软钎焊方法及软钎焊装置的制作方法

专利名称：软钎焊方法及软钎焊装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用了毒性少，但一般湿润性差的无铅软钎料合金的回流软钎 焊方法、以及实现该回流软钎焊方法的回流软钎焊装置。该无铅软钎料合金可
应用于电子零部件等的对象零部件向有机基板等的电路基板的连4妄，是用于 220。C附近的软钎焊的Sn-37Pb (单位质量％ )软钎料的代用品。
背景技术：
然而，无铅软钎料合金一般与以往的Sn-37Pb软钎料比较湿润性差，尤 其是Sn-Zn系软钎料的场合，软钎料对于连接部件难以进行湿润的扩展，在 作为结果的扩展比较少的地方出现应力集中，由于此处成为裂紋的早期发生点 而有时连接可靠性下降。
于是，为了提高湿润性，只要提高软钎料的流动性，并改善软钎料的熔融 物理性能，即降低熔融时的软钎料的表面张力和动粘度即可。
在作为在先申请的专利文献1中提出了如下方法，即，作为解决上述问题 的方法，通过电路基板提供超声波振动，间接地对熔融软钎料以微小振幅但高 的能量施加摇动的方式，从而以基板单位进行起因于连接部的焊剂排气(焊剂 的供给量多时在软钎料内残留气体)的空隙排出，或者进行已熔融的软钎料凸 点与已熔融的软钎料糊料的未连接防止。
另外，作为本发明的主题、即只对软钎料连接部或对其周边部局部地加热 而进行软钎焊的方法，有如下所谓凸点修复的方法，在将具有BGA (球栅阵 列)等软钎料凸点的电子零部件用回流软钎焊进行连接时发生连4^不良的场 合，用热风等加热该电子零部件的软钎料连接部而使软钎料熔融后拆卸该电子 零部件，对电子零部件再次进行软钎料连接。
但是，在上述提出的方案或方法中，没有考虑以下几点。
首先，在专利文献l中，就通过电路基板提供超声波振动的间接的方法而 言，振动能量在到达软钎料连接部之前衰减而效果小。而且，根据情况有时也对印刷电路板带来损伤，因此并不是可经常使用的方法。
并且，在上述凸点修复方法中，伴随着软钎料连接部的细微化，在软钎焊 时产生的起因于焊剂排气的空隙残留在软钎料内，明显降低连接强度，或者即 使软钎料凸点与软钎料糊料熔融也发生彼此不融合的未连接现象，有时虽从外 观上看软钎料凸点与软钎料糊料已连接，但并未形成电连接。
再者，在上述局部回流方法中，与凸点修复方法同样，有时产生软钎料内 的空隙残留和软4f料连接部的未连接现象。
作为这些问题的对策，只能采用通过实施软钎料焊接部的长期加热，提高 空隙排出概率，或者熔融软钎料彼此融合的概率的方法。
但是，即使长期加热，由于对象部件侧的电极与基板侧的电极接近且连接 面积宽等，有关连接的软钎料的形状成为薄板状的连接部的场合，发生于软钎
料内的空隙难以排除。因此，尤其是在BGA (球栅阵列)和LGA (平面栅格 阵列)等的连接部，容易产生软钎料内的空隙残留。
另外，若长期加热，有时产生因塑性变形等而使其后的热疲劳寿命降低， 或者变形为应力缓和困难的形状而成为低疲劳寿命的连接部。

发明内容
本发明的第一目的是，即使使用与以往的Sn-Pb系软钎料比较表面张力 大，且难以产生起因于焊剂排气的空隙和熔融软钎料凸点与熔融软钎料糊料的 融合的无铅软钎料，在局部回流时，在所修复的对象部件的软钎料连接或微细 凸点连接、尤其是BGA或LGA等连接中，抑制凸点内的空隙的排出或残留 或者未连接。
本发明的第二目的是，可形成对连接后的热疲劳也有抵抗力的软钎料连接部。
为了达到上述第一目的，本发明的特征是，在对对象部件的与基板的软钎 料连接部提供热能进行软钎焊时，保持上述对象部件，在软钎料熔融的期间对 上述对象部件直接施加超声波励振。
