JPH0222892A - 電気的接合部およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、絶縁体上に配設された少なくとも２つの電極
をブリッジ接合して形成された電気的接合部およびその
製造方法に関し、特に低コストで、生産性および信頼性
に優れた電気的接合部およびその製造方法に関するもの
である。

盛られたはんだをハンダゴテで何度も修正しながら接続
したり、あるいは導電性接着剤を用いて接続する手法が
採られていた。前者は、接続工程を自動化しにくいため
生産量の低下、コストアップを引ぎ起こし、後者は、接
着剤と電極との間の接触抵抗や信頼性の低下などのため
に適用できる範囲は一部分に限られていた。

［従来の技術］ 従来、この種の電気的接合部、たとえばプリント回路基
板への他の回路基板の接続は、はんだで行われているが
、それら電極間において、ある程度距離の離れた場合や
、ある程度以上段差のついた場合、従来のはんだペース
トで電気的接合を行おうとすれば、リフロー時のはんだ
が表面張力により盛り上がる高さのために、たとえば第
１Ｏ図のように、絶縁体３上の電極１と２との間を結ぶ
はんだ８のブリッジが起こらず、画電極！と２との間を
電気的に接続することが困難であった。

このため、従来は、糸はんだを用い、電極上に［発明が
解決しようとする課題］ このように、ある種の電気的接合形態の導通のための従
来の方法は、自動化しにくいため、生産性に劣ったり、
あるいは導電層間の接続強度の不足または接合部の高抵
抗化などの点から信頼性に欠けるなどの欠点があった。

そこで、本発明の目的は、このような従来の諸欠点を解
消し、簡単な工程で導通収率が高く、かつ生産性および
信頼性にすぐれた電気的接合部およびかかる電気的接合
部を形成する方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、絶縁体上
に配置された複数の電極の間が電気的に接合された電気
的接合部において、金属粒を含み、その金属粒の少なく
とも一部分がはんだより高い融点をもつはんだで複数の
電極をブリッジ接合したことを特徴とする。

本発明方法は、絶縁体上に配置された複数の電極の間が
電気的に接合された電気的接合部の製造方法において、
複数の電極上に、複数の電極にまたがって、はんだ粒と
、はんだ粒より融点の高い金属を含む金属粒とフラック
スとからなるはんだペーストを被着する工程と、はんだ
ペーストをはんだ粒の融点より高く、かつ金属種の融点
よりも低い温度に加熱してはんだをリフローさせる工程
とを具えたことを特徴とする。

さらに、本発明方法の実施にあたっては、絶縁体上に配
置された複数の電極の間が電気的に接合された電気的接
合部の製造方法において、複数の電極上に、複数の電極
にまたがって、はんだ粒と、はんだ粒より融点の高い金
属を含む金属粒とフラックスとからなるはんだペースト
を被着する工程と、はんだペーストの被着された電極を
有する絶縁体全体を、はんだ粒の融点よりも低い温度で
予備加熱する工程と、はんだペーストをはんだ粒の融点
より高く、かつ金属の融点よりも低い温度に加熱しては
んだをリフローさせる工程とを具えるのが好適である。

［作　用］ 本発明によれば、絶縁体上の少なくとも２つ以上の電極
の間がはんだによって接続されるので、その接続部にお
ける電気抵抗が小さく、接合の強度が高い。さらに、は
んだづけ工程において、溶融したはんだ中に金属粒を分
散させであるので、電極間のはんだのブリッジ発生が容
易になり、導通不良を生じることがなく、電極間の導通
を確実に行うことができる。従って、簡単の方法で信頼
性の高い電気的接合部を低価格で得ることができる。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明によって形成した電気的接合形態の一実
施例を示す断面図である。

第１図において、１および２は互いに接続しようとする
電極である。３はそれら電極１および２を保持する絶縁
体、４は電８ｉ１と２を電気的に接合して導通させるは
んだ、５ははんだ４内に分散させた金属粒である。

第１図に示した電気的接合形態を得る本発明実施例の作
製法を第２図（＾）および（ｎ）を参照して説明する。

工程（１）：第２図（Ａ）　に示すように、はんだ粒４
Ａ、金属粒５およびフラックス６を混合したはんだペー
ストをスクリーン印刷法その他の方法によって電極ｌお
よび２の上 に、これら電極にまたがるように被着、すなわち付着ま
たは塗布する。

