專利名稱：高熔點金屬粒分散成形焊料的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種均一分散有高熔點金屬粒的成形焊料(form solder)的制造方法。
背景技術：
一般來說，作為電子設備上使用的印刷電路板和電子設備等的工件的軟釬焊，有烙焊法、流動法、回流法。烙焊法是在工件的軟釬焊部分配松香心焊絲，從其上用釬焊烙鐵加熱而使松香心焊絲熔化，從而進行軟釬焊。此烙焊法因為要對釬焊部的每一處進行軟釬焊，所以無法面向大批生產，但是其適用于由其他軟釬焊方法進行釬焊后，對沒有耐熱性的電子元件進行軟釬焊，或矯正因其他的軟釬焊法而發(fā)生的釬接不良。
流動法因為是使搭載有電子元件的印刷電路板與熔融焊料接觸，所以是能夠一次進行多處釬焊的一種生產率優(yōu)異的軟釬焊法。然而，此流動法因為是使印刷電路板與熔融焊料接觸，所以會在不必要的地方附著焊料，或由于電子元件與變成高溫的熔融焊料直接接觸，因此會有使電子元件熱損傷這樣的問題。
回流法是只在工件的必要處放置焊料，之后由回流爐和紅外線照射裝置、激光照射裝置這樣的加熱裝置加熱，由此進行軟釬焊，因此所進行的軟釬焊不但生產效率優(yōu)異，而且不會在不必要之處附著焊料這種可靠性也優(yōu)異。因此，回流法大多在今天要求有高可靠性的工件的軟釬焊上被采用。
作為用于此回流法的焊料為焊膏和成形焊料。焊膏是將調合粘性的某種助焊劑與粉末焊料混勻，通過印刷和噴吐將其涂布在工件的軟釬焊部。用于此焊膏的助焊劑因為是用溶劑溶解松脂、活性劑、觸變劑等的助焊劑材料，所以用焊膏進行軟釬焊后肯定有助焊劑殘渣附著。在使用了焊膏的軟釬焊中，釬焊時活性劑、觸變劑、溶劑等由于熱而大部分揮發(fā)，但并不是完全揮發(fā)，成為在助焊劑殘渣中仍有少量殘留的狀態(tài)。由于助焊劑材料容易吸濕，因此，若助焊劑殘渣中的助焊劑材料吸收大氣中的水分，則使軟釬焊部產生腐蝕生成物而使絕緣阻抗降低。為此焊膏便不適用于要求有高可靠性的工件的軟釬焊。
因此作為要求有高可靠性的工件的軟釬焊，適用的是不用助焊劑來進行軟釬焊的成形焊料。所謂成形焊料是指形狀適合軟釬焊部的小球(pellet)和墊圈(washer)。使用此成形焊料的回流法是在工件上載置成形焊料后，在如氫氣這種還原性的某種氣氛中加熱而進行軟釬焊。若在氫氣氛中加熱載置有成形焊料的工件，則使工件和成形焊料的表面附著有氫的氧化物被還原除去，并使熔化了的焊料潤濕。
在要求有高可靠性的芯片焊接這樣的工件中，因為留有助焊劑殘渣的焊膏不能使用，所以要使用成形焊料。所謂芯片焊接是用焊料把電路板和半導體元件接合起來，軟釬焊是通過在電路板半導體元素間放置成形焊料，在還原氣氛中加熱來進行。
可是若在電路板上放置成形焊料和半導體元件并加熱，則成形焊料在熔化時，熔化了的焊料會因半導體元件的重量從軟釬焊部間被擠出，軟釬焊部間的焊料的量變少。借助焊料的接合是在軟釬焊部間存在有適量的焊料，從而能夠發(fā)揮出充分的接合強度，但是若如芯片焊接這樣，軟釬焊部間的焊料因放置在其上的半導體元件的重量而被擠出，則接合強度變弱。
因此一直以來，為了使軟釬焊部間留有適當?shù)拈g隙，從而在軟釬焊部間保留適量的焊料，故在軟釬焊部間夾入多個Ni、Cu、Ag、Fe、Mo、W等比焊料熔點高的高熔點金屬粒(以下僅稱為金屬粒)。軟釬焊時，因為要另行將金屬粒放置在軟釬焊部間，所以非常費事而效率低下，因此使用的方法是預先使金屬粒分散在成形焊料中。
作為分散有金屬粒的成形焊料的制造方法有氣體壓接法和熔融法。所謂壓接法就是在一塊板狀焊料上放置多個金屬粒，使其在一對輥間通過而將金屬粒埋入板狀焊料中，之后以沖壓機穿通(專利文獻1)，在兩塊板狀焊料中留有金屬粒并呈三明治狀后以沖壓機穿通(專利文獻2)。
