JPWO2018051475A1 - はんだ接合方法及びはんだ接合装置 - Google Patents

Abstract

接合時間が短く、容易に接合精度を確保できるはんだ接合技術を提供する。電磁誘導加熱では、コイル導線に交流電流を流すと金属のみ発熱する。電源出力制御は容易であるため、ステップ制御等の複雑な制御を容易に精度よくできる。例えば、熱硬化性樹脂とはんだ粒を含むはんだペーストに対し、はんだ粒が溶融する前に、熱硬化性樹脂を軟化させたり、はんだ粒と溶剤とフラックスとを含むはんだペーストに対し、はんだ粒が溶融する前に、溶剤を蒸発させ、フラックスを液化させたりする加熱制御をおこなう。

Description

本発明は電気製品のはんだ接合技術に関する。

電気製品において配線端子と配線端子とは、はんだ接合される。半導体を回路基板に実装する際も、はんだ接合される。ハンダ接合は、接合対象間にハンダが配置された後、ハンダが加熱され溶融することによって、行われている。加熱には、一般的には、リフロー炉（加熱炉）が用いられる。

ところで、ほとんどの電気製品には樹脂が用いられている。樹脂製品がリフロー炉（加熱炉）に入れられて加熱される場合、樹脂部分は熱損傷を受ける恐れが有る。このため、耐熱性の高い樹脂が用いられるともに、比較的融点の低いはんだ（低温はんだ）が用いられている。

また、イメージセンサなど耐熱性の弱い部品の実装にも低温はんだが用いられている。

しかしながら、低温はんだ（たとえば、SnBi系はんだ）は強度及び靭性が十分ではない。これに対し、熱硬化性樹脂で補強する技術（例えば特許文献１）が提案されている。

一方、レーザー照射はんだ接合に係る技術を用いることにより、スポットでのはんだ接合ができる。接合箇所のみを瞬時に加熱することにより、周辺の樹脂部分が熱損傷を受けるおそれは少ない。したがって、比較的融点の高いはんだ（高温はんだ）を用いることができ、充分な強度及び靭性が確保される。

特開２０１０−２３２３８８号公報

熱硬化性樹脂で補強する技術を用いれば、低温はんだに係る課題を解決できるが、リフロー炉を用いるため、接合時間が長くなり生産性が悪くなる。一般に一連の接合作業に要する時間は５分前後である。また、リフロー炉の温度制御が難しい。その結果、接合精度を維持することが難しい。さらに、リフロー炉により装置が大型化する。

一方で、レーザー照射はんだ接合に係る技術を用いることにより、１つの接合は瞬時に完了するが、多数の箇所を遂次接合するため、結果的にトータルの接合時間が長くなり生産性が悪くなる。また、近年、接合対象が極めて小型化する傾向にあり、精度よく照射することが難しい。その結果、接合精度を維持することが難しい。さらに、フラックス飛散やはんだ粒飛散に係る課題もある。

本発明は上記課題を解決するものであり、接合時間が短く、容易に精度を確保できる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の接合方法は、第１被接合部材と第２被接合部材との間にはんだペーストを配置する工程と、電磁誘導加熱によりはんだペーストに含まれるはんだを溶融する工程と、を備える。前記電磁誘導加熱では加熱温度および加熱時間を制御する。

上記発明において好ましくは、前記電磁誘導加熱では電磁誘導加熱装置の電源出力量および出力時間を多段階に制御する。

電磁誘導加熱では出力制御が容易である。したがって、複雑な加熱制御を容易にできる。

上記発明において好ましくは、前記はんだペーストには、はんだ粒と熱硬化性樹脂とが含まれ、前記電磁誘導加熱する工程では、はんだ溶融温度を超えないように加熱して熱硬化性樹脂を軟化させた後、はんだ溶融温度以上に加熱してはんだ粒を溶融する。

上記発明において好ましくは、前記はんだペーストには、はんだ粒と溶剤とフラックスとが含まれ、前記電磁誘導加熱する工程では、加熱して溶剤を蒸発させ、温度を維持して、フラックスを液化させ、酸化膜を除去し、更に加熱して、はんだ粒を溶融する。

