高熔点金属粒分散成形焊料的制造方法

专利名称：高熔点金属粒分散成形焊料的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种均一分散有高熔点金属粒的成形焊料(form solder)的制造方法。
背景技术：
一般来说，作为电子设备上使用的印刷电路板和电子设备等的工件的软钎焊，有烙焊法、流动法、回流法。烙焊法是在工件的软钎焊部分配松香心焊丝，从其上用钎焊烙铁加热而使松香心焊丝熔化，从而进行软钎焊。此烙焊法因为要对钎焊部的每一处进行软钎焊，所以无法面向大批生产，但是其适用于由其他软钎焊方法进行钎焊后，对没有耐热性的电子元件进行软钎焊，或矫正因其他的软钎焊法而发生的钎接不良。
流动法因为是使搭载有电子元件的印刷电路板与熔融焊料接触，所以是能够一次进行多处钎焊的一种生产率优异的软钎焊法。然而，此流动法因为是使印刷电路板与熔融焊料接触，所以会在不必要的地方附着焊料，或由于电子元件与变成高温的熔融焊料直接接触，因此会有使电子元件热损伤这样的问题。
回流法是只在工件的必要处放置焊料，之后由回流炉和红外线照射装置、激光照射装置这样的加热装置加热，由此进行软钎焊，因此所进行的软钎焊不但生产效率优异，而且不会在不必要之处附着焊料这种可靠性也优异。因此，回流法大多在今天要求有高可靠性的工件的软钎焊上被采用。
作为用于此回流法的焊料为焊膏和成形焊料。焊膏是将调合粘性的某种助焊剂与粉末焊料混匀，通过印刷和喷吐将其涂布在工件的软钎焊部。用于此焊膏的助焊剂因为是用溶剂溶解松脂、活性剂、触变剂等的助焊剂材料，所以用焊膏进行软钎焊后肯定有助焊剂残渣附着。在使用了焊膏的软钎焊中，钎焊时活性剂、触变剂、溶剂等由于热而大部分挥发，但并不是完全挥发，成为在助焊剂残渣中仍有少量残留的状态。由于助焊剂材料容易吸湿，因此，若助焊剂残渣中的助焊剂材料吸收大气中的水分，则使软钎焊部产生腐蚀生成物而使绝缘阻抗降低。为此焊膏便不适用于要求有高可靠性的工件的软钎焊。
因此作为要求有高可靠性的工件的软钎焊，适用的是不用助焊剂来进行软钎焊的成形焊料。所谓成形焊料是指形状适合软钎焊部的小球(pellet)和垫圈(washer)。使用此成形焊料的回流法是在工件上载置成形焊料后，在如氢气这种还原性的某种气氛中加热而进行软钎焊。若在氢气氛中加热载置有成形焊料的工件，则使工件和成形焊料的表面附着有氢的氧化物被还原除去，并使熔化了的焊料润湿。
在要求有高可靠性的芯片焊接这样的工件中，因为留有助焊剂残渣的焊膏不能使用，所以要使用成形焊料。所谓芯片焊接是用焊料把电路板和半导体元件接合起来，软钎焊是通过在电路板半导体元素间放置成形焊料，在还原气氛中加热来进行。
可是若在电路板上放置成形焊料和半导体元件并加热，则成形焊料在熔化时，熔化了的焊料会因半导体元件的重量从软钎焊部间被挤出，软钎焊部间的焊料的量变少。借助焊料的接合是在软钎焊部间存在有适量的焊料，从而能够发挥出充分的接合强度，但是若如芯片焊接这样，软钎焊部间的焊料因放置在其上的半导体元件的重量而被挤出，则接合强度变弱。
因此一直以来，为了使软钎焊部间留有适当的间隙，从而在软钎焊部间保留适量的焊料，故在软钎焊部间夹入多个Ni、Cu、Ag、Fe、Mo、W等比焊料熔点高的高熔点金属粒(以下仅称为金属粒)。软钎焊时，因为要另行将金属粒放置在软钎焊部间，所以非常费事而效率低下，因此使用的方法是预先使金属粒分散在成形焊料中。
