JP3834118B2 - はんだ付け方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を電子回路基板にはんだ付けするはんだ付け方法に係り、特に、予めはんだボール等のはんだ接続部が付けられている電子部品を電子回路基板に接続するに好適なはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の電子回路基板上には、半導体集積回路（ＬＳＩ）やメモリ素子やコンデンサ等の種々の電子部品がはんだ付け実装されている。近年の集積密度の向上やダウンサイジング化に伴い、フリップチップタイプの電子部品を使用する電子回路基板が増えてきている。通常、フリップチップの接続部には、はんだボール等のはんだ接続部が予め付けられている。はんだ接続部は、電子部品の製造メーカーが予め付けているものであるため、その組成は、それぞれ異なっている。即ち、ある電子部品には、融点の高いはんだ接続部が付けられており、他の部品は、融点が低いはんだ接続部が付けられている。
【０００３】
【発明が解決する課題】
従って、従来は、同一電子回路基板上に、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を取り付けるには、最初に、融点の高いはんだ接続部を有する電子部品を電子回路基板に搭載した上で、第１の温度でリフローはんだ付けを行い、次に、融点の低い接続部を有する電子部品を電子回路基板に搭載した上で、第１の温度よりも低い第２の温度でリフローはんだ付けを行う必要があった。即ち、複数の電子部品を電子回路基板にはんだ付けするために、２回の工程が必要であるため、工程数が増加するという問題があった。
【０００４】
なお、例えば、特開平７−３２６８５６号公報に記載のように、はんだボールの取り付けられた電子部品と、リード端子を有し、はんだ接続部を有しない表面実装形の電子部品とを、１回の工程でリフローはんだ付けを行う方法は知られている。しかしながら、かかる方法は、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付けることについては、何等開示していないものである。
【０００５】
本発明の目的は、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付けることができるはんだ付け方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、予め第１のはんだ接続部が付けられている第１の電子部品と、上記第１のはんだ接続部よりも融点の低い第２のはんだ接続部が予め付けられている第２の電子部品とを、電子回路基板上の端子パターンにはんだ付けにより接続するはんだ付け方法において、上記第１のはんだ接続部は、主成分が鉛で組成されたはんだであり、上記第２のはんだ接続部は、主成分が錫で組成されたはんだであり、上記電子回路基板上の端子パターンに第２のはんだ接続部の融点と近い融点を有し、主成分が錫で組成されたはんだペーストを塗布し、このはんだペースト中に埋もれるように上記第１の電子部品の上記第１のはんだ接続部を載置し、上記電子回路基板上の端子パターンに上記第２の電子部品の上記第２のはんだ接続部を載置した後、上記はんだペースト及び上記第２のはんだ接続部が溶融する温度まで加熱することにより、上記第１の電子部品と上記電子回路基板を接続するはんだのほぼ全てが錫−鉛共晶組成となり、上記第１の電子部品及び第２の電子部品を上記端子パターンにはんだ付けにより接続するようにしたものであり、かかる方法により、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付け得るものとなる。
【０００８】
上記はんだ付け方法において、好ましくは、上記第１のはんだ接続部に含まれる鉛と、上記はんだペーストに含まれる錫の重量比率を、ほぼ３７対６３としたものであり、かかる方法により、錫と鉛の共晶組成とし得るものとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって、異なる融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品が電子回路基板上に固定される前の状態の説明図である。
【００１０】
電子回路基板１０の上には、予め搭載される電子部品のはんだ接続部のパターンに合わせた端子パターン１２，１４が形成されている。端子パターン１２の上に搭載される電子部品２０は、例えば、コンデンサであり、その底面には、予めはんだボール２２が固定されている。はんだボール２２は、鉛の含有率が９７％の高融点はんだ接続部である。はんだボール２２の融点は、３２０℃である。一方、端子パターン１４の上に搭載される電子部品３０は、例えば、集積回路素子（ＬＳＩ）やメモリ素子であり、その底面には、予めはんだボール３２が固定されている。はんだボール３２は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有するものであり、はんだボール２２に比べて融点の低いはんだ接続部である。はんだボール３２の融点は、２２１℃である。
【００１１】
即ち、はんだボール２２の融点とはんだボール３２の融点は異なるため、従来は、最初に、端子パターン１２の上に、電子部品２０を載置した上で、３２０℃よりも高温の炉内でリフローはんだ付けを行い、次に、端子パターン１４の上に、電子部品３０を載置した上で、３２０℃よりも低く、２２１℃よりも高い炉内でリフローはんだ付けを行うというように、２回の工程を必要としていた。
【００１２】
それに対して、本実施形態においては、端子パターン１２の上には、予め所定量のはんだペースト４０をスクリーン印刷する。はんだペースト４０の印刷方法については、図２を用いて、後述する。ここで、はんだペースト４０は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有するものであり、その融点は、融点の異なるはんだボール２２，３２の内、融点の低い方のはんだボール３２の融点と等しいものを用いている。即ち、はんだペースト４０の融点は、２２１℃である。なお、融点の低い方のはんだボールと全く同一のはんだ組成を有するはんだペーストが市販されていない場合には、例えば、錫９６．５％，銀３．５％のはんだ組成を有するはんだペーストを使用することもできる。このように多少はんだ組成が異なっていても、融点の相違は僅かなものである。即ち、はんだペースト４０の融点は、低融点側のはんだボール３２の融点に近いものであればよいものである。換言するならば、はんだペースト４０としては、その融点が、高融点側のはんだボール２２の融点よりも、低融点側のはんだボールの融点に近いものを用いる。
