JP2005005570A - はんだ付け接続とそのはんだ付け方法およびそれを用いた電子部品の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の鉛フリーはんだの層34とはんだ付けパッド2間には、前記はんだ付けパッド2上に形成された錫と銅との合金層31とこの合金層31の上に設けられる錫・銀を主成分とする第2の鉛フリーはんだ32の層とから構成された第1の合金層30と、この第1の合金層30と前記第1の鉛フリーはんだ34との間に設けられた第2の合金層35とを有するものである。これにより、はんだ付けの接合強度の高い亜鉛系鉛フリーはんだによるはんだ付け接続を実現することができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、錫と亜鉛との合金を含んだ鉛フリーはんだを用いて電子部品をはんだ付けするはんだ付け接続とそのはんだ付け方法およびそれを用いた電子部品の製造装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年環境保護の観点より、人体に悪影響を及ぼす恐れのある鉛を含まないはんだへの要求が大きくなってきた。しかし鉛を含まないはんだは、錫・銀系はんだに見られるように一般的にその融点が従来の錫・鉛系のはんだに比べて高くなる。そこで本発明は、鉛を含まないはんだとして、融点を錫・鉛系はんだと略同じとすることができる亜鉛系鉛フリーはんだ(以降亜鉛系鉛フリーはんだという)を用いたはんだ付け接続に関するものである。
【0003】
まず、従来のはんだ付け接続について図面を用いて説明する。図19は従来のはんだ付け接続の断面図である。図19において、1は、プリント基板である。このプリント基板1の所定の位置には、銅箔がエッチングされて形成されたはんだ付けパッド2が配置されている。3は、プリント基板1とはんだ付けパッド2の双方共に貫通して形成された孔であり、パッド2の略中央部に設けられている。
【0004】
4は、リード付部品の電解コンデンサ(電子部品の一例として用いた)である。この電解コンデンサ4には、リード部5を有し、そのリード部5が孔3を貫通するようにして挿入され、はんだ付けパッド2とリード部5とは、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ6と、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだ7とによって接続される。
【0005】
次に、図20は、従来のはんだ付け接続のフローチャートであり、図21は従来のはんだ付け接続の拡大断面図である。図20において10は、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ6をプリント基板1へ塗布する塗布工程である。この塗布工程10では120ミクロンのスクリーンマスクを用いて、基板1上に錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ6を印刷している。
【0006】
11は、塗布工程10の後で、塗布工程10で塗布された錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ6をプリント基板1にはんだ付けするリフロー工程である。そして、このリフロー工程11によって図21に示されるように、はんだ付けパッド2と錫・銀・銅系鉛フリーはんだ7との間に、Cu3Sn合金/Cu6Sn5合金の錫・銅合金層21が略3μmの厚みで形成される。
【0007】
12は、リフロー工程11の後で錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ6の上に錫・亜鉛系の鉛フリーはんだ7を塗布する塗布工程である。この塗布工程12では、1.2ミリ厚の金属製プレートによって前記亜鉛系の鉛フリーはんだ7がプリント基板1上に印刷される。
【0008】
そして、13は塗布工程12の後で、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだ7が印刷されたプリント基板1の孔3に電解コンデンサ4のリード部5を挿入する部品挿入工程である。そして、この部品挿入工程13の後のリフロー工程14によって加熱し、前記錫・亜鉛系の鉛フリーはんだ7で電解コンデンサ4をはんだ付けするものであった。
【0009】
ただし、リフロー工程14における温度は、このリフロー工程中に電解コンデンサ4の温度がその補償温度以上とならないように出来る限り低くしておくことが必要である。そこで、従来のはんだ接続におけるリフロー工程14では、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだが溶融できる最低限の温度ではんだ付けしていた。つまり、リフロー工程14において錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ6の温度は、その液相温度を超えない。
【0010】
これにより図21に示されるように、錫・銀・銅系鉛フリーはんだ6の上に、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだ7の層が形成されると同時に、錫・銅合金層21と錫・銀・銅系鉛フリーはんだ6との間に錫・亜鉛合金層22が生成されることが確認されている。ここで、図21に示した模式図では、各層間に明らかな境界線があるが、これは説明を判りやすくするために便宜上このような境界線を設けたが、実際にはこのように明確な境界はなく、徐々にその成分比率が変化するものである。ただし本説明においては、一般的にSEM写真などによって判別できる範囲を層として境界線を設けて表している。
【0011】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
【0012】
【特許文献1】
特開平9−174278号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のはんだ付け接続においては、図21に示されるように錫・銀・銅の鉛フリーはんだ6中に拡散・進入した亜鉛とはんだ付けパッド2の銅によって、錫・銅合金21上に銅と亜鉛との合金層22が生成される。そしてこの状態で、高温環境下に置かれると、錫・銀・銅の鉛フリーはんだ6中に進入した亜鉛と、はんだ付けパッド2の銅とがさらに消費され、長時間かけて合金層22は徐々に成長することが確認されている。
【0014】
そしてこの銅と亜鉛の合金層22は成長すると、接合部の強度の低下を招くことが知られている。
【0015】
そこで本発明は、この問題を解決したもので、はんだ付けの接合強度が低下しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を提供することを目的としたものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の第1の鉛フリーはんだの層とはんだ付けパッド間には、前記はんだ付けパッド上に形成された錫と銅との合金層とこの合金層の上に設けられる錫・銀を主成分とする第2の鉛フリーはんだの層とから構成された第1の合金層と、この第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に設けられた第2の合金層とを形成するものである。
【0017】
これにより、はんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、プリント基板上の所定の位置に設けられるとともに銅箔によって形成されたはんだ付けパッドと、このはんだ付けパッドと接続される電子部品と前記はんだ付けパッドとを錫・亜鉛を主成分とした第1の鉛フリーはんだによってはんだ付けするはんだ付け接続であって、前記第1の鉛フリーはんだの層と前記はんだ付けパッド間には、前記はんだ付けパッド上に形成された錫と銅との合金層とこの合金層の上に設けられる錫・銀を主成分とする第2の鉛フリーはんだの層とから構成された第1の合金層と、この第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に設けられた第2の合金層とを形成するはんだ付け接続である。
【0019】
これにより、第1の合金層と第2の合金層とを有することとなり、亜鉛がこれらのバリヤ層を超えて銅箔に進入することは少なくなる。従って、高温環境下において銅と錫との合金層と錫・銀・銅系の鉛フリーはんだとの間で、銅と亜鉛との合金が成長することを抑制することができるので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0020】
なお、ボイドの発生も抑制することができるので、熱衝撃などによるはんだクラックも発生しにくくなる。
【0021】
請求項2に記載の発明における第2の合金層は、第1の合金層中に拡散した銅分子のうちで前記第2の合金層との境界近傍の銅分子が消費されて形成された請求項1に記載のはんだ付け接続であり、これにより第1の合金層と錫・亜鉛系鉛フリーはんだとの境界近傍の銅分子が消費されて第2の合金層が形成されるので、この境界近傍の銅分子が消費されてしまうとそれ以上にこの銅・亜鉛層が成長することは少なくなる。つまり、第2の合金層が形成されることによって、第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛が第1の合金層に拡散されることを抑制する。
【0022】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができるので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0023】
なお、ボイドの発生も抑制することができるので、熱衝撃などによるはんだクラックも発生しにくくなる。
【0024】
請求項3に記載の発明における第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだの融点とを略同じとした請求項2に記載のはんだ付け接続であり、これにより融点が略同じであるので第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだは共に溶融する。このとき第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛と第1の合金層内に拡散された銅分子とが結合し、第1の鉛フリーはんだと第1の合金層との間で銅と亜鉛の合金による第2の合金層が形成される。これは、第1の合金層中に拡散された銅分子が消費され、第1の合金層内の銅濃度は低くなり銅の供給が途絶えるためであると考えられる。すると、この銅・亜鉛層のさらなる成長は抑制されることとなる。すなわち、第2の合金層を形成することで、第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛が第1の合金層に拡散することを抑制することができる。
【0025】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0026】
請求項4に記載の発明における第2の鉛フリーはんだは、錫とインジウムが含まれた鉛フリーはんだとした請求項2に記載のはんだ付け接続であり、これにより低温ではんだ付けできるので、非耐熱部品のはんだ付けに有効である。
【0027】
また、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだである第1の鉛フリーはんだの融点と第2の鉛フリーはんだの融点とを近くすることができる。従って、低い温度で双方の鉛フリーはんだを溶融させることができ、低温で第2の合金層を得ることが出来る。これによって、低熱温度の低い電子部品が熱によって破壊されることなく、はんだ付けを行うことが出来る。
