JP2012099514A - 電気回路基板の製造方法、及び電気回路応用製品 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性に優れた回路実装を低コストで実現できる電気回路基板の製造方法、を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１に、第一半田材料を超音波半田付けすることにより半田パターン２を形成する第一工程と、第一半田付け工程で形成された半田パターン２上に、第一半田材料とは組成が異なる第二半田材料の半田ペースト層３を形成する第二工程と、半田ペースト層３の上に電気回路部品４を配置する第三工程と、第一半田材料の融点又は液相線温度より低く、且つ第二半田材料の融点又は液相線温度より高い設定温度によって電気回路部品を半田付けする第四工程と、を有して電気回路基板を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気回路基板の製造方法、及び電気回路応用製品に関し、特に、照明部品のように発熱を伴う電気回路部品を、放熱特性に優れた回路実装できる電気回路基板に関する。

照明器具のような電気回路応用製品において、電力損失が大きく発熱が無視できない回路部品については、放熱特性に優れた回路実装とするのが望ましい。

一般に放熱特性に優れた高熱伝導率の材料は金属である。しかし、単純に金属構造物上に電気回路部品を実装したのでは、その導電性のために、意図しない電気的導電箇所が発生して、設計通りの回路動作を実現することが困難となる。すなわち、電気的回路部品を高放熱に実装することは、高放熱性と絶縁性とを両立させる必要があり、この点の工夫が必要となる。

そこで、このような用途で使用される回路基板として、ガラスエポキシ基板より放熱性能に優れた金属基板やセラミック基板が知られている。

金属基板に於いては、アルミや鉄などの金属板上に、銅等の金属箔を、絶縁且つ熱伝導性のエポキシ等の樹脂により接着し、銅箔のエッチングにより回路パターンを構成した構成となっている。ここでエポキシ等の樹脂は、放熱性向上の為にフィラーを混合する場合も有るが、一般に熱伝導率１〜４Ｗ／ｍ・Ｋ程度の材料が使用され、アルミナの熱伝導率２１〜２９Ｗ／ｍ・Ｋと比較して１桁低いものとなっており、基板として部品実装した際の放熱性もセラミック基板と比較して金属基板は劣る場合が多い。

また放熱性向上の為にエポキシ等の樹脂の厚さを薄くするとパターンと金属板との間での容量結合が生じ、特に動作周波数の高い回路に於いては回路動作に支障をきたす場合があるという問題もあった。

そこで、高放熱が必要な用途、且つ／又は、回路基板内での容量結合が回路動作に支障をきたす用途の場合は、回路基板としてはセラミック基板が使用される場合が多い。

特開２００１−１２１２８７号公報 特開２００６−２５３１９９号公報 特開平６−２８３８５３号公報

セラミック基板に於いては、アルミナ・窒化アルミ・窒化珪素等のセラミックスの板の片面上又は両面に、回路パターンを形成する導電性材料を接合する必要が有るが、回路パターンを形成する導電性材料は一般に金属であり、また一般に金属とセラミックスの接合は困難でありことから、従来のセラミック基板の製造に於いてはいずれも複雑な工程又は高価な原料を必要とし、基板の低コスト化を妨げていた。

例えば、特許文献１に記載の方法に於いては、窒化アルミのセラミック板と、金属のアルミ板を、ろう付けにより接合しているが、ろう付けの為に、加圧しながら真空中での６００℃での加熱の工程を必要とし、基板の低コスト化を妨げていた。

また、例えば特許文献２に記載の方法に於いては、セラミックグリーンシートに、回路パターンを形成するメタライズパターンを印刷して、セラミックスの焼成とメタライズを同時に行っているが、セラミックスの焼成の為に、１６００℃での加熱の工程を必要としている。さらに１６００℃に於いても溶融しないメタライズ材料として、タングステン、モリブデン等の高価な金属材料を必要とし、基板の低コスト化を妨げていた。

一方、セラミック板に超音波を活用して半田付けを行う方法（以下超音波半田付け）が知られており、又超音波半田付け用半田として、例えばＰｂ−Ｓｎ系半田にＺｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｃｕを添加したものが知られている。

しかしながら、超音波半田付けによってセラミック板上に半田を接合することは可能となるものの、電子回路部品を実装することは困難であり、セラミック基板の製造に応用することは困難であった。

