JP2006303296A - 電子部品実装基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品を金属配線基板上に半田接合してなる電子部品実装基板の製造方法に関し、リフロー時のガスの放出が円滑に行われて、半田接合部の強度の低下が防止でき、しかも、半導体チップから発生する熱の放散が良好に行われ、半導体チップが安定して稼動する。
【解決手段】電子部品２と金属配線基板６との間にペースト状半田材料１５を塗布し、リフロー工程を経て電子部品２を金属配線基板６に接合するときに、金属配線基板６の、平面視における半導体チップ３の外縁よりも外側に貫通孔１６を設け、リフロー工程では、金属配線基板６が上位で、電子部品２が下位になる倒立姿勢で加熱して、半田材料１５から発生するガスＧを貫通孔１６を通じて円滑に上方へと放出する。稼動時に半導体チップ３から発生する熱は、直近の金属板１１を伝達して外部へ放散され、半導体チップ３の外縁のさらに外側に形成された貫通孔１６は、熱の放散を阻害することが少ない。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品実装基板の製造方法に関し、詳しくは、電子部品と金属配線基板の間に介在させた接合材料をリフロー工程によって加熱溶解することにより、電子部品を金属配線基板上に接合してなる電子部品実装基板の製造方法に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）チップ等の半導体チップを実装基板上に実装してなる電子部品を、半田等の接合材料で金属配線基板上に接合した電子部品実装基板が知られている。また、近年では、電子部品の小型化に伴い従来のリード線付き部品に代わって、リード線を有さない、いわゆるチップ部品が多く用いられるようになっていること、及び実装密度を高めるために平面実装法が導入されるようになったこと等から、電子部品を金属配線基板上に接合する方法として、ペースト状半田材料を利用したリフロー工法が主流を占めるようになってきている。

リフロー工法は、適正組成の半田材料を必要箇所に適量だけ供給することができることから微小な面積への半田付けを正確に行うことができ、ブリッジ等の半田付け欠陥が生じることが少ないとか、短時間に多数個の接合を行うことができ高い量産効果が得られる等の種々の長所を有している。

一方、チップ状回路部品を印刷配線基板へ半田固定する方法として、回路部品を装着した印刷配線基板を半田槽へ浸漬する方法が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。また、リフロー工法を用いて回路部品をプリント配線板へ半田固定する技術として、例えば特許文献３及び特許文献４に開示されたものがある。特許文献３に示された技術は、回路部品から突出するリード部分をプリント配線板に半田固定するものであって、リフロー工程中に発生する気泡がリードに開けた穴を通して外部へ放出され、リードとプリント配線板間の半田部に空孔ができないように図ったものである。特許文献４に示された技術は、チップ状の半導体部品を回路基板にリフロー工法によって半田固定するときに、半導体部品と回路基板の間からガスが逃げやすくなるように接地パターン部に貫通孔を形成したものである。
特開昭５７−１１１０９１号公報 特開昭６２−５８６９３号公報 特開２００２−２４６７２１号公報 特開平１１−３１８７６号公報

ところで、リフロー工法を用いて電子部品を配線基板に半田固定する場合に、ペースト状半田材料に含まれる有機成分（フラックス）が気化して、電子部品と配線基板との間の接合界面にボイド（気泡）が発生しやすく、ボイドが半田内に残ったままになると、半田固定の強度が低下する等の障害が発生する場合がある。そこで、特許文献４に紹介したように、ペースト状半田材料から発生したガスが逃げられる貫通孔を配線基板側に設ける技術が開発されているが、ボイドが発生しやすい箇所に単純に貫通孔を開けただけでは、種々の理由により、ガスが円滑に放出されることはない。他方、当該電子部品実装基板の稼動時に半導体チップから発生する熱の放散が、配線基板に開けた貫通孔内の空気層によって阻害されるという別の不具合が生じる虞もある。

つまり、貫通孔が小径であれば、リフロー時に発生したガスが配線基板の貫通孔を通って円滑に外部へ放出されることが困難になり、逆に貫通孔を大径にすれば、貫通孔内に比較的多くの空気が残り、その空気層が断熱作用を及ぼして、当該電子部品実装基板を製品として稼動させたときに、半導体チップから発生する熱が配線基板を伝達して外部へ放散されることを阻害する虞がある。

