JP7346137B2 - モジュール、モジュールの製造方法および電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、 ジュール、ジュールの製造方法および電子機器に関する。
電子機器の一例であるデジタルカメラやカメラ内蔵のスマートフォンなどの撮像装置は、イメージセンサなどの電子部品がプリント配線板に実装された撮像モジュールを備えている。撮像装置の小型化及び高性能化に伴い、電子部品も小型化及び高性能化している。撮像装置に用いられる電子部品は、小型化が可能であり、かつ多数の端子を配列可能な、LGA(Land Grid Array)、LCC(Leadless Chip Carrier)等の半導体パッケージが採用されている。これらの電子部品は端子となるランドが底面に配置され、リード端子が不要となるため、撮像モジュールを小型にできる。
電子部品の高性能化に伴い、電子部品の動作時の発熱量が増加している。電子部品のランドとプリント配線板のランドは、はんだで接合されているが、電子部品の動作時の発熱により、電子部品が熱膨張により変形した結果、はんだに応力がかかり、はんだが断線することがあった。また、はんだには熱に対する耐性のみならず、落下衝撃に対する耐性も求められている。
特許文献1には、はんだ粉末と熱硬化性樹脂を含むペーストを用いて電子部品をプリント配線板に実装する製造方法が記載されている。この種のペーストは、はんだ融点以上に加熱することではんだと未硬化の熱硬化性樹脂に分離される。未硬化の熱硬化性樹脂は、はんだの周囲に分離され、加熱による硬化反応によって硬化する。硬化した樹脂がはんだを覆うことで、はんだにかかる応力を分散させ、はんだの断線を抑制することができる。
国際公開2014-024338号パンフレット
特許文献1に開示された製造方法は、はんだを溶融させるとともに熱硬化性樹脂を硬化させる工程を有する。そのため、はんだペースト中のはんだ粉末を溶融すると、はんだペーストに含まれるフラックスにより、はんだ粉末を覆う酸化膜が還元・除去され、はんだが凝集するとともに、二酸化炭素等のガスが発生する。発生したガスは溶融中のはんだ中でボイドとなり、はんだから外気中に抜けようとする。ところが、はんだの周囲には既に硬化が始まった熱硬化性樹脂が存在するため、ボイドは容易に抜けずに膨張する。そして、膨張したボイドは硬化された熱硬化性樹脂の薄い箇所を突き破り外気中に抜ける。その際に溶融されたはんだも流れ出て、隣接するはんだと接触し、はんだどうしが短絡する接合不良が生じてしまうという課題があった。
上記課題を解決するためのモジュールは、1ランドを含む複数のランドが設けられた配線板と、2ランドを含む複数のランドが設けられた電子部品と、前記第1ランドと前記第2ランドを接合し、空隙部を内包するはんだと、前記配線板の複数のランドの間前記電子部品の複数のランドの間と、を接合する熱硬化性樹脂と、を備えるモジュールであって、前記空隙部の面積は、5[面積%]以上50[面積%]以下であることを特徴とする。
上記課題を解決するためのモジュールの製造方法は、1ランドを含む複数のランドが設けられた配線板と、2ランドを含む複数のランドが設けられた電子部品と、前記第1ランドと前記第2ランドを接合するはんだと、前記配線板の複数のランドの間前記電子部品の複数のランドとの間と、を接合する熱硬化性樹脂と、を備えるモジュールの製造方法であって、前記第1ランドの上に、はんだ粉末および熱硬化性樹脂を含有するはんだペーストを載置する工程と、前記第2ランドが前記第1ランドの上に位置するように、前記電子部品を前記配線板の上に載置する工程と、前記はんだペーストを、前記はんだ粉末の融点Tより高いピーク温度Tまで加熱し、前記はんだ粉末を溶融させるとともに、前記はんだペーストから前記熱硬化性樹脂を分離する工程と、前記ピーク温度Tから前記はんだ粉末の融点T未満に冷却し、前記熱硬化性樹脂が硬化する前に前記はんだを凝固させ、前記はんだの内部に空隙部を形成する工程と、を備え、前記はんだ粉末の融点T から前記ピーク温度T まで加熱する時間が、前記ピーク温度T から前記はんだ粉末の融点T まで冷却する時間より長いことを特徴とする。
本発明によれば、製造プロセス中に発生するガスをはんだの中に適量閉じ込め、はんだに空隙部を形成させる。そのため、製造プロセス中に発生するガスが熱硬化性樹脂に拡散しないため、はんだ同士が短絡しないモジュールを提供することができる。また、はんだに適量の空隙部を有するため、熱に対する耐性と落下衝撃に対する耐性とを両立可能なモジュールを提供することができる。
本発明の電子機器の一実施態様を示す概略図である。 本発明の撮像モジュールの一実施態様を示す概略図である。 本発明の撮像モジュールの製造方法の一実施態様を示す概略図である。 本発明の撮像モジュールの製造方法の一実施態様における温度プロファイルを示すグラフである。 本発明の撮像モジュールの製造方法の一実施態様における熱硬化性樹脂の硬化率のプロファイルを示すグラフである。
(電子機器、撮像モジュール)
図1は、本発明の電子機器の一例として撮像装置であるデジタルカメラを説明する概略図である。
撮像装置であるデジタルカメラ600は、レンズ交換式のデジタルカメラであり、カメラ本体601を備える。レンズを含むレンズユニット(レンズ鏡筒)602が着脱可能となっている。カメラ本体601は、筐体611と、筐体内に設けられた撮像モジュール300と、プリント回路板700と、を備えている。撮像モジュール300とプリント回路板700とはケーブル950で電気的に接続されている。
撮像モジュール300は、電子部品105の一例であるイメージセンサ(撮像素子)が搭載された半導体パッケージと、電子部品105が実装されるプリント配線板100と、を有する。プリント回路板700は、電子部品の一例である画像処理装置800と、画像処理装置800が実装されるプリント配線板900と、を有する。
イメージセンサ(撮像素子)は、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ又はCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサである。イメージセンサは、レンズユニット602を介して入射した光を電気信号に変換する機能を有する。
