(57)【要約】【課題】均等なフィレットを簡単かつ確実に形成して、接合信頼性を高めることができる素子のはんだ付け方法を提供する。【解決手段】基板２の上にはんだペースト１１を介して素子３を搭載し、これをリフロー処理することにより、はんだペースト１１を溶融させて凝固・固化し素子３を基板２に固着する第１工程と、この第１工程により素子３を固着した基板２を裏返し状態とし、素子３を基板２の下方に配置した状態で再度リフロー処理し、その裏返し状態ではんだを凝固・固化する第２工程とを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上にはんだを介して素子を搭載し、これをリフロー処理することにより、前記はんだを溶融させて凝固・固化し前記素子を前記基板に固着する第１工程と、この第１工程により前記素子を固着した前記基板を裏返し状態とし、前記素子を前記基板の下方に配置した状態で再度リフロー処理し、その裏返し状態ではんだを凝固・固化する第２工程とを有することを特徴とする素子のはんだ付け方法。
【請求項２】
前記基板へのはんだの接合面を前記素子への接合面よりも大きくすることを特徴とする請求項１記載の素子のはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板にはんだを介して素子を搭載してリフロー処理することによりはんだ付けする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱電素子などの半導体素子と基板との接合、微細かつ高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージ封止などには、Ａｇペースト、Ａｕ−Ｓｎ箔材、Ａｕバンプ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストなどが使用されている。
特に、大電圧が印加される高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）は温度が上昇するため、熱放出性に優れた接合材料が必要であり、その接合には接合信頼性の一層優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが多く用いられる（特許文献１及び特許文献２参照）。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５質量％（好ましくはＳｎ：２０質量％）を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金ガスアトマイズ粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなる市販のフラックスとを混合して作られる。
【０００３】
この種のはんだペーストを用いて基板と素子を接合するには、基板にはんだペーストを搭載または塗布し、このはんだペーストの上に素子を搭載した状態で加熱してリフロー処理を施した後冷却することにより行われる。はんだ接合層の周囲に形成されるフラックス残渣層は洗浄し除去される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０５４６２号公報
【特許文献２】特開２００３−２６０５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなはんだ付けにおいては、濡れ現象による金属拡散により接合するものであるため、接合部からはみ出したフィレットが所定の高さで周方向に均等に形成されていることが、接合強度などの信頼性を確保する上で重要である。
しかしながら、基板と素子との間のはんだの回り込みが不十分であったり、素子が傾いて接合され、あるいははんだフラックスからガスが発生してはんだ接合層にボイドとして残存するなどの種々の要因で、均等なフィレットを形成することは難しく、高度の熟練と精密な管理が必要になる。このため、通常は、はんだペーストを多めに塗布するようにしており、材料の無駄を招いていた。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、均等なフィレットを簡単かつ確実に形成して、接合信頼性を高めることができる素子のはんだ付け方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る素子のはんだ付け方法は、基板の上にはんだを介して素子を搭載し、これをリフロー処理することにより、前記はんだを溶融させて凝固・固化し前記素子を前記基板に固着する第１工程と、この第１工程により前記素子を固着した前記基板を裏返し状態とし、前記素子を前記基板の下方に配置した状態で再度リフロー処理し、その裏返し状態ではんだを凝固・固化する第２工程とを有することを特徴とする。
【０００８】
第１工程では通常のはんだ付けと同様にしてリフロー処理がなされる。この第１工程においてはフィレットは均等に形成されていないとしても、次の第２工程においては、裏返し状態でリフロー処理されることから、はんだ溶融部の表面張力が素子と基板との間に作用した状態で、はんだ溶融部と素子との接合面に鉛直下向きの重力が均等に作用する。このはんだ溶融部の表面張力と素子の重力とが釣り合って、素子がはんだ溶融部の中心に自動的に調芯され、その結果、はんだ溶融部に素子が水平姿勢で保持され、その周囲に均等な高さのフィレットが形成される。
なお、第１工程でのリフロー処理によってはんだは基板及び素子に金属接合しているため、第２工程で裏返しても素子は落下しない。また再溶融時には、はんだの表面張力が作用するため素子を脱落させることはない。
【０００９】
本発明のはんだ付け方法において、前記基板側のはんだ接合層の接合面を前記素子側の接合面よりも大きくするとよい。
