JP4333538B2 - 電子部品の実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に電子部品をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法に関する。

一般に、この種の実装方法は、基板上に電子部品をはんだを介して搭載した後、このはんだをリフローさせることにより、基板上に電子部品をはんだ付けするようにしたものである。

ここで、電子部品のはんだ付け工程において、リフロー時にはんだからはんだボールが飛散し、基板上に不具合をおこす場合がある。

具体的には、リフロー中にはんだボールが飛散し、基板上に設けられたワイヤボンディング用のランドにはんだが付着した場合、ワイヤボンディング不良、或いはワイヤボンド下にはんだが隠れることによる接合不良が発生する。

そのため、従来より、はんだボールの飛散防止が検討されてきた。具体的な飛散防止の方法としては、（ａ）はんだボールが飛散しても不良を起こさない、（ｂ）飛散現象自体を起こさせない、といった（ａ）、（ｂ）の方法が考えられる。

（ａ）の方法について。飛散しても不良を発生しないためには、洗浄で除去可能な保護膜、あるいは剥離可能な保護膜でランド部を覆う方法が考えられる。このような方法としては、たとえば、特許文献１や特許文献２に記載の方法が提案されている。

図１０は、この保護膜でランド部を覆う方法の一具体例を示す概略断面図である。基板１０上に、はんだ２０を介して電子部品３０が搭載される。また、基板１０のうち電子部品３０の周囲にはランド４０が設けられており、このランド４０は保護膜としてのストリップマスク１００によって被覆され保護されている。

そして、リフロー時において、はんだ２０からは、はんだボール１１０が飛散し、ランド４０の上に到達するが、ランド４０はストリップマスク１００によって被覆されているので、はんだ２０の付着は起こらない。はんだ付け後、ストリップマスク１００は剥がされ、露出したランド４０に対してワイヤボンディングなどが施される。

次に、（ｂ）の方法について。飛散現象を起こさせないためには、はんだペースト自身を改良し、はんだペーストを特定の組成とする方法が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
特開昭６３−１７５４３８号公報 特開２００４−７１９１０号公報 特開平８−２８１４７２号公報

しかしながら、上記した保護膜でランド部を覆う方法では、リフロー前に保護膜を付け、リフロー後に保護膜を除去することで、工数がかかるため、コストアップする。さらに、洗浄で保護膜を除去する場合、薬品によっては、基板上のＳｉ素子などにダメージを与えるため、適さない。また、保護膜を剥離する場合も、保護膜とランドとの密着力が強すぎると剥がれない。

また、上記したはんだペースト自身を改良する方法では、特別なはんだペーストが必要となり、汎用性に欠けるという問題がある。また、現状では、ペースト改良だけでは、はんだの飛散防止は困難である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、基板上に電子部品をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、はんだリフロー時におけるはんだの飛散を適切に抑制することを目的とする。

はんだの飛散原因としては、次のようなことが知られている。

はんだペースト内の活性成分（たとえば（Ｒ）ＨＢｒ）とはんだの主成分である金属（たとえばＳｎ）の酸化物（たとえばＳｎＯ₂）との反応で、はんだ中に水が発生する（上記図１０参照）。

すると、リフロー時のはんだの温度上昇時（たとえば約２４０℃）において、はんだ中の水が蒸発し、はんだ中から水蒸気が突沸し、それにより、はんだボールが飛散する（上記図１０参照）。

本発明者は、はんだリフロー工程では、はんだ中に水分が発生し、これが気化することによって、はんだが飛散することは避けられないが、はんだ飛散の原因である水の蒸発温度（沸点）を高めれば、はんだの飛散量も減ることに着目した。本発明は、この点に基づいて創出されたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、基板（１０）上に電子部品をはんだ（２０）を介して搭載した後、はんだ（２０）をリフローさせることにより、基板（１０）上に電子部品（３０）をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、リフロー工程では、はんだ（２０）中に含まれる水分の蒸発温度を上昇させるために不活性ガス雰囲気中で加圧した状態ではんだ（２０）のリフローを行うものであり、加圧した状態とは、蒸発温度がリフロー最高温度と同じ温度となるような圧力を印加するものであることを特徴としている。

それによれば、まず、リフロー時における雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることで、はんだ中に発生する水の原因となる金属成分の酸化を抑制することができる。

また、加圧した状態とすることにより、水の蒸発温度が上昇する結果、はんだ（２０）中に含まれる水分の蒸発温度も上昇する。そのため、はんだ（２０）中の水分の蒸発が抑制され、はんだ（２０）中に発生する水蒸気の体積を小さくすることができることから、はんだの飛散量も低減される。

