CN104737630B - 低温焊膏的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

与SnBi共晶焊料组成接近的焊料组成即使改善了其强度，也会由于具有脆的特性而在用于移动设备、笔记本电脑等小型电子设备的情况下在小型电子设备掉落时耐落下冲击性低，因此常常印刷基板与焊接面发生界面剥离而产生破裂。本发明通过在使用SnBi系低温焊料的焊膏的焊接时同时供给选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上的预成型体，从而在SnBi系低温焊料中使选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上焊料组成扩散于焊膏中，耐落下特性得到改善。

Description

低温焊膏的焊接方法
技术领域
本发明涉及使用含有Bi的无铅焊料、尤其是被称为低温焊料的SnBi共晶附近的低温焊膏的印刷基板的焊接方法。
背景技术
家电、音响、计算机等电子产品中，使用焊接有电子部件的印刷基板作为主电路，在以前的印刷基板的焊接中使用Sn-37质量％(以下，％表示质量％。)Pb组成的Sn-Pb焊料。然而，废弃的电子产品常常被埋到地下，因此Pb从废弃的印刷基板溶出，有时污染地下水。
从这样的环境上的问题出发，从十几年前起开始推进印刷基板所使用的焊料的无铅化，现在几乎所有的电子产品都是利用无铅焊料制作的。
一直以来使用的Sn-Pb焊料的熔点为183℃，具有能以较低的操作温度进行焊接的特征。若焊接的操作温度低，则无需顾虑焊接所使用的电子部件的耐热性，可以使用塑料性的连接器等耐热性低的电子部件。
另一方面，现在主流的无铅焊料使用Sn-3.0％Ag-0.5％Cu等的Sn-Ag-Cu系无铅焊料。Sn-Ag-Cu系无铅焊料与现有的Sn-Pb焊料相比具有温度循环特性强这样的良好特性，但熔融温度约为220℃，与现有的Sn-Pb焊料相比大约高40℃，无法使用耐热性低的电子部件。
在开发无铅焊料的最初，电子部件也往往不具有耐热性，因此，所开发的焊料合金研究了使用一直以来用作低温焊料的Sn-58％Bi焊料(熔融温度139℃)、通过在Sn-58％Bi中添加少量Ag而提高了强度和伸长率的焊料合金(日本特开平8-252688号公报，专利文献1)等的低温焊料。
然而，已知这些Sn-Bi系焊料合金在用于手机、笔记本电脑等小型电子设备的情况下，在小型电子设备掉落时从焊料接合部界面发生破裂的落下冲击破裂方面不良，未曾用于这些电子设备用的焊料。
此外，公开了如下的方法：为了得到对疲劳具有耐性的焊料连接结构，将Sn-Pb组成的焊膏附着于基板的接合面，以与焊膏接触的方式配置含有In的焊料球，对焊膏和预成型体进行加热，从而缓和剪切应力的方法(日本特开平8-116169号公报，专利文献2)。
专利文献1：日本特开平8-252688号公报
专利文献2：日本特开平8-116169号公报
发明内容
发明要解决的问题
近年来，根据由核电站的停止带来的节电需求、CO2排放量的削减需求，对于回流焊炉的运行也要求以较少电力来使用。节能型的回流焊炉也有许多被实用化，但它们谋求相同加热条件下的电量削减，削减存在限制。
此外，无法承受利用无铅焊料的回流焊焊接的耐热性低的半导体等电子部件继续存在，这些电子部件需要利用烙铁等的补焊来进行安装。
如此，作为通过降低回流焊炉的加热条件来大幅降低回流焊炉的电量、即使是耐热性低的电子部件也能够与其他电子部件同时焊接而不进行补焊的方法，研究了使用被称作低温焊料的熔融温度低的无铅焊料。主要是将与Sn-57％Bi组成的SnBi共晶焊料组成接近的焊料组成用作回流焊用的焊料。
然而，与SnBi共晶焊料组成接近的焊料组成即使如专利文献1那样改善了其强度，也由于具有脆的特性而在用于移动设备、笔记本电脑等小型电子设备的情况下在小型电子设备掉落时耐落下冲击性低，因此常常印刷基板与焊接面发生界面剥离而产生破裂。
本发明是为了对应这样的问题而开发的。
本发明要解决的问题是，即便在为了使用电量削减、耐热性低的电子部件而在小型电子设备的印刷基板的焊接中使用与SnBi共晶焊料组成接近的焊料组成的焊膏的情况下，也能获得具有与目前用作无铅焊料的SnAgCu焊料同样的耐落下冲击特性的焊料接头。
用于解决问题的方案
本发明人等在焊接中使用与SnBi共晶焊料组成接近的焊料组成的焊膏，印刷在印刷基板的焊盘上。发现，在被印刷的焊膏上载置Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成的预成型体进行回流焊焊接时，即使载置Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成的预成型体，也能够在单独的焊膏的回流焊条件下进行焊接，从而完成了本发明。
本发明为如下的焊接方法：在使用SnBi系低温焊料的焊膏的焊接时，通过同时供给选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上的预成型体，从而在SnBi系低温焊料中使选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上焊料组成扩散于焊膏中的焊接方法。
一直以来已知，如引用文献2那样，通过混合使用不同种类的焊料组成来加强焊料的弱点。然而，此时的回流焊温度考虑具有较高熔点的焊料合金来决定，没有考虑过在与低温焊料相同的回流焊条件下可以焊接。因此，与低温焊料相比在较高的温度条件下进行回流焊，没有考虑过通过混合使用不同种类的焊料组成从而能够使用电量削减、耐热性低的电子部件。
此外，若将专利文献2所公开的In-10％Ags组成的无铅预成型体用于与Sn-Bi共晶焊料组成接近的焊料组成的焊膏，则焊接后的焊料接头上会出现Sn-Bi-In共晶的64℃这样的低熔点的焊料组成，因此，仅仅将电子设备放置于野外或对电子设备进行加热时，接头就会发生再熔融而无法使用。
本发明为基于在该方面全新的构思的焊接方法，本发明通过焊膏的焊料组成、预成型体的焊料组成、焊膏与预成型体的比率来显现其效果。
认为本发明的耐落下冲击性强的理由如下。