例えば特許文献３に記載の方法に於いては、超音波振動装置のチップ先端と付着半田表面との間隔を５０μｍ〜２００μｍ程度とする、即ち、半田付け箇所の極めて近傍に超音波振動装置の先端を設置する必要があり、電気回路部品例えば、ＴＯ−３Ｐ等の大型ヒートシンクを底面に有する面実装部品や、チップ抵抗・チップコンデンサ等の小型チップ面実装部品に関しては、超音波半田付けにて直接的にセラミック板上に実装することは困難であった。

又超音波半田付けによりセラミック板上に半田を接合し、後工程にて該半田の上に再度半田付けしようとすると、半田の食われ現象が生じ良好な半田付けを妨げるので、超音波半田付けと従来の半田付けの組み合わせによる実装も困難であった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、放熱特性に優れた回路実装を低コストで実現できる電気回路基板の製造方法、及び、製造された回路基板を搭載した電気回路応用製品を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、セラミックス部材に、第一半田材料を超音波半田付けすることにより回路パターンを形成する第一半田付け工程と、第一半田工程で形成された回路パターン上に、第一半田材料とは組成が異なる第二半田材料の半田層を介在して電気回路部品を配置する配置工程と、第一半田材料の融点又は液相線温度より低く、且つ第二半田材料の融点又は液相線温度より高い設定温度によって電気回路部品を半田付けする第二半田付け工程と、を有して電気回路基板を製造している。

本発明では、第一半田付け工程において超音波半田付けを採用するので、超音波の超高速振動（幅数μｍ）から発生するキャビテーションによって、はんだ付母材（セラミック材）表面の汚れの除去、酸化膜の還元、金属拡散、気泡の除去等が促進され、優れた接着性能を発揮することができる。

また、本発明では、第一半田材料とは組成が異なる第二半田材料で、半田層を形成するので、セラミック材への接着と、第一半田材料及び電気回路部品との接着に対して、半田組成及び半田付け温度を各々最適化することができる。なお、配置工程では、ぺースト状の第二半田材料を、第一半田材料の上に塗布又は印刷して半田層を形成するのが好適である。但し、電気回路部品の電極に第二半田材料を塗布した状態で、第一半田材料の上に電気回路部品を配置しても良い。

第二半田付け工程は、第一半田材料の融点又は液相線温度より低く、且つ第二半田材料の融点又は液相線温度より高い設定温度によって半田付け作業が実行される。なお、本発明では、「融点又は液相線温度」と規定するのは、使用対象となる半田の融点が規定されている場合と、固相線温度と液相線温度とが規定される場合とがあるからである。

何れにしても、第一半田材料の融点又は液相線温度は、第二半田材料の融点又は液相線温度より４０℃以上高いのが好ましく、更に好ましくは、温度差を１５０℃以上とすべきである。

また、第一半田材料としては、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕを主成分とするＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ，Ｃｕを主成分とするＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ，Ｓｂを主成分とするＳｎ−Ｓｂ系、又は、Ｚｎ，Ａｌを主成分とするＺｎ−Ａｌ系のものを好適に例示することができる。なお、何れの場合も鉛フリーの組成である。

上記した第一半田材料には、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｂのいずれか一つ又は複数を添加することができる。このような添加物によって、食われ防止、半田の酸化防止、濡れ性の向上、機械的特性（接着強度）の向上、金属間化合物粒成長抑制などの効果を発揮することができる。

また、上記した第一半田材料に、Ｚｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｃｕのいずれか一つ又は複数を添加することができ、このような添加によってセラミックス部材への接合性を向上させることができる。

第二半田材料としては、好ましくは、Ｓｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５が選択される。なお、本明細書における材料の特定は、ＪＩＳＺ３２８２の種類表記にしたがう。

Ｓｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５の液相線温度は、２１９℃であるので、これに対応して第一半田材料は、＋４０℃（好ましくは、＋１５０℃）の条件を満たすべく、２５９℃以上（好ましくは、３６９℃以上）の液相線温度のものが好適に選択される。具体的には、第一半田材料として、Ｓｎ９７Ｃｕ３、Ｓｎ９２Ｃｕ６Ａｇ２、又はＳｎ９５Ｃｕ４Ａｇ１を例示することができる。

