JP2000271782A - 半田接合用の金属ペーストおよび半田接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分なセルフアライメント効果を備えた半田
接合用の金属ペーストおよび効率的で安定した半田接合
方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 フラックスに金属粒子を含有した金属ペ
ースト５を用いて電極に半田を接合する半田接合方法に
おいて、金属ペースト５の単位体積当りの金属粒子の表
面積の総和を表わすかさ体積基準の値が１０〜６００
（１／ｍｍ）の範囲内となるように、金属粒子の粒径・
含有量を設定する。金属ペースト５を供給した電極２上
に半田ボール９を搭載したのち、半田ボール９の液相線
温度よりも高い温度まで加熱することにより半田ボール
９を電極２に半田接合する。これにより、半田ボール９
と電極２の間にギャップが存在する場合においても、半
田接合時のセルフアライメント効果を確保して効率的で
安定した半田接合を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半田接合用の金属
ペーストおよびこの金属ペーストを用いた半田接合方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品の製造工程や実装工程では、電
気的導通を得るための接合方法として半田接合が多用さ
れる。この半田接合において、半田と被接合物である電
極などとの接合部に金属ペーストを介在させることが行
われる。金属ペーストはフラックス中に半田濡れ性の良
好な金属粒子を含有させたものであり、半田を溶融させ
て電極に接合する加熱工程において溶融状態の半田が金
属粒子の表面を順次濡らして移動することにより、溶融
半田を電極面に導くセルフアライメント効果を有する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このセルフアライメン
ト効果は、金属ペースト中に含有される金属粒子の割合
によって大きく影響される。例えば金属ペースト中の金
属粒子量が少ないと溶融半田が金属粒子間を濡れ伝わっ
ていくことが困難であるためセルフアライメント効果は
低い。またこの反対に金属粒子量が過剰である場合に
も、以下の理由により同様にセルフアライメント効果は
低下する。すなわち、金属粒子量が多いと、金属ペース
ト中のフラックスの量が相対的に少なくなる結果、半田
表面を活性化する作用が弱くなることにより半田の濡れ
性が低下するからである。このように従来の金属ペース
トには、金属粒子の適正な含有形態が明確にされていな
いことに起因して、十分なセルフアライメント効果が確
保されず、効率的で安定した半田接合が困難であるとい
う問題点があった。

【０００４】そこで本発明は、十分なセルフアライメン
ト効果を備えた半田接合用の金属ペーストおよび効率的
で安定した半田接合方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の半田接合
用の金属ペーストは、フラックス中に金属粒子を含有し
て成る半田接合用の金属ペーストであって、前記金属ペ
ーストの単位体積当りの金属粒子の表面積の総和を表わ
すかさ体積基準の値が、１０〜６００（１／ｍｍ）の範
囲内である。

【０００６】請求項２記載の半田接合用の金属ペースト
は、請求項１記載の半田接合用の金属ペーストであっ
て、前記金属ペーストは、錫、鉛、亜鉛、金、銀、銅、
アンチモン、インジウムおよびビスマスのいずれか１種
類以上を含む。

【０００７】請求項３記載の半田接合方法は、フラック
ス中に金属粒子を含有して成る半田接合用の金属ペース
トを用いて、ワークに形成された電極に半田を接合する
半田接合方法であって、前記金属ペーストの単位体積当
りの金属粒子の表面積の総和を表わすかさ体積基準の値
が１０〜６００（１／ｍｍ）の範囲内であり、前記電極
に前記金属ペーストを供給する工程と、この電極上に前
記半田を搭載する工程と、少なくとも前記半田の液相線
温度よりも高い温度まで加熱することにより前記半田を
前記電極に半田接合する工程とを含む。

【０００８】請求項４記載の半田接合方法は、請求項３
記載の半田接合方法であって、前記電極はワークに形成
された凹部の底の電極であり、前記半田は半田ボールも
しくは電子部品に形成された半田バンプである。

【０００９】請求項５記載の半田接合方法は、請求項３
記載の半田接合方法であって、前記電極はワークの表面
に形成された電極であり、前記半田は半田ボールもしく
は電子部品に形成された半田バンプである。

