電子部品の実装方法、およびソルダーマスクの設計方法
【課題】下面に多数の端子を備えた電子部品をリフロー方式によって基板に実装する際、基板などの反りに起因する半田の接続不良や短絡を、信頼性を低下させたり、コストを増加させたりすることなく、確実に防止する。
【解決手段】多数の端子のそれぞれを対応するランドに対向配置させた状態で、各端子とランドとをリフロー方式によって半田付けする際、互いに対向する端子とランドとの間に供給する半田の量を、各端子とそれらに対応する各ランドのそれぞれの距離に応じて個別に増減する。
【解決手段】多数の端子のそれぞれを対応するランドに対向配置させた状態で、各端子とランドとをリフロー方式によって半田付けする際、互いに対向する端子とランドとの間に供給する半田の量を、各端子とそれらに対応する各ランドのそれぞれの距離に応じて個別に増減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子部品の実装方法に関し、具体的には、下面に多数の端子を備えた電子部品を、多数のランドが形成された基板上にリフロー方式により実装するための方法に関する。また、当該実装方法において使用されるソルダーマスクの設計方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のごとく、リフロー方式による実装方法では、電子部品の端子と接続するためにプリント基板上に形成された電極に半田を供給するとともに、電子部品を基板に載せた状態でその半田を加熱して溶かすことで、電子部品の端子と電極とを半田付けする。このリフロー方式によって、ＢＧＡやＬＧＡなど、リードピンが無く下面に多数の端子を備えた電子部品を実装する場合、普通、プリント基板側に、電子部品の各端子に対応して点在する島状の電極（ランド）を形成し、印刷によって各ランドに半田を供給する。具体的には、図６（Ａ）〜（Ｅ）に示したように、基板上２０にランド１２が形成されたプリント配線基板１０上に半田の粉末に溶剤（フラックス）を加えたペースト（ソルダーペースト）２１ａを、そのランド１２の形成箇所に対応して開口するソルダーマスク３０を用いて印刷する（Ａ）（Ｂ）。それによって、各ランド１２上にソルダーペースト２１ａの層が形成される（Ｃ）。そして、対応するランド１２と端子１３とが対向するように電子部品４０を基板上に載せ（Ｄ）、この状態で加熱すれば、ソルダーペースト２１ａ中の半田粉が溶融し、冷却すると各端子１３とランド１２とが半田２１によって接続された状態となる（Ｅ）。
【０００３】
しかしながら、基板は、リフロー半田付けに際して加熱されるため、反りが発生する。また、大型のＢＧＡやＬＧＡなどでは、それ自体に反りが発生する可能性がある。そのため、下面に多数の端子を備えた電子部品を基板上に実装すると、上述したような反りにより、電子部品の端子と基板上のランド間との上下の距離にばらつきが生じる。
【０００４】
例えば、図７（Ａ）に示したように、端子１３とランド１２との距離Ｈが大きすぎると、半田２１は、側面に括れ部２２ａがある円柱形状となり、その括れた部分２２ａでは断面積が小さくなるため信頼性が著しく低下してしまう。距離Ｈがさらに大きいと、図７（Ｂ）に示したように、括れた部分２２ａがさらに細くなり、この部分２２ａで断線する可能性もある。逆に、図７（Ｃ）に示したように、距離Ｈが短いと、半田２１が上下につぶれて水平方向に押し広げられた部分２２ｂを有する樽状となる。距離Ｈがさらに短いと、図７(Ｄ)に示したように、その樽状の半田２１がさらに扁平となり、水平方向に押し広げられた部分２２ｂが隣接するランド１２と端子１３間の半田２１と接触し、短絡を起こしてしまう可能性がある。
【０００５】
なお、以下の各特許文献１〜３には、リフロー方式によって電子部品を実装する際、基板の反りなどによって端子とランド間の距離が不均一となることに起因して発生する上記の問題を解決するための技術について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０８５５５８号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４４７３号公報
【特許文献３】特開２００８−０７１７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１と２に記載の発明は、ＩＣのバンプの大きさや形状を基板の反りに合わせて形成する、というものである。しかしながら、ＩＣは、常に同じ基板に実装されるわけではないので、自身が実装される基板に合わせてバンプの大きさや形状を調整する必要があり、製造コストが極めて高くなる。
【０００８】
また、特許文献３の技術は、端子とランドとの距離が大きい場合には、そのランドの面積を大きくし、距離が小さい場合にはランドの面積を小さくしている。そして、各ランド上に一定量のソルダーペーストを印刷している。それによって、距離が大きい場合は、小さな面積に対して相対的にペーストの量が多くなり、端子とランドとを接続する半田の形状は、高く盛り上がった形状となる。距離が小さい場合は、相対的に半田の量が少なくなり、半田は、平たい形状となる。しかしながら、ＩＣの一部の端子が、面積の小さなランドと半田で接続されることになり、その端子とランド間の接続強度が不足し、接触不良を起こす可能性がある。
【０００９】
したがって本発明は、下面に多数の端子を備えた電子部品をリフロー方式によって基板に実装する際、基板などの反りに起因する半田の接続不良や短絡を、信頼性を低下させたり、コストを増加させたりすることなく、確実に防止することができる電子部品の実装方法を提供することにある。また、この実装方法において使用されるソルダーマスクの設計方法を提供することも本発明の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明は、下面に多数の端子を備えた電子部品を、前記多数の端子のそれぞれに対応する多数のランドが形成されている基板上にリフロー方式により実装するための方法であって、
前記多数の端子のそれぞれを対応するランドに対向配置させた状態で、各端子とランドとをリフロー方式によって半田付けする際、
互いに対向する端子とランドとの間に供給する半田の量を、各端子とそれらに対応する各ランドのそれぞれの距離に応じて個別に増減する
ことを特徴としている。
【００１１】
また、前記各ランドに対応する開口が形成されたソルダーマスクを用いてソルダーペーストを前記基板上に印刷することで、互いに対向する端子とランドとの間に半田を供給し、
前記ソルダーマスクにおけるある端子ａに対応するランドｂの開口を、当該端子ａと当該ランドｂとの距離に応じた面積となるように設定することで、当該端子ａとランドｂとの間に供給する半田を増減する電子部品の実装方法とすることもできる。
【００１２】
あるいは、前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記第１の基板と同じ配置のランドが形成された第２の基板上に前記電子部品を実装する本実装ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
半田供給量計算ステップは、前記電子部品のある端子ａと、当該端子ａに対応するランドｂとの間に供給すべき最適半田量を、前記距離測定ステップにより求めた前記端子ａと前記ランドｂとの距離に基づいて計算し、
前記本実装ステップは、前記半田供給量計算ステップによって計算した供給量の半田を、前記電子部品における端子ａと前記第２の基板におけるランドｂとの間に供給するとともに、リフロー方式により、当該端子ａと当該ランドｂとを半田付けする
電子部品の実装方法としてもよい。
【００１３】
上記仮実装ステップを含む電子部品の実装方法において、前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、前記本実装ステップは、前記第２の基板におけるランドｂ上に、前記体積Ｖ１の半田を供給することとしてもよい。
【００１４】
さらに、前記本実装ステップは、所定の厚さを有するソルダーマスクを用いて前記ランドｂ上にソルダーペーストを印刷することで前記最適半田量を供給するとともに、当該ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積は、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定されていることを特徴とする電子部品の実装方法とすることもできる。
