(57)【要約】【課題】はんだ付け後のはんだ内のボイド率が小さくなるはんだ付方法を提供する。【解決手段】第１工程では、リードフレーム２０の一方の面２１にはんだペースト４０を塗布する。第２工程では、はんだペースト４０のリードフレーム２０とは反対側に素子３０を設置する。第３工程では、リードフレーム２０のはんだペースト４０とは反対側の面２２にレーザ光１００を照射しつつ、素子３０に所定の周波数以上の振動を与える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にはんだペーストを塗布する第１工程と、
前記はんだペーストの前記基板とは反対側に部品を設置する第２工程と、
前記基板の前記はんだペーストとは反対側の面にレーザ光を照射しつつ、前記部品に所定の周波数以上の振動を与える第３工程と、
を含むはんだ付方法。
【請求項２】
前記第３工程において、前記基板の前記はんだペーストとは反対側の面にレーザ光を照射することにより前記はんだペーストが所定の割合以上溶融した後、前記部品に所定の周波数以上の振動を与えることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付方法。
【請求項３】
前記基板は、前記はんだペーストとは反対側の面のうち少なくとも前記第３工程でレーザ光が照射される部分の板厚が所定の板厚以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ付方法。
【請求項４】
前記第３工程において、レーザ光の光源を前記基板の面方向に移動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のはんだ付方法。
【請求項５】
前記第３工程において、レーザ光の光源をレーザ光の光軸方向に移動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のはんだ付方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだペーストを用いたはんだ付方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板と部品との間のはんだペーストを溶融することにより、基板と部品とをはんだ付けする方法が知られている。例えば特許文献１に記載のはんだ付方法では、基板とはんだペーストとの間にはんだ付用パターンを形成し、当該はんだ付用パターンに接続するようレーザ光照射用パターンを形成し、レーザ光照射用パターンに対しレーザ光を照射し、レーザ光照射用パターンおよびはんだ付用パターンを加熱することによりはんだペーストを溶融している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１６３４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のはんだ付方法では、はんだペーストに対しレーザ光を直接照射せず、レーザ光照射用パターンに対してのみレーザ光を照射することにより、はんだペースト内のフラックスが急蒸発することによるはんだ粉、および、フラックスの飛散やはんだ付不良の発生を抑制している。
ところで、特許文献１のはんだ付方法では、レーザ光の強度によっては、はんだペーストの溶融部分と部品とが接触を開始するときの面積である「濡れ開始接触面積」が大きくなる。濡れ開始接触面積が大きいと、はんだペーストの溶融部に多くのフラックスガスが取り込まれるおそれがある。また、レーザ光の強度によっては、はんだペーストの部品近傍における融点の移動速度である「融点移動速度」が、はんだが部品に自然に濡れ広がる速度である「はんだ濡れ速度」より大きくなる。融点移動速度がはんだ濡れ速度より大きくなると、はんだペーストの溶融部にフラックスガスが巻き込まれるおそれがある。その結果、はんだ付け後のはんだ内に多くの空洞、すなわち、ボイドが形成されるおそれがある。はんだ内のボイドの割合であるボイド率が高い場合、はんだ接合部分の寿命および放熱性の低下を招くおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、はんだ付け後のはんだ内のボイド率が小さくなるはんだ付方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、はんだペーストを用いたはんだ付方法であって、第１〜３工程を含む。第１工程では、基板にはんだペーストを塗布する。第２工程では、はんだペーストの基板とは反対側に部品を設置する。第３工程では、基板のはんだペーストとは反対側の面にレーザ光を照射しつつ、部品に所定の周波数以上の振動を与える。
【０００７】
本発明では、第３工程で基板のはんだペーストとは反対側の面にレーザ光を照射することにより、はんだペーストを基板から部品に向かう方向に溶融することができる。これにより、はんだペースト溶融時に発生するフラックスガスを部品側へ移動させながら、はんだペーストの外側へ押し出すことができる。その結果、第３工程後のはんだ内のボイド率を低減することができる。
【０００８】