【００１０】請求項６記載の半田接合方法は、請求項
３，４および５のいずれか１つに記載の半田接合方法で
あって、前記金属ペーストは、錫、鉛、亜鉛、金、銀、
銅、アンチモン、インジウムおよびビスマスのいずれか
１種類以上を含む。

【００１１】本発明によれば、半田接合用の金属ペース
ト中の金属粒子の、金属ペースト単位体積当りの粒子表
面積を表わすかさ体積基準の値を１０〜６００（１／ｍ
ｍ）の範囲内とすることにより、半田接合時のセルフア
ライメント効果を確保して効率的で安定した半田接合を
行うことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）、図２（ａ），
（ｂ）、図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），
（ｅ）、図４（ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態１の
半田接合方法の工程説明図である。本実施の形態１は、
ワークに形成された凹部の底の電極に、半田ボールもし
くは球状の半田バンプを半田接合するものである。

【００１３】図１（ａ）において、ワークである基板１
には凹部３が形成されており、凹部３の底には基板１の
下面に設けられた電極２が露呈している。基板１上には
ステンシルマスク４が装着され、ステンシルマスク４上
に供給された金属ペースト５をスキージ６で矢印方向に
水平移動させることにより、凹部３内には金属ペースト
５が供給される。

【００１４】ここで金属ペースト５について説明する。
金属ペースト５は、フラックス中に粒子径が５〜５０μ
ｍの範囲の金属粒子を含有させたものであり、金属の材
質としては錫、鉛、亜鉛、金、銀、銅、アンチモン、イ
ンジウムおよびビスマスのいずれか１種類以上を含むも
のを用いる。これらの金属の液相線温度は、以下に説明
する工程で凹部３上に搭載される半田ボールもしくは半
田バンプの材質の半田の液相線温度（本実施の形態１で
は１８３°Ｃ）以上の液相線温度を有するものとなって
いる。

【００１５】また金属ペースト５中の金属粒子の含有形
態は、金属ペースト５の単位体積当りの金属粒子の表面
積の総和を表わすかさ体積基準（Ｓｆ）の値が、１０〜
６００（１／ｍｍ）の範囲内となるように金属粒子の粒
径や含有量が設定されたものとなっている。かさ体積基
準Ｓｆは、金属ペースト５の空隙率ε、表面係数φｃ
（球の場合には、１．０）、金属粒子の粒子径Ｄｐを用
いて、Ｓｆ＝６×（１−ε）／（φｃ×Ｄｐ）で定義さ
れる値である。

【００１６】次に、金属ペースト５が供給された凹部３
上に半田ボール９が搭載される。図１（ｂ）に示すよう
に、半田ボール９を吸着した吸着ツール８を基板１上に
移動させ、半田ボール９を凹部３に位置合せして下降さ
せる。図１（ｃ）は、このようにして金属ペースト５が
供給された凹部３上に半田ボール９が搭載された状態を
示している。この後基板１はリフロー工程に送られ、図
１（ｄ）に示すように半田ボール９の液相線温度１８３
°Ｃよりも高い温度に加熱される。

【００１７】通常金属ペーストに比べ半田ボールの方が
温度上昇が速くなる傾向にあり、金属ペースト５中の金
属は半田ボール９の液相線温度以上の液相線温度を有し
ているため、先に半田ボール９が溶融する。このため、
半田ボール９が溶融した溶融半田は凹部３内で金属ペー
スト５中の金属粒子の表面を順次濡らしながら金属粒子
に導かれて移動し、確実に電極２の表面に到達して電極
２と半田接合される。このとき、凹部３内の金属が半田
ボール９が溶融した溶融半田とのみ一体化して電極２の
表面から分離することによる凹部３内の隙間が発生しな
い。そして溶融半田が固化した後には、図１（ｅ）に示
すように電極２と良好に接合され導通する半田バンプ
９’が形成される。

