CN1301049C - 锡焊方法及焊接结构体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锡焊焊接方法及通过该方法构成的焊接结构体。在基板上形成的电极与电子元件的电极的至少一方，设置有覆盖由含铜材料所构成的母材的屏障金属层，在这些电极之间供给含锡(Sn)及铋(Bi)的焊锡材料，在焊锡材料呈熔融状态下与屏障金属层接触，通过凝固实现电子元件与电极之间的焊接。这样，在使用Sn-Bi类材料或添加了铋(Bi)的Sn-Ag材料等将电子元件焊接到基板上时，能够防止焊锡焊接部发生的恶化，从而得到充分的耐热疲劳的强度。

Description

锡焊方法及焊接结构体

技术领域

本发明是关于把一些部件锡焊焊接在另外部件上的焊接方法，更详细一些讲，是关于在电子线路基板的制造工艺中，将基板上形成的焊接区与电子元件的电极(例如导线)进行焊接的方法。进而，本发明还涉及由这种焊接方法所得到的焊接结构体，更详细一些讲，是电子线路基板。

背景技术

历来，在用于电子机器等的电子线路基板的制造工艺中，为了使电子元件能够安装到基板上，更详细一些讲，为了使由电子元件引出的导线与基板上形成的焊接区进行电气及物理的接合，所使用的方法之一是众所周知的重熔焊接法。

在一般的重熔焊接法中，首先，在基板上形成的布线图形的一部分的焊接区上，由丝网印刷法供给膏状焊料(图中未表示)。膏状焊料通常是把焊锡材料的粉末和由松香、活性剂、以及溶剂所组成的助熔焊剂混合而成。其后，使由电子元件引出的导线与欲接合的焊接区上配置的膏状焊料相粘附，从而将电子元件配置到所规定的位置。对这样通过膏状焊料而配置了电子元件的基板，在所使用的膏状焊料的熔点以上的温度进行热处理，使助熔焊剂活性化，膏状焊料中构成焊料粉末的材料就会瞬时熔化，同时，膏状焊料中的助熔焊剂等其它成分就会挥发或蒸发。接下来，将其冷却(或空冷)，使熔融的焊锡材料凝固。凝固的焊锡材料形成电子元件的导线与基板的焊接区之间的接合部。在该接合部中，虽然存在有焊锡材料以外的助熔焊剂等其它成分，但由于这些其它成分在热处理时会与焊锡材料相分离，因此不会存在于结合部的内部，而最多也只是残留在结合部的表面。这样，由于由实质的焊锡材料构成了结合部(或焊锡焊接部)，就得到了在基板安装了电子元件的电子线路基板。

作为焊锡材料，一般使用Sn-Pb系材料，特别是具有共晶成分的材料(以下也称Sn-Pb共晶材料)。Sn-Pb系材料的共晶成分为Sn-37Pb(即37wt％的铅与63wt％的锡)，众所周知，具有共晶成分的Sn-Pb系材料的熔点为183℃。

近年来，设置有上述电子线路基板的电子机器的废弃处理的问题开始受到了重视，焊锡材料中所含有的铅对地球环境与人体都有不良的影响。因此，要使用不含铅的焊锡材料，即，开始使用无铅焊料，并使其实用化。

现在，提出了具有各种成分的材料作为无铅焊料，其中之一是Sn-Bi系材料。近年来的研究结果表明，Sn-Bi系材料的共晶成分约为Sn-58Bi，即58wt％的铋与42wt％的锡，具有共晶成分的Sn-Bi系材料的熔点为139℃。

如果考虑到基板应该安装的电子元件的耐热温度以及设置有电子线路基板的制品的耐热保证温度，希望无铅焊料的熔点应充分的低，以不损伤电子元件，而且，还应该高于制品的耐热保证温度。上述Sn-Bi系材料的熔点，比其它的，例如Sn-Ag系无铅焊料的熔点，进而比历来的Sn-Pb系材料的熔点都低，又比制品的耐热保证温度充分的高，所以具有在低温下能够焊接的优点，Sn-Bi系材料是取代Sn-Pb系材料的理想替代材料。

同时提出的作为无铅焊料的Sn-Ag系材料的共晶成分约为Sn-3.5Ag，即3.5wt％的银与96.5wt％的锡，已表明具有共晶成分的Sn-Ag系材料的熔点为221℃。从基板应该安装的电子元件的耐热温度以及已有的焊接方法的适用等观点来看，希望无铅焊料的熔点应充分的低，以不损伤电子元件，并接近历来的Sn-Pb材料的熔点，由于上述Sn-Ag系材料的熔点比历来的Sn-Pb材料的熔点高，因此如果单纯采用已有的焊锡焊接的方法，就很难使用Sn-Ag系材料。

但是，研究表明，如果在Sn-Ag系材料中添加铋而构成Sn-Ag-Bi系材料，就有可能使其熔点降低而接近历来的Sn-Pb材料的熔点。例如，Sn-3Ag-3Bi-3In成分(即3wt％的银、3wt％的铋、3wt％的铟、以及91wt％的锡)的Sn-Ag-Bi系材料的熔点为210℃。因此，Sn-Ag-Bi系材料也可以视为是取代Sn-Pb系材料的理想的替代材料。

