JP2009231379A

JP2009231379A - 半田付け方法

Info

Publication number: JP2009231379A
Application number: JP2008072207A
Authority: JP
Inventors: Munehiko Masutani; 宗彦増谷; Kazuyoshi Takeuchi; 万善竹内; Shigekazu Higashimoto; 繁和東元
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP4985497B2

Abstract

【課題】被半田付け部品の仮固定のための乾燥工程や基板を反転させる工程を設ける必要がなく、使用できる半田がクリーム状半田ペーストに限定されず、両面同時に被半田付け部品を基板に半田付けすることができる半田付け方法を提供する。
【解決手段】支持台１１上に基板１２をその下面に半田付けされる半導体素子１３上に配置された半田１８と所定間隔を設けて支持するとともに半導体素子１３の位置決めを行う基板支持治具１４を介して支持する。基板１２の上面にはその上面に半田付けされる半導体素子１３を基板１２との間に半田１８を配置して位置決めされた状態で載置し、その状態で基板１２、半導体素子１３、半田１８及び基板支持治具１４の全体を加熱して半田を溶融させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半田付け方法に係り、詳しくは基板の両面に電子部品を半田付けする半田付け方法に関する。

電子部品を基板の両面に半田付けする方法として、半田ペーストを用いて面実装回路素子を仮固定して行う方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、絶縁基板の導体配線の所定位置にクリーム状半田ペーストをスクリーン印刷し、その印刷部に面実装回路素子を搭載した状態で半田ペーストを乾燥し、回路素子の仮固定をした後、基板を反転し、反転前の面と同様な作業を反転後の面で行った後、半田ペースト膜の溶融加熱を二つの面同時に行うことにより、両面同時に半田付けする。

また、薄板で剛性が低い回路基板上へ半導体素子を両面重なるように配置して実装する場合に、回路基板の反りを抑制した状態で実装できる半導体実装方法が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２の方法では、図５（ａ），（ｂ）に示すように、回路基板４１のＡ面及びＢ面の半導体素子４２を実装する位置に開口部４３を有するプレートＡ１及びプレートＢ２で回路基板４１を挟持した一体構造のプレートを用いる。そして、図５（ａ）に示すように、先ずＡ面に半導体素子４２を実装した後、図５（ｂ）に示すように、回路基板４１を反転させた後、Ｂ面に半導体素子４２を実装する。
特開昭６４−１７４９５号公報特開２００１−３２６３２２号公報

特許文献１の方法では乾燥工程が必要になるとともに、基板を反転させる必要もあり、工程が複雑になる。また、半田としてクリーム状半田ペースト以外の半田、例えば、板状あるいはリボン状の半田を所定の大きさに切断加工して使用することができないという問題がある。

一方、特許文献２の方法では乾燥工程は必要なく、半田としてクリーム状半田ペーストに限らず、板状あるいはリボン状の半田も使用することが可能である。しかし、特許文献２の方法では、片面ずつ、２回に分けて半田付けを行う必要があり、また、基板を反転させる工程が必要になる。そのため、後から行う半田付け（２回目の半田付け）で不良部分が発生すると、１回目の半田付けの分も無駄になるという問題がある。また、２回に分けて半田付けを行うと、最初に半田付けされた実装部品は半田の溶融が２回行われることになり、しかも、２回目の半田付けの際、下向きに配置された実装部品の半田が溶けた際に重力の影響を受けて、実装状態に悪影響を及ぼす虞もある。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、被半田付け部品の仮固定のための乾燥工程や基板を反転させる工程を設ける必要がなく、使用できる半田がクリーム状半田ペーストに限定されず、両面同時に被半田付け部品を基板に半田付けすることができる半田付け方法を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、基板の両面に被接合部品を半田を介して接合する半田付け方法である。そして、前記基板の下面をその下面に半田付けされる被接合部品上に配置された半田と所定間隔を設けた状態で前記被接合部品の位置決めを行う基板支持治具により支持するとともに前記基板の上面にその上面に半田付けされる被接合部品を前記基板との間に半田を配置した状態で位置決め治具により位置決め載置する被接合部品位置決め工程と、前記被接合部品位置決め工程に続いて、前記基板、被接合部品、半田、基板支持治具及び位置決め治具の全体を加熱して半田を溶融させて前記基板の両面同時に被接合部品の半田付けを行う半田付け工程と、を含む。ここで、「所定間隔」とは、半田が溶融したときにその表面張力で盛り上がると、半田が基板に接触するとともに半田が基板に濡れて半田の表面張力によって被接合部品が基板側に移動することが可能な距離を意味する。