【００１８】なお、図１では、凹部３内に金属ペースト
５を供給する方法として、ステンシルマスク４を用いた
印刷による方法を示しているが、ディスペンサを用いて
凹部３内に金属ペースト５を塗布する方法や、転写ピン
を用いて凹部３内に金属ペースト５を転写により供給す
る方法であってもよい。更には、図２に示すような方法
で予め半田ボール９に金属ペースト５を付着させ、その
後に凹部３上に半田ボール９を搭載しするようにしても
よい。この方法では、まず図２（ａ）に示すように、金
属ペースト５が塗布されたペースト塗布部７に対して吸
着ツール８に吸着された半田ボール９を上下動させるこ
とにより、半田ボール９の下端部に、金属ペースト５を
付着させる。次いで、図２（ｂ）に示すように，金属ペ
ースト５が付着した半田ボール９を基板１の凹部３上に
搭載する。この後の工程は、図１（ｃ）以降の各工程と
同様である。

【００１９】なお、上記説明では半田ボール９を凹部の
底の電極に半田接合する例を示しているが、以下に示す
ように電子部品に形成された半田バンプを凹部の底の電
極に半田接合する形態であってもよい。以下、図３、図
４を参照して説明する。

【００２０】図３（ａ）において、ワークである基板１
１には凹部１３が形成されており、凹部１３の底には基
板１１の下面に設けられた電極１２が露呈している。こ
の基板１１の凹部１３内にステンシルマスク１４および
スキージ１６を用いて、実施の形態１における方法と同
様の方法で金属ペースト５が供給される。

【００２１】次に、図３（ｂ）に示すように、金属ペー
スト５が供給された凹部１３上に、電子部品１７の電極
１８に形成された半田バンプ１９が搭載される。電子部
品１７を保持ヘッド（図外）によって保持し、半田バン
プ１９を凹部３に対して下降させる。図３（ｃ）は、こ
のようにして半田バンプ１９が凹部３上に搭載された状
態を示している。この後基板１１はリフロー工程に送ら
れ、図３（ｄ）に示すように、半田バンプ１９の液相線
温度１８３°Ｃよりも高い温度に加熱される。これによ
り図３（ｅ）に示すように半田バンプ１９が溶融して電
極１２に半田接合され、基板１１に実装される。このと
きの半田接合の過程は、図１、図２に示す例と同様であ
る。

【００２２】また、凹部１３内に金属ペースト５を供給
する方法として、ディスペンサを用いて塗布する方法
や、転写ピンを用いて転写する方法を用いることができ
ること、更には、図４に示すような方法で予め半田バン
プ１９に金属ペースト５を付着させ、その後に凹部１３
上に搭載するようにしてもよいことについても図１、図
２に示す例と同様である。

【００２３】上記半田接合の半田溶融過程において、金
属ペースト５中の金属粒子のかさ体積基準（Ｓｆ）の値
が、１０〜６００（１／ｍｍ）の範囲内であることによ
り、以下に説明するような効果を得ることができる。
（表１）はかさ体積基準（Ｓｆ）の値と、本実施の形態
１に示すような球状の半田を凹部の底の電極に接合する
場合の半田接合品質との相関を実際の半田接合試験の結
果に基づいて評価したものである。（表１）の例では、
球状の半田として径０．３ｍｍの半田ボールを、また金
属ペースト中の金属粒子は２０μｍのものを用い、半田
ボールと凹部の底の電極との間のギャップをそれぞれ３
０μｍ，７０μｍの２つの場合について実際に前述のプ
ロセスによる半田接合を行い、その結果を○△×の３段
階で評価した結果を示している。ここでは、パラメータ
としてのかさ体積基準（Ｓｆ）を５〜７００（１／ｍ
ｍ）の間で、８段階に変化させている。

【００２４】

【表１】

【００２５】（表１）に示すように、ギャップ３０μ
ｍ，７０μｍのいずれについても、Ｓｆ値１０〜６００
（１／ｍｍ）の範囲では、良好な接合結果が得られてい
る。これに対しＳｆ値が１０より小さい場合、および６
００より大きい場合には良好な接合結果が得られていな
い。この結果は以下に述べるような理由によるものと推
定される。すなわち、Ｓｆ値が小さいことは金属ペース
ト５中で溶融半田を導く役目をする金属粒子の表面積の
総和が相対的に小さいことを意味しており、溶融半田が
金属粒子の表面を濡らしながら移動することにいるセル
フアライメント効果が十分に得られない。またＳｆ値が
過大で６００より大きくなると、金属ペースト５中のフ
ラックスの相対的な量が低下するため、半田に対する活
性作用が低下して半田濡れ性そのものが低下し、同様に
セルフアライメント効果が得られない。この結果、接合
部にギャップが存在する場合には溶融半田が電極に導か
れず、良好な接合結果を得ることが出来ない。

