JP3872303B2 - チップ抵抗器の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電子回路基板に電子部品等を電気的に接続するとともに機械的にも固定する実装技術に関するものであり、とくに有害物質である鉛を含有する合金であるはんだなどの材料を用いることなく実装を行うこと、および部品自体に鉛を含まなくする、いわゆる鉛フリー実装技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品の実装には、はんだ付けを行うのが従来の常識であり他の方法はほとんど実用に供されなかったが、近年はんだや部品自体に含まれる鉛が有害な環境汚染物質であることからこの使用が禁止される方向にあり、はんだに代わる材料もしくは、はんだ付けに代わる方法が探索されている。
しかしながら従来のはんだ付けの特性レベルを実現するための鉛フリーはんだ合金は従来の温度よりも約３０度はんだ付け温度を上げなければならず、低融点のはんだ合金をつくるには、ビスマスなどの材料をまぜればよいもののはんだ付け特性や機械的強度に問題があり、従来のはんだにくらべて明らかに信頼性が劣る問題があった。
またはんだ温度の上昇は２５０℃の熱歪みを基板および部品に発生させることとなり、一部のLSIなどの部品においては致命的な問題ともなるほか、液晶や電解コンデンサなど、もともと熱に弱い電子部品は実装できない問題があった。
他の方法としては導電性接着剤を用いて接着により実装する方法も知られているが、接着剤を厚く付着しなければ接着力が不十分であり、厚くつけると部品をつけた際に接着材料が横方向にはみ出して隣の回路と短絡を生じやすい問題があった。
また組み立てられる電子部品についてもはんだの温度に耐えるようなものでなくてはならないため、鉛を含むガラスをベースとしたメタルグレーズなどの材料が多く使われていたが、この鉛についても問題となっていた。
別の方法としては異方性導電フィルムなどの材料により接続する方法も知られているが、この方法は完全な平面同士の接着で均等に圧力をかけられるようなものでなければ使いにくい問題があり一般の電子部品の接続には向かない問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題の第一は電子回路の実装および電子部品自体において鉛を使わないこと、第二は高温を用いないこと、第三は従来の接着方法で問題であった横方向へのはみ出しによる短絡を防ぐに有効な方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明においては電子部品実装をはんだ付け法を用いないことにより、鉛を使わないことおよび高温を用いないことの二点は実現し、さらに高温を用いないことにより電子部品の構成材料から鉛を取り除くことを可能ならしめたものであり、 接着方法における接着剤のはみ出しを防ぐ方法を以下のように実現するものである。
【０００５】
従来導電性接着材料による電子部品の接着には接着材料の厚さを確保することにより、部品と接着材料との接触面を確保し接着力を確保することが行われていた、またこの厚さには部品の接続面の平坦性やICなどのように多数のリード線を持つ部品の足の並びの平坦性のばらつきを吸収してすべての接続を確保する意味もあった。
しかしながらこの厚さは部品を実装した際に導電性接着材料を横方向にはみ出させる効果をもち、実装部品の位置決めのばらつきとあいまって隣のパターンとの短絡を生じやすく、実用上はリードピッチで０．７ミリ以下のものには適用しがたく、近年すくなくとも０．３３ミリピッチが要求される実装には合わない問題があった。
【０００６】
本発明では接続面に粗い凹凸または針状突起が多数出ているような形状をつくり、その上に付着した導電性接着材料が押さえられても横方向への広がりは少なく、凹凸もしくは針山の谷に押し付けられるような方法で吸収するものである。また本発明では接続は必ずしも面接着ではなく針の山のピークもしくは凸部の頂点部分で電気的接続をおこなうので接着剤の押さえられる量および広がりが少なく、深さ方向に吸収されるので広がりをおさえることにつながる。
機械的強度の確保は電気的接続の後に絶縁性接着材料をディスペンスなどの方法で付着することで補強することができる。
このような形で接続ピッチ０．３３ミリにも対応可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明によれば導電性接着材料は横方向への広がりがすくなく高密度の実装にも応用可能である、また導電性はほとんどが金属粉末により担われることから、レジンと金属粉の混成体である導電接着材料よりも少ない接触面積であっても十分である、さらに機械的な強度は絶縁性接着材料により全面的な接着を行うので問題はない。
