CN1197996A - 焊料合金及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊料合金,用于焊接电气或电子部件,其包3—12wt%锌组分和锡组分。焊料合金中的氧含量减少到100ppm或以下。利用焊料合金,在衬底上形成焊接部分,以及在其上装配电子部件,以便获得用于装配电子部件的衬底,和在其上装配电子部件的衬底。由上述焊料合金制成的焊接部分,可以防止迁移现象。

Description

焊料合金及其用途
本发明涉及用于焊接电子部件的焊接合金，用于装配电子部件的带有焊料合金的衬底，用来连接电子部件的衬底的连接件，装配电子部件的衬底。特别是，本发明涉及把电子部件连接到诸如电路衬底，印刷电路板衬底的衬底的工艺方法，采用无铅的金属化合成物，还涉及用于装配电子部件的衬底，其适用于无铅焊接工艺，由此获得装配电子部件的衬底，把设置在衬底上的构件连接到电子部件上。
焊接是利用低熔点的材料进行焊接物体的工艺，已经采用很长时间了。据说焊接的起源可追溯到古代Mesopotamian文明。在现代工业中，焊接广泛起用于焊接电子器件，例如，把诸如半导体器件、微处理器、存储器、电阻之类的电子器件焊接到衬底上。其优点是不但利用焊料中包含金属的导电性把部件固定到衬底上，而且还形成电连接。这一点不同于有机系列粘接剂。通常利用的焊料是由锡和铅组成的共熔体焊料，共熔点是183℃。利用该焊料焊接铅或铜薄片材料。其特征是，该共熔点不仅低于要焊接基底材料的熔点也低于热固化物质开始气化的温度。并且众所周知，共熔体焊料的锡组分在界面上和铜板形成一种特别的金属间化合物，由此加强焊料和铜之间的焊接强度。除了由具有上述特性的锡和铅组成的共熔体焊料以外，还在试验中试用锡和锌组成的焊料、银和锡组成的焊料等。但是，它们的湿润性是不好的，因此提供不良的连接性。实际上各领域不使用它们。
如上所述，焊接在制造电子器件方面仍然是重要的。在现代，个人电子器件，例如，个人计算机，移动电话，和寻呼机等个人电子器件已广泛使用，这更加强了电子器件装配技术中焊接的重要性。
电子器件的广泛应用，丰富了人们的生活。但是，相反，如果废弃不用的大量电子器件，恐怕报废的电子器件会污染环境。
从上述情况可知，要求利用不包含铅的焊料，进行焊接工艺。但是，在可能避免因高温影响基底金属的低温下，不能处理用其它金属或包含其它金属混合物的焊料代替含铅的焊料。而且其湿润性是不良的，以致于不能满意地把焊料固定到基底金属上。这样，上述焊料既不能用于诸如装配半导体器件的精细焊接处理，也不能用于利用焊料进行的通用的焊接。特别是，含锡锌焊料存在很多问题，不能解决，因此，认为实际上在电子装配方面不可能利用它。
为了在精细焊接制造中，例如，厚膜形成，导体电路形成，半导体装配，能采用不含铅的焊料，已经提出了利用其中混合焊料粉末和助熔剂的焊膏，进行丝网印刷的方法。
通常把在焊膏中使用的助溶剂分类为有机化合物，无机化合物和树脂。在利用有机化合物或树脂的情况，经常把作为活性组分的卤盐、有机酸盐、有机酸之类材料和氨基加入焊料中。在利用无机化合物的情况，经常加入卤化铵、卤化锌、卤化锡、磷酸、卤氢酸等。因为这些添加剂腐蚀金属，而且回流焊膏后必然留下回流残渣，所以观察到腐蚀情况。但是，必需要处理在加热焊膏除去且熔剂蒸发的有机物质。
因此，本发明的目的是提供一种替代铅的包含金属的焊料，广泛用于各种领域，而当利用上述含铅的废弃的焊料时，其可能引起环境污染，代替铅的金属焊料适用在衬底上装配电子部件。
本发明的另一目的是提供一种衬底，其利用可广泛使用的含代替铅的金属焊料焊接部分，装配电子部件。
本发明的又一目的是提供一种装配电子部件的衬底，利用可广泛使用的含代替铅的金属焊料，在其上装配电子部件。
本发明的再一个目的是提供具有焊接部分的装配电子部件的衬底，可防止迁移。
按照本发明的用于焊接电气的或电子部件的焊料合金，包括：大约3-12wt％的锌组分，锡组分，其中焊料合金中的氧组分减少到100ppm以下。
焊料合金最好基本上不包括铋(Bi)组分和铟组分。
焊料合金基本上是二元合金，主要由锌和锡组分构成，除了锌和锡组分以外的其它金属组分小于0.1wt％。
按照本发明的基本上二元焊料合金，用于焊接电气的或电子的部件，主要组成如下，大约3-12wt％锌组分，其余是锡组分，氧含量在100ppm以下。
而且，本发明的用于装配电子部件的衬底包括：在衬底上设置的导电焊接构件，在导电焊接构件上由焊料合金形成的焊接部分，其中焊料合金由锌和锡组分构成，在导电焊料构件和焊料部分界面有第1层，聚集在第1层的锌含量大约为70wt％以上。
衬底中的第1层厚度大约为1μm。
第1层锌量是88wt％以上。
焊料合金具有邻接第1层的第2层，第2层中的锌量是5.8-11.7wt％。
按照本发明其上装配电子部件的另一衬底，其包括：设置在衬底上的导电构件，连接电子部件和衬底上的导电焊接构件的焊接部分；由导电焊料构件上的焊料合金形成的焊接部分，其中焊料合金包括锌组分和锡组分，在导电焊接构件和焊接部分之间\界面具有第1层，聚集在第1层锌组分含量大约为70wt％以上。
按照本发明的用于装配电子部件的另一衬底，其包括：设置在衬底上的导电焊接构件；在导电焊接构件上由金属组合物形成的焊接部分，其中金属组合物包含锌组分和锡组分还包括一表面层，其中锌组分富集而锡含量最多大约为1wt％。
该衬底的表面层的厚度为大约30-120。
该衬底中焊料合金的锌组分含量是0.5wt％。
还有，按照本发明，装配电子部件的衬底包括：在衬底上设置导电焊接构件；连接电子部件和衬底上导电焊接构件的焊接部分，焊接部分由在导电焊接构件的金属组合物形成，其中金属组合物由锌组分和锡组分构成，并且还包括其中富集锌组分的表面层，锡组分最多是大约1wt％。
按照本发明，用于装配电子部件的衬底包括：设置在衬底上的导电焊接构件，在导电焊接构件上由焊料合金形成的焊接部分，其中导电的焊接构件具有顶面凹陷的侧面，在导电焊接构件与衬底垂直的横截面中，其显示为曲线。
在衬底中，凹陷的侧面具有马鞍形成或双曲线形状。
在衬底中，以小于100mm的半径在横截面中弯成曲线。
在衬底中，其中侧面包括两个不连续的面，以使在它们之间形成倾斜部分。
在衬底中顶面是凹陷的。
还有，按照本发明，利用金属组合物把电部件焊接到衬底上的方法，包括下列步骤：在电子部件和衬底之间设备金属组合物，该组合物包括6-12wt％的锌和锡；至少熔化金属组合物的表面，以便通过熔化的金属组合物粘润电子部件和衬底；固化熔化的金属组合物，由此，把电子部件焊接到衬底上。
按照本发明，利用金属组合物把电子部件焊接到衬底上的方法，其包括下列步骤：
在电子部件和衬底之间设置金属组合物；该金属组合物包括至少0.5wt％的锌和锡；至少熔化金属组合物的表面，以便用熔化的金属组合物粘润电子部件和衬底，固化熔化的金属混合物焊料，由此，把电子部件焊接到衬底上。
