JPWO2009093335A1 - 熱容量制御材料及び部品実装方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、小さい部品としては、例えばチップ部品の他、IC、電界コンデンサ等が挙げられる。一方、大きい部品としては、例えばQFP(Quad Flat Package)及びBGA(Ball Glid Array)等が挙げられる。一般に、小さい部品は熱容量が小さいために温度が上がり易く、大きい部品は熱容量が大きいために温度が上がりにくい。
一方、リフロー工法に使用されるはんだは、鉛フリー化に伴い、鉛フリーはんだが広く採用されてきている。この鉛フリーハンダは共晶はんだと比較して一般に融点が高いため、リフロー温度も高温化の傾向にある。通常、リフロー温度は、短時間にはんだを溶融させ、接続を完了させるために、はんだ融点の10〜30℃高い温度に設定される。
このように鉛フリーはんだを使用した場合、熱容量の大きい部品を実装可能な温度まで加熱すると、熱容量の小さい電子部品は、過剰な温度上昇によって熱的な損傷を受けてしまう。一方、このような現象を回避するために加熱温度を下げた場合、上述した接合部が加熱不足によって鉛フリーはんだの濡れ不足、溶融不足及び広がり不足という現象が生じる。
本発明の目的は、熱容量が異なる複数の電子部品を基板に実装する際に、加熱によって、熱容量が小さい一部の電子部品に生じる特性劣化を抑制することにある。
本発明の課題を解決するため、本発明の第1の側面によれば、部品に塗布し、該部品の熱容量を調節する熱容量制御材料において、接着性を有する第1の樹脂と、加熱によって前記第1の樹脂を硬化させる硬化剤と、離型性を有する第2の樹脂と、を混合したことを特徴とすることを特徴とする熱容量制御材料が提供される。
本発明によれば、取り付けおよび取り外しが可能な熱容量制御材料を電子部品に装着することによって、熱容量の小さい電子部品の熱容量を一時的に増加させることが容易となる。そのため、リフロー工程の際に加熱によって生じる電子部品の特性劣化を確実に抑制することができる。
20 配線
30 はんだペースト
40 電子部品
41 リード
50 電子部品
51 リード
60 電子部品
70 熱容量制御材料
80 ディスペンサー
基板10を構成する材料としては、例えば、ガラス基材エポキシ樹脂積層板、ガラス−エポキシ、ガラス−BT(ビスマレイミドトリアジン)、ポリイミド等の有機系絶縁性樹脂が挙げられる。更に、基板10の材料としては、これら有機系絶縁性樹脂以外に、セラミック、ガラス、シリコン等の無機材料も使用可能である。これら基板10を構成する材料は、耐熱性を有する材料である。また、基板10の一方の面には、例えば銅からなる配線20が形成されている。基板10のサイズは、例えばA4サイズである。基板10の厚さは、例えば0.5〜5mmである。
はんだペースト30は、配線20と後述する電子部品40のリード41との間、配線20と後述する電子部品50のリード51との間、及び配線20と後述する電子部品60における電極61との間に形成されている。はんだペースト30は、Sn−3.0Ag−0.5Cuを主材料として含む鉛フリーはんだ粉末に加えて、ロジン、活性剤及び溶剤を含む樹脂材から構成されている。このようなはんだペースト30を使用した場合には、必要なリフロー温度が240℃程度であり、従来の共晶はんだを使用した場合と比較して35℃程度高くなっている。
電子部品40は、例えば3mm×3mm〜10mm×10mmのサイズを有する小さな部品である。電子部品40の例としては、例えば、集積回路(Integrated Circuit:IC)が形成されたチップ部品、電界コンデンサなどである。電子部品40は電極としてのリード41を備えている。電子部品40は、リード41を介して、基板10の表面に設けられた配線20上に搭載される。
電子部品40の外装は、例えばエポキシ等からなる実装封止材料によって形成されている。電界コンデンサの外装材料は、例えば金属材料によって形成されている。なお、電子部品40の外装は、ガラス、アルミニウム、銅、又は鉄から形成されていることが望ましい。
電子部品50は、電子部品40よりもやや大きめの部品であり、例えばCSP(Chip Small Package)などの半導体部品である。電子部品50は電極としてのリード51を備えている。電子部品50は、リード51を介して基板10の配線20上に搭載される。
