JP2016203215A - 接合方法 - Google Patents

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剛史 須永
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Abstract

【課題】作業効率の向上を図ることができる接合方法を提供する。
【解決手段】半田により電子部品120を基板110に接合する接合方法は、固体状の板状半田130の少なくとも一部を基板110のパッド111に重ね合わせるように、板状半田130を供給する供給工程S1と、供給された板状半田130において、パッド111に重ね合わされた部分の一部を局所的に加熱して、板状半田130をパッド111に仮接合する仮接合工程S2と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、半田により接合体と被接合体とを接合する接合方法に関するものである。
回路基板上の複数の電極上に半田ペーストを塗布する工程と、当該半田ペーストが塗布された電極上に、電子部品の一部を配置する工程と、当該半田ペーストを熱処理することによって電子部品の一部を、電極に接合して、接合部を形成する工程と、を含む部品実装基板を製造する技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2014−38909号公報
半田ペーストは、塗布時の流動性を確保するため、フラックスを含有する必要がある。そのため、上記技術では、基板をリフロー加熱する際、半田ペーストに含まれるフラックスが蒸発して、リフロー炉内を汚染するおそれがある。このため、リフロー加熱の度に、リフロー炉を洗浄する必要があるため、作業効率が低下するという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、作業効率の向上を図ることができる接合方法を提供することである。
[1]本発明に係る接合方法は、半田により接合体を被接合体に接合する方法であり、固体状の前記半田の少なくとも一部を前記被接合体に重ね合わせるように、前記半田を供給する第1の工程と、供給された前記半田において、前記被接合体に重ね合わされた部分の一部を局所的に加熱して、前記半田を前記被接合体に仮接合する第2の工程と、を備える。
[2]上記発明において、前記第2の工程は、前記半田のうち、少なくとも前記被接合体に仮接合された部分を含む接合部分を前記被接合体上に残存させ、前記接合部分以外の部分を前記接合部分から分割することを含んでいてもよい。
[3]上記発明において、前記第1の工程は、個片状に形成された前記半田を、前記被接合体に重ね合わせることを含んでいてもよい。
[4]上記発明において、前記第2の工程は、前記半田に向かってレーザ光を照射することで局所的に加熱することを含んでいてもよい。
[5]上記発明において、前記半田は、平坦な主面を含む板状の形状を有する板状半田であり、前記第2の工程は、前記主面を前記被接合体に重ね合わせるように、前記板状半田を供給することを含んでいてもよい。
[6]上記発明において、前記第1の工程は、前記半田を供給する前に、線状半田を圧延して前記板状半田を成形することを含んでいてもよい。
[7]上記発明において、前記第2の工程の後に、前記被接合体に仮接合された前記半田の上に前記接合体を配置する第3の工程と、加熱を行うことにより前記接合体と前記被接合体とを前記半田を介して接合する第4の工程と、をさらに備えていてもよい。
本発明によれば、固形状の半田を予め被接合体に仮接合するので、接合体と非接合体とを接合する場合に、ペースト状の半田と比べて、フラックス含有量の低い半田を用いることができ、フラックスの蒸発量が低下し、リフロー炉内の汚染が抑制される。これにより、接合体と被接合体との接合作業において、作業効率の向上が図られる。
図1は、本発明の一実施の形態における基板と電子部品とを接合する接合方法を示す工程図である。 図2は、本発明の一実施の形態における接合装置を示す図であり、図2(a)は、側面断面図であり、図2(b)は、平面図である。 図3(a)は、本発明の一実施の形態における板状半田を示す断面図であり、図3(b)は、本実施形態の一実施の形態における線状半田を示す断面図である。 図4(a)〜図4(c)は、図1のS21〜S23を説明するための平面図である。 図5(a)〜図5(c)は、本発明の一実施の形態における基板と半田とを仮接合する接合方法の変形例を説明するための断面図である。 図6は、本発明の一実施の形態を示す回路基板の断面図である。
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態では、板状半田130を用いて被接合体である基板110(具体的には、パッド111)と接合体である電子部品120とを接合する接合方法により、回路基板100を得ることができる。本実施形態の接合方法は、板状半田130を供給する供給工程S1と、基板110に板状半田130を仮接合する仮接合工程S2と、電子部品120を基板110上に配置する配置工程S3と、基板110と電子部品120とを接合する接合工程S4と、を備えている。