作为分散有金属粒的成形焊料的制造方法有气体压接法和熔融法。所谓压接法就是在一块板状焊料上放置多个金属粒，使其在一对辊间通过而将金属粒埋入板状焊料中，之后以冲压机穿通(专利文献1)，在两块板状焊料中留有金属粒并呈三明治状后以冲压机穿通(专利文献2)。
所述熔融法就是使金属粒分散于熔融焊料中后，将熔融焊料浇注到铸模而成为坯料，通过挤压加工使该坯料成为板状焊料后再穿通的方法(专利文献3)。专利文献3所述的熔融法首先对金属粒的表面实施电解镀或无电解镀。接着将该金属粒和助焊剂的混合物投入熔融焊料中搅拌，其后浇注到铸模中成为坯料。然后将坯料轧制成板状，通过冲压成形为规定成状的成形焊料。
专利文献1特开平3-281080号公报专利文献2特开平6-285686号公报专利文献3特开平6-31486号公报可是，通过压接法得到的成形焊料是将金属粒机械性地埋入板状焊料并夹在板状焊料间，因此金属粒不会与焊料润湿。就是说由于金属粒和焊料无法金属性的接合，所以若将该成形焊料夹在软钎焊部间并使成形焊料熔化，则金属粒与软钎焊部接触的部分无法金属性的接合。该状态变成金属粒和和软钎焊部无法接合。因此软钎焊部和焊料的接合面积变小，接合强度不能充分地变强。另一方面，由现有的熔融法得到的成形焊料由于金属粒和焊料无法金属性的接合，所以成为软钎焊部间整体接合的状态。然而在由现有的熔融法得到的成形焊料中，软钎焊部间存在的金属粒的粒径变小，以致完全消失而不能得到规定的间隙。其结果是，电路板和半导体元件间的焊料量仍然很少而有接合强度变弱这样的问题。

发明内容
本发明者们就由现有的熔融法得到的成形焊料中，金属粒的粒径变小以致消失的原因加以锐意研究，其结果发现，这是由于金属粒熔进了熔融焊料中。即现有的熔融法中，是把金属粒在熔融焊料中润湿，同时将用于与成形焊料混合的、成为最终分配量的少量的金属粒直接投入大容量的熔融焊料中，因此在该熔融焊料中使金属粒均一分散要花费很长时间。在现有的熔融法中，均一分散要花费长时间的结果是，金属粒熔进熔融焊料中从而粒径变小，以致金属粒完全消失。之所以金属粒比焊料熔点高，本该在焊料的熔化温度下不会熔化，但是金属粒却熔进了熔融焊料中是基于如下理由。即，若金属粒的表面被焊料润湿，则在润湿的部分在焊料和金属粒间发生原子的扩散而合金化。若高熔点金属和焊料合金化，则因为那部分的熔点下降，所以金属粒的合金化了的部分熔进熔融焊料中。如此由于金属粒一点点熔进熔融焊料中，金属粒的粒径变小，进而完全消失了。因此本发明者们着眼于，在将金属粒投入熔融焊料时如果金属粒短时间内分散到熔融焊料中，则金属粒不会减少，从而完成本发明。
本发明是一种高熔点金属粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于包括制作分散有高熔点金属粒相对于焊料量的混合量为5～30质量％的金属粒的混合母合金的工序；在熔融焊料中投入混合母合金使高熔点熔融焊料相对于熔融焊料的混合量为0.1～3质量％并进行搅拌的工序；将混合有规定的金属粒的熔融焊料铸入铸模而制作坯料的工序；将坯料加工成板状焊料后形成规定形状的成形焊料的工序。
可是，本发明的混合母合金和一般在使金属合金化时使用的母合金的使用方法相近，但是构成不同。所谓一般的合金中使用的母合金是将添加的金属元素以高浓度添加到熔融金属而完全熔解，在实际配合成规定的组成时使母合金变稀而使用。另一方面，所谓本发明的混合母合金是不使高熔点金属粒而以金属粒的形状混合分散到焊料中，在形成实际的配合量时计量混合母合金而投入到熔融焊料中。
