专利名称：使用焊接用无铅结合材料生产的电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用焊接用无铅结合材料生产的电子设备。
背景技术：
近年中，电子设备的尺寸变得越来越小，因此对于在其上安装有半导体器件和电 子器件的电子设备需要更高密度的电路板。为了满足这样的需求，已经通过例如减小焊接 到其上的电线的间距来改良电路板。同时，从环境问题的观点来看，需要有符合例如RoHS 指令的无铅焊料，并且Sn-Ag-Cu-基的共晶合金已经被实际用作回流焊接的焊料。另一方 面，作为高温焊料，Au-20Sn(熔点280°C )是已知的，并且几乎未被使用，因为其成本和机 械性能都不如Pb-Sn-基焊料。因此，仍然没有开发出其它可以被实际用作高温焊料的合金 体系。在目前情况下，高温Pb焊料未被包括在EU RoHS指令范围内，该EU RoHS限制了在 电子设备等中使用有害物质例如Pb。此外，近年来，电源IC(p0Wer IC)已经得到迅速的发展并已经开始实际应用，并且 电源IC的功率容量已经得到稳定地增加，且因此已发展了多种技术以满足对于可以承受 高电压和大电流的电源IC的需求。由新技术所发展的电源IC被应用在高得多的电压和电 流以及与传统电源IC相当的电力条件下，且因此经常被瞬间地暴露于超过它们额定电流 的电流和超过它们额定电压的电压。这导致了生热问题，所述生热问题在输出功率增加时 变得愈加突出。另一方面，为了甚至在高功率输出的条件下确保连接的可靠性，需要熔点比 传统无铅焊料的熔点(例如，Sn-3Ag-0.5CU，其熔点为约219°C)更高的无铅焊料。然而， 适于实际应用的高温无铅焊料还没有被开发出来。此外，高温无铅焊料存在的问题在于由 于高的焊接温度使器件劣化并由此缩短了它们的寿命。有效用于生产更高密度的电子设备的各种焊接技术已被开发。例如，专利文件1 和2公开了通过减小电线间距和堆叠多个电路板来达到电子部件的更高密度封装的技术。[专利文件1]日本专利申请公开2005-251889[专利文件2]日本专利申请公开2001-26771
发明内容
如上所述，这些传统的技术都趋向于通过减小电线间距和堆叠多个电路板来获得 电子部件的更高密度封装。然而，实施这样的通过减小电线间距和堆叠多个电路板来获得 电子部件的更高密度封装的技术，特别是用于在彼此非常接近的部分上连续地进行焊接的 技术所需的焊接手段还未被公开。为了使用细间距配线技术生产如上所述这样的多层电路 板，开发一种能够进行连续焊接而不对先前的接缝施加任何温度影响的焊接手段是非常重 要的。为了解决上述问题，本发明的一个目标是提供这样一种电子设备即使在两个以 上的生产工艺中连续地进行焊接时，也可以防止所述电子设备的焊接接缝受温度影响而劣 化并保持良好的接合强度。
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对本发明的目标将基于Sn-Cu-基焊料合金进行更详细的描述，该Sn-Cu-基焊料 合金作为根据本发明的高温无铅焊料合金的一个实例。使Sn-Cu-基合金淬火，以制备主要 由将Cu强行溶解在Sn中而形成的Sn固溶相组成的合金。使Sn固溶相在约230°C熔化，并 随后通过凝固焊接后的合金将其分离成两个稳定的相，Sn-Cu和Sn相。Sn-Cu相具有高熔 点，并因此在回流焊接中起到保持先前焊接接缝的强度的作用。因此本发明的一个目标是 提供一种使用高温无铅焊料生产的电子设备，所述高温无铅焊料使得能够形成强度没有变 化的焊接接缝并且在强度和可焊性之间具有极好的平衡。为了达到上述目标，本发明涉及使用焊接用无铅结合材料生产的电子设备，其中 无铅结合材料是由元素A和元素B制成的合金，并且具有由稳定相AmBn和在室温处于平衡 态的元素B构成的组成，并且其中当通过淬火凝固合金时，元素A被溶解在元素B的室温稳 定相中，从而形成了过饱和固溶体，并且在使其熔化进行焊接并随后凝固时，所述合金恢复 到它的平衡态且具有由稳定相AmBn和元素B构成的组成，因此即使当再加热至焊接温度时 也由于稳定相AmBn的存在而保持强度。应注意的是m和η是合金体系固有的数值。