然而，使用Sn-Bi系材料或Sn-Ag-Bi系材料来取代Sn-Pb系材料，虽然有能够避免电子元件的损伤的同时将电子元件焊接到基板上的优点，但将由此得到的电子线路基板在高温条件下连续试验的结果表明，基板的焊接区与电子元件的导线之间的接合部容易发生恶化，不能得到充分的耐热疲劳强度。

这被认为是由于Sn-Bi系材料或Sn-Ag-Bi系材料中所含有的锡与作为焊接区或导线的铜相接触时，在接合部与焊接区以及接合部与导线的接合面上形成了由Sn-Cu构成的金属间化合物，使接合界面上铋(bismuth)的浓度相对增高。

下面参照图5，对在上述历来的采用重熔焊接法中使用含有由Sn-Bi系材料以取代Sn-Pb系材料的膏状焊料，将电子元件焊接到基板的电子线路基板80加以说明。

在该电子线路基板80中，基板61上形成的焊接部63，与从电子元件67所引出的导线69，通过接合部65而实现电气及物理接合。焊接部63一般由铜构成，与布线图形形成一体。而且，导线69一般是在由铜构成的母材69a上覆盖由Sn-Pb共晶材料所构成的镀层69b所构成。结合部65是由膏状焊料经热处理而形成。由上述可知，焊料粉末实质上有历来的焊锡材料所构成。

在热处理时，由于焊锡材料与焊接部63直接接触，构成焊接部63的铜就会扩散到焊锡材料中，与锡结合，在接触面上生成由Sn-Cu构成的金属间化合物73。

而且，在热处理时，在焊料粉末的焊锡材料熔化的同时，由具有其熔点比一般热处理温度低的Sn-Pb共晶材料所构成镀层69b也会熔化，与熔融状态的焊锡材料相接触的镀层69b的部分，就会向焊锡材料中熔融扩散。因此，导线69的镀层69b就会发生部分剥离，使母材61a直接与熔融状态的焊锡材料相接触。因此，与上述同样，构成导线69的母材61a的铜，就会向焊锡材料中扩散，与锡结合，在接触面上生成由Sn-Cu构成的金属间化合物71。

这样，在接合界面上形成由Sn-Cu构成的金属间化合物71，使接合界面上存在的金属间化合物周围的局部区域中，铋的浓度相对上升。因此，就形成铋以高浓度存在的相75(以下简称铋浓化层)。特别是，将上述焊接有电子元件的基板的高温下长时间配置时，会有更多的铜向接合部(或焊锡材料)扩散，由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成也会加剧，与此相伴的是铋浓化层75的粗大化(或长大)，由于铋浓化层非常脆，所以被认为会引起接合部的显著恶化。

现在，虽然关于电子元件的导线的镀层材料也在向无铅化的方向发展，但是现在仍处于过渡期，仍然有使用Sn-Pb系材料的情况，这些情况不可忽视。

而且，在历来的方法中，即使是在使用含有由Sn-Pb系材料所构成的焊料粉末的膏状焊料的情况下，作为焊接区和/或导线材料所使用的铜会向接合部扩散，与Sn-Pb系材料中的锡结合，在接合部与焊接区和/或导线之间的接合面上形成由Sn-Cu构成的金属间化合物。但是，由Sn-Cu构成的金属间化合物很稳定，而且，在这种情况下，由于在接合部不存在铋，所以即使形成由Sn-Cu构成的金属间化合物，也不会形成铋浓化层，同时由于也不形成Sn-Bi-Pb合金，所以被认为不会产生接合部恶化的问题。

而且，在构成导线69的母材69a的材料中，除了铜之外，还有使用Fe-42Ni合金(即42wt％的镍与58wt％的铁所组成的合金)的情况。在这种情况下，即使是导线69的镀层69b向焊锡材料中熔融扩散，使母材69a与焊锡材料直接接触，也不会在导线69与接合部65的界面形成由Sn-Cu构成的金属间化合物71。但是，由于在由铜构成的焊接部63与接合部65的界面，仍然会形成由Sn-Cu构成的金属间化合物73，引起铋浓化层的粗大化，以及在镀层材料含有铅的情况下形成Sn-Bi-Pb合金，所以将所得到的电子线路基板在高温下做连续使用试验时，就会发生接合部的恶化，不能够避免得不到充分的耐热疲劳强度的问题。

上述问题是由于对接合部进行长时间的热处理而发生的。因此，例如即使在基板的一个面实施重熔焊接，使电子元件接合于基板，在另一个面也实施重熔焊接，使电子元件接合于基板，这样，即制作成“两面重熔焊接基板”作为电子线路的基板的情况，或者是在基板的一个面实施浇焊，使电子元件接合于基板，而在另一个面实施重熔焊接，使电子元件接合于基板，这样，即制作成“一个面浇焊基板/另一个面重熔焊接基板”作为电子线路的基板的情况，在进行两次或两次以上的热处理时，也存在发生与上述试验同样问题的可能性。

