実装基板の接合方法
【課題】大掛かりな設備を要することなく、最終的なはんだ接合部形状をはんだ材料の供給形状によって自由に制御することができる実装基板の接合方法を提供すること。
【解決手段】プリント配線基板面に複数のはんだによって電子部品が接合されている実装基板において、はんだ材料と接合する電極部、若しくはその近傍に強磁性材料を配し、円柱状若しくは鼓形状のはんだ材料を供給し、はんだ部材の溶融温度以下までヒーターにより加熱し、その後、電磁誘導加熱を付加して電極近傍のはんだ材料のみを溶融し接合を行う。
【解決手段】プリント配線基板面に複数のはんだによって電子部品が接合されている実装基板において、はんだ材料と接合する電極部、若しくはその近傍に強磁性材料を配し、円柱状若しくは鼓形状のはんだ材料を供給し、はんだ部材の溶融温度以下までヒーターにより加熱し、その後、電磁誘導加熱を付加して電極近傍のはんだ材料のみを溶融し接合を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の実装基板の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、はんだ材料による接合方法としては、電子部品、基板、はんだ材料を所定の位置にセットし、全体を加熱することではんだ材料を溶融し接合構造を構築する方法が主流である。
【０００３】
一方、特許文献１，２には、電磁誘導加熱によって、はんだ材料を選択的に加熱溶融するリフロー方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−４６３５３号公報
【特許文献２】特開２００１−４４６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の全体を加熱することではんだ材料を溶融し接合構造を構築する方法では、はんだ接合部の形状は、はんだ材料の上にセットされる電子部品の重量と、はんだ材料の表面張力によって球形になろうとする力のバランスによって決まってしまい、いわゆる太鼓型になってしまう。この形状は、はんだ接合部の剛性をいたずらに上昇させてしまい、熱や機械的な繰り返し荷重による疲労寿命を低下させる結果となっている。はんだ接合部の形状は円柱型、更には太鼓型と逆に反った鼓型が疲労寿命を長くできることが知られている。
【０００６】
一方、上記に対して前記特許文献１，２にある電磁誘導加熱のみによる加熱では、ヒーターによる加熱に比べ絶対的にパワーが不足している上に、はんだ材料を溶融するには２００℃以上の温度を必要としている点、更に非加熱材料への伝導による熱の流出の影響で、はんだ材料の溶融温度に至るまでには非常に長時間を要し効率的ではない。又、それだけの高発熱を得るため装置的にも可成り大掛かりな設備になってしまう問題がある。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、大掛かりな設備を要することなく、最終的なはんだ接合部形状をはんだ材料の供給形状によって自由に制御することができる実装基板の接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、プリント配線基板面に複数のはんだによって電子部品が接合されている実装基板において、はんだ材料と接合する電極部、若しくはその近傍に強磁性材料を配し、円柱状若しくは鼓形状のはんだ材料を供給し、はんだ部材の溶融温度以下までヒーターにより加熱し、その後、電磁誘導加熱を付加して電極近傍のはんだ材料のみを溶融し接合を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電磁誘導加熱のパワー不足をヒータ加熱で補うことで加熱昇温の効率化を図るとともに、電磁誘導加熱により昇温させる温度差が少なくて済むため、大掛かりな設備を必要としない簡易的な付加設備で十分性能を満足できる。
【００１０】
又、はんだ材料の電極と接合する近傍のみを溶融し接合を行うため、供給するはんだ材料の形状を接合後も維持することが可能となり、最終的なはんだ接合部形状をはんだ材料の供給形状によって自由に制御可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１に本実施形態に使用した電子部品（チップパッケージ）の概略図を示す。
【００１３】
半導体チップパッケージの内部は、フィルム１と、フィルム１の片側面にマウントされたＩＣチップである半導体素子２と、半導体素子２と配線パターンである電極部３とを電気的に接続するボンディングワイヤ４と、該半導体素子２をマウントするフィルム１の片側面を半導体素子２ごと封止するモールド樹脂５とから構成されている。ここで、フィルム１は、絶縁性のエラストマーであるポリイミドから構成されている。このフィルムの膜厚は０．０６ｍｍ程度である。本来、このフィルム１には電極部３の表面にははんだ部材が濡れ広がらないように規制する機能も担っているため、はんだ材料と電極部３が接触するスルーホール６には高い形状精度が要求されている。
