导电材料(如涂层、焊料和元件引线)可用来在有或没有中间 部件(如电路板迹线、导线等)的情况下使电子电路和元件彼此耦 合。在某些环境中，焊料配方以及施用焊料的处理可能更重要。例 如，可能会影响机械和/或电学性能，并且调节可防止某些元件材料 的使用。
特定的问题可能出现在特别是高温时使用基于铅的焊料的区域 以及相容的元件引线保护层的应用中。因此，在本领域中存在有相 当大的、对提供在高温环境中使用的和/或在铅用作焊料组分被禁止 的那些位置处使用的改进的合成物、设备、系统和方法的需求。
附图说明
图1是按照各种实施例的合成物、引线、结构、电路板、组件、 和系统的框图；
图2是说明按照各种实施例的若干方法的流程图；
图3是按照各种实施例的制品的框图；以及
图4说明了按照各种实施例的、用于钻探操作的系统。

在将包括表面安装元件的电元件附着于印刷电路板上时，焊料 可执行电学和机械功能。在用于高温环境的电子仪器(如井底钻探 和测井操作)的制造中使用的这种高温焊料可能会在具有比如超过 175℃的工作温度的操作环境中经历较长时间的热老化、热循环和振 动。
这里所公开的各种实施例通过提供新的焊料配方及其应用的处 理解决了上述的某些问题。在使用下面所讨论的焊料和处理时，相 关的引线、结构、电路板、组件和系统可伴随高温环境中增加的可 靠性以及在可能不允许将铅用作焊料组分的位置处进行操作。
许多实施例涉及施加于引线、封装结构、电路、电路板、组件 和系统并与之相关联的合成物(如焊料及其配方)。某些实施例涉及 用于除去电子元件(如表面安装元件)的不相容元件引线保护层并 用可能与合成物相容的引线保护层(如在电子油井测井装置的制造 中使用的高温焊料)代替它们的处理和应用。某些实施例涉及用于 高温电子仪器的制造和装配的无铅焊料合金的处理和应用。
为了在这样的条件下提供更大的功能可靠性，元件引线保护层 可以针对与焊料的相容性以及在用于高温、高振动环境的电子组件 的制造中使用的焊接处理而被修正。这样的实施例可用来补偿在许 多元件上发现的制造状态下的引线保护层，其可被设计以供无铅焊 料或低温锡/铅焊料使用。
例如，如果在焊接处理期间未利用公开的实施例，在焊接处理 中不相容的引线保护层可能会熔化并与焊接中的焊料相结合，产生 能够在比引线框架涂层或用于制造连接的焊料更低的温度下熔化的 新的合金。这样的焊料合金还可能对少量的污染较敏感，所述的少 量污染可降低机械强度并改变焊接接头的疲劳特性。
因此，某些实施例提供了除去引线上制造状态下的引线保护层 并且接着将新的引线保护层合成物附着于引线的处理。这样的合成 物可能包括大约85％至98％重量的铅、从大约0％、0.5％、或1％、 直到大约4％、或直到大约12％重量的银、以及余额重量的锡。某些 实施例提供了具有大约80％至82.9％或83％重量的铅、大约9％至11％ 重量的锑、大约1％至3％重量的银、以及余额重量的锡的合成物。
某些实施例可以包含大约0％-4％重量的银。在某些实施例中，合 成物可以具有大约78％-82.9％重量的铅。在某些实施例中，合成物 可以具有大约83％-87％重量的铅、大约9％-11％重量的锑、大约 1％-3％重量的银、以及余额重量的锡。这样的实施例可提供适当的 可焊接表面，用于将表面安装元件附加到具有在电子油井测井装置 的制造中使用的高温合金的印刷电路板，而所述的电子油井测井装 置是在具有超过比如175℃的温度的环境下工作的。
某些实施例提供了除去引线上制造状态下的引线保护层并且接 着用由贵金属层(如金、银、钯等)保护的镍阻挡层重新涂敷引线 的处理。这样的实施例还可提供适当的可焊接表面，用于将表面安 装元件附加到具有在电子油井测井装置的制造中使用的高温合金的 印刷电路板，而所述的电子油井测井装置是在具有超过比如175℃ 的温度的环境下工作的。
