JP2004047556A

JP2004047556A - 部品実装方法

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Publication number: JP2004047556A
Application number: JP2002200128A
Authority: JP
Inventors: Susumu Echigo; 愛知後　将
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-09
Also published as: JP3948358B2

Abstract

【課題】電子部品の実装方法における、はんだ付け時の熱付加による耐熱性上の問題とリサイクル性上の問題を解決する実装方法を提供する。
【解決手段】本発明の方法は、電子部品２，３の基板１への実装方法は以下の手順よりなることを特徴とする。すなわち、導電材料を含むペースト状の接着材料を基板に塗布する手順と、前記接着材料が塗布された部分に前記電子部品を設置する手順と、前記電子部品上に、該電子部品の外形形状に合わせたカバー板４を押し当てて、所定の荷重を前記電子部品と前記接着材料と前記基板にかける手順および、前記カバー板を前記基板及び／又は前記電子部品に固定する手順でする。前記方法において、前記接着材料が固着して、前記電子部品と前記接着材料と前記基板との間において電気的接続が形成される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的な接続方法に係り、より特別にはプリント基板への電子部品の実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品を基板に実装する場合には一般的に、はんだが使用される。従来、特開２０００−１０９７０９号公報、特開２００１−２２３４４４号公報などにおいて開示される、多くの先願発明ではプリント基板の耐熱性など、はんだ実装に伴う耐熱性の付与のために多くの技術が提案されてきている。さらに、近年は環境問題への配慮から従来の鉛を含んだ共晶はんだから鉛フリーのはんだ材料への移行に伴い、より一層の耐熱性が実装する電子部品や基板に求められている。しかし、これらの対策はいずれも工程コストや材料コスト、部品コストの上昇を招くばかりでなく、部品実装後の製品の信頼性低下に大きな影響を及ぼすことが考えられるため、多くの製品設計上の制約や製造工程上の制約が生じてきていた。対策としては低融点はんだ材料が検討されているがはんだ付け実装後のはんだ疲労寿命が短いことによる信頼性低下や、はんだの濡れ性が従来の共晶はんだよりも低下するなどの問題がある。
【０００３】
別の対策方法としては金属粉末と熱硬化性や光硬化性の樹脂との混合物である導電ペースト材料を用いて接着する方法が、特開平１１−２７４７０２号公報において提案されているが、実装部品電極と基板電極との間には複数の導電粉末が接触して導通を確保する必要があるために使用環境下での導通抵抗が経時的に上昇したり、金属粉末を多量に充填するために材料コストが高くなるなどの問題があった。
【０００４】
一方、今後の電子製品リサイクル化への取り組みの中で、はんだ付けなどの金属どうしを接合する方法での製品の組立は製品を分解し、リサイクルする際に非常に困難を伴う。一般には、特開平０９−３００１２７号公報に開示されるように、まず電子部品を実装した状態の回路基板を粉砕して選別し、資源回収することなどが実施されているが、はんだで部品実装されているために実装部品と基板との分離が難しく、選別工程に時間とコストを多く費やしているのが現状である。
【０００５】
図２には、ＩＣ部品３やチップ部品２等の基板１への従来のはんだに１１よる接合方法を図解的に示しており、図３には、ＩＣ部品３やチップ部品２等の基板１への、熱又は光硬化性樹脂１３及び導電性粉末７を含む、従来のペースト接着剤１２による接合方法を図解的に示す。この様な方法においては上記のような問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術のはんだによる接合方法では、基板や実装される電子部品の耐熱性の問題、環境問題に関連する電子装置のリサイクル性の問題があり、更に従来技術の導電ペースト材料による接着方法では、経時的な抵抗上昇や材料コストの問題がある。従ってこれらの問題を解決する方法が必要であった。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、上記のようなはんだ付け時の熱付加による耐熱性上の問題とリサイクル性の問題を全て解決することを目的とするものである。そのために従来の電子部品実装時に使用される温度領域である２００〜２５０℃よりも低温での部品実装を可能にすると共にインバースマニュファクチャリングを考慮した電子部品の実装方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明のその他の目的は、従来の導電ペースト材料を用いる接着式実装方法における、導通抵抗の経時的上昇や、金属粉末の多量充填による材料コスト高騰の問題を解決する、新規な電子部品等の実装方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の形態の方法では、上述した目的を達成するために、電子部品の基板への実装方法は、第１の導電材料又は第２の導電材料又は第１と第２の導電材料の混合物を含むペースト状の接着材料を基板に塗布する手順と、前記接着材料が塗布された部分に前記電子部品の電極部を設置する手順と、前記電子部品上に、該電子部品の外形形状に合わせた形状のカバー板を押し当てて、前記電子部品と前記接着材料と前記基板に所定の荷重をかける手順と、前記カバー板を前記基板及び／又は前記電子部品に固定する手順とを具備する。
