JP2003181632A

JP2003181632A - はんだ付け方法とその装置

Info

Publication number: JP2003181632A
Application number: JP2001376806A
Authority: JP
Inventors: Seiha Ou; 静波王; Yasuhiro Goto; 康宏後藤; Yasu Watanabe; 鎮渡辺; Koji Fujii; 孝治藤井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2003-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】はんだ付けでは、はんだを溶融させてから凝
固が完了するまでの時間を一定範囲に制御することで、
より高い接合品質のはんだ付け部を得る。【解決手段】はんだ付け部を加熱する加熱手段１と、
加熱手段１を制御する制御手段２とを備え、制御手段２
は、はんだ付け部を加熱してはんだを溶融させてから凝
固が完了するまでの時間を一定範囲に制御することによ
って、接合界面において必要以上の金属間化合物層の形
成を抑制し、接合に必要な拡散層を確保し、より高い接
合品質を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ付け部を加
熱してはんだを溶融させてから凝固させるはんだ付け方
法とその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】はんだ付けは、電子部品などの実装分野
において広く使用されていて、電子部品と接合する基板
ランドの材料には、通常Ｃｕあるいはその上にＡｕメッ
キを施したものが多用されている。

【０００３】そして、はんだ付け時に、Ａｕははんだ内
部に溶解されるため、Ｃｕランドははんだ材料の主成分
であるＳｎと直接に接触して、接合に必要な拡散層を接
合界面に形成する以外に、必要以上の金属間化合物を形
成してしまうことがある。

【０００４】実際の実装では、基板上部品の熱容量や配
置などによって、部品毎の接合部の温度履歴が異なり、
はんだ溶融から凝固が完了するまでの時間が部品毎に変
動してしまう。その結果、接合界面に形成する拡散層あ
るいは金属間化合物層の厚さも変動してしまう。

【０００５】したがって、はんだ付け時に、必要以上の
金属間化合物の形成を抑えるために、高信頼性・高精度
基板では、Ｓｎとの反応速度の遅い金属をバリア層とし
て使用するケースが増えてきている。例えば、Ｎｉメッ
キをバリア層として使用する例が挙げられる。Ｎｉはは
んだへの溶解が遅く、Ｃｕとの反応速度も遅いためであ
る。

【０００６】一方、実装装置からの対策として、例え
ば、一般に使用される一括リフロー装置では、基板上各
々の電子部品の温度変動をできるだけ抑制するように、
設計・開発が行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、実際の一括リ
フローでは、一枚の基板に搭載される数々の電子部品の
熱容量が異なり、個々の部品の熱吸収特性も異なるた
め、全ての部品に同一温度履歴を持たせることはほとん
ど不可能に近い。

【０００８】個々の部品の温度上昇をできるだけ均一に
するために、通常は局所リフローよりはんだ付け時間、
特にはんだ溶融から凝固が完了するまでの時間が長くな
る。

【０００９】そのため、バリア層のある基板でも、接合
に必要な拡散層以外に、接合界面において必要以上の金
属間化合物が形成してしまうことがある。

【００１０】なお、一枚の基板上でも、個々の部品のは
んだ溶融から凝固が完了するまでの時間がばらつくた
め、形成される拡散層あるいは金属間化合物層の厚さも
変動してしまう。そのため、基板を長時間使用、特に高
い温度で使用する時に、金属間化合物が成長して、接合
部の特性が劣化してしまう恐れがあった。

【００１１】この発明の目的は、はんだ付け部を加熱し
てはんだを溶融させてから凝固が完了するまでの時間を
一定範囲に制御することによって接合界面における、必
要以上の金属間化合物層の形成を抑制し、接合に必要な
拡散層を確保することを特徴とするはんだ付け方法とそ
の装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の本発明は、はんだ付け部を加熱して
はんだを溶融させてから凝固が完了するまでの時間を
０．０５秒から１秒未満としたはんだ付け方法である。