某些实施例可包括从引线表面除去制造状态下的保护层(制造 状态下的保护层可包括铅、或者可以是无铅的)并且接着用无铅焊 料涂敷引线表面，所述的无铅焊料可进一步用作使涂敷了铅的表面 耦合至电路元件(如另一个引线、井底传感器和/或电路板)的部件。 在应用无铅焊料涂敷之前，可将或许由贵金属(如金、银、钯等) 层保护的镍阻挡层施加于引线表面。
为了该文档，“引线”或“元件引线”是可构成电路封装的整体 部分的导电部件(例如SOIC(小型集成电路)封装上的引线、所谓 无引线电路封装上的触点(比如球状矩阵排列封装的凸点下金属喷 镀、无引线方形扁平封装上的垫片、或LCCC(陶瓷无引线芯片载 体)上的触点)等)、或耦合至封装的物理分离引线(如配件市场的、 可附着于无引线芯片载体封装的S形弯曲引线)。“引线保护层”是 通过涂敷、电镀或某些其他机构施加于引线的表面保护层。
图1是按照各实施例的并且能够如上所述进行操作的合成物、 引线、结构、电路板、组件和系统的框图。在这种情形下，可以看 到若干实施例的广义概念，其中封装结构100可包括一条或多条引 线114，所述引线具有引线保护层118，引线保护层118包括大约 80％-98％重量的铅、大约1％-12％重量的银、以及锡。某些实施例 可包含大约0％-4％重量的银。在以前存在的、包括锡的引线保护层 被除去之后，可使引线保护层118附着于引线114。
引线保护层118的多种配方是可能的。例如，引线保护层118 可包括大约85％-98％重量的铅、大约1％-12％重量的银、以及余额 重量的锡。某些实施例可包含大约0％-4％重量的银。在另一个实施 例中，引线保护层118可包括大约80％-83％重量的铅、大约1％-3％ 重量的银、大约9％-11％重量的锑、以及余额重量的锡。某些实施 例可包含大约0％-4％重量的银。在某些实施例中，引线保护层可包 括大约78％-82.9％重量的铅。在某些实施例中，引线保护层可包括 大约83％-87％重量的铅、大约9％-11％重量的锑、大约1％-3％重量 的银、以及余额重量的锡。某些实施例可包含大约0％-4％重量的银。
在某些实施例中，例如在引线122形成包含有表面安装元件封 装的封装结构100的一部分时，引线114可形成封装结构100的整 体部分。在这种情形下，合成物126(如焊料)可用来使引线122 耦合至电路板134上的迹线130。在某些实施例中，引线114可耦 合至封装结构100。例如，这可能发生在配件市场的引线(如S弯 曲引线形式136)用来使封装结构100上的垫片138耦合至电路板134 上的迹线130时。
因此，可实现其他的实施例。例如，封装结构100可包括封装 140(如ICCC)以及耦合至包括在封装140内的电路142的多条引 线114，所述引线114具有包括大约80％-83％重量的铅、大约1％-3％ 重量的银、大约9％-11％重量的锑、以及余额重量的锡的引线保护 层。某些实施例可包含大约0％-4％重量的银。在某些实施例中，引 线保护层可具有大约78％-82.9％重量的铅。在某些实施例中，引线 保护层可包括大约83％-87％重量的铅、大约9％-11％重量的锑、大 约1％-3％重量的银、以及余额重量的锡。某些实施例可包含大约 0％-4％重量的银。电路142可包括在衬底144(如倒装芯片衬底) 中。
仍然可实现其他的实施例。例如，或许作为井底电子组件的一 部分而被包括的电路板134可包括处理器148和耦合至处理器148 的电路142。正如以前注意到的，电路142可被包括在具有多条引 线114的封装结构100中，所述引线114具有包括大约85％-98％重 量的铅、大约1％-12％重量的银、以及在某些实施例中余额重量的 锡的引线保护层。某些实施例可包含大约0％-4％重量的银。电路142 可包括任何数量的组成部分，如其中包括存储器152、模拟-数字转 换器154、数字-模拟转换器156、和/或模拟或数字滤波器158，它 们或许构成了数据采集系统159的一部分。
