JPH04174593A - 回路基板への電子部品実装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 発明肋は、回路基板への電子部品の実装方法に関するも
のである。

〔従来技術〕

従来、回路基板に電子部品を表面実装する場合には、ま
ず回路基板のパッド上にホットガスレベラー法等により
薄い予備半田を形成し、次いで予備半田を形成した各パ
ッド毎に印刷方式により所定量のクリーム半田を塗布し
、その上に電子部品を載置した後、全体をリフロー炉等
で加熱することによりクリーム半田を溶融させてパッド
　（電子部品を実装するスルーホールを含む。以下同じ
）と電子部品のリード（電極を含む。以下同じ）とを半
田付けする、という方法がとられている。

〔課題〕

しかし最近、電子機器の軽薄短小化の要求から、電子部
品のリードピッチは０．８ｍｍ、　０．６５ｍｍ、　０
．５ｔｒ＋ｍと微細化されてきており、さらに０．３６
ｍｍ、　０．３ｍｍ、０．１５闘などの検討も進とられ
ている。クリーム半田をパッド毎に印刷する従来の実装
方法では、リードピッチが０．５１程度までは一応対応
できるものの、それ以下になると、隣合うパッド間に半
田のブリッジが発生しやすくなり、部品実装ができなく
なる。このため微細ピッチに対応できる実装方法の開発
が求められている。

また従来の実装方法では、半田付けが終了したあと、ク
リーム半田の残渣をフロンで洗浄する工程が必要である
が、このフロンの使用が環境問題になっている折から、
フロンを使用せずに洗浄できる或いは洗浄を必要としな
い半田付は方法の開発が望まれている。

〔課題の解決手段とその作用〕

本発明は、上記のような課題を解決した電子部品の実装
方法を提供するものである。

発明胡者等はさきに、回路基板のパッド配列部に、有機
酸ＰｂとＳｎ粉とを含むペースト状組成物を塗布し、加
熱することにより、パッド上に選択的にＳｎ−Ｐｂ合金
の半田層を析出させる方法を提案したく特開平１−１５
７７９６号公報）。本発明はこの方法を利用するもので
ある。

本発明により提供される一つの電子部品実装方法は、回
路基板のパッド配列部に、有機ｉｔ！ＰｂとＳｎ粉とを
含むペースト状組成物を塗布し、加熱することにより、
パッド上に選択的にＳｎ−Ｐｂ合金の予備半田を形成す
る工程、その上にさらに有機酸ｐｂとＳｎ粉とを含むペ
ースト状組成物を塗布する工程、その上に電子部品を載
置する工程、加熱によりペースト状組成物から析出する
半田によってパッドと電子部品のリードとを半田付けす
る工程からなるものである。

従来の半田付けは半田の再溶融によるものであるが、半
田の再溶融は温度を上げていくと殆ど瞬時のうちに起こ
り、半田が溶融してパッド上に広がっていく時間よりも
半田が全部溶融する時間の方が短いた約１パツド上で溶
融した半田が表面張力で盛り上がり、表面張力の限界を
越えてダレを起こす結果、微細パターンではブリッジが
発生しやすくなるのである。

かつクリーム半田中のフラックス成分は加熱されると液
状化してパッド間に流れ込む。この時、−緒に流れ込ん
だ半田粒子がパッド間で一瞬の間に溶融し、ブリッジを
起こす原因となる。

これに対し本発明は、Ｓｎ粉と有ａｗｐｂを含む高温溶
液中での、Ｓｎとｐｂのイオン化傾向の差によって起こ
るＳｎとＰｂの置換によるＰｂの系中への析出、並びに
析出したｐｂとＳｎ粉との原子レベルでの溶融によるＳ
ｎ−Ｐｂ合金化を原理とするもので、Ｓｎとｐｂの置換
反応およびＳｎｎ粉粒粒毎合金化に時間がかかるため、
従来技術の場合に比して半田析出がはるかにゆっくりと
行われる。さらに反応が高温下で行われるためパッド表
面においては、その上に析出したＳｎ−Ｐｂ合金半田は
直ちにパッドの材料であるＣｕと反応してＣｕａＳｎ、
　Ｃｕ５Ｓｎ５などの金属間化合物を形成する。これに
続いてこの金属間化合物層上に析出してきたＳｎ−Ｐｂ
合金半田がこの化合物層と化学的な結合力を有しながら
半田層を形成していく。