【００１３】また、請求項２記載の本発明は、請求項１
記載の本発明において、前記はんだの溶融から凝固まで
の時間を０．２秒から０．３秒までとしたはんだ付け方
法である。

【００１４】また、請求項３記載の本発明は、請求項１
から２のいずれかに記載の本発明において、非接触熱源
を用いてはんだ付け部を加熱するはんだ付け方法であ
る。

【００１５】また、請求項４記載の本発明は、請求項１
から３のいずれかに記載の本発明において、はんだ付け
部分を少なくとも加熱開始時から冷却するはんだ付け方
法である。

【００１６】また、請求項５記載の本発明は、請求項１
から４のいずれかに記載の本発明において、窒素ガスを
冷却ガスとして用いるはんだ付け方法である。

【００１７】また、請求項６記載の本発明は、請求項１
から５のいずれかに記載の本発明において、錫を主成分
とし、鉛を含有しないはんだを用いるはんだ付け方法で
ある。

【００１８】また、請求項７記載の本発明は、はんだ付
け部を加熱する加熱手段と、加熱手段を制御する制御手
段とを備え、制御手段は、はんだ付け部を加熱してはん
だを溶融させてから凝固が完了するまでの時間を０．０
５秒から１秒未満になるように制御するはんだ付け装置
である。

【００１９】また、請求項８記載の本発明は、請求項７
記載の本発明において、前記はんだの溶融から凝固まで
の時間を０．２秒から０．３秒までとしたはんだ付け装
置である。

【００２０】また、請求項９記載の本発明は、請求項７
から８のいずれかに記載の本発明において、非接触熱源
を用いてはんだ付け部を加熱するはんだ付け装置であ
る。

【００２１】また、請求項１０記載の本発明は、請求項
７から９のいずれかに記載の本発明において、はんだ付
け部分を冷却する冷却手段を設け、前記冷却手段は、少
なくとも加熱開始時からはんだ付け部分を冷却するはん
だ付け装置である。

【００２２】また、請求項１１記載の本発明は、請求項
７から１０のいずれかに記載の本発明において、冷却手
段に窒素ガスを冷却ガスとして用いるはんだ付け装置で
ある。

【００２３】また、請求項１２記載の本発明は、請求項
７から１１のいずれかに記載の本発明において、錫を主
成分とし、鉛を含有しないはんだを用いるはんだ付け装
置である。

【００２４】また、請求項１３記載の本発明は、請求項
７から１２のいずれかに記載の本発明において、はんだ
付け部分に熱エネルギーを導く予熱手段を設けたはんだ
付け装置である。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明は、はんだ付け部を加熱す
る加熱手段と、加熱手段を制御する制御手段とを備え、
制御手段は、はんだ付け部を加熱してはんだを溶融させ
てから凝固が完了するまでの時間を０．０５秒から１秒
未満、あるいは０．２秒から０．３秒までになるように
制御することができる。

【００２６】また、本発明は、非接触熱源を用いてはん
だ付け部を加熱することができる。

【００２７】また、本発明は、はんだ付け部分を冷却す
る冷却手段を設けることによって、少なくとも加熱開始
時からはんだ付け部分を冷却することができる。冷却手
段に窒素ガスを冷却ガスとして用いることができる。

【００２８】また、本発明は、錫を主成分とし、鉛を含
有しないはんだを用いることが可能であり、はんだ付け
部分に熱エネルギーを導く予熱手段を設けることも可能
であることは、言うまでもない。（実施の形態１）この発明の第１の実施の形態を図１に
基づいて説明する。図１はこの発明の第１の実施の形態
におけるはんだ付け装置である。

【００２９】図１において、１ははんだ付け部１０を加
熱するための加熱手段、２は前記加熱手段１を制御する
ための制御手段である。制御手段２は、はんだ付け部１
０が加熱手段１によって加熱される時に、はんだを溶融
させてから凝固が完了するまでの時間を０．０５秒から
１秒未満になるように制御する。

