(57)【要約】【課題】超音波振動を付与して電子部品をはんだ付けする際、振動による電子部品などの破壊などの問題を生じないではんだ付けできるようにする。【解決手段】電子部品を基板にはんだ付けする際、はんだが溶融した後、凝固する前に、溶融はんだの表面に超音波加振ツールを接触させ、溶融はんだに超音波振動を付与して凝固核の核生成を促進させ、はんだの凝固組織を微細化して、接合強度の優れた電子製品を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品をはんだ付けする際、はんだが溶融した後、凝固する前に、溶融はんだの表面に超音波加振ツールを接触させ、溶融はんだに超音波振動を付与して凝固核の核生成を促進させ、はんだの凝固組織を微細化することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
電子部品をはんだを介して基板上に搭載し、はんだを加熱して溶融させ、続く冷却過程において、溶融はんだが凝固する前に超音波振動を付与することを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
【請求項３】
前記超音波加振ツールの先端部の形状が、溶融はんだの表面形状に倣う形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ付け方法。
【請求項４】
前記超音波加振ツールの先端部をはんだの融点未満の温度に加熱して、溶融はんだの表面に接触させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ付け方法。
【請求項５】
超音波振動付与は、はんだ接合部の温度を測定しながら行い、冷却過程における凝固完了前に超音波振動付与を終了することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のはんだ付け方法。
【請求項６】
請求項１に記載のはんだ付け方法を実施するためのはんだ付け装置であって、
はんだ付けしようとする電子部品（１）を支持するための支持手段（５）と、
前記支持手段（５）に支持された電子部品のはんだ付けする箇所を加熱するための加熱手段と、
超音波振動発生器（１１）に接続される超音波加振ツール（１２）と、
前記超音波加振ツール（１２）の先端部を、前記加熱手段で加熱されて溶融したはんだ（４）の表面に接触するように駆動し、溶融はんだが凝固する前に、はんだ表面から離反させる手段（１５、１６、１８）と
を備えることを特徴とするはんだ付け装置。
【請求項７】
前記超音波加振ツールの先端部の形状が、溶融はんだの表面形状に倣う形状を有することを特徴とする請求項６に記載のはんだ付け装置。
【請求項８】
前記超音波加振ツールにヒータが内蔵されていることを特徴とする請求項６または７に記載のはんだ付け装置。
【請求項９】
さらに、はんだ表面あるいははんだに隣接する部分の温度を計測する測定装置（１７）が設けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のはんだ付け装置。
【請求項１０】
前記測定装置が放射温度計あるいは熱電対を取り付けたプローブを用いるものであることを特徴とする請求項９に記載のはんだ付け装置。
【請求項１１】
請求項１のはんだ付け方法によって接合された電子部品を搭載する電子製品であって、該電子部品を接合するはんだが微細な凝固組織を有すること特徴とする電子製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品のはんだ付け方法、その方法を実施するための装置及びその方法によって接合された電子部品を搭載する電子製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐熱性が要求される環境で用いられる機電一体製品に組み込まれ、はんだ接合箇所を含む電子製品では、基板と電子部品とのはんだ接合部の強度を高め、製品の長寿命化など、接合の信頼性をより向上させることが要求されている。
はんだ接合部の高強度化や長寿命化に関する従来技術として、はんだ合金中にＮｉやＣｏなどの析出強化元素を添加し、はんだ付け時におけるＣｕＳｎなどの粗大な金属間化合物の生成を抑制する方法や、はんだ合金の主成分となるＳｎマトリクスを強化するために、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂなどの固溶強化元素を添加する方法がある。これらの方法は、はんだ自体の高強度化の効果は期待できるが、電子部品の電極内部の剥離が生じたり、衝撃負荷に対する接合部の耐性が低下したりすることが懸念される。