その結果、前記方法において、前記接着材料が固着して、前記電子部品と前記接着材料と前記基板との間において電気的接続が形成されることを特徴とする。
【００１０】
この様に構成することにより、実装された実装部品と基板の両電極界面では、押圧によって使用環境下での接触点の酸化が抑制される上、実装に使用したペースト状の接着材料に含まれる蝋材またはグリース材による被覆によって酸化を抑制され、接触抵抗値の上昇が抑えられる。これによって電気的な接続信頼性が確保される。さらに基板と部品との電気的な導通接触点間では接合のような機械的な拘束力が大きく働いておらず、はんだ接合のような接合箇所の熱疲労破壊による寿命低下といった問題が生じる懸念も無い。更に電子装置の解体時におけるリサイクル性が向上する。
【００１１】
本発明の請求項２の形態の方法では、上記請求項１の形態において、前記接着材料は、その軟化点が７０度Ｃ以上で２００度Ｃ以下の蝋材又はグリース材等のベース材料と、沸点が前記ベース材料の融点以上で且つ２５０度Ｃ以下であって前記ベース材料を溶解可能な溶剤とを具備する混合物であることを特徴とすることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる接着材料の特性が規定されると共に、より具体化される。
【００１２】
本発明の請求項３の形態の方法は請求項１又は２のいずれかの形態において、前記接着材料に含まれる前記第１及び／又は第２の導電材料は粉末状であることを特徴とする。
本形態によれば導電材料を、ペースト状接着材料内に均一に含むことが出来る。
【００１３】
本発明の請求項４の形態の方法では、上記請求項１から３の形態のいずれか一項において、前記第１の導電材料の含有酸素濃度は、１０ａｔｏｍ％（ａｔｏｍｉｃ　ｐｅｒｃｅｎｔ）以下であり、且つそれの粒径が５〜５００μｍであることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる第１の導電材料がより具体化される。
【００１４】
本発明の請求項５の形態の方法では、上記請求項４の形態において、前記第１の導電材料は、ニッケル粉末、銅粉末、亜鉛粉末、鉛粉末、銀粉末、金粉末、モリブデン粉末、タングステン粉末、インジウム粉末、及びガリウム粉末の内少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる第１の導電材料が更に具体化される。
【００１５】
本発明の請求項６の形態の方法では、上記請求項１から５の形態のいずれか一項において、前記第２の導電材料の含有酸素濃度は、３ａｔｏｍ％以下であり、且つそれの粒径が５〜５００μｍであることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる第２の導電材料がより具体化される。
【００１６】
本発明の請求項７の形態の方法では、上記請求項６の形態において、前記第２の導電材料は、すず粉末及びカーボン粉末の少なくともいずれかを含むことを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる第２の導電材料が更に具体化される。
【００１７】
本発明の請求項８の形態の方法では、上記請求項１から７の形態のいずれか一項において、前記導電材料の添加量は、前記ベース材料が１００重量部に対して１０重量部以上２００重量部以下（例えば、ベース材料１００ｇに対して導電材料の添加量が１０ｇ以上で２００ｇ以下）であることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる接着材料の組成がより具体化される。
【００１８】
本発明の請求項９の形態の方法では、上記請求項１から８の形態のいずれか一項において、接着材料を基板に塗布する手順において、塗布する手段はスクリーン印刷又はディスペンスであることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる接着材料の塗布方法がより具体化される。
【００１９】
本発明の請求項１０の形態の方法では、上記請求項１から９の形態のいずれか一項において、前記カバー板は、樹脂板、金属板又は両者を貼り合わせたクラッド状の板であることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わるカバー板がより具体化される。
【００２０】
本発明の請求項１１の形態の方法では、上記請求項１から１０の形態のいずれか一項において、前記カバー板は、ネジ止めにより固定されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わるカバー板の固定方法がより具体化される。
【００２１】
