JP2020082117A - レーザーはんだ付け用はんだ組成物及びはんだ接合部 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、フラックス飛散の発生等が無く、はんだ付け時に於いてもフラックスの使用が不要なレーザーはんだ付け用はんだ組成物及びはんだ接合部を提供する。【解決手段】レーザーはんだ付けに於いて、はんだ組成物の酸化物又ははんだ組成物を主とする酸化物で外郭を被覆したはんだ組成物を用い、そこにレーザー光を照射させて瞬時にはんだ組成物を加熱し、はんだ組成物の内部が先に膨張することによって、内部の酸化されていないはんだ組成物が外郭の酸化物層を突き破り、接合界面に接触することではんだ組成物の濡れがスムーズに進行し、フラックス不要なはんだ付けを可能とする。フラックスを使用していないはんだ組成物を使用することにより、フラックス飛散も発生しない。【選択図】なし

Description

本発明は、レーザー光を使用して電子機器等のはんだ付けに用いるはんだ組成物、及び当該はんだを用いたはんだ接合部に関する。

従来、電子部品等の接合方法に於いて、ディップはんだ付けやはんだペーストを使用したリフロー方式、そして、やに入りはんだを使用したはんだこてによる方式が用いられている。
しかし、近年、電子製品等のダウンサイジングが進み、電子部品やプリント配線基板等の微細化も進み、従来のディップはんだ付け等でははんだ付けが困難になってきている。
そこで、従来のはんだ付け方法でははんだ付けが困難な微細部品や微細な部位へのはんだ付けを行う方法として、レーザー光によるはんだ付け方法が提案されている。
このレーザー光を用いたはんだ付け方法は、はんだ付け装置より接合個所であるプリント配線基板向けレーザー光を照射して、照射されたレーザー光がはんだを溶融してはんだ付けを行う方法である。
この方法のメリットとして、微細な部分に電子部品を短時間ではんだ付けができることに加え、部分的な加熱によるはんだ付けが可能なため、他の電子部品やプリント配線基板等にダメージを与えることがない。
しかし、レーザー光によるはんだ付け方法の問題点として、はんだ材に対して急速な加熱により、フラックス飛散の発生やはんだボールの発生が課題となっている。
その為、レーザー光を用いたはんだ付けの課題に対して、種々の技術が開示されている。

例えば、特許文献１では、軟化点が１３０℃以上の高軟化点ロジン系樹脂を７０％以上含有するロジン系樹脂及び有機酸及び溶剤及び２５℃で固体の有機ハロゲン化合物を含有するフラックスとはんだ粉末からなるはんだ組成物をレーザーはんだ付けに用いることで、はんだボールの発生やフラックス飛散の発生を抑制する技術が開示されている。
また、特許文献２では、エポキシアクリレート化合物を含有するフラックスとはんだ粉末からなるはんだ組成物をレーザーはんだ付けに用いることにより、はんだボールの発生やフラックスの広がりを抑制する技術が開示されている。

しかし、特許文献１や特許文献２で開示されている技術には課題も残されており、例えば、はんだこてを用いるはんだ付け方式においての問題が残っている。
また、フラックスを用いたはんだ組成物を用いているため、フラックス飛散をなくすことは困難であるため、広くはんだ付け方法の対応が可能なはんだ組成物が求められている。

特開２０１５−１４２９３６号公報 特開２０１４−１２４６４９号公報

本発明は、レーザーはんだ付け方法に於いて、微細な電子部品の接合は可能となっているが、従来のレーザーはんだ付け用はんだペーストや、やに入りはんだでは、レーザー光による急激な加熱により、フラックス飛散が発生するという課題が残っているため、本発明ではレーザーはんだ付けにおいてフラックス飛散の発生の等が無く、はんだ付け時に於いてもフラックスの使用が不要なレーザーはんだ付け用はんだ組成物及びはんだ接合部の提供を目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、レーザーはんだ付けと鉛フリーはんだ合金組成に着目して鋭意検討を重ねた結果、フラックスを含有しないはんだ組成物を用いて、当該はんだ組成物の外郭が同はんだ組成物の酸化物又は同はんだ組成を主とする酸化物で覆われた状態のものを用いて、それに瞬時にレーザー光を照射して急速に加熱しはんだ組成物を溶解させることによってフラックスが不要なはんだ付け方法を見出し、本発明を完成するに至った。

