(57)【要約】【課題】クリームはんだにおいて、凝固後のはんだに内在し、電子部品の基板への電気的・物理的な接続の信頼性を低下させるボイド（気泡の空洞）を減少させるとともに、電子部品と基板との接合強度を向上する。【解決手段】基板２の表面に電子部品３を実装する際に用いられ、はんだ粉末とフラックスとを混合したクリームはんだ１０であって、該はんだ粉末１１よりも高い熱容量を備えた微粉末１３を含有し、該微粉末１３の融点が、はんだ付け時におけるクリームはんだ１０の温度よりも高い温度であり、該微粉末１３は、はんだ付け時に固体状態を保持する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に電子部品を実装する際に用いられ、はんだ粒子とフラックス成分とを混合したクリームはんだであって、
該はんだ粉末よりも高い熱容量を備えた微粉末を含有し、
該微粉末の融点が、はんだ付け時におけるクリームはんだの温度よりも高い温度であり、
該微粉末は、はんだ付け時に固体状態を保持することを特徴とするクリームはんだ。
【請求項２】
前記クリームはんだには、該クリームはんだにより電子部品の接続部と基板とを接続した場合に、該接続部と基板との間に前記微粉末が少なくとも１個存在する割合で、該微粉末が混合されていることを特徴とする請求項１記載のクリームはんだ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に電子部品を実装する際に用いられるクリームはんだに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プリント配線基板の表面に電子部品が実装される際、はんだ付けが行われており、このはんだ付け材料としては、はんだ粉末と液状またはペースト状のフラックスとが混合したクリームはんだが多く用いられている。すなわち、クリームはんだがスクリーン印刷やディスペンサー等によって塗布された基板のランドの上、あるいはクリームはんだにより基板上に形成されるバンプの上に、各種電子部品を搭載して、リフロー炉などにおける加熱処理ではんだを溶融させた後に、はんだを冷却凝固させることで、電子部品を基板に対して、電気的・物理的に接続している。
【０００３】
このようなクリームはんだにおいては、はんだ付け時に、基板と電子部品との接続部におけるはんだ内やバンプ内にガスが閉じ込められた状態で、はんだが凝固することにより生じるボイド（気泡の空洞）の発生が問題となる。つまり、接続部のはんだ内やバンプ内にボイドが存在すると、電子部品の基板への電気的・物理的な接続の信頼性が低下し、バンプ内におけるクラック発生の原因ともなる。
そこで、はんだ内やバンプ内におけるボイドの発生を抑制するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
一方、クリームはんだによるはんだ付けに関しては、電子部品の軽薄短小化や高密度実装化に伴い、ランド間の絶縁性劣化を低減する観点から、リフロー処理後に接続部の周辺に発生するはんだボールの存在が問題となるが、このリフロー後のはんだボールの発生を抑制するための技術が特許文献３に開示されている。本文献においては、はんだ粉の融点よりも高い融点などを有する金属微粉末をクリームはんだに混合することにより、リフロー後のはんだボール発生の抑制を図っている。
【特許文献１】特開２００５−１４０７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１２８２号公報
【特許文献３】特開２０００−３１７６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述したようなボイドが発生する原因としては、接続部において溶融したはんだが凝固するまでの時間が短いことが考えられる。つまり、リフロー処理により溶融したはんだが凝固するまでの時間が短いと、溶融した状態のはんだ内からボイドの要因となるガスが十分に外気に抜けきる前にはんだが凝固してしまうこととなるので、外気に抜けずに閉じ込められたガスによってボイドが発生する。
【０００６】
