专利名称：电子元件、制造电子元件的方法和电路板的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高密度安装的电子元件的外电极的结构，具体地说，本发明涉及一种生成的镀锡层为其外电极最外层的电子元件。
电子元件，通常通过焊接生成于片状基件外部的外电极来将电子元件，如芯片型单体电容器，安装在印刷线路板等的上面。此时，为了相对便宜地改善焊接性能，通常将生成的镀锡层作为外电极的最外层。这是因为与镍层和铜层相比，镀锡层易于焊接，并且当用回流焊接、浇焊或类似方法来安装电子元件时，镀锡层也不容易产生缺陷。
但是，镀锡层的一个缺点是，例如，如果直接在置于陶瓷基件表面上的厚膜电极上成形，部分镀锡层可能不粘结于厚膜电极上，或是在焊接过程中，厚膜电极可能被熔化并且被焊料吸收。为了克服这一缺点，通常在镀锡层的下面生成镍底膜或镍合金底膜。
近来得知，将生成镀锡层作为外电极最外层的电子元件放在温度周期性变化的环境中时，被称之为晶须的须状突起物产生在镀锡层上。与已知的铜基底层金属上所生成镀锡层产生的线型单晶晶须相比，这样产生的晶须是多晶结构，有大约至多100μm的长度并且是弯曲的。下文中，为与单晶晶须区别，在温度周期性变化的环境中产生的晶须被称之为“温度周期晶须”。
如果这种温度周期晶须产生于安装在电路板上的电子元件的外电极上，在相邻元件之间或分立部件和线路图之间可能发生短路。尤其是电子元件的安装密度迅速增大，并且有时两个相邻电子元件之间的距离短至200μm左右。不久的将来电子元件的安装密度进一步增大时，相邻电子元件之间的距离以及分立元件和线路图之间的距离则会进一步减小，尽管温度周期晶须有100μm左右的长度，因温度周期晶须产生短路的可能性也将会因此增加。
绝不能忽略在如此高安装密度电路板上的电流短路。
作为抑制温度周期晶须的方法，可使用锡合金镀层。出于满足润湿性并且便于电镀的观点，经常使用锡铅合金。但是由于对环境的副作用，铅的使用不合要求。另一方面，锡与非铅金属的合金化仍在研究阶段，还不能期望其稳定的产品。
作为另一种抑制温度周期晶须的方法，正在研究使用非锡金属或非锡合金。例如，正在研究用镀金层或镀铅层作为外电极最外层的方法。但是，由于这些材料是贵金属，将会大副度增加成本。
因此，本发明的目的是提供一种具有即使是在高温和低温交替的环境中也不会产生温度周期晶须的外电极的电子元件。
作为详细研究的结果，本发明人发现在高温状态和低温状态交替重复的环境中，在镀锡层上温度周期晶须的产生，是因为镀锡层中锡原子利用温度变化产生的应力为驱动力而聚集在特定点上。也就是说，镀锡层有多晶结构，认为锡原子沿晶粒间界迁移至镀锡层的表面。本发明人发现通过使一种非锡金属扩散进入锡晶粒间界，可抑制锡原子迁移，从而抑制产生晶须。
本发明的一方面中，电子元件包括生成在基件上的外电极，每一个外电极包括多层，该多层的最外层是镀锡层，其中镀锡层有多晶结构，一种非锡金属原子扩散进入锡晶粒间界内。
在具有此结构的镀锡层内，由于阻止了锡原子沿锡晶粒间界的迁移，即使在温度重复变化的环境中，甚至如果由于温度变化在镀锡层内产生了应力，也不产生晶须。
非锡金属原子优选镍原子。优选在镀锡层下生成镍层或镍合金层。生成的镍层或镍合金层成为外电极的外层，并且在镍层或镍合金层上进一步生成一镀锡层，然后外电极在预定的条件下热处理。从而使镍层中或镍合金层中的部分镍原子能易于扩散进入锡晶粒间界。
另一方面，本发明的电子元件包括基件上生成的外电极，每一个外电极有多层，该多层包括基件上生成的一种厚膜电极，生成于厚膜电极上的镍层或镍合金层，以及生成于镍层或镍合金层上的镀锡层，其中镀锡层有多晶结构并且镍原子扩散进入锡晶粒间界内。