即ち本発明は、レーザーはんだ付けにおいて、使用するはんだ組成物の外郭をはんだ組成物の酸化物で被覆されたものを用い、そこにレーザー光を照射させて瞬時にはんだ組成物を加熱することにより、はんだ組成物の内部が先に膨張することによって、内部の酸化していないはんだ組成物が外郭のはんだ組成物の酸化物層を突き破り、はんだ接合物に接触することで、接合界面にはんだ組成物の濡れがスムーズに進行し、良好なはんだ付けが可能となる。
そして、フラックスを使用していないはんだ組成物を使用することにより、フラックス飛散も発生しない。

本発明は、レーザーはんだ付けに於いて、フラックス飛散を発生させることなく微細な電子部品を接合できるため、はんだ接合の信頼性や不良率の低減も期待でき、電子機器の接合等に広く応用が可能となる。

はんだボールを示すイメージ図 本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物を示すイメージ図 はんだボールで接合した際の接合不良を示したイメージ図 本発明のレーザー用はんだ付けはんだ組成物にレーザー光を照射してるイメージ図 本発明のレーザー用はんだ付けはんだ組成物がレーザー光により加熱され、内部のはんだ組成物が外郭を破り出ていく状況を例示するイメージ図 本発明のレーザー用はんだ付けはんだ組成物にレーザー光を用いて、基板と接合させた状態を示すイメージ図

本発明のレーザーはんだ付け用のはんだ組成物について、以下に詳細に説明する。
本発明のレーザーはんだ付け用のはんだ組成物は、鉛を含有するはんだ合金又は鉛フリーはんだ合金とその外郭は当該はんだ組成物の酸化物又は当該はんだ組成物を主成分とする酸化物からなることを特徴としている。

本発明のレーザーはんだ付け用のはんだ組成物に用いるはんだ合金は、鉛を含有する場合のはんだ合金も鉛フリーはんだ合金も、本発明の効果を有する範囲に於いて、形状や組成は限定されない。
鉛を含有するはんだ合金の組成として、例えば、ＳｎＰｂ共晶合金やＰｂ−５Ｓｎ合金等が例示できる。
また、鉛フリーのはんだ合金の組成として、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金、Ｂｉ−Ｉｎ系合金、Ｓｎ−Ｓｂ系合金等が例示できる。
そして、上記のはんだ合金組成の外郭に酸化物を生成させる目的で、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｎ等の酸化防止剤を添加することが出来る。
当該酸化防止剤は本発明の効果の有する範囲に於いて配合量に制限はなく、はんだ組成物を１００として、０．０００１質量％〜０，０１質量％が好ましい。

次に、本発明の実施の形態について説明する。
通常、はんだボールは図１に示すようにはんだ合金でできている。
本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物の場合は、図２で示すようにはんだ組成物の外郭を当該はんだ組成物の酸化物又は当該はんだ組成物を主成分とする酸化物で被覆された状態となっている。
酸化物は一般的に酸化前の組成の熱線膨張係数が大きい。例えば、Ｓｉで比較するとＳｉが２．４に対しＳｉＯ_２は１．１である。本発明はこの現象を応用している。

一般にはんだボールに発生する酸化膜は図３で例示するように、例えば、接合時に基板（４）とはんだ（５）の接合界面（５ｂ）に酸化膜等が原因となる接合不良が発生することが知られている。
しかし、レーザーはんだ付け用はんだ組成物の場合は、予めはんだ組成物に抗酸化作用を有するＰ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｎ等が配合されており、はんだボールや線状はんだに成形された際に、図２で示すように、本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物（２）の内部（２ｂ）は酸化物が殆ど含有されていないはんだ組成物で、外郭（２ａ）は当該はんだ組成に含まれているＰ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｎを主とするはんだ組成物の酸化物で形成されている。

