JP4211828B2

JP4211828B2 - 実装構造体

Info

Publication number: JP4211828B2
Application number: JP2006246255A
Authority: JP
Inventors: 哲也中塚; 弘二芹沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2026-09-12
Also published as: KR20080024059A; CN100579337C; CN101146412A; KR100899251B1; TW200819012A; JP2008071779A; US20080062665A1; TWI369929B

Description

本発明は、毒性の少ないＰｂフリーはんだ合金を用いた混載実装方法とそのはんだ付け装置、及びこれを用いた実装構造体に関するものである。このＰｂフリーはんだ合金は、有機基板等の回路基板への電子部品の接続に適用でき、２２０℃付近でのはんだ付けに用いられているＳｎ−３７Ｐｂ（単位：質量％）はんだの代替品である。

従来の電化製品の有機基板等の回路基板へのはんだ付け方法としては、回路基板に熱風を吹き付け、電極に印刷されたはんだペーストを溶融させて表面実装部品のはんだ付けを行うリフローはんだ付け工程と、溶融したはんだの噴流を回路基板に接触させて挿入実装部品やチップ部品などの一部の表面実装部品のはんだ付けを行うフローはんだ付け工程とによって構成されている。

そして、このはんだ付け方法のことを混載実装方法と称する。ところで、この混載実装方法におけるリフローはんだ付け工程において用いられるはんだペーストおよびフローはんだ付け工程において用いられる溶融したはんだの噴流もともに、毒性の少ないＰｂフリーはんだ合金を使用するという要求が生じてきている。

このＰｂフリーはんだを用いた実装方法に関する従来技術としては、特許文献１乃至６などが知られている。
特許文献１には、Ｐｂフリーはんだとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだ、或いはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系はんだ合金が記載されている。特許文献２には、Ｐｂフリーはんだとして有力なＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだを、表面にＳｎ−Ｂｉ系層を施した電極と接続することが記載されている。特許文献３には、電子部品を、有機基板の第１面および第２面からなる両面の各々に、Ｓｎを主成分とし、Ｂｉを０〜６５質量％、Ａｇを０．５〜４．０質量％、Ｃｕ若しくは／及びＩｎを合計０〜３．０質量％含有するＰｂフリーはんだによってリフローはんだ付けすることが記載されている。特許文献４には、Ｂｉを含有するＰｂフリーはんだを用いて電子部品と回路基板とを接続する方法において、はんだを約１０〜２０℃／ｓの冷却速度で冷却することが記載されている。特許文献５には、基板のＡ面でリフローはんだ付けによって電子部品を表面接続実装し、ついで基板のＢ面でフローはんだ付けにより、Ａ面側から挿入した電子部品のリードを電極にフローはんだ付けして接続実装する方法において、Ａ面側でリフローはんだ付けに用いるはんだを、Ｓｎ−（１．５〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ−（０〜４ｗｔ％）Ｉｎ−（０〜２ｗｔ％）Ｂｉの組成で構成されるＰｂフリーはんだであり、Ｂ面側でフローはんだ付けに用いるはんだを、Ｓｎ−（０〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕの組成で構成されるＰｂフリーはんだであることが記載されている。特許文献６には、フローはんだ付けを従来のＳｎ−３７Ｐｂよりも高融点の共晶組成のＰｂフリーはんだを用いて行う際、部品本体と基板との間に熱伝導材料を設けることにより、はんだ付け後の基板冷却時に有機基板と電子部品本体との間の温度差が大きくならないようにすることが記載されている。

特開平１０−１６６１７８号公報特開平１１−１７９５８６号公報特開平１１−２２１６９４号公報特開平１１−３５４９１９号公報特開２００１−１６８５１９号公報特開２００１−３６２３３号公報

しかしながら、上記従来技術の何れにおいても、以下の点が考慮されていなかった。
それは、Ｐｂフリーはんだの中で代表的なＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだが高い接続信頼性（−５５℃〜１２５℃、１サイクル／ｈの条件の温度サイクル試験において）を有していることから、バンプ接続を行う低耐熱性表面実装部品側のはんだバンプをすべて該Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ、リフロー接続用はんだペーストを融点が２００℃付近のＳｎ−９Ｚｎ，Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉによって形成する場合の課題である。

第一の課題は、リフロー接続時に外周部の部品反り上がりが発生してしまうため、外周部においてはんだペーストは完全に溶融しても、溶融したペーストとはんだバンプとの間に停留したフラックスにより接続が阻害される場合があることである。これは停留したフラックスの表面張力により部品が十分に沈みこまないためであると考えられる。また、逆に、リフロー後、基板の反りが戻った際に、バンプ側面へはんだが過剰にぬれ拡がり、結果、一部はんだ不足のまま接続された部分が接続部中に形成されるため、接続強度が低下する場合がある。