他方、クリームはんだを用いたはんだ付けの接合強度については、電子部品の接続部、具体的にはその端子（電極部）と基板のランドとの間の距離が関係する。すなわち、電子部品とランドとの距離が長いと接合強度が低下するほか、電子部品が基板に対して傾くなどの不具合が生じるが、電子部品とランドとの距離が短すぎてもはんだ付けの接合強度が低下するというシミュレーション結果が得られている。つまり、基板のランド上にクリームはんだを介して搭載された電子部品が、その自重によりクリームはんだ内に沈み込み、電子部品とランドとが近接するあるいは接触することにより接合強度が低下する。
この点、前述した特許文献３においては、クリームはんだ内に混在するはんだ粉よりも融点が高い金属微粉末が、はんだ粉の溶融時に溶融することなく電子部品とランドとの間の距離を保つ作用により、はんだボールの発生を抑制しているが、はんだ付け途中に前記金属微粉末の粒子径が次第に減少し、最終的には該金属微粉末が消滅して電子部品の電極部とランドとが接触する旨記載されている。つまり、本文献に開示されているクリームはんだは、はんだ付け後においては電子部品の電極部とランドとが接触することから、電子部品とランドとの接合強度の面で改善の余地がある。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、凝固後のはんだに内在し、電子部品の基板への電気的・物理的な接続の信頼性を低下させるボイド（気泡の空洞）を減少することができるとともに、電子部品と基板との接合強度を向上することができるクリームはんだを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００９】
即ち、請求項１においては、基板の表面に電子部品を実装する際に用いられ、はんだ粒子とフラックス成分とを混合したクリームはんだであって、該はんだ粉末よりも高い熱容量を備えた微粉末を含有し、該微粉末の融点が、はんだ付け時におけるクリームはんだの温度よりも高い温度であり、該微粉末は、はんだ付け時に固体状態を保持するものである。
【００１０】
請求項２においては、前記クリームはんだには、該クリームはんだにより電子部品の接続部と基板とを接続した場合に、該接続部と基板との間に前記微粉末が少なくとも１個存在する割合で、該微粉末が混合されているものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１２】
請求項１においては、クリームはんだの熱容量が全体的に大きくなることから、溶融したはんだが凝固するまでの時間を延ばすことができて、ボイドを減少することができる。また、微粉末の粒子により電子部品の端子と基板上のランドとの距離が確保されることから、電子部品と基板との接合強度を向上することができる。
【００１３】
請求項２においては、電子部品と基板との接合強度を向上するために最低限必要な量の微粉末を混合することができる。これにより、ボイドの減少及び電子部品と基板との接合強度の向上が図れるとともに、余分な微粉末の粒子が電子部品の接続部の周辺に残存することを防止することができ、基板上において隣接するランド間の絶縁性劣化の低減を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、本発明に係るクリームはんだ１０は、プリント配線基板（以下、「基板２」）の表面に実装される半導体素子などのチップ部品である電子部品３のはんだ付けに用いられるものである。
すなわち、基板２上には電子部品３の端子（電極部）３ａが接続されるランド４が配設されており、該ランド４に電子部品３の端子３ａがクリームはんだ１０によりはんだ付けされることにより、電子部品３が基板２に接合される。
【００１５】
本発明に係るクリームはんだ１０は、図２に示すように、数μｍから数十μｍ程度の直径の粒状に形成されるはんだ粉末１１と、液状またはペースト状のフラックス１２とが混合したものである。
はんだ粉末１１は、例えば、錫（Ｓｎ）を母体として、鉛（Ｐｂ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち、いずれか一つまたは二つ以上を添加材として含んだ合金にて構成されている。
なお、電子部品３の端子３ａと基板２のランド４とを導通可能に接合し得る材料であれば、他の元素を含むものでも良い。
【００１６】
このようなはんだ粉末１１の具体例としては、一般的な共晶はんだであるＳｎ−Ｐｂ合金の他、Ｓｎ−Ａｇ合金やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金などの高融点の鉛フリーはんだ、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金などの低融点の鉛フリーはんだが挙げられる。