また、出力の強度を所定時間内で容易に制御可能なレーザ光を用いることにより、レーザ光の強度を制御することによって基板およびはんだペーストに局所的な温度勾配を形成することができる。これにより、はんだペーストの濡れ開始接触面積を小さくすることができる。その結果、はんだペーストの溶融部にフラックスガスが取り込まれるのを抑制することができる。また、例えばレーザ光の強度を制御することによって、はんだペーストの部品近傍における融点移動速度を、はんだ濡れ速度以下にすることができる。その結果、はんだペーストの溶融部にフラックスガスが巻き込まれるのを抑制することができる。したがって、第３工程後のはんだ内のボイド率をさらに低減することができる。
【０００９】
また、第３工程で部品に所定の周波数以上の振動を与えることにより、はんだペーストの溶融部の流動性を高めることができる。これにより、はんだペースト溶融時に発生するフラックスガスをはんだペーストの外側へ容易に押し出すことができる。したがって、第３工程後のはんだ内のボイド率をより一層低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態によるはんだ付方法によりはんだ付けされたはんだ付製品を示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た図。
【図２】本発明の第１実施形態によるはんだ付方法の第１工程のときの基板およびはんだペーストの状態を示す図。
【図３】本発明の第１実施形態によるはんだ付方法の第２工程のときの基板、はんだペーストおよび部品の状態を示す図。
【図４】本発明の第１実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【図５】本発明の第１実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【図６】本発明の第１実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【図７】本発明の第１実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【図８】本発明の第２実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【図９】本発明の第２実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【図１０】本発明の第３実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【図１１】本発明の第４実施形態によるはんだ付方法の第３工程のときの基板、はんだペースト、部品およびはんだ付装置の状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の複数の実施形態によるはんだ付方法を図面に基づき説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるはんだ付方法により、はんだ付けされたはんだ付製品を図１に示す。
【００１２】
はんだ付製品１０は、基板としてのリードフレーム２０、部品としての素子３０、および、はんだ５０等を備えている。
リードフレーム２０は、例えば銅等の金属により矩形の板状に形成されている。
素子３０は、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳ、トランジスタ等の半導体スイッチング素子である。素子３０は、矩形の板状に形成されている。本実施形態では、素子３０は、例えば２〜１５ｍｍ角程度の大きさである。素子３０は、リードフレーム２０の一方の面２１の中央に設けられている。
【００１３】
はんだ５０は、例えばスズ、銀、銅の合金からなり、リードフレーム２０と素子３０とを物理的かつ電気的に接続している。すなわち、素子３０は、はんだ５０によりリードフレーム２０にはんだ付けされている。
本実施形態では、リードフレーム２０の他方の面２２には、中央に凹部２３が形成されている。これにより、リードフレーム２０は、中央の所定の範囲の板厚が、前記範囲外の板厚よりも小さくなるよう形成されている。リードフレーム２０は、前記範囲の板厚が所定の板厚以下である。
【００１４】
次に、素子３０のリードフレーム２０へのはんだ付方法について説明する。本実施形態では、はんだ付装置により素子３０のはんだ付けを行う。
図４に示すように、はんだ付装置１は、光源２、超音波ホーン３および制御部４等を備えている。光源２は、レーザ光１００を出力可能である。また、光源２は、本実施形態では、レーザ光１００の光軸Ａｘに対し垂直な方向へ移動可能に設けられている。超音波ホーン３は、振動を発生する振動発生部であって、周波数が例えば２０ｋＨｚ以上の振動（超音波）を出力可能である。制御部４は、光源２からのレーザ光１００の出力、光源２の移動、および、超音波ホーン３からの超音波の出力を制御可能である。
【００１５】
はんだ付装置１によるはんだ付方法は、下記の工程（第１〜３工程）を含む。
（第１工程）
