JP2014526807A - はんだ接合部におけるボイド抑制のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

１つまたは２つ以上の態様によれば、はんだ接合部においてボイド形成を抑制する方法は、はんだペースト堆積物を基板に塗布するステップと、はんだプリフォームをはんだペースト堆積物に載置するステップと、素子をはんだプリフォームおよびはんだペースト堆積物の上に配置するステップと、はんだペースト堆積物およびはんだプリフォームを処理して、はんだ接合部を素子と基板との間に形成するステップとを備えていてもよい。一部の態様では、基板は印刷回路基板であり、素子は集積回路パッケージである。

Description

１つまたは２つ以上の態様は、概して、はんだ接合部に関し、より具体的には、はんだ接合部におけるボイド抑制のためのシステムおよび方法に関する。

集積回路パッケージは、通常、高性能電子アセンブリの製造において、印刷回路基板などの基板にはんだ付けされる。はんだ接合部におけるボイディングは、アセンブリの処理中に生じ得る。過剰なボイディングは、電力消費の増加、動作温度の増加、電気的性能の低下、また全般的に集積回路パッケージが期待寿命に到達しないことを引き起こすこともある。

１つまたは２つ以上の態様によれば、はんだ接合部においてボイド形成を抑制する方法は、はんだペースト堆積物を基板に塗布するステップと、はんだプリフォームをはんだペースト堆積物に載置するステップと、素子をはんだプリフォームおよびはんだペースト堆積物の上に配置するステップと、はんだペースト堆積物およびはんだプリフォームを処理して、はんだ接合部を素子と基板との間に形成するステップとを備えていてもよい。

一部の態様では、基板は、印刷回路基板であり、素子は、集積回路パッケージである。処理するステップは、はんだペースト堆積物およびはんだプリフォームを約１４０℃から約２７５℃までの温度に加熱するステップを備えていてもよい。本方法は、第２のはんだプリフォームをはんだペースト堆積物に載置するステップをさらに備えていてもよい。はんだペースト堆積物は、はんだプリフォームの厚さよりも厚いか等しい厚さに塗布されてもよい。はんだペースト堆積物を基板に塗布するステップは、はんだペーストを所定のパターンで基板上に印刷するステップを備える。はんだプリフォームの直径は、約１ｍｍから約１５ｍｍの間であってもよい。はんだプリフォームの厚さは、約０．０２５ｍｍから約０．２ｍｍの間であってもよい。はんだプリフォームは、少なくとも約９９．９重量％の純金属または純金属からなる合金を含んでもよい。純金属または純金属からなる合金は、スズ、銀、アンチモン、銅、鉛、ニッケル、インジウム、パラジウム、ガリウム、カドミウム、およびビスマスのうちの少なくとも１つを備えていてもよい。一部の態様では、はんだプリフォームは、実質的にフラックスを含まない。少なくともある態様では、はんだ接合部は、ボイド空間の面積が約４０％未満であることを特徴としていてもよい。はんだプリフォームは、リフロー後の、はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％に寄与していてもよい。

１つまたは２つ以上の態様によれば、アセンブリは、印刷回路基板、印刷回路基板に結合される素子、および印刷回路基板と素子との間にはんだ接合部を備えていてもよい。はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％は、リフロー後、はんだプリフォームを包含する。

一部の態様では、はんだ接合部は、スズ、銀、アンチモン、銅、鉛、ニッケル、インジウム、パラジウム、ガリウム、カドミウム、およびビスマスのうちの少なくとも１つを備えていてもよい。はんだ接合部は、ボイド空間の面積が約４０％未満であることを特徴としていてもよい。

１つまたは２つ以上の態様によれば、素子を印刷回路基板に組み立てるためのキットは、はんだペーストと、約１ｍｍから約１５ｍｍの直径および約０．０２５ｍｍから０．２ｍｍの厚さを有する少なくとも１つのはんだプリフォームとを備えていてもよく、少なくとも１つのはんだプリフォームが、少なくとも約９９．９重量％の純金属または純金属からなる合金を備える。

一部の態様では、少なくとも１つのはんだプリフォームは、テープアンドリールパッケージの上に配置される。その他の態様では、少なくとも１つのはんだプリフォームは、ピックアンドプレース処理のためのトレイの上に配置される。さらにその他の態様では、少なくとも１つのはんだプリフォームは、自動実装および機械加工可能な実装において実装される。

１つまたは２つ以上の態様によれば、はんだ接合部におけるボイド抑制を促進する方法は、はんだプリフォームを提供するステップと、はんだプリフォームをリフロー前に印刷回路基板の上のはんだペースト堆積物に塗布して、はんだ接合部を形成する命令を提供するステップとを備えていてもよい。

一部の態様では、本方法は、はんだペーストを提供するステップをさらに備えていてもよい。

１つまたは２つ以上の態様によれば、印刷回路基板と集積回路パッケージとの間のはんだ接合部は、ボイド空間の面積が約４０％未満であることを特徴としていてもよく、はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％は、リフロー後、はんだプリフォームを包含する。

さらにその他の態様、実施形態、およびこれらの例示的な態様および実施形態の利点が、以下に詳細に説明される。さらに、上記の情報および以下の詳細な説明の両方は、単に、様々な態様および実施形態の説明のための例であり、特許請求の範囲に係る態様および実施形態の本質および特性を理解するための概要または枠組みを提供するように意図されることを理解されたい。添付の図面は、様々な態様および実施形態の説明およびさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、一部分を構成する。図面は、本明細書の残りの部分と共に、記載され、かつ特許請求の範囲に係る態様および実施形態の原理および動作を説明するのに役立つ。