前記特許文献４に記載の技術であれば、半導体部品を装着する回路基板上に接地パターンが形成してあり、この接地パターンの中央部に貫通孔が開けられているが、半導体部品はほぼ全面的に接地パターンに接触して固定されるので、半導体部品から発生する熱は、そのほぼ直下の貫通孔内の空気層によって伝播を阻害される。また、リフローを行うときに、半導体部品が回路基板の上位になるので、貫通孔は下へ向かってのみ開放された状態となり、空気よりも比重の軽い気化ガスは、容易には外部へ放出されない。

そこで、本発明は、電子部品と金属配線基板の間に介在させたペースト状半田材料をリフロー工程によって加熱溶解することにより、電子部品を金属配線基板上に接合してなる電子部品実装基板の製造方法に関して、ペースト状半田材料からの気化ガスの外部への放出が円滑に行われて、ボイドの発生による接合強度の低下を防止でき、しかも、金属配線基板に形成した貫通孔が半導体チップから発生した熱の伝達を妨げる程度が低く、稼動時に半導体チップから発生する熱の放散が金属配線基板を通じて良好に行われ、半導体チップが安定して動作する電子部品実装基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、配線部を有する実装基板、及びその実装基板上に実装された半導体チップを含む電子部品と、金属板、及びその金属板上に絶縁層を介して形成された回路パターンを含む金属配線基板とを備え、前記電子部品と前記金属配線基板との間に介在させたペースト状半田材料を、リフロー工程により加熱溶解して前記電子部品を前記金属配線基板上に接合してなる電子部品実装基板の製造方法において、前記金属配線基板の、平面視における前記半導体チップの外縁よりも外側に、金属配線基板を上下に貫く貫通孔を設け、前記リフロー工程では、前記金属配線基板が上位で、前記電子部品が下位になる倒立姿勢で加熱し、前記ペースト状半田材料から発生するガスが前記貫通孔を通じて上方へ抜け出るようにしたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記リフロー工程の前段階において、前記ペースト状半田材料を前記電子部品と前記金属配線基板との間に介在させるときに、前記貫通孔に栓部材を挿入し、前記ペースト状半田材料が貫通孔を通って他側へ流出することを防止することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記電子部品と前記金属配線基板を互いに嵌合した状態で、前記リフロー工程を行うことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、リフロー工程時に貫通孔が上方へ向かって開放されるので、ペースト状半田材料からの気化ガスの外部への放出が円滑に行われて、ボイドの発生による接合強度の低下を防止できる。しかも、貫通孔は、平面視における半導体チップの外縁よりも外側に形成されるので、貫通孔に空気が残ったとしても半導体チップからの熱の放散が良好に行われて、稼動時に半導体チップを安定して動作させることが可能になる。

請求項２の発明によれば、貫通孔に栓をすることによって、ペースト状半田材料を基板に塗布するときの半田材料の流出の虞がなくなるので、貫通孔の径を容易に大きくすることができ、請求項１の発明による効果をさらに確実にできる。

請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２の発明による効果に加えて、リフロー工程時の金属配線基板に対する電子部品の位置ずれや、電子部品の脱落を防止することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る電子部品実装基板の構造及び製造方法について、図１と図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の電子部品２が搭載された電子部品実装基板１を示す。電子部品２は、ＧａＮ系化合物半導体発光素子チップ（以下、半導体チップ）３をアルミナセラミック製の実装基板４に実装したものである。実装基板４は上方へ開いた凹状開口部４ａを有し、その底面部に複数個のＡｕバンプ５を介して半導体チップ３をフリップチップ実装してある。

実装基板４の側面から底面に亘る一部には、後述する金属配線基板６の回路パターン７と電気的に接続される電極部８が形成してあり、この電極部８と凹状開口部４ａの底面部を接続する配線部９が形成してある。また、実装基板４の底面の一部は、下方へ突出して金属配線基板６側への放熱を促進するためのパッド部４ｂに形成されている。このパッド部４ｂは、金属メッキ層からなり、平面視で一辺が約４ｍｍの正方形に形成されている。

半導体チップ３は、縦横各１ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍの平板状で、片面側にＰ、Ｎ両電極部を有している。電子部品２全体の外形は、縦横約７ｍｍ、高さ約２．５ｍｍであり、電子部品２の底面から半導体チップ３までの間隔は約０．３ｍｍである。