而且，为了达到上述第一目的，本发明的特征是，具有保持对象部件的 单元；对上述对象部件的与基板的软钎料连接部提供热能的单元；以及在上述 软钎料熔融的期间对上述对象部件直接施加超声波励振的单元。
5另外，为了达到第二目的，本发明的方案1记载的软4f焊方法中，其特征 是，检测上述软钎料开始凝固的情况，并基于上述检测结果解除上述对象部件 的保持。
而且，为了达到第二目的，本发明在方案9记载的软钎焊转置中，其特征 是，还具有检测上述软钎料开始凝固的情况的检测单元。 本发明具有以下效果。
根据本发明，即使实施使用了与以往的Sn -Pb系软钎料比较表面张力大， 且难以产生起因于焊剂排气的空隙和熔融软钎料凸点与熔融软钎料糊料的融 合的无铅软钎料的连接和微细凸点连接，也能够抑制在局部回流时或已修复的 对象部件的软钎料凸点内的空隙排出或残留或者未连接。
而且，根据本发明，可形成对连接后的热疲劳也有抵抗力的软钎料连接部。


图1是表示进行BGA等凸点连接的本发明的第一实施方式的图。 图2是表示利用红外线或氙光等的光束进行对软钎料连接部的加热的局 部回流的本发明的第二实施方式的图。
图3是表示本发明夹具的第一实施方式的图。
图4是表示为了增大夹持对象部件的力而使用螺钉和蜗轮增加从传递缆 绳传递的小的力的夹具的第二实施方式的图。 图中
l-电路基板，10-凸点连接部件，11-电子零部件，50-加热用热风喷 嘴，51-加热用灯，55-热风，60-移动机构，61-左右移动部，62-进;果移 动部，63-上下移动部，100-夹具，120-螺4丁， 121-蜗4仑，150-夹具上的 力点，151-夹具上的支点，152-夹具上的作用点，153-夹具上的与电子零 部件等接触的爪部，160-驱动器，161-动力传递缆绳，170-振子，171-振 子的音极，200-超声波起振器。
具体实施例方式
以下，使用图1至图4详细说明实施本发明的最佳方式。图l表示本发明 的局部回流装置。本发明如图l所示，并不是通过电路基板1进行励振，而是 在软钎料熔融期间，对上述BGA或LGA等之类的一部分对象部件直接施加超声波励振。
图1中表示第一实施方式的装置，为了对凸点连接部件BGAIO直接施加 超声波励振并与电路基板1连接，利用超声波起振器200使振子170振动，该 振动通过音极171将超声波振动传递到夹持BGAIO的夹具100。 BGA10存在 于加热用热风喷嘴50之中，利用热风55熔化软钎料并进行软钎焊连^妾。另一 方面，发生超声波的振子170由于周围的温度变化，所发生的超声波的频率、 振子自身的绝缘电阻和静电电容等发生变化，因此设在加热用热风喷嘴50之 外，保护振子170免受热的影响。夹具IOO通过传递缆绳161传递驱动器160 的动力，用装于驱动器160内的控制器(未图示)使夹具100的爪部153开闭， 保持BGAIO。而且，为了保护振子170免受热的影响，在加热用热风喷嘴50 上具有相当于阴极171及传递缆绳161通过的必要的最小限度的孔。为了使夹 具IOO移动到所需的位置，具有包括左右移动部61、进深移动部62及上下移 动部63的移动机构60,以便能够向左右、进深、上下方向移动。
图2表示应用于代替图1的热风55将氙光灯或红外线灯的光束照射到软 钎料连接部，进行加热而熔化软钎料，从而将电气部件11软钎焊连接在电路 基板上的局部回流设备的例子。
接着，对图1、图2的各结构要素进行说明。
首先，关于超声波起振器200,起振频率为数10kHz左右的起振器能够在 软钎料中产生局部的速度差，同时波动容易在连接部周边衍射，能容易将振动 能量传递给周围，能够减小能量的传递不均。
