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WO2018096917A1 - はんだ付け方法 - Google Patents

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WO2018096917A1
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衛 角石
竜史 鵜飼
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Senju Metal Industry Co Ltd
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    • H05K2203/111—Preheating, e.g. before soldering

Definitions

  • the present invention relates to a soldering method for soldering an electronic component onto a printed circuit board.
  • solder paste is applied to the electrode of the printed circuit board by a printing method or a discharging method, and then the solder paste is applied in a chamber of a reflow apparatus.
  • the electronic component is soldered onto the printed circuit board by preheating and main heating the printed circuit board.
  • Solder paste is composed of a bonding material in which solder powder and flux are mixed.
  • a residue-free solder paste that does not require a flux residue cleaning process in a soldered portion after reflow is widely used in the semiconductor industry, the automobile industry, and the like.
  • Patent Document 1 discloses that a solid solvent that is solid at normal temperature and evaporates at a reflow temperature, a high-viscosity solvent that evaporates at normal temperature and a high-viscosity solvent that evaporates at reflow temperature, and the balance is liquid at normal temperature.
  • a residue-free solder paste consisting of a liquid solvent that evaporates at temperature is described.
  • Patent Document 2 describes a power module that uses a fluxless solder preform material for joining a semiconductor element and an insulating metal substrate. In this case, reflow is performed in a reducing atmosphere because a fluxless preform material is used.
  • the soldering method described in Patent Document 1 has the following problems. That is, in the soldering method described in Patent Document 1, the flux is scattered when the solder melts because the solder is melted at atmospheric pressure or in a nitrogen atmosphere with the flux remaining during the main heating. In some cases, the solder may be scattered due to the momentum generated by the scattering of the flux. The reason why the flux is scattered is considered to be a residual solvent component contained in the flux.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to prevent solder from being scattered during reflow and to reliably remove an oxide film formed on the surface of the solder or electrode. It is in providing the soldering method which can be performed.
  • the soldering method includes a first step of applying a solder paste in which a solder alloy and a residue-free flux are mixed to a soldering portion on a substrate, and placing an electronic component on the solder paste.
  • a fourth step of melting the solder contained in the solder paste includes a first step of applying a solder paste in which a solder alloy and a residue-free flux are mixed to a soldering portion on a substrate, and placing an electronic component on the solder paste.
  • the present invention it is possible to prevent the solder from being scattered at the time of reflow, and to reliably remove the oxide film formed on the surface of the solder or electrode.
  • FIG. 2 shows an example of the relationship (temperature profile) between the temperature in the chamber and the atmospheric pressure during reflow.
  • the left vertical axis indicates the temperature in the chamber
  • the right vertical axis indicates the atmospheric pressure in the chamber
  • the horizontal axis indicates time.
  • a reflow apparatus that performs soldering using formic acid reduction is used as the reflow apparatus 100.
  • the reflow apparatus using formic acid reduction is well-known, detailed description is abbreviate
  • a metal mask having an opening formed at the same position as the electrode (soldering portion) of the printed circuit board 10 is prepared, and the opening of the metal mask is aligned with the electrode of the printed circuit board 10, and then is placed on the printed circuit board 10. Place.
  • the solder paste 20 placed on the metal mask is filled into the opening of the metal mask by moving the squeegee.
  • the solder paste 20 for example, a mixture of a solder alloy made of Sn-3.0Ag-0.5Cu and a residue-free flux is used.
  • the solder paste 20 By adjusting the opening size and thickness of the opening of the metal mask, the solder paste 20 corresponding to an electrode of an arbitrary size can be formed.
  • the electronic component 30 is placed on the solder paste 20 (first step).
  • the printed circuit board 10 on which the electronic component 30 is mounted is conveyed into the chamber of the reflow apparatus 100.
  • the chamber is evacuated and set to 150 to 180 ° C. (first temperature) during preheating in section A, as shown in FIG.
  • the degree of vacuum is preferably 10 to 100 Pa, for example.
  • the flux contained in the solder paste 20 is completely volatilized and there is no residue, and only the solder powder 22 remains on the printed circuit board 10 (second step).
  • the “no residue” in the state where the flux is volatilized shown in FIG. 1C includes almost no flux residue other than the case where the flux is completely volatilized and no flux residue is present as described above. It is not seen, specifically, the case where the amount of the flux residue is 1% by mass or less in the flux is also included.
