焊接方法、通过该焊接方法 连接的元件和连接结构 本申请基于日本专利申请2003-028032，本文引用其作为参考。
背景技术
1.发明领域
本发明涉及一种将一个部件焊接到另一个部件上的方法，更具体地涉及一种用于在制造电子线路板的过程中焊接在印刷版上形成的焊盘和电子元件(例如，引线)的电极的方法。本发明还涉及由此焊接方法获得的连接结构和在这焊接方法中所用的电气元件或电子元件。
2.相关技术描述
在制造用于电子设备的电子线路板的过程中，至今为止，重熔焊接的方法被认为是用于将电子元件安装到印刷版上，更具体的是用于将从电子元件中引出的引线以电学和以物理方式连接到在印刷版上形成的焊盘上的方法之一。
在重熔焊接的一般方法中，首先，通过在焊盘上进行丝网印刷提供所谓的焊膏(图中未示出)，该焊盘是印刷版上形成的布线图的一部分。焊膏通常是通过有焊接材料的焊料粉与含有松香、活化剂和溶剂的助焊剂混合而制备的。其后，将电子元件安放在印刷版的指定部分，以使从电子元件上引出来的引线粘附到安放在待连接的焊盘上的焊膏上。该助焊剂通过印刷板的热处理进行活化，因此板上的电子元件在高于所使用的焊接材料熔点的温度下嵌在焊膏中，这样，在焊膏中形成焊料粉地焊接材料一旦熔化，就使焊膏中的其它组分如助焊剂同时蒸发(或挥发)。随后，通过冷却(或持续冷却)使该熔化的焊接材料固化。该固化的焊接材料在电子元件的导线与印刷板的焊盘之间形成连接部分从而使它们以电学和以物理学连接。虽然，除焊接材料之外的其它组分如助焊剂也可以存在于连接部分中，但这些其它组分在热处理时造成由焊接材料的相分离，从而不能存在于连接部分内，并仅仅轻微残存于连接部分的表面上。这样，通过基本上含有焊接材料连接部分(或焊接部分)得到具有固定在印刷板上的电子元件的电子线路板。
通常使用的焊接材料包括Sn-Pb系列材料，特别是具有低共熔组成的这类材料(下文简称为Sn-Pb低共熔材料)。众所周知，Sn-Pb系列材料的低共熔组成是Sn-37Pb组合物(即，由37重量％的Pb和剩余的Sn(63重量％)组成的组合物)，在这低共熔组成的Sn-Pb系列材料的熔点为183℃。例如，参见未审日本专利公开2000-260801。
近年来，对具有上述电子线路板的电子设备的废物处理成了问题，并且影响全球环境，并且由于焊接材料中所含的铅(Pb)对全球环境和人体造成的影响成为受人注目的问题。因此，有使用不含铅材料的趋势，即，使用无铅焊接材料作为焊接材料代替目前为止还在使用的Sn-Pb系列材料。并且努力使其实用。
最近，提出具有各种组成的材料作为无铅焊接材料，这种材料中的一种是Sn-Zn系列材料。作为最近研究的结果，发现Sn-Zn系列材料具有约Sn-9Zn的低共熔组成(即，9重量％的Zn和剩余的Sn(91重量％))，该低共熔组成的Sn-Zn系列材料的熔点为199℃。
理想的是无铅焊接材料的熔点足够低以至不损坏电子元件的程度，并且考虑到待安装到印刷板上的电子元件的耐热温度和现有焊接方法的应用，无铅焊接材料的熔点要比较接近常规Sn-Pb系列材料的熔点。由于上述Sn-Zn系列材料的熔点低于其它无铅焊接材料如Sn-Ag系列材料的熔点并且比较接近Sn-Pb系列材料的熔点，因此Sn-Zn系列材料有望成为Sn-Pb系列材料的主要替代品。
虽然使用Sn-Zn系列材料代替Sn-Pb系列材料具有在不引起电子元件热损坏的情况下将电子元件焊接到板上的优点，然而，发现在印刷板的焊盘与电子元件的导线之间的连接部分变差，并且由于在高温条件下连续使用测试所得电子电路板的结果而不能获得足够的抗热疲劳强度。
这被认为是由以下原因造成的：Sn-Zn系列材料中所含锌(Zn)与用作焊盘材料和导线材料的铜(Cu)相接触，并且在连接部分与焊盘之间以及连接部分与导线之间的连接界面处形成含有Cu和Zn的金属间化合物。
