TW201819080A

TW201819080A - 焊接接合方法以及焊接接合裝置

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Publication number: TW201819080A
Application number: TW106125861A
Authority: TW
Inventors: 杉山和弘; 佐藤彰; 福田光樹
Original assignee: 日商萬達修查股份有限公司
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2018-06-01
Also published as: CN109937110A; JPWO2018051475A1; JP6481085B2; WO2018051475A1; TWI711506B; CN109937110B

Abstract

提供接合時間短、可容易確保接合精確度的焊接接合技術。電磁感應加熱中，當交流電流流經的線圈導線時僅金屬發熱。由於電源輸出控制容易，階段控制等複雜控制可容易且精確度高地進行。舉例而言，進行加熱控制，對於包含熱固性樹脂與焊料粒的焊料膏，在焊料粒熔融之前，軟化熱固性樹脂，而對於包含焊料粒與溶劑與助焊劑的焊料膏，在焊料粒熔融之前，蒸發溶劑，液化助焊劑。

Description

焊接接合方法以及焊接接合裝置

本發明係關於電氣製品的焊接接合技術。

電氣製品中，接線端子(wiring terminal)與接線端子之間係焊接接合。封裝半導體至電路基板時亦焊接接合。焊接接合藉由在接合對象間配置焊料後加熱焊料使其熔融而進行。加熱時，一般會使用迴焊爐(加熱爐)。

現今，大多數電氣製品中會使用樹脂。若將樹脂製品放入迴焊爐(加熱爐)中加熱，樹脂部分恐會受到熱損傷。為此，使用耐熱性高之樹脂的同時亦使用熔點相對低的焊料(低溫焊料)。

此外，影像感測器等耐熱性弱之元件的封裝亦使用低溫焊料。

儘管如此，低溫焊料(例如，SnBi系焊料)的強度及韌性不足。對此，提出了以熱固性樹脂補強的技術(例如專利文獻1)。

另一方面，藉由使用雷射照射焊接接合相關的技術，可進行點上的焊接接合。藉由僅瞬間加熱接合處，周邊的樹脂部分所受到的熱損傷減少。因此，可使用熔點相對高的焊料(高溫焊料)，確保充分的強度及韌性。

【先前技術文獻】

【專利文獻】

專利文獻1：特開2010-232388號公報

若使用以熱固性樹脂補強的技術，雖可解決低溫焊料相關的問題，但由於使用迴焊爐，接合時間變長而生產力變差。一般一系列的接合作業所需的時間為5分鐘左右。另外，迴焊爐的溫度控制難。其後果為難以維持接合精確度。此外，迴焊爐使得裝置大型化。

另一方面，藉由使用雷射照射焊接接合相關的技術，雖然1個接合在瞬間即完成，但由於連續接合多個地方，結果接合時間變長而生產力變差。另外，近年來，接合對象傾向於極小型化，難以更精確地照射。其後果為難以維持接合精確度。此外，亦有助焊劑(flux)飛散或焊料粒飛散相關的問題。

本發明係解決上述問題者，其目的為提供接合時間短、可容易確保精確度的技術。

解決上述問題之本發明的接合方法，包括：在第1被接合元件與第2被接合元件之間配置焊料膏的程序；以及藉由電磁感應加熱熔融焊料膏所包含之焊料的程序。在該電磁感應加熱中控制加熱溫度以及加熱時間。

上述發明中較佳為在該電磁感應加熱中多階段地控制電磁感應加熱裝置的電源輸出量以及輸出時間。

電磁感應加熱中輸出控制容易。因此，可容易進行複雜的加熱控制。

上述發明中較佳為：該焊料膏中包含焊料粒與熱固性樹脂；在該電磁感應加熱的程序中，以不超過焊料熔融溫度的方式加熱而軟化熱固性樹脂之後，加熱至焊料熔融溫度以上以熔融焊料粒。