【００１５】
当該実装方法において、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口は、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積である電子部品の実装方法としてもよい。
【００１６】
上記いずれかの実装方法において、前記距離測定ステップは、特定の複数のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離については、前記実測値に基づいて計算して求めることとしてもよい。
【００１７】
さらに、前記ランドは、略矩形状の領域に形成され、前記距離測定ステップでは、当該矩形の中央と、四隅と各辺の中点の９箇所を実測点として、各実測点とそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、前記矩形の辺に平行となる３点の実測点に距離が同一の２次曲線上にあるものとして、各実測点間に含まれる他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を計算することとすれば、より短時間で各端子におけるランドとの距離を求めることができる。
【００１８】
なお、本発明は、ソルダーマスクの設計方法にも及んでおり、当該設計方法に係る発明は、下面に多数の端子を備えた電子部品を、一律に同じ形状の多数のランドがそれぞれ前記多数の端子に個別に対向配置するように形成された基板上にリフロー方式により実装する際、ソルダーペーストを前記ランド上に印刷するために使用されるソルダーマスクの設計方法であって、
前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記ソルダーマスクにおける各ランドに対応する開口の面積を計算するための開口設定ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、
前記ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積を、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定する
ことを特徴としている。
【００１９】
また、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記開口設定ステップは、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口の面積として、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積を前記ソルダーマスクの厚さＭｔで除算した値を設定するソルダーマスクの設計方法とすることもできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の電子部品の実装方法によれば、下面に多数の端子を備えた電子部品をリフロー方式によって基板に実装する際、基板やＩＣ自体の反りに起因する半田の接続不良や短絡を、信頼性を低下させたり、コストを増加させたりすることなく、確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の方法に基づいて電子部品が実装されるランドを備えた基板の一例を示す図である。
【図２】本発明の方法に基づいて、上記電子部品の端子と前記ランドとをリフロー方式で半田付けする手順の一例を示す図である。
【図３】上記半田の理想的な形状を示す図である。
【図４】上記基板における前記電子部品の実装領域を拡大した図である。
【図５】上記実装領域における端子とランド間の距離の分布を示す図である。
【図６】リフロー方式による従来の実装方法の一例を示す図である。
【図７】上記端子とランドとが従来の実装方法によってリフロー半田付けされたときの半田形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＝＝＝本発明における基本的な技術思想＝＝＝
上述したように、ＩＣのバンプの大きさや形状などを基板やＩＣ自体の反り、すなわち電子部品の端子毎のランドとの距離に合わせて個別に調整すると製造コストが増加する。また、ランドの大きさを距離に応じて調整すると、小さなランドでは接続強度が不足する。そこで本発明者が従来のリフロー方式による実装方法について考察したところ、各端子とランドとの間隙に供給されるソルダーペーストの量に着目した。そして、その供給量を電子部品の端子とランド間の距離に応じて可変調整すれば、ランドの大きさを変えることなく、端子とランドとを確実に接続できると考えた。本発明における基本的な技術思想は、このような考えに基づいている。
【００２３】
ここで、本発明の適用例として、ＬＧＡ（Land Grid Array）タイプやＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプのＩＣを電子部品とし、その電子部品を基板上に実装する例を挙げる。図１は、電子部品が実装される基板１０の一例であり、基板の平面図を示している。この基板１０には、多数のランド１２が縦横に形成された領域１１があり、以下に、本発明の一実施形態として、上記電子部品をこの基板１０に実装する形態を挙げ、本発明の詳細を説明する。
【００２４】
＝＝＝実施形態＝＝＝
本発明における基本的な技術思想は、電子部品の端子とランドとの距離に応じて半田の供給量を各端子（ランド）ごとに個別に調整することにある。図２に、当該基本思想に基づく電子部品の実装方法の代表的な手順を示した。まず、端子とランドとの距離を測定する（ｓ１）。次に、互いに半田付けされる端子とランドとの間に供給する半田の量を測定した距離に応じて決定する（ｓ２）。そして、電子部品を基板上に配置し、その決定した量の半田を各端子とランドとの間に個別に供給する（ｓ３，ｓ４）。最後に、リフロー方式によって電子部品の端子とランドとを半田付けする（ｓ５）。
【００２５】
なお、距離の測定に際しては、基板上に電子部品を実際に実装する前に、双方の反りを計測すれば、その計測値から、相対的な距離の大小がわかる。しかし、電子部品を実際に実装した状態で各端子とランドとの距離を実測すれば、半田付けされた状態での距離を測定することになり、最適な半田の供給量を求めるための根拠を得ることができる。
【００２６】
また、半田の供給方法については、ソルダーペーストをランド上に印刷するのが一般的であり、各ランドのそれぞれに印刷されるソルダーペーストの面積を可変調整することで半田の供給量を増減させることが可能とある。すなわち、ソルダーマスクは、ランドの形成位置に対応する開口を有しており、その開口面積を前記距離に応じて変えることで、半田の供給量をランド毎に調整することが可能となる。
【００２７】
なお、この調整に際しては、例えば、距離Ｈ、開口面積Ｍとした場合に、Ｈ／Ｍ＝ｃ（ｃは一定）となるようにマスクを設計するなどして、距離が大きいほど半田の量を多くし、距離が小さいほど半田の量を少なくさせればよい。しかし、半田付けの信頼性をより向上させるためには、その供給量に根拠をもたせる必要がある。すなわち、理想的な半田供給量を規定する必要がある。次に、この理想的な半田の供給量の規定方法について説明する。
【００２８】
＝＝＝理想的な半田の形状＝＝＝
図７に示したように、端子１３とランド１２との距離Ｈにかかわらず、半田２１の供給量を一律にした場合、端子１３とランド１２とが接続されているときの半田２１の形状が距離Ｈに応じて変化する。これは、平面上に溶解した半田が冷却すると、表面張力によって球状となるが、電子部品４０を基板２０上に実装する場合は、端子１３とランド１２との間隙に半田２１が供給されるため、この間隙の距離Ｈが広ければ、その球が距離方向に引き延ばされて中心が括れた円筒状となり、狭ければ逆に球が押しつぶされた扁平な樽状となる、いうことで説明がつく。したがって、図３に示したように、それぞれ球３の上方と下方を水平に切断したような形（切断球：図中網点部分）が理想的な半田であると言える。ここで、上方を端子１３、下方をランド１２とすると、この切断球１の切断面２は、電子部品の端子１３やランド１２の表面である。端子１３やランド１２が円形であれば、一方がその断面形状となる。なお、端子１３やランド１２の平面形状が矩形であれば、その矩形に内接する円が切断球１の断面２となることが予想される。そして、端子１３とランド１２との距離Ｈに応じたこの切断球１の体積Ｖ１が適切な半田供給量となる。
