电子设备的层叠结构和无电镀金方法 【发明领域】
本发明涉及具有良好焊接性能的电子设备的层叠结构及其制造方法，还涉及改进焊接性能的无电镀金方法。
背景技术
由于金不氧化并且此外还具有较小的电接触电阻，所以被广泛用作电子工业领域内各种类型连接器和集成电路接线端的镀层。特别是，通过在由合成树脂制成的安装了大规模集成电路芯片的印刷电路板表面进行无电镀形成金镀层。无电极金镀层用于改进焊接性能和接触功能，随着电子设备尺寸和重量的减小，这是需要的。最近这种印刷电路板被广泛用于需要高封装密度的电子设备中，例如移动电话、数字相机等。
图1A、1B和1C按照顺序示出了镀在印刷电路板上的普通无电极金的工艺步骤。
如图1A所示，印刷电路板具有由环氧树脂等制成的绝缘衬底1和层叠在上面作为电路导体的铜箔片2。如图1B所示，通过无电镀在该印刷电路板上形成作为下层的镀镍层3。镀镍层3的厚度为2～5微米左右，并且用来防止铜箔2与随后形成的镀金层之间发生扩散并且提高印刷电路板的强度。
揭示了在印刷电路板上形成镀镍层地现有技术包括日本专利公开Nos.3-39488和8-181432。
如图1C所示，通过无电镀在镀镍层3上形成镀金层4。由此得到电子设备的层叠结构。
在将诸如芯片单元之类的电子单元安装在镀金的印刷电路板上的步骤中，完成回流或溢出型焊接。通常情况下，焊接需要220～250℃左右的加热温度和10秒以下的延续时间。
当在电子设备的普通层叠结构上完成焊接时，带来了下列问题。以下借助图2A和2B进行描述。
图2A示出了焊剂球5依托在电子设备层叠结构的镀金层4上。由于金与含锡和铅作为主成份的焊剂具有良好的亲和性，所以总是容易熔化在焊剂内并且有时候形成易碎的金属间化合物。因此如图2B所示，在焊接过程中，直接与焊剂球5接触的镀金层4瞬时渗入焊剂。结果焊剂穿越镀金层4而粘附在下层镍层3上。但是镍与焊剂较差的亲和力导致镍层3与焊剂球5之间焊接强度出现可靠性问题。
由于高密度和紧凑的电子设备特别容易与其他单元碰撞和跌落，所以碰撞和跌落时的震动导致引线断开并且设备可能功能失效。一旦电子设备出现缺陷，修理起来就非常困难。
在焊接面积尽可能小的同时，在印刷电路板上安装电子单元必须与各种方式配合(为了缩小尺寸)，包括分立型、芯片单元型、BGA(球面网格阵列)型。因此在镍层3作为下层形成的普通无电镀金方法中，焊接强度可靠性的缺点已经受到了注意。
由于印刷电路板上焊接的单元粘附到亲和力较差的镀镍层3上，所以震动、振动和温度变化时的结合强度不可靠。为了作改进，可以考虑在印刷电路板的铜箔2上直接镀金、银、锡等代替形成镍层。这可以提高焊接强度但是发生因针孔等带来的铜箔2的触须、腐蚀，因此改进不了接触功能。
在与宇航相关的领域，当焊接镀金单元时，采用的方法是在焊接之前先刮擦欲焊接的镀金部分。例如在NASA的电子设备焊接工艺中，严格遵循这样的程序。但是在非政府领域，从经济的观点看，基本上不可能采用这种需要精湛技艺和人工的工艺。
【发明内容】
本发明的目标是提供具有可靠焊接强度的电子设备的层叠结构。
本发明的另一目标是提供能够防止因针孔等引起的铜箔触须和腐蚀以改进接触功能的电子设备层叠结构。
本发明的另一目标是提供制造上述电子设备层叠结构的方法。
本发明进一步的目标是提供一种以合理的成本实现可靠焊接强度的无电镀金方法。
按照本发明一个方面的电子设备层叠结构包括：具有主表面的衬底；由选自锡、银、镉、铅、锌和铋的材料制成并且形成于衬底主表面上的下层镀层；以及形成于下层镀层上的镀金层。
锡、银、镉、铅、锌和铋中的任何一种都具有与焊剂良好的亲和性，因此即使焊剂穿越镀金层而牢牢地粘附在下层镀层上，它们之间的焊接强度也可以很好地保持。在牵涉到减小印刷电路板和其他各种类型电子设备的尺寸和重量的高密度封装中，这稳定和改进了焊接质量。而且，由于在由锡、银、镉、铅、锌和铋制成的下层镀层与镀金层之间形成了薄的金化合物，所以可以防止因针孔等引起的铜箔触须和腐蚀，从而改进了接触功能。
衬底例如是表面有铜箔的印刷电路板。其他例子包括诸如芯片单元之类的电子单元。
按照本发明另一个方面的电子设备层叠结构包括：具有主表面的衬底；由在无电镀中起反催化剂作用的金属制成并且形成于衬底主表面上的下层镀层；以及通过无电镀形成于下层镀层上的镀金层。作为反催化剂的金属例如选自锡、银、镉、铅、锌和铋。
按照本发明一个方面的电子设备层叠结构的制造方法包括以下步骤：利用选自锡、银、镉、铅、锌和铋的金属在衬底上形成作为下层的镀层；以及通过无电镀在下层镀层上形成镀金层。构成下层镀层的金属在无电镀中起反催化剂的作用。