下文图2所示的是，根据上述常规重熔焊接的方法代替Sn-Pb系列材料，利用含有含Sn-Zn系列材料的焊接料粉的焊膏来焊接电子元件和印刷板而制备的电子线路板。
在这电子线路板中，在印刷板6上形成的焊盘7和从电子元件10引出的导线9在电学上和物理上连接。焊盘7通常由Cu制成并与布线图形成一整体。而且，导线9通常是通过用含Sn-Pb低共熔材料的镀层9b覆盖由Cu制成的母体材料9a而制备的。连接部分8通过对焊膏进行热处理形成，并且基本上由来自上述焊料粉的焊接材料所形成。
虽然，目前也提倡使用无铅材料作为电子元件导线用焊接材料，但是，现今在某些情况下仍使用Sn-Pb系列材料作为过渡期。
由于在热处理中焊接材料直接与焊盘7接触，所以形成焊盘的Cu扩散到焊接材料中并与Zn结合，从而在该连接界面处形成含有Cu和Zn的金属间化合物11。
而且，随着焊料粉中的焊接材料在热处理中熔化，由熔点低于热处理温度的Sn-Pb低共熔材料组成的镀层9b也熔化，与熔化状态的焊接材料接触的部分镀层9b熔化并扩散到焊接材料中。因此，导线9的镀层9b就地剥落并且母体材料9a与熔化状态的焊接材料直接接触。因此，与如上所述相似，形成导线9的母体材料9a的Cu扩散到焊接材料中并与Zn结合，从而在该连接界面处形成含有Cu和Zn的金属间化合物12。
当将具有上述焊接电子元件的线路板长时间放置在高温条件下时，更多的铜扩散到连接部分(或焊接材料)中，从而促使含有Cu和Zn的金属间化合物11和12形成。焊接材料中所有的Zn因用于形成含有Cu和Zn的金属间化合物，而很快被消耗掉，随后，在形成金属间化合物中没有起作用的剩余Cu和/或组成Cu-Zn金属间化合物的Cu扩散到焊接材料中，并且焊接材料中的Sn扩大扩散进入由Cu扩散产生的空隙中，即，发生相互扩散。人们认为这种现象导致连接部分变差。
同样，在按常规使用含有含Sn-Pb系列材料的焊料粉的焊膏的情况下，用作焊盘和/或导线材料的铜(Cu)扩散进入连接部分并与Sn-Pb系列材料中所含的锡(Sn)相结合，从而在连接部分的连接界面与焊盘和/或导线之间可以形成含有Cu和Sn的金属间化合物。然而，由于含有Cu和Sn的金属间化合物是稳定的，所以该化合物能在高温下经受连续的使用。因此，认为形成含有Sn和Cu的金属间化合物不会导致在含有Cu和Zn的金属间化合物的情况下发生的连接部分变差。
而且，在某些情况下，使用Fe-42Ni合金材料(即，具有含42重量％的Ni和剩余的Fe(58重量％)组成的合金材料)作为导线9以及Cu的母体材料9a的材料。在这种情况下，通过使导线9上的镀层9b熔化并扩散到焊接材料中，并使母体材料9a与焊接材料直接接触而在导线9和连接部分8之间的界面处不形成含有Cu和Zn的金属间化合物12。然而，由于在含有Cu的焊盘7与连接部分8之间的界面处仍然形成含有Cu和Zn的金属间化合物12，所以当得到的电子线路板在高温下进行连续使用测试时，发生连接部分变差。因此，这种合金材料也具有没有足够抗热疲劳强度的问题。
虽然上面已经详细描述了Sn-Zn系列材料，但其它含有至少Sn和Zn的焊接材料也遇到了类似的问题。
发明概述
本发明的目的是提供一种焊接方法，该方法能阻止因在高温条件下连续使用而导致的焊接部分(或连接部分)变差，并能获得足够的抗疲劳强度，这是在通过使用含有Sn和Zn的焊接材料如Sn-Zn系列材料进行焊接(或连接)电子元件和印刷板的情况下，焊接部分变差是固有的问题，并提供用该方法获得的电子线路板。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种通过使用含有Sn和Zn的焊接材料如Sn-Zn系列材料焊接(连接。下文相同)第一部件和第二部件的方法，其中在第一部件和第二部件中的至少一个上提供一阻挡金属层，以覆盖含有含Cu材料的母体材料焊接材料注入(放置)第一部件和第二部件之间，使其与熔化状态的阻挡金属层接触，并固化。