画像処理装置800は、例えばデジタルシグナルプロセッサである。画像処理装置800は、イメージセンサから電気信号を取得し、取得した電気信号を補正する処理を行い、画像データを生成する機能を有する。
図2は、本発明の撮像モジュールの一実施態様を示す概略図であり、図2(a)は上面から透過観察した投影図、図2(b)は図2(a)のA-A´線で切断した際の断面図である。
撮像モジュール300は、電子部品105と、電子部品105が実装されるプリント配線板100と、を有する。電子部品105とプリント配線板100は、はんだ109および熱硬化性樹脂110で接合されている。
電子部品105は、LGAのパッケージである。電子部品105は、撮像素子111と、撮像素子111が実装されたパッケージ基板112と、を有する。パッケージ基板112は、絶縁基板113と、絶縁基板113の第2面2001に配置された複数の第2ランドであるランド116とを有する。撮像素子111は、絶縁基板113の第2面2001とは反対側の面2002に配置されている。ランド116は、導電性を有する金属、例えば銅で形成された電極であり、例えば信号電極、電源電極、グラウンド電極、又はダミー電極である。絶縁基板113は、例えばアルミナ等のセラミックで形成されたセラミック基板である。電子部品105は、例えば、第2面2001の面積が900[mm]以上と比較的大きな電子部品である。なお、電子部品105はBGAのパッケージであってもよい。
プリント配線板100は、絶縁基板101と、絶縁基板101の第1面1001に配置された複数の第1ランドであるランド102と、を有する。ランド102は、導電性を有する金属、例えば銅で形成された電極であり、例えば信号電極、電源電極、グラウンド電極、又はダミー電極である。絶縁基板101は、エポキシ樹脂等の絶縁材料で形成されているリジッド基板である。
プリント配線板100の第1面1001上には、ソルダーレジスト103が設けられている。ソルダーレジスト103には、ランド102に対応する位置に開口が形成されている。プリント配線板100の第1面1001と、絶縁基板113の第2面2001は互いに対向している。
ランド116とランド102とは、はんだ109で電気的及び機械的に接続されている。ランド102は、ソルダーレジスト103の開口を通じてはんだ109でランド116に接合されている。
はんだ109は、空隙部200を備える。つまり、はんだ109はボイドを内包している。はんだ109に占める空隙部200の面積割合は、X線を用いて撮像モジュール300を電子部品105側から透過観察した際に、はんだ109の総面積に対して5[面積%]以上50[面積%]以下である。空隙部200の割合を上記範囲にすることによって、はんだ109は落下衝撃に対する耐性を良好にすることができる。空隙部200はガス雰囲気であるため、空隙部200の弾性率は0.3[MPa]と、はんだ109の弾性率33[GPa]より4桁小さい。そのため、はんだ109はボイドを5[面積%]以上内包していると、はんだ109の空隙部200と接する内壁面は変形しやすくなる。そのため、落下衝撃のように外部応力が加わっても、はんだ109の内壁面で外部応力が吸収され、はんだ109に亀裂が発生しにくい。一方、空隙部200がはんだ109の総面積に対して50[面積%]より多く存在すると、ランド116とランド102が機械的および/又は電気的な接続不良が生じてしまう。好ましい空隙部200の割合は、はんだ109の総面積に対して5[面積%]以上25[面積%]以下である。
また、X線を用いて撮像モジュール300を電子部品側から透過観察した際に、空隙部200の最大長さLvは、はんだ109の最大長さLsに対して50[%]以下の範囲であることが好ましい。つまり、空隙部200の最大長さLvと、はんだ109の最大長さLsとは、Lv/Ls≦50[%]の関係を満たしていることが好ましい。空隙部200の最大長さLvが、はんだ109の最大長さLsの50[%]より大きくなると、ランド116とランド102が機械的および/又は電気的な接続不良が生じるおそれがある。また、空隙部200の最大長さLvが、はんだ109の最大長さLsの8[%]以上であることが好ましい。空隙部200の最大長さLvが、はんだ109の最大長さLsの8[%]以上であることにより、はんだ109の空隙部200と接する内壁面はより変形しやすくなる。そのため、落下衝撃のように外部応力が加わっても、外部応力ははんだ109の内壁面で吸収され、はんだ109に亀裂が発生しにくい。より好ましくは、10[%]以上40[%]以下である。なお、空隙部の最大長さLvは0.08[mm]以上0.5[mm]以下であることが好ましい。
はんだ109の粒径が小さいと、接合強度をより十分に得ることができる。接合強度を高めるという観点において、好ましいはんだの粒径は、個数平均の円相当径で3[μm]以上12[μm]以下である。
はんだ109のランドと接続されていない面(側面)は、熱硬化性樹脂110と接している。はんだ109の側面を熱硬化性樹脂110が覆うことによって、撮像モジュール300の動作時に発熱から生じる熱応力をはんだ109のみならず、熱硬化性樹脂110にも分散させることができる。本実施形態では、複数のはんだ109が一体の熱硬化性樹脂110で覆われている。なお、複数のはんだ109は、一体の熱硬化性樹脂110で覆われているのが好ましいが、これに限定するものではなく、互いに分離した複数の熱硬化性樹脂で覆われていてもよい。好ましい熱硬化性樹脂110のビッカース硬度は17[Hv]以上であり、ビッカース硬度が17[Hv]以上であれば、接合強度としては十分である。
はんだ109の粒径と熱硬化性樹脂110のビッカース硬度が上記範囲を満たすことによって、電子部品105の第2面2001の面積が900[mm]以上あるような大きな電子部品を実装しても、熱応力によるはんだの断線を抑制することができる。
(撮像モジュールの製造方法)
図3(a)から図3(f)は、撮像モジュールの製造方法の一実施態様を示す概略図である。