其他实施例包括系统160，所述系统160具有一条或多条引线 114，所述引线114被附着于包括大约80％-98％重量的铅、大约1％- 12％重量的银、以及锡的引线保护层(注意，在以前存在的(如制 造状态下的)包括锡的引线保护层已经被除去之后，可以附着引线 保护层118)。某些实施例可包含大约0％-4％重量的银。系统160还 可包括耦合至一条或多条引线114的井底换能器164。在某些实施 例中，引线保护层118可选自包括大约85％-98％重量的铅、大约 1％-12％重量的银、以及余额重量的锡的第一合成物和包括大约 80％-83％重量的铅、大约1％-3％重量的银、大约9％-11％重量的锑、 以及余额重量的锡的第二合成物。某些实施例可包含大约0％-4％重 量的银。在某些实施例中，第二合成物可具有大约78％-82.9％重量 的铅。在某些实施例中，第二合成物可具有大约83％-87％重量的铅、 大约9％-11％重量的锑、大约1％-3％重量的银、以及余额重量的锡。 某些实施例可包含大约0％-4％重量的银。
井底换能器164可包括任何数量的元件，如井底温度/压力传感 器、井底振动传感器、井底加速计、井底磁通量闸门等。井底换能 器164可测量和/或监控井底参数和状况，包括井底温度和/或压力、 地下构造的各种特征(如电阻率、γ射线强度、多孔性、声学特性 等)、钻孔的特征(如尺寸、直径、形状等)等。
在另一个实施例中，组件168可包括利用多条引线114中的至 少一条耦合至井底换能器164的电路142。在某些实施例中，井底 换能器164可包括一条或多条元件引线114。组件168还可包括附 着于多条引线114的一条或多条的合成物126(如焊料)。合成物126 可包括大约65％重量的锡、大约25％重量的银、以及大约10％重量 的锑。在某些实施例中，合成物126可包括大约61％-69％重量的锡。 这样的合成物126对于在铅被禁止的区域上的使用尤其有用。合成 物126还可包括下列的一种或多种的组成物：铜、铋、以及元素比 如碲、镍、钴、铈、锂、铍、硒、镁、镉和铟(或许为了改善润湿 和/或精制微结构)、和/或选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、 铽、镝、钬、铒、铥、镱、钛、钒、锆、铬和镥的一种或多种稀土 元素。组件168可包括任何数量的电路172，包括井底电路。
在某些实施例中，组件168可包括电路板134，所述电路板134 具有耦合至一个或多个井底换能器164的一个或多个电子元件174。 组件168可包括附着于包括在电路板134中的一条或多条迹线130 的合成物126。合成物126可包括大约83％-87％重量的铅、大约 8％-12％重量的锑、以及余额重量的锡。因此，合成物126可具有大 约230℃至260℃的塑变温度范围(以及在某些实施例中，具有大约 245℃至255℃或大约245℃至250℃的塑变温度范围)和小于大约20 ℃至200℃的凝固温度范围(以及在某些实施例中，小于大约20℃ 至230℃或大约245℃的凝固温度范围)。组件168可包括电路172， 包括井底电路(如能够以通信方式耦合至电子元件174的收发器、 发射器和/或接收器)。在某些实施例中，合成物126可具有大约 83％-87％重量的铅、大约9％-11％重量的锑、大约1％-3％重量的银、 以及余额重量的锡。某些实施例可包含大约0％-4％重量的银。
正如以前所注意的，许多配方可用来补充合成物126。因此， 合成物可被配制成包括大约78％-83％重量的铅、大约9％-11％重量 的锑、大约1％-3％重量的银、以及余额重量的锡。某些实施例可包 含大约0％-4％重量的银。在某些实施例中，合成物可具有大约78％- 82.9％重量的铅。合成物126还可进一步包括下列的一种或多种组成 物：铜、锑、铋、铟、和/或选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、 铽、镝、钬、铒、铥、镱、钛、钒、锆、铬和镥的一种或多种稀土 元素。在某些实施例中，合成物126可具有大约230℃至245℃的塑 变温度范围(以及在某些实施例中，大约230℃至240℃或大约235 ℃至240℃的塑变温度范围)和小于大约20℃至200℃的凝固温度 范围(以及在某些实施例中，小于大约20℃至230℃或大约235℃ 的凝固温度范围)。