图1A是说明按照本发明具有用来安装电子部件的连接部件的衬底结构的横截面图，图1B的说明衬底连接部分表面的简图，图1C是说明连接部分的连接界面的简图；
图2A是按照本发明的用来安装电子部件的衬底的实施例的结构简图，图2B是安装电子部件的衬底的结构简图，在衬底上安装电子部件；
图3A是按照本发明的用来安装电子部件的衬底的实施例的结构简图，图3B是安装电子部件的衬底的结构简图，在衬底上安装电子部件；
图4A和4B表示用来说明一个实施例(图4A)和另一个实施例(图4B)的垂直横截面图，其中利用连接材料在衬底的连接构件上形成连接部分从安装电子部体；
图5A和5B表示用来说明一个实施例(图5A)和另一个实施例(图5B)的垂直横截面图，其中利用连接材料形成连接部分；涉及按照本发明用来安装电子部件的衬底的连接构件的实施例；
图6A和6B表示用来说明一个实施例(图6A)和另一个实施例(图6B)的垂直横截面图，其中利用连接材料形成连接部分；涉及按照本发明用来安装电子部件的衬底的连接构件的实施例；
图7A和7B表示用来说明一个实施例(图7A)和另一个实施例(图7B)的垂直横截面图，其中利用连接材料形成连接部分；涉及图6A和图6B中连接构件；
图8A和8B表示用来说明一个实施例(图8A)和另一个实施例(图8B)的垂直横截面图，其中利用连接材料形成连接部分；涉及按照本发明来安装电子部件的衬底的连接构件的另一个实施例；
图9A和9B表示用来说明一个实施例(图9A)和另一个实施例(图9B)的垂直横截面图，其中利用连接材料形成连接部分；涉及按照本发明来安装电子部件的衬底的连接构件的再一个实施例；
图10A和10B表示用来说明一个实施例(图10A)和另一个实施例(图10B)的垂直横截面图，其中利用连接材料形成连接部分；涉及按照本发明用来安装电子部件的衬底的连接构件的另一个实施例；
图11是表示按照本发明提供连接材料的装置的实施例的结构简图；
图12是按照本发明提供连接材料的装置的实施例的结构简图；
图13按照本发明提供连接材料的装置的另一个的结构简图；
图14是锌量的线性分析图，其中，按照本发明的连接材料的连接部分和用于安装电子部件的衬底连接构件之间连接界面附近，采用能量漫射型X-射线光谱分析。
要求焊料合金的特性是，(1)优良的湿润性，(2)加温焊接时不热损坏要焊接的器件，即熔化的温度是473K附近，(3)和基底金属反应不形成易碎的金属间化合物或脆裂层，(4)能自动化地供料(焊膏，焊接粉末等)，(5)在焊料合金中包含的金属化合物的氧化物不引起诸如不良的侵润，空隙，桥接等缺陷。特别是，在电子部件焊接的情况，由于要对精细部件进行焊接，所以为了把电子部件焊接到基底金属上，焊料合金的表面张力、粘滞性、流动性是重要的。虽然经常用常规的锡铅焊料，因为满足前述的要求，但是根据环境影响要求替换材料。
按照本发明的焊料是包含锡和3-12wt％锌的焊料，没有铅。锡和锌不有害地影响环境，因为具有高安全性，并且锡/锌合金可能满足对焊料的前述要求。
如图1所示，能溶解所有范围内的锡和锌，这样不管它们之间混合比率，而形成的合金不产生任何淀积。于是当把它们作为焊料时，它们有很好的连续性。特别是，包含3-12％的锡-锌合金具有低于493K(220℃)的温度，使它适合焊接。最适合焊接的组成是包含大约9wt％锌的锡-锌合金，具有471K(198℃)低熔解温度(液相温度)。即使锌的比率低于3wt％或高于12wt％，融化的温度也是高的。通常，据说如果电子部件的焊接温度低于10℃，则电子部件寿命变成两倍。这样，焊料合金的熔化温度低是很有效的。
利用所有组分范围的锌和锡形成的合金，是具有优良电导率的锡的溶解合金，其诸如电导率的特性和单质的特性相同。其对于通常在PC板等作为导体的铜的湿润性也是好的。因为锌比其电金属便宜，所以可能利用锡-锌合金作为焊料合金，用于大量电子器件中，大约和锡-铅焊料合金的价格同样便宜。
但是，通常认为锡-锌合金没有可能用作焊料的足够的粘润性，因此在锡-锌合金中混合铋(Bi)或银作为焊料。本发明发现，如果锡-锌合金焊料的氧是100ppm或以下，则锡-锌二元焊料适合湿润诸如铜等金属基底。因为氧使焊料合金易碎和显著地降低湿润性。即使不可避免地包含诸如氮气和氢气等杂质，也没有问题。
利用的低熔点的磷和镁等，其作为去氧剂或除氧剂，和氧反应，可能制备低氧量的锡-锌合金焊料。如果更详细地说明，根据所要求的焊料合金的组成比例通过加热熔化，把原材料锌加入到原材料锡中。把0.01-0.1wt％的磷加入到熔化材料中。结果，熔化材料中的氧和磷键合，作为熔渣浮在熔化材料的表面。然后除掉浮渣把溶化的材料注入到模具留待固化。结果，获得把含氧量减少到30ppm或以下的固态焊料。
在普通焊料中，许可加入选自锑、铟、金、银和铜中的一种或两种以上组分。加入锑或铜可能进一步改善焊料含金的湿润性。加入铟、金、或银可能减少焊料的熔化温度。如果向锡-锌合金提供前述的填加物则可能达到同样的效果。但是，如果这些元素含量超过3％，则焊料光泽消失，外貌变坏。如果利用填加剂，则希望在通过除氧降低锌和锡溶液中的含氧量后，进行填加。另一方面，基本上由锡和锌组成的没有利用上述的填加组分的二元合金是优良的合金，不用考虑焊接后由于三元共熔物质或金属间化合物的影响而改变焊料特性。特别是，如果利用铋和铟作为填加剂，则难于重复利用从再生焊料中提纯的材料。并且根据下面所述的原因，不包括铋和铟的锡和锌合金焊料是焊接电子器件的非常好的焊料。
因为锌是容易氧化的物质，所以，由于产生氧化物可能损坏锡-锌合金焊料的特性。但是通过在基本上非氧化的气氛中，例如氮气和氩气中焊接，可能防止由地氧化引起的潮湿缺陷和焊接缺陷，可以解决此问题。如果在焊接时间通过超声波第把振荡能量加到焊接表面，则可能改善焊接的湿润性。
可能有效地利用本发明的锡-锌合金焊料来焊接各种电子器件及安装和组装半导体器件。当然，其可能用于通常利用锡-铅合金焊料的应用领域。
[表面锌层]
随着诸如电路衬底和IC芯片等半导体器件集成度的增加，用于电连接半导体器件或具有接点和布线部分等其他部件半导体器件的连接件，也变得精细。于是，用于连接这些部件的焊接部分也变得精细。如果利用常规的锡-铅合金焊料，通常引起迁移问题。
按照本发明，发现利用含锡和锌的焊料焊接衬底形成的焊接部分可能防止产生迁移。分析其原因，结果发现，固化包含锡和锌的融化的焊料，则产生外围层或表面层，其中轻微地富集锌组分，几乎不含锡，(利用Auger电子光谱分析检测到1wt％或以下)，以后把它称为“表面锌层”，由此防止迁移。
在包含锡和锌的熔化焊料的固化材料上形成的表面锌层分成两种。一种是(1)在固化物质(特别是邻近大气部分)表面上形成的表面锌层，厚度为大约40到120，包括少量的锡(最多1wt％)。另一种是(2)在金属焊接部分界面上形成的表面锌层，厚度为0.5到2μm。(1)的锌表面层通常由含氧(或氧化锌)的锌组成。如果从进行焊接的气氛中显著地除掉氧，则(1)的表面锌层可以分成位于最外部的由含氧的锌组成外层，和位于内部的含少量氧的内层。(2)的表面锌层含少量氧。在(2)的表面锌层中，靠近表面，锡量减少，锌的比率增加。层(2)外表部分含有少量的锡。表面层(2)的平均含锌量根据金属焊料组分变化，通常至少为大约70wt％。
