JPH04504230A - 半田付けされた物品を製造するための方法 - Google Patents
半田付けされた物品を製造するための方法Info
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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】
発明の名称
半田付けされた物品を製造するための方法1亘立l!
本発明は、金属パーツの半田付けによる接合、より詳細には、電子デバイス パ
ッケージあるいは電子デバイスチップに属する半田コートされた表面を半田コー
トされたコンタクトに接合することに関する。
技術背景
半田接合は、電子デバイス、例えば、印刷回路基板の製造において広く使用され
ている0例えば、集積回路(IC)は、典型的には、ICの入力及び出力部分に
取り付けられ、パッケージの外側に伸びるワイヤー リードを含むパッケージ内
に包囲される。ワイヤー リードの端子部分は、半田によってコートされる。I
Cパッケージが、例えば、その表面上に形成された相互接続金属パターンを持つ
印刷配線基板上に搭載される場合、この金属パターンは、ICパケットのリード
に対応する半田コートされたコンタクトを含む。
ICパッケージを搭載するためには、典型的には、融剤とバインダーの混合物内
に浮遊する半田粒子から成る半田ペーストが印刷配線基板に塗られる0次に、I
Cパッケージのリードが印刷配線基板と整合される。比較的小さな力、典型的に
は、数千ダインがリードをペーストに接触させるために全パッケージに加えられ
る。基板が、次に、この接合の所に圧力を加えることなく、炉内で半田が溶ける
温度まで加熱される。
もう一つの別の、例えば、非常に細かいピッチを持つパッケージに適用される手
順においては、印刷配線基板がリフローされ、融剤を施され、次に、加熱された
部材、例えば、水平のバーが垂直方向に下降し、例えば、リードの列を押し付け
る。このバーは、リードを加熱し、同時に、リードに比較的小さな力を加える。
表面酸化物が、通常、接合される半田コートされた領域上に存在し、またより多
くの酸化物が熱を加えた際に(接合されるピースの付近で酸素が除去、排除、あ
るいは非酸化性のガスによって置換されない限り)形成される。接合の付近内の
酸化された領域の存在の結果として、半田接合は、通常、使用には、機械的に弱
すぎ、また接合されるべき表面に融剤が塗られない限り電気的抵抗が高くなりす
ぎる。′
ただし、幾つかの用途においては、融剤の使用は極度に望ましくない。融剤は腐
食するあるいは腐食性の残留物を形成する能力を持つ0通常、塗られる融剤の量
は厳しい範囲内に保たれなければならない、これは、過多な融剤は半田のビーズ
あるいは氷柱を形成させ、これらは短絡回路の原因となり、また融剤の不足は、
脆く、多孔性の接合を形成する原因となる。
さらに、半田接合が形成された後、通常、融剤を除去することが必要になる。こ
れは、通常、グロロフルオロカーボン(chlorofluorocarbon
s 、 CF C)を使用して洗浄される。CFCは環境に対して有害であるこ
とが知られているため、この使用を削減あるいは排除することが望まれる。
CFCの使用を削減する一つの方法は、半田付は作業の際に融剤の使用を排除す
ることである。
融剤と関連するこれら問題を回避するために、酸素が排除された制御された環境
内において、融剤を使用することなく半田付けによって金属パーツを接合するた
めの様々なアプローチが試みられている0例えば、焼入かの研究者らは、例えば
、−酸化炭素あるいは水素から成る還元性の環境内において融剤を使用しない半
田付けを行なっている。
これら及び類似のアプローチは、有効であることが認められたが、還元性のガス
は可燃性あるいは毒性を持ち、従って、接合されるべきパーツを密閉された容器
内に包囲することによって周囲の環境から隔離しなければならない。
還元性雰囲気の危険及び不便さを回避するために、焼入かの研究者らは、例えば
、アルゴンあるいは窒素から成る不活性雰囲気内での融剤を使用しない半田付け