金属配線基板６は、金属板１１上にプリプレグ１２を接着層としてガラスエポキシ板１３を貼り合わせた金属基板であり、ガラスエポキシ板１３の表面には、電子部品２に電力を供給するための回路パターン７が形成されている。回路パターン７と電子部品２の電極部８とは無鉛半田１４によって接続される。金属板１１の厚みは約１ｍｍ、プリプレグ１２の厚みは約０．０５ｍｍ、ガラスエポキシ板１３の厚みは約０．１ｍｍ、回路パターン７の厚みは約０．０４ｍｍである。

金属配線基板６の一部には、金属板１１が露出した領域１１ａが形成されており、この金属板の露出領域１１ａに、接合材料（半田材料）１５を介して、実装基板のパッド部４ｂが対向するようにして電子部品２が接合されるようになっている。そして、この電子部品２が金属配線基板６に接合される領域の、平面視における半導体チップ３の外縁よりも外側に、金属配線基板６を上下に貫く貫通孔１６が形成してある。

つまり、半導体チップ３は、平面視が縦横各１ｍｍの方形であるので、その方形を金属配線基板６上に投影した方形領域の外側に、合計４本の貫通孔１６が形成してある。貫通孔１６の直径は、０．３ｍｍである。

次に、上述の電子部品実装基板１の製造方法について、図２を参照して説明する。図２は同基板１の製造途中において、同基板１がリフロー炉１７内に載置された状態を示す。まず、図示していないが、金属配線基板６を回路パターン７側が上向きになるようにして準備する。そして、金属配線基板６の露出領域１１ａにペースト状の無鉛半田材料１５を塗布し、その上に別工程で製造した電子部品２を、接合すべき電極部８と回路パターン７が一致するように位置合わせして装着する。このとき、金属配線基板６と電子部品２とは、金属板１１の表面とパッド部４ｂの下面とが平行に対向して、その間にペースト状半田材料１５が介在するので、電子部品２は、半田材料１５の粘着性によって位置ずれすることなく保持される。

上記のようにして位置合わせして装着された金属配線基板６と電子部品２の組み立て体を、図２に示したように、金属配線基板６が上位で、電子部品２が下位になる倒立姿勢（重力方向に関して金属配線基板６が電子部品２の上位になる配置）にした上で、リフロー炉１７へ挿入し、台座１８上へ安定的に載置した状態で加熱する。

リフロー炉１７による加熱が開始されると、ペースト状半田材料１５が溶解して金属配線基板６と電子部品２が接合される。このとき半田材料１５から発生する気化ガスＧは比重が軽く、貫通孔１６が上方へ向けて開放されているので、貫通孔１６を通って円滑に外の空間へと放出され、半田材料１５内に留まることがない。従って、リフロー工程を終えて冷却され製品として完成した後に、金属配線基板６と電子部品２間の接合部に空孔が残らないので、安定した強度の接合が得られる。

また、ペースト状半田材料１５は適度な粘性を有しているために貫通孔１６内にはあまり進入せず、リフロー工程を経て完成した電子部品実装基板１の金属配線基板６の貫通孔１６内には空気層が保持されることとなるが、貫通孔１６は、平面視において、金属配線基板６上で半導体チップ３の外縁よりも外側に配置されているので、稼動時において半導体チップから発生する熱が、パッド部４ｂ、半田接合部１５及び金属板１１を伝達して良好に外部へと放散ｄされる（図１）。

つまり、半導体チップ３から発生した熱は、実装基板のパッド部４ｂと半田材料１５を介して主に直下の金属板１１へと伝達するが、半導体チップ３の直下には貫通孔（空気層）１６は存在しないので、熱は金属板１１を経て良好に外の空間へ放散ｄされる。従って、貫通孔１６の形成位置は、金属配線基板６上で半導体チップ３の外縁よりも外側であって、半導体チップ３よりも離間した位置が望ましいが、ペースト状半田材料１５が塗布される領域に限定される。また、貫通孔１６は４本以上の多数本であってもよい。

次に、第２の実施形態として、ペースト状半田材料１５を電子部品２と金属配線基板６との間に介在させるときに、貫通孔１６に栓部材２１を挿入して、ペースト状半田材料１５が貫通孔１６の開放端側へ流出することを防止する製造方法について、図３と図４を参照して説明する。図３は、リフロー工程の前段階において、電子部品２を金属配線基板６に装着するときに、栓部材２１によって貫通孔１６を閉塞した状態を示し、図４は、倒立姿勢にした後、栓部材２１を抜脱しリフロー炉１７内へ挿入した直後の状態を示す。

