JP4724224B2

JP4724224B2 - はんだ接合される製品の製造方法、はんだ接合装置、リフロ装置及びはんだ接合方法

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Publication number: JP4724224B2
Application number: JP2008509603A
Authority: JP
Inventors: 理斎藤; 理映高田; 光昌小島; 鉄二石川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JPWO2007116451A1; US20090020588A1; WO2007116451A1

Description

本発明は、プリント基板（ＰＷＢ）に部品が実装されたプリント回路基板のような、はんだ接合される製品の製造方法及びはんだ接合装置に関し、特にこのようなはんだ接合される製品をはんだ接合するリフロ条件の設定方法に関する。

はんだ接合により部品をプリント基板に実装するリフロ技術においては、基板上に塗布したクリームはんだペーストの上に部品を装着した後、リフロ炉にて全体をはんだ融点以上に加熱してはんだ接合を行っている。そして、リフロ炉の動作条件であるリフロ条件（炉内温度、基板の搬送速度や風速）は、必要最低温度から部品の耐熱温度までの間にはんだ接合部の温度が収まるように設定される。
従来のはんだ接合部温度の管理方法では、製品相当のサンプル基板上に温度測定用の熱電対を設けて、実際にリフロ加熱を行った際の温度を実測することによって、温度プロファイルの確認と温度設定値の調整を行なっていた。

また、別の管理方法として、事前にプリント回路板の基板の物性値および部品の物性値を調査し、その値を用いて熱解析シミュレーションを行うことによりリフロ工程における温度プロファイルを推定して、指定された温度規格を満足しているか確認する方法がある（例えば、下記特許文献１）。

特許第２７８２７８９号公報特開平３−２５６１０５号公報特開２００２−３５３６０９号公報

しかしながら、上記のような製品サンプルを準備して実測するためには、製品サンプルの準備のために少なからずコストを必要とする。また、リフロ条件を設定するまでの間に、サンプル作成からリフロ炉を用いた実験まで多大な労力を必要としていた。
また熱解析シミュレーションは、部品や基板の物性値の入力作業、及び解析自体にも多大な時間がかかる。また精度が悪いために、結局はシミュレーション後に再度製品サンプルによる実測確認をしなければならないケースも多いため、実運用上の問題も多い。

さらに、近年では、鉛フリー化したＢＧＡのバンプを用いる鉛フリーＢＧＡが実装されるケースが増えている。この鉛フリーＢＧＡは融点は、従来の共晶はんだバンプをもつＢＧＡと比較して２０℃以上高くなるので、リフロ条件の設定はさらに難しい作業となる。
上記問題点に鑑み、本発明では、例えばプリント回路基板のような、はんだ接合される製品をリフロ加熱によってはんだ接合する際に、最適なリフロ条件を容易に決定することを可能とした、はんだ接合される製品を製造する製造方法及びはんだ接合装置を提供することを目的とする。

リフロ技術によるはんだ接合では、リフロ温度すなわちリフロ加熱時におけるはんだ接合部の温度が、必要最低温度から部品の耐熱温度までの間となるように、リフロ時の加熱条件すなわちリフロ条件が設定される。ここでリフロ条件とは、例えばリフロ炉内の温度、リフロ炉内におけるプリント基板の搬送速度、及び熱風の風速などであって、基板をリフロ加熱する際の加熱条件である。

リフロ温度は基板全体で一様ではなく、搭載される部品の集中度によって高い部分と低い部分がある。ここで、リフロ温度は基板の熱容量によって決定されるので、基板上の各箇所におけるリフロ温度は、当該箇所に搭載されている部品の体積に応じて変動する。
そこで本発明では、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱して部品を基板にはんだ接合する際に、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定し、決定された加熱条件に基づいてリフロ加熱を行う。

すなわち、本発明の第１形態によるはんだ接合される製品の製造方法は、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、部品を基板にはんだ接合する際に、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定し、決定された加熱条件に基づいてリフロ加熱を行う。

また、はんだ接合される製品の製造方法は、下記ステップ、すなわち基板の所定寸法の範囲ごとに算出したこれら範囲内に搭載された部品の体積のうち、最大の値を有する最大部品体積に対応するはんだ付け温度とはんだ付けに要する必要温度とを対比した結果算出された、当該基板に対応するはんだ条件を、読み出すステップと、読み出されたはんだ条件に基づいて基板への部品のはんだ付けを行うステップと、を有するものであってもよい。

本発明の第２形態によるはんだ接合装置は、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、部品を基板にはんだ接合するはんだ接合装置であって、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出する部品体積算出部と、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定する加熱条件決定部と、を備えて構成される。