  • the temperature in the chamber at the time of the main heating is set to a temperature (second temperature) that is equal to or higher than the first temperature and lower than the melting temperature of the solder.
  • the temperature is set to be 10 ° C. to 20 ° C. lower than the melting temperature of the solder.
  • the formic acid in the chamber is exhausted, and the inside of the chamber is changed from the atmospheric pressure state to the vacuum state.
  • the degree of vacuum is preferably 10 to 100 Pa, for example.
  • the temperature in the chamber during the main heating is set to a temperature (third temperature) that is 20 ° C. to 50 ° C., preferably 20 ° C. to 30 ° C. higher than the melting temperature of the solder.
  • the electronic component 30 is joined to the electrode on the printed circuit board 10 because a solder fuse
  • the electronic component 30 is soldered onto the printed circuit board 10 via the solder paste 20 through such a series of steps.
  • solder powder made of Sn-3.0Ag-0.5Cu was prepared, and a solder paste was prepared by mixing NRB60, which is a residue-free flux, and the solder powder.
  • NRB60 which is a residue-free flux
  • solder paste was applied on the copper plate, and an 8 mm square Si chip was placed on the solder paste, and then soldering was performed by changing the reflow conditions such as the temperature and pressure in the chamber.
  • the soldered copper plate was checked for generation of voids and solder scattering after reflow using an X-ray inspection apparatus, and the flux residue was checked using an electron microscope.
  • Table 1 shows the results of void generation, flux residue and solder scattering after reflow under each reflow condition.
  • Example 1 As shown in Table 1, since the solder paste was heated in a vacuum state during preheating in the section A to completely volatilize the flux, no flux residue was confirmed even after reflow. In addition, during the main heating in the section C, since the flux has already volatilized, solder scattering due to the flux was not confirmed. Furthermore, since the oxide film is removed with formic acid, soldering can be performed normally. Generation of voids was not confirmed due to the vacuum state when the solder melted.
  • Comparative Example 1 As shown in Table 1, the flux cannot be completely volatilized because the section A is not evacuated. Therefore, when the solder is melted in the section C, the flux remains as a void. Thereafter, the flux remaining during the main heating was volatilized, causing solder scattering.
  • Comparative Example 2 since reduction with formic acid in section B was performed for only 1 minute, the oxide film remained without being sufficiently removed, and soldering could not be performed.
  • Comparative Example 3 the section C is not in a vacuum state. In addition, the oxide film is removed with formic acid in the section B, and even if the supply of formic acid is stopped, formic acid remains around the solder, so that the formic acid remains as a void when the solder is melted. It was.
  • the preheating time is set longer than the conventional one and the chamber is in a vacuum state at this time, so that the flux can be completely volatilized during the preheating, and the solder melt It is possible to reliably prevent the solder from scattering at the time. Also in this case, since the formic acid atmosphere reflow is adopted, it is possible to perform soldering without flux. Although reflow was performed using formic acid, it is only necessary to perform reflow in a reducing atmosphere such as hydrogen. As a result, soldering can be performed while preventing solder scattering with the voidless, and the flux cleaning step can be omitted. Further, the flux may not contain an activator necessary for removing the oxide film.
  • the solder powder 22 can be used in any composition as long as it can be a solder powder.
  • difficult-to-process Sn—Sb or Bi—Sn solder that is difficult to process as a preform can be used.
  • the tensile strength (tensile strength) of the solder alloy is 55 MPa or more
  • the elongation (breaking elongation) is 40% or less
  • the 0.2% proof stress (offset method) is 40 MPa or more.
  • Elongation is a property related to metal processing, and if the elongation rate is small, formation processing becomes difficult.
  • each measuring method of tensile strength, breaking elongation, and 0.2% yield strength conforms to JIS Z 2241.
  • the 0.2% proof stress is a load at which plastic deformation starts. If this value is high, the force required for processing increases.
  • the tensile strength may be used as an index for obtaining the force required for punching, and if this value is high, punching becomes difficult. If these conditions are satisfied, the solder cannot be stretched thinly, or cracks or chips may occur when punching.
  • solder alloys exhibiting such characteristics include Sn—Sb solder alloys containing 10% by mass or more of Sb and Bi—Sn solder alloys containing 80% by mass or more of Bi.
  • the solder paste 20 can be formed in an arbitrary size according to the shape and size of the semiconductor element and the electrode. That is, even when a difficult-to-work solder material is used, the solder shape can be designed freely.