この発明では、基板に半田を介して接合される被接合部品のうち、基板の上面に接合される被接合部品は、基板や半田等が半田の溶融温度以上に加熱されて半田が溶融した後、冷却されると位置決めされた位置に半田付けされる。基板の下面に接合される被接合部品は、半田が溶融してその表面張力で盛り上がり、半田が基板に接触して半田が基板に濡れるとともに半田の表面張力によって被接合部品が基板側に移動する。そして、冷却により半田が凝固する際に、被接合部品は半田の表面張力によって基板側に持ち上げられた状態で基板に半田付けされる。即ち、被半田付け部品の仮固定のための乾燥工程や基板を反転させる工程を設ける必要がなく、使用できる半田がクリーム状半田ペーストに限定されず、両面同時に被半田付け部品を基板に半田付けすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基板支持治具は、前記基板の下面に半田付けされる被接合部品の半田付けされる面と反対側の面を支持する支持面を備えている。被接合部品が支持台に直接接触した状態に配置された場合は、加熱時に被接合部品の熱が支持台に奪われ易くなる。しかし、この発明では、基板の下面に半田付けされる被接合部品は、基板支持治具の支持面に支持されるため、加熱される際に基板支持部からも熱を受ける状態になり、加熱が効率よく行われる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記加熱には誘導加熱が使用される。この発明では、一般の加熱炉で加熱する場合と異なり、加熱すべき箇所を選択的に加熱することができ、消費エネルギーを少なくすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記被接合部品は半導体素子であり、前記被接合部品の位置決めを行う前記基板支持治具及び位置決め治具はカーボンで形成されている。治具の材質を金属にすると、半田の溶融温度以上の温度から室温まで冷却される際に、半導体素子の熱膨張率と治具の熱膨張率との違いにより、治具が半導体素子に食い込む状態に収縮して半導体素子が損傷する虞がある。しかし、この発明では、治具がカーボンで形成されているため、治具が半導体素子に食い込む方向に収縮する状態になっても、治具の方が破損して半導体素子の損傷が防止される。

本発明によれば、被半田付け部品の仮固定のための乾燥工程や基板を反転させる工程を設ける必要がなく、使用できる半田がクリーム状半田ペーストに限定されず、両面同時に被半田付け部品を基板に半田付けすることができる。

以下、本発明を半田を溶融させるのに高周波誘導加熱を利用し、被接合部品として半導体素子を基板に半田付けする半田付け方法に具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。

図１に示すように、半田付けには、支持台１１と、支持台１１上に載置されて基板１２を支持する役割と、基板１２の下面に半田付けされる被接合部品としての半導体素子１３を位置決めする役割とを備えた基板支持治具１４と、基板１２の上面に半田付けされる半導体素子１３を位置決めする位置決め治具１５とが使用される。

支持台１１上には基板支持治具１４の位置決めを行う位置決め部１６と、基板１２の位置決めを行う基板用位置決め部１７とが設けられている。この実施形態では位置決め部１６として基板支持治具１４の側面に当接して位置決めを行う凸部が設けられている。また、基板用位置決め部１７は、基板１２の下面に形成された穴にその上端が嵌合される柱で形成されている。

基板支持治具１４及び位置決め治具１５はカーボンで形成されている。基板支持治具１４は、半導体素子１３を収容可能な凹部１４ａを有する。凹部１４ａは、側面が半導体素子１３の側面に係合して半導体素子１３の位置決めを行い、底面が半導体素子１３の基板１２に半田付けされる面と反対側の面を支持する支持面１４ｂを構成する形状（この実施形態では四角柱状）に形成されている。凹部１４ａの深さは、凹部１４ａ内に半導体素子１３及び半田１８が配置された状態において、基板１２の下面と半田１８とが所定間隔を有する状態になるように設定されている。所定間隔とは、半田１８が溶融したときにその表面張力で盛り上がり、半田が基板１２に接触して半田１８が基板１２に濡れるとともに半田１８の表面張力によって半導体素子１３が基板１２側に移動することが可能な距離を意味する。所定間隔の大きさは、半田の種類によって異なるが、例えば、０．２ｍｍ以下である。所定間隔は、予め試験で確認して設定するのが好ましい。

