JP2020088146A

JP2020088146A - 回路基板の製造方法

Info

Publication number: JP2020088146A
Application number: JP2018220000A
Authority: JP
Inventors: 真浩坂田; Masahiro Sakata; 義人高橋; Yoshito Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-06-04

Abstract

【課題】導電性ペーストを使った接合の良否を判定することのできる検査方法を含む製造方法を提供する。【解決手段】基板に電気部品が実装されている回路基板の製造方法であって、準備工程と、焼結工程と、検査工程を備えている。準備工程では、プリント基板２の上に、完全焼結すると変色する導電性ペースト４を配置するとともに、導電性ペーストに電気部品５を押し付ける。焼結工程では、導電性ペーストを加熱して焼結させる。検査工程は、カメラ１０と自動光学検査装置１２による導電性ペーストの焼結物４ａの色が色度図上の所定の範囲内にあるか否かを検査する色調検査と、電気部品の高さが所定の高さ範囲内であるか否かを検査する高さ検査を含んでいる。【選択図】図５

Description

本明細書が開示する技術は、基板に電気部品が実装されている回路基板の製造方法に関する。

基板への電気部品の固定には、従来ははんだ材が用いられていたが、近年、銅ペースト（導電性ペースト）を利用する技術が普及している。その製造方法は次の通りである。まず、基板に銅ペーストを塗布（印刷）し、銅ペーストの上に電気部品を載置する。次に、銅ペーストを焼結させて基板に電気部品を固定する（例えば特許文献１）。

特開２０１７−９２３８５号公報

回路基板の製造工程には、電気部品が確実に基板に接合したか否かを検査する工程が含まれる。はんだ材は、溶融すると表面張力により電気部品の側面に沿って盛り上がる（濡れ上がる）。はんだ材は、電気部品の側面に沿って盛り上がったまま固化する。はんだ材の場合は、電気部品の側面に盛り上がったはんだ材の形状によって接合の良否を判断することができる。一方、導電性ペーストの場合は溶融してもはんだ材のようには盛り上がらず、導電性ペーストの焼結後の形状から接合の良否を検査できない。導電性ペーストを使った接合の良否を判定することのできる検査方法を含む製造方法が求められている。

本明細書が開示する製造方法は、準備工程、焼結工程、検査工程を含んでいる。準備工程では、基板の上に、完全焼結すると変色する導電性ペーストを配置するとともに導電性ペーストに電気部品を押し付ける。焼結工程では、導電性ペーストを加熱して焼結させる。検査工程は、導電性ペーストの焼結物の色が色度図上の所定の範囲内にあるか否かを検査する色調検査と、電気部品の高さが所定の高さ範囲内であるか否かを検査する高さ検査を含んでいる。

導電性ペーストは、加熱不足で完全焼結に至らないと接合性が低下する。加熱が十分であるか否かは、導電性ペーストの加熱後の焼結物の色で判断できる。発明者らは、加熱不足の焼結物と完全焼結した焼結部の多くのサンプルの色を調べた結果、加熱不足のときの焼結物の色と完全焼結したときの焼結物の色は、色度図上で明確に区別できることを見出した。また、電気部品が導電性ペーストに押し込まれたか否かで電気部品の高さ（基板表面からの高さ）が変化する。電気部品の高さが低ければ、電気部品は導電性ペーストに十分に沈むとともに導電性ペーストが拡がり、電気部品と導電性ペーストの間に十分な広さの接触面が形成される。電気部品の高さが高い場合は、電気部品は銅ペーストに十分には押し込まれず、電気部品と導電性ペーストの接触面積は小さくなる。広い接触面積を保持した状態で銅ペーストが焼結すれば、電気部品の接合性がよくなる。それゆえ、電気部品の高さを測定することでも、接合の良否を判別することができる。本明細書が開示する製造方法は、上記した色調検査と高さ検査の両方を実施することで、導電性ペーストによる接合の良否を正確に判別できるようになる。すなわち、本明細書は、電気部品の接合性の低い回路基板を除外することのできる回路基板製造方法を提供する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の製造方法の準備工程を説明する図である（１）。実施例の製造方法の準備工程を説明する図である（２）。焼結工程を説明する図である。銅ペーストの焼結を説明する図である。図４（Ａ）は、１００〜２００℃に加熱した銅ペーストの模式的構造図である。図４（Ｂ）は、２００℃程度に加熱した銅ペーストの模式的構造図である。図４（Ｃ）は、２２０℃以上に加熱した銅ペーストの模式的構造図である。検査工程を説明する図である。サンプルを加熱するときの温度プロファイルのグラフである。サンプルの焼結状態とシェア強度の関係を示すグラフである。焼結状態の異なるサンプルの色度図上の分布を示すグラフである。サンプルの電気部品高さと接合強度の関係を示すグラフである。

図面を参照して実施例の製造方法を説明する。実施例の製造方法は、配線パターンが印刷されているプリント基板にチップコンデンサなどの電気部品が実装されている回路基板の製造方法である。この製造方法は、準備工程、焼結工程、検査工程を備えている。