以上虽然仅对Sn-Bi系材料的情况进行了详细论述，但是例如对于Sn-Ag-Bi系材料等至少含有锡或铋的其他焊锡材料，也会发生同样的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于，提供一种焊锡焊接的方法及由此而得到的电子线路基板，能够防止在使用Sn-Bi系材料或Sn-Ag-Bi系材料等含有锡或铋的焊锡材料将电子元件焊接(或接合)到基板的情况下所特有的问题的发生，即具有能够防止在高温条件下连续使用时所引起的焊锡焊接部(或接合部)的恶化的效果，得到充分的耐热疲劳强度。

根据本发明的一个要点，能够提供一种使用Sn-Bi系材料或Sn-Ag-Bi系材料等含有锡或铋的焊锡材料在第1部件与第2部件之间进行焊接(或接合，以下同)的方法，在该方法中，在第1部件与第2部件的至少一方设置有由含铜材料所构成的母材和覆盖母材的屏障金属层，在第1部件与第2部件之间供给(或配置)焊锡材料，在熔融状态下与屏障金属层接触，通过凝固实现第1部件与第2部件之间的焊接。

根据所述焊接方法，由于由含铜材料所构成的母材被屏障金属层所覆盖，含锡的焊锡材料与屏障金属层相接触，所以能够避免焊锡材料中的锡与母材中所含的铜之间的直接接触。这样，就能够起到抑制或防止由Sn-Cu所构成的金属间化合物的形成，因此不会引起铋浓化层的粗大化，有希望能够防止铋浓化层的形成，从而能够降低或排除在高温条件下连续使用时焊锡焊接部(本说明书中也称为接合部)的恶化而成为耐热疲劳强度下降的原因。

所以，根据本发明的另一要点，提供一种焊接方法，在第1部件与第2部件之间供给(或配置)焊锡材料，第1部件及第2部件与呈熔融状态的焊锡材料相接触，在通过凝固使第1部件与第2部件之间焊接时，在第1部件与第2部件的至少一方设置有由含铜材料所构成的母材与覆盖母材的屏障金属层，该屏障金属层与呈熔融状态的焊锡材料相接触，由此提高焊锡焊接部(或接合部)的耐热疲劳强度。

还有，在本发明中，也可以第1部件及第2部件都是含铜材料，在铜由双方部件向焊锡材料(或接合部)进行扩散的情况下，希望能够在双方的部件中都设置屏障金属层，以避免含铜材料与焊锡材料的直接接触，由此能够防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成。但是，本发明也不限于此，即使是在上述情况下，也可以仅在任意一方设置屏障金属层，这样，与不设置屏障金属层的情况相比，也能够使耐热疲劳强度的下降得到缓和。

例如，即使是在第1部件及第2部件中的一方不设置屏障金属层，该层由含铅材料所构成，铅向焊锡材料(或接合部)进行扩散的情况下，根据本发明，由于另一方的铜母材被屏障金属层所覆盖，所以至少能够在屏障金属层与接合部之间的界面上防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成，因此，与不设置屏障金属层的情况相比，也能够使耐热疲劳强度的下降得到缓和。对于不设置屏障金属层的部件，当然也希望在含铅材料熔融后与焊锡材料接触的部分不含铜，这样，在该部件与接合部之间的接合面上，也能够防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成。

本发明中的屏障金属层，可以是单层，也可以是多层，但必须保证覆盖母材，使其不与呈熔融状态的焊锡材料有实质性的接触。也就是希望在屏障金属层中，不在熔融的焊锡材料中有实质性的扩散或溶解，或者是即使有扩散，也不会使位于其下方的含铜材料露出，与焊锡材料有实质性接触的材料。还有，在本发明说明书中，以应焊接部件的母材为基准，对于此，与焊锡材料相接触的露出表面侧称为“上方”，而母材一方则称为“下方”。

进而，希望屏障金属层能够由导电性材料所构成，以确保得到第1部件与第2部件之间的导通。例如屏障金属层可以由金属或金属叠层体所构成。

在本发明所希望的形式中，屏障金属层为镍层(即由镍所构成的层，后述其它的层也同样)或含镍层的多层叠层体。由于镍即使与焊锡材料相接触，也在该焊锡材料中几乎不扩散，不会使位于其下方的母材露出，所以适合于做屏障金属层的材料。希望镍层直接与含铜材料接触，将其覆盖，但本发明也并不限于此，也可以在镍层与母材之间设置由其它导电性材料所构成的层。

而且，在使用含镍的多层叠层体作为屏障金属层的情况下，在镍层的上方设置有从由金层、钯层、以及Sn-Bi层所组成的层群中选择出的至少一层。镍层在空气中容易氧化，形成的氧化层对焊锡材料的浸润性较差。但是，金层等所述层比镍层难以氧化，对焊锡材料的浸润性良好。例如，屏障金属层，可以由镍层/金层、镍层/钯层、镍层/钯层/金层、镍层/Sn-Bi层等所构成。在镍层的上方设置了所述金层等所构成的屏障金属层，与单独使用镍层的屏障金属层相比，能够提高对焊锡材料的浸润性，因此能够提高接合部的接合可靠度(主要是接合强度)。特别是在屏障金属层的表层(或最上层)，希望能够是金层。