そして従来方法との最も大きな違いは、前記半田層の形
成に際して、従来のクリーム半田においては、前述のよ
うに各半田粒子が一瞬に、しかもすべて均一な時間で溶
融し、半田層を形成するのに対して、本発明においては
、半田としてパッド上に析出するまでの時間がバラエテ
ィ−に冨む多くの微細な半田粒子がパッド上に析出し、
しかる後近傍にあるこれら半田粒子同士が互いに拡散し
合いながら一体化してパッド上に半田層を形成する。す
なわち従来方法の場合よりも時間をかけて半田層を形成
する。

加えて、本発明の場合、仮にパッド間に半田粒子が析出
しても、それらの粒子はその組織がバラエティ−に富む
ため、従来のクリーム半田のように一瞬に溶融し一体化
し難い。

以上の点から本発明の方法によれば、パッド間にブリッ
ジを紀こし難い。

またパッドの近く又はパッドの間にあるＳｎ粉に衝突し
たｐｂは、そこでＳｎ粉レベルの大きさでＳｎ−ｐｂ金
合金形成するが、これがパッド上に析出した半田部に吸
い客せられて、パッド上に吸収される。

このようにして０．５ｍｍ以下の微細ピッチでもブリッ
ジを生じさせることなく半日付けが可能となるのである
。

なおペースト状組成物から半田を析出させる場合には、
加熱によりペースト状組成物が液状になったときに、パ
ッド配列部上にＳｎ粉が沈降した液体溜まりが生じるよ
うにし、Ｓｎ粉が液体によって覆われている状態で、半
田析出反応を進行させることが望ましい。これは、上記
ペースト状組成物は加熱されると粘度が著しく低下し、
粘度が低くなりすぎると、液体がパッド配列部近傍に大
きく広がってしまい、その結果としてＳｎ粉に対する有
機酸Ｐｂの量が不足し、十分な量の半田が得られなくな
るからである。多少の広がりは差し支えないが、Ｓｎ粉
がパッド配列部上に多く沈降し、その上を融けた液体が
覆っている状態を保つことが、比較的厚い半田層を−様
な厚さに形成するポイントである。このようにして予備
半田層を形成したら、この予備半田層上にさらに有機酸
ｐｂとＳｎ粉とを含むペースト状組成物を塗布し、続い
てその上に電子部品を載置し、加熱することによりパッ
ドと電子部品のリードとを半田付けする。

本発明により提供されるもう一つの電子部品実装方法は
、回路基板のパッド配列部に、有機酸ＰｂとＳｎ粉とを
含むペースト状組成物を塗布し、加熱することにより、
パッド上に選択的に電子部品実装に必要な量のＳｎ−Ｐ
ｂ合金の半田層を形成する工程、この半田層上または電
子部品のリード表面上の少なくとも一方にフラックスを
塗布する工程、その上に電子部品を載置する工程、加熱
により前記半田層を溶融させ、パッドと電子部品のリー
ドとを半田付けする工程からなるものである。

この方法は、半田層の形成の仕方は前述の方法と同じで
あるが、最初にパッド上に半田付けに必要な量の半田を
載せてしまい、その半田によって電子部品のリードを半
田付けしようとするもので、前述の予備半田層を形成す
るものに比して、工程短縮を図ることができる。なお、
この際にフラックスとしてノンハロゲンタイプのフラッ
クスを使用すれば、これによって半田付は後の洗浄を不
要にするか、少なくともフロン以外の洗浄剤で容易に洗
浄できる。それ故今日問題となっているフロンによるオ
ゾン層破壊防止に寄与できる。