【００１４】
しかし、本発明によれば溶融するのは、はんだ材料の極表面のみであるため、はんだ材料が電極部３上に濡れ広がってしまうことはない。よって、スルーホール６の形状精度はさほど必要とせず、はんだ材料が入る大きさでさえあれば特に問題はない。
【００１５】
本実施形態でのスルーホール６は口径０．３ｍｍの穴であり、半導体素子２がマウントされているフィルム１の片面側の開口端部において配線パターンの一部である電極部３がスルーホール６内で露出している。
【００１６】
又、配線パターンは低抵抗導電材料である銅（Ｃｕ）で構成されている。又、ボンディングワイヤ４も低抵抗導電材料である金（Ａｕ）で構成されている。
【００１７】
ここで、本実施形態では、電磁誘導加熱により、はんだ材料の電極部３と接合する極近傍を優先的に加熱するため、電極部３表面には強磁性体であるＮｉ層がメッキされており、その表面にＡｕ層がメッキされている。
【００１８】
ここで、電磁誘導加熱の原理について簡単に説明する。
【００１９】
電磁誘導加熱は、誘電コイルに数Ｈｚ〜数ｋＨｚの高周波電流を流し電磁波による磁束線密度が変化することで誘電電流を発生させる。その電流の流れによってジュール熱が生じ温度上昇をする。ジュール熱を発生させる材料には当然電流が流れる必要があるため抵抗率が低い値である必要がある。更に、ジュール熱を発生させたい材料の磁化率が大きい、即ち強磁性体である方が電磁誘導加熱の効率は高く望ましい。この条件に良く適した材料として鉄（Ｆｅ）系の材料が良く知られている。本発明による実施形態では、電極部材３のＣｕとの密着性、拡散性による相性を考慮して強磁性体層の材料としてＮｉを使用した。又、はんだ材料との密着性の改善するためにＮｉ層表面にＡｕ層をメッキした層構造としている。
【００２０】
複数の電極部３は互いに離間して設けられている。電極部同士の間隔（電極ピッチ）は０．８ｍｍである。
【００２１】
次に、上記の半導体チップパッケージを実装するプリント配線基板について説明する。
【００２２】
図２はプリント基板の概略図である。
【００２３】
電極材（Ｃｕ）とガラスエポキシ材により積層構造を成しており、その表面部分にははんだ材料と接合される電極７が形成されている。この電極７に関しても上記チップパッケージの電極部同様、Ｃｕ電極部材表面にＮｉ層、更にその表面にＡｕ層がメッキされている。又、本来のプリント配線基板では、はんだを溶融して実装する際に電極７との濡れ性が良いため、はんだが電極７の周辺部にまで回り込んでしまう現象を防止するために樹脂製のソルダーレジストが形成されているが、本発明によれば、溶融するのは、はんだ材料の極表面のみであるため、はんだ材料が電極部７上に濡れ広がってしまうことはなく、よってソルダーレジストも必要としない。
【００２４】
以上のチップパッケージとプリント配線基板を接合するプロセスを説明する。
【００２５】
チップパッケージ、プリント配線基板、はんだ材料をセットした概略図を図３に示す。
【００２６】
本実施形態でははんだ材料８は円柱形状であり、φ＝０. ３ｍｍ、高さ０. ４ｍｍのものを使用した。
【００２７】
尚、はんだ材料８と電極部３，７との間にはそれぞれはんだ材料８と電極部３及び７の接合性を高めるためフラックス材９が予め塗布されている。
【００２８】
先ず、第１工程として、全体をヒーターにより加熱する。本実施形態で使用したはんだ材料８は２１６℃〜２２０℃で溶融する。そこで、２１０℃まで加熱を行った。この時点ではんだ材料８は当然溶融状態にはならず、供給した際の円柱形状を保持している。ここで、誘電コイル１０により磁場を印加し電磁誘導加熱を行った。流した高周波電流は３０ＫＨｚ、３０ｓｅｃ間処理を行った。その後、ヒータの出力をｏｆｆにし急速冷却を行い実装が完了した基板を取り出した。
【００２９】
取り出した後のはんだ接合部の概略図を図４に示す。
【００３０】
はんだ接合部は若干太鼓型形状になっているものの、ほぼ円柱形状をなしていた。又、はんだ材料８と電極部３との接合部近傍を観察すると、はんだ材料８は若干の広がりを見せているが、ほぼ初期形状のφ＝０. ３ ｍｍであった。
【００３１】
又、はんだ材料８と電極部３，７の断面観察をしてみると、電極部表面のＡｕとはんだ材料間で金属間化合物を生成しており、良好な接合構造がなされていることが確認できた。
【００３２】
以上により得られた本発明による実装基板で熱サイクル疲労試験を行った。比較のため一般的な実装基板も同時に試験を行い比較したところ、一般的な実装基板に対して約１０倍の１００００ｃｙｃｌｅに至っても破断は発生せず、長寿命化が達成できた。