【００１３】
はんだペースト４０が端子パターン１２の上にスクリーン印刷された後、はんだボール２２の付いた電子部品２０が搭載される。はんだペースト４０は、粘性があるため、電子部品３０を搭載した後に電気炉まで搬送する際にも位置がずれることを防止できる。即ち、はんだペースト４０自体を仮固定のために用いることができ、仮固定液等を不要とする。
【００１４】
一方、端子パターン１４の上には、仮固定液５０が所定量塗布される。仮固定液５０が端子パターン１４の上に塗布された後、はんだボール３２の付いた電子部品３０が搭載される。仮固定液５０は、電子部品２０を搭載した後に電気炉まで搬送する際にも位置がずれることを防止できる。また、仮固定液５０は、はんだ付け時の微量の酸化を防止するためにも用いられる。このような目的のために、仮固定液５０としては、例えば、ペンタエチレングリコールや、ポリエチレングリコールを使用する。
【００１５】
ここで、図２を用いて、端子パターン１２上へのはんだペーストの印刷方法について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法におけるはんだペースト印刷の工程を示す説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部品を示している。
【００１６】
図２（Ａ）において、電子回路基板１０の上に予め搭載される電子部品のはんだ接続部のパターンに合わせて形成されている端子パターン１２の上に、印刷マスク１００を載置する。印刷マスク１００には、端子パターン１２の配列に合わせて、予め正方形の開口部１１０が形成されている。ここで、印刷マスク１００の材料としては、例えば、ポリイミド材のフィルムを使用する。開口部１１０は、エキシマレーザ等の波長の短いレーザを用いて容易に形成することができる。
【００１７】
印刷マスク１００の開口部１１０の開口径（Ｌ）は、端子パターン１２に合わせて、０．２ｍｍとする。開口部１１０は、一辺が０．２ｍｍの正方形である。ここで、本実施形態においては、開口部１１０の体積ｓを所定の量にしている。開口部１１０の面積は、上述したように、０．０４ｍｍ2であるため、開口部１１０の体積を所定の量とするため、印刷マスク１００の厚さｔを変えるようにしている。
【００１８】
ここで、開口部１１０の体積ｓを求める方法について説明する。開口部１１０には、後述するように、はんだペースト４０が充填される。はんだペースト４０は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有するものである。一方、図１において説明したように、はんだペースト４０の上には、鉛９７％の高融点のはんだボール２２が載置される。そして、はんだペースト４０とはんだボール２２が、加熱溶融したときに、錫と鉛の組成比率が、６３：３７の共晶組成となるようにする。
【００１９】
はんだペースト４０は、錫の含有率が９７％であるが、説明の簡単のために、錫１００％とする。また、はんだボール２２は、鉛の含有率が９７％であるが、これついても、鉛１００％とする。はんだペースト４０の重量をＳとし、はんだボール２２の重量をＰとしたとき、はんだペースト４０とはんだボール２２が加熱溶融して、錫と鉛の組成比率が６３：３７の共晶組成となるためには、
錫（Ｓｎ）の組成比率６３％＝（Ｓ／（Ｐ＋Ｓ））×１００ …（数１）
若しくは、
鉛（Ｐｂ）の組成比率３７％＝（Ｐ／（Ｐ＋Ｓ））×１００ …（数２）
となる。両式は、展開すると、いずれも、
６３Ｐ＝３７Ｓ …（数３）
となる。
【００２０】
即ち、電子部品２０の底面に予め取り付けられているはんだボール２２の重量Ｐが既知であるならば、個々の端子パターン１２の上に印刷するはんだペースト４０の重量Ｓは、（数３）から、
Ｓ＝（６３／３７）Ｐ …（数４）
として求めることができる。
【００２１】
また、はんだペースト４０の体積ｓは、印刷マスク１００の開口部の開口径Ｌと、印刷マスク１００の厚さｔから、
ｓ＝Ｌ2×ｔ …（数５）
となる。ここで、錫の比重をρとすると、はんだペースト４０の重量Ｓは、
Ｓ＝ｓ×ρ …（数６）
となる。従って、開口径Ｌが決まると、印刷マスク１００の厚さｔは、（数４）
，（数５），及び（数６）から、
ｔ＝ｓ／Ｌ2＝（（６３／３７）・Ｐ）／（Ｌ2・ρ） …（数７）
として求めることができる。
【００２２】
ここで、例えば、はんだボール２２の重量Ｐを予め求めておくことにより、開口径Ｌが、上述したように、０．２ｍｍとすると、印刷マスク１００の厚さｔは、例えば、０．０７５ｍｍと求めることができる。従って、図２（Ａ）に示した印刷マスク１００は、厚さｔが、０．０７５ｍｍのものを使用する。
【００２３】
なお、はんだボール２２の重量Ｐは、はんだボール２２の製造誤差によって、数％のばらつきを有している。従って、はんだペースト４０とはんだボール２２を加熱溶融して、錫と鉛の組成比率を厳密な意味でも６３：３７の共晶組成とすることが困難であり、鉛が多少多めになることもあり、また、錫が多少多めになることもあるが、基本的には、本実施形態においては、はんだペースト４０とはんだボール２２を加熱溶融したとき、錫と鉛の組成比率が６３：３７の共晶組成に近い値となるように、はんだペーストが充填される印刷マスク１００の開口部１１０の体積ｓを決めるようにしている。
【００２４】
以上のようにして開口部１１０の開口径Ｌ及び印刷マスク１００の厚さｔの決められた印刷マスク１００は、図２（Ａ）に示すように、電子回路基板１０の上に予め形成されている端子パターン１２の上に載置される。そして、ウレタン製のスキージ２００を用いて、はんだペースト４０が端子パターン１２の上に印刷される。
【００２５】
次に、図２（Ｂ）に示すように、はんだペーストの印刷終了後、印刷マスクを取り除くと、電子回路基板１０の上のそれぞれの端子パターン１２の上には、はんだペースト４０が印刷された状態となる。
【００２６】