を試みている0例えば、1975年8月19日付けでH,スコアー(5choe
r)及びW、スクールゼ(5chultze)に交付された合衆国特許第3,9
00,151号は、窒素などの非酸化性雰囲気内において、アルミニウム含有ワ
ーク ピースをアルミニウム及び一つあるいは複数の追加の成分を含む亜鉛をベ
ースとする半田を使用して融剤を使用しないで半田付けするプロセスについて説
明する。1986年10月7日付けにて、R,クノール(Knoll) に交付
された合衆国特許第4,615,952号もまた不活性雰囲気内でのアルミニウ
ム ワークピースの融剤を使用しない接合のための亜鉛をベースとするアルミニ
ウム含有半田について記述する。1987年10月27日付けにてB。
ブンコクジー(Bunkoczy)らに交付された合衆国特許第4.702,9
69号は、半田にてプレコートされたアルミニウムあるいはチタンのワークピー
スを、接合されるべきこれらの表面を接近させ、これらワークピースを不活性フ
ッ化炭素雰囲気内において加熱することによって、接合する方法について記述す
る。ブンコクジ−(Bunkoczy)は、インジウム半田が使用される場合は
、融剤は不要であることを言及する。
上に言及された特許において説明される半田組成は、アルミニウムあるいはチタ
ンのワークピースを接合するためには有効であるが、ただし、これらは半導体電
子デバイスを搭載するために通常使用される半田組成とは異なる。焼入かの他の
研究者らは、電子産業に特有の半田付は作業を融剤を使用することなしに、この
作業を不活性雰囲気内で遂行することによって行なうことを試みている0例えば
、1972年12月12日付けで、L、V、タートスケジー(Tardoske
gyi )に交付された合衆国特許第3,705,457号は、融剤を使用しな
い流動半田付は技術を開示するが、この方法においては、比較的平坦なワークピ
ースの下側表面がこれをノズルによって上方向に吹き出される溶融された半田流
と接触させることによって半田コートされる。第二のノズルは、不活性ガス、例
えば、窒素流を放出するが、これは、半田流の上側表面とワークピースの下側表
面との間に流れる。同様に、1989年4月18日付けでM、S、ノウォタース
キー(Nowotarski)に交付された合衆国特許第4.821,947号
は、不活性雰囲気、例えば、窒素内で半田コートされた金属表面を形成するため
、あるいは金属表面を接合するための流動半田付は技術を開示する。この技術に
よると、接合されるべき表面が半田浴槽と接触される。
半導体チップを半田付けするための融剤を使用しない技術が、K、ミズイシ(M
izuishi)らによって、 r半導体チップのための融剤を使用しない実質
的に隙間を持たない半田付け(Fluxless and 5ubstanti
ally Voidless Solderingfor Sem1condu
ctor Chips) J、I EEE第38回要素会議議事録(IEEE
38th Component、s Conference Proceedi
ngs)、1988年5月、ページ330−334において説明されている。こ
の技術によると、空洞の半田プレフォームが半導体チップとこれが搭載されるべ
き表面との間に置かれる。
このアセンブリーが加熱される前に、これは部分的に真空にされる。加熱ステー
ジの際の半田が流れることができる間に、圧力が、例えば、大気圧に上げられ、
これによって本質的に酸化の無い溶けた半田がこのプレフォームの中央空洞内に
流される。
ワイヤー リードを持つICパッケージを搭載する目的のためには、ワイヤー
リードを半田にてプレコートし、またこれらワイヤー リードに接合されるべき
表面もプレコートすることが必要となる。さらに、この接合ステップを融剤の不
在下のみでなく、追加の半田無しで完結することが要求される。タートスケジー
及びノウォタースキーは、電子産業において伝統的な半田組成を使用して実現で
きる方法を開示するが、これらは接合領域に半田をさらに追加することなくプレ
コートされた電子要素を搭載する問題の解決は与えない、ミズイシによって説明