工程（２）：はんだ粒４Ａの融点未満の温度で予備加熱
した後、はんだ粒４Ａの融点以上かつ金属粒５を構成す
る材質の融点のうちで最も高い融点未満の温度で、はん
だペーストをリフローさせてから冷却して凝固させる。

この工程によって、はんだ粒４Ａは溶融して合体して、
第２図（Ｂ）に示すように、溶融していない金属粒５を
分散さ せ、かつ電極１と２との間を電気的に導通させるはんだ
４となる。

このようにして得られた電気的接合形態は、その製造工
程が簡単であるにもかかわらず、リフロー時に発生する
ガスやはんだ自体の表面張力による盛り上がりの高さに
よる導通不良を生ずることがなく、電極間を確実に電気
的に接合して両電極間の電気的導通をとることができる
。しかもまた、電極とはんだとの接合強度が高く、また
接合部の比抵抗を著しく低くすることかで齢る。

以下に本発明の細部について、詳細に説明する。

電極１および２の材質は、溶融したはんだ４との濡れ性
がよいことが必要である。実際には、導電層との濡れ性
のよいはんだを選択することにより、銅、銀、金、白金
、鉛、錫、鉄、ニッケル。

インジウム、アルミニウム、ステンレスが導電層として
使用できるが、一般的には、銅、銀、金が好ましく、経
済性の点からは特に銅が好ましい。

電極１および２はいかなる方法によって製造されたもの
であってもよく、電極の個数も２つのみに限られず、３
つ以上であってもよいこと勿論である。加えて、電極１
および２の配置形態も、第１図の例にのみ限られるもの
ではなく、たとえば第３図（Ａ）〜（Ｆ）に示すような
種々の形態にも適用可能である。第３図（Ｃ）において
、２′は第３の電極を示す。

電極１と２との間の距離については、電極の形状や塗布
はんだの量などにもよるが、それらの最短距離が、０．
０５ｇ＋ｍ以上、さらにはＯＩｓ−以上、特に０．３ｓ
ｎ以上の場合において、本発明はその効果を顕著に発揮
する。場合によっては、はんだにょる回路形成も可能で
ある。なお、接続方向に垂直な方向の電極の寸法（電極
幅と定義する）は、電極間最短距離が大きくなるにつれ
、その最短距離の４倍以下、さらには２倍以下、特に１
倍以下で本発明の効果を顕著に発揮する。

はんだ４の材質としては、導電層との濡れ性が良ければ
任意所望のものでよい。例えば、導電層が一般の銅や銀
の場合、５ｎ−Ｐｂ系・Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇ系合金が熱に
よる歪を吸収しやすく一般的には好ましいが、特に導電
層が銀の場合にはＳｎ−Ｐｂ−Ａｇ系がより好ましい。

さらにまた、リフロー後にワークが高温にさらされる場
合には、高温はんだを使用でき、逆にワークに耐熱性が
備わっていない場合には、低温はんだも使用できる。

金属粒５を構成する材質のうち、少なくとも１つは、は
んだ粒４Ａよりも高い融点を持つことが必要であるが、
はんだのりフロー温度を考慮すると、融点ははんだの融
点よりも５０℃以上、さらには１００℃以上であること
が好ましい。さらにまた、金属粒ははんだとの濡れ性の
よいことも必要である。

実際には金属粒との濡れ性の良いはんだを選択すること
により、銅、銀、金、白金、鉛、錫。

鉄、ニッケル、インジウム、アルミニウム、ステンレス
、および上記２種以上の金属から成る合金および前述し
たはんだ粒４Ａよりも高い融点をもつはんだなどを使用
できる。

また、必ずしも金属粒を構成する全ての材質がはんだ粒
４＾よりも高い融点をもつ必要はなく、例えば上述の金
属粒の表面にはんだ粒４Ａと同材質のものを覆ったもの
なども使用できる。以上の金属粒の中では銅あるいはは
んだ粒４＾より高い融点をもつはんだなどが特に好まし
い。

また、後述のように、少なくともはんだ粒４Ａより融点
の高い部分をもつ金属粒を含むはんだにより種々の電気
的接合形態を得る場合、金属粒は単独で使用しても良い
し、あるいは２種以上部合して使用しても良い。

金属粒の粒径については、後述するように、金属粒量と
の相関が強く、より小さい方が好ましい。形状は、球形
より不定形の方がはんだとの界面面積が大きくとれるの
で、信頼性の点からは好ましい。