電子部品60は、電子部品50よりもやや大きめの部品であり、例えばQFP(Quad Flat Package)、PBGA(Pin Ball Grid Array)又はFC−BGA(Flip Chip−Ball Grid Array)などの半導体部品である。電子部品60は、ピンやはんだボールからなる電極(不図示)をパッケージの底面に備えている。電子部品60は当該電極を介して基板10の配線20上に搭載される。
なお、電子部品40の熱容量は、電子部品50或いは電子部品60の熱容量と比較して小さい。基板10を一括リフロー実装する際に、電子部品40は、電子部品50及び電子部品60と比較して温度上昇が早いため、早く耐熱温度に到達する。
本実施例において、熱容量制御材料70は、(1)電子部品の外装に対して接着性を有する接着性樹脂、(2)加熱によって接着性樹脂を硬化させる硬化剤、(3)電子部品の熱容量を増加させるための接着性樹脂よりも比熱が高い無機材料を主成分とする無機フィラー、及び(4)接着性樹脂を電子部品の外装から剥がれ易くする離形性を付与するための離形性樹脂を混合した材料である。接着性樹脂は、例えばビスフェノールF型エポキシ樹脂及びナフタレン型エポキシ樹脂などを主材料として含む樹脂である。硬化剤には、例えば2、4−ジアミノ−6−[2´−メチルイミダゾリル−(1´)]−エチル−s−トリアジンが主材料として含まれる。無機フィラーは、例えばシリカ(粒径平均粒径5μm)を針状に成形したものである。また、離形性樹脂は、例えばシリコーン樹脂を主材料として含む樹脂である。ディスペンサー80の内部には熱容量制御材料70が入っている。熱容量制御材料70は、ディスペンサー80の内部から搾り出されて、電子部品40上に装着される。
図1Bに示すように、熱容量制御材料70は、電子部品40の外装に塗布圧3kgf及び塗布量50gの条件で装着される。
電子部品40の耐熱温度は、電子部品50及び電子部品60の耐熱温度と比較して低い場合もあり、高い場合もある。仮に、電子部品40の耐熱温度が電子部品50及び電子部品60の耐熱温度と略同じ場合を想定する。このような場合を想定すると、リフロー実装する際に、電子部品50及び電子部品60をはんだ付けが可能な温度まで加熱すると、熱容量の小さい電子部品40は過剰な温度上昇によって熱的な損傷を受ける可能性が高くなる。電子部品40の熱損傷は、電子部品40本来の電子部品としての機能を低下させる。一方、熱容量の小さい電子部品40の熱損傷を抑制するため、加熱温度を下げた場合、熱容量の大きな電子部品50及び電子部品60の接合部における温度がはんだペースト30の融点温度まで上昇しない。そのため、電子部品50及び電子部品60にはんだ未着という現象が生じる。そのため、一括リフローの際には、電子部品40を、熱容量の大きな電子部品50及び電子部品60のはんだ付け条件にあわせて加熱しなければならない。
この一括リフロー工程の際に、電子部品40の一方の面上に装着された熱容量制御材料70が硬化する。加熱によって基板10の周囲の温度を上昇させる、熱容量制御材料70の温度が例えば200℃以上になった時点で、熱容量制御材料70が硬化する。この200℃は、はんだ付け温度よりも低い温度である。このように、熱容量制御材料70が200℃以上になった時点で熱容量制御材料70が硬化するのは、200℃でマイクロカプセル型の硬化剤が熱容量制御材料70内に拡散し、熱容量制御材料70を硬化させるからである。以上のように、熱容量制御材料70によって電子部品40の熱容量が一時的に増加するため、電子部品40の温度上昇を抑制することが可能になる。
