JP6516607B2 - はんだ付け方法、はんだ接合構造および電子機器 - Google Patents
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例えば、特許文献1に記載されるはんだ接合構造では、はんだとランドとの接合界面(以下、はんだ接合界面と記載する)に形成される金属間化合物を微細化、均一化させる効果を有する元素としてNiを添加している。この金属間化合物が微細化、均一化されると、はんだ接合部の電気抵抗が低減され、これに伴った発熱、電流経路におけるノイズの発生を抑制することができる。
このようにはんだが高い温度に維持されている間、金属間化合物層には内部応力が蓄積してマイクロクラックが増加する。これにより、マイクロクラックの電荷蓄積に起因した電子散乱も増加する。さらに、金属間化合物層の厚さ自体も増加する。
従って、これらは、はんだ接合部を介した電気信号の流れを阻害する要因となり、電子機器の電気信号を劣化させる。例えば、音響機器では、はんだ接合部の電気抵抗によって音響信号の原音からの乖離が大きくなり、音質が低下する。
図1は、この発明の実施の形態1に係る音響機器1の構成を示す図である。音響機器1は、この発明における電子機器を具体化したものであり、例えば、車載用音響機器で実現される。また、音響機器1は、この発明におけるはんだ接合構造を備えており、機器内部で、このはんだ接合構造におけるはんだ接合部を電気信号が通るように構成されている。
電気信号には音響信号がある。この発明におけるはんだ接合構造は、電気信号の流れの阻害要因が減少されるので、音響信号の劣化を抑えつつ出力することが可能である。
また、実施の形態1に係るはんだ接合構造のはんだ接合部が上記電気的な接続の一部を構成することで、上記はんだ接合部が音響信号の経路に介在することになる。
なお、図1において、再生部2、アンプ3およびスピーカ4a,4bをそれぞれ別々に設けた構成を示したが、これらが一体に構成されていてもよい。
図2(1)において、電子部品7は、この発明における第1の部材を具体化したものであり、はんだ接合部8を介して基板6に接合される対象となる部材である。
なお、第1の部材としては、電子回路を内蔵した電子部品であってもよいが、単に電気信号を通す導電性部材であってもよい。
図3(1)に示す例では、基板6上の対向した位置にランド10がそれぞれ形成されている。ランド10は、電子部品7をはんだ付けするための銅箔部である。電子部品7は、矩形形状の本体部の両端に電極を有する表面実装部品である。
はんだ9としては、Sn−Ag−Cuはんだ合金(組成;Ag=3.0重量%、Cu=0.5重量%、残部Sn)などを用いる。この組成のはんだ9の融点は、およそ220〜230℃である。
また、金属間化合物層11には、図3(2)に示すようにマイクロクラック11bが形成される。マイクロクラック11bは、溶融したはんだ9を冷却したときの凝固割れであり、溶融状態から冷却されたはんだ9の内部に蓄積される内部応力によって発生する。
また、マイクロクラック11bは、はんだ付けにおいて不可避的に発生するものであり、金属間化合物層11が厚くなるに伴って増加する。このため、金属間化合物層11が厚くなると、マイクロクラック11bに起因した電気抵抗も増加する。
図4は、実施の形態1に係るはんだ付け方法の概要を示す図であり、はんだ付けを行う様子を電子部品7の上方からみている。実施の形態1に係るはんだ付け方法では、図4に示すように、熱源12と冷却源13を用いる。
冷却源13は、熱源12により加熱溶融されたはんだ9を冷却する。例えば、冷却ガスをはんだ9に吹き付ける冷却ノズル、空気流を送るファンなどで実現される。
このため、図5に示すようにランド10上のはんだ9とその極近い部分の温度分布6aが、はんだ溶融温度以上の高温になっている。また、これ以外の基板6および電子部品7の本体部の温度分布6bは、ほぼ常温になっている。すなわち、実施の形態1では、温度分布6aの領域から温度分布6bの領域へ向けて伝熱されるので、加熱を終了したときにはんだ接合部8を急冷することが可能である。
図2(1)に示したように、基板6には、熱容量の異なる大小様々な電子部品7が実装される場合がある。この場合、ヒーター102a,102bによって基板6が加熱されると、図7に示すような高温の温度分布6aと低温の温度分布6bとが混在する温度ムラが発生する。なお、リフローはんだ付けシステム100が同じであっても、温度ムラの状態は、基板6ごとに異なる。
従来のリフローはんだ付けにおいて、図7に示した温度分布6aの領域に配置された電子部品7は、図5の場合と異なって電子部品7の電極以外の本体部も高温になっている。
従って、このような電子部品7が高温から低温へ急激に変化すると、電子部品7の耐熱性によっては温度変化に耐えられず損傷する場合がある。
前述したように、従来のリフローはんだ付けでは、加熱によって電子部品7の本体部も高温になっているので、はんだ溶融温度から比較的遅い冷却速度(おおむね5℃/秒以下)ではんだ接合部が冷却される。
はんだ9の冷却速度は、50℃/秒以上、より好ましくは100℃/秒とする。
