JP2006222170A - はんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ溶融に必要な最小の熱を与えるタイミングを調節することによってミニマム化し、且つ、電子部品とはんだ間の導通をしっかり確保するはんだ付け方法を提供すること。
【解決手段】電子部品を基板の所定の位置に並べるマウント手段と、電子部品を加熱する精密制御加熱手段とを具備し、該精密制御加熱手段が急速昇温急速降温を可能とする能力を備えていることを特徴とする。マウント手段は、電子部品を１つ１つ支持し、基板の所定位置に並べる動作を行う。基板の所定位置には、予めクリームはんだが必要量印刷等の手法を用いて施されており、ここに電子部品がマウントされる。精密制御加熱手段は、該マウント手段が電子部品を基板の所定位置に置かれ、はんだと接触させるまでの間に電子部品を必要な温度になるまで予熱することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ材料を用いて電子部品等を基板に実装するためのはんだ付け方法に関する。

従来、電子回路基板の製造において、電子部品等を基板に実装、接合する際、プリント基板にはんだを印刷等の手法を用いて必要な箇所に塗布し、この所定位置に電子部品をマウントした後、基板ごと加熱してリフローはんだ付けを行う。

従来加熱手段としては、電熱線で加熱した空気を送風で送風し、この熱風による方法や赤外線ヒータによる方法が知られている。図８（ａ）を用いて熱風を用いた装置について簡単に説明する。

図８（ａ）において、１は基板、５０は炉本体、５１は熱風加熱室、５２は加熱用電熱線、５３は送風機構、５４は基板搬送ベルト（搬送機構付き）、５５は基板加熱室、５６は基板加熱室開口部である。

図８（ａ）は従来のリフローはんだ付け装置の一例を表す断面模式図、図８（ｂ）はリフローはんだ付け装置の側面から装置の全体を眺めた側面模式図である。

図８（ｂ）において、１は基板、４０は図１０（ａ）の観察位置を模式的に表した点線、５４は基板搬送ベルト、６０は基板導入口、６１は基板取出し口である。

リフローはんだ付け装置は通常、図８（ｂ）に示すように、図８（ａ）の断面に垂直方向（図面の奥と手前の方向）に同様の加熱室が幾つか連結しており、それぞれの加熱室は予め決められた温度に加熱されている。基板１はその１つ１つの加熱室を基板搬送ベルト５４で送られることにより、基板１は段階を追って加熱され、最終的にはんだが溶融されこれによって電子部品と基板１のはんだ付けがなされる。

図８（ａ）に示すように、加熱室５１内には送風機構５３が設けられ、ここから送り出された風が４１の破線矢印のように流れて加熱用電熱線５２を通って加熱され、例えば数百度の高温の熱風となる。この熱風が、破線点線のように移動して、基板加熱室開口部５６から基板加熱室５５の中にある基板１に向けて吹き付けることにより基板１が加熱される。

このような装置によるはんだ付けは、基板全体を一様に加熱して多くのはんだ付け箇所を一度に処理する利点がある。一方で、熱容量の大きい部品は自ずと周囲より低い温度になり、逆に小さい部品は周囲より早く温まり、最終的には高い温度になる。

又、近年リフローはんだ付け装置で用いられるクリームはんだに鉛フリーはんだを用いるようになり、溶融温度が高くなっているため、リフロー温度も高くなっている。従って、基板を炉内に入れた際に起こる温度ムラもより大きくなり、チップ部品の熱による破損が危惧されるという問題があった。

リフロー時の基板面の温度ムラをキャンセルし必要な部分に熱を供給し、又は過剰な部分から除熱する技術としては、例えば特許文献１等に記載されたものがある。

特許文献１によれば、リフロー炉内の２つの温度センサーにより、基板の温度ムラや加熱不良部分を検出し、設定温度範囲から外れていた場合に高温空気又は低音空気のバルブを開け閉めして所定位置の温度調節を行い、リフロー時の基板内の温度欠陥を補うように制御する。