次に、図２（Ｃ）に示すように、搭載用吸着ヘッド２１０を用いて、電子部品２０を吸着し、電子部品２０の底面に予め付けられたはんだボール２２を、印刷されたはんだペースト４０の上に、搭載する。
【００２７】
次に、図２（Ｄ）に示すように、搭載用吸着ヘッド２１０を取り外した状態では、はんだボール２２は、はんだペースト４０の中に多少埋もれた形となっている。
【００２８】
その後、図１に示したように、端子パターン１４の上に仮固定液５０が所定量塗布され、はんだボール３２の付いた電子部品３０が搭載される。電子部品２０，３０が、それぞれ、電子回路基板１０の上に搭載された後、図示しない電気炉の中まで搬送される。電気炉は、常温から２６０℃まで加熱され、２６０℃で５分間保持された後、急速冷却される。
【００２９】
ここで、電子部品３０に予め付けられたはんだボール３２の融点は、２２１℃であるため、２６０℃まで加熱されることにより溶融し、電子部品３０と端子パターン１４がはんだ付けにより接続される。
【００３０】
一方、電子部品２０と端子パターン１２の間に介在するはんだボール２２とはんだペースト４０の挙動について、図３を用いて説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法における高融点のはんだボールと低融点のはんだペーストの加熱時の挙動の説明図である。
【００３１】
はんだボール２２は、鉛９７％のはんだ組成を有し、その融点は３２０℃である。また、はんだペースト４０は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有し、その融点は、２２１℃である。従って、２６０℃に加熱することにより、はんだペースト４０は溶融する。はんだペースト４０の溶融に伴って、はんだペースト４０中の錫の成分が、溶融したはんだペースト４０と接触しているはんだボール２２の表面から、はんだボール２２の内部に拡散していく。また、この錫の拡散に従って、鉛が溶解していく。
【００３２】
図３は、錫がはんだボール２２の鉛成分の中に拡散していく途中の状態を示している。はんだペースト４０Ａは、はんだボール２２Ａの周囲を取り巻いている。はんだペースト４０Ａの外周側は、錫９７％、銀３％の組成であり、溶解している状態である。また、はんだボール２２Ａの中心部は、鉛９７％の固体状態の高融点はんだの状態である。はんだペースト４０Ａとはんだボール２２Ａの接触界面では、はんだボール２２Ａの表面が溶融を始め、はんだペースト４０Ａ中の錫（Ｓｎ）の成分が次第にはんだボール２２Ａ中に拡散する。また、鉛（Ｐｂ）の成分がはんだペースト４０Ａの中に拡散することになる。時間の経過とともに、錫が鉛中に拡散し、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）が相互に溶融した状態となる。ここで、鉛の体積Ｐと錫の体積Ｓの比率を上述したように、３７：６３としておくことにより、溶融した錫と鉛は、共晶組成となる。共晶組成となった部分は、融点が下がり、さらに、熱を加え続けることで、はんだボール２２Ａは、溶融と拡散を繰り返すことにより、共晶組成領域が広がっていく。上述したように、鉛の体積Ｐ，即ち、はんだボール２２の体積Ｐは、ばらつきの有しているため、鉛の成分が多いときには、はんだボール２２Ａの中心部には、多少鉛の成分が残ることになる。また、錫の成分が多いときには、はんだペースト４０Ａの周囲には、多少錫の成分が残ることになる。しかしながら、はんだペースト４０Ａとはんだボール２２Ａが溶融した場合、その大部分は、鉛と錫の共晶組成となる。錫と鉛の共晶組成の融点は、１８３℃である。
【００３３】
次に、図４を用いて、図３において説明したようにはんだボール２２Ａとはんだペースト４０が加熱溶融したはんだ接続部の溶融温度について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって接続されたはんだ接続部の溶融温度の測定結果の説明図である。
【００３４】
図４に示すように、熱量変化分析法ＤＳＣ（Ｄｉｉｆｅｒｅｎｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｅｍａｔｅｒ）測定を用いて、はんだ接続部の溶融温度を測定した。横軸は、温度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（℃）を示し、縦軸は、熱量（Ｈｅａｔ Ｆｌｏｗ）（ｍｏａｌ／ｓｅｃ）を示している。図示の例から明かなように、約１８３℃において、吸熱のピークを迎えており、この温度に溶融点があることが理解できる。即ち、本実施形態におけるはんだ接続部は、錫と鉛の共晶組成となっていることが分かる。
【００３５】
なお、以上の説明では、はんだペースト４０は、スクリーン印刷により、電子回路基板上の端子パターンに塗布されるものとしたが、ディスペンサを用いて定量塗布するようにしてもよいものである。
【００３６】
また、電子部品２０，３０としては、フリップチップタイプの電子部品について説明したが、ＱＦＰ（Quad Flat Package）等のフラットリードタイプや、迎えはんだを施した電子部品に対しても適用できるものである。
【００３７】
以上説明したように、鉛９７％のはんだボール２２と、錫９７％，銀３％のはんだボール３２のように、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を取り付ける際に、高融点側のはんだボール２２に対して、低融点側のはんだボール３２とほぼ同じ融点を有するはんだペースト４０を用いることにより、一回の工程で、両者を接続することが可能となり、工程数を削減することができる。
【００３８】
従来のように、２回の工程で加熱接続する場合には、先に接続された部品とその接続部に熱ストレスが加わるが、本実施形態のように、一回の工程で接合することができるため、熱ストレスが加わらず、接続部の信頼性が向上することとなる。
【００３９】
また、鉛９７％のはんだボール２２のように、鉛含有率の高いはんだ接続部が、大気中に晒されると、水分の影響で鉛が溶け出し、接続信頼性が低下するという問題があったが、図３において説明したように、錫９７％のはんだペースト４０の中に、鉛９７％のはんだボール２２が埋め込まれ、さらに、はんだボール２２の周囲から徐々に共晶組成となっていく。錫と鉛の共晶組成は、水分とも反応しずらくなるため、鉛成分が溶け出して信頼性が低下するという問題が発生しなくなるものである。
