JP4631851B2 - はんだプリコート方法および電子機器用ワーク - Google Patents

Description

本発明は、電子機器用ワークのはんだ付け部分に予めはんだを付着させるはんだプリコート法およびワークのはんだ付け部にはんだがプリコートされた電子機器用ワークに関する。

一般にプリント基板、チップ部品、ウエハー素子、BGA、CSPのような集積回路部品等の電子機器用ワーク（以下、単にワークという）をはんだ付けするには、はんだ付け部を噴流している溶融はんだに接触させるフロー法と、ワークのはんだ付け部にソルダペーストを塗布した後、該ワークをリフロー炉のような加熱装置で加熱するリフロー法がある。

フロー法は、電子部品が搭載されたプリント基板に液状フラックスを塗布し、フラックスを乾燥させてから噴流している溶融はんだに接触させてはんだ付けを行うものである。しかしながらこのフロー法は、はんだ付け部が非常に小さいと、溶融はんだが付着しにくいばかりでなく、たとえはんだが付着しても付着量がばらついて、その後の信頼性に問題となる。しかもフロー法ではワークにフラックスを塗布するフラクサー、フラックスを乾燥させるとともに予備加熱を行うプリヒーター、はんだを溶融させて噴流させるはんだ槽等の大掛かりな設備が必要となる。

リフロー法は、プリント基板のはんだ付け部と一致したところに穴が穿設されたマスクをプリント基板の上に載置し、さらにマスクの上にソルダペーストを置いて該ソルダペーストをスキージで掻き均すことにより、マスクの孔にソルダペーストを充填する。そしてマスクを除去してはんだ付け部にソルダペーストを塗布する。これをリフロー炉のような加熱装置で加熱してソルダペーストを溶融させることによりはんだ付けを行うものである。このリフロー法では、ある程度微小なはんだ付け部でもはんだを付着させることはできるが、やはり付着量のばらつきは存在していた。またリフロー法では、ワークに合わせたマスクを準備しなければならず、またワークが微小な場合は、マスクの孔とワークのはんだ付け部を一致させるのに多大な手間がかかるものであった。しかもリフロー法では、ソルダペーストを印刷塗布する装置が必ず必要であり、該装置が高価であるばかりでなく設置箇所の確保も必要となるものであった。

これらフロー法やリフロー法の問題に鑑み、近時ではワークのはんだ付け部に予めはんだを付着させておくという「はんだプリコート」が採用されるようになってきた。はんだプリコートを得る方法としては、めっき法（特許文献１）、ホットレベラー法（特許文献２）、ソルダペースト法（特許文献３）、はんだボール法（特許文献４）等がある。
特開平９−１６７８８３号公報 特開平１１−５４８９０号公報 特開平８−３０７０４７号公報 特開平８−３４０１７４号公報

ところではんだプリコートを得るめっき法は、ワークをめっき液に浸漬して、ワークのはんだ付け部にはんだを析出させるものであるが、このめっき法では、如何なる組成のはんだでも得ることができないという制約のあるものであった。つまりめっき法は、メッキ液の種類が限定されるため所望の組成のはんだをプリコートすることができなかった。まためっき法は、めっき液の処理に多大な設備が必要となるため、イニシャルコストが高価となる問題もあった。さらにまためっき法ではワークのはんだ付け部に必要量のはんだ、すなわちはんだ付けができる程度の量のはんだを付着させることも困難であった。

ホットエアーレベラー法は、ワークを溶融はんだ中に浸漬し、溶融はんだから取り出したところでワークにホットエアーを吹付けて余剰のはんだを吹き飛ばすものである。このホットエアー法は、ホットエアーを調整することによりはんだ付着量の調整はできるが、はんだ付着量が大きくばらつくという問題があった。

