JP6447782B2 - はんだ付け方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電子部品をプリント基板上にはんだ付けするはんだ付け方法に関する。
一般に、電子部品をプリント基板上の電極（はんだ付け部）にはんだ付けを行う場合には、はんだペーストをプリント基板の電極に印刷法または吐出法により塗布し、その後、リフロー装置のチャンバー内においてそのプリント基板を予備加熱および本加熱することにより電子部品をプリント基板上にはんだ付けしている。
はんだペーストは、はんだ粉末とフラックスとが混合された接合材料により構成されている。近年では、リフロー後のはんだ付け部におけるフラックス残渣の洗浄工程が必要のない無残渣はんだペーストが、半導体業界や自動車業界等において広く利用されている。例えば、特許文献１には、常温で固体であり、リフロー温度で蒸発する固体溶剤と、常温で高粘性流体であり、リフロー温度で蒸発する高粘性溶剤と、残部、常温で液体であり、リフロー温度で蒸発する液体溶剤からなる無残渣ソルダペーストが記載されている。
また、フラックスの残渣対策としては、上述した無残渣ソルダペーストを用いる以外にも、フラックスレスのプリフォーム材を使用して電子部品をプリント基板上にはんだ付けする技術が知られている。例えば、特許文献２には、半導体素子と絶縁金属基板の接合に、フラックスレスの半田プリフォーム材を使用するパワーモジュールが記載されている。この場合、リフローは、フラックスレスのプリフォーム材を用いるため、還元雰囲気中で行われる。
特開２００４−０２５３０５号公報 特開２００８−１７２１２０号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載されるはんだ付け方法では、以下のような問題がある。すなわち、特許文献１に記載のはんだ付け方法では、本加熱時においてフラックスが残った状態で大気圧下または窒素雰囲気下ではんだを溶融させるため、はんだが溶融する際にフラックスが飛散してしまい、そのフラックスの飛散による勢いではんだも飛散してしまう場合がある。フラックスが飛散する理由としては、フラックスに含有する溶剤成分の残留が考えられている。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、リフロー時におけるはんだの飛散を防止すると共に、はんだや電極の表面に形成される酸化膜を確実に除去することができるはんだ付け方法を提供することにある。
本発明に係るはんだ付け方法は、はんだ合金と無残渣用フラックスが混合されてなるはんだペーストを基板上のはんだ付け部に塗布し、当該はんだペースト上に電子部品を載置する第１の工程と、炉内を真空状態かつ第１の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれる前記無残渣用フラックスを揮発させて無残渣の状態（フラックス残渣の量がフラックス中の１質量％以下）とする第２の工程と、前記炉内を還元雰囲気で第２の温度として前記基板を加熱することにより少なくとも前記はんだ付け部の酸化膜を除去する第３の工程と、前記炉内を真空状態でかつ前記第２の温度よりも高い第３の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれるはんだを溶融させる第４の工程と、を有するものである。
本発明によれば、リフロー時における、はんだの飛散を防止することができると共にはんだや電極の表面に形成される酸化膜を確実に除去することができる。
本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 リフロー時におけるチャンバー内の温度と気圧との関係の一例を示す図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
［はんだ付け方法の工程例］
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明に係るはんだ付け方法における半導体装置の製造工程の一例を示している。図２は、リフロー時におけるチャンバー内の温度と気圧との関係（温度プロファイル）の一例を示している。図２において、左側の縦軸はチャンバー内の温度を示し、右側の縦軸はチャンバー内の気圧を示し、横軸は時間を示している。
本実施の形態においてリフロー装置１００としては、ギ酸還元を利用したはんだ付けを行うリフロー装置を用いている。なお、ギ酸還元を利用したリフロー装置は、公知であるため、詳細な説明については省略する。
