JP2011243853A

JP2011243853A - 実装構造体

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Publication number: JP2011243853A
Application number: JP2010116353A
Authority: JP
Inventors: Kiyohiro Hine; 清裕日根; Shigeaki Sakatani; 茂昭酒谷; Akio Furusawa; 彰男古澤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: US20110284278A1; JP5807145B2; US8552307B2; CN102281751A; CN102281751B

Abstract

【課題】ＳＭＴ方式により実装構造体を作製する際、フラックスの熱ダレによるはんだ流動を抑え、はんだボールの発生を抑制する。
【解決手段】実装構造体１８は、絶縁基板１０上の基板電極１１に設けた電極切欠部１２と、基板電極１１と接合する電子部品電極１６を備えた電子部品１５からなる。電極切欠部１２の位置は、接合のため載置された電子部品１５の電子部品電極１６と基板電極１１とが重なる領域内の、電子部品１５の長手軸Ａ−Ａ’上の端点１２ａと、長手軸Ａ−Ａ’上で電子部品１５の外側方向に電子部品電極１６と重なる領域外の基板電極１１境界上の端点１２ｂとの間である。電極切欠部１２の端点１２ｂ側は基板電極１１を貫通するように設けている。この電極切欠部１２により、接合する際、電子部品１０４下部の空間Ｓへのフラックスの流動を抑制して、はんだの電子部品１０４下部への流動を防止できはんだボールの発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装技術（Surface Mount Technology、以下ＳＭＴと略記する）方式で作製される実装構造体に関するものである。

従来の実装構造体は、次のような一連のＳＭＴ方式の工程によって作製される。まず、球状の固体金属のはんだと液状のフラックスで構成されたはんだペーストが、絶縁基板の表面に設けられた基板電極上に、マスク印刷で塗布される。次に、電子部品電極を有するチップコンデンサやＩＣなどの電子部品が、はんだペースト上に搭載される。そして、はんだの融点以上まで加熱することで、はんだが溶融する。最後に、冷却することによってはんだを凝固させ、基板電極と電子部品電極が導通接続される。

このＳＭＴ方式の工程による実装構造体の作製工程において、はんだボールの発生という問題が生じることがある。

図１２は実装構造体のはんだボールが発生した場合の要部拡大図である。図１２において、２１は基板電極、２３はレジスト、２５は電子部品、２６は電子部品電極、２７はフラックスとはんだで構成されるはんだペースト、２９ははんだボールである。

はんだボール２９は、図１２に示すような球状のはんだであり、電子部品２５の脇のレジスト２３上に発生する。はんだボール２９は、基板電極２１上に印刷されたはんだペースト２７が、電子部品２５搭載時に電子部品２５下部のレジスト２３上に押し出されること、または、加熱時に起こるフラックスが流動する熱ダレによってはんだが電子部品２５下部へ流動することが原因で発生する。

このはんだボール２９は、基板電極２１や電子部品電極２６と金属的に接合されていないため、力学的負荷が生じた際に電子部品２５脇から脱落する可能性がある。脱落したはんだボール２９は、電気的に接続されない２つの基板電極間に移動し、短絡を発生させる可能性があるため、電子機器の誤動作や故障という不良を生じさせる原因となる。特に、自動車用途の絶縁基板の場合、動作時の振動などの力学的負荷が大きく、はんだボール２９の脱落の発生頻度が高いため、はんだボール２９の発生を抑制することが、機器の安全性や動作信頼性の面で重要である。

従来のはんだボールの発生を抑制することを目的とした実装構造体としては、電子部品を搭載する際のはんだペーストの部品下部への流出を抑制した形状のものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１３は特許文献１に記載された実装構造体の構造を示す（ａ）が側面図および（ｂ）が上面図である。

図１３（ａ），（ｂ）の実装構造体は、電子部品２５、電子部品電極２６、はんだペースト２７、基板電極２１を有する絶縁基板２０で構成されている。

図１３（ａ），（ｂ）において、電子部品電極２６の下側では、はんだペースト２７の縁部、すなわちメタルマスクの開口部の縁部を基板電極２１の縁部よりも内側となるようにメタルマスクの開口部を形成し、はんだペースト２７の総量を著しく少なくすることなく、電子部品２５を搭載する際に基板電極２１から押し出されるはんだペースト２７の量を少なくすることによって、はんだボールの発生を抑制している。

