JP2010232443A - 素子のはんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ接合層のボイドによって素子が傾いて接合されることを防止することができる素子のはんだ付け方法を提供する。
【解決手段】基板２にはんだにより素子３を仮付けしておき、リフロー処理時に素子３を基板２の下方に配置した裏返し状態としてはんだを溶融した後、冷却して凝固・固化させることにより、はんだ溶融部１３に発生するガスを素子３によって加圧しないようにするとともに、その浮力が素子３に作用しないようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板にはんだペーストを介して素子を搭載してリフロー処理することによりはんだ付けする方法に関する。

一般に、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱電素子などの半導体素子と基板との接合、微細かつ高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージ封止などには、Ａｇペースト、Ａｕ−Ｓｎ箔材、Ａｕバンプ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストなどが使用されている。
特に、大電圧が印加される高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）は温度が上昇するため、熱放出性に優れた接合材料が必要であり、その接合には接合信頼性の一層優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが多く用いられる（特許文献１及び特許文献２参照）。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５質量％（好ましくはＳｎ：２０質量％）を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金ガスアトマイズ粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなる市販のフラックスとを混合して作られる。

このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて基板と素子を接合するには、基板にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの上に素子を搭載した状態で加熱してリフロー処理を施した後冷却することにより行われる。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層の周囲に形成されるフラックス残渣層は洗浄し除去される。
この場合、はんだペーストにおいては、リフロー処理時にペーストからガスが発生する。例えば、金属の溶融前は、フラックスの熱分解ガス、溶融後は、前記熱分解ガスおよびＡｕＳｎ粉末表面の酸化膜との反応ガス（還元水）などが発生し、そのガスがボイドとなって接合部に残存し易く、このボイドが素子を持ち上げてしまい、素子が傾いた状態で接合されるという問題がある。ＬＥＤ素子においては、これが傾いて固定されると、光量のばらつきや色むら等の原因となる。

このボイドの発生を防止するために、特許文献３には、最初に基板にはんだペーストを塗布して素子を搭載しない状態で非酸化性雰囲気でリフロー処理を行い、これを冷却してフラックス残渣部分を洗浄して除去した後、再度リフロー処理ではんだ層を溶融させ、その上に素子を搭載する技術が提案されている。

特開２００３−１０５４６２号公報 特開２００３−２６０５８８号公報 特開２００７−６７１４５号公報

特許文献３記載の技術は、最初のリフロー処理によって基板表面にはんだ溶融部を形成し、フラックス残渣を除去した後、再度リフロー処理して素子を搭載するので、フラックスから発生するガスの影響を受けることなく素子を接合することができるため、ボイドの発生を有効に防止できる。
しかしながら、中間で一旦ペーストを溶融させる工程があること、フラックス残渣部分を洗浄除去する工程が必要であることにより、作業が煩雑であり、より簡便なはんだ付け方法が要望される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、はんだ接合層のボイドによって素子が傾いて接合されることを防止することができる素子のはんだ付け方法の提供を目的とする。

本発明者は、リフロー処理中に溶融したはんだペースト内で発生するガスの挙動に着目した。つまり、はんだペーストが溶融するに際してはんだ溶融部から発生したガスは浮力の作用ではんだ溶融部の厚さの範囲内で上側に移動し易い。通常、はんだペーストの上に素子を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施すが、この状態でははんだ溶融部の上に素子が被さっているために、はんだ溶融部は素子の重力によって加圧された状態となり、その内部に発生したガスは、素子の裏面に当接して素子からの圧力によって押されることから周辺の気泡を凝集して大きい気泡となり易い。本発明者は、この大きくなった気泡の浮力が素子に作用するために素子が傾くと考え、その浮力が素子に作用しないようにすることに思い至った。

すなわち、本発明に係る素子のはんだ付け方法は、基板にはんだペーストにより素子を仮付けしておき、前記素子を前記基板の下方に配置した状態として前記はんだペーストを溶融した後、冷却して凝固・固化させることを特徴とする。