认为表面锌层(1)和(2)形成方法不同。表面锌层(1)显示出下述倾向，由于诸如表面张力等物理特性不同，在熔化材料表面的薄层上，形成锌，并且薄层固化后，产生表面锌层。表面锌层(2)显示出下述倾向，如果金属焊料和金属(或如铜等特殊物质)接触，则锌向该金属移动，并且集中到焊接界面，以致于形成层(2)。因为锌是易被氧化的金属，存在于熔化物质表面的锌吸收周围的氧，形成类似于前述(1)的含氧层，以便防止氧穿入其内部。
这样，如果把含锡和锌的金属合成物熔化，然后进行固化，则形成具有表面锌层的因化材料。因此，如果利用熔化的锡-锌合成物适当的形成焊接部分，则在其表面具有少量的锡，由此可防止迁移。这样该材料适合焊接高密度的安装衬底。
如果实际上利用锡-锌共熔焊料焊接衬底接点，获得如图1所示状况。图1A是焊接结构的横截面图，其中如果利用Auger电子光谱分析方法在深度方向分析覆盖衬底B接点P的焊料S的表面部分1，则图1B表示表面附近的结构。按照这种表示，厚度为大约30到120的锌氧化层3位于外表面，在其下面是含锡和锌的层5。另一方面，如果分析在焊料S和接点P之间的焊接界面附近部分2，如图1C所示，厚度为大约0.5到2μm的含少量氧(1-30ppm)的锌层6位于在界面上，在其上面存在含锡和锌的层7。图1B中的层5和图1C中的层7连接。虽然层6含锌量比率大于整体平均值70wt％，但是，最外表面部分含少量的锡。
如上所述，如果利用含锡和锌的金属组合物按照熔化-固化方法形成焊接部分，则形成相应于上述(1)表面锌层。如果在金属组合物中含铋或铟，则其表示表面锌层形成在固化的组合物上。尽管其不限于二元组分，除了铋或铟以外还可以含有其他组分，但本发明的焊接部分最好是由二元锡-锌组合物形成。如果考虑到焊接衬底；由于在固定后产生三元共熔体物质则不怕改变物理特性，所以锡-锌二元组合物是良好的组合物。特别是，因为低熔点保证的良好的经济特性，锡-锌共熔混合物(锌＝大约9wt％)是所希望的。
当熔化的金属组合物含锌时，获得的固化材料包含表面锌层。如果含锌量少，则认为形成的表面锌层是不充分的。表1表示当利用含锌量不同的金属组合物焊接时，含锌比率和产生迁移之间的关系。在该表中，字母A表示迁移是0的焊接情况，字母B表示迁移小于20％的焊接的情况，字母C表示迁移大于20％的焊接的情况。表1
    含锌量比率(wt％)     0     0.01     0.1     0.5
    产生迁移     C     B     B     A
由1表可见，当含锌焊料中的锌比率在0.01wt％或以上，特别是0.5wt％时，锡-锌焊料可以防止在精细焊接部分产生迁移。这样，在其表面具有表面锌层的焊接部分，在间隔为1mm或以下高密度度装配的焊接部分，例如，突起或引线焊接部分，有效地防止迁移。
由此可见，利用锡和锌通过熔化和固化实现的焊接部分获得具有表面锌层的焊接结构，接着在锌层(1)上面形成一种结构。通过在表面形成锌层并且在表面基本上不含锡可防止迁移，对于焊接，不限制焊接部分形成方法，利用熔化固化方法由含锡和锌的组合物可以形成焊接部分。当然，不熔化整个焊接组合物而仅仅熔化表面部分。或在焊接部分形成锌层结构，不管形成锌层机理也是许可的。这样，根据要求可以适当的选择焊接部分的形成方法，例如，包括弧焊接，电子束焊等离子弧焊接，激光焊接和光束焊接方法；包括电阻焊接，冷焊接，摩擦焊接，扩散焊接的压焊方法，电阻钎焊，真空钎焊的硬钎焊方法；激光钎焊和浸渍钎焊的钎焊方法。或许可利用焊料提供装置，其中利用不活泼气体作为载体，把焊料颗粒传输到要焊接的部分，其中以焊料颗粒表面被熔化的条件加热传输的焊料颗粒，当它们到达要焊接的材料时，使焊接材料和焊料粘润。
可以在各种衬底上面形成具有表面锌层的焊接部分。例如，提供纸衬底延伸铜集成板，诸如纸—苯酚衬底延伸铜集成板和纸环氧树脂衬底延伸铜的集成板；玻璃衬底延伸铜集成板，诸如玻璃织物环氧树脂多层布线板和玻璃织物聚酰亚胺多层布线板；合成物延伸铜集成板，如环氧树脂合成物延伸铜集成板；陶瓷衬底，诸如可弯曲的布线板，多层布线板，厚膜电路衬底和薄膜电路衬底；其中组合各种材料的多层布线衬底；合成衬底，诸如上釉瓷的衬底和金属基底衬底；是有关半导体材料的硅树脂。
如果根据衬底装配方式分类，则可提供单表面装配，双表面装配，装备引线连接的双表面装配，装备有引线连接件的单表面装配，引线全部装配等的衬底。装配部件包括：陶瓷，电容器，电感器，跨接线，晶体管，二极管，铝电解，电容器，钽半固定电阻器，调节器，线圈等，作为无源部件。作为有源部件，包括典型部件的IC和SI。如果根据封壳的外部形状和结构分类，则可用的有SOIC、SOP、QIP、QFP、PLCC、LCC、SOJ、MSP、BGA、FC-BGA、CSP、PLC、MCM、OE-MCM和其中叠置芯片的高密度装配器件。
还有，这不仅适用装配衬底领域，而且也适用其它领域。例如，其领域包括：半导体领域中连接IC封壳和CPU，在个人计算机中的硬盘或LCD板中连接电路，经常用于连接个人计算机和打印机的电缆连接器，经常用于传输电缆中的光学连接器，在车辆领域中连接散热器，等等。
图2A表示衬底的实施例，其中，在接点上形成具有表面锌层的焊接部分。在由树脂构成的衬底11上设置导电的焊盘12，在焊盘12上面利用锌-锡焊料形成焊接部分13。例如，如图2B所示，在衬底11的一侧，诸如电阻，QFP等部件，通过焊接部分13和焊盘12相连。在衬底的另一面，诸如显示器等部件和焊盘12相连。
图3A表示多层衬底的实施例，其中在焊盘上形成具有表面锌层的焊接部分。在由树脂构成的多层衬底17的表面上设置18，其内部包含铜导电层16，在焊盘18上形成由锡-锌焊料组成的焊接部分19，然后，例如，如图3B所示，由焊接部分19把部件20和焊盘18相连。
(焊接界面上的锌层)
如果含氧量小，即，焊料中的含氧量小于100ppm，则锌的粘润性不低于铅的粘润性。因此，锡-锌焊料显示出充分的粘润性，并且主要由锌组成的层，例如上述的表面锌层(2)，作用和粘合剂类似，所以其能把构件很好的焊接起来。特别是，如果该层的含锌量是大约88-99.5wt％，则形成具有优良拉伸强度的焊接。这能有效地把构件焊接到上诸如铜、银、镍、金、钯、铂、铱金属组成的表面上。特别是对铜，银和金的粘润性是非常好的。
换句话说，如果通过主要由锌组成并且含少量氧的层进行焊接，例如(2)的表面锌层，则能对金属部件进行很好的焊接。这样，对于由熔化焊料产生的层来说，不需要限制主要由锌构成的该层。于是不仅通过上述的在形成焊接部分所用的各种焊接方法，压力焊接方法和钎焊方法，可形成主要由锌构成的层，而且也可以通过电镀等方法在构件上直接形成该层。在由其对锌的粘润性不好的材料组成要焊接的构件时，在形成主要由锌构成的层之前，用铜、银和金等涂覆要焊接构件的表面。