特開２００２−３５９４６１号公報

しかしながら、図１３（ａ），（ｂ）に示した従来の構成では、基板電極２１上に印刷されたはんだペースト２７が、電子部品２５搭載時に電子部品２５下部に押し出されることは抑制できるが、ＳＭＴ方式の工程において加熱時に起こるフラックスの流動する熱ダレは抑制できないため、電子部品２５下部へのはんだの流動は抑制できない。

熱ダレによるフラックスの流動の際に、基板電極２１および絶縁基板２０と、電子部品２５との間には、幅１００μｍ程度の空間Ｓが形成されているため、毛細管現象による電子部品２５下部向きの力がフラックスに生じ、フラックスが流動する。これに起因して、基板電極２１上のはんだが電子部品２５の下部に流動する。このはんだが凝固時に電子部品２５の脇に存在することにより、はんだボールが生成される。

このように、熱ダレによるはんだの流動が、はんだボール発生の主要因であるため、前記従来の構成では、はんだボールの抑制効果は不十分である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、フラックスの熱ダレによるはんだの流動を抑制し、はんだボールの発生を抑制する実装構造体を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る実装構造体は、
電子部品電極、および基板電極とレジストを有する絶縁基板がはんだペーストを用いて絶縁基板の基板電極に接合される電子部品を有する実装構造体において、少なくとも１つの電極切欠部を基板電極に有し、電極切欠部は、この電極切欠部の幅ｈ、深さｘ、本数ｎとしたとき、条件「０＜ｈ≦ｎ（ｘ＋７５）」を満足し、基板電極と電子部品電極が接合される領域内の任意の位置から基板電極の電子部品電極が接合される領域外で基板電極境界上の任意の位置までを貫通する長さに形成されていること、さらに、レジストに有するレジスト切欠部が、電極切欠部の基板電極境界上の位置から電極切欠部の延長線上に任意の位置まで形成されていることを特徴とする。

前記構成によれば、電極切欠部に毛細管現象によるフラックスの流れを発生させ、電子部品下部の空間へ流れるフラックスの抑制を行うことができる。

本発明によれば、ＳＭＴ方式の工程において加熱時の熱ダレによる電子部品下部へのフラックスの流れが抑制され、電子部品下部へのはんだの流動が抑制できるため、はんだボールの発生を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態１における実装構造体の拡大要部を示す（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図本実施形態１の電極切欠部幅を変化させたはんだボール発生率の変化を示す図本実施形態１のはんだボール発生率と発生はんだボールの最大直径との関係を示す図本発明の実施形態２における電極切欠部幅とはんだボール発生率の変化を示す図本実施の形態１，２の電極切欠部深さと電極切欠部最大幅の関係を示す図本発明の実施形態３における電極切欠部長さとはんだボール発生率の変化を示す図本発明の実施形態４における実装構造体の拡大要部を示す上面図本実施形態４の電極切欠部幅とはんだボール発生率の変化を示す図本実施形態４の電極切欠部を複数本設けた実装構造体の例（ａ），（ｂ）を示す図本実施形態の電極切欠部を複数本設けた実装構造体の他の例（ａ）〜（ｄ）、実装構造体の他の基板電極例（ｅ），（ｆ）を示す図本実施形態の実装構造体における電極切欠部の他の構成（ａ），（ｂ）を示す断面図従来の実装構造体にはんだボールが発生した要部拡大図従来の実装構造体の構造を示す（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における実装構造体の拡大要部を示す（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。

図１（ａ），（ｂ）の実装構造体１８は、表面に基板電極１１とレジスト１３を有する絶縁基板１０、電子部品電極１６を有する電子部品１５、そして基板電極１１と電子部品電極１６の接合に用いるはんだペースト１７で構成されている。基板電極１１は電極切欠部１２を１つ有している。はんだペースト１７は、金属組成Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−６．０Ｉｎ、粒径３８〜５３μｍのはんだに、フラックスを１０ｗｔ％混合したものであり、粘度は約２００Ｐａ・ｓである。

基板電極１１は、銅箔を張り合わせた絶縁基板１０において、所定のパターンに銅箔をエッチング加工することにより形成する。基板電極１１の厚みは３５μｍである。基板電極１１の形状は長方形であり、基板電極１１の寸法は、載置する電子部品１５の方向で示すが、長手軸方向０．７ｍｍ、短手軸方向０．９ｍｍである。