【００２９】
なお、半田は、ソルダーペーストなど、フラックス中に分散された状態で供給されることが多い。したがって、上記接続後の半田が上記切断球１の体積Ｖ１となるようにソルダーペーストを供給する際には、ソルダーペーストにおける半田粉の体積比から各ランド１２に供給するソルダーペーストの体積を求めればよい。また、半田の供給量を重量で規定する場合には、半田の密度と上記切断球１の体積Ｖ１とから重量を求めればよい。
【００３０】
＝＝＝半田供給量の計算＝＝＝
上述したように、半田付け後の半田の形状には、最適な形状がある。そして、最適形状が規定できたならば、その最適形状となるための半田供給量を計算し、実際にその量の半田を供給する必要がある。ここで、図３に基づいて、半田の最適供給量である体積Ｖ１を求める。なお、当該計算に当たっては、端子１３とランド１２は、当該切断球１の断面２に一致する形状であるものとし、その半径は固定値Ａであるものとする。
【００３１】
まず、電子部品におけるある端子１３とこの端子１３に対向配置されるランド１２との距離をＨとし、当該端子１３、あるいはランド１２が半径Ｒの球３を切断したとき、すなわち、半径Ｒの球３における上下の切断面２の半径がＡであるとき、その球の半径Ｒは、
Ｒ＝{Ａ２＋（Ｈ／２）２｝１／２
となる。
【００３２】
そして、球の中心を原点ｏとし、端子１３とランド１２との距離方向をｚ方向とするとともに、原点ｏからのｚ方向の距離（高さ）をｈとすると、球３を高さｈで水平に切り欠いたときの断面（円）４の半径ｒは、高さｈの関数として表すことができ、当該水平断面４の半径ｒを表す関数をｒ（ｈ）とすると、
ｒ（ｈ）＝（Ｒ２−ｈ２）１／２
となる。また、切断球１の上半分の体積（Ｖ１／２）は、高さｈにおける水平断面４の面積を原点ｏ（ｈ＝０）から端子による切断面２（ｈ＝Ｈ／２）まで積分した値である。すなわち、高さｈにおける水平断面４の面積Ｓ（ｈ）が
Ｓ（ｈ）＝πｒ（ｈ）２
であり、ｈ＝０→Ｈ／２として、切断球１の体積Ｖ１は、
Ｖ１＝２∫π｛ｒ（ｈ）｝２ｄｈ
となる。したがって、最終的に、下記の式
Ｖ１＝２｛πＲ２Ｈ／２−π（Ｈ／２）３／３｝
が導き出される。そして、先に距離Ｈと切断面２の半径Ａとから求めた球３の半径Ｒを上記式に代入すれば、半田の最適供給量である体積Ｖ１を求めることができる。
【００３３】
＝＝＝ソルダーマスクの開口面積について＝＝＝
上記の最適な量の半田は、例えば、ディスペンサを用いて各ランド毎に個別に供給することができる。しかし、一般的には、ソルダーマスクを用いて印刷することで供給する。また、印刷の方が製造コストを抑えることができる。本発明では、印刷に用いるソルダーマスクの設計方法にも及んでおり、当該方法によれば、個々のランドに対応する開口の面積を個別に設定することで、各ランドに最適な量の半田が供給されるようになっている。それによって、個々のランドごとに最適な量の半田を低コストで確実に供給することができ、結果的に、信頼性の高い実装部品を安価に提供することが可能となる。なお、本発明のソルダーマスクの設計方法において、「開口面積」は、絶対値、すなわち面積の値自体であってもよいし、ランドに対する相対面積、すなわち開口率であってもよい。以下に、当該設計方法の一例として、上記で求めた理想的な量の半田を印刷により供給する例を挙げる。
【００３４】
印刷によって供給される半田の体積は、ソルダーマスクの厚さ、開口面積、およびソルダーペーストに含まれる半田の体積によって求めることができる。ＬＧＡを実装する場合では、この印刷によって供給される半田の体積を上記切断球の体積Ｖ１に一致されればよい。また、ＢＧＡを実装する場合では、各端子に半田バンプが形成されているため、このバンプの体積Ｖ０を切断球の体積Ｖ１から差し引いた体積Ｖ２（＝Ｖ１−Ｖ０）が印刷によって供給される半田量となる。
【００３５】
そして、この半田量Ｖ２を供給するための、ソルダーマスクにおける開口直径Ｍａ、および開口率Ｍｂは、ソルダーマスクの厚さＭｔ、半田バンプの体積Ｖ０、ソルダーペースト中の半田の含有率Ｐｓ（vol%）、ランドの半径Ａの各固定値と、先に求めた切断球１の体積Ｖ１から半田バンプの体積Ｖ０を差し引いたＶ２から求めることができ、当該ＭａとＭｂは、
Ma＝２（Ｖ２／πＭｔＰｓ）１／２
Ｍｂ＝（Ｍａ／２）２／Ａ２
となる。
【００３６】
＝＝＝実施例＝＝＝
本発明の実施例として、ＢＧＡを基板に実装したときの端子とランド間の距離を測定し、その測定値に基づいて半田の供給量を計算するとともに、その供給量に基づいてソルダーマスクの面積や開口率を計算した。なお、上記計算に際して用いた固定値（Ｖ０，Ａ，Ｍｔ，Ｐｓ）を以下の表１に示した。
【表１】
【００３７】
＝＝＝距離測定方法について＝＝
半田の供給量を端子とランドとの距離に応じて調整するためには、まず、その距離を測定する必要がある。この距離は、上述したように実際に従来の方法で電子部品を基板に実装し、その実装状態における距離を測定した。しかしながら、極めて多数の端子を備えたＩＣでは、全ての端子についてランドとの距離を測定することは多大な時間と労力を要する。そこで、多数の端子の内、代表的な複数の端子について、ランドとの距離を実際に測定し、他の端子とランドとの距離をこの実測値に基づいて計算して求めてもよい。本実施例においても、実測値（以下、Ｈｒ）と計算値（Ｈｃ）とによって各端子１３とランド１２との距離を求めた。
【００３８】
図４は、先に図１に示した基板１０における電子部品実装領域１１のランド１２の配置を拡大して示したものである。当該ランド形成領域１１における各ランド１２の位置を行列ｎｍ（ｎ＝１〜１９，ｍ＝Ａ〜Ｓ）で示すと、ランド形成領域１１の四隅（１Ａ，１９Ａ，１Ｓ，１９Ｓ）と中央１０Ｊ、および矩形の各辺の中点（１０Ａ，１０Ｓ，１Ｊ，１９Ｊ）に対応する計９箇所のランド１２を実測点（図中黒丸）とし、それらの対応する端子１３との距離（以下、垂直距離Ｈｒ）を実際に測定する。なお、隣接する各ランド１２間のピッチは５００μｍであり、四隅のランド１２の中心間の間隔は９ｍｍである。
【００３９】
表２に各実測点における垂直距離H（μｍ）を示した。
【表２】
【００４０】
基板１０や電子部品の反りは、表裏面の熱膨張係数の違いが主な原因であることから、普通、表裏の一方の面が盛り上がる山型となる。すなわち、垂直距離の分布は、一方を基準とすると相対的に山型か谷型となる。事実、表２より、基板１０における電子部品の実装領域１１では中央が電子部品側（上側）に盛り上がった山型であることが分かる。そして、一つの頂点を有する曲線は、ほぼ二次曲線に一致すると見なせる。そこで、各実測点の内、ランド１２が形成されている矩形領域１１の各辺に平行となる行方向、および列方向に並んだ３つの実測点が二次曲線上にあるものとして端子１３とランド１２との垂直距離を計算した。表３に各実測点間を連絡する２次曲線の回帰係数、切片を示した。
【表３】
【００４１】
当該表３では、網点の部分が各実測点における垂直距離Ｈｒ（μｍ）であり、行方向の実測点、および列方向の実測点を連絡する曲線を二次曲線とみなし、水平距離Ｘ（ｍｍ）と実測点における垂直距離Ｈｒとから回帰係数とｙ切片を求めている。
【００４２】
つぎに、各実測点の間にある他のランド１２における垂直距離Ｈｃを計算により求める。ここでは、列方向に並ぶ３つの実測点の組、（１Ａ−１Ｊ−１Ｓ）、（１０Ａ−１０Ｊ−１０Ｓ）、（１９Ａ−１９Ｊ−１９Ｓ）のそれぞれに含まれる他のランドでの垂直距離Ｈｃを先に求めた列方向の回帰係数とｙ切片とに基づいて求める。
【００４３】
表４に、上記３列分の垂直距離Ｈ（Ｈｒ，Ｈｃ）、および行方向における回帰係数とｙ切片を示した。
【表４】
【００４４】
最後に、表４の結果に基づいて行方向における実測点以外の垂直距離Ｈｃを求める。
【００４５】
表５に全ランドにおける垂直距離Ｈ（Ｈｒ，Ｈｃ）を示した。
【表５】
【００４６】
また、図５に表５の結果を３次元グラフにして示した。
【００４７】
＝＝＝半田供給量、ソルダーマスクの開口面積の計算＝＝＝
本発明は、ソルダーマスクの設計方法にも及んでいる。ここで、当該設計方法に係る発明の実施例として、先に求めた各ランド１２における垂直距離Ｈと上記各数式とに基づいて、理想的な半田量を含んだソルダーペーストを印刷するためのソルダーマスクを設計する事例を挙げる。
【００４８】
当該方法によって最終的に求められる設計事項は、各ランド１２に対応する開口の面積あるいは開口率Mbであり、この例では、開口の形状を円として、その直径Maを求めている。そして、それらを求めるために、まず、各ランド１２に対応する半田の体積Ｖ１（μｍ３）を計算する。
