(57)【要約】【課題】  はんだ付けにおける不良品の割合を減少させ、歩留りを改善する方法および該方法を実現するためのはんだクリームを提供する。【解決手段】  本発明の方法は、基板１上に、はんだより比重が小さい複数の粒子５を含むはんだクリーム３を塗布するステップと、はんだクリーム３を塗布した基板１上の所定位置に各ユニット４を配置するステップと、各ユニット４を配置した基板１を加熱し、はんだクリーム３を融解するステップと、各ユニット４を配置した基板１を冷却するステップとを含み、融解するステップにおいて、複数の粒子５がはんだ液面に浮上することにより、加熱により液面から離間したユニット４の接合部分にはんだを付着させることを特徴とする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に各ユニットをはんだ付けする方法であって、
前記基板上に、はんだより比重が小さい複数の粒子を含むはんだクリームを塗布するステップと、
前記はんだクリームを塗布した前記基板上の所定位置に前記各ユニットを配置するステップと、
前記各ユニットを配置した前記基板を加熱し、前記はんだクリームを融解するステップと、
前記各ユニットを配置した前記基板を冷却するステップとを含み、
前記融解するステップにおいて、前記複数の粒子がはんだ液面に浮上することにより、前記加熱により前記液面から離間した前記ユニットの接合部分にはんだを付着させることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記粒子は、マグネシウム、アルミニウム、チタンまたはこれらの合金、珪素、二酸化珪素、窒化珪素、フッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドから製造される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粒子は、前記マグネシウム、前記アルミニウム、前記チタンまたはこれらの合金、前記珪素、前記二酸化珪素、前記窒化珪素、前記フッ素樹脂、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂、前記ポリアミド中に空気を含み、前記液面に浮上し、破裂することにより、前記接合部分にはんだを付着させることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
基板上に各ユニットをはんだ付けするために使用されるはんだクリームであって、
マグネシウム、アルミニウム、チタンまたはこれらの合金、珪素、二酸化珪素、窒化珪素、フッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドからなる複数の粒子を含み、
前記はんだクリームの融解により、はんだ液面に前記複数の粒子が浮上することを特徴とする、はんだクリーム。
【請求項５】
前記粒子は、前記マグネシウム、前記アルミニウム、前記チタンまたはこれらの合金、前記珪素、前記二酸化珪素、前記窒化珪素、前記フッ素樹脂、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂、前記ポリアミド中に空気を含み、前記はんだ液面に前記複数の粒子が浮上し、破裂することを特徴とする、請求項４に記載のはんだクリーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に各ユニットをはんだ付けする方法および該方法に使用するはんだクリームに関し、より詳細には、はんだより比重が小さい複数の粒子を含むはんだクリームを使用し、はんだクリームの融解により、はんだ液面に粒子が浮上し、ユニットのはんだ液面から離間した接合部分にはんだを付着させることを特徴とするはんだ付け方法、該方法に使用するはんだクリームに関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板上に、半導体装置などの規格化された部品である各ユニットを配置し、はんだ付けすることにより電子部品が製造される。はんだ付けは、例えば、リフロー、すなわち、基板上にはんだクリーム（はんだ粉末にフラックスを加えたペースト状のもの）を塗布し、所定位置に各ユニットを配置し、はんだクリームを加熱し、その後、冷却することにより行われている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。はんだクリームに使用するはんだとしては、鉛−錫はんだを挙げることができるが、鉛は体内に蓄積されると神経障害を引き起こす物質として知られており、酸性雨などの影響で鉛を含んだ廃棄物から鉛が溶けだす可能性が指摘されており、こういった問題から、鉛フリーはんだが多く採用されるようになっている。鉛フリーはんだとしては、錫−銀−銅はんだ、錫−ニッケル−銅はんだ、錫−銀−ビスマス−銅はんだ、錫−銀−インジウム−ビスマスはんだ、錫−銀はんだ、錫−アンチモンはんだなどが使用されている。