一方、第二半田材料として、中低温系の鉛フリー半田を選択するのも好適であり、例えば、Ｓｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３が好適に選択される。このＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３の液相線温度１９６℃であり、このような中低温系の半田材料を選択することで、第一半田材料の選択肢を広げることができる。すなわち、液相線温度１９６℃に対応して第一半田材料は、＋４０℃（好ましくは、＋１５０℃）の条件を満たすべく、２３６℃以上（好ましくは、３４６℃以上）の液相線温度のものが好適に選択される。具体的には、Ｓｎ９５Ｓｂ５，Ｓｎ９７Ｃｕ３，Ｓｎ９２Ｃｕ６Ａｇ２，Ｓｎ９５Ｃｕ４Ａｇ１，Ｓｎ９５Ａｇ５を例示することができる。

ところで、第一半田材料と第二半田材料との融点又は液相線温度の差が大きい程、第二半田付け工程の設定温度範囲が広くなり、作りやすさが向上して、製造工程上が有利であって製品の低価格化にも効果的である。

この意味において、高温鉛フリー半田であるＺｎ−Ａｌ系では融点３８５℃の半田（ソルダーコート製、ＬＬＳ３８５）も知られており、第一半田材料として好適である。また、Ｓｎ９２Ｃｕ６Ａｇ２は液相線温度３７３℃であるが、Ｓｎ−Ｃｕ系の半田では、Ｃｕの含有量が増す程に液相線温度が上昇するので、第一半田材料として、Ｃｕ／Ｓｎ重量組成比が６／９２以上となるＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリー半田が好適に使用される。

そして、入手容易性などの観点から、第二半田材料として、一般的な鉛フリー半田であるＳｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５（液相線温度２１９℃）を使用する場合には、第一半田材料は、Ｚｎ−Ａｌ系、又は、Ｃｕ／Ｓｎ重量組成比が６／９２以上となるＳｎ−Ｃｕ系であって、融点又は液相線温度が２５９℃以上（より好ましくは３６９℃以上）のものを使用するのが好適である。

また、第二半田材料として、一般的な中低温系鉛フリー半田であるＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３（液相線温度１９６℃）を使用する場合には、第一半田材料は、Ｚｎ−Ａｌ系、又は、Ｃｕ／Ｓｎ重量組成比が６／９２以上となるＳｎ−Ｃｕ系であって、融点又は液相線温度が２３６℃以上（より好ましくは３４６℃以上）のものを使用するのが好適である。

なお、近年の鉛フリー化の流れにより鉛含有の半田は、敢えて挙げていないが、鉛フリーの必要が無い用途であれば、鉛含有の半田を選択肢に入れることで、本発明の条件に合う半田の選択範囲はさらに広がる。

ところで、セラミックス部材は、典型的には、板状のセラミック板として使用される。但し、ヒートシンク形状や箱型形状のセラミック焼結体を使用して、ヒートシンク直接実装の回路やシャーシ直接実装の回路を構成するのも好適である。

上記した本発明の製造方法によれば、所定の接着強度を維持して、放熱特性に優れた回路実装を低コストで実現することができる。また、本発明によって製造された電気回路基板は、照明装置のように発熱を伴う電気回路応用製品に使用され、ＬＥＤなどの電気素子に対して所定の接着強度を維持して、優れた放熱性能を発揮する。

実施例に係る電気回路基板の製造方法を説明する図面である。 半田食われについての確認実験を説明する図面である。

以下、実施例に基づいて本発明の製造方法を説明する。図１は、セラミック基板１に、超音波半田付けによって回路パターン（半田パターン２）を形成する第一工程（ａ）と、第一工程で形成された半田パターン２上に、半田層（半田ペースト層３）を印刷形成する第二工程（ｂ）と、半田ペースト層３の上に電気回路部品（ＬＥＤ４）を配置した上で（第三工程）、所定の設定温度でＬＥＤ４を半田付けする第四工程とを示す図面である。

第四工程では、半田パターン２と半田ペースト層３とが接触した状態で、半田ペースト層２を溶融させる必要がある。このとき第四工程の設定温度が半田パターン２の融点又は液相線温度を超えていれば、半田ペースト層３のみならず半田パターン２も溶融してしまうが、第四工程の設定温度が半田パターン２の融点又は液相線温度を超えていない場合にも、半田パターン２の一部又は全部が溶融する現象（食われ）が生じることがある。