基板側の接合面を素子側の接合面よりも大きく形成することにより、はんだ溶融部の調芯作用で素子が中心に配置されることから、フィレットが素子の周囲に一様な幅で形成され、幅及び高さの両方が周方向に均等に形成される。はんだ接合層の接合面を大きくするには、基板に設けられる導体パッドの面積を素子の接合面の平面積より大きくしておけばよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る素子のはんだ付け方法によれば、第１工程のリフロー処理の後に、裏返した状態で再度リフロー処理することにより、はんだ溶融部の表面張力と素子の重力との作用によってはんだ溶融部の中心位置に素子が水平姿勢で保持され、その結果、素子の周囲に均等な高さのフィレットが形成され、接合強度などの接合信頼性を高めることができる。しかも、裏返して再リフロー処理するという簡単な方法であり、はんだを多く使用することもなく、経済的である。また、素子の平坦性が高められるので、ＬＥＤ素子等のはんだ付けに用いて好適であり、光量の面方向のばらつきや色むら等の不具合の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る素子のはんだ付け方法の実施形態を工程の順に説明した概略断面図であり、（ａ）は基板にはんだペーストを介して素子を仮止めする状態、（ｂ）は素子を仮止めした基板をリフロー処理してはんだペーストを溶融しはんだ接合層を形成した状態、（ｃ）ははんだ接合層を形成した基板を裏返し状態にしてトレーに載置した状態をそれぞれ示している。
【図２】図１（ｃ）の裏返し状態でリフロー処理している途中のはんだ溶融部分を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明のはんだ付け方法が適用されるＬＥＤ装置の縦断面図である。
【図４】本発明のはんだ付け方法によって接合した実施例及び従来のはんだ付け方法によって接合した比較例のそれぞれのはんだ接合層の部分の拡大断面写真であり、（ａ）が本実施例、（ｂ）が比較例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明のはんだ付け方法をＬＥＤ装置に適用した実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明のはんだ付け方法が適用されるＬＥＤ装置について図３により簡単に説明する。図３に示すように、このＬＥＤ装置１は表面実装型のパッケージであり、シリコン、アルミナ等のセラミックス、樹脂などからなる基板２の上にＬＥＤ素子３が固着されているとともに、このＬＥＤ素子３の回りを囲むようにリフレクタ−４が基板２と一体に設けられている。また、基板２の上面から側面を経由して下面に至る複数の入出力用パターン導体５，６が配設されており、そのパターン導体５，６の表面にはＡｕめっき（図示略）等のめっき処理がなされている。ＬＥＤ素子３は、一部のパターン導体５のパッド７にはんだによって固着されるとともに、パターン導体６にボンディングワイヤ８によって接続されている。符号９がはんだ接合層を示す。なお、ＬＥＤ素子３が固着されるパターン導体５のパッド７は、ＬＥＤ素子３の接合面の平面積よりも広い面積に形成される。
【００１３】
また、リフレクタ−４は、リング枠状に形成され、その内周面が上方に向けて広がるテーパ状の反射面４ａとされている。そして、このリフレクタ４−の反射面４ａによって囲まれたキャビティ内には、ＬＥＤ素子３を埋めるように蛍光体を分散した樹脂１０が封止される。
なお、基板２の下方には放熱のためのヒートシンク（図示略）が取り付けられる。
【００１４】
このように構成されるＬＥＤ装置１を製造する場合、リフレクタ−４を一体に設けた基板２を製作しておき、この基板２の上面のパターン導体５のパッド７にはんだペースト１１を介してＬＥＤ素子３を搭載する。そして、後述のようにリフロー処理によってはんだペースト１１を溶融状態とし、これを冷却固化することによりＬＥＤ素子３を基板２のパッド７に固着する。
はんだペースト１１としては、Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末とフラックスとを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが好適である。
【００１５】
以下に、上記製造方法のうちのはんだ付け作業の詳細を説明する。
＜第１工程＞
図１（ａ）に示すように、基板２のパターン導体５のパッド７の上にピン転写法等によりはんだペースト１１を塗布し、そのはんだペースト１１の上に矢印で示すようにＬＥＤ素子３を載置する。そして、まず、このＬＥＤ素子３が基板２の上方に配置された状態で熱処理炉（図示略）内に供給し、リフロー処理する。この第１工程は通常のはんだ付け工程であり、リフロー処理によってはんだペースト１１が溶融し、これを冷却固化することにより、図１（ｂ）に示すように素子３がはんだ接合層１２を介して基板２のパッド７の上に固着される。なお、この状態で生成されるはんだ接合層１２は、図３の最終製品に形成されているはんだ接合層９とは異なる中間工程で生成されるものであるので、符号１２として区別する。
【００１６】
＜第２工程＞
図１（ｃ）に示すように、ＬＥＤ素子３を固着した基板２を裏返した状態、つまりＬＥＤ素子３を基板２の下方に向けた状態として熱処理炉（図示略）内に供給して、再度リフロー処理する。この場合、基板２はメッシュ状のトレー１３に載置されるが、基板２の片面にはリフレクタ−４が一体に設けられており、このリフレクタ−４の高さがＬＥＤ素子３より十分に大きいので、基板２を裏返した状態でトレー１３に載置すると、リフレクタ−４がスペーサの役割を果たし、トレー１３の上方でＬＥＤ素子３を基板２から吊り下げた状態に支持する。