電極切欠部１２は、寸法、幅については後述するが、ケミカルエッチングで基板電極１１の一部を厚み方向に完全に除去することによって形成している。電極切欠部１２の位置について、電子部品１５が載置された基板電極１１の配置を利用して説明する。

電極切欠部１２の位置は、接合のため載置された電子部品１５の電子部品電極１６と基板電極１１とが重なる領域内の、電子部品１５の長手軸Ａ−Ａ’上の端点１２ａと、長手軸Ａ−Ａ’上で電子部品１５の外側方向に電子部品電極１６と重なる領域外で基板電極１１境界上の端点１２ｂとの間である。電極切欠部１２は端点１２ｂ側が基板電極１１を貫通するように設けており、電極切欠部１２の長さは０．３ｍｍである。また、電極切欠部１２の深さｘは基板電極１１の厚みと同じ３５μｍである。

はんだペースト１７は、基板電極１１および電極切欠部１２上に、印刷機および厚さ１５０μｍのメタルマスクを用いて塗布されている。

電子部品１５は、１６０８サイズのチップ抵抗を用い、マウンタによって搭載されている。

電子部品電極１６と基板電極１１の導通接続は、大気雰囲気のリフロー炉を用いて、ピーク温度約２３５℃まで加熱することで行っている。

図２は、本実施形態１において、電極切欠部１２の幅ｈを変化させた場合の、はんだボールの発生率の変化を示した図である。

本実施形態１において準備した電極切欠部１２の幅ｈと、はんだボール発生率を（表１）に示す。

図３は、本実施形態１におけるはんだボール発生率と、発生するはんだボールのうち、最大のものの直径との関係を示した図である。図３で示した値を（表２）に示す。

図３に示すように、はんだボールの発生率が高いほど、直径が大きなはんだボールが発生しやすくなる。また、従来例では、発生するはんだボールのうち、最大のものの直径は約２１０μｍである。現在一般的に使用されているＢＧＡ部品の端子間隔の最小値は２００μｍ程度であるため、この間隔以上のはんだボールが発生した場合に短絡が発生する可能性が大きくなる。そのため、本発明の効果が発現されているとするはんだボール発生率の上限値を、２００μｍ以上のはんだボールが発生しない２０％以下とした。

図２に示すように、電極切欠部１２の幅が９０〜１２０μｍの間では、電極切欠部１２の幅ｈが小さくなるにつれてはんだボール発生率が低くなり、１１０μｍ以下の場合に本発明の効果が発現され、９０μｍ以下の場合にはんだボール発生率が０％となっている。

図２の結果から、本実施形態１においてはんだボールの抑制を行うためには、電極切欠部１２の幅ｈを１１０μｍ以下に設定することが必要であり、特に、９０μｍ以下に設定することが望ましい（ただし、電極切欠部１２を設けない場合である０μｍは除く）。

かかる構成によれば、ＳＭＴの加熱時の熱ダレによるフラックスの流動時に、電極切欠部１２付近のフラックスに毛細管現象による力が働き、電極切欠部１２の周辺部に存在するフラックスから順に電極切欠部１２に引き込まれる。その結果、電極切欠部１２方向へのフラックスの流れが発生し、熱ダレによる電子部品１５下部の空間Ｓへのフラックスの流動と、それに伴うはんだの流動が抑制される。

以上のように、本実施形態１の実装構造体１８によれば、電子部品１５下部へのはんだの流動が抑制できるため、はんだボールの発生を抑制することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２においては、図１において基板電極１１の厚みを１０５μｍに変化して実施している。電極切欠部１２の深さｘは、基板電極１１の厚みと同じ１０５μｍである。電極切欠部１２の位置は、載置された電子部品１５の電子部品電極１６と重なる領域の、電子部品１５の長手軸Ａ−Ａ’上の端点１２ａと、長手軸Ａ−Ａ’上の電子部品１５外側方向の端点１２ｂとの間である。電極切欠部１２の端点１２ｂ側が貫通するように設けており、電極切欠部１２の長さは０．３ｍｍである。

図４は本実施形態２において電極切欠部１２の幅ｈを変化した際の、はんだボール発生率の変化を示す図である。

本実施の形態２において準備した電極切欠部１２の幅ｈと、はんだボール発生率を（表３）に示す。

実施形態１の場合と同様に、本発明の効果が発現するはんだボール発生率の基準値は２０％以下とした。

図４に示すように、電極切欠部１２の幅ｈが１３０〜２１０μｍの間では、電極切欠部１２の幅ｈが小さくなるにつれてはんだボール発生率が低くなり、１９０μｍ以下の場合に本発明の効果が発現され、１３０μｍ以下の場合にはんだボール発生率が０％となっている。

