬料形成的接頭的形狀得到了保持，即使暴露于通過加熱例如軟熔維持的介于固相溫度和液相溫度之間的溫度下。如果該溫度降低，釬料再次凝固，從而該接頭的連接狀態(tài)不會(huì)改變。
應(yīng)注意，在下列兩種情形都可以應(yīng)用上述的無鉛釬料不但可以在其中在連接目標(biāo)的接頭處提供必要的量然后熔化以便使其連接的連接方法中，而且可以用于該無鉛釬料長時(shí)間保持熔融狀態(tài)，使連接目標(biāo)浸泡在此熔融態(tài)的無鉛釬料中以便使其相互連接。
如上文所述，依照本發(fā)明提供了不含鉛的釬料和不含鉛的接頭，該釬料具有優(yōu)異的性能而不會(huì)因?yàn)橛泻ξ镔|(zhì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害影響。
即通過使該釬料具有錫和鋅的金屬組成可以維持與含鉛釬料同樣低的價(jià)格，且該釬料不含有害物質(zhì)例如鉛，通過向這種錫-鋅合金中添加鎳可以提高釬料的流動(dòng)性。另外，通過使釬料具有錫和鋅的金屬組成，處理該釬料變得更容易，即使制造電子器件或元件需要絲狀釬料或片形釬料時(shí)也是這樣。
此外，可以提供不含鉛的高溫釬料，其中由于釬料流動(dòng)性的提高可焊性提高，因此可滿意地維持釬焊接頭的連接狀態(tài)，而且該釬焊不會(huì)對(duì)電子元件產(chǎn)生不利影響。
再者，向由金屬成分錫、鋅、和鎳組成的金屬合金中加入鋁(例如0.01重量％)可提高釬料的耐熱性和流動(dòng)性，因此，可防止金屬間化合物引起的電阻增加和再加熱引起的釬料接頭形狀的改變。
應(yīng)注意，除上述作為構(gòu)成本發(fā)明的成分的物質(zhì)之外，依照本發(fā)明不含鉛的釬料組成和不含鉛的接頭可包含無法避免的雜質(zhì)。對(duì)于這些無法避免的雜質(zhì)，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)和國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)分別提供的JIS Z32821999和ISO94531990的說明可作為參考。即使當(dāng)包含這種無法避免的雜質(zhì)時(shí)，該釬料的組成也沒有背離本發(fā)明權(quán)利要求的范圍。
雖然關(guān)于具體的示例性實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以做出進(jìn)一步的修改和提高，而不會(huì)在更廣泛的方面背離本發(fā)明的范圍。
工業(yè)實(shí)用性至此本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明。提供了具有優(yōu)異特性的不含鉛釬料和不含鉛接頭然而不包含任何有害物質(zhì)。
本發(fā)明提供了不含鉛的高溫釬料，其中由于釬料流動(dòng)性的提高引起可焊性的提高，可以滿意地保持釬焊接頭的連接狀態(tài)，而且釬焊不會(huì)對(duì)電子元件產(chǎn)生不利影響。另外，本發(fā)明的釬料提供了釬料耐熱性和流動(dòng)性的改進(jìn)，這可以防止金屬間化合物引起的電阻增加和再加熱引起的釬料接頭形狀的改變。
權(quán)利要求
1.無鉛釬料，包含鋅和錫、還包含5重量％或更少的鎳，該釬料具有260℃或更高的液相溫度。
2.無鉛釬料，具有260℃或更高液相溫度，該釬料包含30至70重量％的鋅，5重量％或更少的鎳，和余量的錫。
3.無鉛釬料，包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳和0.5重量％或更少的鋁，該釬料具有260℃或更高的液相溫度。
4.無鉛釬料，包含鋅和錫，還包含1重量％或更少的銅，該釬料具有260℃或更高的液相溫度。
5.無鉛釬料，包含鋅和錫，其中設(shè)置所述鋅和錫的含量比以便使固相溫度和液相溫度之間的溫度差至少為60℃。
6.無鉛接頭，該接頭包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的無鉛接頭，其中在銅連接中使用所述接頭。
8.無鉛接頭，該接頭包含30至70重量％的鋅，5重量％或更少的鎳，和余量的錫。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的無鉛接頭，其中在銅連接中使用所述接頭。
10.無鉛接頭，該接頭包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳和0.5重量％或更少的鋁。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的無鉛接頭，其中在銅連接中使用所述接頭。
12.無鉛接頭，包含鋅和錫，其中設(shè)置所述鋅和錫的含量比以便使固相溫度和液相溫度之間的溫度差至少為60℃。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的無鉛接頭，其中在銅連接中使用所述接頭。
全文摘要
不含鉛的釬料(無鉛釬料)，該釬料包含鋅和錫，還包含5重量％或更少的鎳和0.5重量％或更少的鋁，該釬料具有260℃或更高的液相溫度。另外具有260℃或更高的液相溫度的無鉛釬料，且該釬料包含30至70重量％的鋅，5重量％或更少的鎳，和余量的錫。此外，使用這些無鉛釬料制造接頭。結(jié)果，可以提供具有優(yōu)異電性能但卻不包含有害物質(zhì)的無鉛釬料和無鉛接頭。
文檔編號(hào)B23K35/28GK1703527SQ20038010081
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月24日
發(fā)明者小林啟, 加藤和行, 杉浦正洋, 岡部三郎 申請(qǐng)人:興亞株式會(huì)社, 錫銀工業(yè)有限公司, 岡部技研株式會(huì)社