钎焊沉淀焊剂和沉淀钎焊的方法

专利名称：钎焊沉淀焊剂和沉淀钎焊的方法
技术领域：
本发明是涉及适于电子元件焊接的一种钎焊沉淀焊剂及使用它进行沉淀焊接的方法。
用于电子元件的表面安装技术业已得到广泛运用以利于制作轻、巧并且结构紧凑的电子装置。按照这种技术，在一块印刷电路板的焊接区涂上一种焊剂并将各个电子元件放置该处。带有电子元件的该印刷电路板放进一个软熔炉内熔化该焊剂，从而电子元件的那些导线即被钎焊到该印刷电路板的各焊点上。
采用这种技印的一种焊剂的配制乃是通过把一种焊接合金粉末散入诸如一种溶剂油、具有高沸点溶剂的助溶剂使之得到一个预定的粘度，从而得到这种焊剂。
使用这种焊剂的一种方法可被用于导线间距约为0.65毫米的一种绕线模式。然而该方法不能被用于更小绕线模式是由于这种情况即会形成桥接(例如，采用这种钎焊，焊点间导通)。这种方法不能适应电子线路更大规模集成密度的发展趋向。
为了解决上述难题，提出一种有机焊剂，其中锡或者铅被结合进有顺丁烯二或反丁烯二加合物的松香(amaleicorfumaricadductofrnsin)，并随着加热，一个金属成分消除而析出焊剂(日本专利申请号61-72044)。然而，为了增加该金属成分，这样来配制这种有机焊剂即变换松香进顺丁烯二式反丁烯二加合物，以引入一种羧酸，并且锡或铅引入该羧酸内。因此，这种合成的有机焊剂在有机溶剂中的溶解性是很差的。故此，控制该有机焊剂的粘度和在微型绕线模式中采用它是困难的。
本发明是在考虑了上述现有技术中的难题后做出的，其目的是提供一种新的钎焊用的沉淀焊剂，它适用于细微模式的钎焊或形成一种焊接凸起，以及使用这种钎焊沉淀焊剂的一种析出式的钎焊方法。
如由本发明申请人之一提出申请的日本专利申请62-120863中所叙述的那样，当诸如松香酸被溶解于一种适当的溶剂中(如角鲨烯)，及酸之构成该金属盐的金属具有更高电离能级的一种金属被浸没在该合成溶液中时，构成该金属盐的一种金属就能被沉淀析出于该浸入的金属表面之上。
本发明利用了由于上述的那种电离能级差使能沉淀析出一种金属的这一现象。更具体地说，具有构成该焊接合金的金属中最高电离能级的一种金属的粉末被混合于该剩余的一种或几种金属(例如较之该金属粉末具有较低电离能级的该焊接合金中的任何其他的金属)和一种羧酸间的一种盐内。还可以是，并非构成该焊接合金的一种金属粉末，被混合于构成该焊接合金的那些金属与一种羧酸间的一种盐内。这种合成的混合物被用于打算进行焊接的一块印刷线路板上的某一部分。该混合物被加热到一个预定温度(例如接近该焊剂熔点的某一温度)，该焊接合金即行析出，从而完成焊接。该钎焊沉淀析出的机制尚不大清楚，但或许可作如下的假设。一种羧酸的金属盐被分解产生自由的金属离子，而这些离子由于存在于其间的一个离子能级差被传送到那些金属粉末颗粒处，并因为一种置换反应，作为该金属颗粒表面上的一个金属。它们被析出。于此同时，这些沉淀析出的金属颗粒被熔化并被混合，并以一种焊接合金形式被析出。
按照这种方法，当本发明的一种合成物被用到包括有非焊接区部分(例如一个非金属部分)的印刷电路板上的一系列焊接点，并被加热时，该焊剂就会有选择地仅在焊接部分上形成沉淀析出。这种有选择的钎焊沉淀，通过本发明的一种合成物，在用通常焊膏时以前会形成桥接的微型模式中被成功地完成。换言之，业已发现本发明的这种钎焊沉淀焊剂对于细微模式具有极好的软焊性。
