JPH0828572B2 - 非共晶ハンダを使用した基板装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、気相式ハンダ槽などを使用して面実装型
電子部品をプリント基板上に固定するようにした基板装
置、特に非共晶ハンダによって面実装型電子部品を固着
した基板装置の製造方法に関する。

［従来の技術］ ハイブリッド型IC等では、その実装密度を高めるた
め、IC基板に実装される電子部品はチップ型コンデンサ
等のように、軽薄短小化された面実装部品が使用される
傾向にある。

また、面実装部品の大きさは種々あり、同一の電子部
品であってもその大きさは、種々雑多である。

このような面実装部品を実装するには、通常リフロー
ハンダ付け装置が使用されることが多い。

これは、第４図に示すように所定のプリント基板５上
に形成された導電層6,7間にぺースト状ハンダ8,9等によ
って、面実装部品１が仮止めされ、仮止めされた状態
で、プリント基板５が赤外線リフロー炉や気相ハンダ槽
（何れも図示せず）内に搬送される。

ぺースト状ハンダ8,9としては、通常高融点のハン
ダ、例えばSn-Pb系の共晶ハンダ（その融点は、183℃）
が使用される。

赤外線リフロー炉や気相ハンダ槽内の高温雰囲気（18
3℃以上）中をプリント基板５が通過することによっ
て、ぺースト状ハンダ8,9が溶融し、その後の搬送によ
ってプリント基板５が冷却される。これで、溶融された
ハンダが固化して面実装部品１がプリント基板５上に固
着されることになる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上述したように赤外線リフロー炉や気相ハ
ンダ槽などのハンダ付け装置を使用して、面実装部品１
をプリント基板５上に実装する場合、ハンダ付け装置内
の高温雰囲気中を通過するすべての面実装部品１が常に
一様な温度で加熱されるとは限らない。

それは、実装される電子部品の形状、大きさ等は様々
であって、大きな面実装部品に隣接した小さな面実装部
品等にあっては、この大きな面実装部品による影響を受
け、近接する左右の電極部3,4間であっても、温度差が
生ずることもあるからである。

このように温度の高低差があると、ぺースト状ハンダ
8,9の溶融状態も当然相違し、このことは、温度の高い
側のぺースト状ハンダが完全に溶融しても、他方のぺー
スト状ハンダは完全には溶融しないという現象が一時的
に生ずる。

このように、一方例えば、左側ぺースト状ハンダ８が
完全溶融し、右端ぺースト状ハンダ９が不完全溶融状態
であると、完全溶融したぺースト状ハンダ８側の方が、
他方よりぺースト状ハンダ８自体の表面張力が大きくな
る。

この表面張力差は、第４図矢印で示すように両電極部
3,4での高さ方向におけるモーメント（回転モーメント
の垂直分力）の差異となって現れ、完全溶融側の電極部
３に加わるモーメントの方が、不完全溶融電極部４側に
加わるモーメントよりも、遥かに大きくなる。

これに起因して、面実装部品１が第５図に示すように
立ち上がってしまういわゆるマンハッタン現象が起き
る。

マンハッタン現象は、部品が小さくなればなるほど相
対的に部品の自重に対するハンダの表面張力が大きくな
るので、より発生しやすい状態となる。

今日の電子部品においては、実装密度の向上を目指し
ているために、部品自体を小さくする傾向にあり、従っ
て、マンハッタン現象が生じ易い条件下にある。

また、近年発達してきた気相ハンダ付け法（VPS法）
においては、特にマンハッタン現象が起き易く、大きな
問題となっている。

マンハッタン現象による接合不良は、リフローハンダ
付けの歩留り及び信頼性を著しく低下させる要因となっ
ている。

マンハッタン現象を防止し、ハンダ付不良をなくすに
は、第６図に示すように接着剤14を使用して面実装部品
１の起き上がりを防止することが考えられる。

しかし、この接着剤14を使用すると、第７図に示すよ
うに面実装部品１の載置がずれたようなときには、ずれ
た状態でハンダ付されてしまう。

これによって、他の電子部品との接触事故等を惹起す
る虞れがあり、あまり得策な解決手段とは言い難い。

接着剤を使用しなければ、仮に部品がずれて載置され
ていても面実装部品１には、第８図Ａに示すように溶融
ハンダによる水平方向のモーメント（矢印）が作用する
ため、この面実装部品１に対して、方向修正力（セルフ
アライメント）が働く。これによって、同図Ｂに示すよ
うに正規の位置に固定されることになる。

接着剤14を使用すると、この溶融ハンダによるセルフ
アライメント作用が活用できない。

そこで、この発明においては、このような面実装部品
の立ち上がり現象が生じないようにした非共晶ハンダを
使用した基板装置の製造方法を提案するものである。

［課題を解決するための手段］ 上述の問題点を解決するため、この発明においては、
面実装型電子部品をプリント基板に実装するに際して、
固相線と液相線とが一致しないようにその成分比が選定
された非共晶ハンダを使用し、この非共晶ハンダの半溶
融状態で上記面実装型電子部品を上記プリント基板に仮
接合した後、上記非共晶ハンダの完全溶融状態で上記面
実装型電子部品を上記プリント基板に固着するようにし
たことを特徴とするものである。