构成屏障金属层的层(在屏障金属层为多层叠层体的情况下，指其至少一层)，例如可以使用在该领域所熟知的电镀、熔融镀、置换镀、以及蒸发沉积等方法来形成。

而且，根据本发明的另一个要点，可以提供使用含锡及铋的焊锡材料在第1部件与第2部件之间焊接的焊接结构体，在第1部件与第2部件中至少有一方设置有由含铜材料构成的母材与覆盖该母材的屏障金属层。

根据这样的焊接结构体，由于由含铜材料构成的母材被屏障金属层所覆盖，与所述本发明的焊锡焊接方法同样，能够起到抑制或防止由Sn-Cu所构成的金属间化合物的形成，以及由此引起的铋浓化层粗大化的效果。所以，本发明的焊接结构体即使在高温下连续使用，也不会引起接合部的恶化，从而能够维持高的耐热疲劳强度。

这样的焊接结构体，可以由所述本发明的焊锡焊接方法而得到。而且，在本发明的焊接结构体中，也可以使用在本发明的焊锡焊接方法中所述同样的屏障金属层。还有，在单独使用镍层作为屏障金属层的情况下，由本发明的焊锡焊接方法所得到的焊接结构体虽然残留有作为屏障金属层的镍层，但是，例如，在使用作为屏障金属层的镍层及位于其上方的金层等的情况下，由于金层与熔融状态的焊锡材料相接触而使得金向焊锡材料中溶出(或熔融扩散)，所以应该注意到，在焊接结构体上设置的作为构成屏障金属层的其中一层是看不到的。而且，Pd层以及Sn-Bi层也与Au层相同。

本发明的焊锡焊接方法、在提高焊锡焊接部(或接合部)耐热疲劳强度的方法以及焊接结构体中，在第1部件与第2部件的应该焊接的部分，至少有一方是以含铜部分作为母材，该母材被屏障金属层所覆盖。例如，在第1部件与第2部件中一方具有含铜的部分，而另一方不具有含铜部分的情况下，具有含铜的部分一方的含铜部分(作为母材)被屏障金属层所覆盖。还有，在第1部件与第2部件中双方都具有含铜部分的情况下，希望该部分至少有一方被屏障金属层所覆盖。

在本发明中，第1部件与第2部件分别是基板与电子元件，更详细一些讲，是基板上设置的电极与电子元件的电极。

所述基板，例如可以包括由纸苯酚系材料、玻璃环氧树脂)系材料、聚酰亚胺系材料、陶瓷系材料、以及金属系材料所构成的基板。在这样的基板上形成的电极，例如可以是与布线图形形成一体的焊接区，例如可以由铜母材被屏障金属层所覆盖而形成。

而且，所述电子元件，可以包括半导体元件(例如QFP元件，即四边形扁平封装外壳，quad flat package)、CSP(芯片规模封装外壳，chip scalepackage)元件、以及SOP(单一外表封装外壳等，single outside package)元件、芯片元件(例如电阻、电容、变压器、电感等)，并包括连接器。这样的电子元件的电极，例如可以是由电子元件引出的导线、接头、或者终端等，例如可以由铜母材被屏障金属层所覆盖而形成。

但是，本发明并不限于此，第1部件与第2部件，可以是能够相互焊接的种种部件。所以根据本发明的另一个要点，还可以提供使用含锡及铋的焊锡材料所焊接的电气零件或电子零件，设置有由含铜材料构成的母材与覆盖母材的屏障金属层的电气零件或电子零件。

还有，在本说明书中，所谓焊锡材料，是指具有较低熔点的金属材料，例如约在100～250℃能够熔融的金属材料。所谓含锡及铋的焊锡材料，是指在这样的焊锡材料中，至少含有锡及铋的材料，例如Sn-Bi系材料，或添加了铋的Sn-Ag系材料(在本说明书中称为Sn-Ag-Bi系材料，该系材料包括Sn-Ag-Bi材料、Sn-Ag-Bi-In材料、以及Sn-Ag-Bi-Cu材料)。而且，所谓“～系材料”，是指以该金属成分多构成的共晶成分为中心，进而包含微量的其它金属成分的材料。例如，Sn-Bi系材料是指以Sn-58Bi共晶成分为中心，并包含微量的其它金属成分(不论是有意识的添加，还是不可避免的混入)而构成。Sn-Bi系材料，例如具有约130～150℃的熔点。再例如，添加铋的Sn-Ag系材料是指以Sn-3.5Ag共晶成分为中心，添加一定量的铋(例如以全体为基准5wt％以下)，并包含微量的其它金属成分(不论是有意识的添加，还是不可避免的混入)而构成。添加铋的Sn-Ag系材料，例如具有约200～220℃的熔点。

还有，在本发明中，焊锡焊接方法，例如可以采用重熔焊接法或浇焊接法中的一种而实施，可以在基板的一个面实施焊接，也可以在基板的两个面实施焊接。而且，本发明的焊接结构体是由上述哪种方法而得到的，能够很容易被本技术领域的技术人员所理解。

而且，本发明中的通过设置屏障金属层以防止锡与铜相接触的概念，是指在铋存在的体系中，防止锡与铜共存，由Sn-Cu形成金属间化合物，希望能够适当地利用这一概念，去除由于铋浓化层形成引起的危害。

