JP4872706B2 - はんだ接着材料及びはんだ供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品をプリント配線板に実装する方法に関し、特に、選択的にはんだを供給することのできるはんだ接着材料及びはんだ供給方法に関する。

電子部品の軽薄短小化及び高速・高機能・多機能化の進展に伴い、電子部品の高密度実装の要求が強くなっている。高密度実装を実現する方法として、電子部品のサイズの小型化や電極ピッチの狭ピッチ化があり、例えば半導体装置の場合、外部電極端子がペリフェラル状に設けられるリードタイプに代わって、半導体装置の下面に格子状にはんだボールが配置されるＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプの採用が増加している。
さらに、ＢＧＡタイプの半導体装置の小型・薄型化に伴い、シリコンチップとほぼ同じサイズの半導体装置であるＣＳＰ（Chip Size Package）の採用が進んでおり、今後も外部電極端子の狭ピッチ化、微細化は進むと考えられる。

また、高密度実装を実現するその他の方法として、複数のシリコンチップを搭載する半導体装置であるマルチチップのパッケージやモジュールなども実用化されており、その中の一つの構造として、半導体装置の上に半導体装置を積み上げる３次元化も進展している。

半導体装置の３次元化の例としては、ＢＧＡタイプの半導体装置の上にＢＧＡタイプの別の半導体装置を積み重ねた構造であるパッケージ・オン・パッケージ（以下、ＰｏＰと記す）がある。また、別の構造としては、凹部を有するキャリア基板（以下、キャビティ基板と記す）の両面に半導体装置や抵抗やコンデンサのチップ部品などの電子部品を搭載し、片方の面にマザーボードと接続するための外部接続端子が設けられているキャビティモジュールなどがある。このとき、キャビティ基板の凹部にも半導体装置や抵抗、コンデンサのチップ部品などの電子部品が搭載されている。

さらに、樹脂成形品に回路パターンを形成し、電子部品を搭載するＭＩＤ（Molded Interconnect Device）の開発も進められている。ＭＩＤは筐体や構造体に回路パターンを形成し、電子部品を搭載する構造となり、電気回路部と機構部とを一体化できるため、電子機器の部品点数の削減などに有利となり、ひいては電子機器の小型・軽量化が可能となる。

これらの実装構造の３次元化は、電子部品の搭載において、平面への搭載だけでなく、非平面、段差面への搭載を実現する必要があると考えられ、今後、電子機器の更なる発展とともに、電子部品の電極の狭ピッチ化、微細化及び実装の３次元化などが進み、これらの高密度実装対応が要求されると考えられる。

電子部品をプリント配線板に実装する一般的な方法としては、表面実装技術（以下、ＳＭＴと記す）が用いられる。ＳＭＴで用いられる電子部品とプリント配線板との接合材料は、はんだの粉体とフラックスとからなるペースト状のクリームはんだである。

ＳＭＴでのはんだ供給方法を説明する。まず、プリント配線板上に所望の箇所に開口が設けられたメタルマスクを置き、プリント配線板とメタルマスクとの間を隙間無く密着させる。また、電子部品が搭載される電極とメタルマスクの開口の位置を合わせる。次に、メタルマスクの上に適量のクリームはんだを置き、クリームはんだをスキージで掻く。これにより、メタルマスクの開口にクリームはんだが充填され、プリント配線板とメタルマスクとを離すことで、プリント配線板上の電子部品が搭載される電極の上のみに選択的にクリームはんだが供給される。

前述のＳＭＴの実装方法において、開口径の小さいメタルマスクを介して微細なはんだバンプを形成するためのクリームはんだが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されるクリームはんだは、はんだ及びフラックスからなるはんだペーストと、磁性体粒子とから構成されている。はんだの印刷工程において、磁性体粒子を添加したクリームはんだを用いて、プリント配線板の下方に磁石を設置し、クリームはんだをプリント配線板上に印刷すると、磁力を利用して微細なはんだバンプを形成することが可能となる。

特許文献１では、クリームはんだに添加する磁性体粒子は、はんだと融合しない組成を提案しており、リフロー時にはんだバンプの表面に分離したものを、その後除去している（図１０）。

また、平坦ではないプリント配線板へのクリームはんだの供給方法もいくつか提案されている。

例えば、特許文献２に開示される方法は、隆起物が形成された配線基板において、適切な量のクリームはんだを印刷することを可能とするマスクを提案することを目的としており、マスクの厚さが薄い領域と厚い領域とからなり、薄い領域のところに配線板上の隆起物を収容し、厚い領域にマスク孔を有している。このマスクを用いることにより、隆起物が存在しても、はんだの印刷を可能としている（図１１）。

