(57)【要約】【課題】第１の部材と第２の部材とがはんだ接合されたはんだ接合体を製造するにあたって、はんだ接合時に発生するはんだ飛散の防止、および、はんだ中のボイド発生の抑制に適した製造方法を提供する。【解決手段】第１の部材１０と第２の部材２０との間にはんだペースト４０を介在させてなるワークＷ１を用意し、このワークＷ１を、常温よりも高い第１の温度Ｔ２で加熱する予熱工程と、次に、ワークＷ１を、第１の温度Ｔ２よりも高い第２の温度Ｔ３で加熱してはんだ３０を溶融させる本加熱工程と、この溶融したはんだ３０を冷却して固化する冷却工程と、を備える製造方法であって、予熱工程の前に、はんだペースト４０において外気に接する外表面４０ａ側が内部側よりも高粘度状態となるように、第１の温度Ｔ２よりも低い第３の温度Ｔ１にワークＷ１を保持する粘度調整工程を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材（１０）と第２の部材（２０）との間に、はんだ（３０）に溶剤を含有させてなるはんだペースト（４０）を介在させてなるワーク（Ｗ１）を用意する用意工程と、
前記ワークを、常温よりも高い第１の温度（Ｔ２）で加熱する予熱工程と、
次に、前記ワークを、前記第１の温度よりも高い第２の温度（Ｔ３）で加熱して前記はんだを溶融させる本加熱工程と、
前記ワークにおける前記溶融したはんだを冷却して固化することにより、前記第１の部材と前記第２の部材とがはんだ接合されたはんだ接合体を形成する冷却工程と、を備えるはんだ接合体の製造方法であって、
前記予熱工程の前に、前記はんだペーストにおいて外気に接する外表面（４０ａ）側が内部側よりも粘度が高い状態となるように、前記第１の温度よりも低い第３の温度（Ｔ１）に前記ワークを保持する粘度調整工程を備えることを特徴とするはんだ接合体の製造方法。
【請求項２】
前記粘度調整工程では、前記第３の温度に前記ワークを保持することにより、前記はんだペーストを、前記粘度調整工程前における前記はんだペースト中の前記溶剤の重量に対して前記溶剤の重量減少率が３％以上７％以下の状態となるようにすることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合体の製造方法。
【請求項３】
前記第３の温度は、３０℃以上、５０℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の部材と第２の部材とがはんだ接合されたはんだ接合体を製造する製造方法に関し、特に、はんだペーストを用いたはんだ接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のはんだ接合体の製造方法としては、たとえば特許文献１に記載のものが提案されている。この製造方法では、まず、第１の部材と第２の部材との間に、はんだに溶剤を含有させてなるはんだペーストを介在させてなるワークを用意する（用意工程）。ここで、はんだペーストは、粉末状のはんだとフラックスとを混合させたものであり、フラックスは、ベース樹脂、溶剤、活性剤等を含有したものである。
【０００３】
そして、このワークを、常温よりも高い第１の温度（通常１００℃以上）で加熱し（予熱工程）、次に、ワークを、第１の温度よりも高い第２の温度で加熱してはんだを溶融させる（本加熱工程）。その後、ワークにおける溶融リフローしたはんだを冷却して固化することにより、第１の部材と第２の部材とがはんだ接合されたはんだ接合体を形成する（冷却工程）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１７８１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、両方の部材間に事前に供給されたはんだペーストにおいて、はんだを溶融させる前に予熱（プリヒート）を行うが、このとき、はんだ溶融時に、フラックスに含有される溶剤が突沸し、はんだごと飛散してしまう場合がある。
【０００６】
ここで、第１の部材または第２の部材として、しばしば基板が用いられるが、この基板におけるボンディングランド等は、はんだが付着してしまっては困る領域である。そして、第１の部材や第２の部材にこのような領域があると、溶融状態のはんだが飛散し付着した時点で不良品となってしまう。
【０００７】
