JP2015527935A - 電子部材を高い側方精度ではんだ付けする方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、遷移液相はんだ付けにより、高精度で電子部材（3）を基板（1）にはんだ付けする方法に関する。部材（3）は、ハンドリングツールを用いて基板（1）の上部に正確に配置され、溶融はんだ（2）内に配置され、基板（1）に押し付けられる。部材（3）は、その後、開放され、はんだ（2）が固化される。低い融点を有する溶融した第1の金属または金属合金に部分的に溶解する、高い融点を有する第2の金属または金属合金を十分に高濃度で有するはんだ（2）の使用により、液相はんだ付け中に、はんだ骨格が形成される。これにより、はんだ付け中の配置部材（3）の側方の移動が抑制される。部材（3）の配置は、基板（1）上の正確な参照特徴物を用いて行われるため、全はんだ付けプロセス後に、高精度のはんだ付け部材の側方配置が得られる。

Description

本願は、遷移液相はんだ付けにより、電子部材を基板にはんだ付けする方法に関する。この場合、ハンダペーストが基板上に設置され溶融され、電子部材は、ハンドリングツールにより、溶融はんだ内に配置され、溶融はんだが固化される。

光電子工学の分野、または極めて高精度に基板上に部材を配置する必要がある他の用途において、電子部材を基板にはんだ付けする際に問題が生じる。例えば、コスト効果を得るため、またヘッドランプの正確な組立、すなわち一次および二次光学素子の組立のため、LEDの発光表面の光中心は、基板またはボードの参照特徴物に対して、極めて高精度に配置される必要がある。多くの用途において、基板として、PCBボード（PCB：印刷回路基板）が使用され、この基板に電子部材がはんだ付けされる。PCB産業の許容誤差は、光電子に要求される10μmに比べて大きく、通常、100μmのオーダである。許容誤差の連鎖、例えば、パッドに対する参照特徴物、リフローはんだ付け、キャリアの上部から底部の特徴誤差により、100μm超が加わる。

高温用途向けの、高い信頼性のある結合が形成される、標準的なSACペースト（SAC：SnAgCu）系の遷移液相（TLP）ハンダペーストは、現在開発中である。通常、TLPはんだ付けは、はんだ接合が低温で形成され、高温では再溶融する点で有意である。すなわち、はんだは、はんだプロセス中に固化する。例えば自動車のローおよびハイビームモジュールのような、多くの光電子用途では、極めて高い、すなわち10μmの範囲の、事後はんだ付け精度が要求される。標準的なリフロープロセスでは、そのような高精度は得られない。リフロープロセス自体が許容誤差（標準偏差5乃至10μm）を有し、さらにボード上のはんだパッドと参照構造物の間の許容誤差は、50μmのオーダであるためである。従って、液体はんだ表面で電子部材を自己整列させる既知のプロセスでは、電子部材の正確な配置は難しい。

本発明の目的は、電子部材を基板にはんだ付けする方法を提供することである。この方法では、光電子工学用途の要求を満足する高い配置精度を得ることができる。

本発明の目的は、請求項1による方法で達成される。本発明の方法の有意な実施例は、従属請求項の特徴事項であり、または以下の記載および実施例の一部に記載されている。

提案された方法では、電子部材は、遷移液相はんだ付けにより、基板にはんだ付けされる。基板上の少なくともコンタクトパッドには、電子部材上の対応するコンタクトパッドがはんだ付けされる必要があり、ここに遷移液相はんだ付けが可能なハンダペーストが設置される。ハンダペーストは、既知のプロセス、例えば、ハンダペーストの印刷法または分散法により、基板上に設置される。基板は、電子部材用の、いかなる適当な担体であっても良い。特に電気配線を有する担体ボード、例えばPCB、IMS（IMS：絶縁金属基板）、モールド化相互接続装置（MID）がある。基板上のハンダペーストは、遷移液相はんだ付けの際に溶融し、電子部材は、適当なハンドリングツール、例えば結合装置により、基板の上部に配置される。小さな部材を基板に結合またははんだ付けする、そのような結合装置は、良く知られており、市販されている。基板上の参照特徴物、または基板上のコンタクトパッドとは独立の構造を用いることにより、基板上に電子部材の正確な側方配置が得られる。そのような参照特徴物は、エッジまたはボアホールのような、機械的な特徴物であっても良く、これらは、対応する用途において、基板の取り付け用に使用される。また参照特徴物は、対応する用途の精度要求を満たす金属化または他のマークであっても良い。参照特徴物は、光学手段を用いて検出され、これは、通常ハンドリングツール、例えば結合装置の既存の一部である。この正確な位置合わせの後、この位置で、ハンドリングツールにより、部材が溶融ハンダペースト内に配置され、基板に対して僅かの力で押し付けられる。ハンダペーストは、ハンドリングツールにより部材が配置され開放された際には、既に一部が固化し始める。提案された方法に使用されるハンダペーストは、異なる金属および／または1または2以上の金属合金の粒子の混合物を有し、少なくとも一つの第1の金属または金属合金は、遷移液相はんだ付けプロセスの所望の低温で溶融し、少なくとも別の第2の金属または金属合金は、より高温で溶融する。提案された方法では、より高温で溶融する第2の金属または金属合金の粒子が高い濃度で含まれる、ほぼ共晶組成のハンダペーストが使用され、遷移液相はんだ付けの間、これらの金属粒子の一部のみが液体はんだに溶解する。残留はんだ粒子の間に、金属間化合物相が形成される。この結果、未だ液体のはんだ内に、はんだの骨格が形成され、このハンダペースト内に配置された部材の横方向の動きが抑制される。部材の横方向の動きの抑制により、部材の配置後も、はんだが固化するまで、ハンドリングツールで得られた高精度の側方配置が維持される。