される技術は、明確に、半田プレフォームの使用に依存するために、これもまた
、追加の半田無しに搭載を行なう問題の解決に至らない。
1987年付けでアオヤマ(Aoyama)、オオヌキ(Onuki)、及びミ
ャケ(Miyake)に交付された日本国特許第62−81268号r無融剤半
田付け(Fluxless Soldering) Jは、ワークピースを錫−
銀合金半田の膜にてプレコートし、その後これらワークピースを融剤を使用する
ことなく、真空内で加熱し、外部から圧力を加えあるいは加えることなく、及び
これらプレコートされた表面の間に追加の半田を加えあるいは加えることなく、
これらプレコートされた表面を互いに接触させることによって接合する方法を開
示する。
重要なことは、アオヤマ(Aoyama)によって説明される全接合作業は、
(使用される場合は、圧力を加える操作も含めて)真空内で遂行されなければな
らないと言うことである。このため、このアプローチは、大きな真空システムを
必要とすると言う不便さを持つ。
従って、現在に至るまで、融剤を使用せず、電子産業において一般的な半田組成
を使用し、また真空内ではなく不活性ガスの存在下において遂行され、また追加
の半田を要求しないような、半田にてプレコートされた電子要素を搭載するため
の技術は一つも存在しない。
発明の要約
本発明では、半田、例えば、電子産業において従来から使用されている組成の半
田にてプレコートされた表面が、融剤あるいは還元ガスなし、及び追加の半田な
しに、高い信頼性で、接合できることが発見される。接合されるべき表面が互い
に接触するように運ばれ、半田を溶かす(つまり、”リフロー(ref l0W
)”する)ために加熱される。半田が溶けている間に、不活性ガスが接合される
物品上に流される。 (゛不活性ガス”とは、空気あるいは使用される半田、あ
るいは接合される金属表面と、半田付はプロセスの際に表面に加えられる温度以
下では、例えば、最大的300°Cにおいては、殆ど反応しないガスあるいはガ
ス混合物を意味する。)これに加えて、半田が溶けている間に圧縮力が接合領域
に加えられる。
例えば、表面搭載ICパッケージのための本発明の典型的なアプリケーションは
、ICパッケージ上のリードの半田コートされた部分を基板の半田コートされた
部分に接触するように運ぶステップを含む、不活性ガス、例えば、窒素あるいは
アルゴンを接合されるべきピース上に流しながら、半田がリフローしている間に
穏やかな圧力が典型的には5−15秒間加えられ、その後、この接合が冷却され
る。
図面の簡単な説明
第1図はワイヤー リードを持つ基板上のコンタクトに対して整合された一例と
してのICパッケージの略端面図であり;
第2図は本発明を実施するために使用される一例としてのアセンブリー マシー
ンの略側面図であり:そして第3図は第2図のアセンブリー マシーンのバキュ
ームチャック及び環状ノズルの略低面図である。
詳細な説明
従って、−面において、本発明は、少なくとも一つの半田コートされた金属コン
タクトを持つ電子デバイスをこれも少なくとも一つの半田コートされた金属コー
トを持つ基板上に搭載するための方法に関する。この面に関しては、本発明は、
このデバイス コンタクト及び基板コンタクトを融剤(flux)の不在下にお
いて高温に加熱するステップ;この加熱ステップの際に、デバイス コンタクト
と基板コンタクトの間に圧力を加えるステップ;この加熱及び加圧ステップの間
にデバイス コンタクトと基板コンタクト上に不活性ガスを流すステップ;及び
デバイス コンタクトと基板コンタクトを、例えば、これらコンタクトを熱源を
除去し、これらコンタクトの温度が半田の融点以下に落ちるのを待つことによっ
て受動的に冷却することによって、冷却するステップを含む、こうして加熱され
る温度は、半田を溶かすために十分であるが、ただし、電子デバイスあるいはパ
ッケージに損傷を与える程ではない温度とされる。
こうして加えられる圧力は、接合されるべき表面間の機密な接触が接合の全領域
を通じて確保されるために、また接合されるべき表面上の酸化層を突き破るのに
十分でなければならない0本発明のこの面の一つの具体的な好ましい実施態様が