図3(a)は、はんだペーストを供給する前のプリント配線板100を示す図である。プリント配線板100は、絶縁基板101と、絶縁基板101の第1面1001に配置された複数の第1ランドであるランド102と、を有する。ランド102は、導電性を有する金属、例えば銅で形成された電極であり、例えば信号電極、電源電極、グラウンド電極、又はダミー電極である。絶縁基板101は、エポキシ樹脂等の絶縁材料で形成されているリジッド基板である。第1面1001上には、ソルダーレジスト103が設けられている。ソルダーレジスト103には、ランド102に対応する位置に開口が形成されている。なお、ランド102の形状は角型でも丸型でもよく、ソルダーレジストとの関係はいわゆるSMDでもNSMDでもよい。
図3(b)は、ランド102の上に、はんだ粉末および熱硬化性樹脂を含有するはんだペースト104を載置する工程を示す図である。はんだペースト104は、例えば、スクリーン印刷やディスペンサーで供給することができる。図3(b)のようにランド102を完全に覆うように供給しても良いし、いわゆるオフセット印刷のようにランド102を部分的に覆うように供給してもよい。
はんだペースト104は、少なくともはんだ粉末及び熱硬化性樹脂を含有する。また、はんだ接合に必要なフラックス成分をさらに含有していてもよい。はんだペースト104は、熱硬化性樹脂を含有しないはんだペーストと同様、スクリーン印刷やディスペンサーなどで供給可能であり、リフロー等の加熱ではんだ接合することができる。
はんだペースト104は加熱を開始すると、はんだ粉末が溶融するとともに熱硬化性樹脂が分離し、熱硬化性樹脂がはんだのランドと接続されていない面と接して硬化する。硬化した熱硬化性樹脂は、はんだとともに、電子部品105とプリント配線板100間を接着するため、いわゆる補強樹脂として機能する。そのため、撮像モジュール300の接合信頼性を向上させることができる。
図3(c)は、はんだペースト104が載置されたプリント配線板100の上に電子部品105を載置する工程を示す図である。電子部品は105であり、マウンター等を用いて、プリント配線板100の上に載置する。図3(c)のように電子部品105の第2面2001には、ランド102と対応する複数の第2ランド116が設けられている。ランド102の上に、対応するランド116が位置するように電子部品105は載置される。
図3(d)は、はんだペースト104を加熱し、はんだ粉末の融点Tより高いピーク温度Tまで加熱し、はんだ粉末を溶融、凝集させ、はんだペーストから熱硬化性樹脂を分離する工程を示す図である。107は液相状態のはんだである。また、108はほぼ液相状態の硬化前の熱硬化性樹脂108であり、液相となったはんだの影響を受け、硬化率が十分に低い状態である。はんだ粉末を溶融、凝集させる際に二酸化炭素等のガスが発生し、ボイドを形成する。形成されたボイドは、ピーク温度Tまで膨張し続ける。ピーク温度Tは特に限定されず、適宜、設定することができる。ただし、はんだ粉末の融点Tに対して高すぎると、熱硬化性樹脂の硬化が過剰に進んでしまうおそれがある。
図3(e)は、溶融した液相状態のはんだ107をピーク温度Tからはんだ粉末の融点T未満に冷却し、凝固させる工程を示した図である。はんだが凝固することにより、電子部品105とプリント配線板100とが電気的および機械的に接合される。このとき、はんだ109は凝固され、固体となる。ピーク温度Tで最も大きくなるボイドは、ピーク温度Tから冷却するにつれて収縮する。そして、はんだが凝固すると、ボイドははんだ109内に閉じ込められ空隙部200を形成する。つまり、空隙部200は二酸化炭素等のガスを含んでいる。ここで、熱硬化性樹脂108は、図3(d)に比べると、架橋反応が進んでいるが、まだ流動性が高く、硬化率が低い状態である。
図3(f)は、はんだを凝固させる工程の後に、本硬化前の熱硬化性樹脂108を本硬化する本硬化させる工程を示した図である。この工程では、はんだ109には空隙部200が形成されているため、二酸化炭素等のガスが熱硬化性樹脂108に拡散されない。本硬化した熱硬化性樹脂110は、ほぼ固相状態であり、硬化率は高い状態である。ここで、本硬化させる温度は、はんだ粉末の融点T未満である。本硬化させる工程も、はんだペーストの加熱および冷却を行ったリフロー炉で行うことができるが、リフロー炉のサイズが小さく、本硬化させる工程の時間が十分に取れない場合は、リフロー後にバッジ炉など別の加熱炉で本硬化させる工程を行っても良い。
以上のような工程で、はんだ109に空隙部200が形成された撮像モジュール300を製造することができる。
(温度プロファイル)
次に、図4を用いて、撮像モジュールの製造方法の温度プロファイルを説明する。
はんだペースト104が供給されたプリント配線板100の上に電子部品105を載置する工程が完了すると、電子部品が載置されたプリント配線板はリフロー炉に投入される。図4は横軸が時間、縦軸がプリント配線板の温度であり、図4のAの領域はリフロー炉に投入してから加熱を開始するまでの状態を示しており、温度は一定である。
次に、Bの領域においてリフロー炉の温度を上昇させ、プリント配線板100の温度がはんだ粉末の融点Tに達するようにプリント配線板100を加熱する。このBの領域における加熱速度は特に限定されないが、例えば、2.5[℃/秒]以下であることが好ましい。加熱速度を速くし過ぎると、プリント配線板100が変形するおそれがあるためである。一方、加熱速度を遅くし過ぎると、スループットが悪くなるため、0.3[℃/秒]以上であることが好ましい。
次に、Cの領域においてリフロー炉の温度を上昇させ、プリント配線板100の温度がはんだ粉末の融点Tからピーク温度Tに達するようにプリント配線板100を加熱する。ここでピーク温度Tは特に限定されず、適宜、設定することができるが、はんだ粉末の融点Tに対して過剰に高く設定をすると、熱硬化性樹脂の硬化が進んでしまう。そのため、後述するDの領域において急速に冷却したとしても、はんだが凝固する前に熱硬化性樹脂が硬化してしまうおそれがある。そのため、ピーク温度Tははんだ粉末の融点Tの1.25倍以下であることが好ましい。