また同じ回路基板に０．５ｍｍ以下の微細ピッチのパッ
ド配列部と、それよりピッチの粗いパッド配列部とが混
在する場合には、次のような実装方法をとることもでき
る。

まずピッチの細かいパッド配列部には、前述のような方
法で半田付けに必要な例えば数十μｍの厚さの半田層を
形成し、ピッチの粗いパッド配列部には予備半田として
５〜１０μｍ程度の半田層を形成する。この予備半田を
施したパッド配列部にはクリーム半田を印刷し、その粘
着力で電子部品を仮固定する。その後リフロー炉などに
より加熱して半田を溶融させ、半田付けを行う。一方、
半田付けに必要な数十μｍの厚さの半田を厚付けしたパ
ッド配列部にはフラックスを塗布し、その粘着力で電子
部品を仮固定し、リフロー炉などを通して半田付けを行
う。

また同じ回路基板で、パッドの面積や配列ピッチが異な
るため、個々のパッド配列部によって必要とする半田層
の厚さが大きく異なる場合があるが、この場合には、個
々のパッド配列部に必要とする厚さに応じた異なる量の
ペースト状組成物を塗布し、加熱すれば、個々のパッド
配列部に異なる厚さの半田層を形成することができる。

一方、数十μｍの厚さに形成した半田層は、場合によっ
ては図−１にその断面を示すごとく、カマボコ型となる
。このような場合、この半田層３上に電子部品のリード
を載せても、フラックスの粘着力だけでは正確に仮固定
できない。すなわちパッドとリードとの位置ずれを完全
に防止できない場合がある。なお図−１において、１は
絶縁基板、２はパッドである。

この問題を回避するには、面積やピッチの小さいパッド
上に厚い半田層、例えば数十μｍ厚の半田層を析出させ
た後、その半田層を上面から加圧し、半田層の上面を平
らにする処置を施すとよい。

なお、この際、前８己半田層の厚さや幅によっては加熱
しながら加圧する方法も有効である。このときの加熱温
度は析出した半田の組成によって異なるが、析出半田の
変形温度より２０〜４０℃低い温度領域とすることが好
ましい。また加圧力および保持時間は半田層の厚さ、面
積等により適宜選定される。このような簡単な処理で部
品の位置ズレを防止することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を説明する。

（１）請求項１の発明の実施例 有機酸Ｐｂａ６％、活性剤１８％、Ｓｎ口粉５％、粘度
調整剤１１％（重量％）を混合して、粘度２８万〜２９
万ｃｐｓ　（センチポイズ）のペースト状組成物を得た
。

このペースト状組成物を、パッドサイズ０．２６Ｘ２ｍ
ｍ、パッド配列ピッチ０．３６ｍｍ、　　２８４ビンＱ
ＦＰ搭載用のパッド配列部に、厚さ　０．５ｍｍにベタ
塗りした。その後、この回路基板を２１５℃にて２分間
加熱した。これによってパッド上に形成された予備半田
は平均９〜１０μｍ、バラツキσ＝】〜２μｍ、半田組
成はＳｎ６４〜６９重量％であり、ブリッジの発生のな
いものであった。

次にこの予備半田を施したパッド配列部上に、有機酸Ｐ
ｂ４０％、活性剤３３％、Ｓ０粉１８，４％、粘度調整
剤８．６％からなるペースト状組成物をベタ塗りし、そ
の上にリードピッチ０．３６ｍｍ、　　２８４ビンＱＦ
Ｐを仮固定した。これをリフロー炉に通し、２１５℃×
３０秒、２２０℃×２分の条件で加熱して、半田を析出
させ半田付けを行った。