次に、はんだ（＝はんだ粒）量と金属粒量との割合につ
いて述べる。以下の金属粒量および金属粒の総体積とは
、金属粒５のうちで、はんだ粒４＾よりも融点の高い部
分のみの金属粒の量および体積を意味する。

はんだ粒４Ａは、混合させた金属粒間の空隙をリフロー
後に完全に充填できるだけの量があればよいが、その総
体積は金属粒５の総体積のｌ／３以上であることが望ま
しい。しかし、その量は金属粒の形状によっても左右さ
れ、例えば、不定形の場合にはより多くのはんだ粒量が
必要になる。現実には、金属粒の形状が球形の場合、体
積比ではんだ粒／（はんだ粒＋金属粒）が０．５以上、
不定形の場合では０．７以上が好ましい。

金属粒量の上限については、上述のはんだ粒／（はんだ
粒子金属粒）の値より、形状が球形の場合には金属粒／
（はんだ粒子金属粒）＝０．５以下、不定形の場合には
０．３以下が好ましい。金属粒量の割合が極端に少なく
なると、導通がとれない場合がある。そこで、導通がと
れるための最少限必要な金属粒量の割合を調べると、第
４図に示すように、全金属粒の表面積の総和が大きいほ
ど低くなる傾向となる。

導通可能な最適な金属粒量の割合は、形状が球形の場合
には、粒径に従って、第５図の斜線部分のように変化し
、同じく形状の比較では第６図の斜線部分のように変化
する。これら各図に示すように、粒が球形の場合には粒
径が小さいほど、また、同じレベルの粒径であれば球形
より不定形の方が、混合させる金属粒量の割合は少なく
てすむことになる。しかし、導通のためには、金属粒量
は少すぎてはならず、一般に入手可能な径の小さな不定
形の金属粒でも、少なくとも０．５ｖｏ１％Ｆ　、好適
には３ｖｏｌｋ　、さらに好適には５ｖｏｌｋ以上混合
させることが好ましい。

はんだ粒および金属粒の粒径は、はんだペーストの印刷
・塗布性を考慮すると、１５０μｍ以下、さらには７５
μｍ以下が好ましい。また、粘度偏析を避けるためには
１、均一の粒径のものを使用した方が好ましい。また、
はんだ粒および金属粒の形状も印刷・塗布性を考慮して
選定されるが、一般には、メタルマスクを使用する場合
には不定形、メツシュスクリーン・デイスペンサを使用
する場合には、球形の方が好ましい。

フラックスとしては、樹脂系フラックス、特に活性化樹
脂フラックスが好ましい。これはロジン系天然樹脂また
はその変性樹脂を主成分とし、これに活性剤・有機溶剤
・粘度調整剤・その他の添加剤が添加されたものである
。一般に、変性樹脂には重合ロジン、フェノール樹脂変
性ロジンなど、活性剤には無機系および有機系フラック
ス、その中でも特にアミン塩酸塩や有機酸系のフラック
ス、有機溶剤はカルピトール系、エーテル系のものが用
いられる。

フラックス量については、リフローしたはんだ粒量およ
びはんだ粒−金属粒間の一体化を引き起こすのに充分な
量が必要であるが、例えば金属粒が銅の場合には、はん
だ粒の５ｗｔ零以上、さらには７ｗｔ零以上、さらに好
適には１０ｗｔ％Ｆ以上が好ましい。なお、フラックス
量は金属粒量の割合が増すに従って、印刷・塗布性が劣
らない範囲で増やす必要がある。

上述のはんだ粒４Ａ、金属粒５およびフラックス６で構
成されたはんだペーストは、スクリーン印刷法あるいは
デイスペンサなどを用いた方法により電極部に付着ある
いは塗布されるが、生産性の点からはスクリーン印刷法
がより好ましい。付着または塗布は第２図（＾）に示し
たように、接続しようとする電極１および２のすべての
上にまたがるように行う必要がある。

予備加熱は、リフロー時の急激な温度上昇による基板へ
の熱応力を緩和するためと同時に、フラックス中の揮発
成分を完全に放散させてリフロー時のガス発生を抑える
効果があり、かかる予備加熱を行うことが好ましい。予
備加熱の条件は基板の材質や構造などによって異なるが
、はんだの融点よりも５０℃〜１５０℃以下低い温度、
より好ましくははんだの融点よりも７０℃〜１００℃以
下低い温度とする。例えば、Ｓｎ：Ｐｂ　＝　８３：３
７の組成のはんだ（共晶はんだ）の場合には、温度１３
０℃〜１６０℃で予備加熱することが好ましい、これよ
り高すぎると、フラックスが硬化し、はんだ付性が悪く
なり、逆に低すぎると、フラックスの揮発成分の放散が
不充分でガスの滞留を起こし、はんだ不慣れの原因とな
る。加熱時間も基板の熱容量、はんだペーストの量、フ
ラックスの量や種類、加熱方式などにより異なるが、基
板の表面および内部が規定の温度に達してから１〜３分
間程度の間にわたって予備加熱することが好ましい。