ここで、単純には、このようなはんだ飛散防止のためには、予熱時間を通常よりも長くして、はんだペースト全体を高粘度状態とすればよいと考えられる。しかし、はんだ溶融前（つまり本加熱工程前）の予熱時間が長すぎると、予熱温度によっては、はんだ自体が酸化してペーストの濡れ性が低下してしまい、結果として、はんだ中のボイドが多くなるおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、第１の部材と第２の部材とがはんだ接合されたはんだ接合体を製造するにあたって、はんだ接合時に発生するはんだ飛散の防止、および、はんだ中のボイド発生の抑制に適した製造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】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１の部材（１０）と第２の部材（２０）との間に、はんだ（３０）に溶剤を含有させてなるはんだペースト（４０）を介在させてなるワーク（Ｗ１）を用意する用意工程と、ワークを、常温よりも高い第１の温度（Ｔ２）で加熱する予熱工程と、次に、ワークを、第１の温度よりも高い第２の温度（Ｔ３）で加熱して前記はんだを溶融させる本加熱工程と、ワークにおける溶融したはんだを冷却して固化することにより、第１の部材と第２の部材とがはんだ接合されたはんだ接合体を形成する冷却工程と、を備えるはんだ接合体の製造方法であって、
予熱工程の前に、はんだペーストにおいて外気に接する外表面（４０ａ）側が内部側よりも粘度が高い状態となるように、第１の温度よりも低い第３の温度（Ｔ１）にワークを保持する粘度調整工程を備えることを特徴とする。
【００１０】
それによれば、予熱工程前の粘度調整工程において、はんだペーストを、予熱工程の第１の温度よりも低い第３の温度に保持することで、ペースト中の外表面側の溶剤が揮発し、ペーストは、内部側よりも外表面側が高粘度の状態となる。この状態では、ペーストの外表面は粘度が大きくなるため、溶剤の突沸やはんだの飛散が防止できる。
【００１１】
また、ペースト内部は、溶剤が十分に含有された低粘度の状態とできるので、はんだペーストの濡れ性は十分に確保される。このように、本発明によれば、はんだ接合時に発生するはんだ飛散の防止、および、はんだ中のボイド発生の抑制に適した製造方法を提供することができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の製造方法においては、粘度調整工程では、第３の温度にワークを保持することにより、はんだペーストを、粘度調整工程前におけるはんだペースト中の溶剤の重量に対して溶剤の重量減少率が３％以上７％以下の状態となるようにすることが好ましい。
【００１３】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態にかかるはんだ接合体を示す概略断面図である。
【図２】図１に示されるはんだ接合体の製造方法における用意工程を示す概略断面図である。
【図３】図１に示されるはんだ接合体の製造方法における粘度調整工程、予熱工程、本加熱工程の概略的な温度プロファイルを示す図である。
【図４】上記実施形態にかかるはんだペーストを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００１６】
本発明の第１実施形態にかかるはんだ接合体Ｓ１について、図１を参照して述べる。このはんだ接合体Ｓ１は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種装置を駆動するための電子装置として適用されるものである。
【００１７】
本実施形態のはんだ接合体Ｓ１は、大きくは、第１の部材１０と、第２の部材２０と、第１の部材１０および第２の部材２０の間に介在して当該両方の部材を接合するはんだ３０と、を備えて構成されている。
【００１８】
第１の部材１０としては、限定するものではないが、半導体チップ、トランジスタ素子、フリップチップ素子、モールドパッケージ、抵抗素子、コンデンサ素子などのはんだ実装部品が挙げられる。第２の部材２０としては、限定するものではないが、配線基板、リードフレーム、ヒートシンク、バスバーなどが挙げられる。図示例では、第１の部材１０は半導体チップ、第２の部材２０はプリント基板としている。
【００１９】