上述發明中較佳為：該焊料膏中包含焊料粒與溶劑與助焊劑；在該電磁感應加熱的程序中，加熱以蒸發溶劑，維持溫度以液化助焊劑、去除氧化膜，並且加熱以熔融焊料粒。

解決上述問題之本發明的接合裝置，藉由電磁感應加熱，熔融配置於第1被接合元件與第2被接合元件之間的焊料膏，以接合第1被接合元件與第2被接合元件，以及可控制該電磁感應加熱的電源輸出量以及輸出時間。

根據本發明的接合技術，可縮短接合時間並容易確保接合精確度。

2、5‧‧‧連接端子

3‧‧‧成形體

4‧‧‧可撓性板材

8‧‧‧薄膜基板

9‧‧‧LED晶片

第1圖係電磁感應的基本原理。

第2圖係關於FPC處之端子接合的說明圖(第1實施型態)。

第3圖係關於接合程序的概略說明圖(第1實施型態)。

第4圖係關於加熱控制的概念圖(第1實施型態)。

第5圖係實証實驗控制例。

第6圖係關於薄膜基板上之晶片封裝的說明圖(第2實施型態)。

第7圖係關於加熱控制的概念圖(第2實施型態)。

<裝置及原理>

根據第1圖說明電磁感應加熱的基本原理。電磁感應加熱裝置由線圈導線與電源構成。

當交流電流流經線圈導線，產生強度變化的磁力線。當在其附近放置導電物質(通常為金屬，更具體而言為接合對象)，受此變化的磁力線影響，金屬中有渦電流(eddy current)流過。由於金屬通常有電阻，當金屬中有電流流過，會產生焦耳熱，使金屬自己發熱。此現象稱為感應加熱。

電磁感應所致的發熱量Q以下列式子表示。

Q=(V²/R)×t[V=施加電壓；R=阻抗；t=時間]

電磁感應加熱中，由於僅金屬發熱，周邊的樹脂部分所受的熱損傷減少。

電磁感應加熱中，由於僅金屬發熱，可用較少能量但短時間內接合。一次接合所需的時間為數~十數秒。

電磁感應加熱中，若在一致的磁場內，由於得到預定的焦耳熱，接合精確度高。另外，若在一致的磁場內，可一次進行複數個接合。

電磁感應加熱中，容易由控制裝置進行電源輸出量以及輸出時間的控制。因此，亦可容易控制加熱溫度以及加熱時間。藉此，可容易進行如下所述的複雜操作(階段式固化 (step cure))。控制裝置亦可預先儲存加熱設定檔(profile)。

<第1實施型態>

以非耐熱FPC(可撓性印刷電路基板)上的端子接合為例進行說明。舉例而言，如第2圖所示，接合於表面及裏面形成預定圖樣之電極及接線而成的透明樹脂板材之連接端子2與可撓性板材(FPC)4之連接端子5。透明樹脂板材藉由熱成形成形於例如殼狀的成形體3。另外，形成於透明樹脂板材之電極及接線由於極細而不可目測因此省略圖示。

第3圖係關於接合程序的概略說明圖。圖示上側為剖面圖，圖示下側為平面圖。

連接端子2與連接端子5係配置為對向，並在連接端子2與連接端子5之間塗佈焊料膏(solder paste)。此時，連接端子2、2之間亦可配置焊料膏。舉例而言，於連接端子2對應位置實體印刷(solid printing)焊料膏之後配置連接端子5。

另外，透過噴嘴(nozzle)施加負載，使連接端子2與連接端子5彼此緊靠。為了使得此時FPC在噴嘴負載下不會彎曲，留意不要壓碎焊料膏所包含的焊料粒。

焊料膏中包含焊料粒與熱固性樹脂。亦可包含適當的助焊劑。焊料粒雖可為高溫焊料，但在此以低溫焊料(例如SnBi焊料)進行說明。SnBi系焊料的熔點為138℃之程度。熱固性樹脂並未特別限定為何者，在此以環氧基樹脂(epoxy resin)進行說明。