【０００３】
上述した方法によりはんだ付けする場合、約２００℃〜約３００℃に加熱することにより、はんだクリームを融解し、はんだ付けするため、プラスチック素材から製造され、部品の小型化および薄肉化によりパッケージが薄くされた各ユニットは、主に基板とユニットとの熱膨張差により、反りなどの変形を生じやすく、製品として出荷できる基準に満たないものが多く製造される。上記反りなどの変形は、はんだを凝固するために行われる冷却ステップにおいて、上記熱膨張差が小さくなることによりわずかに修正されるものの、その修正では、ユニットが基板に塗布されたはんだに隣接するまでには至らない。一般に、高密度実装基板の場合、ユニットが密集しており、はんだ工程が終了した後、ユニットを交換することが困難であり、そのユニットのみならず、プリント基板自体が不良品となっている。これにより、歩留りが悪化するといった問題があった。
【０００４】
なお、電子部品は、規格上、各ユニットの高低差が０．１ｍｍ以下の範囲でなければならない。上述した方法において不良品となるものの多くは、反りなどの変形を生じて上記高低差が０．１５ｍｍ程度になるものであり、約０．０５ｍｍの反りなどの変形を抑制または修正することができれば、製品として採用することができる。したがって、この約０．０５ｍｍの反りなどの変形を抑制または修正することができる方法が望まれている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−７０３５９号公報
【特許文献２】特開平９−１１５５７５号公報
【特許文献３】特開平８−２５０８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した問題に鑑み、はんだ付けにおける不良品の割合を減少させ、歩留りを改善する方法および該方法を実現するためのはんだクリーム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】
【０００７】
本発明は、はんだクリームに、はんだより比重が小さい粒子を含ませることにより、はんだの融解により、粒子がはんだ液面に浮上し、液面から露出して、加熱により反りなどの変形を生じたユニットの接合部分にはんだを付着させ、これを冷却することにより、反りなどの変形が修正され、付着したはんだが、はんだ液面、または、はんだ液面から一部が露出する粒子に隣接した状態となり、はんだが凝固収縮することにより、反りなどの変形が修正されることを見出すことによりなされたものである。上記課題は、本発明の方法および該方法を実現するためのはんだクリームを提供することにより達成される。
【０００８】
すなわち、本発明の請求項１の発明によれば、基板上に各ユニットをはんだ付けする方法であって、
前記基板上に、はんだより比重が小さい粒子を含むはんだクリームを塗布するステップと、
前記はんだクリームを塗布した前記基板上の所定位置に前記各ユニットを配置するステップと、
前記各ユニットを配置した前記基板を加熱し、前記はんだクリームを融解するステップと、
前記各ユニットを配置した前記基板を冷却するステップとを含み、
前記融解するステップにおいて、前記複数の粒子がはんだ液面に浮上することにより、前記加熱により前記液面から離間した前記ユニットの接合部分にはんだを付着させることを特徴とする方法が提供される。
【０００９】
本発明の請求項２の発明によれば、前記粒子は、マグネシウム、アルミニウム、チタンまたはこれらの合金、珪素、二酸化珪素、窒化珪素、フッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドから製造される方法が提供される。
【００１０】
本発明の請求項３の発明によれば、前記粒子は、前記マグネシウム、前記アルミニウム、前記チタンまたはこれらの合金、前記珪素、前記二酸化珪素、前記窒化珪素、前記フッ素樹脂、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂、前記ポリアミド中に空気を含み、前記液面に浮上し、破裂することにより、前記接合部分にはんだを付着させることを特徴とする方法が提供される。
【００１１】
本発明の請求項４の発明によれば、基板上に各ユニットをはんだ付けするために使用されるはんだクリームであって、