その結果、ブリッジのない良好なパッドとＩＪ−ドとの
半田付は状態を得ることができた。

（２）請求項２の発明の実施例 実装する部品は次の３種である。

ＱＦＰ：リードピッチ０．６５ｍｍ　　１００ピン全体
寸法２０　Ｘ　１３ｍｍ チップ部品：全体寸法４．２Ｘ７ｍ＋ｎ５ＯＰ　：リー
ドビッテ０．８ｍｍ　　２０ビン全体寸法９ｘ３ｍｍ 使用した回路基板は、２００Ｘ２５０　ｍｍのガラスエ
ポキシ基板で、上記の部品に対応するパッドを形成した
ものである。ＱＦＰ用のパッド寸法は０．５Ｘ２１＋１
１１１．チップ部品用のパッド寸法は１．５Ｘ１．５ｍ
ｍ、ＳＯＰ用のパッド寸法は１．２Ｘ０．８ｍｍである
。

使用したペースト状組成物は、有機酸ＰＭＯ％、活性剤
３３％、Ｓｎ口粉８．４％、粘度調整剤８．６％を混合
したものである。

このペースト状組成物を１つのパッドパターンにつき０
．５〜０．９ｇの割合でベタ塗りし、次いで遠赤外線ヒ
ーターを加熱源とするりフロー炉に通して２１５℃×３
０秒、２２０℃×２分の条件で加熱し、半田を析出させ
た。その結果、Ｓｎ７４重量％、厚さ３０μｍの半田層
が形成された。

次に、この上に水溶液抵抗１０万Ω・ｃｍ以上の弱活性
フラックス（マイクロソルダー：Ｆ−４０ハリマ化成■
製）を塗布し、その上に前記部品を載置し、リフロー炉
に通して加熱し、半田を溶融させて、各部品のリードを
パッドに半田付けした。

その結果、ブリッジおよび半田ボールの発生のない半田
付は状態が得られた。また半田付けした後、洗浄を行わ
ずに、回路基板上のイオン性残渣のを無をオメガメータ
ー（米国ＫＥＮＫＯ社製　モデル６００）を用いて測定
した結果は、０１〜０，３μｇＮａＣ１／ｓｑ、　ｉｎ
で、非常に良好であった。

なおこの実施例では、従来のクリーム半田の場合とは異
なり、パッドおよびその付近に沈降したＳｎ粉の量に析
出する半田量が依存する。それ故、パッド上に析出する
半田層の厚さＨ（最大値）と、パッドの幅Ｗ（図−１参
照）との間には関連性がある。

本発明者等は種々検討した結果、図−２のように、両者
の間にはＨ＝ａＷの関連性が見出され、特にこのａが０
．０５＜　ａ　＜０．５　、好ましくは０．１≦ａ≦０
．３のとき、部品実装にとって最適な半田層を形成でき
ることを見出した。

ここで０．０５＞ａであると、析出した半田層の一部ま
たは複数箇所にくびれ（半田が著しく少ない部分）が発
生し、部品実装に必要なフィレットの形成が困難になる
。

一方ａ＞０．５の場合には、析出した半田層の一部また
は複数箇所に突起が生じ、部品実装の際、部品のリード
がこの突しに邪魔されて位置ずれを起こし易く、正確な
部品実装が行い難いという問題がある。

以下に前記関係式において０．１≦ａ≦０．３の条件を
満たす半田層を形成し、この半田層上にフラックスを塗
布して部品を実装した例を示す。

まず実装する部品としてリードピッチ０．５ｍｍ。

２８８ピンのＱＦＰと、これを搭載するものとして［Ｗ
＝２７０μｍ１長さ１ｍｍのパッドを有する回路基板を
用意した。次に、このパッド上に前述した請求項２の方
法を用いて厚さＨ−５６μｍの半田層を形成した。この
半田層の組成はＳｎが６８〜７１重量％である。