図４の結果から、本実施形態２においてはんだボールの抑制を行うためには、電極切欠部１２の幅ｈを１９０μｍ以下に設定することが必要であり、特に、１３０μｍ以下とすることが望ましい。

図５は本実施の形態１，２における電極切欠部１２の深さｘと、本発明の効果を発現する電極切欠部１２の最大幅ｈの関係を示す図である。

図５に示すように、電極切欠部１２の深さｘが３５μｍの場合に電極切欠部１２の最大幅ｈは１１０μｍであり、電極切欠部１２の深さｘが１０５μｍの場合に電極切欠部１２の最大幅ｈは１９０μｍである。

電極切欠部１２の深さｘが大きいほど、電極切欠部１２の側面積は大きくなる。そのため、毛細管現象による電極切欠部１２方向へのフラックス流れの作用が大きくなり、本発明の効果を発現する電極切欠部１２の幅ｈをより大きく設計することができる。

図５から、電極切欠部１２の本数ｎが１本の場合、基板電極の厚みの範囲が一般的な９μｍ以上１０００μｍ以下の場合において、電極切欠部１０２の幅ｈと深さｘが「０＜ｈ≦ｘ＋７５」の関係を満たす場合に、本発明の効果が発現する。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、図１において電極切欠部１２の端点１２ａの位置を変化して実施している。電極切欠部１２のもう一方の端点１２ｂの位置は実施形態１，２と同様であり、電極切欠部１２の端点１２ａの位置によって電極切欠部１２の長さが決定するため、以降は電極切欠部１２の端点１２ａの位置を、電極切欠部１２の長さで示す。本実施形態３の電極切欠部１２の深さｘは基板電極１１の厚みと同じ３５μｍ、幅ｈは８０μｍである。

図６は本実施形態３における電極切欠部１２の長さとはんだボールの発生率の変化を示す図である。電極切欠部１２の長さが０．３ｍｍのとき、電極切欠部１２の端点１２ａが電子部品電極１６の端部にある状態であり、０．７ｍｍのとき、電極切欠部１２は基板電極１１を貫通した状態である。

本実施形態３において準備した電極切欠部１２の長さと、はんだボール発生率を（表４）に示す。

実施形態１，２の場合と同様に、本発明の効果が発現するはんだボール発生率の基準値は２０％以下とした。

図６に示すように、電極切欠部１２の長さが０〜０．２ｍｍの間では、はんだボール発生率が２０％より大きく、０．３〜０．６ｍｍではんだボール発生率が０％であり、０．７ｍｍでははんだボール発生率が５０％と大きくなっている。

図６の結果から、電極切欠部１２の端点１２ａを基板電極１１との接合領域となる電子部品電極１６下部に設けた場合は、はんだボールの発生率が０％となっている。

しかしながら、電極切欠部１２の長さが小さく、電極切欠部１２の端点１２ａが電子部品電極１６下部以外の場所に設けられている場合は、電子部品電極１６下部に存在するフラックスの流動に印加される毛細管現象による力が小さいため、はんだボールの発生を抑制する効果が不十分である。また、電極切欠部１２が貫通してしまう場合も、毛細管現象による電子部品１５下部向きの力が発生するため、はんだボールの発生を抑制する効果が不十分である。このため、本発明の効果を発現するためには、実施の形態１，２で示した電極切欠部１２の幅ｈと深さｘの関係を満たし、かつ電極切欠部１２の一方の端点１２ａは、電子部品１５の電子部品電極１６下部に設けることが必要である。

（実施形態４）
図７は本発明の実施形態４における実装構造体の拡大要部を示す上面図である。図７において、前述した図１と同じ構成要素については同じ符号を用いて、その重複する説明は省略する。

図７に示す実装構造体１８のレジスト１３にレジスト切欠部１４を設けたものである。レジスト切欠部１４の位置は、電極切欠部１２の端点１２ｂと、電極切欠部１２の延長線上の点との間である。レジスト切欠部１４は、レジスト１３塗布時に用いるマスクに、レジスト切欠部１４のパターンを与えることによって形成している。