或者是，在本发明的焊锡焊接方法中，不设置屏障金属层，而是使在第1部件与第2部件之间供给的焊锡材料由熔融状态以10℃/秒以上的冷却速度进行冷却并凝固，也可以达到本发明的目的，根据本发明的另一要点，也可以提供这样的焊接方法以及由该方法所得到的焊接结构体。

在历来的一般焊接方法中，冷却速度不到10℃/秒，一般在5～10℃/秒之间，在供给了焊锡材料之后，没有对基板(详细讲应该是焊锡材料)进行积极的冷却。与此相比，根据本发明的上述方法，由于冷却速度比历来方法中的要大，所以即使是有铋浓化层形成，由急冷凝固也可以使铋浓化层微细分散，即能够起到抑制铋浓化层粗大化的效果。这样，就能够排除由于在高温条件下连续使用而引起的焊锡焊接部(本说明书中称为接合部)的恶化，进而使耐热疲劳强度下降的原因。

所以，根据本发明的另一要点，能够提供一种焊接方法，在第1部件与第2部件之间供给(或配置)含锡及铋的焊锡材料，使第1部件及第2部件与熔融状态的焊锡层接触，在通过凝固使第1部件与第2部件之间焊接时，使熔融状态的焊锡材料以10℃/秒以上的冷却速度进行冷却并凝固，由此来提高焊锡焊接部的耐热疲劳强度。

冷却速度为10℃/秒以上时，能够使耐热疲劳强度比历来的方法得到的耐热疲劳强度得以提高，当冷却速度更大时，例如20℃/秒以上时更好，例如希望能够达到20～30℃/秒。由这样的冷却速度，能够使耐热疲劳强度比历来的有效地提高。

还有，在本发明中，冷却速度是指，由热电偶等定时测定的配置焊锡材料的焊接区(或焊锡焊接部)的温度轮廓曲线求出其峰值温度，自达到该温度的时刻起，到温度下降到Sn-Bi-Pb合金的熔点98℃期间的平均冷却速度。温度98℃比焊锡材料的熔点充分的低，可以认为在该温度焊锡材料已经发生了实质性的凝固。

还有，在本发明的焊锡焊接方法中，还希望能够理解作为第1部件与第2部件之间焊接的焊接结构体的制造方法。

附图说明

图1是由本发明的一个实施形式中的焊接方法所得到的电子线路基板的概略部分的截面图。

图2是本发明的一个实施形式中的电子线路基板在180℃的气氛中进行热处理后，焊接区的屏障金属层(镍层)与接合部(焊锡层)的接合界面附近截面的扫描电子显微镜照片。图2(a)是经60秒热处理后的照片，图2(b)是经180秒热处理后的照片。

图3是比较例的电子线路基板在180℃的气氛中进行热处理后，焊接区的屏障金属层(镍层)与接合部(焊锡层)的接合界面附近截面的扫描电子显微镜照片。图3(a)是经60秒热处理后的照片，图3(b)是经180秒热处理后的照片。

图4是由本实施形式的焊锡材料所构成的接合部的温度轮廓曲线与比较例的温度轮廓曲线。

图5是由历来的焊接方法所得到的电子线路基板的概略部分的截面图。

符号说明：

1-基板

3a-焊接部母材

3b-屏障金属层

3-焊接部

5-焊锡焊接部(接合部)

7-电子元件

9a-导线母材

9b-屏障金属层

9-导线

具体实施方式

(实施形式1)

以下结合图1对本发明的第1实施形式加以说明。本实施形式是关于第1部件与第2部件双方都设置有屏障金属层类型的实施形式。图1是由本实施形式中的焊接方法所得到的电子线路基板的概略部分的截面图。

首先，准备基板1与应该接合的电子元件7。在基板1上，形成由铜构成的母材3a及由镍单层所构成的屏障金属层3b所覆盖而形成的焊接区3。该焊接区3，例如可以由以下的方法所形成。

例如，在由玻璃环氧树脂等所构成的基板上面，通过铜箔的热压接合(或贴附)、以及侵蚀等方法，将由铜构成的母材与布线图形一体形成。布线图形，例如可以具有50～100μm的宽度。其后，在基板1表面所规定的区域形成覆盖布线图形的保护膜。此时，母材3a不被保护膜所覆盖而露出。母材3a的高度(即布线图形的高度)，例如约为15～40μm。

将这样形成了母材3a的基板1浸入溶解了镍的电解液中，对母材3a施加适当的电压，在母材3a的表面析出镍，即利用电镀的方法，在母材3a的表面形成作为屏障金属层3b的镍层。镍层的高度(在本实施形式中与屏障金属层3b的高度相等)，例如约为2～5μm。这样，在基板1的表面，就可以形成由母材3a与覆盖母材3a的屏障金属层3b(在本实施形式中为镍层)所构成的焊接区3。焊接区3，例如可以具有从基板上方看为矩形的形状，宽度约为0.5～1.5μm，长度约为0.5～1.5μm。但是，本实施形式并不限于此，可以具有任意适当的形状与尺寸。

还有，在上述例中虽然给出了用电镀来形成镍层的方法，但也可以采用其它的方法，例如可以采用将形成了母材3a的基板浸入熔融状态的镍中的熔融镀层法、将该基板浸入含镍的溶液，使母材3a表面部分被镀层金属所置换的置换镀层法、在母材3a上蒸镀(沉积)镍的蒸镀镀层法。这些电镀、熔融镀、蒸镀等方法，可以由操作者设置适当的条件而实施。