【００４０】
また、従来は、鉛含有率の高いはんだボールの水分の影響を防止するために、エポキシ系樹脂等の絶縁樹脂を用いた接続部の封止方法等もとられていたが、上述したように、本実施形態においては、かかる封止方法も不要となる。
【００４１】
次に、図５を用いて、電子部品２０の取り外し方法について説明する。
図５は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法により接続された電子部品の取り外し方法の説明図である。
【００４２】
電子回路基板１０の上の端子パターン１４には、はんだ接続部３２ＡによりＬＳＩ等の電子部品３０が接続固定されている。はんだ接続部３２Ａは、図１に示した錫９７％，銀３％のはんだボール３２が、加熱溶融した後、固着したものである。また、端子パターン１２には、はんだ接続部６０によりコンデンサ等の電子部品２０が接続固定されている。はんだ接続部６０は、図１に示したはんだボール２２とはんだペースト４０が加熱溶融して、錫６７％，鉛３７％で共晶組成となった後、固着したものである。即ち、はんだ接続部３２Ａの融点は、２２１℃であり、一方はんだ接続部６０の融点は、１８３℃である。
【００４３】
電子回路基板１０は、ホットプレート２３０の上に載置される。ホットプレート２３０の加熱温度を、１９０℃〜２１０℃の間に設定することにより、はんだ接続部６０は溶融し、はんだ接続部３２Ａは溶融しないことになる。はんだ接続部６０が充分に溶融した後、取り外し用吸着へっと２２０を用いて、電子部品２０を吸い付けることにより、電子部品２０を電子回路基板１０から取り外すことができる。
【００４４】
以上のようにして、電子回路基板１０の全体を加熱する方法を用いても、取り外し対象の電子部品２０以外の他の電子部品３０に対して過大な熱ストレスを与えることなく、また、取り外し時の吸着ヘッド２２０によって生じる振動等によって他の電子部品３０の位置ズレ等を生じさせることなく、対象の電子部品２０を取り外すことが可能となる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態によれば、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を取り付ける際に、一回の工程で、両者を接続することが可能となり、工程数を削減することができる。
【００４６】
また、一回の工程で接合することができるため、熱ストレスが加わらず、接続部の信頼性が向上することとなる。
【００４７】
また、鉛含有率の高いはんだ接続部を用いる場合においても、水分の影響を受けることなく、鉛成分が溶け出して信頼性が低下するという問題が発生しなくなるものである。
【００４８】
また、エポキシ系樹脂等の絶縁樹脂を用いた接続部の封止方法等も不要となる。
【００４９】
さらに、電子部品の取り外し時においても、対象外の電子部品に対して過大な熱ストレスを与えることなく、また、他の電子部品の位置ズレ等を生じさせることもなくなるものである。
【００５０】
以下に、本発明の実施の態様について説明する。
【００５１】
（１）電子回路基板上の端子パターンに第２のはんだ接続部の融点と近い融点を有するはんだペーストを塗布し、このはんだペースト上に上記第１の電子部品の上記第１のはんだ接続部を載置し、上記電子回路基板上の端子パターンに上記第２の電子部品の上記第２のはんだ接続部を載置した後、上記はんだペースト及び上記第２のはんだ接続部が溶融する温度まで加熱して、上記第１の電子部品及び第２の電子部品を上記端子パターンにはんだ付けにより接続し、上記第１の接続部とはんだペーストを加熱溶融して共晶組成とした後、共晶組成の溶融する温度まで加熱して、上記第１の電子部品を取り外すはんだ取り外し方法。
【００５２】
（２）はんだペーストを用いて、第１の電子部品を端子パターンの上に仮固定するはんだ付け方法。
【００５３】
（３）仮固定液を用いて、第２の電子部品を端子パターンの上に仮固定するはんだ付け方法。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだ付け方法において、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付けることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって、異なる融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品が電子回路基板上に固定される前の状態の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法におけるはんだペースト印刷の工程を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法における高融点のはんだボールと低融点のはんだペーストの加熱時の挙動の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって接続されたはんだ接続部の溶融温度の測定結果の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法により接続された電子部品の取り外し方法の説明図である。
【符号の説明】
１０…電子回路基板
１２，１４…端子パターン
２０，３０…電子部品
２２，３２…はんだボール
４０…はんだペースト
５０…仮固定液
１００…マスク
１１０…開口部
２１０，２２０…吸着ヘッド
２３０…ホットプレート
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を電子回路基板にはんだ付けするはんだ付け方法に係り、特に、予めはんだボール等のはんだ接続部が付けられている電子部品を電子回路基板に接続するに好適なはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の電子回路基板上には、半導体集積回路（ＬＳＩ）やメモリ素子やコンデンサ等の種々の電子部品がはんだ付け実装されている。近年の集積密度の向上やダウンサイジング化に伴い、フリップチップタイプの電子部品を使用する電子回路基板が増えてきている。通常、フリップチップの接続部には、はんだボール等のはんだ接続部が予め付けられている。はんだ接続部は、電子部品の製造メーカーが予め付けているものであるため、その組成は、それぞれ異なっている。即ち、ある電子部品には、融点の高いはんだ接続部が付けられており、他の部品は、融点が低いはんだ接続部が付けられている。
