基板ユニットとその製造方法
【課題】半田付け加熱時において、部品の反り、基板の反りによって部品と基板にギャップが生じた場合でも、半田接合できる基板ユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】基板ユニットは、電極を有する電子部品と、前記電極に対応する位置に配置された基板電極を有し前記電子部品を搭載するプリント基板と、前記基板電極の中央から内部に向けて設けられた凹部と、前記凹部内に充填され、加熱すると前記基板電極から突出する接合部材とを有する。
【解決手段】基板ユニットは、電極を有する電子部品と、前記電極に対応する位置に配置された基板電極を有し前記電子部品を搭載するプリント基板と、前記基板電極の中央から内部に向けて設けられた凹部と、前記凹部内に充填され、加熱すると前記基板電極から突出する接合部材とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品をはんだ接続する基板ユニットおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の小型化、高密度化に伴い、電子部品をプリント基板に実装するための実装密度の向上が要求されている。このため、電子部品の実装面に配置された格子状の半田ボールを、プリント基板表面に形成した基板電極に接合するというボールグリッドアレイ（ＢＧＡ：Ball Grid Array）と呼ばれる実装方法が行われている。そして、上記小型化、高密度化された電子機器では、電子部品を実装するための基板電極も微細化、高密度化される。
【０００３】
従来、電子部品を位置合わせする際に、基板電極表面に半田を印刷し、その印刷した半田の粘着性を利用して電子部品側の半田ボールをプリント基板上に仮止めした後にリフロー炉で半田ボールの融点以上に加熱して溶融し、その後室温にすることで、電子部品と基板電極との接合を行っている（特許文献１）。
【０００４】
図１に従来の電子部品とプリント基板の接合の説明図を示す。
電子部品６１がプリント基板５１に対して反りを生じている例である。電子部品６１の半田ボール６２を介した電極（図示略）とプリント基板５１の印刷半田５３を介した基板電極５２とを接合するために、電子部品６１を仮接着したプリント基板５１がリフロー炉に投入され加熱される。このとき、プリント基板５１の熱膨張係数と電子部品６１の熱膨張係数との間の差があると、反りが発生する。この反りにより、電子部品６１とプリント基板５１との間にギャップが発生するため、プリント基板５１の基板電極５２と電子部品６１の電極との間に接合できない部分が発生し、接合不良となる。
【特許文献１】特開平１０−３１３１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このため、熱膨張による部品の反り、基板の反りによって電子部品とプリント基板にギャップが生じた場合でも、接合できる基板ユニットおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
基板ユニットは、電極を有する電子部品と、前記電極に対応する位置に配置された基板電極を有し前記電子部品を搭載するプリント基板と、前記基板電極の中央から内部に向けて設けられた凹部と、前記凹部内に充填され、加熱すると前記基板電極から突出する接合部材とを有する。
【０００７】
この構成により、電子部品等に反りが生じても、接合部材の熱膨張により、電子部品とプリント基板とを接合できる。
【発明の効果】
【０００８】
開示の基板ユニットは、電子部品等に反りが生じても、電子部品とプリント基板とを接合できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施例の説明の前に電子部品とプリント基板の接合の原理を説明する。
図２に電子部品とプリント基板の接合の原理説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。
プリント基板１１の基板電極１３の中央からプリント基板１１の内部に向けて円筒状の接合部材収納孔１２を設ける。 凹部の接合部材収納孔１２には、接合部材を充填する。図２は、接合部材として、充填半田１６を上部に熱膨張材１５を下部に充填した例である。電子部品２１の半田付け時の反りが既知の場合は、図２に示すように電子部品２１の反りに合わせた接合部材収納孔１２が設けられる。電子部品２１の反りについて未知の部分がある場合、あるいは、印刷半田１４が無い場合には、基板電極１３のすべての部分に接合部材収納孔１２を配置する。
【００１０】
リフロー炉に基板ユニット１が投入され加熱されると、熱膨張による電子部品２１等の反りにより電子部品２１とプリント基板１１間にギャップを生ずる。しかし、熱膨張により接合部材が基板電極１３から突出することで、電子部品２１の電極(図示なし)とプリント基板１１の基板電極１３が接合する。
図２の例では、接合部材である熱膨張材１５の熱膨張により接合部材である充填半田１６が、基板電極１３から突出して印刷半田１４とともに、電子部品２１の電極(図示なし)に接続している半田ボール２２に接合する。このようなプリント基板１１の構造を採用することで、電子部品２１の電極（図示なし）とプリント基板１１の基板電極１３間は、確実に接合される。
【００１１】
(実施例１)
図３に実施例１の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図３は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００１２】
・ 基板構造の説明
図３に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１は、ガラスエポキシ樹脂製である。プリント基板１１は、例えば幅２１０ｍｍ×奥行き３００ｍｍである。また厚さは、２．４ｍｍとする。この厚さのため、ほとんど反りは発生しない。
凹部としての接合部材収納孔１２は、例えば直径０．４ｍｍ、深さ２．１８ｍｍの円筒形の孔とする。 基板電極１３の中央からプリント基板１１の内部に形成された非貫通孔である。また、接合部材収納孔１２は、接合部材として熱膨張材１５を下層に、充填半田１６を上層に収容する。
【００１３】
基板電極１３は、直径０．５ｍｍのＣｕメッキでできている。電子部品２１の半田ボール２２に対応する位置に形成されている。
印刷半田１４は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．５ｍｍ×高さ０．１５ｍｍの体積を占める。体積は、０．０２９ｍｍ3である。フラックスは、１２wt％程度である。
熱膨張材１５は、例えばエポキシ系のアンダフィル材を使用する。直径０．４ｍｍ×高さ１．８５ｍｍの体積を占める。体積は、０．２３ｍｍ3である。線膨張係数は、３００ｐｐｍ／℃である。
充填半田１６は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．４ｍｍ×高さ０．３３ｍｍの体積を占める。体積は、０．０４２ｍｍ3である。フラックスは、１２wt％程度である。
【００１４】
（２）電子部品の説明
図３に、電子部品２１の一部分を拡大した断面図を示す。
電子部品２１は、例えば表面実装型のＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）である。電極２３に予めボール状の半田ボール２２を形成した例である。半田ボール２２は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。半田ボール２２の直径は、例えば直径０．５ｍｍとする。電子部品２１は、例えば幅３３ｍｍ×奥行き３３ｍｍ×高さ２．３ｍｍの寸法を有するものである。
【００１５】
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張に差があるため、接合部に反りが発生し、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生じる。このギャップは、例えば０．３ｍｍである。
ギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、熱膨張材１５を下層に充填半田１６を上層に収容されている。この結果、熱膨張材１５の膨張により、充填半田１６が上に押し上げられる。
【００１６】
図４に、電子部品とプリント基板とのギャップ補完の説明図を示す。電子部品２１の電極２３は、省略している。
図４（ａ）は、充填半田１６と印刷半田１４は溶融により一体となり、半田ボール２４となって、電子部品２１の半田ボール２２に接触したときの状態を示す図である。このあと、図４（ｂ）に示すように、半田ボール２４と半田ボール２２は、一体化することで、表面張力により柱状またはボール状となり、電子部品２１とプリント基板１１は、接合が完了する。
