JP5214483B2 - 電子部品加工方法、及び電子部品実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品をヒートシンク等の放熱手段の取り付けによって放熱手段付き電子部品に加工する電子部品加工方法や、電子部品を配線基板上に実装する電子部品実装方法に関するものである。

電子部品の小型化や実装技術が発達した近年においては、ベアチップなどの小型電子部品を、そのままの状態で配線基板に実装することが多くなってきた。それらの小型電子部品は、例えば平面サイズが２〜３［ｍｍ］角という非常に小さなものであるが、大型の電子部品と同様に、供給電流量によっては、ダメージを受けてしまうほどの発熱をすることがある。

そこで、例えば、特許文献１に記載のように、パッケージに放熱板を組み込んだ半導体モジュールが知られている。この半導体モジュールによれば、放熱板によって半導体チップからからの放熱を促すことで、半導体チップの発熱によるダメージの発生を抑えることができる。

しかしながら、電子部品の実装の分野では、低コスト化などの観点から、放熱板等の放熱手段を具備していない汎用の小型電子部品を、放熱手段付き電子部品に加工して、配線基板に実装したいという要望が発生することもあり得る。

このような要望に応えるべく、従来から大型電子部品で行われていた、放熱板を接着剤等によって部品に固定する方法を採用したとする。すると、小型電子部品に小型放熱板を固定するという非常に手間のかかる手作業が発生してしまうので、低コスト化を十分に図ることが困難になってしまう。

一方、本発明者らは、電子部品を実装した電子回路基板の冷熱サイクル試験を行っているうちに、興味深い現象に遭遇した。冷熱サイクル試験とは、専用の密閉槽内で、被検対象となる電子回路基板に対して急速冷却と急速加熱とを繰り返し施した後に、はんだ接合部の状態を確認する試験である。このような冷熱サイクル試験を行ったところ、はんだ接合部のはんだが、海藻のような不規則な形状の凸部を複数具備するギザギザなものに変わっていることがあった。図１は、そのときのはんだの状態を電子回路基板等とともに示す拡大模式図である。配線基板１００の表面上に形成された基板電極１０１と、電子部品１０２のリード電極１０３とを接合していたはんだ１０４が、図示のように、不規則な形状の凸部１０４ａを複数具備するものになっていたのである。これは、はんだ接合部のはんだ１０４が、冷熱サイクル試験の急速加熱時に泡立っている状態から急速冷却によって急速に固化した結果であることが明らかであった。しかし、急速加熱時における密閉槽内の温度については、はんだ接合部のはんだ１０４の融点よりも低い温度に設定しているので、通常であれば、そのような現象は起こらないはずである。そこで、冷熱サイクル試験の諸条件を再検討したところ、次のようなことが解ってきた。即ち、冷熱サイクル試験に用いた電子回路基板においては、電子部品の電極と基板の電極とを接合するはんだとして、低融点の低温はんだを使用していた。そして、急速加熱時における密閉槽内の設定をその低温はんだの融点よりも１０［℃］以上低く設定していた。ところが、急速加熱時には、先の急速冷却で氷点下まで冷却した密閉槽内の温度を１００［℃］以上まで急速に昇温させる必要があることから、設定温度よりも高い熱風を槽内に吹き込んでいる。その熱風の最大温度を調べたところ、低温はんだの融点よりも１５［℃］ほど高かった。基板に実装していた電子部品１０２は非常に小さなチップであり、そのリード電極１０３は微小なものであった。また、この微小なリード電極１０３を接合していたはんだの量もごく微量であった。このような条件では、前述した最大温度の熱風が微小なリード電極１０３に直接触れた際に、低温はんだを一時的に融点以上まで昇温せしめて溶融させていたことがわかった。

図１に示したはんだ１０４は、海藻のような不規則な形状の複数の凸部１０４ａにより、表面積を大きくしているので、放熱性に優れているのは明らかである。よって、放熱板に代わる放熱手段として十分に機能することが可能である。