また、特許文献３に開示される方法は、半導体ベアチップと表面実装部品の混載実装において、半導体ベアチップ部を避けて表面実装部品を実装する部分のクリームはんだ印刷を容易にする方法である。これは、凸状部を有するスクリーンマスクを用意し、スキージにおいて凸状部対応部分と他の本体部分とが独立して変形可能に形成されたスキージを用いるものである（図１２）。

また、特にメタルマスクを用いることなく選択的にはんだを供給する方法として、特許文献４に開示される発明がある。これは、特定組成の樹脂組成物をはんだ粉末及びプリント配線板のパターン部に付着させ、はんだ粉末をプリント配線板のパターン部に選択的に付着させる方法である。

また、メタルマスクを用いずにはんだを選択的に供給するその他の方法として、ディスペンサを用いる方法がある。この方法では、予め、シリンジにクリームはんだを充填しておき、プリント配線板の上の電子部品が搭載される電極の上に、吐出圧と吐出時間とを制御してクリームはんだを吐出する。

さらに、電子部品の電極に予めクリームはんだを付与し、プリント配線板に搭載する方法も考えられる。この場合には、平板を用意し、その上にクリームはんだを所望の厚さで膜状に形成しておき、電子部品の電極を押し当てて電極表面にクリームはんだを付着させ、そのままプリント配線板に搭載する。
特開２００２−１９２３８０号公報 特開２００５−２６２８３０号公報 特開２００１−０４４２３９号公報 特開平５−３３７６８７号公報

しかしながら、上記の従来の方法にはいくつかの問題がある。
従来のＳＭＴ実装方法においては、メタルマスクを用いるため、開口径が小さくなるとクリームはんだの印刷不良が発生し、狭ピッチで微小電極の電子部品の実装が困難となる。特許文献１に開示される発明はこの問題を改善しようとするものであるが、メタルマスクを用いるため、クリームはんだの印刷性を良好とするためにはプリント配線板とメタルマスクとを密着させる必要がある。しかし、前述したキャビティモジュールやＭＩＤなどのように、電子部品を搭載する基板の表面が凹凸形状となっている場合、この基板への電子部品の実装において、基板とメタルマスクとが密着しない部分が存在するため、従来のＳＭＴの実装方法をそのまま適用すると、メタルマスク上でクリームはんだを掻いたとき、基板と密着していないメタルマスクの開口部からクリームはんだが下に垂れてしまうため、凹部にある電極上にクリームはんだを供給することが困難となる。

特許文献２に開示される方法は、メタルマスクの厚さを領域ごとに変えることで対応するものであるが、この方法を用いると、プリント配線板側のマスク表面は、プリント配線板の形状に沿うように作成し、スキージではんだを掻く側は平坦とすることとなる。このようなマスクを用いると凹部の深さ方向が深いとマスク厚が厚くなるため、高密度実装になるほど微細径の開口を開けることが困難となる。また、微細開口を開けることができても、クリームはんだの開口への充填性やプリント配線板への抜け性が劣る。

特許文献３に開示される方法は、メタルマスクの厚さは変えず、メタルマスク自体をプリント配線板の形状に沿うように形成し、クリームはんだを印刷するときのスキージの変形を自由にすることで対応するものである。この方法を用いると、プリント配線板の凹部はマスク側も凹形状となる。この凹部のはんだを掻くためには、スキージのうち凹部を通る部分は長くする必要がある。しかし、凹部をスキージで掻いても掻く方向と直交する両端の２辺の近傍のはんだを掻き取ることが難しく、はんだ溜まりが発生してしまう。

特許文献４に開示される方法は、はんだ粉体をプリント配線板上に供給するときに特にメタルマスクを必要としないが、プリント配線板の電極パッドに特定組成の樹脂組成物を付着させるときに、スクリーン印刷法を用いているため、電極パッドの微細化や実装構造の３次元化の対応が困難である。

ディスペンサを用いる方法は、メタルマスクを必要としないが、各電極に一つずつ順々にはんだを供給していくため、搭載する電子部品の数が多いと、はんだを供給する電極数が多くなって多大な時間を要する。

また、電子部品の電極に予めクリームはんだを付与する方法は、供給するはんだ量を制御することが困難であり、電極がはんだ材料で形成されていない抵抗やコンデンサなどのチップ部品でははんだ量が不足して接合強度が不足する可能性があり、実装信頼性に欠ける。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、接合材料であるはんだを選択的にプリント配線板の電子部品搭載用の電極パッドに供給するはんだ供給方法及びこれに用いるはんだ接着材料を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、磁性体粒子とフラックスとを有するはんだ接着材料であって、磁性体粒子をフラックスによってコーティングした後に乾燥させた粉体からなることを特徴とするはんだ接着材料を提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、磁性体粒子とフラックスとを有するはんだ接着材料であって、磁性体粒子とフラックスとがマイクロカプセルに封入されていることを特徴とするはんだ接着材料を提供するものである。