应注意在本发明中，措辞“m和η是合金体系固有的数值”是指m和η是在合金体 系相图中从熔点或接近熔点的温度至室温的温度范围内保持恒定的表示元素A和元素B之 间比率的数值。例如，在01拍5金属间化合物为Sn-Cu-基焊料合金的室温稳定相的情况下， 元素A是Cu，元素B是Sn，m是6，以及η是5。作为“合金体系固有的数值”的m和η的值 自身组合可以由合金体系的相图确定。在本发明中，优选元素A选自Cu、Mn和Ni中的至少一种，而元素B选自Sn、In和 Bi中的至少一种。在本发明中，还优选稳定相AmBn的熔点比元素B的熔点高150°C以上。此外，根据本发明的电子设备可以包括焊接有多个器件的电路板或通过将三个以 上电路板焊接在一起而形成的多层电路板。本发明还涉及生产电子设备的方法，所述方法包括使用无铅结合材料连续焊接电 子设备部件的步骤，其中无铅结合材料是由元素A和元素B制成的合金并且具有由稳定相 AmBn和在室温处于平衡状态的元素B构成的组成，并且其中当通过淬火使合金凝固时，元 素A被溶解在元素B的室温稳定相中，从而形成过饱和的固溶体，并且当被熔化进行焊接且 随后被凝固时，合金恢复至它的平衡状态并且具有由稳定相AmBn和元素B构成的组成，因 而即使当再加热至焊接温度时也由于稳定相AmBn的存在而保持强度。如上所述，使用根据本发明的合金使连续地进行焊接而不对先前的焊接接缝施加 任何温度影响成为可能。这使得能够连续地进行焊接以将多个器件焊接至基板上或能够连 续地进行焊接以在甚至第二个、第三个、和更高次序的层彼此非常接近时也形成具有三个 以上层的多层电路板。特别地，本发明适合应用于需要对彼此接近的部分进行连续焊接的电子设备，并 因此在工业领域中非常有用。附图简述
图1是显示根据本发明的通过淬火所制备的Sn-Cu合金在Sn-Cu合金被加热时的 行为的图示。图2是使用根据本发明的Sn-Cu合金在其上焊接有多个器件的电路板的示意图。
图3是通过使用根据本发明的Sn-Cu合金将三个以上的电路板焊接在一起而形成 的多层电路板的示意图。本发明最佳实施方式下面，将基于优选实施方案对本发明进行详细描述。不特别限制根据本发明的元素A或B，但是元素A的优选实例包括Cu、Mn和Ni，而 元素B的优选实例包括Sn、In和Bi。因此，元素A和元素B优选形成合金，例如Cu-Sn-基 合金、Mn-Sn-基合金、Ni-In-基合金、Mn-In-基合金或Ni-Bi-基合金。在此，将对使用Sn-Cu-基焊料合金所形成的电路作为根据本发明的一个优选实 施方案进行详述。本发明人首先将注意力集中在这样一个事实上通过淬火工艺可以制备无法在 Sn-Cu-基焊料合金的相图中找到的Sn固溶体。本发明人出乎意料地发现当通过淬火工艺 例如雾化法或熔纺法制备合金时，本应形成Cu6Sn5金属间化合物的Cu被强行溶在Sn中，且 作为结果，形成了与Sn相类似的相，即Sn固溶相，并因此在淬火的合金中作为高熔点相包 含的Cu6Sn5金属间化合物的量显著地小于基于合金中所包含的Sn和Cu间的比率所计算的 Cu6Sn5金属间化合物的理论量。另一方面，还发现了有助于焊接的Sn相的量显著地大于Sn 相的理论量，这是因为Sn相是作为Sn固溶相存在的。基于所述发现，本发明人已经进一步发现通过淬火工艺制备的上述合金主要由Sn 固溶相组成，并且通过熔化用作焊料材料的主要由Sn固溶相组成的合金并随后正常地冷 却熔化的合金，可以形成不同于通过淬火工艺所形成合金的固态合金。因此，使用这样的主要由Sn固溶相组成的合金作为焊接材料，使得在相对低的温 度(约230°C)进行焊接成为可能，并且由于01#115相的存在，再凝固的焊料即使在高温 (大约400°C以上)也保持良好的固态。如上所述，当使用如上所述这样的合金材料进行焊接时，因为Sn固溶相的大量存 在，合金材料在约230°C熔化。这使得在使用常规Pb焊料进行焊接的情况下能够实现良好 焊接。此外，在焊接后对熔化的合金材料不进行淬火而进行正常的冷却，因此以基于合金中 所包含的Sn和Cu之间的比率所计算的理论量形成高熔点相(Cu6Sn5金属间化合物)。上述01#115金属间化合物的熔点为415°C，因此在250°C以下的回流焊接温度不熔 化，并且先前的焊接接缝在回流焊接中保持足够的强度。