上記課題を解決する本発明のはんだ接合装置は、第１被接合部材と第２被接合部材との間に配置されたはんだペーストを電磁誘導加熱により溶融して、第１被接合部材と第２被接合部材とを接合し、前記電磁誘導加熱の電源出力量および出力時間は制御可能である。

本発明の接合技術よれば、接合時間が短く、容易に接合精度を確保できる。

電磁誘導の基本原理 FPCでの端子接合に係る説明図（第１実施形態） 接合工程に係る概略説明図（第１実施形態） 加熱制御に係る概念図（第１実施形態） 実証実験制御例 フィルム基板でのチップ実装に係る説明図（第２実施形態） 加熱制御に係る概念図（第２実施形態）

＜装置及び原理＞

図１に基づき、電磁誘導加熱の基本原理について説明する。電磁誘導加熱装置は、コイル導線と電源とから構成される。

コイル導線に交流電流を流すと、強度の変化する磁力線が発生する。その近くに電気を通す物質（通常は金属、より具体的には接合対象）を置くとこの変化する磁力線の影響を受けて、金属の中に渦電流が流れる。金属には通常電気抵抗があるため、金属に電流が流れると、ジュール熱が発生して、金属が自己発熱する。この現象を誘導加熱という。

電磁誘導による発熱量Ｑは次の式で表される。Ｑ＝（Ｖ^２／Ｒ）×ｔ［Ｖ＝印加電圧：Ｒ＝抵抗：ｔ＝時間］

電磁誘導加熱では、金属のみ発熱するため、周辺の樹脂部分が熱損傷を受けるおそれは少ない。

電磁誘導加熱では、金属のみ発熱するため、少ないエネルギーでかつ短時間で接合できる。一回の接合に要する時間は数〜十数秒である。

電磁誘導加熱では、一様磁場内であれば、所定のジュール熱が得られるため、接合精度が高い。また、一様磁場内であれば、複数の接合が一度にできる。

電磁誘導加熱では、制御装置により電源出力量および出力時間の制御が容易である。その結果、加熱温度および加熱時間の制御も容易である。これにより、下記のような複雑な動作（ステップキュア）を容易にできる。制御装置は加熱プロファイルを予め記憶しておいてもよい。

＜第１実施形態＞
非耐熱FPC（フレキシブルプリント回路基板）での端子接合を例に説明する。たとえば、図２に示す様に、表面および裏面に所定パターンの電極および配線が形成された透明樹脂シートの接続端子２とフレキシブルシート（ＦＰＣ）４の接続端子５とを接合する。透明樹脂シートは熱成形によって、例えばケース状の成形体３に成形されている。なお、透明樹脂シートに形成された電極および配線は目視不可なほど細いため図示を省略する。

図３は接合工程に係る概略説明図である。図示上側は断面図であり、図示下側は平面図である。

接続端子２と接続端子５とが対向するように配置するとともに、接続端子２と接続端子５との間にはんだペーストを塗布する。このとき、接続端子２，２間にはんだペーストが配置されてもよい。たとえば、接続端子２対応位置にはんだペーストをベタ印刷した後に接続端子５を配置する。

さらに、ノズルにより荷重をかけ、接続端子２と接続端子５とを突き合わせる。このときのノズル荷重はFPCが反らないように、はんだペーストに含まれるはんだ粒が潰れないように留意する。

はんだペーストには、はんだ粒と熱硬化性樹脂が含まれている。適宜フラックスを含んでいてもよい。はんだ粒は高温はんだでもよいが、低温はんだ（たとえば、SnBiはんだ）として説明する。SnBi系はんだの融点は１３８℃程度である。熱硬化性樹脂は特に限定されるものではないがエポキシ樹脂として説明する。

この状態で、加熱制御によりはんだを溶融し、はんだ接合をおこなう。図４は加熱制御に係る概念図である。

まず、約１秒間、はんだ融点近くまで加熱し、さらに、約１秒間、当該温度を維持する（図示Aゾーン）。熱硬化性樹脂は加熱によりただちに硬化するのでなく、一旦軟らかくなり、流動化する。接続端子２と接続端子５との間の熱硬化性樹脂は、接続端子２，２間（パターン間）へ流動する。このとき、はんだ融点未満のため、はんだ粒に変化はない。