如果在要焊接构件和锡-锌合金之间存在主要由锌组成的层的条件下熔化形成焊接，则利用在要焊接构件上的锡-锌合金，通过主要由锌构成的层，形成具有很好拉伸强度的焊接部分。为了形成这种焊接，包括前述的焊接方法，加压焊接方法及钎焊方法的各种方法是可用的。按照这种方法，通过主要由锌构成的层，如前述的表面锌层，在各种衬底的要焊接的构件(布线，焊盘等)上形成锡-锌合金。这种方法适用各种装配方式，也能对应于高密度装配。这可能用于前述的电的/电子的部件和机械部件的焊接和装配。
当把锡-锌合金焊料熔化和浸入衬底时，通过把焊料涂在衬底的焊接部分上来进行焊接。在这种情况，如上所述，以这样的方法，即把上述(2)的主要由锌组成的层设置在要焊接构件的界面上，并且该表面具有上述(1)的表面锌层，进行焊接。如果和要焊接构件接触的焊料长时间的处于熔化状态，则要焊接的构件的某种组分逐渐地进行扩散，以致于穿进位于焊接界面和主要由锌构成的层。同时，锌穿入要焊接构件的表面。于是，如果焊接后焊接的构件和熔化的焊料长时间的接触，则由(2)的主要锌组分构成的层可能使其组分发生变化。
在焊接构件上具有上述焊接部分的衬底的优点是，防止衬底的保护部分不受损坏。
[要焊接构件的形状]
当利用前述的金属组合物焊料在诸如焊盘或布线的焊接构件上形成焊接部分时，决定焊接强度的因素包括焊接构件的形状。在如图4A和图4B所示的其中横截面为不规则四边形的焊盘21的情况，所涂覆的焊料S不但和焊盘21顶面22接触，也和斜侧面23接触，所以增加了焊接界面的面积，因此，确保了焊接部分和焊接构件之间的焊接强度。关于这一点，如图5A和图5B所示，进一步显示出焊接构件的优良形状。在图5A和图5B中，焊盘24的侧面25，相对衬底倾斜，横截面呈弯曲形状，各曲线呈凹状，即凹陷形，双曲形等。在这种情况，焊接界面的面积大于焊盘21，所以容易获得非常大的焊接强度。还有，因为其侧面是凹形的，所以能容易地把粘附于其上的焊料沉积，有效地增强焊料的粘润性。还有，因为其侧面凹陷，所以随温度变化伴随衬底尺寸的变化，在焊接部分沿衬底产生的形变阻力增大。
参看图4A，图4B，图5A，图5B，每个A图显示焊接量小的情况，每个B图显示焊料量多的情况。由于形成凹状侧面，则由侧面支撑的焊料量增加，所以可能稳定地在焊盘上设置焊料。因此，当设置焊料量变化时，也增加了适应性。
图6A和图6B表示焊盘侧面凹度不同的实施例。图6A表示焊料易少的情况。图6B表示焊料易多的情况。由于图6A和图6B中焊盘26侧面27的凹度小于图5A和图5B的所示凹度，焊接界面面积小于焊盘24的情况，所以设置在侧面27的焊料量较少。如果侧面的曲率半径小于100mm，则形成焊盘凹状倾斜侧面27的优势变成可能。因此希望在侧面上有很多满足上述要求的区域或部分。
图7A和图7B表示焊料粘润性低的实施例。通常，如果焊料的粘润性低，则粘润角度增加，焊盘侧面上焊料稳定性或保持性能可能降低。但是，如果侧面是凹状，如图7所示，则不会那样大地减少焊料S的保持性能，使焊料量小的情况及焊料量大的情况皆可以保证相对应的良好性能。容易理解，假定如图4A和图4B所示，在焊盘21的情况使用低粘润性的焊料。
图5-图7表示焊盘倾斜侧面是连续凹进的情况，可能获得比利用8A、8B、9A、9B所示不连续面形成凹进部分的焊盘有较小的作用。如图8A和图8B所示的焊盘28，在斜面29设置台阶部分30。由两个不连续的面形成如图9A和9B所示的焊盘31的侧面部分32，以便形成角部33，由此提供凹度。在任何焊盘中，利用台阶部分30和啊33增加焊接界面，使焊料S的保持性能提高。焊料量少的8A或者9A所示的情况和焊料量多的8B或者图9B的情况一样，都能保证具有相应的良好性能。
图10A和图10B表示进一步增加界面面积的实施例。在这种情况，不但在焊盘34的侧面35，而且还在焊盘面36形成凹面，侧面35是类似于图5到图7所示情况的凹面，顶面36向中心倾斜。这种结构和图5到图9所示情况相似，可能相应于焊料量量少的情况和焊料量是多的情况。
上述图5到图10表示垂直的横截面图。整体焊盘结构如其垂直横截面所示。于是，容易理解。上述结构可用于基本上截锥或基本截多棱锥点焊焊盘，具有圆形成多边形的顶部和底部及基本上锥台布线等，其纵向延伸，具有不规则四边形的横截面，各种横截面如图5-10所示。
[能形成氧化膜的焊料提供装置]
一种提供前述的包含锡和锌金属组合物焊料到焊接构件的装置，即，这种装置的一个实施例可以是把熔化材料通过诸如喷嘴和丝网的细孔施加到焊接构件上。要形成精细的焊料部分，在这种装置中，阴断细孔中熔化材料是很重要。关于这一点，通过在提供熔化材料的开孔表面形成金属氯化物膜，来改善对熔化材料的阻断。利用上述特性，金属氧化物表面可能容易地抑制熔化的金属。结果，这种特性防止熔化金属停滞在金属氧化膜上或者粘合到壁面上。通过用金属氧化膜涂覆喷嘴的开孔端和丝网膜的缝隙，改善了对该膜处熔化金属的截断。结果，喷嘴的开孔和缝隙的变窄和阻碍不发生，则可能利用很微细的喷嘴。因此提高了生产率，不必要清洁处理喷嘴和缝隙。还有，如果改善对熔化金属的阻断，可能严格地控制其供应，则可能精确地向精细部分提供熔化的金属。更具体地说，在焊接间距小于100μm的精细布线或焊盘时，可以防止形成桥接。
对用于涂覆开孔的金属氧化物不限制，可以是熔化金属中的金属元素氧化物。但是，在作为用于提供锡-锌焊料装置的喷嘴或丝网中，者如尖晶石型铬酸盐氧化物的金属氧化物是最好的，因为在不锈钢表面容易形成它，并且在该设备的机构中容易利用它。利用包含在不锈钢中的铬，通过在高于1300℃温度加热不锈钢可以在不锈钢表面形成厚度为1μm的尖晶石型铬酸盐氧化物。
作为从喷嘴排出熔化金属的装置，可以采用振动能量型，热能型和普通泵型的装置。按照振动能量型装置，把诸如超声波振动能量施加到喷嘴，以微滴形式从喷嘴尖端排出熔化的金属。采用热能类型装置，通过周期地对喷嘴加热，部分地改变喷嘴中熔化金属的表面张力，以便以微滴形式排出熔化的金属。当以微滴形式排出熔化金属时，用金属氧化物涂覆喷嘴顶端开口是很有效的。特别是，如果喷嘴开口形成锥形，则进一步改善对熔化金属的阻断。对于丝网，如果这样形成丝网、以致于能在前端稍微形成槽缝，则能容易地进行移动丝网的动作。
[喷嘴部件]