本发明的这种钎焊沉淀焊剂较之普通焊膏具有对细微图形模式具有更好软焊性是因为这样一种事实，即伴随着加热，在金属颗粒的表面发生了一种化学反应，并且在本发明的这种合成物中能够维持一种非常活跃的表面状态。本发明的这种合成物的优点还基于这种事实，即在这种合成物中的该金属粉末成分能比通常焊膏中的少，这将在本发明的示例中得到解释;并且该金属颗粒的移动性能够因此得以增大。在普通焊膏中，该焊剂颗粒密度相当大，并一加热即被熔化。因此，位于非焊点部分的那些焊剂会仅因为该熔化的焊剂的一种表面张力作用被集中到该焊接点上。当这些焊点间距很小时，其间即趋向形成桥接。


图1至3是用以解释根据本发明的焊剂的一种沉淀析出方法用于电子元件焊接示例的剖视图。
当本发明的析出沉淀的一种焊剂是一种锡-铅焊接合金时，由一种羧酸的氢原子所置换而形成一种盐的该金属则是铅，而该金属颗粒则由锡组成。如果析出沉淀的一种焊剂是一种铟-锡-铅焊接合金，被该羧酸的氢原子置换而形成盐的那些金属则是锡和铅，而该金属颗粒则由铟组成。
用该焊接合金成分中具有一个较低电离能级的一种金属置换羧酸中的氢原子而得到的这种盐，可以包含一种具有该焊接合金成分中较高电离能级的一种金属的盐。例如，一种羧酸的含铅的一种盐就可以是一种同时含铅和锡的一种羧酸锡-铅。应当注意，该羧酸锡在该焊剂的沉淀析出上几乎没有影响。
根据本发明的这种钎焊沉淀焊剂可被作成如下所述的一种糊状。由羧酸和一种具有较低电离能级、并作为构成该焊接合金成分之一的金属形成的一种盐，被溶解在一种溶剂中。然后，具有较高电离能级，并作为构成该焊接合金成分之一的一种金属的粉末和一种粘度稳定剂被加入到该合成的混合物中。当一种羧酸的金属盐是一种液体时，一种金属粉末和一种粘度稳定剂被加入这种液态金属盐中以配制成一种膏糊。这种类似浆糊的钎焊沉淀焊剂能被用作屏幕喷涂，或是通过与普通焊膏采用相同方式的一个分配器或其类似装置，施用到一个需要钎焊的部位。
该钎焊沉淀焊剂中该盐对该金属粉末的比随着被配制的焊接合金的成分比而变化。由于在该焊剂的沉淀析出过程中从该盐中分离出来的那些自由金属离子会与该粉末的金属原子发生置换反应，该粉末的金属、及在盐中的金属的重量及原子量则必须加以考虑。根据本发明的该钎焊沉淀焊剂中，该盐对该金属粉末的比是这样被确定的，即金属p的粉末重量Wp对含于盐中的金属s的重量Ws的比由下式给出Wp/Ws＝Ap/As+Mp/Ms……(1)其中，
As被配制的一种焊接合金中的金属s的重量，Ap被配制的该中焊接合金中的金属p的重量，Ms金属s的原子量，Mp金属p的原子量。
如果方框(1)被给出，具有一个所要求的成分比的钎焊则可在该盐和该金属粉末间的一个反应结束时沉淀析出。举例来说，当以一种62锡-38铅的共晶体合金被沉淀析出的一种焊剂，其盐和锡粉就按照其铅的重量对该锡粉的重量比为10∶22来混合。
但是，本发明并不限于这样的一种成分比。甚至当比率Wp/Ws小于上述值Ap/As+Mp/Ws(例如，该金属量比由方程(1)确定的金属p的量要小)，一种所要求的焊接成分仍能通过控制加热时间而得到。更具体地说，当金属粉末的量作得低于由方程(1)确定的金属p的量时，并且当该置换反应进行到某种程度时，中断加热，因此反应也中断。甚至当金属粉末的量小时，具有一种所要求成分比的焊接仍可被析出。
当一种锡-铅焊剂是在例如一个镀锡部分上沉淀析出时，那未被喷涂的锡也会促进这种置换反应。因此，锡粉的量就可以作得低于按上述要求比率中的金属p的量。