本発明は以上の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ベアチップ等の小型の電子部品に放熱手段を容易に取り付けることができる電子部品加工方法及び電子部品実装方法を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、電子部品を放熱手段の取り付けによって放熱手段付き電子部品に加工する電子部品加工方法において、上記電子部品の表面上にはんだを供給する供給工程と、表面上のはんだに対して急速加熱処理と急速冷却処理とを繰り返し施して、該はんだを、不規則な形状の複数の凸部を具備するはんだからなる放熱手段に変化させる加熱冷却工程とを実施して、該放熱手段を表面上に固着させた放熱手段付き電子部品を得ることを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、印刷マスクを用いて、配線基板の表面上に形成された基板電極の上にクリームはんだ層を印刷する印刷工程と、該配線基板の表面上に電子部品を載置して、該電子部品の電極と該配線基板の基板電極上のクリームはんだ層とを密着させる載置工程と、該電子部品を載置した該配線基板を該クリームはんだ層とともに加熱して、該電子部品の電極と該配線基板の基板電極とをはんだ接合する接合工程とを実施して、該電子部品を該配線基板上に実装する電子部品実装方法において、高温はんだを含有するクリームはんだと、該高温はんだよりも融点の低い低温はんだとを用意しておき、上記印刷工程にて、該高温はんだを含有するクリームはんだを用いて印刷を行い、且つ、上記接合工程の後に、上記電子部品の表面上に該低温はんだを供給する供給工程と、表面上にはんだを載せた該電子部品に対して急速加熱処理と急速冷却処理とを繰り返し施して、該はんだを、不規則な形状の複数の凸部を具備するはんだからなる放熱手段に変化させる加熱冷却工程とを実施することを特徴とするものである。

これらの発明においては、供給工程及び加熱冷却工程という２段階の工程により、電子部品の表面にはんだからなる放熱手段を取り付ける。供給工程においては、電子部品の表面にはんだを供給しなければならないが、電子部品を治具や配線基板等に固定していれば、手作業によらず、はんだ付けロボット等による機械供給が可能である。また、加熱冷却工程では、電子部品の加熱と冷却とを繰り返すだけなので、細かい手作業が必要ない。これらの結果、放熱板を手作業で固定するという手間を負うことなく、放熱手段を容易に取り付けることができる。

冷熱サイクル試験を行った後の配線基板１００を示す拡大模式図。 、実施形態に係る電子部品加工方法によって加工される表面実装部品を示す拡大側面図。 同電子部品加工方法における供給工程を示す拡大側面図。 同電子部品加工方法によって表面上に放熱手段が形成された表面実装部品を示す拡大側面図。 実施形態に係る電子部品実装方法によって実装されるＦＥＴ５５を示す斜視図。 同電子部品実装方法の印刷工程におけるマスク密着工程を示す拡大断面図。 同電子部品実装方法の印刷工程におけるクリームはんだ刷り込み工程を示す拡大断面図。 同電子部品実装方法の印刷工程におけるマスク引き剥がし工程を示す拡大断面図。 同電子部品実装方法の載置工程を示す拡大断面図。 同電子部品実装方法の接合工程を示す拡大断面図。 同電子部品実装方法の供給工程を示す拡大断面図。 同電子部品実装方法の加熱冷却工程後のＦＥＴの状態を示す拡大断面図。

以下、本発明を適用した電子部品加工方法の実施形態について説明する。
図２は、実施形態に係る電子部品加工方法によって加工される電子部品としての表面実装部品５０を示す拡大側面図である。この表面実装部品５０は、フェースダウンで実装可能なベアチップや、ＩＣなどであり、パッケージ５１の下面に電極パッド５２を有している。樹脂からなるパッケージ５１の上面には、金属からなる蒸着膜５３が形成されている。この蒸着膜５３は、はんだの付きを良くするためのものである。以下、パッケージ５１を具備する表面実装部品５０の例について説明するが、パッケージを具備しない表面実装部品（例えばシリコンが剥き出しになっているＩＣ）であっても、本発明の適用が可能である。

図示の表面実装部品５０を複数用意し、それぞれを図示しない専用の治具に固定する。かかる治具としては、例えば、表面実装部品５０を１つずつ収納するための複数の仕切りを設けたパレット状のものを例示することができる。表面実装部品５０の固定については、チップ上面（蒸着膜５３側の面）を上に向ける姿勢で行う。治具に複数の表面実装部品５０を固定する方法としては、前述のパレット状の具備における個々の仕切り内に対して、周知のチップマウンターによって表面実装部品５０を１つずつマウントしていく方法を例示することができる。

表面実装部品５０を治具に固定したら、図３に示すように、個々の表面実装部品５０の蒸着膜５３の上に、はんだ７０を供給する供給工程を実施する。その方法としては、個々の表面実装部品５０に対応する複数の貫通孔からなる印刷パターンを具備する印刷マスクにより、個々の表面実装部品５０の蒸着膜５３の上にクリームはんだを印刷する方法を例示することができる。また、周知のはんだ付けロボットにより、個々の表面実装部品５０の蒸着膜５３の上にはんだ付けしていく方法でもよい。

供給工程を終えたら、加熱冷却工程を実施する。この加熱冷却工程では、はんだ供給済みの表面実装部品５０を治具とともに専用の密閉槽内に入れる。そして、密閉槽内で表面実装部品５０上のはんだ７０に対して急速加熱処理と急速冷却処理とを繰り返し施して、図４に示すように、表面実装部品５０上のはんだ７０を、不規則な形状の複数の凸部７０ａを具備するはんだ７０からなる放熱手段に変化させる。これにより、はんだ７０からなる放熱手段を表面上に固着させた放熱手段付き表面実装部品５０を得る。

