电子零件接合电极的焊锡合金及锡焊方法

专利名称：：电子零件接合电极的焊锡合金及锡焊方法专利说明电子零件接合电极的焊锡合金及锡焊方法本发明系关于在电路板上进行零件安装的电子零件接合用电极表面的焊锡合金及其锡焊方法。[
背景技术：
]近年来在电子零件安装技术中，使用搭载安装了电气零件的电路板的商品日益增加，随之而来，对于提高锡焊部的机械性的接合强度和提高热冲击强度等的高可靠性的要求也越来越高了。另外，在日益高涨的对地球环境保护的关心中，正在研讨有关电路板等工业废弃物处理的法规章程。下面，参照附图简要地说明现有的电子零件锡焊接合用电极表面的焊锡合金及其锡焊方法图1是表示现有的电子零件接合用电极的结构的简图、图2是现有电子零件接合用电极的接合界面的金相组织图。在图1中，3是Sn、Pb，4是Ni，5是Ag，这些焊锡合金构成了电子零件6的电极，特别是，在电极表面材料上使用了Sn·Pb合金。在图2的电子零件接合电极的接合界面的金相组织图中，1为α固溶体构成的富Sn相，2是β固溶体的富Pb相。上述的现有的焊锡合金，其电极表面的金属组成为Sn90％(重量)及Pb10％(重量)，其融点为183℃-210℃。在该电极上借助作为接合用金属的焊锡合金而进行锡焊时，其合金组织是α固溶体1与β固溶体2成层状。现有的锡焊中，其电子零件锡焊接合用电极的焊锡合金存在着下述问题在用接合用焊锡合金进行锡焊时，其合金组织是成层状的，特别是反复地暴露在高温环境下时其组织粗大化，因而在焊锡上受有应力时，在其组织的界面上会产生滑动，结果会发生裂缝。另外，从环境保护的立场来看，焊锡合金(Sn-Pb合金)中含铅正不断地受到限制，用现有焊锡合金所焊接的电路板废弃物，暴露在酸雨中，会使铅大量溶出，其溶解物会给人体带来不良影响的问题也被指摘。鉴于上述的问题，本发明的目的是使电子零件焊接的锡焊接合部中不含铅，并提供一种接合部合金组织被细化，高温环境下的反复热疲劳特性优异的焊锡合金构成的电子零件的电极表面结构。[
发明内容]本发明的电子零件接合用电极的焊锡合金的特征是其主要构成成分是Sn、Ag及Cu，各种成分的重量比是Sn92-96％，Ag3.5-6.0％，Cu则为0.5-2.0％。在以Sn为主成分的焊锡中，通过添加少量Ag与Cu，可得到耐热疲劳特性与机械接合强度优良的焊锡合金。[附图简介]图1是表示现有的电子零件接合用电极的电极结构简图；图2是现有的电子零件接合用电极接合界面的金属组织图。[最佳实施例]本发明权利要求1中所述的电子零件接合用电极的焊锡合金，主要构成成分是Sn、Ag和Cu，各成分的重量比为Sn92-97％，Ag3.0-6.0％，Cu0.1-2.0％，在以Sn为主成分的焊锡中，由于添加了少量Ag而可得到具有微细合金组织的耐热疲劳特性优越的合金，并能提高其融点，进而，通过添加少量的Cu，以求生成金属间化合物，提高机械结合强度。权利要求2中所述的电子零件接合用电极的焊锡合金，其主要构成成分是由Sn、Ag、Bi、Cu及In构成的，各种成分的重量比为Sn81.0-90.5％，Ag3.5-6.6％，Bi5-10％，Cu0.1-2.0％，In0.1-1.0％，在权利要求1中所述的上述特征中通过再添加少量的Bi，从而能改善其润湿性，再通过添加少量的In，以改善合金的抗拉伸特性与耐热疲劳特性。权利要求3中所述的发明是用权利要求1或2中所述的焊锡合金构成的电子零件接合用电极的锡焊方法，该锡焊方法的特征是在焊接的凝固过程中，在经过最高温度后以5℃/秒-15℃/秒的温度梯度急冷至预热温度使之凝固，在焊接的凝固过程中，通过急冷凝固而使Ag3Sn、Cu3Sn与Cu6Sn5等金属化合物细化分散，从而提高机械强度与耐热疲劳特性。下面，说明本发明的实施形态。现说明在本发明中使焊锡合金组成限定为上述成分的理由。Ag可以改善耐热疲劳特性，然而，在其添加量比3.0％(重量)小的情况下，效果不充分，而且为了确保融点在220℃以上250℃以下，Ag的添加量必须在6.0％(重量)以下，Ag添加量超过6.0％(重量)时融点急剧升高故不理想。因而，Ag的最佳添加量应为3.0-6.0重量％。Bi能改善润温性，在Bi的添加量小于5％(重量)的情况下，效果不充分，而在Bi添加量超过18％(重量)时，锡焊强度得不到保证，故不理想，因而，Bi的合适的添加量应在5-18％(重量)之间。Cu可改善高温特性，具有可提高接合材料的机械强度的效果，Cu的添加量小于0.1％(重量)时，效果不明显，而Cu的添加量超过2.0％(重量)时则变硬、变脆，使特性恶化，因而，Cu的最佳添加量为0.1-2.0％(重量)。In有改善抗拉伸特性、润湿性及耐热疲劳特性的效果。In的添加量小于0.1％(重量)时，效果不显著，In的添加量超过1.0％(重量)时，合金的机械强度变劣，故In的最佳添加量为0.1-1.0％(重量)。