專利名稱：焊劑及使用該焊劑的電子電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高了焊接性能的可靠性的焊劑，以及一種使用該焊劑來焊接其組成部件的電子電路器件。
一種建議用來提高大規(guī)模計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和工作效率的電子電路器件具有下列的結(jié)構(gòu)高集成化的半導(dǎo)體器件，即LSI(大規(guī)模集成電路)芯片安裝在電路板上，并用微小的焊劑珠焊接在電路板的布線上。LSI芯片上復(fù)有冷卻蓋以避免LSI芯片因過熱而損壞。然后，把該電路板在電氣上和機(jī)械上連接到一外部電路用的輸入/輸出插腳焊接到電路板上。
這些焊接點(diǎn)在機(jī)械上，電氣上以及化學(xué)性能上必須具有很高的可靠性，為了滿足這種要求，Sn-Pb焊劑已被廣泛使用。
近來，電子電路器件的復(fù)雜性和元件層數(shù)已不斷地提高，在順次連接電子電路器件的各元件時(shí)，對(duì)不同的焊接溫度必須分別相應(yīng)使用不同熔點(diǎn)的各種焊劑。具體地說，在焊接溫度范圍為225-250℃連接元件時(shí)，認(rèn)為使用Sn-3.5Ag(一種含重量百分比為3.5%的Ag，其余為Sn的焊劑)在熔點(diǎn)和焊接強(qiáng)度方面是較為合適的。在日本金屬學(xué)會(huì)的“金屬數(shù)據(jù)手冊(cè)”(丸善著1984年1月30日)的第308頁上介紹了這種焊劑。
但這種Sn-3.5Ag包括有以下這些缺點(diǎn)Sn的低溫度轉(zhuǎn)變，Ag的遷移以及Sn晶須的產(chǎn)生和生長。這種缺點(diǎn)有害地影響了電子電路器件上的焊接的可靠性。
與應(yīng)用領(lǐng)域中的電子電路器件所用的焊劑不同，日本專利公開No.58-29198和No.58-29199公開了一種含Bi或In并且能夠降低在超導(dǎo)電線的焊接部分感生的電流的Sn-Ag焊劑。
所述Sn-3.5Ag焊劑的第一個(gè)缺點(diǎn)是Sn的低溫度轉(zhuǎn)變對(duì)該種焊劑的有害影響，金屬Sn(β-Sn)在不高于13℃的溫度下轉(zhuǎn)變成α-Sn。實(shí)際上，由于這種轉(zhuǎn)變速度低，Ag的這種轉(zhuǎn)變?cè)?40至-50℃的溫度范圍時(shí)成為一個(gè)顯著的問題。α-Sn是非常易碎的并成為灰色的粉末。當(dāng)金屬Sn轉(zhuǎn)變成α-Sn時(shí)，其體積增加了20%。由于Sn-3.5Ag焊劑中的Sn的含量高，Sn的低溫轉(zhuǎn)變就有可能造成使該焊劑的焊接破裂。
Sn-3.5Ag焊劑的第二個(gè)缺點(diǎn)是Ag的遷移。電子電路器件的極大部分的微小焊接點(diǎn)是形成在對(duì)陶瓷板的表面進(jìn)行金屬化處理所形成的薄膜上，且該陶瓷板的表面總是復(fù)有濕氣。電子電路器件的有些微小焊接點(diǎn)是作為該電子電路器件的一部分，且在這種微小焊接點(diǎn)周圍產(chǎn)生電場。因此，這些微小焊接點(diǎn)是處于遷移易于產(chǎn)生的環(huán)境內(nèi)。眾所周知，Ag是一種易于遷移的金屬，當(dāng)用Sn-3.5Ag在微小焊接點(diǎn)處焊接電子電路器件的元件時(shí)，則由于上述原因的Ag的遷移該電子電路器件有可能短路。
這種Sn-3.5Ag焊劑的第三個(gè)缺點(diǎn)是Sn晶須的產(chǎn)生和生產(chǎn)。Sn晶須是從Sn的表面自發(fā)產(chǎn)生的Sn的晶體。有些Sn晶體長成幾毫米長的晶須。Sn晶須易于從這種含Sn量高的Sn-3.5Ag焊劑上產(chǎn)生和生長。在電子電路器件的微小焊接點(diǎn)上的Sn晶須的產(chǎn)生和生長是產(chǎn)生短路的一個(gè)可能原因。
這種Sn-3.5Ag焊劑的第四個(gè)缺點(diǎn)是腐蝕。電子電路器件的元件經(jīng)常暴露于由該電子電路器件自然產(chǎn)生的高溫的熱影響下，因此連接這些元件的焊劑接點(diǎn)會(huì)腐蝕，從而降低該焊劑接點(diǎn)的焊接強(qiáng)度。