また、クリームはんだ１０におけるフラックス１２は、ロジン系やアクリル系などの樹脂と、アルコールや芳香族系などの溶剤と、活性剤（不要の場合もある）とを混合したものなどが用いられる。
【００１７】
そして、本発明に係るクリームはんだ１０は、図２に示すように、はんだ粉末１１及びフラックス１２に加え、これらはんだ粉末１１及びフラックス１２を構成する成分とは異なる成分から構成される微粉末１３を含有している。
微粉末１３としては、はんだ粉末１１とは異なる成分の金属やセラミック等であり、はんだ成分よりも熱容量が大きく、溶融したはんだ粉末１１と反応しない若しくは反応速度が遅く、かつ、その融点が、はんだ付け時（はんだが加熱溶融されてから冷却凝固されるまでの間）におけるクリームはんだ１０の温度よりも高い温度となる材料が用いられる。そして、この材料が、球状または不定形状の数μｍから数十μｍの粒子にされてクリームはんだ１０に混合される。
ここで、「溶融したはんだ粉末１１と反応しない若しくは反応速度が遅い」とは、はんだ付け時に、微粉末１３が溶融したはんだ粉末１１中に拡散したり、該はんだ粉末１１と反応して別の成分に変化したりしない、または拡散、反応したとしてもその量が僅かであって、微粉末１３の粒径変化があまりなく、該微粉末１３が固体状態を保持している状態のことをいう。
【００１８】
微粉末１３として、はんだ粉末１１よりも熱容量（モル比熱［Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ］）が大きい材料を用いるのは、この微粉末１３をクリームはんだ１０に混合することにより、クリームはんだ１０全体としての熱容量を増大させるためである。このように、クリームはんだ１０全体の熱容量が増大すると、加熱処理により溶融されたはんだ粉末１１が凝固するまでの時間を長くすることができる。
【００１９】
すなわち、リフロー炉における加熱処理によりはんだ粉末１１は溶融し、その後冷却されることにより凝固するが、はんだ粉末１１よりも熱容量が大きい微粉末１３が混合されることにより、その作用として、加熱処理によって微粉末１３に蓄えられた熱が、溶融した状態のはんだに放出されることとなる（図３参照）。これにより、加熱処理により溶融したはんだ内の熱が保持される時間が長くなり、溶融したはんだ粉末１１が凝固するまでの時間が長くなる。
【００２０】
このように、溶融したはんだ粉末１１が凝固するまでの時間が長くなると、はんだ粉末１１が溶融状態にある時間が長くなるため、溶融したはんだ内に発生した気泡Ｂ（図４参照）が外気へと抜け易くなり、はんだが凝固した後に存在するボイド（気泡の空洞）を減少することができる。
つまり、ボイドは、溶融したはんだ内に発生した気泡Ｂが外気へと抜けきる前に、加熱され溶融したはんだが冷却されるに従ってその粘性が増大して最終的に凝固してしまうことにより形成されるが、前述の如くはんだ粉末１１が溶融状態にある時間が長くなると、溶融したはんだが粘性の低い状態にある時間が長くなるため、はんだ内で発生する気泡Ｂが抜け易くなる。
【００２１】
また、微粉末１３として、はんだ粉末１１と反応しない若しくは反応速度が遅く、かつ、その融点が、はんだ付け時におけるクリームはんだ１０の温度よりも高い温度となる材料を用いるのは、この微粉末１３により、電子部品３の端子３ａとランド４との間の距離ｄを確保するためである（図４参照）。
つまり、はんだ粉末１１が加熱処理により溶融されてから凝固した後にも、微粉末１３をクリームはんだ１０内に粒子として存在させ、この粒子によりランド４上で端子３ａを介して電子部品３を支持する。
【００２２】
すなわち、微粉末１３として、はんだ粉末１１と反応しない若しくは反応速度が遅い材料を用いることにより、クリームはんだ１０が加熱処理される前の状態から、加熱処理されはんだ粉末１１が溶融して凝固するまでの過程において、微粉末１３にクリームはんだ１０内における粒子状態を保持させる。
