(57)【要約】【課題】リフロー温度の高いはんだを用いても、耐熱温度２２０℃程度の低耐熱性部品を実装できる。【解決手段】表面実装部品１２上に、熱吸収部材１１を備える熱遮蔽治具２０を、熱吸収部材１１が表面実装部品１２に接触する状態で積載して加熱することによりはんだ付けを行う。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面実装部品上に、熱吸収部材を備える熱遮蔽治具を、熱吸収部材が該表面実装部品に接触する状態で積載して加熱することによりはんだ付けを行うことを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
上記熱遮蔽治具は、
上記熱吸収部材の上記表面実装部品に接触する面に設けられた高さ規定治具をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のはんだ付け方法。
【請求項３】
上記熱吸収部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１又は２記載のはんだ付け方法。
【請求項４】
はんだ付けした後のはんだバンプ高さが、上記熱遮蔽治具を積載せずにはんだ付けした後のはんだバンプ高さの65%以上95%以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ付け方法。
【請求項５】
熱吸収部材と、
上記熱吸収部材の表裏一方の面に設けられた高さ規定治具とを備えることを特徴とするはんだ付け用熱遮蔽治具。
【請求項６】
上記熱吸収部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項５記載のはんだ付け用熱遮蔽治具。
【請求項７】
表面実装部品を回路基板に搭載する部品搭載工程を備え、
上記部品搭載工程は、
請求項１〜４のいずれかに記載のはんだ付け方法を用いて上記表面実装部品を上記回路基板にはんだ付けする工程を備えることを特徴とする電子装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混載実装、特に、毒性の少ないＰｂフリーはんだ合金を用いたはんだ付けに好適なはんだ付け方法と、それに用いられる熱遮蔽治具と、それを用いる電子装置の製造方法法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機基板等の回路基板へのはんだ付けに従来より用いられている方法としては、大別して、回路基板に熱風を吹き付け、電極に印刷されたはんだペーストを溶融させて表面実装部品のはんだ付けを行うリフローはんだ付け工程と、溶融したはんだの噴流を回路基板に接触させて挿入実装部品やチップ部品などの一部の表面実装部品のはんだ付けを行うフローはんだ付け工程とがある。これらのはんだ付け方法のことを混載実装方法と称する。
【０００３】
近年、この混載実装方法において用いられるはんだ（リフローはんだ付け工程でははんだペースト、フローはんだ付け工程にでは溶融したはんだの噴流）には、毒性の少ないＰｂフリーはんだ合金を使用するという要求が生じてきている。このＰｂフリーはんだ合金は、有機基板等の回路基板への電子部品の接続に適用でき、２２０℃付近でのはんだ付けに用いられているＳｎ−３７Ｐｂはんだ（単位：質量％）の代替品である。
【０００４】
Ｐｂフリーはんだを用いた実装方法に関する従来技術としては、特開平１０−１６６１７８号公報（従来技術１）、特開平１１−１７９５８６号公報（従来技術２）、特開平１１−２２１６９４号公報（従来技術３）、特開平１１−３５４９１９号公報（従来技術４）、特開２００１−１６８５１９号公報（従来技術５）、特開２００１−３６２３３号公報（従来技術６）などが知られている。
【０００５】
従来技術１には、Ｐｂフリーはんだとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだ、或いはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系はんだ合金が記載されている。従来技術２には、Ｐｂフリーはんだとして有力なＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだを、表面にＳｎ−Ｂｉ系層を施した電極と接続することが記載されている。従来技術３には、電子部品を、有機基板の第１面及び第２面からなる両面の各々に、Ｓｎを主成分とし、Ｂｉを０〜６５質量％、Ａｇを０．５〜４．０質量％、Ｃｕ若しくは／及びＩｎを合計０〜３．０質量％含有するＰｂフリーはんだによってリフローはんだ付けすることが記載されている。
【０００６】