リフロー温度は、接合強度の点から、はんだの融点より
も５℃以上高い温度とする。さらには２０℃以上高い温
度とするのが好ましい。上限温度は基板の耐熱性によっ
て定められるが、あまり高すぎると、フラックスが炭化
して活性作用がなくなるので、注意が必要である。リフ
ロー最適温度は、例えば共晶はんだの場合には、はぼ２
３０℃〜２６０℃となる６時間の設定は予備加熱の場合
と同様であるが、数秒以上あればよい。なお、電極の寸
法によっては、いったん電極間にはんだブリッジが形成
されれば、その後金属粒を構成する材質のうち最も高い
融点以上に温度を上げても導通は保たれる。

加熱方法としては、熱風加熱、赤外線加熱、ペーパーフ
ェーズソルダリング、レーザ加熱、ホットプレート、抵
抗加熱、はんだごて加熱などがあるが、より高い導通の
再現性を得るためには、はんだが溶融し始めてから、リ
フローのピーク温度、に達するまでの昇温速度は遅い方
が好ましく、熱風加熱や赤外線加熱が特に好ましい。

リフロー後、たとえば第７図に示すように、はんだ４お
よび基板３の表面にフラックス残留物７が生成されるが
、その除去のために、必要に応じて洗浄を行う。洗浄剤
として、トリクロロトリフルオロエタンに代表されるフ
ロン系溶剤や１−１−１−トリクロルエタンなどの塩素
系溶剤を用いてシャワー洗浄・超音波洗浄や蒸気洗浄な
どを行えばよい。

なお、上述した工程（１）の前段階において、例えばソ
ルダーレジストのよにはんだ耐熱性をもち、かつはんだ
との濡れ性が悪い材料を接続したくない部分に塗布ある
いは貼付することにより、リフロー後のはんだが不必要
な部分に流出しないようにすることが好ましい。これに
より、電極に回路パターンが接近している場合には、電
極と回路パターンとの不所望のブリッジの発生が抑えら
れ、しかもまた、最初に塗布したはんだペーストの量が
少ない場合でも、はんだが不要な部分に流れ出ることが
ないので、第８図に示すように、電極１と２との間に導
通不良が発生することが抑えられる。

次に、本発明による電気的接続形態の形成方法の具体例
を示すが、本発明はかかる実施例にのみ限定されるもの
ではない。

因】１１１ 通常の方法によって、第９図に示すように絶縁体３上に
電極１および２を形成した。ここで、Ｘの値としては、
０．０８ｍ１１．０２５１１１１．０．４＋１１１．０
．７１１１＋。

１．５ｍ＋ｏ、６＋ｓｍの６通りのものを用意した。次
に、メタルマスクを用いたスクリーン印刷法によって、
次の組成よりなるはんだペーストを２つの電極１および
２上に、こうら電極にまたがって塗布した。

はんだ粒材質　　Ｓｎ／Ｐｂ−６３／３７はんだ粒径　
　　平均３０μｍ はんだ粒形状　　不定形 金属粒材質　　　Ｓｎ／Ｐｂ−１０／９０　（合金）金
属粒径　　　　平均３０μ層 金属粒形状　　　不定形 フラックス　　　弱活性ロジン 混合比（重量比） （はんだ粒）：（金属粒）＝（フラックス）＝８８：２
５：１２ その後、１２０℃の熱風オーブン中で１０分間予備加熱
した後、２１５℃の熱風オーブン中で３分間リフローさ
せ、ついでｌ−１−１１−リクロルエタンで超音波洗浄
して表面のフラックス残留分を除去した。

Ｘを変えてみても、いずれの電極配置においても、リフ
ローしたはんだはほぼ１００％の収率で２電極間にまた
がるようにブリッジされており、接合強度も通常のはん
だと比べて何ら遜色はなかった。