【０００３】
【発明が解決する課題】
従って、従来は、同一電子回路基板上に、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を取り付けるには、最初に、融点の高いはんだ接続部を有する電子部品を電子回路基板に搭載した上で、第１の温度でリフローはんだ付けを行い、次に、融点の低い接続部を有する電子部品を電子回路基板に搭載した上で、第１の温度よりも低い第２の温度でリフローはんだ付けを行う必要があった。即ち、複数の電子部品を電子回路基板にはんだ付けするために、２回の工程が必要であるため、工程数が増加するという問題があった。
【０００４】
なお、例えば、特開平７−３２６８５６号公報に記載のように、はんだボールの取り付けられた電子部品と、リード端子を有し、はんだ接続部を有しない表面実装形の電子部品とを、１回の工程でリフローはんだ付けを行う方法は知られている。しかしながら、かかる方法は、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付けることについては、何等開示していないものである。
【０００５】
本発明の目的は、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付けることができるはんだ付け方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、予め第１のはんだ接続部が付けられている第１の電子部品と、上記第１のはんだ接続部よりも融点の低い第２のはんだ接続部が予め付けられている第２の電子部品とを、電子回路基板上の端子パターンにはんだ付けにより接続するはんだ付け方法において、上記第１のはんだ接続部は、主成分が鉛で組成されたはんだであり、上記第２のはんだ接続部は、主成分が錫で組成されたはんだであり、上記電子回路基板上の端子パターンに第２のはんだ接続部の融点と近い融点を有し、主成分が錫で組成されたはんだペーストを塗布し、このはんだペースト中に埋もれるように上記第１の電子部品の上記第１のはんだ接続部を載置し、上記電子回路基板上の端子パターンに上記第２の電子部品の上記第２のはんだ接続部を載置した後、上記はんだペースト及び上記第２のはんだ接続部が溶融する温度まで加熱することにより、上記第１の電子部品と上記電子回路基板を接続するはんだのほぼ全てが錫−鉛共晶組成となり、上記第１の電子部品及び第２の電子部品を上記端子パターンにはんだ付けにより接続するようにしたものであり、かかる方法により、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付け得るものとなる。
【０００８】
上記はんだ付け方法において、好ましくは、上記第１のはんだ接続部に含まれる鉛と、上記はんだペーストに含まれる錫の重量比率を、ほぼ３７対６３としたものであり、かかる方法により、錫と鉛の共晶組成とし得るものとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって、異なる融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品が電子回路基板上に固定される前の状態の説明図である。
【００１０】
電子回路基板１０の上には、予め搭載される電子部品のはんだ接続部のパターンに合わせた端子パターン１２，１４が形成されている。端子パターン１２の上に搭載される電子部品２０は、例えば、コンデンサであり、その底面には、予めはんだボール２２が固定されている。はんだボール２２は、鉛の含有率が９７％の高融点はんだ接続部である。はんだボール２２の融点は、３２０℃である。一方、端子パターン１４の上に搭載される電子部品３０は、例えば、集積回路素子（ＬＳＩ）やメモリ素子であり、その底面には、予めはんだボール３２が固定されている。はんだボール３２は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有するものであり、はんだボール２２に比べて融点の低いはんだ接続部である。はんだボール３２の融点は、２２１℃である。
【００１１】
即ち、はんだボール２２の融点とはんだボール３２の融点は異なるため、従来は、最初に、端子パターン１２の上に、電子部品２０を載置した上で、３２０℃よりも高温の炉内でリフローはんだ付けを行い、次に、端子パターン１４の上に、電子部品３０を載置した上で、３２０℃よりも低く、２２１℃よりも高い炉内でリフローはんだ付けを行うというように、２回の工程を必要としていた。
【００１２】
それに対して、本実施形態においては、端子パターン１２の上には、予め所定量のはんだペースト４０をスクリーン印刷する。はんだペースト４０の印刷方法については、図２を用いて、後述する。ここで、はんだペースト４０は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有するものであり、その融点は、融点の異なるはんだボール２２，３２の内、融点の低い方のはんだボール３２の融点と等しいものを用いている。即ち、はんだペースト４０の融点は、２２１℃である。なお、融点の低い方のはんだボールと全く同一のはんだ組成を有するはんだペーストが市販されていない場合には、例えば、錫９６．５％，銀３．５％のはんだ組成を有するはんだペーストを使用することもできる。このように多少はんだ組成が異なっていても、融点の相違は僅かなものである。即ち、はんだペースト４０の融点は、低融点側のはんだボール３２の融点に近いものであればよいものである。換言するならば、はんだペースト４０としては、その融点が、高融点側のはんだボール２２の融点よりも、低融点側のはんだボールの融点に近いものを用いる。
【００１３】
はんだペースト４０が端子パターン１２の上にスクリーン印刷された後、はんだボール２２の付いた電子部品２０が搭載される。はんだペースト４０は、粘性があるため、電子部品３０を搭載した後に電気炉まで搬送する際にも位置がずれることを防止できる。即ち、はんだペースト４０自体を仮固定のために用いることができ、仮固定液等を不要とする。