従来技術４には、Ｂｉを含有するＰｂフリーはんだを用いて電子部品と回路基板とを接続する方法において、はんだを約１０〜２０℃／ｓの冷却速度で冷却することが記載されている。従来技術５には、基板のＡ面でリフローはんだ付けによって電子部品を表面接続実装し、ついで基板のＢ面でフローはんだ付けにより、Ａ面側から挿入した電子部品のリードを電極にフローはんだ付けして接続実装する方法において、Ａ面側でリフローはんだ付けに用いるはんだを、Ｓｎ−（１．５〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ−（０〜４ｗｔ％）Ｉｎ−（０〜２ｗｔ％）Ｂｉの組成で構成されるＰｂフリーはんだであり、Ｂ面側でフローはんだ付けに用いるはんだを、Ｓｎ−（０〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕの組成で構成されるＰｂフリーはんだであることが記載されている。
【０００７】
従来技術６には、フローはんだ付けを従来のＳｎ−３７Ｐｂよりも高融点の共晶組成のＰｂフリーはんだを用いて行う際、部品本体と基板との間に熱伝導材料を設けることにより、はんだ付け後の基板冷却時に有機基板と電子部品本体との間の温度差が大きくならないようにすることが記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１６６１７８号公報
【特許文献２】特開平１１−１７９５８６号公報
【特許文献３】特開平１１−２２１６９４号公報
【特許文献４】特開平１１−３５４９１９号公報
【特許文献５】特開２００１−１６８５１９号公報
【特許文献６】特開２００１−３６２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらＰｂフリーはんだとしてよく用いられるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだは、表１に示すように、Ｉｎの含有量が多いほど、低い温度でリフローすることができるため表面実装部品の温度上昇を抑えることができる。
【００１０】
【表１】
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その反面、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだはＩｎの含有量に応じて温度サイクル寿命が短くなる傾向にあり、−５５℃〜１２５℃、１サイクル／時間の条件の温度サイクル試験における１５００サイクル程度の温度サイクル寿命といった高い接続信頼性を実現するためには、Ｉｎの含有量を５％程度を限度として低く抑える必要がある（Ｉｎを含まないＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの温度サイクル寿命は１８００サイクル程度）。
【００１１】
そこで本発明は、Ｉｎを含まないＳｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕはんだやＩｎ含有量の低いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだのようにリフロー温度の高いはんだを用いても、低耐熱性部品を実装することのできる実装部品のはんだ付け方法及び熱遮蔽治具と、それらを用いた電子装置の製造方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明では、表面実装部品上に、熱吸収部材を備える熱遮蔽治具を、熱吸収部材が該表面実装部品に接触する状態で積載して加熱することによりはんだ付けを行うことはんだ付け方法が提供される。本発明で用いられる熱遮蔽治具は、熱吸収部材の表面実装部品に接触する面に設けられた高さ規定治具をさらに備えることが望ましい。なお、はんだ付けした後のはんだバンプ高さは、熱遮蔽治具を積載せずにはんだ付けした後のはんだバンプ高さの65%以上95%以下であることが望ましい。
【００１３】
さらに本発明では、熱吸収部材と、該熱吸収部材の表裏一方の面に設けられた高さ規定治具とを備えるはんだ付け用熱遮蔽治具が提供される。本発明で用いられる熱吸収部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが望ましい。
【００１４】
また本発明では、表面実装部品を回路基板に搭載する部品搭載工程を備え、該部品搭載工程が、上述した本発明のはんだ付け方法を用いて表面実装部品を回路基板にはんだ付けする工程を備える電子装置の製造方法が提供される。部品搭載工程以外の工程については、特に制限されるものではなく、通常の工程をそのまま適用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、リフロー温度の高いはんだを用いても、耐熱温度２２０℃程度の低耐熱性部品を実装することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明では、例えば、バンプ接続を行う低耐熱部品（耐熱温度２２０℃）を含む表面実装部品１２を回路基板１５上にはんだペースト１４を用いてはんだ付けを行うリフローはんだ付け工程において、図１（ａ）のようにバンプ接続を行う表面実装部品１２のパッケージ上面に大熱容量のバルク材である熱吸収部材１１を積載し、表面実装部品１２と接触させて、表面実装部品１２の外部接続端子１３を基板１５にリフローはんだ付けすることにより、図１（ｂ）に示すようにリフローはんだ付けした後の表面実装部品１２のはんだバンプ１６の高さが、バルク材を積載せずリフローはんだ付けした後の平均はんだバンプ高さの６５％〜９５％となるようにする。