次に、約２秒間、はんだ融点を超えて所定温度（例えば２２０℃）まで加熱し、約１秒間、所定温度範囲を維持する（図示Bゾーン）。接続端子２と接続端子５との間のはんだ粒が溶融し、はんだ塊となる。この熱の一部は接続端子２，２間のはんだ粒に伝達され、接続端子２，２間のはんだ粒は軟化した硬化樹脂により流動し、接続端子２と接続端子５との間のはんだ塊に凝集する。すなわち、接続端子２，２間にはんだ粒はなくなる。

さらに、約３秒間、出力を抑制しながら加熱する。接合箇所の温度は緩やかにはんだ融点近くまで低下する（図示Cゾーン）。熱硬化性樹脂は、ゲル化し、半硬化する。

加熱終了により接合箇所の温度は急速に低下する（図示Dゾーン）。熱硬化性樹脂は、接合箇所周りを覆うように完全に硬化する。これにより、接合箇所を補強する。

接続端子２と接続端子５との間には熱硬化性樹脂はなく、はんだ接合により確実に通電できる。

接続端子２，２間にははんだ粒はなく、熱硬化性樹脂により補強されるとともに、確実に絶縁されている。

一連の接合作業はおよそ１０秒程度で完了する。

なお、図４に示す加熱制御は一例であり、数値は理解を補足するための例示である。はんだの溶融特性や樹脂の硬化特性に応じて、適宜、温度プロファイルを設定すれば良い。

発明者は、下記実証実験をおこなった。図５は実証実験における制御例である。実証実験のためより簡易な制御としている。図中「１５％」「３５％」は電源出力設定の指標であり、数値が大きい方がより加熱する。

出力「１５％」を約３秒間継続し接合箇所の温度を１４０℃程度とした後、出力「３５％」を約２秒間継続し接合箇所の温度を２３０℃程度とし、出力を終了した。接合箇所の温度は自然冷却により低下した。約１０秒間の温度履歴を記録した。

発明者は拡大写真（図示省略）により実証実験の結果を確認した。加熱前、はんだペースト塗付により、接続端子上およびパターン間に均等にはんだ粒が配置されていた。

次いで加熱後のパターン間の状態を確認した。はんだ接合後、接合箇所を剥離させて観察した。接続端子上では確実にはんだ塊が広がっているとともに、パターン間では樹脂が確実に硬化していた。さらに、パターン間を拡大して詳細に観察した。パターン間の樹脂にわずかはんだ粒が残っているが、樹脂に覆われ状態で、溶融せず粒形状を維持したまま独立していた。これにより、パターン間の樹脂にわずかはんだ粒が残っていても、パターン間の絶縁状態が維持される。

さらに信頼性を評価した。まず、接続抵抗値に係る信頼性を評価した。高温・低温のサイクル試験環境を複数の条件でおこなった。何れの条件においても、経時劣化は起きなかった。さらに、剥離接着強さに係る信頼性を評価した。高温・低温のサイクル試験環境を複数の条件でおこなった。何れの条件においても、経時劣化は起きなかった。なお、上記信頼性評価結果は従来技術と同等であった。

また、溶剤を含まないため、フラックス飛散に係る課題も生じない。

また、間接的にはんだ粒を加熱するため、はんだ粒飛散に係る課題も生じない。

以上のように、簡易な加熱制御により、短時間で精度のよいはんだ接合ができることを確認した。

なお、端子の接合に、第２実施形態の高温はんだを含むはんだペーストを用いてもよい。接合相当箇所にはんだペーストを印刷する。

＜第２実施形態＞
図６に示す様に、PETなどのフィルム基板上にLEDチップ等を実装するはんだ接合を例に説明する。

フィルム基板８上の所定位置にはんだペーストを印刷し、LEDチップ９をマウントする。

はんだペーストには、はんだ粒と溶剤とフラックスが含まれている。はんだ粒には低温はんだを用いてもよいが、電磁誘導加熱では金属のみ発熱するため周辺の熱損傷が少なく、高温はんだ（たとえば、SnAgCu系はんだ）を用いることができる。SnAgCu系はんだの融点は２２０℃程度である。