また、Cの領域における加熱速度は特に限定されないが、Bの領域の加熱速度より遅いことが好ましく、例えば、0.1[℃/秒]以上1.0[℃/以下]である。Cの領域において、はんだ粉末をBの領域よりゆっくりと溶融することで、ランド102上に隙間なくはんだを濡れ拡げることができる。なお、Cの領域では、はんだ粉末は溶融しているため、はんだは液相状態である。また、はんだ粉末が溶融するとともに凝集するため、はんだペーストから熱硬化性樹脂が分離する。このとき熱硬化性樹脂の硬化率は10[%]以下であり、液相状態である。熱硬化性樹脂の硬化率の測定方法については、後述する。
Cの領域では、はんだ粉末が溶融する際に、はんだペースト中に含まれるフラックスにより、はんだ粉末を覆う酸化膜が還元、除去される。また、はんだ粉末は凝集すると同時に二酸化炭素等のガスが発生する。発生したガスはボイドとなり、ボイドは膨張する。少なくともはんだ粉末融点T以上の温度では、はんだは溶融状態を維持する。一方、分離した熱硬化性樹脂は加熱前の状態(硬化率は約15[%])の時よりも粘度が低下して流動性が高まっている。はんだ粉末の凝集とともに発生したガスおよび膨張したボイドは、熱硬化性樹脂を破り外気へと抜けるが、破れた熱硬化性樹脂は流動性が高いため、すぐに破れた箇所を塞ぐため、はんだの流出は生じない。また、熱硬化性樹脂の流動性が高いので、はんだは一度分離しても再度凝集することができる。
次に、Dの領域においてリフロー炉の温度を下降させ、プリント配線板100の温度がピーク温度Tからはんだ粉末の融点T未満になるようにプリント配線板100を冷却する。はんだ粉末の融点T未満になるようにプリント配線板100を冷却することにより、はんだが凝固し、ランド102とランド116とが電気的および機械的にはんだで接合される。そして、はんだが凝固するとボイドは、はんだ109内に閉じ込められ空隙部200を形成する。はんだ109における空隙部200の割合は、Dの領域の冷却速度によって、制御することができる。冷却速度を遅くすると空隙部200の割合は多くなり、冷却速度を早くすると空隙部200の割合は少なくなる。Dの領域における冷却速度は特に限定されないが、Cの領域の加熱速度より速いことが好ましく、例えば、0.4[℃/秒]以上である。より好ましくはCの領域の加熱速度の1.3倍以上の速度である。また、はんだのグレインサイズ(粒径)を小さく制御するという観点においては、Cの領域の加熱速度の2.0倍以上の速度であることが好ましい。
一方、Dの領域においては熱硬化性樹脂の架橋反応が僅かながら進んで硬化率(硬度)は徐々に上がっていく。ここで、本実施形態では、粉末はんだの融点Tを超えるCの領域とDの領域の合計時間を熱硬化性樹脂が硬化する時間より短くしている。すなわち、熱硬化性樹脂が硬化する前に、はんだを凝固させている。熱硬化性樹脂が硬化しているとは、熱硬化性樹脂の硬化率が50[%]以上の状態をさす。硬化率が50[%]以上の状態では、熱硬化性樹脂の流動性が少ないため、前述したようなボイドにより破れた熱硬化性樹脂を塞ぐことができない。そのため、硬化率が50[%]以上の状態では、はんだが溶融している状態でガスやボイドの膨張等で熱硬化性樹脂が破れると、破れた箇所からはんだが流出してしまい、隣接するはんだ同士がショートし、接合不良が生じてしまう。
Dの領域における好ましい熱硬化性樹脂の硬化率は30[%]以下である。硬化率が30[%]以下であれば、流動性があるため、はんだが溶融している状態でガスやボイドの膨張等で熱硬化性樹脂が破れても、破れた箇所は熱硬化性樹脂で塞ぐことができる。そのため、はんだの流出が生じにくい。熱硬化性樹脂の流動性を高く維持するという観点において、より好ましい硬化率は10[%]以下である。
続いて、Eの領域においてリフロー炉の温度をさらに下降させる。このEの領域においては、はんだは凝固した状態であり、熱硬化性樹脂はDの領域に続いて、架橋反応が進んで硬化率(硬度)は徐々に増えていく。Eの領域における好ましい熱硬化性樹脂の硬化率は40[%]以下である。より好ましい硬化率は20[%]以下である。
続いて、Fの領域においてリフロー炉の温度を一定に保持し、プリント配線板の温度がはんだ粉末の融点Tより低い温度にして、熱硬化性樹脂の架橋反応を進め、熱硬化性樹脂を本硬化させる。本硬化させた後の熱硬化性樹脂の硬化率は90[%]以上であり、ビッカース硬度が17[Hv]以上である。ビッカース硬度が17[Hv]以上であれば、接合強度としては十分である。Fの領域において温度を高くすると、短い時間で熱硬化性樹脂を本硬化させることができる。そのため好ましい温度は、はんだ粉末の融点Tの0.8倍以上0.95倍以下である。また、図4においてはリフロー炉の温度を一定に保っているが、一定に温度を保持させなくても構わない。ただし、一定温度で十分な時間をかけて熱硬化性樹脂の架橋反応を進めることにより、撮像モジュールでの反応ムラを少なくすることができる。
なお、この熱硬化性樹脂を本硬化させる工程は、リフロー炉と異なる加熱炉で行っても構わない。また、プリント配線板や電子部品が大きい場合、温度分布が大きくなるため、加熱途中に一度プリヒート領域を設けてもよい。
本発明の撮像モジュールの製造方法によれば、加圧や雰囲気制御などの特別な工程を行うことなく、リフロー中の温度プロファイルを制御することにより、はんだに空隙部を備える撮像モジュールを提供することができる。
(熱硬化性樹脂の硬化率)
次に、熱硬化性樹脂の硬化率の評価方法について説明する。
まず、熱硬化性樹脂の硬化率は、例えば、剛体振り子型物性試験機(粘弾性試験機)によって評価することができる。具体的には、熱硬化性樹脂の硬化具合の変化に伴う、剛体振り子の自由減衰振動への影響から熱硬化性樹脂の硬化率を算出する方法である。また、剛体振り子型物性試験機は汎用のものを使用でき、例えば、A&D社製のRPT-3000W等が使用できる。
図5は、図4の温度プロファイルに対し、熱硬化性樹脂による剛体振り子の自由減衰振動の変化プロファイルを重ねたものである。灰色の線が温度プロファイル、黒色の線が剛体振り子の振動周期を示している。
まず、Aの領域においてはプリント配線板100の温度が一定であるため、熱硬化性樹脂の硬化率が変動しないため剛体振り子の振動周期は一定である。このとき、熱硬化性樹脂は硬化反応前のいわゆる未硬化の状態であり、流動性が高い。そのため、一部に液相を有する。
続いて、Bの領域においては温度が加熱されるため、はんだペースト中の熱硬化性樹脂は徐々に硬化反応が進むため、剛体振り子の振動周期はやや早くなる。すなわち、熱硬化性樹脂の流動性が小さくなる傾向にある。