またはんだ付けの高温にさらされないので、組み立てるべき電子部品においてはんだ付け性を確保するためのはんだめっきが不要であり、部品自体の耐熱性も不要であることから鉛を含むガラスなどの高温耐熱性材料を用いないで部品を構成することが出来る。
【０００８】
【実施例】
本考案による低温度実装方法の実施例としてまず主要材料について述べる。
１ 導電性接着材料
主として市販の印刷用の銀‐レジンペーストをもちいたがカーボン‐レジン混合ペーストでも可能である、カーボン系は導電性には劣るが作業性、特に導電粉末の付着性において銀系よりも優れている。
２ 感磁性導電性粉末
ニッケルフレーク粉末に銀メッキを１‐３ミクロンの厚さでコーティングしたもので、サイズは２００メッシュパスのレベルであった。
これはパターンの密度がひくい０．５ミリピッチ程度であれば１００メッシュパスレベルでも可能であり、むしろ作業性は良好であった。
コスト的観点から銀メッキなしのニッケルフレーク粉末を用いることも可能であるが導電性はおとる。
３ 導電体粒子
銀もしくは銅の粒子であり粒度をそろえる目的でたとえば100メッシュ通過、４００メッシュ残留程度で篩いわけをしたものである。
この粒度については粗いほうが作業性にすぐれるがパターン密度により選択される、一般には粗くても５０メッシュが上限である。
細かな粒度のものは接着材料表面に付着することで粗い粒子の付着を妨げることなどの理由から取り除いたほうがよい。
銅など酸化により導電性が劣化するような材料は作業直前にサーフブライト処理などにより酸化膜を除去するのが望ましい。
他の金属材料についても採用可能であるがここでは入手しやすい銅と銀について試みた。
【０００９】
つぎに作業について述べる
１ まず基板の導電体接続部に導電性接着材料のペーストをスクリーン印刷法により指定のパターンで付着する、この際スクリーンのメッシュは１２５メッシュで印刷厚さは２０−３０ミクロン、乾燥硬化後は１０−２０ミクロンになるようなものであった。
２ この印刷直後の基板を平面型のフェライト磁石の表面にシートを敷いた状態で磁石の中心付近に置き、上から篩いを用いて感磁性導電粉末を全面にくまなく行き渡るように振りかけた。
フェライト磁石の磁力は表面で５００ガウス以上あれば十分であり他の磁石でもかまわない。
３ この後全面にシートをかけてゴムなどを介して軽く圧力を全面に行き渡るように印加し接着材料に導電粉末を食い込ませるようにした。
なお導電粉末は磁力線の方向に整列する性質がありそのことから基板面に垂直に立った状態に保たれており、この方向性をそこなわないように圧力印加をおこなっている。
この押さえ工程はカーボン系など付着性のよい接着材料を用いた場合には省略することも可能である。
４ この後磁石からほぼ垂直な方向に基板を引き上げて取り出した後 接着されなかった感磁性導電粉を振り落とし、必要な場合にはガラスなどを用いて再度全面をおさえて平面性を確保する試みも行ったが通常この押さえの必要はない。
５ この後１２０℃５分の加熱硬化工程に通した、この際感磁性導電粉の垂直方向性を保持するため磁石の上に置いた状態で加熱すればより完璧である、その後表面側からサマリウムコバルト磁石のような強力な磁石をもちいて接着しなかった感磁性導電粉を取り除いた。
この温度に関しては用いる材料によりその最適条件を選べばよいが、通常はエポキシなどでは１５０℃以下，シリコン系などでは１８０℃以下である。
磁石の耐熱劣化などの観点からも低い温度がのぞましい。
６ この基板に再度導電性接着材料をほぼ同じパターンで印刷するかもしくはディスペンスすることにより感磁性導電粉の付着した部分に付着した。
この際の材料は先の印刷材料よりは幾分固いものであり、厚さも５０ミクロン以上を確保するためステンレスのエッチングによるマスクをもちいている。
この硬さは感磁性導電粉の表面に導電接着材料が染み込んでしまわない程度のものであり、この後の工程で部品の接着が可能な程度のものである。
７ この状態で電子部品を正確な位置に配置し実装した、この際圧力を印加して部品の電極部が感磁性導電粉末の先端部を直接押さえる程度にまで押しこむようにした。
この際部品の電極表面にも同様の方法で凹凸を施したものも試みている。
この方法によれば導電粉同士が直接接触する部分が多く発生するので導電性にすぐれるとともに導電接着材料の横方向へのはみ出しはより少ない効果があった。
この部品への凹凸の形成方法については後に詳述する。
８ この後再度加熱硬化した、条件は同じく１２０℃５分であった。
９ この状態で回路機能テスト等に供し接続不良などがないかを検査し問題があれば速乾性の銀塗料を細い筆で塗布する方法などにより修正した。
１０ この後透明エポキシ接着剤を接着部の上から塗布し硬化して部品の機械的接着強度を確保した。
【００１０】
１１ ここでこの方法に用いる部品の特徴および部品の電極に凹凸を作る方法についてのべる。