まず、プリント基板１０の電極（はんだ付け部）と同一箇所に開口部が形成されたメタルマスクを用意し、このメタルマスクの開口部をプリント基板１０の電極に位置合わせした後にプリント基板１０上に載置する。続けて、メタルマスク上に置いたはんだペースト２０をスキージを移動させることによりメタルマスクの開口部内に充填する。はんだペースト２０には、例えば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕからなるはんだ合金と無残渣用フラックスとを混合させたものが用いられる。メタルマスクの開口部の開口寸法や厚みを調整することで、任意の大きさの電極等に対応したはんだペースト２０を形成できる。続けて、図１Ａに示すように、メタルマスクをプリント基板１０上から取り外した後、はんだペースト２０上に電子部品３０を載置する（第１の工程）。
次に、図１Ｂに示すように、電子部品３０が実装されたプリント基板１０をリフロー装置１００のチャンバー内に搬送する。チャンバー内は、図２に示すように、区間Ａのプリヒート時において、チャンバー内が真空状態とされると共に１５０〜１８０℃（第１の温度）に設定される。真空度としては、例えば１０〜１００Ｐａであることが好ましい。これにより、図１Ｃに示すように、はんだペースト２０に含有するフラックスが完全に揮発した無残渣の状態となり、プリント基板１０上にははんだ粉末２２のみが残った状態となる（第２の工程）。なお、本実施の形態において、図１Ｃに示すフラックスが揮発した状態の「無残渣」には、上述したようにフラックスが完全に揮発してフラックス残渣が皆無となる場合の他、フラックス残渣がほとんど見られない、具体的にはフラックス残渣の量がフラックス中の１質量％以下となる場合も含まれる。
次に、図２に示すように、区間Ｂの還元において、リフロー装置１００のチャンバー内にギ酸が供給されると共に、チャンバー内が真空状態から大気圧状態とされる。また、本加熱時におけるチャンバー内の温度は、第１の温度以上ではんだの溶融温度より低い温度（第２の温度）に設定される。好ましくは、はんだの溶融温度より１０℃〜２０℃低い温度に設定される。これにより、チャンバー内に供給されたギ酸成分が、プリント基板１０の電極やはんだの表面に形成された酸化膜を還元させ、電極やはんだ表面の酸化膜を除去する。つまり、フラックスレスでも、電極やはんだ表面の酸化膜を除去することができる（第３の工程）。
次に、図２に示すように、区間Ｃの本加熱では、チャンバー内のギ酸が排気されると共に、チャンバー内が大気圧状態から真空状態とされる。真空度としては、例えば１０〜１００Ｐａであることが好ましい。また、本加熱時におけるチャンバー内の温度は、はんだの溶融温度より２０℃〜５０℃、好ましくは２０℃〜３０℃高い温度（第３の温度）に設定される。これにより、図１Ｄに示すように、はんだが溶融することで、電子部品３０がプリント基板１０上の電極に接合される（第４の工程）。はんだの溶融時は、フラックスが揮発して残っていないので、はんだの飛散も防止される。本実施の形態では、このような一連の工程により電子部品３０をはんだペースト２０を介してプリント基板１０上にはんだ付けする。
次に、チャンバー内の温度や気圧等のリフロー条件を変更してリフローを行った場合におけるリフロー後のボイドの発生、フラックス残渣、はんだの飛散のそれぞれを検証した。リフロー装置には、ＡＴＶ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ Ｇｍｂｈ社製のＳＲＯ７００を用いた。
まず、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕからなるはんだ粉末を作製し、無残渣用フラックスであるＮＲＢ６０とはんだ粉末とを混合してはんだペーストを作製した。続けて、銅板上にはんだペーストを塗布し、そのはんだペースト上に８ｍｍ角のＳｉチップを載置した後、チャンバー内の温度や気圧等のリフロー条件を変更してはんだ付けを行った。最後に、はんだ付けを行った銅板をＸ線検査装置を用いて、リフロー後におけるボイドの発生およびはんだの飛散の確認、電子顕微鏡を用いてフラックス残渣の確認を行った。
（１）ボイドの評価方法
Ｘ線の倍率を７倍とし、画像処理ソフトによりボイド率の測定を行った。
○：ボイド率が１％以下であった。
×：ボイド率が１％超であった。
（２）はんだ付けの評価方法
はんだ付けが正常に行えていたら○とし、はんだ付けが出来ていなかったら×とした。
表１は、各リフロー条件でのリフロー後におけるボイドの発生、フラックス残渣およびはんだの飛散の結果を示している。
Figure 0006447782
実施例１では、表１に示すように、区間Ａでのプリヒート時に真空状態にてはんだペーストを加熱してフラックスを完全に揮発させるので、リフロー後においてもフラックス残渣が確認されなかった。また、区間Ｃでの本加熱時において、すでにフラックスは揮発しているので、フラックスに起因するはんだの飛散も確認されなかった。さらに、ギ酸により酸化膜を除去するので、はんだ付けも正常に行うことができる。はんだの溶融時は真空状態のためボイドの発生も確認されなかった。