根据本发明，预先制作以高配合混合了金属粒的混合母合金，使金属粒的配合成为规定量的方式计量该混合母合金并投入熔融焊料中，因此将混合母合金投入熔融焊料以后只进行短时间搅拌，金属粒便均一地分散在熔融焊料中。然后将均一分散了金属粒的熔融焊料直接浇注到铸模中而成为坯料。在本发明中，制作混合母合金时，将混合母合金投入熔融焊料中搅拌时，因为各自向铸模浇注时的工序在短时间内进行，所以金属粒与熔融焊料接触的时间非常短就行。因此由本发明得到的成形焊料，金属粒很少熔进熔融焊料中，而是基本以保持原形的状态分散在成形焊料中。因此，由本发明得到的成形焊料，金属粒被熔融焊料润湿，而且能够使软钎焊部间保有规定的间隙，所以能够发挥焊料原有的接合强度。
具体实施例方式
为了使金属粒均一分散在熔融焊料中，并且在软钎焊时完全钎接工件的钎焊部和金属粒，金属粒必须完全被熔融焊料润湿。如果是Ag和Cu这样容易被熔融焊料润湿的金属，则只使用助焊剂便可容易地跟熔融焊料润湿，但是像Ni、Mo、Cr、W这样的金属粒因为难以被熔融焊料润湿，所以不能只用助焊剂润湿。这种难以被熔融焊料润湿的金属粒需要预先进行表面处理。作为金属粒的表面处理有氢净化处理和镀敷处理。所谓氢净化处理是通过在充满氢的气氛中加热金属粒，从而将附着在金属粒表面的氧化物还原除去。另外所谓镀敷处理就是镀敷即使熔解于熔融焊料中也不会剧烈改变焊料的成分和特性的金属元素。作为该金属元素与焊料所使用的成分为同一成分，例如如果是Sn-Ag-Cu焊料，则为Sn、Ag、Cu等金属元素，作为即使熔进熔融焊料中也不会剧烈改变焊料特性的元素还有镀敷量极少的Au。
在本发明中，金属粒不是以规定量的方式直接投入到熔融金属中，而是一次性制作按高配合混匀有金属粒的混合母合金，将该混合母合金投入熔融焊料中。作为按本发明制作混合母合金的方法有将混合了助焊剂和金属粒的混合物直接投入成为母合金的熔融焊料中的方法；和将助焊剂、金属粒、粉末焊料的混合物放入耐热性的容器之中加热，使粉末焊料熔化后进行冷却固化的方法。
在本发明中，首先使比分散在成形焊料中的金属粒量多的金属粒分散，而且在被熔融金属润湿的状态下制作混合了的混合母合金。该混合母合金中的金属粒的混合比例以5～30质量％为宜。软钎焊部间的金属粒的分散状态如果是理论上的最低4个，则能够使软钎焊部间处在平行状态而保持一定的间隙，但是若此4个金属粒排列在直线上，固定在一处，则软钎焊部间不平行并无法保有一定的间隙。即金属粒优选在软钎焊部全域分散。例如采用芯片焊接中被非常大量使用的10×10(mm)的坯料对半导体元素和电路板进行软钎焊时，必须在这些工件的软钎焊部间分散至少10个以上的金属粒。若混合母合金中的金属粒的比例比5质量％少，则不能使成形焊料中分散适量的金属粒，若混合超过30质量％，则制作母合金时金属粒固定而无法均一分散在熔融焊料中。
接下来就本发明的实施例和比较例进行说明。
(实施例)(1)在氢气氛中加热80μm的Ni粒对表面进行净化。
(2)把表面清洁好的Ni粒10g、和膏状助焊剂90g、和Sn-3Ag-0.5Cu的粉末焊料混匀而成为膏状混合物。将该混合物放入铸铁制的铸桶之中，用燃气炉加热铸桶在250℃使粉末焊料熔化，同时用金属制压勺搅拌熔融物约30秒之后浇注于5×10×50(mm)的铸模中，制作棒状的混合母合金。该母合金的Ni粒的含量为10质量％。
(3)先将Sn-3Ag-0.5Cu的无铅焊料约80Kg在熔解锅中熔解，从该熔解锅把熔融焊料10Kg倒入熔融金属浇注装置，并将前述混合母合金30g倒入熔融金属柱等装置，用搅拌装置搅拌约10秒钟。其后，将分散有Ni粒的熔融焊料浇注到坯料用的圆筒型铸模，急冷铸模而制作坯料。
