WO2021106720A1 - 磁場溶融型はんだおよびそれを用いた接合方法 - Google Patents

磁場溶融型はんだおよびそれを用いた接合方法 Download PDF

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陽也 佐久間
健一 冨塚
吉田 久彦
賢司 金澤
聖 植村
考志 中村
西岡 将輝
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千住金属工業株式会社
国立研究開発法人産業技術総合研究所
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Definitions

  • the present invention relates to a solder that melts by the action of an alternating magnetic field and a joining method using the same.
  • Patent Document 1 discloses a solder joint containing magnetic particles. This solder joint is obtained by the following method. First, a mixture of solder material and magnetic particles is heated. As a result, a molten matrix of solder particles is formed. Subsequently, a magnetic field is applied around the molten matrix. When a magnetic field is applied, the unmelted magnetic particles align in the direction of the magnetic field. Subsequently, the molten matrix is cooled. Cooling of the molten matrix is performed during the application of the magnetic field or after the application of the magnetic field is completed. As a result, a solder joint in which magnetic particles are arranged in the solder matrix can be obtained.
  • Patent Document 2 discloses a microwave heating device.
  • This heating device generates microwaves as specific standing waves in the cavity resonator.
  • This heating device also controls the distribution state of the electric and magnetic fields in the cavity resonator to a desired state by adjusting the frequency of the microwave.
  • the heating device further conveys the object to be heated and passes it through this region.
  • the object to be heated is heated by the magnetic field component of the microwave without being affected by the electric field component of the microwave.
  • An electrode pattern in which solder is arranged is exemplified as a heating target.
  • Patent Document 1 The magnetic field is applied in Patent Document 1 because the arrangement of magnetic particles is effective in improving the mechanical properties of the solder joint. Therefore, in Patent Document 1, a magnetic field is applied after the solder material is melted. In this regard, in Patent Document 2, a magnetic field is applied to heat the object to be heated. Therefore, the technique of Patent Document 1 and that of Patent Document 2 differ depending on the purpose of use and the timing of application of the magnetic field.
  • Patent Document 2 it is possible to directly or indirectly heat and melt the solder by the action of the magnetic field component.
  • the technique of Patent Document 2 is characterized by controlling the distribution state of an electric field and a magnetic field. Therefore, it is necessary to consider from the viewpoint of "solder" to be melted.
  • An object of the present invention is to provide a novel solder capable of melting by the action of a magnetic field and a joining method using the same.
  • the present inventors have found that by adding a magnetic material to the solder material, the rate of temperature rise of the solder material when an alternating magnetic field is applied can be increased. I found it. The present inventors have also found that this effect can be obtained while suppressing the influence on the bonding function of the solder by setting the ratio of the magnetic material to the entire solder within a predetermined range. The present invention has been further studied based on these findings and has been completed.
  • the first invention is a magnetic field melting type solder that melts by the action of an alternating magnetic field, and has the following features.
  • the magnetic field melting type solder is With solder material A magnetic material having a ratio of 0.005 to 20% by mass of the magnetic field molten solder to the whole, including.
  • the second invention further has the following features in the first invention.
  • the upper limit of the ratio is 5% by mass.
  • the third invention further has the following features in the second invention.
  • the upper limit of the ratio is 0.9% by mass.
  • the fourth invention further has the following features in any one of the first to third inventions.
  • the magnetic material is a ferromagnetic material.
  • the fifth invention further has the following features in any one of the first to fourth inventions.
  • the magnetic field melting type solder is The solder layer containing the solder material and A magnetic material layer provided on the surface of the solder layer and containing the magnetic material material, and To be equipped.
  • the sixth invention further has the following features in any one of the first to fourth inventions.
  • the magnetic field melting type solder is With the solder particles containing the solder material, Magnetic particles provided inside the solder particles and containing the magnetic material, and To be equipped.
  • the seventh invention further has the following features in any one of the first to fourth inventions.
  • the magnetic field melt type solder further contains flux.
  • the eighth invention is a joining method using any one of the first to seventh inventions, the magnetic field melting type solder.
  • the joining method is The step of providing the magnetic field melting type solder between the electrode on the substrate and the electrode of the electronic component, and A step of joining an electrode on the substrate and an electrode of an electronic component by generating an alternating magnetic field around the substrate to melt the magnetic field melting type solder. To be equipped.
  • solder materials and magnetic particles generate heat due to the action of an alternating magnetic field.
  • the magnetic particles generate heat quickly due to the action of the alternating magnetic field, the surrounding solder material is heated. Therefore, the temperature rise of the solder material is promoted by the heat generated by the action of the alternating magnetic field and the heating by the surrounding magnetic particles.
  • the present invention is a magnetic field melting type solder containing a solder material and magnetic particles. Therefore, according to the present invention, the solder material can be melted in a short time.
  • the contribution of the magnetic material to the original bonding function of the solder is low, and if the proportion of the magnetic material becomes too large, the bonding function will be hindered.
  • the ratio of the magnetic material to the entire solder is 0.005 to 30% by mass. Therefore, it is possible to shorten the joining time while suppressing the influence on the joining function.
  • the magnetic field melting type solder according to the present invention can be melted by the alternating magnetic field generated around the substrate, and the electrodes on the substrate and the electrodes of the electronic components can be joined. That is, the magnetic field melting type solder can be melted in a short time by the locally generated alternating magnetic field, and the electrodes can be electrically connected to each other. Therefore, it is possible to solder-join the substrate and the electronic component while minimizing the thermal influence on the substrate and the electronic component.
  • the solder according to the present embodiment is a magnetic field melting type solder that melts by the action of an alternating magnetic field.
  • the solder according to this embodiment contains a magnetic material and a solder material as essential components.
  • the magnetic material has the property of generating heat at least due to hysteresis loss when placed in an alternating magnetic field.
  • the reason for "at least hysteresis loss" is that eddy current loss is assumed.
  • the magnetic material is a conductor, the magnetic material generates heat due to hysteresis loss and eddy current loss.
  • the magnetic material is not particularly limited. Examples of the magnetic material include one kind of metal selected from ferromagnetic metals, paramagnetic metals and diamagnetic metals.
  • Examples of the ferromagnetic metal include Ni, Co, Fe, Gd, and Tb.