また、凹部１４ａの開口端周縁部には、半導体素子１３が基板１２に半田付けされる際に、半導体素子１３の周囲に半田フィレットが形成され易いように面取り部（図示せず）が設けられている。なお、半田１８には板状半田あるいはリボン状半田を所定の大きさに切断したものが使用される。

位置決め治具１５は、四角枠状に形成され、内側面が半導体素子１３の側面に係合して半導体素子１３の位置決めを行う。また、位置決め治具１５の内側部の下端周縁部には、半導体素子１３が基板１２に半田付けされる際に、半導体素子１３の周囲に半田フィレットが形成され易いように面取り部（図示せず）が設けられている。

基板１２は、図２に示すように、アルミニウム系金属で形成されたヒートシンク２０と、その上に接合された絶縁基板２１とからなる。絶縁基板２１は、表面に回路パターン２２を有し、裏面に接合用の金属板２３を有するセラミック基板２４で構成されている。半導体素子１３は回路パターン２２上の所定位置に半田１８を介して接合される。基板１２には、位置決め治具１５の外面に係合して位置決めを行う位置決め部２５（図１に図示）が形成されている。この実施形態では位置決め部２５として凸部が形成されている。

次に半田付け方法を説明する。半田付け方法は、被接合部品位置決め工程と、基板の両面同時に被接合部品の半田付けを行う半田付け工程と、を含む。
先ず支持台１１上に基板支持治具１４を、位置決め部１６と係合して位置決めされた状態で載置する。次に基板支持治具１４の凹部１４ａ内に半導体素子１３及び半田１８を配置する。その結果、図１（ａ）に示すように、支持台１１上に配置された基板支持治具１４の凹部１４ａ内に半導体素子１３及び半田１８が収容された状態になる。

次に基板支持治具１４上に基板１２を、基板用位置決め部１７と係合して位置決めされた状態で配置する。次に、基板１２上に位置決め治具１５を基板支持治具１４と係合して位置決めされた状態で配置する。そして、位置決め治具１５内に半田１８及び半導体素子１３を順に収容配置する。その結果、図１（ｂ）に示すように、支持台１１上に、基板支持治具１４、基板１２、位置決め治具１５、半導体素子１３及び半田１８が配置された状態になる。基板１２は、基板支持治具１４の凹部１４ａ内の半導体素子１３上に配置された半田１８と所定間隔を設けた状態で配置される。以上で被接合部品位置決め工程が完了する。即ち、被接合部品位置決め工程では、基板１２の下面をその下面に半田付けされる被接合部品（半導体素子１３）上に配置された半田１８と所定間隔を設けた状態で半導体素子１３の位置決めを行う基板支持治具１４により支持する。また、基板１２の上面にその上面に半田付けされる半導体素子１３を基板１２との間に半田１８を配置した状態で位置決め治具１５により位置決め載置する。

次に基板１２、半導体素子１３、半田１８、基板支持治具１４及び位置決め治具１５の全体を加熱して半田１８を溶融させて、基板１２の両面同時に被接合部品の半田付けを行う半田付け工程が行われる。半田付け工程では、支持台１１を還元ガス雰囲気で加熱を行う加熱装置内に配置する。加熱装置は高周波誘導加熱で加熱を行う構成であり、図１（ｃ）に示すように、支持台１１に支持された基板１２等の上方に高周波加熱コイル３０が位置する状態で加熱が行われる。なお、高周波加熱コイル３０は、パイプ状に形成され、内部に冷却水を通して高周波加熱コイル３０自身の過熱が抑制されるようになっている。高周波加熱コイル３０に高周波電流を流すと、高周波加熱コイル３０には、基板１２、基板支持治具１４、位置決め治具１５等を通る高周波の磁束が発生し、基板１２、基板支持治具１４、位置決め治具１５等には磁束の通過によって渦電流が発生して発熱し、全体が加熱される。その結果、半田１８が溶融温度以上の温度になって溶融する。

半田１８が溶融状態になると、図１（ｃ）に示すように、基板１２の下面に接合される半導体素子１３上の半田１８は、その表面張力で盛り上がり、溶融状態の半田１８の一部が基板１２の下面に接触して半田１８が基板１２に濡れる。そして、半田１８の表面張力によって半導体素子１３が基板１２側に移動して、図１（ｄ）に示すように、半導体素子１３は凹部１４ａの底面から離れた状態になる。半田１８が完全に溶融した後、高周波加熱コイル３０への高周波電流の供給を停止させる。なお、高周波電流の供給時間は予め試験によって適切な時間に設定されている。そして、溶融した半田１８は、溶融温度未満に冷却されることによって凝固し、基板１２と半導体素子１３とを接合する。