【００３０】図２に加熱手段１によって加熱されたはん
だ付け部１０のはんだの温度変化例を示す。ｔ１ははん
だが溶融した時点Ａから凝固が完了した時点Ｂまでの時
間、ｔ２ははんだが溶融した時点Ａから加熱が終了した
時点までの時間、ｔ３は加熱が終了した時点から凝固が
完了した時点Ｂまでの時間、ｔ４は加熱時間である。そ
の中、ｔ２は加熱条件、例えば加熱時間ｔ４によって変
化する。また、ｔ３は冷却条件によって変化する。

【００３１】図に示すように、はんだ温度は、加熱開始
から加熱終了までの加熱期間ｔ４において上昇し、溶融
温度Ｔｍに到達したＡ点からはんだが溶融する。加熱終
了時点では、はんだ部の温度が最も高い。その後の冷却
期間では、はんだ温度が低下していく。はんだ凝固温度
Ｂ点に達すると、はんだが凝固して、固体になる。ｔ１
期間において、はんだは接合するランドとの間において
拡散・反応する。

【００３２】その結果、はんだとランドの間で金属接合
が得られ、良好な接合となる。

【００３３】図３にはんだ付け終了後、接合界面におい
て形成した拡散層及び金属間化合物層の厚さとｔ１（＝
ｔ２＋ｔ３）との関係の模式図を示す。

【００３４】ｔ１がｔＤまでの非常に短い期間では、接
合界面においてはんだとランド元素の拡散のみが互いに
進み、金属間化合物の形成まで至らない。

【００３５】ｔ１がｔＤより長くなると、接合界面にお
いて金属間化合物が形成し、時間の増加と共にその厚さ
が増加していく。但し、この時の拡散層は、拡散した元
素が金属間化合物を形成するために消費されるので、そ
の厚さの変化が少なくなる。

【００３６】はんだ付けにおいて、はんだとランドとの
金属結合を得るには、接合界面において一定の拡散層を
形成させるが必要がある。しかし、金属間化合物の形成
については、必ずしも必要とは限らない。

【００３７】図に拡散層・金属間化合物層形成の一例を
示しているが、言うまでもなく、使用するはんだ及びラ
ンド、あるいははんだの温度履歴によって変化すること
がある。

【００３８】本発明では、ｔ１＝０．０５秒〜１秒とし
たのは、図示したとおり、ある一定厚さの拡散層及び極
わずかな金属間化合物層が形成される条件範囲を使用す
るためである。言うまでもなく、接合界面において一定
の厚さの拡散層のみを形成する条件を使用しても、金属
接合が得られる。本発明では、ｔ１＝０．２秒〜０．３
秒の条件を使用するのは、このためである。

【００３９】また、本発明における前記時間ｔ１の選定
には、はんだ付けの施工性も考慮している。特に、その
下限に関しては、はんだ付け時のフラックス溶融、酸化
膜除去及びぬれ広がりが十分に行われると共に、はんだ
ボールなどの欠陥が発生しない条件である必要がある。

【００４０】前述したとおり、図３に示している傾向
は、使用するはんだとランドの種類によって変化するこ
とがある。言うまでもなく、その時には、ｔ１は一定厚
さの拡散層の形成と極わずかな金属間化合物層の形成を
目安に選定できる。

【００４１】図１では、制御手段２を用いて加熱手段１
を制御することによって、はんだ溶融から凝固完了まで
の時間を制御する構成となっている。図２に示すよう
に、上記動作を可能とするには、Ａ点及びＢ点のタイミ
ングを知る必要がある。これは、使用するはんだと接合
するワークが決まると、加熱条件とＡ点、Ｂ点が発生す
るタイミングとの関係をあらかじめ実験から求め、それ
を記憶して使用して良い。

【００４２】また、直接にはんだ温度を計測するセンサ
を使用しても良い。例えば、物体からの熱放射を利用し
た放射温度センサを利用して良いが、はんだ溶融前と溶
融状態の反射率の変化を検知できる光センサなどを使用
しても良い。