【００４９】
表６にその体積Ｖ１の計算結果を示した。
【表６】
【００５０】
なお、電子部品には、端子に半田による突起を備えたものがあり、ＢＧＡでは、端子に半田によるボール（半田バンプ）が形成されている。そこで、次に、半田パンプなど、端子に半田による突起を備えた電子部品を実装することを考慮して供給すべき半田の量を計算する。ここでは、ＢＧＡのバンプの半田体積をＶ０として、その半田体積をＶ０を加味して各ランド１２に印刷によって供給すべき半田量を計算し、その半田量に基づいて印刷面積（ここでは、印刷直径）、すなわちソルダーマスクの開口面積（ここでは、開口直径Ｍａ）を決定する。なお、開口面積（開口直径Ｍａ）は、絶対値、すなわち面積（開口直径Ｍａ）の値自体であってもよいし、ランドに対する相対面積、すなわち開口率であってもよい。
【００５１】
表７に、ソルダーマスクにおける各ランドに対応する開口直径（絶対値：μｍ）Maを示した。
【表７】
【００５２】
表８に、ランド１２の面積と、各ランド１２に対応するソルダーマスクの開口の面積との相対値（開口率）Mbを示した。
【表８】
【００５３】
表７、８より、各ランドに対応するソルダーマスクの各開口面積が異なっており、印刷されるソルダーペーストの量が各ランドに最適となるように調整される。例えば、同じ基板と電子部品を用いて実装基板を大量生産するような場合、最初に従来の方法で実装基板を作製し、その基板における各ランドと端子との距離を測定すればよく、以後は、上記の手順で開口面積や開口率を計算し、その計算値に従ってソルダーマスクを設計すればよい。そして、その設計に基づいて作製したソルダーマスクを用いて基板上に電子部品をリフロー方式によって実装すれば、各ランドと端子との間に、最適な量の半田を製造コストが安い印刷によって供給することが可能となる。したがって、信頼性の高い実装基板を安価に提供することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 理想的な半田形状
２ ランド面または端子面
１０ プリント配線基板
１１ 電子部品実装領域
１２ ランド
１３ 端子
２０ 基板
２１ 半田
２１ａ ソルダーペースト
３０ ソルダーマスク
４０ 電子部品
Ｈ 端子とランドとの距離
Ｖ１ 理想的な形状の半田の体積
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子部品の実装方法に関し、具体的には、下面に多数の端子を備えた電子部品を、多数のランドが形成された基板上にリフロー方式により実装するための方法に関する。また、当該実装方法において使用されるソルダーマスクの設計方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のごとく、リフロー方式による実装方法では、電子部品の端子と接続するためにプリント基板上に形成された電極に半田を供給するとともに、電子部品を基板に載せた状態でその半田を加熱して溶かすことで、電子部品の端子と電極とを半田付けする。このリフロー方式によって、ＢＧＡやＬＧＡなど、リードピンが無く下面に多数の端子を備えた電子部品を実装する場合、普通、プリント基板側に、電子部品の各端子に対応して点在する島状の電極（ランド）を形成し、印刷によって各ランドに半田を供給する。具体的には、図６（Ａ）〜（Ｅ）に示したように、基板上２０にランド１２が形成されたプリント配線基板１０上に半田の粉末に溶剤（フラックス）を加えたペースト（ソルダーペースト）２１ａを、そのランド１２の形成箇所に対応して開口するソルダーマスク３０を用いて印刷する（Ａ）（Ｂ）。それによって、各ランド１２上にソルダーペースト２１ａの層が形成される（Ｃ）。そして、対応するランド１２と端子１３とが対向するように電子部品４０を基板上に載せ（Ｄ）、この状態で加熱すれば、ソルダーペースト２１ａ中の半田粉が溶融し、冷却すると各端子１３とランド１２とが半田２１によって接続された状態となる（Ｅ）。
【０００３】
しかしながら、基板は、リフロー半田付けに際して加熱されるため、反りが発生する。また、大型のＢＧＡやＬＧＡなどでは、それ自体に反りが発生する可能性がある。そのため、下面に多数の端子を備えた電子部品を基板上に実装すると、上述したような反りにより、電子部品の端子と基板上のランド間との上下の距離にばらつきが生じる。
【０００４】
例えば、図７（Ａ）に示したように、端子１３とランド１２との距離Ｈが大きすぎると、半田２１は、側面に括れ部２２ａがある円柱形状となり、その括れた部分２２ａでは断面積が小さくなるため信頼性が著しく低下してしまう。距離Ｈがさらに大きいと、図７（Ｂ）に示したように、括れた部分２２ａがさらに細くなり、この部分２２ａで断線する可能性もある。逆に、図７（Ｃ）に示したように、距離Ｈが短いと、半田２１が上下につぶれて水平方向に押し広げられた部分２２ｂを有する樽状となる。距離Ｈがさらに短いと、図７(Ｄ)に示したように、その樽状の半田２１がさらに扁平となり、水平方向に押し広げられた部分２２ｂが隣接するランド１２と端子１３間の半田２１と接触し、短絡を起こしてしまう可能性がある。
【０００５】
なお、以下の各特許文献１〜３には、リフロー方式によって電子部品を実装する際、基板の反りなどによって端子とランド間の距離が不均一となることに起因して発生する上記の問題を解決するための技術について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０８５５５８号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４４７３号公報
【特許文献３】特開２００８−０７１７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１と２に記載の発明は、ＩＣのバンプの大きさや形状を基板の反りに合わせて形成する、というものである。しかしながら、ＩＣは、常に同じ基板に実装されるわけではないので、自身が実装される基板に合わせてバンプの大きさや形状を調整する必要があり、製造コストが極めて高くなる。
【０００８】
また、特許文献３の技術は、端子とランドとの距離が大きい場合には、そのランドの面積を大きくし、距離が小さい場合にはランドの面積を小さくしている。そして、各ランド上に一定量のソルダーペーストを印刷している。それによって、距離が大きい場合は、小さな面積に対して相対的にペーストの量が多くなり、端子とランドとを接続する半田の形状は、高く盛り上がった形状となる。距離が小さい場合は、相対的に半田の量が少なくなり、半田は、平たい形状となる。しかしながら、ＩＣの一部の端子が、面積の小さなランドと半田で接続されることになり、その端子とランド間の接続強度が不足し、接触不良を起こす可能性がある。
【０００９】
したがって本発明は、下面に多数の端子を備えた電子部品をリフロー方式によって基板に実装する際、基板などの反りに起因する半田の接続不良や短絡を、信頼性を低下させたり、コストを増加させたりすることなく、確実に防止することができる電子部品の実装方法を提供することにある。また、この実装方法において使用されるソルダーマスクの設計方法を提供することも本発明の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明は、下面に多数の端子を備えた電子部品を、前記多数の端子のそれぞれに対応する多数のランドが形成されている基板上にリフロー方式により実装するための方法であって、
前記多数の端子のそれぞれを対応するランドに対向配置させた状態で、各端子とランドとをリフロー方式によって半田付けする際、
互いに対向する端子とランドとの間に供給する半田の量を、各端子とそれらに対応する各ランドのそれぞれの距離に応じて個別に増減する
ことを特徴としている。
【００１１】
また、前記各ランドに対応する開口が形成されたソルダーマスクを用いてソルダーペーストを前記基板上に印刷することで、互いに対向する端子とランドとの間に半田を供給し、
前記ソルダーマスクにおけるある端子ａに対応するランドｂの開口を、当該端子ａと当該ランドｂとの距離に応じた面積となるように設定することで、当該端子ａとランドｂとの間に供給する半田を増減する電子部品の実装方法とすることもできる。
【００１２】