従って、提案された方法では、電子部材は、光電子用途に適した高い配置精度で、基板上にはんだ付けされる。既知の結合装置の配置の精度は、5乃至10μm、またはそれ以上（最大1μm）であるため、電子部材は、同様の精度で、基板に対してはんだ付けされる。これは、一方では、ハンダペーストの組成によるものであり、はんだ骨格の形成により、電子部材は、配置後に、僅かの圧力では横方向に移動できず、従って、電子部材は、ハンドリングツールにより配置された位置にはんだ付けされる。他方では、基板の参照特徴物に対する配置のため、これは、コンタクトパッドよりも高精度で配置され、全プロセスにおいて、所望の高い配置精度が得られる。提案された方法では、例えば、ランプのLEDパッケージは、光電子用途向けの高い精度で、担体基板にはんだ付けされる。LEDパッケージは、配置後には動かないため、LEDは、精密な参照特徴物、またはランプの一次および二次光学素子の組立に使用される構造を参照して、正確に配置される。

好適実施例では、第2の金属粒子の一部は、いわゆるタイプ5の粒子であり、すなわち、40から60μmの間のサイズ（直径）を有する金属球である。また、これらの球は、スタンドオフとして機能し、十分な結合ライン厚さにより、信頼性のあるハンダ接合を形成することができる。

ハンダペーストに含まれる第2の金属粒子は、ハンダペースト内に存在する全ての金属粒子に対して、20から40wt%の割合であることが好ましい。そのような第2の金属粒子の割合では、所望の固体骨格の形成に対する要求が適正に満たされる。

別の好適実施例では、ハンダペーストは、金属粒子として、SnAgCu合金を有するSACはんだペーストである。SnAgCu合金中の少量のCu（0.5wt%）に、Cuの大部分が溶融Sn中に溶解せず、所望の固体骨格を構成するように、十分に多量の純銅球を加え、Cuの割合を高めても良い。CuSn金属間化合物の形成のため、部材のコンタクトパッドから基板のコンタクトパッドにわたり、固体結合が形成される。部材の配置後に、銅球は、両方のパッドと接触するため、部材は、配置後にはもはや動くことができず、基板パッドから部材パッドにわたり固体骨格が形成されるため、部材は、所望の位置にはんだ付けされる。

以下、添付図面を参照して、提案された方法の一例について説明する。これは、特許請求の範囲に記載された発明の保護の範囲を限定するものではない。

提案された方法の第1のプロセスステップを概略的に示した図である。 提案された方法の第2のプロセスステップを概略的に示した図である。 提案された方法の第3のプロセスステップを概略的に示した図である。

以下、SnAgCuハンダペーストを用いて、提案された方法について説明する。ペーストは、市販のSACペーストに基づいて調製される。これは、通常、96wt%のSnと、3.5wt%のAgと、0.5wt%のCuとを含む。そのようなペーストに、直径40乃至60μmの固体銅球と、任意で、10から25μmの間の直径を有する小球と、を添加する。銅球の割合は、リフローの間も、液体Snマトリクスで銅球が取り囲まれるように調整される（銅球体積10乃至15%、SnAg体積35乃至40％、およびフラックス体積50%）。

調製されたハンダペースト2は、ボード1に印刷され、この上に、部材3がはんだ付けされる。はんだ2は、組立機械において、230℃から260℃の間の温度で溶融する。その後、図1に示すように、ボード1上に部材3が配置される。部材1は、はんだパッドではなく、参照特徴物（図示されていない）に対して整列され、これにより所望の正確な位置決めが得られる。また図1には、結合装置（組立機械）の把持または結合ツール4を概略的に示す。これは、部材3を把持し、配置する。参照特徴物は、部材の用途に依存する。特徴物は、後にボードが取り付けられる一次光学素子のような、アプリケーションの他の特徴物に対して部材の所望の配置精度が保証されるように選定される。