【００４３】この実施の形態によれば、はんだ付け部を
加熱してはんだを溶融させてから凝固が完了するまでの
時間を一定範囲に制御することによって、接合界面にお
いて必要以上の金属間化合物の形成を抑制し、接合に必
要な拡散層を確保することができ、安定した接合品質を
得ることが可能である。

【００４４】上記の実施の形態において、加熱手段１と
して非接触熱源を使用できることは言うまでもない。

【００４５】この発明の第２の実施の形態を図４に基づ
いて説明する。図４はこの発明の第２の実施の形態にお
けるはんだ付け装置である。

【００４６】図４は、図１において、はんだ付け部１０
に対して冷却手段３を追加したものである。なお、図１
と同一内容の部分については同一の符号を付して、その
説明を省略する。

【００４７】冷却手段３は、少なくとも加熱開始時から
はんだ付け部分１０を冷却する。

【００４８】図５に冷却手段３がある時とない時のはん
だ付け部１０のはんだ温度変化の比較例を示す。図にお
いて、加熱期間の温度上昇をほぼ同様に書いているが、
同様でなくても良い。言うまでもなく、ほぼ同様な温度
上昇を得るには、冷却手段３がある時は、加熱手段１か
らはんだ付け部１０に対する加熱をより大きくする必要
がある。

【００４９】図に示すように、冷却手段３がある時は、
冷却手段３がない時と比較して、加熱終了後のはんだ付
け部分の冷却速度が大きくなっている（ｔ３がｔ３’よ
り短い）。

【００５０】通常、冷却速度が大きくなると、凝固した
後のはんだ付け部の金属組織が微細になる。したがっ
て、冷却手段３を設け、はんだ付け部１０を冷却するこ
とによって、はんだ付け終了後のはんだ付け部の金属組
織をより微細化することができ、より高い接合品質にな
ることにつながる。但し、冷却時間ｔ３が短くなると、
ｔ２が同一であれば、ｔ１が減少する。接合界面におい
て一定厚さの拡散層あるいは金属間化合物の形成を確保
するには、ｔ１を一定にする必要がある。例えば、ｔ１
が一定になるように加熱条件を調整すればよい。

【００５１】この実施の形態によれば、はんだ付け部分
を冷却する冷却手段を設け、前記冷却手段は、少なくと
も加熱開始時からはんだ付け部分を冷却することによっ
て、上記発明と同様の効果を得ると共に、はんだ付け部
の金属組織を微細化することが可能である。

【００５２】上記の実施の形態において、冷却手段とし
て、窒素ガスを使用することができる。

【００５３】また、上記の実施の形態において、はんだ
付け部１０をあらかじめある温度まで予熱するための予
熱手段を設けても良い。そうすることによって、はんだ
付け部に対する熱衝撃を緩和し、フラックスの活性化を
促進することができる。その結果、より接合品質の高い
はんだ付けができる。言うまでもなく、前記予熱手段と
前記冷却手段の併用も可能である。

【００５４】また、上記の実施の形態において、はんだ
として錫を主成分とし、鉛を含有しないものを使用して
良い。

【００５５】

【発明の効果】この発明の請求項１記載のはんだ付け方
法あるいはこの発明の請求項７記載のはんだ付け装置に
よれば、はんだを溶融させてから凝固が完了するまでの
時間を０．０５秒から１秒未満とすることによって、接
合界面において必要以上の金属間化合物の形成を抑制
し、接合に必要な拡散層を確保することができ、安定し
た接合品質を得ることが可能である。

【００５６】また、この発明の請求項２記載のはんだ付
け方法あるいはこの発明の請求項８記載のはんだ付け装
置によれば、はんだを溶融させてから凝固が完了するま
での時間を０．２秒から０．３秒未満とすることによっ
て、接合界面において金属間化合物層を形成することな
く、拡散層のみを形成することができ、より安定した接
合品質を得ることが可能である。