本発明の第１又は第２の態様においては、磁性体粒子は、強磁性体からなることが好ましい。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、上記第１又は第２の態様のいずれかの構成にかかるはんだ接着材料を用いたはんだ供給方法であって、電極パッドの上、内部又は下に設けられた磁性体層を磁化させる工程と、はんだ接着材料を磁性体層に吸着させる工程と、はんだ接着材料を電極パッドに粘着させる工程と、はんだ粉体をはんだ接着材料を介して電極パッドに付着させる工程とを有することを特徴とするはんだ供給方法を提供するものである。

本発明の第３の態様においては、磁性体層に吸着させたはんだ接着材料を加熱することによってフラックスを溶融させて、電極パッドに粘着させることが好ましい。また、磁性体層に吸着しなかったはんだ接着材料を除去する工程を有することが好ましい。また、電極パッドに付着しなかったはんだ粉体を除去する工程を有することが好ましい。

本発明によれば、接合材料であるはんだを選択的にプリント配線板の電子部品搭載用の電極パッドに供給するはんだ供給方法及びこれに用いるはんだ接着材料を提供できる。

〔作用〕
本発明のはんだ接着材料は、フラックスをコーティングした磁性体粒子の集合体からなり、磁界の中に置くと磁性体粒子が磁化されて磁力線に沿って引き寄せられる。また、本発明に用いるプリント配線板は、電子部品を搭載する電極パッドの上、内部、若しくは下部に磁性体層を設けた構造とし、磁界の中に置くと磁性体層が磁化される。

電極パッド部に磁性体層を含むプリント配線板を、磁石板の上におくと、磁性体層は磁化される。フラックスをコーティングした磁性体粒子の集合体である粉体をこのプリント配線板に吹きかけると、フラックスをコーティングした磁性体粒子はプリント配線板の磁性体層の近傍に集まる。すなわち、プリント配線板の電子部品を搭載する電極パッドにフラックスをコーティングした磁性体粒子が集まる。このとき、磁石板の上にプリント配線板を置いた状態でフラックスをコーティングした磁性体粒子からなる粉体を吹きかけても良いし、予め磁界の中において置いて磁性体層を磁化させてから、フラックスをコーティングした磁性体粒子からなる粉体を吹きかけても良い。
フラックスをコーティングした磁性体粒子のうち電極パッドに集まらなかった分は、プリント配線基板を反転させたり、振動を与えるなどして除去しておく。

次いで、加熱することにより、磁性体粒子を覆っているフラックスを軟化させ、プリント配線板の電極パッドに粘着させる。

このような手順により、プリント配線板の電極パッドにのみ選択的にフラックスを供給できる。

このプリント配線板にはんだ粉体を吹きかけると、電極パッド上の粘着性のあるフラックスにはんだ粉体が付着する。フラックスに付着しなかったはんだ粉体は、プリント配線板を反転させたり、振動を与えるなどして除去しておく。

以上の方法により、プリント配線板の電極パッドに選択的にはんだを供給できる。

フラックスをコーティングした磁性体粒子、プリント配線板の電極パッドの磁性体層の材質としては、強磁性体が好ましく、例えば、ニッケル、鉄、コバルトやこれらの合金（Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ）などが好ましい。また、磁性体粒子をコーティングするフラックスは粘度を高くし、初期は粘着性を小さくする。

通常、プリント配線板の配線や電極パッドは銅からなるが、磁性体層は電極パッド部のみに設けた構造とし、銅電極パッドの上又は内部にめっき法や印刷法などを用いて設置する。又は、プリント配線板の内部において、電極パッドの下部の絶縁層の一部に強磁性体を設置した構造でも良い。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１に、はんだ接着材料の基本構成物の断面を示す。はんだ接着材料の基本構成物３は、磁性体粒子１とフラックス２とからなり、はんだ接着材料は、基本構成物３が集合体を形成することによって構成されている。

図２に、本発明に用いるプリント配線板の断面を示す。通常のプリント配線板は絶縁材料である基材と電子部品間を電気的に繋ぐための配線及び電極パッドと、配線を保護するためのソルダレジスト（ＳＲ）からなる。本発明に用いるプリント配線板２６も、基材２４と、配線及び電極パッド２３、ＳＲ２５からなる基本的な構成は従来のプリント配線板と同様であるが、電極パッド２３が金属銅２２と磁性体層２１とから構成される点が相違する。