所述熔融法就是使金屬粒分散于熔融焊料中后，將熔融焊料澆注到鑄模而成為坯料，通過擠壓加工使該坯料成為板狀焊料后再穿通的方法(專利文獻3)。專利文獻3所述的熔融法首先對金屬粒的表面實施電解鍍或無電解鍍。接著將該金屬粒和助焊劑的混合物投入熔融焊料中攪拌，其后澆注到鑄模中成為坯料。然后將坯料軋制成板狀，通過沖壓成形為規(guī)定成狀的成形焊料。
專利文獻1特開平3-281080號公報專利文獻2特開平6-285686號公報專利文獻3特開平6-31486號公報可是，通過壓接法得到的成形焊料是將金屬粒機械性地埋入板狀焊料并夾在板狀焊料間，因此金屬粒不會與焊料潤濕。就是說由于金屬粒和焊料無法金屬性的接合，所以若將該成形焊料夾在軟釬焊部間并使成形焊料熔化，則金屬粒與軟釬焊部接觸的部分無法金屬性的接合。該狀態(tài)變成金屬粒和和軟釬焊部無法接合。因此軟釬焊部和焊料的接合面積變小，接合強度不能充分地變強。另一方面，由現(xiàn)有的熔融法得到的成形焊料由于金屬粒和焊料無法金屬性的接合，所以成為軟釬焊部間整體接合的狀態(tài)。然而在由現(xiàn)有的熔融法得到的成形焊料中，軟釬焊部間存在的金屬粒的粒徑變小，以致完全消失而不能得到規(guī)定的間隙。其結果是，電路板和半導體元件間的焊料量仍然很少而有接合強度變弱這樣的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明者們就由現(xiàn)有的熔融法得到的成形焊料中，金屬粒的粒徑變小以致消失的原因加以銳意研究，其結果發(fā)現(xiàn)，這是由于金屬粒熔進了熔融焊料中。即現(xiàn)有的熔融法中，是把金屬粒在熔融焊料中潤濕，同時將用于與成形焊料混合的、成為最終分配量的少量的金屬粒直接投入大容量的熔融焊料中，因此在該熔融焊料中使金屬粒均一分散要花費很長時間。在現(xiàn)有的熔融法中，均一分散要花費長時間的結果是，金屬粒熔進熔融焊料中從而粒徑變小，以致金屬粒完全消失。之所以金屬粒比焊料熔點高，本該在焊料的熔化溫度下不會熔化，但是金屬粒卻熔進了熔融焊料中是基于如下理由。即，若金屬粒的表面被焊料潤濕，則在潤濕的部分在焊料和金屬粒間發(fā)生原子的擴散而合金化。若高熔點金屬和焊料合金化，則因為那部分的熔點下降，所以金屬粒的合金化了的部分熔進熔融焊料中。如此由于金屬粒一點點熔進熔融焊料中，金屬粒的粒徑變小，進而完全消失了。因此本發(fā)明者們著眼于，在將金屬粒投入熔融焊料時如果金屬粒短時間內分散到熔融焊料中，則金屬粒不會減少，從而完成本發(fā)明。
本發(fā)明是一種高熔點金屬粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于包括制作分散有高熔點金屬粒相對于焊料量的混合量為5～30質量％的金屬粒的混合母合金的工序；在熔融焊料中投入混合母合金使高熔點熔融焊料相對于熔融焊料的混合量為0.1～3質量％并進行攪拌的工序；將混合有規(guī)定的金屬粒的熔融焊料鑄入鑄模而制作坯料的工序；將坯料加工成板狀焊料后形成規(guī)定形狀的成形焊料的工序。
可是，本發(fā)明的混合母合金和一般在使金屬合金化時使用的母合金的使用方法相近，但是構成不同。所謂一般的合金中使用的母合金是將添加的金屬元素以高濃度添加到熔融金屬而完全熔解，在實際配合成規(guī)定的組成時使母合金變稀而使用。另一方面，所謂本發(fā)明的混合母合金是不使高熔點金屬粒而以金屬粒的形狀混合分散到焊料中，在形成實際的配合量時計量混合母合金而投入到熔融焊料中。