特開平９−２１９５８２号公報

しかしながら、上記従来例ではリフローはんだ付け装置の温度不適合をセンサーにより判断し、付加的な熱の増減により補うものであったため、以下のような欠点を有している。

即ち、リフローはんだ付け装置内で電子部品がはんだ溶融温度に晒され、部品の熱による損傷が起こり易い状況であるという問題があった。特に、熱の影響を受け易い電子部品は使用できない、又は別工程で個別に対応する必要があった。

このような問題を少しでも低減するために、はんだ溶融時間やリフロー温度を短く、且つ、ぎりぎりに低く抑えようとすると、電子部品ごとの僅かな温度ムラによりはんだ付け不良が急増するという問題があった。特に、小さい電子部品は必要な熱容量が比較的小さく、且つ、リフロー溶融時に電子部品が僅かに動くこと等から、はんだ付けの信頼性が低くなってしまうという問題があった。

従って、本発明の第１の発明の目的は、はんだ溶融に必要な最小の熱を与えるタイミングを調節することによってミニマム化し、且つ、電子部品とはんだ間の導通をしっかり確保するはんだ付け方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、熱を与える箇所を電子部品のはんだ代に限ることにより、電子部品本体へ伝わる熱を最小限に留めて、熱による損傷を防いではんだ付けする方法を提供することにある。

本発明の第３の目的は、従来の実装工程に要する時間を大幅に超えることのない量産に適したはんだ付け方法を提供することにある。

本発明の第４の目的は、電子部品の個々のばらつきに対応して、必要最小限の加熱で信頼性高くはんだ付けすることができるはんだ付け方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、電子部品を基板の所定の位置に並べるマウント手段と、電子部品を加熱する精密制御加熱手段とを具備し、該精密制御加熱手段が急速昇温急速降温を可能とする能力を備えていることを特徴とする。

上記構成において、マウント手段は、電子部品を１つ１つ支持し、基板の所定位置に並べる動作を行う。基板の所定位置には、予めクリームはんだが必要量印刷等の手法を用いて施されており、ここに電子部品がマウントされる。精密制御加熱手段は、該マウント手段が電子部品を基板の所定位置に置かれ、はんだと接触させるまでの間に電子部品を必要な温度になるまで予熱することを特徴とする。

又、本発明は、電子部品を基板の所定の位置に並べるマウント手段と、電子部品を部分的に加熱する機構を備えた精密制御加熱手段を具備し、該精密制御加熱手段が急速昇温急速降温が可能であるものであることを特徴とする。

上記構成において、マウント手段は電子部品を支持し、基板の所定位置に並べる動作を行う。基板の所定位置には予め必要量のクリームはんだ等が置かれ、この位置に対して電子部品をマウントする。精密制御加熱手段は、該マウント手段が電子部品を基板の所定位置に置き、はんだと電子部品が接触するまでの間に、電子部品のはんだ付けされる部分のみを予熱することを特徴とする。

更に、本発明は、電子部品を支持し、所定の位置に並べるマウント手段と、該マウント手段が電子部品を支持しその後該電子部品を離すまでの間の該マウント手段の動きの少なくとも一部を追従することができる機構を備えた精密制御加熱手段とを具備することを特徴とする。

上記構成において、マウント手段は電子部品を支持し、予めはんだを塗布した基板上に実装する。このとき、上記精密制御加熱手段が、マウント手段が電子部品を支持してからはんだ上に該電子部品を接触させるまでの間の少なくとも一部の時間、電子部品を加熱し、所定温度に昇温することを特徴とする。

又、本発明は、電子部品を支持し、所定の位置に並べるマウント手段と、電子部品を加熱する精密制御加熱手段と、電子部品の少なくとも一部の温度をモニターする手段を具備し、該精密制御加熱手段が急速昇温急速降温を可能とする能力を備えていることを特徴とする。

