[发明专利]无铅焊膏

说明书

技术领域

本发明涉及用于电子设备的钎焊的焊膏，特别是Sn-Zn系无铅焊膏。

背景技术

作为电子设备的钎焊方法，有烙铁焊法、波峰焊法、回流焊法等。

回流焊法是将由焊料粉和助焊剂构成的焊膏通过印刷法和吐出法仅涂布在印刷电路板的需要处，在该涂布部位搭电子元件之后，用回流炉这样的加热装置使焊膏熔化，从而对电子元件与印刷电路板进行钎焊的方法。该回流焊法不仅通过一次作业就能够钎焊多处，而且针对间距狭小的电子元件也不会发生桥连(bridge)，并且可进行在不必要处不附着焊料这样的生产性和可靠性优异的钎焊。

可是，现有的用于回流法的焊膏，焊料粉是Pb-Sn合金。该Pb-Sn合金其共晶组成(Pb-63Sn)熔点为183℃，因为对于不耐热的电子元件热影响少，另外钎焊性优异，所以具有未焊满和半润湿(dewetting)等钎焊不良很少发生的特长。用使用了这种Pb-Sn合金的焊膏钎焊的电子设备变旧而发生故障时，不进行功能升级和处理，而是被废弃处理。废弃印刷电路板时，进行焚烧处理再进行填埋处理，但是之所以进行填埋处理，是由于在印刷电路板的铜箔上金属性地附着有焊料，而铜箔与焊料不能分离并再使用。若此被填埋处理的印刷电路板与酸雨接触，则焊料中的Pb溶出，其使地下水受到污染。而后，若含有Pb的地下水长年累月被人和家畜饮用，则有可能引起Pb中毒。因此，从电子设备业界开始强烈要求不含Pb的所谓“无铅焊料”。

所谓无铅焊料，是以Sn为主成分，现在使用的无铅焊料，除了Sn-3.5Ag(熔点：221℃)、Sn-0.7Cu(熔点：227℃)、Sn-9Zn(熔点：199℃)、Sn-58Bi(熔点：139℃)等的二元合金以外，还有在其中适宜添加了Ag、Cu、Zn、Bi、In、Sb、Ni、Cr、Co、Fe、Mn、P、Ge、Ga等第三元素的。还有本发明中所说的“系”，是指合金本身或以二元合金为基础添加一种以上第三元素的合金。例如所谓Sn-Zn系，是指Sn-Zn合金本身或在Sn-Zn中添加了前述一种以上第三元素的合金，所谓Sn-Ag系是指Sn-Ag合金本身或在Sn-Ag中添加了一种以上前述第三元素的合金。

现在大多使用的Sn-Ag系、Sn-Cu系和Sn-Ag-Cu系无铅焊料，因为熔点在220℃以上，所以若用于焊膏并在回流焊法中使用，则回流时的峰值温度达250℃以上，存在使电子元件和印刷电路板受到热损伤这样的问题。

Sn-Zn系无铅焊料合金接近现有的Pb-Sn共晶焊料的熔点，例如Sn-9Zn共晶的无铅焊料其熔点为199℃，在现有的Pb-Sn共晶焊料的回流温度曲线(reflow profile)下可以使用。因此对于电子元件和印刷电路板的热影响也少。然而，Sn-9Zn共晶的焊膏因为润湿性差，所以大多使用的焊膏是使用在Sn-Zn共晶附近的合金中添加了Bi的Sn-8Zn-3Bi无铅焊料。这些Sn-Zn系无铅焊料，因为熔点接近现有的Sn-Pb焊料，而且使用了对人来说是必须成分的Zn，所以与其他的无铅焊料相比对人体无害，Zn与In、Ag、Bi等比较，具有在地球上的储量更多，价格也更便宜等比其他无铅焊料更优异的特性。因此，尽管钎焊性差，但是作为焊膏用的焊料，特别是Sn-Ag系无铅焊料，被用于元件没有耐热性就不能使用的印刷电路板上。

但是，Sn-Zn系无铅焊料，在一般所使用的FR-4这样的Cu焊盘的印刷电路板上进行钎焊后，若放置于高温下，则存在钎焊的接合强度降低的问题。这是由于，Zn和Cu的反应性高，因此在使用Cu焊盘的基板时，若长期持续高温的状态，则Sn-Zn系无铅焊料中的Zn通过合金层进入到Cu中，使被称为克氏空洞(カネンダルボイド Kirkendall void)的金属间化合物与焊料间发生大量的孔隙，使钎焊的接合强度降低，可靠性受损。因此，在使用Sn-Zn系无铅焊料时，上于必须镀Au，所以会产生电子设备的制造成本高涨的问题。

另外，将Sn-Zn系无铅焊料钎焊到Cu焊盘的印刷电路板时，作为使接合强度降低的要因是湿度。若湿度高则Zn氧化，容易变成Zn2+离子，Sn-Zn系无铅焊料中的Zn容易通过合金层进入到Cu中，使大量孔隙发生。若湿度处于80％以上，则该现象在温度为100℃以下时也显著显现。另外，孔隙在结露时也容易发生，成为使焊料的强度降低的原因。