(57)【要約】【課題】  リフロー時において、半田膜の表面荒れや空孔の発生を抑制できるリフローソルダリング方法を提供する。【解決手段】  本発明は、半田が配された基材を加熱して半田を溶融させる加熱工程と、溶融された半田を固化する冷却工程とを有するリフローソルダリング方法である。予め各種半田の加熱温度と半田中の添加剤が気化して発生するガスを分析して、この分析結果から半田表面が適正性状となる適正加熱条件及び適性冷却条件を求めておく。次に、加熱工程での加熱に伴い半田中の添加剤が気化して発生するガス量を分析する。そして、この分析結果と適正加熱条件および適正冷却条件とを照合して、加熱工程の加熱条件および冷却工程の冷却条件の少なくとも一方を制御する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
半田が配された基材を加熱して半田を溶融させる加熱工程と、溶融された半田を固化する冷却工程とを有するリフローソルダリング方法であって、
予め各種半田の加熱温度と半田中の添加剤が気化して発生するガスを分析して、この分析結果から半田表面が適正性状となる適正加熱条件及び適性冷却条件を求めておき、
加熱工程での加熱に伴い半田中の添加剤が気化して発生するガスを分析し、
この分析結果と適正加熱条件および適正冷却条件とを照合して、加熱工程の加熱条件および冷却工程の冷却条件の少なくとも一方を制御することを特徴とするリフローソルダリング方法。
【請求項２】
加熱工程での分析対象がガス総量であることを特徴とする請求項１に記載のリフローソルダリング方法。
【請求項３】
加熱工程での分析対象が、発生ガスのうち195〜225℃の沸点を有する成分の合計量であることを特徴とする請求項１に記載のリフローソルダリング方法。
【請求項４】
加熱工程での分析対象が、さらにガスの構成成分と各成分の含有比率であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリフローソルダリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リフローソルダリング方法に関するものである。特に、半田の表面荒れや空孔発生を抑制できるリフローソルダリング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイスの小型化・高集積化に伴い、より信頼性の高い実装技術の重要度が高まっている。中でも、予め電子部品のリードなどの基材上に必要量の半田を配し、この半田を加熱溶融するリフローソルダリング技術は、量産性や実装部品の形状に対する自由度から広く採用されている。
【０００３】
この半田を配する手段の一つにめっき法がある。例えば、Sn-Pb系合金を銅リードなどの基材上に電気めっきしてめっき層を形成する。一般に、電気めっき材には、短絡事故の原因になるウィスカーが発生し易いという問題があり、この問題は、Sn-Pb系合金めっき材では、例えばめっき層を溶融・固化させるリフロー処理により改善することが行なわれている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平11-1793号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、めっき法により形成された膜はリフロー時の加熱条件や冷却条件を適正に制御できていないと半田めっき膜の表面荒れや空孔が生じることがあり、めっき箇所の導電率の低下や強度の低下につながるという問題があった。
【０００６】
従って、本発明の主目的は、リフロー時において、半田膜の表面荒れや空孔の発生を抑制できるリフローソルダリング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、リフロー時における半田めっき膜からの発生ガスを分析し、リフロー時の加熱温度と発生ガスとの関係を調査した結果、以下の知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００８】
(1)発生ガス量は半田めっき膜中の添加剤濃度との間に相関関係があり、添加剤の添加量が多いほど発生ガス量が多くなる。
(2)加熱温度が高いほど発生ガス量が多くなる。
(3)加熱温度付近の沸点を持つ添加剤成分ほどガスとして放出されやすい。
(4)ガス発生による気泡の跡が溶融した半田の固化過程で消失しないとめっき膜の表面荒れや空孔が発生する。
(5)ガスの発生量と溶融した半田の流れが適切な関係にあれば、表面荒れや空孔を抑制できる。
【０００９】