プリント配線板２６を磁界の中に置くと、電極パッド２３を構成する磁性体層２１が磁化される。プリント配線板２６の上からフラックス２がコーティングされている磁性体粒子１の集合体であるはんだ接着材料を吹き付けると、磁化された磁性体層２１に磁性体粒子１が引きつけられる。磁性体層２１に集まらなかった磁性体粒子１は、プリント配線板２６を反転させたり、振動を与えるなどして除去する。
この状態で加熱すると、フラックス２が軟化して粘着性を示し、磁性体層２１に付着する。このようにしてフラックス２をプリント配線板２６の電極パッド２３のみに選択的に供給する。

フラックス２を電極パッド２３のみに供給した後、はんだ粉末を吹き付けると、フラックス２の粘着によって電極パッド２３の部分にのみはんだ粉末が付着する。電極パッド２３に集まらなかったはんだ粉体は、プリント配線板２６を反転させたり、振動を与えるなどして除去する。このようにして、プリント配線板２６の電極パッド２３の部分のみにはんだを選択的に供給する。

以上の工程においては、メタルマスクを用いる必要はなく、フラックス及びはんだを粉体の状態で供給するため、はんだを供給する基板面は平坦である必要はなく、凹凸面などの非平面にもはんだを供給できる。

図３〜図９を参照して本発明のはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法の実施形態を説明する。

始めに、電極パッド３３に磁性体層３１を有するプリント配線板３６を用意し、磁石板３７の上に設置する（図３）。磁石板３７からの磁界によって電極パッド３３に含まれる磁性体層３１は磁化される。

次に、プリント配線板の３６の上からフラックス３９がコーティングされた磁性体粒子３８からなるはんだ接着材料を吹き付ける（図４）。磁性体層３１が磁化されているため、磁性体粒子３８が引き寄せられる。プリント配線板３６に弱い衝撃や振動を与えることによって、磁性体粒子３８が磁性体層３１に集まるのを促進させる。磁性体層３１に集まらなかった磁性体粒子３８は、プリント配線板３６を反転させたり、衝撃を与えるなどして除去する。

次に、ヒータ４０によってプリント配線板３６を加熱する（図５）。プリント配線板３６の温度が上がると磁性体層３１に集まった磁性体粒子３８にコーティングされているフラックス３９が軟化して粘着性が大きくなり、磁性体層３１に付着する。これにより、プリント配線板３６は、電極パッド３３のみに選択的にフラックス３９が供給された状態となる。

次に、プリント配線板３６にはんだ粉体４１を吹き付ける（図６）。電極パッド３３上のフラックス３９は粘着性を示すため、はんだ粉体４１はこれに付着する（図７）。プリント配線板３６に弱い衝撃や振動を与えることにより、はんだ粉体４１が電極パッド３３に集まるのを促進させる。電極パッド３３に集まらなかったはんだ粉体４１は、プリント配線板３６を反転させたり、振動を与えるなどして除去する。これにより、プリント配線板３６は、電極パッド３３のみに選択的にはんだ粉体４１が供給された状態となる。

次いで、電子部品４２を所定の位置に搭載し（図８）、はんだ粉体４１が溶融する温度にまで加熱し、電子部品４２とプリント配線板３６とを接合させる（図９）。

以上のようにして、電子部品４２をプリント配線板３６に実装できる。

はんだ接着材料はフラックス３９と磁性体粒子３８とからなるが、磁性体粒子３８としてはニッケル粉の場合、ガスアドマイズ法、ＰＶＤ法、還元法などにより、０．０数〜数十μｍレベルの大きさの粉末を作ることができる。この粉末の表面に有機系フラックスをコーティングする。コーティングしたフラックス３９の表面を乾燥させるなどして、粘着性を小さくしておく。これらの方法により、フラックス３９をコーティングした磁性体粒子３８が得られる。

また、本発明に用いる電極パッドに磁性体層を有するプリント配線板の製造方法としては、まず、従来のプリント配線板の製造方法によって通常のプリント配線板を製造し、めっき法又は印刷法などによって電極パッドの表面に磁性体層を形成する。磁性体層としてニッケル層を形成する場合は、無電解ニッケルめっきにより銅の電極パッド上に数〜数十μｍ厚のニッケル層を形成し、その後、無電解金めっきにより、ニッケル表面に金層を形成する。電極パッドの表面がニッケルのみであるとはんだ濡れ性が不十分であるため、ニッケル層の表面に０．０数〜０．数μｍ厚の金層を形成すると良い。