図２に示すように、リードフレーム２０の板厚方向が鉛直方向と略一致するよう、図示しない支持部によりリードフレーム２０を支持し、リードフレーム２０の一方の面２１の中央にはんだペースト４０を塗布する。
【００１６】
ここで、はんだペースト４０は、はんだ粉４１およびフラックス４２を混練することにより形成されている。はんだ粉は、スズ、銀、銅の合金を粉状にしたものである。フラックス４２は、例えばロジン、溶剤およびチクソ材等を含んでいる。
はんだペースト４０は、例えばスクリーン印刷またはノズル供給等によりリードフレーム２０に塗布される。
【００１７】
（第２工程）
第１工程の後、図３に示すように、はんだペースト４０のリードフレーム２０とは反対側に素子３０を設置する。
（第３工程）
第２工程の後、図４に示すように、はんだ付装置１の光源２からレーザ光１００をリードフレーム２０の他方の面２２の凹部２３に照射する。このとき、制御部４は、レーザ光１００の強度が所定の大きさとなるよう光源２を制御する。また、このときの照射開始位置は、凹部２３のうちはんだペースト４０に対応する範囲の外縁部の近傍である。また、このとき、光源２は、レーザ光１００の光軸Ａｘがリードフレーム２０に対し略垂直となるような状態である。また、このとき、素子３０のはんだペースト４０とは反対側の面に超音波ホーン３を当接させる。
【００１８】
図５に示すように、光源２からレーザ光１００の照射を開始して所定時間が経過すると、リードフレーム２０のレーザ光１００が照射された箇所が、吸収熱により発熱する。そして、この発熱がリードフレーム２０の一方の面２１側へ伝達することにより、はんだペースト４０のはんだ粉４１が溶融し、溶融部５１が形成される。このとき、フラックス４２が蒸発することによりフラックスガスが発生する。
【００１９】
本実施形態では、リードフレーム２０の凹部２３の板厚が所定の板厚以下のため、レーザ光１００が照射されることによる他方の面２２での発熱は、拡散することなく一方の面２１に伝熱する。そのため、一方の面２１のうち比較的狭い範囲がはんだ粉４１の融点以上（例えば２１７〜２２０℃以上）の温度となる。これにより、はんだペースト４０に局所的な温度勾配を形成することができる。ここで、制御部４は、はんだペースト４０の濡れ開始接触面積が所定値以下となる温度勾配となるようレーザ光１００の出力を制御する。なお、ここで目標とする濡れ開始接触面積は、ボイド率が例えば５％未満となるような面積を想定している。
【００２０】
続いて、制御部４は、光源２をリードフレーム２０の面方向に移動させる（図５、６参照）。これにより、溶融部５１も光源２の移動方向と同じ方向へ移動する。このとき、制御部４は、光源２の移動速度がはんだ濡れ速度以下となるよう光源２の移動を制御する。これにより、はんだペースト４０の素子３０近傍における融点移動速度を、はんだ濡れ速度以下にすることができる。よって、溶融部５１によるフラックスガスの巻き込みを抑制しつつ、フラックスガスをはんだペースト４０の外側へ移動させることができる。
【００２１】
本実施形態では、はんだペースト４０が所定の割合以上溶融した後、超音波ホーン３から素子３０に対し超音波、すなわち、所定の周波数以上の振動を与える（図６参照）。これにより、溶融部５１の流動性を高めることができる。そのため、フラックスガスのはんだペースト４０の外側への移動を促進させることができる。
【００２２】
図７に示すように、はんだペースト４０がすべて溶融すると、制御部４は、光源２の移動、光源２からのレーザ光１００の出力、および、超音波ホーン３からの超音波の出力を停止する。溶融部５１が冷え固まると、リードフレーム２０への素子３０のはんだ付けが完了する。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態では、第３工程でリードフレーム２０のはんだペースト４０とは反対側の面２２にレーザ光を照射することにより、はんだペースト４０をリードフレーム２０から素子３０に向かう方向に溶融することができる。これにより、はんだペースト４０溶融時に発生するフラックスガスを素子３０側へ移動させながら、はんだペースト４０の外側へ押し出すことができる。その結果、第３工程後のはんだ５０内のボイド率を低減することができる。
【００２４】
また、出力の強度を所定時間内で容易に制御可能なレーザ光１００を用いることにより、レーザ光１００の強度を制御することによってリードフレーム２０およびはんだペースト４０に局所的な温度勾配を形成することができる。これにより、はんだペースト４０の濡れ開始接触面積を小さくすることができる。その結果、はんだペースト４０の溶融部５１にフラックスガスが取り込まれるのを抑制することができる。また、レーザ光１００の強度および光源２の移動速度を制御することにより、はんだペースト４０の素子３０近傍における融点移動速度を、はんだ濡れ速度以下にすることができる。その結果、はんだペースト４０の溶融部５１にフラックスガスが巻き込まれるのを抑制することができる。したがって、第３工程後のはんだ５０内のボイド率をさらに低減することができる。
【００２５】