(4)用挤压装置将坯料加工成厚5mm、宽20mm的棒状焊料，用轧制机将该棒状焊料轧制成厚0.1mm、宽15mm，加工成为板状焊料。然后用冲压机穿通该板状焊料而成形为10×10(mm)的坯料。
(比较例)(1)对80μm的Ni粒的表面进行Cu的电解镀。
(2)把表面镀有Cu的Ni粒10g和膏状助焊剂10g混匀而成为膏状混合物。
(3)先将Sn-3Ag-0.5Cu的无铅焊料约80Kg在熔解锅中熔解，在该熔解锅之中的熔融焊料中投入前述膏状混合物160g。投入膏状混合物后，在金属制铸桶中搅拌熔融焊料约60秒，使Ni粒分散在熔融焊料中。其后，将分散有Ni粒的熔融焊料浇注到坯料用的圆筒型铸模，急冷铸模而制作坯料。
(4)用挤压装置将坯料加工成厚5mm、宽20mm的棒状焊料，用轧制机将该棒状焊料轧制成厚0.1mm、宽15mm，加工成为板状焊料。然后用冲压机穿通该板状焊料而成形为10×10(mm)的坯料。
切断由上述实施例和比较例得到的坯料的四角用显微镜观察时，由实施例得到的坯料在四角上存在大量Ni粒，其直径为70～80μm。另一方面，由比较例得到的坯料虽然在四角上存在Ni粒，但是其直径为10～70μm而偏差变大。
工业上的利用可能性由本发明得到的成形焊料不仅能够用于芯片焊接，而且还能够用于将半导体元件收纳在容器内并盖上的这种盖罩(coat lid)的软钎焊。
权利要求
1.一种高熔点金属粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，包括制作分散有高熔点金属粒相对于焊料量的混合量为5～30质量％的金属粒的混合母合金的工序；在熔融焊料中投入混合母合金使高熔点金属粒相对于熔融焊料的混合量为0.1～3质量％并进行搅拌的工序；将混合有规定的金属粒的熔融焊料铸入铸模制作坯料的工序；将坯料加工成板状焊料后形成规定形状的成形焊料的工序。
2.根据权利要求1所述的高熔点金属粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，在制作混合母合金前，对高熔点金属表面实施为了使高熔点金属粒容易被熔融焊料润湿的表面处理。
3.根据权利要求1所述的高熔点金属粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，混合母合金是将混合有助焊剂和高熔点金属粒的混合物投入熔融焊料中而制成。
4.根据权利要求1所述的高熔点金属粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，混合母合金是通过将混合有助焊剂、高熔点金属粒和粉末焊料的混合物加热使粉末焊料熔化而制成。
全文摘要
现有的成形焊料制造方法是在熔融焊料中直接投入规定量的高熔点金属粒，之后使高熔点金属粒分散，因此需要搅拌很长时间。为此在现有的成形焊料制造方法中，高熔点金属粒会熔进熔融焊料中而粒径变小。若是用这种粒径变小的成形焊料进行半导体元件和电路板的软钎焊，则软钎焊部间变窄，得不到充分的接合强度。在本发明中，首先制作高熔点金属粒的配合量多的混合母合金，将该混合母合金投入熔融焊料中并使高熔点金属粒分散，因此能够在短时间内使高熔点金属粒均一地分散在焊料中。因此，由本发明的成形焊料制造方法得到的成形焊料，由于能够使软钎焊部间保有规定的间隙，所以接合强度充分。
文档编号B23K35/00GK101001716SQ200580026759
公开日2007年7月18日 申请日期2005年5月9日 优先权日2004年6月8日
发明者上岛稔, 石井隆 申请人:千住金属工业株式会社