少なくとも１つの実施形態の様々な態様が、添付の図面を参照して以下に説明される。図面は、図示および説明のみの目的において提供され、本発明の限界の定義としては意図されていない。

１つまたは２つ以上の実施形態によるパターニングされたはんだペースト堆積物の概略図である。 １つまたは２つ以上の実施形態による図１Ａのはんだペースト堆積物に対して基板の上に配置されたはんだプリフォームの概略図である。 １つまたは２つ以上の実施形態によるリフロー前のはんだ接合部アセンブリの概略図である。 １つまたは２つ以上の実施形態によるリフロー前のはんだ接合部アセンブリの概略図である。 １つまたは２つ以上の実施形態によるリードレス実装アセンブリを示す図である。 １つまたは２つ以上の実施形態による添付の実施例１において説明されるデータである。 １つまたは２つ以上の実施形態による添付の実施例２において説明されるフラックスで覆われたプリフォームの概略図である。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだ接合部におけるボイディングが抑制され、さらにはんだ接合部の強度を維持し得る。ボイド抑制は、電子アセンブリにおける集積回路パッケージのインテグリティおよび寿命を改善し得る。有益にも、はんだ接合部におけるボイド抑制は、熱放散を改善し、集積回路パッケージの電力消費を削減し得る。改善された電気的性能が認められることもある。集積回路パッケージの信頼性もまた改善され得る。組立作業中に廃棄または再加工を要する集積回路パッケージの数を減らすことにより、費用節減もまた認められることもある。１つまたは２つ以上の実施形態によれば、電子アセンブリの製造のための既存のシステムおよび方法は、容易に改良されて、はんだ接合部におけるボイド抑制を促進し得る。１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだプリフォームが用いられて、はんだ接合部におけるボイディングを抑制してもよい。一部の非限定的な実施形態では、はんだ接合部は、ボイド空間の面積が約５０％未満であることを特徴としていてもよい。少なくとも一部の非限定的な実施形態では、はんだ接合部は、ボイド空間が約３５％未満であることを特徴としていてもよい。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、第１の要素は、第２の要素に結合されて、その間に接合部を形成してもよい。一部の実施形態では、第１の要素は、集積回路パッケージであってもよく、また、第２の要素は、印刷回路基板（ＰＣＢ）などの基板であってもよい。その他の基板が実装されてもよい。ある実施形態では、電子アセンブリは、一般に、ＰＣＢに結合される少なくとも１つの集積回路パッケージを含む。一部の電子アセンブリは、ＰＣＢに結合される複数の集積回路を含んでいてもよい。集積回路パッケージは、これらに限定されるものではないが、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）、デュアルフラットノーリード（ＤＦＮ）、クワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、クワッドフラットノーリード（ＱＦＮ）、薄型クワッドフラットパッケージ（ＬＱＦＰ）およびマイクロリードフレーム（ＭＬＦ）などの任意の電子的素子またはパッケージであってもよい。少なくとも１つの代替的な実施形態では、第１および第２の要素は、集積回路パッケージまたは組み付けられるその他の部品の第１および第２の要素であってもよい。その他の第１および第２の要素は、ボイド抑制に関する様々な実施形態にしたがって実装されてもよい。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、第１の要素は、接着剤、樹脂またははんだなどの様々な材料を用いて第２の要素に結合されてもよい。はんだペーストは、集積回路パッケージをＰＣＢなどの基板に結合するために一般に用いられる。はんだペーストは、一般に、金属または合金を含み得る。はんだペーストはまた、一般に、１つまたは２つ以上のフラックスとして知られるはんだ付け剤を含む。フラックスは、１つまたは２つ以上の化学洗浄剤および濡れ促進剤を含む。洗浄剤として、フラックスは、結合がなされる金属の表面から酸化種を取り除くことによって、はんだ付けを容易にし得る。濡れ促進剤として、フラックスは、ワークピース上におけるはんだフローを容易にし、ビードの形成を抑止し、またワークピースの表面を効果的に濡れさせ得る。

はんだペースト堆積物は、通常、ＰＣＢと集積回路パッケージとの間に塗布される。はんだペースト堆積物は、集積回路パッケージとＰＣＢとの間に固体結合部を形成するように処理されて、このようにして、電子システムまたは電子アセンブリを形成する。処理は、一般に、冷却、加熱またはリフロー処理を伴う。結合および冷却処理の間、はんだペーストのフラックス成分のガス放出に起因し得るなど、気体が閉じ込められ得る。いかなる特定の理論にも囚われるつもりはないが、閉じ込められたガスの放出は、はんだ接合部に１つまたは２つ以上のボイドのある領域を形成し得る。ＰＣＢと集積回路パッケージとの間にはんだペーストを挟むこともまた、はんだ接合部にボイドのある領域をもたらし得る。ボイディングはしばしば許容されるが、望ましくはない。

