(57)【要約】【課題】  共晶はんだに比べリフローピーク温度が２０℃から４０℃ほど高温側へシフトするＰｂフリーはんだ使用による、通炉時の急激な熱ストレスを低減し、溶融状態のはんだとチップ部品電極部との接合時に発生する不具合、例えば気化爆発及びそれによって発生する狭ピッチ間でのマイクロブリッジを防止する。【解決手段】  リフロー炉を使用してＰｂフリーはんだペーストを溶融させるチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法において、予備加熱工程と、これよりも加熱温度の高い本加熱工程とを備え、前記本加熱工程でのリフローピーク温度が前記Ｐｂフリーはんだペーストの溶融温度より１５℃以上高い温度でかつ２６５℃以下であって、前記予備加熱工程の予備加熱終了温度から前記リフローピーク温度までの昇温速度を１．１℃／秒以下に設定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフロー炉を使用してＰｂフリーはんだペーストを溶融させるチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法において、
予備加熱工程と、これよりも加熱温度の高い本加熱工程とを備え、前記本加熱工程でのリフローピーク温度が前記Ｐｂフリーはんだペーストの溶融温度より１５℃以上高い温度でかつ２６５℃以下であって、前記予備加熱工程の予備加熱終了温度から前記リフローピーク温度までの昇温速度が１．１℃／秒以下であることを特徴とするチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法。
【請求項２】
前記予備加熱工程は１５０℃〜１８０℃の温度範囲を含み、当該温度範囲内における時間が６０秒〜１４０秒である請求項１記載のチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法。
【請求項３】
前記Ｐｂフリーはんだペーストが、Ｓｎ／Ａｇの２元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕからなる３元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉからなる４元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｓｂからなる４元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｉｎからなる４元系のいずれかからなる合金とフラックスで構成されている請求項１又は２記載のチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
近年、表面実装用チップ部品は、電極材や素体のＰｂフリー化、小型化、狭ピッチ実装が進み、チップ部品の寸法精度や形状、端子電極の電極材質等において高品質化が要求されているが、はんだやチップ部品のＰｂフリー化の過渡期である現在において、市場へ供給されているチップ部品の内、完全なるＰｂフリー対応のチップ部品は多くなく、Ｐｂフリーはんだ使用での実装工程における不具合の発生は少なくない。
【０００２】
本発明は、チップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法に係り、とくに、Ｐｂフリーはんだを使用して実装する、チップ部品の実装工程における実装不具合の一つである気化爆発（爆ぜ）及びその影響により発生するマイクロブリッジ（狭ピッチで隣接したチップ部品間でのはんだによるブリッジ）、チップ部品のシフティング不具合、チップ立ち不具合等を抑制するリフロー温度プロファイルに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来のＳｎ／Ｐｂ共晶はんだにおける電子機器等の実装は、リフロー時のピーク温度をはんだ融点から３０℃〜５０℃上昇させた２１０℃〜２３０℃の比較的低温度領域にて実施しており、はんだ接続性評価に関しても上記温度領域もしくは高くても２４０℃までのピーク温度で実施していた。
【０００４】
図２に従来のＳｎ／Ｐｂ共晶はんだを使用した時の、接合評価用リフロー温度プロファイルの１例を示す。
【０００５】
しかし、近年のＰｂフリー化で、はんだにおいてもＰｂを使用しないＳｎ／Ａｇ／Ｃｕの３元系Ｐｂフリーはんだを中心に使用されるようになり、リフロー温度プロファイルもピーク温度で２０℃〜４０℃高い２３０℃〜２５０℃の温度領域にて実施されるようになった。
【０００６】
図３にＰｂフリーはんだ接合用として一般的に使用されている、リフロー温度プロファイルの１例を示す。
【０００７】