  • Examples of the paramagnetic metal include Y, Mo, and Sm.
  • Examples of the diamagnetic metal include Cu, Zn, and Bi.
  • Examples of the magnetic material include alloys, oxides or nitrides containing at least one of the above-mentioned metals.
  • Examples of the ferromagnetic metal oxide include ferrite containing Fe 3 O 4 , ⁇ -Fe 2 O 3 , and Fe 3 O 4 as main components.
  • Examples of the paramagnetic metal oxide include Nd 2 O 3 , Tb 3 O 4 , and Sm 2 O 3.
  • Examples of the diamagnetic metal oxide include CoO, NiO, ⁇ -Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 and the like. Fe 3 N is exemplified as the ferromagnetic metal nitride.
  • the magnetic material preferably has ferromagnetism. Specifically, at least one selected from ferromagnetic metals, oxides and nitrides thereof, and ferromagnetic alloys, oxides and nitrides thereof is preferable as the magnetic material.
  • the ratio of the magnetic material is 0.005 to 20% by mass (wt%). This ratio is calculated based on the entire magnetic field melting type solder.
  • the reason why the upper limit value is set to 20% by mass is that if the upper limit value is larger than 20% by mass, the solder material in the molten state is less likely to agglomerate, which hinders the original joining function of the solder. From the viewpoint of suppressing the influence on the joining function, the upper limit value is preferably 5% by mass, more preferably 0.9% by mass, and further preferably 0.5% by mass.
  • solder material has the property of generating heat at least due to eddy current loss when placed in an alternating magnetic field.
  • the reason for "at least eddy current loss" is that hysteresis loss is assumed.
  • the solder material is magnetic, the solder material generates heat due to eddy current loss and hysteresis loss.
  • the solder material melts.
  • the magnetic material placed in the alternating magnetic field generates heat more quickly than the solder material and heats up. Therefore, when the solder material is placed in the same alternating magnetic field as the magnetic material, the solder material is heated by the surrounding magnetic material. That is, when the solder material and the magnetic material are placed in the same alternating magnetic field, the rate of temperature rise increases as compared with the case where the solder material is placed alone in the alternating magnetic field, and the melting point is exceeded in a short time.
  • the solder material is not particularly limited, and various solder alloys can be used.
  • Various solder alloys include binary alloys and ternary or higher multi-element alloys.
  • the binary alloy include Sn—Sb alloy, Sn—Pb alloy, Sn—Cu alloy, Sn—Ag alloy, Sn—Bi alloy, Sn—In alloy and the like.
  • the multi-element alloy one or more kinds selected from the group consisting of Sb, Bi, In, Cu, Zn, As, Ag, Cd, Fe, Ni, Co, Au, Ge and P in addition to the above-mentioned binary alloy.
  • An example is the one to which the above metal is added.
  • the solder according to this embodiment contains flux as an optional component.
  • the flux is not particularly limited, and a general flux can be used.
  • the flux includes a resin (base resin), a solvent, and various additives.
  • the resin include rosin-based resin, acrylic resin, polyester, polyethylene, polypropylene, polyamide, epoxy resin, and phenol resin.
  • the solvent include alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol and butanol, hydrocarbons such as toluene and xylene, esters such as isopropyl acetate and butyl benzoate, and glycol ethers such as ethylene glycol and hexyldiglycol.
  • various additives include activators, thixotropic agents, antioxidants, surfactants, antifoaming agents, and corrosion inhibitors.
  • the ratio of flux to the entire magnetic field melting type solder is not particularly limited.
  • the ratio of the flux is exemplified by 5 to 95% by mass.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a molded solder 10 to which the solder according to the present embodiment is applied. As shown in FIG. 1, the molded solder 10 includes a solder layer 11 and a magnetic material layer 12.
  • the solder layer 11 contains a solder material and does not contain a magnetic material.
  • the solder layer 11 is a general molded solder manufactured by a method generally known in the art.
  • the solder layer 11 may have a flux inside thereof.
  • the flux is not particularly limited, and various fluxes are used.
  • the surface of the solder layer 11 may be coated with flux.
  • the magnetic material layer 12 is provided on the surface of the solder layer 11.
  • the magnetic layer 12 contains a magnetic material and a binder, and does not contain a solder material.
  • the magnetic material layer 12 is formed by applying a mixture of a magnetic material and a binder to the surface of the solder layer 11.
  • the binder is not particularly limited as long as it prevents the magnetic material layer 12 from separating from the solder layer 11. Flux is exemplified as a binder.
  • solder ball The solder according to this embodiment is also applied to the solder ball. Solder balls are used in semiconductor packages such as BGA (ball grid array). Solder balls are manufactured by methods commonly known in the art.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the solder ball 20 to which the solder according to the present embodiment is applied.
  • the solder ball 20 contains the solder particles 21 and the magnetic particles 22.
  • the solder particles 21 include a solder material and do not contain a magnetic material.
  • the surface of the solder particles 21 may be coated with flux.
  • the flux is not particularly limited, and various fluxes are used.
  • the magnetic particles 22 are provided inside the solder particles 21. That is, the magnetic particles 22 form the core of the solder balls 20.
  • the magnetic particles 22 include a magnetic material and do not contain a solder material.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the solder paste 30 to which the solder according to the present embodiment is applied.
  • the solder paste 30 contains the solder particles 31, the magnetic particles 32, and the flux 33.
  • the solder particles 31 include a solder material and do not contain a magnetic material.
  • the magnetic particles 32 include a magnetic material and do not contain a solder material.
  • the flux 33 is added as a binder for the solder particles 31 and the magnetic particles 32.
  • the flux 33 is not particularly limited, and various fluxes are used.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a first joining method using solder according to the present embodiment.
  • the induction heating device 40 shown in FIG. 4 includes a heating coil 41, an inverter circuit 42, a control circuit 43, a conveyor 44, and a temperature sensor 45.
  • the solder according to the present embodiment is arranged between the electronic component EC and the printed circuit board PB as a "solder SD" for joining the electrodes of the electronic component EC and the electrode pattern printed on the printed circuit board PB.
  • An IC chip is exemplified as the electronic component EC.
  • the heating coil 41 is provided on the back surface of the conveyor 44.
  • the heating coil 41 heats the entire circuit board CB including the solder SD by induction heating.