第二の課題は、鉛フリーはんだを用いた低温度でのリフローはんだ付けには、Ｓｎ−Ｚｎ系のはんだの使用が考えられるが、Ｚｎははんだ付け中に大気中の酸素によって酸化しやすい元素のため、はんだ付けされる電極やはんだバンプに対してぬれが悪く、このはんだと被接続部材との界面における接続強度は他のＳｎ−Ａｇ系などのはんだの場合と比較すると低下することである。

本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、各課題を解決するために以下の方法を提供する。

まず、上記第一の課題を解決すべく、本願発明は、リフロー接続時に外周部の部品反り上がりが発生した分、外周部付近の溶融したはんだペーストの上端を中央部付近の溶融したはんだペーストの上端よりも高くすることを提案するものである。また、バンプ側面への過剰なはんだぬれ拡がりへの防止手段として、バンプ上にぬれ拡がり阻害領域を形成することについても提案するものである。この具体的手段としては、以下のものが挙げられる。
すなわち、(1)部品が接続される基板において、外周部付近のランドサイズ（又はランド上に形成されたソルダレジストの開口部サイズ）を中央部付近のランドサイズ（又はランド上に形成されたソルダレジストの開口部サイズ）より小さくする手段、(2)低耐熱実装部品の外周部付近のはんだバンプ側面にソルダレジストのようなはんだ濡れを阻害するような材料を塗布する手段、(3)外周部付近の基板側ランドの外周長がランドサイズの約３．７倍以上となる形状とする手段、(4)外周部付近のはんだバンプと接続するための基板側へのはんだペースト供給量を概ね１０〜５０％多くする手段、である。

次に、上記第二の課題を解決するためには、接続強度が必要な比較的高い応力が発生する場所にできるだけＺｎ含有量を低くしたはんだを使用するようにする必要がある。
具体的には、接続前のはんだバンプがＳｎ−Ｚｎ系を主体としたものであり、その組成が中央部付近のバンプではＺｎ含有量が７から９質量％、残部をＳｎとし、外周部付近のバンプではＺｎ含有量が４から７質量％、残部をＳｎとするものである。
その理由は、Ｚｎ含有量が７から９質量％のはんだは、２１０〜２１５℃でのリフローはんだ付けが可能であり、Ｚｎ含有量が４から７質量％のはんだは、２１５〜２２０℃でのリフローはんだ付けが可能で、前者を中央部付近に、後者を外周部付近に使い分ければ耐熱温度が２２０℃の表面実装部品を保護しながらのリフローはんだづけが可能となるからである。

次に、第一の課題を解決するための手段の詳細について説明する。
まず、上記(1)の手段は、バンプ3を有する部品１が接続される基板2において、基板2の中央部（図１（a））のランド4aのサイズに対し、基板2の外周部付近（図１（b））のランド4ｂのサイズを小さくするものである。この場合、外周部付近のランド4ｂ上に供給されたはんだペーストはランドサイズが小さいため、溶融後、はんだは基板ランド表面に留まることができず、溶融はんだペーストはより高い位置までゆきわたるため、外周部付近がそりあがる部品のはんだバンプに対しても十分な接続が可能となる。この場合、リフロー後には、基板の反りがもとに戻るため、はんだペーストの接続後の状態については、図１（a）に示すように、基板の外周部付近におけるはんだペーストにより形成されたはんだ接続部5ｂの基板に対する高さは、中央部におけるはんだペーストにより形成されるはんだ接続部5aの基板に対する高さよりも高くなる。

次に、(2)の手段は、図２（a）のように、部品1のはんだバンプ3側面へのはんだのぬれ拡がりにより、はんだ接続部5cの一部が細くなり、接続強度が低下する課題に対するものとして、図２（ｂ）のように、外周部付近のはんだバンプ3の側面にソルダレジスト6のようなはんだ濡れを阻害する材料を塗布するものである。供給されたはんだペーストは、バンプ下部のはんだ濡れが阻害されていない場所にぬれるしかなく、はんだ側面に逃げることができないため、上記課題となる細い箇所が形成されないはんだ接続部5dを得ることができる。