［作用］ 第３図に示す合金の融点図つまり状態図から明らかな
ように、共晶点ｐから外れるように合金の組成比を選択
すると、合金の固相線Laと液相線Lbとが一致しなくな
る。

例えば、組成比がＱとなるようなハンダつまり非共晶
ハンダ（この例では、二元合金）を使用した場合には、
固相線Laの温度T1と液相線Lbの温度T2とが相違する。

この非共晶ハンダを使用する場合、第１の加熱工程で
加熱温度をT1とT2の間の適当な温度Tcの雰囲気中を通過
させる。この温度雰囲気中を通過させることによって非
共晶ハンダは、液体と固体とが混在した状態となる。つ
まり、半溶融状態となる。

このとき、仮に一方の電極側の加熱温度がTc以下で、
この電極に塗布された合金ハンダが半溶融状態となって
いないときでも、マンハッタン現象は生じない。これ
は、半溶融状態では溶融ハンダによる表面張力が小さい
ので、この表面張力によっては他方の電極側を引上げる
だけの力が加わらないからである。そして、時間と共に
この電極側も半溶融状態となる。

次に、第２の加熱工程に移って、液相状態となる温度
T2以上に加熱された温度雰囲気中を通過させる。こうす
ると、非共晶ハンダが完全に溶融する。

ここで、一方の非共晶ハンダのみが先に完全溶融して
も、そのときの表面張力によってはマンハッタン現象は
生じない。それは、このときには、すでに少なくとも他
方の電極側も半溶融状態となっているからである。そし
て、時間と共に半溶融状態側のハンダも完全溶融する。

従って、歩留りのよい基板装置を提供できる。

また、このように２つの加熱工程によって非共晶ハン
ダを溶融固化すれば、マンハッタン現象の発生率をほぼ
零にできる。

［実施例］ 続いて、この発明に係る非共晶ハンダを使用した基板
装置の製造方法の一例を第１図以下を参照して詳細に説
明する。

この発明においても、第１図に示すように、プリント
基板５に形成された所定の導電層6,7上に載置された面
実装部品１がぺースト状をなす非共晶ハンダ10,11によ
って固着されて基板装置が構成される。

非共晶ハンダ10,11の固着は、後述するように加熱温
度の調節が容易な気相ハンダ槽を使用したハンダ付け装
置が使用される。

面実装部品１を接合するハンダとしては、固相線と液
相線とが一致しないようにその成分比が選定された非共
晶ハンダが使用される。

第３図に示す合金の融点図つまり状態図を参照して、
非共晶ハンダを説明する。

第３図は錫Snと鉛Pbの二元合金からなる合金ハンダの
状態図であって、ｐが共晶点を示す。

共晶点ｐは固相線Laと液相線Lbとが一致する金属組成
比を指す。共晶点ｐの金属組成比となるような合金ハン
ダは、通常共晶ハンダと言われている。この共晶ハンダ
は所定の加熱温度T1以上になると溶融する。

これに対して、共晶点ｐから外れるように合金の組成
比が選択された非共晶ハンダを使用すると、合金の固相
線Laと液相線Lbとが一致しなくなる。

例えば、組成比がＱとなるように合金を構成した場合
には、固相線Laの温度T1と液相線Lbの温度T2とが相違す
る。

従って、第１の加熱工程で加熱温度をT1とT2の間の適
当な温度Tcに設定した場合には、非共晶ハンダは、液体
と固体が混在する状態、つまり半溶融状態となる。

この半溶融状態では、面実装部品は軽く金属結合され
る。

このとき、仮に一方の電極側の加熱温度がTc以下で、
この電極に塗布された非共晶ハンダ10が半溶融状態とな
っていないときでも、マンハッタン現象は生じない。

これは、半溶融状態ではハンダ10による表面張力が小
さいので、この表面張力によっては他方の電極側を引上
げるだけの力が加わらないからである。

次に、第２の加熱工程に移って、加熱温度を液相状態
となる温度T2以上に加熱する。こうすると、非共晶ハン
ダ10が完全に溶融する。この加熱温度によって、不完全
溶融状態であった他方の電極側の非共晶ハンダ10（11）
も完全に溶融する。

ここで、一方の非共晶ハンダ10のみが先に完全溶融し
ても、そのときの表面張力によってはマンハッタン現象
は生じない。それは、このときには、すでに少なくとも
他方の電極側も半溶融状態となっていて、軽く金属結合
されているからである。

非共晶ハンダの組成は上述したスズ、鉛の他に、スズ
Sn、鉛Pb、ビスマスBi及び銀Agの四元合金を非共晶状態
にして使用してもよい。この非共晶ハンダを使用した場
合の固相線の温度T1は189℃程度であり、液相線の温度T
2は209℃程度である。

ぺースト状の非共晶ハンダ10（11）を使用して第１図
のように面実装部品１をハンダ付けすると、以下のよう
な工程を経てプリント基板５に面実装部品１が固着され
ることになる。