另一方面，在电子元件7上设置有导线9。导线9是由铜构成的母材9a被由镍单层构成的屏障金属层9b覆盖而成。该导线9可以采用与上述同样的方法，使作为屏障金属层9b的镍层在母材9a的表面形成而得到，制作使用该导线9的电子元件7。

在进行了以上准备的基板1的焊接区3上，例如使用丝网印刷法、分配法等供给膏状焊料。该膏状焊料，是由作为含锡及铋的焊锡材料的Sn-Ag-Bi系材料，例如Sn-3Ag-2.5Bi-2.5In材料或Sn-3.5Ag-0.5Bi-3In材料所构成的金属颗粒(或焊料粉末)，分散于助熔焊剂而构成。助熔焊剂可以使用由松香、活性剂、以及溶剂所组成等市场上所销售的物质。金属颗粒，例如可以具有20～40μm的平均粒径，占膏状焊料全体的85～90wt％。

其后，使电子元件7的导线9与焊接区3上供给的膏状焊料相接触，将电子元件7配置在基板1的适当位置。这里，膏状焊料与导线9的屏障金属层9b以及焊接区3的屏障金属层3b相接触，与母材9a及3a不相接触。对这样所得到的基板，例如在约215～240℃，更希望在约220～230℃的加热气氛中进行热处理。这样，对膏状焊料供给热，使膏状焊料中构成金属颗粒的焊锡材料(在本实施例中为Sn-Ag-Bi系材料)熔融，同时使金属颗粒以外的成分蒸发(或挥发)去除。

此时，虽然熔融状态的焊锡材料与屏障金属层3b及9b相接触，但由于构成屏障金属层3b及9b的镍却几乎不向呈熔融状态的焊锡材料中扩散。所以能够防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成，因此也不生成铋浓化层。

接下来，将热处理后的基板进行冷却(或空冷)使熔融状态的焊锡材料凝固，形成实质上由焊锡材料所构成的接合部(或焊锡焊接部)5。通过该接合部5，实现电子元件7的导线9与基板1的焊接部3之间的电气及机械的接合(或焊锡焊接)。还有，在本实施形式中基板冷却时焊锡材料的冷却速度，也可以与历来的焊锡焊接方法这的冷却速度同等。

按照上述做法，就可以制作将电子元件7安装到基板1上的电子线路基板20。在所得到的电子线路基板20中，无论是在元件7的导线9与接合部5之间的接合界面，还是基板1的焊接部3与接合部5之间的接合界面，都能够防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成，而且铋浓化层的形成也可得到实质性的抑制。

图2(a)及(b)是以上制作的本实施形式中的电子线路基板在约180℃的气氛中进行热处理后，焊接区的屏障金属层(镍层)与实质上由焊锡材料构成的接合部(焊锡层)的接合界面附近截面的扫描电子显微镜(SEM)照片。图2(a)是经60秒热处理后的照片，图2(b)是经180秒热处理后的照片。由图2(a)及(b)可知，不论是经60秒热处理后还是经180秒热处理后，镍层附近的焊锡层都具有均匀的组成。

与此相比，作为本实施形式的比较例，制作了与本实施形式同样的电子线路基板，其不同之处在于，没有设置焊接区3的屏障金属层3b(即仅由铜母材3a构成焊接区3)，而且，使用了在母材9a上实施了电镀Sn-Pb的电子元件，以取代导线9的屏障金属层9b。图3(a)及(b)是这样得到的比较例的电子线路基板在180℃的气氛中进行热处理后，焊接区(铜相)与实质上由焊锡材料构成的接合部(焊锡层)的接合界面附近截面的扫描电子显微镜照片。图2(a)是经60秒热处理后的照片，图2(b)是经180秒热处理后的照片。图3(a)及(b)分别与图2(a)及(b)相对应，图3(a)是经60秒热处理后的照片，图3(b)是经180秒热处理后的照片。如图3(a)所示，在铜相与焊锡层形成了由Sn-Cu构成的金属间化合物，其周围的Sn-Bi-Pb合金(图中Sn-Cu金属间化合物附近的白色部分)发生偏析。由于该Sn-Bi-Pb合金具有约100℃的低熔点，可以认为在热处理时成为熔融状态。经进一步的热处理，如图3(b)所示，在Sn-Cu金属间化合物的周围发生自Sn-Bi-Pb合金的部分的剥离，形成孔洞(图中Sn-Cu金属间化合物与焊锡层之间的黑色部分)。这被认为是接合部结合强度下降的原因。

还有，在本实施形式中，形成了由镍单层构成的屏障金属层，但本发明并不限于此，也可以采用与形成镍层同样的方法，在镍层的上方设置其它金属层，例如金层，形成有多层叠层体构成的屏障金属层。在镍层的上方设置的其它金属层，例如可以每一层形成约0.01～0.1μm的高度。

还有，在本实施形式中，焊接区与导致的双方的母材都是由铜构成，这些母材的双方都覆盖了屏障金属层。但本发明并不限于此，只要是至少一方含有铜，含铜的母材覆盖了屏障金属层即可。例如，在导线的母材由Fe-42Ni合金材料构成，不含铜的情况下，就不一定有必要对该母材用屏障金属层覆盖，例如也可以采用Sn-Pb系材料的镀层对该母材进行覆盖。