あるいは、前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記第１の基板と同じ配置のランドが形成された第２の基板上に前記電子部品を実装する本実装ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
半田供給量計算ステップは、前記電子部品のある端子ａと、当該端子ａに対応するランドｂとの間に供給すべき最適半田量を、前記距離測定ステップにより求めた前記端子ａと前記ランドｂとの距離に基づいて計算し、
前記本実装ステップは、前記半田供給量計算ステップによって計算した供給量の半田を、前記電子部品における端子ａと前記第２の基板におけるランドｂとの間に供給するとともに、リフロー方式により、当該端子ａと当該ランドｂとを半田付けする
電子部品の実装方法としてもよい。
【００１３】
上記仮実装ステップを含む電子部品の実装方法において、前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、前記本実装ステップは、前記第２の基板におけるランドｂ上に、前記体積Ｖ１の半田を供給することとしてもよい。
【００１４】
さらに、前記本実装ステップは、所定の厚さを有するソルダーマスクを用いて前記ランドｂ上にソルダーペーストを印刷することで前記最適半田量を供給するとともに、当該ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積は、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定されていることを特徴とする電子部品の実装方法とすることもできる。
【００１５】
当該実装方法において、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口は、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積である電子部品の実装方法としてもよい。
【００１６】
上記いずれかの実装方法において、前記距離測定ステップは、特定の複数のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離については、前記実測値に基づいて計算して求めることとしてもよい。
【００１７】
さらに、前記ランドは、略矩形状の領域に形成され、前記距離測定ステップでは、当該矩形の中央と、四隅と各辺の中点の９箇所を実測点として、各実測点とそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、前記矩形の辺に平行となる３点の実測点に距離が同一の２次曲線上にあるものとして、各実測点間に含まれる他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を計算することとすれば、より短時間で各端子におけるランドとの距離を求めることができる。
【００１８】
なお、本発明は、ソルダーマスクの設計方法にも及んでおり、当該設計方法に係る発明は、下面に多数の端子を備えた電子部品を、一律に同じ形状の多数のランドがそれぞれ前記多数の端子に個別に対向配置するように形成された基板上にリフロー方式により実装する際、ソルダーペーストを前記ランド上に印刷するために使用されるソルダーマスクの設計方法であって、
前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記ソルダーマスクにおける各ランドに対応する開口の面積を計算するための開口設定ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、
前記ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積を、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定する
ことを特徴としている。
【００１９】
また、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記開口設定ステップは、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口の面積として、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積を前記ソルダーマスクの厚さＭｔで除算した値を設定するソルダーマスクの設計方法とすることもできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の電子部品の実装方法によれば、下面に多数の端子を備えた電子部品をリフロー方式によって基板に実装する際、基板やＩＣ自体の反りに起因する半田の接続不良や短絡を、信頼性を低下させたり、コストを増加させたりすることなく、確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の方法に基づいて電子部品が実装されるランドを備えた基板の一例を示す図である。
【図２】本発明の方法に基づいて、上記電子部品の端子と前記ランドとをリフロー方式で半田付けする手順の一例を示す図である。
【図３】上記半田の理想的な形状を示す図である。
【図４】上記基板における前記電子部品の実装領域を拡大した図である。
【図５】上記実装領域における端子とランド間の距離の分布を示す図である。
【図６】リフロー方式による従来の実装方法の一例を示す図である。
【図７】上記端子とランドとが従来の実装方法によってリフロー半田付けされたときの半田形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＝＝＝本発明における基本的な技術思想＝＝＝
上述したように、ＩＣのバンプの大きさや形状などを基板やＩＣ自体の反り、すなわち電子部品の端子毎のランドとの距離に合わせて個別に調整すると製造コストが増加する。また、ランドの大きさを距離に応じて調整すると、小さなランドでは接続強度が不足する。そこで本発明者が従来のリフロー方式による実装方法について考察したところ、各端子とランドとの間隙に供給されるソルダーペーストの量に着目した。そして、その供給量を電子部品の端子とランド間の距離に応じて可変調整すれば、ランドの大きさを変えることなく、端子とランドとを確実に接続できると考えた。本発明における基本的な技術思想は、このような考えに基づいている。
【００２３】
ここで、本発明の適用例として、ＬＧＡ（Land Grid Array）タイプやＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプのＩＣを電子部品とし、その電子部品を基板上に実装する例を挙げる。図１は、電子部品が実装される基板１０の一例であり、基板の平面図を示している。この基板１０には、多数のランド１２が縦横に形成された領域１１があり、以下に、本発明の一実施形態として、上記電子部品をこの基板１０に実装する形態を挙げ、本発明の詳細を説明する。
【００２４】
＝＝＝実施形態＝＝＝
本発明における基本的な技術思想は、電子部品の端子とランドとの距離に応じて半田の供給量を各端子（ランド）ごとに個別に調整することにある。図２に、当該基本思想に基づく電子部品の実装方法の代表的な手順を示した。まず、端子とランドとの距離を測定する（ｓ１）。次に、互いに半田付けされる端子とランドとの間に供給する半田の量を測定した距離に応じて決定する（ｓ２）。そして、電子部品を基板上に配置し、その決定した量の半田を各端子とランドとの間に個別に供給する（ｓ３，ｓ４）。最後に、リフロー方式によって電子部品の端子とランドとを半田付けする（ｓ５）。
【００２５】
なお、距離の測定に際しては、基板上に電子部品を実際に実装する前に、双方の反りを計測すれば、その計測値から、相対的な距離の大小がわかる。しかし、電子部品を実際に実装した状態で各端子とランドとの距離を実測すれば、半田付けされた状態での距離を測定することになり、最適な半田の供給量を求めるための根拠を得ることができる。
【００２６】
また、半田の供給方法については、ソルダーペーストをランド上に印刷するのが一般的であり、各ランドのそれぞれに印刷されるソルダーペーストの面積を可変調整することで半田の供給量を増減させることが可能とある。すなわち、ソルダーマスクは、ランドの形成位置に対応する開口を有しており、その開口面積を前記距離に応じて変えることで、半田の供給量をランド毎に調整することが可能となる。
【００２７】