使用した非共晶ハンダは上述したような固相線と液相
線とに選定された四元合金（Sn-Pb-Bi-Ag）からなるハ
ンダである。ハンダ装置としては、温度コントロールの
容易な気相式ハンダ槽を使用した。

第２図はこの発明に係る基板装置の製造方法の一例を
説明するための工程図である。

まず、プリント基板５上に形成された所定の導電層6,
7上に上述した非共晶ハンダ10,11が所定量塗布され、そ
れらの上面に載置された所定の面実装部品１がこの非共
晶ハンダ10,11によって仮止めされる（第２図Ａ）。

この状態でプリント基板５が第１の加熱温度にコント
ロールされた気相式ハンダ槽内に搬送される。

第１の加熱温度は温度T1以上T2以下の適当な温度Tcで
ある。上述した非共晶ハンダ10,11を使用する場合にお
いては、気相式ハンダ槽に充填される溶剤として沸点が
190℃程度の溶剤を使用すればよい。

この加熱条件によって、ハンダ10,11が溶融し始め
る。

この場合、面実装部品１の電極部間で温度差がある
と、そのうちでも高温側が先に半溶融状態になる。第２
図Ｂはハンダ10が半溶融した状態を示している。そのた
め、電極部３側は半溶融したハンダ10により軽く接合さ
れる。

これに対して、電極部４側のハンダ11はまだ半溶融状
態とななっていない。しかし、上述したようにハンダ10
の半溶融による表面張力は極く僅かであるために、その
力で面実装部品１の片側を持ち上げられるまでには至ら
ない。従って、マンハッタン現象は生じない。

しかし、ハンダ槽を通過するまでには若干の時間を要
するので、この通過時間内には他方の電極部４側のハン
ダ11も半溶融し、電極部3,4は何れも非共晶ハンダ10,11
によって軽く接合される（第２図Ｃ）。

次に、第２の加熱工程に移る。第２の加熱工程は、雰
囲気温度が液相温度T2以上の温度に選定される。実施例
では、沸点が215℃の溶剤を使用した場合であるので、
第２の加熱温度は215℃となる。

この温度雰囲気中にある気相式ハンダ槽内を上述した
プリント基板５が搬送される。そうすると、半溶融状態
のハンダ11も溶融状態となり、電極部３は非共晶ハンダ
10によって完全に固着される（同図Ｄ）。

このとき、電極部3,4間に温度差があると、上述した
と同じ理由によって、電極部４側のハンダ11は即座には
溶融状態とはならない。しかし、第１の加熱工程によっ
て電極部４は導電層７に軽く金属接合されているから、
この場合も、マンハッタン現象は起きない。

ハンダ槽の中央部まで搬送されると、それまでの時間
経過によってハンダ11も溶融して電極部４も非共晶ハン
ダ11によって完全に固着されることになる（同図Ｅ）。

このように非共晶ハンダ10,11を使用すると共に、異
なる温度雰囲気中を搬送させることによって、マンハッ
タン現象の発生率をほぼ完全になくすことができる。

なお、上述では異なる加熱温度を得るハンダ装置とし
て、気相式のハンダ槽を使用したが、これに限らず、赤
外線リフロー炉の組合せでもよく、また気相式と赤外線
リフロー式とを組合せて使用してもよい。さらに、熱風
式、ホットプレート式など各種のリフローハンダ付け装
置を組合せて使用することができる。

二元合金若しくは多元合金で非共晶ハンダを構成した
場合、共晶点ｐを外れて組成を組めばよいので、その組
成比は特に問題とされないが、実際上は固相線と液相線
とが余り接近しない方が好ましい。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明においては、非共晶ハ
ンダを使用すると共に、面実装部品を載置したプリント
基板を異なる温度雰囲気中を搬送させることによって、
面実装部品をプリント基板に固定するようにしたもので
ある。

これによれば、第１の加熱工程において半溶融状態に
あるハンダによって面実装部品を軽く金属結合できるの
で、面実装部品のマンハッタン現象を確実に一掃できる
実益を有する。

従って、この発明はチップ化された微小面実装部品を
実装する基板装置の製造方法に適用して極めて好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る非共晶ハンダを使用した基板装
置の一例を示す要部の断面図、第２図はこの発明に係る
基板装置の製造工程を示す図、第３図はハンダの状態
図、第４図はプリント基板への実装状態を示す図、第５
図はぺースト状ハンダによるマンハッタン現象の発生を
示す図、第６図は従来の他の実装状態を示す図、第７図
はそのときの平面図、第８図はセルフアライメント効果
の説明図である。 １……面実装部品 3,4……電極部 10,11……非共晶ハンダ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】面実装型電子部品をプリント基板に実装す
   るに際して、固相線と液相線とが一致しないようにその
   成分比が選定された非共晶ハンダを使用し、 この非共晶ハンダの半溶融状態で上記面実装型電子部品
   を上記プリント基板に仮接合した後、 上記非共晶ハンダの完全溶融状態で上記面実装型電子部
   品を上記プリント基板に固着するようにしたことを特徴
   とする非共晶ハンダを使用した基板装置の製造方法。