从超声波起振器200输出功率、即向振子施加的电力大概需要100W以上， 若比它少，则在部件封装等中振动能量衰减，不能对连接部的熔融软钎料部分 传递足够的能量，不能发挥充分的效果。
超声波起振器的音极171和与音极171连接的夹具IOO设计成尽量使声阻 抗一致，从而在音极171与夹具100的连接部难以反射振动能量。
而且，就向夹持对象部件IO、 11的夹具IOO传递对象部件解除的信号的 缆绳161而言，机械地传递动力的方式因构造不复杂而较好。
另外，当利用夹具100夹持对象部件10、 11时，夹持的力大概需要100 150N左右的力，若该力弱，则有时超声波振动能量不能传递到对象部件，或者对象部件IO、 11从夹具100脱离。因此，不能使用磁力或真空吸附等方法。
因此，夹具100需要如图3所示将来自驱动器160的动力通过传递缆绳 161传递的部分作为力点150,将与对象部件10、 11接触的爪部153作为作用 点152，在其之间设置支点151,构成杠杆的构造，从而使力倍增。
通过这样，若使力点与支点之间的距离比支点与作用点之间的3巨离足够 大，即使是力较弱的驱动器，夹具也能以强力夹^T对象部件。
这意味着能够将超声波振动的能量无很大损耗地传递给对象部件。
或者，如图4所示，也可以使用用了螺钉120或蜗杆121的夹具4吏从传递 缆绳161传递的较小的力加倍来夹持对象部件。
追加使力加倍的机构的优点不仅仅是这些，还能够减小施加在传递缆绳上 的力，无需增大缆绳的强度，因此能够使缆绳自身变细。
由此，能够将驱动器和传递缆绳小型化至与修复装置等的对象部件的尺寸 等同的与热风喷嘴不干涉的大小。而且，能够减少缆绳的热容量，因此能够以 短时间实施对象部件的加热。
再有，为了处理因长期加热引起的连接部的热疲劳寿命降低或低疲劳寿命 化，超声波起振器200具备为调整输出功率而监控输出功率的输出功率变化检 测单元。若连接部的软钎料开始凝固，则从超声波起振器200看到的振子170 的电阻抗发生变化，所以用超声波起振器200的输出功对其进行监牙见。
以下说明为何能够处理。在进行BGA等连接的场合，若连接部尺寸微细 化(大概为0.5mm以下)，则通过减小熔融软钎料的表面的曲率半径来增大软 钎料的表面能。
由此，用于使空隙向软钎料外脱出的障壁形成于软钎料表上，由于脱出概 率小，因此需要在软钎料熔融状态下实施某一固定时间以上(最好是20秒以 上)的超声波励振。
但是，若加长软钎料的熔融时间，则由于软钎料体积小，在软^"料熔融时 铜等的基板电极成分熔入软钎料中而容易饱和，因此在软钎料/电极界面上容 易形成厚而脆的Cu-Sn系金属间化合物层。
这容易引起连接强度的降低，因此在连接部尺寸为0.5mm的场合，最长 也只能设定40秒左右的熔融时间，必须利用该时间进行超声波励振。而且，在利用基板加热使连接部软钎料的温度上升期间，从焊剂继续产生 排气。因此，软钎料温度达到峰值，需要等待开始下降的时刻开始进行超声波 励振。
此时，若软钎料的冷却速度的波动大，则在到达所需的超声波励振时间之 前出现开始凝固的软钎料连接部。
另夕卜，在其刚开始该凝固之后，在变冷而接近玻璃化转变温度的基板上开
的负载。
其结果，空隙虽然能够排除，但根据塑性变形的经验有时产生其后的热疲 劳寿命的降低，或者变形为应力緩和困难的形状而产生低疲劳寿命化的连接部。
于是，为了防止这种情况，在进行超声波励振的同时，将根据4欠钎料开始 凝固的情况而使超声波能量向软钎料的传递方法(声阻抗)发生变化的情况作
为振子170的电阻抗变化而使起振器检测。这是因为，可以将振子170的等价 电路记述为并列了电阻成分、电容成分，由于超声波能量的传递方法的变化， 电阻成分明显变化。若振子170的声阻抗发生变化，则超声波起振器200的输 出功率发生变化。