因此，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種沒有上述缺點(diǎn)的、機(jī)械、電的和化學(xué)可靠性高的并且能在225-250℃的焊接溫度范圍下使用的焊劑。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種包括由這種焊劑互相焊接起來的電子元件并且機(jī)械、電的和化學(xué)可靠性高的電子電路器件。
本發(fā)明的發(fā)明者對(duì)將其他元素加到這種Sn-Ag焊劑上，以獲得一種能很可靠地形成將電子電路器件的元件高可靠性地連接起來的焊接的焊劑的效果進(jìn)行了研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，將Sb和/或Pb加到通常的Sn-Ag焊劑上(一種Ag的含量為2.0-8.0重量%的Sn-Ag焊劑，特別是一種Ag的含量為約3.5重量%的Sn-Ag焊劑)就可以實(shí)現(xiàn)該本發(fā)明的目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種含Pb量為0.01-2.0重量%和/或含Sb量為0.01-0.5重量%，含Ag量為2.0-8.0重量%，而其余為Sn的焊劑。
Ag改善了這種焊劑的強(qiáng)度，為了保證有充分足夠的強(qiáng)度，Ag的含量至少為2.0重量%。Sn和Ag形成了一種二元共晶合金。在共晶點(diǎn)的這種二元共晶合金中的Ag的含量是3.5重量%，且熔點(diǎn)為221℃。為了使焊劑能在225至250℃的焊接溫度范圍下使用，根據(jù)這種Sn-Ag二元共晶合金的相圖確定Ag的含量的上限是8重量%。
把Sb和/或Pb加到這種Sn-Ag焊劑中消除了上述的四個(gè)缺點(diǎn)，即加入Sb和/或Pb，(1)抑制了該焊劑所含的Sn的低溫度轉(zhuǎn)變，(2)抑制了該焊劑所含的Ag的遷移，(3)防止了Sn晶須的產(chǎn)生和成長，以及(4)防止了該焊劑的腐蝕。
當(dāng)一種金屬與Sb或Pb熔合成一種合金時(shí)，該合金的硬度高于該種金屬的硬度。含Pb量高于2.0重量%或含Sb量高于0.5重量%的合金格外脆，因此這種合金不適于用作焊劑。另一方面，含Pb量或含Sb量低于0.01重量%的合金卻不能有效地消除上述的四個(gè)缺點(diǎn)。
雖然本發(fā)明的焊劑不可避免含有包含一C、N和O的摻雜物，但該焊劑的這種摻雜物的含量僅為100ppm(百萬分之一)或更低。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行較詳細(xì)的說明。


圖1是實(shí)施本發(fā)明的一電子電路器件的透視圖;
圖2是幫助說明用以檢測焊劑中的Sn的低溫轉(zhuǎn)變的可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)的透視圖;
圖3是幫助說明用以檢測焊劑中的遷移的可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)的透視圖;
圖4是幫助說明用以檢測Sn晶須的產(chǎn)生的可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)的透視圖。
本發(fā)明的實(shí)施例的焊劑試驗(yàn)樣品1號(hào)至6號(hào)是由99.99%純度的Sn、99.99%純度的Ag、99.99%純度的Pb和99.99%純度的Sb熔合制備成的。試驗(yàn)樣品1號(hào)至3號(hào)的組成成分是Sn、Ag和Pb，而試驗(yàn)樣品4號(hào)至6號(hào)的組成成分是Sn、Ag和Sb。試驗(yàn)樣品1號(hào)至6號(hào)的各相應(yīng)成分列于表1中。
已知焊劑試驗(yàn)樣品7號(hào)至11號(hào)是通過控制將99.99%純度的Sn、99.99%純度的Ag、99.99%純度的Pb、99.99%純度的Bi和99.99%純度的In熔合在一起制備成的。試驗(yàn)樣品7號(hào)和8號(hào)的組成成分是Sn和Ag，試驗(yàn)樣品9號(hào)的組分是Sn、Ag和Bi，試驗(yàn)樣品10號(hào)的組分是Sn、Ag和In，而試驗(yàn)樣品11號(hào)的組分是Sn和Pb。雖然試驗(yàn)樣品11不是Sn-Ag焊劑，它也被包括在這些試驗(yàn)樣品中以供參考比較。這些試驗(yàn)樣品7號(hào)至11號(hào)的各相應(yīng)的成分也列于表1中。