【００１７】
（３）接合処理の説明
図５に基板ユニットの半田付けの製造方法の概略処理図を示す。各実施例に共通である。（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)印刷半田１４により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（Ｓ１ステップ）。
（ｃ)次に電子部品２１が搭載されたプリント基板１１をリフロー炉に投入する（Ｓ２ステップ）。
（ｄ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が熱膨張し、電子部品２１に反りが発生する。その結果、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２、印刷半田１４および充填半田１６が溶融する。（ｅ)一方、熱膨張材１５は、熱膨張により、体積が増加して、充填半田１６を上方に上方へ押し上げる。
（ｆ)その押し上げられた充填半田１６は、印刷半田１４と溶融により一体となり、ボール状に変形する。
（ｇ)変形したボール状の半田は、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める高さとなるため、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、印刷半田１４とが接合する（Ｓ３ステップ）。
【００１８】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを補完するための動作について説明する。
【００１９】
(ａ)熱膨張材の膨張
熱膨張材１５の線膨張係数は、３００ｐｐｍ/℃のため、体積膨張率は、９００ｐｐｍ/℃となる。一方、常温２０℃から２２０℃への昇温は、ΔＴ=２００である。従って、熱膨張材１５の体積の膨張は、（９００／１０の６乗）×(熱膨張材１５の体積０．２３ｍｍ3)×（昇温２００）＝０．０４２ｍｍ3となる。
【００２０】
(ｂ)一方、充填半田１６の体積は、０．０４２ｍｍ3である。
【００２１】
(ｃ)従って、熱膨張材１５は、熱膨張により、充填半田１６をプリント基板１１の表面まで全て押出す。但し熱膨張材１５の体積膨張が、全て充填半田１６側に生じた場合である。
【００２２】
(ｄ)一方押出された充填半田１６の体積０．０４２ｍｍ3＋印刷半田１４の体積０．０２９ｍｍ3＝０．０７１ｍｍ3であるが、溶融すると、体積が減少して０．０４３ｍｍ3となる。
【００２３】
図６に半田の体積と半田の高さとの関係の説明図を示す。基板電極１３の直径は、０．５mmの場合である。
溶融半田の体積を横軸に示す。また、溶融半田が表面張力によって球状となったときの半田の高さを縦軸に示す。体積０．０１ｍｍ3の場合は、高さ０．１ｍｍ、体積０．０２ｍｍ3の場合は、高さ０．１８ｍｍ、体積０．０４ｍｍ3の場合は、高さ０．２９ｍｍ、体積０．０６ｍｍ3の場合は、高さ０．３７ｍｍである。そして、図４に示すように０．０４３ｍｍ3の溶融半田の体積の場合には、半田ボール高さは０．３ｍｍを越える。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
【００２４】
（５）実施例１の基板の製造工程の説明
次に、図７に、実施例１の基板の製造工程を説明する。
(ａ)予め基板電極１３が形成されているプリント基板１１を準備する（図７（ａ）参照）。
(ｂ)次に、基板電極１３の中央部から垂直方向にドリルにより接合部材収納孔１２を形成する（図７（ｂ）参照）。
(ｃ)次に、接合部材収納孔１２の内部に熱膨張材１５をディスペンサで注入する。接合部材収納孔１２の底面から１．８５ｍｍまで注入する（図７（ｃ）参照）。
(ｄ)次に、接合部材収納孔１２に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて充填半田１６を接合部材収納孔１２の内部に充填する（図７（ｄ）参照）。
(ｅ)次に、基板電極１３に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて印刷半田１４を塗布する（図７（ｅ）参照）。
【００２５】
（実施例２）
図８に実施例２の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図８は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００２６】
（１）基板構造の説明
図８に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１、接合部材収納孔１２、基板電極１３および印刷半田１４は、実施例１と同一である。
接合部材収納孔１２には、接合部材としての熱膨張材１５のみが収容される点が実施例１と異なる。
熱膨張材１５は、例えばウレタン系のアンダフィル材を使用する。直径０．４ｍｍ×高さ２．１８ｍｍの体積を占める。体積は、０．２７ｍｍ3である。線膨張係数は、３００ｐｐｍ／℃である。
【００２７】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
電子部品２１とプリント基板１１の熱膨張によるギャップが、例えば０．３ｍｍ発生する
例とする。
このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、熱膨張材１５が収容されている。この結果、熱膨張材１５の膨張により、印刷半田１４を押し上げ、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００２８】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)印刷半田１４により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（図５のＳ１ステップ）。
（ｃ)次に電子部品が搭載されたプリント基板１１をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｄ) リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が熱膨張し、電子部品２１に反りが発生する。その結果、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２、印刷半田１４が溶融する。
（ｅ)一方、熱膨張材１５は、熱膨張により、体積が増加して、印刷半田１４を上方へ押し上げる。
（ｆ)押し上げられた印刷半田１４は、溶融によりボール状に変形する。
（ｇ)変形したボール状の半田は、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める高さとなるため、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００２９】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを補完するための動作について説明する。
（ａ)熱膨張材の膨張
熱膨張材１５の線膨張係数は、３００ｐｐｍ/℃のため、体積膨張率は、９００ｐｐｍ/℃となる。一方、常温２０℃から２２０℃への昇温は、ΔＴ=２００である。従って、熱膨張材１５の体積の膨張は、（９００／１０の６乗）×(熱膨張材１５の体積０．２７ｍｍ3)×（昇温２００）＝０．０４９ｍｍ3となる。
（ｂ)従って、熱膨張材１５は、熱膨張により、０．０４９ｍｍ3膨張する。
（ｃ)これが印刷半田１４を押し上げる。溶融後の印刷半田体積０．０１８ｍｍ3＋熱膨張材膨張分０．０４９ｍｍ3＝０．０６７ｍｍ3となる。印刷半田１４は非常に表面張力の強い物質のため、ボール状を形成する。これがボール状になるとすると、その先端までの高さは、図６に示すように、０．３ｍｍを超える。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
また、実施例２の熱膨張材１６として空気を用いることもできる。
【００３０】
（５）実施例２の基板の製造工程の説明
次に、図９に、実施例２の基板の製造工程を説明する。
（ａ)予め基板電極１３が形成されているプリント基板１１を準備する（図９（ａ）参照）。
（ｂ)次に、基板電極１３の中央部から垂直方向にドリルにより接合部材収納孔１２を形成する（図９（ｂ）参照）。
（ｃ)次に、接合部材収納孔１２の内部に熱膨張材１５をディスペンサで注入する。接合部材収納孔１２の底面から２．１８ｍｍまで注入する（図９（ｃ）参照）。
（ｄ)次に、基板電極１３に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて印刷半田１４を塗布する（図９（ｄ）参照）。