さらには、第１の部材１０と第２の部材２０とが、たとえば共に金属端子などの金属部材であってもよい。要するに、第１の部材１０および第２の部材２０は共に、はんだ接合が可能な部材であればよい。
【００２０】
はんだ３０としては、公知のはんだを用いることができる。たとえば、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｐｂ系合金などが挙げられるが、Ｐｂフリーのものが望ましい。後述するが、このはんだ３０は、はんだペーストの状態で設置されて、はんだ付けに供されたものである。
【００２１】
次に、はんだ接合体Ｓ１の製造方法について、図２、図３および図４を参照して述べる。まず、図２に示されるように、用意工程として、第１の部材１０と第２の部材２０との間に、はんだに溶剤を含有させてなるはんだペースト４０を介在させてなるワークＷ１を用意する。
【００２２】
ここでは、図２に示されるように、はんだペースト４０を、印刷、ディスペンスおよび転写等の公知の手法により、第２の部材２０上に配置する（図２（ａ）、（ｂ）参照）。そして、この上に第１の部材１０を搭載することにより、両方の部材１０、２０間にはんだペースト４０を介在させ、ワークＷ１を形成している（図２（ｃ）参照）。ここで、はんだペースト４０の外周端面は、両方の部材１０、２０間にて外気に露出し、外気に接する外表面４０ａとされる。
【００２３】
このような、はんだペースト４０は、はんだに溶剤を含有させてなるものであるが、具体的には、図４に示されるように、公知のものと同様、粉末状のはんだ３０と、溶剤を含むフラックス４１との混合物として構成される。限定するものではないが、たとえばペースト全体に対して、はんだ３０は８０〜９０重量％、フラックス４１は１０〜２０重量％とされる。
【００２４】
まず、はんだ３０としては、上述したように、公知のはんだを用いることができる。限定するものではないが、具体的に、はんだペースト４０中のはんだ３０としては、たとえばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｐｂ系合金などの粉末が挙げられる。もちろん、この場合もＰｂフリーのものが望ましい。
【００２５】
また、フラックス４１は、これも公知のものであるが、以下の各作用（１）、（２）、（３）を発揮するものである。（１）母材とはんだの濡れを阻害する酸化物等を除去する酸化物除去作用。（２）空気を遮断し、加熱によるはんだの再酸化を防止する再酸化防止作用。（３）はんだの表面張力を減少させ、はんだの濡れを助ける表面張力減少作用。
【００２６】
そして、フラックス４１は、金属表面の酸化膜を除去するベース樹脂、洗浄能力および濡れ性を向上させる活性剤、粘度を調整する溶剤、さらには、必要に応じて、酸化防止剤やチキソ剤等が混合された混合物として構成されている。ここで限定するものではないが、フラックス４１全体に対して、ベース樹脂は３０〜４０重量％、活性剤は１〜５重量％、溶剤は４０〜５０重量％とされる。
【００２７】
また、限定するものではないが、上記したベース樹脂、活性剤、溶剤について通常用いられるものを挙げておく。ベース樹脂としては、ロジンまたは各種のロジン誘導体等が挙げられる。活性剤としては、有機ハロゲン化水素酸塩類、有機酸類、有機ハロゲン類等が挙げられる。溶剤としては、アルコール類、グリコールエーテル類、エステル類、炭化水素類等が挙げられる。そして、溶剤は、フラックス４１の中でも特に揮発しやすい成分である。
【００２８】
次に、このワークＷ１に対して、図３に示される温度プロファイルにて、はんだ付けを行う。本実施形態のはんだ付けも、公知の方法と同様、ワークＷ１を常温よりも高い第１の温度Ｔ２で加熱する予熱工程、ワークＷ１を第１の温度Ｔ２よりも高い第２の温度Ｔ３で加熱してはんだを溶融させる本加熱工程、ワークＷ１における溶融したはんだを冷却して固化する冷却工程と、を備える。
【００２９】
さらに、本実施形態のはんだ付けでは、予熱工程の前に粘度調整工程を備えた独自の方法としている。この粘度調整工程は、はんだペースト４０において外表面４０ａ側が内部側よりも粘度が高い状態となるように、第１の温度Ｔ２よりも低い第３の温度Ｔ１にワークＷ１を保持するものである。
【００３０】
この粘度調整工程により実現される状態、すなわち、はんだペースト４０において外表面４０ａ側が内部側よりも粘度が高い状態を、以下、「外側高粘度状態」と略して言うこととする。この外側高粘度状態のはんだペースト４０については、図４に示される。図４に示されるように、フラックス４１のうち外表面４０ａ側は高粘度部分４２とされ、内部側は低粘度部分４３とされている。