その後、加熱装置内が大気と同じ雰囲気に戻された後、支持台１１と共に半田付けが完了した基板１２及び半導体素子１３等が加熱装置内から取り出され、位置決め治具１５を取り外し、基板１２を基板支持治具１４及び支持台１１上から取り外すと、図１（ｅ）に示すように、基板１２の両面に対する半導体素子１３の半田付け工程が完了する。

基板１２は、絶縁基板２１をヒートシンク２０に接合する処理等を受けて形成されるため、完全に平坦な状態ではない（反りが存在する）場合がある。また、基板支持治具１４の寸法交差や半導体素子１３及び半田１８の寸法交差によって、基板１２と、凹部１４ａ内に収容配置された半田１８の上面との距離は変動する。しかし、基板１２は、その下面と、基板１２の下面に半田付けされる半導体素子１３上に配置された半田１８との間に所定間隔が存在するように配置されて半田付けが行われる。そして、半田１８の溶融状態において半田の表面張力により半田１８が盛り上がることを利用して、半田１８が基板１２の下面に接触して濡れる状態となり、半導体素子１３が傾くことなく良好な状態で半田付けされる。

したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）支持台１１上に基板１２をその下面に半田付けされる半導体素子１３上に配置された半田１８と所定間隔を設けて支持するとともに半導体素子１３の位置決めを行う基板支持治具１４を介して支持し、基板１２の上面にはその上面に半田付けされる半導体素子１３を基板１２との間に半田１８を配置して位置決めされた状態で載置する。そして、その状態で基板１２、半導体素子１３、半田１８及び基板支持治具１４の全体を加熱して半田を溶融させることにより半導体素子１３が基板１２に半田付けされる。したがって、半導体素子１３の仮固定のための乾燥工程や基板１２を反転させる工程を設ける必要がなく、使用できる半田１８がクリーム状半田ペーストに限定されず、両面同時に半導体素子１３を基板１２に半田付けすることができる。

（２）基板支持治具１４は、基板１２の下面に半田付けされる半導体素子１３の半田付けされる面と反対側の面を支持する支持面１４ｂを備えているため、半導体素子１３は、支持面１４ｂからも熱を受ける状態になり、支持台１１に直接接触した状態に配置された場合に比べて、加熱時に半導体素子１３の熱が支持台１１に奪われ難くなる。したがって、基板１２の下面に半田付けされる半導体素子１３は、加熱が効率よく行われる。

（３）基板１２等の加熱には誘導加熱が使用される。したがって、一般の加熱炉で加熱する場合と異なり、加熱すべき箇所を選択的に加熱することができ、加熱に必要な消費エネルギーを少なくすることができる。

（４）基板１２がアルミニウム系金属で形成されているため、誘導加熱で加熱される際に、基板１２が強磁性材料で形成された場合に比べて基板１２全体が均一に加熱される状態になる。

（５）基板１２に半田付けされるのは半導体素子１３であり、半導体素子１３の位置決めを行う治具、即ち基板支持治具１４及び位置決め治具１５はカーボンで形成されている。治具の材質を金属にすると、半田の溶融温度以上の温度から室温まで冷却される際に、半導体素子１３の熱膨張率と治具の熱膨張率との違いにより、治具が半導体素子１３に食い込む状態に収縮して半導体素子１３が損傷する虞がある。しかし、治具がカーボンで形成されているため、治具が半導体素子１３に食い込む方向に収縮する状態になっても、治具の方が破損して半導体素子１３の損傷が防止される。

（６）基板支持治具１４及び位置決め治具１５は、端面に半田フィレットを形成し易くするための面取り部が形成されているため、半田フィレット（図示せず）が形成された状態で半田付けが行われ易くなる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 基板支持治具１４及び位置決め治具１５は、それぞれ１個の半導体素子１３及び半田１８の位置決めを行う構成に代えて、図３（ａ），（ｂ）に示すように、１個の基板支持治具１４又は位置決め治具１５が複数の半導体素子１３及び半田１８を位置決めする構成にしてもよい。

○ 基板支持治具１４を位置決めする位置決め部として、支持台１１に凸部を設ける代わりに、図３（ｂ）に示すように、基板支持治具１４の下部が嵌合する凹部１１ａを設けてもよい。