【００３１】
（実施例３）
図１０に実施例３の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１０は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００３２】
（１）基板構造の説明
図１０に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１、接合部材収納孔１２、基板電極１３および印刷半田１４は、実施例１と同一である。
接合部材収納孔１２には、接合部材として充填半田１６のみが収容される点が実施例１と異なる。
充填半田１６は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．４ｍｍ×高さ２．１８ｍｍの体積を占める。０．２７ｍｍ3の体積を占める。フラックスが１６％wt程度含まれているものを使用する。熱膨張によりフラックスがすべて空気に変化すると仮定した場合である。
【００３３】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張によるギャップとしては、例えば０．３ｍｍ発生する例である。
このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、充填半田１６が収容されている。この結果、充填半田１６の中のフラックスにより形成される空気の膨張により、充填半田１６が押し上げられ印刷半田１４と一体となり、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００３４】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)印刷半田１４により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（図５のＳ１ステップ）。
（ｃ)次に電子部品が搭載されたプリント基板１１をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｄ) リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が熱膨張し、電子部品２１に反りが発生する。その結果、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２、印刷半田１４が溶融する。
（ｅ) 一方、充填半田１６は、熱膨張により、フラックス等が蒸発することにより、空気エリアが発生する。
（ｆ) その空気エリアの膨張により、充填半田１６が押し上げられる。
（ｇ) 充填半田１６は、印刷半田１４を押し上げる。そして溶融した充填半田１６および印刷半田１４は一体化して変形しボール状になる。そして、ボールの高さが電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める寸法となるため、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、プリント基板１１の印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００３５】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを埋めるための具体的な処理について説明する。
（ａ）充填半田１６の加熱
充填半田内の空気分の体積を１６％とする。空気の体積＝充填半田１６の体積０．２７ｍｍ3×０．１６＝０．０４３ｍｍ3である。
それが接合部材収納孔１２の中央に集中しているとした場合、シャルルの法則により２０℃から２２０℃へ昇温で空気は、｛（２２０＋２７３）／２７３｝／｛（２０＋２７３）
／２７３｝＝１．６８倍に膨張する。但し気圧の影響はないものと仮定する。
従って膨張する部分は、０．０４３ｍｍ3×０．６８＝０．０２９ｍｍ3である。
（ｂ）これが充填半田１６を上方に０．０２９ｍｍ3押し出す。
（ｃ）一方押出された充填半田１６の体積０．０２９ｍｍ3＋印刷半田１４の体積０．０２９ｍｍ3＝０．０５８ｍｍ3であるが、溶融した際、充填半田の体積は接合部材収納孔１２の中央に空気が集中していると仮定しているため減少しないが、印刷半田の体積は減少するため、０．０４６ｍｍ3となる。そして、この体積をもとに、溶融半田は表面張力によってボール状となり、その際の頂点の高さは、図６に示すように、０．３ｍｍを超える。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
【００３６】
（５）実施例３の基板の製造工程の説明
次に、図１１に、実施例３の基板の製造工程を説明する。
（ａ）予め基板電極１３が形成されているプリント基板１１を準備する（図１１（ａ）参照）。
（ｂ）次に、基板電極１３の中央部から垂直方向にドリルにより接合部材収納孔１２を形成する（図１１（ｂ）参照）。
（ｃ）次に、接合部材収納孔１２に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて充填半田１６を接合部材収納孔１２の内部に充填する（図１１（ｃ）参照）。
（ｄ）次に、基板電極１３に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて印刷半田１４を塗布する（図１１（ｄ）参照）。
【００３７】
（実施例４）
図１２に実施例４の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１２は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００３８】
（１）基板構造の説明
図１２に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１、基板電極１３および印刷半田１４は、実施例１と同一である。
接合部材収納孔１２は、例えば直径０．４ｍｍ、深さ０．３３ｍｍの円筒形の孔とする。基板電極１３の中央からプリント基板１１の内部に形成された非貫通孔である。接合部材収納孔１２は、接合部材としての充填半田１６を収容する。
充填半田１６は、融点が２２０度のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．４ｍｍ×高さ０．３３ｍｍの体積を占める。体積は、０．０４２ｍｍ3の体積である。フラックスは、１２wt％程度である。
【００３９】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張によるギャップとしては、例えば０．３ｍｍ発生する例である。
このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、充填半田１６が収容されている。この結果、溶融した充填半田１６が自重により、印刷半田１４を押しさげて、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００４０】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)充填半田１６により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（図５のＳ１
ステップ）。
（ｃ）電子部品２１およびプリント基板１１を上から治具を取り付け、固定する。治具下面には基板や部品中央を指示するピンが付いている。
（ｃ)次に上下反転して治具ごとリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｄ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が膨張する。このため、電子部品２１とプリント基板１１側の熱膨張により、電子部品２１に反りが発生して半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また半田ボール２２と印刷半田１４、充填半田１６が溶融する。
（ｅ) 充填半田１６は、熱により溶融し、自重で下降する。
（ｆ) 下降すると、溶融した印刷半田１４と一体となり、変形しボール状になる。そして、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める寸法となり、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、プリント基板１１の印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００４１】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを埋めるための具体的な処理について説明する。