【００１７】
そして、この裏返し状態で全体が加熱されることにより、凝固・固化したはんだ接合層１２が再度溶融する。このはんだ接合層１２が溶融した状態では、図２に破線矢印で示すはんだ溶融部１４の表面張力によってＬＥＤ素子３が保持される。
また、ＬＥＤ素子３には図２に実線矢印で示すように下向きに重力が作用しているため、はんだ溶融部１４には自身の表面張力とＬＥＤ素子３の下向きの重力とが作用する。このはんだ溶融部１４の表面張力は、ＬＥＤ素子３のはんだ接合面から基板２に向けて均等に作用し、一方、重力もはんだ接合面に鉛直下方に向けて均等に作用する。そして、これら表面張力と重力とが釣り合い、ＬＥＤ素子３が水平姿勢で保持される。
そして、この裏返し状態ではんだが冷却固化されると、ＬＥＤ素子３ははんだ接合層９を介して基板２と平行に固定されるとともに、その周縁部と基板２との間に配置されるはんだ接合層９のフィレット９ａが周方向に均等な高さで形成される。
【００１８】
＜ワイヤボンディング工程、封止工程＞
次いで、ＬＥＤ素子３をパターン導体６にボンディングワイヤ８によって接続し、リフレクタ−４の内側のキャビティを樹脂１０により封止すると、図３に示すＬＥＤ装置１として完成する。
このように製造されたＬＥＤ装置１においては、通常のはんだ付け作業と同様のリフロー処理によって一旦凝固・固化したはんだ接合層１２を再度リフローさせ、しかも、そのときにＬＥＤ素子３が基板２の下方に配置される裏返し状態としたことにより、はんだ溶融部１３の表面張力とＬＥＤ素子３の重力とが釣り合って、ＬＥＤ素子３が基板２と平行に固定される。このため、はんだ接合層９は、その厚さが面内均一になり、その周囲のフィレット９ａがなだらかで周方向に均等に形成される。したがって、はんだ接合層９の接合強度が高く、ＬＥＤ素子３が強固に固着され、長期的に安定したものとなる。
また、ＬＥＤ素子３の取り付けの平坦性が高いため、ＬＥＤ素子３からの光量の面方向のばらつきや色むらの発生が少ないＬＥＤ装置１となる。
【００１９】
図４は、本実施形態のはんだ付け方法及び従来の通常のリフロー処理によるはんだ付け方法によって接合したときのはんだ接合層の部分を示す拡大断面写真である。（ａ）が本実施形態の方法による実施例品、（ｂ）が従来の方法による比較例品を示している。この図４にも図１から図３で用いた符号と同じ符号を付して説明する。
いずれも、基板２は、アルミナ製基板を用いて、導体部分にＡｕめっきを施した。
はんだペーストとしては、Ｓｎ：２０質量％を含有し、残部がＡｕからなる成分組成を有し平均粒径：１０μｍを有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を用意し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を市販のロジン系フラックスに、ロジン系フラックス：７質量％を含有し、残部がＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の配合組成となるように配合し、混合して得られるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用した。
【００２０】
この図４に明らかなように、（ａ）に示す本実施例の場合は、ＬＥＤ素子３と基板２との間のフィレット９ａは左右ほぼ対称でなだらかな曲線となっているが、比較例の場合は、一方（図の左側）のみにフィレット９ａが形成され、他方（右側）にはほとんど存在していない、極めて不均一な仕上がりとなっている。このため、本実施例のものは、落下衝撃によるはんだ接合層９のクラックの発生及び進展がしにくいとともに、接合強度が大きいなどの接合信頼性に優れるものであることがわかる。
なお、この図４において符号Ｖは、はんだペーストの溶融時に発生したガスがはんだ接合層９内に残存してできたボイドを示しており、比較例の場合は、リフロー処理時にボイドによる浮力がＬＥＤ素子３に作用することにより、ＬＥＤ素子３が傾いて固着される場合があるが、実施例の場合は、第１工程時のリフロー処理ではＬＥＤ素子３が傾いたとしても、第２工程時の裏返し状態でリフロー処理するときには、ボイドの浮力がＬＥＤ素子３には作用しないので、ＬＥＤ素子３が傾いて固着されることはない。
【００２１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態ではＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いたが、Ａｕ−Ｓｎ合金に限定されず、他のはんだペーストを用いる場合にも本発明を適用することができる。また、はんだとして、上記実施形態のペーストではなく、リボン、ペレット、箔材を用いる場合にも適用することができる。
また、ＬＥＤ素子の例で説明したが、ＬＥＤ素子以外の各種電子部品に用いられる素子に適用することができる。ＬＥＤ素子のようにリフレクタ−を有さない場合には、リフロー処理時に素子を浮かした状態とするために基板の下にスペーサを配置するとよい。
【符号の説明】
【００２２】
１  ＬＥＤ装置
２  基板
３  ＬＥＤ素子
４  リフレクタ−
４ａ  反射面
５，６  パターン導体
７  パッド
８  ボンディングワイヤ
９  はんだ接合層
９ａ  フィレット
１０  樹脂
１１  はんだペースト（はんだ）
１２  はんだ接合層
１３  トレー
１４  はんだ溶融部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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