  • the inverter circuit 42 receives power from an AC power supply (not shown) and supplies a high-frequency current to the heating coil 41.
  • the control circuit 43 is composed of a microcomputer.
  • the control circuit 43 controls the drive of the inverter circuit 42 based on various signals input to the control circuit 43.
  • the various signals include a drive request signal and a signal indicating the temperature around the circuit board CB.
  • the conveyor 44 conveys the circuit board CB.
  • the temperature sensor 45 detects the temperature around the circuit board CB.
  • the temperature sensor 45 may generate temperature distribution information by image processing.
  • the circuit board CB is conveyed to the position of the heating coil 41 by driving the conveyor 44.
  • the transfer of the circuit board CB is stopped at this position, and the inverter circuit 42 is driven based on the drive request signal.
  • an alternating magnetic field is generated around the circuit board CB, and the magnetic material contained in the solder SD generates heat due to the eddy current loss and the hysteresis loss.
  • the solder material contained in the solder SD is melted by the heat generated by the eddy current loss and the heating by the magnetic material. That is, the solder SD melts.
  • the drive of the inverter circuit 42 is stopped, or the circuit board CB is conveyed to the outside of the position of the heating coil 41 by re-driving the conveyor 44. After that, when the solder SD is cooled, the electrodes of the electronic component EC and the electrode patterns are electrically connected.
  • a predetermined time elapses after the temperature around the circuit board CB reaches the melting point of the solder SD.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a second joining method using solder according to the present embodiment.
  • the microwave heating device 50 shown in FIG. 5 includes a cavity resonator 51, a microwave supply device 52, a conveyor 53, a controller 54, an electromagnetic wave sensor 55, and a temperature sensor 56.
  • the solder according to the present embodiment is arranged between the electronic component EC and the printed circuit board PB, as in the example shown in FIG.
  • the cavity resonator 51 has a cylindrical internal space to which microwaves are irradiated.
  • the microwave supply device 52 generates microwaves as specific standing waves in this internal space. As a specific standing wave, a standing wave called TM110 is exemplified.
  • the conveyor 53 conveys the circuit board CB so that the circuit board CB passes through the internal space.
  • the controller 54 adjusts the frequency of the microwave emitted from the microwave supply device 52 based on various signals.
  • the various signals include a drive request signal, a signal indicating the resonance state of a standing wave generated in the internal space, and a signal indicating the temperature around the circuit board CB.
  • the electromagnetic wave sensor 55 detects the resonance state of the standing wave.
  • the temperature sensor 56 detects the temperature around the circuit board CB.
  • the temperature sensor 56 may generate temperature distribution information by image processing.
  • the controller 54 drives the microwave supply device 52 based on the drive request signal.
  • the controller 54 calculates a target value (target frequency) of the oscillation frequency of the microwave based on the signal indicating the resonance state of the standing wave, and outputs the target value (target frequency) to the microwave supply device 52.
  • target value target frequency
  • the conveyor 53 is driven and the circuit board CB is conveyed to a specific position in the cavity resonator 51.
  • the position of the central axis of the internal space is exemplified.
  • the calculation of the target frequency by the controller 54 is repeated during the transfer of the circuit board CB. By repeating the calculation of the target frequency, a region having extremely low electric field strength and high magnetic field strength is created at a specific position.
  • the alternating magnetic field generated at this position acts on the circuit board CB, and the magnetic material contained in the solder SD generates heat due to the eddy current loss and the hysteresis loss. Further, the solder material contained in the solder SD is melted by the heat generated by the eddy current loss and the heating by the magnetic material. That is, the solder SD melts.
  • the drive of the microwave supply device 52 is stopped, or the circuit board CB is conveyed to the outside of the microwave supply device 52 by re-driving the conveyor 53. After that, when the solder SD is cooled, the electrodes of the electronic component EC and the electrode patterns are electrically connected.
  • the controller 54 adjusts the microwave output based on a signal indicating the temperature around the circuit board CB. For example, the controller 54 reduces the output when the temperature around the circuit board CB reaches a predetermined temperature. As another example, the controller 54 significantly reduces the output as the temperature around the circuit board CB approaches the melting point of the solder SD.
  • Example 1 A sample paste was prepared by mixing a solder paste (manufactured by Senju Metal Industry Co., Ltd., composition: Sn-3.0Ag-0.5Cu, melting point: 217-220 ° C.) and a powder of a magnetic material in a mortar. Next, using the blade coating method, a sample Ex. Of a predetermined size (length 1 cm ⁇ width 1 cm ⁇ thickness 60 ⁇ m) was placed on a polyimide film. 1-6 was prepared. Sample Ex. The composition of 1-6 is shown in Table 1.
  • sample Ex. The polyimide film on which 1 was formed was placed at the position of the central axis of the cylindrical cavity resonator. This cavity resonator is the cavity resonator 51 described with reference to FIG. Next, a standing wave of TM110 was formed in the cavity resonator, and the sample Ex. 1 was heated. The microwave output was 160 W. Sample Ex. Using a thermo camera during microwave irradiation. The temperature T of 1 was measured, and the time required for the temperature T to reach the melting point TM of the solder material was measured. The rate of temperature rise was calculated by dividing the difference between the initial measured value of the temperature T and the melting point TM by the measured required time. Sample Ex. By the same method as in 1, sample Ex. The heating rate of 2-6 was also calculated.
  • sample Re As a sample for comparison, a sample Re. Of a size of 1 ⁇ 1 cm 3 was used using only solder paste. 1 was produced. Sample Ex. By the same method as 1-6, sample Re. The heating rate of 1 was calculated.
  • sample Re After calculating the temperature rise rate of each sample, sample Re. The evaluation was performed based on the rate of temperature rise of 1. Sample Re. A sample having a temperature rising rate faster than the temperature rising rate of 1 was evaluated as "A”, and the sample Re. A sample having a temperature rise rate slower than the temperature rise rate of 1 was evaluated as "F”. The evaluation results are shown in Table 1.
  • sample Ex. The temperature rise rates of 1-6 are all sample Re. It's faster than that of 1. From this, it was found that the temperature rise rate of the sample obtained by adding the magnetic material to the solder material was higher than that of the comparative sample.