【0028】
請求項5に記載の発明における第2の合金層は、はんだ付けパッド上に予め形成された第2の合金層と第1の鉛フリーはんだとを共に溶融させることにより形成する請求項1に記載のはんだ付け接続であり、これにより第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだは共に溶融する。この溶融状態において第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛と第1の合金層内に拡散された銅とは活性化された状態であるので、互いに結合し易い状態となっている。これによって、これらの第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだが溶融した第1の合金層内の銅と第1の鉛フリーはんだ内の亜鉛とが急速に結合することとなり、第1の鉛フリーはんだと第1の合金層との間で銅と亜鉛の合金による第2の合金層が形成されると考えられる。
【0029】
そして、第1の合金層中に拡散された銅分子が消費されるとそれ以上にこの銅・亜鉛層が成長することは少なくなる。つまり、第2の合金層が形成されることによって、第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛はそれ以上第1の合金層に拡散することを抑制されるものと考えられる。
【0030】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0031】
請求項6に記載の発明における第1の合金層の厚みは、クリームはんだを溶融したときに、亜鉛分子が拡散する距離よりも大きくした請求項5に記載のはんだ付け接続であり、これにより仮に第2の合金層を通過して亜鉛が第1の合金層内に進入しても、亜鉛が銅箔表面まで到達することは少なくなり、第2の鉛フリーはんだと銅箔との境界近傍での亜鉛と銅との合金の生成は少なくなる。従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の生成も少なくすることができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0032】
請求項7に記載の発明は、プリント基板と、このプリント基板上の銅箔によって形成されるとともにはんだ付けするべき所定の位置に形成されるはんだ付けパッドと、このはんだ付けパッド上に装着される電子部品と前記はんだ付けパッドとの間を錫・亜鉛を主成分とした第1の鉛フリーはんだによってはんだ付けするはんだ付け接続であって、前記第1の鉛フリーはんだの層と前記はんだ付けパッド間に、錫と銅との合金層とこの合金層の上に設けられた錫・銀を主成分とする第2の鉛フリーはんだの層とから成る第1の合金層を形成させる第1の合金形成手段と、この第1の合金形成手段によって形成された第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に第2の合金層を形成させる第2の合金層形成手段とを有したものである。
【0033】
これによって、第1の合金層形成手段と第2の合金層形成手段によって第1の合金層と第2の合金層とが形成され、銅と亜鉛との結合を阻止する。従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長が抑制されるので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0034】
なお、銅・亜鉛合金の発生に起因するボイドの発生も抑制することができるので、熱衝撃などによるはんだクラックも発生しにくくなる。
【0035】
請求項8に記載の発明における第1の合金層形成手段は、亜鉛が主成分として含まれない第2の鉛フリーはんだをはんだ付けパッドと対向する位置に供給するように前記はんだ付けパッドと対向して形成された開口部を有するスクリーン印刷と、このスクリーン印刷で供給された前記第2の鉛フリーはんだを溶融する加熱手段とから構成される請求項7に記載のはんだ付け接続であり、これにより第1の合金層形成手段は、第2の鉛フリーはんだをスクリーン印刷によって印刷し、加熱手段で加熱することによって第1の合金層を得るものであるので、非常に容易に第1の合金層を得ることができる。また、スクリーンの厚さを適宜選択すれば容易に第1の合金層の厚みを変更することもできる。
【0036】
請求項9に記載の発明は、第2の合金層形成手段は、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとを共に溶融させる加熱手段とした請求項7に記載のはんだ付け接続であり、これにより第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだは共に溶融する。このとき第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛と第1の合金層内に拡散された銅分子とが結合し、第1の鉛フリーはんだと第1の合金層との間で銅と亜鉛の合金による第2の合金層が形成される。これによって、第1の合金層中に拡散された銅分子が消費され、第1の合金層内の銅の濃度が低下し、それ以上にこの銅・亜鉛層が成長することは少なくなる。つまり、第2の合金層が形成されることによって、第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛が第1の合金層に拡散されることを抑制することができる。
【0037】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0038】
請求項10に記載の発明は、第2の鉛フリーはんだは錫・インジウム系の鉛フリーはんだとした請求項7に記載のはんだ付け接続であり、これにより低温ではんだ付けできるので、非耐熱部品のはんだ付けに有効である。
【0039】
また、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだである第1の鉛フリーはんだの融点と第2の鉛フリーはんだの融点とを近くすることができる。従って、低い温度で双方の鉛フリーはんだを溶融させることができ、低温で第2の合金層を得ることが出来る。これによって、低熱温度の低い電子部品が熱によって破壊されることなく、はんだ付けを行うことが出来る。
【0040】
そして、第2の合金層によって高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下も発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0041】
請求項11に記載の発明は、プリント基板と、このプリント基板上の銅箔によって形成されたはんだ付けパッドと、このはんだ付けパッド上とこのはんだ付けパッド上に装着される電子部品とを錫・亜鉛系の第1の鉛フリーはんだで接続するはんだ付け接続において、前記はんだ付けパッド上に錫と銅との第1の合金層を形成するとともに、この合金層の上に錫・銀が主成分の第2の鉛フリーはんだ層を形成させる第1の工程と、この第1の工程の後で前記第2の鉛フリーはんだ層の前記第1の鉛フリーはんだを供給する第2の工程と、この第2の工程の後で前記電子部品のリード部を前記パッドの略中央に形成された孔に挿入する第3の工程と、この第3の工程の後で加熱することによって前記第1の鉛フリーはんだの層と前記第2の鉛フリーはんだの層との間に第2の合金層を形成する第4の工程とを有したものである。
【0042】
これによって、はんだ付けパッド上には第1の工程によって錫・銅とからなる第1の合金層と第2の鉛フリーはんだとからなる合金層が形成される。さらに、第2の鉛フリーはんだと第1の鉛フリーはんだとの間に第2の合金層が形成されるので、第1の合金層と第2の合金層が形成される。従って、これらの合金層によって第1の鉛フリーはんだに含まれる亜鉛はんだ付けパッドに到達することを妨げる。従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の生成・成長が抑制されることとなり、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0043】
請求項12に記載の発明における第1の工程は、スクリーンによってはんだ付けパッド上にクリームはんだを印刷する印刷工程と、この印刷工程の後で前記クリームはんだを加熱して溶融させる溶融工程とからなる請求項11に記載のはんだ付け方法であり、これにより錫・銅合金と錫との層を容易に形成することができる。
【0044】
請求項13に記載の発明におけるスクリーンには、はんだ付けパッドと対向して形成された開口部と、前記はんだ付けパッドの略中央に設けられた孔に対向して形成されるとともに前記孔を覆うように形成された遮蔽部とを有する請求項12に記載のはんだ付け方法であり、これにより孔にははんだが供給されないので、孔がはんだで塞がれてしまうことはない。
【0045】
請求項14に記載の発明における開口部に架設されるとともに遮蔽部に連結される連結部の幅は、クリームはんだを加熱したときには、前記クリームはんだが連結部に対向するクリームはんだ不塗布部を覆うことができる程度に細くした請求項13に記載のはんだ付け方法である。
【0046】
これによりクリームはんだははんだ付けパッドの略全面を覆うので、はんだ付けパッドが露出せず、この上から供給される錫・亜鉛系の鉛フリーはんだ中の亜鉛とはんだ付けパッドの銅との合金の生成は少なくなる。従って、高温環境下において錫と銅との第1の合金層と第2の鉛フリーはんだとの間に銅と亜鉛との合金が生成され難くなり、その成長も小さくなる。これにより、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0047】
また、はんだ付けパッドが露出しないので、亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け性も良くなる。
【0048】
請求項15に記載の発明における印刷工程と溶融工程との間には、実装部品をプリント基板の所定の位置へ装着する部品装着工程が挿入された請求項12に記載のはんだ付け方法であり、これにより第1の工程においてはんだ付けパッド上に第1の合金層を形成すると同時に実装部品の装着を行うことができる。
【0049】
請求項16に記載の発明における第2の合金層は、第1の工程で第1の鉛フリーはんだ中に銅箔より拡散した銅分子と第1の鉛フリーはんだとの合金層とした請求項11に記載のはんだ付け方法であり、これにより鉛フリーはんだ中の亜鉛と第1の工程によって第2の鉛フリーはんだ内に拡散された銅分子とが結合し、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとの間で銅と亜鉛の合金による第2の合金層が形成される。そして、第2の鉛フリーはんだより銅が供給されなくなると、それ以上銅・亜鉛層が成長することは少なくなる。つまり、第2の合金層が形成されることによって、第2の鉛フリーはんだ中の銅濃度が低下し、それ以上第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛が第2の鉛フリーはんだに拡散することを抑制する。
【0050】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0051】
請求項17に記載の発明における第1の合金層のはんだは、錫・インジウム系鉛フリーはんだとした請求項11に記載のはんだ付け方法であり、これにより低温ではんだ付けできるので、非耐熱部品のはんだ付けに有効である。
【0052】