图11表示按照本发明的喷嘴型焊接没备的实施例。焊接设备100包括：用于加热和熔化焊料的熔化槽101，和熔化槽101相连的喷嘴103，固定到喷嘴103上的振荡部件105，加热装置107，用于提供惰性气体的气体供应部件109，传送部件111。在喷嘴103内壁形成铬酸酸氧化物的金属氧化膜129。把焊料装入熔化槽，通过加热使其熔化。此后，以常速把熔化的焊料运送到喷嘴103。把振荡部件105振荡的弹性波传输至喷嘴103中的熔化焊料S。接着，把焊料S形成微滴S”，然后规则地从喷嘴103的喷嘴出口排出。从喷嘴103排出的微滴S”达到衬底115，其是设置在传送部件111上的基底金属。为喷嘴装配罩117，用于通过从气体供应部件109提供惰性气体，来防止微滴S的氧化。控制器113具有控制位置的作用，用于控制传送部件111的传送速度，使微滴S”达到衬底115上面的适当位置。传送部件111具有振荡器，用于把弹性波施加到衬底115上面。利用频率调节器127控制由振荡器125发送的弹性波的波长和振荡部件105。
在上述设备中，利用振荡部件105作为排出焊料装置，用公知的具有喷涂工艺中采用的喷汽或鼓泡构件的装置可以代替它。
下面叙述利用前述焊接部件100进行喷涂的实施例，例如，采用下述组合物比例的焊料，锡至少为90.9wt％，锌为9wt％，其它金属元素量小于0.1wt％，含氧量小于5ppm(共熔点为198℃)。
首先，把焊料装入熔化槽101，然后从气体供给部件109提供作为惰性气体的氮气到喷嘴103附近，使熔化槽101中的焊料保持在208℃，以便完全熔化。把熔化的焊料送到喷嘴103，从振荡部件105输出弹性波到熔化的焊料S。结果，从喷嘴103排出精细液滴S”。焊料液滴S”达到衬氏115上面的预定位置，堆积和固化焊料液滴，由此逐渐地增加焊料的厚度。在这种状态下，如果以常速水平移动传输部件111，则在衬底上由焊料颗粒形成点或条。由振荡部件125把弹性波施加到衬底115上，当焊料微滴S”和衬底115接触时，在衬底表面散布氧化膜，改善粘润性。
利用前述的喷嘴进行焊料操作，获得直径为5μm到50μm的焊点或相同宽度的焊条。
利用传输部件111的加热/冷却部件121控制固化衬底上的焊料，并可以增加涂覆焊料的厚度。例如，如果降低衬底温度到焊料共熔点以下，焊料微滴达到衬底表面就开始固化。如果把衬底再加热到共熔点以上，则固化的焊料开始熔化，变成液相和固相混合存在的半熔化状态。在这种状态，焊料的表面张力大于完全熔化焊料的表面张力。即使把新焊料微滴加入半熔化状态的焊料中，也不水平延伸，而和半熔化状态的焊料结合成一整体，使其固化。结果，获得足够厚度的焊料薄膜。于是，确定传送部件111的位置和加热/冷却部件121的温度，使新的焊料微滴加入到位于衬底115上的处于半熔化状态的焊料中。结果，利用多个喷嘴堆积焊接点，形成厚的焊接膜。
如图12所示的焊接设备包括具有多个喷嘴出口203a’、203b’、203c’的喷嘴203。在喷嘴203内壁形成铝酸盐氧化物的金属氧化物膜221。由振荡部件105a、105b、105c从各自喷嘴出口排出焊料微滴Sa’、Sb’、Sc’，微滴达到衬底115。用和图11所示相同标号表示的部件，与焊接部件106相应的部件起相同的作用，于是省略对其的描述。
利用喷嘴部件实现本发明所述的焊接方法，其中，喷嘴把振动能量加到要焊接的基底金属上。例如，下述喷嘴部件是可以用的。在和熔化槽相连的喷嘴附近装配弹性波振荡器，其中，在非氧化条件下熔化焊料，并且如此保护喷嘴，用非氧化气体包围喷嘴尖端，在保护罩中循环地输送诸如氮气等非氧化气体。输送非氧化气体到上述喷嘴部件的喷嘴尖端，使喷嘴靠近要焊接的基底金属，然后使喷嘴尖端和基底金属接触。从熔化槽把熔化的焊料加到喷嘴尖端，并和基底金属接触，再把振动能力加到喷嘴。此后，把喷嘴从基底金属提起，从喷嘴尖端排出预定量的焊料。通过这种操作，可以焊接精细部件。允许喷嘴尖端稍微地离开基底金属，并且提供振动能量，同时使熔化焊料和基底金属接触。移动喷嘴同时连续地压出熔化的焊料，进行线形的焊接。
图13表示利用其中形成金属氧化膜的丝网的丝网印刷装置。该丝网印刷装置300包括，旋转部件302，其装配有涂刷器301，301’，带槽303的丝网304，用于支撑衬底B的基底305。在丝网304的槽303内壁上形成氧化膜306。利用扩入液体中的氧化锌粉末在槽303的内壁形成氧化锌膜306，通过加热把它烘干并焙烧。
在衬底B上面适当位置放置丝网印刷装置300的丝网304，把焊膏SP施加到丝网304的一端。水平地移动旋转部件302，使涂刷器301在丝网304上面滑动，以致于运载焊膏SP到丝网304的另一端。接着，用焊膏SP填充槽303。而且，转动旋转部件302，使涂刷器301’和丝网304接触，使涂刷器301’返回到丝网304的第1端，此此完成填充焊膏。此后，加热槽303中的焊膏，使其回流，以便蒸发或者分解包含在焊膏SP中的助熔剂，把其除掉。焊膏SP中的焊料熔化，然后，冷却，在槽303中固化焊料组分，提升丝网304，以便从衬底B取走，只留下衬底B上的固化焊料组分。由于槽303内壁有氧化膜，所以防止了焊料组分粘合到槽303的内壁。
按照本发明，利用包含通常认为不适于焊接的锌的熔化金属来焊接构件，可以形成无铅的焊接电子部件。而且，因为按照本发明在衬底上形成的焊接部分具有表面锌层，所以在利用该衬底装配的电气/电子器件焊接部件中防止了迁移现象。因此，在高密度装配的电气/电子部件中保证了高质量。
下面，参考实施例详细说明本发明。
[实施例1]
按照表2所示的组分，混合和加热锡和锌使其熔化。然后，加入磷进行混合。除掉熔渣然后把熔化金属倒入模具。获得样品1到8所示的焊料合金。用同样的方法，获得9的锡-锌焊料合金。测试含氧量和熔点的结果如表2所示。
接着，利用样品1到9焊料合金中的每一种，在氮气氛下焊料一对铜板。此时，把焊接的加热温度保持在高于各样品熔点10到30K的温度范围内。在焊接期间，用肉眼检查每种熔化焊料合金的粘润性，评价焊料合金是否粘润板表面的至少98％(A)或不是(B)。焊接后，通过张力试验测量焊料焊接的延展性，评价延展性是否达到40％(A)或不是(B)。表(2)表示评价结果。
表2
样品号   焊料合金组分(wt％) 氧含量(ppm) 熔点(K) 粘润性 安全性 延展性
  锌   其它   锡
    1     9    -   其余     20     471     A     A     A
    2     9    -   其余    100     471     A     A     A
    3     9    -   其余    150     471     B     A     A
    4     5    -   其余     32     486     A     A     A
    5     9   Bi：5   其余     28     464     A     A     B
    6     9   In：5   其余     18     452     A     A     B
    7     -   Pb：37   其余     121     456     A     B     A