実施例２ 実施例１と同様の電極に、次の組成よりなるはんだペー
ストを全く同様の方法で塗布してからリフローした。

はんだ粒材質　　Ｓｎ／Ｐｂ−６３／３７はんだ粒径　
　　平均３０μｍ はんだ粒形状　　不定形 金属粒材質　　　銅 金属粒径　　　　平均３０μｍ 金属粒形状　　　不定形 フラックス　　　弱活性ロジン 混合比（重量比） （はんだ粒）＝（金属粒）：（フラックス）＝８８：　
　４　　：　　１２ Ｘを変えてみても、いずれの電極配置においても、リフ
ローしたはんだはほぼ１００％Ｆの収率で２Ｔｉ極間に
またがるようにブリッジされており、接合強度も通常の
はんだと比べて何ら遜色はなかった。

■玖■ユ 実施例１と同様の電極に、通常のはんだペースト（千住
金属工業■製、５ＰＴ−５５−６３）を全く同様の方法
で塗布してからリフローさせた。

異なるＸの値に対して、リフローしたはんだが２電極間
でブリッジを形成している収率を調べると次のようにな
った。

第１図に示したような配置および形状の電極ｌおよび２
を用意した。各電極の厚みは５０μ−で、電極１と２と
の間の最短距離が０．０６ｍｍ、０．２５＋ａｍ。

０．３５ｍｍ、０．５０ａ＋ｍ、０．７０ｍｍの５通り
のものを用意した。

その後、実施例！および２と全く同様の方法で実施例１
および２で用いたはんだペーストを塗布し、ついでリフ
ローさせた。

いずれのはんだペースト共、電極間の最短距離の異なる
ものすべてについて、９８〜ＩＯＨの収率で、リフロー
したはんだが２電極間にまたがるようにブリッジされて
おり、接合強度も通常のはんだと比べて何ら遜色はなか
った。

比較例２ 実施例３と全く同様の電極に、通常のはんだペースト（
千住金属工業■製、５ＰＴ−５５−６３）を全く同様の
方法で塗布してからリフローした。

２電極間の最短路１！　（ｘ）の異なるものに対し、リ
フローしたはんだが２電極間でブリッジを形成している
収率を調べると、次のようになった。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、導電性接着剤と比
べ、電極との接合強度で１０倍、比抵抗で１０分の１の
値をもち、接合材自体が導電性であり、またコストが約
１０分の１という特徴を兼ね備えているはんだを用いる
ので、低コストで高信頼性、かつ生産性の高い電気的接
合形態が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電気的接合部の一実施例を示す断面図、 第２図（八）および（Ｂ）は本発明電気的接合部の製造
工程の一実施例を説明する断面図、第３図（Ａ）ないし
くＦ）は本発明における電極の他の種々の形態を説明す
る断面図、 第４図、第５図および第６図は、それぞれ、本発明の製
造工程中で使用されるはんだペースト中の金属粒の最適
比率、最適粒径および形状を説明する図、 第７図はフラックス残留物を除去する本発明の他の実施
例を説明する断面図、 第８図は導通不良の説明図、 第９図は本発明実施例における電極を説明する斜視図、 第１Ｏ図は従来のはんだペーストを用いて得た電気的接
合部の一例を示す断面図である。 １・・・電極、 ２．２′・・・電極、 ３・・・絶縁体、 ４・・・はんだ、 ４八・・・はんだ粒、 ５・・・金属粒、 ６・・・フラックス、 ７・・・フラックス残留部、 ８・・・はんだ。 第１図 本発明大脆・例０工程説絹用断面巳 第２図 第６図 第９因 ワラ１１．クスＰＳ、留杓ダ親明図 第７図 第８図 第１Ｏ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）絶縁体上に配置された複数の電極の間が電気的に接
   合された電気的接合部において、金属粒を含み、その金
   属粒の少なくとも一部分がはんだより高い融点をもつは
   んだで前記複数の電極をブリッジ接合したことを特徴と
   する電気的接合部。 ２）絶縁体上に配置された複数の電極の間が電気的に接
   合された電気的接合部の製造方法において、 前記複数の電極上に、当該複数の電極にまたがって、は
   んだ粒と、該はんだ粒より融点の高い金属を含む金属粒
   とフラックスとからなるはんだペーストを被着する工程
   と、 前記はんだペーストを前記はんだ粒の融点より高く、か
   つ前記金属の融点よりも低い温度に加熱してはんだをリ
   フローさせる工程と を具えたことを特徴とする電気的接合部の製造方法。