JP2007150079A - リフロー装置およびそれを用いるハンダ付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的にハンダ付けを行うことができ、高品質な接合状態を実現できるリフロー装置を提供する。
【解決手段】ハンダにて接合される装着物と被装着材とを載置する処理部と、処理部に微小振動を印加する微小振動印加部と、微少振動印加部に伝達される微少振動を発生する微小振動発生部とを備え、処理部と前記微小振動印加部とが一体化されているリフロー装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として、装着物を被装着材にハンダ付けするリフロー装置に関し、特に、被装着材である基板に装着物である電子部品を、鉛を含まないハンダにより接合するリフロー装置に関する。

近年、デジタルカメラ、ＤＶＤ再生機等の携帯電子機器の高機能化および小型化が進んでいる。それに伴って、機器に内蔵される基板も小型化され、薄型化も進んでいる。また、筐体内に基板を配置する際の自由度を向上させるために、フィルム基板の採用も進んでいる。

機器の高機能化とともに、基板に実装される電子部品の耐熱性は低下する傾向にある。例えばＣＣＤモジュール、光ピックアップ等の電子部品の耐熱温度は、従来の電子部品の耐熱温度と比較して極端に低く、１５０℃以下となっている。

さらに環境保護に対する意識の高まりから、鉛を含むハンダの使用が見直されつつある。例えば欧州では、法規制により、鉛を含むハンダの使用が制限されている。そこで、鉛を含むハンダの代替材料として、鉛を含まない鉛フリーハンダの研究が盛んに行われている。しかし、鉛フリーはんだの溶融温度は、一般に２００〜２２０℃であり、鉛を含むハンダよりも２０〜４０℃も高くなる。よって、耐熱温度が１５０℃以下の電子部品を、鉛フリーハンダを用いて基板に実装することは困難である。

鉛フリーハンダを用いて電子部品を基板に実装する場合、従来から一般的に用いられているリフロー装置を用いると、基板全体が均一に加熱される。そのため、電子部品の温度は、鉛フリーハンダの融点と同程度（約２２０℃）まで上昇する。よって、耐熱温度が１５０℃以下の電子部品を基板に実装しようとすれば、電子部品が破損する虞がある。

そこで、耐熱温度の低い電子部品を基板に接合する場合に、電子部品を載置した基板の裏面から、基板に急激に熱を加え、電子部品と基板との間に温度差を確保することが提案されている（特許文献１参照）。しかし、鉛フリーハンダの融点は２００℃以上であるため、ＣＣＤモジュールのような耐熱性の低い電子部品の温度を１５０℃以下に維持することは困難である。

一方、融点が１３８℃と低温であるＳｎ-５８％Ｂｉ（Ｂｉを５８ｗｔ％含むスズ合金）ハンダも開発されている。しかし、Ｓｎ−５８％Ｂｉハンダは、固く脆い性質を有するＢｉを多量に含んでおり、Ｂｉはハンダの冷却時にハンダ内部で偏析する。よって、Ｓｎ−５８％Ｂｉハンダを用いて電子部品と基板との接合を行うと、接合状態の信頼性が低くなる。

そこで、溶融状態のハンダを冷却する際に、ハンダに微小振動を印加してＢｉの偏析を抑制することにより、接合強度を確保することが提案されている（特許文献２参照）。また、ハンダに微少振動を印加する方法としては、超音波ホーンをプリント基板の一辺に接触させて振動を伝達させる方法が提案されている。

さらに、超音波振動が基板に効率的に伝達されるように、図４に示すようなインピーダンスマッチング機構を備えたリフロー装置が提案されている（特許文献３参照）。図４の微小振動印加装置４０は、微小振動発生部４１と、微小振動印加部４２と、インピーダンスマッチング機構４３とを備える。インピーダンスマッチング機構４３は、基板を保持する保持用部材４３ａとバネなどの付勢部材４３ｂとを具備する。