配置後に、部材は、10g〜200g（0.1N〜20N）の小さな力で、粘着性のあるはんだに押し付けられる。すなわちはんだ2は、固体粒子を有する液相で構成される。このため、結合ツール4は、図2の矢印に示すように、制御された力で下方に移動する。はんだ2内の銅粒子は、圧縮され、Cu相とCuSn相とからなる固体マトリクスが構成される。固体マトリクスは、液体はんだに取り囲まれる。コンタクトパッドの正確な配置を行うため、これらのコンタクトパッドは、必要以上のサイズを有し、すなわち十分に大きなパッド面積を有するように設計される。基板上のパッドの設置は、通常、低い配置精度で行われるためである。

液体はんだに部材が配置されても、球は未だ移動することができる。はんだは、配置の間、相互に押し付けられる。部材がボードに対して僅かに押し付けられると、部材パッドとボードパッドの間に、固体マトリクスが形成される。配置の後には、残りのCu粒子と金属間化合物の相で形成された固体骨格のため、配置された部材は、動くことができない。次に、結合ツール4は、部材を開放し、はんだは、部材にいかなる動きも生じさせずに固化する（図3）。このプロセスでは、高い精度かつ高い信頼性があるインターフェースが形成される。

このプロセスは、例えば自動車の前方照明のような、高パワーLED構造に適用することができ、さらに電子部材のはんだ付けを、高い側方精度で実施する必要のある、他のいかなる用途にも適用できる。

図面および前述の記載を参照して本発明について詳しく説明したが、そのような図面および記載は、一例であって限定的なものと解してはならない。本発明は、示された実施例に限定されるものではない。図面、開示内容、および特許請求の範囲の記載の精査から、当業者には、請求項に記載された発明の実施の際に、記載された実施例に対する他の変更が理解される。請求項において、「有する」と言う用語は、他の素子またはステップを排斥するものではなく、「一つの」と言う用語は、複数の存在を排斥するものではない。単にある手段が相互に異なる従属請求項に記載されていることから、これらの手段の組み合わせが有意に使用できないと解してはならない。請求項内のいかなる参照符号も、請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

１ ボード
２ はんだペースト
３ 電子部材
４ 結合ツール

Claims (6)

1. 遷移液相はんだ付けにより、電子部材を基板にはんだ付けする方法であって、
   前記基板のコンタクトパッドに、遷移液相はんだ付けが可能なハンダペーストを設置するステップと、
   前記遷移液相はんだ付けの温度で、前記ハンダペーストを溶融させるステップと、
   前記基板上の位置合わせ特徴物を用いて、ハンドリングツールにより、前記基板の上に前記部材を配置するステップと、
   前記ハンドリングツールを用いて、前記溶融したハンダペーストに前記部材を押し付けるステップと、
   前記部材を開放するステップと、
   前記溶融したハンダペーストを固化するステップと、
   を有し、
   異なる金属および／または金属合金の粒子の混合物を有するハンダペーストが使用され、
   前記混合物の少なくとも第1の金属または金属合金は、前記遷移液相はんだ付けの前記温度で溶融し、前記混合物の少なくとも第2の金属または金属合金は、より高い温度で溶融し、
   前記第2の金属または金属合金の金属粒子は、前記遷移液相はんだ付けの間、前記第2の金属または金属合金のこれらの金属粒子の一部のみが、前記溶融したハンダペーストに溶解するように、高い割合で前記ハンダペースト中に含まれ、
   前記残りの粒子の間の前記粒子の表面で、前記溶融した第1の金属または金属合金により、金属間化合物相が形成され、前記溶融したハンダペースト内に固体骨格が形成される、方法。
2. 前記ハンダペーストは、前記第1の金属としてSnを有し、前記第2の金属としてCuを有し、第3の金属としてAgを有する、請求項1に記載の方法。
3. 前記第2の金属または金属合金の前記金属粒子の一部は、40から60μmの間の直径の金属球を有するように選択される、請求項1または2記載の方法。
4. 前記第2の金属または金属合金の前記金属粒子の割合は、前記ハンダペースト内の全ての金属粒子に対して、20から40wt%の間となるように選定される、請求項1または2に記載の方法。
5. 40から60μmの間の直径を有する前記金属球を有する前記第2の金属または金属合金の金属粒子の前記一部は、前記第2の金属または金属合金の前記金属粒子の50wt%よりも多くなるように選定される、請求項3に記載の方法。
6. 前記部材は、発光ダイオードパッケージである、請求項1に記載の方法。

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