○ 位置決め治具１５を位置決めする位置決め部として、基板１２に凸部からなる位置決め部２５を設ける代わりに、図３（ｂ）に示すように、位置決め治具１５の下部が嵌合する凹部１２ａを設けてもよい。

○ 基板１２の上面に接合される半導体素子１３と、基板１２の下面に接合される半導体素子１３とは基板１２の同じ位置を挟む状態で配置される構成に限らず、図４に示すように、ずれた状態で配置される構成としたり、半導体素子１３の数が上面と下面とで異なる構成にしたりしてもよい。

○ 基板支持治具１４は、基板１２の下面に半田付けされる被接合部品（半導体素子１３）の半田付けされる面と反対側の面を支持する支持面を備えていない構成であってもよい。例えば、位置決め治具１５と同じ枠状であってもよい。その場合、半導体素子１３の半田付けされる面と反対側の面は支持台１１に支持される状態になる。

○ 基板１２に接合される半導体素子１３は同じ物だけに限らず、異なる種類の半導体素子が混在する状態で接合される基板１２に適用してもよい。異なる種類の半導体素子は、面積が異なるだけでなく形状や高さが異なるものであってもよい。

○ 半田付けされる被接合部品は半導体素子１３に限らず、表面実装部品であればよい。
○ 絶縁基板２１は絶縁層としてセラミック板を備えるセラミック基板に限らず、金属板の上に絶縁樹脂層を介して金属回路（回路パターン２２）が形成されたものであってもよい。

○ 両面プリント配線板に表面実装部品を半田付けで実装する場合に適用してもよい。
○ 半田付けに使用する半田１８は板状（シート状）半田に限らず、半田ペーストを使用してもよい。

○ 加熱方法は高周波誘導加熱に限らず、ランプで光や赤外線を加熱すべき箇所に照射して加熱を行う方法や、電気ヒーターを使用して加熱を行う方法や、加熱炉の内部全体を加熱する方法であってもよい。

○ 基板支持治具１４及び位置決め治具１５はカーボン製に限らない。特に、半田付けされる被接合部品がベアチップのように割れ易い電子部品でない場合は、金属やセラミックス製であってもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項４に記載の発明において、前記基板は、アルミニウム系金属で形成されたヒートシンクと、その上に接合されるとともに、表面に絶縁層を介して回路パターンが形成された複数の絶縁基板とで構成されている。

（ａ）は支持台上に基板支持部、半導体素子及び半田が配置された状態を示す模式図、（ｂ）は支持台上に基板支持部、基板、位置決め治具、半導体素子及び半田が配置された状態を示す模式図、（ｃ）は半田が溶融された状態を示す模式図、（ｄ）は半田が凝固した状態を示す模式図、（ｅ）は半田付けが完了した製品の模式図。基板の構成を示す模式断面図。別の実施形態における基板と位置決め治具を示し、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における模式断面図。別の実施形態の模式断面図。（ａ），（ｂ）は従来技術の断面図。

符号の説明

１１…支持台、１２…基板、１３…被接合部品としての半導体素子、１４…基板支持治具、１４ｂ…支持面、１５…位置決め治具、１８…半田。

Claims

基板の両面に被接合部品を半田を介して接合する半田付け方法であって、
前記基板の下面をその下面に半田付けされる被接合部品上に配置された半田と所定間隔を設けた状態で前記被接合部品の位置決めを行う基板支持治具により支持するとともに前記基板の上面にその上面に半田付けされる被接合部品を前記基板との間に半田を配置した状態で位置決め治具により位置決め載置する被接合部品位置決め工程と、
前記被接合部品位置決め工程に続いて、前記基板、被接合部品、半田、基板支持治具及び位置決め治具の全体を加熱して半田を溶融させて、前記基板の両面同時に被接合部品の半田付けを行う半田付け工程と、
を含むことを特徴とする半田付け方法。
前記基板支持治具は、前記基板の下面に半田付けされる被接合部品の半田付けされる面と反対側の面を支持する支持面を備えている請求項１に記載の半田付け方法。
前記加熱には誘導加熱が使用される請求項１又は請求項２に記載の半田付け方法。
前記被接合部品は半導体素子であり、前記被接合部品の位置決めを行う前記基板支持治具及び位置決め治具はカーボンで形成されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半田付け方法。