また、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだである第1の鉛フリーはんだの融点と第2の鉛フリーはんだの融点とを近くすることができる。従って、低い温度で双方の鉛フリーはんだを溶融させることができ、低温で第2の合金層を得ることが出来る。これによって、低熱温度の低い電子部品が熱によって破壊されることなく、はんだ付けを行うことが出来る。
【0053】
さらに、第1の合金層の錫・インジウム系の鉛フリーはんだであるので融点は亜鉛系の鉛フリーはんだと近く、第1の鉛フリーはんだを溶融時の熱で第2の鉛フリーはんだも溶融し、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとを確りとはんだ付けすることができる。
【0054】
請求項18に記載の発明における第4の工程では、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとを共に溶融させる請求項11に記載のはんだ付け方法であり、これにより第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛と第1の合金層内に拡散された銅分子とが結合し、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとの間で銅と亜鉛の合金による第2の合金層が形成される。しかしながら、第2の鉛フリーはんだ中に拡散された銅分子が消費されると、それ以上にこの銅・亜鉛層が成長することは少なくなるので、第2の合金層が成長することは少ない。つまり、第2の合金層が形成されることによって、第2の鉛フリーはんだ中の銅濃度を低くし、それ以上第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛が第1の合金層に拡散することを抑制する。
【0055】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0056】
請求項19に記載の発明は、電子部品は非耐熱部品であるとともに、第4の工程では、第2の鉛フリーはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱工程と、この予熱の後に前記第1の鉛フリーはんだと前記第2の鉛フリーはんだとを溶融させる加熱工程と、この加熱工程の後に前記加熱工程で溶融した前記第1の鉛フリーはんだと前記第2の鉛フリーはんだとを冷却する第1の冷却工程とを有し、前記予熱工程と前記加熱工程との間には第2の冷却工程を有した請求項11に記載のはんだ付け方法である。
【0057】
これにより加熱工程では、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだは共に溶融されることとなる。このとき第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛と第1の合金層内に拡散された銅分子とが結合し、第1の鉛フリーはんだと第1の合金層との間で銅と亜鉛の合金による第2の合金層が形成される。そして、この第2の合金層形成のために第1の合金層中に拡散された銅分子が消費され、第1の合金層中の銅濃度が低くなり、それ以上にこの銅・亜鉛層が成長することは少なくなる。
【0058】
これによって、第2の合金層が形成されることによって、第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛が第1の合金層に拡散されることを抑制することができる。
【0059】
一方、非耐熱部品の装着されたプリント基板は、加熱手段に入る前にこの第2の冷却手段で非耐熱部品の温度を一旦下げるので、加熱手段における電子部品の温度を低くすることができる。従って、第2の鉛フリーはんだとして錫・銀・銅のような融点の高い鉛フリーはんだを用いても、その熱により非耐熱部品が壊れることなく、第2の合金層を形成させることができる。
【0060】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0061】
請求項20に記載の発明は、第2の冷却工程では、加熱工程内での非耐熱部品のピーク温度が、予め定められた温度以下となるように冷却する請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これにより第2の冷却部にて予め非耐熱部品のピーク温度を、部品の品質保証の限界温度以下となるように冷却しておけば、非耐熱部品が保証温度を超えることはなく、品質や特性や信頼性を劣化させることなくリフローはんだ付けを行うことができる。
【0062】
請求項21に記載の発明は、加熱工程にて第1の鉛フリーはんだがピーク温度に達した後であって、非耐熱部品が予め定められた温度以上となる前に、第1の冷却工程では、前記非耐熱部品の冷却を開始する請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品の品質保証の限界温度以上となる前に冷却が開始されるので、品質保証の限界温度が低い非耐熱部品とか、融点の高いはんだであっても品質、特性や信頼性を劣化させないリフローはんだ付けを行うことができる。
【0063】
請求項22に記載の発明は、加熱工程から第1の冷却工程への搬送は、第1の鉛フリーはんだが固相線温度より下回った温度で行う請求項21に記載のはんだ付け方法であり、これにより加熱手段から冷却手段への移動ははんだが固体化してからとなるので、搬送による振動などによる界面剥離や、部品の傾きなどは生じない。従って、良好なはんだ付けを実現することができる。
【0064】
請求項23に記載の発明における第1の鉛フリーはんだは、フラックス成分とはんだ粉にて形成され、予熱手段において、前記第1の鉛フリーはんだの温度は前記フラックス成分が活性化するとともに、溶剤が揮発する温度以上とし、このときの非耐熱部品の温度は、予め定められた温度以下とした請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これにより第1の鉛フリーはんだ中のフラックスが予熱手段で活性化し、プリント基板や部品リードなどのはんだ付け面を覆っている酸化膜等の皮膜を除去するので良好なはんだ付けを実現することができる。
【0065】
また、この予熱温度は、非耐熱部品の品質保証の限界温度以下であるので、予熱手段で非耐熱部品の品質・特性や信頼性は劣化することはない。
【0066】
請求項24に記載の発明における予熱工程は、第1の鉛フリーはんだ面と対向する面側から予熱する請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これにより予熱手段では、非耐熱部品側は加熱されないので、非耐熱部品の温度が高くなることはない。従って、第2の冷却手段でプリント基板を冷却する場合、短時間で温度を下げることができる。つまり、非耐熱部品を効果的に冷却することができるので、加熱手段では、第1の鉛フリーはんだの温度を容易に上昇させることができる。従って加熱手段での電力を小さくすることができる。
【0067】
また、非耐熱部品の温度も高くならないので、冷却手段で充分に冷却させることができ、加熱手段での非耐熱部品の温度が品質保証の限界温度を超えないようにすることができる。
【0068】
請求項25に記載の発明における予熱工程では、非耐熱部品が搭載された面側から冷却する請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これによりプリント基板が、予熱手段を通過中でも、非耐熱部品は冷却されているので、加熱手段での部品の温度をさらに低く抑えることができる。従って、さらに部品の品質保証の限界温度が低い部品や融点の高いはんだに対してもリフローはんだ付けをすることができる。
【0069】
請求項26に記載の発明における加熱工程では、非耐熱部品が植設された面側から冷却する請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これによりはんだの加熱中においても非耐熱部品を冷却しているので、非耐熱部品の温度を上昇させないようにすることができる。従って、第1の冷却手段での冷却が開始されるまでに、部品保証の限界温度を超してしまうことはなく、部品の特性が悪化することはない。
【0070】
請求項27に記載の発明における加熱工程では、第1の鉛フリーはんだ塗布面に対向する面側から加熱する請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品側は加熱されないので加熱手段中で、非耐熱部品の温度が品質保証の限界温度を超えないようにすることができる。
【0071】
請求項28に記載の発明は、加熱工程を構成する加熱部には、プリント基板の第1の鉛フリーはんだ塗布面に対向した複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出す熱風により加熱する請求項27に記載のはんだ付け方法であり、これにより局所的に熱量を与えることができるので、加熱時間を短くすることができ、加熱手段の電力を少なくすることができる。
【0072】
請求項29に記載の発明は、パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、熱風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板にはプリント基板のはんだ付け箇所に対応する位置に孔が設けられた請求項27に記載のはんだ付け方法であり、これにより遮蔽板のみを交換すれば、容易にはんだ付け位置の異なるプリント基板をはんだ付けするはんだ付け装置とすることができる。
【0073】
請求項30に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きな非耐熱部品の第1の鉛フリーはんだに対向した箇所を大きな径とした請求項27に記載のはんだ付け方法であり、これにより部品の熱容量の大きさに応じて、パイプの径を変えることによって、加熱手段での加熱時間を同一にすることができ、パイプからの熱風を同時に停止することができるので、容易にはんだ付けすることができる。
【0074】
請求項31に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きい非耐熱部品の第1の鉛フリーはんだに対向した箇所に多数本設けられた請求項27に記載のはんだ付け方法であり、これにより部品の熱容量の大きさに応じてパイプの本数を変えることで、加熱手段での加熱時間を同一にすることができ、パイプからの熱風を同時に停止することができるので、容易にはんだ付けすることができる。
【0075】
請求項32に記載の発明における第2の冷却工程では、プリント基板の非耐熱部品が搭載された面側から冷却する冷却部を有する請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品は冷却部によって強制的に冷却されるので、充分に冷却させることができ、加熱手段での部品の温度をさらに低く抑えることができる。従って、部品の品質保証の限界温度が低い部品や融点の高いはんだを用いてリフローはんだ付けをすることができる。
【0076】
請求項33に記載の発明における第2の冷却工程には、複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出す冷風により非耐熱部品を選択的に冷却する請求項30に記載のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品のみを選択的に冷却することができる。
【0077】
つまり、金属製のフレームなどは、その熱容量が大きく、温度を下げると加熱工程での温度が充分に上がりにくくなり、はんだ付けができなくなる。そこで、このような熱容量の大きな部品は冷却しないようにすることができるので、良好なはんだ付けをすることができる。
【0078】
