(57)【要約】【課題】  熱膨張率の異なる２つの部材の接合状態が従来と比べて安定している接合体を製造すること。【解決手段】  接合前ユニット４０は、ＢＧＡ１０とマザーボード３０を有する。ＢＧＡ１０は、ＢＧＡ本体１２とそれに接合されているはんだ２０を有する。ＢＧＡ本体１２とマザーボード３０の間にはんだ２０が配置されている。接合前ユニット４０は、リフロー炉５０に入れられる。リフロー炉５０は、はんだ２０の固液共存相の温度範囲内をピークとする加熱温度を有する。これにより、ＢＧＡ１０がマザーボード３０に接合される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固液共存相を物性として有していて固体状態である物体が、熱膨張率の異なる２つの部材の間に配置されている接合前ユニットを用意する用意工程と、
前記固液共存相の温度範囲内の所定温度まで前記物体を加熱し、その所定温度をピーク温度として前記物体の固相線温度以下まで前記物体を冷却することによって、前記の２つの部材を前記物体によって接合する接合工程とを備える接合体製造方法。
【請求項２】
前記物体がはんだであることを特徴とする請求項１の接合体製造方法。
【請求項３】
前記の２つの部材の一方がマザーボードであり、
前記の２つの部材の他方が表面実装部品の本体であり、
前記用意工程では、マザーボードを用意し、前記本体とそれに接合されている前記はんだとを有する表面実装部品を用意し、かつ、マザーボードに前記はんだを接触させることによって、マザーボードと前記本体の間に前記はんだが配置されている接合前ユニットを用意することを特徴とする請求項２の接合体製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかの方法によって製造された接合体を、使用環境下でのピーク温度が前記固液共存相の温度範囲内に含まれるデバイスの本体に装着する装着工程を備えるデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張率の異なる２つの部材の接合体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの部材をはんだによって接合することが広く行なわれている。まず、２つの部材の間に固体状態のはんだが配置される。次いで、完全な液体状態になるまではんだが加熱され、その後にはんだが冷却される。これにより、２つの部材がはんだによって接合される。例えば、以下の特許文献１には、マザーボードと半導体チップをはんだによって接合することが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５４６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
接合体を構成する２つの部材の熱膨張率が異なる場合がある。例えば、マザーボードと半導体チップは、異なる物質によって構成されており、熱膨張率が異なる。この場合、マザーボードと半導体チップとの接合体が使用される環境の温度が変化すると、マザーボードと半導体チップの間に熱応力が生じる。これにより、マザーボードと半導体チップの間の接合が損なわれることがある。
【０００５】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、熱膨張率の異なる２つの部材の接合状態が従来と比べて安定している接合体を製造する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来の手法では、２つの部材を接合するための物体（例えばはんだ）が完全な液体状態になるまで加熱されることによって、２つの部材が接合される。完全な液体状態になった物体は、２つの部材の間をひろがり、その後に凝固する。この場合、凝固した物体は非常に薄くなる。本発明者らは、接合後の２つの部材の間の物体の厚みが小さいと、２つの部材の間に生じる熱応力が物体で吸収されにくいために、２つの部材の接合状態が損なわれる可能性が高いことを見出した。本発明は、この知見に基づいて創作されたものであり、２つの部材を接合している物体の厚みが大きく保たれている接合体を製造する。
【０００７】
本発明の接合体製造方法は、固液共存相を物性として有していて固体状態である物体が、熱膨張率の異なる２つの部材の間に配置されている接合前ユニットを用意する用意工程を備える。さらに、上記の固液共存相の温度範囲内の所定温度まで物体を加熱し、その所定温度をピーク温度として物体の固相線温度以下まで物体を冷却することによって、２つの部材を物体によって接合する接合工程を備える。