試料1に係る熱容量制御材料70は、接着性樹脂および硬化剤が33重量%、無機フィラーが60重量%、及び離形性樹脂が7重量%の配合比によって構成される。試料2に係る熱容量制御材料70は、接着性樹脂および硬化剤が30重量%、無機フィラーが60重量%、及び離形性樹脂が10重量%の配合比によって構成される。試料3に係る熱容量制御材料70は、接着性樹脂および硬化剤が25重量%、無機フィラーが60重量%、及び離形性樹脂が15重量%の配合比によって構成される。試料4に係る熱容量制御材料70は、接着性樹脂および硬化剤が17重量%、無機フィラーが60重量%、及び離形性樹脂が23重量%の配合比によって構成される。試料5に係る熱容量制御材料70は、接着性樹脂および硬化剤が8重量%、無機フィラーが60重量%、及び離形性樹脂が32重量%の配合比によって構成される。試料6に係る熱容量制御材料70は、接着性樹脂および硬化剤が5重量%、無機フィラーが60重量%、及び離形性樹脂が35重量%の配合比によって構成される。試料7に係る熱容量制御材料70は、接着性樹脂および硬化剤が4重量%、無機フィラーが60重量%、及び離形性樹脂が36重量%の配合比によって構成される。
最高到達温度は、不図示の熱電対を熱容量制御材料70と電子部品40との間に設置し、熱処理工程における温度変化を測定した。なお、比較例は、電子部品40上に熱容量制御材料70を装着しない状態で温度変化を測定した場合の評価結果である。
図2における表は、3mm×3mmサイズの電子部品40上に熱容量樹脂材料70を装着した後、リフロー加熱した場合について評価したものである。
塗布性能は、熱容量制御材料70を4mm×4mmの電子部品40上に塗布した後、電子部品40上における当該熱容量制御材料70の広がり量によって評価した。塗布性能評価は、開口径が2mmφのディスペンサー80を使用し、塗布圧3kgfで熱容量制御材料70を4mm×4mmの電子部品40の上に塗布することによって評価した。判定基準としては、電子部品40の表面上において、3mm×3mmの矩形領域全面に樹脂が流れずに形成された場合を○判定とした。なお、電子部品40の表面上における3mm×3mmの矩形領域全面に樹脂が流れ広がった場合には、×判定とした。
除去性能は、不図示の治具によって、例えば100gf〜1.0kgfの荷重を、硬化した熱容量制御材料70の側面に、基板10と略水平方向から加えることによって確認した。熱容量制御材料70は、熱容量制御材料70の残渣が発生すること無く、電子部品40上から除去されることが確認された。除去性能の判定基準は、電子部品40上から熱容量制御材料70が除去でき、且つ、電子部品40上に残渣が残らない場合を○判定とした。それ以外の場合、例えば、電子部品40上から熱容量制御材料70を除去できなかった場合、或いは、電子部品40上に残渣が残った場合を×判定とした。なお、熱容量制御材料70が除去性能の判定基準を満たす場合、熱容量制御材料70は電子部品に対する離形性を有すると定義される。
測定の結果、図3に示すように、比較例における電子部品40の最高到達温度は265℃であった。一方、試料4における電子部品40の最高到達温度は245℃であった。試料11における電子部品40の最高到達温度は244℃であった。それに対して、比較例における電子部品40の最高到達温度は、265℃であった。図4に示す温度履歴から、同条件で加熱した場合の比較例に比べて、電子部品40の最高到達温度を約20℃低い温度に制御可能となることが確認できた。
また、基板上に熱容量が異なる複数の電子部品を実装する場合に、熱容量が大きい電子部品を確実に実装できるとともに、熱容量が小さい電子部品に生じる過昇温による特性劣化を抑制することが可能となる。
硬化剤としては、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2,4−ジアミノ−6−[2−メチルイミダゾール−(1)]−エチル−S−トリアジン、1−シアノエチル−2−エチル−4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4、5−ジヒドロキシメチルイミダゾールなどを用いることができる。これらの硬化剤は、接着性樹脂に添加され、200℃〜230℃に加熱した場合に、接着性樹脂に対して5秒以上30秒以下で硬化する性質を付与するものである。