請求項34に記載の発明は、パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、冷風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板には非耐熱部品が搭載されている位置に対応した孔が設けられた請求項32に記載のはんだ付け方法であり、これによりこの遮蔽板で冷却不要な箇所には冷風が当たらないので、必要な箇所のみを効率よく冷却することができる。また、遮蔽板のみを交換すれば、容易にはんだ付け位置の異なるプリント基板のはんだ付けをすることもできる。
【0079】
請求項35に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きな非耐熱部品に対向した箇所では径を大きくした請求項32に記載のはんだ付け方法であり、これにより熱容量の大きな部品の温度も下げることができる。
【0080】
請求項36に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きい非耐熱部品に対向した箇所には多数本設けられた請求項32に記載のはんだ付け方法であり、これにより熱容量の大きな部品の温度も下げることができる。
【0081】
請求項37に記載の発明における非耐熱部品は、熱容量の大きい本体部と、この本体部の径に比べて充分に小さい径であるとともに、前記本体部に接続して設けられたリード部からなる請求項19に記載のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品はその本体部が大きな熱容量を有し、はんだ付け部が本体部の径に比べて充分に小さい径となっているので、加熱手段で加熱したリード部の熱は、本体へ伝導しにくい。従って、加熱手段中においても本体部の温度を低く保つことができ、部品が破壊温度や特性の保証温度を超えてしまうことはない。
【0082】
請求項38に記載の発明は、プリント基板の所定の位置に設けられるとともに銅箔によって形成されたはんだ付けパッドに第1の鉛フリーはんだを印刷する印刷手段と、この印刷手段の下流に設けられるとともに前記第1の鉛フリーはんだと前記銅箔との第1の合金層を形成させる第1の加熱手段と、この第1の加熱手段の下流に設けられるとともに前記はんだ付けパッド上に前記第1の鉛フリーはんだよりも融点が低い第2の鉛フリーはんだを転写する転写手段と、この転写手段の下流に設けられるとともに前記はんだ付けパッドの略中央に設けられた孔に電子部品のリード部を挿入する挿入手段と、この挿入手段の下流に設けられた第2の加熱手段とを備え、前記第2の加熱手段には、前記第2の鉛フリーはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱部と、この予熱部の下流に設けられた第1の冷却部と、この第1の冷却部の下流に設けられた加熱部と、この加熱部の下流に設けられるとともにこの加熱部で溶解した前記第2の鉛フリーはんだを冷却する第2の冷却部とを有し、前記加熱部では前記第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとを溶融させて前記第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に第2の合金層を形成させる電子部品の製造装置である。
【0083】
これにより加熱部では、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだは共に溶融することとなる。このとき第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛と第1の合金層内に拡散された銅分子とが結合し、第1の鉛フリーはんだと第1の合金層との間で銅と亜鉛の合金による第2の合金層が形成される。これにより、第1の合金層中に拡散された銅分子が消費され、第1の合金層中の銅濃度が低くなり、それ以上にこの銅・亜鉛層が成長することは少なくなる。つまり、第2の合金層が形成されることによって、第1の鉛フリーはんだ中の亜鉛が第1の合金層に拡散されることを抑制することができる。
【0084】
従って、高温環境下において銅と亜鉛との合金の成長を抑制することができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【0085】
さらに、加熱手段の第1の冷却部で一旦電子部品の温度が下がるので、加熱部において第1の鉛フリーはんだの温度を、第2の鉛フリーはんだが溶融する温度まで上げても、電子部品の温度上昇を小さくすることが出来る。従って、電子部品(例えば電解コンデンサ)の耐熱温度よりも第1の鉛フリーはんだの融点の方が温度の高いはんだ(例えば錫・銀・銅系の鉛フリーはんだなど)を用いるような場合においても、電子部品の耐熱温度以下ではんだ付けすることができる。
【0086】
請求項39に記載の発明における第1の鉛フリーはんだは錫・亜鉛系の鉛フリーはんだとするとともに、第2の鉛フリーはんだは錫・インジウム系の鉛フリーはんだとした請求項38に記載の電子部品の製造装置であり、これにより低温ではんだ付けできるので、非耐熱部品のはんだ付けに有効である。
【0087】
また、錫・亜鉛系の鉛フリーはんだである第1の鉛フリーはんだの融点と第2の鉛フリーはんだの融点とを近くすることができる。従って、低い温度で双方の鉛フリーはんだを溶融させることができ、低温で第2の合金層を得ることが出来る。これによって、低熱温度の低い電子部品が熱によって破壊されることなく、はんだ付けを行うことが出来る。
【0088】
(実施の形態1)
以下、本実施の形態について図1と図2を用いて説明する。図1は本実施の形態におけるはんだ付け接続の断面模式図を示したものであり、図2はその要部拡大図である。図1と図2において従来例と同じものについては同じ番号を付しその説明は簡略化する。
【0089】
なお、図2に示した模式図では、各層間に明らかな境界線があるが、これは説明を判りやすくするために便宜上このような境界線を設けたものであり、実際にはこのように明確な境界はなく、徐々にその成分比率が変化するものである。ただし本発明においては、一般的にSEM写真などによって判別できる範囲を層として境界線を設けて表している。
【0090】
図1と図2において、30は、はんだ付けパッド2上に形成された第1の合金層であり、この第1の合金層30のはんだ付けパッド2側には、Cu3Sn合金/Cu6Sn5合金で形成された錫・銅合金層31が略3μmの厚みで形成されている。そしてこの第1の合金層30の表層面側には、錫・銀・インジウムが主体となる錫・銀・インジウム系鉛フリーはんだ(第2の鉛フリーはんだの一例として用いた。以降インジウム系鉛フリーはんだという)の層32が形成されている。
【0091】
そしてはんだ付けパッド2から最も離れた最表層には、錫と亜鉛とが主成分の鉛フリーはんだ33(以降、亜鉛系鉛フリーはんだという。第1の鉛フリーはんだの一例として用いた)の層34が形成されている。そして、第1の合金層30と、亜鉛系鉛フリーはんだ33との間には、銅と亜鉛とからなる第2の合金層35が形成されている。
【0092】
なお、本実施の形態において各層の厚みは、錫・銅合金層31の厚みが略3μmであり、その上に形成されたインジウム系鉛フリーはんだの層32の厚みは略50μmであり、第2の合金層35の厚みが約4μmである。
【0093】
本実施の形態における被はんだ付け物である電解コンデンサ4(電子部品の一例として用いた)は、リード部5を有した電解コンデンサであり、従来と同様にプリント基板1に設けられた孔3にリード部5(電解コンデンサ4のはんだ付け箇所)が挿通され、亜鉛系鉛フリーはんだ33によって電気的に接続されることとなる。
【0094】
次に、本実施の形態におけるはんだ付け接続の工程について図面を用いて説明する。図3は、本実施の形態におけるはんだ付けのフローチャートである。図3において本実施の形態におけるはんだ付けは、はんだ付けパッド2上に第1の合金層30を形成する合金層形成工程41と、この合金層形成工程41の後で亜鉛系の鉛フリーはんだ33を第1の合金層30上へ供給するはんだ塗布工程42と、このはんだ塗布工程42の後で耐熱温度が低い電解コンデンサ4をプリント基板1の孔3へ挿入する部品挿入工程43と、そしてこの部品挿入工程43の後で前記亜鉛系の鉛フリーはんだを加熱・溶融するはんだ付け工程44とによって構成されている。
【0095】
なお、合金層形成工程41は、はんだ付けパッド2上にインジウム系鉛フリーはんだ32を印刷する印刷工程45と、この印刷工程45の後で自動装着機等によってチップ部品を装着する部品装着工程46と、この部品装着工程46の後で前記インジウム系の鉛フリーはんだを加熱・溶融させるリフロー工程47とから構成されている。
【0096】
以下各工程について図面を用いて順次説明する。まず図4は、印刷工程45の説明図である。プリント基板1上には複数のはんだ付けパッド2、51aや51bが形成されている。なおこれらのはんだ付けパッド2は、電子部品4のリード部5とはんだ付け接続されるものである。また、はんだ付けパッド51aや51bは図6に示されるようにチップ部品61の電極に対向するような位置に形成されている。
【0097】
そしてこのプリント基板1の上にメタルスクリーン52(図4)が載置され、このメタルスクリーン52上に錫が88重量%、銀が3.5重量%、インジウムが8重量%、ビスマスが0.5重量%の比率であるインジウム系の鉛フリーはんだ53が供給される。このインジウム系の鉛フリーはんだ53は、スキージ54によってメタルスクリーン52に設けられた開口部55や56a、56bに刷り込まれ、所定のはんだ付けパッド2、51a、51b上へ供給される。なお開口部55は、はんだ付けパッド2と対向し、開口部56a、56bは、はんだ付けパッド51a、51bと対向するように設けられている。
【0098】
ここで、メタルスクリーン52の厚みは、120μmであり、その開口部55の中心には図5に示すように孔3を覆うように円形の遮蔽部57が形成されている。この遮蔽部57の径は、孔3の径よりも約0.4mm大きな径とすることで、たとえスクリーンの印刷がずれたとしても、インジウム系の鉛フリーはんだ53が孔3内に付着しないようにしてある。
【0099】
また、開口部55は、4つの架設部58a、58b、58c、58dによって開口部55a、55b、55c、55dの四つに分割される。これは、遮蔽部57を確りと保持できるように架設部58a、58b、58c、58dを4箇所に設けている。しかしながら、プリント基板1にはこれらの架設部58a、58b、58c、58dによるインジウム系の鉛フリーはんだ53の不形成部62(図6)が生じるために、この架設部58a、58b、58c、58dの幅はできる限り細いほうが望ましい。
【0100】
そこで、本実施の形態においては、これら架設部58a、58b、58c、58dの幅はそれぞれ約0.2mmとしてある。こうしておけば、インジウム系の鉛フリーはんだ53を溶融させることによって、この不形成部62(図6)にも容易に第1の合金層30を形成することができる。なお、本実施の形態において、架設部は4箇所としているが、少なくとも2箇所以上設けてやれば良い。架設部の数を少なくすれば、インジウム系の鉛フリーはんだ53の不形成部62(図6)を小さく出来るので、さらに確実に第1の合金層30を形成させることができる。
【0101】
次に図6は、部品装着工程46にてチップ部品を装着した状態を示す図である。この部品装着工程46では、印刷工程45で供給されたインジウム系の鉛フリーはんだ53上にチップ部品61が自動装着機等によって装着される。なお、このインジウム系の鉛フリーはんだ53の融点は206℃あり、従来の錫・鉛共晶系のクリームはんだに比べて約34℃融点が高い。従ってこの部品装着工程46では、このインジウム系の鉛フリーはんだ53に適したリフロー温度に耐えることができる部品のみが装着される。ただし、インジウム銀系のクリームはんだ53に適したリフロー温度は一般的に225℃から230℃程度であるが、一般のチップ部品61はこれ以上の耐熱を有しているので、この工程でほとんどの装着部品を装着することができる。