この状態で、加熱制御によりはんだを溶融し、はんだ接合をおこなう。図７は加熱制御に係る概念図である。

まず、約４秒間、１５０℃まで昇温速度略一定にて加熱する（図示Aゾーン）。これにより溶剤が蒸発する。また、フラックスが飛散することがない。

次いで、接合箇所の温度を１５０℃程度に維持するように約３秒加熱する（図示Bゾーン）。これによりフラックスが液化し、接合箇所の酸化膜が除去される。

更に、ピーク温度（例えば２４０℃）がはんだ融点を超えるように、約２秒間加熱する（図示Cゾーン）。これにより、はんだ粒が溶融する。

加熱終了により接合箇所の温度は急速に低下する（図示Dゾーン）。

一連の接合作業はおよそ１０数秒程度で完了する。高温はんだを用いることにより、強度及び靭性に係る問題は生じない。

また、チップ側は磁界から離れているため、発熱しにくく、チップは熱損傷しない。

なお、チップの実装に、第１実施形態の低温はんだを含むはんだペーストを用いてもよい。接合相当箇所にはんだペーストを印刷する。

＜まとめ＞
電磁誘導加熱は、材料等に制限が少なく、かつ、適用範囲が広い。

電磁誘導加熱は、リフロー炉を用いたい加熱やレーザー加熱に比べて、省エネルギーの点で優れている。

電磁誘導加熱は、リフロー炉を用いたい加熱やレーザー加熱に比べて、接合時間が極めて短く、生産性が良い。

電磁誘導加熱は、リフロー炉を用いたい加熱やレーザー加熱に比べて、加熱制御が極めて容易であり、その結果、接合精度が高い。

＜はんだ接合以外の適用＞
本願発明は、はんだ接合に係るものであるが、はんだ接合以外にも適用できる。たとえば、熱硬化型接着剤硬化に、本願電磁誘導加熱および加熱制御を適用することができる。

具体的には、プラスティック筐体と金属部品が一体になっている成型品に対し、金属部品に熱硬化型接着剤を塗付しておき、電磁誘導加熱により金属部品を発熱させ、熱硬化型接着剤を反応させる。

また、IC (Integrated Circuit)などアルミ配線を使ったアンテナ回路の部品実装において、接続パットであるアルミパットを電磁誘導加熱により発熱させ、導電性材料・異方性導電フィルム（ACF）・異方性導電ペースト（ACP）等の高分子接着剤を反応させる。

これにより、省エネルギーで、短時間で生産性よく、精度のよい接着を容易にすることができる。

２ 接続端子
３ 成形体
４ フレキシブルシート
５ 接続端子
８ フィルム基板
９ チップ

Claims (5)

1. 第１被接合部材と第２被接合部材との間にはんだペーストを配置する工程と、
   電磁誘導加熱により前記はんだペーストに含まれるはんだを溶融する工程と、
   を備え、
   前記電磁誘導加熱では加熱温度および加熱時間を制御する
   ことを特徴とするはんだ接合方法。
2. 前記電磁誘導加熱では電磁誘導加熱装置の電源出力量および出力時間を多段階に制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のはんだ接合方法。
3. 前記はんだペーストには、はんだ粒と熱硬化性樹脂とが含まれ、
   前記電磁誘導加熱する工程では、
   はんだ溶融温度を超えないように加熱して熱硬化性樹脂を軟化させた後、
   はんだ溶融温度以上に加熱してはんだ粒を溶融する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のはんだ接合方法。
4. 前記はんだペーストには、はんだ粒と溶剤とフラックスとが含まれ、
   前記電磁誘導加熱する工程では、
   加熱して溶剤を蒸発させ、
   温度を維持して、フラックスを液化させ、酸化膜を除去し、
   更に加熱して、はんだ粒を溶融する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のはんだ接合方法。
5. 第１被接合部材と第２被接合部材との間に配置されたはんだペーストを電磁誘導加熱により溶融して、第１被接合部材と第２被接合部材とを接合し、
   前記電磁誘導加熱の電源出力量および出力時間は制御可能である
   ことを特徴とするはんだ接合装置。

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