集積回路パッケージは、一般に、動作中に熱を生じる。集積回路パッケージが、効率的に熱を放散できなければ、性能が低下したり、熱損傷を被ったりすることもある。多くの集積回路パッケージは、その底面で使われるものなどの熱経路を利用して、熱を放散する。熱経路は、サーマルパッドを含むこともあり得る。サーマルパッドは、ＰＣＢにはんだ付けされて、集積回路パッケージからＰＣＢの接地板に熱を伝達するための機構を提供し得る。集積回路パッケージをＰＣＢに結合することは、したがって、集積回路パッケージからＰＣＢへの流路に沿って熱の伝達を容易にする。接着剤樹脂およびはんだは、一般に、優れた熱伝導性および集積回路パッケージからＰＣＢに熱を伝達する機能を有する。加えて、はんだは、優れた電気伝導性を有し、これは、集積回路パッケージを電気的に接地するのを助ける。いかなる特定の理論にも囚われるつもりはないが、ボイド形成は、集積回路パッケージとＰＣＢとの間の接合部の熱伝導性および電気伝導性のうちの少なくとも１つを損ない得る。集積回路はまた、電気的接地の完全性が劣悪である結果として、高周波信号の電気的性能が低減され得る。

組立ラインの産業機器および方法は、大量の電子アセンブリを効率的に製造するための機械化されたプロセスを提供する。ある程度のはんだ接合部におけるボイディングは許容されることもあるが、実装された集積回路パッケージとＰＣＢとの間のはんだ接合部における過剰なボイディングの存在は、しかしながら、多くのアセンブリが、ＩＰＣ（米国電子回路協会）またはその他の関連標準設定団体によって規定されたものなどの１つまたは２つ以上の動作仕様または業界標準を満たさない原因になることもある。過剰なボイディングによるそのような不具合は、再加工、部品廃棄率、およびＰＣＢ廃棄率に起因する多数の製造経費が増加する結果となる。比較的長寿命であることが期待されている高性能部品に関する特定の場合では、ボイド形成の抑制に関する１つまたは２つ以上の実施形態は、比較的低コストで、そのような部品がその期待寿命で動作するという保証を提供し得る。部品の期待寿命が比較的短いこともあるその他の実施形態では、それでもなお、ボイド抑制は、集積回路パッケージの関連の電力損失を低減することにより利益を提供する。集積回路パッケージが、携帯電話における場合のように電池で動く場合、より少ない電力損失は、電池の寿命をより長くする。このように、ボイド抑制は、特に、電池式集積回路技術に関係する、または、概して、電力消費を節約する努力に関係する有用な用途を有し得る。１つまたは２つ以上の実施形態によるボイド抑制への繰り返し可能な体系的取り組みは、したがって、製造プロセスにおける全体的な効率を多数の段階で改善可能である。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだ接合部に形成されるボイド空間を抑制するためのシステムおよび方法は、１つまたは２つ以上のはんだプリフォームの使用を伴っていてもよい。一部の実施形態では、はんだペーストと、１つまたは２つ以上のはんだプリフォームとの組み合わせが用いられてもよい。少なくとも１つの実施形態では、溶融はんだ接合部におけるフラックスの量は、低減されてもよい。一部の実施形態では、少なくとも１つのプリフォームは、リフロー前に、はんだ接合部におけるはんだペーストの少なくともの一部分を置き換えるために用いられて、存在するフラックスの量を減らしてもよい。一部の実施形態では、はんだペーストの削減およびプリフォームの追加は、ボイディングを体系的に抑制し得る。はんだ接合部のインテグリティおよび強度は、維持されてもよい。一部の実施形態では、リフロー前のはんだペーストとプリフォームとのはんだ接合部における相対量は、ボイド形成における所望の抑制を達成しながら、はんだ接合部の完全性を確実にするために選択されてもよい。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、結果として得られるはんだ接合部のボイド空間は、抑制され得る。さらに、１つまたは２つ以上の実施形態によるシステムおよび方法は、新しい資本設備の購入を要することなく、産業規模で適用され得る。かわりに、既存の製造システムおよび方法は、１つまたは２つ以上の実施形態により改良されてもよい。例えば、プリフォームは、テープアンドリールパッケージまたはピックアンドプレーストレイの上に配置されていてもよく、プリフォームが、標準自動プロセスに容易に組み込まれ得るようにする。１つまたは２つ以上のプリフォームと併用するはんだペーストの使用は、固着を促進し得る。本明細書に説明される１つまたは２つ以上のプリフォームをはんだペーストと共に使用することは、プリフォームを固定する、または固着するように作用し、アセンブリラインに沿って移動する間などにプリフォームと集積回路パッケージとの両方を所定の位置に保つ。