図８は本実施形態４における電極切欠部の幅とはんだボール発生率の変化を示す図である。本実施形態４において準備した電極切欠部１２の幅と、はんだボール発生率を（表５）に示す。

実施形態１〜３の場合と同様に、本発明の効果が発現するはんだボール発生率の基準値は２０％以下とした。

図８に示すように、電極切欠部１２の幅ｈが９０〜１２０μｍの間では、電極切欠部１２の幅ｈが小さくなるにつれてはんだボール発生率が低くなり、１２０μｍ以下の場合に本発明の効果が発現され、９０μｍ以下の場合にはんだボール発生率が０％となっている。

図２と図８を比較すると、本実施形態４では、実施形態１と比較して、はんだボール発生率が小さくなっている。この結果から、かかる構成によれば、レジスト切欠部１４を設けることによって、実施形態１よりも切欠部分が長くなり、毛細管現象による力がより大きくなるため、はんだボールの発生を抑制する効果がより大きくなる。

なお、各実施形態において、電極切欠部１２の本数を１本のみとして説明したが、本発明は電極切欠部１２の数は１つに限定されるものではなく、例えば図９（ａ），（ｂ）のように複数本設けても本発明の効果を発現する。その場合、電極切欠部の本数ｎと毛細管現象による力の大きさは比例するため、電極切欠部１２の幅ｈと深さｘと本数ｎとは、「０＜ｈ≦ｎ（ｘ＋７５）」の関係を満たすことが必要である。

また、図示しないが、図９（ａ），（ｂ）に示す構造においても、前述した実施形態４のように、電極切欠部１２の延長線上にレジスト切欠部１４を設けてもよい。

各実施形態においては、基板電極１１の材質は銅であり、基板電極１１の寸法は、載置する電子部品１５の方向で示した場合の長手軸方向０．７ｍｍ、短手軸方向０．９ｍｍであるが、毛細管現象による力は基板電極１１の材質、形状によらず発生するため、本発明はこれに限定されず、例えば基板電極表面にめっきを施したり、寸法が異なる場合でもよい。

また、各実施形態では、電極切欠部１２を長手軸Ａ−Ａ’に平行に設けた場合のみであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子部品１５下部へのフラックスの流動を抑制すればよいため、例えば図１０（ａ）〜（ｄ）のように、短手軸Ｂ−Ｂ’（図１参照）に平行に設けたり、放射状に設けてもよい。

また、各実施形態において、基板電極１１の形状は長方形となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１０（ｅ），（ｆ）のように基板電極１１が円型など他の形状としてもよい。

また、各実施形態において、電極切欠部１２は、完全に銅箔を除去したもののみであるが、毛細管現象が生じれば、本発明の効果を発現するため、例えば図１１（ａ）のように電極切欠部１２に傾斜があっても、図１１（ｂ）のようにハーフエッチングであってもよい。

また、各実施形態において、電極切欠部１２、レジスト切欠部１４の形成方法をケミカルエッチングによって行っているが、特に、形成方法に制限はなく、例えばレーザエッチングで形成してもよい。

本発明に係る実装構造体は、ＳＭＴ方式の工程において加熱時の熱ダレによる電子部品下部へのフラックスの流れが抑制され、電子部品下部へのはんだの流動が抑制できるため、はんだボールの発生を抑制することができ、ＳＭＴ方式の作製に有用である。

１０，２０絶縁基板
１１，２１基板電極
１２電極切欠部
１２ａ，１２ｂ端点
１３，２３レジスト
１４レジスト切欠部
１５，２５電子部品
１６，２６電子部品電極
１７，２７はんだペースト
１８実装構造体
２９はんだボール

Claims

電子部品電極、および基板電極とレジストを有する絶縁基板がはんだペーストを用いて前記絶縁基板の基板電極に接合される電子部品を有する実装構造体において、
少なくとも１つの電極切欠部を前記基板電極に有し、前記電極切欠部は、該電極切欠部の幅ｈ、深さｘ、本数ｎとしたとき、条件「０＜ｈ≦ｎ（ｘ＋７５）」を満足し、前記基板電極と前記電子部品電極が接合される領域内の任意の位置から前記電子部品電極が接合される領域外で前記基板電極境界上の任意の位置までを貫通する長さに形成されていることを特徴とする実装構造体。
前記レジストに有するレジスト切欠部が、前記電極切欠部の基板電極境界上の位置から前記電極切欠部の延長線上に任意の位置まで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の実装構造体。