【０００３】
一方、はんだ付け時に超音波振動を利用して接合の信頼性を向上する技術もある。例えば、特許文献１には、はんだ付け時に被接合部材に超音波振動を付与し、はんだの流動性を改善してはんだと被接合部材の間の接続信頼性を高める方法が開示されている。また、特許文献２には、超音波はんだ鏝のようなツールを用いてはんだを溶融し、続いて溶融したはんだへ直接超音波振動を付与する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０９４３７０号公報
【特許文献２】特開２０１１−０５１００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超音波振動を利用する技術は、一般に流通しているはんだをそのまま利用して、はんだ接合部の性能を改善できる技術であるが、特許文献１のように被接合部材である電子部品や基板に超音波加振ツールを接触させると、振動による電子部品などの破壊が懸念され、また、特許文献２のような超音波はんだ鏝を用いる場合では、鏝先がはんだを溶融させる際にはんだに覆われるため、溶融はんだの熱によって鏝が損傷する問題や凝固後のはんだ表面の形状に歪みが発生する問題がある。
そこで本発明は、超音波振動を付与して電子部品をはんだ付けする際、上記のような問題を生じないではんだ付けできるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、超音波加振ツールを溶融はんだの表面に沿うようにはんだ表面に接触させ、はんだ形状が歪むのを回避するとともに、はんだ表面の広い範囲に超音波加振ツールを接触させるようにして、凝固後のはんだの結晶粒子寸法のばらつきを低減させることにより、上記課題を解決するものである。
【０００７】
そのような本発明は次のようにしたことを特徴とする。
請求項１のはんだ付け方法の発明は、電子部品をはんだ付けする際、はんだが溶融した後、凝固する前に、溶融はんだの表面に超音波加振ツールを接触させ、溶融はんだに超音波振動を付与して凝固核の核生成を促進させ、はんだの凝固組織を微細化することを特徴とする。
請求項６のはんだ付け装置の発明は、請求項１に記載のはんだ付け方法を実施するためのはんだ付け装置であって、はんだ付けしようとする電子部品（１）を支持するための支持手段（５）と、前記支持手段（５）に支持された電子部品のはんだ付けする箇所を加熱するための加熱手段と、超音波振動発生器（１１）に接続される超音波加振ツール（１２）と、前記超音波加振ツール（１２）の先端部を、前記加熱手段で加熱されて溶融したはんだ（４）の表面に接触するように駆動し、溶融はんだが凝固する前に、はんだ表面から離反させる手段（１５、１６、１８）とを備えることを特徴とする。
請求項１１の電子製品の発明は、請求項１のはんだ付け方法によって接合された電子部品を搭載する電子製品であって、該電子部品を接合するはんだが微細な凝固組織を有すること特徴とする。
【０００８】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、はんだ接合部の高強度化や長寿命化が可能となり、機電一体製品のような高い耐熱性が要求される環境に搭載される電子製品におけるはんだ接続が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による超音波はんだ付けを説明するための図である。
【図２】はんだ付け部の他の例を説明するための図である。
【図３】超音波振動を付与した場合（ａ）と付与しない場合（ｂ）のはんだの凝固組織を示す顕微鏡写真を用いた図である。
【図４】（ａ）は超音波振動付与の場合と付与なしの場合のはんだの引張り強度を比較して示す図であり、（ｂ）は引張り試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［基本的な実施形態］
本発明は、電子部品１をはんだ付け箇所にセットした後、はんだを加熱して溶融する加熱工程（ａ）、及びこの工程に続く溶融後のはんだを冷却する工程（ｂ）によりはんだ付けが行われる。本発明では、はんだが溶融した後、溶融はんだが凝固する前に、溶融はんだの表面に超音波加振ツールを接触させ、溶融はんだに超音波振動を付与する。
【００１２】
以下、図１を用いて、半導体チップやチップ抵抗器のような電子部品１をプリント基板２上のランド電極３上に搭載してはんだ付けする場合を例に説明する。