また、微粉末１３として、その融点が、はんだ付け時におけるクリームはんだ１０の温度よりも高い温度となる材料を用いるのも同様に、はんだ粉末１１を溶融させるための加熱処理により微粉末１３が溶融することを防止し、溶融したはんだ粉末１１が凝固するまでの過程において、微粉末１３にクリームはんだ１０内における粒子状態を保持させるためである。ここで、微粉末１３として、はんだ粉末１１の融点よりも高い融点を有する材料を用いることにより、該微粉末１３の融点を、はんだ付け時におけるクリームはんだ１０の温度よりも高い温度とすることができる。
【００２３】
このように、クリームはんだ１０内において微粉末１３にその粒子状態を保持させることにより、図４に示すように、電子部品３の端子３ａと基板２上のランド４との間に介在するクリームはんだ１０内に存在する微粉末１３の粒子が、ランド４上で端子３ａを介して電子部品３を支持した状態となり、電子部品３の端子３ａとランド４と間の距離（より詳細には端子３ａの下面とランド４の上面との間の距離）が確保されるので、電子部品３と基板２との接合強度を向上することができる。
つまり、微粉末１３の粒子の粒径分だけ、電子部品３の端子３ａとランド４との間の距離ｄを確保することができる。このことから、微粉末１３の粒子は、電子部品３の大きさやランド４との接合面積などから、電子部品３の端子３ａとランド４との間でより高い接合強度が得られる距離が得られる大きさ（粒径）に構成される。
【００２４】
以上のように、微粉末１３が混合されたクリームはんだ１０を用いた、電子部品３の基板２に対するはんだ付けについて説明する。
まず、基板２上のランド４に、スクリーン印刷やディスペンサー等によりクリームはんだ１０が供給され塗布される。そして、このクリームはんだ１０が塗布されたランド４上に、電子部品３の端子３ａを載置することにより、電子部品３が該基板２上に搭載される。
この状態では、電子部品３の端子３ａとランド４との間に介在するクリームはんだ１０の粘性により、端子３ａとランド４との距離が保たれる。ただし、この状態においても、電子部品３がその自重によりクリームはんだ１０内に沈み込む場合はある。
【００２５】
その後、リフロー炉内で赤外線や温風などにより加熱処理されることにより、はんだ粉末１１の融点以上の温度となると、はんだ粉末１１が溶融し始める。これに伴うクリームはんだ１０の粘性の低下やフラックス１２中の溶剤の蒸発などにより、電子部品３はその自重によってクリームはんだ１０に沈み込む。この際、沈み込む電子部品３は、その端子３ａとランド４との間に介在するクリームはんだ１０内に粒子として存在する微粉末１３により支持された状態となる。つまり、はんだ粉末１１のはんだ成分と反応せずあるいは反応速度が遅く、かつ、はんだ成分の融点よりも高い融点を有する微粉末１３は、はんだ粉末１１の溶融時においても溶融することなく、その粒子（固体）状態を保ったまま電子部品３を支持する。
【００２６】
また、このはんだ粉末１１の溶融時においては、該はんだ粉末１１のはんだ成分よりも熱容量が大きい微粉末１３により熱が蓄えられるため、加熱処理後の冷却時において該微粉末１３から熱が放出され、はんだ粉末１１が溶融した状態の時間が長くなる。これにより、はんだ粉末１１が溶融した粘性が低い状態の時間が十分に確保され、溶融したはんだ内に発生する気泡Ｂが外気へと抜け易くなる。
【００２７】
そして、気泡Ｂが外気へと抜けきった状態から、溶融したはんだ粉末１１が凝固することにより、端子３ａとランド４との間に微粉末１３の粒子が介在した状態で、端子３ａがランド４に接続される。これにより、電子部品３が基板２に電気的・物理的に接続されて、電子部品３と基板２とが接合される。つまり、電子部品３のはんだ付け後においては、端子３ａとランド４との間に微粉末１３の粒子の粒径分の距離ｄが確保される。
【００２８】
このように、クリームはんだ１０において微粉末１３を混合することにより、クリームはんだ１０の熱容量が全体的に大きくなることから、溶融したはんだが凝固するまでの時間を延ばすことができて、ボイドを減少することができる。また、微粉末１３の粒子により電子部品３の端子３ａと基板２上のランド４との距離が確保されることから、電子部品３と基板２との接合強度を向上することができる。
【００２９】
微粉末１３の具体例としては、例えば、クリームはんだ１０のはんだ粉末１１を構成するはんだ成分の合金組成が、Ｓｎ３．０Ａｇ５．０Ｃｕ（熱容量（モル比熱）：約２６［Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ］、融点：約２２０［℃］）である場合において、微粉末１３の材料として、バリウム（Ｂａ）（熱容量（モル比熱）：約２６．４［Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ］、融点：７２５［℃］）を用いることができる。