この方法によると、２つの部材を接合するための物体がピーク温度まで加熱されても、その物体が完全な液体状態にならない。固体が残存している状態で物体の一部が液体状態になる。物体の一部が液体状態になっても、残存している固体によって２つの部材の間の厚み（物体の厚み）が大きく維持される。この固液共存状態から固体状態まで物体が冷却されるために、固体状態に戻った物体の厚みも大きいままである。
本方法によると、物体を完全な液体状態にする従来の方法と比べて、接合後の２つの部材の間の物体の厚みを大きく保つことができる。このために、接合後の２つの部材の間に作用する熱応力を物体が効果的に吸収することができる。本方法によって製造された接合体は、２つの部材の接合状態が非常に安定している。
【０００８】
上記の物体は、単体物であってもよいし、混合物であってもよい。上記の物体は、はんだであってもよい。はんだは、鉛を含むものであってもよいし、鉛を含まないものであってもよい。一方において、上記の物体は、はんだでなくてもよい。上記の物体は、固液共存相を物性として有しているものであれば、どのような種類のものであってもよい。
【０００９】
プリント基板は、マザーボードとそれに実装される表面実装部品（Surface Mounting Device; SMD）とによって構成される。多くの表面実装部品は、その本体（集積回路、コンデンサ、抵抗器等の電子部品）と、その本体に接合されているはんだとによって構成される。マザーボードと本体の間にはんだが配置されるように、マザーボードと表面実装部品が位置合わせされる。その後にはんだが加熱されることによって、マザーボードと本体がはんだによって接合される。これらの工程を経て、プリント基板が製造される。プリント基板は、温度変化が大きい環境で使用されることがある。この場合、マザーボードと本体の間に大きな熱応力が作用する。この熱応力の影響によってマザーボードと本体の間の接合状態が損なわれないように、上記した本発明の方法が利用されることが好ましい。
即ち、上記した本発明の方法において、上記の２つの部材の一方がマザーボードであり、上記の２つの部材の他方が表面実装部品の本体であってもよい。この場合、上記の用意工程では、マザーボードを用意し、上記の本体とそれに接合されているはんだとを有する表面実装部品を用意し、かつ、マザーボードにはんだを接触させることによって、マザーボードと上記の本体の間にはんだが配置されている接合前ユニットを用意してもよい。
【００１０】
上記の方法によって製造された接合体を利用して様々なデバイスを製造することができる。例えば、デバイスの本体に接合体を装着することによって、デバイスを製造することができる。このデバイスは、使用環境下でのピーク温度が上記の物体の固液共存相の温度範囲内に含まれるものであることが好ましい。
この場合、使用中にデバイスが昇温しても、そのピーク温度は上記の物体（例えばはんだ）の固液共存相の温度範囲内である。このために、デバイスが昇温しても、物体が完全な液体状態になることはなく、接合体を構成する２つの部材の間の厚み（物体の厚み）は大きく保たれたままである。
また、デバイスの使用環境下で上記の物体（例えばはんだ）が固液共存相まで昇温すると、以下の効果が得られる。デバイスの使用環境下での温度変化によって、上記の物体にクラックが生じることがある。デバイスが上記の物体の固液共存相まで昇温すると、その物体も固液共存相まで昇温し、その物体が再び固液共存状態になる。これにより、物体に生じたクラックを修復することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の特徴の一部を列記する。
（形態１）表面実装部品は、半導体チップである。例えば、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）等である。
（形態２）プリント基板は、エンジンやオートマチックの本体に直接的に装着されるものである。エンジンやオートマチックは、使用中に１５０℃程度まで昇温する。
【実施例】
【００１２】
（第１実施例）
図面を参照して本発明の実施例を説明する。本実施例では、自動車のエンジン本体を制御するプリント基板を製造する。さらに、本実施例では、製造されたプリント基板をエンジン本体に搭載することによって、エンジンを製造する。
【００１３】
まず、プリント基板を製造する過程を説明する。