インピーダンスマッチング機構４３は、リフロー装置に搬送されてくる装着物４４を載置した被装着材４５ごとに、その位置合わせを行う機能を有する。インピーダンスマッチング機構４３が、付勢部材４２ｂから被装着材４５に印加される荷重をリアルタイムで微調整することにより、微小振動印加部４２における振動に対するインピーダンスと被装着材４５における振動に対するインピーダンスとが一致し、微小振動印加部４２からの振動エネルギーが、被装着材４５に効率的に伝達される。被装着材４５は、リフロー工程が終わると、次の工程に移送される。
特許第３５２９６３３号公報（特開２０００−１５４３１号公報） 特許第３５８０７３１号公報（特開２０００−３５１０６５号公報） 特開２００３−４６２２８号公報

特許文献３に開示されるリフロー装置では、ハンダ付け加熱時に被装着材４５および微小振動印加部４２が加熱されて熱膨張し、微小振動の波長が変化する。微少振動の波長が変化すると、被装着材４５および微小振動印加部４２におけるインピーダンスを正確に制御することが困難になる。その結果、被装着材４５と微小振動印加部４２との連結部４６に振動エネルギーが集中し、リフロー装置が破損する虞がある。

また、被装着材４５は、その一辺において微小振動印加部４２と接しているだけであるため、被装着材４５と微小振動印加部４２との接触状態も安定しない。接触状態が異なると、微小振動の伝達状態が変化するため、リフロー工程を安定的に行うことができないという問題もある。

本発明は、上記に鑑み、正確なインピーダンス制御を行わなくても、安定的にハンダ付けを行うことができ、高品質な接合状態を実現できるリフロー装置を提供することを目的とする。

本発明は、ハンダにて接合される装着物と被装着材とを載置する処理部と、処理部に微小振動を印加する微小振動印加部と、微少振動印加部に伝達される微少振動を発生する微小振動発生部とを備え、処理部と微小振動印加部とが一体化されているリフロー装置に関する。

処理部は、主に、溶融状態にあるハンダが冷却する際に、ハンダに微少振動を印加する作用を有する。処理部は、平坦面を有する板状であることが好ましく、その平坦面に被装着材を載置した状態で、ハンダに微少振動を印加することが望ましい。この場合、例えば、板状の処理部の周縁部と微少振動印加部とを、機械的に接続するか、物理的に接合することにより、処理部と微小振動印加部とを一体化する。処理部と微小振動印加部との連結部は、微小振動の節と一致することが望ましい。

本発明のリフロー装置は、処理部の下方に、ハンダを加熱するための加熱機構をさらに備えることが望ましい。また、本発明のリフロー装置は、処理部の上方に、装着物を冷却するための冷却機構をさらに備えることが望ましい。

処理部と微小振動印加部とを含む構造体は、その構造体の少なくとも２箇所に設置された保持機構により固定されていることが望ましい。

また、本発明は、装着物を被装着材にハンダを用いて接合する方法に関する。この方法は、装着物がハンダを介して配置されている被装着材を処理部の上に搭載する工程と、ハンダを加熱する工程と、処理部に微小振動を印加することにより、溶融状態にあるハンダが冷却する際に、ハンダに微小振動を印加する工程を有する。

本発明のリフロー装置では、ハンダに微少振動を印加する作用を有する処理部と、微小振動印加部とが、一体化されており、ハンダにて接合される装着物と被装着材とは、処理部に載置される。よって、従来のようなインピーダンスマッチング機構を用いなくても、被装着材に印加される微小振動を安定化させることが容易である。その結果、微少振動が効率良くハンダに伝達され、ハンダの内部で生じる成分の偏析が抑制され、装着物（例えば電子部品）と被装着材（例えばプリント基板）との接合状態も良好となる。また、被装着材ごとにインピーダンスの制御を行う必要がないため、生産性も向上する。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
図１に、本発明の一実施形態に係るリフロー装置の概略図を示す。
リフロー装置１０は、ハンダに微少振動を印加する作用を有する処理部１１、微小振動発生部１２、微小振動発生部１２で発生した微小振動を処理部１１に印加するための微小振動印加部１３、および２つの保持部１７ａ、１７ｂを備える。処理部１１は、平坦面を有する板状であり、その平坦面に被装着材１５が載置される。被装着材１５の所定の位置には、ハンダ材料（例えばハンダボール）を下面に備えた装着物１４が載置される。