再者，本发明制造电子元件的方法包括以下步骤在基件上生成厚膜电极；在厚膜电极上生成镍层或镍合金层；在镍层或镍合金层上生成镀锡层，以制造由层状结构的金属膜组成的外电极；并且在预定条件下对外电极进行热处理。从而使镍层或镍合金层中的部分镍原子易于扩散进入锡晶粒间界。
根据本发明制造的电子元件，抑制了在温度周期性变化的环境中产生长度约为100μm的温度周期晶须。结果，当在电路板安装多个这种电子元件时，即使如果相邻电子元件之间的距离降至200μm或更小，因温度周期晶须造成短路的可能性会降低，从而能高密度安装。
图1是本发明一个实施方案中电子元件的截面图；图2是本发明镀锡层的截面图；图3是常规镀锡层的截面图。
现参看图1叙述本发明一个实施方案的电子元件。
图1是芯片型单体陶瓷电容1的截面图，它包括陶瓷基件2和置于陶瓷基件2两侧的U型外电极3。每一个外电极3包括与陶瓷基件2接触的厚膜电极4、生成于厚膜电极4上的镀镍层5和生成于镀镍层5上的镀锡层6制成，即最外层。厚膜电极4由焙烧银糊制成，镀镍层5由电镀镍生成，镀锡层6由电解锡生成。另外，可用铜糊剂或膏代替银糊剂生成厚膜电极4，并且可生成镀镍合金层来代替镀镍层5。
接着，下面将详述上述电子元件的镀镍层5以及镀锡层6的生成方法。首先，将具有厚膜电极4的陶瓷基件1浸入通常称为Watts槽的镀镍槽中，在电流密度为0.1～10A/dm2范围内进行电镀，由此生成厚度约为1～10μm的镀镍层5。然后将陶瓷基件2浸入硫酸锡为金属盐、柠檬酸为络合剂的弱酸镀锡槽中，并且加入至少一种季铵盐和含有烷基甜菜碱作光亮剂的表面活性剂。在电流密度范围为0.1～5A/dm2下进行电镀，由此生成厚度约为2～10μm的镀锡层6。另外，只要金属盐提供二价锡离子，也可使用除硫酸锡以外的其它金属盐。而且，也可将导电剂和抗氧化剂适量加入镀镍槽和镀锡槽。其它电镀条件可适当改变并不背离本发明目的范围。
由此形成而其内包括厚膜电极4、镍层5和锡层6的层化金属膜的陶瓷基件2在85℃热处理1小时，以使镍层5中的部分镍原子扩散进入镀锡层6中的锡晶粒间界。可用其它的扩散温度。镍原子扩散量按重量计在0.001％～1.0％范围内。如果金属原子的扩散量按重量计约小于0.001％左右，不容易得到抑制晶须的效果，如果扩散量按重量计超过1.0％左右，镀锡层的润湿性降低，从而降低了外电极的性能。只要镍原子的扩散量在上述范围内，可以适当改变热处理条件。
用扫描电子显微镜(SEM)观察经过上述热处理配备镀锡层6的电子元件的横截面(实施例1)和热处理前配备镀锡层6的电子元件(对比实施例)的截面。图2表示实施例中镀锡层6的截面图，图3表示了对比实施例中镀锡层6的截面图。如图所示，镀锡层6有多晶结构。实施例中，镍原子8扩散进入锡晶粒7的晶界的状态得到确认，而在对比实施例中，镍原子的扩散没有得到证实。
其次，将经上述热处理配备镀锡层6的电子元件(实施例)和热处理前配备镀锡层6的电子元件(对比实施例)放在高温状态和低温状态交替重复的环境，确认晶须的产生。具体将电子元件置于下面条件温度在40～85℃之间变化，放置时间(包括温度增加/降低的时间)为30分钟，温度增加/降低时间为3～5分钟，温度周期重复1000次，然后用扫描电子显微镜(SEM)观察镀锡层6上的晶须密度。其结果示于表1。
表1
上述结果明显看出，对于镍原子通过热处理扩散进入镀锡层的锡晶粒间界的实施例的电子元件，证实了即使在高温状态和低温状态交替重复的环境中也抑制了晶须在镀锡层上产生。相反，对于对比实施例的电子元件，它未经热处理，镍原子未扩散进入镀锡层锡晶粒间界，在高温状态和低温状态交替重复的环境中产生了晶须。