  • sample Ex. 7-14 was prepared. Sample Ex. The composition of 7-14 is shown in Table 2. Then, sample Ex. By the same method as in 1, sample Ex. The heating rate of 7-14 was calculated. The microwave output was set to 50 W. After calculating the heating rate of each sample, the sample Re. The evaluation was performed based on the rate of temperature rise of 1. The evaluation results are shown in Table 2.
  • sample Ex. The heating rates of 15-30 were all set to sample Re. It's faster than that of 2.
  • Sample Ex. The temperature rise rates of 31-36 are all the sample Re. It's faster than that of 3. From this, it was found that the effect of increasing the temperature rising rate can be obtained regardless of the type of solder material.
  • Example 4 Using the same material as that used in Example 3, Sample Ex. Sample Ex. In which the ratio of the magnetic material was changed by the same method as in 1. 37-56 was made. Then, evaluation was performed from the viewpoint of maximum temperature and cohesiveness.
  • the maximum temperature is the maximum temperature of the sample within 5 seconds after the start of microwave irradiation. A sample having a maximum temperature equal to or higher than the melting point of the solder material was evaluated as "A”, and a sample not having the maximum temperature was evaluated as "F”.
  • the cohesiveness was evaluated by visually observing the sample after melting. A sample in which the aggregation of the solder material was judged to be at a level where there was no practical problem was evaluated as "A”. Further, the sample in which it was judged that the agglutination of the solder material was observed at a certain level or higher was evaluated as "C”, and the sample in which it was not evaluated was evaluated as "F”. The evaluation results are shown in Table 4.
  • sample Ex. The maximum temperature of 40-46, 50-56 reached the melting point within 5 seconds after the start of microwave irradiation.
  • sample Ex. The maximum temperatures of 37-39 and 47-49 did not reach the melting point within 5 seconds of starting microwave irradiation. From this, it was found that when the proportion of the magnetic material is low, the solder material is difficult to melt in a short time. Therefore, when the maximum temperature was evaluated by changing the microwave output conditions, it was also found that the maximum temperature could be adjusted to a desired value by increasing the output. Therefore, it was also found that it is desirable to adjust the microwave output according to the type and proportion of the magnetic material.
  • sample Ex. In 37-44 and 47-54 it was judged that the agglomeration of the solder material was at a level where there was no practical problem.
  • sample Ex. At 45, 46, 55, and 56 it was determined that the agglomeration of the solder material was above a certain level. From this, it was found that when the proportion of the magnetic material is 5% by mass or less, the effect of increasing the heating rate can be obtained while suppressing the influence on the original bonding function of the solder.