この発明は、気泡の発生自体は避けられないとの認識の下、気泡の浮力が素子に作用しないように裏返した状態としてリフロー処理するのである。この場合、裏返してもペーストが有する粘着力で素子は落下しない。この裏返し状態ではんだペーストが溶融すると、素子は下方に重力が作用し、一方、はんだ溶融部からガスが発生した場合には、そのガスは浮力によってはんだ溶融部を上昇して基板の下面に到達するが、はんだ溶融部には素子の重力が加圧方向に作用していないので気泡が凝集することはなく、小さい気泡のまま凝固・固化するため、小さいボイドが分散した状態となる。
また、はんだペーストが溶融状態のときには、はんだ溶融部の表面張力によって素子を保持することになるとともに、はんだ溶融部と素子との接合面に鉛直下向きの重力が均等に作用し、しかも素子の付近には気泡が存在していないため、素子は、水平姿勢で保持される。したがって、これらの相乗作用により、素子は傾くことなく、基板に平行に固定される。
なお、ボイドが小さく、しかもはんだ接合層内で基板との接合面の方に寄って存在しているので、使用時に素子で発生した熱は、この素子の接合面の全面に密着しているはんだ接合層に速やかに伝達し、ボイドの間を通って基板に伝わり、放熱特性にも優れるものとなる。

本発明のはんだ付け方法において、前記基板へのはんだ接合層の接合面を前記素子への接合面よりも大きくするとよい。
前述した小さいボイドが大きい接合面に分散するので、はんだ接合部から基板への熱伝達面積を大きく確保することができ、さらに放熱特性を向上させることができる。はんだ接合層の接合面を大きくするには、基板に設けられる導体パッドの面積を素子の接合面の平面積より大きくしておけばよい。

本発明に係る素子のはんだ付け方法によれば、裏返した状態でリフロー処理することにより素子を基板に平行に固着し得て、平坦性を高めることができるとともに、ボイドを小さく分散させるので、素子から基板へ速やかに熱伝達させることができる。したがって、ＬＥＤ素子のはんだ付けに用いれば、光量の面方向のばらつきや色むら等の不具合の発生を防止し、かつ放熱特性も向上する。

本発明に係る素子のはんだ付け方法の実施形態を工程の順に説明した概略断面図であり、（ａ）は基板に素子を仮止めする状態、（ｂ）は素子を仮止めした基板を裏返してトレーに載置した状態、（ｃ）は裏返し状態の基板のリフロー処理中のはんだ接合部分を拡大した状態をそれぞれ示している。 本発明のはんだ付け方法が適用されるＬＥＤ装置の縦断面図である。 本発明のはんだ付け方法によって接合した実施例及び従来のはんだ付け方法によって接合した比較例のそれぞれのはんだ接合層の部分の拡大断面写真であり、（ａ）が本実施例、（ｂ）が比較例を示す。

以下、本発明のはんだ付け方法をＬＥＤ装置に適用した実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明のはんだ付け方法が適用されるＬＥＤ装置について図２により簡単に説明する。図２に示すように、このＬＥＤ装置１は表面実装型のパッケージであり、シリコン、アルミナ等のセラミックス、樹脂などからなる基板２の上にＬＥＤ素子３が固着されているとともに、このＬＥＤ素子３の回りを囲むようにリフレクタ−４が基板２と一体に設けられている。また、基板２の上面から側面を経由して下面に至る複数の入出力用パターン導体５，６が配設されており、そのパターン導体５，６の表面にはＡｕめっき（図示略）等のめっき処理がなされている。ＬＥＤ素子３は、一部のパターン導体５のパッド７にはんだによって固着されるとともに、パターン導体６にボンディングワイヤ８によって接続されている。符号９がはんだ接合層を示す。なお、ＬＥＤ素子３が固着されるパターン導体５のパッド７は、ＬＥＤ素子３の接合面の平面積よりも広い面積に形成される。

また、リフレクタ−４は、リング枠状に形成され、その内周面が上方に向けて広がるテーパ状の反射面４ａとされている。そして、このリフレクタ４−の反射面４ａによって囲まれたキャビティ内には、ＬＥＤ素子３を埋めるように蛍光体を分散した樹脂１０が封止される。
なお、基板２の下方には放熱のためのヒートシンク（図示略）が取り付けられる。