【００１７】
なお、６５％未満の場合、バンプが過度にパッケージに押しつぶされた状態となり、バンプが基板と低耐熱部品のパッケージの間に生ずるひずみの緩和が困難となるため、温度サイクル試験をしたときの接続部破断寿命面が著しく低下することがある。
【００１８】
また、９５％を越える場合には、載置した熱吸収部材１１が軽すぎる（すなわちバルク材の熱容量が小さすぎる）ため、リフローはんだ付け中バルク材の温度が急速に上昇してしまい十分な熱遮蔽ができなくなることが多い。また、高さ規定治具を用いるなどして十分な熱容量の熱吸収部材１１を用いている場合であっても、このようにバンプの沈み込みが少ない場合は、リフローはんだ付け中にバンプ高さが局所的に一定でなくなる際、最もバンプ高さが低くなる場所でバルク材とパッケージが離れてしまう瞬間があるため、パッケージの熱をバルク材が十分に吸収しきれず、熱遮蔽が不十分となる場合がある。
【００１９】
この熱吸収部材１１を用いない場合の６５％〜９５％というバンプ高さを実現するため、本発明では、図２に示す熱遮蔽治具２０を用いることができる。この治具２０を図３（ａ）に示すように表面実装部品１２上に載置してはんだリフローを行うことで、リフローはんだ付けした後の表面実装部品１２のはんだバンプ１６の高さが所定の値（バルク材１１を積載せずにリフローはんだ付けした後の平均はんだバンプ高さの６５％〜９５％程度が望ましい）に達すると、図３（ｂ）に示すように治具２０に設けられた高さ規定部材２１の端部が基板１５に接触することでパッケージの沈みこみが抑えられる。これにより、本発明では、バンプ高さ及び実装部品の上面の高さを一定に保つことができるとともに、実装部品が傾くことも回避できる。
【００２０】
このような高さ規定部材２１を備える治具２０を用いる場合には、バンプ高さが用いない場合の９５％を越える場合でも、載置した熱吸収部材１１が軽すぎる（すなわちバルク材の熱容量が小さすぎる）わけではないため熱容量の点では問題とならない。
【００２１】
なお、熱遮蔽治具２０の熱吸収部材１１には、熱容量の点からアルミニウム又はアルミニウム系合金を用いることが望ましい。アルミニウム又はアルミニウム系合金は、金属材料の中で比較的比熱が大きく低耐熱部品から多くの熱を吸収できるためである。また、一般的なリフロー炉は赤外線ヒーターと熱風の併用により基板や部品の加熱がなされるが、アルミニウム又はアルミニウム系合金は赤外線反射率が金や銀と同様に大きく、さらに材料の表面に不導態の形成がなされるため表面の状態が変化しにくい上、低コストであることが利点として挙げられる。
【００２２】
また、耐熱温度２２０℃程度の低耐熱部品は熱容量の小さい小型のものが多く、多くの場合リフローはんだ付けする際に基板内で最高温度となるため、板材の積載では部品から十分な熱を吸収できない場合がある。このため、熱吸収部材１１はある程度の高さ及び体積を有するバルク材とすることが望ましい。さらに、バンプ接続を行う表面実装部品１２と基板１５との間を流れるリフロー炉の熱風を妨げないよう、熱吸収部材は部品１２の上面（基板とは反対側の面）に載置することが望ましい。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、具体例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、ここでははんだリフローによるはんだ付けを例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、フローはんだ付けなど他の混載実装方法を用いる場合にも適用可能である。
【実施例１】
【００２４】
低耐熱部品であるフルグリッドＢＧＡ（耐熱温度：２２０℃、部品サイズ：１７ｍｍ×１７ｍｍ、バンプピッチ：１ｍｍ、バンプ数：２５６、バンプはんだ組成：Ｓｎ−３７Ｐｂ）パッケージ１２を、はんだペースト（組成：Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ−５Ｉｎ、供給厚：０．１５ｍｍ）１４を印刷した回路基板１５に載置し、このフルグリッドＢＧＡのパッケージ部上に熱遮断治具２０としてアルミニウム製のバルク材１１（サイズ：１７ｍｍ×１７ｍｍ、厚み：４ｍｍ）を積載してリフローはんだ付けをした。リフローの条件は、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだペーストでリフローできる条件とした。このフルグリッドＢＧＡ上にバルク材１１を搭載しない状態でリフローすると平均バンプ高さは０．７５ｍｍとなることがわかっている。