製造する電子部品実装基板１の構造は第１の実施形態と同一であるので、構造の説明は省略する。但し、貫通孔１６の直径が０．７ｍｍに拡大されている。本実施形態では、リフロー炉１７へ挿入する金属配線基板６と電子部品２の組立て体を準備する段階で、図３に示すように、貫通孔１６に栓部材２１を挿入し、貫通孔１６の開放端（図３における下側開口）を閉塞した状態でペースト状半田材料１５を塗布する。

つまり、４つの貫通孔１６に嵌合する４本のピン状突起２１ａを備えた栓部材２１を別途用意しておき、金属配線基板６の露出領域１１ａにペースト状の半田材料１５を塗布する前に、その栓部材２１を、半田材料１５を塗布する側（電子部品２が装着される側）の反対側から貫通孔１６に挿入する。栓部材２１のピン状突起２１ａの長さは、貫通孔１６の長さよりも短く設定する。本実施形態では、貫通孔１６の長さが約１ｍｍであるのに対してピン状突起２１ａの長さは０．５ｍｍに設定してある。栓部材２１の材質は、本実施形態ではフッ素樹脂であるが、接合材料（無鉛半田）１５に対してぬれ性が悪いものであれば、どのようなものでもよい。

上記のようにして、ペースト状半田材料１５を塗布した金属配線基板６上に電子部品２を装着した後、図４に示すように、第１の実施形態と同様に、金属配線基板６が上位で、電子部品２が下位になる倒立姿勢（重力方向に関して金属配線基板６が電子部品２の上位になる配置）とした上、栓部材２１を上方へ抜脱する。そして、倒立姿勢のままリフロー炉１７内へ挿入して加熱する。

この第２の実施形態では、ペースト状半田材料１５が金属配線基板６に塗布されるときに、貫通孔１６の開放端側が栓部材２１で閉塞されているので、貫通孔１６の直径が大きくても、塗布した半田材料１５が金属配線基板６の他側へ流出してしまうことがない（図３）。従って、貫通孔１６の直径を大きくすることができ、リフロー工程における、貫通孔１６を通じた気化ガスＧの放出をさらに円滑にすることができる。また、貫通孔１６の直径が大きいことに加えて、半田材料１５が粘性の小さいものである場合にも、貫通孔１６の開放端側が栓部材２１で完全に閉塞されるので、半田材料１５が流出してしまう虞がない。

また、上述のように、貫通孔１６の直径を大きく設定したり、半田材料１５を粘性の小さいものを用いた場合には、半田材料１５を塗布したときに、図４に示したように、貫通孔１６内に半田材料１５が進入し、この状態でリフロー工程を経て固化する。従って、貫通孔１６内の一部に半田層が形成され、逆に貫通孔１６内の空気層が減少するので熱伝導率が向上し、当該電子部品実装基板１を製品として稼動させたときの、半導体チップ３から発生する熱が、より良好に金属板１１を伝達して外部へ放散される。

次に、第３の実施形態として、電子部品２と金属配線基板６を互いに嵌合した状態でリフロー工程を行い、電子部品２と金属配線基板６の組み立て体を倒立した姿勢へ転換する作業時等においても、それらが位置ずれしたり、脱落したりしないように図った製造方法について、図５と図６を参照して説明する。図５は、リフロー工程の前段階において、電子部品２を金属配線基板６に装着した状態を示し、図６は、電子部品２と金属配線基板６の組み立て体を倒立姿勢にした後リフロー炉１７内へ挿入した直後の状態を示す。

本実施形態の電子部品実装基板１の構造は第１の実施形態とほぼ同一であり、同一構造部分については同一番号を付して説明を省略する。第１の実施形態の電子部品実装基板１と相違するところは、金属配線基板６に形成した貫通孔１６の外側にピン状の嵌合突起１１ｂを形成してある点と、電子部品２の実装基板４の底面に嵌合突起１１ｂと嵌合する凹所４ｃを形成してある点である。