根据上述焊接方法，由于含有含Cu材料的母体材料用阻挡金属层覆盖，并且含有Sn和Zn的焊接材料与阻挡金属层接触，所以可以避免焊接材料中的Zn与母体材料中的Cu直接接触。这能有效抑制或阻止含有Cu和Zn的金属间化合物形成，从而可以排除由于在高温条件下连续使用造成的焊接部分(本说明书中也称作为连接部分)变差，并且可以进一步排除抗热疲劳强度降低的原因。
当第一部件和第二部件均由含Cu材料制成并且Cu能从两个部件扩散到焊接材料(焊接部分)中时，优选的是，用阻挡金属层覆盖含Cu材料以避免与焊接材料直接接触，从而阻止含有Cu和Zn的金属间化合物形成。然而本发明不必局限于此，并和上述情况相比较，相对于根本不提供阻挡金属层的情况，通过为两个部件中的任一个提供阻挡金属层就可以降低抗热疲劳强度的变坏。
虽然，在本发明中阻挡金属层可以由单层和多层形成，但必须覆盖含Cu的母体材料，这样母体材料基本上不与熔化状态的焊接材料接触。因此，优选使用的阻挡金属层的材料包括基本上不扩散(溶解)到熔化状态的焊接材料中的材料，或即使材料扩散，但通过暴露位于底部的含有Cu的母体材料而基本上不与焊接材料接触的材料。本说明书中，以待焊接部件的母体材料为基础，与焊接材料接触的暴露表面称为“上面”，而将母体材料的一侧称为“下面”。
在本发明的一个优选实施方案中，阻挡金属层可以是Ni层(即，由Ni形成的层，下述其它层相似于这方式)和多层叠层。由于Ni层与焊接材料接触几乎不扩散到焊接材料中，并且位于其下面的母体材料不暴露，因此Ni适合作为阻挡金属层材料。
当使用含有Ni层的多层叠层作为阻挡金属层时，可以在Ni层的上面提供Au层。Ni层易于在空气中氧化，并且由于形成氧化物，所以与焊接材料的润湿性差。然而，当在Ni层的上面提供Au层时，Au层比Ni层抗氧化性好，与焊接材料呈现良好的润湿性。与使用单一Ni层作为阻挡金属层相比，通过在Ni层的上面提供这种层以形成阻挡金属层的表面可以改善焊接材料的润湿性，并从而可以改善连接部分的连接可靠性(主要是结合强度)。
在这技术领域中，可以通过已知的方法，例如电镀、热浸镀、浸镀、气相沉积等而构成阻挡金属层的层(当阻挡金属层是多层叠层时，至少是一层)。
根据本发明的另一点，提供一种具有利用含Sn和Zn的焊接材料焊接的第一部件和第二部件的连接结构，其中第一部件和第二部件中的至少一个具有包含有含铜材料母体材料和覆盖该母体材料的阻挡金属层。
由于在这连接结构中也用阻挡金属层覆盖含有含Cu材料的母体材料，所以与上述本发明的焊接方法相似，有效地抑制或阻止了含Cu和Zn的金属间化合物的形成。因此，连接结构可以保持高的抗热疲劳强度而不造成在高温状态下连续使用的连接部分变差。
尽管通过本发明焊接方法制备的连接结构的阻挡金属层留有Ni层，但当使用位于Ni层上面的Ni层和Au层时，Au和Zn可以在Ni层的上面反应，并形成层状Au-Zn化合物而不会将Au洗脱(或熔融扩散)到因Au层与熔化状态的焊接材料接触所形成的焊接材料中，因此能够获得比单一Ni层更高的粘附力和更高的抗热疲劳强度。
在本发明中，第一部件和第二部件可以是印刷板和电子元件，更详细地可以分别是印刷板上配有的电极和电子元件的电极。
上述印刷板包括由纸酚材料(paper phenolic materials)、环氧玻璃材料、聚酰亚胺薄膜材料、陶瓷材料和金属材料等制成的印刷板等。例如，在这样的印刷板上形成的电极可以是与布线图形成一整体的焊盘，例如可以通过用阻挡金属层覆盖含有Cu的母体材料来制备。
上述电子元件包括半导体元件(例如，所谓的QFP(四边扁平封装)元件、CSP(芯片规模封装(Chip Scale Package))元件和SOP(单一外封装(SingleOutside Package))元件等、片状元件(例如，电阻、电容器、晶体管、感应器)和连接器等。例如，这些电子元件的电极例如可以是导线或从电子元件中伸出的导线或接头，例如，可以通过用阻挡金属层覆盖含有Cu的母体材料来制备。