本明細書に開示される特定の態様および実施例は、はんだ接合部におけるボイド空間を抑制する、またはその他の方法でその抑制を促進するための方法、アセンブリ、およびキットを提供する。１つまたは２つ以上の実施形態は、ボイド抑制のためのシステムおよび方法に関する。一部の具体的な実施形態は、ボイド形成を抑制するシステムおよび方法に関し、これは、はんだ接合部を形成するためにはんだペーストとはんだプリフォームとの両方を実装する。少なくともある実施形態は、はんだペーストとはんだプリフォームとを組み合わせて用いることにより、はんだ接合部においてボイド形成を抑制する方法に関する。一部の非限定的な実施形態は、はんだ接合部によってＰＣＢに結合される集積回路パッケージを含むアセンブリに関する。はんだ接合部は、処理またはリフロー前に、はんだペーストと、少なくとも１つのはんだプリフォームとを含み得る。その他の非限定的な実施形態は、集積回路パッケージをＰＣＢに組み立てるためのキットに関し得る。キットは、はんだペーストと、少なくとも１つのはんだプリフォームとを含み得る。はんだ接合部におけるボイド抑制は、はんだプリフォームと、はんだプリフォームを処理またはリフロー前に印刷回路基板の上のはんだペースト堆積物に塗布して、はんだ接合部を形成する命令とを提供することにより促進され得る。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだ接合部におけるボイド形成を抑制する方法は、はんだペースト堆積物を基板に塗布するステップを伴っていてもよい。基板は、例えば、ＰＣＢであってもよい。意図される用途に応じて、任意のはんだペーストが、使用されてもよい。はんだペーストは、前述のように、概して、１つまたは２つ以上の金属または合金と、１つまたは２つ以上のフラックス剤とを含む。一部の実施形態では、はんだペーストは、スズ、銀、アンチモン、銅、鉛、ニッケル、インジウム、パラジウム、ガリウム、カドミウム、およびビスマスのうちの少なくとも１つを備えていてもよい。一部の非限定的な実施形態では、はんだペーストの材料は、概して、はんだペーストに配置されるプリフォームの材料と同じであってもよいが、これは、厳密に必要なものではない。一部の非限定的な実施形態では、Ｃｏｏｋｓｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓから市販されている任意のはんだペーストが用いられてもよい。本明細書に説明されるはんだペーストおよびプリフォームの両方、またはいずれか一方において用いられてもよい合金の非限定的な例には、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｎｉ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ａｇ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｂｉ／Ａｇ；Ｓｎ／Ｂｉ／Ａｇ／Ｎｉ、Ｓｎ／Ｂｉ／Ａｇ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ｉｎ、およびＳｎ／Ｐｂ／Ａｇが含まれる。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだペーストは、印刷方法などの様々な既知の技術で基板に塗布されてもよい。一部の実施形態では、はんだペーストは、単一の堆積物として塗布されてもよい。基板上の堆積物の寸法および容積の両方、またはいずれか一方は、基板に結合される集積回路パッケージの寸法、または所望の結果として得られるはんだ接合部の寸法に対応してもよい。一部の非限定的な実施形態では、はんだペースト堆積物の容積は、処理後、結果として得られるはんだ接合部の容積の約２倍であってもよい。その他の実施形態では、はんだペーストは、単一の堆積物ではなく、任意の所望のパターンで塗布されてもよい。ステンシルまたはその他の技術を用いて、所望のパターンを作成してもよい。例えば、はんだペースト１１０は、図１Ａに示されるように、格子状のパターンまたはウィンドウパターンに塗布されてもよい。一部の非限定的な実施形態では、はんだペーストは、ＰＣＢなどの基板に埋め込まれた伝導性接点のパターンに概して一致する、所定のパターンに堆積されてもよい。いかなる特定の理論にも囚われるつもりはないが、はんだペーストのパターニングは、用いられるはんだペーストの全容積を抑制し、かつ処理中、はんだペースト中に存在する揮発性フラックスのガスの放出のための経路を提供し得る。これは、ボイド形成の抑制に寄与し得る。はんだペーストは、任意の所望の厚さに塗布されてもよい。少なくとも一部の実施形態では、はんだペースト堆積物の厚さは、概して、はんだペースト堆積物に載置されるプリフォームの厚さよりも大きいか等しくてもよい。一部の非限定的な実施形態では、１つまたは２つ以上のプリフォームは、挿入されて、塗布されたはんだペーストパターンによってボイドのままの容積に寄与してもよい。ステンシルの厚さは、所望のはんだの高さに応じてよく、部品のピッチ、アスペクト比およびその他の要因の影響を受けてもよい。一部の実施形態では、はんだペーストを大きなサーマルパッドの角に印刷し、１つまたは２つ以上のプリフォームをサーマルパッドの中央に向けて挿入することが望ましいこともある。基層もまた、プリフォームの下に塗布されてもよい。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、次いで、１つまたは２つ以上のはんだプリフォームは、基板上のはんだペースト堆積物に載置されてもよい。はんだプリフォームは、意図される用途に応じて、１つまたは２つ以上の金属または合金を含んでいてもよい。はんだプリフォームは、概して、例えば、はんだペーストではなく、あらかじめ形成された固体であってもよい。プリフォームに用いられ得る金属の一部の例には、これらに限定されるものではないが、スズ、銀、アンチモン、銅、鉛、ニッケル、インジウム、パラジウム、ガリウム、カドミウム、およびビスマスが含まれる。はんだプリフォームは、意図される用途に応じて、いかなる寸法および形状であってもよい。一部の実施形態では、プリフォームは、略円盤状であってもよい。プリフォームは、所望の厚さを有していてもよい。一部の実施形態では、プリフォームは、概して、これが載置されるはんだペーストの堆積物よりも薄くてもよい。プリフォームは、基板に結合される部品または素子の下に嵌るのに十分薄くてもよい。一部の非限定的な実施形態では、プリフォームの厚さは、約０．０２５から０．２ミリメートルの間であってもよい。同様に、プリフォームは、任意の所望の直径のものであってもよい。一部の実施形態では、結合される集積回路パッケージの寸法、または、用いられる基板の特性は、プリフォームの寸法に影響し得る。一部の非限定的な実施形態では、円盤状のプリフォームは、約１から１５ｍｍの間の直径を有していてもよい。一部の実施形態では、実装されるプリフォームは、Ｃｏｏｋｓｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓから市販されている任意のＡｌｐｈａ（登録商標）Ｅｘａｃｔａｌｌｏｙ（登録商標）はんだプリフォームであってもよい。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだプリフォームは、実質的にフラックスを含まなくてもよい。一部の非限定的な実施形態では、はんだプリフォームは、少なくとも９９％の純金属または純金属からなる合金であってもよい。一部の実施形態では、はんだプリフォームは、約９９．９％の純金属または純金属からなる合金であってもよい。少なくとも一部の実施形態では、はんだプリフォームは、約９９．９９％の純金属または純金属からなる合金であってもよい。１つまたは２つ以上の実施形態によれば、フラックスを含むのではなく、はんだプリフォームは、処理またはリフローを支持する周囲のはんだペーストにおけるフラックスの存在に頼ってもよい。このように、ボイディングを抑制しながら、はんだ接合部のインテグリティおよび強度は、維持され得る。一部の非限定的な実施形態では、実質的にフラックスを含まないプリフォームは、はんだペーストフラックスコーティングと複合化されてもよい。プリフォームは、固体フラックスでコーティングされていてもよい。いかなる特定の理論にも囚われるつもりはないが、このようなコーティングは、プリフォームの完全なリフローを確実にし、さらに、後処理において、堅牢なボイドの少ない、集積回路パッケージの基板への接続を提供し得る。このように、はんだプリフォームとはんだペーストとを組み合わせて使用する代わりに、一部の非限定的な実施形態では、プリフォームをフラックスでコーティングすることにより、ボイド抑制が達成され得る。一般に、プリフォーム上のフラックスコーティングの量を最小化して、ボイドを最小化することが望ましいこともある。プリフォームの表面積は、ペーストに用いられるはんだ粉末のものよりもはるかに小さいため、有効なはんだ付けに必要とされ得るフラックスは、はるかに少ない。はんだペーストがプリフォームと共に用いられないこともある、このような非限定的な例では、プリフォームは、代わりに、例えば、集積回路パッケージからＰＣＢに延在するリード線によって、所定の場所に固定、固着または保持され得る。一部の実施形態では、集積回路パッケージのリード線は、はんだペーストに配置されていてもよく、フラックスで覆われたプリフォームは、処理前、集積回路パッケージのサーマルパッドと接触して配置されていてもよい。１つまたは２つ以上の実施形態によれば、プリフォームは、フラックスで覆われていてもよい。フラックスで覆われた、テープアンドリールプリフォームが、１つまたは２つ以上の実施形態では、一般に実装され得る。