充填半田１６の体積０．０４２ｍｍ3＋印刷半田１４の体積０．０２９ｍｍ3＝０．０７１ｍｍ3であるが、溶融すると、体積が減少するので、０．０４３ｍｍ3となる。そして、この体積をもとに、溶融半田は表面張力によって球状となり、その際の頂点の高さは図６に示すように０．３ｍｍとなる。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
【００４２】
（５）実施例４の基板の製造工程の説明
実施例４の基板の製造工程は、実施例３と接合部材収納孔１２の孔の深さを除いて同一である。 （実施例５）
図１３に実施例５の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１３は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００４３】
（１）基板構造の説明
図１３に、プリント基板１１の一部分の断面図を示す。実施例１とは、印刷半田１４がない点のみが異なる。
【００４４】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張差によりギャップが０．２１ｍｍ発生する例である。このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、熱膨張材１５を下層に充填半田１６を上層に収容されている。この結果、熱膨張材１５の膨張により、充填半田１６が上に押し上げられる。そして、充填半田１６の溶融により、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００４５】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、電子部品２１の半田ボール２２にフラックスを塗布して仮接着する。このため、部品搭載機のプリフラックス機能を利用する。部品搭載機は、ノズルが電子部品２１を吸着し、フラックスの入ったトレイに電子部品２１を置いて半田ボール２２にフラックスを塗布し、電子部品２１をプリント基板１１上にマウントする（図５のＳ１ステップ）。
（ｂ)次に電子部品２１を搭載したプリント基板をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｃ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が過熱により膨張する。このため、電子部品２１とプリント基板１１側の熱膨張により、電子部品２１に反りが発生して半田ボール２２と基板電極１３間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２と充填半田１６が溶融する。
（ｄ)一方、熱膨張材１５は、熱膨張により、体積が増加して、充填半田１６を上方へ押し上げる。
（ｅ)押し上げられた充填半田１６は、溶融によりボール上に変形する。
（ｇ)変形したボール状の半田は、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップを埋める高さとなり、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００４６】
（４）ギャップ補完処理の説明
実施例１と同様のプリント基板１１の構造のため、押出された充填半田１６の体積は、０．０４２ｍｍ3となる。この場合の充填半田１６の溶融したときの体積は、０．０２５ｍｍ3である。充填半田１６は、０．０２５ｍｍ3の場合のボール状となったときの高さは、図６に示すように０．２１ｍｍである。この結果、電子部品２１の反りによるギャップ０．２１ｍｍが生じても、電子部品２１とプリント基板１１は、接合が可能となる。
【００４７】
（５）実施例５の基板の製造工程の説明
実施例５の基板の製造工程は、実施例１と印刷半田１４の工程がない点が異なるのみである。
【００４８】
（実施例６）
図１４に実施例６の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１４は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００４９】
（１）基板構造の説明
図１４に、プリント基板１１の一部分の断面図を示す。実施例３とは、印刷半田１４がない点のみが異なる。
【００５０】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張差によるギャップが例えば０．２１ｍｍ発生する例である。このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、充填半田１６が収容されている。この結果、充填半田１６の中のフラックスにより形成される空気の膨張により、充填半田１６が押し上げられ電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００５１】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、電子部品２１の半田ボール２２にフラックスを塗布して仮接着する。このため、部品搭載機のプリフラックス機能を利用する。部品搭載機は、ノズルが電子部品２１を吸着し、フラックスの入ったトレイに電子部品２１を置いて半田ボール２２にフラックスを塗布し、電子部品２１をプリント基板１１上にマウントする（図５のＳ１ステップ）。
（ｂ)次に電子部品２１を搭載したプリント基板をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｃ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１側の熱膨張し、電子部品２１に反りが発生して半田ボール２２と基板電極１３間にギャップを生
ずる。また、半田ボール２２と充填半田１６が溶融する。
（ｄ) 一方、充填半田１６は、熱膨張により、フラックス等が蒸発することにより、空気エリアが発生する。
（ｅ) その空気エリアの膨張により、充填半田１６が押し上げられる。
（ｆ) そして、溶融した充填半田１６は変形してボール状になる。このため、電子部品２１とプリント基板１１の基板電極１３間のギャップを埋めて接合される（図５のＳ３ステップ）。
【００５２】
（４）ギャップ補完処理の説明
印刷半田１４を除いて実施例３と同様のプリント基板１１の構造の場合、押出された充填半田１６の体積は、０．０２９ｍｍ3となる。充填半田１６は、０．０２９ｍｍ3の場合のボール状となったときの高さは、図６に示すように０．２３ｍｍである。この結果、電子部品２１の反りによるギャップ０．２１ｍｍが生じても、電子部品２１とプリント基板１１は、接合が可能となる。
【００５３】
（５）実施例６の基板の製造工程の説明
実施例６の基板の製造工程は、実施例３と印刷半田１４の工程がない点が異なるのみである。
【００５４】
このように、基板ユニット１により電子部品２１に反りが生じても、電子部品２１とプリント基板１１とを接合できる。また、実施例５および実施例６のように印刷半田１４がない場合でもプリント基板１１上に電子部品２１を実装できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来の電子部品とプリント基板の接合の説明図
【図２】電子部品とプリント基板の接合の原理説明図
【図３】実施例１の基板ユニットの説明図
【図４】電子部品とプリント基板とのギャップ補完の説明図
【図５】基板ユニットの半田付けの製造方法の概略処理図
【図６】半田の体積と半田の高さとの関係の説明図
【図７】実施例１の基板の製造工程
【図８】実施例２の基板ユニットの説明図
【図９】実施例２の基板の製造工程
【図１０】実施例３の基板ユニットの説明図
【図１１】実施例３の基板の製造工程
【図１２】実施例４の基板ユニットの説明図
【図１３】実施例５の基板ユニットの説明図
【図１４】実施例６の基板ユニットの説明図
【符号の説明】
【００５６】
１ 基板ユニット
１１ 基板
１２ 接合部材収納部
１３ 基板電極
１４ 印刷半田
１５ 熱膨張材
１６ 充填半田
２１ 電子部品
２２ 電子部品の半田ボール
２３ 電子部品の電極
２４ プリント基板の半田ボール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品をはんだ接続する基板ユニットおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の小型化、高密度化に伴い、電子部品をプリント基板に実装するための実装密度の向上が要求されている。このため、電子部品の実装面に配置された格子状の半田ボールを、プリント基板表面に形成した基板電極に接合するというボールグリッドアレイ（ＢＧＡ：Ball Grid Array）と呼ばれる実装方法が行われている。そして、上記小型化、高密度化された電子機器では、電子部品を実装するための基板電極も微細化、高密度化される。