リフロー装置は、ハンダを加熱して溶融させる加熱手段（図示せず）を具備する。加熱手段による加熱は、処理部１１に被装着材１５が搬入される前に行ってもよいし、処理部１１の周囲に加熱手段を設置して、処理部１１に搬入してから行ってもよい。加熱手段によりハンダが溶融され、装着物と被装着材との間に濡れ広がった後、溶融したハンダの温度が低下して凝固するまでの間、微小振動発生部１２が微少振動を発生する。発生させた微少振動は、微小振動印加部１３を介して、処理部１１に伝達される。その振動は、処理部１１の平坦面から、被装着材１５を介して、ハンダに伝達される。なお、処理部１１に微小振動を印加したとき、被装着材１５が安定するように、例えば、被装着材１５を上面から下方に向かって押さえつける固定機構などを設けることが望ましい。

微小振動印加部１３は柱状であり、処理部１１の周縁部の一辺と連結している。微少振動印加部１３は、処理部１１にネジなどを用いて機械的に接続されていてもよく、溶接などにより物理的に接合されていてもよい。また、処理部１１と微小振動印加部１３とを、一体化された状態で、同一材料から削り出してもよい。

このように、処理部１１と微小振動印加部１３とが一体化されているため、微小振動の伝達経路の状態はほとんど変化しない。よって、微小振動印加部１３から処理部１１に微小振動が安定的に伝達される。そして、安定な振動が、処理部１１の平坦面から被装着材１５の下面全体を介してハンダに伝達される。よって、従来のリフロー装置のように、被装着材ごとに振動に対するインピーダンスを厳密に制御する必要がなくなり、生産性も向上する。

なお、処理部１１と微小振動印加部１３との連結部は、微小振動の節と一致することが望ましい。連結部を振動の節と一致させることにより、微少振動の伝達経路を更に安定化させることができる。また、連結部が節となる場合には、連結部にエネルギーが集中することがなく、装置の破損が起こりにくい。処理部１１および微小振動印加部１３を伝搬する振動の波長は、これらを構成する材料により異なるが、微小振動発生部１２により発生させる振動の周波数や、処理部のサイズを適正に選択することにより、処理部１１と微小振動印加部１３との連結部を微小振動の節と一致させることができる。

処理部１１が平坦面を有する板状である場合、平坦面の大きさは被装着材１５よりも大きいことが好ましい。処理部１１において、被装着材１５が載置される部分は、他の部分より凹んでいてもよいし、凸状に出っ張っていてもよい。また、図１では板状の処理部を示したが、処理部の形状は、被装着材を載置できる形状であれば、特に限定されない。また、処理部１１の上面図は、矩形、円形、楕円形等のいずれの形状でもよい。微小振動印加部１３の形状も特に限定されず、柱状でもよく、幅広の板状でもよい。

処理部１１を構成する材料は、特に限定されない。例えば、金属材料でもよく、樹脂成形物でもよい。金属材料であれば、例えばチタン、ステンレス鋼、アルミニウムなどを用いることができる。処理部１１の厚さは、その構成材料によって適宜変化させることが望ましい。例えば、処理部１１をアルミニウムのように比較的強度の低い材料で構成する場合には、処理部１１の強度を上げるために、処理部１１を厚くすることが好ましい。微小振動印加部１３は、処理部１１の構成材料と同じ材料で構成してもよいし、処理部１１の構成材料と異なる材料で構成してもよい。

微小振動発生部１２には、例えば周波数１０〜６０ｋＨｚの微小振動を発生させることのできる装置を用いる。例えば、様々な超音波発生装置を微小振動発生部１２として用いることができる。なお、微小振動発生部により発生させる振動の振幅（波面）は、どのような方向を向いていてもよい。例えば、振動の振幅は、処理部の平坦面に平行であってもよく、垂直であってもよい。