一部の非限定的な実施形態では、単一のプリフォームが、はんだペースト堆積物の中央内に配置されていてもよい。その他の実施形態では、単一のはんだプリフォームは、概して、中心を外して置かれてもよい。一部の実施形態では、２つまたは３つ以上のプリフォームは、単一のはんだペースト堆積物に用いられてもよい。その他の実施形態では、はんだプリフォームは、はんだペーストパターンの各構成要素内に配置されていてもよい。はんだペースト堆積物に対するはんだプリフォームの数および配置は、概して、はんだペースト堆積物のパターニング、および、アセンブリにおける結合される集積回路パッケージの寸法などの要因に依存する。図１Ｂは、「窓枠」パターンに塗布されたはんだペースト１１０を、プリフォーム１２０がはんだペースト内に載置された状態で示している。いかなる特定の理論にも囚われるつもりはないが、はんだペーストは、プリフォーム（複数可）を所定の位置に保持または固定して、処理中に移動するのを回避する働きをし得る。一部の実施形態では、集積回路パッケージに使われるリード線または脚部は、アセンブリの整列を助けて、集積回路パッケージがＰＣＢに固着され得るようにし得る。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、集積回路パッケージなどの部品または素子は、次いで、堆積されたはんだペーストおよびプリフォームの上に配置され得る。一部の実施形態では、素子は、リフロー前に、はんだペーストとプリフォームとの組み合わせの上に配置され得る。したがって、はんだ接合部部品は、リフロー前、基板と結合される部品との間に挟まれ得る。図２Ａおよび図２Ｂは、１つまたは２つ以上の実施形態によるリフロー前のアセンブリの側面図を示す。図２Ａは、はんだペーストとはんだプリフォームとの組み合わせの上に素子を配置する前の様々な部品の配置を示す。図２Ｂは、処理するステップの前における図２Ａの部品の配置を示す。アセンブリは、図２Ｂの１０で全体を示され、印刷回路基板１４を含む。はんだペースト１６の堆積物は、印刷回路基板１４に塗布される。はんだペースト１６の上には、はんだプリフォーム１８が配置される。集積回路パッケージ１２は、はんだペースト１６およびはんだプリフォーム１８に取り付けられる。集積回路パッケージ１２のサーマルパッド２０は、少なくともはんだペースト１６に接触する。はんだペースト１６は、集積回路パッケージ１２に使われるリード線２２に接触する。プリフォーム１８は、パッケージ１２下に嵌るのに十分薄くてもよい。後述のように処理した後、はんだペースト１６およびはんだプリフォーム１８は、集積回路パッケージ１２を印刷回路基板１４に結合するはんだ接合部を形成する。一部の好ましい実施形態では、はんだ接合部の約２５％容量から約９５容量％は、リフロー後、はんだプリフォームを包含していてもよい。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、次いで、アセンブリは、集積回路パッケージとＰＣＢなどの基板との間にはんだ接合部を形成するように処理されてもよい。処理は、一般に、加熱および冷却の両方、またはいずれか一方を伴っていてもよい。はんだプリフォームは、はんだペーストを溶融し複合化するように加熱され、次いで、冷却されて、基板と集積回路パッケージとの間に固いはんだ接合部を形成する。処理するステップは、一部の非限定的な実施形態では、はんだペースト堆積物およびはんだプリフォームを約１４０℃から約２７５℃までの温度に加熱するステップを備えていてもよい。次いで、はんだは、冷却および凝固させて、固体結合部を形成する。