【0102】
また、このとき一般的にはこの装着が全て完了するまでには、前記印刷工程45から数分以上が経過するので、インジウム系の鉛フリーはんだ53にはダレが発生し、不形成部62の間隔は小さくなる。本実施の形態においては、架設部58の幅が0.2mmであるので、この部品装着工程46においてその不形成部の幅64は0.1mm程度にまで小さくなる。
【0103】
その次に図7は、溶融工程47においてインジウム系のクリームはんだ53が加熱された状態を示す説明図であり、図8はこの溶融工程47の温度プロファイルを示したものである。図8において、横軸70は時間であり、縦軸71が温度を表している。
【0104】
72はインジウム系の鉛フリーはんだ53における温度プロファイルを示している。ここで、73は予備加熱であり、この予備加熱73の予備加熱温度74は160℃としている。この予備加熱73では、インジウム系の鉛フリーはんだ53中の溶剤成分を蒸発させるとともに、フラックス成分を活性化し、被はんだ付け物(はんだ付けパッド2表面や電子部品4の電極など)の表面を清浄化するものである。この予備加熱73で加熱されるとインジウム系の鉛フリーはんだ53の粘度が小さくなり、ダレが生じるために、不形成部62上もインジウム系の鉛フリーはんだ53によって覆われることとなる。
【0105】
そして75が本加熱であり、この本加熱75にてインジウム系の鉛フリーはんだ53の融点を超えるまで加熱し、インジウム系の鉛フリーはんだ53を溶融させる。この本加熱工程75のピーク温度76は、225℃とすることで、インジウム系鉛フリーのはんだ53の温度を融点である206℃よりも高い温度へと確実に上昇させることができる。なお、77は、本加熱75で溶融されたインジウム系の鉛フリーはんだ53を略常温まで冷却し、固める冷却工程である。これによってチップ部品61のはんだ付けと同時に、はんだ付けパッド2上へ第1の合金層30を形成することができる。
【0106】
次に図9はインジウム系鉛フリーはんだ53の冷却後の状態を示す図面である。図9において、インジウム系鉛フリーはんだ53が溶融すると、溶剤分容積が減少しその容積は約半分となる。しかし印刷工程45でのメタルスクリーン52の開口部55を本実施の形態のような寸法とすることにより、孔3を除いてインジウム系鉛フリーはんだ53がはんだ付けパッド2の略全面に広がって覆い、第1の合金層30を形成するわけである。
【0107】
ここで、図8における78は錫・鉛の共晶はんだにおける温度プロファイルである。この温度プロファイル78のピーク温度79は、インジウム系の鉛フリーはんだ53のピーク点温度76に比べても約10℃低い。つまり、耐熱温度が160℃と耐熱性が低い電解コンデンサ4などをはんだ付けする場合には、従来の錫・鉛の共晶はんだと近い融点のはんだを用いることが必要となる。そこで、本実施の形態1においては、融点が比較的錫・鉛の共晶はんだの融点に近い亜鉛系の鉛フリーはんだを使用することとなる。本実施の形態1において用いられる亜鉛系鉛フリーはんだは、錫が89重量%、亜鉛が8重量%、ビスマスが3重量%であり、その融点は197℃である。
【0108】
そこで図10に示すように、はんだ塗布工程42では、亜鉛系の鉛フリーはんだ33をインジウム系の鉛フリーはんだ53上に供給する。なお、亜鉛系の鉛フリーはんだ33のプリント基板1への供給は、厚さ1.2mmのプレート82上にはんだ付けパッド2と対向する位置に設けられた刷り込み孔83を形成し、この刷り込み孔83へ亜鉛系鉛フリーはんだ33が刷り込まれる。そして、その刷り込み孔83の径より若干小さな径のピン84によって亜鉛系の鉛フリーはんだ33が押し出されてインジウム系の鉛フリーはんだ53上へ転写される。
【0109】
なお、ピン84によって亜鉛系の鉛フリーはんだ33が押さえつけられると横へ膨らむ。この膨らみによって、隣接した部品等とはんだショートしないように、前記刷り込み孔83の径は、はんだ付けパッド2の径に比べて約0.2mm小さくしてある。
【0110】
次に部品挿入工程43は、図11に示されるように、はんだ塗布工程42で亜鉛系の鉛フリーはんだ33が転写されたはんだ付けパッド2の孔3に電解コンデンサ4(耐熱の低い電子部品の一例として用いた)のリード部5を挿入する工程である。
【0111】
そしてはんだ付け工程44は、亜鉛系の鉛フリーはんだ33を溶解させて電解コンデンサ4のリード部5のはんだ付けを行う工程である。なお、本実施の形態においては一般のリフロー炉が用いられる。
【0112】
図12は、本実施の形態1におけるはんだ付け工程44の温度プロファイルを示している。図12において横軸が時間であり、縦軸は温度を表している。図12において、はんだ付け工程44では、まず亜鉛系鉛フリーはんだ33を温度94まで加熱し、はんだ付けを行う。なお、予備加熱91の温度92は150℃であり、本加熱93のピーク温度94は215℃としている。そして、略常温まで冷却95され、はんだ付けが完了する。
【0113】
次に、図13において以上のようなはんだ付け方法における各工程での合金層の生成について説明する。まず、合金層形成工程41では、はんだ付けパッド2上に120μmのスクリーンを用いてインジウム系鉛フリーはんだ53がはんだ付けされる。この場合、はんだ付けパッド2の銅とインジウム系鉛フリーはんだ53中の錫とが結合し、Cu3SnとCu6Sn5とによる銅・錫合金層31が形成される。そしてこの銅・錫合金層31の上に、インジウム系鉛フリーはんだ53の層32が形成され、第1の合金層30が形成されることとなる。なお、それぞれの層の厚みは、錫・銅合金層31が3μmであり、インジウム系鉛フリーはんだ層32の厚みが50μmである。
【0114】
次に、はんだ塗布工程42によって、インジウム系鉛フリーはんだ32上に亜鉛系鉛フリーはんだ33を塗布し、その後部品挿入工程43で電解コンデンサ4を挿入し、はんだ付け工程44によってはんだ付けする。これによって、図1に示されるように、はんだ付けパッド2上に錫・銅合金層31が形成され、その錫・銅合金層31上にインジウム系鉛フリーはんだ32の層が形成され、このインジウム系鉛フリーはんだ32と亜鉛系鉛フリーはんだ33との間に銅と亜鉛とによると第2の合金層35が出来上がる。
【0115】
以上の構成によって、亜鉛系鉛フリーはんだ33とはんだ付けパッド2との間には、第1の合金層30と第2の合金層35とを有することとなる。これによって、亜鉛系鉛フリーはんだ33中の亜鉛が、これらのバリヤ層を通過して銅箔に達することは困難となる。これにより、はんだ付け工程44において、合金層31とインジウム系の鉛フリーはんだ32との間に銅と亜鉛との合金層が生成され難くなる。そしてさらに高温環境下においては、銅と亜鉛との合金層のさらなる生成や成長が抑制されることが確認されている。
【0116】
なお発明者らは、本実施の形態によるはんだ付け接続によるはんだ付け箇所を、125℃1000時間経過後にSEM解析したが、インジウム系鉛フリーはんだ32と錫と銀との合金層31との間での銅・亜鉛の合金層の生成は見られなかった。
【0117】
以上のように発明者らの実験によれば、本発明におけるはんだ付け接続を用いることにより、第1の合金層30と第2の合金層35が亜鉛系鉛フリーはんだ33中の亜鉛の進入を確りと阻止することは確認されている。なお、インジウム系の鉛フリーはんだ32と亜鉛と銅との合金である第2の合金層35がそのようにして亜鉛系鉛フリーはんだ33中の亜鉛を阻止するのかについてその理由は明らかではないが、発明者らはその作用を以下の理由によるものであると推定している。
【0118】
はんだ付け工程44ではインジウム系鉛フリーはんだ32と亜鉛系鉛フリーはんだ33の双方ともに215℃まで加熱されることとなる。これによって融点が高いインジウム系鉛フリーはんだ32も溶融されることとなる。このとき亜鉛系鉛フリーはんだ33中の亜鉛と、リフロー工程47において銅箔より第1の合金層30に拡散した銅分子は、お互いに活性化された状態にあり、互いに結合し易い状態にあると考えられる。そこで、それらが結合し、インジウム系鉛フリーはんだ32の層と、亜鉛系鉛フリーはんだ33の層との境界近傍に第2の合金層35が形成される。
【0119】
そして次第に、第1の合金層30中に拡散された銅分子が消費され、第1の合金層30内における銅濃度は低くなり、最終的に第1の合金層30からの銅の供給が途絶える。すると、これ以上銅が供給されないので、銅・亜鉛の第2の合金層35の成長は緩和されてくる。そして第2の合金層35の成長が緩和された状態で冷却されることとなり、この状態のまま凝固するので亜鉛系鉛フリーはんだ33中の亜鉛がはんだ付けパッド2にまで到達しないものと考えられる。
【0120】
つまり、本実施の形態におけるはんだ付け接続においては、はんだ付け工程44においてインジウム系鉛フリーはんだ32と亜鉛系鉛フリーはんだ33とを共に溶融させることによって、インジウム系鉛フリーはんだ32中の銅濃度を低下させるとともに、第2の合金層35を生成させている。
【0121】
以上のような作用によってインジウム系鉛フリーはんだ32と合金層31との間で銅と亜鉛の合金の生成が抑制されると考えている。
【0122】
次に、このようにしてはんだ付けされたはんだ付け接続を、高温条件下で長時間放置した場合について説明する。125℃で1000時間の放置後における発明者らのSEM解析結果では、第2の合金層35の成長は見られなかった。この理由についても明らかではないが、発明者らはこの理由を以下によるものであると推定している。
【0123】
第2の合金層35が生成されることによって、インジウム系鉛フリーはんだ32中の銅濃度は低くなっている。これによって、亜鉛はインジウム系鉛フリーはんだ32に含まれる銅と結合しようとしても、インジウム系鉛フリー内に結合できる銅の量は非常に少ない状態となっており、高温下で長時間放置されても第2の合金層に成長は見られないものと考えられる。
【0124】
以上のように、はんだ付けパッド2の上に第1の合金層30を形成し、さらにこの第1の合金層30と亜鉛系鉛フリーはんだ33との間に第2の合金層35を形成することによって、亜鉛系の鉛フリーはんだ33中の亜鉛が第1の合金層30を通過しはんだ付けパッド2まで達することを抑制するとともに、高温環境下において第2の合金層35自体の成長も抑制するものであると考える。これによって、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだ33のはんだ付け接続を実現することができる訳である。
【0125】
なお、本実施の形態1においては、インジウム系の鉛フリーはんだ32を用いたが、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだを用いた場合においても、同様に第2の合金層を形成させることは可能である。発明者らは、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだを用い、はんだ付け工程44における温度を約240℃程度まで上げることで、亜鉛系鉛フリーはんだ中の亜鉛と錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ内の銅とが結合し、第2の合金層が形成されることを確認している。
【0126】
これは、インジウム系の鉛フリーはんだ33を用いた場合と同様に、亜鉛系鉛フリーはんだと錫・銀・銅系の鉛フリーはんだの双方を溶融状態となることによって、亜鉛系鉛フリーはんだの亜鉛と錫・銀・銅系の鉛フリーはんだの銅などとが結合することによるものであると考える。
【0127】