（１）ＢＧＡ（Ball Grid Array）を用意する。
図１は、ＢＧＡ１０の正面図を簡単に示す。ＢＧＡ１０は、ＢＧＡ本体１２と、固体状態のはんだ２０を有する。ＢＧＡ本体１２は、半導体チップ１４と電極１６を有する。半導体チップ１４の下面に電極１６が接合されている。はんだ２０は、電極１６の下面に接合されている。
本実施例のはんだ２０の組成は、Ｓｎ−２０Ｂｉである。この組成のはんだ２０は、固液共存相を物性として有している。はんだ２０の固相線温度は、約１４４℃である。はんだ２０の液相線温度は、約２０８℃である。
なお、Ｓｎ−２０Ｂｉ以外の種類のはんだが使用されてもよい。他の種類のはんだについては後で説明する。
【００１４】
（２）マザーボードを用意する。
図２は、マザーボード３０の正面図を簡単に示す。マザーボード３０は、基板本体３２と配線パターン３４を有する。基板本体３２の上面に配線パターン３４が形成されている。配線パターン３４は、銅製である。
【００１５】
（３）マザーボードに対してＢＧＡを位置合わせする。
図３は、マザーボード３０に対してＢＧＡ１０が位置合わせされた後の状態を示す。マザーボード３０の配線パターン３４にＢＧＡ１０のはんだ２０が接触するように、マザーボード３０とＢＧＡ１０が位置合わせされる。これにより、マザーボード３０の上方にＢＧＡ１０が配置されている接合前ユニット４０が完成することになる。
接合前ユニット４０では、マザーボード３０とＢＧＡ本体１２の間にはんだ２０が配置されている。マザーボード３０（基板本体３２）とＢＧＡ本体１２（本導体チップ１４）は、素材が異なるために、熱膨張率が異なる。
なお、図３の状態では、はんだ２０の厚みはＤ１である。
【００１６】
（４）接合前ユニットを加熱する。
図４は、接合前ユニット４０を加熱している様子を示す。接合前ユニット４０は、リフロー炉５０内で加熱される。図５は、リフロー炉５０内の温度変化を示す。リフロー炉５０内は、加熱開始からしばらくの間は、はんだ２０の固相線温度（１４４℃）より低い温度に維持される。その後、時間Ｔｐにおいてピーク温度Ｈｐになる。ピーク温度Ｈｐは、はんだ２０の固相線温度（１４４℃）と液相線温度（２０８℃）の間の温度である。即ち、ピーク温度Ｈｐは、はんだ２０の固液共存相の温度範囲内に含まれる。
はんだ２０が固相線温度より高い温度に加熱されると、はんだ２０が溶融する。ただし、はんだ２０は、液相線温度より低い温度に維持されている。このために、はんだ２０がピーク温度Ｈｐに到達しても、はんだ２０の一部が溶融し、その他の部分は固体状態を維持する。図４では、固体状態のはんだ２０を符号２０ａで表現しており、液体状態のはんだ２０を符号２０ｂで表現している。
【００１７】
図５に示されるように、リフロー炉５０内は、温度Ｈｐとピークとして冷却される。リフロー炉５０内は、はんだ２０の固相線温度（１４４℃）より低い温度まで冷却される。これにより、固液共存状態のはんだ２０が完全な固体状態に戻る。はんだ２０が完全な固体状態に戻ると、ＢＧＡ本体１２とマザーボード３０がはんだ２０によって接合される。即ち、ＢＧＡ１０とマザーボード３０が接合することになる。これにより、プリント基板６４（これは図６に示されている）が完成する。
上述したように、接合前ユニット４０の加熱過程において、はんだ２０は完全な液体状態にならない。はんだ２０がピーク温度Ｈｐまで加熱されても、固体状態のはんだ２０ａが残存している。この固体状態のはんだ２０ａが、ＢＧＡ本体１２とマザーボード３０の間の厚み（はんだ２０の厚み）を大きく維持する。図４には、固液共存状態のはんだ２０の厚みを符号Ｄ２で示している。この厚みＤ２は、加熱前のはんだ２０の厚みＤ１（図３参照）にほぼ等しい。はんだ２０は、厚みＤ２を維持しながら完全な固体状態に戻る。固体状態に戻ったはんだ２０は、大きな厚みを有する。大きな厚みを有するはんだ２０は撓みやすい。このために、プリント基板６４の使用環境下においてＢＧＡ本体１２とマザーボード３０の間に熱応力が生じても、その熱応力をはんだ２０が効果的に吸収することができる。本実施例によって製造されたプリント基板６４は、接合状態が非常に安定している。
【００１８】
続いて、自動車のエンジンを製造する。図６は、エンジン６０を非常に簡単に示す。エンジン６０は、エンジン本体６２とプリント基板６４を有する。プリント基板６４は、マザーボード３０とそれに接合された上記したＢＧＡ１０や他の電気部品を有する。プリント基板６４は、エンジン本体６２に直接的に搭載される。即ち、プリント基板６４は、エンジン本体６２に接している。プリント基板６４は、エンジン本体６２の様々な装置を制御する。