続いて、Cの領域においては温度がはんだ粉末の融点Tを通過して、ピーク温度Tに達する。はんだ粉末の融点Tを通過するため、はんだ粉末が溶融し、はんだペースト中で熱硬化性樹脂に対して溶融したはんだが凝集し拡散する。ただし、熱硬化性樹脂の一部は架橋反応が始まっている。このとき剛体振り子の振動周期は最も遅い周期T1に達する。このときの硬化率を0[%]とする。
続いて、Dの領域においては温度がピーク温度Tからはんだ粉末の融点Tまで降下する。この領域においても、プリント配線板100の温度ははんだ粉末の融点Tより高い温度を維持しているため、はんだ粉末は液相状態が続くが、はんだと熱硬化性樹脂は分離されている。そのため、熱硬化性樹脂の架橋反応とともに、剛体振り子の振動周期はCの領域より短くなる。ただし、はんだと熱硬化性樹脂の相互作用があるため、周期は次のEの領域ほど短くならない。なお、前述したようにピーク温度Tが高すぎると、はんだ粉末の融点Tまで降下するのに時間を要するため、剛体振り子の振動周期はより短くなる。はんだ粉末の融点Tまで降下するのに時間がかかり過ぎると、熱硬化性樹脂の硬化率が50[%]以上となるおそれがある。
続いて、Eの領域においてははんだ粉末の融点Tから冷却される。この領域においてははんだが凝固されているため、はんだと熱硬化性樹脂の相互作用が生じない。そのため、熱硬化性樹脂の架橋反応とともに、剛体振り子の振動周期はDの領域より短くなる。なお、この領域においても温度の降下に時間がかかると、剛体振り子の振動周期はより短くなる。よって降下に時間がかかり過ぎると、熱硬化性樹脂の硬化率が50[%]以上となるおそれがある。
そして、最後のFの領域において、はんだ粉末の融点T未満の温度で一定に維持することにより、熱硬化性樹脂は架橋反応が進み続けるため、剛体振り子の振動周期はEの領域より短くなる。そして、最終的には架橋反応が完了するとともに剛体振り子の振動周期はT2で一定となる。この状態においては、熱硬化性樹脂は完全な固相状態である。そのため、このときの硬化率を100[%]とした。
以上、剛体振り子型の粘弾性試験機を用いた硬化率の算出方法を説明したが、DSC等の熱分析法やナノインデンター等の装置で、与えた熱量と熱硬化性樹脂の硬化率や硬度等の関係から、硬化率を適宜定義してもよい。
次に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。実施例に先立って、まず評価方法を説明する。
(撮像モジュールの評価方法)
<熱硬化性樹脂のビッカース硬度>
まず、撮像モジュールを分解し、熱硬化性樹脂を5個取り出す。取り出した各熱硬化性樹脂のそれぞれ10箇所に対し、ビッカース硬度試験機(ミツトヨ社製、微小硬さ試験機HM-102)を使用して、試験力が0.01[N]のビッカース硬度を測定し、その測定値の平均値をビッカース硬度とした。
<はんだの粒径>
まず、撮像モジュールを分解し、はんだを2個取り出す。取り出した各はんだ1個のそれぞれ8箇所に対し、走査型電子顕微鏡(日本電子社製、JSM-5600LV)を使用して画像を取得する。画像は、はんだの接合面および接合面に垂直な面に対しそれぞれ取得する。その得られた画像を2値化して、画像処理することにより50個以上の円相当径の粒径を算出し、個数平均したものをはんだの粒径(グレインサイズ)とした。
<はんだ、空隙部の状態>
撮像モジュールを電子部品が搭載された面方向から、透過型のX線検査装置(マーストーケンソリューション社製、TUX-3200)を使用して、電子部品下のはんだの接合状態を観察し、はんだの接触の有無(電気的なショートの有無)を評価した。なおX線源は開放型のものを使用し、管電圧80[kV]、管電流200[μA]の条件で透過観察した。また、空隙部ははんだとコントラストが異なる。空隙部の割合は、上述した条件で撮像した画像を用いて、はんだの面積および空隙部の面積をそれぞれ計算することによって算出した。
<熱硬化性樹脂の接合状態>
撮像モジュールをはんだの接合面と垂直な面から目視および写真画像から外観検査を行う。また、電子部品105を引き剥がし、目視および光学顕微鏡の撮像画像から外観検査を行った。
(実施例1)
図3で説明した製造方法を用いて撮像モジュールを製造した。加熱、冷却は図4で説明した温度プロファイルを用いた。
図3(a)において、プリント配線板100には第1ランド102が形成されている。プリント配線板100の第1面1001には第1ランド102を部分的に覆うソルダーレジスト103が形成されている。ソルダーレジスト103には、実装対象の電子部品105が接続される開口が第1ランド102上に設けられており、開口により第1ランド102が露出している。
プリント配線板100は、絶縁基板101にFR-4を使用しており、外形のサイズは50.0[mm]×50.0[mm]である。また、第1ランド102の材質は銅であり、第1ランド102は直径が1.0[mm]であり、1.6[mm]ピッチでグリッド状に300個配置されている。また、ソルダーレジスト103の厚さは0.02[mm]である。
次に、図3(b)に示すように、プリント配線板100の第1ランド102を覆うように、はんだペースト104をスクリーン印刷した。スクリーン印刷には厚さ0.02[mm]の印刷版を使用した。
はんだペースト104は、熱硬化性樹脂であるビスフェノールA型のエポキシ樹脂と、これと反応する硬化剤と、はんだ粉末を含んでいる。はんだ粉末は、融点139[℃]のスズ-58ビスマスの共晶組成であり、粉末の平均粒子径は40[μm]である。はんだペースト104におけるはんだ粉末の含有量は40[vol%]であり、残部に熱硬化性樹脂および硬化剤、その他はんだ接合性を確保するためのフラックス成分が微量添加されている。
次に、図3(c)のように、不図示のマウンターを用いて、はんだペースト104が供給されたプリント配線板100の上にLGAタイプのイメージセンサを備える電子部品105を搭載した。電子部品105の底面には複数の第2ランド116が設けられており、第2ランド116は、接合されるプリント配線板100の第1ランド102と対応する位置に合わせて搭載される。電子部品105はLGAの接続用端子を、絶縁基板101に設けられた第1ランド102にはんだ接合することにより、プリント配線板100に実装されるものである。ここで、電子部品105の絶縁基板113はアルミナセラミックである。