然而，本发明不受这些部件的限制，第一部件和第二部件可以是各种要焊接的部件。因此，根据本发明的另一点，可以提供，配置含有含Cu材料的母体材料和覆盖该母体材料的阻挡金属层的电极的电路元件或电子元件，可利用也含Sn和Zn的材料焊接。
在本说明书中，焊接材料指的是熔点比较低的金属材料，即在约100-250℃的温度下就熔化的金属材料。在这些焊接材料中，含Sn和Zn的焊接材料是至少包含Sn和Zn的材料，例如，可以是Sn-Zn系列材料(包括Sn-Zn低共熔材料和向该Sn-Zn低共熔材料中加入Bi的Sn-Zn-Bi材料)。另外，“A-B系列材料”指的是一种，在含有金属组分A和B的低共熔组成的基础上还可以包含痕量的另一种金属组分的材料。例如，Sn-Zn系列材料除Sn-9Zn的低共熔组成之外还可以包含痕量的另一种金属组分(这种金属组分不重要，不管是有意加入的还是不可避免包含的)。Sn-Zn系列材料的熔点约为190-200℃。
本领域普通技术人员会很容易理解，例如在本发明中，可以通过重熔焊接方法和浇焊方法中的任何一种进行焊接，可以只对印刷板的任何一个面进行焊接，也可以对其两面进行焊接，还可以通过这些方法中的任何一种制备本发明的连接结构。
当希望排除由于形成含有共存Cu和Zn的金属间化合物而导致的弊端时，可通过适当利用本发明提供的阻挡金属层而防止Cu与Zn接触的概念。
本发明中的焊接方法也可以理解为制备焊接第一部件和第二部件的连接结构的方法。
附图简述
图1说明通过由实施本发明的一个方式的焊接方法制备的电子线路板的局部示意剖视图；和
图2说明通过常规焊接方法制备的电子线路板的局部示意剖视图。
优选实施方案详述
以下通过图1说明一种实施方式。图1是通过这种实施方式的焊接方法制备的电子线路板的局部示意剖视图。
首先，制备印刷板1和要与其连接的电子元件5。在印刷板1上形成通过用含有Ni层和Au层的阻挡金属层2b覆盖含有Cu的母体材料2a而制备的焊盘2，例如，可以根据以下方法形成焊盘2。
例如，通过铜箔的热压粘合(或安装)和蚀刻将含Cu的母体材料2a与由环氧玻璃树脂等制成的印刷板1的表面上的布线图(图中未示出)形成为一个整体。例如，布线图的宽度可以约为50-100微米。此后，在印刷板1表面的规定区域中形成保护层以覆盖布线图。然后，暴露没有用保护层覆盖的母体材料2a。例如，将母体材料2a的高度(即布线图的高度)调整至约10-40微米。
通过以下方法形成Ni层，将在其上如此形成母体材料2a的印刷板1浸在具有溶解Ni的电解质中，并向母体材料2a施加适当的电压以通过使用化学镀以在母体材料2a的表面上沉积镍。例如，可以将镍层的高度调整至约2-5微米。而且，如果通过浸镀在Ni表面上形成例如0.01-0.1微米的镀金层，则在印刷板1的表面上可以形成含有母体材料2a的焊盘2和覆盖母体材料的阻挡金属层2b(在此实施方式中，是Ni/Au层)。从上面看印刷板1，焊盘2的外形为矩形，例如，可以为约0.5-2毫米宽，约0.5-2毫米长，但在这实施方式中，该焊盘可以具有任意适当的形状和大小而没有上述的限制。
尽管在这实施方式中表明了通过电镀形成Ni层的方法，但除这方法外，还可以通过以下方法形成覆盖母体材料2a的Ni层，例如热浸镀，其中将具有形成的母体材料2a的印刷板浸入熔化状态的Ni材料中；浸镀，其中将此印刷板浸于含镀覆用金属的溶液中以用镀覆用金属置换母体材料2a的表面；或气相沉积，其中将Ni蒸发，并沉积在母体材料2a上。通过调整合适的条件，本领域普通技术人员将能实施电镀、热浸镀和气相沉积。