此外，此化合物相具有非常良好的 均勻结构，因为它是通过使通过淬火形成的具有基本均勻结构的合金材料完全熔化之后根 据相图将熔化的合金材料凝固而形成的。Sn-Cu-基合金与具有通过液相扩散和固相扩散而 形成的结构的常规焊料合金不同，并且因此所述化合物以高速制备。此外，Sn-Cu-基合金 有利之处在于因为没有残留的铜，所以其可以形成没有强度变化的焊接接缝。此外，在Sn-Cu-基合金的情况下，合金的最适宜Cu含量为14至45%。这是因为 在有助于焊接的Sn固溶体的量和有助于保持焊接接缝强度的Cu6Sn5金属间化合物的量之 间可以达到最佳平衡。本发明人已经对Sn-Cu-基合金的Cu含量进行了深入的研究。结果， 发现合金中Cu含量的上限优选为45原子％，因为如果合金中Cu含量超过45原子％，所制 备的Cu6Sn5金属间化合物的量显著地增加，因而即使在采用淬火工艺时，有助于焊接的Sn 固溶体的量也被减少，并因此变得难以达到良好的焊接。另一方面，如果合金中Cu含量少 于14原子％，则变得难以产生足够量的有助于保持焊接接缝强度的Cu6Sn5金属间化合物。
5因此，合金的Cu含量优选在14至45原子％的范围内，更优选在25至45原子％的范围内。此特性也同样适用于其中元素A被改变为Mn而元素B保持为Sn的情况。在 Sn-Mn-基焊料合金的情况下，制备作为高熔点金属间化合物的MnSrv在此情况下，将合金 的Mn含量设定为在15至35原子％范围内的值，并且通过淬火工艺将Mn溶解在Sn中以形 成过饱和固溶体。这使得能够获得良好的可焊性和获得沉淀的Sn相与有助于保持焊接接 缝强度的沉淀的MnSn2相之间的良好平衡，从而即使当焊接接缝被再加热至与焊接温度相 似的温度时也使焊接接缝保持接合强度。如上所述，甚至当元素B为，例如，其熔点高于Sn的熔点(232°C )的Bi或其熔点 低于Sn的熔点的In时，也可以根据与上述描述相似的发现，通过取决于元素B的种类来改 变元素A而获得这样的结合材料该结合材料在高于一般焊接温度的温度进行铜焊后或在 低于一般焊接温度的温度进行结合后，即使被再加热至与焊接温度相似的温度时也要求保 持它的接合强度。例如，在元素B是熔点为271°C的Bi的情况下，Ni可以被用作元素A，并且在元素 B是熔点为156°C的In的情况下，Ni或Mn可以被用作元素A。应注意的是结合能力依赖于 结合材料的熔点，因此鉴于这种情况，元素B的熔点优选为810°C以下。此外，在In-Ni-基合金的情况下，为了利用In27Niltl金属间化合物，合金的Ni含量 适宜地为5至29原子％。在In-Mn-基合金的情况下，为了利用InMn3金属间化合物，合金 的Mn含量适宜地为8至50原子％。在Bi-Ni-基合金的情况下，为了利用Bi3Ni金属间化 合物，合金的Ni含量适宜地为5至25原子％。将基于作为根据本发明的一个实施方案的Sn-Cu-基焊料合金对本发明进行更详 细的描述。Sn-Cu-基焊料合金是通过淬火法如雾化法、熔纺法、或水纺丝法而制备的 Sn-(14-45%) Cu合金。当具有本文中所规定的组成范围的Sn-(14-45% ) Cu合金不是通过 淬火制备时，Sn相和Cu6Sn5金属间化合物以由合金相图所确定的比率存在。另一方面，当 通过淬火制备合金时，大量的Cu被强行溶解在Sn相中以形成Sn固溶体。所述Sn固溶体 在基本与普通Sn相熔化的温度相同的约230°C熔化，因此有助于良好的焊接。此外，高熔点层和低熔点层之间的熔点差应该为150°C以上，所述高熔点层和低熔 点层是通过一次熔化Sn-Cu-基焊料合金并随后使熔化的Sn-Cu-基焊料合金凝固而形成 的。其原因如下。当使用结合材料和烙铁等进行焊接时，烙铁尖端的温度要比结合材料的 熔点高约100°C。因此，如果高熔点相和低熔点相之间熔点的差小于150°C，则当待焊接的 部分与先前的焊接接缝接近时，先前的焊接接缝受加热过程中的热传导影响，并且在最坏 的情况下，发生先前的焊接接缝断开的情况。图1是显示根据本发明的由淬火产生的Sn-Cu合金在Sn-Cu合金被加热时的行为 的图示。图1 (a)显示了通过淬火凝固的Sn-Cu合金的状态，图1 (b)显示了熔化的Sn-Cu 合金的状态(在230°C以上)，而图1(c)显示了再凝固的Sn-Cu合金的状态。如图1(a)中 所示，在其中Sn-25Cu合金被淬火的情况下，Cu被溶解在Sn中以形成过饱和固溶体，因此 增加了可以被用做焊料的可熔化部分(Sn)。随后，当使Sn-Cu合金熔化以用作焊料时，如图 1 (b)所示，Sn (Cu-过饱和的)相被熔化并转变为Sn和Cu6Srv随后，当熔化的Sn-Cu合金