１つまたは２つ以上の非限定的な実施形態では、プリフォームの厚さは、はんだペーストと素子との間の相互作用に影響し得る。一部の実施形態では、構成するサーマルパッドは、プリフォームの厚さによっては、プリフォームが崩れるまでフラックスに接触しないこともある。このことは接触時間を減らして、はんだペーストにおけるフラックスがサーマルパッドの脱酸素をする機会を少なくする。リード線を有する部品を伴う一部の実施形態では、比較的薄いプリフォームは、はんだペーストと共に使用されてもよく、構成するリード線は、まだ印刷されたペーストに接触することができ、こうして、リード線とはんだペーストとの接点およびサーマルパッドとはんだペーストとの接点の両方によって、リフロー前に部品をＰＣＢに固着する。

このような実施形態では、はんだペーストよりも厚肉のプリフォームの使用は、問題があることもある。なぜなら、部品のリード線は、はんだペーストに接触せず、処理後、リード線およびパッドのはんだペーストとのずれが起こる可能性があるためである。しかしながら、底面にただいくつかのパッドを含むＬＧＡなどの、図３に示されるようにリード線のないパッケージを伴う一部の実施形態では、抑制されたボイディングおよびリフロー後の適切な部品−ＰＣＢ間の位置合わせの両方を達成しつつ、はんだペースト堆積物よりも厚肉のプリフォームが用いられ得る。これは、比較的粗い固定具により達成され得る。処理中、構成するパッドの向きが固定具を有する基板パッドに対して維持される場合、プリフォームは、溶融はんだ中に崩れ、部品は、基板パッド上に下がる。ある程度の自己整合が起こり、それによって、部品は、はんだの毛管現象および濡れ促進作用のために、それ自体を構成するパッド上に正しい位置に置く傾向がある。表面実装パッドを考慮するだけで、固定具は、比較的廉価であるにもかかわらず、処理後、許容し得る部品配置を達成するのに十分である。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、アセンブリは、印刷回路基板、印刷回路基板に結合される部品または素子、および印刷回路基板と素子とを結合するはんだ接合部を含んでいてもよい。１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％は、リフローまたは処理後、はんだプリフォームから構成されていてもよい。はんだプリフォームを使用して、処理前に、はんだ接合部におけるはんだペーストの少なくとも一部分を置き換えることにより、かなりのボイド空間の抑制が検出され得る。一部の非限定的な実施形態では、はんだプリフォームは、リフロー後のはんだ接合部のわずか１０容量％を構成するのであってもよい。一部の実施形態では、はんだプリフォームは、リフロー前の、はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％に寄与していてもよい。その他の実施形態では、はんだプリフォームは、リフロー後のはんだ接合部の約２５容量％から約８０容量％に寄与していてもよい。さらにその他の実施形態では、はんだプリフォームは、リフロー後のはんだ接合部の約５０容量％から約８０容量％に寄与していてもよい。１つまたは２つ以上の実施形態により形成されたはんだ接合部は、一部の非限定的な実施形態では、最終的なボイド空間の面積が約５０％未満であることを特徴としていてもよい。さらにその他の実施形態では、はんだ接合部は、最終的なボイド空間の面積が約４０％未満であることを特徴としていてもよい。一部の実施形態では、はんだ接合部は、最終的なボイド空間の面積が約３５％未満であることを特徴としていてもよい。一部の非限定的な実施形態では、はんだ接合部は、最終的なボイド空間の面積が約３０％未満であってもよい。少なくとも一部の実施形態では、はんだ接合部は、最終的なボイド空間の面積が約２０％未満であってもよい。ある非限定的な実施形態では、はんだ接合部は、最終的なボイド空間の面積が約１０％未満であってもよい。ボイド空間は、はんだ接合部のＸ線写真によって、または、その他のイメージング技術によって測定されてもよい。一部の実施形態では、中空であるはんだ接合部の全面積の割合は、概して、面積ではんだ接合部のボイド空間のパーセンテージを表す。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、はんだ接合部内に組み込まれる前に、プリフォームは、プリフォームを印刷回路基板などの基板に自動的に載置するのを容易にする様々な形態のパッケージの上に配置され得る。例えば、プリフォームは、テープアンドリールパッケージ、またはピックアンドプレーストレイの上に配置されていてもよい。

上記の態様は、集積回路パッケージがＰＣＢに接合される用途に限定されない。上述のように、様々な第１および第２の要素は、本明細書に説明される技術で結合され得る。例えば、一部の非限定的な実施形態では、プリフォームとはんだペーストとの組み合わせは、単一の集積回路パッケージの部品を接合するのに用いられてもよい。集積回路パッケージにはんだ付けされた接合部は、望ましくは、低ボイディング、および集積回路パッケージを基板に接合するための後続の処理におけるリフローに耐える能力を特徴としてもよい。この後続の加熱処理に耐えることは、例えば、適切なはんだペーストおよびはんだプリフォーム合金を選択することで集積回路パッケージ内のはんだ接合部の鉛の含有量を増加することによって、達成され得る。