还应当理解，各种实施例的合成物、引线、结构、电路板、组 件和系统可用于除井底环境(包括油井测井和钻探应用)之外的应 用，并且因此所示的实施例将不会被如此限制。合成物126、引线 114、封装结构100、组件168和系统160的说明是用来提供对各种 实施例的部件和结构的一般理解的，并且不打算将它们用作是对可 利用这里所描述的部件和结构的合成物、引线、结构、电路板、组 件和系统的所有特征的完整描述。
可包括各种实施例的新颖的合成物、引线、结构、电路板、组 件和系统的应用包括了在高速计算机、通信和信号处理电路、数据 收发器、调制解调器、处理器模块、嵌入式处理器、以及特定应用 模块(包括多层、多芯片模块)中使用的电子电路。这样的合成物、 引线、结构、电路板、组件和系统还可作为子元件被包括在多种的 电子系统(如电视、摄像机、移动电话、个人电脑、工作站、收音 机、视频播放器、汽车等等)内。
封装结构100、引线114、引线保护层118、引线122、合成物 126、迹线130、电路板134、S形弯曲引线形式136、垫片138、封 装140、电路142、衬底144、处理器148、存储器152、模拟-数字 转换器154、数字-模拟转换器156、模拟或数字滤波器158、数据采 集系统159、系统160、井底换能器164、电路166、组件168、电 路172和电子元件174在这里全都可以称为“模块”。如设计者所期 望的，这样的模块可包括硬件电路和/或处理器和/或存储电路、软件 程序模块和对象、和/或固件、以及其中的组合。
还应当理解，各种实施例的设备和系统可用于除井底钻探和电 缆测井操作之外的应用，并且因此各种实施例将不会被如此限制。 引线114、合成物126、电路板134、系统160和组件168的说明是 用来提供对各种实施例的结构的一般理解的，并且不打算将它们用 作是对所有部件以及可利用这里所描述的结构的设备和系统的特征 的完整描述。
在半导体行业中可利用多种引线精加工技术。这些技术中的两 种包括电镀和涂敷。另外，可使用至少两种类型的电镀，即纯金属 电镀(如镀锡)和合金电镀(如镀锡/铅)。
涂敷可以是在表面上沉积填充物(如焊料)、通过表面润湿取得 冶金结合的处理。在某些实施例中，在填充物具有低于大约315℃ 的熔化温度时，处理被分类为涂敷。表面张力在涂敷处理中起了重 要的作用，以使取得要被填充物涂敷的表面的润湿。当填充物在涂 敷处理期间蔓延过表面时，扩散层则可在表面-填充物界面处生长。
锡电镀可以是纯金属电镀的形式，其可以是通过使电流经过导 电介质或电解液而在表面上沉积金属涂层的处理。电镀系统可因此 具有四部分：1)阴极，其可充当将要被涂敷的表面；2)阳极，其 可充当涂敷金属的来源；3)电解液，其为含水介质，通过它，来自 阳极的金属离子可迁移至阴极；以及4)电源，其可提供在电镀处 理中使用的电流或能量。
图2是说明按照各种实施例的若干方法211的流程图。例如， 方法211可以(可选地)包括在块215处在将合成物附着于引线之 前将第一引线保护层从元件引线的表面除去。除去第一引线保护层 又可包括在块219处利用化学处理除去第一引线保护层。另一方面， 或另外，除去第一引线保护层还可包括在块221处利用机械处理除 去第一引线保护层。