混合一种金属粉末与一种羧酸的金属盐具有三种方法。这些方法将以例举一种锡-铅焊剂的配制而得到解释。按所述第一种方法，当羧酸铅被加热到其熔点或略高时，锡粉加入混合。按照第二种方法，当羧酸铅被溶解在一种适当的溶剂中时，加入锡粉与之混合。按照第三种方法，锡粉与一种液态羧酸铅混合。按第一种方法配制的一种合成物必须被用于一种金属表面的场合，此时当该羧酸铅被加热至其熔点时(例如，对于一种松香酸的铅盐是140°-150℃)，形成沉淀析出的一种钎焊即在该金属表面上形成。由第二或第三种方法配制的一种合成物的粘性可以通过添加进一种粘度稳定剂来加以调节。因此，这种合成物被用到那种金属表面上时，其上就会以与普通焊膏相同的方式，完成沉淀析出形式的钎焊。
这种钎焊沉淀焊剂被用于该表面之后，该合成物被加热至185°-260℃间，最好是185至225℃，尔后，这种锡-铅钎焊在该金属表面上沉淀析出。
根据本发明的，与一种金属构成盐的一种典型的羧酸是具有1至40个碳原子的一种一元羧酸或二羧酸。这样一种羧酸的例子有低脂肪酸(如甲酸，醋乙酸，和丙酸);从动物油或植物油中获得的脂肪酸(如己酸，辛酸，十二酸，十四酸，十六酸，十八酸，油酸及亚油酸);从有机合成反应中获得的各种合成酸(如2，2-二甲基戊酸，2-乙基己酸，异壬酸，2，2-二甲基辛酸和n-十一酸);树脂酸(如海松酸，冷酸，脱氢枞酸及二氢枞酸);由从石油和高油脂酸或大豆脂肪酸中获得而合成的一元羧酸配制的二聚物酸(如环酸);二羧酸(如，从乙酸纤维素(rhodin)转换成二聚物中获得的聚合的乙酸纤维素(polymerizedrhodin);以及其中两种合成物的一种混合物。
在本发明中，一种沉淀钎焊也可以通过结合构成该焊接合金中金属的该羧酸盐和构成该焊接合金的金属以外的一种金属而完成。。例如，锌和铟是已知的作为不包括于在构成焊接合金金属内的两种金属，而锡和铅则是已知的作为构成该焊接合金的两种金属。在此情况下，对于这些金属的结合，锌-锡-铅和铟-锡-铅两种系统则是可能的。由于这些金属的离子化趋向分别已知为锌＞锡＞铅和铟＞锡＞铅，所以它们的反应程序即如下列公式所表示的那样In+(R-Sn+R-Pb)→Sn-PbZn+(R-Sn+R-Pb)→Sn-Pb〔其中R-Sn和R-Pb分别是锡(Sn)和铅(Pb)的羧酸盐〕。
当锡和铅的置换一旦由铟(In)和锌(Zn)所完成，一种锡铅合金即在那些已经施用了这些系列的合成物的那些地方以沉淀形式析出。
在此情况下，根据上述方法的这种钎焊即可在所要求的部位以沉淀析出。
本发明将通过实例得到详细地描述。
例1松香酸铅盐被加热至140°到150°的温度范围，随即熔化，同时一种锡粉混合进该熔化的铅盐内(相对10克的松香酸铅盐掺入5克的锡粉)，这样配制成一种钎焊沿淀焊剂。这种被熔化的合成物被施用到一个试验基片上，该基片则是在一块绝缘基片上作有一种镀锡的铜膜图形而成。当这种合成物被冷却并凝固之后，它又被加热到200℃并保持2分钟，因此在该调膜图形上即形成沉淀钎焊。
例2一种合成物(锡∶铅＝6∶4;以5克的锡相对10克的松香酸的锡-铅盐)，它是由混入锡粉进到一种松香酸的锡-铅盐内得到，将其熔化后施用到如例1的试验基片上。当该合成物已被冷却而且凝固之后，再被加热到200℃保持2分钟，因此形成沉淀钎焊。
控制1除了其中不掺入锡粉外，按例2重复相同的步骤，即形成沉淀钎焊。
以上结果被列入表1。
表 1