【００３１】
これら粘度調整工程、予熱工程、本加熱工程、冷却工程における昇温、降温等の温度調整は、典型的には、はんだリフロー用のリフロー炉を用いて行うが、その他の加熱装置として、オーブンやホットプレート等を用いてもよい。図３では、本実施形態におけるワークＷ１のリフロー炉への投入タイミングが示されている。
【００３２】
ここで、粘度調整工程においてはんだペースト４０が外側高粘度状態となる第３の温度Ｔ１は、予め求めておく。はんだペースト４０における外側高粘度状態を確認する方法は、たとえば樹脂フィルム等に対して一般に行われている突き刺し強度試験を準用すればよい。
【００３３】
具体的には、基板上にはんだペースト４０の液滴を落とし、この状態で（たとえば上記図２（ｂ）の状態）これを所定温度に保持する。その後、ペーストの外表面をピン等で突き刺し、そのときの外表面における荷重、および、外表面を通過した内部における荷重を求めてやればよい。
【００３４】
この両者の荷重の大小により、はんだペースト４０における外表面側の粘度と内部側の粘度との相対的な大小関係が判別され、外側高粘度状態が確認できる。そして、はんだペースト４０が外側高粘度状態となるための温度を求め、これを第３の温度Ｔ１として採用すればよい。
【００３５】
この第３の温度Ｔ１は、予熱工程の第１の温度Ｔ２よりも低く、典型的には常温以上であるが、はんだペースト４０が外側高粘度状態となる温度であれば、常温よりも高くても低くてもよい。ここで、常温とは２０℃〜３０℃である。なお、第３の温度Ｔ１が常温以下の場合、粘度調整工程は、特に上記した加熱装置を用いなくてもよく、常温未満の場合には、冷所に放置する等の方法でもよい。
【００３６】
さらに言えば、第３の温度Ｔ１は、通常の予熱工程の温度である１００℃よりも低い、つまり上限が１００℃未満であることが望ましく、典型的には３０℃〜５０℃が望ましい。また、第３の温度Ｔ１に保持する時間は、限定するものではないが、５分〜３０分程度とする。たとえば、図３の例では、第３の温度Ｔ１は４０℃と一定温度であり、時間は１０分程度である。
【００３７】
こうして、粘度調整工程により、はんだペースト４０を外側高粘度状態としたら、温度を第１の温度Ｔ２まで上げて予熱工程に移り、はんだペースト４０を予熱する。その後、さらに温度を第２の温度Ｔ２まで上げて本加熱工程に移り、はんだペースト４０中のはんだ３０を溶融させる。
【００３８】
ここで、限定するものではないが、図３の例において、予熱工程では、たとえば第１の温度Ｔ２を１３０℃〜１５０℃、時間を１分〜２分程度とし、本加熱工程では、たとえば第２の温度Ｔ３を２２０℃〜２５０℃、時間を１分程度とする。なお、上記したように、本実施形態におけるはんだペースト４０は、上記具体例に示したような公知のものであり、各工程における温度および時間の上記具体例はこれに適したものである。
【００３９】
そして、本加熱工程の後は、温度を下げて冷却工程に移る。この冷却工程により溶融したはんだ３０が固化して、はんだ接合が完了し、第１の部材１０と第２の部材２０とがはんだ接合されたはんだ接合体Ｓ１が形成される。
【００４０】
なお、図３には、従来のはんだ付けにおける温度プロファイルを比較例として、破線で示してある。本実施形態と比較例とでは、ワークＷ１のリフロー炉への投入タイミングが異なるが、予熱工程、本加熱工程、冷却工程は実質同一である。
【００４１】
しかし、図３に示されるように、従来における予熱工程の前工程が、予熱工程の温度まで昇温する昇温工程であるのに対して、図３の例における粘度調整工程は、第３の温度Ｔ１を昇温等の変動がない一定温度として一定時間、保持し続けるものである。つまり、図３に示される粘度調整工程は、予熱工程の前工程としての従来の昇温工程とは、全く相違するものである。
【００４２】
ただし、本実施形態では、第３の温度Ｔ１が一定の幅を以て変動することを、除外するものではない。つまり、粘度調整工程においては、第３の温度Ｔ１を変動するものとしてもよい。
【００４３】
ところで、本実施形態によれば、予熱工程前の粘度調整工程において、はんだペースト４０を、予熱工程の第１の温度Ｔ２よりも低い第３の温度Ｔ１に保持することで、ペースト中の外表面４０ａ側の溶剤が揮発し、ペーストは、内部側よりも外表面４０ａ側が高粘度の状態となる。この状態では、ペーストの外表面４０ａは粘度が大きくなるため、溶剤の突沸やはんだの飛散が防止できる。