【０００３】
従来、電子部品を位置合わせする際に、基板電極表面に半田を印刷し、その印刷した半田の粘着性を利用して電子部品側の半田ボールをプリント基板上に仮止めした後にリフロー炉で半田ボールの融点以上に加熱して溶融し、その後室温にすることで、電子部品と基板電極との接合を行っている（特許文献１）。
【０００４】
図１に従来の電子部品とプリント基板の接合の説明図を示す。
電子部品６１がプリント基板５１に対して反りを生じている例である。電子部品６１の半田ボール６２を介した電極（図示略）とプリント基板５１の印刷半田５３を介した基板電極５２とを接合するために、電子部品６１を仮接着したプリント基板５１がリフロー炉に投入され加熱される。このとき、プリント基板５１の熱膨張係数と電子部品６１の熱膨張係数との間の差があると、反りが発生する。この反りにより、電子部品６１とプリント基板５１との間にギャップが発生するため、プリント基板５１の基板電極５２と電子部品６１の電極との間に接合できない部分が発生し、接合不良となる。
【特許文献１】特開平１０−３１３１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このため、熱膨張による部品の反り、基板の反りによって電子部品とプリント基板にギャップが生じた場合でも、接合できる基板ユニットおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
基板ユニットは、電極を有する電子部品と、前記電極に対応する位置に配置された基板電極を有し前記電子部品を搭載するプリント基板と、前記基板電極の中央から内部に向けて設けられた凹部と、前記凹部内に充填され、加熱すると前記基板電極から突出する接合部材とを有する。
【０００７】
この構成により、電子部品等に反りが生じても、接合部材の熱膨張により、電子部品とプリント基板とを接合できる。
【発明の効果】
【０００８】
開示の基板ユニットは、電子部品等に反りが生じても、電子部品とプリント基板とを接合できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施例の説明の前に電子部品とプリント基板の接合の原理を説明する。
図２に電子部品とプリント基板の接合の原理説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。
プリント基板１１の基板電極１３の中央からプリント基板１１の内部に向けて円筒状の接合部材収納孔１２を設ける。 凹部の接合部材収納孔１２には、接合部材を充填する。図２は、接合部材として、充填半田１６を上部に熱膨張材１５を下部に充填した例である。電子部品２１の半田付け時の反りが既知の場合は、図２に示すように電子部品２１の反りに合わせた接合部材収納孔１２が設けられる。電子部品２１の反りについて未知の部分がある場合、あるいは、印刷半田１４が無い場合には、基板電極１３のすべての部分に接合部材収納孔１２を配置する。
【００１０】
リフロー炉に基板ユニット１が投入され加熱されると、熱膨張による電子部品２１等の反りにより電子部品２１とプリント基板１１間にギャップを生ずる。しかし、熱膨張により接合部材が基板電極１３から突出することで、電子部品２１の電極(図示なし)とプリント基板１１の基板電極１３が接合する。
図２の例では、接合部材である熱膨張材１５の熱膨張により接合部材である充填半田１６が、基板電極１３から突出して印刷半田１４とともに、電子部品２１の電極(図示なし)に接続している半田ボール２２に接合する。このようなプリント基板１１の構造を採用することで、電子部品２１の電極（図示なし）とプリント基板１１の基板電極１３間は、確実に接合される。
【００１１】
(実施例１)
図３に実施例１の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図３は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００１２】
・ 基板構造の説明
図３に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１は、ガラスエポキシ樹脂製である。プリント基板１１は、例えば幅２１０ｍｍ×奥行き３００ｍｍである。また厚さは、２．４ｍｍとする。この厚さのため、ほとんど反りは発生しない。
凹部としての接合部材収納孔１２は、例えば直径０．４ｍｍ、深さ２．１８ｍｍの円筒形の孔とする。 基板電極１３の中央からプリント基板１１の内部に形成された非貫通孔である。また、接合部材収納孔１２は、接合部材として熱膨張材１５を下層に、充填半田１６を上層に収容する。
【００１３】
基板電極１３は、直径０．５ｍｍのＣｕメッキでできている。電子部品２１の半田ボール２２に対応する位置に形成されている。
印刷半田１４は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．５ｍｍ×高さ０．１５ｍｍの体積を占める。体積は、０．０２９ｍｍ3である。フラックスは、１２wt％程度である。
熱膨張材１５は、例えばエポキシ系のアンダフィル材を使用する。直径０．４ｍｍ×高さ１．８５ｍｍの体積を占める。体積は、０．２３ｍｍ3である。線膨張係数は、３００ｐｐｍ／℃である。
充填半田１６は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．４ｍｍ×高さ０．３３ｍｍの体積を占める。体積は、０．０４２ｍｍ3である。フラックスは、１２wt％程度である。
【００１４】
（２）電子部品の説明
図３に、電子部品２１の一部分を拡大した断面図を示す。
電子部品２１は、例えば表面実装型のＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）である。電極２３に予めボール状の半田ボール２２を形成した例である。半田ボール２２は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。半田ボール２２の直径は、例えば直径０．５ｍｍとする。電子部品２１は、例えば幅３３ｍｍ×奥行き３３ｍｍ×高さ２．３ｍｍの寸法を有するものである。
【００１５】
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張に差があるため、接合部に反りが発生し、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生じる。このギャップは、例えば０．３ｍｍである。
ギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、熱膨張材１５を下層に充填半田１６を上層に収容されている。この結果、熱膨張材１５の膨張により、充填半田１６が上に押し上げられる。
【００１６】
図４に、電子部品とプリント基板とのギャップ補完の説明図を示す。電子部品２１の電極２３は、省略している。
図４（ａ）は、充填半田１６と印刷半田１４は溶融により一体となり、半田ボール２４となって、電子部品２１の半田ボール２２に接触したときの状態を示す図である。このあと、図４（ｂ）に示すように、半田ボール２４と半田ボール２２は、一体化することで、表面張力により柱状またはボール状となり、電子部品２１とプリント基板１１は、接合が完了する。
【００１７】
（３）接合処理の説明
図５に基板ユニットの半田付けの製造方法の概略処理図を示す。各実施例に共通である。（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)印刷半田１４により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（Ｓ１ステップ）。
（ｃ)次に電子部品２１が搭載されたプリント基板１１をリフロー炉に投入する（Ｓ２ステップ）。
（ｄ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が熱膨張し、電子部品２１に反りが発生する。その結果、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２、印刷半田１４および充填半田１６が溶融する。（ｅ)一方、熱膨張材１５は、熱膨張により、体積が増加して、充填半田１６を上方に上方へ押し上げる。
（ｆ)その押し上げられた充填半田１６は、印刷半田１４と溶融により一体となり、ボール状に変形する。
（ｇ)変形したボール状の半田は、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める高さとなるため、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、印刷半田１４とが接合する（Ｓ３ステップ）。