按照本发明一个方面的无电镀金方法包括以下步骤：利用锡或银在衬底上形成作为下层的镀层；以及通过无电镀在下层镀层上形成镀金层。衬底例如是表面有铜箔的印刷电路板并且铜箔上形成下层镀层。
比较好的是，该方法进一步包括在形成下层镀层之后将衬底浸入催化剂作用处理液内的步骤。形成镀金层的步骤在浸入步骤之后完成。催化剂作用处理液例如包括氯化钯和盐酸。
按照本发明另一方面的电子设备层叠结构的制造方法包括以下步骤：利用选自镉、铅、锌和铋的作为反催化剂的金属在衬底上形成镀层作为下层；以及通过无电镀在下层镀层上形成镀金层。
通过以下结合附图对本发明的详细描述将更好地理解本发明的上述和其他目标、特征、方面和优点。
附图简述
图1A、1B和1C依次示出了无电镀金普通方法的步骤。
图2A和2B示出了电镀步骤中普通电子设备衬底结构。
图3A、3B和3C依次示出了按照本发明的无电镀金方法的步骤系列。
实施发明的较佳方式
参见图3A、3B和3C，以下将描述获得电子设备层叠结构的方法步骤。
首先如图3A所示，制备要电镀的衬底。在所示实施例中采用印刷电路板11作为衬底。印刷电路板11在其表面提供了铜箔12。
如图3B所示，例如通过无电镀在印刷电路板11的铜箔12上形成镀锡或银层13作为下层。
随后如图3C所示，通过无电镀在下层镀层13上形成镀金层14。在印刷电路板11的无电镀中，如果仅仅是锡或银镀层，可能会发生不需要的迁移或触须而且耐腐蚀和接触特性也不令人满意。因此需要在下层镀层13上形成镀金层14。
当通过无电镀在锡或银形成的下层涂层13上形成无电镀金层时，离子化和反催化剂的差异可能导致平滑镀金层上不充分的淀积。为了避免这个问题，比较好的是在形成下层镀层13之后将印刷电路板11浸入催化作用处理液中。
锡和银一般具有超群的焊接性能但是在无电镀中起反催化剂的作用。因此考虑到其难以在这些金属上进行电镀，结果是它们未在工业上得到应用。本发明的发明人通过将具有由锡或银制成的下层涂层13的衬底浸入催化剂作用处理液以阻止反催化剂，使得在这些金属上进行无电镀镀金层成为可能。
当通过上述步骤在电子设备层叠结构上进行焊接时，焊接球穿越镀金层14以牢牢地粘附在由锡或银制成的下层镀层13上。由于锡或银与焊接具有良好的亲和性，所以它们之间的焊接强度可以很好地保持。而且，由于在下层镀层13与镀金层14之间形成薄的金化合物，所以可以防止因针孔等引起的铜箔的触须和腐蚀，从而改进接触功能。
被电镀的衬底并不局限于印刷电路板，例如可以采用芯片单元或其他各种类型的电子单元。而且下层镀层的形成并不局限于无电镀，并且例如可以采用电镀。
锡或银是在无电镀中起反催化剂作用的金属。类似的金属有镉、铅、锌和铋，它们可以用作下层镀层来代替锡或银。就焊接特性而言，锡、银、镉、铅、锌和铋之间没有明显的差别。考虑到对人的毒性，在上述反催化剂金属中比较好的是锡和银。
(实验例)
在印刷电路板上以下列程序进行无电镀金。
(1)将表面刻制铜箔图案的印刷电路板浸入弱碱性脱脂液中三分钟以作脱脂处理。
(2)将印刷电路板放在流动的水中一分钟以清洗，
(3)通过无电镀，在40℃温度下，经过30分钟在印刷电路板上形成镀锡层。镀锡层厚度为1.5微米。
(4)用水清洗印刷电路板。
(5)将印刷电路板浸入包含2克/升氯化钯和150克/升盐酸的催化剂作用液内3分钟。
(6)用水清洗印刷电路板1分钟。
(7)通过无电镀在70℃下，经过10分钟在印刷电路板上形成镀金层。镀金层厚度为0.05微米。
(8)用水清洗印刷电路板。
(9)在60℃热空气中干燥印刷电路板。
此外，代替步骤(3)中的锡，以相同的条件通过无电镀形成镀银层，其后的工艺相同。
为了验证通过上述步骤获得的印刷电路板的电镀特性，采用以普通镀镍层作为下层的印刷电路板作为比较例以考察焊剂扩散的程度。特别是，利用260℃下的焊剂浴，将包含助熔剂的的0.5克焊剂被涂覆在印刷电路板上并且随后确认扩散的程度。
当以镀锡层作为下层的衬底在上述条件下经过60秒焊接时，假定焊剂扩散面积为100，并且将焊剂扩散面积与下层金属进行比较并改变焊接时间。表1示出了结果。
表1 焊接时间(秒) 10 30 60 镍下层 30 50 70 锡下层 90 100 100 银下层 90 100 100
由上述实验结果可见，当焊接时间较短时镍下层的焊接性能较差。相反，锡下层和银下层的焊接特性远远超过镍下层。而且就焊接特性而言，没有观察到锡下层与银下层之间的明显差别。
虽然已经详细描述和例举了本发明，但是显而易见的是例举和实例没有限定作用，本发明的精神和范围由所附权利要求限定。