このように、本発明によれば、基板（１０）上に電子部品（３０）をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、はんだリフロー時におけるはんだ（２０）の飛散を適切に抑制することができる。また、本発明では、加圧した状態とは、蒸発温度がリフロー最高温度と同じ温度となるような圧力を印加するものであることを特徴としているが、それによれば、リフロー時に水分の蒸発がほとんど無いものになるため、はんだの飛散もほとんど無くすことができる。

ここで、請求項１に記載の電子部品の実装方法における加圧した状態とは、１ａｔｍ以上であることが好ましく、４ａｔｍ以上であることが、さらに好ましい。

また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の電子部品の実装方法における不活性ガスとしては、安価な窒素ガスを採用することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電子部品の実装構造の概略断面構成を示す図である。

基板１０上に、はんだ２０を介して電子部品３０が搭載されている。また、基板１０のうち電子部品３０の周囲にはランド４０が設けられており、このランド４０と電子部品３０とはボンディングワイヤ５０により接続されている。

基板１０は、たとえばセラミック基板、樹脂基板などからなるものであり、はんだ２０は、一般的なはんだや鉛フリーはんだなどである。また、電子部品３０としては、ＩＣチップ、コンデンサ、抵抗素子など、基板１０上にはんだ付け可能な実装部品であれば採用可能である。

ランド４０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの一般的なランド材料を採用することができる。なお、ランド４０には、ＡｕやＡｌやＣｕなどからなるボンディングワイヤ５０が接続されているが、上記した電子部品３０以外の表面実装部品などが接続されるようになっていてもよい。

次に、本実施形態の電子部品の実装方法について、図２を参照して説明する。図２は、本実装方法におけるはんだリフロー工程を示す図である。

基板１０上にはんだ２０を印刷し、このはんだ２０の上に電子部品３０を搭載する。次に、図２に示されるリフロー装置を用いて、リフローを行うが、ここでは、複数個の基板１０を１ロットとしてロット毎にリフローを行う方法を採用する。図２では５個の基板１０が１ロットとなっている。

このリフロー装置について説明しておく。図２において、リフロー炉２００内には、搬送ベルト２１０が通じており、この搬送ベルト２１０によって、ロット単位の基板１０がリフロー炉２００へ送り込まれ、リフローによるはんだ付け終了後にはリフロー炉２００から送り出されるようになっている。

また、リフロー炉２００内には、制御可能なヒータ２２０が設置されており、このヒータ２２０によって、ロット単位の基板１０を予熱したり、リフロー温度まで加熱するようにしている。

また、リフロー炉２００内には、搬送ベルト２１０上の１ロットの基板１０を覆うように移動可能な仕切２３０が設けられている。この仕切２３０は、図２（ａ）に示される位置と図２（ｂ）に示される位置との間で移動可能となっている。

そして、図２（ｂ）に示されるように、仕切２３０が搬送ベルト２１０上の１ロットの基板１０を覆った状態では、仕切２３０は、その内部を密閉された雰囲気とすることができるものである。また、図示しない圧力計などにより、密閉された仕切２３０の内圧を計測できるようになっている。

また、仕切２３０には、不活性ガスとしての窒素ガス供給口２４０が設けられており、リフロー炉２００の外部から（たとえばガスボンベなどから）窒素ガス供給口２４０を介して仕切２３０の内部に窒素ガスが導入されるようになっている。

この図２に示されるようなリフロー装置を用いて、はんだリフローを行う。まず、図２（ａ）において、リフロー炉２００内を、窒素ガス供給口２４０から導入される窒素ガスにより窒素ガス雰囲気とする。

そして、窒素雰囲気となっているリフロー炉２００内へ、搬送ベルト２１０によってロット単位の基板１０を送り込み、搬送ベルト２１０を停止させ、ヒータ２２０上にセットする。このとき、ヒータ２２０は予熱状態、すなわちリフロー最高温度よりも低い温度にしておく。

次に、図２（ｂ）に示されるように、ロット単位の基板１０に対して、仕切２３０を被せ、密閉空間となった仕切２３０の内部に、窒素ガス供給口２４０から窒素ガスを導入して、仕切２３０の内部を加圧状態とする。

このように、はんだ２０中に含まれる水分の蒸発温度を上昇させるために不活性ガス雰囲気中で加圧した状態で、ヒータ２３０を急速昇熱し、リフロー温度（たとえば最高温度が２４０℃）とすることにより、はんだ２０のリフローを行う。

そして、リフロー終了後には、仕切２３０を上昇させ、搬送ベルト２１０によって、基板１０をリフロー炉２００から取り出す。こうして、リフロー工程が終了し、基板１０上に電子部品３０がはんだ付けされる。