特别是，采用Sn-Pb系材料对该导线母材进行镀层的情况下，由于焊接区的母材由铜构成，被屏障金属层所覆盖，在焊接区与接合部的界面上不形成由Sn-Cu构成的金属间化合物，因此不会发生铋浓化层的粗大化，更希望实质上不会形成，所以能够有效地降低导线镀层中含有的铅向接合部的溶解及Sn-Bi-Pb合金的形成。

还有，在本实施形式中，作为含锡及铋的焊锡材料，使用了Sn-Ag-Bi系材料，但本发明并不限于此，使用Sn-Bi系等其它材料也可以取得同样的效果。

进而，在本实施形式中，是采用重熔焊接法将电子元件焊接(或接合)到基板上的，但本发明并不限于此，对于与本实施形式同样准备的基板与电子元件，例如也可以采用浇焊法进行焊接。

(实施形式2)

下面，对本发明的另一实施形式加以说明。本实施形式是关于第1部件与第2部件双方都不设置屏障金属层，而焊锡材料的冷却速度比历来方法中的冷却速度大的类型的实施形式。

在本实施形式中，使用一般的重熔焊接所用的重熔炉，使用Sn-Ag-Bi系材料作为含锡及铋的焊锡材料，将电子元件的导线与基板的焊接区相焊接。电子元件的导线中，例如可以使用对铜构成的母材实施Sn-Pb镀层等一般的电子元件。而且，基板的焊接区中，使用由铜构成的焊接区(不设置屏障金属层)。

本实施形式与历来技术的不同点在于，在重熔时焊锡材料熔融后，对基板(详细讲应该是熔融状态的焊锡材料)采取了积极的冷却。具体说来，首先，例如利用丝网印刷法，向基板的焊接区上供给含有粉末状焊锡材料的膏状焊料，通过焊锡材料使电子元件的导线配置在基板焊接区的适当的位置，将由此得到的基板放入重熔炉进行热处理。此时焊接区的温度曲线(急冷曲线)如图4的实线所示。如图4所示，焊接区的温度首先上升到约150℃，在该温度保温约100秒，接着再升温，达到约230℃的峰值温度。此时，在供给到焊接区上的膏状焊料中的焊锡材料(焊锡粉末)熔融的同时，膏状焊料中的助熔焊剂等其它成分就会蒸发(主要是挥发)而去除。其后，在本实施形式中，将常温的氮气以每分钟200～500升的流量通入重熔炉，例如为了达到所希望的温度曲线，一边调节流量进行供给，对基板进行急冷却，冷却焊锡材料。这样，很快使焊接区的温度下降到98℃。这样使焊接区上的焊锡材料凝固而形成接合部，使基板的焊接区与电子元件的导线之间焊接。在本实施形式的重熔焊接中，自焊接区的温度达到峰值温度(本实施形式中约为230℃)的时刻起，至该温度下降到Sn-Bi-Pb合金的熔点98℃的时刻止的平均冷却速度，例如在大约10℃/秒以上，希望能够为20～30℃/秒。

按照以上的操作，可以制作电子元件安装到基板上的电子线路基板。在所得到的电子线路基板中，无论是在电子元件的导线与接合部之间的接合界面，还是在基板的焊接部与接合部之间的接合界面，都能够防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成，而且铋浓化层的形成也可得到实质性的抑制。

与此相比，作为本实施形式的对比例，不实施急冷的历来的重熔焊接时的温度曲线(历来的轮廓曲线)表示为图4中的点画线(虚线)。在历来的重熔焊接中，一般不进行积极的冷却。而且，虽然也有向重熔炉中通入常温空气的情况，但其流量不会超过50～100升/分。在这样的历来的重熔焊接中，自焊接区达到峰值温度(约230℃)的时刻起，至该温度下降到Sn-Bi-Pb合金的熔点98℃的时刻止的平均冷却速度约为5℃/秒，充其量也不会达到10℃/秒。在这样由历来的重熔焊接方法所得到的电子线路基板中，无论是在电子元件的导线与接合部之间的接合界面，还是在基板的焊接部与接合部之间的接合界面，都不能够防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成，从而引起铋浓化层的粗大化。因此，不能得到充分的耐热疲劳强度。特别是将实施了Sn-Pb镀层的导线焊接于基板的焊接区时，会引起Sn-Bi-Pb合金的形成，使接合部发生显著的恶化。

还有，在本实施形式中，为了使熔融状态的焊锡材料能够以10℃/秒以上的速度进行冷却，进而凝固，作为冷却手段是采用了氮气进行气体冷却，但本发明并不限于此，可以采用任意适当的手段。例如可以采用风扇或喷嘴将适当温度的空气吹入重熔炉的炉室内，例如可以向基板全体或焊锡材料，流入充分的流量；也可以将液滴制成薄雾状而吹向基板；或者是将基板全体浸入适当温度的液体，例如水中，以对焊锡材料进行冷却。