【００１４】
一方、端子パターン１４の上には、仮固定液５０が所定量塗布される。仮固定液５０が端子パターン１４の上に塗布された後、はんだボール３２の付いた電子部品３０が搭載される。仮固定液５０は、電子部品２０を搭載した後に電気炉まで搬送する際にも位置がずれることを防止できる。また、仮固定液５０は、はんだ付け時の微量の酸化を防止するためにも用いられる。このような目的のために、仮固定液５０としては、例えば、ペンタエチレングリコールや、ポリエチレングリコールを使用する。
【００１５】
ここで、図２を用いて、端子パターン１２上へのはんだペーストの印刷方法について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法におけるはんだペースト印刷の工程を示す説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部品を示している。
【００１６】
図２（Ａ）において、電子回路基板１０の上に予め搭載される電子部品のはんだ接続部のパターンに合わせて形成されている端子パターン１２の上に、印刷マスク１００を載置する。印刷マスク１００には、端子パターン１２の配列に合わせて、予め正方形の開口部１１０が形成されている。ここで、印刷マスク１００の材料としては、例えば、ポリイミド材のフィルムを使用する。開口部１１０は、エキシマレーザ等の波長の短いレーザを用いて容易に形成することができる。
【００１７】
印刷マスク１００の開口部１１０の開口径（Ｌ）は、端子パターン１２に合わせて、０．２ｍｍとする。開口部１１０は、一辺が０．２ｍｍの正方形である。ここで、本実施形態においては、開口部１１０の体積ｓを所定の量にしている。開口部１１０の面積は、上述したように、０．０４ｍｍ2であるため、開口部１１０の体積を所定の量とするため、印刷マスク１００の厚さｔを変えるようにしている。
【００１８】
ここで、開口部１１０の体積ｓを求める方法について説明する。開口部１１０には、後述するように、はんだペースト４０が充填される。はんだペースト４０は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有するものである。一方、図１において説明したように、はんだペースト４０の上には、鉛９７％の高融点のはんだボール２２が載置される。そして、はんだペースト４０とはんだボール２２が、加熱溶融したときに、錫と鉛の組成比率が、６３：３７の共晶組成となるようにする。
【００１９】
はんだペースト４０は、錫の含有率が９７％であるが、説明の簡単のために、錫１００％とする。また、はんだボール２２は、鉛の含有率が９７％であるが、これついても、鉛１００％とする。はんだペースト４０の重量をＳとし、はんだボール２２の重量をＰとしたとき、はんだペースト４０とはんだボール２２が加熱溶融して、錫と鉛の組成比率が６３：３７の共晶組成となるためには、
錫（Ｓｎ）の組成比率６３％＝（Ｓ／（Ｐ＋Ｓ））×１００ …（数１）
若しくは、
鉛（Ｐｂ）の組成比率３７％＝（Ｐ／（Ｐ＋Ｓ））×１００ …（数２）
となる。両式は、展開すると、いずれも、
６３Ｐ＝３７Ｓ …（数３）
となる。
【００２０】
即ち、電子部品２０の底面に予め取り付けられているはんだボール２２の重量Ｐが既知であるならば、個々の端子パターン１２の上に印刷するはんだペースト４０の重量Ｓは、（数３）から、
Ｓ＝（６３／３７）Ｐ …（数４）
として求めることができる。
【００２１】
また、はんだペースト４０の体積ｓは、印刷マスク１００の開口部の開口径Ｌと、印刷マスク１００の厚さｔから、
ｓ＝Ｌ2×ｔ …（数５）
となる。ここで、錫の比重をρとすると、はんだペースト４０の重量Ｓは、
Ｓ＝ｓ×ρ …（数６）
となる。従って、開口径Ｌが決まると、印刷マスク１００の厚さｔは、（数４）
，（数５），及び（数６）から、
ｔ＝ｓ／Ｌ2＝（（６３／３７）・Ｐ）／（Ｌ2・ρ） …（数７）
として求めることができる。
【００２２】
ここで、例えば、はんだボール２２の重量Ｐを予め求めておくことにより、開口径Ｌが、上述したように、０．２ｍｍとすると、印刷マスク１００の厚さｔは、例えば、０．０７５ｍｍと求めることができる。従って、図２（Ａ）に示した印刷マスク１００は、厚さｔが、０．０７５ｍｍのものを使用する。
【００２３】
なお、はんだボール２２の重量Ｐは、はんだボール２２の製造誤差によって、数％のばらつきを有している。従って、はんだペースト４０とはんだボール２２を加熱溶融して、錫と鉛の組成比率を厳密な意味でも６３：３７の共晶組成とすることが困難であり、鉛が多少多めになることもあり、また、錫が多少多めになることもあるが、基本的には、本実施形態においては、はんだペースト４０とはんだボール２２を加熱溶融したとき、錫と鉛の組成比率が６３：３７の共晶組成に近い値となるように、はんだペーストが充填される印刷マスク１００の開口部１１０の体積ｓを決めるようにしている。
【００２４】
以上のようにして開口部１１０の開口径Ｌ及び印刷マスク１００の厚さｔの決められた印刷マスク１００は、図２（Ａ）に示すように、電子回路基板１０の上に予め形成されている端子パターン１２の上に載置される。そして、ウレタン製のスキージ２００を用いて、はんだペースト４０が端子パターン１２の上に印刷される。
【００２５】
次に、図２（Ｂ）に示すように、はんだペーストの印刷終了後、印刷マスクを取り除くと、電子回路基板１０の上のそれぞれの端子パターン１２の上には、はんだペースト４０が印刷された状態となる。
【００２６】
次に、図２（Ｃ）に示すように、搭載用吸着ヘッド２１０を用いて、電子部品２０を吸着し、電子部品２０の底面に予め付けられたはんだボール２２を、印刷されたはんだペースト４０の上に、搭載する。
【００２７】
次に、図２（Ｄ）に示すように、搭載用吸着ヘッド２１０を取り外した状態では、はんだボール２２は、はんだペースト４０の中に多少埋もれた形となっている。
【００２８】
その後、図１に示したように、端子パターン１４の上に仮固定液５０が所定量塗布され、はんだボール３２の付いた電子部品３０が搭載される。電子部品２０，３０が、それぞれ、電子回路基板１０の上に搭載された後、図示しない電気炉の中まで搬送される。電気炉は、常温から２６０℃まで加熱され、２６０℃で５分間保持された後、急速冷却される。