由表2可见，样品1-4的锡-锌合金焊料具有低熔点，具有如同样品9的锡-铅合金那样好的粘润性。也就是，样品1-4焊料具有非常好的焊接特性。表示评价锡-铅安全性的字母B理指恐怕毒性对环境有影响。
关于样品5和6的合金焊料，对延展性评价结果是指，加入Bi(bithmus)或铟会抑制焊接界面上表面锌的形成，其引起延展性的下降。
还有，难于分析和提纯重新利用焊料的各组分。
[实施例2]如同实施例1那样，利用磷在低氧气氛下制备焊料，以便获得下述组成的焊料，锡至少为90.9wt％，锌为9wt％，氧含量最多为5ppm，其它元素含量小于0.1wt％。然后，把焊料放入如图11所示的焊料部件100的熔化槽101中。保持气氛220℃，其比焊料完全熔化理论值的熔点198℃高22℃。焊料部件100
                的喷嘴内壁103具有100厚
的铬酸盐氧化膜。喷嘴出口孔103’是1mm。当焊料温度达到190℃时，从气体供应部件109输入惰性气体氮气。结果，在喷嘴出口103附近氧浓度小于250ppm。
以220℃加热喷嘴出口103，同时从熔化槽101把熔化焊料提供给喷嘴103，从振荡器105输出频率为15到30KHZ的弹性波，加到喷嘴103上。然后，识别从喷嘴排出的精细焊料颗粒。
接着，利用下面说明的衬底115，放置喷嘴103使衬底115正好放置在喷嘴103下面时，喷嘴出口103’和衬底115之间距离是5mm。以3cm/秒的速度水平地移动衬底，通过由加热器加热210℃的区域。当衬底通过预定位置时，从喷嘴出口103’射出熔化的焊料滴，其滴到衬底的目标焊盘上。在焊盘方向移动衬底，连续地射出焊料滴，使焊料以预定长度施加到焊盘的整个表面上。当温度低于共熔点时，焊料开始固化。
[衬底规格]
尺寸：35mm×100mm
材料：导电部分铜，镀镍，薄镀金
      树脂部分/玻璃环氧化脂，抗蚀剂处理
焊盘图形：宽150μm×长15mm
焊盘间距：100μm冷却后，把固化的焊料部分垂直切片，观察其横截面。然后证实粘润象度小于90°，表明焊料粘润性非常好。在焊盘之间没有桥接。而且，根据Auger电子
光谱分析法，在深度方向进行分析焊盘中心部分，深度达到100。结果，发现有少量的碳附到表面上，还发现在表面上有约70厚的含锌和氧的层。但是，没有发现锡。进一步在下面发现一层含有比率大约为1∶9的锌和锡。由于在诸如抗蚀剂周围使物质碳化，认为在表面上产生碳。还认为在表面上含有大量锌和氧的层抑制氧从周围气氛中进入其内部。
利用上述衬底通过安装作为有源部件的QFP，作为无源部件的电阻器和显示器形成组件。然后进行工作。因此没有发现迁移现象。采用和上述相同的方法，在衬底上用焊料涂覆宽50μm，间隔50μm的焊盘。冷却后观察焊料和焊盘的粘润性。粘润角小于90°，结果证实了焊料的粘润性非常好。在焊盘之间没有发现由焊料产生的桥接。
[实施例3]
制备直径为10到50μm的合金焊料颗粒，其组成和实施例2利用的焊料相同。以3cm/秒的速度移动下述规格的衬底，使其通过充满220℃氩气的通路口。把合金颗粒输入通路并运载到衬底上。在通过通路期间，熔化合金颗粒表面，把其粘接到衬底焊盘上。
[衬底规格]
尺寸：35mm×100mm
材料：导电部分/铜，镀镍树脂部分/玻璃环氧树脂，抗蚀剂处理
焊盘图形：200μm(宽)×15mm(长)
焊盘间隔：200μm冷却后，把固化INE焊料部分垂直切片，观察其横截面。由此，证实粘润角小于90°，表明与焊料的粘润性非常好。在焊盘之间没有桥接。根据Auger电子光谱分析法在焊盘中心在深度方向进行分析，深度达到大约100。结果，发现在表面附有少量的碳，还发现在表面上有大约80厚的含锌和氧的层。还有，在这层上检测到大约1％的锡。在下面发现有按重量比为约1∶9的含有锌和锡的层。在焊盘和焊料之间界面，根据能量漫射型X-射线光谱分析，发现有厚度大约1μm的含有大约10ppm氧和至少70wt％锌的层。
利用上述衬底，如图2所示，作为有源部件的安装QFP和作为无源部件的电阻和显示器由此形成组件，然后操作它。没有发现迁移现象。
[实施例4]
象实施1那样利用磷，在低氧气氛下，按照下述组分比，制造焊料，即锡至少为92.4wt％，锌为7wt％，银为0.5wt％，其它金属元素小于0.1％wt，氧含量最多为5ppm。把其制成20μm厚的箔并卷成箔卷。
利用传送装置把PC板传送到芯片载片器上，利用CCD照相机将该板停放在预定位置。通入惰性气体氦，同时保持氧浓度在50到250ppm，放置前述的20μm厚的焊料箔使其覆盖衬底的焊盘。然后从焊盘上面立刻压焊金属的前部(在表面上有铬酸盐氧化物膜)，把其焊到预定位置，并加压20MPa。通过加压熔化焊料箔。通过清理收集没有覆盖焊盘的焊料箔，可能作为等厚的
箔重新利用收集的焊料箔。
[衬底规格]
尺寸：35mm×100mm
材料：导电部分/铜，
树脂部分/玻璃环氧树脂，抗蚀剂处理
焊盘图形：200μm宽×15mm长
焊盘间距：200μm利用显微镜观察从载片器上取下来的衬底，没有细点，微滴，和桥接存在于焊接到焊盘的焊料上，并且以几乎相等的大约8μm厚度涂敷焊料。还有，根据Auger电子光谱分析方法，在焊盘附近在深度方向进行分析，深度达到120。结果，在表面发现有少量的碳粘附到表面和存在80厚
的含有锌和氧层。还有在下面，发现含有重量比为1∶9的包含锌和锡的层。根据能量漫射型X-射线光谱分析方法，在焊盘和焊料之间界面附近进行测量，发现有含氧为大约10ppm，含锌为大约80wt％，厚度为1μm的层。
[实施例5]
如实施例1那样使用磷，在含氧量非常低的环境下制备焊料，其中，焊料由一定的比例组成，锡占总重量的至少90.9％，锌占总重量的9％，其它金属元素不到0.1％，含氧量至多20ppm。将焊料加工成厚度为15μm的箔，并且卷成卷状。
利用下述规格的衬底和上述箔，重复实施例4同样的操作，获得焊料箔熔于焊盘上的衬底。
[衬底规格]
尺寸：35mm×100mm 316
材料：导电部分/不锈钢SUS
树脂部分/玻璃环氧树脂，抗蚀剂处理
焊点图形：长15mm×宽200μm
焊点间距：200μm
通过显微镜观察载片器上取下的衬底，粘到焊点上的焊剂上没有小斑点、微滴或桥，并且焊剂几乎均匀伸展。根据Auger(俄歇)电子光谱分析法，在焊点中心的附近，在深度方向上分析的深度达到100，结果，在少量的碳粘在表面上，同时在表面部分存在有大约60厚的由锌和氧组成的层。再往下存在一层锌和锡，重量比为1∶9。
[实施例6]
如实施例1那样使用磷，在含氧量非常低的环境下制备焊料，其中，焊料由一定的比例组成，锡占总重量的至少90.9％，锌占总重量的9％，其它金属元素不到0.1％，含氧量至多5ppm。将焊料加工成厚度为15μm的箔，并且卷成卷状。
使用传送装置将有如下说明的集成电路芯片引入到芯片载片器上，同时借助CCD照相机将集成电路芯片停在预定的位置上。将氩气加到集成电路芯片上作为惰性气体，同时保持氧气的浓度为50ppm到250ppm，用前述的厚15μm的焊料箔盖住集成电路芯片的引线，同时用YAG激光在预定的位置照射该引线50毫秒。在激光照射下，焊料箔熔到了焊点上。通过清理将没有盖在焊点上的焊料箔收集起来。可将收集起来的焊料箔作为等厚度的箔重新使用。