6被再凝固时，如图1(c)中所示，高熔点相增加，但是可熔化部分(Sn)减少并且使Sn-Cu合 金成为稳定平衡态(Cu6Sn5 62%, Cu3Sn 15% ) 图2是显示使用根据本发明的Sn-Cu合金在其上焊接有多个器件焊接的电路板的 图。如图2中所示，当待通过焊料合金焊接于基板1上的器件4与其它先前焊接至基板1上 的器件太接近时，存在这样问题当加热从器件4延伸出的导线如电线6和基板1以将器件 4焊接于基板1上时，将其它器件固定在基板1上的焊料被传导的热熔化，以至于其它先前 焊接于基板1上的器件变得不稳固并且，在最坏的情况下，其它器件从基板1上断开。然而， 使用根据本发明的通过淬火凝固而制备的Sn-Cu焊料合金，使得能够稳定连续地进行焊接 而不改变所使用焊料合金的组成。这是因为在Sn-Cu焊料合金被熔化用于焊接并随后被凝 固后，Sn-Cu焊料合金中存在高熔点的稳定相，因而甚至当加热先前焊接至基板上的器件、 所述基板和固定已焊接的器件的Sn-Cu焊料合金以将另外的器件焊接至该基板上时，固定 已焊接的器件的高熔点稳定相也不重新熔化。图3(a)是通过使用常规的焊料材料将三个以上的电路板焊接在一起而形成的多 层电路板的示意图。图3(b)是使用根据本发明的通过淬火制备的Sn-Cu合金将三个以上 电路板焊接在一起而形成的多层电路板的示意图。如图3(a)中所示，在多层电路板具有例 如三层电路板的情况下，为了防止电路板3上的焊料合金在当在作为第二层的电路板2上 和作为第一层的电路板1上进行焊接时被熔化，需要使用熔点为230°C +α +α的焊料合金 5在作第三层的电路板3上进行焊接。此外，当将电路板2焊接到电路板3上时，需要使用 熔点为230°C+a的焊料。因此，只有当将电路板1焊接到电路板2上时才可以使用通常的 焊料合金。如上所述，在多层电路板的情况下，有必要改变每层所用焊料的熔化温度，并且 所用焊料的熔化温度随多层电路板的层数增加而升高，这导致了层间的未对准，层厚度的 不均勻，以及被固定在最下层电路板上的器件4热劣化。另一方面，如图3 (b)中所示，使用根据本发明的通过淬火所制备的Sn-Cu合金使 连续地进行稳定的焊接而不改变所用焊料合金的组成变为可能。原因如下。具有高熔点的 稳定相出现在根据本发明的凝固的Sn-Cu合金中，并因此而使焊接接缝的强度得以保持。 更具体地，当将第二层焊接到第三层时，加热电路板2和3以及焊料合金5达到的温度与将 第一层焊接到第二层情况下的温度相同。甚至当将电路板3加热至焊接温度以进一步堆叠 电路板时，焊料合金5也不被熔化。因此，与图3(a)中所示的情况不同，不必要在230°C的 基础上每堆叠一层而增加温差α。
实施例以下，将针对下列实施例对本发明进行更具体的描述。表1显示了对用于将三个电路板焊接到一起以形成图3中所示多层电路板的焊料 的可焊性评价的结果，和对器件的热影响(热劣化)评价的结果。所述可焊性和热劣化是 以下列方式评价的。在其中使用Sn-基焊料的情况下，作为第二层的电路板2需要通过在例如在 2600C (230°C +作为堆叠三个层所需要的温差30°C )加热而焊接到作为第三层的电路板3 上，作为第一层的电路板1需要通过在245°C (230°C +作为温差的15°C )加热而焊接到电 路板2上，并且最后，在230°C焊接电路板1上的器件。然而，在此评价中，所有的电路板和器件都是通过在260°C加热而未使用温差的情况下进行焊接的，并且热劣化是通过对受加 热影响最大的作为第二层和第三层的电路板2和电路板3之间的不对准程度和层厚度的不 均勻程度进行评价的。在具有低熔点的In的情况下，焊接是通过在200°C加热进行的。在具有高熔点的 Bi合金的情况下，焊接是通过在300°C加热进行的。根据下列三个标准评价可焊性。◎达到无空隙的良好焊接。