还有，在本实施形式中，作为含锡及铋的焊锡材料，使用了Sn-Ag-Bi系材料，但本发明并不限于此，使用Sn-Bi系等其它材料也可以取得同样的效果。

进而，在本实施形式中，是对重熔焊接法进行了说明，但本实施形式中的以10℃/秒以上的速度对焊接接合部进行冷却的特征，也同样适用于浇焊法，在这种情况下也可以取得同样的效果。

以上对本发明的两个实施形式进行了说明，但本发明并不限于这两个实施形式，在不超出本发明概念的范围内，可以进行种种的改变，这很容易得到本领域技术人员的理解。

根据本发明，在使用含锡及铋的焊锡材料对第1部件与第2部件之间进行焊接的方法中，在第1部件与第2部件之中，至少有一方设置有由含铜材料所构成的母材，以及覆盖该母材的屏障金属层，焊接材料在熔融状态下与屏障金属层接触，通过凝固实现第1部件与第2部件之间的焊接(或接合)。

根据这样的焊接方法，由于焊锡材料中的锡不与该母材中所含有的铜直接接触，因此能够抑制或防止由Sn-Cu构成的金属间化合物的形成，及由此引起的铋浓化层的粗大化，所以能够降低或排除在高温条件下连续使用而引起的接合部的恶化，进而使耐热疲劳强度下降的原因。

进而，根据本发明，能够提供使用含锡及铋的焊锡材料对第1部件与第2部件之间进行焊接而得到的焊接结构体，在第1部件与第2部件之中，至少有一方设置有由含铜材料所构成的母材，以及覆盖该母材的屏障金属层的焊接结构体，可以得到与上述同样的效果。

或者，根据本发明，还可以提供在所述本发明的焊接方法中，不设置屏障金属层，而是通过使熔融状态的焊锡材料以10℃/秒以上的速度进行冷却而凝固的焊接方法及由此所得到的焊接结构体。根据这样的方法，也可以获得抑制或防止铋浓化层形成的效果，所以能够降低或排除在高温条件下连续使用而引起的接合部的恶化，进而使耐热疲劳强度下降的原因。

Claims (14)

1.一种焊锡焊接方法，是一种使用含锡及铋的焊锡材料在第1部件与第2部件之间进行锡焊的方法，其特征在于：在第1部件及第2部件的至少一方设置有由含铜材料所构成的母材和覆盖该母材的屏障金属层，通过向第1部件和第2部件之间供给焊锡材料，使焊锡材料在熔融状态下与屏障金属层接触，并使其凝固，实现第1部件与第2部件之间的焊接。

2.根据权利要求1所述的焊锡焊接方法，其特征在于：在第1部件及第2部件的一方设置有屏障金属层，而另一方具有由含铅材料所构成的表面，熔融状态的焊锡与该表面接触。

3.根据权利要求1或2所述的焊锡焊接方法，其特征在于：屏障金属层中含有镍Ni层。

4.根据权利要求3所述的焊锡焊接方法，其特征在于：屏障金属层中还包括位于镍层上方的从含有由Au层、Pd层以及Sn-Bi层所组成的层群中选择出的至少一层的层。

5.一种焊锡焊接方法，是一种使用含锡及铋的焊锡材料在第1部件与第2部件之间进行锡焊的方法，其特征在于：通过向第1部件与第2部件之间供给焊锡材料，使熔融状态的焊锡材料以10℃/秒以上的冷却速度冷却、凝固，实现第1部件与第2部件之间的焊接。

6.根据权利要求5所述的焊锡焊接方法，其特征在于：在第1部件及第2部件的至少一方具有由含铅材料所构成的表面，焊锡在熔融状态下与该表面接触。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的焊接方法，其特征在于：第1部件是形成在基板上的电极，第2部件是电子元件的电极。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的焊接方法，其特征在于：使用浇焊法或重熔焊接法进行锡焊焊接。

9.一种焊接结构体，是一种通过使用含锡及铋的焊锡材料在第1部件与第2部件之间进行锡焊焊接而成的焊接结构体，其特征在于：在第1部件及第2部件的至少一方设置有由含铜材料所构成的母材和覆盖该母材且与熔融状态的焊锡材料接触的屏障金属层。

10.根据权利要求9所述的焊接结构体，其特征在于：在第1部件及第2部件的一方设置有屏障金属层，在另一方具有由含铅材料所构成的表面。

11.根据权利要求9或10所述的焊接结构体，其特征在于：第1部件是形成在基板上的电极，第2部件是电子元件的电极。

12.一种通过使用权利要求1所述的焊接方法形成的焊接结构体，其特征在于：第1部件与第2部件之间被锡焊焊接，在第1部件与第2部件之间具有焊锡焊接部和屏障金属层。

13.一种电气或电子元件，是一种通过使用含锡及铋的焊锡材料锡焊焊接而成的电气或电子元件，其特征在于：具有设置有由含铜材料所构成的母材和覆盖该母材且与熔融状态的焊锡材料接触的屏障金属层的电极。

14、一种通过使用权利要求5所述的焊接方法形成的焊接结构体，其特征在于：第1部件与第2部件之间被锡焊焊接，第1部件与第2部件之间具有焊锡焊接部，该焊锡焊接部是通过使熔融状态的焊锡材料以10℃/秒以上的速度冷却而凝固形成的。

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