なお、実施の形態1では、全く同じ仕様のサンプルを用いたリフローはんだ付けと比較して、冷却速度は、リフローはんだ付けの10倍以上とする。ただし、この冷却速度は、はんだ接合部8または電子部品7に損傷を与えない程度であればよい。
また、はんだ9が高い温度に維持されている間、金属間化合物層11aには内部応力が蓄積してマイクロクラック11bが増加する。これによって、マイクロクラック11bの電荷蓄積に起因した電子散乱も増加する。さらに金属間化合物層11aの厚さC1も増加する。なお、マイクロクラック11bおよび電子散乱の影響は、金属間化合物層11aの厚さに比例して大きくなる。
例えば、高速冷却はんだ付けでは、金属間化合物層11の厚さC2が1.5μmまでの範囲であるはんだ接合部8を得ることができる。これは、リフローはんだ付けに代表される従来のはんだ付け方法では得られない厚さである。
これに対し、高速冷却はんだ付けでは、金属間化合物層11の内部応力が−50MPaから50MPaの範囲であるはんだ接合部8を得ることができる。これは、従来のはんだ付けでは得られない内部応力である。金属間化合物層11の内部応力が減少することで、金属間化合物層11の結晶格子の電子散乱が減少し、電気抵抗が減少する。
従って、実施の形態1に係るはんだ接合構造において、金属間化合物層11の内部応力が−50MPaから50MPaの範囲であるはんだ接合部8は、上記のような効果が得られる特別な技術的特徴といえる。
マイクロクラック11bの有無は、はんだ接合部8の断面を電子顕微鏡で拡大して撮影した画像の金属間化合物層11における長さが2μm以上のマイクロクラック11bの数をカウントした結果から判断する。
長さが2μm以上のマイクロクラック11bが、0あるいは上記効果が得られなくなる予め定めた規定数未満であれば、実質的に存在しないと判断する。
マイクロクラック11bは、前述したように、金属間化合物層11における電気抵抗を増加させる要因となり、特に長さが2μm以上のマイクロクラック11bが存在すると、音響装置における音質の向上が図れない。
従って、実施の形態1に係るはんだ接合構造において、金属間化合物層11に長さが2μm以上のマイクロクラック11bが実質的に存在しないはんだ接合部8は、上記のような効果が得られる特別な技術的特徴といえる。
従って、選択できる部品の限定が減り、基板6上への電子部品7の配置における制約も減るので、これに伴うコストアップ、設計自由度の低下を解消することができる。
このようにすることで、はんだ接合界面における金属間化合物層11の厚さを薄くすることができる。従って、はんだ接合部8の電気信号の流れの阻害要因が減少し、電気信号の劣化が抑えられるので、部品の選択と配置の制約が減少してコストアップの回避と設計自由度が確保され、特に音響機器における音質の向上を図ることができる。
すなわち、金属間化合物層11の厚さC2の減少、内部応力の減少、マイクロクラック11bの減少によって、金属間化合物層11における電気信号の劣化が抑えられるため、原音に近づき、音質が向上する。
このように構成することで、はんだ接合界面における金属間化合物層11の厚さが薄いはんだ接合構造を提供することができる。これにより、上記効果を得ることができる。
実施の形態2では、基板のランドに下地処理を施してはんだ接合界面の金属間化合物を等軸粒状に形成する。なお、実施の形態2におけるはんだ接合構造は、ランドに下地処理を行う以外は、図3に示した構造と基本的に同じである。従って、はんだ接合構造全体については図3を参照するものとする。
図10(1)は基板6のランド10aを示す上面図、図10(2)は核10bを格子状に配置したランド10aを示す拡大図である。図10(3)は、核10b間の距離D1を示している。なお、従来の一般的な基板のランドには、後述する下地処理が施されておらず、滑らかな表面を有する。
また、格子の間隔、すなわち核10b間の距離D1は0.1μm〜10μmとするが、より好ましくは0.3μm〜3μmである。
なお、はんだ付けはリフローはんだ付けであってもよい。
図11は、実施の形態2に係るはんだ付け方法のもう一つの例を示す図である。図11(1)は基板6のランド10cを示す上面図、図11(2)は均一粗面のランド10cを示す拡大図である。図11(3)は、凹凸10d間の距離を示している。
なお、はんだ付けはリフローはんだ付けであってもよい。
例えば、核10b、凹凸10dのような下地を有するランド10a,10cを使用してはんだ接合することによって、金属間化合物層11における内部応力が−50MPaから50MPaの範囲であるはんだ接合部8を得ることができる。これは、下地処理を行わない従来のランドを用いたはんだ付けでは得られない内部応力である。
従って、実施の形態2に係るはんだ接合構造において、金属間化合物層11の内部応力が−50MPaから50MPaの範囲であるはんだ接合部8は、上記のような効果が得られる特別な技術的特徴といえる。
マイクロクラック11bの有無の判断は、実施の形態1で説明したものと同様である。