１つまたは２つ以上の実施形態によれば、素子を印刷回路基板に組み付けるキットが提供されてもよい。キットは、はんだペーストと、少なくとも１つのはんだプリフォームとを含み得る。一部の非限定的な実施形態では、プリフォームの直径は、約１ｍｍから約１５ｍｍの間、また厚さは、約０．０２５ｍｍから０．２ｍｍの間であってもよい。ある非限定的な実施形態では、はんだプリフォームは、少なくとも約９９．９重量％の純金属または純金属からなる合金であり、残りの０．１％が、不純物および微量元素であってもよい。少なくとも一実施形態では、はんだプリフォームは、少なくとも約９９．９９重量％の純金属または純金属からなる合金であり、残りの０．０１％が、不純物および微量元素であってもよい。高純度金属または合金は、ボイディングの実績を改善するが、これは、不純物が、例えば濡れ促進を阻害することにより接合部形成を妨げるためである。キットはまた、リフロー前にはんだプリフォームを印刷回路基板の上のはんだペースト堆積物に塗布して、はんだ接合部を形成する命令を含んでいてもよい。

１つまたは２つ以上のその他の実施形態によれば、はんだ接合部におけるボイド抑制を促進する方法は、はんだプリフォームを提供するステップと、はんだプリフォームをリフロー前に印刷回路基板の上のはんだペースト堆積物に塗布して、はんだ接合部を形成する命令を提供するステップとを含んでいてもよい。

実施例１
３０ｍｍ^２のサーマルパッドを有し、０．０５から０．１０ｍｍの基板からの離隔支持体および２または４ｍｍのプリフォームを備える部品で実験を行った。典型的な厚さである約０．０６２インチのＦＲ４ガラスエポキシ印刷回路基板を用いた。基板の仕上げは、有機表面保護剤（ＯＳＰ）であった。はんだペーストは、ＳＡＣ３０５４タイプ４粉末を用いた。円盤状プリフォームは、直径４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、および直径２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの寸法のＳＡＣ３０５合金であった。リフロープロファイルは、当産業で用いられるものの典型である直線ランプ（温度対時間）およびソークプロファイルの両方を用いた。印刷されたペーストパターンは、プリフォームなし１００％被覆率（対照群）と、パッド面積の５０％から２０％未満まで下がる被覆率を有する、印刷されたはんだペーストの様々な窓枠パターンとを含めた。５０％被覆率に対応して、はんだ接合部容量の４５％となった小さいプリフォームを用いた。２０％未満の被覆率に対応して、大きいプリフォームを用いた。これは、はんだ接合部にたいしてかなり高いパーセンテージ（８０％よりも大きい）となった。

図４は、ボイド形成を抑制するために、プリフォームとはんだペーストと組み合わせて使用したものを伴う実験結果を表す。ｙ軸は、はんだ接合部の全面積に対する、ボイド形成のパーセンテージを面積で表す。ｘ軸は、処理後の全はんだ接合部におけるはんだプリフォームのパーセンテージを容量で表す。近似線は、プリフォームの相対的な容積の増加と、はんだ接合部におけるボイド領域のパーセンテージの減少との間の関係を示している。ボイディングは、はんだ接合部の全容量のパーセンテージとしてプリフォーム容量が増加するにつれて下落した。プリフォームの有無は、ボイディングに関する最も重要な因子であった。

実施例２
１つまたは２つ以上の実施形態によるボイド抑制プリフォームを図５に示されるように形成した。暗色の領域は、印刷されたはんだペーストを表し、他方、白色の領域は、フラックスで覆われたはんだプリフォームを表す。これらのフラックスで覆われたプリフォームは、試験中、再現可能な結果をもたらした。

いくつかの説明のための実施形態を説明してきたが、上記は単に説明のためであり、限定するものではなく、例としてのみ提示されてきたことが当業者には明らかであろう。無数の変更およびその他の実施形態は、当業者の視野内にあり、また本発明の範囲内に含まれるとして企図される。特に、本明細書に提示された例の多くが特定の組み合わせによる方法のステップまたはシステムの要素を伴うが、これらのステップおよびこれらの要素は、その他の方法で組み合わされて、同じ目的を達成してもよいことを理解されたい。

本明細書に説明される素子、システムおよび方法の実施形態は、本明細書または添付の図面において説明される構築の詳細および部品の構成には、適用に際して限定されないことが理解されよう。素子、システムおよび方法は、その他の実施形態において実装され、また様々な方法で実施または実行され得る。具体的な実装の例は、説明の目的のみで本明細書に提供され、限定することを意図していない。特に、任意の１つまたは２つ以上の実施形態に関連して説明されるステップ、要素および特徴は、任意のその他の実施形態において同様の役割から排除されるように意図されているわけではない。

当業者には、本明細書に記載のパラメータおよび設定は例示的なものであり、実際のパラメータおよび設定の両方、またはいずれか一方は、本発明のシステムおよび技術が用いられる具体的な用途に依存することが理解されよう。当業者であれば、本発明の具体的な実施形態と同様のものを、日常的な実験法を用いるだけで認識もしくは確認し得るであろう。したがって、本明細書に記載の実施形態は、例としてのみ提示されており、また添付特許請求の範囲およびその均等物の範囲において、本発明は、具体的に記載されたものとは他の方法で実施されてもよいことが理解されよう。

さらに、本発明は、本明細書に記載の各特徴、システム、サブシステム、または技術と、本明細書に記載の２つまたは３つ以上の特徴、システム、サブシステム、または技術の任意の組み合わせとを対象としており、このような特徴、システム、サブシステム、および技術が互いに矛盾しなければ、２つまたは３つ以上の特徴、システム、サブシステム、および／または方法の任意の組み合わせは、特許請求の範囲において具体化された本発明の範囲内にあるとみなされることも認識されたい。さらに、一実施形態に関してのみ説明されたステップ、要素、および特徴は、その他の実施形態において同様の役割から排除されるように意図されているわけではない。