マグネシウム、アルミニウム、チタンまたはこれらの合金、珪素、二酸化珪素、窒化珪素、フッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドからなる複数の粒子を含み、
前記はんだクリームの融解により、はんだ液面に前記複数の粒子が浮上することを特徴とする、はんだクリームが提供される。
【００１２】
本発明の請求項５の発明によれば、前記粒子は、前記マグネシウム、前記アルミニウム、前記チタンまたはこれらの合金、前記珪素、前記二酸化珪素、前記窒化珪素、前記フッ素樹脂、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂、前記ポリアミド中に空気を含み、前記はんだ液面に前記複数の粒子が浮上し、破裂することを特徴とする、はんだクリームが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の方法およびはんだクリームを提供することにより、容易にはんだ付けすることができ、かつ不良品を減少させることができる。この不良品の減少により、歩留りを改善することができ、かつ製品を安価で提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明は以下に示す実施の形態に限定されるものではない。基板にはんだクリームを塗布し、端子や、大規模集積回路（ＬＳＩ）や半導体集積回路（ＩＣ）などの半導体装置といった各ユニットをはんだ付けする方法について説明する。図１は、基板を例示した図である。基板1としては、例えば、表面に銅箔などで配線がされ、集積回路や抵抗などの電気部品を取り付けて使う合成樹脂板からなるプリント基板を挙げることができる。なお、図１には、各ユニットと電気的接続を行うための電極２が拡大して示されている。電極２は、例えば、他の電極に、基板１の内部に設けられる配線により電気的に接続される。
【００１５】
図２は、電極上にはんだクリームを塗布したところを示した図である。はんだクリーム３は、例えば、端子および半導体装置の配線部分と、基板１の表面に露出する電極２とをはんだ付けするため、電極２上に塗布される。はんだクリーム３の塗布は、例えば、端子の寸法、形状に整合した窓を有するマスクを使用し、端子の表面に、ウレタン樹脂製やアルミニウム製のスキージを用いて印刷することにより、はんだクリーム３を所望の部分に塗布することができる。
【００１６】
本発明においてはんだクリーム３は、はんだとして、錫−鉛はんだのほか、鉛フリーのはんだとして、錫−銀−銅はんだ、錫−ニッケル−銅はんだ、錫−銀−ビスマス−銅はんだ、錫−銀−インジウム−ビスマスはんだ、錫−銀はんだ、錫−アンチモンはんだの粉末を使用し、それにフラックスを加え、さらに、はんだより比重が小さい粒子を含むペースト状のものとされる。上記はんだは、従来から知られた金属組成のものを用いることができる。本発明において、比重が小さい粒子とは、はんだの比重約７〜９に比較して小さいことを意味する。したがって、はんだが比重９であれば、比重９未満であればいかなる値のものであってもよい。本発明では、はんだが融解した際、はんだ液面に急速に浮上するもの、すなわち、比重が小さいものほど好ましい。これは、粒子の急速な浮上に伴い、その推進力により粒子を液面から突出させ、より離れたユニットの接合部分にはんだを付着させることができるからである。また、上記推進力により、粒子のみならず、液面も上昇させ、離間した接合部分により広くはんだを付着させることができる。さらに、液面と離間した接合部分とは、例えば、０．０５ｍｍといったように近隣しており、離間した接合部分にはんだを付着させることにより、液面と離間した接合部分との間をはんだで満たすこともできる。本発明においては、はんだに比較して比重が小さい金属であるマグネシウムやアルミニウム、それらの合金が好ましい。なお、マグネシウムは比重が１．７４であり、アルミニウムは比重が２．７０である。
【００１７】
また、粒子は、加熱により変形した各ユニットの接合部分とはんだ液面との間の間隔およびはんだクリームの塗布厚さから適切な大きさのものを用いることができる。本発明では、はんだを付着させるために、マグネシウム、アルミニウム、それらの合金中に空気を含むものを用いることもできる。これは、はんだの融解により、はんだ液面に浮上し、空気の膨張により破裂することにより、はんだを飛散させ、各ユニットの離間した接合部分に付着させることができる。この場合、液面に浮上し、液面に近隣する位置で破裂することが好ましいが、はんだ液中で破裂してもよい。はんだ液中で破裂した場合、その破裂した位置において液面上昇を伴い、その液面上昇により、各ユニットの離間した接合部分にはんだを付着させることができる。
【００１８】