しかしながら、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだには約0.5重量%程度の銅が含まれており、その銅と亜鉛とが結合するので、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだにおける第2の合金層の幅は広くなっている。そこで本実施の形態1においては、銅の含有量を減らすとともにインジウムを入れたインジウム系の鉛フリーはんだを用いている。これによって鉛フリーはんだ自体に含まれる銅は少ないので、第2の合金層35の幅を小さくすることができる。従って、はんだ付けの接合強度の低下し難いはんだ付け接続を実現することができる。
【0128】
なお、本実施の形態1におけるはんだ付け方法によれば、はんだ付けパッド2上に第1の合金層30を形成すると同時に、チップ部品61をはんだ付け接続することができるので、第1の合金層30を形成するためにメッキ工程等、別途工程を設ける必要がないので、鉛フリーはんだ付けに対して、安価にはんだ付け接続を行うことができる。
【0129】
さらに、亜鉛系の鉛フリーはんだ33を含め一般的に鉛フリーはんだのはんだ付け性は悪い。しかしながら、本実施の形態においてはんだ付けパッド2は、予めインジウム系の鉛フリーはんだ53によってその表面が覆われることとなるので、はんだ付け性は良くなる。
【0130】
本実施の形態においては、プリント基板1のはんだ付けパッド2に関してのみ記載したが、これは電解コンデンサ4のリード部5側に対しても同様に第1の合金層を形成しておくと良い。ただし、リード部5の表面積ははんだ付けパッド2に比べて非常に小さいので、第1の合金層30の厚みは、薄くても良く、メッキ等で形成しても良い。
【0131】
(実施の形態2)
以下実施の形態2について図面を用いて説明する。図14(a)は、本実施の形態2におけるはんだ付け方法における加熱工程の正面図を示し、図14(b)ははんだ付け部の拡大断面図を示す。なお、本実施の形態2において従来例や実施の形態1と同じものについては同じ番号を付しその説明は簡略化している。また本実施の形態2におけるはんだ付け工程44a以外は実施の形態1(図3)と同じであり、ここでは実施の形態1のリフロー工程44に対応するはんだ付け工程44aについて詳細に説明している。
【0132】
本実施の形態2においては、第2の鉛フリーはんだとして錫・銀・銅系の鉛フリーはんだを用いている。そこで本実施の形態2では、この錫・銀・銅系の鉛フリーはんだについて第2の合金層を形成させるために、はんだ付け工程44aの加熱温を高くする一方で、電解コンデンサ4に代表される非耐熱部品123の耐熱温度より高くならないようにするものである。
【0133】
図14(a)と図14(b)において、1は、合金形成工程41によって予め錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100によって面実装部品(図示せず)が両面にはんだ付けされるとともに、はんだ付けパッド2上には錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100と錫と銅との合金とからなる第1の合金層101が予め形成されたプリント基板である。
【0134】
そして、はんだ塗布工程42ではんだ付けパッド2に転写等により亜鉛系の鉛フリーはんだ122が供給され、部品挿入工程43で電解コンデンサやIFトランスなどの品質保証の限界温度が低い非耐熱部品123が孔3へ挿入される。そして、このプリント基板1を金属製のシールドケース124内に収納させている。
【0135】
なお、この非耐熱部品123には、比較的大きな形状であり、大きな熱容量を有した本体部123aと、この本体部123aに接続されたリード部123bとから構成されている。このはんだ付け部はその直径が0.3mm程度の銅線等であり、その径は本体部123aの径に比べて充分に細くなっている。これはリード部123b自体は熱が伝わり易く、はんだ付けし易いように熱伝導の良い銅線を用いている。
【0136】
125は、プリント基板1を搬送する搬送手段であり、その搬送面126が垂直になるように立設され、水平方向に移動する構造となっている。また、搬送手段125はスチールコンベアであり、一定の間隔で磁石127が取り付けられている。この磁石127によってシールドケース124は、クリームはんだ塗布面側を下として、搬送手段125に仮設されることとなる。
【0137】
これにより、プリント基板1の上下方向は、ともに開放されているので、本実施の形態2におけるはんだ付け装置において熱風や冷風などを遮るものが存在しないこととなる。従って、プリント基板1や非耐熱部品123に対して、熱風や冷風を効率良くはんだに与えることができるので、熱源の電力を小さくし、はんだ付け装置の消費電力を小さくすることができる。
【0138】
128は、搬送手段125によってプリント基板1が最初に搬送される予熱手段である。この予熱手段128の搬送手段125の下方には、亜鉛系鉛フリーはんだ122を予熱する加熱部129aを有しており、亜鉛系鉛フリーはんだ122の温度を約120度から約150度にまで予熱する。この予熱温度は、加熱手段での電力を小さくするためにはできる限り高くすることが望ましいが、部品の品質保証の限界温度を超えないように設定することが必要である。
【0139】
そこで、予熱手段128には、搬送手段125の上方に設置された冷却部130が設けられている。この冷却部130では、非耐熱部品123側にのみ冷風を当てるものであり、その温度が上昇しないようにしている。
【0140】
131は、予熱手段128から搬出されるプリント基板1が、搬入されるように連結された冷却手段である。この冷却手段131においても、搬送手段125の上方には冷却部130が設けられている。この冷却部130は予熱手段128に使用しているものと同じであり、非耐熱部品123の温度が上昇しないようにしている。
【0141】
132は、冷却手段131から搬出されるプリント基板1が搬入されるように連結された加熱手段である。この加熱手段132では、亜鉛系鉛フリーはんだ122を溶融させ、はんだ付けするものであり、搬送手段125の下方には加熱部129bを有している。
【0142】
ここで、一般的にクリームはんだは、その温度を液相線温度より約30度高い温度にまで加熱しはんだ付けされる。従って、亜鉛系鉛フリーの亜鉛系鉛フリーはんだ122の液相線温度は197℃であるので、加熱手段132において通常であれば亜鉛系鉛フリーはんだ122は約230度にまで加熱されなければならないこととなる。しかしながら、一般的な電解コンデンサやIFトランスにおける品質保証の限界温度は約160度である。そこで本実施の形態2において、加熱手段132によるクリームはんだ22の温度を出来る限り低く設定し、210℃程度に抑えなければならない。
【0143】
しかしながら、実施の形態1でも述べたように、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100と亜鉛系の鉛フリーはんだ122との間に銅と亜鉛の合金である第2の合金層を形成させるためには、はんだ付け工程44aでこの融点の高い錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100を溶融させてやることが必要であると考える。しかしながら、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100の融点は約217℃であるので、はんだ付け工程44aでは少なくとも230℃以上の温度まで加熱することが望ましくなる。
【0144】
ここで、加熱手段132では220℃まで加熱する代わりに、本体部123aの温度がこの加熱手段132による加熱によって、限界温度以上とならないように、予備加熱手段128と加熱手段132との間に冷却手段131を設け、その冷却手段131の冷却部130で本体部123a側を一旦冷却する構成としている。
【0145】
さらに、加熱手段132にも、プリント基板1の上方に予熱手段128と同じ冷却部130を有しており、この加熱手段132中においても、非耐熱部品123を冷却している。
【0146】
次に、加熱手段132から搬出されるプリント基板1が搬入されるように連結された冷却手段133によって、溶融したクリームはんだは略外気温まで冷却され、出口から搬出される。
【0147】
図15は本実施の形態2における加熱部129a、129bと冷却部130の断面図である。まずは、搬送手段125の上方に設けられた冷却部130について図15を用いて説明する。
【0148】
140はエアー供給装置であり、141はこのエアー供給装置140に接続して設けられたエアー導管であり、エアーはこのエアー導管141内を通って空気室142へ導かれる。この空気室142には非耐熱部品123の装着位置に対応して、複数個のパイプ143が植設されている。このパイプ143の径は、耐熱温度の低い部品に対しては径を大きくしている。これにより、非耐熱部品123の温度上昇を効果的に抑えることができるので、さらに熱に対する限界温度の低い部品についてもリフローはんだ付けすることができる。
【0149】
なお、本実施の形態2においては、パイプ143の径を大きくしたが、パイプ143の本数を多くしても同様の効果を得ることができる。
【0150】
さらに空気室142とパイプ143との間には、エアーを遮蔽する遮蔽板144が設けられている。この遮蔽板144には、非耐熱部品123が配置された箇所に当たる位置にのみエアーが通過するように孔145が設けられている。これにより非耐熱部品123に対してのみ効率的に冷却することができる。また、この遮蔽板144を変更するだけで容易に非耐熱部品123の位置が異なるプリント基板に対しての対応が可能である。
【0151】
なお、全てのパイプ143を等間隔に植設し、遮蔽板144の孔145のみで冷却部分を制御することも可能である。このようにすることにより、どんなプリント基板にも遮蔽板144の交換のみで対応することができる。
【0152】
次に加熱部129a、129bについて説明する。146は、エアー供給機であり、147はこのエアー供給機146に接続されるとともに、その外部に発熱体147aを有したエアー導管である。このエアー導管147を通過することでエアーは所定の温度に加熱される。この加熱されたエアーは、空気室148へ導かれ、遮蔽板150上に設けられた孔151からパイプ149を通り亜鉛系鉛フリーはんだ122を加熱するものである。
【0153】
なお、このパイプ149の径は、フレーム等の熱容量の大きな部品については大きくし、大きな熱量を供給できるようにしてある。また、耐熱温度の高い部品に対してもパイプ149の径は大きくしている。
【0154】
また、本実施の形態2においては、パイプ149の径を大きくしたが、パイプ149の本数を多くしても同様の効果を得ることができる。
【0155】
遮蔽板150は、空気室148内に設けられており、必要な箇所にのみ加熱されたエアー(温風)を供給するものである。従って、この遮蔽板150には、非耐熱部品123が装着された箇所に当たる位置にのみエアーが通過するように孔151が設けてある。これにより亜鉛系鉛フリーはんだ122に対してのみ効率的に加熱することができる。また、この遮蔽板150を変更するだけで容易に非耐熱部品123の位置の異なるプリント基板に対しての対応が可能である。
【0156】
なお、全てのパイプ149を等間隔に植設し、遮蔽板150の孔151のみで加熱部分を制御することも可能である。このようにすることにより、どんなプリント基板にも遮蔽板150の交換のみで対応することができる。
【0157】
さらに、プリント基板1には温度測定用の銅箔152が設けられており、この銅箔152上にもクリームはんだ153が塗布される。154は、このクリームはんだ153の温度を測定する非接触の温度測定器であり、この測定器154に接続された計算部155で非耐熱部品123の本体部123aの温度を計算し、算出する。これによりクリームはんだ153の温度を実際に測定することができるので、容易に本体部123aの温度を管理することができるので、非耐熱部品123が限界温度を超えてしまうことはない。