なお、ここでは電極パッドの上に磁性体層を設ける構成を例としたが、磁性体層を銅電極パッドの内部に形成しても良い。また、プリント配線板を多層板とし、銅電極パッド直下の内層の金属層を磁性体層としても良い。または、銅電極パッドの下部の絶縁層の内部に磁性体層を埋め込んでも良い。
また、ここでははんだ接着材料は、フラックスをコーティングした磁性体粒子からなるものとしたが、マイクロカプセルを用いてその内部にフラックスと磁性体粒子とを含む構成とすることも可能である。この場合、プリント配線板の電極パッド部にある磁性体層に引き寄せられたマイクロカプセルを熱又は超音波で破壊することにより、電極パッドにフラックスを供給できる。

磁性体粒子として、平均粒径１０μｍのニッケル粉末を用意し、その表面に有機フラックスをコーティングしてはんだ接着材料とした。
プリント配線板を用意し、電子部品搭載用の銅電極パッドの表面に磁性体層として無電解ニッケルめっきで３μｍのニッケル層を形成し、さらにニッケル層の表面に無電解金めっきで０．０３μｍの金層を形成した。

次いで、上記プリント配線板を磁石板の上に設置し、フラックスをコーティングしたニッケル粉体を吹き付けた。磁石板にプリント配線板を置いた状態でプリント配線板に軽く衝撃を与えながら揺らすことにより、フラックスをコーティングしたニッケル粉体をプリント配線板の電極パッドに集めた。さらに、磁石板にプリント配線板を置いた状態でプリント配線板を反転させ、フラックスがコーティングされたニッケル粉体のうち余分な分を除去した。

次いで、プリント配線板を８０℃に加熱し、ニッケル粉体にコーティングされているフラックスを軟化させ、電極パッドに付着させた。次いで、プリント配線板にはんだ粉体を吹き付け、プリント配線板に軽い衝撃を与えながら揺らし、はんだ粉体を電極パッド上のフラックスに付着させた。その後、プリント配線板を反転させ、余分なはんだ粉体を取り除いた。

以上の手順によってプリント配線板の電極パッド上に選択的にはんだを供給できた。

なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の形態の一例であり、本発明はこれに限定されることはなく、様々な変形が可能である。

本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ接着材料の構成を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法に用いるプリント配線板の構成を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法を示す図である。 本発明の好適な実施の形態にかかるはんだ供給方法を用いた電子部品の実装方法を示す図である。 特許文献１に記載のはんだ印刷方法を示す工程図である。 特許文献２に記載のはんだ印刷方法によるはんだ供給時のプリント配線板の断面を示す断面図である。 特許文献３に記載のはんだ印刷方法によるはんだ供給時のプリント配線板の断面を示す図である。

符号の説明

１、３８ 磁性体粒子
２、３９ フラックス
３ はんだ接着材料基本構成物
２１、３１ 磁性体層
２２、３２ 金属銅
２３、３３ 電極パッド
２４、３４ 基材
２５、３５ ＳＲ（ソルダレジスト）
２６、３６ プリント配線板
３７ 磁石板
４０ ヒータ
４１ はんだ粒子
４２ 電子部品

Claims (7)

1. 磁性体粒子とフラックスとを有するはんだ接着材料であって、前記磁性体粒子を前記フラックスによってコーティングした後に乾燥させた粉体からなることを特徴とするはんだ接着材料。
2. 磁性体粒子とフラックスとを有するはんだ接着材料であって、前記磁性体粒子と前記フラックスとがマイクロカプセルに封入されていることを特徴とするはんだ接着材料。
3. 前記磁性体粒子は、強磁性体からなることを特徴とする請求項１又は２記載のはんだ接着材料。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載のはんだ接着材料を用いたはんだ供給方法であって、
   電極パッドの上、内部又は下に設けられた磁性体層を磁化させる工程と、
   前記はんだ接着材料を前記磁性体層に吸着させる工程と、
   前記はんだ接着材料を前記電極パッドに粘着させる工程と、
   はんだ粉体を前記はんだ接着材料を介して前記電極パッドに付着させる工程とを有することを特徴とするはんだ供給方法。
5. 前記磁性体層に吸着させた前記はんだ接着材料を加熱することによって前記フラックスを溶融させて、前記電極パッドに粘着させることを特徴とする請求項４記載のはんだ供給方法。
6. 前記磁性体層に吸着しなかった前記はんだ接着材料を除去する工程を有することを特徴とする請求項４又は５記載のはんだ供給方法。
7. 前記電極パッドに付着しなかった前記はんだ粉体を除去する工程を有することを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載のはんだ供給方法。

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