【００３３】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２に係る実装基板は、図５に示すように、実施形態１での円柱形状のはんだ材８に対して鼓型のはんだ材８’を用いた。はんだ接合部形状は、円柱形状より鼓型の方が疲労寿命に有利なことが知られているためである。
【００３４】
使用しているプリント配線基板、チップパッケージは全て実施の形態１と同じものを使用した。
【００３５】
本実施の形態では、これら部材を実施の形態１と同様のプロセスで、先ずは２１０℃まで全体を加熱した。その後、電磁誘導加熱を加えてはんだ材８’の電極部３及び７との近傍のみを溶融し接合を行った。
【００３６】
流した高周波電流は３０ｋＨｚ、３０ｓｅｃ間処理を行った。その後、ヒータの出力をｏｆｆにして急速冷却を行い、実装が完了した基板を取り出した。
【００３７】
取り出した、はんだ材料８と電極部３及び７の断面観察をしてみると、電極部表面のＡｕとはんだ材料間で金属間化合物を生成しており、良好な接合構造がなされていることが確認できた。
【００３８】
以上により得られた本発明による実装基板で熱サイクル疲労試験を行った。予想通り１００００ｃｙｃｌｅに至っても破断は発生せず、長寿命化が達成できた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のチップパッケージを示す概略図である。
【図２】本発明の基板を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る実装前の概略配置図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る実装後の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る実装前の概略配置図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ フィルム
２ プリント配線基板
３ 電極部
４ ボンディングワイヤ
５ モールド樹脂
６ スルーホール
７ 電極部
８ はんだ材
８’ はんだ材
９ フラックス材
１０ 誘電コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の実装基板の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、はんだ材料による接合方法としては、電子部品、基板、はんだ材料を所定の位置にセットし、全体を加熱することではんだ材料を溶融し接合構造を構築する方法が主流である。
【０００３】
一方、特許文献１，２には、電磁誘導加熱によって、はんだ材料を選択的に加熱溶融するリフロー方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−４６３５３号公報
【特許文献２】特開２００１−４４６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の全体を加熱することではんだ材料を溶融し接合構造を構築する方法では、はんだ接合部の形状は、はんだ材料の上にセットされる電子部品の重量と、はんだ材料の表面張力によって球形になろうとする力のバランスによって決まってしまい、いわゆる太鼓型になってしまう。この形状は、はんだ接合部の剛性をいたずらに上昇させてしまい、熱や機械的な繰り返し荷重による疲労寿命を低下させる結果となっている。はんだ接合部の形状は円柱型、更には太鼓型と逆に反った鼓型が疲労寿命を長くできることが知られている。
【０００６】
一方、上記に対して前記特許文献１，２にある電磁誘導加熱のみによる加熱では、ヒーターによる加熱に比べ絶対的にパワーが不足している上に、はんだ材料を溶融するには２００℃以上の温度を必要としている点、更に非加熱材料への伝導による熱の流出の影響で、はんだ材料の溶融温度に至るまでには非常に長時間を要し効率的ではない。又、それだけの高発熱を得るため装置的にも可成り大掛かりな設備になってしまう問題がある。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、大掛かりな設備を要することなく、最終的なはんだ接合部形状をはんだ材料の供給形状によって自由に制御することができる実装基板の接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、プリント配線基板面に複数のはんだによって電子部品が接合されている実装基板において、はんだ材料と接合する電極部、若しくはその近傍に強磁性材料を配し、円柱状若しくは鼓形状のはんだ材料を供給し、はんだ部材の溶融温度以下までヒーターにより加熱し、その後、電磁誘導加熱を付加して電極近傍のはんだ材料のみを溶融し接合を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電磁誘導加熱のパワー不足をヒータ加熱で補うことで加熱昇温の効率化を図るとともに、電磁誘導加熱により昇温させる温度差が少なくて済むため、大掛かりな設備を必要としない簡易的な付加設備で十分性能を満足できる。