近年、環境の問題からはんだのＰｂフリー化が加速度的に進み、実装時のリフローピーク温度が、２０℃から４０℃ほど高温側へシフトし、チップ部品が受ける熱ストレスが増大する傾向になった。また、チップ部品の極小化や高密度化によってチップ部品間の狭ピッチ実装化も進み、チップ部品の寸法形状やＰｂフリー電極化等による品質レベルの向上が急務となった。このようなＰｂフリー化の過渡期である現在、リフロー温度パターンの条件によっては、今まで確認されなかった実装不具合を誘発させる状況が発生している。その実装不具合とは、例えば、チップ部品の電極形成工程におけるメッキ液残渣に起因して発生する気化爆発、及びそれによって発生する狭ピッチ配線パターン間でのマイクロブリッジであり、従来に比べて急激な熱ストレスをチップ部品の電極部分に受けることによって顕在化してきたことから、この不具合の改善が急務となっている。
【０００８】
なお、Ｐｂフリーはんだのはんだ付け方法を提示している公知文献としていは、下記特許文献１がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２９００２５号公報
【００１０】
この特許文献１は、Ｐｂフリーはんだにおける、はんだ付けのリフロー温度プロファイルにおいて、予備加熱（プリヒート）を１９０秒以上かけて１８０℃まで緩やかに昇温させることにより、電子部品に対し十分な濡れ上がりを確保するものであり、ピーク温度は、はんだ融点より１５℃高い温度以上、２５０℃以下であり、ピーク温度より５℃低い温度以上の時間を２０秒〜６０秒保持する本加熱工程を有するリフロー温度プロファイルを開示している。
【００１１】
しかし、この特許文献１は、本加熱工程における温度とピーク温度より５℃低い温度における時間のみの規定であり、予備加熱完了からピーク温度までの昇温速度に関する考察がなされておらず、昇温速度が１．１℃／秒より速くピーク温度がフラットな温度パターンの場合には、気化爆発不具合が発生し易く、良好な接合ができないことが考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑み、共晶はんだに比べリフローピーク温度が２０℃から４０℃ほど高温側へシフトするＰｂフリーはんだ使用による、通炉時の急激な熱ストレスを低減し、溶融状態のはんだとチップ部品電極部との接合時に発生する不具合、例えば気化爆発及びそれによって発生する狭ピッチ間でのマイクロブリッジを発生させないリフロー温度パターンとしたチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本願請求項１の発明は、リフロー炉を使用してＰｂフリーはんだペーストを溶融させるチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法において、
予備加熱工程と、これよりも加熱温度の高い本加熱工程とを備え、前記本加熱工程でのリフローピーク温度が前記Ｐｂフリーはんだペーストの溶融温度より１５℃以上高い温度でかつ２６５℃以下であって、前記予備加熱工程の予備加熱終了温度から前記リフローピーク温度までの昇温速度が１．１℃／秒以下であることを特徴としている。
【００１５】
本願請求項２の発明に係るチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法は、請求項１において、前記予備加熱工程が１５０℃〜１８０℃の温度範囲を含み、当該温度範囲内における時間が６０秒〜１４０秒であることを特徴としている。
【００１６】
本願請求項３の発明に係るチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法は、請求項１又は２において、前記Ｐｂフリーはんだペーストが、Ｓｎ／Ａｇの２元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕからなる３元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉからなる４元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｓｂからなる４元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｉｎからなる４元系のいずれかからなる合金とフラックスで構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、リフロー炉を使用してＰｂフリーはんだペーストを溶融させてチップ部品を配線基板にはんだ付けで実装する場合において、本加熱工程でのリフローピーク温度が前記Ｐｂフリーはんだペーストの溶融温度より１５℃以上高い温度でかつ２６５℃以下であるとともに、前記予備加熱工程の予備加熱終了温度から前記リフローピーク温度までの昇温速度が１．１℃／秒以下であるため、気化爆発を防止し、それによって発生する狭ピッチ配線パターン間でのマイクロブリッジを防止できる。
【００１８】
また、前記昇温速度を抑えることにより、巻線タイプのインダクタ部品やトランスなどの部品とチップコンデンサなどの積層チップ部品との大小部品間における温度差を最小限に抑えられ、はんだの濡れの向上にもつながり良好なはんだ接合が可能となる。
【００１９】