以下に説明される。
第1図に示されるように、本発明の方法は、電子ICパッケージ、例えば、ガル
ウィング タイプ(gullwing−type)のパッケージ1oを印刷配線
基板20上に搭載するために簡単に応用できる。この印刷配線基板は、半田にて
プレコートされたコンタクト バッド30を含む、このパッケージは、この印刷
配線基板上の対応するコンタクトパッドに半田付けされるべきリード40を持つ
、これらリードもまた半田にてプレコートされる。
いかなる半田組成も可能であり、これは、製造要件、例えば、半田の融点がパッ
ケージ材料の熱損傷域値を超えないように十分に低いと言う要件によってのみ制
限される。
典型的な好ましい半田組成は、60/40半田であるが、これは、公称上60%
のスズ及び40%の鉛の半田を意味する。
印刷配線基板上の半田は、酸化されない半田の層が表面酸化物層の下に存在する
ことが確保されるのに十分な厚さでなければならない。従って、印刷配線基板上
の半田の厚さは、1μmよりも厚く、好ましくは、30−38μmのレンジであ
ることが要求される。
コンタクトは、接合されるべき表面をこれらの上に加熱された不活性ガスを流し
、同時に圧力を加えることによって達成される。これら熱及び圧力は、例えば、
アセンブリ マシーン、例えば、第2図のアセンブリー マシーン50を使用し
て加えられる。マシーン50は、ベース プレート60. 可動アーム70、空
圧ドライバー80. 及びアーム70の終端の所のバキューム チャック9oか
ら成る。
印刷配線基板がベース プレート60の定位置に固定される。パッケージ10が
バキューム チャック90によって可動アーム70にはり付けられる。アーム7
0は、パッケージを印刷配線基板上の所定の位置に、これらリードが対応するコ
ンタクト パッドの上に整合するように運び、次に、パッケージを印刷配線基板
上に降ろす、整合は、例えば、可動アームの移動を制御するコンピューター化さ
れたパターン認識システムによって達成される。空圧ドライバー80及びバキュ
ーム チャック90を介して、アーム70はまた接合されるべきペアの表面の間
にパッケージの上部に力を加えることによって圧力を加える。25ミル(635
μm)のピッチにて132個のリードを持つ一例としてのパッケージに加えられ
る力の実際的な量は、約7−20ボンド(30−89Nt)であり、そして、典
型的な好ましい力の量は、約7−9ボンド(30−4ONt)である、この−例
のパッケージに7ボンド(3ONt)以下の力が加えられた場合は、不十分な圧
力のために収率が落ちる。一方、20ボンド(89Nt)を超える力は、リード
に歪を与える。典を的には、この−例としてのパッケージは、約0.0228i
n’ (0,146cm2)の総コンタクト面積を持ち、こうして加えられる実
際的なレンジを通じて、コンタクト領域内の平均圧力は、約309psiから約
884psi (約214Nt/cm2から約612Nt/cm2)のレンジと
なる。この実際的な圧力レンジ内でのリード当りに加えられる平均の力は、リー
ト当)Jo、053−0.152ポンド(0,227−0,674Nt)である
。
第3図においては、バキューム チャック90が高熱ガス設備100の低部面の
中央に搭載される。バキュームチャックとノズル110の環状構成が同心円を成
す、ノズル110のマウスは、集合的に方形あるいは長方形の環を区画するが、
これは概ねパッケージからでるリードによって定義される環と一致する。ガス溜
からの加熱されたガスは、ノズル110を通って流れ出る。このガスは、例えば
、空気、あるいは不活性ガス、例えば、窒素、あるいはアルゴンである。不活性
ガスは、融剤を使用しない半田付けの目的に適する。窒素の方がアルゴンよりも
アルゴンよりも安いために好ましい。
第2図に戻り、バキューム チャック90がパッケージ上に降ろされ、当分野に
おいて周知のように、チャックがバキューム ラインを開くことによって作動さ
れる。
パッケージ10はバキューム ラインが開かれるとバキューム チャックに付着
する。パッケージがバキューム チャックを上げることによって持ち上げられ、