【００２９】
ここで、電子部品３０に予め付けられたはんだボール３２の融点は、２２１℃であるため、２６０℃まで加熱されることにより溶融し、電子部品３０と端子パターン１４がはんだ付けにより接続される。
【００３０】
一方、電子部品２０と端子パターン１２の間に介在するはんだボール２２とはんだペースト４０の挙動について、図３を用いて説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法における高融点のはんだボールと低融点のはんだペーストの加熱時の挙動の説明図である。
【００３１】
はんだボール２２は、鉛９７％のはんだ組成を有し、その融点は３２０℃である。また、はんだペースト４０は、錫９７％，銀３％のはんだ組成を有し、その融点は、２２１℃である。従って、２６０℃に加熱することにより、はんだペースト４０は溶融する。はんだペースト４０の溶融に伴って、はんだペースト４０中の錫の成分が、溶融したはんだペースト４０と接触しているはんだボール２２の表面から、はんだボール２２の内部に拡散していく。また、この錫の拡散に従って、鉛が溶解していく。
【００３２】
図３は、錫がはんだボール２２の鉛成分の中に拡散していく途中の状態を示している。はんだペースト４０Ａは、はんだボール２２Ａの周囲を取り巻いている。はんだペースト４０Ａの外周側は、錫９７％、銀３％の組成であり、溶解している状態である。また、はんだボール２２Ａの中心部は、鉛９７％の固体状態の高融点はんだの状態である。はんだペースト４０Ａとはんだボール２２Ａの接触界面では、はんだボール２２Ａの表面が溶融を始め、はんだペースト４０Ａ中の錫（Ｓｎ）の成分が次第にはんだボール２２Ａ中に拡散する。また、鉛（Ｐｂ）の成分がはんだペースト４０Ａの中に拡散することになる。時間の経過とともに、錫が鉛中に拡散し、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）が相互に溶融した状態となる。ここで、鉛の体積Ｐと錫の体積Ｓの比率を上述したように、３７：６３としておくことにより、溶融した錫と鉛は、共晶組成となる。共晶組成となった部分は、融点が下がり、さらに、熱を加え続けることで、はんだボール２２Ａは、溶融と拡散を繰り返すことにより、共晶組成領域が広がっていく。上述したように、鉛の体積Ｐ，即ち、はんだボール２２の体積Ｐは、ばらつきの有しているため、鉛の成分が多いときには、はんだボール２２Ａの中心部には、多少鉛の成分が残ることになる。また、錫の成分が多いときには、はんだペースト４０Ａの周囲には、多少錫の成分が残ることになる。しかしながら、はんだペースト４０Ａとはんだボール２２Ａが溶融した場合、その大部分は、鉛と錫の共晶組成となる。錫と鉛の共晶組成の融点は、１８３℃である。
【００３３】
次に、図４を用いて、図３において説明したようにはんだボール２２Ａとはんだペースト４０が加熱溶融したはんだ接続部の溶融温度について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって接続されたはんだ接続部の溶融温度の測定結果の説明図である。
【００３４】
図４に示すように、熱量変化分析法ＤＳＣ（Ｄｉｉｆｅｒｅｎｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｅｍａｔｅｒ）測定を用いて、はんだ接続部の溶融温度を測定した。横軸は、温度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（℃）を示し、縦軸は、熱量（Ｈｅａｔ Ｆｌｏｗ）（ｍｏａｌ／ｓｅｃ）を示している。図示の例から明かなように、約１８３℃において、吸熱のピークを迎えており、この温度に溶融点があることが理解できる。即ち、本実施形態におけるはんだ接続部は、錫と鉛の共晶組成となっていることが分かる。
【００３５】
なお、以上の説明では、はんだペースト４０は、スクリーン印刷により、電子回路基板上の端子パターンに塗布されるものとしたが、ディスペンサを用いて定量塗布するようにしてもよいものである。
【００３６】
また、電子部品２０，３０としては、フリップチップタイプの電子部品について説明したが、ＱＦＰ（Quad Flat Package）等のフラットリードタイプや、迎えはんだを施した電子部品に対しても適用できるものである。
【００３７】
以上説明したように、鉛９７％のはんだボール２２と、錫９７％，銀３％のはんだボール３２のように、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を取り付ける際に、高融点側のはんだボール２２に対して、低融点側のはんだボール３２とほぼ同じ融点を有するはんだペースト４０を用いることにより、一回の工程で、両者を接続することが可能となり、工程数を削減することができる。
【００３８】
従来のように、２回の工程で加熱接続する場合には、先に接続された部品とその接続部に熱ストレスが加わるが、本実施形態のように、一回の工程で接合することができるため、熱ストレスが加わらず、接続部の信頼性が向上することとなる。
【００３９】
また、鉛９７％のはんだボール２２のように、鉛含有率の高いはんだ接続部が、大気中に晒されると、水分の影響で鉛が溶け出し、接続信頼性が低下するという問題があったが、図３において説明したように、錫９７％のはんだペースト４０の中に、鉛９７％のはんだボール２２が埋め込まれ、さらに、はんだボール２２の周囲から徐々に共晶組成となっていく。錫と鉛の共晶組成は、水分とも反応しずらくなるため、鉛成分が溶け出して信頼性が低下するという問題が発生しなくなるものである。
【００４０】
また、従来は、鉛含有率の高いはんだボールの水分の影響を防止するために、エポキシ系樹脂等の絶縁樹脂を用いた接続部の封止方法等もとられていたが、上述したように、本実施形態においては、かかる封止方法も不要となる。
【００４１】
次に、図５を用いて、電子部品２０の取り外し方法について説明する。
図５は、本発明の一実施形態によるはんだ付け方法により接続された電子部品の取り外し方法の説明図である。
【００４２】