本実施形態における「供給工程S1」が本発明における「第1の工程」の一例に相当し、本実施形態における「仮接合工程S2」が本発明における「第2の工程」の一例に相当し、本実施形態における「配置工程S3」が本発明における「第3の工程」の一例に相当し、本実施形態における「接合工程S4」が本発明における「第4の工程」の一例に相当する。
なお、本発明において、「仮接合」とは、被接合体と固形状の半田とを局所的に拡散接合することをいい、「接合」とは、半田を介して接合体と被接合体とを全体的に拡散接合することをいい、これらを区別する。
ここでは、まず、回路基板100について、図6に基づいて説明する。図6は本発明の一実施の形態を示す回路基板の断面図である。
回路基板100は、基板110と、当該基板110に表面実装された電子部品120と、これらを接合する半田と、から構成された表面実装基板である。基板110は、電気絶縁性を有する板状の部材であり、このような基板110を構成する材料としては、たとえば、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、液晶ポリマ(LCP)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂(ABS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の樹脂材料を例示することができる。なお、基板110として、例えば、ガラス、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂等から構成される硬質基板を用いてもよい。
基板110の表面には、複数のパッド111(本実施形態では、6箇所)や、特に図示しない配線パターンが設けられている。配線パターンは、たとえば、パッド111同士間を電気的に接続する機能や、当該パッド111と外部端子とを電気的に接続する機能を有する。このようなパッド111や配線パターンを構成する材料としては、たとえば、銅(Cu)等を例示することができる。
電子部品120としては、たとえば、表面実装タイプのデバイスを例示することができ、具体的には、IC、センサ、抵抗部品、コンデンサ、インダクタ、又はLED(Light emitting diode)等を例示することができる。
本実施形態の電子部品120の底面には、複数の端子121が当該電子部品120の左右両端に沿って3個ずつ並設(合計して6個)されている。なお、電子部品120の形状は、特に上述に限定されず、たとえば、SOP(Small outline package),SOJ(Small outline j-leaded),SON(Small outline no lead package),QFN(Quad fiat non-lead package),又は,BGA(Ball grid array)等としてもよい。なお、端子121を構成する材料としては、たとえば、銅(Cu)等を例示することができる。
本実施形態では、電子部品120の端子121に対応するように、基板110上にパッド111が形成されており、当該パッド111に端子121が半田付けされている。なお、図5では、半田は符号(132)により示しているが、本実施形態の半田は、板状半田130の一部(すなわち、接合部分132)を溶融、固化することで基板110と電子部品120との間に介在するように形成されるものである。板状半田130については、後に詳細に説明する。
次に、基板100(具体的には、パッド111)に半田(具体的には、板状半田130)を供給し、これらを仮接合する仮接合装置1について説明する。なお、基板100に板状半田130を仮接合する方法としては、仮接合装置1を用いる方法に限定されない。
図2は本発明の一実施の形態における接合装置を示す図であり、図2(a)は側面断面図、図2(b)は平面図、図3(a)は本発明の一実施の形態における板状半田を示す断面図、図3(b)は本実施形態の一実施の形態における線状半田を示す断面図である。
仮接合装置1は、図2(a)及び図2(b)に示すように、基台10と、半田フィーダ20と、レーザ光照射装置30と、を備えている。基台10は、略水平に支持されており、上方に基板110が載置されている保持面11を有している。この保持面11は、特に図示しない複数の吸引口が開口しており、基板110を吸着保持することが可能となっている。
半田フィーダ20は、板状半田130を基板110上に供給する装置である。この半田フィーダ20は、線状半田130Bがロール状に捲回された供給ドラム21と、線状半田130Bを板状半田130に成形する圧延装置22と、当該板状半田130を基板110のパッド111上に誘導する供給ガイド23と、を有している。
ここで、板状半田130は、固形状であって、略平坦な主面131を有した略矩形の断面形状とされた板状の部材である(図3(a)参照)。板状半田130の主面131は、相互に略平行に延在する上面131aと下面131bとを有している。この板状半田130は、たとえば、鉛(Pb)を含有しない(鉛フリーの)錫(Sn)系合金又は亜鉛(Zn系)合金等に、フラックスを含有して構成されている。
