(57)【要約】【課題】ファインピッチ化されたパターン上に、はんだブリッジ及び未はんだ領域を発生させることなくはんだプリコートを行う。【解決手段】はんだ粉末と、上記はんだ粉末の融点よりも高融点でかつ海栗形状に二次凝集されているフィラーと、フラックスとを含有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ粉末と、
上記はんだ粉末の融点よりも高融点でかつ海栗形状に二次凝集されているフィラーと、
フラックスと、
を含有するはんだペースト。
【請求項２】
上記はんだ粉末の平均粒径は１０μｍ以下であり、上記フィラーの平均粒径は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【請求項３】
上記はんだ粉末と上記フィラーとの配合比は、はんだ粉末：フィラー＝２６．０〜２７．０重量％：７．０〜８．０重量％であることを特徴とする請求項２記載のはんだペースト。
【請求項４】
上記フィラーは、上記フラックス及び溶融された上記はんだ粉末と融合又は反応しない組成を備えることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【請求項５】
基板に形成された電極上に、はんだ粉末と、上記はんだ粉末の融点よりも高融点で且つ海栗形状に二次凝集されているフィラーと、フラックスとを含有するはんだペーストを印刷し、
上記基板を上記フラックスの融点以上かつ上記はんだ粉末の融点よりも低い温度下に所定時間曝し、
次いで、上記基板を上記はんだ粉末の融点以上かつ上記フィラーの融点よりも低い温度下に所定時間曝し、
次いで、フラックス残渣を除去する、
はんだ印刷方法。
【請求項６】
上記はんだ粉末の平均粒径は１０μｍ以下であり、上記フィラーの平均粒径は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載のはんだ印刷方法。
【請求項７】
上記はんだ粉末と上記フィラーとの配合比は、はんだ粉末：フィラー＝２６．０〜２７．０重量％：７．０〜８．０重量％であることを特徴とする請求項６記載のはんだ印刷方法。
【請求項８】
上記フィラーは、上記フラックス及び溶融された上記はんだ粉末と融合又は反応しない組成を備えることを特徴とする請求項５記載のはんだ印刷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント配線板等の絶縁基板の表面に形成されたパッド上にプリコートされるはんだペースト及びかかるはんだペーストを用いたはんだ印刷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子部品を基板に実装するには、基板のはんだ付け電極の個々にはんだペーストを、電極別に開口したスクリーン版を用いて印刷供給し、その上に電子部品の電極部を搭載しリフロー炉を通すことによりはんだペーストを加熱溶融させ、一括してはんだ付けする方法が一般的である。ところで電子部品の小型化は留まるところを知らず、また近年では半導体ベアチップにＡｕスタッドバンプやメッキバンプを施した半導体ベアチップを直接基板に実装するフリップチップ実装が盛んに行われているが、ＮＣＰ、ＡＣＰ、ＡＣＦのような接合材料を使った工法はいづれもメカニカルな圧接工法であり、特に半導体ベアチップの厚みが２００μｍを下回ると、圧接時の過大な圧力と熱によりフリップチップ実装後の特性シフトや信頼性が問題とされ、小型化、薄型化の妨げになっている。
【０００３】
一方、基板にはんだプリコートされた電極に対してフリップチップ実装した場合には殆ど圧力を必要とせず加熱のみで実装が可能であることから、電極ピッチが１００μｍ以下の超ファインピッチで且つ数百から数千ピンクラスのフリップチップ実装では小型化、薄型化と特性の安定性を確保できる有効な工法とされている。
【０００４】
しかし、実際に１００μｍピッチ以下の実装電極の個々に印刷法ではんだを安定的に供給することは非常に困難であり、特に７０μｍピッチ以下では基板の寸法公差とスクリーン版の寸法公差及び印刷機の位置決め公差の全てを管理することは不可能に近い。
【０００５】
以上の問題点を解決する技術として、メッキ法がある。しかし、メッキ方法では電子部品をはんだ付けするために必要なはんだ量を十分に供給することはできない。また、はんだのような数種類の金属組成で構成される材料をメッキで析出させると、その金属組成比がばらつくために、融点が安定しない。したがって、この方法で析出されたはんだは、接合材料としては不向きである。