本実施形態では、リフロー炉１７へ挿入する金属配線基板６と電子部品２の組立て体を準備する段階で、図５に示すように、金属配線基板６の露出領域１１ａにペースト状半田材料１５を塗布した後、金属配線基板６上へ電子部品２を装着するとき、嵌合突起１１ｂと凹所４ｃを互いに嵌め合わせる。これにより、金属配線基板６と電子部品２の結合状態が、ペースト状半田材料１５の粘着性によって保持されるよりも格段に強化され、作業者がこの組み立て体を倒立姿勢にしてリフロー炉１７へ移送して挿入するときにも、容易には位置ずれしたり、互いに脱落したりしない。

リフロー炉１７へ挿入したときにも、図６に示したように、倒立姿勢にした金属配線基板６の両端を、側面略Ｕ字状の台座２２上へ安定的に支持させることができる。従って、電子部品２が位置ずれした状態で金属配線基板６に実装固定されてしまったり、工程の途中で電子部品２が金属配線基板６から脱落することがなく、歩留まりが向上する。

また、金属配線基板６に形成した嵌合突起１１ｂと電子部品２に形成した凹所４ｃとを嵌合することに代えて、図７に示すように、金属配線基板６のガラスエポキシ板１３上に電子部品２の側面を挟持する支持部材２３を形成し、これによって電子部品２を支持するようにしてもよい。

この方法で金属配線基板６上に電子部品２を装着した組み立て体も、姿勢を倒立姿勢へ変更しリフロー炉１７へ挿入する作業を、両者が位置ずれしたり、脱落する等の支障を起こすことなく安定的に行うことができる。

いずれにしても、本発明の製造方法によれば、リフロー工程時に貫通孔１６が上方へ向かって開放されるので、ペースト状半田材料１５からの気化ガスＧの外部への放出が円滑に行われて、ボイドの発生による接合部の強度の低下を防止できる。また、貫通孔１６は、平面視における半導体チップ３の外縁よりもさらに外側に形成されるので、貫通孔１６に空気層が残ったとしても稼動時の半導体チップ３からの熱の放散ｄが良好に行われて、半導体チップ３を安定して動作させることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る製造方法を用いて製造する電子部品実装基板の断面図。 同電子部品実装基板をリフロー炉内に載置した状態を示す断面図。 同第２の実施形態に係る製造方法を示す電子部品実装基板の断面図。 同電子部品実装基板を倒立姿勢に変更した状態を示す断面図。 同第３の実施形態に係る製造方法を示す電子部品実装基板の断面図。 同電子部品実装基板をリフロー炉内に載置した状態を示す断面図。 同電子部品と金属配線基板の他の嵌合形態を示す断面図。

符号の説明

１ 電子部品実装基板
２ 電子部品
３ 半導体チップ
４ 実装基板
４ｃ 凹所
６ 金属配線基板
７ 回路パターン
９ 配線部
１１ 金属板
１１ｂ 嵌合突起
１３ ガラスエポキシ板（絶縁層）
１５ ペースト状半田材料
１６ 貫通孔
１７ リフロー炉
２１ 栓部材
Ｇ ガス

Claims (3)

1. 配線部を有する実装基板、及びその実装基板上に実装された半導体チップを含む電子部品と、
   金属板、及びその金属板上に絶縁層を介して形成された回路パターンを含む金属配線基板とを備え、
   前記電子部品と前記金属配線基板との間に介在させたペースト状半田材料を、リフロー工程により加熱溶解して前記電子部品を前記金属配線基板上に接合してなる電子部品実装基板の製造方法において、
   前記金属配線基板の、平面視における前記半導体チップの外縁よりも外側に、金属配線基板を上下に貫く貫通孔を設け、
   前記リフロー工程では、前記金属配線基板が上位で、前記電子部品が下位になる倒立姿勢で加熱し、前記ペースト状半田材料から発生するガスが前記貫通孔を通じて上方へ抜け出るようにしたことを特徴とする電子部品実装基板の製造方法。
2. 前記リフロー工程の前段階において、前記ペースト状半田材料を前記電子部品と前記金属配線基板との間に介在させるときに、前記貫通孔に栓部材を挿入し、前記ペースト状半田材料が貫通孔を通って他側へ流出することを防止することを特徴とする請求項１に記載の電子部品実装基板の製造方法。
3. 前記電子部品と前記金属配線基板を互いに嵌合した状態で、前記リフロー工程を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子部品実装基板の製造方法。

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