本発明の請求項１２の形態の方法では、上記請求項１から１０の形態のいずれか一項において、前記カバー板は、前記カバー板に熱可塑性樹脂が使用され、その部分の局所的な加熱溶融により前記基板の表面に溶着固定されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わるカバー板の固定方法の別の形態が提供される。
【００２２】
本発明の請求項１３の形態の方法では、上記請求項１から１０の形態のいずれか一項において、前記カバー板は、その一部または全てに熱可塑性樹脂が使用され、その局所部の超音波溶着により固定されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わるカバー板の固定方法の更に別の形態が提供される。
【００２３】
本発明の請求項１４の形態の方法では、上記請求項１から１０の形態のいずれか一項において、前記カバー板を固定する手順において、前記カバー板と前記実装される電子部品及び／又は基板との間に、硬化時に体積収縮が生じる熱硬化性の液状樹脂又は紫外線等による光硬化性の液状樹脂等の接着剤を塗布する段階と、前記接着剤を固化することにより前記カバー板を接着固定する段階とを更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わるカバー板の固定方法のやはり別の形態が提供される。
【００２４】
本発明の請求項１５の形態の方法では、上記請求項１から１４の形態のいずれか一項において、前記接着材料を基板に塗布する手順以降に、加熱してペースト状の前記接着材料を溶融する手順を具備しており、更に前記導電材料の融点が、加熱した時の温度領域より低い物質を、前記接着材料は前記導電材料として含む。前記接着材料を溶融する手順において、同時に前記接着材料に含まれる前記導電材料を溶融して、前記導電材料及び前記ペースト状の接着材料が液状化されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明に係わる別の特性の導電材料が提供される。
【００２５】
本発明の請求項１６の形態の方法では、上記請求項１５の形態において、前記接着材料及び前記導電材料の溶融は、はんだリフロー炉、ベルト式加熱炉、箱形の加熱炉、又はレーザーや赤外線放射加熱装置による加熱により実施されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の請求項１５の形態に係わる導電材料の溶融方法がより具体化される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施の形態の方法を詳細に説明する。
図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明による電子部品の実装方法の第１の実施の形態により組立てられた電子装置１０を図解的に示しており、図１（Ａ）は本発明の実装方法の第１の実施の形態により、電子部品が基板上に実装された電子装置１０の概略的な横断面図を示しており、図１（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態に使用されるペースト状の接着材料の状態を図解的に示す。
図１を参照すると、図２及び３に開示される従来技術の方法により実現された実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図１の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
【００２７】
まず図１（Ａ）を参照すると、１は基板であり、基板１上に、本発明の実装方法により実装される電子部品である、チップ部品２及びＩＣ（パッケージ）部品３が設置されている。チップ部品２と基板１との間、及びＩＣ部品３と基板１との間には、それぞれペースト状の接着材料５が数カ所挿入されるように配置されている。接着材料５には、図１（Ｂ）に示すように、ベース材料（蝋材又はグリース材）６と導電性粉末７とが含まれる。
【００２８】
本実施の形態において、ベース材料６は、正確には軟化点が７０度Ｃ以上で２００度Ｃ以下の蝋材又はグリース材と、その沸点が該蝋材又はグリース材の融点以上で且つ２５０度Ｃ以下で前記蝋材又はグリース材を溶解可能な溶剤とのペースト状混合物である。ベース材料６に添加される導電性粉末７は、含有酸素濃度が１０ａｔｏｍ％以下で、且つ粒径が５〜５００μｍのニッケル粉末、銅粉末、亜鉛粉末、鉛粉末、銀粉末、金粉末、モリブデン粉末、タングステン粉末、インジウム粉末、又はガリウム粉末（第１の導電性粉末）である。
これとは別に、該導電性粉末７は、含有酸素濃度が３ａｔｏｍ％以下で、且つ粒径が５〜５００μｍのすず粉末又はカーボン粉末（第２の導電性粉末）であっても良く、あるいは上記の第１の導電性粉末及び第２の導電性粉末の内２種類以上の導電性粉末の混合物であっても良い。
本実施の形態において前記導電性粉末７の添加量は、ベース材料６が１００重量部に対して１０重量部以上２００重量部以下であることが好ましい。
【００２９】
図１（Ａ）を参照すると、チップ部品２及びＩＣ部品３の上面にはカバー板４が載せられている。カバー板４は、樹脂板又は金属板であるが、あるいは両者を貼り合わせたクラッド状の板であっても良い。カバー板４は、図１（Ａ）に示すように、チップ部品２及びＩＣ部品３等の電子部品の表面又は外形形状に合わせた形状を有しており、カバー板４は電子部品２，３に押し当てられて、所定の荷重を前記電子部品２，３にかけることにより、更に接着材料５と前記基板１にも荷重が伝達される。カバー板４によるこの荷重が常時作用することにより、電子部品２，３の電気接続部と導電性粉末７更に導電性粉末７と基板１の電極との電気的連絡が安定的に形成される。