続いて、前記半田層上に表−１に示す物理特性を有する
フラックスを約５０μｍ厚にて塗布し、かつこの上に前
記２８８ピンＱＦＰの各リードを固定した。なお、この
フラックスの塗布厚は１０μｍ以上、１５０μｍ以下で
あることが好ましい。特に５０〜１００μｍが最適であ
る。

その理由は、１０μｍ以下であると均一厚に塗布するこ
とが困難であり、１５０μｍ以上であると載置した電子
部品が動き易いたとである。すなわち厚く塗布されたフ
ラックスは移動し易く、それに伴って載置した電子部品
も動き易くなる。

加えて、このフラックスには電子部品のりペア性（実装
に失敗した場合、再度実装し直すときのやり易さ）を考
慮して、ガラス転移点が６０〜６５℃の熱可塑系フラッ
クスを使用した。

表−１ しかる後、これを図−３に示す加熱条件にて加熱し、パ
ッドに部品のリードを半田付けした。なお実装した部品
のリードの幅は１８０μｍである。

このようにして半田付けしたものについて、半田部の接
合強度を調べた。この結果を表−２に示す。この表が示
すように、きわめて良好な接合結果が得られた。

表−２ ところで、本発明の請求項１の方法で電子部品を実装す
る場合、従来のクリーム半田を用いる場合より予備半田
層形成温度を低くすることが可能である。このことは特
にＰｂ１Ｊツチな高融点の半田を使用して予備半田層を
形成する場合に有意義である。

例えばプラスチックでパッケージされるタイプのＰＧＡ
　（ビングリッドアレー）やマルチチップモジュールに
おいて、パッケージ内に搭載されるＩＣチップをＰｂリ
ッチな半田で形成したバンプで前記パッケージ内の回路
に接合する場合、ＩＣチップ側にバンプを形成するより
は回路部側にバンプを形成した方が、ＩＣチップの歩留
りに影響を与えずに製造が可能になるため、製造コスト
が安価になるメリットが期待できる。しかし回路基板側
にバンプを形成する方式は、回路基板が、Ｐｂリッチな
高融点の半田層形成に耐え得るものでなければならない
ため、高耐熱性の基板材料を必要とし、トータルコスト
は高いものになってしまう。

従来のクリーム半田を用いる方式では、半田付けを行う
場合、半田の融点より３０〜６０℃温度を高くする必要
がある。これは半田を溶融させると同時に、半田とパッ
ドの銅との拡散を短時間で行わなければならないからで
ある。これに対し本発明の方法では、前記ペースト状組
成物中の有１！！！ｉ！ＰｂとＳｎ粉の組成比を適宜選
択することにより、できあがる半田層のＳｎ／Ｐｂ比の
いかんを問わず、はぼ同じ半田析出温度にて行うことが
できる。例えばＰｂｊＪッチの高融点半田の場合には、
析出し形成される半田の融点よりも、かなり低い温度で
半田層を形成することができる。かつまたその半田層を
形成する時点で、半田とパッドの材料である銅との間の
拡散により金属間化合物がすでに形成されているたｔｌ
その後、その半田層を利用して半田付けを行うときは、
従来技術である電気メツキ法等において必要とされる、
後加熱、例えばヒユージョン（Ｆｕｓｉｏｎ）などの方
法により金属間化合物を形成するためのエネルギーを必
要としない。それ故、工程短縮が可能となり、コストの
低減に役立つ。

以下、Ｐｂリッチな半田層を形成する場合の実施例を説
明する。

（１）有機酸Ｐｂ６７％、活性剤１０％、Ｓｎ粉１３％
、粘度調整剤１０％からなるペースト状組成物を銅バフ
ド上に４００〜５００μｍの厚さに塗布し、２２０℃で
２分間加熱して、半田層を形成した。この半田層の厚さ
は８〜１０μｍ、組成はＳｎ／Ｐｂ＝２／８、融点は２
９３℃であった。一方、従来のクリーム半田を使用して
前記半田層を形成する場合には、本発明の２２０℃より
もはるかに高い温度である２９３℃以上に保持した溶融
半田（Ｓｎ／Ｐｂ＝　２／８）中に基板をさらす必要が
ある。その結果、基板の信頼性が大きく損なわれる。