これに対し、比較例１では、表１に示すように、区間Ａにおいて真空状態にしないためフラックスを完全に揮発させることができない。そのため、区間Ｃにおいてはんだを溶融させたとき、フラックスがボイドとして残ってしまった。その後、本加熱を行う間に残っていたフラックスが揮発し、はんだの飛散を発生させてしまった。比較例２では、区間Ｂのギ酸による還元を１分間しか行っていないため、酸化膜が十分に除去されずに残ってしまい、はんだ付けを行うことができなかった。比較例３では、区間Ｃを真空状態にしていない。また、区間Ｂにおいてギ酸により酸化膜の除去を行っており、ギ酸の供給を止めたとしてもはんだの周りにはギ酸が残ってしまうため、はんだを溶融させた際にギ酸がボイドとして残ってしまった。
以上説明したように、本実施の形態によれば、プリヒート時間を従来よりも長く設定すると共にこのときチャンバー内を真空状態とするので、プリヒート時においてフラックスを完全に揮発させることができ、はんだ溶融時におけるはんだの飛散を確実に防止することができる。また、この場合でも、ギ酸雰囲気リフローを採用しているので、フラックスレスでのはんだ付けを行うことができる。ギ酸を用いてリフローを行ったが、水素など還元雰囲気でリフローが行えれば良い。これにより、ボイドレスではんだ飛散を防止しながらはんだ付けを行うことができ、かつ、フラックス洗浄工程を省略することができる。また、フラックスは酸化膜除去に必要な活性剤を含まなくても良い。
また、本実施の形態によれば、メタルマスクを用いてはんだペースト２０を電極上に塗布するので、はんだ粉末２２ははんだ粉末にできれば如何なる組成であっても用いることができる。例えば、プリフォームとして加工することが困難な難加工性のＳｎ−Ｓｂ系やＢｉ−Ｓｎ系はんだ等を使用することもできる。難加工性の条件としては、はんだ合金の引張強度（引張強さ）が５５ＭＰａ以上、伸び（破断伸び）が４０％以下、０．２％耐力（オフセット法）が４０ＭＰａ以上である。伸びは金属加工に関する特性であり、伸び率が小さいと形成加工が困難になる。引張強さ、破断伸び、０．２％耐力の各測定方法は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠する。０．２％耐力は塑性変形が開始する荷重であり、この値が高いと加工に必要な力が大きくなる。引張強度は打ち抜き加工に必要な力を求める指標として用いられる場合があり、この値が高いと打ち抜き加工が困難になる。これらの条件を満たすと、はんだを薄く伸ばすことができなかったり、打ち抜きを行った際、亀裂や欠けが生じたりする。このような特性を示すはんだ合金として、例えば、Ｓｂが１０質量％以上含有するＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金やＢｉが８０質量％以上含有するＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金が挙げられる。また、メタルマスクの開口径や厚みを調整することで、半導体素子や電極の形状や大きさに応じて任意の大きさではんだペースト２０を形成することができる。つまり、難加工性のはんだ材料を用いた場合でも、はんだ形状を自由に設計することができる。
なお、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に記載の範囲には限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能である。
１０ プリント基板（基板）
２０ はんだペースト
２２ はんだ粉末
２４ フラックス
３０ 電子部品

Claims (3)

  1. はんだ合金と無残渣用フラックスが混合されてなるはんだペーストを基板上のはんだ付け部に塗布し、当該はんだペースト上に電子部品を載置する第１の工程と、
    炉内を真空状態かつ第１の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれる前記無残渣用フラックスを揮発させて無残渣の状態（フラックス残渣の量がフラックス中の１質量％以下）とする第２の工程と、
    前記炉内を還元雰囲気で第２の温度として前記基板を加熱することにより少なくとも前記はんだ付け部の酸化膜を除去する第３の工程と、
    前記炉内を真空状態でかつ前記第２の温度よりも高い第３の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれるはんだを溶融させる第４の工程と、
    を有することを特徴とするはんだ付け方法。
  2. 前記第１の工程において、前記基板上の前記はんだ付け部に対応する部分が開口された開口部を有するメタルマスクを用いて、前記基板上の前記はんだ付け部に前記はんだペーストを塗布する
    ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
  3. 前記はんだ合金は、引張強度が５５ＭＰａ以上、伸びが４０％以下、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ付け方法。
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