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Abstract

交流磁場の作用により溶融する磁場溶融型はんだが提供される。磁場溶融型はんだは、はんだ材料と、磁場溶融型はんだの全体に対する割合が0.005~20質量%の磁性体材料と、を含む。この割合の上限値は、5質量%であることが好ましく、0.9質量%であることがより好ましい。磁場溶融型はんだを用いた接合方法は、基板上の電極と、電子部品の電極との間に磁場溶融型はんだを設ける工程と、基板の周囲に交流磁場を発生させて磁場溶融型はんだを溶融させることにより、基板上の電極と電子部品の電極とを接合する工程と、を備える。

Description

磁場溶融型はんだおよびそれを用いた接合方法
 本発明は、交流磁場の作用により溶融するはんだおよびそれを用いた接合方法に関する。
 特許文献1は、磁性体粒子を含むはんだ継手を開示する。このはんだ継手は、次の方法により得られる。まず、はんだ材料と磁性体粒子の混合物が加熱される。これにより、はんだ粒子の溶融マトリックスが形成される。続いて、溶融マトリックスの周囲に磁場が印加される。磁場が印加されると、未溶融状態の磁性体粒子が磁場の方向に整列する。続いて、溶融マトリックスが冷却される。溶融マトリックスの冷却は、磁場の印加の最中、または、磁場の印加の終了後に行われる。これにより、はんだマトリックス内に磁性体粒子が配列されたはんだ継手が得られる。
 特許文献2は、マイクロ波加熱装置を開示する。この加熱装置は、空洞共振器内にマイクロ波を特定の定在波として発生させる。この加熱装置は、また、マイクロ波の周波数の調整により、空洞共振器内の電場および磁場の分布状態を所望の状態に制御する。分布状態が所望の状態に制御されると、電界強度が極めて低く、且つ、磁界強度の高い領域が空洞共振器の中心軸の位置に作り出される。この加熱装置は、更に、加熱対象を搬送してこの領域を通過させる。加熱対象は、マイクロ波の電界成分の作用を受けることなく、マイクロ波の磁界成分により加熱される。尚、加熱対象としては、はんだが配置された電極パターンが例示されている。
日本特開平6-277871号公報 日本特開2019-136771号公報
 特許文献1において磁場の印加が行われるのは、磁性体粒子の配列がはんだ継手の機械的特性の改善に有効だからである。故に、特許文献1では、はんだ材料が溶融した後に磁場の印加が行われる。この点、特許文献2では、加熱対象の加熱のために磁場の印加が行われる。従って、特許文献1の技術と特許文献2のそれとでは、磁場の利用目的および印加時期において異なる。
 特許文献2の技術によれば、磁界成分の作用によって直接的または間接的にはんだを加熱して溶融させることが可能である。ただし、特許文献2の技術は、電場および磁場の分布状態の制御に特徴を有するものである。そのため、溶融対象である「はんだ」の観点からの検討が求められる。
 本発明の目的は、磁場の作用により溶融することが可能な新規なはんだおよびそれを用いた接合方法を提供することにある。
 本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を重ねた結果、磁性体材料をはんだ材料に添加することにより、交流磁場が印加されたときのはんだ材料の昇温速度を増加させることができることを見出した。本発明者らは、また、はんだ全体に対する磁性体材料の割合を所定範囲にすることで、はんだの接合機能への影響を抑えながらこの効果を得ることができることを見出した。本発明は、これらの知見に基づき更に検討を重ね、完成されるに至ったものである。
 第1の発明は、交流磁場の作用により溶融する磁場溶融型はんだであり、次の特徴を有する。
 前記磁場溶融型はんだは、
 はんだ材料と、
 前記磁場溶融型はんだの全体に対する割合が0.005~20質量%の磁性体材料と、
 を含む。
 第2の発明は、第1の発明において更に次の特徴を有する。
 前記割合の上限値は、5質量%である。
 第3の発明は、第2の発明において更に次の特徴を有する。
 前記割合の上限値は、0.9質量%である。
 第4の発明は、第1~3の発明の何れか1つにおいて更に次の特徴を有する。
 前記磁性体材料は、強磁性体材料である。
 第5の発明は、第1~4の発明の何れか1つにおいて更に次の特徴を有する。
 前記磁場溶融型はんだは、
 前記はんだ材料を含むはんだ層と、
 前記はんだ層の表面に設けられ、前記磁性体材料を含む磁性体層と、
 を備える。
 第6の発明は、第1~4の発明の何れか1つにおいて更に次の特徴を有する。
 前記磁場溶融型はんだは、
 前記はんだ材料を含むはんだ粒子と、
 前記はんだ粒子の内部に設けられ、前記磁性体材料を含む磁性体粒子と、
 を備える。
 第7の発明は、第1~4の発明の何れか1つにおいて更に次の特徴を有する。
 前記磁場溶融型はんだは、フラックスを更に含む。
 第8の発明は、第1~7の発明の何れか1つの磁場溶融型はんだを用いた接合方法である。
 前記接合方法は、
 基板上の電極と、電子部品の電極との間に前記磁場溶融型はんだを設ける工程と、
 前記基板の周囲に交流磁場を発生させて前記磁場溶融型はんだを溶融させることにより、前記基板上の電極と、前記電子部品の電極とを接合する工程と、
 を備える。
 はんだ材料および磁性体粒子は、交流磁場の作用により発熱する。ただし、磁性体粒子は、交流磁場の作用により素早く発熱するため、周囲のはんだ材料が加熱される。そのため、交流磁場の作用による発熱と、周囲の磁性体粒子による加熱とにより、はんだ材料の昇温が促進される。そして、本発明は、はんだ材料と、磁性体粒子とを含む磁場溶融型のはんだである。従って、本発明によれば、はんだ材料を短時間で溶融させることが可能となる。
 ただし、磁性体材料によるはんだ本来の接合機能への寄与は低く、磁性体材料の割合が多くなり過ぎると接合機能に支障をきたす。この点、本発明に係る磁場溶融型はんだによれば、はんだ全体に対する磁性体材料の割合が0.005~30質量%とされる。従って、接合機能への影響を抑えながら、接合時間を短縮することが可能となる。
 また、本発明に係る接合方法によれば、基板の周囲に発生させた交流磁場により本発明に係る磁場溶融型はんだを溶融させて、基板上の電極と電子部品の電極とを接合できる。つまり、局所的に発生させた交流磁場により磁場溶融型はんだを短時間で溶融させて、これらの電極の間を電気的に接続することが可能となる。従って、基板および電子部品が受ける熱的な影響を最小限に抑えながら、両者をはんだ接合することが可能となる。
実施の形態に係るはんだが適用された成形はんだの断面模式図である。 実施の形態に係るはんだが適用されたはんだボールの断面模式図である。 実施の形態に係るはんだが適用されたはんだペーストの断面模式図である。 実施の形態に係るはんだを用いた第1の接合方法の例を説明する図である。 実施の形態に係るはんだを用いた第2の接合方法の例を説明する図である。
 まず、本発明の実施の形態に係るはんだについて説明する。尚、「~」を用いて数値範囲が表される場合、その両端の数値は下限値および上限値として数値範囲に含まれる。
1.磁場溶融型はんだ
 本実施の形態に係るはんだは、交流磁場の作用により溶融する磁場溶融型はんだである。本実施の形態に係るはんだは、磁性体材料およびはんだ材料を必須成分として含む。