（加熱工程）
支持手段となるステージ５上に載置されたプリント基板２のランド電極３上にはんだを配置し、その上に電子部品１をセットする。
次に、はんだを加熱して溶融させ、ランド電極３と電子部品１との間に溶融はんだ４を形成する。
加熱は、熱板やヒータなどによる輻射、温風、あるいは赤外線照射などの適宜な加熱手段（図示せず）を用いて行うことができる。
接合部（はんだ付け箇所）が複数ある場合、各接合部の凝固組織を個別に作るため、接合部を個別に加熱することもできる。
【００１３】
（冷却工程）
はんだを加熱、溶融した後、続く冷却工程（ｂ）ではんだを凝固させる。その凝固過程において、超音波振動装置１０の超音波加振ツール（以下、加振ツールと略記する。）１１を溶融はんだの表面に接触させて、溶融はんだに超音波振動を直接加えながら凝固させる。超音波振動の付与の開始時期は、加熱が終了する前とすることができるが、超音波振動付与の効果や効率を考慮すれば、加熱が終了した後の冷却過程において付与するのが好ましい。
【００１４】
超音波振動装置１０は、支持体１５に支持案内されて、支持体１５に沿って移動する支持アーム１６に取り付けられ、支持アーム駆動制御装置１８に指令により支持アームが駆動されて、はんだ４に対して接近離反するように設けられている。
なお、支持体１５、支持アーム１６、支持アーム駆動制御装置１８によって、超音波加振ツールの先端部を、はんだの表面に接触するように駆動し、溶融はんだが凝固する前に、はんだ表面から離反させる手段を構成する。
【００１５】
また、超音波振動装置１０は、超音波振動を発振する超音波振動発生器１１と、該発生器とホーンなどの増幅器を介して接続され、溶融はんだに超音波振動を付与する加振ツール１２を備えている。
加振ツール１１は、その先端部を溶融はんだ４の表面に接触した状態に位置され、その状態で溶融はんだに超音波振動を付与する。
加振ツール１１を溶融はんだ内に挿入すると、溶融はんだの熱によって該ツールが損傷しやすく、また、凝固後のはんだの表面形状に歪みが発生する問題もあるが、溶融はんだの表面に接触させるようにすることによりそれらの問題を避けることができる。
【００１６】
溶融はんだにその表面から直接振動を付与することにより凝固核となる金属間化合物などの核生成が促進され、溶融はんだ中に微細な化合物が多数分散して析出するようになる。例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだでは、ＡｇＳｎやＣｕＳｎが析出する。
そして、溶融はんだが凝固する際、分散して析出した微細な化合物を凝固核として多数の結晶粒が生成するので、凝固後は微細な結晶組織が得られる。
このように、微細な化合物が析出し、組織が微細化される結果、凝固後のはんだの強度が増大する。このため、特に析出元素を添加したはんだを用いる必要はなく、一般に流通しているはんだをそのまま利用して、強度を高めたはんだ接合部が形成できる。
【００１７】
図３、４に、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金を用いて引張り試験片を作製し、その組織を観察するとともに、引張り試験を行った結果を示す。
引張り試験片は、溶融したはんだ合金を鋳型に鋳込むことにより作製した。図４（ｂ）に引張り試験片の形状を示す。鋳造に当たっては、鋳型のゲージ部（試験片中央部に対応する）に、超音波振動を付与するための窓となる開口部を形成しておき、溶融はんだが凝固する前にこの開口部を通して溶融はんだの表面に超音波加振ツールを接触させて、試験片の中央部となる部分の溶融はんだに超音波振動を付与した後に凝固させた。また、超音波振動を付与しないで凝固させた引張り試験片も同時に作製した。
【００１８】
図３に、超音波振動を付与しながら凝固させた試験片（ａ）と、超音波振動の付与なしに凝固させた試験片（ｂ）について、試験片中央部のはんだ合金の凝固組織を示す。
また、図４（ａ）に、上記のようにして作製した引張り試験片を用いて引張り試験を行った結果を示す。
溶融はんだの凝固過程で超音波振動を付与して作製した試験片の場合は、凝固組織が微細化され、引張強度も増大することが示されている。
【００１９】
このように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだのような一般的なはんだをそのまま利用して、その凝固組織を微細化することにより、はんだの強度が増大して接合寿命が向上し、少量のはんだでの電子部品の接合も可能となる。