【0158】
なお、予熱手段128における加熱部129aと、加熱手段132中における加熱部129bとは発熱体147aの容量を除いて同じものであり、発熱体147aの容量変更により温度を変えるだけで対応することができる。
【0159】
次に図16は、本実施の形態2における非耐熱部品123の本体部123aと亜鉛系鉛フリーはんだ122との温度プロファイルを示す図であり、本実施の形態2におけるはんだ付けについて図16を用いて説明する。
【0160】
予熱手段128では時間160の間予熱し、亜鉛系鉛フリーはんだ122を温度161まで加熱する。このとき本体部123aの温度は限界温度162以下の温度になるようにしておく。すなわち120度から150度程度の温度としておく。これによって、亜鉛系鉛フリーはんだ122中のフラックス成分(樹脂、活性剤、チキソ剤、溶剤)が活性化し、またその溶剤が揮発する。つまり、亜鉛系鉛フリーはんだ122中のフラックスは予熱により活性化し、プリント基板1の銅箔やリード部123bなどを覆っている酸化膜等の皮膜を除去するので、良好なはんだ付けができる。また、予熱によって溶剤を揮発させるのは、後の加熱手段132における急激な加熱で溶剤中に溶けていた気体が爆発することを防ぎ、はんだボールの飛散や、はんだ付けフィレット内のボイド(ピンホール、ブローホール)を防ぐものである。
【0161】
次に冷却手段131では時間163の間冷却され、本体部123aの温度は略外気温にまで落としている。なお、予熱手段128、冷却手段131共に、非耐熱部品123側のみに冷却部130を有しているので、亜鉛系鉛フリーはんだ122の温度はあまり下げないで、本体部123aの温度は短時間の間に大きく下げることができる。このことは次の加熱手段132による加熱が開始される時点での本体部123aと亜鉛系鉛フリーはんだ122との温度差166を大きくしておけるものである。
【0162】
そして加熱手段132では、時間165の間加熱することにより、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100と亜鉛系鉛フリーはんだ122の双方の温度を、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100の液相線温度168より高くし溶融させる。一方、非耐熱部品123の本体部123aは、加熱手段132中においても冷却部130で冷却することで、温度を低く保つことができる。さらに、本体部123aは大きな熱容量を有し、リード部123bが本体部123aの径に比べて充分に小さい径となっているので、加熱手段132で加熱したリード部123bへの熱は、本体部123aへ伝導しにくいこととなる。
【0163】
従って、加熱手段132中において、本体部123aの温度が上昇する速度は、亜鉛系鉛フリーはんだ122あるいはリード部123bに比べて遅くなる。つまり亜鉛系鉛フリーはんだ122の温度が下降してもしばらくは本体部123aの温度は上昇を続ける。また、加熱手段132での加熱開始時点において、本体部123aと亜鉛系鉛フリーはんだ122との温度差が大きくなる分、亜鉛系鉛フリーはんだ122を規定のピーク温度167になるまで加熱したとしても、本体部123aのピーク温度は限界温度162より低くすることができる。
【0164】
また、加熱手段132での加熱時間165経過後に、冷却手段133による冷却が開始されることとなる。このときの本体部123aの温度は限界温度162以下の温度にて冷却を開始している。さらに、冷却開始時点においては亜鉛系鉛フリーはんだ122が固相線以下の温度となってから搬送手段125でプリント基板1を搬送することにしている。
【0165】
これにより、本体部123aの温度が限界温度162を超える前に冷却を開始するので、本体部123aが破壊温度や特性の保証限界温度162を超えてしまうことはない。また、完全に亜鉛系鉛フリーはんだ122が固体化してから移動するので、移動等に伴う振動等による、界面剥離等が発生することはない。
【0166】
以上の構成により、錫・銀系や、錫・銀・銅系等の高融点鉛フリーはんだによる合金層の上に、低融点の鉛フリーはんだを塗布しはんだ付けする場合においても、第2の合金層を形成させることが出来るとともに、非耐熱部品123の本体部123aの温度を限界温度162以下に保つことができるので、高融点鉛フリーはんだで非耐熱部品123のリフローはんだ付けすることも可能となる。従って、非耐熱部品123の限界温度162を超えることはなく、鉛フリーはんだ等によって非耐熱部品123のはんだ付けをすることができるので、環境保護に対して有効なはんだ付け装置を提供することができる。
【0167】
以上のように、本実施の形態のはんだ付け装置を用いてリフローはんだ付けを行えば、たとえIFトランス等の非耐熱部品123であっても鉛フリーはんだではんだ付け品質の良い装着が可能になる。
【0168】
なお、本実施の形態2においては錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100を用いたが、これはインジウム系の鉛フリーはんだを用いても良い。インジウム系の鉛フリーはんだは、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100に比べ融点が低く、亜鉛系の鉛フリーはんだの融点との温度差も小さい。したがってより低い温度で第2の合金層を形成することができるので、さらに耐熱温度の低い部品等のはんだ付けを行うことが出来る。
【0169】
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3について説明する。図17、図18は本発明の実施の形態3におけるはんだ付け装置の正面図と要部断面図である。
【0170】
図17、図18において、プリント基板1や、そのプリント基板1上に搭載される非耐熱部品123や、錫・銀系の鉛フリーはんだによってパッド上に形成された第1の合金層30などは本発明の実施の形態2と同一のものであり、同じ符号を付してその説明は簡略化している。
【0171】
200は、非耐熱部品123が搭載されたプリント基板1を搬送する搬送手段であり、2本のチェーンにより構成されており、リフロー炉201の中央部付近を貫いて設けられている。
【0172】
202は、この搬送手段200上に架設されるパレットである。このパレット202上には、金属製のシールドケース124内に収められるとともに、非耐熱部品123が搭載されたプリント基板1が設置されている。また、このパレット202には非耐熱部品123のリード部123bの位置には孔203が設けられており、これによりリフロー炉201内でこのリード部123bに対して局部的に加熱することが可能となる。
【0173】
このリフロー炉201は、予熱手段204、冷却手段205、加熱手段206と冷却手段207がこの順に設けられている。
【0174】
まず、予熱手段204では、搬送手段200の下方に加熱部208が設けられ、この加熱部208は、遠赤外線ヒータや熱風ブロワーを複数個併設して構成され、予備加熱するものである。なお、本実施の形態3における予熱手段204中には、搬送手段200の上方に冷却部209を設けてある。これにより本体部123aの温度を上げないようにしている。
【0175】
しかし、リフロー炉201が一般的に市販されているものである場合には、予熱手段204の搬送手段200の上方にも遠赤外線のランプが複数個併設されている。そこで、このランプには電源をオフにして、発熱させないようにしておくことで、本体部123aの温度を上げないようにすることもできる。
【0176】
次に、冷却手段205では、搬送手段200の上方に冷却部210を有し、この冷却部210で本体部123aの温度を略外気温になるまで下げている。
【0177】
なお、リフロー炉201が一般的に市販されているものである場合にはこのときは、搬送手段200の上方、下方ともに遠赤外線のランプを有した構造となっている。その場合には少なくともその上方のランプの電源を切っておくことで、本体部123aの温度を下げることができる。
【0178】
次に、加熱手段206においては、搬送手段200の下方には加熱部211を有しており、この加熱部211には、遠赤外線ランプが複数個併設して構成され、亜鉛系鉛フリーはんだ122を加熱し、はんだ付けするものである。なお、本実施の形態3における加熱手段206中にも、搬送手段200の上方に冷却部209を設けている。これにより本体部123aの温度を上げないようにしている。
【0179】
しかし、リフロー炉201が一般的に市販されているものである場合には、加熱手段206の搬送手段200の上方にも遠赤外線のランプが複数個併設されている。そこで、このランプには電源をオフにして、発熱させないようにしておくことで、本体部123aの温度を上げないようにすることができる。
【0180】
そして、本体部123aの温度が部品の限界温度に達する前に、冷却手段207で冷却するものである。
【0181】
以上のような構成により、本発明の実施の形態2同様に、非耐熱部品123の温度を低く抑えることができるので、錫・銀・銅系の鉛フリーはんだ100と亜鉛系の鉛フリーはんだ122との両方を溶融させることによって第2の合金層を形成させるとともに、非耐熱部品123が限界温度を超えることはなく、鉛フリーはんだではんだ付けすることができる。
【0182】
さらにまた、本実施の形態3におけるはんだ付け装置は、一般の市販されているリフロー炉からの変更は容易であるので、大きな変更費用等を発生させずに鉛フリーはんだ等のはんだ付けを行うことが出来る。
【0183】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プリント基板上の所定の位置に設けられるとともに銅箔によって形成されたはんだ付けパッドと、このはんだ付けパッドと接続される電子部品と前記はんだ付けパッドとを錫・亜鉛を主成分とした第1の鉛フリーはんだによってはんだ付けするはんだ付け接続であって、前記第1の鉛フリーはんだの層と前記はんだ付けパッド間には、前記はんだ付けパッド上に形成された錫と銅との合金層とこの合金層の上に設けられる錫・銀を主成分とする第2の鉛フリーはんだの層とから構成された第1の合金層と、この第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に設けられた第2の合金層とを有するものである。
【0184】
この構成によって、第1の合金層と第2の合金層とを有することとなり、亜鉛がこれらのバリア層を超えて銅箔と合金化することは少なくなる。つまり、接合強度低下の要因となる銅と亜鉛との合金層が第1の鉛フリーはんだとはんだ付けパッドとの間に生成されにくくなるので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態におけるはんだ付け接続の断面模式図
【図2】同、要部の断面模式図
【図3】同、フローチャート
【図4】同、印刷工程の説明図
【図5】同、スクリーンの開口部の詳細図
【図6】同、部品装着工程の説明図
【図7】同、溶融工程の加熱状態における説明図
【図8】同、本実施の形態における溶融工程の温度プロファイル図
【図9】同、本実施の形態の第1の工程終了状態の断面図
【図10】同、第2の工程の説明図
【図11】同、第3の工程の説明図
【図12】同、第4の工程の温度プロファイル図
【図13】同、第1の工程によって形成される層の要部の断面模式図
【図14】(a)は、本発明の実施の形態2におけるはんだ付け装置の正面図(b)は、同要部拡大図
【図15】同、加熱部ならびに冷却部とその近傍の断面図