なお、この調整に際しては、例えば、距離Ｈ、開口面積Ｍとした場合に、Ｈ／Ｍ＝ｃ（ｃは一定）となるようにマスクを設計するなどして、距離が大きいほど半田の量を多くし、距離が小さいほど半田の量を少なくさせればよい。しかし、半田付けの信頼性をより向上させるためには、その供給量に根拠をもたせる必要がある。すなわち、理想的な半田供給量を規定する必要がある。次に、この理想的な半田の供給量の規定方法について説明する。
【００２８】
＝＝＝理想的な半田の形状＝＝＝
図７に示したように、端子１３とランド１２との距離Ｈにかかわらず、半田２１の供給量を一律にした場合、端子１３とランド１２とが接続されているときの半田２１の形状が距離Ｈに応じて変化する。これは、平面上に溶解した半田が冷却すると、表面張力によって球状となるが、電子部品４０を基板２０上に実装する場合は、端子１３とランド１２との間隙に半田２１が供給されるため、この間隙の距離Ｈが広ければ、その球が距離方向に引き延ばされて中心が括れた円筒状となり、狭ければ逆に球が押しつぶされた扁平な樽状となる、いうことで説明がつく。したがって、図３に示したように、それぞれ球３の上方と下方を水平に切断したような形（切断球：図中網点部分）が理想的な半田であると言える。ここで、上方を端子１３、下方をランド１２とすると、この切断球１の切断面２は、電子部品の端子１３やランド１２の表面である。端子１３やランド１２が円形であれば、一方がその断面形状となる。なお、端子１３やランド１２の平面形状が矩形であれば、その矩形に内接する円が切断球１の断面２となることが予想される。そして、端子１３とランド１２との距離Ｈに応じたこの切断球１の体積Ｖ１が適切な半田供給量となる。
【００２９】
なお、半田は、ソルダーペーストなど、フラックス中に分散された状態で供給されることが多い。したがって、上記接続後の半田が上記切断球１の体積Ｖ１となるようにソルダーペーストを供給する際には、ソルダーペーストにおける半田粉の体積比から各ランド１２に供給するソルダーペーストの体積を求めればよい。また、半田の供給量を重量で規定する場合には、半田の密度と上記切断球１の体積Ｖ１とから重量を求めればよい。
【００３０】
＝＝＝半田供給量の計算＝＝＝
上述したように、半田付け後の半田の形状には、最適な形状がある。そして、最適形状が規定できたならば、その最適形状となるための半田供給量を計算し、実際にその量の半田を供給する必要がある。ここで、図３に基づいて、半田の最適供給量である体積Ｖ１を求める。なお、当該計算に当たっては、端子１３とランド１２は、当該切断球１の断面２に一致する形状であるものとし、その半径は固定値Ａであるものとする。
【００３１】
まず、電子部品におけるある端子１３とこの端子１３に対向配置されるランド１２との距離をＨとし、当該端子１３、あるいはランド１２が半径Ｒの球３を切断したとき、すなわち、半径Ｒの球３における上下の切断面２の半径がＡであるとき、その球の半径Ｒは、
Ｒ＝{Ａ２＋（Ｈ／２）２｝１／２
となる。
【００３２】
そして、球の中心を原点ｏとし、端子１３とランド１２との距離方向をｚ方向とするとともに、原点ｏからのｚ方向の距離（高さ）をｈとすると、球３を高さｈで水平に切り欠いたときの断面（円）４の半径ｒは、高さｈの関数として表すことができ、当該水平断面４の半径ｒを表す関数をｒ（ｈ）とすると、
ｒ（ｈ）＝（Ｒ２−ｈ２）１／２
となる。また、切断球１の上半分の体積（Ｖ１／２）は、高さｈにおける水平断面４の面積を原点ｏ（ｈ＝０）から端子による切断面２（ｈ＝Ｈ／２）まで積分した値である。すなわち、高さｈにおける水平断面４の面積Ｓ（ｈ）が
Ｓ（ｈ）＝πｒ（ｈ）２
であり、ｈ＝０→Ｈ／２として、切断球１の体積Ｖ１は、
Ｖ１＝２∫π｛ｒ（ｈ）｝２ｄｈ
となる。したがって、最終的に、下記の式
Ｖ１＝２｛πＲ２Ｈ／２−π（Ｈ／２）３／３｝
が導き出される。そして、先に距離Ｈと切断面２の半径Ａとから求めた球３の半径Ｒを上記式に代入すれば、半田の最適供給量である体積Ｖ１を求めることができる。
【００３３】
＝＝＝ソルダーマスクの開口面積について＝＝＝
上記の最適な量の半田は、例えば、ディスペンサを用いて各ランド毎に個別に供給することができる。しかし、一般的には、ソルダーマスクを用いて印刷することで供給する。また、印刷の方が製造コストを抑えることができる。本発明では、印刷に用いるソルダーマスクの設計方法にも及んでおり、当該方法によれば、個々のランドに対応する開口の面積を個別に設定することで、各ランドに最適な量の半田が供給されるようになっている。それによって、個々のランドごとに最適な量の半田を低コストで確実に供給することができ、結果的に、信頼性の高い実装部品を安価に提供することが可能となる。なお、本発明のソルダーマスクの設計方法において、「開口面積」は、絶対値、すなわち面積の値自体であってもよいし、ランドに対する相対面積、すなわち開口率であってもよい。以下に、当該設計方法の一例として、上記で求めた理想的な量の半田を印刷により供給する例を挙げる。
【００３４】
印刷によって供給される半田の体積は、ソルダーマスクの厚さ、開口面積、およびソルダーペーストに含まれる半田の体積によって求めることができる。ＬＧＡを実装する場合では、この印刷によって供給される半田の体積を上記切断球の体積Ｖ１に一致されればよい。また、ＢＧＡを実装する場合では、各端子に半田バンプが形成されているため、このバンプの体積Ｖ０を切断球の体積Ｖ１から差し引いた体積Ｖ２（＝Ｖ１−Ｖ０）が印刷によって供給される半田量となる。
【００３５】
そして、この半田量Ｖ２を供給するための、ソルダーマスクにおける開口直径Ｍａ、および開口率Ｍｂは、ソルダーマスクの厚さＭｔ、半田バンプの体積Ｖ０、ソルダーペースト中の半田の含有率Ｐｓ（vol%）、ランドの半径Ａの各固定値と、先に求めた切断球１の体積Ｖ１から半田バンプの体積Ｖ０を差し引いたＶ２から求めることができ、当該ＭａとＭｂは、
Ma＝２（Ｖ２／πＭｔＰｓ）１／２
Ｍｂ＝（Ｍａ／２）２／Ａ２
となる。
【００３６】
＝＝＝実施例＝＝＝
本発明の実施例として、ＢＧＡを基板に実装したときの端子とランド間の距離を測定し、その測定値に基づいて半田の供給量を計算するとともに、その供給量に基づいてソルダーマスクの面積や開口率を計算した。なお、上記計算に際して用いた固定値（Ｖ０，Ａ，Ｍｔ，Ｐｓ）を以下の表１に示した。
【表１】
【００３７】
＝＝＝距離測定方法について＝＝
半田の供給量を端子とランドとの距離に応じて調整するためには、まず、その距離を測定する必要がある。この距離は、上述したように実際に従来の方法で電子部品を基板に実装し、その実装状態における距離を測定した。しかしながら、極めて多数の端子を備えたＩＣでは、全ての端子についてランドとの距離を測定することは多大な時間と労力を要する。そこで、多数の端子の内、代表的な複数の端子について、ランドとの距離を実際に測定し、他の端子とランドとの距離をこの実測値に基づいて計算して求めてもよい。本実施例においても、実測値（以下、Ｈｒ）と計算値（Ｈｃ）とによって各端子１３とランド１２との距離を求めた。
【００３８】
図４は、先に図１に示した基板１０における電子部品実装領域１１のランド１２の配置を拡大して示したものである。当該ランド形成領域１１における各ランド１２の位置を行列ｎｍ（ｎ＝１〜１９，ｍ＝Ａ〜Ｓ）で示すと、ランド形成領域１１の四隅（１Ａ，１９Ａ，１Ｓ，１９Ｓ）と中央１０Ｊ、および矩形の各辺の中点（１０Ａ，１０Ｓ，１Ｊ，１９Ｊ）に対応する計９箇所のランド１２を実測点（図中黒丸）とし、それらの対応する端子１３との距離（以下、垂直距離Ｈｒ）を実際に測定する。なお、隣接する各ランド１２間のピッチは５００μｍであり、四隅のランド１２の中心間の間隔は９ｍｍである。
【００３９】
表２に各実測点における垂直距離H（μｍ）を示した。
【表２】
【００４０】
基板１０や電子部品の反りは、表裏面の熱膨張係数の違いが主な原因であることから、普通、表裏の一方の面が盛り上がる山型となる。すなわち、垂直距離の分布は、一方を基準とすると相対的に山型か谷型となる。事実、表２より、基板１０における電子部品の実装領域１１では中央が電子部品側（上側）に盛り上がった山型であることが分かる。そして、一つの頂点を有する曲線は、ほぼ二次曲線に一致すると見なせる。そこで、各実測点の内、ランド１２が形成されている矩形領域１１の各辺に平行となる行方向、および列方向に並んだ３つの実測点が二次曲線上にあるものとして端子１３とランド１２との垂直距離を計算した。表３に各実測点間を連絡する２次曲線の回帰係数、切片を示した。
【表３】
【００４１】