方法211可包括在块225处将作为第二引线保护层的、包括大 约85％-98％重量的铅、大约1％-12％重量的银、以及余额重量的锡 的合成物附着于元件引线的表面。某些实施例可包含附着包括大约 0％-4％重量的银的合成物。某些实施例可包括附着包含大约80％-98％ 重量的铅、大约0％-4％重量的银、以及余额重量的锡的合成物。附 着合成物可包括在块229处利用电镀处理附着合成物。另一方面， 或另外，附着合成物进一步包括在块231利用涂敷处理附着合成物。 例如，如果引线没有已经构成封装结构的整体部分，方法211可以 在块235处结束将元件引线附着于电子元件。
要被施加的引线保护层可包括在铜引线框架上具有镍阻挡层的 引线保护层。在某些实施例中，适当的高温保护层可包括NiPd、 NiAuPd、NiSn、NiAg、和电解Ni/浸液Au。在某些实施例中，处理 可剥落原始的或制造状态下的引线保护层，并利用如NiPd、NiAuPd、 NiSn、NiAg、电解Ni/浸液Au的高温保护层的其中一种重新涂敷。
因此，在某些实施例中，方法211可包括在块215处将第一引 线保护层从引线的表面除去，以及在块225处将包括镍和贵金属的 合成物作为第二引线保护层附着于引线表面。在块215处除去第一 引线保护层可包括利用选自块219处的化学处理和/或块221处的机 械处理的处理。在块225处附着合成物可包括利用选自块229处的 电镀处理(如电解处理)和块231处的涂敷处理(如浸没处理)的 至少一个处理。
应当注意的是，这里所描述的方法不必按所描述的顺序或任何 特定的顺序来执行。此外，在这里相对于所识别的方法而描述的各 种活动可以顺序的或并行的方式来执行。信息(包括参数、命令、 运算数和其它数据)可以一种或多种载波形式被发送和被接收。
在读取和理解该公开内容时，本领域其中一个普通的技术人员 将理解这种方式，即其中软件程序可从基于计算机的系统内的计算 机可读介质发起以执行比如在图2中所描述的方法。本领域其中一 个普通的技术人员还将理解可用来创建被设计成可实现和实施这里 所公开的方法的一个或多个软件程序的各种编程语言。可利用面向 对象语言(如Java、Smalltalk或C++)以面向对象的格式来构建程 序。另外，可利用处理语言(如汇编或C)以面向处理的格式来构 建程序。软件成分可利用本领域的技术人员公知的任何数量的机构 进行通信，如应用程序接口或进程间通信技术，包括远程处理调用。 各种实施例的教导不限于任何特定编程语言或环境，包括超文本标 记语言(HTML)以及可扩展标记语言(XML)。因此，可实现其它 实施例，如在这里另外描述的软件模块、数据处理硬件、数据处理 系统实现的方法和各种处理操作。
图3是按照各种实施例的制品385的框图，如计算机、存储系 统、磁盘或光盘、某些其它存储装置、和/或任何类型电子装置或系 统。制品385可包括耦合至机器可访问介质的处理器387，所述机 器可访问介质是比如包含相关信息的存储器389(如包括电的、光 学的、或电磁导体的存储器)、模拟391、发生397(如计算机程序 指令和/或数据)，其在被访问时会导致机器(如处理器387)实施比 如在图2的方法中实现的那些行为。
许多实施例可被包括在井底钻探操作的元件(如井底工具)中。 图4说明了按照各种实施例的、用于钻探操作的系统。系统400包 括位于井表面404的钻机402。钻机402为钻柱408提供了支持。 钻柱408穿透旋转台410用于打钻使钻孔412通至地下构造414。 钻柱408包括传动钻杆416(在上部)、钻管418和底部孔组件420 (位于钻管418的下部)。
底部孔组件420可包括钻环422、井底工具424和钻头426。钻 头426通过穿透表面404和地下构造414产生钻孔412。井底工具424 可以是任何数量的不同类型的工具，包括MWD工具、LWD工具等。
在钻探操作期间，钻柱408(包括传动钻杆416、钻管418和底 部孔组件420)可以被旋转台410旋转。另外或作为这种旋转的备 选，底部孔组件420还可被井底的电动机(图中未示出)旋转。钻 环422可用来为钻头426增加重量。钻环422还可加强底部孔组件 420以此允许底部孔组件420将重量迁移至钻头426。因此，由钻环 422提供的这种重量在穿透表面404和地下构造414的处理中同样 帮助了钻头426。