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Abstract

リフロー時におけるはんだの飛散を防止すると共に、はんだや電極の表面に形成される酸化膜を確実に除去する。 本発明に係るはんだ付け方法は、プリント基板上の電極にはんだペーストを塗布し、当該はんだペースト上に電子部品を実装する工程と、プリヒート時（区間Ａ）にチャンバー内を真空状態かつ約１８０℃としてプリント基板を加熱することによりはんだペーストに含有する無残渣用フラックスを揮発させる工程と、還元時（区間Ｂ）にチャンバー内をギ酸雰囲気でかつ約２００℃としてプリント基板を加熱することにより電極等に形成された酸化膜を除去する工程と、本加熱時（区間Ｃ）にチャンバー内を真空状態でかつ２５０℃としてプリント基板を加熱することによりはんだペーストに含有するはんだ粉末を溶融させる工程と、を有する。

Description

はんだ付け方法
　本発明は、電子部品をプリント基板上にはんだ付けするはんだ付け方法に関する。
　一般に、電子部品をプリント基板上の電極（はんだ付け部）にはんだ付けを行う場合には、はんだペーストをプリント基板の電極に印刷法または吐出法により塗布し、その後、リフロー装置のチャンバー内においてそのプリント基板を予備加熱および本加熱することにより電子部品をプリント基板上にはんだ付けしている。
　はんだペーストは、はんだ粉末とフラックスとが混合された接合材料により構成されている。近年では、リフロー後のはんだ付け部におけるフラックス残渣の洗浄工程が必要のない無残渣はんだペーストが、半導体業界や自動車業界等において広く利用されている。例えば、特許文献１には、常温で固体であり、リフロー温度で蒸発する固体溶剤と、常温で高粘性流体であり、リフロー温度で蒸発する高粘性溶剤と、残部、常温で液体であり、リフロー温度で蒸発する液体溶剤からなる無残渣ソルダペーストが記載されている。
　また、フラックスの残渣対策としては、上述した無残渣ソルダペーストを用いる以外にも、フラックスレスのプリフォーム材を使用して電子部品をプリント基板上にはんだ付けする技術が知られている。例えば、特許文献２には、半導体素子と絶縁金属基板の接合に、フラックスレスの半田プリフォーム材を使用するパワーモジュールが記載されている。この場合、リフローは、フラックスレスのプリフォーム材を用いるため、還元雰囲気中で行われる。
特開２００４－０２５３０５号公報 特開２００８－１７２１２０号公報
　しかしながら、上記特許文献１に記載されるはんだ付け方法では、以下のような問題がある。すなわち、特許文献１に記載のはんだ付け方法では、本加熱時においてフラックスが残った状態で大気圧下または窒素雰囲気下ではんだを溶融させるため、はんだが溶融する際にフラックスが飛散してしまい、そのフラックスの飛散による勢いではんだも飛散してしまう場合がある。フラックスが飛散する理由としては、フラックスに含有する溶剤成分の残留が考えられている。
　そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、リフロー時におけるはんだの飛散を防止すると共に、はんだや電極の表面に形成される酸化膜を確実に除去することができるはんだ付け方法を提供することにある。
　本発明に係るはんだ付け方法は、はんだ合金と無残渣用フラックスが混合されてなるはんだペーストを基板上のはんだ付け部に塗布し、当該はんだペースト上に電子部品を載置する第１の工程と、炉内を真空状態かつ第１の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれる前記無残渣用フラックスを揮発させる第２の工程と、前記炉内を還元雰囲気で第２の温度として前記基板を加熱することにより少なくとも前記はんだ付け部の酸化膜を除去する第３の工程と、前記炉内を真空状態でかつ前記第２の温度よりも高い第３の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれるはんだを溶融させる第４の工程と、を有するものである。
　本発明によれば、リフロー時における、はんだの飛散を防止することができると共にはんだや電極の表面に形成される酸化膜を確実に除去することができる。
本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るはんだ付け方法の工程の一例を示す図である。 リフロー時におけるチャンバー内の温度と気圧との関係の一例を示す図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
　［はんだ付け方法の工程例］　
　図１Ａ～図１Ｄは、本発明に係るはんだ付け方法における半導体装置の製造工程の一例を示している。図２は、リフロー時におけるチャンバー内の温度と気圧との関係（温度プロファイル）の一例を示している。図２において、左側の縦軸はチャンバー内の温度を示し、右側の縦軸はチャンバー内の気圧を示し、横軸は時間を示している。
　本実施の形態においてリフロー装置１００としては、ギ酸還元を利用したはんだ付けを行うリフロー装置を用いている。なお、ギ酸還元を利用したリフロー装置は、公知であるため、詳細な説明については省略する。