1.1 磁性体材料
 磁性体材料は、交流磁場に置かれると、少なくともヒステリシス損失により発熱する性質を有する。「少なくともヒステリシス損失」とした理由は、渦電流損失が想定されるためである。磁性体材料が導体の場合、ヒステリシス損失および渦電流損失により磁性体材料が発熱する。磁性体材料は、特に限定されない。磁性体材料としては、強磁性金属、常磁性金属および反磁性金属から選ばれる1種類の金属が例示される。
 強磁性金属としては、Ni、Co、Fe、Gd、Tbなどが例示される。常磁性金属としては、Y、Mo、Smなどが例示される。反磁性金属としては、Cu、Zn、Biなどが例示される。磁性体材料としては、上述した金属のうちの少なくとも1種類を含む合金、酸化物または窒化物が例示される。強磁性金属酸化物としては、Fe、γ-Fe、Feを主成分とするフェライトなどが例示される。常磁性金属酸化物としては、Nd、Tb、Smなどが例示される。反磁性金属酸化物としては、CoO、NiO、α-Fe、Crなどが例示される。強磁性金属窒化物としては、FeNが例示される。
 磁性体材料の磁性は、強くなるほどヒステリシス損失が大きくなる。ヒステリシス損失が大きくなるほど単位時間あたりの発熱量が多くなる。単位時間あたりの発熱量が多くなれば、磁性体材料による周囲の加熱が促進される。従って、磁性体材料による加熱を促進する観点からすると、磁性体材料は強磁性を有することが好ましい。具体的に、強磁性金属、その酸化物および窒化物、並びに、強磁性合金、その酸化物および窒化物から選ばれる少なくとも1つが磁性体材料として好ましい。
 磁性体材料の割合は、0.005~20質量%(wt%)である。この割合は、磁場溶融型はんだの全体を基準として算出される。上限値を20質量%としている理由は、上限値が20質量%よりも大きいと、溶融状態にあるはんだ材料が凝集し難くなり、はんだ本来の接合機能に支障をきたすからである。この接合機能への影響を抑える観点からすると、上限値は、5質量%であることが好ましく、0.9質量%であることがより好ましく、0.5質量%であることが更に好ましい。
1.2 はんだ材料
 はんだ材料は、交流磁場に置かれると、少なくとも渦電流損失により発熱する性質を有する。「少なくとも渦電流損失」とした理由は、ヒステリシス損失が想定されるためである。はんだ材料が磁性を有する場合、渦電流損失およびヒステリシス損失によりはんだ材料が発熱する。はんだ材料が発熱してその温度が融点(固相線温度または液相線温度をいう。以下同じ。)を超えると、はんだ材料は溶融する。
 ここで、交流磁場に置かれた磁性体材料は、はんだ材料よりも素早く発熱して高温化する。そのため、はんだ材料が磁性体材料と同一の交流磁場に置かれると、はんだ材料は、周囲の磁性体材料により加熱される。つまり、はんだ材料と磁性体材料が同一の交流磁場に置かれると、はんだ材料が単独で交流磁場に置かれた場合に比べて昇温速度が増加し、短い時間で融点を超えることになる。
 はんだ材料は特に限定されず、各種のはんだ合金を使用することができる。各種のはんだ合金には、二元系合金および三元系以上の多元系合金が含まれる。二元系合金としては、Sn-Sb系合金、Sn-Pb系合金、Sn-Cu系合金、Sn-Ag系合金、Sn-Bi系合金、Sn-In系合金などが例示される。多元系合金としては、上述した二元系合金に、Sb、Bi、In、Cu、Zn、As、Ag、Cd、Fe、Ni、Co、Au、GeおよびPからなる群から選ばれる1種類以上の金属を添加したものが例示される。
1.3 フラックス
 本実施の形態に係るはんだは、フラックスを任意成分として含む。フラックスは特に限定されず、一般的なフラックスを使用することができる。フラックスは、樹脂(ベース樹脂)と、溶剤と、各種添加剤とを含む。樹脂としては、ロジン系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが例示される。溶剤としては、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノールなどのアルコール類、トルエン、キシレンなどの炭化水素類、酢酸イソプロピル、安息香酸ブチルなどのエステル類、エチレングリコール、ヘキシルジグリコールなどのグリコールエーテル類などが例示される。各種添加剤としては、活性剤、チキソ剤、酸化防止剤、界面活性剤、消泡剤、腐食防止剤などが例示される。
 本実施の形態に係るはんだがフラックスを含む場合、磁場溶融型はんだの全体に対するフラックスの割合に特に限定はない。フラックスの割合としては、5~95質量%が例示される。
2. 磁場溶融型はんだの具体例
2.1 成形はんだ
 本実施の形態に係るはんだは、成形はんだに適用される。成形はんだの形状としては、リボン形状、ディスク形状、ワッシャー形状、チップ形状およびリング形状が例示される。図1は、本実施の形態に係るはんだが適用された成形はんだ10の断面模式図である。図1に示されるように、成形はんだ10は、はんだ層11と、磁性体層12とを備える。
 はんだ層11は、はんだ材料を含み、磁性体材料を含まない。はんだ層11は、当業界において一般的に知られた方法により製造される一般的な成形はんだである。はんだ層11は、その内部にフラックスを有していてもよい。フラックスは特に限定されず、各種のフラックスが使用される。はんだ層11は、その表面がフラックスでコーティングされていてもよい。
 磁性体層12は、はんだ層11の表面に設けられる。磁性体層12は、磁性体材料およびバインダを含み、はんだ材料を含まない。磁性体層12は、はんだ層11の表面に、磁性体材料とバインダの混合物を塗布することにより形成される。バインダは、磁性体層12がはんだ層11から分離することを抑制するものであれば特に限定されない。バインダとしては、フラックスが例示される。
2.2 はんだボール
 本実施の形態に係るはんだは、はんだボールにも適用される。はんだボールは、例えばBGA(ボール・グリッド・アレイ)などの半導体パッケージに使用される。はんだボールは、当業界において一般的に知られた方法により製造される。
 図2は、本実施の形態に係るはんだが適用されたはんだボール20の断面模式図である。図2に示されるように、はんだボール20は、はんだ粒子21と、磁性体粒子22とを含んでいる。はんだ粒子21は、はんだ材料を含み、磁性体材料を含まない。はんだ粒子21は、その表面がフラックスでコーティングされていてもよい。フラックスは特に限定されず、各種のフラックスが使用される。磁性体粒子22は、はんだ粒子21の内部に設けられる。つまり、磁性体粒子22は、はんだボール20のコアを構成する。磁性体粒子22は、磁性体材料を含み、はんだ材料を含まない。
2.3 はんだペースト
 本実施の形態に係るはんだは、はんだペーストにも適用される。図3は、本実施の形態に係るはんだが適用されたはんだペースト30の断面模式図である。図3に示されるように、はんだペースト30は、はんだ粒子31と、磁性体粒子32と、フラックス33とを含んでいる。はんだ粒子31は、はんだ材料を含み、磁性体材料を含まない。磁性体粒子32は、磁性体材料を含み、はんだ材料を含まない。フラックス33は、はんだ粒子31と磁性体粒子32のバインダとして添加される。フラックス33は特に限定されず、各種のフラックスが使用される。