ソルダペースト法とは、前述リフロー法同様、はんだ付け部と一致したところに孔が穿設されたマスクを用い、ワークのはんだ付け部とマスクの孔を一致させてから、該マスク上にソルダペーストを置いてスキージで掻き均し、その後、マスクを除去してからワークを加熱することにより、ソルダペーストを溶融させてワークのはんだ付け部にはんだを付着させるものである。ところでソルダペースト法では、ワークのはんだ付け部が微小となると、はんだ付け部とマスクの孔とを一致させることが非常に困難となり、往々にしてソルダペーストがはんだ付け部に塗布されないことがある。またソルダペースト法では、マスクの微小な孔へのソルダペーストの充填や、充填後のソルダペーストがはんだ付け部に塗布されないという問題もあった。

はんだボール法は、吸着治具ではんだボールを吸着し、ワークのはんだ付け部に搭載後、ワークをリフロー炉のような加熱装置で加熱して、はんだボールを溶融させることによりはんだプリコートを得る方法である。このはんだボール法は、一定の大きさのはんだボールが入手できればはんだ付着量を均一にできるが、該はんだボール法は、はんだバンプのように円形のプリコートしか形成できないという形状が限られたものであった。また、はんだボール法は事前に所定の大きさのはんだボールを準備しておかなければならないが、このはんだボールの製造には多大な手間と装置が必要となるため、高価となるものであった。さらにまたはんだボール法は、吸着治具ではんだボールを吸着後、吸着孔からエアーを噴出させて、はんだボールをリリースすることによりワークのはんだ付け部にはんだボールを搭載するが、吸着治具ではんだボールを吸着するときに、静電気で一つの孔に複数のはんだボールが吸着されたり、或いはワーク上でのはんだボールのリリース時に、吸着孔から噴出されるエアーの勢いではんだボールが吹き飛ばされてワークのはんだ付け部にはんだボールが搭載されなかったりするという問題があった。

本発明は、従来のプリコート法の問題に鑑み発明したもので、微小なはんだ付け部に限らず大きなはんだ付け部でも均一にはんだを付着させることができ、しかも高価な設備を必要とせず、如何なる組成のはんだでも付着させることができというはんだプリコートの方法に用いるはんだ粉末が粘着した支持体を提供することにある。

本発明者らは、粘着性を有するところに粉状物を散布すると、粉状物の最下部の一層だけが粘着剤に付着すること、そして粉末はんだがはんだ付け部接していると溶融したはんだは粘着剤からはんだ付け部に移動して付着するが、溶融したはんだの近傍にはんだ付け部が存在しないと溶融はんだは移動しにくくなることを見い出し本発明を完成させた。

本発明は、支持体の粘着剤に付着させた粉末はんだとワークのはんだ付け部およびはんだ付け部以外のレジスト面とを重ねあわせ、該はんだ付け部とはんだ付け部以外のレジスト面に接する粉末はんだを溶融させてはんだ付け部と一致したところにあるはんだだけをワークのはんだ付け部に付着させる方法に用いる支持体であって、アルミニウム、ステンレス、ポリイミド樹脂、プラスチックス、ガラスエポキシ樹脂複合材から選択される支持体上にアクリル系粘着剤を塗布し、粉末はんだを隙間なく散布して粉末はんだの一層だけを支持体の粘着面に粘着させたはんだ粉末付き支持体である。
本発明にかかる粉末付き支持体を使用したプリコート方法は、
A.支持体上に粘着剤を塗布する工程；
B.支持体の粘着剤上に粉末はんだを隙間なく散布して粉末はんだの一層だけを粘着剤に粘着させる工程；
C.支持体の粘着剤に粘着されていない粉末はんだを除去する工程；
D.ワークのはんだ付け面にフラックスを塗布する工程；
E.支持体の粉末はんだ部分とワークのフラックス塗布面を、圧力をかけて重ね合わせる工程；
F.支持体とワークが重ね合わせられたものを粉末はんだの溶融温度以上に加熱してワークのはんだ付け部に溶融はんだを付着させる工程；
G.ワークのはんだ付け部に溶融はんだが付着したならば、ワークを冷却して溶融はんだを固化させ、しかる後、支持体を除去する工程；
H.ワークのはんだ付け部以外の箇所に付着したはんだを除去する工程；
からなることを特徴とするはんだプリコート方法である。