　まず、プリント基板１０の電極（はんだ付け部）と同一箇所に開口部が形成されたメタルマスクを用意し、このメタルマスクの開口部をプリント基板１０の電極に位置合わせした後にプリント基板１０上に載置する。続けて、メタルマスク上に置いたはんだペースト２０をスキージを移動させることによりメタルマスクの開口部内に充填する。はんだペースト２０には、例えば、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕからなるはんだ合金と無残渣用フラックスとを混合させたものが用いられる。メタルマスクの開口部の開口寸法や厚みを調整することで、任意の大きさの電極等に対応したはんだペースト２０を形成できる。続けて、図１Ａに示すように、メタルマスクをプリント基板１０上から取り外した後、はんだペースト２０上に電子部品３０を載置する（第１の工程）。
　次に、図１Ｂに示すように、電子部品３０が実装されたプリント基板１０をリフロー装置１００のチャンバー内に搬送する。チャンバー内は、図２に示すように、区間Ａのプリヒート時において、チャンバー内が真空状態とされると共に１５０～１８０℃（第１の温度）に設定される。真空度としては、例えば１０～１００Ｐａであることが好ましい。これにより、図１Ｃに示すように、はんだペースト２０に含有するフラックスが完全に揮発した無残渣の状態となり、プリント基板１０上にははんだ粉末２２のみが残った状態となる（第２の工程）。なお、本実施の形態において、図１Ｃに示すフラックスが揮発した状態の「無残渣」には、上述したようにフラックスが完全に揮発してフラックス残渣が皆無となる場合の他、フラックス残渣がほとんど見られない、具体的にはフラックス残渣の量がフラックス中の１質量％以下となる場合も含まれる。
　次に、図２に示すように、区間Ｂの還元において、リフロー装置１００のチャンバー内にギ酸が供給されると共に、チャンバー内が真空状態から大気圧状態とされる。また、本加熱時におけるチャンバー内の温度は、第１の温度以上ではんだの溶融温度より低い温度（第２の温度）に設定される。好ましくは、はんだの溶融温度より１０℃～２０℃低い温度に設定される。これにより、チャンバー内に供給されたギ酸成分が、プリント基板１０の電極やはんだの表面に形成された酸化膜を還元させ、電極やはんだ表面の酸化膜を除去する。つまり、フラックスレスでも、電極やはんだ表面の酸化膜を除去することができる（第３の工程）。
　次に、図２に示すように、区間Ｃの本加熱では、チャンバー内のギ酸が排気されると共に、チャンバー内が大気圧状態から真空状態とされる。真空度としては、例えば１０～１００Ｐａであることが好ましい。また、本加熱時におけるチャンバー内の温度は、はんだの溶融温度より２０℃～５０℃、好ましくは２０℃～３０℃高い温度（第３の温度）に設定される。これにより、図１Ｄに示すように、はんだが溶融することで、電子部品３０がプリント基板１０上の電極に接合される（第４の工程）。はんだの溶融時は、フラックスが揮発して残っていないので、はんだの飛散も防止される。本実施の形態では、このような一連の工程により電子部品３０をはんだペースト２０を介してプリント基板１０上にはんだ付けする。
　次に、チャンバー内の温度や気圧等のリフロー条件を変更してリフローを行った場合におけるリフロー後のボイドの発生、フラックス残渣、はんだの飛散のそれぞれを検証した。リフロー装置には、ＡＴＶ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ　Ｇｍｂｈ社製のＳＲＯ７００を用いた。
　まず、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕからなるはんだ粉末を作製し、無残渣用フラックスであるＮＲＢ６０とはんだ粉末とを混合してはんだペーストを作製した。続けて、銅板上にはんだペーストを塗布し、そのはんだペースト上に８ｍｍ角のＳｉチップを載置した後、チャンバー内の温度や気圧等のリフロー条件を変更してはんだ付けを行った。最後に、はんだ付けを行った銅板をＸ線検査装置を用いて、リフロー後におけるボイドの発生およびはんだの飛散の確認、電子顕微鏡を用いてフラックス残渣の確認を行った。
（１）ボイドの評価方法
　Ｘ線の倍率を７倍とし、画像処理ソフトによりボイド率の測定を行った。
　○：ボイド率が１％以下であった。
　×：ボイド率が１％超であった。
（２）はんだ付けの評価方法
　はんだ付けが正常に行えていたら○とし、はんだ付けが出来ていなかったら×とした。
　表１は、各リフロー条件でのリフロー後におけるボイドの発生、フラックス残渣およびはんだの飛散の結果を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１では、表１に示すように、区間Ａでのプリヒート時に真空状態にてはんだペーストを加熱してフラックスを完全に揮発させるので、リフロー後においてもフラックス残渣が確認されなかった。また、区間Ｃでの本加熱時において、すでにフラックスは揮発しているので、フラックスに起因するはんだの飛散も確認されなかった。さらに、ギ酸により酸化膜を除去するので、はんだ付けも正常に行うことができる。はんだの溶融時は真空状態のためボイドの発生も確認されなかった。