また、硬化剤の添加量は9重量%〜29重量%の範囲内であることが好ましい。硬化剤の添加量が9重量%のときにはエポキシ樹脂が91重量%であり、硬化剤の添加量が29重量%のときにはエポキシ樹脂が71重量%である。すなわち、硬化剤の添加量およびエポキシ樹脂の添加量は、エポキシ樹脂が91重量%〜71重量%の添加量を有していて、そのときに、硬化剤の添加量は9重量%〜29重量%の範囲内であることが好ましい。このような範囲内であれば、熱容量制御材料が短時間で硬化するとともに、その粘度が上昇することを防止できる。また、本実施例では、硬化剤をマイクロカプセル型とする。当該マイクロカプセルは、例えばポリウレタン系の材料からなる。このように、硬化剤をマイクロカプセルによって内包することによって、低い温度で硬化せず、所定の温度以上で硬化するようにできる。ポリウレタン系の材料は、約200℃〜230℃の融点を有する。したがって、熱容量制御材料は、約200℃以下の温度では硬化せず、200℃以上になったときに硬化する。このとき、マイクロカプセルを熱容量制御材料中に均一に分散させることにより、短時間での硬化が可能となる。例えば、200℃〜230℃の加熱温度において30秒以下で硬化させることが可能である。
マイクロカプセルの周囲には、接着性樹脂と離形性樹脂が存在する。そのうち、接着性樹脂は、例えばエポキシを主とする成分からなる樹脂材料である。したがって、マイクロカプセルが壊れると、内包されている硬化剤とエポキシ樹脂が混じり合うことによって、化学的な吸熱反応が生じる。この吸熱反応によって、電子部品の被装着面から電子部品の熱を吸収し、熱容量制御材料の熱容量を一時的に増加させることができる。
次に、無機フィラーについて説明する。熱容量を増加させるための無機フィラーは、接着性樹脂よりも比熱が高い無機材料を主成分としていることが望ましい。無機材料としては、例えば、アルミナ、シリカ、クロミア及びチタニアからなる非導電性の金属酸化物、又は窒化アルミニウム及び窒化珪素などが用いることができる。無機フィラーはこのような無機材料で形成されているため、熱容量をより増加させることができる。
次に、離形性樹脂について説明する。熱容量制御材料を電子部品の外装から取り外しし易くする(即ち、離形性を与える)ための離形性樹脂としては、例えば、シリコーン系の樹脂を用いることができる。シリコーン材料は表面張力が低いため、熱容量制御材料の一成分としてシリコーン系の樹脂を用いることによって、上述した離形性が高めることが可能となる。なお、シリコーン系の樹脂は、例えば、市販されている種々のシリコーン材料を適宜選択して用いることができる。
電子部品に対する離型性は、硬化した熱容量制御材料の側面から、基板10と略水平方向に加重を加えることによって確認することができる。なお、ここで加える荷重は、例えば100gf〜1.0kgfの荷重であり、不図示の治具により熱容量制御材料に加えられる。熱容量制御材料の電子部品に対する離型性が高い場合、熱容量制御材料は、電子部品の被装着面に残渣を発生すること無く除去される。
本実施例における熱容量制御材料は、リフロー工程における加熱によって硬化する接着性樹脂と、リフロー後に取り外しが容易な離形性樹脂とを含む。更には、本実施例における熱容量制御材料には、これらの樹脂の他に、接着性樹脂よりも比熱が高い無機フィラーが含まれる。このような無機フィラーを含ませることによって、熱容量制御材料の熱容量をより増加させることができる。
具体的には、接着性樹脂が5重量%〜30重量%、無機フィラーが60重量%及び離形性樹脂が35重量%〜10重量%の割合で含まれていることが望ましい。また、接着性樹脂が13重量%〜18重量%、無機フィラーが60重量%〜40重量%、離形性樹脂が27重量%〜42重量%の割合で含まれていることが望ましい。また、接着性樹脂が20重量%〜40重量%、無機フィラーが70重量%〜50重量%及び離形性樹脂が10重量%の割合で含まれていることが望ましい。
ここで、熱容量制御材料中に、無機フィラーが60重量%であり、且つ、接着性樹脂が5%未満であるような配合比で含まれる場合は、熱容量制御材料の粘度が上昇してしまい、後述するディスペンサーによって、熱容量制御材料を塗布形成することが困難となる。一方、熱容量制御材料中に、無機フィラーが60重量%であり、且つ、熱容量制御材料中の接着性樹脂が30重量%よりも多いような配合比で含まれる場合は、熱容量制御材料の熱容量が不足してしまうという問題が発生する。
更には、熱容量制御材料中に、接着性樹脂が13重量%未満であり、且つ、熱容量制御材料中の無機フィラーが60重量%よりも多いような配合比で含まれる場合は、熱容量制御材料の粘度が上昇してしまい、後述するディスペンサーによって、熱容量制御材料を塗布形成することが困難となる問題が発生する。一方、熱容量制御材料中に、接着性樹脂が18重量%よりも多く、且つ、無機フィラーが40重量%未満であるような配合比で含まれる場合は、熱容量制御材料の熱容量が不足してしまうという問題が発生する。