【０００６】
特開昭６３−１１４９７９号公報には、電極以外の部位を含む広範囲にはんだをスクリーンでベタ塗りし選択的に電極へはんだを析出させる方法が記載されている。該公報に記載された方法では、特殊な印刷機や技術を必要としないため、量産性には優れるが、化学的析出法のため、反応に関る金属により析出のし易さが異なり、現状では一部の金属組成はんだでしか実用化できない。また、基板の表面処理がＡｕメッキ以外のプリフラックスや、化学的防錆処理された電極には容易にはんだが析出できないために、酸洗浄処理により清浄金属表面を露出させる処理が必要となるため、このような工程、設備を有していない場合には、酸処理設及び洗浄設備や洗浄水処理のために設備が必要であり、プリント基板の製造工程の増加を招く他、コストアップにもつながる。また、リフロー内の酸素濃度として１００ｐｐｍ前後が要求されることから、高価で高性能な窒素雰囲気対応のリフロー炉と窒素供給装置を必要とし、また、はんだ材料そのものも非常に高価で製品のコストアップにつながる。
【０００７】
また、特開平６−３２６４５３号公報には電極金属のみと反応して粘着性を発する薬剤を塗布後に水洗浄を行い乾燥させた後、はんだ粉末を振りかけて粘着性を得た電極だけにはんだ粉末を固着させ後、余分なはんだ粉を除いて、強活性フラックスを噴霧してリフロー加熱にてはんだプリコートする方法が記載されている。かかる方法においては、高価な専用設備や、特殊な水溶性有機化合物に加えて酸処理プロセスを必要とするために、管理工数や廃水処理設備や廃液処理が必要となり、製造工程の多工化、複雑化を招くほか、このような設備を有しない場合には、新たな設備投資と環境保全コストを含めると、製造コストが掛かり製品として安価に供給することはできない。
【０００８】
また、特開平３−５０８５３号公報では、はんだ粉末表面にフラックスをコーティングしたはんだ粉末を基板に塗布する方法が提案されているがピッチが極度に狭小化されたファインパターンに対しては対応できない。
【０００９】
また、特開平４−１０６９４号公報では、基板にフラックスを供給した後に、はんだ粉をふりかけ、そのはんだ粉末を融点以上に加熱し溶融させた後、エアーナイフで余分な溶融はんだを吹き飛ばす方法が提案されているが、吹き飛ばすことにより殆どはんだが無くなって、厚みの無いメッキに近いはんだ量しか残らず、パターンがファインピッチ化された基板においてはショートするおそれがあり、また非常に危険な作業であることから実用は困難である。
【００１０】
さらに、特許第３１６９７１９号公報では不定形のフィラーを使用しているが、検証実験において１２０μ、１００μ、７０μ、６０μの各ピッチにて確認した結果、単なる不定形や球形ではピッチ間隔１２０μ程度が限界で、これ以下のピッチではブリッジの抑制効果は認められたが未はんだ領域がみられ、はんだの濡れ性との両立をはかるのは不可能であった。
【００１１】
【特許文献１】特開昭６３−１１４９７９号公報
【特許文献２】特開平６−３２６４５３号公報
【特許文献３】特開平３−５０８５３号公報
【特許文献４】特開平４−１０６９４号公報
【特許文献５】特許第３１６９７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで本発明は、ファインピッチ化されたパターン上に、はんだブリッジ及び未はんだ領域を発生させることなくはんだプリコートを行うことができるはんだペースト及びはんだ印刷方法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】
【００１３】
上述した課題を解決するために、本発明にかかるはんだペーストは、はんだ粉末と、上記はんだ粉末の融点よりも高融点でかつ海栗形状に二次凝集されているフィラーと、フラックスとを含有するものである。
【００１４】