【００２６】したがって、半田接合試験結果から、セル
フアライメント効果が確保されるＳｆ値の範囲は前述の
１０〜６００（１／ｍｍ）の範囲であると見なしてよ
く、かさ体積基準Ｓｆをこのような範囲とすることによ
り、半田と接合対象の電極との間にギャップが存在する
場合においても半田溶融時のセルフアライメント効果に
より良好な半田接合を行うことができる。

【００２７】（実施の形態２）図５（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本発明の実施の形態２の半
田接合方法の工程説明図である。本実施の形態２はワー
ク表面の平板状の電極に半田ボールもしくは半田バンプ
を半田接合するものである。

【００２８】まず図５（ａ）に示すように、ワークであ
る基板２１には電極２２が形成されており、電極２２上
には実施の形態１と同様の金属ペースト５が印刷され
る。このとき、金属ペースト５が印刷される範囲は電極
２２よりも広い範囲に、すなわち電極２２の幅Ｂよりも
広い印刷幅Ｗで印刷される。この印刷幅Ｗは、隣接する
電極２２に印刷される金属ペースト５との間で所定の隙
間Ｄを確保できる範囲で設定される。

【００２９】次に図５（ｂ）に示すように、基板２１に
対して、半田ボール２９を保持した移載ヘッド２８を下
降させて、電極２２に半田ボール２９を搭載する。この
とき位置合せ精度や機械誤差などの要因により、各電極
２２の中心位置に対して半田ボール２９の搭載位置がず
れる場合がある。図５（ｃ）は、この結果各半田ボール
２９が電極２２の中心に対してそれぞれＤ１，Ｄ２の位
置ずれを生じたまま金属ペースト５上に搭載された例を
示している。

【００３０】この後、基板２１はリフロー工程に送ら
れ、加熱されることにより半田ボール２９が溶融する。
この時、溶融半田２９は図５（ｄ）に示すように、金属
ペースト５中の金属粒子を濡らしながら電極２２の表面
に導かれる。したがって、搭載時に電極２２の範囲から
外れた位置に置かれ電極２２の表面とは直接接触しない
状態にあっても、金属ペースト５のセルフアライメント
効果により、図５（ｅ）に示すように電極２２上に良好
な半田バンプ２９’を形成することができる。

【００３１】上記半田バンプ形成の半田溶融過程におい
て、金属ペースト５中の金属粒子のかさ体積基準Ｓｆ値
が前述の範囲内であることにより、以下に説明するよう
な効果を得ることができる。（表２）はかさ体積基準Ｓ
ｆと、本実施の形態２に示すような球状の半田を平板状
の電極に接合する場合の半田接合品質、特に半田ブリッ
ジ形成の有無を対象として評価したものである。（表
２）の例では、球状の半田としてボール径が０．３ｍ
ｍ，０．７６ｍｍの２種類の半田ボールを用い、実施の
形態１の（表１）に示すものと同様の金属粒子を用いて
半田接合を行った結果を示している。

【００３２】

【表２】

【００３３】（表２）に示すように、ボール径０．３ｍ
ｍ，０．７６ｍｍのいずれについても、Ｓｆ値１０〜６
００（１／ｍｍ）の範囲では、半田ブリッジの形成のな
い安定した半田接合結果が得られている。この範囲では
金属ペースト中の金属粒子の含有量が過大とならない適
切な範囲であるため、隣接する電極２２間で溶融半田が
繋がったままで固化する半田ブリッジを生じることがな
い。したがって電極２２の幅Ｂより広い範囲Ｗに金属ペ
ースト５を印刷することができる。これにより、ボール
搭載時に半田ボール２９と電極２２の間にある程度の位
置ずれがあっても、半田ボール２９が金属ペースト５と
接触していれば溶融時の半田はセルフアライメント効果
により電極２２に導かれるため、良好な半田接合を行う
ことができる。すなわち、本実施の形態に示すペースト
５を用いることにより、ボール搭載時の所要搭載位置精
度を緩和することができ、ボール搭載工程のコスト削減
をはかることができる。