然后，利用这种输出功率变化检测单元，在基板翘曲之前松开夹具100, 使被连接部件效仿开始翘曲的基板。
在本实施方式中，监控软钎料熔融时的初始输出功率，之后，#:测振子的 电阻抗变化大概5 %的情况，并对驱动器160内的控制器提供松开夹具信号。 由此，在初始阶段能够检测出电子零部件连接部的软钎料的凝固，可形成连接 后的热疲劳也强的软钎料连接部。
但是，上述5%是实施例，其阈值如下，软钎料和电路基板1或者电子零 部件10、 11等的连接部件分别依赖于声速和密度，釆用各个值的积的声阻抗 的大小根据部件决定，异种部件界面上的超声波的反射或透射率根据各部件的 声阻抗的值和差而不同。
由此，在软钎料开始凝固时，超声波的反射率有时向增大的方向变化有时 向变小的方向变化。因此，输出功率值的变化需要能够检测增减两方的情况。实施例1
作为BGA等微细凸点连接部件的修复装置，使用了在软钎料熔融期间将 对象部件连接在带有夹具的振子上，并直接进行输出功率IOOW的超声波励振 的规格的装置，并去掉了产生了连接不良的1.27mm间距4列外围配置的全格 栅256凸点数的BGA。
该BGA的连接是利用Sn-9Zn软钎料的凸点与相同组成的软钎料糊料进 行连接的，因此重新更换的BGA也具有相同的Sn-9Zn软钎料的凸点，而且 利用Sn-9Zn的软钎料糊料进行再连接。
再连接时，软钎料凸点和软钎料糊料熔融是在加热后30秒之后，再过20 秒后停止热风供给而进行连接部冷却并开始进行IO秒钟的超声波励振。作为 进行超声波励振的时刻，只要软钎料为熔融状态即可，但是若在空隙已完全排 出时，即在热风供给停止时进行则效率高。在以下的实施例中也相同。
对于超声波励振，通过本装置振子直接对所夹紧的BGA进行。
而且，该夹具将来自用压缩空气工作的驱动器(力的大小=约15N)的动 力通过传递缆绳传递的部分作为力点，将与对象部件接触的爪部分作为作用 点，并在其间设置支点。
再者，将力点与支点之间的距离设定为支点与作用点之间的距离的10倍， 即使是安装在修复装置中的程度的小型的驱动器，夹具也能以强力夹持BGA。
另外，为了进行比较，还准备了本装置的振子不工作而是在距印刷电路板 上的BGA 10cm的位置使用通过印刷电路板另外准备的振子实施了 10秒输出 功率lkW的超声波励振的基板。
利用两种方法，各制作基板100块之后，进行了 BGA连接部的电导通检 查的结果，虽然在立即进行了输出功率IOOW的超声波励振的场合未出现导通 不良，但是通过电路基板进行了超声波励振的场合与输出功率lkW无关，可 以确认有5块基板导通不良。
实施例2
作为连接器等的表面连接部件的局部回流装置，使用了在软钎料熔融期间 将电子零部件连接在带有夹具的振子上，并直接进行输出功率IOOW的超声波 励振的规格的装置，将0.5mm间距50引线的连接器利用Sn-3Ag-0.5Cu软钎
10料糊料连接在0.8mm厚的薄型电3各基板上。
连接时，软钎料糊料熔融是在加热后25秒之后，再过20秒后停止热风供 给进行连接部冷却并开始进行了 10秒钟的超声波励振。
对于超声波励振，通过本装置振子对直接夹紧了的0.5mm间距50引线的 连接器进行。
而且，该夹具将来自附有控制器并用压缩空气工作的驱动器(力的大小= 约15N)的动力通过传递缆绳传递的部分作为力点，将与对象部件-接触的爪部 分作为作用点，并在其间设置支点。
再者，将力点与支点之间的距离设定为支点与作用点之间的距离的10倍， 即使是安装在修复装置中的程度的小型的驱动器，夹具也能以强力夹持连接 器。
另外，为了进行比较，还准备了本装置的振子不工作而是在从距连接器 5cm的印刷电路板端部通过印刷电路板另外准备的振子实施了 10秒输出功率 lkW的超声波励振的基板。