処理部と微小振動印加部とを含む構造体は、２つの保持部１７ａ、１７ｂにより安定な物体（例えばリフロー装置のフレーム部）に固定されている。このように構造体を２箇所以上で固定することにより、微少振動の固定端が二つ以上形成されるため、安定な定常波を得ることができる。なお、保持部１７ａ、１７ｂは、処理部１１と一体化されていてもよい。保持部１７ａ、１７ｂは、どのような材料で構成されていてもよい。

本発明のリフロー装置を用いる場合、被装着材と装着物とを接合するハンダ材料としては、偏析しやすいＢｉを含む低融点の鉛フリーハンダ（例えばＳｎ−５８％Ｂｉハンダ）が適しているが、特に限定されない。例えばＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系の鉛フリーハンダや、Ｓｎ−Ｐｂ系ハンダを用いてもよい。

実施の形態２
図２に、本発明の別の実施形態に係るリフロー装置の概略図を示す。なお、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
リフロー装置２０は、処理部１１の下方に、ハンダを加熱するための加熱装置２１を備え、処理部１１の上方に、装着物を冷却するための冷却装置２３を備える。このような装置によれば、ハンダの溶融と冷却とをほぼ同期に行うことができるため、生産性の点で有利である。

加熱装置２１は、例えば熱風を処理部１１に吹き付けるタイプの加熱装置であり、熱風は、複数のパイプ２２を通して送風される。熱は、処理部１１の下面から、処理部１１の上面、被装着材１５へと順次に伝わり、装着物１４が備えるハンダ材料を加熱する。熱風の温度は、装着物１４の耐熱温度に依存するが、耐熱温度が１５０℃程度である場合には、１５０〜２５０℃の制御された熱風を送風することが好ましい。なお、加熱装置２１の加熱方式は特に限定されない。

冷却装置２３は、被装着材１５が加熱されている間に、装着物１４の温度が上昇し過ぎないように冷却する役割を有する。すなわち、リフロー装置２０によれば、ハンダのリフロー時において、被装着材１５と装着物１４との間に温度差を設けることが可能である。更に、加熱終了後においては、ハンダに微少振動を印加しながら、装着物１４の温度を直ちに低下させることが可能である。なお、冷却装置２３の冷却方式は特に限定されない。

冷却装置２３には、被装着材１５を処理部１１に固定する固定機構となる柱状体２４が付設されている。冷却装置２３は、上下移動が可能であり、被装着材１５を処理部１１上に搬送する際には、上昇位置にあり、被装着材１５が処理部１１上に搬送されると同時に降下する。そのとき、冷却装置２３に付設された柱状体２４が被装着材１５を上方から下方に押しつけることで、被処理材１５が処理部１１に固定される。その後、ハンダの溶融が行われ、次いでハンダの凝固とハンダへの微少振動の印加が同時に行われ、その後、処理部１１から次の工程経路へと搬出される。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
実施の形態２に示されるような、加熱装置と冷却装置とを備えたリフロー装置を用いて、所定のプリント基板に対して、耐熱温度１７０℃の電子部品のハンダ付けを行った。このリフロー装置では、処理部１１と微少振動印加部１３との連結部が微少振動の節となるように制御されている。

リフロー装置の処理部１１は、幅１２０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、厚さ１５〜２０ｍｍの板状（日本アレックス（株）製）とした。微少振動印加部１３は、直径２５ｍｍの柱状（日本アレックス（株）製）とした。これらはボルトにより連結した。微少振動発生部１２には、周波数３５ｋＨｚの超音波を発生する超音波発生装置を用いた。

具体的には、プリント基板の所定の位置に、複数のハンダボールを備えた電子部品を、プリント基板とハンダボールとが接するように配置した。ハンダには、Ｓｎ−５８％Ｂｉハンダ（融点１３８℃）を用いた。その後、電子部品を載置したプリント基板を、処理部１１上に搬入した。

処理部１１にプリント基板を搬入して直ちに冷却装置２３を降下させ、加熱装置２１からは１８０℃の熱風を送風し、処理部１１の下面に吹き付けた。また、冷却装置２３からは、常時、２５℃の冷風を下方に向けて送風した。