本発明では、上述したマグネシウム、アルミニウム、それらの合金に限らず、はんだ成分より比重が小さいものであれば、いかなる材質であってもよい。その他のものとしては、プラスチック、珪素、二酸化珪素、窒化珪素、チタン、チタン合金などを用いることができる。なお、プラスチックとしては、はんだの融点が約２００℃であることから、２００℃以上の融点を有するものが好ましく、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）といったフッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドなどを用いることができる。フラックスは、例えば、松やに（ロジン）を用いることができる。
【００１９】
また、本発明では、加熱により変形を生じるユニットの数などに応じて適切な数または量および大きさの粒子を混合させることができる。さらに、本発明では、空気以外に窒素や炭酸ガスなどを内部に含むものであってもよい。また、粒子の形状は、いかなる形状であってもよいが、破裂する場合、均等に飛散する球状のものが好ましい。
【００２０】
図３は、基板の所定位置に塗布したはんだクリーム上に、各ユニットを配置したところを示した図である。図３では、塗布されたはんだクリームを覆うように各ユニット４が配置されている。図３に示すように各ユニット４を配置した後、リフローはんだ付け装置内に配置し、上述した約２００℃〜約３００℃に加熱し、はんだクリームを融解し、その後、冷却することによりはんだ付けを行う。なお、リフローはんだ付け装置は、例えば、空気を強制循環するエアリフロー装置と、窒素雰囲気で行う窒素リフロー装置とがあり、容器と、空気や窒素を強制循環するファンと、所定温度に加熱するヒータとを含んで構成される。
【００２１】
図４は、リフローはんだ付け装置内に配置し、加熱した、各ユニットが配置された基板を示した図である。図４（ａ）は、リフローはんだ付け装置内に、各ユニットが配置された基板を配置したところを示した断面図である。基板１の表面上には、はんだクリーム３が塗布され、はんだクリーム３上にユニット４が配置されている。図４（ａ）に示すように、はんだクリーム３は、表面が略平坦、かつ基板１の表面に平行となるように塗布されていて、ユニット４は、はんだクリーム３に接合部分となる底部が埋め込まれるようにして配置されている。これにより、はんだクリーム３を融解し、その後、冷却することで、ユニット４の接合部分となる底部がはんだ付けされる。
【００２２】
図４（ｂ）は、加熱により、ユニット４に反りを生じたところを示した断面図である。はんだクリーム３を融解するためには、上述したように、約２００℃〜約３００℃に加熱される。この加熱により、材質の異なる基板１と、ユニット４とに熱膨張差が生じ、反りを生じる。図４（ｂ）では、ユニット４の一端に反りが生じ、融解したはんだクリーム３の液面から上記先端部が離間しているのが示されている。なお、この反りは、ユニット４に高低差を生じさせ、不良品の原因となるものである。また、この反りは、はんだが融解する以前に生じ、離間した部分には、はんだが付着していない状態となっている。
【００２３】
図５は、はんだクリームに含まれる粒子の動きを例示した図である。図５（ａ）は、図４（ｂ）に示すように、基板１に塗布したはんだクリーム３上に、端子や半導体装置といったユニット４を配置し、加熱したところを示す断面図である。図５（ａ）では、ユニット４を所定位置に配置した基板１を、上述したリフローはんだ付け装置内に配置し、上述した約２００℃〜約３００℃に加熱し、はんだクリーム３を融解しているところが示されている。また、加熱により、ユニット４に反りが生じており、ユニット４の底部である接合部分とはんだクリーム３の表面とが離間している。図５（ａ）に示す実施の形態では、はんだクリーム３が融解し始めた状態であるため、複数の粒子５がまだ均一に分散した状態となっている。
【００２４】
図５（ｂ）は、はんだクリームが融解し、粒子が浮上しているところを示した図である。図５（ｂ）に示す実施の形態では、はんだクリーム３が融解してはんだ液となり、はんだ液中に含まれる粒子５は、比重が小さいために浮上している。はんだ液面に浮上した粒子５は、一部がはんだ液面から露出し、離間した接合部分に接触することにより、粒子５の表面を被覆するはんだを離間した接合部分に付着させている。また、粒子５の浮上に伴い、液面も上昇し、この液面上昇により、離間した接合部分にはんだを付着させることができる。
【００２５】