また、個々のはんだ付け接合部に対し、個別に超音波振動を付与することができるので、個々の接合部に対して超音波振動の付与の時間などを調整することで、凝固組織の微細化の程度を調整し、それぞれの製品の接合部に必要な材料強度特性に見合った継手構造を作り出すことができる。
【００２０】
［他の実施形態］
（加振ツールの形状）
超音波振動を溶融はんだに付与する際、加振ツール１１の先端部の形状を、溶融はんだの自然な流れに沿うように、すなわち、溶融はんだの表面の形状に倣うように形成しておくことにより、凝固後のはんだの表面形状を歪のない滑らかな形状とすることができる。このため、例えば、繰り返し熱応力による亀裂は応力の集中しやすい表面の不連続な個所で発生することが多いが、滑らかな表面とすることによりそのようなき裂の発生を抑制することができる。
【００２１】
さらに、溶融はんだの表面の形状に倣うように形成することで、加振ツールの先端部が溶融はんだとより広い面積で接触するようになり、超音波振動を溶融はんだの全域に効率よく伝達することができるようになる。このため、より均一な凝固組織を得ることができるようになるとともに、より短時間の振動の付与によって多くの凝固核を生成できるので、振動が電子部品に与える影響をより小さくすることができる。
【００２２】
なお、図１では、電子部品の側面に電極があり、はんだが電子部品の側面に沿って形成されている例で示しているが、底面に電極がある場合は、図２のように、はんだ４が電子部品１から側方に広がるようにすれば超音波振動の付与をより容易に行うことができる。
【００２３】
（加振ツールの加熱）
加振ツールを溶融はんだ４に接触させる際、溶融はんだ４の熱が加振ツール１１を介して外部に放熱されると、溶融はんだに十分に振動を付与する前に凝固を開始するようになる。
加振ツールを、はんだの融点未満で、融点に近い温度に加熱して溶融はんだに接触させるようにすれば、溶融はんだの急な温度降下を抑制して、凝固組織を微細化するのに十分な数の凝固核を生成させる時間を確保することができる。
さらに、加振ツールにヒータを内蔵させ（図示せず）、該ツール先端部の温度をはんだの融点未満の温度、例えば、融点が２１７℃であるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだの場合は１８０〜２００℃に設定しておけば、凝固までの振動付与時間を十分に確保することができる。また、ヒータによりはんだ合金に応じた加熱温度に調整できる。
【００２４】
（超音波振動付与の終了）
凝固後にも超音波付与を継続すると、電子部品や基板、さらには、はんだの破壊を助長することとなるため、凝固完了前に超音波付与を終了することが必要となる。
そのための方法としては、はんだ表面の温度、あるいは、はんだに隣接する部分の表面温度を測定しながらはんだ付け試験を行い、はんだの温度が凝固温度まで降下する時間を計測しておき、以降のはんだ付けでは、その時間を基準に超音波振動付与を実施する方法がある。
【００２５】
また、超音波振動付与の停止の条件は、はんだ付けの条件や電子製品ごとに変化するので、その変化に自動的に対応するために、はんだ表面の温度、あるいは、はんだに隣接する部分の温度を、放射温度計や熱電対内蔵プローブなどの測定装置で計測して、自動的に超音波振動付与の停止を行うこともできる。
図１の例では、はんだ４の表面の温度を測定する放射温度計１７をさらに設け、測定された温度を支持アーム駆動制御装置１８に入力し、測定された温度が凝固開始完了前の所定の温度と判断された場合には、該制御装置１８が支持アーム駆動装置（図示せず）に上昇信号を出力して、超音波振動装置１０を上昇させて、はんだに対する超音波振動の付与を終了するようにしている。
【００２６】
以上説明した実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、上記以外の実施の形態でも実施可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１    電子部品
２    基板
３    基板上の電極
４    はんだ
５    ステージ（支持手段）
１０    超音波振動装置
１１    超音波振動発生器
１２    超音波加振ツール
１５    支持体
１６    支持アーム
１７    温度測定装置（放射温度計）
１８    支持アーム駆動制御装置
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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