对于该模式具有好的软焊性，形成大量的沉淀○对于该模式具有好的软焊性，形成相对大的沉淀量△少量沉淀例1和例2中使用的锡粉可采用Fukuda金属膜粉末K.K.(FukudeMetalFilmPowderK.K.)的Sn-S-200(类似扇形的粉末)。但是当使用了同样是Fukuda金属膜粉末K.K.的Sn-At-250(针状粉末)或是Sn-At-W-250(不规则形状粉末)时，可以得到如上述例子中的相同结果。
当本发明的沉淀钎焊方法用于例如电子元件的钎焊时，电子元件4的带有锡镀层6的导线部分5使与有锡镀层3的焊点部分2相接触，如图1中所示，其位置是在印刷线路板1上。由混合有锡粉进入松香酸铅盐内而得到的合成物7被用在了该接触区，如图2显示的那样。重要的这部分被加热到形成沉淀钎焊8像一个凸起，如图3中所示，从而焊点部分2和导线部分5间形成钎焊。
一种类似浆糊的钎焊沉淀焊剂对于沉淀钎焊的应用将描述如下。
一种羧酸铅，一种溶剂，一种凝胶催化剂(一种粘度稳定剂)被填入一个内容积为4升的一个搅拌器，并且这种混合物被加热到180℃。这种混合物然后被搅拌30分钟，这样，这些组成即被溶解。30分钟后，该混合物被自然冷却到30℃，一种锡粉被加入其中，尔后，这样组成的混合物被揉和30分钟。依照此法配制而成表2中显示的示例11至18(E11至E18)的那些糊状钎焊沉淀焊剂。
室温下环酸铅呈现液相，而不加入溶剂。
这些合成物要对其喷涂性能，对细微图形模式的软焊性，钎焊性及清洁度等按下列方式进行试验。一种市场上可以获得的焊膏，作为控制11(C11)也采用相同方式被试验。
(1)喷涂性能上述合成物被连续地喷涂到一个标准屏幕上(这种纯洁的金属膜片具有200微米膜厚及0.3×10毫米的一个模式图形〔间距为0.65毫米〕)。这些成份被检验，以确定是否其中有断线及桥接的发生。没有断线和桥接的示以O，而有断线和桥接出现的示以X。
(2)对于细微模式的软焊性这些糊状钎焊沉淀焊剂被施用于一系列印刷线路板上，每个线路板按由一个玻璃环氧树脂板上用一铜膜制成间距为0.15毫米的相同间距的图形模式准备好，TAB(自动焊接带)承载朝外的导线并喷涂有锡的该组成模式图形。这样TAB上的元件即被暂时地固定在这些板上。当这些板被在一个220℃的热板上加热10分钟之后，它们随即被浸没在氯森中并被清洗90分钟，因此得到这些评定板。这些板被放到放大倍数为100倍的显微镜下观察以检验那些TAB上外导线的0.15毫米间距间的桥接。没有桥接的示以O，而有桥接出现的示以X。
(3)钎焊性能每块评定块上的全部TAB上外接导线引线(300根引线)被检验，以确定它们是否被焊接到该印刷线路板上了。具有所有引线焊接到板上去的一个试样被示以O，而一个有某些引线没有焊到该板上去的试样示以X。
(4)清洁度这些评定板还被确定其上有无残存物。没有残存物的示以O，稍微有残存物的示以△。
该沉淀钎焊合金的这些焊剂及其评定结果概括成表3。
依据本试验的结果，发现相对普通焊膏(控制11)本发明的这些钎焊沉淀焊剂具有对微细图形模式有极好的软焊性及较好的清洁度。
本发明的每种糊状钎焊沉淀焊剂随喷涂及加热至高温情况下的凹下程度得到验试。为了消除该钎焊沉淀焊剂在高温下造成的凹下，考虑采用掺入诸如铝，硅胶或白碳粉等粉剂。深而，发现在每种合成物中掺入纤维素则更为有效。例如，按重量比48.5%的环烷酸铅(铅24%)，1.2%的蓖麻蜡(castor wax)，12.1%的松香，11.5%的纤维素和26.7%的锡粉组成的钎焊沉淀焊剂在25℃时粘度为1.2×108CPS。甚至当加热至220℃时，这种合成物也无凹下发生。