またもう一つの発明は、支持体の粘着剤に付着させた粉末はんだとワークのはんだ付け部とを重ねあわせ、該粉末はんだを溶融させてはんだ付け部と一致したところにあるはんだだけをワークのはんだ付け部に付着させたことを特徴とする電子機器用ワークである。

本発明によれば、ワークのはんだ付け部には必ずはんだが定量付着するという信頼性に優れ、しかもワークが微小であっても未はんだのような不良がなく、また如何なる組成のはんだでもはんだ付け部に付着させることができ、さらには印刷法に使用するマスクやはんだボール法に使用する吸着治具のようにワークのはんだ付け部に対応した治具を準備する必要もないという簡便さを有している。そして本発明の電子機器用ワークは、はんだ付け部に定量のはんだが均一に付着しているため、該ワークと他のワークとをはんだ付けしたときに、強固な接合となる。

本発明に使用する支持体は、粉末はんだの融点以上に加熱されても形状を保つ耐熱性があり、しかも溶融はんだが付着しにくい材料が適している。本発明に使用して好適な支持体は、アルミニウム、ステンレスのような金属や、ポリイミド樹脂、ガラスエポキシ複合材などのプラスチック類、複合材類である。

支持体に塗布する粘着剤は、基本的には粉末はんだを一層粘着して固定する役目とともに加熱圧着時、部材表面の凹凸に追従して粉末はんだをはんだ付け部に密着させるものである。本発明に使用する粘着剤としては、常温で粘着力がある粘着剤と加温によって粘着力が発現するホットメルト型粘着剤から選択できる。粘着層の厚さは膜厚約１μm以上５０μm未満が好都合であるがこの厚さには特に拘らない。

本発明では、支持体に塗布した粘着剤上に粉末はんだを隙間なく散布した後、粘着剤で粘着されていない粉末はんだを除去するが、この除去方法としては、毛先の柔らかいブラシで軽く掃き均したり、弱い圧縮空気で吹き飛ばしたり、或いは支持体を逆さまに引っくり返して軽く振動を与えたりする。このとき粘着剤で付着している一層の粉末はんだまで除去しないように注意しなければならない。

本発明に使用する粉末はんだは、求めるはんだ膜厚によって選択される。即ち、薄いはんだ膜を望む場合は細かい粉末を選び、厚いはんだ膜の場合は大きい粉末を選ぶ。粉末はんだは経済的な面からは安価に入手できるアトマイズ法などによって得られる粉末はんだを篩目の選択によって分級し使用することが望ましい。

本発明に使用するフラックスは、ワークのはんだ付け部に必要な量が存在し、レジスト面など非はんだ付け部には極力少なくすることが望ましい。一般的にワークのはんだ付け部はレジストのトップ面より低くなっているため、ワーク全面にフラックス塗布後、ゴムブレードのようなものでレジスト表面のフラックスをはんだ付け部に掻き落すと、はんだ付け部にフラックスが必ず塗布されるため、溶融したはんだははんだ付け部にスムーズに接合するとともに、レジスト部分では溶融はんだが停滞することになり、高精細なはんだ付け部ではブリッジが発生しない。

本発明では、ワークのはんだ付け面にフラックスを塗布後、該ワークと粉末はんだを粘着させた支持体とを重ね合わせた後、圧着する。このときの加圧力は、ワークの表面形状とワーク面積および圧着精度により変えるが、１平方センチメートル当たり１ニュートン以上が好ましい。またワークと支持体を重ね合わせたものを加熱するときの加熱温度は、好ましくは粉末はんだの融点以上である。