另一方面，在电子元件5上提供导线4。通过用由单层Ni形成的阻挡金属层4b覆盖由Cu制成的母体材料4a制备该导线。可以通过在母体材料4a的表面上形成Ni层作为上述方法的阻挡金属层4b而预先制备这导线，并可以利用这导线制备电子元件5。
例如，通过丝网印刷或分配器在上述制备的印刷板1的焊盘2上提供焊膏。通过将Sn-Zn系列材料，例如由Sn-Zn低共熔材料组成的金属颗粒(或焊料粉)分散到助焊剂中来制备这种焊膏。可以使用含有松香、活化剂和溶剂的市售助焊剂作为助焊剂。金属颗粒的平均粒度可以为，例如约20-40微米，并占整个焊膏的比例约为85-90重量％。
然后，在印刷板1上适当地安放电子元件5，以便电子元件的导线4与焊盘2上供给的焊膏接触。本文中，焊膏与导线4的阻挡金属层4b和焊盘2的阻挡金属层2b接触，不与母体材料4a和2a接触。通过使这样制备的印刷板1经受，例如约205-230℃，优选为约210-220℃的热气氛而对这样制备的印刷板进行热处理。通过此处理，将热量提供给焊膏，在焊膏中形成金属颗粒的Sn-Zn系列材料熔化，并同时将助焊剂中除该金属颗粒外的其它组分蒸发(或汽化)并除去。
熔化状态的Sn-Zn系列材料与阻挡金属层2b和4b接触，但不直接与母体材料2a和4a接触，因为形成这些层的Ni几乎不熔化并扩散。因此，防止形成含有Cu和Zn的金属间化合物。然后，为了通过位于Ni上面的Au与焊料中的Zn反应形成层状Au-Zn化合物层，并且为了改善对焊料的粘合，必须在约205-230℃，优选为约210-220℃的温度下进行焊接。高于上述温度的温度使Au与Zn在焊料中反应并熔化而不形成层状化合物，此后形成粒状Au-Zn化合物。在低于上述温度的温度下，Au与Zn不能充分反应。Au-Zn化合物层的厚度优选为0.01-0.1微米。厚度超过这范围造成Au-Zn层的连接性能脆化，并反之，当厚度达不到这范围时，几乎不能获得效果。
随后，冷却(或持续冷却)经受这种热处理的印刷板1，从而使熔化状态的Sn-Zn系列材料固化，因此形成基本上含有Sn-Zn系列材料的连接部分(或焊接部分)3。电子元件5的导线4和印刷板1的焊盘2通过该连接部分3在电学和机械上连接(或焊接)。
根据上述过程，制备了有电子元件5安装在印刷板1上的装配的电子线路板。在电子元件5的导线4与连接部分3之间的连接界面和印刷板1的焊盘2与得到的电子线路板中的连接部分3之间的连接界面中的任何一个中，都可以防止形成含有Cu和Zn的金属间化合物。
尽管在这实施方式中，本发明人假定焊盘和导线的母体材料都含有铜，并用各自的阻挡金属层覆盖，但本发明不局限于此，母体材料含有铜和用阻挡金属层覆盖含Cu的母体材料二者中满足至少一个就够了。例如，当导线的母体材料含有Fe-42Ni合金材料，但不包含Cu时，并不总是需要用阻挡金属层覆盖该母体材料，用含有，例如Sn-Pb系列材料等的焊料覆盖该母体材料就足够了。
根据本发明，在使用包含Sn和Zn的焊接材料焊接第一部件和第二部件的方法中，第一部件和第二部件中的至少一个具有含有含Cu材料作为母体材料的部分，提供覆盖母体材料的阻挡金属层，使熔化状态的焊接材料与阻挡金属层接触，并固化，从而焊接(或连接)第一部件和第二部件。
根据这焊接方法，焊接材料中的Zn不直接与母体材料中所含的Cu接触，从而可以有效地抑制或防止形成含有Cu和Zn的金属间化合物，因此消除了因在高温状态下连续使用所导致的连接部分变差，进而消除引起抗热疲劳强度变差的原因。
此外，根据本发明，在通过使用含Sn和Zn的焊接材料焊接第一部件和第二部件的连接结构中，第一部件和第二部件中的至少一个具有含有含Cu材料的母体材料和覆盖该母体材料的阻挡金属层，因此可以获得与如上所述相同的效果。
尽管已经以某种细致程度、以优选的形式描述了本发明，但是很清楚，可以在结构的细节和各部分的组合排列方面在不背离以下权利要求所申请的本发明的精神和范围下，本发明和公开的优选方式可以改变。