このように構成されるＬＥＤ装置１を製造する場合、リフレクタ−４を一体に設けた基板２を製作しておき、この基板２の上面のパターン導体５のパッド７にはんだペースト１１を介してＬＥＤ素子３を搭載する。そして、後述のようにリフロー処理によってはんだペースト１１を溶融状態とし、これを冷却固化することによりＬＥＤ素子３を基板２のパッド７に固着する。
はんだペースト１１としては、Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末とフラックスとを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが好適である。

以下に、上記製造方法のうちのはんだ付け作業の詳細を説明する。
＜素子仮止め工程＞
図１（ａ）に示すように、基板２のパターン導体５のパッド７の上にピン転写法等によりはんだペースト１１を塗布し、そのはんだペースト１１の上に矢印で示すようにＬＥＤ素子３を載置して、これを若干押し付けることにより、図１（ａ）に示すように、基板２の上にはんだペースト１１を介してＬＥＤ素子３を仮止めする。この状態では、はんだペースト１１の粘着性によってＬＥＤ素子３が保持される。

＜リフロー処理工程＞
図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子３を仮止めした基板２を裏返した状態、つまりＬＥＤ素子３を基板２の下方に向けた状態として熱処理炉（図示略）内に供給する。この場合、基板２はメッシュ状のトレー１２に載置されるが、基板２の片面にはリフレクタ−４が一体に設けられており、このリフレクタ−４の高さがＬＥＤ素子３より十分に大きいので、基板２を裏返した状態でトレー１２に載置すると、リフレクタ−４がスペーサの役割を果たし、トレー１２の上方でＬＥＤ素子３を基板２から吊り下げた状態に支持する。

そして、この裏返し状態で全体が加熱されることにより、はんだペースト１１が溶融する。このはんだペースト１１が溶融した状態では、図１（ｃ）に示すように、そのはんだ溶融部１３の表面張力によってＬＥＤ素子３が保持される。
また、はんだペースト１１の溶融によってガスが発生する場合があるが、そのガスによる気泡Ａは、浮力によってはんだ溶融部１３内を図１（ｃ）の破線矢印で示すように上方に移動する。つまり、気泡ＡはＬＥＤ素子３の表面ではなく、ＬＥＤ素子３から離れた基板２の下面に到達する。

また、ＬＥＤ素子３には図１（ｃ）の実線矢印で示すように下向きに重力が作用しているため、はんだ溶融部１３には自身の表面張力とＬＥＤ素子３の下向きの重力とが作用し、若干の引っ張り応力状態となっている。このため、発生したボイドＡは、基板２やＬＥＤ素子３等から加圧されずに、凝集することなく小さい状態のまま基板２の下面付近に分散する。また、はんだ溶融部１３には表面張力が作用しているとともに、ＬＥＤ素子３との接合面には鉛直下向きの重力が均等に作用しており、しかも、ＬＥＤ素子３の付近には気泡Ａが存在していないので、ＬＥＤ素子３は、はんだ溶融部１３に水平姿勢で保持される。
そして、この裏返し状態ではんだが冷却固化されると、気泡Ａは基板２の下面付近ではんだ接合層９に閉じ込められてボイドとなる。一方、裏返しのために下側に配置されていたＬＥＤ素子３は、基板２と平行に固定されるとともに、はんだとの接合面にはボイドがなく、はんだが隙間なく接合した状態となる。つまり、はんだ接合層９の厚さの範囲内において、ＬＥＤ素子３との接合面よりも基板２との接合面の方に接近してボイドが存在することになる。

＜ワイヤボンディング工程、封止工程＞
次いで、ＬＥＤ素子３をパターン導体６にボンディングワイヤ８によって接続し、リフレクタ−４の内側のキャビティを樹脂１０により封止すると、図２に示すＬＥＤ装置１として完成する。
このように製造されたＬＥＤ装置１においては、前述したように裏返し状態でリフロー処理したことから、ＬＥＤ素子３が基板２と平行に固定され、極めて平坦性に優れるものとなっており、ＬＥＤ素子３からの光量の面方向のばらつきや色むらの発生が少ないＬＥＤ装置１となる。
また、ＬＥＤ素子３の傾きが小さいことから、はんだ接合層９は、その厚さが左右均等に形成され、しかも、その周辺部に形成されるフィレット９ａもなだらかな曲面となって安定しており、高い接合強度を発揮することができる。