また、(3)の外周部付近の基板側ランドの外周長が、中央部のランドサイズ（直径）の約３．１４倍（円周率）を超える形状とする手段の場合には、ランド形状は真円からかけ離れた複雑な形状となり、約３．７倍を超えると外周部付近のランド上に供給されたはんだペーストはランドに対してぬれにくくなるため、上記(1)の方法と同様溶融後はんだは基板ランド表面に十分留まることができず高さが中央部よりも高くすることができる。
従ってこの方法により、リフロー時に外周部付近が反り上がる部品のはんだバンプにいかなる場所のはんだペーストも溶融後は接触できるようにすることができる。

最後に、(4)の外周部付近のはんだバンプと接続するための基板側へのはんだペースト供給量を概ね１０〜５０％多くする手段の場合でも、上記(1)〜(3)と同様の効果が得られることになる。

本発明では、バンプ接続を行う低耐熱性部品のバンプと接続するペーストを供給形状や組成を改善することで、該部品を熱的に保護し、高い接続信頼性を確保しながら該部品のリフローはんだ付けを行う方法を提供できる。

本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

低耐熱部品であるフルグリッドＢＧＡ（耐熱温度：２２０℃、部品サイズ：２３ｍｍ×２３ｍｍ、バンプピッチ：１．０ｍｍ、バンプ数：４８４（２２行×２２列）、バンプ組成：Ｓｎ−９Ｚｎ）をＳｎ−９Ｚｎはんだペースト（供給厚：０．１５ｍｍ、供給直径：０．５ｍｍ）を印刷した回路基板に搭載し、部品中央のバンプのピーク温度が２２０℃となるようにリフローはんだ付けをした。
なお、接続には以下の２種類の基板とし、基板Ｂの方は外側５列（３４０バンプ）を外周部とし、この部分のランドサイズが中央部のそれよりも小さくなっている。
従って、残された１２行×１２列（１４４バンプ）の部分を中央部と呼ぶことにする。
また、それぞれの基板サンプルには基板１枚あたりＢＧＡを１個接続し、１００枚ずつ合計２００枚作成した。
（基板Ａ）
中央部のランドサイズ（直径）：０．５ｍｍ
外周部のランドサイズ（直径）：０．５ｍｍ
（基板Ｂ）
中央部のランドサイズ（直径）：０．５ｍｍ
コーナー部のランドサイズ（直径）：０．４ｍｍ
その結果、基板Ａには、１％の基板にバンプとペースト溶融部との未接続が発生したが、基板Ｂには未接続の発生はなかった。
また、各サンプルから未接続の発生していない基板を１０枚ずつ、合計２０枚を選び、温度サイクル試験（−５５〜１２５℃、１サイクル／ｈ）を実施した結果、基板Ａは１０枚の内２枚が約２００サイクルでコーナー部においてＢＧＡ側の電極とはんだバンプ界面に破断が発生しているのを確認した。
しかし、基板Ｂには５００サイクル経過後も破断は見られなかった。よって、本方法により、はんだ未接続の防止と接続信頼性の向上の効果があることを確認した。

低耐熱部品であるフルグリッドＢＧＡ（耐熱温度：２２０℃、部品サイズ：２３ｍｍ×２３ｍｍ、バンプピッチ：１．０ｍｍ、バンプ数：４８４（２２行×２２列）、バンプ組成：Ｓｎ−９Ｚｎ）をＳｎ−９Ｚｎはんだペースト（供給厚：０．１５ｍｍ、供給直径：０．５ｍｍ）を印刷した回路基板に搭載し、部品中央のバンプのピーク温度が２２０℃となるようにリフローはんだ付けをした。
なお、接続には以下の基板、部品Ａ、Ｂを用いた。
（基板）
中央部のランドサイズ（直径）：０．５ｍｍ
外周部のランドサイズ（直径）：０．５ｍｍ
（部品Ａ）
上記ＢＧＡに何も処理を施さないもの
（部品Ｂ）
上記ＢＧＡの外側５列（３４０バンプ）を外周部とし、この部分のバンプ表面の一部にソルダレジストを塗布したもの
また、このとき高さにして部品パッケージ側約６０％の部分に塗布し、ペーストと接触する側の高さにして約４０％には付着しないようにした。従って、残された１２行×１２列（１４４バンプ）の部分を中央部と呼ぶことにし、ここにはソルダレジストは一切塗布されていない。
また、それぞれの基板サンプルには基板１枚あたりＢＧＡを１個接続し、１００枚ずつ合計２００枚作成した。
部品Ａ、Ｂを接続した基板をそれぞれ基板Ａ、Ｂと呼ぶことにする。
その結果、基板Ａには、１％の基板にバンプとペースト溶融部との未接続が発生したが、基板Ｂには未接続の発生はなかった。
また、各サンプルから未接続の発生していない基板を１０枚ずつ、合計２０枚を選び、温度サイクル試験（−５５〜１２５℃、１サイクル／ｈ）を実施した結果、基板Ａは１０枚の内２枚が約２００サイクルでコーナー部においてＢＧＡ側の電極とはんだバンプ界面に破断が発生しているのを確認した。
しかし、基板Ｂには５００サイクル経過後も破断は見られなかった。よって、本方法により、はんだ未接続の防止と接続信頼性の向上の効果があることを確認した。