【００１０】
又、はんだ材料の電極と接合する近傍のみを溶融し接合を行うため、供給するはんだ材料の形状を接合後も維持することが可能となり、最終的なはんだ接合部形状をはんだ材料の供給形状によって自由に制御可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１に本実施形態に使用した電子部品（チップパッケージ）の概略図を示す。
【００１３】
半導体チップパッケージの内部は、フィルム１と、フィルム１の片側面にマウントされたＩＣチップである半導体素子２と、半導体素子２と配線パターンである電極部３とを電気的に接続するボンディングワイヤ４と、該半導体素子２をマウントするフィルム１の片側面を半導体素子２ごと封止するモールド樹脂５とから構成されている。ここで、フィルム１は、絶縁性のエラストマーであるポリイミドから構成されている。このフィルムの膜厚は０．０６ｍｍ程度である。本来、このフィルム１には電極部３の表面にははんだ部材が濡れ広がらないように規制する機能も担っているため、はんだ材料と電極部３が接触するスルーホール６には高い形状精度が要求されている。
【００１４】
しかし、本発明によれば溶融するのは、はんだ材料の極表面のみであるため、はんだ材料が電極部３上に濡れ広がってしまうことはない。よって、スルーホール６の形状精度はさほど必要とせず、はんだ材料が入る大きさでさえあれば特に問題はない。
【００１５】
本実施形態でのスルーホール６は口径０．３ｍｍの穴であり、半導体素子２がマウントされているフィルム１の片面側の開口端部において配線パターンの一部である電極部３がスルーホール６内で露出している。
【００１６】
又、配線パターンは低抵抗導電材料である銅（Ｃｕ）で構成されている。又、ボンディングワイヤ４も低抵抗導電材料である金（Ａｕ）で構成されている。
【００１７】
ここで、本実施形態では、電磁誘導加熱により、はんだ材料の電極部３と接合する極近傍を優先的に加熱するため、電極部３表面には強磁性体であるＮｉ層がメッキされており、その表面にＡｕ層がメッキされている。
【００１８】
ここで、電磁誘導加熱の原理について簡単に説明する。
【００１９】
電磁誘導加熱は、誘電コイルに数Ｈｚ〜数ｋＨｚの高周波電流を流し電磁波による磁束線密度が変化することで誘電電流を発生させる。その電流の流れによってジュール熱が生じ温度上昇をする。ジュール熱を発生させる材料には当然電流が流れる必要があるため抵抗率が低い値である必要がある。更に、ジュール熱を発生させたい材料の磁化率が大きい、即ち強磁性体である方が電磁誘導加熱の効率は高く望ましい。この条件に良く適した材料として鉄（Ｆｅ）系の材料が良く知られている。本発明による実施形態では、電極部材３のＣｕとの密着性、拡散性による相性を考慮して強磁性体層の材料としてＮｉを使用した。又、はんだ材料との密着性の改善するためにＮｉ層表面にＡｕ層をメッキした層構造としている。
【００２０】
複数の電極部３は互いに離間して設けられている。電極部同士の間隔（電極ピッチ）は０．８ｍｍである。
【００２１】
次に、上記の半導体チップパッケージを実装するプリント配線基板について説明する。
【００２２】
図２はプリント基板の概略図である。
【００２３】
電極材（Ｃｕ）とガラスエポキシ材により積層構造を成しており、その表面部分にははんだ材料と接合される電極７が形成されている。この電極７に関しても上記チップパッケージの電極部同様、Ｃｕ電極部材表面にＮｉ層、更にその表面にＡｕ層がメッキされている。又、本来のプリント配線基板では、はんだを溶融して実装する際に電極７との濡れ性が良いため、はんだが電極７の周辺部にまで回り込んでしまう現象を防止するために樹脂製のソルダーレジストが形成されているが、本発明によれば、溶融するのは、はんだ材料の極表面のみであるため、はんだ材料が電極部７上に濡れ広がってしまうことはなく、よってソルダーレジストも必要としない。
【００２４】
以上のチップパッケージとプリント配線基板を接合するプロセスを説明する。
【００２５】
チップパッケージ、プリント配線基板、はんだ材料をセットした概略図を図３に示す。
【００２６】
本実施形態でははんだ材料８は円柱形状であり、φ＝０. ３ｍｍ、高さ０. ４ｍｍのものを使用した。
【００２７】
尚、はんだ材料８と電極部３，７との間にはそれぞれはんだ材料８と電極部３及び７の接合性を高めるためフラックス材９が予め塗布されている。
【００２８】
先ず、第１工程として、全体をヒーターにより加熱する。本実施形態で使用したはんだ材料８は２１６℃〜２２０℃で溶融する。そこで、２１０℃まで加熱を行った。この時点ではんだ材料８は当然溶融状態にはならず、供給した際の円柱形状を保持している。ここで、誘電コイル１０により磁場を印加し電磁誘導加熱を行った。流した高周波電流は３０ＫＨｚ、３０ｓｅｃ間処理を行った。その後、ヒータの出力をｏｆｆにし急速冷却を行い実装が完了した基板を取り出した。