Δ 可以进行焊接但形成空隙。X 不能进行焊接。焊接完成后，观察电路板上的器件以确定存在或不存在变化，并根据些列四个标 准评价热劣化。◎未观察到变化。Δ 出现轻微的不对准。X 出现不对准并观察到层厚度的不均勻性。-因为焊料在加热温度没有熔化并因此无法进行焊接而无法进行评价。[表 1] 如表1中所示，编号1至13是实施例，而编号14至26是比较例。在比较例14至23的情况下，元素组成不在本发明所规定的范围内。在比较例14， 16，18，20和22的情况下，通过淬火凝固元素A可以被溶解在元素B中以形成过饱和的固溶 体，但是固溶体本身的量很小并因此通过熔化和凝固合金体系所形成的稳定高熔点相的量 小，这使得当焊接接缝被再加热至焊接温度时无法保持焊接接缝的强度。在比较例15，17， 19，21和23的情况下，元素A的量太大，因此即使当通过淬火凝固工艺将元素A溶解在元素 B中以形成过饱和固溶体时，剩余元素A的量也大于溶在元素B中的元素A的量，这使得因 为合金体系的熔点本身高于焊接温度而无法达到良好的焊接。如上所述，在所有比较例的情况下，先前的焊接接缝受到当进行焊接以形成多层 电路板时加热的影响或焊接本身无法进行。另一方面，实施例1至13的所有合金体系满足 本发明的要求，因此能够连续地进行稳定的焊接以形成多层电路板而对先前的焊接接缝没 有任何不利影响。
权利要求
一种使用焊接用的无铅结合材料生产的电子设备，所述无铅结合材料包括含有元素A和元素B的合金，所述合金具有由稳定相AmBn和在室温处于平衡态的元素B构成的组成，其中，当所述合金通过淬火凝固时，所述元素A被溶解在所述元素B的室温稳定相中，从而形成过饱和固溶体，并且当所述合金被熔化进行焊接并随后被凝固时，所述合金恢复到它的平衡态，所述平衡态包含所述稳定相AmBn和所述元素B，因而即使被再加热至焊接温度时也由于所述稳定相AmBn的存在而保持强度。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述元素A是选自Cu、Mn和Ni中的至少一 种，而所述元素B是选自Sn、In和Bi中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述稳定相AmBn具有比元素B的熔点高 150°C以上的熔点。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的电子设备，所述电子设备包括其上焊接有 多个器件的电路板或通过将三个以上电路板焊接在一起而形成的多层电路板。
5.用于生产根据权利要求1所述电子设备的方法，所述方法包括如下步骤提供一种用于焊接的无铅结合材料，所述无铅结合材料包括含有元素A和元素B的合 金，所述合金具有由稳定相AmBn和在室温处于平衡态的元素B构成的组成，其中，当所述合 金通过淬火凝固时，所述元素A被溶在所述元素B的室温稳定相中，从而形成过饱和固溶 体，并且当所述合金被熔化进行焊接并随后被凝固时，所述合金恢复到它的平衡态，所述平 衡态包含所述稳定相AmBn和所述元素B，因而即使被再次加热至焊接温度时也由于所述稳 定相AmBn的存在而保持强度；和用所述无铅结合材料连续地焊接电子设备的部件，从而生产所述的电子设备。
全文摘要
本文中公开了一种通过使用高温无铅焊料合金生产的电子设备，所述高温无铅焊料合金使得能够形成没有强度变化的焊接接缝并且在强度和可焊性之间具有极好的平衡。所述无铅焊料合金是由元素A和元素B组成的合金，并且具有由稳定相AmBn和在室温处于平衡态的元素B构成的组成。当无铅焊料合金通过淬火凝固时，元素A被溶解在元素B的室温稳定相中，从而形成过饱和的固溶体，并且当合金被熔化进行焊接并随后被凝固时，合金恢复至它的平衡态并具有由稳定相AmBn和元素B构成的组成，因而即使被再加热至焊接温度时也由于稳定相AmBn的存在而保持强度。
文档编号H05K3/34GK101884254SQ200780101809
公开日2010年11月10日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月7日
发明者柳本胜, 池田裕树 申请人:山阳特殊制钢株式会社