【００１８】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを補完するための動作について説明する。
【００１９】
(ａ)熱膨張材の膨張
熱膨張材１５の線膨張係数は、３００ｐｐｍ/℃のため、体積膨張率は、９００ｐｐｍ/℃となる。一方、常温２０℃から２２０℃への昇温は、ΔＴ=２００である。従って、熱膨張材１５の体積の膨張は、（９００／１０の６乗）×(熱膨張材１５の体積０．２３ｍｍ3)×（昇温２００）＝０．０４２ｍｍ3となる。
【００２０】
(ｂ)一方、充填半田１６の体積は、０．０４２ｍｍ3である。
【００２１】
(ｃ)従って、熱膨張材１５は、熱膨張により、充填半田１６をプリント基板１１の表面まで全て押出す。但し熱膨張材１５の体積膨張が、全て充填半田１６側に生じた場合である。
【００２２】
(ｄ)一方押出された充填半田１６の体積０．０４２ｍｍ3＋印刷半田１４の体積０．０２９ｍｍ3＝０．０７１ｍｍ3であるが、溶融すると、体積が減少して０．０４３ｍｍ3となる。
【００２３】
図６に半田の体積と半田の高さとの関係の説明図を示す。基板電極１３の直径は、０．５mmの場合である。
溶融半田の体積を横軸に示す。また、溶融半田が表面張力によって球状となったときの半田の高さを縦軸に示す。体積０．０１ｍｍ3の場合は、高さ０．１ｍｍ、体積０．０２ｍｍ3の場合は、高さ０．１８ｍｍ、体積０．０４ｍｍ3の場合は、高さ０．２９ｍｍ、体積０．０６ｍｍ3の場合は、高さ０．３７ｍｍである。そして、図４に示すように０．０４３ｍｍ3の溶融半田の体積の場合には、半田ボール高さは０．３ｍｍを越える。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
【００２４】
（５）実施例１の基板の製造工程の説明
次に、図７に、実施例１の基板の製造工程を説明する。
(ａ)予め基板電極１３が形成されているプリント基板１１を準備する（図７（ａ）参照）。
(ｂ)次に、基板電極１３の中央部から垂直方向にドリルにより接合部材収納孔１２を形成する（図７（ｂ）参照）。
(ｃ)次に、接合部材収納孔１２の内部に熱膨張材１５をディスペンサで注入する。接合部材収納孔１２の底面から１．８５ｍｍまで注入する（図７（ｃ）参照）。
(ｄ)次に、接合部材収納孔１２に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて充填半田１６を接合部材収納孔１２の内部に充填する（図７（ｄ）参照）。
(ｅ)次に、基板電極１３に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて印刷半田１４を塗布する（図７（ｅ）参照）。
【００２５】
（実施例２）
図８に実施例２の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図８は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００２６】
（１）基板構造の説明
図８に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１、接合部材収納孔１２、基板電極１３および印刷半田１４は、実施例１と同一である。
接合部材収納孔１２には、接合部材としての熱膨張材１５のみが収容される点が実施例１と異なる。
熱膨張材１５は、例えばウレタン系のアンダフィル材を使用する。直径０．４ｍｍ×高さ２．１８ｍｍの体積を占める。体積は、０．２７ｍｍ3である。線膨張係数は、３００ｐｐｍ／℃である。
【００２７】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
電子部品２１とプリント基板１１の熱膨張によるギャップが、例えば０．３ｍｍ発生する
例とする。
このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、熱膨張材１５が収容されている。この結果、熱膨張材１５の膨張により、印刷半田１４を押し上げ、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００２８】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)印刷半田１４により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（図５のＳ１ステップ）。
（ｃ)次に電子部品が搭載されたプリント基板１１をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｄ) リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が熱膨張し、電子部品２１に反りが発生する。その結果、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２、印刷半田１４が溶融する。
（ｅ)一方、熱膨張材１５は、熱膨張により、体積が増加して、印刷半田１４を上方へ押し上げる。
（ｆ)押し上げられた印刷半田１４は、溶融によりボール状に変形する。
（ｇ)変形したボール状の半田は、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める高さとなるため、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００２９】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを補完するための動作について説明する。
（ａ)熱膨張材の膨張
熱膨張材１５の線膨張係数は、３００ｐｐｍ/℃のため、体積膨張率は、９００ｐｐｍ/℃となる。一方、常温２０℃から２２０℃への昇温は、ΔＴ=２００である。従って、熱膨張材１５の体積の膨張は、（９００／１０の６乗）×(熱膨張材１５の体積０．２７ｍｍ3)×（昇温２００）＝０．０４９ｍｍ3となる。
（ｂ)従って、熱膨張材１５は、熱膨張により、０．０４９ｍｍ3膨張する。
（ｃ)これが印刷半田１４を押し上げる。溶融後の印刷半田体積０．０１８ｍｍ3＋熱膨張材膨張分０．０４９ｍｍ3＝０．０６７ｍｍ3となる。印刷半田１４は非常に表面張力の強い物質のため、ボール状を形成する。これがボール状になるとすると、その先端までの高さは、図６に示すように、０．３ｍｍを超える。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
また、実施例２の熱膨張材１６として空気を用いることもできる。
【００３０】
（５）実施例２の基板の製造工程の説明
次に、図９に、実施例２の基板の製造工程を説明する。
（ａ)予め基板電極１３が形成されているプリント基板１１を準備する（図９（ａ）参照）。
（ｂ)次に、基板電極１３の中央部から垂直方向にドリルにより接合部材収納孔１２を形成する（図９（ｂ）参照）。
（ｃ)次に、接合部材収納孔１２の内部に熱膨張材１５をディスペンサで注入する。接合部材収納孔１２の底面から２．１８ｍｍまで注入する（図９（ｃ）参照）。
（ｄ)次に、基板電極１３に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて印刷半田１４を塗布する（図９（ｄ）参照）。
【００３１】
（実施例３）
図１０に実施例３の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１０は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００３２】
（１）基板構造の説明
図１０に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１、接合部材収納孔１２、基板電極１３および印刷半田１４は、実施例１と同一である。
接合部材収納孔１２には、接合部材として充填半田１６のみが収容される点が実施例１と異なる。
充填半田１６は、融点が２２０℃のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．４ｍｍ×高さ２．１８ｍｍの体積を占める。０．２７ｍｍ3の体積を占める。フラックスが１６％wt程度含まれているものを使用する。熱膨張によりフラックスがすべて空気に変化すると仮定した場合である。
【００３３】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張によるギャップとしては、例えば０．３ｍｍ発生する例である。
このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、充填半田１６が収容されている。この結果、充填半田１６の中のフラックスにより形成される空気の膨張により、充填半田１６が押し上げられ印刷半田１４と一体となり、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００３４】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)印刷半田１４により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（図５のＳ１ステップ）。
（ｃ)次に電子部品が搭載されたプリント基板１１をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｄ) リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が熱膨張し、電子部品２１に反りが発生する。その結果、半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２、印刷半田１４が溶融する。
（ｅ) 一方、充填半田１６は、熱膨張により、フラックス等が蒸発することにより、空気エリアが発生する。
（ｆ) その空気エリアの膨張により、充填半田１６が押し上げられる。
（ｇ) 充填半田１６は、印刷半田１４を押し上げる。そして溶融した充填半田１６および印刷半田１４は一体化して変形しボール状になる。そして、ボールの高さが電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める寸法となるため、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、プリント基板１１の印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００３５】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを埋めるための具体的な処理について説明する。
（ａ）充填半田１６の加熱
充填半田内の空気分の体積を１６％とする。空気の体積＝充填半田１６の体積０．２７ｍｍ3×０．１６＝０．０４３ｍｍ3である。
それが接合部材収納孔１２の中央に集中しているとした場合、シャルルの法則により２０℃から２２０℃へ昇温で空気は、｛（２２０＋２７３）／２７３｝／｛（２０＋２７３）
／２７３｝＝１．６８倍に膨張する。但し気圧の影響はないものと仮定する。
従って膨張する部分は、０．０４３ｍｍ3×０．６８＝０．０２９ｍｍ3である。
（ｂ）これが充填半田１６を上方に０．０２９ｍｍ3押し出す。
（ｃ）一方押出された充填半田１６の体積０．０２９ｍｍ3＋印刷半田１４の体積０．０２９ｍｍ3＝０．０５８ｍｍ3であるが、溶融した際、充填半田の体積は接合部材収納孔１２の中央に空気が集中していると仮定しているため減少しないが、印刷半田の体積は減少するため、０．０４６ｍｍ3となる。そして、この体積をもとに、溶融半田は表面張力によってボール状となり、その際の頂点の高さは、図６に示すように、０．３ｍｍを超える。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
【００３６】
（５）実施例３の基板の製造工程の説明
次に、図１１に、実施例３の基板の製造工程を説明する。
（ａ）予め基板電極１３が形成されているプリント基板１１を準備する（図１１（ａ）参照）。
（ｂ）次に、基板電極１３の中央部から垂直方向にドリルにより接合部材収納孔１２を形成する（図１１（ｂ）参照）。
（ｃ）次に、接合部材収納孔１２に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて充填半田１６を接合部材収納孔１２の内部に充填する（図１１（ｃ）参照）。
（ｄ）次に、基板電極１３に対応する開口部を有するメタルマスク及びスキージを用いて印刷半田１４を塗布する（図１１（ｄ）参照）。
【００３７】
（実施例４）
図１２に実施例４の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１２は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００３８】
（１）基板構造の説明
図１２に、プリント基板１１の一部分を拡大した断面図を示す。
プリント基板１１、基板電極１３および印刷半田１４は、実施例１と同一である。
接合部材収納孔１２は、例えば直径０．４ｍｍ、深さ０．３３ｍｍの円筒形の孔とする。基板電極１３の中央からプリント基板１１の内部に形成された非貫通孔である。接合部材収納孔１２は、接合部材としての充填半田１６を収容する。
充填半田１６は、融点が２２０度のＳｎ−Ａｇ-Ｃｕである。直径０．４ｍｍ×高さ０．３３ｍｍの体積を占める。体積は、０．０４２ｍｍ3の体積である。フラックスは、１２wt％程度である。
【００３９】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張によるギャップとしては、例えば０．３ｍｍ発生する例である。
このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、充填半田１６が収容されている。この結果、溶融した充填半田１６が自重により、印刷半田１４を押しさげて、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００４０】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、プリント基板１１の基板電極１３上の印刷半田１４上に電子部品２１を半田ボール２２で位置あわせをして搭載する。
（ｂ)充填半田１６により、電子部品２１の半田ボール２２が仮接着される（図５のＳ１
ステップ）。
（ｃ）電子部品２１およびプリント基板１１を上から治具を取り付け、固定する。治具下面には基板や部品中央を指示するピンが付いている。
（ｃ)次に上下反転して治具ごとリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｄ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が膨張する。このため、電子部品２１とプリント基板１１側の熱膨張により、電子部品２１に反りが発生して半田ボール２２と印刷半田１４間にギャップを生ずる。また半田ボール２２と印刷半田１４、充填半田１６が溶融する。
（ｅ) 充填半田１６は、熱により溶融し、自重で下降する。
（ｆ) 下降すると、溶融した印刷半田１４と一体となり、変形しボール状になる。そして、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップ０．３ｍｍを埋める寸法となり、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、プリント基板１１の印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００４１】
（４）ギャップ補完処理の説明
ギャップ０．３ｍｍを埋めるための具体的な処理について説明する。
充填半田１６の体積０．０４２ｍｍ3＋印刷半田１４の体積０．０２９ｍｍ3＝０．０７１ｍｍ3であるが、溶融すると、体積が減少するので、０．０４３ｍｍ3となる。そして、この体積をもとに、溶融半田は表面張力によって球状となり、その際の頂点の高さは図６に示すように０．３ｍｍとなる。その結果、電子部品２１とプリント基板１１は、ギャップを生じていても、接合が可能となる。
【００４２】
（５）実施例４の基板の製造工程の説明
実施例４の基板の製造工程は、実施例３と接合部材収納孔１２の孔の深さを除いて同一である。 （実施例５）
図１３に実施例５の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１３は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００４３】
（１）基板構造の説明
図１３に、プリント基板１１の一部分の断面図を示す。実施例１とは、印刷半田１４がない点のみが異なる。
【００４４】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張差によりギャップが０．２１ｍｍ発生する例である。このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、熱膨張材１５を下層に充填半田１６を上層に収容されている。この結果、熱膨張材１５の膨張により、充填半田１６が上に押し上げられる。そして、充填半田１６の溶融により、電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００４５】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、電子部品２１の半田ボール２２にフラックスを塗布して仮接着する。このため、部品搭載機のプリフラックス機能を利用する。部品搭載機は、ノズルが電子部品２１を吸着し、フラックスの入ったトレイに電子部品２１を置いて半田ボール２２にフラックスを塗布し、電子部品２１をプリント基板１１上にマウントする（図５のＳ１ステップ）。