1.焊膏与印刷基板的焊盘进行回流焊焊接时，SnBi焊料中的Bi在焊料整体中扩散而形成富Bi层。(图1)
仅仅单纯地将Sn-Bi焊料的焊膏焊接于印刷基板时，焊料圆角(solderfillet)中就会大量出现富Bi层，因此，若施加力则从硬且脆的富Bi部产生裂纹，焊料圆角发生破裂。(图2)
2.在将焊膏与印刷基板的焊盘进行焊接时，若在焊膏中加入Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成的预成型体，则Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成在SnBi焊料中扩散，不会形成富Bi层。(图3)
在将焊膏与印刷基板的焊盘进行焊接时，若对于在焊膏中加入了Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成的预成型体的焊接施加力，则不会从焊料圆角部分发生破裂，而是从印刷基板的焊盘与焊料接合部所形成的金属间化合物层发生破裂。(图4)
发明的效果
通过使用本发明的焊接方法，即使在为了使用电量削减、耐热性低的电子部件而在小型电子设备的印刷基板的焊接中使用与SnBi共晶焊料组成接近的焊料组成的焊膏的情况下，也能获得具有与目前用作无铅焊料的SnAgCu焊料同样的耐落下冲击特性的焊料接头。
具体实施方式
本发明所使用的SnBi系焊膏使用与SnBi共晶接近的Sn-Bi焊料或在Sn-Bi焊料中添加有Ag作为强度添加元素的Sn-Bi-Ag焊料粉末与助焊剂混合而成的焊膏。本发明的焊接方法所使用的焊膏的焊料组成使用Bi为35％以上且60％以下、余量为Sn的焊料、以及向其中添加有3％以下Ag的Sn-Bi-Ag焊料粉末。更优选的是Bi为40％以上且58％以下、余量为Sn的焊料粉末，Ag的添加优选为1％以下。
本发明的焊接方法中使用的焊膏中所添加的预成型体使用Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成的预成型体。Sn-Ag组成的预成型体优选Ag为0.3％以上且低于4.0％、余量为Sn的组成的预成型体，Sn-Cu组成的预成型体优选Cu为0.3％以上且1.2％以下、余量为Sn的组成的预成型体。Sn-Ag-Cu组成的预成型体优选Ag为0.3％以上且4.0％以下、Cu为0.3％以上且1.2％以下、余量为Sn的组成的预成型体。更优选使用Ag为1.0％以上且3.0以下、Cu为0.5％以上且0.8％以下、余量为Sn的组成的预成型体。
本发明中，根据焊膏中添加的预成型体的量，进入到SnBi焊料组成中的Sn、Ag、Cu等的量不同，因此，回流焊后的耐落下冲击性的特性不同。本发明的焊接方法中所添加的预成型体的量若低于焊膏的量的0.7质量％，则进入到SnBi焊料组成中的Sn、Ag、Cu等的量变少，无法获得由预成型体添加而产生的效果。此外，所添加的预成型体的量若超过焊膏的量的75％，则混合了的焊料熔点变得过高，无法在与SnBi焊料组成相同的回流焊条件下进行回流焊，作为本申请的目的的省电、耐热性低的电子部件的使用成为不可能。
因此，本发明的焊膏中添加的预成型体的量优选为焊膏的量的0.7质量％以上且75％以下。更优选为0.8质量％以上且2.0质量％。
实施例1
在表1中记载的条件下，在印刷有SnBi系焊膏的焊盘上载置预成型体，在通常的SnBi系焊膏的加热条件下进行回流焊焊接。
自然冷却至常温后，进行落下冲击试验，测定直至焊接部发生破裂为止的次数。落下冲击试验的试验方法按照如下的步骤进行。
评价基板使用尺寸30×120mm、厚度0.8mm的玻璃环氧基板(FR-4)。
关于落下试验，对于评价基板，使用专用夹具在距基座抬起10mm的位置固定基板两端，依照JEDEC(JointElectronDeviceEngineeringCouncil，半导体技术协会)的标准，反复施加加速度1500G的冲击，将从初始电阻值增加至1.5倍以上电阻值的时刻视为断裂，记录落下次数。
结果记载于表1。
表1
可知：在本发明的焊接方法的范围内，即使在SnBi系低温焊膏中添加Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成的预成型体，也可以在通常的回流焊条件下进行回流焊。
此外，可知：在落下冲击试验结果中，将在SnBi系低温焊膏中添加Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成的预成型体的情况与未添加Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成的预成型体的情况进行比较，Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu组成的预成型体是更优异的。此外，即便同样是添加预成型体，添加Sn-5Sb组成的预成型体也不会使耐落下冲击性改善。
实施例2
在如图5那样的印刷基板上，将使用了Sn-57Bi-1Ag组成的焊料粉末的焊膏印刷在焊盘尺寸0.5mmφ的铜焊盘上。在印刷有焊膏的焊盘上载置1个或2个Sn-3.0Ag-0.5Cu组成且尺寸0.5mm×0.25mm的预成型体，在Sn-57Bi-1Ag焊料组成的焊膏的通常加热条件即200℃下进行回流焊焊接。
该试验是确认Sn-Bi组成的焊膏与所添加的预成型体的量的试验，在为1个预成型体时，焊膏重量:预成型体重量＝1:1.6。在为2片预成型体时，同样地焊膏重量:预成型体重量为1:3.2。
确认回流焊后的焊接状态，确认在通常的低温焊料的回流焊条件下是否可以焊接。
由确认结果可以确认：在为1片预成型体时焊膏的焊料成分与预成型体的焊料成分混合，无法进行区别，另一方面，在为2个预成型体时焊料有棱角，预成型体成分没有混合。
附图说明
图1为SnBi焊膏单独焊接的焊盘的破裂部分。
图2为示出SnBi焊膏单独焊接的接合部在焊料部分发生破裂的图。
图3为在SnBi焊膏中添加预成型体的本发明的焊接方法中的焊盘的破裂部分。
图4为示出利用在SnBi焊膏中添加预成型体的本发明的焊接方法焊接的接合部在焊盘部分发生破裂的图。
图5为示出实施例2的润湿性试验的结果的图。
附图标记说明
1.焊料
2.铜焊盘