次に、電子部品３０がはんだ付けされた基板１０において、電子部品３０とランド４０との間でワイヤボンディングを行い、当該間をボンディングワイヤ５０により結線する。こうして、上記図１に示される電子部品の実装構造ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、基板１０上に電子部品をはんだ２０を介して搭載した後、はんだ２０をリフローさせることにより、基板１０上に電子部品３０をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、リフロー工程では、はんだ２０中に含まれる水分の蒸発温度を上昇させるために不活性ガス雰囲気中で加圧した状態ではんだ２０のリフローを行うことを特徴とする電子部品の実装方法が提供される。

それによれば、まず、リフロー時における雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることで、はんだ２０中に発生する水の原因となる金属成分の酸化を抑制することができる。

また、加圧した状態とすることにより、水の蒸発温度が上昇する結果、はんだ２０中に含まれる水分の蒸発温度も上昇する。そのため、はんだ２０中の水分の蒸発が抑制され、はんだ２０中に発生する水蒸気の体積を小さくすることができることから、はんだの飛散量も低減される。

このように、本実施形態によれば、基板１０上に電子部品３０をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、はんだリフロー時におけるはんだ２０の飛散を適切に抑制することができる。

本実施形態の実装方法について、さらに詳細を述べる。

本実施形態では、はんだ２０中に発生する水の原因となる金属成分の酸化を抑制するために、リフロー時における雰囲気を窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気とするが、上記例では、不活性ガスとしては安価な窒素ガスを採用している。この窒素ガスとしては、はんだの酸化を防止するため、高純度の窒素ガスとする。

また、リフロー工程では、はんだ２０中に含まれる水分の蒸発温度を上昇させるために加圧した状態とする。これは、図３に示される水蒸気の飽和蒸気圧−温度の関係から、水の飽和蒸気圧が高いほど、すなわちはんだ２０周囲のガス圧が高いほど、水の蒸発温度（沸点）が上昇するためである。

このことから、リフロー工程における加圧した状態とは、１ａｔｍ以上であることが好ましく、４ａｔｍ以上であることがより好ましい。たとえば、ガス圧を４〜５ａｔｍにすれば、水の沸点は１５０℃になる。

また、リフロー最高温度が２４０℃とすると、はんだ２０中の蒸発する水分量が減少することで、はんだ飛散量も減る。また、もし、ガス圧が４０ａｔｍまで可能ならば、水の蒸発温度は２４０℃程度になり、リフロー時において水は蒸発しなくなり、はんだ飛散もなくなる。

つまり、リフロー工程における加圧した状態を、水の蒸発温度がリフロー最高温度と同じ温度となるような圧力を印加するものであれば、リフロー時に水分の蒸発がほとんど無いものになるため、はんだの飛散もほとんど無くすことができる。

こうして、本実施形態のリフロー工程によれば、はんだ２０周辺のガス圧が高いことより、はんだ２０から発生する水蒸気の体積が小さくなり、飛散するはんだボール１１０が小さくなる。また、ガス圧を高くすることで、はんだボール１１０の飛散距離を抑え、ランド４０まで到達しにくくできるという利点もある（図１参照）。

また、上述したように、リフロー前に、リフロー最高温度よりも低い温度で予熱してやれば、はんだ２０中の水分をあらかじめ、除去してやることができ、はんだ飛散の抑制に効果的である。

［変形例］
本実施形態の種々の変形例を示しておく。

図４は、本実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。図４に示されるように、はんだ付けされる電子部品３０より、はんだ２０の下の導体１１を小さくすることではんだ２０の端面を下方に面するようにすれば、はんだボール１１０の飛散距離の低減も可能である。

図５は、本実施形態の第２の変形例を示す図であり、リフロー工程の変形例を示す図である。ここでは、仕切２３０内の加圧方法が上記図２に示される例とは相違するものである。

図５に示されるように、仕切２３０内には、仕切２３０内の体積を小さくするピストン２５０が設けられている。この場合、上記例と同様に、窒素ガス雰囲気中にて仕切２３０内に基板１０をセットし、またヒータ２２０により予熱を行う。

その後、ピストン２５０を下降させ、仕切２３０中の体積を小さくすることで、仕切２３０内を加圧状態とし、同時に、ヒータ２２０を急速昇熱してリフロー温度とする。そして、リフロー終了後には、仕切２３０を上昇させ、搬送ベルト２１０によって、基板１０をリフロー炉２００から取り出せば、基板１０上に電子部品３０がはんだ付けされる。

図６は、本実施形態の第３の変形例を示す図であり、リフロー工程の変形例を示す図である。

本例では、上記図２や図５に示したような仕切２３０を用いるものではなく、窒素ガスを導入可能なガス導入口２６０を有するケース２７０に、ロット単位の基板１０を入れ、ケース２７０を搬送ベルト２１０に載せて、リフロー炉２００内のヒータ２２０上にセットする。