また、第３工程で素子３０に所定の周波数以上の振動を与えることにより、はんだペースト４０の溶融部５１の流動性を高めることができる。これにより、はんだペースト４０溶融時に発生するフラックスガスをはんだペースト４０の外側へ容易に押し出すことができる。したがって、第３工程後のはんだ５０内のボイド率をより一層低減することができる。
このように、本実施形態では、ボイド率の小さいはんだ付製品１０を製造することができる。
【００２６】
また、本実施形態では、第３工程において、リードフレーム２０のはんだペースト４０とは反対側の面２２にレーザ光１００を照射することによりはんだペースト４０が所定の割合以上溶融した後、素子３０に所定の周波数以上の振動を与える。これにより、はんだペースト４０の未溶融部への振動の影響を抑えることにより、はんだペースト４０が崩れるのを抑制しつつ、溶融部５１の流動性を高めることができる。
【００２７】
また、本実施形態では、リードフレーム２０は、はんだペースト４０とは反対側の面２２のうち少なくとも第３工程でレーザ光１００が照射される部分（凹部２３）の板厚が所定の板厚以下である。よって、レーザ光１００が照射されることによる他方の面２２での発熱は、拡散することなく一方の面２１に伝熱する。そのため、一方の面２１のうち比較的狭い範囲がはんだ粉４１の融点以上の温度となる。これにより、はんだペースト４０に局所的な温度勾配を形成することができる。その結果、はんだペースト４０の濡れ開始接触面積を所定値以下にすることができる。本実施形態では、リードフレーム２０が銅製のため、特にこの構成により、上記効果を大きくすることができる。
【００２８】
また、本実施形態では、第３工程において、レーザ光１００の光源２をリードフレーム２０の面方向に移動させる。本実施形態では、光源２をリードフレーム２０の面方向に移動させることにより、はんだペースト４０の素子３０近傍における融点を移動させる。
また、本実施形態では、リードフレーム２０の素子３０とは反対側の面２２から入熱するため、リフロー式のはんだ付け等と比べ、素子３０への熱の影響を小さくすることができる。
【００２９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるはんだ付方法を図８、９に基づき説明する。
図８、９は、第２実施形態によるはんだ付方法の第３工程における各部の状態を示すものである。
【００３０】
図８に示すように、本実施形態では、光源２は、レーザ光１００の光軸Ａｘが素子３０の中央に位置するよう固定される。すなわち、図８、９に示すように、本実施形態では、第３工程において、制御部４は、光源２を移動させない。
【００３１】
本実施形態では、上記構成により、第３工程で光源２からレーザ光１００をリードフレーム２０に照射を開始して所定時間が経過すると、リードフレーム２０のレーザ光１００が照射された箇所が、吸収熱により発熱する。そして、この発熱がリードフレーム２０の一方の面２１側へ伝達することにより、はんだペースト４０のはんだ粉４１が溶融し、溶融部５１が形成される（図８参照）。
【００３２】
本実施形態では、リードフレーム２０の凹部２３の板厚が所定の板厚以下のため、レーザ光１００が照射されることによる他方の面２２での発熱は、拡散することなく一方の面２１に伝熱する。そのため、一方の面２１のうち比較的狭い範囲がはんだ粉４１の融点以上の温度となる。これにより、はんだペースト４０に局所的な温度勾配を形成することができる。ここで、制御部４は、はんだペースト４０の濡れ開始接触面積が所定値以下となる温度勾配となるようレーザ光１００の出力を制御する。なお、ここで目標とする濡れ開始接触面積は、ボイド率が例えば５％未満となるような面積を想定している。
【００３３】
はんだペースト４０に溶融部５１が形成され始めてからさらに時間が経過すると、はんだペースト４０における融点がはんだペースト４０の外側へ徐々に移動するため、溶融部５１が外側に拡大する。なお、制御部４は、はんだペースト４０の素子３０近傍における融点移動速度が、はんだ濡れ速度以下となるようレーザ光１００の出力を制御する。
【００３４】
図９に示すように、はんだペースト４０が所定の割合以上溶融した後、超音波ホーン３から素子３０に対し所定の周波数以上の振動を与える。これにより、溶融部５１の流動性を高めることができる。そのため、フラックスガスのはんだペースト４０の外側への移動を促進させることができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態では、第３工程において、はんだペースト４０の中央に局所的な温度勾配を形成することができ、はんだペースト４０の濡れ開始接触面積を所定値以下にすることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、第３工程において、はんだペースト４０における融点を、はんだペースト４０の外側へ徐々に移動させることができる。ここで、はんだペースト４０の素子３０近傍における融点移動速度が、はんだ濡れ速度以下となるようレーザ光１００の出力を制御することにより、はんだペースト４０の溶融部５１にフラックスガスが巻き込まれるのを抑制することができる。