[集成电路芯片规格]
材料：导电部分/42合金
树脂部分/不饱和聚酯树脂
引线布图：14mm长×190μm宽
焊点间距：220μm
[实施例7]
如实施例1那样使用磷，制备如下焊料，其中，焊料由一定的比例组成，锡占总重量的至少90.9％，锌占总重量的8.7％，银占总重量的0.3％，其它金属元素不到0.1％，含氧量至多15ppm。然后将它处理成几乎相等的直径均为20μm的球状焊料粉末。通过将重量上占90％的焊料粉末和重量上占10％的有机助熔剂(由日本东京Senju Kinzoku Kogyo Kabushiki Kaisya生产，主要熔剂组分为2-烷基-1，3-乙二醇)混合，制成焊膏。
用图13所示的丝网印刷机300，固定如下规格的衬底B，并用氮气进行清洗。将有如下规格的丝网304放置好，以至于与衬底B的焊盘相适应，然后将以前制备好的焊料放在丝网304的一端。随着旋转体302沿着丝网304水平方向的往复运动，借助于涂刷器301、301’将焊料膏装入槽303中。
[衬底规格]
尺寸：150mm×150mm
材料：导电部分/铜
      树脂部分/玻璃环氧树脂，表面用抗蚀剂进行处理
焊盘图形：100μm
焊盘间距：100μm
[印刷条件]
印刷时间：40秒/节拍
[丝网规格]
厚度：0.15mm
材料：不锈钢SUS316
槽：长15mm×宽100μm，内表面涂覆氧化锌膜
然后，在150℃加热在槽303中的焊料膏，使它回流，之后通过蒸发或分解除掉助熔剂。然后升温到220℃熔化焊料粉末。然后，冷却衬底，固化焊剂，然后将丝网从衬底上取掉。
然后，利用传送装置将衬底放到芯片载片器上，借助于一个CCD照相机将衬底停在预定的位置上。将氦气加到衬底上作为惰性气体，同时保持氧气的浓度范围从50ppm到250ppm，将QFP芯片装配到焊盘上。然后，将装配有芯片的衬底放到回流炉中。将氮气作为惰性气体送到回流炉中，同时防止内部含有氧，将温度升高到220℃，使焊料熔化。之后，将衬底从炉中取出并冷却。
通过显微镜观察取出的衬底，没有发现焊料的微滴和桥接的形成。进一步，测量焊接的芯片的焊接强度。结果表明，平均焊接强度为8N，而且，表明该强度几乎达到或超过传统的锡-铅系列的焊膏的焊接强度。
[实施例8]
如实施例1那样使用磷，制备如下焊料，其中，焊料由一定的比例组成，锡占总重量的至少90.9％，锌占总重量的9％，其它金属元素不到0.1％，含氧量至多15ppm。然后将它处理成几乎相等的直径均为10μm的球状焊料粉末。然后通过将重量上占88％的这种焊料粉末和重量上占12％的有机系列助熔剂(由日本东京Senju Kinzoku Kogyo Kabushiki Kaisya生产，主溶剂组分包含2-烷基1，3-乙二醇)混合，制成焊膏。
使用前述的焊膏和具有如下规格的作为丝网印刷机300的丝网，重复与实施例7相同的步骤，将小尺寸的有源部件安装在有如下规格的硅树脂片上。
[硅树脂片的规格]
每部分尺寸：15mm×15mm
表面：磨光
焊接图形：100μm
焊接间距：200μm
[印刷条件]
时间：40秒/节拍
[丝网的规格]
厚度：0.15mm
材料：不锈钢SUS316
槽：长100μm，内表面涂覆氧化钛膜
通过显微镜观察取出的硅树脂片，没有发现焊料的滴漏和桥接的形成。测量焊接部件的焊接强度，结果表明，平均焊接强度14N，而且，它的强度几乎达到或超过一般的导电的粘合剂的焊接强度。
[实施例9]
如实施例1那样使用磷，在含氧量非常低的环境下制备焊料，其中，焊料由一定的比例组成，锡占总重量的至少90.9％，锌占总重量的9％，含氧量最多5ppm，其它金属元素(Bi，Ag，In，Cu)含量不到0.1％。
把该焊料放入有氩气环境的熔化槽中，同时保持温度为220℃，该温度比理论上的共熔点198℃高22℃，将焊料熔化。当焊料的温度达到190℃时，将氩气作为惰性气体加到与熔化槽相连的喷嘴口附近。结果使喷嘴附近的氧浓度小于250ppm。
然后，将能装配精细元件的铜焊盘和一个用于高密度装配用的表面有铜布线的绝缘衬底按照如下的规格，以3cm/秒的速度水平移动，刚好经过喷嘴的下面。熔化的焊料从喷嘴滴落到布线和焊盘上。当衬底的温度低于共熔点时，涂覆的焊料立刻固化了。然后，将衬底翻过来，重复相同的步骤，将焊料加到背面的布线。
如图3所示，用焊料将作为有源部件的封装的LSI和作为无源部件的电阻装配到涂覆有焊料的衬底的前表面上。进一步，将电阻焊接到衬底的背面并固定牢固。
[衬底规格]
尺寸：35mm×100mm
材料：导电部分/铜，镀镍或薄层镀金
树脂部分/玻璃环氧树脂，抗蚀剂处理
焊盘图形：长15mm×宽100μm
焊盘间距：200μm
冷却后，将焊料固化的部分沿垂直方向切片，并观察它的剖面，结果发现相对于焊盘和布线的粘润角小于90度，这表明焊料的粘润性非常好。在焊盘之间没有看到桥接。在焊盘的中心对焊盘和焊料的界面附近的锌的分布情况进行了分析，图14显示了它的结果。根据图14，α区域表示焊盘，β区域表示焊料。从线性分析的结果来看，发现有1μm包含有大量的锌的层L覆盖着焊盘。锌的浓度在焊盘的界面层L中增加得很快，并且从界面向焊料的内部逐渐减少。如上所述形成了L层，以至于锌从焊料中集中到了焊接的界面上。L层起到加强焊盘和焊料之间的连接的作用。再者，L层的含氧量大约为1到30ppm，这大于焊料中β区域的氧的数量。也就是说，焊料中氧集中在L层上。这一点也被认为有助于加强焊料的连接。
采用与以上相同的操作，使用具有不同锌含量的锡-锌焊料，焊接绝缘衬底的铜焊盘、银焊盘和金焊盘，以装配电子部件。为了估算出焊接强度，测量了主要由锌组成的，在焊料连接部分的界面上形成的L层的锌的比率，并进一步测量了从焊料焊接部分上去除安装部件所需的拉力。表2显示了这个估计的结果。参考表2，字母A表示焊接达到或超过普通锡-铅焊料(约3.5kgf/mm2)的焊接强度，字母B表示低于锡-铅焊料的焊接强度或焊接失败。
表2
    焊盘     焊接强度
    在层L中的锌组分(wt％)
    50     88     99.5
    铜     B     A     A
    银     B     A     A
    金     B     A     A
由上述可见，焊料的焊接强度，由于层L中含锌量比率而不同。显示良好焊接的焊接部分比通常锡-铅焊料具有较小精细的空腔。认为其提高了张力强度。
由表2可知，主要由锌组成的L层，和金、银、铜形成非常好的焊接。还有，即使焊接构件主要是由金、银或铜和其它金属组成的混合材料，也可能获得同样好的焊接。