また、大形部品との混載によって、積層チップコンデンサなどの小形チップ部品のピーク温度が高くなった場合においても、昇温速度が１．１℃／秒以下であれば、気化爆発及びそれによって発生するマイクロブリッジの不具合の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、チップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法の実施の形態を図面並びに表に従って説明する。
【００２１】
リフロー炉を使用したチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法は、配線基板の配線パターン上にＰｂフリーはんだペーストを塗布し、その上にチップ部品を載置して（チップ部品の端子電極をはんだペーストに接触させて）リフロー炉に通すことにより、Ｐｂフリーはんだペーストを溶融させ、チップ部品を配線基板に実装する方法であり、リフロー炉はＰｂフリーはんだを融点近くにまで加熱する予備加熱工程のための予備加熱部と、Ｐｂフリーはんだを融点以上に加熱し溶融させる本加熱工程のための本加熱部とを具備し、チップ部品を搭載後の配線基板をチェーンコンベア等の搬送手段により前記リフロー炉内を通過させ、所定のリフロー温度プロファイルでチップ部品のはんだ付け実装を行っている。
【００２２】
このようにＰｂフリーはんだペーストを使用する場合において発生する不具合の一つである気化爆発は、リフロー温度プロファイルにかなり密接な関係にある。そもそも、チップコンデンサ、チップインダクタ等の積層チップ部品の電極部は、一般的に電極形成工程にて３層構造からなる金属電極をメッキ法等によって形成するが、この時、下地電極部に素体内部の電極構造の形成状態によりピンホールやボイドが発生し、その部分にメッキ液が含浸してしまう問題がある。この含浸したメッキ液はボイドの大きさや形状によって、洗浄・乾燥工程で完全に排除することが非常に困難であるため、最外殻のメッキ処理した時点で電極形成時の残液を内在した状態でチップ部品が完成してしまう。この状態のチップ部品をはんだ接合時の急激な温度を加えるリフロー通炉等により、溶融はんだが電極部表面を覆い、それに伴い内部の残液が加熱沸騰し、ガス化及び内圧上昇を起こし気化爆発を誘発させると推察される。内圧の上昇は、温度が高ければ高く、昇温速度が速ければ速いほど大きくなる傾向にあるが、今回の実装不具合である気化爆発に対しては、昇温速度における要因が大きいことを本発明者等は見いだした。
【００２３】
図４は、ＰｂフリーはんだとしてＳｎ／Ａｇ／Ｃｕの３元系を使用したときのリフローピーク温度と気化爆発不具合発生率との関係であり、リフロー温度プロファイルのピーク温度別に積層チップ部品の気化爆発の発生率を示したものである。但し、図４の場合のリフロー温度プロファイルは、図３に示したような、Ｐｂフリーはんだ接合用として従来一般的に使用されていたものであり、予備加熱工程終了時からリフローピーク温度に至るまでの昇温速度を１．３℃／秒から１．５℃／秒の範囲とした実験値である。図４からピーク温度の上昇とともに発生率が増加する傾向にあり、チップ部品への熱ストレスが増大していることがわかる。
【００２４】
また、図５にリフロー温度パターンの昇温速度別における気化爆発の発生率を示す。ここでの昇温速度は予備加熱工程の終了から前記リフローピーク温度に至るまでの値である。これもピーク温度と同様に熱ストレスを増大させる方向である昇温速度を早めるほど不具合発生率が増加し、急激な熱ストレスがチップ部品の電極部分へ加わっているため発生率が高くなると推察される。なお、図４と図５における発生率の値の違いは、評価サンプルの違いに起因する。
【００２５】
次に、図１は、本発明の実施の形態の場合であり、リフロー炉を使用してＰｂフリーはんだペーストを溶融させてチップ部品を配線基板にＰｂフリーはんだ付けを行う（表面実装する）場合において、予備加熱工程（Ｐｂフリーはんだを融点近くにまで加熱）と、これよりも加熱温度の高い本加熱工程（Ｐｂフリーはんだを融点以上に加熱溶融）とを備え、前記本加熱工程でのリフローピーク温度を２６０℃に設定した時のリフロー温度プロファイルである。この場合、リフロー炉において室温から１８０℃まで加熱する過程が予備加熱工程であり、予備加熱工程は１５０℃〜１８０℃の温度範囲内における時間が６０秒〜１４０秒で、前記予備加熱工程の予備加熱終了温度から前記リフローピーク温度までの昇温速度を１．１℃／秒以下に抑えている。このリフロー温度パターン条件での通炉時の不具合発生率を以下の表１に示す。
【００２６】
【表１】
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（但し、表１中のロットＡ，Ｂともにチップインダクタの例であり、ＰｂフリーはんだとしてＳｎ／Ａｇ／Ｃｕの３元系を使用した。）
この表１に示すように、ピーク温度が高いからといっても気化爆発不具合の発生はない。
【００２７】
また、以下の表２にリフローピーク温度２６０℃時の昇温速度別不具合発生個数と発生率を示す。
【００２８】
【表２】
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（但し、表２中のロットＡ，Ｂともにチップインダクタの例であり、ＰｂフリーはんだとしてＳｎ／Ａｇ／Ｃｕの３元系を使用した。）