【００１９】
本実施例のエンジン６０は、使用中に約１５０℃まで昇温する。エンジン６０は、１５０℃を超える温度まで昇温しない。即ち、エンジン６０の使用環境下でのピーク温度は、約１５０℃である。この１５０℃は、はんだ２０の固液共存相の温度範囲内（１４４〜２０８℃）に含まれている。図７は、使用中のエンジン６０の温度変化の一例を示す。この例では、エンジン６０が時間Ｔ１と時間Ｔ２において約１５０℃まで昇温している。この時間Ｔ１と時間Ｔ２では、はんだ２０が固液共存状態になる。
上述したように、本実施例のはんだ２０は、熱応力を効果的に吸収する。このために、使用環境下においてはんだ２０にクラックが生じにくい。しかしながら、エンジン６０が大きく温度変化すると、はんだ２０にクラックが生じる可能性がある。はんだ２０に生じたクラックは、時間Ｔ１や時間Ｔ２においてはんだ２０が固液共存状態になることによって修復される。
本実施例では、プリント基板６４が利用されるデバイス（即ちエンジン６０）の使用環境下でのピーク温度に基づいて、はんだ２０の種類が選択されている。即ち、デバイスの使用環境下でのピーク温度が固液共存相の温度範囲内に含まれるはんだ２０が選択されている。このようにすると、デバイスの使用環境下においてはんだ２０の厚みが小さくなることなく、はんだ２０に生じたクラックを修復することができる。
【００２０】
なお、上記の実施例では、Ｓｎ−２０Ｂｉの組成を有するはんだ２０が利用されている。しかしながら、それ以外の組成のはんだが利用されてもよい。図８は、様々な種類のはんだとその固液共存相の温度範囲を示す。
例えば、鉛入りのはんだが利用されてもよい。この場合、例えば、Ｓｎ−５０Ｐｂの組成を有するはんだが利用されてもよい。このはんだが利用される場合、リフロー炉５０内のピーク温度は、１８３〜２１５℃の範囲内に設定される。また、このはんだを利用しているプリント基板は、使用環境下でのピーク温度が１８３〜２１５℃のデバイスの本体に搭載されることが好ましい。
他の種類のはんだについても、その固液共存相の温度範囲内にリフロー炉５０内のピーク温度が設定されることが好ましい。また、製造されたプリント基板は、はんだの固液共存相の温度範囲内に使用環境下でのピーク温度が存在するデバイス本体に搭載されることが好ましい。
【００２１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記の実施例では、マザーボードとＢＧＡ本体をはんだによって接合する例を説明した。しかしながら、ＢＧＡ以外の電子部品（ＣＳＰ、コンデンサ、抵抗器等）をマザーボードに接合する場合にも、実施例の技術を利用することができる。
また、オートマチックは、エンジン６０と同様に、使用環境下でのピーク温度が約１５０℃である。このために、上記のプリント基板６４は、オートマチックに搭載されてもよい。
また、実施例の技術は、熱膨張率の異なる２つの部材の様々な組み合わせに利用することができる。また、２つの部材を接合するための物体は、はんだに限られない。固液共存相を物性として有する物体であれば、どのような種類の物体が利用されてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＢＧＡの正面図を簡単に示す。
【図２】マザーボードの正面図を簡単を示す。
【図３】接合前ユニットの正面図を簡単に示す。
【図４】リフロー炉内で接合前ユニットが加熱されている様子を示す。
【図５】リフロー炉内の温度変化を示す。
【図６】エンジンを極めて簡単に示す。
【図７】使用環境下でのエンジンの温度変化を示す。
【図８】様々な種類のはんだとその固液共存相の温度範囲を示す。
【符号の説明】
【００２３】
１０：ＢＧＡ
１２：ＢＧＡ本体
１４：半導体チップ
１６：電極
２０：はんだ
２０ａ：固体状態のはんだ
２０ｂ：液体状態のはんだ
３０：マザーボード
３２：基板本体
３４：配線パターン
４０：接合前ユニット
５０：リフロー炉
６０：エンジン
６２：エンジン本体
６４：プリント基板
【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】
2008135435.tif 000008
【図７】
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【図８】
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