加熱冷却工程で用いる密閉槽としては、冷熱サイクル試験で用いるものをそのまま使用することができる。加熱時の温度としては、はんだ７０の融点よりも高く設定する。また、冷却時の温度としては、−２０［℃］程度に設定するとよい。

以上、実施形態に係る電子部品加工方法において、供給工程では、表面実装部品５０の表面にはんだ７０を供給しなければならないが、治具に固定した表面実装部品５０に対しては、手作業によらず、はんだ付けロボットや印刷マスク等によるはんだ７０の機械供給が可能である。また、加熱冷却工程では、表面実装部品５０やはんだ７０の加熱と冷却とを繰り返すだけなので、細かい手作業が必要ない。よって、放熱板を手作業で固定するという手間を負うことなく、放熱手段を表面実装部品５０に容易に取り付けることができる。

なお、実施形態に係る電子部品加工方法によって加工した放熱手段付き表面実装部品５０については、その後の実装工程でリフロー炉内での加熱処理を施してしまうと、表面上のはんだ７０を最溶融してしまう。そして、はんだ７０を凸部７０ａのない丸みを帯びた形状に変化させてしまうので、リフロー炉内での加熱処理を行うことはできない。よって、実施形態に係る電子部品加工方法によって加工した放熱手段付き表面実装部品５０については、リフロー炉内での加熱処理を行わない方法で実装する必要がある。例えば、はんだ付けロボットによってはんだ付けしたり、表面実装の場合には、印刷したクリームはんだをレーザー光の照射によって加熱してその内部のはんだ粒を溶融したりする方法（例えば特開２００６−３０３３５７号公報に記載のもの）を採用すればよい。他の電子部品の実装の都合上、どうしてもリフロー炉内での加熱処理が必要になる場合には、実施形態に係る電子部品加工方法によらず、後述する電子部品実装方法により、電子部品を実装しながら放熱手段付き電子部品に加工することが望ましい。

次に、本発明を適用した電子部品実装方法の実施形態について説明する。
図５は、実施形態に係る電子部品実装方法によって実装される電子部品としてのＦＥＴ（Field-Effect Transistor）５５を示す斜視図である。スイッチングデバイスであるＦＥＴは、そのパッケージの上面に銀電極５６が形成されている。パッケージ下面に設けられた入力電極５７から入力された電流は、パッケージ内の半導体層と、銀電極５６とを伝わる。その後、パッケージ下面に設けられた出力電極５８から出力される。

実施形態に係る電子部品実装方法においては、まず、印刷工程と、載置工程と接合工程とを実施して図示のＦＥＴ５５を配線基板にはんだ接合する。印刷工程では、複数の貫通孔からなる印刷パターンを具備する印刷マスクを用意する。そして、図６に示すように、配線基板１０の基板電極１１と、印刷マスク１の貫通孔２とを向かい合わせる状態で、印刷マスク１を配線基板１０に密着させる。次いで、スキージー装置により、印刷マスク１のクリームはんだ刷り込み面上で高温クリームはんだ７５をスキージングすることで、図７に示すように、印刷マスク１の貫通孔２内に高温クリームはんだ７５を刷り込む。その後、図８に示すように、印刷マスク１を配線基板１０から引き剥がして、貫通孔２内の高温クリームはんだ７５を配線基板１０の基板電極１１の上に印刷する。なお、高温クリームはんだ７５は、はんだ粒として、融点が比較的高温（例えば２２０℃）である高温はんだ粒を含有している。

このようにして高温クリームはんだ７５を印刷したら、次に、載置工程を実施する。この載置工程では、チップマンターと呼ばれる周知の装置により、図９に示すように、ＦＥＴ５５の電極（５７，５８）と、配線基板１０の基板電極１１とを密着させる状態で、ＦＥＴ５５を配線基板１０の上に載置する。

配線基板１０の上にＦＥＴ５５を載置したら、次に、接合工程を実施する。この接合工程では、ＦＥＴ５５を載置した状態の配線基板１０をリフロー炉内で加熱することで、印刷マスク１の貫通孔２内の高温クリームはんだ７５中に含まれる高温はんだ粒を溶融させる。これにより、図１０に示すように、配線基板１０の基板電極と、ＦＥＴ５５の電極（５７，５８）とを、高温はんだ７６によってはんだ接合する。