本発明の方法では、次に基板１を常温まで冷却し、はんだを凝固させる。冷却は、ヒータを停止することにより行うことができる。また、ヒータを停止し、ファンを回転することにより急冷することもできる。図５（ｂ）に示すように、離間した接合部分に液面かから露出した粒子５が隣接している場合、はんだが凝固収縮することにより、離間した接合部分が基板１側に引き寄せられ、反りなどの変形が修正される。このように、本発明の方法を使用することにより、加熱により基板１側とは反対方向へ反りを生じたユニット４を、はんだの凝固に伴い、ユニット４を基板１側へ引き寄せ、変形前の状態へと修正することができる。実際には、冷却に伴い、熱膨張差が小さくなり、反りなどの変形がわずかに修正される。図５に示すように、粒子５が離間した接合部分に隣接していなくても、この修正により隣接した状態となり、これを凝固収縮することにより、反りなどの変形を修正することもできる。
【００２６】
本発明では、例えば、はんだの比重９に対して、粒子５の比重が２のように、極めて比重を小さくすることにより、はんだの融解により、粒子５を急速に浮上させ、その推進力により液面を上昇させて、離間した接合部分のより広い範囲にはんだを付着させることができる。また、比重が極めて小さいものの場合、液面から突出し、より離れた部分へのはんだの付着が可能となるため、粒子径を小さくすることができる。
【００２７】
図６は、内部に空気を含む粒子を用いた場合の粒子の動きを例示した図である。図６（ａ）は、図５（ａ）と同様、基板１に塗布したはんだクリーム３上に、端子や半導体装置といったユニット４を配置し、加熱したところを示す断面図である。図６（ａ）では、ユニット４を所定位置に配置した基板１を、上述したリフローはんだ付け装置内に配置し、上述した約２００℃〜約３００℃に加熱し、はんだクリーム３を融解しているところが示されている。また、加熱により、ユニット４に反りが生じており、ユニット４の底部である接合部分とはんだクリーム３の表面とが離間している。図６（ａ）に示す実施の形態では、はんだクリーム３が融解し始めた状態であるため、複数の粒子５がまだ均一に分散した状態となっている。
【００２８】
図６（ｂ）は、はんだ液中を粒子５が浮上し、内部の空気が膨張し、破裂することにより、離間した接合部分にはんだが付着しているところを示した図である。例えば、上述したように粒子５の比重が極めて小さく、急速に浮上した後に、破裂する場合、はんだ液面の近隣で破裂を生じ、その破裂により、図６（ｂ）に示すように、はんだ液面に波６を生じさせ、はんだを飛散させることができる。この波の発生や飛散により、液面から離間した接合部分にはんだを付着させることができる。また、図６（ｂ）には、はんだ液の内部で破裂する場合も示されており、その破裂により気泡７が発生し、その気泡７により波６を発生させ、離間した接合部分にはんだを付着させることもできる。なお、はんだ液面と接合部分との間隔は、数十マイクロメートルといった微小間隔であるため、はんだの接合部分への付着により、この微小間隔をはんだにより満たすことができる。
【００２９】
微小間隔をはんだにより満たされたものを冷却し、はんだを凝固させることにより、ユニット４と基板１とをはんだ付けすることができる。はんだが凝固する際、はんだが収縮することにより、接合部分が基板１側へ引っ張られ、反りなどの変形が修正される。
【００３０】
上述した本発明の方法を用いることにより、基板にはんだ付けされる各ユニットの高低差が、加熱した後の段階で０．１５ｍｍ程度あったものを、規格内である０．１ｍｍ内に収めることができた。これまでの不良品の多くは、変形により電子部品の各ユニットの高低差が０．１５ｍｍ程度あるというものであった。したがって、本発明の方法および該方法を実現するためのはんだクリームを提供することにより、不良品を著しく減少させ、歩留りを改善することができ、これにより、電子部品を安価で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】電極が所定位置に形成された基板を例示した図。
【図２】電極上にはんだクリームを塗布したところを示した図。
【図３】はんだクリーム上に各ユニットを配置したところを示した図。
【図４】加熱により、ユニットに反りが生じているところを示した図。
【図５】はんだクリームが融解し、粒子がはんだ液面に浮上しているところを示した図。
【図６】粒子の破裂により、液面に波が生じ、液中に気泡が発生しているところを示した図。
【符号の説明】
【００３２】
１…基板
２…電極
３…はんだクリーム
４…ユニット
５…粒子
６…波
７…気泡
【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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