本発明は、半田が配された基材を加熱して半田を溶融させる加熱工程と、溶融された半田を固化する冷却工程とを有するリフローソルダリング方法である。予め各種半田の加熱温度と半田中の添加剤が気化して発生するガスを分析して、この分析結果から半田表面が適正性状となる適正加熱条件及び適性冷却条件を求めておく。次に、加熱工程での加熱に伴い半田中の添加剤が気化して発生するガス量を分析する。そして、この分析結果と適正加熱条件および適正冷却条件とを照合して、加熱工程の加熱条件および冷却工程の冷却条件の少なくとも一方を制御することを特徴とする。
【００１０】
後述する試験から明らかなように、半田めっき層の表面荒れや空孔は、半田中に含まれる光沢剤などの添加剤が加熱により気化して発泡し、この気泡の跡が半田めっき層の表面に残存することで生じることが判明した。そのため、加熱により半田から発生するガスを分析し、その分析結果に基づいてリフロー時の加熱・冷却条件を決定することで、表面荒れや空孔の抑制された半田膜の形成を行なうことができる。
【００１１】
本発明方法では、予め各種半田の加熱温度と半田中の添加剤が気化して発生するガスを分析しておく。通常、半田中には光沢剤などの添加剤が含有されている。このような半田を加熱すると、添加剤成分が気化して半田中からガスとして放出される。ガスの分析対象は、例えば放出されるガス量とする。分析するガス量は、半田膜の単位面積、単位時間当たりの発生ガス量とすればよい。
【００１２】
また、このガス分析は、定量分析だけでなく、定性分析も行なっておくことが好ましい。例えば、ガス中にどのような成分がどのような割合で含まれるかを分析する。そして、添加剤として含まれる各成分の沸点に関するデータも保持しておき、定性分析により検出された成分とその沸点データとを関連付ける。これらの作業から、半田表面が適正性状となる適正加熱条件および適正冷却条件を求めておく。
【００１３】
一方、リフロー対象となる基板や電子部品などの加熱対象を加熱して、上記と同様に発生ガスの分析を行なう。ここでも同様に発生ガスの定量分析と定性分析の少なくとも一方を行なう。この分析により、発生ガス量、ガスの構成成分、各成分の含有量、各成分の沸点などを検出する。
【００１４】
上述した各種半田の加熱に伴う発生ガスの分析や、実際のリフロー対象の加熱に伴う発生ガスの分析には、サーマルデソープションガスクロマトグラフ質量分析法が好適である。この方法によれば、任意の温度・時間で加熱条件を設定でき、比較的沸点の高い有機成分の検出に有効である。また、発生ガスの捕集と共に濃縮を行なうため、高感度分析が可能である。
【００１５】
分析するガス量は、発生ガスの総量であってもよいし、発生ガスのうち195〜225℃の沸点を有する成分の合計量としてもよい。空孔の発生に主として関与する添加剤成分は、加熱温度付近の沸点を有する成分であるため、加熱温度付近の沸点を有する添加剤成分の合計ガス量を基準にすれば、より高精度の加熱・冷却条件の制御が可能になる。この沸点のより好ましい範囲は、215〜225℃である。
【００１６】
そして、予め蓄積されている各種半田の適正加熱条件および適正冷却条件と実際のリフロー対象を加熱した際の発生ガスの分析結果とを照合する。この照合により、発生ガス量が抑制される加熱条件を選択したり、ガスは所定量発生するが、ガス発生に伴う空孔が半田の流れにより修復される加熱・冷却条件を選択すれば良い。加熱条件には、昇温速度、到達温度、到達温度での保持時間などが挙げられる。冷却条件には降温速度が挙げられる。
【００１７】
一般に、昇温速度が速いと、急速に添加物の気化が生じて空孔の発生が活発になるため、昇温速度を遅くすることで添加物の気化による空孔の発生を抑制することができる。また、後述する試験から明らかなように、到達温度が高いと空孔が多く発生するため、到達温度は抑える方が空孔の発生抑制に効果的である。ただし、半田の十分な溶融に必要な温度にまで到達させる必要があることはいうまでもない。また、保持時間が長いと、めっき膜中の添加物が気化して十分に放出されるため、長い方が空孔の発生抑制に効果的である。一方、冷却速度が速いと、急速に半田の固化が進展して半田の流れにより空孔を修復することが難しくなるため、遅くする方が空孔の発生抑制に効果的である。
【００１８】
なお、本発明のリフローソルダリング方法は、端子などの表面に形成された半田めっき膜をリフローする場合はもちろん、基板のランド上にクリーム半田を配し、このクリーム半田で電子部品を保持し、この基板に予熱工程・本加熱工程・冷却工程を施して電子部品を半田付けするリフローソルダリング方法に用いても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明方法によれば、リフロー時の温度制御を適切に行なうことで、半田めっき膜表面の荒れや空孔の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