根據(jù)本發(fā)明，預先制作以高配合混合了金屬粒的混合母合金，使金屬粒的配合成為規(guī)定量的方式計量該混合母合金并投入熔融焊料中，因此將混合母合金投入熔融焊料以后只進行短時間攪拌，金屬粒便均一地分散在熔融焊料中。然后將均一分散了金屬粒的熔融焊料直接澆注到鑄模中而成為坯料。在本發(fā)明中，制作混合母合金時，將混合母合金投入熔融焊料中攪拌時，因為各自向鑄模澆注時的工序在短時間內進行，所以金屬粒與熔融焊料接觸的時間非常短就行。因此由本發(fā)明得到的成形焊料，金屬粒很少熔進熔融焊料中，而是基本以保持原形的狀態(tài)分散在成形焊料中。因此，由本發(fā)明得到的成形焊料，金屬粒被熔融焊料潤濕，而且能夠使軟釬焊部間保有規(guī)定的間隙，所以能夠發(fā)揮焊料原有的接合強度。
具體實施例方式
為了使金屬粒均一分散在熔融焊料中，并且在軟釬焊時完全釬接工件的釬焊部和金屬粒，金屬粒必須完全被熔融焊料潤濕。如果是Ag和Cu這樣容易被熔融焊料潤濕的金屬，則只使用助焊劑便可容易地跟熔融焊料潤濕，但是像Ni、Mo、Cr、W這樣的金屬粒因為難以被熔融焊料潤濕，所以不能只用助焊劑潤濕。這種難以被熔融焊料潤濕的金屬粒需要預先進行表面處理。作為金屬粒的表面處理有氫凈化處理和鍍敷處理。所謂氫凈化處理是通過在充滿氫的氣氛中加熱金屬粒，從而將附著在金屬粒表面的氧化物還原除去。另外所謂鍍敷處理就是鍍敷即使熔解于熔融焊料中也不會劇烈改變焊料的成分和特性的金屬元素。作為該金屬元素與焊料所使用的成分為同一成分，例如如果是Sn-Ag-Cu焊料，則為Sn、Ag、Cu等金屬元素，作為即使熔進熔融焊料中也不會劇烈改變焊料特性的元素還有鍍敷量極少的Au。
在本發(fā)明中，金屬粒不是以規(guī)定量的方式直接投入到熔融金屬中，而是一次性制作按高配合混勻有金屬粒的混合母合金，將該混合母合金投入熔融焊料中。作為按本發(fā)明制作混合母合金的方法有將混合了助焊劑和金屬粒的混合物直接投入成為母合金的熔融焊料中的方法；和將助焊劑、金屬粒、粉末焊料的混合物放入耐熱性的容器之中加熱，使粉末焊料熔化后進行冷卻固化的方法。
在本發(fā)明中，首先使比分散在成形焊料中的金屬粒量多的金屬粒分散，而且在被熔融金屬潤濕的狀態(tài)下制作混合了的混合母合金。該混合母合金中的金屬粒的混合比例以5～30質量％為宜。軟釬焊部間的金屬粒的分散狀態(tài)如果是理論上的最低4個，則能夠使軟釬焊部間處在平行狀態(tài)而保持一定的間隙，但是若此4個金屬粒排列在直線上，固定在一處，則軟釬焊部間不平行并無法保有一定的間隙。即金屬粒優(yōu)選在軟釬焊部全域分散。例如采用芯片焊接中被非常大量使用的10×10(mm)的坯料對半導體元素和電路板進行軟釬焊時，必須在這些工件的軟釬焊部間分散至少10個以上的金屬粒。若混合母合金中的金屬粒的比例比5質量％少，則不能使成形焊料中分散適量的金屬粒，若混合超過30質量％，則制作母合金時金屬粒固定而無法均一分散在熔融焊料中。
接下來就本發(fā)明的實施例和比較例進行說明。
(實施例)(1)在氫氣氛中加熱80μm的Ni粒對表面進行凈化。
(2)把表面清潔好的Ni粒10g、和膏狀助焊劑90g、和Sn-3Ag-0.5Cu的粉末焊料混勻而成為膏狀混合物。將該混合物放入鑄鐵制的鑄桶之中，用燃氣爐加熱鑄桶在250℃使粉末焊料熔化，同時用金屬制壓勺攪拌熔融物約30秒之后澆注于5×10×50(mm)的鑄模中，制作棒狀的混合母合金。該母合金的Ni粒的含量為10質量％。
(3)先將Sn-3Ag-0.5Cu的無鉛焊料約80Kg在熔解鍋中熔解，從該熔解鍋把熔融焊料10Kg倒入熔融金屬澆注裝置，并將前述混合母合金30g倒入熔融金屬柱等裝置，用攪拌裝置攪拌約10秒鐘。其后，將分散有Ni粒的熔融焊料澆注到坯料用的圓筒型鑄模，急冷鑄模而制作坯料。