パッケージを持ち上げるのとほぼ同時に、ノズル110からの熱い不活性ガスの
流れが開始される。パッケージ10が印刷配線基板上のパッケージ上のリードと
対応するセットのコンタクト パッド上に位置決めされる。バキューム ライン
を開けたままで、バキューム チャックが下ろされ、パッケージが印刷配線基板
上に所定の総圧力にて押される。このガスの流れ、真空、及び圧力は、ここで”
保持期間(hold−down period)” と呼ばれる所定の期間だけ
保持される。
この保持期間が終了した時点で、バキューム ラインが閉じられ、パッケージが
バキューム チャックから解放され、熱及び圧力がバキューム チャック及び熱
ガス設備を引くことによって除去される。別の方法として、バキュームラインを
保持期間の一部のみが経過した後、例えば、15秒の保持期間の最初の5秒の後
に閉じることもできる。これは、半田が軟化あるいは溶けている間にパッケージ
を横方向により安定した位置に移動することを可能とするために有利である。
例えば、半田が80/40半田である場合は、加熱された不活性ガスの温度は、
半田を溶かすために、少なくとも約180”cでなければならない、ただし、加
熱された不活性ガスの温度は、典型的には約300°Cであるポリマー バッキ
ング材料の発火点以下であることが要求され、好ましくはまた、ポリマー パッ
ケージ材料のリード付近の領域がパッケージ材料の熱的に誘導された割れあるい
は積層の破壊が起こる温度に達することが回避できるのに十分に低いことが要求
される。これら割れ及び積層の損傷に対する域値温度は100°Cである。
従って、不活性ガスは、好ましくは、約250°Cに加熱される。この温度では
、良好なりフローが約15秒で起こる。経済的な理由によって、つまり、高いス
ルーブツトを達成するために、サイクル時間を短くすることが要求され、従って
、約15秒よりも長い保持期間を要求する実質的に250°以下の温度はあまり
好ましくない、また、非平衡加熱にて実質的に250°C以上のガス温度を非常
に短い保持期間とともに使用し、接合が半田の表面がまだ隣接する領域よりも実
質的に高い間に形成されるようにすることもできる。
加熱された不活性ガスの流速は、良好な熱伝達及び温度制御が与えられるように
調節されるべきである。流速が低く過ぎる場合は、接合領域は、加熱されたガス
によって効果的に加熱できない、一方、流速が高か過ぎる時は、流れるガス自体
が十分に加熱されず、従って、結合領域を効果的に加熱することは不可能である
。流速はまた接合領域に隣接する領域がオーバー ヒートされることを回避され
るために、また、溶けた半田が接合領域から流れさることを回避するために十分
に低い速度でなければならない、流速に対する一例としてのレンジは、40−1
00標準立方フイート/時間(SCFH)(1130−2830標準リツタ一/
時間)であり、この速度は、好ましくは、約458CFH(1270標準リツタ
一/時間)とされる。
上記の所定に決定される加えられる力は、パッケージからのリードの全てを平坦
にするのに、つまり、これらが印刷配線基板上のコンタクト パッドと100%
接触するようにするのに十分な力でなければならない0例えば、132個のリー
ドを持つガルウィング タイプ(gullwing−type )のパッケージ
が使用される場合は、こうして加えられる力は、少なくとも約9ボンド(40ニ
ユートン(N t ))なければならない、ただし、この力は、リードが非弾性
的に変形する程強くてはならない0重要なことに、これらリードを平坦にするの
に十分に強い力は、接合されるべき表面上の酸化物層を突き破るのに十分に強い
と言うことである。
刑
各々が25ミル(635μm)のピッチを持つ132個のガルウィング リード
を持つ6個のICパケットが印刷配線基板上に搭載された。加熱不活性ガスには
窒素が使用され、約255°Cの平均温度に加熱された。 (流れの方向を横断
するように平面内においては、局部的ガス温度は250−284°Cのレンジで
あった。)、流速は、458CFH(1270リツタ一/時間)とされた、8.