この表２に示すように、昇温速度１．８℃／秒では不具合発生があるが、昇温速度１．１℃／秒では不具合発生が無い。
【００２９】
先に行った図４のリフローピーク温度別の実験における昇温速度は、１．３℃／秒から１．５℃／秒の範囲にて実施しており、昇温速度が速い設定であったことが影響したため気化爆発が発生したと推察される。表１、表２の結果から気化爆発を発生させる主要因としては、チップ部品の電極内部のメッキ処理用残液が、予備加熱工程における予備加熱終了（完了）温度からリフローピーク温度までの急激な温度上昇により電極内部の内圧が急上昇して発生することがわかる。リフローピーク温度の上昇も電極内部の内圧を上昇する要因でもあるが、昇温速度の影響がいっそう大きいことがわかる。
【００３０】
昇温速度も図５のように１．２５℃／秒において０．０２％の発生が見られることから、１．２℃／秒前後における昇温速度においても不具合の発生の可能性が高いと推察される。よって、昇温速度は不具合発生率が０％である１．１℃／秒以下の遅い速度で昇温させることで、気化爆発を抑制することができる。
【００３１】
なお、前記Ｐｂフリーはんだペーストは、Ｓｎ／Ａｇの２元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕからなる３元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉからなる４元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｓｂからなる４元系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｉｎからなる４元系のいずれかからなる合金とフラックスで構成されたものを使用できる。
【００３２】
また、図１はリフローピーク温度が２６０℃の場合を示しているが、融点の高いＰｂフリーはんだペーストに対してはリフローピーク温度を２６５℃まで高くすることは許容できる。融点の比較的低いＰｂフリーはんだペーストによってはリフローピーク温度が２６０℃まで達しなくともよく、溶融温度より１５℃以上高い温度であればよい。
【００３３】
この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。
【００３４】
(1)  Ｐｂフリーはんだを使用するチップ部品の実装工程において、図３に示すリフロー温度プロファイルが一般的に認識され使用されているが、リフローピーク温度をＰｂフリーはんだペーストの溶融温度より１５℃以上高い温度でかつ２６５℃以下に設定するとともに、予備加熱工程における予熱終了（完了）温度からリフローピーク温度までの昇温速度を１．１℃／秒以下に設定することにより、チップ部品（とくに端子電極形成にメッキ工程を含むもの）の実装不具合の１つである気化爆発及びそれによって発生する配線パターン間のマイクロブリッジ、チップ部品のシフティング、チップ立ち等の発生を抑制することができ、昇温速度を抑えることにより、巻線タイプのインダクタ部品やトランスなどの部品とチップコンデンサなどの積層チップ部品との大小部品間における温度差を最小限に抑えられ、はんだの濡れの向上にもつながり良好な接合が可能となる。
【００３５】
(2)  また、大形部品との混載によって、積層チップコンデンサなどの小形チップ部品のピーク温度が高くなった場合においても、昇温速度を１．１℃／秒以下であれば、気化爆発及びそれによって発生するマイクロブリッジ、チップ部品のシフティング、チップ立ち等の不具合の発生を抑えることができる。
【００３６】
(3)  予備加熱工程は１５０℃〜１８０℃の温度範囲内における時間が６０秒〜１４０秒であり、予備加熱工程の時間を適切な長さとすることで、十分な濡れ性を確保するとともに、チップ部品やそれを実装する基板に対するダメージを低減することができる。予備加熱時間が長すぎると、フラックスの活性が失われる恐れがあり、逆に短すぎるとフラックスが十分活性化しないことから、上記時間が６０秒〜１４０秒であることが望ましい。
【００３７】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るチップ部品のＰｂフリーはんだ付け方法の実施の形態であって、リフロー温度プロファイルのグラフである。
【図２】従来のＳｎ／Ｐｂ共晶はんだ接合の場合のリフロー温度プロファイルのグラフである。
【図３】従来のＰｂフリーはんだ接合の場合のリフロー温度プロファイルのグラフである。
【図４】従来のＰｂフリーはんだ接合の場合のリフローピーク温度と気化爆発不具合発生率の関係を示すグラフである。
【図５】Ｐｂフリーはんだ接合の場合の昇温速度と気化爆発不具合発生率との関係を示すグラフである。
【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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