なお、電子部品105の第2面2001の面積は900[mm]で、第2ランド116の総面積は150[mm]、有効端子数は300個とした。また、第2ランド116の最内周に囲まれた面積は180[mm]、開口の最外周に囲まれた面積は180[mm]とした。このLGAタイプの電子部品105に用いられた第2ランド116の材質はAu、Ni等のメッキ電極である。
LGAタイプの電子部品105を搭載したプリント配線板100をリフロー炉に投入し、リフロー加熱を行った(図4のA,B領域)。このときBの領域においては、昇温速度を1[℃/秒]とした。
さらに、加熱を続けて、プリント配線板100の温度がはんだ粉末の融点Tより高い160[℃](はんだ粉末の融点Tの1.15倍)がピーク温度Tになるように加熱し、はんだペースト104中のはんだを溶融させた。このとき、図3(d)に示すように、はんだペースト104中のはんだは溶融するとともに、凝集し、溶融した液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108にそれぞれ分離させた(図4のC領域)。このとき、Cの領域においては昇温速度を0.5[℃/秒]とした。
溶融した液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108とが分離後、プリント配線板100の温度がピーク温度Tからはんだ粉末の融点Tまで冷却させ、図3(e)に示すようにはんだを凝固させた(図4のD領域)。また、はんだを凝固させるとともに、はんだの内部には空隙部200を形成した。このとき、Dの領域においては降温速度を2[℃/秒]とした。ここでCの領域とDの領域において、熱硬化性樹脂の最大の硬化率は10[%]であった。すなわち、熱硬化性樹脂の硬化率が50[%]に達して硬化する前に、はんだの凝固が完了したことになる。
続いて、Dの領域と同じ降温速度で冷却を続け、120[℃]まで冷却した(図4のE領域)。
そして、120[℃]で温度を20分間、一定に保持し樹脂を本硬化させ、図3(f)に示すような撮像モジュール300を得た。
(実施例2)
実施例2は、加熱プロファイルが実施例1とは異なる。異なる箇所を中心に製造方法を説明する。
電子部品105をプリント配線板に載置し、リフロー加熱し、図4のA,B領域までは、実施例1と同様に行った。そのため、Bの領域においては、昇温速度を1[℃/秒]とした。
さらに、加熱を続けて、プリント配線板100の温度がはんだ粉末の融点Tより高い160[℃]がピーク温度になるように加熱し、はんだペースト104中のはんだを溶融させた。このとき、図3(d)に示すように、はんだペースト104中のはんだは溶融するとともに、凝集し、溶融した液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108にそれぞれ分離させた(図4のC領域)。このとき、Cの領域においては昇温速度を0.3[℃/秒]とした。
溶融した液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108とが分離後、プリント配線板100の温度がピーク温度Tからはんだ粉末の融点Tとなるように冷却させ、図3(e)に示すようにはんだを凝固させた(図4のD領域)。また、はんだを凝固させるとともに、はんだの内部には空隙部200を形成した。このとき、Dの領域においては降温速度を0.4[℃/秒]とした。ここでCの領域とDの領域において、熱硬化性樹脂の最大の硬化率は20[%]であった。すなわち、熱硬化性樹脂の硬化率が50[%]に達して硬化する前に、はんだの凝固が完了したことになる。
続いて、Dの領域と同じ降温速度で冷却を続け、110[℃]まで冷却した(図4のE領域)。
そして、110[℃]で温度を30分間、一定に保持し樹脂を本硬化させ、図3(f)に示すような実施例2の撮像モジュール300を得た。
(実施例1、2での撮像モジュールの評価)
<熱硬化性樹脂のビッカース硬度>
実施例1で硬化させた熱硬化性樹脂のビッカース硬度は20[Hv]であった。実施例2で硬化させた熱硬化性樹脂のビッカース硬度は17[Hv]であった。
<はんだの粒径>
実施例1のはんだの粒径は3[μm]であった。実施例2のはんだの粒径は12[μm]であった。
<はんだ、空隙部および熱硬化性樹脂の状態>
実施例1と実施例2の撮像モジュールのはんだおよび空隙部の状態を、X線透過装置で観察した。
実施例1の撮像モジュールのはんだは、5[面積%]以上25[面積%]以下の空隙部を有していた。はんだの最大長さLsは1.0[mm]であり、空隙部の最大長さLpは0.3[mm]であり、Lp/Lsは30[%]であった。また、はんだが樹脂を破って流出した様子や電子部品下ではんだが繋がっている事や電気的にショート等の異常はなかった。また、外観検査ではんだが熱硬化性樹脂に覆われて補強されていること、電子部品を引き剥がした分解後の外観検査でも電子部品下に熱硬化性樹脂が接着され補強されていることを確認した。
実施例2の撮像モジュールのはんだは、5[面積%]以上50[面積%]以下の空隙部を有していた。はんだの最大長さLsは1.0[mm]であり、空隙部の最大長さLpは0.5[mm]であり、Lp/Lsは50[%]であった。実施例2は実施例1より降温速度が遅く、はんだが溶融している時間が長かったため、空隙部が実施例1より多かった。しかし、はんだが樹脂を破って流出した様子や電子部品下ではんだが繋がっている事や電気的にショート等の異常はなかった。また、外観検査ではんだが熱硬化性樹脂に覆われて補強されていること、電子部品を引き剥がした分解後の外観検査でも電子部品下に熱硬化性樹脂が接着され補強されていることを確認した。
<その他>
なお、実施例1と実施例2の撮像モジュールとも、電子部品105には撮像素子を搭載していたが、本硬化させる工程をはんだ融点以下で行ったため熱変形量は少なく、内蔵するCMOSイメージセンサの光学性能を十分に保証できるものであった。
(比較例1)
比較例1は、加熱プロファイルが実施例1とは異なる。異なる箇所を中心に製造方法を説明する。