即ち、半田パターン２と半田ペースト層３の接触部分２３に於いて、両者の反応により、半田パターン２より融点又は液相線温度又は固相線温度が低い低融点相２３が形成され、第四工程の設定温度に於いても低融点相の一部又は全部が溶融することがある。

一般に半田合金に於いては固相線温度と液相線温度がある場合があり、固相線温度と液相線温度の間の温度に於いては、固相と液相が混在する状態にある。仮に、第四工程において、半田パターン２が全く溶融しないことを目指すと、半田パターン２の固相線温度と半田ペースト層３の液相線温度に十分な差が必要となるが、そのような半田の組み合わせは現状では存在しない。

そこで、本実施例では、半田パターン２（第一半田材料）について、高融点の合金組成を主成分とする材料であって、これが第四工程において全く溶融しないのではなく、半田パターン２の一部でも固相が存在する半田材料を使用している。即ち、低融点相２３及び半田パターン２の一部溶融しても、半田パターン２に固相が存在すればマトリクスが形成され、半田パターン２の形状が維持され食われを防止し、又セラミックスとの接合も維持するので、半田パターン２（第一半田材料）の固相線温度ではなく、融点又は液相線温度に着目して半田材料を選定している。

具体的には、半田パターン２を構成する第一半田材料は、セラミックスへの超音波半田付けに適する組成とし、且つ融点又は液相線温度を、半田ペースト層３（第二半田材料）の融点又は液相線温度より４０℃以上、好ましくは１５０℃以上高いものとしている。また、第四工程の設定温度を、半田パターン２の融点又は液相線温度より低く、且つ半田ペースト層３の融点又は液相線温度より高く設定することで、低融点相の溶解が皆無、又は半田パターン２の食われを防止している。

半田パターン２を構成する第一半田材料と、半田ペースト層３を構成する第二半田材料の具体的な選定は、前記した通りであり、何れの組み合わせにおいても所望の接着強度が発揮されることは実験的に確認している。すなわち、第一半田材料２とセラミックス１との超音波半田付け（第一工程）と、第二半田材料３と電気回路部品４とのリフロー半田付け（第四工程）とを組合せても、１２５Ｎ以上の引っ張り強度が発揮されることを確認している。

また、第一半田材料と第二半田材料との適宜な組合せと、第四工程の設定温度とによって食われを防止できることも確認している。具体的には、先ず、１０６×１０６×０．８ｍｍのセラミックス（アルミナ板など）を、６×５＝３０個の矩形領域に区分し、この中の６×３＝１８個の領域に、第一半田材料を超音波半田付けした。次に、第一半田材料の上に第二半田材料を印刷し、電気部品の電極材料を配置して、リフローにより部品実装して半田食われの有無を確認した。その確認実験のごく一部を説明すると以下の通りである。

アルミナ板上に、超音波半田付けにて、固相線温度２３８℃、液相線温度２４１℃の半田Ｓｎ９５Ｓｂ５（第一半田材料）にて、パターン２を形成した。

このパターン上に、固相線温度１８７℃、液相線温度１９６℃の半田ペーストＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３（第二半田材料）を印刷し、電極材料４を搭載した。

そして、リフロー温度２０５℃、すなわち超音波半田付けの半田の液相線温度より低く、半田ペーストの液相線温度より高いリフロー温度にてリフローし、部品実装した。

この工法により、アルミナ板上にＳｎ９５Ｓｂ５にてパターンが形成され、該パターン上にＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３にてリフローにより部品が実装された基板が構成された。このときＳｎ９５Ｓｂ５に関して食われ等の有害な溶融はみられなかった（図２（ａ）参照）。また、十分な接着強度と電気的特性を得た。

アルミナ板上に、超音波半田付けにて、固相線温度２２９℃、液相線温度３６３℃の半田Ｓｎ９４．７５Ｃｕ５Ｎｉ０．２５（第一半田材料）にて、パターン２を形成した。

このパターン上に、固相線温度１８７℃、液相線温度１９６℃の半田ペーストＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３（第二半田材料）を印刷し、電極材料４を搭載した。