Claims (6)

1.一种焊接方法，其为使用SnBi系低温焊料的焊膏的焊接方法，其中，通过将选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上的预成型体，以预成型体的量为焊膏的量的0.7质量％以上且75质量％以下的量供给于被印刷的SnBi系低温焊料的焊膏上，从而在SnBi系低温焊料中使选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上焊料组成扩散于焊膏中。
2.根据权利要求1所述的焊膏的焊接方法，其特征在于，所述SnBi系低温焊料的焊膏的焊接方法使用低温焊膏，该低温焊膏包含将Bi为35质量％以上且60质量％以下、余量为Sn的组成的焊料粉末与助焊剂混合而成的物质。
3.根据权利要求1所述的焊膏的焊接方法，其特征在于，所述SnBi系低温焊料的焊膏的焊接方法使用低温焊膏，该低温焊膏包含将Bi为35质量％以上且60质量％以下、Ag为3质量％以下、余量为Sn的组成的焊料粉末与助焊剂混合而成的物质。
4.根据权利要求1所述的焊膏的焊接方法，其特征在于，所述选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上的预成型体是选自Ag为0.3质量％以上且4.0质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体；Cu为0.3质量％以上且1.2质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体；Ag为0.3质量％以上且4.0质量％以下、Cu为0.3质量％以上且1.2质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体中的1种以上预成型体。
5.根据权利要求1所述的焊膏的焊接方法，其特征在于，所述选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上的预成型体是选自Ag为0.3质量％以上且4.0质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体；Cu为0.3质量％以上且1.2质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体；Ag为0.3质量％以上且4.0质量％以下、Cu为0.3质量％以上且1.2质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体中的1种以上预成型体，焊膏使用包含将Bi为35质量％以上且60质量％以下、余量为Sn的组成的焊料粉末与助焊剂混合而成的物质的低温焊膏。
6.根据权利要求1所述的焊膏的焊接方法，其特征在于，所述选自Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu的焊料组成中的1种以上的预成型体是选自Ag为0.3质量％以上且4.0质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体；Cu为0.3质量％以上且1.2质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体；Ag为0.3质量％以上且4.0质量％以下、Cu为0.3质量％以上且1.2质量％以下、余量为Sn的组成的预成型体中的1种以上预成型体，焊膏使用包含将Bi为35质量％以上且60质量％以下、Ag为3质量％以下、余量为Sn的组成的焊料粉末与助焊剂混合而成的物质的低温焊膏。
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