電子部品105をプリント配線板に載置し、リフロー加熱し、図4のA,B領域までは、実施例1と同様に行った。そのため、Bの領域においては、昇温速度を1[℃/秒]とした。
さらに、加熱を続けて、プリント配線板100の温度がはんだ粉末の融点Tより高い180[℃](はんだ粉末の融点Tの1.29倍)がピーク温度になるように加熱し、はんだペースト104中のはんだを溶融させた。このとき、図3(d)に示すように、はんだペースト104中のはんだは溶融するとともに、凝集し、液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108にそれぞれ分離させた(図4のC領域)。このとき、Cの領域においては昇温速度を0.5[℃/秒]とした。
液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108とが分離後、プリント配線板100の温度がピーク温度Tからはんだ粉末の融点Tとなるように冷却させ、図3(e)に示すようにはんだを凝固させた(図4のD領域)。このとき、Dの領域においては降温速度を0.5[℃/秒]とした。ここでCの領域とDの領域において、熱硬化性樹脂の最大の硬化率は50[%]であった。すなわち、熱硬化性樹脂の硬化率が50[%]に達してから、はんだの凝固が完了したことになる。
続いて、Dの領域と同じ降温速度で冷却を続け、110[℃]まで冷却した(図4のE領域)。
そして、110[℃]で温度を30分間、一定に保持し樹脂を本硬化させ、比較例1の撮像モジュールを得た。
(比較例2)
比較例2も、加熱プロファイルが実施例1とは異なる。異なる箇所を中心に製造方法を説明する。
電子部品105をプリント配線板に載置し、リフロー加熱し、図4のA,B領域までは、実施例1と同様に行った。そのため、Bの領域においては、昇温速度を0.5[℃/秒]とした。
さらに、加熱を続けて、プリント配線板100の温度がはんだ粉末の融点Tより高い165[℃]がピーク温度になるように加熱し、はんだペースト104中のはんだを溶融させた。このとき、図3(d)に示すように、はんだペースト104中のはんだは溶融するとともに、凝集し、溶融はんだ107と熱硬化性樹脂108にそれぞれ分離させた(図4のC領域)。このとき、Cの領域においては昇温速度を0.5[℃/秒]とした。
液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108とが分離後、プリント配線板100の温度がピーク温度Tからはんだ粉末の融点Tとなるように冷却させ、図3(e)に示すようにはんだを凝固させた(図4のD領域)。このとき、Dの領域においては降温速度を0.25[℃/秒]とした。ここでCの領域とDの領域において、熱硬化性樹脂の最大の硬化率は55[%]であった。すなわち、熱硬化性樹脂の硬化率が55[%]に達してから、はんだの凝固が完了したことになる。
続いて、Dの領域と同じ降温速度で冷却を続け、110[℃]まで冷却した(図4のE領域)。
そして、110[℃]で温度を30分間、一定に保持し樹脂を本硬化させ、比較例2の撮像モジュールを得た。
(比較例3)
比較例3も、加熱プロファイルが実施例1とは異なる。異なる箇所を中心に製造方法を説明する。
電子部品105をプリント配線板に載置し、リフロー加熱し、図4のA,B領域までは、実施例1と同様に行った。そのため、Bの領域においては、昇温速度を0.5[℃/秒]とした。
さらに、加熱を続けて、プリント配線板100の温度がはんだ粉末の融点Tより高い160[℃]がピーク温度になるように加熱し、はんだペースト104中のはんだを溶融させた。このとき、図3(d)に示すように、はんだペースト104中のはんだは溶融するとともに、凝集し、溶融はんだ107と熱硬化性樹脂108にそれぞれ分離させた(図4のC領域)。このとき、Cの領域においては昇温速度を0.5[℃/秒]とした。
液相のはんだ107と熱硬化性樹脂108とが分離後、6分間、このピーク温度160[℃]を保持した。その後、プリント配線板100の温度がピーク温度Tからはんだ粉末の融点Tとなるように冷却させ、図3(e)に示すようにはんだを凝固させた(図4のD領域)。このとき、Dの領域においては降温速度を0.5[℃/秒]とした。ここでCの領域とDの領域において、熱硬化性樹脂の最大の硬化率は70[%]であった。すなわち、熱硬化性樹脂の硬化率が70[%]に達してから、はんだの凝固が完了したことになる。
続いて、Dの領域と同じ降温速度で冷却を続け、110[℃]まで冷却した(図4のE領域)。
そして、110[℃]で温度を30分間、一定に保持し樹脂を本硬化させ、比較例3の撮像モジュールを得た。
(比較例1~3の撮像モジュールの評価)
<熱硬化性樹脂のビッカース硬度>
比較例1で硬化させた熱硬化性樹脂のビッカース硬度は16[Hv]であった。比較例2で硬化させた熱硬化性樹脂のビッカース硬度は15[Hv]であった。比較例3で硬化させた熱硬化性樹脂のビッカース硬度は14[Hv]であった。
<はんだの粒径>
比較例1のはんだの粒径は12[μm]であった。比較例2のはんだの粒径は20[μm]であった。比較例3のはんだの粒径は3[μm]であった。
<はんだ、空隙部および熱硬化性樹脂の状態>
比較例1~3の撮像モジュールのはんだおよび空隙部の状態を、X線透過装置で観察した。
比較例1の撮像モジュールのはんだの空隙部は、はんだと樹脂の界面に達していた。そのため、隣接するはんだ同士のはんだブリッジが複数個所において確認され、電気チェックによる検査においても導通不良が確認された。また、はんだの最大長さLsは1.1[mm]に対し、空隙部の最大長さLpは0.7[mm]と大きかった。50[面積%]を超える空隙部の存在も確認された。そのため落下衝撃に対する耐性は十分ではないと考えられる。
比較例2の撮像モジュールのはんだの空隙部は、はんだと樹脂の界面に達していた。そのため、隣接するはんだ同士のはんだブリッジが複数個所において確認され、電気チェックによる検査においても導通不良が確認された。また、はんだは円形ではなく異形であり、その最大長さLsは1.3[mm]であった。また、空隙部の最大長さLpは0.7[mm]と大きかった。50[面積%]を超える空隙部の存在も確認された。そのため落下衝撃に対する耐性は十分ではないと考えられる。