そして、リフロー温度２０５℃、すなわち超音波半田付けの半田の液相線温度より低く、半田ペーストの液相線温度より高いリフロー温度にてリフローし、部品実装した。

この工法により、アルミナ板上にＳｎ９４．７５Ｃｕ５Ｎｉ０．２５にてパターンが形成され、該パターン上にＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３にてリフローにより部品が実装された基板が構成された。このときＳｎ９４．７５Ｃｕ５Ｎｉ０．２５に関して食われ等の有害な溶融はみられなかった（図２（ａ）参照）。また、十分な接着強度と電気的特性を得た。

比較例

アルミナ板上に、超音波半田付けにて、融点２１７℃の市販の鉛フリーセラミックス接合用半田（以下＃２１７）にて、パターン２を形成した。

該パターン上に、固相線温度１８７℃、液相線温度１９６℃の半田ペーストＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３を印刷し、部品を搭載した。

そして、リフロー温度２０５℃、すなわち超音波半田付けの半田の液相線温度より低く、半田ペーストの液相線温度より高いリフロー温度にてリフローし、部品実装した。

この工法により、アルミナ板上に＃２１７にてパターンが形成され、該パターン上にＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３にてリフローにより部品が実装された基板が構成された。

このとき＃２１７に関して部品周辺の半田の食われＣＲがみられた（図２（ｂ）参照）。

具体的には、リフロー時にＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３、及びＳｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３と＃２１７の接触部分での反応により形成された＃２１７より低融点の相が溶融し、部品への濡れ及び表面張力により部品側面及び上面に移動したことにより、部品周辺に半田が無い部分が生じたと思われる。

セラミックス部材 １
第一半田材料 ２
第二半田材料 ３
電気回路部品 ４

Claims (10)

1. セラミックス部材に、第一半田材料を超音波半田付けすることにより回路パターンを形成する第一半田付け工程と、
   第一半田工程で形成された回路パターン上に、第一半田材料とは組成が異なる第二半田材料の半田層を介在して電気回路部品を配置する配置工程と、
   第一半田材料の融点又は液相線温度より低く、且つ第二半田材料の融点又は液相線温度より高い設定温度によって電気回路部品を半田付けする第二半田付け工程と、を有する電気回路基板の製造方法。
2. 第一半田材料の融点又は液相線温度は、第二半田材料の融点又は液相線温度より４０℃以上高い請求項１に記載の製造方法。
3. 第一半田材料は、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕを主成分とするＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ，Ｃｕを主成分とするＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ，Ｓｂを主成分とするＳｎ−Ｓｂ系、又は、Ｚｎ，Ａｌを主成分とするＺｎ−Ａｌ系であって鉛フリー組成であり、
   Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｂのいずれか一つ又は複数を添加するか、
   Ｚｎ，Ｓｂ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｃｕのいずれか一つ又は複数を添加して構成されている請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 第二半田材料は、Ｓｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５であり、
   第一半田材料は、Ｓｎ９７Ｃｕ３、Ｓｎ９２Ｃｕ６Ａｇ２、又はＳｎ９５Ｃｕ４Ａｇ１である請求項３に記載の製造方法。
5. 第二半田材料は、Ｓｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５であり、
   第一半田材料は、Ｚｎ−Ａｌ系、又は、Ｃｕ／Ｓｎ重量組成比が６／９２以上となるＳｎ−Ｃｕ系であって、融点又は液相線温度が２５９℃以上である
   請求項３に記載の製造方法。
6. 第二半田材料は、Ｓｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３であり、
   第一半田材料は、Ｓｎ９５Ｓｂ５、Ｓｎ９７Ｃｕ３、Ｓｎ９２Ｃｕ６Ａｇ２、Ｓｎ９５Ｃｕ４Ａｇ１、又はＳｎ９５Ａｇ５である請求項３に記載の製造方法。
7. 第二半田材料は、Ｓｎ８９Ｚｎ８Ｂｉ３であり、
   第一半田材料は、Ｚｎ−Ａｌ系、又は、Ｃｕ／Ｓｎ重量組成比が６／９２以上となるＳｎ−Ｃｕ系であって、融点又は液相線温度が２３６℃以上である請求項３に記載の製造方法。
8. 前記セラミックス部材は、板状又は立体形状に形成されている請求項１〜７の何れかに記載の製造方法。
9. 前記電気回路部品は、通電により発光する照明部品である請求項１〜８の何れかに記載の製造方法。
10. 請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法によって製造された電気回路基板を搭載する電気回路応用製品。
    

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