粉末が溶融した後、直ちに冷却を行い支持体を除去すると、ワークのはんだ付け部にはんだが形成される。しかしながら、はんだ付け部以外のレジスト面などにも余剰のはんだが存在しており、このままでははんだ付け部間がブリッジとなったり、絶縁抵抗が低下するため、余剰はんだを除去する。余剰はんだの除去は如何なる方法でもよいが、洗浄による除去が適している。ここで洗浄を行うと、はんだ付け部に存在しているフラックス残渣も同時に除去できるため、さらに信頼性が向上する。そしてさらにはんだ付け部に付着したはんだの形状を整えるのであれば、再度はんだ付け部にフラックスを塗布してから、はんだの溶融温度以上に加熱し、冷却する工程を加えてもよい。

本発明では、はんだ付け部に付着するはんだ膜厚精度が高い。その理由は支持体の粘着面に粘着する粉末はんだの量が単位面積当りでバラツキが少ないことにある。従って、支持体とワークとを重ね合わせて圧力をかけたときに、粉末はんだがはんだ付け部と接するため、該粉末はんだが溶融したときにも、はんだ付け部に溶融はんだが必ず接しているのではんだ付け部にある定量の粉末はんだが付着し、膜厚精度が良くなる。はんだ付け部以外のレジスト面に接するはんだ粉末も溶融はするが横方向への濡れ広がりに対してははんだと濡れない粘着層によって抑制される。これにより高精細なはんだ付け部のパターンに対してもブリッジが発生し難い。

以下、図面に基づいて本発明のプリコート方法を説明する。図１（A）〜８（H）は、本発明のプリコートを行う工程の説明図である。

A.支持体上への粘着剤塗布工程；
支持体１の片面に粘着剤２を塗布する。
B.粘着剤上に粉末はんだを散布する工程；
支持体１に塗布した粘着剤２の上に粘着剤２が隠れる程度に粉末はんだ３・・・を散布する。
C.余剰粉末はんだを除去する工程；
支持体１上の粉末はんだをブラシ４で掻き均して粘着剤２に粘着されていない余剰の粉末はんだ３・・・を除去する。
D.ワークにフラックスを塗布する工程；
ワーク５のはんだ付け部６・・・が形成された面にスプレーフラクサー７で液状フラックス８を塗布する。その後、必要に応じてはんだ付け部以外のレジスト９のような非はんだ付け部に塗布されたフラックスを除去するようにしてもよい。
E.支持体とワークを重ねる工程；
ワーク５のフラックス塗布面と支持体１の粉末はんだ粘着面を重ね合わせる。このとき支持体１の上から図示しないプレス機でワーク５と支持体１間に圧力をかけておく。すると粘着剤は追従性があるため、支持体１に圧力をかけると、粘着剤２に粘着された粉末はんだ３・・・は、ワーク５のレジスト９よりも少し凹んだ位置にあるはんだ付け部６に接するようになる。
F.支持体とワークを加熱する工程；
ワーク５と支持体１が重ね合わせられたものを図示しない加熱装置で加熱し、支持体１の粘着剤２に粘着されていた粉末はんだ３・・・を溶融させる。このときワーク５のはんだ付け部６に接していた粉末はんだは溶融してはんだ付け部６に濡れ広がるが、レジスト９上にあった粉末はんだは溶融してもその場に残る。
G.はんだ固化後、支持体を除去する工程；
ワーク２のはんだ付け部６に溶融はんだが付着したならば、ワーク２と支持体１を冷却して溶融はんだを固化させ、はんだ付け部６にプリコート１０を形成する。その後、支持体１を除去（矢印）する。
H.不要箇所のはんだを除去する工程；
レジスト９のような不要箇所にはんだが付着したままであると、前述のようにブリッジや絶縁抵抗低下の原因となるため、不要箇所のはんだを除去する。不要箇所のはんだはフラックス残渣で固着しているため、フラックス残渣を溶解できるような洗浄液１１に浸漬して洗浄する。水溶性フラックスを使用したときは、温水が適しており、樹脂系フラックスを使用したときはアルコールのような有機溶剤が適している。またはんだ付け部に付着した形状を整えるため、はんだ付け面にフラックスを塗布してから再加熱・冷却を行ってもよい。