（試験例１）
まず、加熱による半田めっき膜の表面状態の変化を環境制御型走査電子顕微鏡（ESEM：Environmental  Scanning  Electron  Microscope）を用いて観察を行なった。ESEMは試料の動的な変化を観察することが可能である。ここでは、ESEMとして株式会社ニコン製  EMES2700を用いた。
【００２２】
試料は、銅リード上に半田めっき膜を形成したものを用いた。半田めっき膜は、Sn-Pb系合金を電気めっきして形成した。
【００２３】
この試料をESEMの試料室にセットし、2700MPaまでガスを導入する。そして、加熱・冷却ステージを利用して試料を1270Kまで加熱し、その後、室温−20Kまで冷却した。その観察結果を図1の写真に示す。
【００２４】
図１の(a)から(d)が加熱過程の半田めっき膜表面の状態を示しており、(e)から(h)が冷却過程の半田めっき膜表面の状態を示している。この写真から明らかなように、加熱過程において160℃付近で半田組織が変化して表面が平滑化し、半田が溶融したことを示している。そのとき、直径10μm前後の空孔が多数発生し、この空孔の発生と消失とを繰り返す現象が確認された。この空孔は、半田めっき中に取り込まれている成分が気化して放出されていることにより生じていると推測される。加熱温度が200℃に上昇すると、空孔の発生／消失頻度が増加する。一方、冷却過程では、加熱中に発生した気泡の一部が消失せずに、試料が室温に戻った際に半田めっき膜表面に凹凸として残存することが確認された。
【００２５】
以上のことから、半田の加熱に伴い内部に含まれる成分がガスとして放出され、その空孔発生／消失が適切に行なわれずに室温に戻ると半田めっき膜表面に荒れや空孔が生じるものと考えられる。また、この半田から放出されるガスは、半田内に含まれる光沢剤などの添加剤成分が気化して生じたものと推測される。
【００２６】
この試験結果から半田めっき膜のリフロー時における空孔発生現象をモデル化した。そのモデルを図2に示す。
【００２７】
図2(A)はリフロー時の加熱温度と半田めっき膜中の添加剤含有量が適正であった場合のめっき膜挙動モデルを示す。この場合、半田溶融時に添加剤20はガス化して半田めっき膜10外に放出されるが、加熱時の半田の流れが十分なため、発生した空孔は半田の流れにより修復され、室温に戻った際にはめっき膜表面に空孔がない平滑な表面が形成される。
【００２８】
図2(B)は半田めっき膜中の添加剤含有量は適正であるが、リフロー時の加熱温度が低い場合のめっき膜挙動モデルを示す。この場合も、添加剤20が気化してガスが放出されるが、加熱温度が低いため、半田は融解が不十分で十分な流れを有しない。そのため、空孔は半田の流れで修復されず、冷却後にめっき膜10表面に残ってしまう。特に、相対的に沸点の低い成分が半田めっき膜中に取り込まれていた場合、この現象を引き起こしやすいと考えられる。
【００２９】
図2(C)はリフロー時の加熱温度は適正であるが、半田めっき膜10中の添加剤20含有量が過剰な場合のめっき膜挙動モデルを示す。この場合、加熱時にガス放出により発生する空孔の数が多く、また大きな空孔が形成されやすくなるため、半田の流れによる空孔の修復が追いつかず、試料が室温に戻った際に空孔が残存しやすくなる。
【００３０】
（試験例２）
次に、上記のめっき膜挙動モデルを検証するため、リフロー過程を模擬した高温下で試料から発生するガスを分析した。ガスの分析には、サーマルデソープションガスクロマトグラフ質量分析法を採用した。これは、室温から種々の温度、時間で加熱条件を設定でき、比較的沸点の高い有機成分の検出に有効な手法である。測定条件を表1に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
試料は、主要なガスの混入源がめっき過程で用いられる有機成分から構成される添加剤であると仮定して、次のように作製した。市販のホウふっ化半田めっき液（Sn2+20g/L、Pb2+11g/L、37％ホルマリン12ml/L、遊離酸150g/L）に、光沢剤など複数の有機成分より構成される添加剤を、通常濃度、その30倍、60倍で添加しためっき液を調整した。この通常濃度は、添加剤メーカの推奨値を用いた。調整しためっき液を用いてハルセル試験用銅板を電極とし、2アンペアで3分通電してハルセル試験板を作製した。
【００３３】