低耐熱部品であるフルグリッドＢＧＡ（耐熱温度：２２０℃、部品サイズ：２３ｍｍ×２３ｍｍ、バンプピッチ：１．０ｍｍ、バンプ数：４８４（２２行×２２列）、バンプ組成：Ｓｎ−９Ｚｎ）をＳｎ−９Ｚｎはんだペースト（供給厚：０．１５ｍｍ、供給直径：０．５ｍｍ）を印刷した回路基板に搭載し、部品中央のバンプのピーク温度が２２０℃となるようにリフローはんだ付けをした。
なお、接続には以下の２種類の基板とし、基板Ｂの方は外側５列（３４０バンプ）を外周部とし、この部分の基板側ランド形状7を図３に示すように、直径０．５ｍｍの円形に４ヶ所に切り欠き部を設けることにより外周長がランドサイズの約３．８倍になるようにした。
一方、残された１２行×１２列（１４４バンプ）の部分を中央部と呼ぶことにするが、この部分は直径０．５ｍｍの円形のままとした。
また、それぞれの基板サンプルには基板１枚あたりＢＧＡを１個接続し、１００枚ずつ合計２００枚作成した。
その結果、基板Ａには、１％の基板にバンプとペースト溶融部との未接続が発生したが、基板Ｂには未接続の発生はなかった。
また、各サンプルから未接続の発生していない基板を１０枚ずつ、合計２０枚を選び、温度サイクル試験（−５５〜１２５℃、１サイクル／ｈ）を実施した結果、基板Ａは１０枚の内２枚が約２００サイクルでコーナー部においてＢＧＡ側の電極とはんだバンプ界面に破断が発生しているのを確認した。
しかし、基板Ｂには５００サイクル経過後も破断は見られなかった。よって、本方法により、はんだ未接続の防止と接続信頼性の向上の効果があることを確認した。

低耐熱部品であるフルグリッドＢＧＡ（耐熱温度：２２０℃、部品サイズ：２３ｍｍ×２３ｍｍ、バンプピッチ：１．０ｍｍ、バンプ数：４８４（２２行×２２列）、バンプ組成：Ｓｎ−９Ｚｎ）をＳｎ−９Ｚｎはんだペースト（供給厚：０．１５ｍｍ）を印刷した回路基板に搭載し、部品中央のバンプのピーク温度が２２０℃となるようにリフローはんだ付けをした。
なお、接続には以下の４種類の基板とし、基板Ｂ、Ｃ、Ｄは外側５列（３４０バンプ）を外周部とし、この部分のはんだペースト供給直径を、残された１２行×１２列（１４４バンプ）の部分（中央部と呼ぶことにする）よりも大きくし、はんだペーストを多く供給することにした。
また、それぞれの基板サンプルには基板１枚あたりＢＧＡを１個接続し、５０枚ずつ合計２００枚作成した。
（基板Ａ）
中央部のはんだペースト供給直径：０．５ｍｍ
外周部のはんだペースト供給直径：０．５ｍｍ
（基板Ｂ）
中央部のはんだペースト供給直径：０．５ｍｍ
外周部のはんだペースト供給直径：０．５３ｍｍ
（基板Ｃ）
中央部のはんだペースト供給直径：０．５ｍｍ
外周部のはんだペースト供給直径：０．６ｍｍ
（基板Ｄ）
中央部のはんだペースト供給直径：０．５ｍｍ
外周部のはんだペースト供給直径：０．６５ｍｍ
その結果、基板Ａには、２％の基板にバンプとペースト溶融部との未接続が発生したが、基板Ｂ、Ｃ、Ｄには未接続の発生はなかった。
しかし、基板Ｄには、４％の基板に隣接接続部同士にはんだブリッジが発生した。
また、基板Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄでは外周部付近のはんだペースト供給量を内部付近と比較して０％、約１２％、約４４％、約６９％多くなっている。
また、各サンプルから未接続やはんだブリッジの発生していない基板を１０枚ずつ、合計４０枚を選び、温度サイクル試験（−５５〜１２５℃、１サイクル／ｈ）を実施した結果、基板Ａは１０枚の内２枚が約２００サイクルでコーナー部においてＢＧＡ側の電極とはんだバンプ界面に破断が発生しているのを確認した。
しかし、基板Ｂ、Ｃ、Ｄには５００サイクル経過後も破断は見られなかった。よって、本方法により、はんだ未接続の防止と接続信頼性の向上の効果があることを確認した。