更には、熱容量制御材料中に、接着性樹脂が20重量%未満であり、且つ、無機フィラーが70重量%よりも多くなるような配合比で含まれる場合は、熱容量制御材料の粘度が上昇してしまい、後述するディスペンサーによって、熱容量制御材料を塗布形成することが困難となるという問題が発生する。一方、熱容量制御材料中に、接着性樹脂が40重量%よりも多く、且つ、無機フィラーが50重量%未満であるような配合比で含まれる場合は、熱容量制御材料の熱容量が不足してしまうという問題が発生する。
また、鉛フリーはんだを使用した基板に本実施例を適用した場合には、当該はんだの融点温度が高いため、より効果的に、熱容量の小さい電子部品の熱損傷を抑制することができる。
Claims (13)
- 部品に塗布し、該部品の熱容量を調節する熱容量制御材料において、
接着性を有する第1の樹脂と、
加熱によって前記第1の樹脂を硬化させる硬化剤と、
離型性を有する第2の樹脂と、
を混合したことを特徴とする熱容量制御材料。 - 前記第1の樹脂よりも比熱が高い無機材料を主成分とする無機フィラーを更に有する
ことを特徴とする請求項1に記載の熱容量制御材料。 - 前記無機材料は、シリカ、アルミナ、クロミア、チタニア、窒化アルミニウム又は窒化珪素のうち少なくとも1つを含む
ことを特徴とする請求項2に記載の熱容量制御材料。 - 前記第2の樹脂がシリコーン樹脂を主成分とする材料からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の熱容量制御材料。 - 前記第1の樹脂の硬化温度は200℃以上230℃以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の熱容量制御材料。 - 前記第1の樹脂及び前記硬化剤を合わせた重量%が100重量%である場合、前記第1の樹脂及び前記硬化剤を合わせた割合が65重量%〜90重量%であり、且つ、第2の樹脂が35重量%〜10重量%の割合で含まれている
ことを特徴とする請求項1に記載の熱容量制御材料。 - 前記第1の樹脂、前記無機フィラー及び前記第2の樹脂を合わせた重量%が100重量%である場合、
前記第1の樹脂が5重量%〜30重量%、前記無機フィラーが60重量%及び前記第2の樹脂が10重量%〜35重量%の配合比である、或いは、前記第1の樹脂が13重量%〜18重量%、前記無機フィラーが60重量%〜40重量%及び前記第2の材料が27重量%〜42重量%の配合比である、或いは、前記第1の樹脂が50重量%、前記無機フィラーが70重量%〜50重量%及び第2の樹脂が10重量%の配合比である
ことを特徴とする請求項2に記載の熱容量制御材料。 - 前記第1の樹脂は、エポキシ樹脂又はフェノール樹脂からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の熱容量制御材料。 - 前記エポキシ樹脂は、ビスフェノールF型エポキシ及びナフタレン型エポキシからなる
ことを特徴とする請求項8に記載の熱容量制御材料。 - 前記硬化剤はマイクロカプセル型エポキシイミダゾールからなる
ことを特徴とする請求項1に記載の熱容量制御材料。 - はんだを介して電極を有する部品を基板上に搭載する工程と、
前記部品に対して接着性を有する第1の樹脂と、加熱によって前記第1の樹脂を硬化させる硬化剤と、離型性を有する第2の樹脂との混合物からなる熱容量制御材料を前記部品に塗布する工程と、
前記基板を熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理工程後に、前記部品上で硬化した前記熱容量制御材料を除去する除去工程と、
を有することを特徴とする部品実装方法。 - 前記熱容量制御材料は、前記第1の樹脂よりも比熱が高い無機材料を主成分とする無機フィラーを更に有することを特徴とする請求項11に記載の部品実装方法。
- 前記外装は、エポキシ樹脂材料、ガラス又は金属材料のいずれかからなることを特徴とする請求項11に記載の部品実装方法。
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