下面，根据表1与表2具体地说明各实施例。</tables>表1示出了本发明实施例1、2的焊锡合金与比较例1、2的焊锡合金在组成、融点、润湿性，接合强度以及热冲击特性方面的比较结果。融点通过对各焊锡的热分析加以测定。润湿性、接合强度、热冲击、则分别把焊锡合金制成大气用RMA型油膏状焊锡，用它们进行试验。润湿性是在安装0.5mm节距的OFP后，测定其每线的剥落强度。热冲击试验则使用气相式热冲击试验机，试验条件以-40℃(30分)-常温(5分)-80℃(30分)的热冲击反复进行500个循环，然后以是否有裂纹产生来评定其热冲击特性。在把上述焊锡合金制成膏状焊锡时，其焊剂种类并不特别限定，与大气回流对应的、与氮气回流对应的、RA、RMA等的焊剂均可使用。最好是有活性而且有较好耐腐蚀性的大气用RMA型焊剂。在比较例1中为Sn96.5％(重量)、Ag3.5％(重量)的焊锡合金，比较例2则为Sn63％(重量)、Pb37％(重量)的焊锡合金。而作为接合金属的焊锡合金则可使用表2中所示的焊锡合金。[实施例1]实施例1的焊锡合金为Sn94.5％(重量)，Ag5.0％(重量)，Cu0.5％(重量)的三成分焊锡合金。用大气用RMA焊剂把该焊锡合金调制成膏状焊锡，然后进行其融点，润湿性、接合强度、热冲击等试验，其结果如表1中所示，在表1中虽未记载，对该焊锡进行拉伸强度试验的结果为8.3kgf/mm2，与比较例2的相同的试验结果6.5kgf/mm2相比，在拉伸强度方面显著地提高了。此外，在锡焊时的凝固过程中，使焊锡急冷凝固则能抑制金属间化合物(Ag3Sn)的成长，使其成为细化分散状态，从而可望提高其机械强度，提高耐热疲劳特性，对于上述α固溶体、β固溶体同样也能实现组织的细化。其急冷凝固手段则采用吹冷风的方法，以约10℃/秒的冷却速度对焊接部进行冷却。[实施例2]实施例2的焊锡合金为Sn89.5％(重量)，Ag3％(重量)，Bi5％(重量)，Cu1.5％(重量)，In1％(重量)的五成分焊锡合金。各试验结果示于表1中，表1清楚表明，与实施例1相比，它可实现融点下降，接合强度提高。对实施例2的焊锡合金，在焊接时也对焊锡进行急冷凝固，结果，和实施例1同样地能提高机械强度，提高耐热疲劳特性。作为急冷凝固的手段，如实施例1中所述的那样，最好是吹冷风方法，其冷却速度5-15℃/秒，尤其以10℃/秒左右为最佳。通过急冷凝固，使Ag3Sn，Cu3Sn及Cu6Sn5等生成的金属氧化物被细化分散，能提高机械强度与耐热疲劳特性。[实用性]从以上所述可知，本发明的电子零件接合用电极的焊锡合金是以Sn为主成分、添加少量Ag的焊锡，借助于这种构成，可使合金组织细化，组织变化小，能得到耐热疲劳特性优越的合金，进而通过加入少量Bi，可改善其润湿性，此外，又通过加入少量Cu，可生成金属间化合物，改善接合强度，添加少量In，则能改善合金的拉伸特性，改善耐热疲劳特性。此外，由于在锡焊的冷却过程中，通过使之急冷凝固，可使焊锡合金组织细化，并使之分散，因而可以得到有优异机械强度与耐热疲劳特性的焊锡合金，由于能提供不含铅的电子零件的接合用电极，通过利用如表2中所示的不含铅接合用金属焊锡合金进行接合，就能对接合部全体实行不含铅的锡焊。权利要求1.一种电子零件接合用电极的焊锡合金，其特征在于主要构成成分由Sn、Ag与Cu构成，上述各成分的重量比为Sn92-97％，Ag3.0-6.0％，Cu0.1-2.0％。2.一种电子零件接合用电极的焊锡合金，其特征在于主要构成成分由Sn、Ag、Bi、Cu及In构成，上述各成分的重量比为Sn81-91％，Ag3.0-6.0％，Bi5-10％，Cu01.-2.0％，In0.1-1.0％。3.一种电子零件接合用电极的锡焊方法，它是用权利要求1或2中所述的焊锡合金构成的电子零件接合用电极的锡焊方法，其特征在于在锡焊时的凝固过程中，经过最高温度后以5℃/秒-15℃/秒的温度梯度急冷至预热温度，并使之凝固。全文摘要提供一种不含铅,组织微细,有优良耐热疲劳特性的电子零件接合用电极的焊锡合金,是Sn、Ag及Cu为主要成分的电子零件接合用电极的焊锡合金,其特征是各成分的重量比为Sn92—97%,Ag3.0—6.0%,Cu0.1—2.0%。在以Sn为主要成分的焊锡中,通过添加少量Ag而能保持细化的合金组织,使组织变化小,从而可得到耐热疲劳性优良的合金、再通过加入少量的Cu,能生成金属间化合物,改善接合强度。文档编号H05K3/34GK1195311SQ97190667公开日1998年10月7日申请日期1997年6月6日优先权日1996年6月6日发明者酒井良典,末次宪一郎,山口敦史申请人:松下电器产业株式会社