表3表示，在这样条件，使主要由锌构成的层L存在于焊接铜构件和锡-锌焊料之间的情况形成焊接时，L层组分、固化的锡-锌焊料、焊接强度之间的关系。通过改变所用的包含5-13wt％锌锡-锌焊料的组分，在205℃到235℃之间改变熔解槽中熔化锡-锌焊料的温度，改变施加在铜构件上焊料的冷却速度，实现对该层和固化锡-锌焊料组分的控制。在表3中，字母A表示焊接强度是5kgf/mm2或更大，字母B表示焊接强度为3.5到5.0kgf/mm2，字母C表示小于3.5kgf/mm2。
表3
固化焊料中的锌含量     焊接强度
    L层中的锌含量(wt％)
    50     88     95     99.5
    4.8     C     C     C     C
    5.8     C     B     B     B
    8.8     C     B     A     A
    10     C     B     A     A
    11.7     C     B     B     B
    12.3     C     C     C     C
由上述结果可见，当L层中锌含量比率是88-99.5wt％，固化焊料含锌为5.8-11.7wt％寸，可能获得非常好的焊接强度。
[实施例10]
按照和实施例1相同的方法，在低氧气氛中利用磷制备焊料，其中包含各组分如下，锡至少为90.9wt％，锌为9wt％，氧最多为5ppm，其它金属元素含量小于0.1wt％。把氩气吹入较平涂镀焊料槽，以便形成非氧化气氛，放入焊料并使其熔化。在熔化焊料中浸入装配有焊盘的下面规格的衬底。接着，获得由焊料均匀形成较平镀层的衬底。
[衬底规格]
尺寸：35mm×100mm
材料：导电部分/铁
树脂部分/玻璃环氧树脂，抗蚀剂处理
焊盘图形：200μm宽×15mm长
焊盘间距：200μm
用显微镜观察获得的衬底，发现在焊料和焊盘之间的粘润角小于90°，表明对于焊料的粘润性非常好。在焊盘之间没有发现由焊料引起的桥接现象。还有，利用能量漫射型X-射线光谱分析方法，在焊盘中心处在焊料和焊盘之间界面附近进行线性分析。结果发现。在12μm厚的焊料层中，具有厚度为大约2μm含锌大约为75wt％的一层。
[实施例11]
利用下面规格的IC芯片代替衬底，重复如图2所示的部件装配操作和实施例9中相同操作，以便获得其上装配了部件的IC芯片。在IC芯片背面装配作为有源部件的QFP和作为无源部件的电阻，以及在其背面装配作为有源部件的LSI。在两面装配部件可以提高装配密度。
[IC芯片规格]
材料：导电部分/42合金
树脂部分/不饱和聚酯树脂
引线图形：190μm宽×14mm长
焊盘间距：220μm
如上所述，按照本发明，利用无铅的金属组合物组成的焊料，在装配衬底上装配电子部件。结果，获得防止迁移的装配了电子部件的衬底。还有，按照本发明，可以精确地把焊接材料提供到精细部分上、以便于在高密度装配衬底上进行装配部件。焊接强度非常好。还有，按照本发明，提供具有焊接部件的装配衬底，可以在由焊料形成的焊接部分上有足够的强度，并且充分地抑制变形。这样，有利于工业和环境的保护。
应该理解，本发明不限于上述实施例，在不脱离由附带权利要求限定的本发明保护范围内，可以进而许多变化。

Claims (23)

1、一种基本上二元焊料合金，用于电气或电子部件，其主要包括：
锌组分
锡组分
其中基本上二元焊料合金中氧组分含量减少到100ppm或以下。
2、按照权利要求1的焊料合金，其中锌组分含量近似为3-12wt％。
3、一种焊料合金，用于焊接电气或电子部件，包括：
近似3-12wt％的锌组分，
锡组分，
其中焊料合金中的氧含量减少到100ppm或更少。
4、按照权利要求3的焊料合金，基本上不包括铋(Bi)和不包括铟。
5、按照权利要求3的焊料合金，基本上是二元合金，主要包含锌组分和锡组分，除了锌组分和锡组分之外的其它金属组分含量小于0.1wt％。
6、一种装配电子部件的衬底，基包括：
设置在衬底上的导电构件；
在导电焊接构件上由焊料合金形成焊接部分，其中焊料合金包含锌组分和锡组分，在导电焊接构件和焊接部分的界面处形成第1层，第1层中的锌组分含量聚集为大约70wt％或更高。
7、按照权利要求6的衬底，其中第1层的厚度近似为1μm。
8、按照权利要求6的衬底，其中第1层锌组分含量是88wt％或更多。
9、按照权利要求6的衬底，其中焊料合金具有靠近第1层的第2层，第2层的锌含量是5.8-11.7wt％。
10、一种在其上装配电子部件的衬底，其包括：
设置在衬底上的导电焊接构件；
焊接部分，其把电子部件和衬底上导电构件连接在一起，该焊接部分由焊料合金形成在导电构件上，焊料合金包含锌组分和锡组分，在导电焊接构件和焊接部分界面上具有第1层，在第1层上聚集的锌含量大约为70wt％或以上。
11、一种用于装配电子部件的衬底，其包括：
设置在衬底上的导电焊接构件；
焊接部分，在导电焊接构件上由金属组合物形成，而金属组合物包括锌组分和锡组分，焊接部分包括富含锌的表面层，使锡最多为近似1wt％。
12、按照权利要求11的衬底，其中表面层的厚度近似为30-120。
13、按照权利要求11的衬底，其中金属组合物中的锌组分是0.5wt％或以上。
14、一种装配电子部件的衬底，其包括：
设置在衬底上的导电构件；
焊接部分，连接电子部件和衬底上的导电焊接构件，该焊接部分位于导电的焊接构件上，由金属组合物形成，其中金属组合物包括锌组分和锡组分，还包括一个富集锌组分的表面层，使锡含量最多近似为1wt％
15、一种装配电子部件的衬底，其包括：
设置在衬底上的导电焊接构件；
在导电焊接构件上由焊料合金形成的焊接部分，
其中导电焊接部件具有顶面和凹陷的侧面，在垂直于衬底的导电焊接构件的横截面中显示出曲线。
16、按照权利要求15的衬底，其中凹陷的侧面具有马鞍形或曲线形。
17、按照权利要求15的衬底，其中在横截面中的曲线半径小于100mm。
18、按照权利要求15的衬底，其中侧面包括两个不连续的面，以便在其间形成角部。
19、按照权利要求15的衬底，其中顶面是凹陷的。
20、一种用金属组合物焊接电子部件到衬底上的方法，其包括：
在电子部件和衬底之间设置金属组合物，金属组合物包括6-12wt％锌组分和锡组分。
至少在金属组合物表面发生熔化，以便由熔化的金属组合物粘润电子部件和衬底；
固化熔化的金属组合物，由此，把电子部件焊接到衬底上。
21、利用权利要求20的方法，焊接电子部件和衬底。
22、一种利用金属组合物焊接电子部件到衬底上的方法，其包括：
在电子部件和衬底之间设置金属组合物，该金属组合物包括至少0.5wt％的锌组分和锡组分；
至少金属组合物的表面熔化，以便由熔化的金属组合物粘润电子部件和衬底；
固化熔化的金属组合物焊料，由此焊接电子部件到衬底上。
23、利用权利要求22的方法焊接电子部件和衬底。
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