【００５７】また、この発明の請求項３記載のはんだ付
け方法あるいはこの発明の請求項９記載のはんだ付け装
置によれば、非接触熱源を用いることで、上記発明と同
様の効果を得ることができる。

【００５８】また、この発明の請求項４記載のはんだ付
け方法あるいはこの発明の請求項１０記載のはんだ付け
装置によれば、少なくとも加熱開始時からはんだ付け部
分を冷却することによって、上記発明と同様の効果を得
ると共に、はんだ付け部の金属組織を微細化することが
可能である。

【００５９】また、この発明の請求項５記載のはんだ付
け方法あるいはこの発明の請求項１１記載のはんだ付け
装置によれば、冷却手段として窒素ガスを使用すること
によって、上記発明と同様の効果を得ることができる。

【００６０】また、この発明の請求項６記載のはんだ付
け方法あるいはこの発明の請求項１２記載のはんだ付け
装置によれば、はんだとして錫を主成分とし、鉛を含有
しないものを使用することによって、上記発明と同様の
効果を得ることができる。

【００６１】また、この発明の請求項１３記載のはんだ
付け装置によれば、はんだ付け部をあらかじめある温度
まで予熱することによって、はんだ付け部に対する熱衝
撃を緩和し、フラックスの活性化を促進することが可能
となり、より接合品質の高いはんだ付け部を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態におけるはんだ付
け装置を示すブロック図

【図２】はんだ付け時のはんだ温度変化を示す模式図

【図３】はんだ付け部の接合界面において形成する拡散
層・金属間化合物層の厚さとはんだ溶融から凝固完了ま
での時間との関係を示す模式図

【図４】この発明の第２の実施の形態におけるはんだ付
け装置を示すブロック図

【図５】はんだ付け時のはんだ温度変化を示す模式図

【符号の説明】

１加熱手段２制御手段３冷却手段１０はんだ付け部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺鎮大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者藤井孝治大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5E319 AA03 AC01 CC33 GG03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】はんだ付け部を加熱してはんだを溶融させ
てから凝固が完了するまでの時間を０．０５秒から１秒
未満としたはんだ付け方法。
【請求項２】前記はんだの溶融から凝固までの時間を
０．２秒から０．３秒までとした請求項１記載のはんだ
付け方法。
【請求項３】非接触熱源を用いてはんだ付け部を加熱す
る請求項１から２のいずれかに記載のはんだ付け方法。
【請求項４】はんだ付け部分を少なくとも加熱開始時か
ら冷却する請求項１から３のいずれかに記載のはんだ付
け方法。
【請求項５】窒素ガスを冷却ガスとして用いる請求項１
から４のいずれかに記載のはんだ付け方法。
【請求項６】錫を主成分とし、鉛を含有しないはんだを
用いる請求項１から５のいずれかに記載のはんだ付け方
法。
【請求項７】はんだ付け部を加熱する加熱手段と、加熱
手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、はんだ
付け部を加熱してはんだを溶融させてから凝固が完了す
るまでの時間を０．０５秒から１秒未満になるように制
御するはんだ付け装置。
【請求項８】前記はんだの溶融から凝固までの時間を
０．２秒から０．３秒までとした請求項７記載のはんだ
付け装置。
【請求項９】非接触熱源を用いてはんだ付け部を加熱す
る請求項７から８のいずれかに記載のはんだ付け装置。
【請求項１０】はんだ付け部分を冷却する冷却手段を設
け、前記冷却手段は、少なくとも加熱開始時からはんだ
付け部分を冷却する請求項７から９のいずれかに記載の
はんだ付け装置。
【請求項１１】冷却手段に窒素ガスを冷却ガスとして用
いる請求項７から１０のいずれかに記載のはんだ付け装
置。
【請求項１２】錫を主成分とし、鉛を含有しないはんだ
を用いる請求項７から１１のいずれかに記載のはんだ付
け装置。
【請求項１３】はんだ付け部分に熱エネルギーを導く予
熱手段を設けた請求項７から１２のいずれかに記載のは
んだ付け装置。