ここに用いる部品としては代表的なものとしてチップ抵抗器とリード端子をもっているLSIなどの表面実装部品について説明する。
【００１１】
チップ抵抗器の工程においては一般に平面状のセラミック基板に印刷等によりガラスを含むメタルグレーズ系材料をもちいてスクリーン印刷法により所定形状に形成した後おおむね８５０℃で焼成して抵抗体や電極を形成し、レーザーによるトリミングを行い、絶縁保護および表示印刷などを行った基板をチョコレート形状に一次分割し、分割側面に導電性材料を塗布し硬化させた後個別に分割し、めっき工程において電極部分にニッケルとはんだのめっきをかさねてはんだ付け性を確保することをおこなっている。
【００１２】
本発明においてはまずめっきの工程をなくすることにより工程短縮と鉛を用いないことを可能にしている。
さらに抵抗器や電極などの材料は、はんだの熱にさらされないことからはんだ耐熱性への配慮が不要であり、鉛を含むガラスをベースとした従来の材料から鉛を含まないレジンをベースとした材料に変更することができる。
一例をあげれば抵抗材料としては１５０℃程度で硬化するフェノール、エポキシなどのレジンにカーボンブラックなどの導電粉末を混ぜたものや、さらには ２５０℃以上の温度で硬化するドリルレジン（ポリイミド系）をベースにカーボンブラックなどを混ぜたものなどである。
ドリルレジンによる抵抗や電極はその後の工程で用いられるエポキシなどの材料の乾燥硬化温度よりもはるかに高い温度で硬化処理されることから、工程変化が少ない利点がある。
電極材料としては前記の抵抗材料の中で低抵抗値の材料を用いることも可能であるが銀粉末などを前記レジン材料に混ぜたものがよい。
この工程においてはレジン系材料を用いて一般の工程と同様にセラミック基板表面に抵抗体を印刷し、さらに表と裏の面に電極を印刷しそれぞれ所定の乾燥硬化をおこない、レーザーなどにより抵抗値のトリミングを行い、表側に絶縁性保護材料をほどこす。
この段階で裏面の電極で分割線から０．１ミリほど離れた位置にさらに導電接着材料を印刷し、先に基板について行ったと同様に磁界をかけた状態で感磁性導電材料粉末を振り掛けることにより凹凸を持った電極部を形成する。
この後チョコレート状に分割し、側面に主として銀塗料などを塗布して表裏を導通させる。
これらの乾燥硬化温度は一般例に述べたガラス系材料の場合の８５０℃と異なり、よく用いられるエポキシ系材料では１５０℃以下、もっとも高いドリル系材料でも３００℃以下であり、はるかに低いものである。
これをさらに個別に分割することによりチップ抵抗器が完成される。
【００１３】
別の作り方として特に小型のチップ抵抗器の場合、側面電極形成部にスリットを形成してスパッターなどの方法によりスリットの側面に薄膜を形成して表裏を導通することも行われているが、この場合は側面電極形成後に導電性接着材料を印刷することで同様に粉末を接着し凹凸を形成すればよい、この際はスリット部から離れたパターンなどは不要であり裏面の電極全面に印刷してよい。
【００１４】
LSIなどの場合、リード線は平面に並ぶように作られており、この平面性を損なわないように治具などを作りそこにはめ込んで印刷法により、リード部表面に導電接着材料を付着し、先の方法と同様に感磁性導電粉末をつける方法やマスクした状態で導電性接着材料をスプレーにより付着する方法がある。
できるならばリードフレームを切断する以前にこれをやったほうがリードの平面性を損ないにくく有利である。
このリード部についてもはんだ付け性は不要であり、鉛を含むはんだなどの材料のめっきは不要である。
以上のように本発明によれば接続のみならず、部品レベルでも鉛を含まない工程が実現できるものである
【００１５】
「その他の実施例」
１２ 先の実施例４項で感磁性粉末を付着後乾燥硬化する前の段階で、実装すべき部品の実装電極面に導電性接着剤を付着し、感磁性導電粉に直接乗せて押さえる形で実装した後乾燥硬化する方法も行った。
この際磁力を印加し感磁性導電粉の垂直性を保つようにした。
部品に導電性接着材料を塗布する方法としてはディスペンス法、もしくはインクジェット法をもちいて定量を部品電極の定位置に付着するようにした。
この方法によれば乾燥硬化工程が一度ですむ利点があるほか、感磁性導電粉がまだ完全に固まっていないことからくる自由度があり部品、基板の両面にたいする接触面積が増えることがわかっている。
また導電接着材料の広がりも感磁性導電粉の自由度に吸収されることで小さく収まる利点もある。
欠点としては付着に寄与しない磁性導電粉の除去が不完全であり、高密度実装の場合にこの遊離粉末が短絡不良の原因になりやすいことがあげられる。
【００１６】
１３ 主として基板面の導電接続面に凹凸を形成する方法として、銅箔によるパターンを約５０ミクロンのピッチで約２０ミクロンの深さで凹凸を生ずるようにエッチングすることもおこなった。