（準備工程）図１、図２を参照して準備工程を説明する。準備工程では、配線パターン３が印刷されているプリント基板２の上に銅ペースト４を挟んで電気部品５を載置する。銅ペースト４は、導電性ペーストの一種である。図示は省略しているが、プリント基板２は、例えばガラスエポキシを材料とした薄板を複数層に重ねた多層板である。薄板の板厚は、任意であるが、例えば０．４〜１．６［ｍｍ］程度である。先に述べたように、電気部品５は、チップコンデンサ、抵抗、コンデンサ、コイル、半導体チップなどである。

配線パターン３は、積層されているそれぞれの薄板のおもて面と裏面に形成されている。なお、図１では、プリント基板２の表面の一部の配線パターン３のみを模式的に示してある。配線パターン３は、例えば、１０〜２０［μｍ］程度の厚みの銅箔で作られている。

銅ペースト４は、配線パターン３の部品接合予定箇所に配置される。具体的には、銅ペースト４は、印刷機でプリント基板２の表面に印刷される。銅ペースト４の印刷には、厚み１００［μｍ］程度の金属マスクが用いられる。

銅ペースト４には、焼結すると変色する材料が用いられる。より詳細には、銅ペースト４には、完全焼結したときの色と不完全焼結したときの色が異なる材料が用いられる。本実施例の製造方法に適した銅ペースト４の組成の一例は次の通りである。銅ペースト４は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだよりも融点の高い第１金属粉と、Ｓｎ成分を含んでいる第２金属粉と、熱硬化性を有しているフラックス樹脂を含んでいる。第１金属粉と第２金属粉の組成比は、第１金属粉が５５−７５［ｗｔ％］の範囲であり、第２金属粉が２５−４５［ｗｔ％］の範囲である。

第１金属粉の一例は、Ｃｕ粉（銅粉）、Ａｌ粉（アルミニウム粉）、Ａｇ粉（銀粉）、Ａｕ粉（金粉）のいずれかであるとよい。第１金属粉は、Ｃｕ合金粉であってもよい。第１金属粉の表面は、Ｓｎ（スズ）またはＳｎ合金でめっきされていてもよい。第１金属粉の粒径は、５−１５［μｍ］であることが好ましい。第２金属粉の粒径は、２０−４０［μｍ］であることが好ましい。フラックス樹脂には、熱硬化性を有するエポキシ樹脂が含まれているとよい。

上記組成の銅ペースト４は、焼結すると変色する。特に、上記組成の銅ペースト４は、完全に焼結したときの色と、加熱不足で不完全に焼結したときの色が異なる。

電気部品５は、所定の荷重で銅ペースト４に押し付けられる。電気部品５は、銅ペースト４の中に沈む。電気部品５が銅ペースト４の中に沈むことで、銅ペースト４が電気部品５に接触しつつ拡がる。すなわち、電気部品５と銅ペースト４の間に広い接触面積が確保される。広い接触面積が確保されていれば、リフロー処理したときに電気部品５が配線パターン３によく接合する。

準備工程では、基板２の表面から銅ペースト４の上面までの高さＨ１と、基板２の表面から電気部品５の上面までの高さＨ２が計測される（図２参照）。高さＨ１と高さＨ２がそれぞれ所定の許容範囲内にない場合は、接合不良となる可能性が高いので、製造ラインから除き、修復工程へ送られる。高さの測定は、例えばレーザ距離センサなどが用いられる。

（焼結工程）図３を参照して焼結工程を説明する。焼結工程では、銅ペースト４と電気部品５が載置されたプリント基板２を、リフロー炉に入れて加熱し、銅ペースト４を焼結させる。図３は、銅ペーストが焼結した後の状態を示している。銅ペースト４は、加熱途中で溶融し、電気部品５の下面に粘着する。わずかながら、溶融した銅ペーストは、電気部品５の側面にも粘着する。なお、はんだ材の場合は、溶融すると電気部品の側面に沿って良く盛り上がる（濡れ上がる）が、銅ペーストの場合ははんだ材ほどには濡れ上がらない。図３では、溶融−焼結による銅ペーストの変形を強調して描いてある。

図４を参照して銅ペースト４の焼結プロセスを説明する。銅ペースト４を１００〜１２０［℃］程度に加熱すると、フラックスが液状化する。なお、フラックス樹脂中には、熱硬化性樹脂であるにエポキシ樹脂が混在している。液状化したフラックスの中には、Ｃｕ（銅）粒子と、はんだ粒子が混在している（図４（Ａ））。ここでは、はんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系である。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだの融点は２１７［℃］である。

銅ペースト４を２１７［℃］まで熱すると、はんだが溶融する（図４（Ｂ））。さらに銅ペースト４を２２０［℃］以上まで熱すると、はんだ中のＳｎ（スズ）とＣｕ（銅）が合金化する。温度を下げると、フラックスが硬化し、Ｃｕ−Ｓｎ合金中に硬化樹脂が点在するようになる（図４（Ｃ））。Ｃｕ−Ｓｎ合金が、電気部品を配線パターンに接合する。