【００３４】なお本実施の形態２では、半田ボール２９
を基板２１の電極２２に半田接合する例を示したが、実
施の形態１において示したような電子部品に形成された
球状の半田バンプを電極に接合する場合についても同様
に本半田接合方法を適用することができる。

【００３５】また本実施の形態１および２に示す金属ペ
ースト５には、従来と比較してフラックスの量が相対的
に多くなっているので、フラックスの種類として低活性
のものを使用することができ、したがって高活性のフラ
ックスを使用する場合に必須とされる半田接合後の洗浄
工程を省略することができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、半田接合用の金属ペー
スト中の金属粒子の、金属ペースト単位体積当りの粒子
表面積を表わすかさ体積基準の値を１０〜６００（１／
ｍｍ）の範囲内としたので、半田接合時のセルフアライ
メント効果を確保して、効率的で安定した半田接合を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の
工程説明図 （ｂ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図 （ｃ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図 （ｄ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図 （ｅ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図

【図２】（ａ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の
工程説明図 （ｂ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図

【図３】（ａ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の
工程説明図 （ｂ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図 （ｃ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図 （ｄ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図 （ｅ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図

【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の
工程説明図 （ｂ）本発明の実施の形態１の半田接合方法の工程説明
図

【図５】（ａ）本発明の実施の形態２の半田接合方法の
工程説明図 （ｂ）本発明の実施の形態２の半田接合方法の工程説明
図 （ｃ）本発明の実施の形態２の半田接合方法の工程説明
図 （ｄ）本発明の実施の形態２の半田接合方法の工程説明
図 （ｅ）本発明の実施の形態２の半田接合方法の工程説明
図

【符号の説明】

１、１１、２１ 基板 ２、１２、２２ 電極 ３、１３ 凹部 ５ 金属ペースト ９、２９ 半田ボール ９’、１９、２９’ 半田バンプ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フラックス中に金属粒子を含有して成る半
   田接合用の金属ペーストであって、前記金属ペーストの
   単位体積当りの金属粒子の表面積の総和を表わすかさ体
   積基準の値が、１０〜６００（１／ｍｍ）の範囲内であ
   ることを特徴とする半田接合用の金属ペースト。
2. 【請求項２】前記金属ペーストは、錫、鉛、亜鉛、金、
   銀、銅、アンチモン、インジウムおよびビスマスのいず
   れか１種類以上を含むことを特徴とする請求項１記載の
   半田接合用の金属ペースト。
3. 【請求項３】フラックス中に金属粒子を含有して成る半
   田接合用の金属ペーストを用いて、ワークに形成された
   電極に半田を接合する半田接合方法であって、前記金属
   ペーストの単位体積当りの金属粒子の表面積の総和を表
   わすかさ体積基準の値が１０〜６００（１／ｍｍ）の範
   囲内であり、前記電極に前記金属ペーストを供給する工
   程と、この電極上に前記半田を搭載する工程と、少なく
   とも前記半田の液相線温度よりも高い温度まで加熱する
   ことにより前記半田を前記電極に半田接合する工程とを
   含むことを特徴とする半田接合方法。
4. 【請求項４】前記電極はワークに形成された凹部の底の
   電極であり、前記半田は半田ボールもしくは電子部品に
   形成された半田バンプであることを特徴とする請求項３
   記載の半田接合方法。
5. 【請求項５】前記電極はワークの表面に形成された電極
   であり、前記半田は半田ボールもしくは電子部品に形成
   された半田バンプであることを特徴とする請求項３記載
   の半田接合方法。
6. 【請求項６】前記金属ペーストは、錫、鉛、亜鉛、金、
   銀、銅、アンチモン、インジウムおよびビスマスのいず
   れか１種類以上を含むことを特徴とする請求項３，４お
   よび５のいずれか１つに記載の半田接合方法。