エッチングパターンとしては２０ミクロンの直径のレジストパターンを５０ミクロンピッチで配置するか、もしくは３０ミクロンの直径の穴をあけたレジストパターンを５０ミクロンピッチで配置したものを用いた、またエッチングの深さは銅箔の厚さの少なくとも半分以上とし、パターン間に導電通路が残るならば底面に達するまでになってもよい。
この際導電性接着材料はエッチングにより凹凸を形成した面積よりも小さい面積に付着するようにした、またその硬さは凹部に流れ込まない程度に調整した。この方法によれば磁力などの印加が必要でない利点があるが部品側接着面の凹凸の吸収が不十分になる場合があり、前述の方法よりも厚く接着材料を塗布する必要があることから横方向へのはみ出し量も多めになることは避けられない。
部品側の接着面に十分な量の導電接着材料を付着し基板側の凹凸面に圧着する方法も有効であったが一般に部品側の接着すべき電極の面積は小さく付着量は不十分な場合が多いので部品と基板の両面にわけて付着する方法も有効である。
この際においても部品側に凹凸をつけたほうが有効である。
【００１７】
１４ 凹凸を形成するほかの方法としては基板面に３０ミクロン程度に導電性接着材料を所定パターンに塗布したのち、１００メッシュパス、４００メッシュストップ程度の粒状導電体を基板の接着面にふりかけた後、圧力をかけて接着部分に粒状導電体を接着する方法も試みた。
この後付着しなかった粒状導電体は振り落として取り除いた。
この際部品の接着面にも３０ミクロン程度の厚さに導電接着材料を付着して粒状導電体の上に配置して、基板側の導電接続部とは粒状導電体を介して電気的接続が出来るような構造を形成し乾燥硬化をおこなった。
ここに述べた接着材料の厚みや粒体の粒径は一例であってこれに限るものではない、しかしながらこの粒径は先に述べた感磁性導電粉の粒径に比較してかなり大きなものであることが望ましい。
別の方法として部品電極側にも同様に粒状導電体を付着し双方の粒状導電体面による粗面同士を対向させ導電性接着材料により接続する方法も試みた。
この方法によれば接着材料の広がりがより少なくなる点で有利である。
一方のみを感磁性導電粉末による磁気的操作により粗面化したものであっても同様に処理できることは自明である。
これらの方法によれば磁性に関係なく材料を選択できる点において有利である。
また銅による粒状導電体の場合は表面の酸化膜をサーフブライトなどの材料で除去処理したものを用いている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば高温で処理する必要のあるはんだ付けをなくすることが出来るので鉛を用いない実装および部品自体に鉛を用いないことが可能となり、高密度に実装することも可能になった。
【００１９】
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は基板側に感磁性導電粉末を付着した後 部品側導電接着材料部と対向させて接続させた方法を断面模式図として示したものである。
【図２】 図２は基板側，部品側双方の接続面に感磁性導電粉末を付着した後導電性接着材料を付着して双方を導電接続したものの模式図である。
【図３】 図３は基板側導体をエッチングにより凹凸をつけて導電性接着材料により部品電極部と対向接着させたものを示す模式図である。
【図４】 図４は粒度のそろった粒状導電体を介して基板側、部品側双方に導電性接着材料を塗布して接着し導電接続を行う方法の模式図である。
図１から図４のいずれも絶縁性接着材料による補強接着の態様は示していないが、通常の接着方法ととくに異なるところはない。
【符号の説明】
１．基板本体
２．基板側導体
３．基板側導電接着材料
４．感磁性導電体（フレーク状感磁性導電体粉）
５．部品側導電接着材料
６．部品側導体（電極）
７．部品本体
８．基板側感磁性導電体（フレーク状感磁性導電体粉）
９．導電接着材料
１０．部品側感磁性導電体（フレーク状感磁性導電体粉）
１１．導電接着材料
１２．導電性粒体

Claims (1)

1. 一次分割と個別分割の工程を経て複数のチップ抵抗器を得るチップ抵抗器の製造方法において、
   セラミック基板の表面に抵抗体を印刷し、当該セラミック基板の表面及び裏面に電極を印刷し、それらの乾燥硬化を行い、抵抗値のトリミングを行い、裏面の電極に導電接着剤を印刷し、基板の全面に磁界を印加した状態で導電体粒子を振りかけることにより、当該導電体粒子を前記接着材料に付着させ、一次分割の後前記電極の表裏を導通させる塗料を塗布し、乾燥硬化し、個別分割する工程を経るチップ抵抗器の製造方法であって、
   前記導電体粒子は、５０メッシュパス４００メッシュ残留程度で篩い分けしたサイズであるチップ抵抗器の製造方法。

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