加熱装置２１からの送風は１００秒後に停止した。その５秒前から、処理部１１への微少振動の印加を開始し、そのまま２０秒間、微少振動の印加を続けた。なお、振動の印加は、加熱開始９５秒後から１１５秒後の間の２０秒間行った。
その間に、溶融したハンダの温度は低下し、１３８℃を下回って凝固し、電子部品がプリント基板に接合された。このときの電子部品の温度プロファイル（曲線Ａ）および電子部品と基板との接合部の温度プロファイル（曲線Ｂ）を図３に示す。

図３において、接合部の温度は、加熱開始から１０５秒後に、ハンダの融点である１３８℃よりも高い最高温度（１５４℃）に達している。一方、そのときの電子部品の温度は１３８℃である。すなわち、ハンダが溶融している状態でも、電子部品の温度は、その耐熱温度である１７０℃以下に維持されている。

次に、ハンダ付け後のプリント基板と電子部品との初期接合強度、接合信頼性、設備制御の容易性、および設備の稼働状態の安定性について調べた。本実施例および以下の比較例においては、０．５ｍｍピッチでリードが配置されたＱｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ（ＱＦＰ）を電子部品として用いた。
初期接合強度としては、作製直後のＱＦＰのリード部分の接合強度を、プッシュプルゲージ（アイコーエンジニアリング（株）製）により調べた。
接合信頼性は、ＱＦＰを装着したプリント基板を、８５℃および−４０℃の温度にそれぞれ３０分ずつ維持する温度サイクルを１０００サイクルを繰り返した後、ＱＦＰのリード部分の接合強度を、プッシュプルゲージ（アイコーエンジニアリング（株）製）により調べることにより評価した。
得られた結果を表１に示す。

表１において各記号は以下を示す。なお、表１の初期接合強度および接合信頼性については、接合強度の値についても示す。
初期接合強度：◎印は接合強度が非常に優れていること、○印は接合強度が優れていること、×印は接合強度が低いことを示す。
接合信頼性：◎印は信頼性が非常に高いこと、○印は信頼性が高いこと、×印は信頼性が低いことを示す。
設備の稼働状態の安定性：◎印は安定性が非常に高いこと、×印は安定性が低いことを示す。

《比較例１》
図４に示される微小振動印加装置を用いたこと以外、実施例１と同様の条件でハンダ付けを行った。すなわち、本比較例では、基板の一辺に対し、微少振動印加部４２から、微少振動を２０秒間印加した。また、実施例１と同様に、プリント基板と電子部品との初期接合強度、接合信頼性等について調べた。結果を表１に示す。なお、本比較例では、接合部の最高温度は１５６℃であり、そのときの電子部品の温度は１３９℃であった。

《比較例２》
一般的な熱風循環型のリフロー炉（松下電器産業（株）製のＰａｎａｓｅｒｔ−ＲＳＮ）を用い、ハンダ付けを行った。すなわち、本比較例では、基板への微少振動の印加は行わなかった。ただし、熱風の温度は、実施例１と同様とした。また、用いたリフロー炉は、冷却装置を備えており、その冷却風の温度は、約１１０℃であった。
実施例１と同様に、プリント基板と電子部品との初期接合強度、接合信頼性等について調べた。結果を表１に示す。なお、ハンダ接合部の最高温度は１６０℃であり、このときの電子部品の温度は１６０℃であった。

比較例１のリフロー装置は、微小振動をプリント基板に印加する場合、プリント基板に印加される荷重を調節するインピーダンスマッチング機構を設ける必要がある。具体的には、微小振動印加部の被装着材への押し圧を測定して、その測定値が一定となるように、微小振動印加部の位置を調節するフィードバック機構（インピーダンスマッチング機構）を設ける必要がある。このため、設備制御は困難となる。さらに、比較例１のリフロー装置は、上記のようなフィードバック装置を必要とするため、設備の稼働状態の安定性が低い。
一方、実施例１のリフロー装置は、微小振動印加部と処理部とが一体化されている。このため、上記のようなフィードバック機構を必要とせず、プリント基板を処理部に載置するだけで、安定な微小振動を効率良くプリント基板に伝達することが可能であった。すなわち、実施例１のリフロー装置は、設備制御が容易であり、設備の稼働状態の安定性も良好であった。
なお、比較例２のリフロー炉は、基板に微小振動を印加することを想定していないため、構成が単純であり、設備制御は容易で、設備の稼働状態の安定性も良好であった。