3.磁場溶融型はんだを用いた接合方法の例
3.1 誘導加熱装置による接合
 図4は、本実施の形態に係るはんだを用いた第1の接合方法の例を説明する図である。図4に示される誘導加熱装置40は、加熱コイル41と、インバータ回路42と、制御回路43と、コンベヤ44と、温度センサ45とを備えている。尚、本実施の形態に係るはんだは、電子部品ECの電極と、プリント基板PBに印刷された電極パターンとを接合するための「はんだSD」として、電子部品ECとプリント基板PBの間に配置されている。電子部品ECとしては、ICチップが例示される。
 加熱コイル41は、コンベヤ44の背面に設けられる。加熱コイル41は、はんだSDを含む回路基板CBの全体を、誘導加熱により加熱する。インバータ回路42は、交流電源(不図示)からの電力の供給を受けて、加熱コイル41に高周波電流を供給する。制御回路43は、マイクロコンピュータから構成される。制御回路43は、制御回路43に入力される各種信号に基づいて、インバータ回路42の駆動を制御する。各種信号には、駆動要求信号と、回路基板CBの周辺の温度を示す信号と、が含まれる。コンベヤ44は、回路基板CBを搬送する。温度センサ45は、回路基板CBの周辺の温度を検出する。温度センサ45は、画像処理により温度分布の情報を生成してもよい。
 図4に示される例では、コンベヤ44の駆動により回路基板CBが加熱コイル41の位置まで搬送される。回路基板CBの搬送をこの位置で停止し、駆動要求信号に基づいてインバータ回路42を駆動する。そうすると、回路基板CBの周囲に交流磁場が発生し、渦電流損失およびヒステリシス損失により、はんだSDに含まれる磁性体材料が発熱する。また、渦電流損失による発熱と、磁性体材料による加熱と、により、はんだSDに含まれるはんだ材料が溶融する。つまり、はんだSDが溶融する。終了条件が満たされる場合、インバータ回路42の駆動が停止され、または、コンベヤ44の再駆動により回路基板CBが加熱コイル41の位置の外側まで搬送される。その後、はんだSDが冷やされると、電子部品ECの電極と、電極パターンとが電気的に接続される。尚、終了条件としては、回路基板CBの周囲の温度がはんだSDの融点に到達してから所定時間が経過することが例示される。
3.2 マイクロ波加熱装置による接合
 図5は、本実施の形態に係るはんだを用いた第2の接合方法の例を説明する図である。図5に示されるマイクロ波加熱装置50は、空洞共振器51と、マイクロ波供給装置52と、コンベヤ53と、コントローラ54と、電磁波センサ55と、温度センサ56とを備えている。尚、本実施の形態に係るはんだは、図4に示した例と同様に、電子部品ECとプリント基板PBの間に配置されている。
 空洞共振器51は、マイクロ波が照射される円筒型の内部空間を有する。マイクロ波供給装置52は、この内部空間にマイクロ波を特定の定在波として発生させる。特定の定在波としては、TM110と呼ばれる定在波が例示される。コンベヤ53は、回路基板CBが内部空間を通過するように回路基板CBを搬送する。コントローラ54は、各種信号に基づいて、マイクロ波供給装置52から照射するマイクロ波の周波数を調整する。各種信号には、駆動要求信号と、内部空間に発生した定在波の共振状況を示す信号と、回路基板CBの周辺の温度を示す信号と、が含まれる。電磁波センサ55は、定在波の共振状況を検知する。温度センサ56は、回路基板CBの周辺の温度を検出する。温度センサ56は、画像処理により温度分布の情報を生成してもよい。
 図5に示される例では、駆動要求信号に基づいてコントローラ54がマイクロ波供給装置52を駆動する。コントローラ54は、定在波の共振状況を示す信号に基づいてマイクロ波の発振周波数の目標値(目標周波数)を計算し、マイクロ波供給装置52に出力する。定在波が形成されたことが確認された場合、コンベヤ53が駆動されて回路基板CBが空洞共振器51内の特定の位置まで搬送される。特定の位置としては、内部空間の中心軸の位置が例示される。コントローラ54による目標周波数の計算は、回路基板CBの搬送中、繰り返し行われる。目標周波数の計算が繰り返されることで、電界強度が極めて低く、且つ、磁界強度の高い領域が特定の位置に作り出される。
 回路基板CBが特定の位置を通過すると、この位置に発生している交流磁場が回路基板CBに作用し、渦電流損失およびヒステリシス損失により、はんだSDに含まれる磁性体材料が発熱する。また、渦電流損失による発熱と、磁性体材料による加熱と、により、はんだSDに含まれるはんだ材料が溶融する。つまり、はんだSDが溶融する。終了条件が満たされる場合、マイクロ波供給装置52の駆動が停止され、または、コンベヤ53の再駆動により回路基板CBがマイクロ波供給装置52の外側まで搬送される。その後、はんだSDが冷やされると、電子部品ECの電極と、電極パターンとが電気的に接続される。コントローラ54は、回路基板CBの周辺の温度を示す信号に基づいて、マイクロ波の出力を調整する。例えば、コントローラ54は、回路基板CBの周囲の温度が所定温度に到達したら、出力を低下させる。別の例として、コントローラ54は、回路基板CBの周囲の温度がはんだSDの融点に近づくほど出力を大幅に低下させる。
4.実施例
 次に、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
4.1 実施例1
 はんだペースト(千住金属工業株式会社製、組成:Sn-3.0Ag-0.5Cu,融点:217-220℃)および磁性体材料の粉末を擂り鉢にて混合し、サンプルペーストを調製した。次いで、ブレードコート法を用い、ポリイミドフィルム上に所定サイズ(縦1cm×横1cm×厚さ60μm)のサンプルEx.1-6を作製した。サンプルEx.1-6の組成を表1に示す。
 次いで、サンプルEx.1が形成されたポリイミドフィルムを円筒型の空洞共振器の中心軸の位置に設置した。この空洞共振器は、図5で説明した空洞共振器51である。次いで、空洞共振器内にTM110の定在波を形成し、サンプルEx.1を加熱した。マイクロ波の出力は160Wとした。マイクロ波の照射中、サーモカメラを用いてサンプルEx.1の温度Tを計測し、温度Tがはんだ材料の融点TMに到達するのに要する時間を計測した。昇温速度は、温度Tの初期計測値と融点TMの差を、計測された所要時間で除すことにより算出した。サンプルEx.1と同様の手法により、サンプルEx.2-6の昇温速度も算出した。
 比較用サンプルとして、はんだペーストのみを用いて1×1cmのサイズのサンプルRe.1を作製した。サンプルEx.1-6と同様の手法により、サンプルRe.1の昇温速度を計算した。
 各サンプルの昇温速度の算出後、サンプルRe.1の昇温速度を基準とする評価を行った。サンプルRe.1の昇温速度よりも昇温速度の速いサンプルを「A」と評価し、サンプルRe.1の昇温速度よりも昇温速度の遅いサンプルを「F」と評価した。評価結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示されるように、サンプルEx.1-6の昇温速度は全て、サンプルRe.1のそれよりも速くなった。このことから、はんだ材料に磁性体材料を加えたサンプルは、比較用サンプルに比べて昇温速度が上昇することが分かった。