本明細書に用いられる表現法および用語法は、説明の目的のためであり、限定するものとしてみなされるべきではない。本明細書において用いられる限り、「複数の」の語は、２つまたは３つ以上の項目または構成要素を指す。「備える」、「含む」、「持っている」、「有する」「具備する」、および「伴う」の語は、明細書でも特許請求の範囲などでも、非限定的用語である、すなわち、「〜を含むが、それに限定されない」ことを意味している。したがって、このような用語の使用は、その後に列挙される項目、およびその等価物、ならびに追加項目も包含するように意図されている。「から構成される」および「ほぼ〜から構成される」という移行句だけが、特許請求の範囲に関して、それぞれ、限定または半限定移行句である。クレームエレメントを修飾する「第１の」、「第２の」、「第３の」などの特許請求の範囲における序数用語の使用は、それ自体、あるクレームエレメントの別のクレームエレメントに対する優先順位、序列もしくは順序または方法のステップが実施される時間的順序を暗示するものではなく、クレームエレメントを識別するために、ただ単にある特定の名前を持つクレームエレメントを同じ名前を持つ（序数用語の使用を除けば）別のクレームエレメントから識別する標識として用いられているだけである。

Claims (23)

1. はんだ接合部においてボイド形成を抑制する方法であって、
   はんだペースト堆積物を基板に塗布することと、
   はんだプリフォームを前記はんだペースト堆積物に載置することと、
   素子を前記はんだプリフォームおよび前記はんだペースト堆積物の上に配置することと、
   前記はんだ接合部を前記素子と前記基板との間に形成するように前記はんだペースト堆積物および前記はんだプリフォームを処理することと
   を備える、はんだ接合部においてボイド形成を抑制する方法。
2. 前記基板が印刷回路基板であり、前記素子が集積回路パッケージである、請求項１に記載の方法。
3. 前記処理するステップが、前記はんだペースト堆積物および前記はんだプリフォームを約１４０℃から約２７５℃までの温度に加熱することを備える、請求項１に記載の方法。
4. 複数のプリフォームを前記はんだペースト堆積物にさらに備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記はんだペースト堆積物が、前記はんだプリフォームの厚さよりも厚いか等しい厚さに塗布される、請求項１に記載の方法。
6. 前記はんだペースト堆積物を前記基板に塗布することが、前記はんだペーストを所定のパターンで前記基板上に印刷することを備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記はんだプリフォームの直径が、約１ｍｍから約１５ｍｍの間である、請求項１に記載の方法。
8. 前記はんだプリフォームの厚さが、約０．０２５ｍｍから約０．２ｍｍの間である、請求項１に記載の方法。
9. 前記はんだプリフォームが、少なくとも約９９．９重量％の純金属または純金属からなる合金を備える、請求項１に記載の方法。
10. 前記純金属または前記純金属からなる合金が、スズ、銀、アンチモン、銅、鉛、ニッケル、インジウム、パラジウム、ガリウム、カドミウム、およびビスマスのうちの少なくとも１つを備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記はんだプリフォームが、実質的にフラックスを含まない、請求項１に記載の方法。
12. 前記はんだ接合部が、ボイド空間の面積が約４０％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 前記はんだプリフォームが、処理後の容量で前記はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％に寄与する、請求項１２に記載の方法。
14. アセンブリであって、
    印刷回路基板と、
    前記印刷回路基板に結合される素子と、
    前記印刷回路基板と前記素子との間にはんだ接合部とを備え、
    前記はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％が、処理後、はんだプリフォームを包含する、アセンブリ。
15. 前記はんだ接合部が、スズ、銀、アンチモン、銅、鉛、ニッケル、インジウム、パラジウム、ガリウム、カドミウム、およびビスマスのうちの少なくとも１つを備える、請求項１４に記載のアセンブリ。
16. 前記はんだ接合部が、ボイド空間の面積が約４０％未満であることを特徴とする、請求項１４に記載のアセンブリ。
17. 素子を印刷回路基板に組み立てるためのキットであって、
    はんだペーストと、
    約１ｍｍから約１５ｍｍの直径および約０．０２５ｍｍから０．２ｍｍの厚さを有する少なくとも１つのはんだプリフォームと
    を備え、
    前記少なくとも１つのはんだプリフォームが、少なくとも約９９．９重量％の純金属または純金属からなる合金を備える、
    素子を印刷回路基板に組み立てるためのキット。
18. 前記少なくとも１つのはんだプリフォームが、テープアンドリールパッケージの上に配置される、請求項１７に記載のキット。
19. 前記少なくとも１つのはんだプリフォームが、ピックアンドプレース処理のためのトレイの上に配置される、請求項１７に記載のキット。
20. 前記少なくとも１つのはんだプリフォームが、自動機械加工可能な実装において実装される、請求項１７に記載のキット。
21. はんだ接合部におけるボイド抑制を促進する方法であって、
    はんだプリフォームを提供することと、
    前記はんだプリフォームを処理前に印刷回路基板の上のはんだペースト堆積物に塗布して、前記はんだ接合部を形成する命令を提供することと
    を備える、はんだ接合部におけるボイド抑制を促進する方法。
22. はんだペーストを提供することをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
23. 印刷回路基板と集積回路パッケージとの間のはんだ接合部であって、
    前記はんだ接合部が、ボイド空間の面積が約４０％未満であることを特徴とし、
    前記はんだ接合部の約２５容量％から約９５容量％が、処理後、はんだプリフォームを包含する、印刷回路基板と集積回路パッケージとの間のはんだ接合部。