【００２９】
取り出した後のはんだ接合部の概略図を図４に示す。
【００３０】
はんだ接合部は若干太鼓型形状になっているものの、ほぼ円柱形状をなしていた。又、はんだ材料８と電極部３との接合部近傍を観察すると、はんだ材料８は若干の広がりを見せているが、ほぼ初期形状のφ＝０. ３ ｍｍであった。
【００３１】
又、はんだ材料８と電極部３，７の断面観察をしてみると、電極部表面のＡｕとはんだ材料間で金属間化合物を生成しており、良好な接合構造がなされていることが確認できた。
【００３２】
以上により得られた本発明による実装基板で熱サイクル疲労試験を行った。比較のため一般的な実装基板も同時に試験を行い比較したところ、一般的な実装基板に対して約１０倍の１００００ｃｙｃｌｅに至っても破断は発生せず、長寿命化が達成できた。
【００３３】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２に係る実装基板は、図５に示すように、実施形態１での円柱形状のはんだ材８に対して鼓型のはんだ材８’を用いた。はんだ接合部形状は、円柱形状より鼓型の方が疲労寿命に有利なことが知られているためである。
【００３４】
使用しているプリント配線基板、チップパッケージは全て実施の形態１と同じものを使用した。
【００３５】
本実施の形態では、これら部材を実施の形態１と同様のプロセスで、先ずは２１０℃まで全体を加熱した。その後、電磁誘導加熱を加えてはんだ材８’の電極部３及び７との近傍のみを溶融し接合を行った。
【００３６】
流した高周波電流は３０ｋＨｚ、３０ｓｅｃ間処理を行った。その後、ヒータの出力をｏｆｆにして急速冷却を行い、実装が完了した基板を取り出した。
【００３７】
取り出した、はんだ材料８と電極部３及び７の断面観察をしてみると、電極部表面のＡｕとはんだ材料間で金属間化合物を生成しており、良好な接合構造がなされていることが確認できた。
【００３８】
以上により得られた本発明による実装基板で熱サイクル疲労試験を行った。予想通り１００００ｃｙｃｌｅに至っても破断は発生せず、長寿命化が達成できた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のチップパッケージを示す概略図である。
【図２】本発明の基板を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る実装前の概略配置図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る実装後の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る実装前の概略配置図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ フィルム
２ プリント配線基板
３ 電極部
４ ボンディングワイヤ
５ モールド樹脂
６ スルーホール
７ 電極部
８ はんだ材
８’ はんだ材
９ フラックス材
１０ 誘電コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント配線基板面に複数のはんだによって電子部品が接合されている実装基板において、はんだ材料と接合する電極部、若しくはその近傍に強磁性材料を配し、円柱状若しくは鼓形状のはんだ材料を供給し、はんだ部材の溶融温度以下までヒーターにより加熱し、その後、電磁誘導加熱を付加して電極近傍のはんだ材料のみを溶融し接合を行うことを特徴とする実装基板の接合方法。
【請求項１】
プリント配線基板面に複数のはんだによって電子部品が接合されている実装基板において、はんだ材料と接合する電極部、若しくはその近傍に強磁性材料を配し、円柱状若しくは鼓形状のはんだ材料を供給し、はんだ部材の溶融温度以下までヒーターにより加熱し、その後、電磁誘導加熱を付加して電極近傍のはんだ材料のみを溶融し接合を行うことを特徴とする実装基板の接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−８０４３２（Ｐ２００６−８０４３２Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６５３１３（Ｐ２００４−２６５３１３）
【出願日】平成１６年９月１３日（２００４．９．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１３日（２００４．９．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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