4.2 実施例2
 サンプルEx.1と同様の手法により、サンプルEx.7-14を作製した。サンプルEx.7-14の組成を表2に示す。次いで、サンプルEx.1と同様の手法により、サンプルEx.7-14の昇温速度を計算した。なお、マイクロ波の出力は50Wとした。各サンプルの昇温速度の算出後、サンプルRe.1の昇温速度を基準とする評価を行った。評価結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示されるように、サンプルEx.7-14の昇温速度は全てサンプルRe.1のそれよりも速くなった。このことから、昇温速度の上昇効果は、磁性体材料の種類に関係なく得られることが分かった。また、磁性体材料の種類に着目したところ、強磁性を有する磁性体材料(Co、Fe-NiおよびFeN)は、常磁性または反磁性を有する磁性体材料(Y、Nd、Tb、SmおよびCo)に比べて昇温速度が速くなる傾向にあることが分かった。
4.3 実施例3
 低温系はんだペースト(千住金属工業株式会社製、組成:Sn-58Bi,融点:139℃)、高温系はんだペースト(千住金属工業株式会社製、組成:Sn-10Sb,融点:245-266℃)および磁性体材料を使用し、サンプルEx.1と同様の手法により、サンプルEx.15-36を作製した。また、比較用サンプルとして、はんだペーストのみを用いたサンプルRe.2,3を作製した。サンプルEx.15-36およびサンプルRe.2,3の組成を表3に示す。次いで、これらのサンプルの昇温速度を計算した。各サンプルの昇温速度の算出後、比較用サンプルの昇温速度を基準とする評価を行った。具体的には、サンプルEx.15-30について、サンプルRe.2の昇温速度よりも昇温速度の速いサンプルを「A」と評価し、サンプルRe.2の昇温速度よりも昇温速度の遅いサンプルを「F」と評価した。サンプルEx.31-36については、サンプルRe.3を基準として上記と同様の評価を行った。評価結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表3に示されるように、サンプルEx.15-30の昇温速度は全て、サンプルRe.2のそれよりも速くなった。サンプルEx.31-36の昇温速度は全て、サンプルRe.3のそれよりも速くなった。このことから、昇温速度の上昇効果は、はんだ材料の種類に関係なく得られることが分かった。
4.4 実施例4
 実施例3で使用した材料と同じ材料を使用し、サンプルEx.1と同様の手法により、磁性体材料の割合を変えたサンプルEx.37-56を作製した。次いで、最高温度および凝集性の観点から評価を行った。最高温度は、マイクロ波の照射を開始してから5秒の間におけるサンプルの温度の最高値である。最高温度がはんだ材料の融点以上のサンプルを「A」と評価し、そうでないサンプルを「F」と評価した。凝集性の評価は、溶融後のサンプルを目視することにより行った。はんだ材料の凝集が実用上問題ないレベルにあると判断されるサンプルを「A」と評価した。また、はんだ材料の凝集が一定レベル以上認められると判断されるサンプルを「C」と評価し、そうでないサンプルを「F」と評価した。評価結果を表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 表4に示されるように、サンプルEx.40-46,50-56の最高温度は、マイクロ波の照射を開始してから5秒の間に融点に到達した。一方、サンプルEx.37-39,47-49の最高温度は、マイクロ波の照射を開始してから5秒の間に融点に到達しなかった。このことから、磁性体材料の割合が低いと、はんだ材料が短時間で溶融し難くなることが分かった。そこで、マイクロ波の出力条件を変えて最高温度を評価したところ、出力を高くすることで最高温度を所望値に調整できることも分かった。そのため、磁性体材料の種類および割合に応じてマイクロ波の出力を調整することが望ましいことも分かった。
 また、表4に示されるように、サンプルEx.37-44,47-54では、はんだ材料の凝集が実用上問題ないレベルにあると判断された。一方、サンプルEx.45,46,55,56では、はんだ材料の凝集が一定レベル以上にあると判断された。このことから、磁性体材料の割合が5質量%以下であればはんだ本来の接合機能への影響を抑えながら、昇温速度の上昇効果を得られることが分かった。
 10 成形はんだ
 11 はんだ層
 12 磁性体層
 20 はんだボール
 21 はんだ粒子
 22 磁性体粒子
 30 はんだペースト
 31 はんだ粒子
 32 磁性体粒子
 33 フラックス
 40 誘導加熱装置
 41 加熱コイル
 42 インバータ回路
 43 制御回路
 44,53 コンベヤ
 45,56 温度センサ
 50 マイクロ波加熱装置
 51 空洞共振器
 52 マイクロ波供給装置
 54 コントローラ
 55 電磁波センサ
 EC 電子部品
 PB プリント基板
 SD 磁場溶融型はんだ

Claims (8)

  1.  交流磁場の作用により溶融する磁場溶融型はんだであって、
     はんだ材料と、
     前記磁場溶融型はんだの全体に対する割合が0.005~20質量%の磁性体材料と
     を含むことを特徴とする磁場溶融型はんだ。
  2.  請求項1に記載の磁場溶融型はんだであって、
     前記割合の上限値が5質量%である
     ことを特徴とする磁場溶融型はんだ。
  3.  請求項2に記載の磁場溶融型はんだであって、
     前記割合の上限値が0.9質量%である
     ことを特徴とする磁場溶融型はんだ。
  4.  請求項1~3の何れか1項に記載の磁場溶融型はんだであって、
     前記磁性体材料が強磁性体材料である
     ことを特徴とする磁場溶融型はんだ。
  5.  請求項1~4の何れか1項に記載の磁場溶融型はんだであって、
     前記はんだ材料を含むはんだ層と、
     前記はんだ層の表面に設けられ、前記磁性体材料を含む磁性体層と、
     を備えることを特徴とする磁場溶融型はんだ。
  6.  請求項1~4の何れか1項に記載の磁場溶融型はんだであって、
     前記はんだ材料を含むはんだ粒子と、
     前記はんだ粒子の内部に設けられ、前記磁性体材料を含む磁性体粒子と、
     を備えることを特徴とする磁場溶融型はんだ。
  7.  請求項1~4の何れか1項に記載の磁場溶融型はんだであって、
     フラックスを更に含む
     ことを特徴とする磁場溶融型はんだ。
  8.  請求項1~7の何れか1項に記載の磁場溶融型はんだを用いた接合方法であって、
     基板上の電極と、電子部品の電極との間に前記磁場溶融型はんだを設ける工程と、
     前記基板の周囲に交流磁場を発生させて前記磁場溶融型はんだを溶融させることにより、前記基板上の電極と、前記電子部品の電極とを接合する工程と、
     を備えることを特徴とする接合方法。
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