【００２５】
また、比較のため（１）フルグリッドＢＧＡ全体を完全に覆いＢＧＡには非接触の厚さ1ｍｍのアルミニウム製のカバー型熱遮蔽治具を用いる場合、（２）熱遮蔽治具を用いない場合についても、リフローはんだ付けを行った。
【００２６】
はんだ付けに際しては、低耐熱部品（フルグリッドＢＧＡ）１２のパッケージ部が耐熱温度の２２０℃を超えないようにはんだ付けを行う前に温度プロファイルの調整を行った。リフローはんだ付けの際の、部品周辺の各部の温度を表２に示す。
【００２７】
【表２】
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これによれば、カバー型熱遮蔽治具の使用は、低耐熱部品（フルグリッドＢＧＡ）のバンプ部の温度をできるだけ低下させずにパッケージ部の温度を低下させる効果が殆ど無く、治具を使用しない場合と殆ど差がないことがわかった。
【００２８】
従って、治具不使用の場合や、カバー型熱遮蔽治具の使用の場合は、パッケージ部の温度を２１８℃乃至２１９℃の耐熱温度以下でリフローはんだ付けする場合、はんだ付けが行われるバンプ部は、２１６℃乃至２１７℃にしか到達せず、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ−５Ｉｎがはんだ付けできる最低温度である２１５℃に対して１℃乃至２℃のマージンしか確保できないことになる（表１）。
【００２９】
一方、バルク状熱遮蔽治具２０を使用する場合、はんだ付けが行われるバンプ部は、２２２℃乃至２２３℃に到達し、７℃乃至８℃のマージンが得られる。
【００３０】
また、バルク状熱遮蔽治具２０を使用する場合、リフローはんだ付けした後の表面実装部品のはんだバンプ高さが、バルク材を積載せずリフローはんだ付けした後の平均はんだバンプ高さの７０％となり、著しい接続信頼性の低下を引き起こさない通常の接続部形状が得られることも確認した。
【実施例２】
【００３１】
用いる熱遮蔽治具の形状が異なる以外は実施例１と同様にしてフルグリッドＢＧＡのリフローはんだ付けを行った。本実施例で用いた熱遮蔽治具２０は、図２に示すように、熱吸収部材１１の下面四隅に円柱状の高さ規定部材２１を４本備える。なお、図２（ａ）は上面すなわち積載時に上になる面の側から見た斜視図であり、図２（ｂ）は下面すなわち積載時に実装部品に接触する面の側から見た斜視図である。
【００３２】
本実施例においても、実施例１と同様、フルグリッドＢＧＡのパッケージ部が上に積載されたバルク状熱吸収部材１１によって熱遮蔽される。また、本実施例では、実施例１の場合と異なり、熱遮蔽部材２０が高さ規定部材２１を備えているため、リフローはんだ付けした後の表面実装部品のはんだバンプ高さが、バルク材を積載せずリフローはんだ付けした後の平均はんだバンプ高さの９０％に達すると、治具２１の端部が基板１５に接触することによりパッケージの沈みこみが抑えられる。
【００３３】
本実施例では、第１の実施の形態で得られた結果との比較のために、低耐熱部品（フルグリッドＢＧＡ）１２のパッケージ部が耐熱温度の２１８℃になるように、はんだ付けを行う前に温度プロファイルの調整を行った。本実施例におけるリフローはんだ付けの際の、部品周辺の各部の温度を表３に示す。
【００３４】
【表３】
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この表からわかるように、実施例１で得られた結果と同様、本実施例の高さ規定部材２１を備える熱遮蔽治具２０を使用しても、はんだ付けが行われるバンプ部は２２３℃に到達し、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ−５Ｉｎはんだ付け可能最低温度に対して、８℃のマージンが得られる。
【００３５】
また、本実施例の熱遮蔽治具２０を使用する場合、リフローはんだ付けした後の表面実装部品のはんだバンプ高さが、バルク材を積載せずリフローはんだ付けした後の平均はんだバンプ高さの９０％となり、著しい接続信頼性の低下を引き起こさない通常の接続部形状が得られることも確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例１における表面実装部品の実装方法を示す説明図である。
【図２】実施例２における熱遮蔽治具の外観を示す斜視図である。
【図３】実施例２における表面実装部品の実装例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１…熱吸収部材、１２…表面実装部品、１３…外部接続端子（はんだバンプ）、１４…はんだペースト、１５…回路基板、１６…はんだバンプ、２０…熱遮蔽治具、２１…高さ規定部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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