如上所述，按照本发明可以获得一种对微细图形模式具有极好的软焊性的钎焊沉淀熄剂。由于上述钎焊合成物允许电子元件以非常小的导线间距被表面安装于一个印刷线路板上。本发明促进了高集成密度并使电子设备的结构紧凑。
权利要求
1.一种钎焊沉淀焊剂其组成为一种金属的粉末，该金属在被配制的构成一种焊接合金的金属中具有最高的电离能级；和一种盐，它构成于该焊接合金中剩余的一种或多种金属及一种羧酸。
2.根据权利要求1的一种焊剂，其进一步的组成为一种溶剂和一种粘度稳定剂，它们与所述粉末和盐混合在一起以配制成一种膏糊状。
3.根据权利要求1的一种焊剂，其进一步的组成为一种粘度稳定剂，而其中所述盐具有液相，并且所述粉末，盐及稳定剂被混合以配制成一种膏糊。
4.根据权利要求1的一种焊剂，其特征在于金属p的粉末重量Wp对含于该盐中的金属s的重量Ws的比，例如Wp/Ws，等于或小于Ap/As+Mp/Ms其中，As被配制的焊接合金的金属s以重量表示的组分。Ap被配制的焊接合金的金属p以重量表示的组分。Ms金属s的原子量Mp金属p的原子量
5.根据权利要求1的一种焊剂，进一步的组成有防止凹下的一种催化剂。
6.根据权利要求5的一种焊剂，其特征在于所述防凹下的催化剂包括有纤维素。
7.一种钎焊沉淀焊剂组成有一种金属粉末，该金属不是被调制的构成一种焊接合金的那些金属;和至少两种金属的羧酸盐，这些金属具有比构成该粉末的金属低的电离能级，所述的至少两种金属被包含在构成该焊接合金的金属内。
8.一种钎焊沉淀的方法，由以下步骤组成准备一种钎焊沉淀焊剂，其组成为包括有配制的构成一种焊接合金的金属中具有最高电离能级的一种金属的粉末，及一种羧酸和所述焊接合金的一种或多种剩余金属间形成的一种盐;将所述焊剂施用到一个行将形成钎焊沉淀的表面上;和在该焊剂已被用于该表面之后，加热该焊剂。
9.根据权利要求8的一种方法，其特征在于钎焊的完成是通过该焊剂的沉淀析出。
10.根据权利要求8的一种方法，其特征为该合成物进一步由一种溶剂和与所述粉末和盐混合在一起的一种粘度稳定剂所组成，以配制成一种膏糊。
11.根据权利要求8的一种方法，其特征在于该合成物进一步由一种粘度稳定剂组成，并且其中所述盐为液相，而且所述粉末，盐，和粘度稳定剂被混合，以配制成一种膏糊。
12.一种钎焊的沉淀方法，由以下步骤组成准备一种钎焊沉淀焊剂，其组成为包括一种被配制的焊接合金的构成金属以外的金属的粉末，还有比构成粉末金属的电离能级要低的至少两种金属的羧酸盐，其中所述的至少两种金属是包括于构成该焊接合金的所述金属;将该焊剂施用于其上行将完成钎焊沉淀的一个表面;和当该焊剂业已施用于该表面之后，加热该焊剂。
13.根据权利要求12的一种方法，其特征在于钎焊是通过该焊剂形成沉淀析出而完成的。
全文摘要
一种钎焊沉淀焊剂由一种被配制的，构成一种焊接合金金属中具有最高电离能级的金属的粉末，以及由一种羧酸及该焊接合金的剩余的一种金属间形成的一种盐所组成。这种合成物施用于其上行往完成钎焊沉淀的表面，而后该焊剂形成沉淀析出，因此完成钎焊。
文档编号B23K35/22GK1044428SQ88106658
公开日1990年8月8日 申请日期1988年9月13日 优先权日1987年9月14日
发明者福永隆男, 中久雄, 小林健造, 河野政直, 入江久夫, 井上良 申请人:古河电气工业株式会社, 播磨化成工业株式会社