リフロー炉の洗浄負荷を低減する観点から、フラックスの含有量としては、3〜4重量%であることが好ましく、或いは、フラックスレスであることが好ましい。なお、半田に含有されるフラックスの量については、特に上述に限定されない。因みに、線状半田130Bは、板状半田130と実質的に一致する断面積の略真円形の断面形状を有した線材である(図3(b)参照)。
本実施形態では、供給ドラム21が図中反時計廻りに回転することで、線状半田130Bが圧延装置22に供給される。圧延装置22は、たとえば、2つのロールが相互に対向するように配置された圧延ロール221を有しており、一方の圧延ロール221には、略矩形の断面形状を有する溝(不図示)が形成されている。
この圧延ロール221を通過した線状半田130Bは、溝の断面形状に相当する略矩形の断面形状に成形される。すなわち、圧延ロール221を通過することで、線状半田130Bが板状半田130に成形される。なお、線状半田130Bを板状半田130に成形する方法としては、特に上述に限定されない。
圧延装置22を通過することで成形された板状半田130は、供給ガイド23に送出される。供給ガイド23は、圧延装置22により圧延された板状半田130を基板110のパッド111上に案内するためのガイドである。この供給ガイド23は、板状半田130の断面形状に対応する断面形状を有する筒状の部材から構成されている。供給ガイド23の先端部231からは、送出された板状半田130の先端が、上面131aが上方を向く姿勢で突出する。
この半田フィーダ20は、基板110上に形成されるパッド111の位置に対応して移動可能であり、それぞれのパッド111に対して板状半田130を供給することができる。なお、半田フィーダ20を移動させる移動機構としては、特に限定しないが、モータを用いたボールねじ機構等を例示することができる。
レーザ光照射装置30は、図2(a)及び図2(b)に示すように、基台10に対向する位置に配置されている。このレーザ光照射装置30には、たとえば、YAGレーザを照射する光源等が内蔵されており、この光源からの放射光(すなわち、レーザ光)が反射ミラー等の光学素子を介して下方(−Z方向)に出射される。
このレーザ光照射装置30は、基板110のパッド111の上方に位置する板状半田130をレーザ光の照射熱により溶融して、当該パッド111と板状半田130とを仮接合する。本実施形態では、板状半田130の下面131bをパッド111に重ね合わさせており、レーザ光照射装置30は、板状半田130の上面131aに向かってレーザ光を照射する。
なお、本実施形態では、板状半田130のうちパッド111に重ね合わされた部分の四隅にレーザ光を照射して、仮接合している。パッド111と板状半田130とを仮接合する箇所が複数あることで、安定して仮接合状態を保持することができる。因みに、パッド111と板状半田130とを仮接合する箇所の数と配置は、特に上述に限定されない。
レーザ光照射装置30は、パッド111及び板状半田130の材質や厚さ(高さ)等に応じて、レーザ光の出力、ビーム径、広がり角度、焦点距離、及び焦点深度等を調整可能となっており、パッド111と板状半田130とを適切に仮接合することができる。
なお、パッド111と板状半田120とを仮接合する方法としては、特に上述に限定されない。たとえば、高温とされた加熱部材を用いて端子と板状半田とを仮接合してもよい。加熱部材としては、たとえば、加熱されたコテ、ヒータ、及び熱風を吹き付ける機構等を例示することができる。
加熱部材を用いて端子及び板状半田を仮接合する方法としては、端子上に重ね合わされた板状半田の上方に加熱部材を配置して、当該板状半田の側から端子に向かって押し付けるように、当該加熱部材を板状半田に接触させる。これにより、板状半田が加熱部材からの熱により溶融する。そして、加熱部材を板状半田から離反させ、溶融した板状半田が端子上で冷却され硬化することで、当該端子と板状半田とを仮接合する。
図1に戻り、本実施形態の接合方法では、まず、供給ドラム21に捲回された線状半田130Bを準備する。そして、供給工程S1として、準備した線状半田130Bを圧延装置22に送出する。圧延装置22では、線状半田130Bを圧延して、板状半田130を成形する(図1のステップS11)。そして、成形された板状半田130が供給ガイド23に送出される。供給ガイド23の先端部231からは、板状半田130の先端が突出する。なお、線状半田に代えて板状半田が供給ドラムに捲回されていてもよい。この場合は、線状半田を圧延して、板状半田を形成する工程(ステップS11)が不要となる。
一方、基台10では、パッド111が上方を向くように基板110が予め固定されている。本実施形態では、この基板110のパッド111に対して、板状半田130の下面131bを重ね合わせるように供給する(図1のステップS12)。
パッド111と板状半田130の位置決めは、たとえば、CCDカメラ(不図示)によりパッド111の近傍を撮像し、撮像された画像データに基づいて、パッド111の位置と板状半田130の位置とを位置合わせすることで実行される。なお、パッド111と板状半田130との位置決め方法は、特に上述に限定されない。