以上のようにしてＦＥＴ５５を配線基板１０にはんだ接合したら、ＦＥＴ５５の銀電極５６の上に、はんだからなる放熱手段を形成する。具体的には、まず、図１１に示すように、ＦＥＴ５５の銀電極５６の上に低温はんだ７７を供給する供給工程を実施する。低温はんだ７７は、高温はんだ７６よりも融点の低いはんだである。本実施形態では、低温はんだ７７として融点が１３９［℃］であるものを用いている。また、高温はんだ７６として、融点が２２０［℃］であるものを用いている。低温はんだ７７をＦＥＴ５５の銀電極５６の上に供給手段としては、周知のはんだ付けロボットを用いる。

供給工程を終えたら、加熱冷却工程を実施する。この加熱冷却工程では、配線基板１０をＦＥＴ５５とともに専用の密閉槽内に入れる。そして、密閉槽内でＦＥＴ５５の銀電極５６上の低温はんだ７７に対して急速加熱処理と急速冷却処理とを繰り返し施して、図１２に示すように、ＦＥＴ５５の銀電極５６上の低温はんだ７７を、不規則な形状の複数の凸部７７ａを具備するはんだ７７からなる放熱手段に変化させる。これにより、低温はんだ７７からなる放熱手段を表面上に固着させた放熱手段付きＦＥＴ５５を得る。

急速加熱処理時の温度については、低温はんだ７７の融点（１３９℃）と、高温はんだ７６の融点（２２０℃）との中間あたりの温度に設定する。これにより、加熱冷却工程の加熱処理時に低温はんだ７７を確実に溶融しつつ、高温はんだ７６の再溶融を確実に防止して、高温はんだ７６の再溶融に起因する接合不良の発生を回避することができる。

加熱冷却工程で用いる密閉槽としては、冷熱サイクル試験で用いるものをそのまま使用することができる。

以上、実施形態に係る電子部品実装方法においては、供給工程及び加熱冷却工程という２段階の工程により、ＦＥＴ５５の銀電極５６の表面に低温はんだ７７からなる放熱手段を取り付ける。供給工程においては、ＦＥＴ５５の銀電極５６の表面に低温はんだ７７を供給しなければならないが、ＦＥＴ５５を実装によって配線基板１０上に固定しているので、手作業によらず、はんだ付けロボット等による機械供給が可能である。また、加熱冷却工程では、ＦＥＴ５５上の低温はんだ７７の加熱と冷却とを繰り返すだけなので、細かい手作業が必要ない。これらの結果、放熱板を手作業で固定するという手間を負うことなく、放熱手段をＦＥＴ５５に容易に取り付けることができる。また、加熱冷却工程における加熱時の設定温度を、低温はんだ７７の融点と高温はんだ７６の融点との間の温度にすることで、基板に実装済みのＦＥＴ５５におけるはんだ接合部の高温はんだ７６の再溶融を回避しつつ、低温はんだ７７を、複数の凸部７７ａを具備する放熱手段に変化させることができる。

１：印刷マスク
２：貫通孔
１０：配線基板
１１：基板電極
５０：表面実装部品（電子部品）
５１：パッケージ
５２：電極パッド
５５：ＦＥＴ（電子部品）
５６：銀電極
５７：入力電極
５８：出力電極
７０：はんだ
７５：高温クリームはんだ
７６：高温はんだ
７７：低温はんだ

特開２００８−６０１５７号公報

Claims (2)

1. 電子部品を放熱手段の取り付けによって放熱手段付き電子部品に加工する電子部品加工方法において、
   上記電子部品の表面上にはんだを供給する供給工程と、表面上のはんだに対して急速加熱処理と急速冷却処理とを繰り返し施して、該はんだを、不規則な形状の複数の凸部を具備するはんだからなる放熱手段に変化させる加熱冷却工程とを実施して、該放熱手段を表面上に固着させた放熱手段付き電子部品を得ることを特徴とする電子部品加工方法。
2. 印刷マスクを用いて、配線基板の表面上に形成された基板電極の上にクリームはんだ層を印刷する印刷工程と、
   該配線基板の表面上に電子部品を載置して、該電子部品の電極と該配線基板の基板電極上のクリームはんだ層とを密着させる載置工程と、
   該電子部品を載置した該配線基板を該クリームはんだ層とともに加熱して、該電子部品の電極と該配線基板の基板電極とをはんだ接合する接合工程と
   を実施して、該電子部品を該配線基板上に実装する電子部品実装方法において、
   高温はんだを含有するクリームはんだと、該高温はんだよりも融点の低い低温はんだとを用意しておき、
   上記印刷工程にて、該高温はんだを含有するクリームはんだを用いて印刷を行い、
   且つ、上記接合工程の後に、上記電子部品の表面上に該低温はんだを供給する供給工程と、表面上にはんだを載せた該電子部品に対して急速加熱処理と急速冷却処理とを繰り返し施して、該はんだを、不規則な形状の複数の凸部を具備するはんだからなる放熱手段に変化させる加熱冷却工程とを実施することを特徴とする電子部品実装方法。

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