比較例3の撮像モジュールのはんだの空隙部は、はんだと樹脂の界面に達していた。そのため、隣接するはんだ同士のはんだブリッジが複数個所において確認され、電気チェックによる検査においても導通不良が確認された。また、はんだは円形ではなく異形であり、その最大長さLsは1.3[mm]であった。また、空隙部の最大長さLpは0.9[mm]と大きかった。50[面積%]を超える空隙部の存在も確認された。また比較例3ははんだの周囲に熱硬化性樹脂が存在していない箇所が多く確認された。そのため落下衝撃に対する耐性は十分ではないと考えられる。
(その他実施形態)
上述の実施形態では、電子機器の例として撮像装置及び画像処理用半導体装置について例示しているが、その他の電子機器、例えばメモリIC(Integrated Circuit)や電源ICなどにも適用可能である。
また、BGAやLGAの外部端子を有していれば、半導体装置以外の電子部品にも適用可能である。
また、電子機器の一例としてデジタルカメラ600を例示しているが、これに限定するものではなく、その他モバイル通信機器などのあらゆる電子機器に適用可能である。
100 プリント配線板
101 絶縁基板
102 第1ランド
103 ソルダーレジスト
104 はんだペースト
105 電子部品
116 第2ランド
107 液相のはんだ
108 硬化前の熱硬化性樹脂
109 はんだ
110 熱硬化性樹脂
111 撮像素子
200 空隙部
300 撮像モジュール
600 デジタルカメラ
611 筐体

Claims (20)

  1. 1ランドを含む複数のランドが設けられた配線板と、
    2ランドを含む複数のランドが設けられた電子部品と、
    前記第1ランドと前記第2ランドを接合し、空隙部を内包するはんだと、
    前記配線板の複数のランドの間前記電子部品の複数のランドの間と、を接合する熱硬化性樹脂と、を備えるモジュールであって、
    前記空隙部の面積は、5[面積%]以上50[面積%]以下であることを特徴とするモジュール。
  2. 前記電子部品側からX線を用いて透過観察した際に、
    前記空隙部の最大長さが、前記はんだの最大長さに対して50[%]以下の長さである請求項1に記載のモジュール。
  3. 前記空隙部の最大長さが、0.5[mm]以下である請求項2に記載のモジュール。
  4. 前記はんだの粒径が個数平均の円相当径で3[μm]以上12[μm]以下である請求項1乃至3のいずれか1項に記載のモジュール。
  5. 前記熱硬化性樹脂のビッカース硬度が17[Hv]以上である請求項1乃至4のいずれか1項に記載のモジュール。
  6. 前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である請求項1乃至5のいずれか1項に記載のモジュール。
  7. 前記電子部品の複数のランドが設けられた面の面積が900[mm]以上である請求項1乃至6のいずれか1項に記載のモジュール。
  8. 前記電子部品は、撮像素子を有する請求項1乃至7のいずれか1項に記載のモジュール
  9. 前記電子部品は、LGAのパッケージである請求項1乃至8のいずれか1項に記載のモジュール
  10. 前記配線板は、リジッド基板を有する請求項1乃至9のいずれか1項に記載のモジュール
  11. 1ランドを含む複数のランドが設けられた配線板と、
    2ランドを含む複数のランドが設けられた電子部品と、
    前記第1ランドと前記第2ランドを接合するはんだと、
    前記配線板の複数のランドの間前記電子部品の複数のランドとの間と、を接合する熱硬化性樹脂と、を備えるモジュールの製造方法であって、
    前記第1ランドの上に、はんだ粉末および熱硬化性樹脂を含有するはんだペーストを載置する工程と、
    前記第2ランドが前記第1ランドの上に位置するように、前記電子部品を前記配線板の上に載置する工程と、
    前記はんだペーストを、前記はんだ粉末の融点Tより高いピーク温度Tまで加熱し、前記はんだ粉末を溶融させるとともに、前記はんだペーストから前記熱硬化性樹脂を分離する工程と、
    前記ピーク温度Tから前記はんだ粉末の融点T未満に冷却し、前記熱硬化性樹脂が硬化する前に前記はんだを凝固させ、前記はんだの内部に空隙部を形成する工程と、を備え
    前記はんだ粉末の融点T から前記ピーク温度T まで加熱する時間が、前記ピーク温度T から前記はんだ粉末の融点T まで冷却する時間より長いことを特徴とするモジュールの製造方法。
  12. 前記はんだ粉末の融点Tから前記ピーク温度Tまで加熱する時間が、前記ピーク温度Tから前記はんだ粉末の融点Tまで冷却する時間の1.3倍以上である請求項11に記載のモジュールの製造方法。
  13. 前記はんだを凝固させる工程における、前記熱硬化性樹脂の硬化率が30[%]以下である請求項11又は12に記載のモジュールの製造方法。
  14. 前記はんだを凝固させる工程における、前記熱硬化性樹脂の硬化率が10[%]以下である請求項11又は12に記載のモジュールの製造方法。
  15. 前記はんだを凝固させる工程の後に、前記はんだ粉末の融点Tより低い温度で前記熱硬化性樹脂を本硬化させる工程を備える請求項11乃至14のいずれか1項に記載のモジュールの製造方法。
  16. 前記熱硬化性樹脂を本硬化させる工程を終えた後の、前記熱硬化性樹脂の硬化率が90[%]以上である請求項15に記載のモジュールの製造方法。
  17. 筐体と、該筐体内にモジュールが設けられた電子機器であって、
    記モジュールが請求項1乃至10のいずれか1項に記載のモジュールであることを特徴とする電子機器。
  18. 前記筐体内に、配線板上にデジタルシグナルプロセッサが実装された回路板をさらに有し、
    前記モジュールが、前記回路板と電気的に接続されている請求項17に記載の電子機器
  19. 前記電子機器がカメラである請求項17又は18に記載の電子機器。
  20. 前記電子機器がモバイル通信機器である請求項17又は18に記載の電子機器
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