【００３０】
次に本実施の形態における電子部品２，３の基板１への実装方法の手順を説明する。この方法においてまず、搭載する電子部品２，３の端子部分が配置される基板１上の位置に、導電性粉末７を含むペースト状の接着材料５を、例えばスクリーン印刷又はディスペンス等の手段により塗布する。次に、接着材料７が塗布された前記位置に電子部品２，３を設置する。その後電子部品２，３上に、電子部品２，３の外形形状に適合する形状のカバー板４を押し当てて、所定の荷重を電子部品２，３にかけ、更に接着材料５と前記基板１にもかける。そして、電子部品２，３、更に接着材料５と前記基板１にかけられた所定の荷重が維持されるように、カバー板４を基板１及び／又は電子部品２，３に固定する。その結果、本実施の形態の方法においてこの様にして、接着材料５が固着して、電子部品２，３と接着材料５と基板１との間において電気的接続が形成される。
【００３１】
カバー板４を固定する方法としては、ネジ止め、カバー板４の局所的な加熱溶融、あるいは超音波溶着等の種々の方法が考えられる。カバー板４を接着剤により固定する方法では、カバー板４と前記実装される電子部品２，３及び／又は基板１との間に、熱硬化性の液状樹脂又は紫外線等による光硬化性の液状樹脂等の接着剤を塗布して、前記接着剤を固化することによりカバー板４を接着固定しても良い。上記の例は、熱を使用しないカバー板４の固定方法であるが、熱を使用しても良く、カバー板４を局所的に加熱し溶融させその後固化させて基板１等に接着しても良い。
上記以外の既知な方法により、カバー板４の固定が実施されても良い。
【００３２】
本発明の第２の実施の形態の方法においては、接着材料５を基板１に塗布して、カバー板４を電子部品２，３上に設置する手順の後に、加熱してペースト状の前記接着材料５と共に導電性粉末７を溶融する手順を具備する。本実施の形態においては、導電性粉末７の融点が、加熱した時の温度領域より低い物質を、導電性粉末７として接着材料５は含む。
本第２の実施の形態においても接着材料５のベース材料６は、第１の実施の形態と同様に、低温の軟化点を有しており、接着材料５を溶融する手順において、同時に導電性粉末７を溶融して、導電性粉末７がペースト状の接着材料５において液状化される。液状化された導電性粉末７はベース材料６内で均一に分散することが期待できる。接着材料５及び導電性粉末７の溶融は、はんだリフロー炉、ベルト式加熱炉、箱形の加熱炉、又はレーザーや赤外線放射加熱装置等による加熱により実施される。これら以外の方法により加熱されても良い。
その後、カバー板４を押し当てて電子部品２，３に所定の適切な荷重がかけられた状態で、冷却されてベース材料６及び導電性粉末７は固化するが、この後の実装手順は第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
本発明では、低融点の金属粉末を加熱・溶融して部品実装のための接合を行う方法も可能であるが、特に、加熱工程を必要としない方法を提供することが好ましい。この場合の原理は、基本的に金属どうしを押し当てた場合の接触によって電気的な導通を実現するものである。各種金属粉末の表面酸化膜の厚みは様々であるが、含有酸素濃度を一定のレベル以下に抑えた金属粉末を実装部品の電極表面と基板の電極表面との間に挟んで一定の荷重で抑えた場合、容易に電気的な導通が実現する。その場合、常に実装部品と基板との間には接触導通を確保するための荷重が掛かっていることが必要になるため、その手段として、樹脂カバーまたはそのクリープ変形による荷重減少を抑制するための金属カバーで抑える方法のほか、熱硬化性または光硬化性の液状樹脂を塗布して硬化する方法も使用可能である。
【００３４】
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態の実装方法により以下の効果が期待できる。
・　実装された電子部品と基板の両電極界面において、カバー板による押圧によって使用環境下での接触点の酸化が抑制され、それに加えて実装に使用した接着材料であるペースト状組成物に含まれる蝋材又はグリース材による被覆によって酸化が抑制されて、接触抵抗値の上昇が抑えられる。
・　従って、電気的な接続の信頼性が確保される。
・　基板と電子部品との電気的な導通接触点間において、接合等の機械的な拘束力が大きく働いていないことにより、はんだ接合のような接合箇所の熱疲労破壊による寿命低下が生じない。
・　本発明の実装方法を使用した電子装置をリサイクルする場合に、解体することが容易であり、リサイクル性が良い。
【００３５】
本発明の第２の実施の形態の実装方法により、第１の実施の形態の効果に加えて以下の効果が期待できる。
・　導電性粉末が接着材料において、より均一に分布され得るので、電子部品と基板との電気的接続が確実に実施される。
【００３６】
本発明は電子装置に本発明の実装方法を使用する実施の形態について記載したが、これとは別の電気装置に本発明の実装方法を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による電子部品の実装方法により、電子部品が基板上に実装された電子装置の概略的な横断面図（Ａ）、及び本発明の第１の実施の形態に使用されるペースト状の接着材料の状態（Ｂ）を図解的に示す。