【００３７】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるはんだ付方法を図１０に基づき説明する。
図１０は、第３実施形態によるはんだ付方法の第３工程における各部の状態を示すものである。
【００３８】
第３実施形態では、制御部４は、光源２をレーザ光１００の光軸Ａｘ方向に移動させることにより、はんだペースト４０の素子３０近傍における融点移動速度を制御する。本実施形態では、制御部４は、前記融点移動速度がはんだ濡れ速度以下となるよう光源２を光軸Ａｘ方向に移動させる。これにより、はんだペースト４０の溶融部５１にフラックスガスが巻き込まれるのを抑制することができる。
【００３９】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態によるはんだ付方法を図１１に基づき説明する。
本実施形態では、はんだ付装置１は、回折型光学素子５を備えている。回折型光学素子５は、レーザ光１００を複数に分岐して出力することができる。制御部４は、回折型光学素子５からの複数のレーザ光１００の出力を制御可能である。
【００４０】
本実施形態では、第１工程で、リードフレーム２０の一方の面２１の複数箇所にはんだペースト４０を塗布する。第２工程では、リードフレーム２０の複数箇所に塗布したはんだペースト４０のそれぞれに素子３０を設置する。
【００４１】
第３工程では、回折型光学素子５から複数のレーザ光１００を、リードフレーム２０の他方の面２２のはんだペースト４０に対応する位置に照射する。これにより、複数箇所のはんだペースト４０が同時に溶融する。なお、制御部４は、はんだペースト４０が所定の割合以上溶融した後、超音波ホーン３により複数の素子３０に対し所定の周波数以上の振動を与える。
本実施形態では、ボイド率の小さいはんだ付製品を複数同時に製造することができる。
【００４２】
（他の実施形態）
上述の実施形態では、第３工程において、超音波ホーンにより部品に超音波を与える例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、第３工程において、超音波ホーン等の振動発生部により、超音波に限らず、他の周波数の振動を部品に与えることとしてもよい。また、振動発生部と部品とが非接触の状態で部品に振動を与えることとしてもよい。
【００４３】
また、本発明の他の実施形態では、第３工程において、基板にレーザ光を照射開始するタイミングと部品に振動を与え始めるタイミングとは、同じ、または、どちらが先であってもよい。
また、本発明の他の実施形態では、構成上の阻害要因がない限り、上述の各実施形態を組み合わせてもよい。例えば、レーザ光の光源を基板の面方向に移動させつつ、レーザ光の光軸方向に移動させることとしてもよい。
【００４４】
また、本発明の他の実施形態では、回折型光学素子に限らず、例えばガルバノミラー等の光学機器を用いてレーザ光を複数に分岐し、複数の部品を同時にはんだ付けすることとしてもよい。
また、上述の実施形態では、はんだペーストの部品近傍における融点移動速度がはんだ濡れ速度以下となるよう制御する例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、融点移動速度がはんだ濡れ速度より大きくなるよう制御してもよい。
【００４５】
また、本発明の他の実施形態では、基板（リードフレーム）は、他方の面、すなわち、レーザ光が照射される面に凹部を有していなくてもよい。また、基板は、銅に限らず、セラミック等他の材料により形成されていてもよい。また、部品は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ、トランジスタ等の半導体スイッチング素子に限らず、ダイオード、コンデンサ等、その他電子部品等であってもよい。
【００４６】
また、本発明の他の実施形態では、レーザ光の基板における照射形状は、円形、楕円形、矩形、多角形等、どのような形状であってもよい。
また、本発明の他の実施形態では、部品は、矩形の板状に限らず、円形、楕円形、矩形、多角形等、どのような形状、および、サイズであってもよい。
【００４７】
また、本発明の他の実施形態では、はんだペーストにおけるはんだ粉とフラックスとの割合はどのような割合であってもよい。また、はんだ粉は、スズ、銀、銅の合金に限らず、例えばスズ、銅、ニッケルの合金等であってもよい。また、フラックスは、ロジン、溶剤、チクソ材に限らず、その他の成分を含んでいてもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  ・・・・はんだ付装置
２  ・・・・光源
３  ・・・・超音波ホーン
４  ・・・・制御部
２０  ・・・リードフレーム（基板）
４０  ・・・はんだペースト
３０  ・・・素子（部品）
１００  レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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