図３にガス分析で得られるガスクロマトグラムの一例を示す。このクロマトグラムのピーク面積和より加熱時の総発生ガス量が、各ピークのマススペクトルより各成分の定性分析が可能である。また、図４に半田めっき膜を加熱した際の発生ガス総量（各成分のイオン強度をn-デカン1μgのイオン強度を元に算出した換算値）を示す。このグラフから明らかなように、添加剤の添加量が多いほど発生ガス総量が高くなっている。さらに、ガスクロマトグラフ質量分析にて検出された成分は、赤外吸収スペクトル、核磁気共鳴分光スペクトルを用いて分子構造を解析・同定し、それらが添加剤の構成成分であることを確認した。これらの結果より、めっき液中の添加剤がめっき膜生成時にめっき膜内に取り込まれていること、リフロー時に揮発または分解し、めっき膜外にガスとして放出されることは明らかである。また、この発生ガス量は、めっき液中の添加剤濃度との間に相関性があることも確認できた。
【００３４】
次に、検出されたガス中に含まれる主要な成分の沸点を比較した。その結果を表2に示す。各成分A-Dは、それぞれ半田溶融温度（220℃）に近い200℃前後の沸点を持っている。比較的沸点の低い成分Aが160℃前後から気化して空孔形成に関与し、温度が上昇するにつれて成分B-Dも気化して空孔形成に関与したものと推測される。
【００３５】
【表２】
2005307275.tif 000003
【００３６】
（実施例１）
銅リードからなる接続端子部に半田めっき膜を形成した試料を用い、このめっき膜をリフロー処理して、リフロー温度の制御を行なってみる。このリフロー処理に先立って、各種半田に複数の加熱条件で加熱処理を行い、その際に放出されるガス分析を行なって、各温度における単位時間、単位面積当たりのガス総量、ガス中の構成成分とその含有比率、各構成成分を調べる。続いて、異なる冷却速度で各種半田の冷却処理を行い、冷却後の半田表面の性状を顕微鏡で観察し、空孔の生じないガス総量、ガス中の構成成分とその含有比率ならびに適正加熱条件と適正冷却条件を参照データとして求める。得られた適正加熱・冷却条件の代表例を図５に温度プロファイルとして示す。
【００３７】
これらの参照データを第一テーブルとしてコンピュータ内の記憶手段に蓄積しておく。総発生ガス量は分析結果であるクロマトグラムのピーク面積和より求め、各ピークのマススペクトルより各成分の種類と含有比率を求める。各構成成分と沸点の関係は、別途第二テーブルとして記憶しておき、構成成分に対応する沸点データを読み出して構成成分の沸点を求める。
【００３８】
次に、試料を所定温度に加熱し、サーマルデソープションガスクロマトグラフ質量分析装置を用いて、半田めっき膜から発生するガスの分析を行なう。このガス分析でも加熱温度における単位時間、単位面積当たりのガス総量、ガス中の構成成分と含有比率、各構成成分の沸点を検知データとして求めておく。
【００３９】
そして、検知データと第一テーブルから読み出した参照データとを比較する。まず、検知データから試料に含まれる添加剤の種類の特定を行なう。それには、第一テーブルより、この検知データの構成成分と参照データの構成成分とを比較して、実質的に共通する構成成分を持つの参照データを抽出する。
【００４０】
添加剤の種類が特定できたら、その添加剤における構成成分量を特定する。つまり、特定した添加剤の参照データのうち、各成分の含有量が共通する参照データを抽出する。構成成分量は、「多い」、「適正」、「少ない」などの複数段階に区分し、このいずれの区分に検知データの構成成分量が対応するかを照合するようにして構成成分の特定を行っても良い。
【００４１】
続いて、構成成分量の多少に応じて適正な加熱条件および冷却条件を参照データより抽出する。そして、抽出した適正加熱条件・適正冷却条件とリフロー処理を行っている加熱条件・冷却条件を比較して、リフロー処理を行なっている温度プロファイルが適正加熱条件または適正冷却条件から外れていれば、これら適正条件内となるようにリフロー処理の加熱条件または冷却条件を制御する。この制御により、適正な表面性状の半田めっき膜を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明方法は、半導体素子など、電子部品の実装分野で広く利用することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】半田めっき膜の加熱・冷却過程における膜表面の挙動を示す顕微鏡写真である。
【図２】半田めっき膜のリフロー時における空孔発生現象のモデル図である。
【図３】半田めっき膜を加熱して発生したガスの分析結果を示すガスクロマトグラムである。
【図４】半田めっき膜を加熱した際の発生ガス総量（ｎ-デカン換算値）を示すグラフである。
【図５】適正加熱・冷却条件の代表例を示す温度プロファイルである。
【符号の説明】
【００４４】
10  半田めっき膜
20  添加剤
【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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