這些試驗(yàn)樣品經(jīng)過可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以查看本發(fā)明的焊劑是否消除了上述這些焊接可靠性有不利影響的缺點(diǎn)。
將具有上面表1所示成分的焊劑制備成直徑為0.3毫米的微小顆粒和厚度為0.6毫米的薄片以供實(shí)驗(yàn)所用。對(duì)試驗(yàn)樣品11號(hào)(一種供一般使用的Sn-37Pb共晶合金)的顆粒和薄片進(jìn)行了試驗(yàn)以用其他的試驗(yàn)樣品一起進(jìn)行比較。
實(shí)驗(yàn)1Sn的低溫度變換。
將試驗(yàn)樣品1號(hào)至11號(hào)中每一種的焊劑顆粒12散布放在如圖2所示的三塊陶瓷板的每一塊上，散布放成面積約為1平方厘米范圍內(nèi)的一層。將這三塊陶瓷板分別在溫度分別為-60℃，-35℃和-10℃的低溫恒溫箱中放置一個(gè)預(yù)定的時(shí)間，然后，用X射線衍射分析對(duì)這些焊劑顆粒進(jìn)行檢查，檢查是否有因Sn的低溫度轉(zhuǎn)變而造成的α-Sn的存在。
實(shí)驗(yàn)2遷移。
通過金屬鍍層處理在三塊陶瓷板14的每一塊上形成一W/Ni/Au薄膜圖形，將按W/Ni/Au薄膜圖形切割的試驗(yàn)樣品1號(hào)至11號(hào)中每一種的三塊焊劑薄片放在陶瓷板14上，如圖3所示，再將細(xì)Cu絲16跨放在這些薄片圖形上，在240℃下對(duì)陶瓷板14進(jìn)行熱處理。然后在85℃和85%相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱中分別在細(xì)Cu絲16的兩端加10伏、30伏和50伏的直流電壓，測量由于遷移而發(fā)生短路所經(jīng)過的時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)3晶須的產(chǎn)生。
將尺寸為100毫米×20毫米×5毫米的Cu板17分別浸在試驗(yàn)樣品1號(hào)至11號(hào)的熔融的焊劑中，使該Cu板17涂敷上一層焊劑(如圖4所示)。將涂有焊劑Cu板17在50℃條件下在恒溫箱中放置一預(yù)定的時(shí)間。用掃描電子顯微鏡觀察涂有焊劑的Cu板17的表面。
實(shí)驗(yàn)4腐蝕。
制備如實(shí)驗(yàn)1中一樣的試樣。將這些試樣在85℃和相對(duì)濕度85%的恒溫恒濕箱中放置一段預(yù)定長的時(shí)間，然后用掃描電子顯微鏡觀察這些試樣表面的腐蝕，分別在試驗(yàn)的前后測量焊劑顆粒的重量以測量因腐蝕而引起的重量的變化。
實(shí)驗(yàn)1至4的結(jié)果列于表2中。
從表2可以明顯看出，在-10℃，-30℃和-60℃條件下，在10000小時(shí)中在試驗(yàn)樣品1號(hào)至6號(hào)(實(shí)施例)的任一個(gè)樣品中沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變，試驗(yàn)樣品7號(hào)(對(duì)照物)在-60℃條件下經(jīng)過8000小時(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，而試驗(yàn)樣品8號(hào)(對(duì)照物)在-60℃條件下經(jīng)過9000小時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)變。其他的樣品經(jīng)過10000小時(shí)沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變。
注記號(hào)“-”表示在10000小時(shí)中Sn沒有發(fā)生低溫轉(zhuǎn)變，10000小時(shí)中沒有發(fā)生遷移或沒有產(chǎn)生晶須。
在10伏、30伏和50伏條件下，在10000小時(shí)中試驗(yàn)樣品1號(hào)至6號(hào)是(實(shí)施例)中沒有一個(gè)發(fā)生因遷移而造成的短路。試驗(yàn)樣品7、8、9和10是在50伏時(shí)分別在9500小時(shí)，9000小時(shí)，8000小時(shí)和8500小時(shí)中發(fā)生了短路、在10伏和30伏條件下在10000小時(shí)中沒有一個(gè)試驗(yàn)樣品發(fā)生短路。在所有的電壓條件下試驗(yàn)樣品11號(hào)在10000小時(shí)中都沒有發(fā)生短路。