本発明のレーザーはんだ付け用はんだ（２）は、熱線膨張が大きいはんだ組成物からなる内部（２ｂ）と熱線膨張が比較的小さいはんだ組成物の酸化物である外郭（２ａ）からなるため、当該はんだが加熱されると内部のはんだ組成物が大きく膨張して外郭のはんだ組成物の酸化物に負荷をかけることになり、加熱を急速に行った場合は、外郭の酸化物層が内部のはんだ組成物の膨張スピードに追随することが出来ず、外郭が破壊され内部のはんだ組成物が押し出され、接合対象との界面に広がる。当該はんだ組成物は酸化物が極めて少ない為濡れ性に優れ、瞬時に接合対象との界面に濡れ広がりはんだ付けが可能となる。

上述の現象を、図４、図５、及び図６を用いて詳細に説明する。
図４は、本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物（２）を基板（４）の上に設置し、そこにレーザー光（６）を照射する様子を示したイメージ図である。
本発明のレーザーはんだ付け用はんだ組成物に照射するレーザー光は、本発明の効果を有する範囲に於いて波長や出力、方式に特に制限はないが、瞬時に加熱が比較的可能な波長４００ｎｍ〜５３０ｎｍの緑色及び青色レーザー光が好ましい。

図５は、本発明のレーザー用はんだ組成物（２）にレーザー光を照射し、はんだが瞬時に加熱され、内部のはんだ組成物（２ｂ）が外郭のはんだ組成物（２ａ）を破って外に出ている様子を示している。
図６は、本発明のレーザー用はんだ組成物を用いてレーザーはんだ付けを行った後の基板（４）とはんだ（７）の接合状況を示した図である。
レーザー光により瞬時に加熱されたはんだの内部から溶融したはんだ組成物はんだの外郭を破り出て、酸化物を殆ど含有しない状態で基板との界面に接触するため、スムーズに濡れ広がり接合界面（７ａ）が形成され、良好な接合が可能となる。
線状はんだに於いても、同様に接合対象物との界面にはんだ組成物が濡れ広がるため、良好なはんだ付けが可能となる。

本発明のレーザー用はんだ組成物を用いたレーザーはんだ付けは、フラックスを含有しない組成であること、そして、接合の対象となる基板に対しても活性力の高い溶融された酸化物の殆ど含まれないはんだ組成物が直に接合界面に接触するため、ポストフラックスを用いることなく良好な接合が可能となるため、フラックス飛散が発生しない。

本発明のレーザー用はんだ組成物を用いたレーザーはんだ付けは、フラックス飛散等の接合不具合が発生せず、微細なはんだ付けが可能であることから、レーザー光を用いた電子部品の接合に応用が期待できる。

１ 従来のはんだ合金
２ 本発明のはんだ
２ａ 本発明のはんだ組成物の外郭（酸化物層）
２ｂ 本発明のはんだ組成物
３ 電子部品
４ 基板
５ はんだ接合部
５ａ 電子部品との接合界面
５ｂ 基板との接合界面
６ レーザー光
７ 本発明のはんだ組成物で接合したはんだ
７ａ 本発明のはんだ組成物で接合したはんだとと基板の接合界面

Claims (4)

1. レーザーはんだ付け用のはんだ組成物であって、当該はんだ組成物がはんだ組成物及びその外郭に当該はんだ組成物の酸化物又は当該はんだ組成物を主とする酸化物から構成されることを特徴とするはんだ組成物。
2. はんだ組成物が鉛フリーはんだ合金からなることを特徴とする請求項１記載のレーザーはんだ付け用のはんだ組成物。
3. はんだ組成物に酸化防止剤として、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｎを含有したことを特徴とする請求項１及び請求項２記載のレーザーはんだ付け用のはんだ組成物。
4. レーザーはんだ付けに於いて、請求項１〜請求項３記載のはんだ組成物を用いてはんだ付けをしたことを特徴とするはんだ接合部。
   
   
   
   
   

Images