【図２】図２は、従来技術のはんだによる形態による電子部品の実装方法により、電子部品が基板上に実装された形態の概略的な横断面図を示す。
【図３】図３は、従来技術の接着による形態による電子部品の実装方法により、電子部品が基板上に実装された形態の概略的な横断面図（Ａ）及び接着材料の状態（Ｂ）を図解的に示す。
【符号の説明】
１…基板
２…チップ部品
３…ＩＣ部品
４…カバー板
５…接着材料
６…ベース材料
７…導電性粉末
１０…電子装置

Claims

電子部品の基板への実装方法において、この方法は、
第１の導電材料又は第２の導電材料又は第１と第２の導電材料の混合物を含むペースト状の接着材料を基板に塗布する手順と、
前記接着材料が塗布された部分に前記電子部品の電極部を設置する手順と、
前記電子部品上に、該電子部品の外形形状に合わせた形状のカバー板を押し当てて、前記電子部品と前記接着材料と前記基板に所定の荷重をかける手順と、
前記カバー板を前記基板及び／又は前記電子部品に固定する手順と、
を具備しており、
その結果、前記接着材料が固着して、前記電子部品と前記接着材料と前記基板との間において電気的接続が形成されることを特徴とする方法。
前記接着材料は、
その軟化点が７０度Ｃ以上で２００度Ｃ以下の蝋材又はグリース材等のベース材料と、
沸点が前記ベース材料の融点以上で且つ２５０度Ｃ以下であって前記ベース材料を溶解可能な溶剤と、
を具備する混合物であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記接着材料に含まれる前記第１及び／又は第２の導電材料は粉末状であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
前記第１の導電材料の含有酸素濃度は、１０ａｔｏｍ％以下であり、且つそれの粒径が５〜５００μｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の導電材料は、ニッケル粉末、銅粉末、亜鉛粉末、鉛粉末、銀粉末、金粉末、モリブデン粉末、タングステン粉末、インジウム粉末、及びガリウム粉末の内少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記第２の導電材料の含有酸素濃度は、３ａｔｏｍ％以下であり、且つそれの粒径が５〜５００μｍであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
前記第２の導電材料は、すず粉末及びカーボン粉末の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記導電材料の添加量は、前記ベース材料が１００重量部に対して１０重量部以上２００重量部以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
接着材料を基板に塗布する手順において、塗布する手段はスクリーン印刷又はディスペンスであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
前記カバー板は、樹脂板、金属板又は両者を貼り合わせたクラッド状の板であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
前記カバー板は、ネジ止めにより固定されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記カバー板は、前記カバー板に熱可塑性樹脂が使用され、その部分の局所的な加熱溶融により前記基板の表面に溶着固定されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記カバー板は、その一部または全てに熱可塑性樹脂が使用され、その局所部の超音波溶着により固定されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記カバー板を固定する手順において、
前記カバー板と前記実装される電子部品及び／又は基板との間に、硬化時に体積収縮が生じる熱硬化性の液状樹脂又は紫外線等による光硬化性の液状樹脂等の接着剤を塗布する段階と、
前記接着剤を固化することにより前記カバー板を接着固定する段階と
を更に具備することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記接着材料を基板に塗布する手順以降に、加熱してペースト状の前記接着材料を溶融する手順を具備しており、
前記導電材料の融点が、加熱した時の温度領域より低い物質を、前記接着材料は前記導電材料として含んでおり、
前記接着材料を溶融する手順において、同時に前記導電材料を溶融して、前記導電材料及び前記ペースト状の接着材料が液状化されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
前記接着材料及び前記導電材料の溶融は、はんだリフロー炉、ベルト式加熱炉、箱形の加熱炉、又はレーザーや赤外線放射加熱装置による加熱により実施されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。