電子回路基板１０の上の端子パターン１４には、はんだ接続部３２ＡによりＬＳＩ等の電子部品３０が接続固定されている。はんだ接続部３２Ａは、図１に示した錫９７％，銀３％のはんだボール３２が、加熱溶融した後、固着したものである。また、端子パターン１２には、はんだ接続部６０によりコンデンサ等の電子部品２０が接続固定されている。はんだ接続部６０は、図１に示したはんだボール２２とはんだペースト４０が加熱溶融して、錫６７％，鉛３７％で共晶組成となった後、固着したものである。即ち、はんだ接続部３２Ａの融点は、２２１℃であり、一方はんだ接続部６０の融点は、１８３℃である。
【００４３】
電子回路基板１０は、ホットプレート２３０の上に載置される。ホットプレート２３０の加熱温度を、１９０℃〜２１０℃の間に設定することにより、はんだ接続部６０は溶融し、はんだ接続部３２Ａは溶融しないことになる。はんだ接続部６０が充分に溶融した後、取り外し用吸着へっと２２０を用いて、電子部品２０を吸い付けることにより、電子部品２０を電子回路基板１０から取り外すことができる。
【００４４】
以上のようにして、電子回路基板１０の全体を加熱する方法を用いても、取り外し対象の電子部品２０以外の他の電子部品３０に対して過大な熱ストレスを与えることなく、また、取り外し時の吸着ヘッド２２０によって生じる振動等によって他の電子部品３０の位置ズレ等を生じさせることなく、対象の電子部品２０を取り外すことが可能となる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態によれば、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を取り付ける際に、一回の工程で、両者を接続することが可能となり、工程数を削減することができる。
【００４６】
また、一回の工程で接合することができるため、熱ストレスが加わらず、接続部の信頼性が向上することとなる。
【００４７】
また、鉛含有率の高いはんだ接続部を用いる場合においても、水分の影響を受けることなく、鉛成分が溶け出して信頼性が低下するという問題が発生しなくなるものである。
【００４８】
また、エポキシ系樹脂等の絶縁樹脂を用いた接続部の封止方法等も不要となる。
【００４９】
さらに、電子部品の取り外し時においても、対象外の電子部品に対して過大な熱ストレスを与えることなく、また、他の電子部品の位置ズレ等を生じさせることもなくなるものである。
【００５０】
以下に、本発明の実施の態様について説明する。
【００５１】
（１）電子回路基板上の端子パターンに第２のはんだ接続部の融点と近い融点を有するはんだペーストを塗布し、このはんだペースト上に上記第１の電子部品の上記第１のはんだ接続部を載置し、上記電子回路基板上の端子パターンに上記第２の電子部品の上記第２のはんだ接続部を載置した後、上記はんだペースト及び上記第２のはんだ接続部が溶融する温度まで加熱して、上記第１の電子部品及び第２の電子部品を上記端子パターンにはんだ付けにより接続し、上記第１の接続部とはんだペーストを加熱溶融して共晶組成とした後、共晶組成の溶融する温度まで加熱して、上記第１の電子部品を取り外すはんだ取り外し方法。
【００５２】
（２）はんだペーストを用いて、第１の電子部品を端子パターンの上に仮固定するはんだ付け方法。
【００５３】
（３）仮固定液を用いて、第２の電子部品を端子パターンの上に仮固定するはんだ付け方法。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだ付け方法において、異なった融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品を、同一の電子回路基板上に１回の工程で取り付けることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって、異なる融点を有するはんだ接続部を持つ電子部品が電子回路基板上に固定される前の状態の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法におけるはんだペースト印刷の工程を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法における高融点のはんだボールと低融点のはんだペーストの加熱時の挙動の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法によって接続されたはんだ接続部の溶融温度の測定結果の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態によるはんだ付け方法により接続された電子部品の取り外し方法の説明図である。
【符号の説明】
１０…電子回路基板
１２，１４…端子パターン
２０，３０…電子部品
２２，３２…はんだボール
４０…はんだペースト
５０…仮固定液
１００…マスク
１１０…開口部
２１０，２２０…吸着ヘッド
２３０…ホットプレート
Claims (2)
- 予め第１のはんだ接続部が付けられている第１の電子部品と、上記第１のはんだ接続部よりも融点の低い第２のはんだ接続部が予め付けられている第２の電子部品とを、電子回路基板上の端子パターンにはんだ付けにより接続するはんだ付け方法において、
上記第１のはんだ接続部は、主成分が鉛で組成されたはんだであり、
上記第２のはんだ接続部は、主成分が錫で組成されたはんだであり、
上記電子回路基板上の端子パターンに第２のはんだ接続部の融点と近い融点を有し、主成分が錫で組成されたはんだペーストを塗布し、
このはんだペースト中に埋もれるように上記第１の電子部品の上記第１のはんだ接続部を載置し、
上記電子回路基板上の端子パターンに上記第２の電子部品の上記第２のはんだ接続部を載置した後、上記はんだペースト及び上記第２のはんだ接続部が溶融する温度まで加熱することにより、上記第１の電子部品と上記電子回路基板を接続するはんだのほぼ全てが錫−鉛共晶組成となり、上記第１の電子部品及び第２の電子部品を上記端子パターンにはんだ付けにより接続することを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項１記載のはんだ付け方法において、
上記第１のはんだ接続部に含まれる鉛と、上記はんだペーストに含まれる錫の重量比率を、ほぼ３７対６３としたことを特徴とするはんだ付け方法。
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