此狀態下，藉由加熱控制熔融焊料，並實現焊料接合。第4圖係關於加熱控制的概念圖。

首先，約1秒間加熱至接近焊料熔點，然後，維持該溫度約1秒(圖示A區)。熱固性樹脂透過加熱並不會隨即固化，而是先軟化並流動化。連接端子2與連接端子5之間的熱固性樹脂流動至連接端子2、2之間(圖樣之間)。此時由於未達焊料熔點，焊料粒沒有變化。

接著，約2秒間加熱至超過焊料熔點的預定溫度(例如220℃)，並維持預定溫度範圍約1秒(圖示B區)。連接端子2與連接端子5之間的焊料粒熔融，形成焊料塊。此熱能的一部分傳導至連接端子2、2之間的焊料粒，連接端子2、2之間的焊料粒藉由軟化的固化樹脂流動，並在連接端子2與連接端子5之間的焊料塊處凝聚。意即，連接端子2、2之間變得沒有焊料粒。

接著，抑制輸出的同時加熱約3秒。接合處的溫度緩緩降至接近焊料熔點(圖示C區)。熱固性樹脂膠化(gelling)並半固化。

接合處的溫度藉由結束加熱而快速下降(圖示D區)。熱固性樹脂以覆蓋接合處周圍的方式完全固化。藉此，補強接合處。

連接端子2與連接端子5之間沒有熱固性樹脂，藉由焊料接合可確實通電。

連接端子2、2之間沒有焊料粒，藉由熱固性樹脂補強的同時確實絕緣。

一系列的接合操作在約10秒內完成。

另外，第4圖所示之加熱控制為一例，數值為例示以協助理解。對應焊料的熔融特性和樹脂的硬化特性可設定適當的溫度設定檔。

發明者進行了下列實證實驗。第5圖係實證實驗中的控制例。為實證實驗進行較簡單的控制。圖中「15%」、「35%」為電源輸出的指標，數值越大則加熱程度越大。

持續輸出「15%」約3秒並使接合處之溫度為140℃之程度後，持續輸出「35%」約2秒並使接合處之溫度為230℃之程度，然後結束輸出。接合處之溫度透過自然冷卻而下降。紀錄約10秒內的溫度履歷。

發明者透過放大照片(圖示省略)確認實證實驗的結果。加熱前，藉由塗覆焊料膏，連接端子上以及圖樣間係均勻地配置焊料粒。

接著確認加熱後圖樣間的狀態。在焊接接合後，剝離接合處以進行觀察。連接端子上焊料塊確實地擴散分佈，且圖樣之間樹脂確實固化。此外，放大圖樣之間詳細地觀察。雖然圖樣之間的樹脂中稍有焊料粒殘留，但在覆蓋樹脂的狀態下，維持沒有熔融的粒狀而互相獨立。藉此，即使圖樣之間的樹脂中稍有焊料粒殘留，圖樣之間仍維持絕緣狀態。

接著評估可靠度。首先，評估關於連接阻抗值的可靠度。在複數個條件下進行高溫/低溫循環試驗環境。在任何條件下，皆沒有隨著時間而劣化。接著，評估關於剝離黏著強度的可靠度。在複數個條件下進行高溫/低溫循環試驗環境。在任何條件下，皆沒有隨著時間而劣化。另外，上述可靠度評估結果與先前技術相當。

此外，由於不包含溶劑，不會產生助焊劑飛散相關的問題。

另外，由於間接地加熱焊料粒，不會產生焊料粒飛散相關的問題。

如上所述，藉由簡單的加熱控制，確認短時間下精確度佳的焊接接合為可行的。

此外，端子的接合中亦可使用第2實施型態之包含高溫焊料的焊料膏。在接合對應處印刷焊料膏。

<第2實施型態>

如第6圖所示，以封裝LED晶片等至PET等薄膜基板上的焊接接合為例進行說明。

在薄膜基板8上之預定位置印刷焊料膏，並安裝LED晶片9。

焊料膏中包含焊料粒與溶劑與助焊劑。雖然焊料粒可使用低溫焊料，但由於在電磁感應加熱下僅金屬發熱而使得周邊的熱損傷減少，因此可使用高溫焊料(例如SnAgCu系焊料)。SnAgCu系焊料的熔點為220℃之程度。