在10000小時(shí)中試驗(yàn)樣品1號(hào)至6號(hào)(實(shí)施例)中沒有一個(gè)產(chǎn)生晶須。試驗(yàn)樣品7號(hào)和8號(hào)(對(duì)照物)在7000小時(shí)中產(chǎn)生了晶須。試驗(yàn)樣品9、10和11號(hào)在10000小時(shí)中沒有產(chǎn)生晶須。
試驗(yàn)樣品1號(hào)至6號(hào)中沒有一個(gè)在5000小時(shí)中發(fā)生腐蝕，重量沒有發(fā)生變化。試驗(yàn)樣品7號(hào)至11號(hào)在5000小時(shí)中發(fā)生了腐蝕，樣品7號(hào)至11號(hào)的試樣的各自重量分別減少了1.0%、1.0%、0.1%、0.1%和5.0%。
從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可明顯看出，在很大的時(shí)間中，本發(fā)明實(shí)施例的焊劑中沒有發(fā)生因Sn的低溫轉(zhuǎn)變、遷移、晶須和腐蝕所造成的問題，而作為對(duì)照物試驗(yàn)的已知的焊劑就有因上述部分或全部的原因所造成的問題。因此，本發(fā)明的焊劑與作為對(duì)照物試驗(yàn)的已知焊劑相比，有極好的可靠性，故用本發(fā)明的焊劑來焊接元件的電子電路器件具有很好的焊接可靠性。
下面說明包括用本發(fā)明的焊劑焊接的元件的一電子電路。
圖1示意地示出了一根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的電子電路器件，它包括多個(gè)LSI芯片1，芯片用重量分別為Pb1.0%、Ag3.475%和Sn95.53%的微小焊劑顆粒連接到形成在多層陶瓷電路板2中的電路圖案上。
LSI芯片以預(yù)定的方式排列布置在多層陶瓷電路板2上，導(dǎo)熱部件5與LSI芯片1接觸放置，該導(dǎo)熱部件5復(fù)有蓋板4，冷卻板3放置在蓋板4上面。多層陶瓷電路板2的電路圖案與設(shè)置在布線板7上的輸入/輸出插腳6焊接在一起，以構(gòu)成該電子電路器件。
在將多層陶瓷電路板2、冷卻板3、蓋板4，導(dǎo)熱部件5、輸入/輸出插腳6和布線板7組裝起來制成電子電路器件時(shí)，使用了含重量分別為1.0%的Pb、3.47%的Ag和95.35%的Sn的微小焊劑顆粒、含重量分別為37.0%的Pb、63.0%的Sn的焊劑9、含重量為98.0%的Pb2.0%的Sn的焊劑10和含重量分別為72.0%的Ag和28.0%的Cu的銀焊劑11。
將多層陶瓷電路板放在布線板7的上面，使銀焊劑11夾在多層陶瓷電路板2的背面與輸入/輸出插腳6的端子之間，然后將多層陶瓷電路2和導(dǎo)線板7的組合物進(jìn)行熱處理，這里該組合物是在800℃溫度下進(jìn)行熱處理，然后再冷卻，從而將多層陶瓷電路板2的電路圖案與輸入/輸出插腳6焊接起來。
然后，將LSI芯片1放在多層陶瓷電路板2的面上，將微小的焊劑顆粒8夾在它們之間，然后通過使焊劑顆粒8在240℃溫度下加熱的熱處理將LSI芯片1焊接到多層陶瓷電路板2上。
冷卻板3放在蓋板4上，并將焊劑10夾在它們之間，然后將冷卻板3與蓋板4的組合物在340℃溫度下加熱使它們結(jié)合在一起。
在將導(dǎo)熱部件5放在焊接在多層陶瓷電路板2的電路圖案上的LSI芯片1上后，將冷卻板3和蓋板4組件放在多層陶瓷電路板2上面，而將焊劑9散布在電路板2的周緣與蓋板4的相應(yīng)的周緣之間，然后通過在200℃溫度下將焊劑9加熱而使電路板2與蓋板4結(jié)合在一起。
本發(fā)明在應(yīng)用方面并不限于上面所述的實(shí)施例，可有各種不同的變化方案。例如，在構(gòu)成圖1的電子電路器件時(shí)，可用本發(fā)明的焊劑來代替焊劑9或10。但是，考慮焊接溫度時(shí)必須適當(dāng)?shù)剡x擇合適的焊劑。本發(fā)明的電子電路器件的構(gòu)成也不限于圖1所示的那一類。
從上述可明顯知道，本發(fā)明的焊劑具有下列那些優(yōu)于通常的Sn-Ag焊劑的優(yōu)點(diǎn)(1)焊劑中所含的Sn幾乎不會(huì)發(fā)生低溫轉(zhuǎn)變;
(2)焊劑幾乎不發(fā)生遷移;
(3)焊劑幾乎不產(chǎn)生晶須;
(4)焊劑有高的抗腐蝕性能。