次いで、仮接合工程S2として、まず、レーザ光照射装置30を、板状半田130が重ね合わされたパッド111の上方に移動させる。そして、レーザ光照射装置30により、板状半田130にレーザ光をレーザ光照射点Aに対応する部分に照射する(図1のステップS21,図4(a)参照)。
本実施形態では、板状半田130のうちパッド111に重ね合わされた部分の四隅にレーザ光を照射するが、この際、平面視において、レーザ照射点Aがパッド111に重ね合わされた板状半田130の外形内の領域に納まるようにレーザ光を照射する。
レーザ光が照射された板状半田120は、局所的に加熱され溶融する。その後、溶融した板状半田130が密着するパッド111上で冷却され硬化する。これにより、パッド111と板状半田130とが仮接合される(図1のステップS22,図4(b)参照)。本発明における「局所的に加熱」とは、平面視において、板状半田130のうちパッド111に重ね合わされた部分の面積内に納まる領域を加熱することをいう。
なお、レーザ光が照射されることで溶融した板状半田130は、常温において徐冷してもよいし、特に図示しない冷却手段を用いて、急冷してもよい。
そして、板状半田130のうち、パッド111に仮接合された部分を含む接合部分132を当該パッド111上に残存させ、当該接合部分132以外の部分を切断刃40により接合部分132から分割する(図1のステップS23,図4(c)参照)。
本実施形態の基板110には、6つのパッド111が設けられている。したがって、他のパッド111についても、上述した工程(すなわち、供給工程S1及び仮接合工程S2)を繰り返し、すべてのパッド111に板状半田130を仮接合する。
次いで、配置工程S3では、まず、電子部品120を準備する。そして、パッド111に仮接合された板状半田130(具体的には、接合部分132)上に電子部品120を配置する(以下単に、接合部分132が仮接合され、当該接合部分132上に電子部品120が載置された状態の基板110を「仮実装基板」と称する。)。この際、電子部品120の端子121と、板状半田130とが接触するように、当該電子部品120を配置する。また、少なくとも板状半田130の一部が、パッド111と端子121との間に介在するように、電子部品120を板状半田130上に配置する。
本実施形態では、板状半田130は、パッド111に仮接合されているので、基板110をハンドリングしても、板状半田130がパッド111から容易に脱落することがない。また、板状半田130は、略平坦な上面131aが上方を向く姿勢でパッド111に仮接合されているので、電子部品120を安定して当該板状半田130上に配置することができる。
次いで、接合工程S4では、仮実装基板の板状半田130をリフロー加熱して溶融する。ここでは、まず、リフロー加熱するために用いられるリフロー装置(不図示)内に仮実装基板を配置する。そして、リフロー装置内に配置された仮実装基板に対してリフロー加熱を行う。
リフロー加熱としては、予熱と本加熱とを行う。予熱は、電子部品120への急激な熱衝撃の緩和、板状半田130に含まれるフラックスの活性化促進などを行うため、仮実装基板を一般的には150℃から170℃程度に予熱する。その後、板状半田130が溶ける温度まで、短時間高温にする(一般的には220℃から260℃)本加熱を行う。
この本加熱では、板状半田130の成分組成により溶融温度が異なるが、少なくとも板状半田130の融点よりも高温にする必要がある。その後、仮実装基板を冷却して、溶融した板状半田130を固化し、基板110と電子部品120とを半田を介して接合する。以上により、基板110と電子部品120とを半田により接合した回路基板100が得られる。
本実施形態における半田により電子部品120(具体的には、端子121)と基板110(具体的には、パッド111)とを接合する接合方法は、以下の効果を奏する。
本実施形態では、固形状の板状半田130を予め基板110のパッド111に仮接合するので、電子部品120の端子121と当該パッド111とを接合する場合に、ペースト状の半田と比べて、フラックス含有量の低いものを用いることができ、フラックスの蒸発量が低下し、リフロー炉内の汚染が抑制される。これにより、電子部品120と基板110との接合作業において、作業効率の向上が図られる。
また、本実施形態では、板状半田130は、パッド111に仮接合されているので、当該板状半田130を接合した後、基板110をハンドリングしても、板状半田130がパッド111から容易に脱落することがない。これにより、基板110のハンドリングの自由度が向上するので、電子部品120と基板110との接合作業において、作業効率の向上がさらに図られる。
また、略平坦な上面131aが上方を向く姿勢でパッド111に仮接合された板状半田130を用いることで、電子部品120を安定して当該板状半田130上に配置することができる。これにより、電子部品120と基板110との位置ずれが生じることで回路基板100の品質が低下するのを抑制することができる。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属するすべての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