本发明的基本特征在于通过抑制锡原子沿锡晶粒间界迁移到镀锡层的表面而避免了温度周期晶须。在上述实施方案中，尽管镀锡层下面形成镀镍层并且镍原子是经热处理扩散进入锡晶粒间界，只要镍原子可经扩散进入锡晶粒间界，本发明绝非仅限于此。扩散进入锡晶粒间界的原子并不限定为镍原子，只要能抑制锡原子的迁移，例如，甚至不是镍的过渡金属，比如钴扩散进入锡晶粒间界，一旦锡原子的迁移被有效抑制，就应认为已得到抑制温度周期晶须的效果。
尽管作为电子元件叙述了芯片型单体陶瓷电容，本发明并不受此限制，本发明也可用于其它芯片型电子元件，例如芯片型陶瓷线圈和芯片型陶瓷加热元件。
权利要求
1.一种电子元件包括一种基件；和一种在基件上并包括多层的外电极，其中相对于基件的外电极的最外层含有锡，锡是由有晶界的锡晶粒组成的多晶结构，并且在锡晶粒间界有非锡金属原子。
2.根据权利要求1的一种电子元件，其中非锡金属包括镍。
3.根据权利要求2的一种电子元件，其中外电极有一种包括镍或镍合金的层与锡层相邻。
4.根据权利要求3的一种电子元件，其中外电极包括在基件上的厚膜电极，厚膜电极上的含镍层和含镍层上的镀锡层。
5.根据权利要求4的一种电子元件，其中锡层的厚度约为2～10μm左右并且非锡金属占锡层重量的百分比约为0.001～1。
6.根据权利要求1的一种电子元件，其中外电极包括与锡层相邻的一种镍或镍合金层。
7.根据权利要求6的一种电子元件，其中外电极包括基件上的厚膜电极，厚膜电极上的含镍层和含镍层上的镀锡层。
8.根据权利要求7的一种电子元件，其中锡层有约2～10μm的厚度并且非锡金属占锡层重量百分比约为0.001～1。
9.根据权利要求1的一种电子元件，其中外电极包括基件上的厚膜电极，在厚膜电极上的含镍层和含镍层上的镀锡层。
10.根据权利要求1的一种电子元件，其中锡层有约2～10μm的厚度并且非锡金属占锡层重量的百分比约为0.001～1。
11.有至少两个如权利要求9电子元件安装在其上的电路板，以使两个电子元件之间的距离约为200μm或更小。
12.有至少两个如权利要求6的电子元件安装在其上的电路板，以使两个电子元件之间的距离约为200μm或更小。
13.有至少两个如权利要求4的电子元件安装在其上的电路板，以使两个电子元件之间的距离约为200μm或更小。
14.有至少两个如权利要求3的电子元件安装在其上的电路板，以使两个电子元件之间的距离约为200μm或更小。
15.有至少两个如权利要求2的电子元件安装在其上的电路板，以使两个电子元件之间的距离约为200μm或更小。
16.有至少两个如权利要求1的电子元件安装在其上的电路板，以使两个电子元件之间的距离约为200μm或更小。
17.一种电子元件的制造方法，所述电子元件是在基件上形成至少一个外电极，外电极包括多层，其中相对于基件的最外层是由有晶界的晶粒组成多晶结构的镀锡层，其改进之处包括扩散热处理存在非锡金属的锡层，以使非锡金属扩散进入锡晶粒间界。
18.根据权利要求17的方法，其中非锡金属包括镍。
19.根据权利要求18的方法，其中外电极有一种镍层或镍合金层与镀锡层相邻。
20.根据权利要求19的方法，其中外电极包括置于基件上的厚膜电极。
全文摘要
一种电子元件,包括生成于基件上的外电极,每一个外电极包括最外层是镀锡层的多层。镀锡层有多晶结构,非锡金属的原子由扩散进入锡晶粒间界。或者,每一个外电极包括由生成于基件上的厚膜电极,生成于厚膜电极上的镍层或镍合金层以及生成于镍层或镍合金层上的镀锡层组成的多元层。镀锡层有多晶结构并且镍原子由扩散进入锡晶粒间界。也公开了制造电子元件的方法和具有多个电子元件的电路板。
文档编号C25D5/48GK1335418SQ0112160
公开日2002年2月13日 申请日期2001年5月24日 优先权日2000年5月24日
发明者樋口庄一 申请人:株式会社村田制作所