また、はんだ接合層９に残存するボイドは、基板２付近に小さく分散しているとともに、ＬＥＤ素子３の接合面には接触していないので、ＬＥＤ素子３からの熱は、このＬＥＤ素子３に隙間なく接合したはんだ接合層９の接合面全面から速やかにはんだに伝わり、このはんだから基板２を経由して外部に放出される。この場合、基板２の接合面はＬＥＤ素子３の平面積よりも大きく形成され、その広い接合面に小さいボイドが分散しているので、そのボイドの間を経由する熱伝達面積を広く確保することができる。また、ＬＥＤ素子３の接合強度も高くすることができる。

因みに、ＬＥＤ素子を基板の上方に配置してリフロー処理したとすると、前述したように、はんだ溶融部内で発生したガスがＬＥＤ素子の下面に到達し、ＬＥＤ素子の加圧力によって凝集して大きくなり、この大きい気泡がＬＥＤ素子に接触して固化されるため、ＬＥＤ素子の裏面に大きいボイドによる断熱部が接触状態に形成され、放熱性が損なわれる。

図３は、本実施形態のはんだ付け方法及び従来の通常のリフロー処理によるはんだ付け方法によって接合したときのはんだ接合層の部分を示す拡大断面写真である。（ａ）が本実施形態の方法による実施例品、（ｂ）が従来の方法による比較例品を示している。この図３にも図１及び図２で用いた符号と同じ符号を付して説明する。
いずれも、基板２は、アルミナ製基板を用いて、導体部分にＡｕめっきを施した。
はんだペーストとしては、Ｓｎ：２０質量％を含有し、残部がＡｕからなる成分組成を有し平均粒径：１０μｍを有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を用意し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を市販のロジン系フラックスに、ロジン系フラックス：７質量％を含有し、残部がＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の配合組成となるように配合し、混合して得られるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用した。

この図３に明らかなように、（ａ）に示す本実施例の場合は、ＬＥＤ素子３と基板２との間のボイドＶが小さく分散しているが、（ｂ）に示す比較例の場合は、大きいボイドＶが複数発生しているとともに、ＬＥＤ素子３が傾いて固着されている。
また、はんだ接合層９の周縁部でＬＥＤ素子３の外側にはみ出しているフィレット９ａも、本実施例の場合は、左右ほぼ対称でなだらかな曲線となっているが、比較例の場合は、一方（図の左側）のみにフィレット９ａが形成され、他方（右側）にはほとんど存在していない、極めて不均一な仕上がりとなっている。このため、はんだ接合層９の接合強度も本実施例は比較例のものより十分に大きなものとなり、ＬＥＤ素子３を強固に固定できることがわかる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態ではＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いたが、他のはんだペーストを用いる場合にも本発明を適用することができる。
また、ＬＥＤ素子の例で説明したが、ＬＥＤ素子以外の各種電子部品に用いられる素子に適用することができる。ＬＥＤ素子のようにリフレクタ−を有さない場合には、リフロー処理時に素子を浮かした状態とするために基板の下にスペーサを配置するとよい。

１ ＬＥＤ装置
２ 基板
３ ＬＥＤ素子
４ リフレクタ−
４ａ 反射面
５，６ パターン導体
７ パッド
８ ボンディングワイヤ
９ はんだ接合層
１０ 樹脂
１１ はんだペースト
１２ トレー
１３ はんだ溶融部
Ａ 気泡
Ｖ ボイド

Claims (2)

1. 基板にはんだにより素子を仮付けしておき、前記素子を前記基板の下方に配置した状態として前記はんだを溶融した後、冷却して凝固・固化させることを特徴とする素子のはんだ付け方法。
2. 前記基板へのはんだの接合面を前記素子への接合面よりも大きくすることを特徴とする請求項１記載の素子のはんだ付け方法。