（２）有機酸Ｐｂ５５％、活性剤１５％、Ｓｎ粉１３％
、粘度調整剤１７％からなるペースト状組成物を銅パッ
ド上に３００〜４００μｍの厚さに塗布し、２２０℃で
２分間加熱して、半田層を形成した。この半田層の厚さ
は４〜８μｍ１組成はＳｎ／Ｐｂ＝３／７、融点は２７
８℃であった。従来のクリーム半田を使用する方法では
、この半田組成の場合３２０℃程度に加熱する必要があ
る。

なお上記ペースト状組成物の有機酸ｐｂとしてはナフテ
ンＷ！ｐｂ、ロジン酸Ｐｂ、オクチル酸Ｐｂ、オレイン
酸Ｐｂ１ステアリン１！２ｐｂなどが、活性剤としては
ロジン、有機酸、アルカノールアミン、アミン酸などが
、粘度調整剤としてはカスターワックス、セルロース粉
、ブチルカルピトール、ヘキシルカルピトール、スクア
レンなどが、それぞれ使用可能である。またＳｎ粉とし
ては粒径８０μｍ以下、好ましくは２５μｍ以下のアト
マイズ法により作られた球状粉で、酸素含有量が１５０
０ｐｐｍ以下、好ましくは１１０００ｐｐ以下のものを
使用するとよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように請求項１の発明によれば、０、５ｍ
ｍ以下の微細ピッチのパッド配列部にブリッジを発生さ
せることなく、電子部品を実装することができ、微細リ
ードピッチの電子部品の実装に大きく貢献することがで
きる。

また請求項２の発すによれば、前記請求項１の発明より
工程が短縮でき、さらに応用例としてノンハロゲンタイ
プのフラックスで電子部品の実装ができるため、フロン
による洗浄の必要がなくなり、環境問題の解決に有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

図−１は回路基板のパッド上に厚い半田層を形成した状
態の断面図、図−２はパッド幅と半田層の厚さとの関係
を示すグラフ、図−３は半田付は時の加熱条件を示すグ
ラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．回路基板のパッド配列部に、有機酸ＰｂとＳｎ粉と
   を含むペースト状組成物を塗布し、加熱することにより
   、パッド上に選択的にＳｎ−Ｐｂ合金の予備半田を形成
   する工程、前記予備半田上または電子部品のリード（電
   極を含む。以下同じ）表面上の少なくとも一方にさらに
   有機酸ＰｂとＳｎ粉とを含むペースト状組成物を塗布す
   る工程、その上に前記電子部品を載置する工程、加熱に
   よりペースト状組成物から析出する半田によってパッド
   と電子部品のリードとを半田付けする工程からなる回路
   基板への電子部品実装方法。
2. ２．回路基板のパッド配列部に、有機酸ＰｂとＳｎ粉と
   を含むペースト状組成物を塗布し、加熱することにより
   、パッド上に選択的に電子部品実装に必要な量のＳｎ−
   Ｐｂ合金の半田層を形成する工程、前記半田層上または
   電子部品のリード表面上の少なくとも一方にフラックス
   を塗布する工程、その上に前記電子部品を載置する工程
   、加熱により前記半田層を溶融させ、パッドと電子部品
   のリードとを半田付けする工程からなる回路基板への電
   子部品実装方法。
3. ３．請求項２において、前記パッドの幅をＷ、該パッド
   に形成した前記半田層の厚さをＨとしたとき、ＷとＨと
   の間の関係がＨ＝ａＷであって、０．０５＜ａ＜０．５
   、好ましくは０．１≦ａ≦０．３であることを特徴とす
   る回路基板への電子部品実装方法。