（ｂ)次に電子部品２１を搭載したプリント基板をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｃ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１が過熱により膨張する。このため、電子部品２１とプリント基板１１側の熱膨張により、電子部品２１に反りが発生して半田ボール２２と基板電極１３間にギャップを生ずる。また、半田ボール２２と充填半田１６が溶融する。
（ｄ)一方、熱膨張材１５は、熱膨張により、体積が増加して、充填半田１６を上方へ押し上げる。
（ｅ)押し上げられた充填半田１６は、溶融によりボール上に変形する。
（ｇ)変形したボール状の半田は、電子部品２１とプリント基板１１間のギャップを埋める高さとなり、電子部品２１の溶解している半田ボール２２と、印刷半田１４とが接合する（図５のＳ３ステップ）。
【００４６】
（４）ギャップ補完処理の説明
実施例１と同様のプリント基板１１の構造のため、押出された充填半田１６の体積は、０．０４２ｍｍ3となる。この場合の充填半田１６の溶融したときの体積は、０．０２５ｍｍ3である。充填半田１６は、０．０２５ｍｍ3の場合のボール状となったときの高さは、図６に示すように０．２１ｍｍである。この結果、電子部品２１の反りによるギャップ０．２１ｍｍが生じても、電子部品２１とプリント基板１１は、接合が可能となる。
【００４７】
（５）実施例５の基板の製造工程の説明
実施例５の基板の製造工程は、実施例１と印刷半田１４の工程がない点が異なるのみである。
【００４８】
（実施例６）
図１４に実施例６の基板ユニットの説明図を示す。
基板ユニット１は、電子部品２１とプリント基板１１とを有する。図１４は、リフロー前の基板ユニット１の状態を示す。
【００４９】
（１）基板構造の説明
図１４に、プリント基板１１の一部分の断面図を示す。実施例３とは、印刷半田１４がない点のみが異なる。
【００５０】
（２）電子部品の説明
電子部品２１の構造は、実施例１と同様である。
プリント基板１１と電子部品２１との接合において、両者の熱膨張差によるギャップが例えば０．２１ｍｍ発生する例である。このギャップを補完するため、接合不良の発生する場所に接合部材収納孔１２を設けて接合の補強を行う。接合部材収納孔１２には、充填半田１６が収容されている。この結果、充填半田１６の中のフラックスにより形成される空気の膨張により、充填半田１６が押し上げられ電子部品２１の半田ボール２２と接合する。
【００５１】
（３）接合処理の説明
（ａ)まず、電子部品２１の半田ボール２２にフラックスを塗布して仮接着する。このため、部品搭載機のプリフラックス機能を利用する。部品搭載機は、ノズルが電子部品２１を吸着し、フラックスの入ったトレイに電子部品２１を置いて半田ボール２２にフラックスを塗布し、電子部品２１をプリント基板１１上にマウントする（図５のＳ１ステップ）。
（ｂ)次に電子部品２１を搭載したプリント基板をリフロー炉に投入する（図５のＳ２ステップ）。
（ｃ)リフロー炉での２２０℃への過熱により、電子部品２１とプリント基板１１側の熱膨張し、電子部品２１に反りが発生して半田ボール２２と基板電極１３間にギャップを生
ずる。また、半田ボール２２と充填半田１６が溶融する。
（ｄ) 一方、充填半田１６は、熱膨張により、フラックス等が蒸発することにより、空気エリアが発生する。
（ｅ) その空気エリアの膨張により、充填半田１６が押し上げられる。
（ｆ) そして、溶融した充填半田１６は変形してボール状になる。このため、電子部品２１とプリント基板１１の基板電極１３間のギャップを埋めて接合される（図５のＳ３ステップ）。
【００５２】
（４）ギャップ補完処理の説明
印刷半田１４を除いて実施例３と同様のプリント基板１１の構造の場合、押出された充填半田１６の体積は、０．０２９ｍｍ3となる。充填半田１６は、０．０２９ｍｍ3の場合のボール状となったときの高さは、図６に示すように０．２３ｍｍである。この結果、電子部品２１の反りによるギャップ０．２１ｍｍが生じても、電子部品２１とプリント基板１１は、接合が可能となる。
【００５３】
（５）実施例６の基板の製造工程の説明
実施例６の基板の製造工程は、実施例３と印刷半田１４の工程がない点が異なるのみである。
【００５４】
このように、基板ユニット１により電子部品２１に反りが生じても、電子部品２１とプリント基板１１とを接合できる。また、実施例５および実施例６のように印刷半田１４がない場合でもプリント基板１１上に電子部品２１を実装できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来の電子部品とプリント基板の接合の説明図
【図２】電子部品とプリント基板の接合の原理説明図
【図３】実施例１の基板ユニットの説明図
【図４】電子部品とプリント基板とのギャップ補完の説明図
【図５】基板ユニットの半田付けの製造方法の概略処理図
【図６】半田の体積と半田の高さとの関係の説明図
【図７】実施例１の基板の製造工程
【図８】実施例２の基板ユニットの説明図
【図９】実施例２の基板の製造工程
【図１０】実施例３の基板ユニットの説明図
【図１１】実施例３の基板の製造工程
【図１２】実施例４の基板ユニットの説明図
【図１３】実施例５の基板ユニットの説明図
【図１４】実施例６の基板ユニットの説明図
【符号の説明】
【００５６】
１ 基板ユニット
１１ 基板
１２ 接合部材収納部
１３ 基板電極
１４ 印刷半田
１５ 熱膨張材
１６ 充填半田
２１ 電子部品
２２ 電子部品の半田ボール
２３ 電子部品の電極
２４ プリント基板の半田ボール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する電子部品と、
前記電極に対応する位置に配置された基板電極を有し、前記電子部品を搭載するプリント基板と、
前記基板電極の中央から内部に向けて設けられた凹部と、
前記凹部内に充填され、加熱すると前記基板電極から突出する接合部材とを有することを特徴とする基板ユニット。
【請求項２】
前記基板電極と前記電極間に設けられ、前記接合部材の突出によって、前記電極方向に押し上げられる半田部材とをさらに有することを特徴とする請求項１記載の基板ユニット。
【請求項３】
前記接合部材は、半田であることを特徴とする請求項１または２記載の基板ユニット。
【請求項４】
前記接合部材は、熱膨張材であることを特徴とする請求項１または２記載の基板ユニット。
【請求項５】
前記接合部材は、半田と熱膨張材であることを特徴とする請求項１または２記載の基板ユニット。
【請求項６】
電子部品が有する電極に対応する位置に配置されたプリント基板上の基板電極中央部に凹部を形成し、
前記凹部に接合部材を充填し、
前記凹部上に印刷半田を塗布することを特徴とする基板ユニット製造方法。
【請求項１】
電極を有する電子部品と、
前記電極に対応する位置に配置された基板電極を有し、前記電子部品を搭載するプリント基板と、
前記基板電極の中央から内部に向けて設けられた凹部と、
前記凹部内に充填され、加熱すると前記基板電極から突出する接合部材とを有することを特徴とする基板ユニット。
【請求項２】
前記基板電極と前記電極間に設けられ、前記接合部材の突出によって、前記電極方向に押し上げられる半田部材とをさらに有することを特徴とする請求項１記載の基板ユニット。
【請求項３】
前記接合部材は、半田であることを特徴とする請求項１または２記載の基板ユニット。
【請求項４】
前記接合部材は、熱膨張材であることを特徴とする請求項１または２記載の基板ユニット。
【請求項５】
前記接合部材は、半田と熱膨張材であることを特徴とする請求項１または２記載の基板ユニット。
【請求項６】
電子部品が有する電極に対応する位置に配置されたプリント基板上の基板電極中央部に凹部を形成し、
前記凹部に接合部材を充填し、
前記凹部上に印刷半田を塗布することを特徴とする基板ユニット製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−４５２４６（Ｐ２０１０−４５２４６Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０９０１０（Ｐ２００８−２０９０１０）
【出願日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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