上記構成において、マウント手段は電子部品を支持し、基板の所定位置に実装する。このとき、上記精密制御加熱手段がマウント手段が電子部品を基板上のはんだに接触させるまでの間に該電子部品を加熱し、且つ、該加熱部分の温度をモニター手段がモニタリングする。更に、このモニタリング温度を、該精密制御加熱手段の制御に反映させることを特徴とする。

本発明によれば、電子部品１つ１つをそれぞれ加熱するため、加熱する部品に応じて加熱温度を変更でき、電子部品に余分な悪影響を与えること避けることができる。

又、部品の１つ１つをマウントしながらはんだ付けすることができるので、はんだ不良を低減することができる。

又、従来のようにリフローはんだ付け装置を常時高温に保つ必要がなく、はんだを溶融されるに足る熱量をそれぞれの部品に与えることができるので、大幅な省エネルギーを図ることができる。

電子部品の、はんだ代のみを加熱した場合は、更に、電子部品の心臓部を熱から遠ざけることができ、且つ、はんだ代は局所的に加熱されるため、はんだの密着性を上げることができ、はんだ付けの信頼性を上げることができる。

又、電子部品のマウント操作時間を利用して加熱手段を用いた場合は、はんだ付けに掛かる時間をミニマム化することができるので、量産性を上げることができる。

特に、電子部品が昨今のように小チップ化してくると、必要な熱量が僅かになってくるため、基板へのマウント操作時にはんだ付けを行うことができ、改めてリフローさせる場合と比べても遜色なく実装工程を終了することができる。

又、温度モニターを組合せて、加熱箇所をモニタリングし、加熱手段の制御に用いた場合は、チップごとのばらつきにも対応し、最小の熱量を用い、無欠陥の実装基板を実現できる。

次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態１に係るはんだ付け方法を説明する斜視図、図２（ａ）〜（ｄ）は同側面図である。

図１及び図２において、１は実装基板、２は実装電子部品、３はクリームはんだ、４は実装部品吸着ノズル、５は遮熱板である。図１（ｃ），（ｄ）及び図２（ｃ），（ｄ）において破線で示した９は本実施形態における加熱手段である近赤外線スポット光である（（これの光源は図示されていない）。

上記構成において、図１（ａ）及び図２（ａ）は電子部品吸着ノズル４が実装電子部品２を取りに行く前の状態を表す。

部品２は電子部品吸着ノズル４が取りに行くまでに予め予熱しておく（図示せず）。

次に、図中の破線矢印のように、電子部品２の予め決められた位置を電子部品吸着ノズル４で吸着し（図１（ｂ）及び図２（ｂ））、その後、この実装電子部品２の全体に近赤外線を照射し、遮熱板５からはみ出した部分を特に加熱してはんだを溶融可能にする（図１（ｃ）及び図２（ｃ））。但し、この遮熱板は本発明に必須な構成ではなく、電子部品の受ける熱の影響をより低減するための構成に過ぎない。

予熱された電子部品２を予熱温度を保ったまま図中破線矢印で示すように、基板１上に設けられた電子部品設置位置に予め塗布されたクリームはんだ３上に押すようにして実装する（図１（ｄ）及び図２（ｄ））。

この際、予め電子部品２が適切な温度に予熱されているため、クリームはんだ３内のフラックスが瞬時に溶けて実装電子部品２の表面を濡らし、次いでクリームはんだ３内のはんだボールを一気に溶融しこれが部品に充分這い上がって、はんだ付けが完了する。

この間、加熱手段であるところの近赤外線スポット光９は、はんだボールが溶融を開始すると同時に加熱を停止し、はんだ付けが完了すると電子部品吸着ノズル４は、次の実装部品を取りに行く動作に取り掛かる（図示せず）。

＜実施の形態２＞
図３（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態２に係るはんだ付け方法を説明する側面図である。図中、１は実装基板、２は実装電子部品、３はクリームはんだ、４は電子部品吸着ノズル、６ははんだ溶融精密制御こて、７はこて支持体、１１は基板上電子部品はんだ付け箇所、１２ははんだ付け完了後のはんだの状態を示す。