(4)用擠壓裝置將坯料加工成厚5mm、寬20mm的棒狀焊料，用軋制機將該棒狀焊料軋制成厚0.1mm、寬15mm，加工成為板狀焊料。然后用沖壓機穿通該板狀焊料而成形為10×10(mm)的坯料。
(比較例)(1)對80μm的Ni粒的表面進行Cu的電解鍍。
(2)把表面鍍有Cu的Ni粒10g和膏狀助焊劑10g混勻而成為膏狀混合物。
(3)先將Sn-3Ag-0.5Cu的無鉛焊料約80Kg在熔解鍋中熔解，在該熔解鍋之中的熔融焊料中投入前述膏狀混合物160g。投入膏狀混合物后，在金屬制鑄桶中攪拌熔融焊料約60秒，使Ni粒分散在熔融焊料中。其后，將分散有Ni粒的熔融焊料澆注到坯料用的圓筒型鑄模，急冷鑄模而制作坯料。
(4)用擠壓裝置將坯料加工成厚5mm、寬20mm的棒狀焊料，用軋制機將該棒狀焊料軋制成厚0.1mm、寬15mm，加工成為板狀焊料。然后用沖壓機穿通該板狀焊料而成形為10×10(mm)的坯料。
切斷由上述實施例和比較例得到的坯料的四角用顯微鏡觀察時，由實施例得到的坯料在四角上存在大量Ni粒，其直徑為70～80μm。另一方面，由比較例得到的坯料雖然在四角上存在Ni粒，但是其直徑為10～70μm而偏差變大。
工業(yè)上的利用可能性由本發(fā)明得到的成形焊料不僅能夠用于芯片焊接，而且還能夠用于將半導體元件收納在容器內并蓋上的這種蓋罩(coat lid)的軟釬焊。
權利要求
1.一種高熔點金屬粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，包括制作分散有高熔點金屬粒相對于焊料量的混合量為5～30質量％的金屬粒的混合母合金的工序；在熔融焊料中投入混合母合金使高熔點金屬粒相對于熔融焊料的混合量為0.1～3質量％并進行攪拌的工序；將混合有規(guī)定的金屬粒的熔融焊料鑄入鑄模制作坯料的工序；將坯料加工成板狀焊料后形成規(guī)定形狀的成形焊料的工序。
2.根據(jù)權利要求1所述的高熔點金屬粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，在制作混合母合金前，對高熔點金屬表面實施為了使高熔點金屬粒容易被熔融焊料潤濕的表面處理。
3.根據(jù)權利要求1所述的高熔點金屬粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，混合母合金是將混合有助焊劑和高熔點金屬粒的混合物投入熔融焊料中而制成。
4.根據(jù)權利要求1所述的高熔點金屬粒分散成形焊料的制造方法，其特征在于，混合母合金是通過將混合有助焊劑、高熔點金屬粒和粉末焊料的混合物加熱使粉末焊料熔化而制成。
全文摘要
現(xiàn)有的成形焊料制造方法是在熔融焊料中直接投入規(guī)定量的高熔點金屬粒，之后使高熔點金屬粒分散，因此需要攪拌很長時間。為此在現(xiàn)有的成形焊料制造方法中，高熔點金屬粒會熔進熔融焊料中而粒徑變小。若是用這種粒徑變小的成形焊料進行半導體元件和電路板的軟釬焊，則軟釬焊部間變窄，得不到充分的接合強度。在本發(fā)明中，首先制作高熔點金屬粒的配合量多的混合母合金，將該混合母合金投入熔融焊料中并使高熔點金屬粒分散，因此能夠在短時間內使高熔點金屬粒均一地分散在焊料中。因此，由本發(fā)明的成形焊料制造方法得到的成形焊料，由于能夠使軟釬焊部間保有規(guī)定的間隙，所以接合強度充分。
文檔編號B23K35/00GK101001716SQ200580026759
公開日2007年7月18日 申請日期2005年5月9日 優(yōu)先權日2004年6月8日
發(fā)明者上島稔, 石井隆 申請人:千住金屬工業(yè)株式會社