このように金属間化合物層11において長さが2μm以上のマイクロクラック11bが実質的に存在しないことは、下地処理を施していない従来のランドを使用したはんだ付けでは得られない特性である。
従って、実施の形態2に係るはんだ接合構造において、金属間化合物層11に長さが2μm以上のマイクロクラック11bが実質的に存在しないはんだ接合部8は、上記のような効果が得られる特別な技術的特徴といえる。
従って、選択できる部品の限定が減り、基板6上への電子部品7の配置における制約も減るので、これに伴うコストアップ、設計自由度の低下を解消することができる。
このように構成することで、はんだ接合界面における金属間化合物層11が等軸粒状に形成されるので、はんだ接合部8の電気信号の流れの阻害要因が減少し、電気信号の劣化が抑えられるので、部品の選択と配置の制約が減少してコストアップの回避と設計自由度が確保され、特に音響機器における音質の向上を図ることができる。
このように構成することで、はんだ接合界面における金属間化合物層11が等軸粒状に形成されたはんだ接合構造を提供することができる。
実施の形態3では、凝固中のはんだに強電磁場を印加することにより、はんだ接合界面の金属間化合物を等軸粒状に形成する。なお、実施の形態3におけるはんだ接合構造は、強電磁場を印加する以外は、図3に示した構造と基本的に同じである。従って、はんだ接合構造全体については図3を参照するものとする。
リフローはんだ付けシステム100aは、図6に示すように電子部品7が搭載された基板6をリフロー炉14に搬送し、ヒーター16a,16bで加熱してはんだ付けを行う。
リフロー炉14の内部には、強電磁場発生装置15a,15bが対向面にそれぞれ配置され、ヒーター16a,16bが対向面にそれぞれ配置されている。
例えば、強電磁場を印加してはんだ接合することで、金属間化合物層11における内部応力が−50MPaから50MPaの範囲であるはんだ接合部8を得ることができる。
これは、強電磁場を印加しない従来のランドを用いたはんだ付けでは得られない内部応力である。従って、実施の形態3に係るはんだ接合構造において、金属間化合物層11の内部応力が−50MPaから50MPaの範囲であるはんだ接合部8は、上記のような効果が得られる特別な技術的特徴といえる。
従って、実施の形態3に係るはんだ接合構造において、金属間化合物層11に長さが2μm以上のマイクロクラック11bが実質的に存在しないはんだ接合部8は、上記のような効果が得られる特別な技術的特徴といえる。
従って、選択できる部品の限定が減り、基板6上への電子部品7の配置における制約も減るので、これに伴うコストアップ、設計自由度の低下を解消することができる。
すなわち、はんだ9を選択的に加熱して溶融させ、溶融保持時間が経過すると、強電磁場を印加しながら急冷する。このようにしても等軸粒化された金属間化合物層11の厚さを薄く形成することができる。従って、実施の形態1と実施の形態3に示した双方の効果が得られる。
すなわち、実施の形態2で示した下地処理を施したランドに配置したはんだ9を選択的に加熱して溶融させ、冷却するときに強電磁場を印加しながら急冷する。このようにしても等軸粒化された金属間化合物層11の厚さを薄く形成することができる。従って、実施の形態1、実施の形態2および実施の形態3に示した双方の効果が得られる。
Claims (8)
- 第1の部材を第2の部材にはんだ付けするはんだ付け方法であって、
前記第1の部材を配置した前記第2の部材のランド上のはんだを選択的に加熱して溶融させ、溶融保持時間が経過すると、少なくとも3Tから10Tまでの範囲の強さの強電磁場を印加しながら急冷することを特徴とするはんだ付け方法。 - 50℃/秒以上の速度で冷却することを特徴とする請求項1記載のはんだ付け方法。
- 第1の部材を第2の部材にはんだ付けするはんだ付け方法であって、
前記第2の部材のランドには、はんだとの接合界面における金属間化合物が等軸粒状に形成される下地処理が施されており、前記第1の部材を配置した前記第2の部材のランド上のはんだを加熱して溶融させてから、少なくとも3Tから10Tまでの範囲の強さの強電磁場を印加しながら冷却することを特徴とするはんだ付け方法。 - 前記ランドは、前記金属間化合物が等軸粒状に形成される起点となる核が格子状に並んで形成されていることを特徴とする請求項3記載のはんだ付け方法。
- 前記ランドは、前記金属間化合物が等軸粒状に形成される起点となる凹凸が均一に形成されていることを特徴とする請求項3記載のはんだ付け方法。
- 第1の部材を第2の部材にはんだ付けするはんだ付け方法であって、
前記第1の部材を配置した前記第2の部材のランド上のはんだを加熱して溶融させてから、少なくとも3Tから10Tまでの範囲の強さの強電磁場を印加しながら冷却することを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載のはんだ付け方法を用いて、前記第1の部材と前記第2の部材とをはんだで接合したことを特徴とするはんだ接合構造。
- 請求項7記載のはんだ接合構造を備えた電子機器。
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