電子部品吸着ノズル４で実装電子部品３を吸着した後、図３（ｂ）に示すように、はんだ溶融精密制御こて６が実装電子部品３のはんだ付け部分に接して、該当箇所を加熱し始める。

はんだ付け箇所が充分に温まってから、基板１上にクリームはんだ３を施した所定位置に図３（ｃ）のように押し付ける。予め電子部品２は適切な温度に予熱されているため、クリームはんだ３内のフラックスが瞬時に溶けて実装電子部品２の表面を濡らし、次いでクリームはんだ３内のはんだボールを一気に溶融しこれが部品に充分這い上がって、はんだ付けが完了する。

はんだボールが溶融をし始めるとすぐにこて７を離し、加熱過剰にならないようにする。

＜実施の形態３＞
図４（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態３に係るはんだ付け方法を説明する斜視図である。図中、１は実装基板、２は実装電子部品、４は電子部品吸着ノズル、８は近赤外ランプ、９は近赤外線スポット光である。

図４（ａ）は電子部品吸着ノズル４が実装電子部品２を吸着しにいく様子を示しており、吸着により固定された実装電子部品２へ赤外線ランプ８を接近させる。この近赤外線ランプ８を点灯赤外線ランプし、近赤外線スポット光９を実装電子部品２のはんだ溶融箇所のみ照射する。

上記状態を保ったまま、実装部品吸着ノズル４を動かして基板１上の所定位置に実装する。近赤外線ランプ８はこの動きに追従させ、必要な加熱を行う。

所定位置に部品を置き、はんだが溶融し始めるタイミングで、近赤外線ランプ８の照射を中止し、電子部品吸着ノズル４と共に次の実装電子部品２に取り掛かる。

＜実施の形態４＞
図６は本発明の実施の形態４に係るはんだ付け方法を説明する簡略図である。

図６において、２は実装電子部品、４は実装部品吸着ノズル、９は近赤外線スポット光、１３は温度センサーである。

図６に示すように、電子部品２の加熱時に加熱部位の温度を温度センサー１３で計測し、この計測結果が設定値からどの程度離れているかにより加熱手段の温度制御にフィードバックし、温度管理をより確かなものとする。

以下に、具体的に実施例を示す。

本発明に用いられるマウント手段は、如何なる方式のものを用いても良い。電子部品を所定の位置に運び、置くことができれば本発明に用いることができる。

用いられる基板、電子部品の大きさ等により、適切な精度で部品を固定できるものであれば良く、例えば精度は置こうとしている電子部品の部品間ピッチの±１０％程度等であれば良い。

本実施例においては、全て電磁弁を用いた吸着ノズルを自作して用いた。

又、部品の移動中に加熱を加える場合等は、移動時の剛性が高いほど精度良く加熱することができ、好都合である。

本発明に用いられる加熱手段は接触式、非接触式等、如何なるものを用いても良い。

加熱時間の短縮には、近赤外線を用いた非接触のものがより好適に用いられる。近赤外線を用いた場合は、合成石英のレンズを用いて、加熱箇所の大きさや形状、加熱強さ等を大きく変えることができるため、様々な回路に対応する際にも好都合である。

又、部品の移動中に加熱を行う場合は、マウンタ―の動きの少なくとも一部分に追従できる移動能力を備えねばならない。更に、加熱中に加熱位置が振動を受けないように、剛性を高くする、アームの長さや太さを考慮する等の対応が必要となる。

又、マウント手段に加熱手段を盛り込み、常に加熱手段がマウントに追従するようにする方法もある。

本発明に用いられる温度センサーは、熱電対等の接触型、放射温度計等の非接触型の何れでも構わない。

本発明に用いられるはんだは如何なるものを用いても良い。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（錫−銀−銅）系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ（錫−銅）系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ（錫−亜鉛）系はんだ等、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだよりも高い融点を持つ材料も用いることができる。本実施例では全てＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ（錫−銀−銅）系はんだを用いた。