プリント基板と電子部品との接合強度および接合信頼性については、実施例１が最も優れていた。比較例２では、ハンダの溶融後、凝固するまでの間、プリント基板に安定な微小振動を効率良く与えることができなかったため、ハンダに含まれるＢｉが偏析したと考えられる。一方、実施例１では、安定な微小振動を効率良くプリント基板に伝達することが可能であったため、Ｂｉの偏析が顕著に抑制されたものと考えられる。

なお、実施例１および比較例１〜２のいずれにおいても、電子部品の温度は、その耐熱温度（１７０℃）より低くなっていたが、なかでも実施例１における電子部品の温度が最も低かった。

本発明は、様々な装着物を被装着材にハンダで接合する際のリフロー装置全般に適用可能であるが、特に鉛フリーハンダを用いて接合を行う場合に有用である。本発明によれば、例えばＢｉを含む脆いハンダ材料を用いる場合でも、信頼性の高い接合状態を安定して実現することができる。

本発明の一実施形態に係るリフロー装置を概略的に示す縦断面図である。 本発明の別の実施形態に係るリフロー装置を概略的に示す縦断面図である。 実施例１において、図２に示されるリフロー装置を用いてハンダ付けを行ったときの接合部および電子部品の温度プロファイルである。 従来のリフロー装置に含まれる微小振動印加部を示す概略図である。 図４の破線で囲まれた部分の拡大図である。

符号の説明

１０、２０ リフロー装置
１１ 処理部
１２、４１ 微小振動発生部
１３、４２ 微小振動印加部
１４、４４ 装着物
１５、４５ 被装着材
１６、４６ 連結部
１７ａ、１７ｂ 構造体保持機構
２１ 加熱装置
２２ パイプ
２３ 冷却装置
２４ 柱状体
４０ 微小振動印加装置
４３ インピーダンスマッチング機構４３
４３ａ 保持用部材
４３ｂ 付勢部材

Claims (9)

1. ハンダにて接合される装着物と被装着材とを載置する処理部と、前記処理部に微小振動を印加する微小振動印加部と、前記微少振動印加部に伝達される微少振動を発生する微小振動発生部とを備え、
   前記処理部と前記微小振動印加部とが一体化されている、リフロー装置。
2. 前記処理部は、溶融状態にあるハンダが冷却する際に、ハンダに微少振動を印加する作用を有する、請求項１記載のリフロー装置。
3. 前記処理部が、平坦面を有する板状であり、前記平坦面に前記被装着材が載置される、請求項１記載のリフロー装置。
4. 前記板状の処理部の周縁部と、前記微少振動印加部とが、機械的に接続され、もしくは物理的に接合されている、請求項３記載のリフロー装置。
5. 前記処理部と前記微小振動印加部との連結部が、微小振動の節と一致する、請求項１記載のリフロー装置。
6. 前記処理部の下方に、ハンダを加熱するための加熱機構をさらに備えた、請求項１記載のリフロー装置。
7. 前記処理部の上方に、前記装着物を冷却するための冷却機構をさらに備えた、請求項６記載のリフロー装置。
8. 前記処理部と前記微小振動印加部とを含む構造体が、前記構造体の少なくとも２箇所に設置された保持機構により固定されている、請求項１記載のリフロー装置。
9. 装着物を被装着材にハンダを用いて接合する方法であって、
   装着物がハンダを介して配置されている被装着材を、処理部上に搭載する工程と、
   前記ハンダを加熱する工程と、
   前記処理部に微小振動を印加することにより、溶融状態にあるハンダが冷却する際に、ハンダに微小振動を印加する工程、を有する方法。
   
   

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