また、本発明にかかるはんだ印刷方法は、基板に形成された電極上に、はんだ粉末と、上記はんだ粉末の融点よりも高融点で且つ海栗形状に二次凝集されているフィラーと、フラックスとを含有するはんだペーストを印刷し、上記基板を上記フラックスの融点以上かつ上記はんだ粉末の融点よりも低い温度下に所定時間曝し、次いで、上記基板を上記はんだ粉末の融点以上かつ上記フィラーの融点よりも低い温度下に所定時間曝し、次いで、フラックス残渣を除去するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかるはんだペースト及びはんだ印刷方法によれば、はんだペーストが印刷された基板を加熱することにより、海栗形状に二次凝集されているフィラーが緻密に重なることなく立体的な網目状に堆積するため、このフィラーの間をフラックスが対流できるとともに、比重の重い粉末状のはんだ金属が電極及び電極間に沈降し、プリコートを進行させることができる。従って、はんだブリッジを抑制しつつ、はんだ濡れ性を確保し未はんだ領域の発生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】
【００１６】
以下、本発明が適用されたはんだペースト及びはんだ印刷方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。このはんだペーストは、ＱＦＰ（quad flat package）やＳＯＰ（small outline package）等、パッケージ周囲にＬ型、ガルウイング型のリード端子が突出された電子部品やフリップチップ等を、インターポーザやマザーボードといった絶縁基板に表面実装する際、これら絶縁基板に形成されたパッドやランド等の電極にはんだプリコートするために印刷されるものである。当該パッドやランドは、近年の電子部品の小型化薄型化の要請に応じて、ピッチが１００μｍ以下とファインピッチ化されている。そして当該パッドやランド上に、たとえばスクリーン印刷等によってはんだペーストが印刷される。
【００１７】
本発明が適用されたはんだペーストは、粉末状のはんだ金属と、有機又は無機材料が凝集されてなるフィラーと、フラックスとが配合され、これらを混練して形成される。粉末状のはんだ金属は、その組成は特に問わないが、粒径を１０μｍ以下のものが用いられる。
【００１８】
フィラーは、上記はんだ金属の融点よりも高融点を持つ材料であり、たとえば２５０℃以上においても溶融、分解しない耐熱性を有する樹脂粉、ガラス粉、雲母粉、アルミナ粉等が用いられる。またフィラーは、これらの粉状の材料を周囲に針状の突起を備えた海栗形状に二次凝集、すなわち、不可逆的に凝集されて用いられている。かかるフィラーの形状は、平均粒径が１０μｍ以下であり、フラックスや溶融されたはんだ金属と融合あるいは反応しない組成を有する。なお、このような海栗形状のフィラーとしては、例えば、花王：ルナモスＳＰ等を用いることができる。
【００１９】
フラックスは、活性ロジン又は有機酸及びハロゲン系、アミン系活性剤に、チキソ剤や粘調剤が配合された一般的なものが用いられる。なお、熱ダレし難いロジンやチキソ剤が配合されたフラックスによればリフロー工程において、はんだブリッジを効果的に抑制することができる。
【００２０】
そして本発明が適用されたはんだペーストは、はんだ金属含有量１０〜３０重量％、凝集されたフィラー含有量４０重量％以下、残りはフラックスが含有される。はんだ金属含有量は、活性剤や粘調剤を含むフラックスで調整する。またはんだ金属の組成は不問であり、ユーザの目的にあわせて選択することができる。凝集フィラーの含有量は、フィラーを構成する粉末の粒径や比重、粒度分布によりばらつきがあるが、４０重量％より多く含むとフラックスの軟化温度領域でのフラックスの対流が殆どなくなり、はんだ金属が絶縁基板に形成された電極（パッド、ランド）と接触できず、電極に未はんだ領域が形成されてしまうためである。
【００２１】
このようなはんだペーストは、スクリーン印刷やディスペンサーによって基板の電極部に一定の厚みで印刷され、リフロー炉で熱処理される。はんだペーストが加熱されることによりはんだペースト中のフィラーがフラックス中に分散し、溶融されたはんだ金属同士が凝集、巨大化するのを防止することができる。従って、比重の軽いフィラーやフラックスの隙間から溶融はんだが沈降し、電極に接触することによりプリコートすることができる。
【００２２】
以下、具体的にインターポーザ基板に形成された部品実装部にはんだペーストを印刷する工程を例に本発明が適用された印刷方法を説明する。図１に示すように、インターポーザ基板１の表面にＱＦＰが実装される実装部２が設けられている。実装部２は、銅箔等をエッチングすることにより、ＱＦＰの周囲に突設された端子に応じてインターポーザ基板１側の端子電極となる複数のパッド３が形成されている。パッド３は、ＱＦＰ等の電子部品や基板の小型化に対応して、パッドピッチが１００μｍ以下とされている。また、インターポーザ基板１は、実装部２を除く領域に、はんだペーストの付着を防止するソルダーレジスト４が塗布されている。