　これに対し、比較例１では、表１に示すように、区間Ａにおいて真空状態にしないためフラックスを完全に揮発させることができない。そのため、区間Ｃにおいてはんだを溶融させたとき、フラックスがボイドとして残ってしまった。その後、本加熱を行う間に残っていたフラックスが揮発し、はんだの飛散を発生させてしまった。比較例２では、区間Ｂのギ酸による還元を１分間しか行っていないため、酸化膜が十分に除去されずに残ってしまい、はんだ付けを行うことができなかった。比較例３では、区間Ｃを真空状態にしていない。また、区間Ｂにおいてギ酸により酸化膜の除去を行っており、ギ酸の供給を止めたとしてもはんだの周りにはギ酸が残ってしまうため、はんだを溶融させた際にギ酸がボイドとして残ってしまった。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、プリヒート時間を従来よりも長く設定すると共にこのときチャンバー内を真空状態とするので、プリヒート時においてフラックスを完全に揮発させることができ、はんだ溶融時におけるはんだの飛散を確実に防止することができる。また、この場合でも、ギ酸雰囲気リフローを採用しているので、フラックスレスでのはんだ付けを行うことができる。ギ酸を用いてリフローを行ったが、水素など還元雰囲気でリフローが行えれば良い。これにより、ボイドレスではんだ飛散を防止しながらはんだ付けを行うことができ、かつ、フラックス洗浄工程を省略することができる。また、フラックスは酸化膜除去に必要な活性剤を含まなくても良い。
　また、本実施の形態によれば、メタルマスクを用いてはんだペースト２０を電極上に塗布するので、はんだ粉末２２ははんだ粉末にできれば如何なる組成であっても用いることができる。例えば、プリフォームとして加工することが困難な難加工性のＳｎ－Ｓｂ系やＢｉ－Ｓｎ系はんだ等を使用することもできる。難加工性の条件としては、はんだ合金の引張強度（引張強さ）が５５ＭＰａ以上、伸び（破断伸び）が４０％以下、０．２％耐力（オフセット法）が４０ＭＰａ以上である。伸びは金属加工に関する特性であり、伸び率が小さいと形成加工が困難になる。引張強さ、破断伸び、０．２％耐力の各測定方法は、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１に準拠する。０．２％耐力は塑性変形が開始する荷重であり、この値が高いと加工に必要な力が大きくなる。引張強度は打ち抜き加工に必要な力を求める指標として用いられる場合があり、この値が高いと打ち抜き加工が困難になる。これらの条件を満たすと、はんだを薄く伸ばすことができなかったり、打ち抜きを行った際、亀裂や欠けが生じたりする。このような特性を示すはんだ合金として、例えば、Ｓｂが１０質量％以上含有するＳｎ－Ｓｂ系はんだ合金やＢｉが８０質量％以上含有するＢｉ－Ｓｎ系はんだ合金が挙げられる。また、メタルマスクの開口径や厚みを調整することで、半導体素子や電極の形状や大きさに応じて任意の大きさではんだペースト２０を形成することができる。つまり、難加工性のはんだ材料を用いた場合でも、はんだ形状を自由に設計することができる。
　なお、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に記載の範囲には限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能である。
１０　プリント基板（基板）
２０　はんだペースト
２２　はんだ粉末
２４　フラックス
３０　電子部品

Claims (3)

  1. 　はんだ合金と無残渣用フラックスが混合されてなるはんだペーストを基板上のはんだ付け部に塗布し、当該はんだペースト上に電子部品を載置する第１の工程と、
    　炉内を真空状態かつ第１の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれる前記無残渣用フラックスを揮発させる第２の工程と、
    　前記炉内を還元雰囲気で第２の温度として前記基板を加熱することにより少なくとも前記はんだ付け部の酸化膜を除去する第３の工程と、
    　前記炉内を真空状態でかつ前記第２の温度よりも高い第３の温度として前記基板を加熱することにより前記はんだペーストに含まれるはんだを溶融させる第４の工程と、
    　を有することを特徴とするはんだ付け方法。
  2. 　前記第１の工程において、前記基板上の前記はんだ付け部に対応する部分が開口された開口部を有するメタルマスクを用いて、前記基板上の前記はんだ付け部に前記はんだペーストを塗布する
    　ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
  3. 　前記はんだ合金は、引張強度が５５ＭＰａ以上、伸びが４０％以下、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上である
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ付け方法。
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