当該表３では、網点の部分が各実測点における垂直距離Ｈｒ（μｍ）であり、行方向の実測点、および列方向の実測点を連絡する曲線を二次曲線とみなし、水平距離Ｘ（ｍｍ）と実測点における垂直距離Ｈｒとから回帰係数とｙ切片を求めている。
【００４２】
つぎに、各実測点の間にある他のランド１２における垂直距離Ｈｃを計算により求める。ここでは、列方向に並ぶ３つの実測点の組、（１Ａ−１Ｊ−１Ｓ）、（１０Ａ−１０Ｊ−１０Ｓ）、（１９Ａ−１９Ｊ−１９Ｓ）のそれぞれに含まれる他のランドでの垂直距離Ｈｃを先に求めた列方向の回帰係数とｙ切片とに基づいて求める。
【００４３】
表４に、上記３列分の垂直距離Ｈ（Ｈｒ，Ｈｃ）、および行方向における回帰係数とｙ切片を示した。
【表４】
【００４４】
最後に、表４の結果に基づいて行方向における実測点以外の垂直距離Ｈｃを求める。
【００４５】
表５に全ランドにおける垂直距離Ｈ（Ｈｒ，Ｈｃ）を示した。
【表５】
【００４６】
また、図５に表５の結果を３次元グラフにして示した。
【００４７】
＝＝＝半田供給量、ソルダーマスクの開口面積の計算＝＝＝
本発明は、ソルダーマスクの設計方法にも及んでいる。ここで、当該設計方法に係る発明の実施例として、先に求めた各ランド１２における垂直距離Ｈと上記各数式とに基づいて、理想的な半田量を含んだソルダーペーストを印刷するためのソルダーマスクを設計する事例を挙げる。
【００４８】
当該方法によって最終的に求められる設計事項は、各ランド１２に対応する開口の面積あるいは開口率Mbであり、この例では、開口の形状を円として、その直径Maを求めている。そして、それらを求めるために、まず、各ランド１２に対応する半田の体積Ｖ１（μｍ３）を計算する。
【００４９】
表６にその体積Ｖ１の計算結果を示した。
【表６】
【００５０】
なお、電子部品には、端子に半田による突起を備えたものがあり、ＢＧＡでは、端子に半田によるボール（半田バンプ）が形成されている。そこで、次に、半田パンプなど、端子に半田による突起を備えた電子部品を実装することを考慮して供給すべき半田の量を計算する。ここでは、ＢＧＡのバンプの半田体積をＶ０として、その半田体積をＶ０を加味して各ランド１２に印刷によって供給すべき半田量を計算し、その半田量に基づいて印刷面積（ここでは、印刷直径）、すなわちソルダーマスクの開口面積（ここでは、開口直径Ｍａ）を決定する。なお、開口面積（開口直径Ｍａ）は、絶対値、すなわち面積（開口直径Ｍａ）の値自体であってもよいし、ランドに対する相対面積、すなわち開口率であってもよい。
【００５１】
表７に、ソルダーマスクにおける各ランドに対応する開口直径（絶対値：μｍ）Maを示した。
【表７】
【００５２】
表８に、ランド１２の面積と、各ランド１２に対応するソルダーマスクの開口の面積との相対値（開口率）Mbを示した。
【表８】
【００５３】
表７、８より、各ランドに対応するソルダーマスクの各開口面積が異なっており、印刷されるソルダーペーストの量が各ランドに最適となるように調整される。例えば、同じ基板と電子部品を用いて実装基板を大量生産するような場合、最初に従来の方法で実装基板を作製し、その基板における各ランドと端子との距離を測定すればよく、以後は、上記の手順で開口面積や開口率を計算し、その計算値に従ってソルダーマスクを設計すればよい。そして、その設計に基づいて作製したソルダーマスクを用いて基板上に電子部品をリフロー方式によって実装すれば、各ランドと端子との間に、最適な量の半田を製造コストが安い印刷によって供給することが可能となる。したがって、信頼性の高い実装基板を安価に提供することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 理想的な半田形状
２ ランド面または端子面
１０ プリント配線基板
１１ 電子部品実装領域
１２ ランド
１３ 端子
２０ 基板
２１ 半田
２１ａ ソルダーペースト
３０ ソルダーマスク
４０ 電子部品
Ｈ 端子とランドとの距離
Ｖ１ 理想的な形状の半田の体積
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面に多数の端子を備えた電子部品を、前記多数の端子のそれぞれに対応する多数のランドが形成されている基板上にリフロー方式により実装するための方法であって、
前記多数の端子のそれぞれを対応するランドに対向配置させた状態で、各端子とランドとをリフロー方式によって半田付けする際、
互いに対向する端子とランドとの間に供給する半田の量を、各端子とそれらに対応する各ランドのそれぞれの距離に応じて個別に増減する
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項２】
請求項１において、前記各ランドに対応する開口が形成されたソルダーマスクを用いてソルダーペーストを前記基板上に印刷することで、互いに対向する端子とランドとの間に半田を供給し、
前記ソルダーマスクにおけるある端子ａに対応するランドｂの開口を、当該端子ａと当該ランドｂとの距離に応じた面積となるように設定することで、当該端子ａとランドｂとの間に供給する半田を増減する
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記第１の基板と同じ配置のランドが形成された第２の基板上に前記電子部品を実装する本実装ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
半田供給量計算ステップは、前記電子部品のある端子ａと、当該端子ａに対応するランドｂとの間に供給すべき最適半田量を、前記距離測定ステップにより求めた前記端子ａと前記ランドｂとの距離に基づいて計算し、
前記本実装ステップは、前記半田供給量計算ステップによって計算した供給量の半田を、前記電子部品における端子ａと前記第２の基板におけるランドｂとの間に供給するとともに、リフロー方式により、当該端子ａと当該ランドｂとを半田付けする
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、
前記本実装ステップは、前記第２の基板におけるランドｂ上に、前記体積Ｖ１の半田を供給する
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項５】
請求項４において、前記本実装ステップは、所定の厚さを有するソルダーマスクを用いて前記ランドｂ上にソルダーペーストを印刷することで前記最適半田量を供給するとともに、当該ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積は、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定されていることを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項６】
請求項５において、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口は、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれおの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積であることを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかにおいて、前記距離測定ステップは、特定の複数のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離については、前記実測値に基づいて計算して求めることを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項８】
請求項７において、前記ランドは、略矩形状の領域に形成され、前記距離測定ステップでは、当該矩形の中央と、四隅と 各辺の中点の９箇所を実測点として、各実測点とそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、前記矩形の辺に平行となる３点の実測点に距離が同一の２次曲線上にあるものとして、各実測点間に含まれる他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を計算することを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項９】