（検査工程）図５を参照して、検査工程を説明する。検査工程では、銅ペースト４の焼結物４ａの色が色度図上の所定の範囲内にあるか否かを検査する色調検査と、電気部品５の高さＨ３が所定の高さ範囲内であるか否かを検査する高さ検査を含んでいる。

色調検査は、カメラ１０と自動光学検査装置（Automated Optical Inspector）１２で実施される。自動光学検査装置１２は、カメラ１０で撮影された銅ペースト４の焼結物４ａのカラー画像を解析する。自動光学検査装置１２は、カラー画像中の焼結物４ａのＲＧＢ値をＬ＊ａ＊ｂ表色系に変換し、＊ａ値と＊ｂ値が所定範囲内であるか否かをチェックする。＊ａ値と＊ｂ値が所定範囲外である場合、電気部品５の接合状態が良好でない可能性があるため、撮影対象の基板２は製造ラインから外され、修復工程へ送られる。

高さ検査は、不図示のレーザ距離センサと、当該距離センサに接続されたコンピュータで行われる。コンピュータは、計測された高さＨ３が所定の高さ範囲内であるか否かをチェックする。高さＨ３が高さ範囲外である場合、電気部品５の接合状態が良好でない可能性があるため、対象の基板２は製造ラインから外され、修復工程へ送られる。

色調検査と高さ検査で接合の良否が判定できるか否かをサンプルで確認した。色調検査の評価試験について説明する。図６に、評価試験で使用した２種類の温度プロファイルを示す。実線の温度プロファイルは、最高温度が２５０［℃］を超える。点線の温度プロファイルは、最高温度が約２００［℃］である。実線の温度プロファイルで加熱すると、銅ペーストは完全焼結する。点線の温度プロファイルで加熱すると、銅ペーストは加熱不足で完全焼結しない。実線の温度プロファイルと点線の温度プロファイルを用いてそれぞれ１０サンプルずつを加熱した。

完全焼結したサンプルと加熱不測のサンプルのシェア強度を測定した結果を図７に示す。完全焼結したサンプルは全て、閾値を超えるシェア強度の強度を示した。一方、加熱不足のサンプルの一部はシェア強度が閾値を下回った。

完全焼結したサンプルと加熱不足のサンプルの色調検査の結果を図８に示す。図８のグラフの横軸と縦軸は、それぞれ、Ｌ＊ａ＊ｂ表色系の＊ａと＊ｂを示している。図８に示すように、完全焼結したサンプルと加熱不足のサンプルは、直線Ｌを境界として明確にグループ分けできる。直線Ｌの式は、「＊ｂ＝−０．５５４＊ａ＋９．８４６」である。自動光学検査装置１２に上記の直線式を閾値として入力しておき、検査対象の焼結物の色調検査の結果が「＊ｂ＜−０．５５４＊ａ＋９．８４６」であれば、接合良品であると判断するように設定することで、接合の良否が判定できる。ＲＧＢでの表記と異なり、Ｌ＊ａ＊ｂ表色系では、＊ａと＊ｂの二次元平面上で色を特定できるため、閾値が直線となり、良否判定に好都合である。

高さ検査の評価試験について説明する。部品高さが３９０［μｍ］以下となるように電気部品を深く銅ペーストに押し込んだサンプルと、部品高さが４１０［μｍ］以上となるように電気部品を浅く銅ペーストに押し込んだサンプルをそれぞれ複数個用意し、焼結させた。焼結後、サンプルの接合強度を測定した。評価試験の結果を図９に示す。電気部品を深く押し込んだサンプルは、ほぼ全てが接合強度の閾値を超えている。逆に、電気部品を浅く押し込んだサンプルでは、ほぼ全てが接合強度の閾値を下回っている。この結果から、焼結後の電気部品の高さをチェックすることで、接合の良否を判定できることが確認された。なお、電気部品は５０［μｍ］以上深く銅ペーストに押し込むことが望ましい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。用いる導電性ペーストは、銅ペーストに限られない。導電性ペーストは、完全焼結したときの色と、加熱不足のときの色（不完全焼結したときの色）が異なるものであればよい。接合対象の基板と電気部品も実施例で説明した基板と電気部品に限られない。

導電性ペーストの一例は次のとおりである。導電性ペーストは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだよりも融点の高い第１金属粉と、Ｓｎ成分を含んでいる第２金属粉と、熱硬化性を有しているフラックス樹脂を含んでいる。第１金属粉の組成比は５５−７５［ｗｔ％］の範囲であり、第２金属粉の組成比は２５−４５［ｗｔ％］の範囲である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：プリント基板
３：配線パターン
４：銅ペースト
４ａ：焼結物
５：電気部品
１０：カメラ
１２：自動光学検査装置

Claims

基板に電気部品が実装されている回路基板の製造方法であり、
前記基板の上に、完全焼結すると変色する導電性ペーストを配置するとともに前記導電性ペーストに前記電気部品を押し付ける準備工程と、
前記導電性ペーストを加熱して焼結させる焼結工程と、
前記導電性ペーストの焼結物の色が色度図上の所定の範囲内にあるか否かを検査する色調検査と、前記電気部品の高さが所定の高さ範囲内であるか否かを検査する高さ検査を含んでいる検査工程と、
を備えている製造方法。