【００２３】
このインターポーザ基板１は、本発明が適用されたはんだペースト７を印刷する際、図２、及び図３に示すように、実装部２に対応した開口部６が形成されたメタルスクリーン５が貼着される。次いでインターポーザ基板１は、図４に示すように、メタルスクリーン５上にはんだペースト７が供給され、スキージ８によって引き延ばされることにより開口部６内にはんだペースト７が充填される。この後、インターポーザ基板１は、通常のリフロー工程に付され、リフロー炉で加熱され、パッド３上へのはんだプリコートが行われる。
図５に、はんだ金属の組成の一例として、Ｓｎ／３Ａｇ／０．５Ｃｕ（３．０％Ａｇ：０．５％Ｃｕ：Ｓｎ残分）としたはんだペーストを用いた場合の加熱プロファイルを示す。
【００２４】
具体的に、はんだペースト７は、リフロー加熱時にフラックスが軟化温度である８０℃前後に達すると液状になり急激な対流を起こす。このときフィラーより比重の重い粉状のはんだ金属がパッド３上とその間に沈降する。次いで１００℃〜１５０℃を一定時間（ここでは９０秒〜１５０秒）保持するプリヒート工程に移ると、フラックスに含まれる揮発成分が抜けて、フィラーとはんだ金属が粘性を増したフラックスに包含され、はんだ金属とフィラーが固定される。すなわち、フィラーとはんだ金属とが粘性を増したフラックスにより移動できなくなり、はんだ金属粉が凝集しはんだの塊になることが抑制される。
【００２５】
またこのとき、海栗形状に凝集されたフィラーの突起同士が絡み合うことにより立体的な網目構造を形成するため、フィラーが緻密に重なることがなく、フラックスが流動できる。したがって、パッド３上に存在するはんだ金属とパッド電極間に沈降したはんだ金属によってプリコートが進行する。次いで、２５０℃を一定時間（ここでは２５秒〜４０秒）保持するヒート工程に移る。２５０℃では、はんだペースト中、はんだ金属は溶融するが、フィラーは溶融しない。そして、パッド３上にプリコートされたはんだ金属のみがパッドと反応して溶融することにより、図６に示すように、パッド３上に選択的に溶融はんだ層を形成する。一方、パッド３に接触できないはんだ金属は、上述したように粘性を増したフラックスに包含され、金属粉が凝集しはんだの塊になることが抑制されていることから、はんだブリッジの発生が抑制される。
【００２６】
さらに、海栗形状に凝集されたフィラーは、表面積が大きいため物質を吸着する能力が大きい。したがって、ヒート工程でフラックスが吸着し、乾燥することにより微小孔が無数に発生し、そこから窒素が進入してフラックスの活性作用を最大限に発揮できるため、プリフラックス処理を行うことなくはんだ濡れ性を確保することができる。
【００２７】
ヒート工程の後、インターポーザ基板１はアルコールやグリコールエーテル系の溶剤によって洗浄され、図７に示すように、パッド３上に吸収されずフィラーとともに残存したはんだ金属等の残渣を除去する。以上のようにして基板に形成されたパッドやランド等の電極へ、はんだプリコートが行われる。この後、はんだプリコートされた電極にはＱＦＰやフリップチップ等の電子部品の端子が搭載され、リフロー工程に付されることにより電極にコートされたはんだが溶融、固化し、電子部品が実装される。
【００２８】
このように、本発明が適用されたはんだペースト及びこのはんだペーストを用いたはんだ印刷方法によれば、はんだペーストが印刷された基板をリフロー炉にて加熱することにより、海栗形状に二次凝集されているフィラーが緻密に重なることなく立体的な網目状に堆積するため、このフィラーの間をフラックスが対流できるとともに、比重の重い粉末状のはんだ金属がパッド電極及びパッド電極間に沈降し、プリコートを進行させることができる。従って、ブリッジの抑制を図りつつはんだ濡れ性を確保し未はんだ領域の発生を防止することができる。
【実施例１】
【００２９】
次いで、本発明が適用されたはんだペースト及びはんだ印刷方法の一実施例について説明する。本実施例では、はんだペーストを構成するはんだ金属の組成、基板、スクリーン版、加熱プロファイル、リフロー炉内雰囲気及び洗浄の各条件として次のものを用いた。
はんだ粉末：Ｓｎ／３Ａｇ／０．５Ｃｕ（粒径１０μｍ以下のもの  平均粒径７μｍ）
フィラー：シリカ（海栗形状に二次凝集されたもの  平均粒径２．５μｍ  比重２．６）
フラックス：ＲＡタイプ
基板：
パッドピッチ  ６０μｍ（Ｌ／Ｓ＝３０／３０）  
ＦＲ４  銅電極（プリフラックス処理無し  防錆処理無し）