低耐熱部品であるフルグリッドＢＧＡ（耐熱温度：２２０℃、部品サイズ：２３ｍｍ×２３ｍｍ、バンプピッチ：１．０ｍｍ、バンプ数：４８４（２２行×２２列））をＳｎ−９Ｚｎはんだペースト（供給厚：０．１５ｍｍ、供給直径：０．５ｍｍ）を印刷した回路基板に搭載し、部品中央のバンプのピーク温度が２２０℃となるようにリフローはんだ付けをした。なお、接続には以下の基板を使用した。
この基板は、外側５列（３４０バンプ）を外周部とし、この部分のランドサイズが中央部のそれよりも小さくなっている。
なお、残された１２行×１２列（１４４バンプ）の部分が中央部となる。
そして、中央部にはＳｎ−９Ｚｎのはんだバンプを設け、外周部にもＳｎ−９Ｚｎのはんだバンプを設けたものを、部品Ａとした。
また、中央部にはＳｎ−９Ｚｎのはんだバンプを設け、外周部にはＺｎ含有量が比較的少なく高信頼のＳｎ−４Ｚｎはんだを設けたものを部品Ｂとした。
そして、それぞれの基板サンプルには基板１枚あたりＢＧＡを１個接続し、１００枚ずつ合計２００枚作成した。
（基板仕様）
中央部のランドサイズ（直径）：０．５ｍｍ
コーナー部のランドサイズ（直径）：０．４ｍｍ
その結果、基板Ａ、Ｂともに、基板にバンプとペースト溶融部との未接続の発生はなかった。
また、各サンプルから基板を１０枚ずつ、合計２０枚を用いて温度サイクル試験（−５５〜１２５℃、１サイクル／ｈ）を実施した結果、基板Ａは１０枚の内１枚が約７００サイクルでコーナー部においてＢＧＡ側の電極とはんだバンプ界面に破断が発生しているのを確認した。
しかし、基板Ｂには１０００サイクル経過後も破断は見られなかった。よって、本方法により、はんだ未接続の防止と接続信頼性の向上の効果があることを確認した。

以上、いくつかの実施例について、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだペーストを例にとり説明したが、これに限られるものではなく、他のはんだペーストであったも上記構造と組み合わせた場合に効果があることはいうまでもない。

図１（a）は、基板中央部における低耐熱実装部品と基板との接続箇所を示す図である。図１（ｂ）は、基板外周部における低耐熱実装部品と基板との接続箇所を示す図である。図２（a）は、基板外周部における基板のランドと部品の通常のバンプとの接続箇所を示す図であり、図２（ｂ）は基板外周部における基板のランドと部品の一部にソルダレジストが塗布されたバンプとの接続箇所を示す図である。低耐熱実装部品を接続する基板の外周部付近の基板側ランドを直径０．５ｍｍの円形に４ヶ所に切り欠き部を設け、外周長がランドサイズの約３．８倍になっている様子を示した図である。

符号の説明

１：低耐熱性表面実装部品
２：基板
３：はんだバンプ
４、４ａ、４ｂ、７：ランド
５a、５b、５c、５d：はんだペーストによるはんだ接続部
６：ソルダレジスト

Claims

複数のはんだバンプをそれぞれ有する複数の部品と、複数のランドを有する基板と、前記はんだバンプと前記ランドとを接続するはんだ接続部とを有する実装構造体であって、
前記基板の外周部に設けられたランドは、前記基板の中央部のランドよりも小さく、
前記外周部に設けられたランドと接続された前記はんだバンプの側面にはソルダレジストが設けられていることを特徴とする実装構造体。
請求項１記載の実装構造体であって、
前記外周部に設けられたランドの外周長は、前記中央部の円形ランドの直径の３．７倍以上であることを特徴とする実装構造体。
請求１又は２記載の実装構造体であって、
前記外周部のはんだバンプの組成は、Ｚｎ含有量が４から７質量％、残部をＳｎであり、
前記中央部のはんだバンプの組成は、Ｚｎ含有量が７から９質量％、残部をＳｎであることを特徴とする実装構造体。