利用两种方法，各制作基板100块之后，进行了连接器连接部的电导通检 查的结果，虽然在立即进行了输出功率IOOW的超声波励振的场合未出现导通 不良，但是在通过电路基板进行了超声波励振的场合与输出功率lkW无关， 可以确认有4块基板导通不良。通过连接部的详细观察可知，其原因是由薄型 基板的复杂的翘曲的发生所导致的连接器引线与软钎料糊料的湿润不良。
实施例3
作为BGA等微细凸点连接部件的修复装置，使用了在软钎料熔融期间将 对象部件连接在带有夹具的振子上，并直接进行输出功率IOOW的超声波励振 的规格的装置，并去掉了产生了连接不良的l.Omm间距的全格栅256凸点的 BGA。
该BGA的连接是利用Sn-9Zn软钎料的凸点与相同组成的软钎料糊料进 行连接的，因此重新安装的BGA也具有相同的Sn-9Zn软钎料的凸点，而且 利用Sn-9Zn的软钎料糊料进行再连接。
再连接时，软钎料凸点和软钎料糊料熔融是在加热后30秒之后，再过20 秒后停止热风供给而进行连接部冷却并进行最长20秒钟的超声波励振。对于超声波励振，通过本装置振子对直接夹紧了的BGA进行。
而且，该夹具将来自用压缩空气工作的驱动器(力的大小=约15N)的动 力通过传递缆绳传递的部分作为力点，将与对象部件接触的爪部分作为作用 点，并在其间设置支点。
再者，将力点与支点之间的距离设定为支点与作用点之间的距离的10倍， 即使是安装在修复装置中的程度的小型的驱动器，夹具也能以强力夹持BGA。
而且，当超声波起振器检测到振子的电阻抗变化大概5%的情况时，以立 即实施松开夹具和停止超声波励振的设定来开始了修复。
另外，为了进行比较，还准备了切断本装置的超声波起振器的输出功率变 化检测机构的开关，并实施了 20秒钟固定时间的超声波励振的基板。
利用两种方法，各制作基板100块之后，进行了 BGA连接部的电导通检 查的结果，当检测到超声波起振器的输出功率变化时，虽然立即实施了松开夹 具和停止超声波励振的场合未出现导通不良，但是在实施了 20秒钟固定时间 的超声波励振的场合可以确认有3块基板导通不良。通过连接部的详细观察可 知，其原因是虽然暂时进行了软钎料连接，但是一部分的软钎料凸点处于未凝 固的状态，且发生了 BGA封装不能追随基板的翘曲的状态，由此在凝固过程 中软钎料分为两部分而产生。
实施例4
作为BGA等微细凸点连接部件的修复装置，使用了在软钎料熔融期间将 对象部件连接在带有夹具的振子上，并直接进行输出功率100W的超声波励振 的规格的装置，并去掉了产生了连接不良的l.Omm间距的全格栅256凸点数 的BGA。
该BGA的连接是利用Sn-9Zn软钎料的凸点与相同组成的软钎料糊料进 行连接的，因此重新安装的BGA也具有相同的Sn-9Zn软钎料的凸点，而且 利用Sn-9Zn的软^p料糊料进行再连接。
再连接时，软钎料凸点和软钎料糊料熔融是在加热后30秒之后，再过20 秒后停止热风供给而进行连接部冷却并进行最长20秒钟的超声波励振。
对于超声波励振，通过本装置振子对直接夹紧了的BGA进行。
而且，该夹具将来自用压缩空气工作的驱动器(力的大小-约15N)的动力通过传递缆绳传递的部分作为力点，将与对象部件接触的爪部分作为作用 点，并在其间设置支点。
再者，将力点与支点之间的距离设定为支点与作用点之间的距离的10倍，
即使是安装在修复装置中的程度的小型的驱动器，夹具也能以强力夹持BGA。 而且，当超声波起振器检测到振子的电阻抗的变化为大概5 %的情况时，
利用该方法，制作了基板100块之后，进行了 BGA连接部的电导通检查 的结果，未出现导通不良。