此狀態下，藉由加熱控制熔融焊料，並實現焊料接合。第7圖係關於加熱控制的概念圖。

首先，約4秒間以大致一定的升溫速度加熱至150℃(圖示A區)。藉此蒸發溶劑。另外，助焊劑不會飛散。

接著，加熱約3秒以維持接合處的溫度於150℃之程度(圖示B區)。藉此液化助焊劑，並去除接合處的氧化膜。

此外，加熱約2秒以使峰值溫度(例如240℃)超過焊料熔點(圖示C區)。藉此熔融焊料粒。

接合處的溫度藉由結束加熱而快速下降(圖示D區)。

一系列的接合操作在約10秒內完成。藉由使用高溫焊料，不會產生強度及韌性相關的問題。

另外，由於晶片側遠離磁場，難以發熱，晶片不會熱損傷。

另外，晶片的封裝中亦可使用第1實施型態之包含低溫焊料的焊料膏。在接合對應處印刷焊料膏。

<總結>

電磁感應加熱對於材料等的限制少，並且，適用範圍廣。

電磁感應加熱，相較於使用迴焊爐的加熱和雷射加熱，具有省能源的優點。

電磁感應加熱，相較於使用迴焊爐的加熱和雷射加熱，接合時間極短，生產力佳。

電磁感應加熱，相較於使用迴焊爐的加熱和雷射加熱，極容易進行加熱控制，因此接合精確度高。

<焊接接合以外的適用>

本發明雖為焊接接合相關者，但亦可適用於焊接接合以外。舉例而言，熱固性型黏著劑固化中，可適用本發明之電磁感應加熱以及加熱控制。

具體而言，對於塑膠殼體與金屬元件成一體的成形品，在金屬元件塗覆熱固性型黏著劑，藉由電磁感應加熱使金屬元件發熱，使得熱固性型黏著劑進行反應。

另外，IC(Integrated Circuit)等使用鋁接線之天線電路的元件封裝中，連接墊之鋁墊藉由電磁感應加熱而發熱，使得導電性材料/異向性導電薄膜(ACF)/異向性導電膏(ACP)等高分子黏著劑進行反應。

因此，可容易達成省能源、短時間而生產力佳、精確度高的黏著。

Claims

一種焊接接合方法，其特徵為包括：在第1被接合元件與第2被接合元件之間配置焊料膏的程序；以及藉由電磁感應加熱熔融該焊料膏所包含之焊料的程序；其中，在該電磁感應加熱中控制加熱溫度以及加熱時間。
如申請專利範圍第1項所述之焊接接合方法，其中，在該電磁感應加熱中多階段地控制電磁感應加熱裝置的電源輸出量以及輸出時間。
如申請專利範圍第1或2項所述之焊接接合方法，其中，該焊料膏中包含焊料粒與熱固性樹脂；在該電磁感應加熱的程序中，以不超過焊料熔融溫度的方式加熱而軟化熱固性樹脂之後，加熱至焊料熔融溫度以上以熔融焊料粒。
如申請專利範圍第1或2項所述之焊接接合方法，其中，該焊料膏中包含焊料粒與溶劑與助焊劑；在該電磁感應加熱的程序中，加熱以蒸發溶劑，維持溫度以液化助焊劑、去除氧化膜，並且加熱以熔融焊料粒。
一種焊接接合裝置，其特徵為：藉由電磁感應加熱，熔融配置於第1被接合元件與第2被接合元件之間的焊料膏，以接合第1被接合元件與第2被接合元件；以及可控制該電磁感應加熱的電源輸出量以及輸出時間。