次に、ガス導入口２６０からケース２７０内に窒素ガスを導入してケース２７０内を加圧状態としつつ、ヒータ２２０によりケース２７０をリフロー温度とする。リフロー終了後には、搬送ベルト２１０によって、ケース２７０をリフロー炉２００から取り出せば、基板１０上に電子部品３０がはんだ付けされる。

また、図示しないが、上記図２、図５、図６に示されるような連続処理ではないが、バッチ炉中に基板１０をセットし、加圧雰囲気中ではんだ付けを行ってもよい。

（第２実施形態）
上記第１実施形態にて述べた実装方法を採用すれば、はんだリフロー時におけるはんだ２０の飛散を適切に抑制することができるが、完全に抑制することはなかなか難しい。

そこで、本実施形態では、保護キャップを用いて、はんだ２０とランド４０とを遮断することではんだボールの飛散を防止する方法を採用する。図７は、本発明の第２実施形態に係る実装方法を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

図７に示されるように、本実施形態のリフロー工程では、リフローの直前にはんだ２０の部分を覆うように保護キャップ３００を基板１０上に設置する。この保護キャップ３００は、軽量ではんだが付着しない、あるいは付着しても直ぐ掃き落とすことができるような素材、たとえばアルミニウムなどからなる。

また、保護キャップ３００にはキャップの内部と外部とを連通する通気口３１０が設けられている。この通気口３１０を介して、リフロー時において保護キャップ３００内が不活性ガス雰囲気で加圧状態となり、また、はんだ加熱時に溶剤から発生するガスを逃がすようにしている。

本実施形態によれば、基板１０上に電子部品をはんだ２０を介して搭載した後、はんだ２０をリフローさせることにより、基板１０上に電子部品３０をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、リフロー工程では、はんだ２０中に含まれる水分の蒸発温度を上昇させるために不活性ガス雰囲気中で加圧した状態とし、且つはんだ２０とその周囲とを区画する保護キャップ３００を設けた状態で、はんだ２０のリフローを行うことを特徴とする電子部品の実装方法が提供される。

それによれば、不活性ガス雰囲気とすることによる金属成分の酸化抑制、加圧状態とすることによるはんだ２０中の水分蒸発の抑制、という効果に加え、保護キャップ３００によるはんだ２０の周囲への飛散防止という効果が発揮される。

よって、本実施形態によれば、基板１０上に電子部品３０をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、はんだリフロー時におけるはんだ２０の飛散を適切に高いレベルで抑制することができる。

［変形例］
図８は、本実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。はんだ２０とランド４０との間を保護キャップにより遮断することは、図８に示されるように、ランド４０側を覆うように保護キャップ３００を設けてもよい。はんだ２０（電子部品３０）とランド４０とが近すぎて、はんだ２０側に保護キャップが置けないような場合に有効である。

図９は、本実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。本例の保護キャップ３００は、図９に示されるように、基板１０全体を覆うものであり、保護キャップ３００の内部には、キャップ内部をはんだ２０の部分とランド４０の部分とに区画する仕切が設けられている。

そして、このように仕切られた保護キャップ３００内の部屋の１つにはんだ２０を入れ、他の部屋にランド４０を入れることで、はんだ２０とランド４０とが遮断された形となる。なお、本実施形態の保護キャップ３００は、軽量化がなされており、たとえば真空ピンセットなどで装着・脱着が可能である。

本発明の第１実施形態に係る電子部品の実装構造の概略断面構成を示す図である。 上記第１実施形態に係る電子部品の実装方法におけるはんだリフロー工程を示す図である。 水蒸気の飽和蒸気圧−温度の関係を示す図である。 上記第１実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。 上記第１実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。 上記第１実施形態の第３の変形例を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電子部品の実装方法におけるはんだリフロー工程を示す図である。 上記第２実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。 上記第２実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。 保護膜でランド部を覆う方法の一具体例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…基板、２０…はんだ、３０…電子部品。

Claims (2)

1. 基板（１０）上に電子部品をはんだ（２０）を介して搭載した後、前記はんだ（２０）をリフローさせることにより、前記基板（１０）上に前記電子部品（３０）をはんだ付けするようにした電子部品の実装方法において、
   前記リフロー工程では、前記はんだ（２０）中に含まれる水分の蒸発温度を上昇させるために不活性ガス雰囲気中で加圧した状態で前記はんだ（２０）のリフローを行うものであり、
   前記加圧した状態とは、前記蒸発温度がリフロー最高温度と同じ温度となるような圧力を印加するものであることを特徴とする電子部品の実装方法。
2. 前記不活性ガスは窒素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の実装方法。

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