次に上記プリコート方法で以下のようにしてワークにはんだを付着させた。
支持体として２００μm厚さのアルミニウムを使用して片側に１０μm厚さのアクリル系粘着層を形成した。アトマイズ法によって得たSn-3Ag-0.5Cuの粉末はんだを下限５μm上限１５μmで分級し、支持体の粘着面に付着させた。このとき粉末はんだは、粘着剤が隠れる程、充分に散布した。次いで、支持体上に散布された粉末はんだをブラシで掻き均した後、さらに弱い圧縮空気を吹き付けて余剰の粉末はんだを除去した。この余剰の粉末はんだ除去後の散布面を顕微鏡で観察したところ、粘着剤には粉末はんだが一層だけ付着していた。はんだプリコートを形成するワークは、外形３０×３０ｍｍガラスエポキシ基板である。ガラスエポキシ基板には、はんだ付け部となる電極が２００μmピッチで３６００個形成されており、該電極部近傍にあるレジストは厚さが２５μmである。この電極を有するワークの面上に液状の水溶性フラックスを塗布し、レジスト上に塗布されたフラックスはゴムブレードで掻き取って電極部にフラックスを充分に充填した。ゴムブレードで掻き取ったレジストの部分には非常に薄いフラックスだけが残っていた。支持体の粉末はんだ部分とワークのフラックス塗布面を重ね合わせた後、プレス機で支持体上に１００Nの圧力をかけてから、２２０℃で１０秒間加熱し、その後、冷却した。冷却したワークから支持体を除去し、ワークを４０℃の温水で洗浄してレジスト上に付着していたはんだを除去した。さらに、はんだ付け部に付着したはんだの形状を整えるため、はんだ付け部にフラックスを塗布し、再度はんだの溶融温度以上に加熱し、冷却を行ってから、温水で洗浄を行った。その結果、ワークの電極部のみに３０μm±３μmのはんだプリコートが形成されていた。

支持体上への粘着剤塗布工程 粘着剤上に粉末はんだを散布する工程 余剰粉末はんだを除去する工程 ワークにフラックスを塗布する工程 支持体とワークを重ねる工程 支持体とワークを加熱する工程 はんだ固化後、支持体を除去する工程 不要箇所のはんだを除去する工程

符号の説明

１ 支持体
２ 粘着剤
３ 粉末はんだ
５ ワーク
６ はんだ付け部
８ フラックス
９ レジスト

本発明はプリント基板のような比較的大きな電子部品ばかりでなく、電極が直径０．２mm以下のように微小なはんだ付け部を有するウエハやCSP等の配線部又は電極部にはんだ膜厚精度を高精細にはんだプリコートを形成できる。

Claims (4)

1. 支持体の粘着剤に付着させた粉末はんだとワークのはんだ付け部およびはんだ付け部以外のレジスト面とを重ねあわせ、該はんだ付け部とはんだ付け部以外のレジスト面に接する粉末はんだを溶融させてはんだ付け部と一致したところにあるはんだだけをワークのはんだ付け部に付着させる方法に用いる支持体であって、アルミニウム、ステンレス、ポリイミド樹脂、プラスチックス、ガラスエポキシ樹脂複合材から選択される支持体上にアクリル系粘着剤を塗布し、粉末はんだを隙間なく散布して粉末はんだの一層だけを支持体の粘着面に粘着させたはんだ粉末付き支持体。
2. 前記粉末はんだは、下限５μｍ上限１５μｍの粉末はんだを使用したことを特徴とする請求項１に記載のはんだ粉末付き支持体。
3. 前記粘着剤は、常温もしくは常温以上の温度で粘着性を発現する粘着剤であることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ粉末付き支持体。
4. 前記粘着剤からなる粘着層は、膜厚１μm以上５０μm未満であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のはんだ粉末付き支持体。

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