このように、微粉末１３としては、はんだ粉末１１を構成する合金組成によって適した材料、即ちはんだ粉末１１を構成するはんだ成分よりも熱容量が大きく、はんだ成分と反応しない若しくは反応速度が遅く、かつ、はんだ成分の融点よりも高い融点を有する材料が用いられることとなり、例えば、金属の他、セラミックス、ガラス等を用いることができる。
【００３０】
次に、クリームはんだ１０における微粉末１３の含有量について説明する。
クリームはんだ１０には、該クリームはんだ１０により電子部品３の接続部である端子３ａと基板２とを接続した場合に、端子３ａと基板２との間に前記微粉末１３が少なくとも１個存在する割合（例えば体積比）で、該微粉末１３が混合されてればよい。言い換えると、クリームはんだ１０において、微粉末１３は、基板２の表面に実装される電子部品３の接続部である端子１個あたりに少なくとも１個以上その粒子が存在する割合で混合されれば良い。
つまり、前述の如く、微粉末１３の粒子が、電子部品３の端子３ａと基板２上のランド４との間に介在することにより、端子３ａとランド４との間の距離が確保され、電子部品３と基板２との接合強度が向上することから、端子３ａとランド４との間に介在するクリームはんだ１０内に少なくとも１個の微粉末１３の粒子が存在することにより、その効果を得ることができる。
【００３１】
例えば、粒子の存在割合を体積比で規定した場合は、ランド４の面積と該ランド４に塗布されるクリームはんだ１０の厚さから、１つのランド４あたり（電子部品３の１端子あたり）に供給されるクリームはんだ１０の体積を求める一方、微粉末１３の粒子の粒径などから、その粒子１個あたりの体積を求める。そして、これらから、１端子あたりに供給されるクリームはんだ１０の体積に対する、微粉末１３の粒子１個あたりの体積との体積比を導く。
この体積比が、電子部品３の端子１個あたりに少なくとも１個以上微粉末１３の粒子が存在する体積比となるので、少なくとも、この体積比となるように微粉末１３が含有されれば良い。
【００３２】
このようにして、クリームはんだ１０に混合される微粉末１３の含有量を定めることにより、電子部品３と基板２との接合強度を向上するために最低限必要な量の微粉末１３を混合することができる。これにより、ボイドの減少及び電子部品３と基板２との接合強度の向上が図れるとともに、余分な微粉末１３の粒子が電子部品３の接続部の周辺に残存することを防止することができ、基板２上において隣接するランド４間の絶縁性劣化の低減を防止することができる。
【００３３】
つまり、電子部品３の接続部である端子３ａとランド４との間においては、はんだ粉末１１が加熱処理により溶融してランド４周辺に一旦拡がり、その後の冷却によってはんだ自身の表面張力で端子３ａとランド４との間に集中することとなるが、微粉末１３の含有量が必要以上に多くなると、該微粉末１３の粒子がはんだとともに端子３ａとランド４との間に集中せずにランド４周辺に残存することが考えられる。このような電子部品３の接続部周辺の微粉末１３の粒子の残存は、その量が多くなると、隣接するランド４間の絶縁性劣化を低減する観点から好ましくない。
そこで、前述の如く、微粉末１３の含有量を定めることにより、余分な微粉末１３の粒子が電子部品３の接続部の周辺に残存することを防止することができ、基板２上において隣接するランド４間の絶縁性劣化の低減を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係るクリームはんだによる電子部品の実装状態を示した図。
【図２】本発明に係るクリームはんだを示す模式図。
【図３】同じく微粉末からの熱放出を示す模式図。
【図４】図１の部分拡大図。
【符号の説明】
【００３５】
２      基板
３      電子部品
３ａ    端子
１０    クリームはんだ
１１    はんだ粉末
１２    フラックス
１３    微粉末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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