另外，为了进行比较，虽然使用将力点与支点之间的距离设定为支点与作 用点之间的距离的IO倍到2倍，并将BGA的夹持力减小至1/5的夹具也要制 作修复好的基板，但是开始了超声波励振的途中的BGA从夹具脱落，因此放 弃了制作。
本发明在产业上的可利用性如下。
本发明作为只对软钎料连接部或对其周边部进行局部加热而实现软钎焊 的方法，可利用于现行工艺方法等中，即，用热风等加热电子零部件的软舒-料 连接部而使软钎料熔融后拆卸该电子零部件，再对电子零部件进行软钎料连接 的所谓凸点修复的现行工艺方法，或者将红外线灯或氙灯等的光束照射到软钎 料连接部，进行加热而熔化软钎料，从而进行软钎料连接的所谓局部回流的现 4亍工艺方法。
权利要求
1.一种软钎焊方法，其特征在于，在对对象部件的与基板的软钎料连接部提供热能进行软钎焊时，保持上述对象部件，在软钎料熔融的期间对上述对象部件直接施加超声波励振。
2. 根据权利要求1所述的软钎焊方法，其特征在于，检测上述软钎料开始凝固的情况，并基于上述检测结果解除上述对象部件 的保持。
3. 根据权利要求2所述的软钎焊方法，其特征在于，
4. 根据权利要求2所述的软钎焊方法，其特征在于， 上述检测是检测对产生上述超声波振荡的振子施加的电力变化。
5. 根据权利要求2所述的软钎焊方法，其特征在于， 在解除上述对象部件的保持时，基于提供上述热能的停止。
6. 根据权利要求1所述的软钎焊方法，其特征在于， 上述保持的保持力能以最大150N程度的强力固定。
7. —种软钎焊方法，其特征在于，具有以下工序保持对象部件的第 一工序；使对象部件向软钎焊的位置移动的第二工序； 在上述软钎焊的位置对上述对象部件的软钎料连接部提供热能的第三工序；以 及在上述软钎料连接部的软钎料熔融的期间对上述对象部件直接施加超声波 励振的第四工序。
8. 根据权利要求7所述的软钎焊方法，其特征在于， 还具有检测上述软钎料开始凝固的情况，并基于上述检测结果解除上述对象部件的保持的第五工序。
9. 一种软钎焊装置，其特征在于，具有 保持对象部件的单元；对上述对象部件的与基板的软钎料连接部才是供热能 的单元；以及在上述软钎料熔融的期间对上述对象部件直接施加超声波励振的 单元。
10. 根据权利要求9所述的软钎焊装置，其特征在于，还具有检测上述软钎料开始凝固的情况的检测单元。
11. 根据权利要求IO所述的软钎焊装置，其特征在于， 上述检测单元是检测产生上述超声波振荡的振子的电阻抗变化的单元。
12. 根据权利要求IO所述的软钎焊装置，其特征在于，上述检测单元是^r测对产生上述超声波振荡的振子施加的电力变化的单元。
13. 根据权利要求IO所述的软钎焊装置，其特征在于，保持对象部件的单元基于提供上述热能的单元的有无热能的提供，解除上 述对象部件的保持。
14. 根据权利要求IO所述的软钎焊装置，其特征在于，还具有使上述对象部件向上述基板的软钎焊连接位置移动的单元。
15. 根据权利要求IO所述的软钎焊装置，其特征在于，还具有保护上述振子免受上述热能影响的单元。
全文摘要
本发明涉及软钎焊方法及软钎焊装置。本发明的任务是在凸点修复和局部回流中，伴随着软钎料连接部的细微化，因在软钎焊时产生的空隙残留在软钎料内而使连接强度明显降低，即使软钎料连接部与软钎料糊料熔融也发生彼此不融合的未连接现象。本发明的技术方案是，在软钎料熔融期间夹紧对象部件，只对该对象部件直接施加超声波励振。而且，在进行超声波励振的同时，根据振子的电阻抗变化检测软钎料连接部的凝固开始，在基板翘曲之前解除夹紧。
文档编号B23K1/06GK101623786SQ200910150970
公开日2010年1月13日 申请日期2009年6月29日 优先权日2008年7月10日
发明者中塚哲也, 中村真人 申请人:株式会社日立制作所