【図16】同、温度プロファイル図
【図17】本発明の実施の形態3におけるはんだ付け装置の正面図
【図18】同、要部断面図
【図19】従来のはんだ付け接続の断面図
【図20】同、フローチャート
【図21】同、要部の断面模式図
【符号の説明】
1 プリント基板
2 はんだ付けパッド
4 電解コンデンサ
5 リード部
30 第1の合金層
31 銅と錫との合金層
32 第2の鉛フリーはんだ
34 第1の鉛フリーはんだの層
35 第2の合金層
Claims (39)
- プリント基板上の所定の位置に設けられるとともに銅箔によって形成されたはんだ付けパッドと、このはんだ付けパッドと接続される電子部品と前記はんだ付けパッドとを錫・亜鉛を主成分とした第1の鉛フリーはんだによってはんだ付けするはんだ付け接続であって、前記第1の鉛フリーはんだの層と前記はんだ付けパッド間には、前記はんだ付けパッド上に形成された錫と銅との合金層とこの合金層の上に設けられる錫・銀を主成分とする第2の鉛フリーはんだの層とから構成された第1の合金層と、この第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に設けられた第2の合金層とを形成するはんだ付け接続。
- 第2の合金層は、第1の合金層中に拡散した銅分子のうちで前記第2の合金層との境界近傍の銅分子が消費されて形成された請求項1に記載のはんだ付け接続。
- 第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだの融点とを略同じとした請求項2に記載のはんだ付け接続。
- 第2の鉛フリーはんだは、錫とインジウムが含まれた鉛フリーはんだとした請求項2に記載のはんだ付け接続。
- 第2の合金層は、はんだ付けパッド上に予め形成された第1の合金層と第1の鉛フリーはんだとを共に溶融させることにより形成する請求項1に記載のはんだ付け接続。
- 第1の合金層の厚みは、第1の鉛フリーはんだを溶融したときに、亜鉛分子が拡散する距離よりも大きくした請求項5に記載のはんだ付け接続。
- プリント基板と、このプリント基板上の銅箔によって形成されるとともにはんだ付けするべき所定の位置に形成されるはんだ付けパッドと、このはんだ付けパッド上に装着される電子部品と前記はんだ付けパッドとの間を錫・亜鉛を主成分とした第1の鉛フリーはんだによってはんだ付けするはんだ付け接続であって、前記第1の鉛フリーはんだの層と前記はんだ付けパッド間に、錫と銅との合金層とこの合金層の上に設けられた錫・銀を主成分とする第2の鉛フリーはんだの層とから成る第1の合金層を形成させる第1の合金形成手段と、この第1の合金形成手段によって形成された第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に第2の合金層を形成させる第2の合金層形成手段とを有したはんだ付け接続。
- 第1の合金層形成手段は、亜鉛が主成分として含まれない第2の鉛フリーはんだをはんだ付けパッドと対向する位置に供給するように前記はんだ付けパッドと対向して形成された開口部を有するスクリーン印刷と、このスクリーン印刷で供給された前記第2の鉛フリーはんだを溶融する加熱手段とから構成される請求項7に記載のはんだ付け接続。
- 第2の合金層形成手段は、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとを共に溶融させる加熱手段とした請求項7に記載のはんだ付け接続。
- 第2の鉛フリーはんだは錫・インジウム系の鉛フリーはんだとした請求項7に記載のはんだ付け接続。
- プリント基板と、このプリント基板上の銅箔によって形成されたはんだ付けパッドと、このはんだ付けパッド上とこのはんだ付けパッド上に装着される電子部品とを錫・亜鉛系の第1の鉛フリーはんだで接続するはんだ付け方法において、前記はんだ付けパッド上に錫と銅との第1の合金層を形成するとともに、この合金層の上に錫・銀が主成分の第2の鉛フリーはんだ層を形成させる第1の工程と、この第1の工程の後で前記第2の鉛フリーはんだ層の前記第1の鉛フリーはんだを供給する第2の工程と、この第2の工程の後で前記電子部品のリード部を前記パッドの略中央に形成された孔に挿入する第3の工程と、この第3の工程の後で加熱することによって前記第1の鉛フリーはんだの層と前記第2の鉛フリーはんだの層との間に第2の合金層を形成する第4の工程とを有したはんだ付け方法。
- 第1の工程は、スクリーンによってはんだ付けパッド上にクリームはんだを印刷する印刷工程と、この印刷工程の後で前記クリームはんだを加熱して溶融させる溶融工程とからなる請求項11に記載のはんだ付け方法。
- スクリーンには、はんだ付けパッドと対向して形成された開口部と、前記はんだ付けパッドの略中央に設けられた孔に対向して形成されるとともに前記孔を覆うように形成された遮蔽部とを有する請求項12に記載のはんだ付け方法。
- 開口部に架設されるとともに遮蔽部に連結される連結部の幅は、クリームはんだを加熱したときには、前記クリームはんだが連結部に対向するクリームはんだ不塗布部を覆うことができる程度に細くした請求項13に記載のはんだ付け方法。
- 印刷工程と溶融工程との間には、実装部品をプリント基板の所定の位置へ装着する部品装着工程が挿入された請求項12に記載のはんだ付け方法。
- 第2の合金層は、第1の工程で第1の鉛フリーはんだ中に銅箔より拡散した銅分子と第1の鉛フリーはんだとの合金層とした請求項11に記載のはんだ付け方法。
- 第2の鉛フリーはんだは、錫・インジウム系鉛フリーはんだとした請求項11に記載のはんだ付け方法。
- 第4の工程では、第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとを共に溶融させる請求項11に記載のはんだ付け方法。
- 電子部品は非耐熱部品であるとともに、第4の工程では、第2の鉛フリーはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱工程と、この予熱の後に前記第1の鉛フリーはんだと前記第2の鉛フリーはんだとを溶融させる加熱工程と、この加熱工程の後に前記加熱工程で溶融した前記第1の鉛フリーはんだと前記第2の鉛フリーはんだとを冷却させる第1の冷却工程とを有し、前記予熱工程と前記加熱工程との間には第2の冷却工程を有した請求項11に記載のはんだ付け方法。
- 第2の冷却工程では、加熱工程内での非耐熱部品のピーク温度が、予め定められた温度以下となるように冷却する請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 加熱工程にて第1の鉛フリーはんだがピーク温度に達した後であって、非耐熱部品が予め定められた温度以上となる前に、第1の冷却工程では、前記非耐熱部品の冷却を開始する請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 加熱工程から第1の冷却工程への搬送は、第1の鉛フリーはんだが固相線温度より下回った温度で行う請求項21に記載のはんだ付け方法。
- 第1の鉛フリーはんだは、フラックス成分とはんだ粉にて形成され、予熱手段において、前記第1の鉛フリーはんだの温度は前記フラックス成分が活性化するとともに、溶剤が揮発する温度以上とし、このときの非耐熱部品の温度は、予め定められた温度以下とした請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 予熱工程は、第1の鉛フリーはんだ面と対向する面側から予熱する請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 予熱工程では、非耐熱部品が搭載された面側から冷却する請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 加熱工程では、非耐熱部品が植設された面側から冷却する請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 加熱工程では、第1の鉛フリーはんだ塗布面に対向する面側から加熱する請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 加熱工程を構成する加熱部には、プリント基板の第1の鉛フリーはんだ塗布面に対向した複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出する熱風により加熱する請求項27に記載のはんだ付け方法。
- パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、熱風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板にはプリント基板のはんだ付け箇所に対応する位置に孔が設けられた請求項27に記載のはんだ付け方法。
- パイプは、熱容量の大きな非耐熱部品のクリームはんだに対向した箇所を大きな径とした請求項27に記載のはんだ付け方法。
- パイプは、熱容量の大きい非耐熱部品の第1の鉛フリーはんだに対向した箇所に多数本設けられた請求項27に記載のはんだ付け方法。
- 第2冷却工程では、プリント基板の非耐熱部品が搭載された面側から冷却する冷却部を有する請求項19に記載のはんだ付け方法。
- 第2の冷却工程には、複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出す冷風により非耐熱部品を選択的に冷却する請求項30に記載のはんだ付け方法。
- パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、冷風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板には非耐熱部品が搭載されている位置に対応した孔が設けられた請求項32に記載のはんだ付け方法。
- パイプは、熱容量の大きな非耐熱部品に対向した箇所では径を大きくした請求項32に記載のはんだ付け方法。
- パイプは、熱容量の大きい非耐熱部品に対向した箇所には多数本設けられた請求項32に記載のはんだ付け方法。
- 非耐熱部品は、熱容量の大きい本体部と、この本体部の径に比べて充分に小さい径であるとともに、前記本体部に接続して設けられたリード部からなる請求項19に記載のはんだ付け方法。
- プリント基板の所定の位置に設けられるとともに銅箔によって形成されたはんだ付けパッドに第1の鉛フリーはんだを印刷する印刷手段と、この印刷手段の下流に設けられるとともに前記第1の鉛フリーはんだと前記銅箔との第1の合金層を形成させる第1の加熱手段と、この第1の加熱手段の下流に設けられるとともに前記はんだ付けパッド上に前記第1の鉛フリーはんだよりも融点が低い第2の鉛フリーはんだを転写する転写手段と、この転写手段の下流に設けられるとともに前記はんだ付けパッドの略中央に設けられた孔に電子部品のリード部を挿入する挿入手段と、この挿入手段の下流に設けられた第2の加熱手段とを備え、前記第2の加熱手段には、前記第2の鉛フリーはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱部と、この予熱部の下流に設けられた第1の冷却部と、この第1の冷却部の下流に設けられた加熱部と、この加熱部の下流に設けられるとともにこの加熱部で溶解した前記第2の鉛フリーはんだを冷却する第2の冷却部とを有し、前記加熱部では前記第1の鉛フリーはんだと第2の鉛フリーはんだとを溶融させて前記第1の合金層と前記第1の鉛フリーはんだとの間に第2の合金層を形成させる電子部品の製造装置。
- 第1の鉛フリーはんだは錫・亜鉛系の鉛フリーはんだとするとともに、第2の鉛フリーはんだは錫・インジウム系の鉛フリーはんだとした請求項38に記載の電子部品の製造装置。
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