【００４４】
ここで、図４には、本実施形態による、はんだ飛散抑制の様子を模式的に示している。上述したが、図４に示されるように、粘度調整工程によってはんだペースト４０中のフラックス４１は、ペースト内部の低粘度部分４３とペーストの外表面４０ａ側の高粘度部分４２とに区分けされたものとなる。
【００４５】
この状態で、予熱工程および本加熱工程を行うと、図４に示されるように、溶剤が十分に存在するペースト内部にて、溶剤が気化した部分すなわち溶剤気化部Ｋ１が生じる。すると、この溶剤気化部Ｋ１の膨張する圧力により、はんだ３０がペーストの外表面４０ａ側に移動する。しかし、本実施形態では、ペーストの外表面４０ａ側は高粘度部分４２とされているので、移動してくるはんだ３０の外部への飛散は、抑制されやすい。
【００４６】
また、ペースト内部は、溶剤が十分に含有された低粘度の状態とできるので、はんだペースト４０の濡れ性は十分に確保される。
【００４７】
また、粘度調整工程では、実質的に、はんだペースト４０の外表面４０ａ側のみで溶剤を揮発させればよいため、第３の温度Ｔ１は、予熱における第１の温度Ｔ２よりも大幅に低温にすることができる。このことは、ペースト中のはんだ３０の酸化を防止して、濡れ性低下を抑制するという点で好ましい。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、第１の部材１０と第２の部材２０とがはんだ接合されたはんだ接合体Ｓ１を製造するにあたって、はんだ接合時に発生するはんだ３０飛散の防止、および、はんだ３０中のボイド発生の抑制に適した製造方法を提供できる。
【００４９】
また、粘度調整工程では、外表面４０ａ側の溶剤が揮発してはんだペースト４０が外側高粘度状態となる。つまり、このことは、粘度調整工程の前後でペースト中の溶剤の重量が減少することになる。
【００５０】
このような外側高粘度状態を実現するには、粘度調整工程では、第３の温度Ｔ１にワークＷ１を保持することにより、はんだペースト４０において、粘度調整工程前の溶剤の重量に対して溶剤の重量減少率が３％以上７％以下の状態となるようにすることが、望ましい。このような重量減少率であれば、はんだペースト４０のうち、主として外表面４０ａ側の溶剤が揮発し、ペースト内部の溶剤の量はさほど変化しないレベルとなる。
【００５１】
ここで、粘度調整工程前におけるはんだペースト４０中の溶剤の重量に対して溶剤の重量減少率が３％以上７％以下の状態となることとは、換言すれば、粘度調整工程前におけるペースト中の溶剤が揮発して、揮発後の溶剤の重量が粘度調整工程前の９３％以上９７％以下の重量に減少することである。このような溶剤の重量変化については、公知のＴＧ法（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ、熱重量測定法のこと）等の方法により測定できる。
【００５２】
（他の実施形態）
なお、第１の部材１０および第２の部材２０は共に、はんだ接合が可能な部材であればよく、上記した具体例に限定されるものではない。また、はんだ３０としては、はんだペースト４０の状態で設置されて、はんだ付けに供されたものであればよく、これも、上記した具体例に限定されるものではない。
【００５３】
また、はんだペースト４０におけるはんだ３０やフラックス４１についても、上記した具体例に限定されるものではない。
【００５４】
また、たとえば第２の部材２０が配線基板で、第１の部材１０が半導体チップであるような場合、第２の部材２０に対して複数個の第１の部材１０がはんだ接合されるものであってもよい。
【００５５】
また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１０    第１の部材
２０    第２の部材
３０    はんだ
４０    はんだペースト
４０ａ  はんだペーストの外表面
Ｔ１    第３の温度
Ｔ２    第１の温度
Ｔ３    第２の温度
Ｗ１    ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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