又、本発明にはどのような電子部品も使用することができるが、実施例では１００５コンデンサチップ（Panasonic ECJ0CB1A104K）及びトランジスタ（ＮＥＣ製ＳＣ−７０）を使用した。

又、比較のために、本実施例において１００５チップには、チップ形状が完全な直方体ではなく、何れかの端部が広がって台形状になっているもの、電極の欠けたもの、左右電極の寸法が対称でないもの等の形状不良チップを全体の１割に当たる比率で良品中に混入させ、全ての実施例及び比較例の実験を行った。

図１は本発明の特徴を最も良く表す図面であり、本実施例においては、図１と同様の構成で行った。

電子部品としては１００５チップを用い、マウンタ―が取りに行く直前にチップが１２０℃になるように調整した上で、マウンタ―でチップを取り、実装位置まで持っていき、チップを更に近赤外線で２３０℃に加熱すると同時に基板所定位置に持って行き、固定した。この動作を繰り返し、１００５チップを５０個実装した。

又、同じように、トランジスター（ＮＥＣ製ＳＣ−７０）を１０個実装した。

図３は本発明の実施の形態２を表す図面であり、実施の形態２においては図３と同様の構成で行った。

電子部品２には１００５チップを用い、電子部品吸着ノズル４の両脇にチップの側面に触れて熱を伝えるこて６を設けたものを用いた。電子部品吸着ノズル４で、電子部品２を支えた後、こて支持体７が動いて、こて６が電子部品２に密着して必要な加熱を加える。電子部品２のはんだ付け箇所が充分加熱された後、電子部品吸着ノズルが基板所定位置に移動して電子部品を固定した。

この動作を繰り返し１００５チップを５０個実装した。同じようにトランジスター（ＮＥＣ製ＳＣ−７０）を１０個実装した。

図５は本発明の実施の形態３を示す図面である。

図５において、２は電子部品、４は電子部品吸着ノズル、８は近赤外線ランプ、９は近赤外線スポット、１０は合成石英レンズである。

上記構成において、先ず、電子部品吸着ノズル４で電子部品２を吸着し、実装部位の至近まで移動した後、赤外ランプ８を照射し、合成石英レンズ１０でスポット９を絞り、電子部品のはんだ付け位置のみを照射して必要な加熱を加える。必要な温度になった時点で、所定位置に部品を押し付けるようにして固定する。

この動作を繰り返し、１００５チップを５０個実装した。同じように、トランジスター（ＮＥＣ製ＳＣ−７０）を１０個実装した。

図４は本発明の実施の形態４を示す図であり、本実施の形態においては、電子部品２には１００５チップを用い、電子部品吸着ノズルでチップを支え、これに近赤外線ランプ８を接近させて加熱を開始すると同時に、実装箇所へ移動する。電子部品の所定箇所が充分に加熱された後、基板の所定位置に電子部品を押し付け、はんだ付けを行った。

この動作を繰り返し、１００５チップを５０個実装した。同じように、トランジスター（ＥＣ製ＳＣ−７０）を１０個実装した。

図６は本発明の実施形態５を示す図であり、本実施の形態では、加熱手段として図４に示す近赤外線ランプ８を用いてた。

操作は、実施の形態４と同様に行い、温度センサーを用いてチップ温度をモニターしながら操作した。モニター温度が設定より±２℃を超えないように、加熱用の近赤外線ランプの強度を加減した。

以上の構成により、動作を繰り返して１００５チップを５０個実装した。同じように、トランジスター（ＮＥＣ製ＳＣ−７０）を１０個実装した。

比較のため、図１０に示す、従来技術によるリフローはんだ付け装置を用いて、同様に実装を行った。
実装部品は、実施の形態と同じものを用い、同じく１００５チップを５０個、トランジスター（ＥＣ製ＳＣ−７０）を１０個とした。