并且，包括由本發(fā)明的焊劑互相焊接起來的元件的電子電路器件具有很高的機(jī)械、電的和化學(xué)的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種焊劑，它包含0.01至2.0重量%百分比的鉛和0.01至0.5重量%的銻，或者是0.01至2.0重量%的鉛或0.01至0.5重量%的銻的二者之一；2.0至8.0重量%的銀；以及其余含量為錫。
2.一種具有用焊劑焊接的部件的電子電路器件，該焊劑包含0.01至2.0重量%的鉛和0.01至0.5重量%的銻，或者是0.01至2.0重量%的鉛或0.01至0.5重量%的銻二者之一;2.0至0.8重量%的銀;以及其余的含量為錫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電子電路器件，其特征在于所述用焊劑焊接的部件是通過溫度為該焊劑的熔點(diǎn)的熱處理而焊接起來的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電子電路器件，其特征在于它包括一布線板;插入到布線板中的輸入/輸出插腳;與這些輸入/輸入插腳電連接的多層電路板;裝在多層電路板上的半導(dǎo)體器件;復(fù)蓋半導(dǎo)體器件的蓋板;和放在蓋板上的冷卻板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電子電路器件，其特征在于所述的蓋板和所述的多層電路板是由鉛-錫焊劑焊接在一起的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的電子電路器件，其特征在于所述的冷卻板和所述的蓋板是由鉛-錫焊劑焊接在一起的。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的電子電路器件，其特征在于所述的輸入/輸出插腳是由銀焊劑焊接到所述多層電路板的電路圖案上。
8.一種包含鉛和/或銻，銀和錫，并且具有能夠抑制錫的低溫轉(zhuǎn)變，能抑制銀的遷移，能防止錫晶須的產(chǎn)生和生長和防止腐蝕的組分的焊劑。
9.一種具有用這樣一類焊劑焊接起來的部件的電子電路器件，該類焊劑包含鉛和/或銻、銀和錫，并且各具有能夠抑制錫的低溫轉(zhuǎn)變，能抑制銀的遷移，能防止錫晶須的產(chǎn)生和生長和防止腐蝕的組分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電子電路器件，其特征在于由焊劑焊接起來的部件是通過溫度為該焊劑的熔點(diǎn)的熱處理而焊接起來的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的電子電路器件，其特征在于它包括一布線板;插入到布線板中的輸入/輸出插腳;一具有與這些輸入/輸出插腳電連接的電路圖案的多層電路板;裝在該多層電路板上的半導(dǎo)體器件;蓋在半導(dǎo)體器件上的蓋板;和放在蓋板上的一冷卻板。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電子電路器件，其特征在于所述的蓋板和所述的多層電路板是由一鉛-錫焊劑焊接在一起的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的電子電路器件，其特征在于所述的冷卻板和所述的蓋板是由一鉛-錫焊劑焊接在一起的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的電子電路器件，其特征在于所述的輸入/輸出插腳是用一銀焊劑焊接到所述多層電路板的電路圖案上的。
全文摘要
一種能夠使焊接的可靠性得到改善的焊劑，以及一種用這種焊劑來焊接其零部件的電子電路器件。該焊劑的成分能夠抑制其所含的錫的低溫轉(zhuǎn)變，抑制其所含的銀的遷移，防止錫晶須的產(chǎn)生和生長并防止腐蝕，它的成分包含鉛、銻、銀和錫。
文檔編號(hào)B23K35/26GK1039987SQ8910624
公開日1990年2月28日 申請(qǐng)日期1989年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月29日
發(fā)明者原田正英, 佐藤了平, 大島宗夫, 小林二三幸, 竹中隆次, 根津利忠, 白井貢, 佐佐木秀昭 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所