下面に多数の端子を備えた電子部品を、一律に同じ形状の多数のランドがそれぞれ前記多数の端子に個別に対向配置するように形成された基板上にリフロー方式により実装する際、ソルダーペーストを前記ランド上に印刷するために使用されるソルダーマスクの設計方法であって、
前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記ソルダーマスクにおける各ランドに対応する開口の面積を計算するための開口設定ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、
前記ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積を、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定する
ことを特徴とするソルダーマスクの設計方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記開口設定ステップは、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口の面積として、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積を前記ソルダーマスクの厚さＭｔで除算した値を設定することを特徴とするソルダーマスクの設計方法。
【請求項１】
下面に多数の端子を備えた電子部品を、前記多数の端子のそれぞれに対応する多数のランドが形成されている基板上にリフロー方式により実装するための方法であって、
前記多数の端子のそれぞれを対応するランドに対向配置させた状態で、各端子とランドとをリフロー方式によって半田付けする際、
互いに対向する端子とランドとの間に供給する半田の量を、各端子とそれらに対応する各ランドのそれぞれの距離に応じて個別に増減する
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項２】
請求項１において、前記各ランドに対応する開口が形成されたソルダーマスクを用いてソルダーペーストを前記基板上に印刷することで、互いに対向する端子とランドとの間に半田を供給し、
前記ソルダーマスクにおけるある端子ａに対応するランドｂの開口を、当該端子ａと当該ランドｂとの距離に応じた面積となるように設定することで、当該端子ａとランドｂとの間に供給する半田を増減する
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記第１の基板と同じ配置のランドが形成された第２の基板上に前記電子部品を実装する本実装ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
半田供給量計算ステップは、前記電子部品のある端子ａと、当該端子ａに対応するランドｂとの間に供給すべき最適半田量を、前記距離測定ステップにより求めた前記端子ａと前記ランドｂとの距離に基づいて計算し、
前記本実装ステップは、前記半田供給量計算ステップによって計算した供給量の半田を、前記電子部品における端子ａと前記第２の基板におけるランドｂとの間に供給するとともに、リフロー方式により、当該端子ａと当該ランドｂとを半田付けする
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、
前記本実装ステップは、前記第２の基板におけるランドｂ上に、前記体積Ｖ１の半田を供給する
ことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項５】
請求項４において、前記本実装ステップは、所定の厚さを有するソルダーマスクを用いて前記ランドｂ上にソルダーペーストを印刷することで前記最適半田量を供給するとともに、当該ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積は、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定されていることを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項６】
請求項５において、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口は、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれおの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積であることを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれかにおいて、前記距離測定ステップは、特定の複数のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離については、前記実測値に基づいて計算して求めることを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項８】
請求項７において、前記ランドは、略矩形状の領域に形成され、前記距離測定ステップでは、当該矩形の中央と、四隅と 各辺の中点の９箇所を実測点として、各実測点とそれらに半田付けされている端子との距離を実測するとともに、前記矩形の辺に平行となる３点の実測点に距離が同一の２次曲線上にあるものとして、各実測点間に含まれる他のランドとそれらに半田付けされている端子との距離を計算することを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項９】
下面に多数の端子を備えた電子部品を、一律に同じ形状の多数のランドがそれぞれ前記多数の端子に個別に対向配置するように形成された基板上にリフロー方式により実装する際、ソルダーペーストを前記ランド上に印刷するために使用されるソルダーマスクの設計方法であって、
前記電子部品を第１の基板上に実装する仮実装ステップと、距離測定ステップと、半田供給量計算ステップと、前記ソルダーマスクにおける各ランドに対応する開口の面積を計算するための開口設定ステップとを含み、
前記仮実装ステップは、互いに対向配置されている端子とランドとの間に所定量の半田を供給するとともに、当該半田により前記端子とランドとを半田付けし、
前記距離測定ステップは、当該仮実装ステップにより半田付けされた多数の端子とランドとの距離を実測値に基づいて個別に求め、
前記半田供給量計算ステップは、前記仮実装ステップと前記距離測定ステップとにより、前記端子ａとそれに対向する前記ランドｂとが距離Ｈを介して半田付けされた場合、当該端子ａあるいは当該ランドｂの平面形状に内接する円が切断面となるように球の上下を水平に切り欠いた立体の体積Ｖ１を前記最適半田量として計算し、
前記ソルダーマスクにおける当該ランドｂに対応する開口の面積を、前記体積Ｖ１と、前記ソルダーペーストにおける半田の含有量と、前記ソルダーマスクの厚さＭｔとによって求められる半田の印刷体積に基づいて設定する
ことを特徴とするソルダーマスクの設計方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記電子部品の端子は、それぞれに半田で構成される突起を備え、前記開口設定ステップは、前記ランドｂに対応する前記ソルダーマスクの開口の面積として、前記体積Ｖ１から当該電子部品におけるそれぞれの前記半田の突起を構成する半田の体積Ｖ０を減算した体積を前記ソルダーマスクの厚さＭｔで除算した値を設定することを特徴とするソルダーマスクの設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２８３０８０（Ｐ２０１０−２８３０８０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３４３０２（Ｐ２００９−１３４３０２）
【出願日】平成２１年６月３日（２００９．６．３）
【出願人】（５０８１２８２４４）ＦＤＫモジュールシステムテクノロジー株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３日（２００９．６．３）
【出願人】（５０８１２８２４４）ＦＤＫモジュールシステムテクノロジー株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
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