5ボンド(38Nt)の力が各々のパッケージに対して15秒間加えられた。リ
ードと印刷配線基板との間の接触の総面積は、約0.0226in’ (0,1
46cm” )であり、従って、コンタクト領域内の平均圧力は、約376pi
s(26ONt/cm” )であった、6個のパッケージの全ての相互接続は十
分に導電性であることが確認され、短絡したものは一つもなかった。これら6個
のパッケージを持つ印刷配線基板が75°C及び85%の相対湿度の下で温度湿
気テストされた。結果としての抵抗の平均変化は、テスト ポイント当り2ミリ
オームであった0個々のテスト ポイントは、16の相互接続及び関連する印刷
配線基板上の配線を含んだ。
相互接続の収率のテストにおいては、各々が6個のパッケージを持つ9個の基板
が上に説明されたように組み立てられた。3,456個のリード テストの内で
、一つが開いていることが発見され、99.97%の相互接続収率となった。短
絡したリードはなかった。
国際調査報告 。rT/11゜。II/、、CCJ。
国際調査報告
Claims (8)
- 1.少なくとも一つの第一の半田コートされた表面を有する第1の物品を与える ステップ; 少なくとも一つの第二の半田コートされた表面を有する第2の物品を与えるステ ップ; 融剤の不在下において、該第一と第二の半田コートされた表面が互いに接触する ように該第一と該第二の物品とを運ぶステップ; 融剤の不在下において、該第一と第二の半田コートされた表面を少なくとも該第 一及び第二の半田コートされた表面上の半田の融点まで加熱するステップ;該加 熱ステップの際に、該第一及び該第二の物品に力を加えて、これによって該第一 と第二の半田コートされた表面が互いに押し付けられるステップ;及び、該物品 を冷却することによって該複合物品を形成するステップを含む複合物品を製造す るための方法において、該方法は更に、 該加熱ステップの際に、該物品上に不活性ガスを流すステップを含むことを特徴 とする方法。
- 2.請求の範囲第1項に記載の方法において、該不活性ガスを加熱するステップ がさらに含まれ、該第一及び第二の半田コートされた表面を加熱するステップは 酸加熱された不活性ガスを該第一及び第二の半田コートされた表面上に流すステ ップを含むことを特徴とする方法。
- 3.請求の範囲第1項に記載の方法において、該加熱ステップの際に、該第一及 び第二の半田コートされた表面が300℃以上には加熱されないことを特徴とす る方法。
- 4.請求の範囲第2項に記載の方法において、該不活性ガスは窒素あるいはアル ゴンであることを特徴とする方法。
- 5.請求の範囲第2項に記載の方法において、該第一の物品は該少なくとも一つ の第一の半田コートされた表面を含む少なくとも一つの半田コートされたワイヤ ーリードを持つ電子パッケージであり;該第二の物品は該少なくとも一つの第二 の半田コートされた表面を含む少なくとも一つの半田コートされた金属コンタク トを持つベース部材であり; 該互いに接触するように運ぶステップが少なくとも一つのりードーコンタクト対 を互いに接触するように運ぶために用いられることを特徴とする方法。
- 6.請求の範囲第5項に記載の方法において、該力を加えるステップが該電子パ ケットと該ベース部材の間にリードーコンタクト対当り少なくとも約0.053 ボンド(0.227Nt)、ただし約0.152ポンド(0.674Nt)を超 えない力を加えることを特徴とする方法。
- 7.請求の範囲第5項に記載の方法において、該ワイヤー リードがガルウィン グ リード(gullwing lead)であり、該力を加えるステップが該 第一と第二の半田コートされた表面の間に少なくとも約309pis(214N t/cm2)、ただし約884pis(612Nt/cm2)を超えない平均圧 力を生成するために用いられることを特徴とする方法。
- 8.請求の範囲第5項に記載の方法において、該第一及び第二の半田コートされ た表面を加熱するステップがさらに: バキューム チャックを作動するステップ;該パッケージを該バキューム チャ ックに吸引によって付着させるステップ; 該リード上に加熱された不活性ガスを流すステップ;該リード上に加熱された不 活性ガスを流している際に、該バキューム チャックを該ベース部材に対して該 リードが該コンタクトと整合して接触し、該加熱された不活性ガスが該コンタク ト上を流れるように位置決めするステップ;及び 該バキューム チャックの作動を停止するステップを合むことを特徴とする方法 。
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