図5(a)〜図5(c)は、本発明の一実施の形態における基板と半田とを仮接合する接合方法の変形例を説明するための断面図である。
たとえば、図5(a)〜図5(c)に示すように、予め個片に分割された個片状半田130Cをピックアンドプレース方式により基板110のパッド111上に供給してもよい。本例では、仮接合装置50を用いて、基板100(具体的には、パッド111)に半田(具体的には、板状半田130)を供給し、これらを仮接合する。
まず、図5(a)に示すように、半田フィーダ20により供給される板状半田130を切断刃40により切断して、個片状半田130Cを形成する。形成された個片状半田130Cは、トレイ51に収容される。なお、線状半田を圧延して板状半田を成形し、当該板状半田を切断刃により切断して、個片状半田を形成してもよい。
そして、図5(b)に示すように、移動ステージ53に垂設された吸着アーム531により、トレイ51から基台52上に予め固定された基板110に向かって個片状半田130Cを供給する。この吸着アーム53としては、吸着パッドを有するものを用いることができる。ここでは、吸着パッドにてトレイ51に収容される個片状半田130Cを真空吸着し、当該個片状半田130Cを基台52まで移動させ、真空破壊することで個片状半田130Cを基板110のパッド111上に載置する。
そして、図5(c)に示すように、吸着アーム531と同様に移動ステージ53に垂設されたレーザ光照射装置532が基板110のパッド111の上方に位置する個片状半田130Cをレーザ光の照射熱により溶融することで、当該パッド111と個片状半田130とを仮接合する。なお、レーザ光照射装置532は、上述したレーザ光照射装置30と同様の構成を有している。
以上のように、個片状半田130Cが仮接合された基板110を得た後、上述した配置工程S3と、接合工程S4を経ることで、回路基板100を得ることができる。
また、本実施形態では、固形状であって、略平坦な主面131を有した略矩形の断面形状とされた板状半田130を基板110のパッド111に仮接合する場合について説明したが、半田が固形状であれば、その形状については、特に限定されない。
また、本実施形態では、接合体が電子部品120の端子121であり、被接合体が基板110のパッド111である場合について説明したが、特に上述に限定されない。
1・・・仮接合装置
10・・・基台
11・・・保持面
20・・・半田フィーダ
21・・・供給ドラム
22・・・圧延装置
221・・・圧延ロール
23・・・供給ガイド
231・・・先端部
30・・・レーザ光照射装置
40・・・切断刃
100・・・回路基板
110・・・基板
111・・・パッド
120・・・電子部品
121・・・端子
130・・・板状半田
131・・・主面
131a・・・上面
131b・・・下面
132・・・接合部分
130B・・・線状半田
130C・・・個片状半田
50・・・仮接合装置
51・・・トレイ
52・・・基台
53・・・移動ステージ
531・・・吸着アーム
532・・・レーザ光照射装置

Claims (7)

  1. 半田により接合体を被接合体に接合する接合方法であって、
    固体状の前記半田の少なくとも一部を前記被接合体に重ね合わせるように、前記半田を供給する第1の工程と、
    供給された前記半田のうち、前記被接合体に重ね合わされた部分の一部を局所的に加熱して、前記半田を前記被接合体に仮接合する第2の工程と、を備える接合方法。
  2. 請求項1に記載の接合方法であって、
    前記第2の工程は、前記半田において、少なくとも前記被接合体に仮接合された部分を含む接合部分を前記被接合体上に残存させ、前記接合部分以外の部分を前記接合部分から分割することを含む接合方法。
  3. 請求項1に記載の接合方法であって、
    前記第1の工程は、個片状に形成された前記半田を、前記被接合体に重ね合わせることを含む接合方法。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載の接合方法であって、
    前記第2の工程は、前記半田に向かってレーザ光を照射することで局所的に加熱することを含む接合方法。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載の接合方法であって、
    前記半田は、平坦な主面を含む板状の形状を有する板状半田であり、
    前記第2の工程は、前記主面を前記被接合体に重ね合わせるように、前記板状半田を供給することを含む接合方法。
  6. 請求項5に記載の接合方法であって、
    前記第1の工程は、前記半田を供給する前に、線状半田を圧延して前記板状半田を成形することを含む接合方法。
  7. 請求項1〜6の何れか1項に記載の接合方法であって、
    前記第2の工程の後に、前記被接合体に仮接合された前記半田の上に前記接合体を配置する第3の工程と、
    加熱を行うことにより前記接合体と前記被接合体とを前記半田を介して接合する第4の工程と、をさらに備える接合方法。
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