１９２ピン×８面付け
メタルスクリーン：厚さｔ＝５０μｍ
加熱プロファイル：
プリヒート  １５０℃／９０秒
ヒート  ２４５℃／３５秒
リフロー炉内雰囲気：酸素濃度１０００ｐｐｍの窒素雰囲気
洗浄液：エタノールによる超音波洗浄
以上のような条件下、はんだペーストを構成するはんだ粉末、フィラー、フラックスの構成比を、フィラー含有量１５％に固定し、はんだ粉末の含有量を１０重量％〜４０重量％まで５重量％刻みでパッドにプリコートされたはんだのはんだブリッジ発生率及び未はんだ領域の発生率を測定した。測定結果を次の表１に示す。なお、本測定においてフラックスの含有量は、表１のはんだ粉末及びフィラーの含有量を除く残分とした。また、フィラーの含有量は、当たり試験にてはんだ粉末の凝集が抑えられブリッジが減少した値を採用した。
【００３０】
【表１】
2006320943.tif 000003
【００３１】
表１に示すように、はんだ粉末の含有量は、はんだブリッジの発生率が急激に減少する３０重量％未満において適正値が存在することが認められた。
【００３２】
次いで、はんだブリッジの発生率が０％であるはんだ粉の含有量２５％を固定にし、フィラーの含有量の絞り込みを行うため、フィラー含有量を６重量％〜１４重量％まで１重量％刻みでパッドにプリコートされたはんだのはんだブリッジ発生率及び未はんだ領域の発生率を測定した。測定結果を次の表２に示す。なお、本測定においてもフラックスの含有量は、表２のはんだ粉末及びフィラーの含有量を除く残分とし、その他のはんだ金属組成、基板、スクリーン版、加熱プロファイル、リフロー内雰囲気及び洗浄の各条件は、上記と同様とした。
【００３３】
【表２】
2006320943.tif 000004
【００３４】
表２に示すように、フィラーの含有量は、未はんだ領域の発生率が低い７重量％〜９重量％の範囲に適正値が存在することが認められた。
【００３５】
以上の結果より、はんだブリッジの発生率及び未はんだ領域の発生率において適正値が認められたはんだ粉末及びフィラーの含有量の配合を踏まえ、次の表３に示す配合比率にてはんだブリッジの発生率及び未はんだ領域の発生率について測定した。なお、本測定においてもフラックスの含有量は、表３のはんだ粉末及びフィラーの含有量を除く残分とし、その他のはんだ金属組成、基板、スクリーン版、加熱プロファイル、リフロー内雰囲気及び洗浄の各条件は、上記と同様とした。
【００３６】
【表３】
2006320943.tif 000005
【００３７】
表３に示すように、はんだ粉末含有量：２６．５±５重量％、フィラー含有量：７．５±５重量％、フラックス：残分、において最適値が得られた。
【００３８】
なお、本実施例では、パッドピッチ６０μｍの基板で、厚さ５０μｍのメタルスクリーンを使用したが、はんだ粉末、フィラー及びフラックスの配合比を変化させることにより、異なるパッドピッチの基板や異なる厚みのメタルスクリーンを用いてもはんだブリッジ及び未はんだ領域の発生率を最適化することが可能である。
【００３９】
また、スクリーン印刷以外にも、ディスペンス法によって基板上にはんだペーストを供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明にかかるはんだペーストが印刷される電極が形成された基板を示す平面図である。
【図２】表面にスクリーン版が貼着された基板を示す平面図である。
【図３】表面にスクリーン版が貼着された基板を示す断面図である。
【図４】実装部にはんだペーストが充填された基板を示す断面図である。
【図５】基板の加熱プロファイルを示すグラフである。
【図６】パッドにはんだペーストがプリコートされた基板を示す断面図である。
【図７】実装部内に残る残渣が洗浄された基板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  インターポーザ基板、２  実装部、３  パッド、４  ソルダーレジスト、５  メタルスクリーン、６  開口部、７  はんだペースト、８  スキージ
【図１】
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【図２】
2006320943.tif 000007
【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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