リフロー炉の温度はピーク温度が２３０℃×１５秒となるように設定し、室温で基板をリフロー炉に投入してから、ピーク温度を経てリフロー炉から取り出すまでの時間を６分間とした。このときの、温度プロファイルを図９に模式的に示す。

以上の結果をまとめたものを表１に示す。

表１において、はんだ不良とは、良好なはんだ付けができなかったものを指し、具体的には部品が所定位置からずれたり、はんだ同士がくっついて不良な接点ができているものを指し、この個数を示したものである。又、性能不良とは、実装したトランジスタ１０個をそれぞれ機能評価し、実装する前の性能平均から１０％以上の差異が認められたものの個数を示した。

実装時間は、１００５チップ５０個を実装するために要した時間（単位：秒）を示した。又、実装準備時間は、実装実験を開始する際に、予め加熱手段を加熱しなければならない時間（単位：時間）を示した。

まとめから判断される本発明の効果は以下の通りである。

即ち、本発明の実施の形態１においては、部品の加熱ムラ等に起因するはんだ付け不良を低減することができる。

従来技術であるリフローはんだ付け装置を用いた実装と比較して、炉を加熱し続ける必要がなく、省エネルギーで実装を行うことができる。

部品の耐熱性に応じた加熱をすることができるため、部品の機能損傷を低減することができる。

又、本発明の実施の形態２においては、部品の熱影響を更に低減することができる。又、加熱をより絞った範囲で行うことにより、更に省エネルギーを図ることができる。

又、本発明の実施の形態３においては、非接触式の加熱手段と、それを調整するレンズを用いることにより、様々な電子部品に対して、簡単に的確に対応することができる。この結果、どのような部品に対しても、はんだ付けによる熱影響を低減し、且つ、はんだ付け工程を省エネルギー化することが可能となる。

又、本発明の実施の形態４においては、実装時間の短縮を図ることができ、その結果、量産性を上げることができる。

本発明の実施の形態５においては、個別に加熱状態をモニタリングしてフィードバックできることから、電子部品ごとの個体差に素早く対応して、全く欠陥や不良の無いはんだ付けを行うことが可能となる。

又、温度を細かく調節できることから、はんだ付け工程の消費エネルギーをミニマム化することができる。

本発明の実施の形態１に係るはんだ付け方法を説明する斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るはんだ付け方法を説明する側面図である。 本発明の実施の形態２に係るはんだ付け方法を説明する側面図である。 本発明の実施の形態３に係るはんだ付け方法を説明する斜視図である。 本発明の実施の形態３に係るはんだ付け方法を説明する側面図である。 本発明の実施の形態４に係るはんだ付け方法を説明する斜視図である。 従来例を説明する温度プロファイルの模式図である。 従来例を説明する断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 実装電子部品
３ クリームはんだ
４ 実装電子部品吸着ノズル
５ 遮熱板
６ はんだ溶融精密制御こて
７ こて支持体
８ 近赤外線ランプ
９ 近赤外線スポット光
１０ 合成石英レンズ
１１ 基板上電子部品はんだ付け箇所
１２ はんだ（はんだ付け後）
１３ 温度センサー
４０ 模式断面図位置
５０ 炉本体
５１ 熱風加熱室
５２ 加熱用電熱線
５３ 送風機構
５４ 基板搬送ベルト
５５ 基板加熱室
５６ 基板加熱室開口部
６０ 基板導入口
６１ 基板取り出し口

Claims (4)

1. 基板に実装電子部品のはんだ付け方法であって、前記実装電子部品とはんだを接する前に該実装電子部品を予熱することを特徴とするはんだ付け方法。
2. 前記予熱する箇所が、前記実装電子部品のはんだ付け箇所のみに絞って行われることを特徴とする請求項１記載のはんだ付け方法。
3. 前記実装電子部品を支持し、前記基板の所定の取り付け位置に持っていくための時間に、前記実装電子部品の予熱を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のはんだ付け方法。
4. 前記予熱する箇所の温度をモニターし、加熱状態を制御することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のはんだ付け方法。

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