在钻探操作中，泥浆泵432可将钻井泥浆(称为“钻井污泥”) 从泥浆坑434通过软管436抽进钻管418向下至钻头426。钻井泥 浆可从钻头426中流出并通过钻管418和钻孔412的侧面之间的环 形区域440返回到表面。接着可使钻井泥浆返回到泥浆坑434，其 中这种泥浆被过滤。因此，在钻探操作期间，钻井泥浆可冷却钻头 426以及为钻头426提供润滑作用。另外，钻井泥浆除去了由钻头426 产生的地下构造414的截土。
井底工具424可包括一条或多条引线114、合成物126、电路板 134、系统160、井底换能器164和组件168(参见图1)，以有助于 监控各种井底参数并且可选地生成要存储在一个或多个存储介质中 的数据，所述存储介质或许也位于井底工具424中(例如，与存储 器152类似或相同，参见图1)。井底工具424的类型和安装其上的 井底换能器164的类型可以取决于被测量的井底参数的类型。这样 的参数可包括井底温度和井底压力、地球构造的各种特征(如电阻 率、水的饱和、密度、多孔性等)、钻孔的特征(如尺寸、形状等) 等。因此，井底工具424和其他元件、钻柱408可包括按照这里所 描述的各种实施例的合成物、引线、结构、电路板、组件、以及系 统。
利用本发明的各种实施例可改进具有所施加的独特合成物(包 括焊料配方)的电子组件和引线的可制造性、可靠性和使用寿命。
在某些实施例中，这些合成物可提供电子元件在高温环境(如井底 钻探)下更可靠的用法。在某些实施例中，利用与高温焊料相容的 高温引线保护层重新涂敷电子元件的引线同样将允许在高温环境(如 电子油井测井装置)中的使用，并且可操作以防止相关焊接接头的 污染。
构成其中一部分的附图通过说明的、和非限制的、其中可实现 本发明主题的特定实施例的方式来示出。所说明的实施例被充分详 细地描述以此使得本领域的技术人员能够实现这里所公开的教导。 可利用并由此导出其他实施例，以使在没有背离该公开内容的范围 的情况下可进行结构的或逻辑的置换和改变。因此，该详细描述不 是限制意义的，并且各种实施例的范围仅由所附权利要求以及这样 的权利要求所授权的等同物的全部范围来限定。
如果实际上不止一个被公开的话，仅仅出于方便并且不打算自 愿地将本申请的范围限制到任何单一发明或发明概念，本发明主题 的这样的实施例在这里可被单独地和/或总称为术语“本发明”。因 此，尽管特定实施例已经在这里被说明并且被描述，但是应当意识 到，任何被计算以此取得相同用途的布置可被所示的特定实施例代 替。该公开内容打算覆盖各种实施例的任何的和所有的改编或变化。
在浏览上述说明时，上述实施例的组合以及未在这里被具体描述的 其他实施例对本领域技术人员来说将是显而易见的。
提供公开内容的摘要以遵守37C.F.R§1.72(b)，其要求使读者 能够快速确定技术公开的性质的摘要。主张这样的理解，即不是用 来解释或限制权利要求的范围和含意的。另外，在前面的详细描述 中，可以看到，出于简化公开内容的目的，将各种特征集合进单个 实施例中。该公开的方法不要被解释为反映了这样的意图，即要求 权利的实施例需要的特征多于在各个权利要求中明确列举的特征。 相反地，正如下面的权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公 开实施例的所有特征。因此，下面的权利要求被据此并入详细的描 述中，其中各个权利要求依赖于其自作为独立的实施例。
优先权要求
本申请要求2004年1月13日提出的、序号为60/536,114的美 国临时专利申请和2004年3月31日提出的、序号为10/815,009的 美国专利申请的优先权，通过引用将它们全部结合在此。