基板に生じるリフロ温度のうち最高値は、実装部品が少ない（部品体積が最低の）箇所に生じその値は基板によってほぼ決まっている。したがって上記のように算出した部品体積の最高値は基板上に生じるリフロ温度のバラツキの範囲を表す。したがってこのような部品体積の最高値にしたがって加熱条件を決定すれば、各基板に生じるリフロ温度のバラツキに応じて使用可能な加熱条件を決定することが可能となる。
またリフロ温度は基板の厚さに応じて変化するため、加熱条件の決定にあたっては、さらに基板の既知の厚さの値を使用してもよい。

１つの部品体積を算出する所定寸法の範囲は、基板に実装された少なくとも１つの部品について当該部品を囲む所定寸法の範囲としてよい。このとき、対象となる部品の端から所定距離だけ離れた位置までを含むように所定寸法の範囲を定め、この所定距離として部品同士の間隔が基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して実質的に影響しなくなる最小部品間距離を、予め定めておいてもよい。

加熱条件の決定に際して、予め定めた複数の加熱条件から選択して加熱条件を決定してもよく、部品体積に基づく所定の算出方法に従って加熱条件を定義する値を決定してもよい。
部品体積の算出に際して、はんだ接合される製品について設計した、基板上への部品の配置データに基づいて部品体積を算出してもよく、又ははんだ接合される製品に実装される各部品を実装面に搭載した状態で基板の表面の各位置の高さをセンサで検出しておき、基板表面の各位置の高さに基づいて部品体積を算出してもよい。

本発明の第３形態によるはんだ条件判別方法は、基板への部品実装時におけるはんだ接合の条件を判別するはんだ条件判別方法であって、基板上の所定寸法の範囲内に配置される部品の体積を算出するステップと、算出された部品体積から最大部品体積を抽出するステップと、抽出された最大部品体積をパラメータとして基板における最低リフロ温度を判別するステップと、最低リフロ温度とはんだ付けに要する必要温度とを比較して、基板におけるはんだ条件が適切なものか否かを判別するステップと、を有する。
このはんだ条件判別方法において、部品体積算出時には基板の板厚を勘案して部品体積を算出してもよい。

本発明の第４形態によるリフロ装置は、部品が搭載された基板を加熱してリフロを行うリフロ装置であって、部品を加熱する加熱機構と、加熱機構を制御する制御部と、制御部による加熱機構制御時に用いられるリフロ条件を記憶した記憶部とを備えて構成される。ここで上記リフロ条件は、基板上の所定寸法の範囲内に搭載された部品の体積に応じて設定されたものであり、上記制御部は、リフロ処理が施される基板に対応したリフロ条件を記憶部から読み出して、読み出されたリフロ条件により基板に対するリフロ処理を制御する。
このリフロ装置において、上記リフロ条件は、基板上の所定寸法の範囲内に配置された部品の体積を算出し、算出された部品体積のうち最大値を有する部品体積に対応するリフロ温度とはんだ付けに要する必要温度とを対比し、リフロ温度が必要温度を下回らないように選定されたものであってよい。

本発明の第５形態によるはんだ接合方法は、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、部品を基板にはんだ接合する方法であって、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定し、決定された加熱条件に基づいてリフロ加熱を行う。
本発明を、添付の図面を参照して以下に説明する。

部品間の距離とリフロ温度のバラツキΔＴとの関係を示すグラフである。部品体積を算出する範囲を説明する図である。部品体積とリフロ温度のバラツキΔＴとの関係を示すグラフである。リフロ条件の決定方法を説明する図である。異なる温度規格の下で許容される部品体積の決定方法を説明する図である。本発明の第１実施例よるはんだ接合装置の概略構成を示すブロック図である。図６に示すはんだ接合装置により実行されるリフロ条件を決定する方法のフローチャートである。第１のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。第２のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。本発明の第２実施例よるはんだ接合装置の概略構成を示す斜視図である。図１０に示すはんだ接合装置の概略構成を示すブロック図である。図１０に示すはんだ接合装置により実行されるリフロ条件を決定する方法のフローチャートである。

符号の説明

１はんだ接合装置
２基板
１１部品体積算出部
１２体積レベル決定部
１３リフロ条件決定部
１５リフロ炉
４１体積センサ
４２バーコードセンサ
Ｃ０、Ｃ１１〜Ｃ３２部品

以下、はんだ接合される製品の製造方法及びはんだ接合装置の実施例を説明する。
ここで、本実施形態の対象とするはんだ接合技術は、基板上に塗布したクリームはんだペーストの上に部品を装着した後、はんだ融点以上の熱風で加熱してはんだ接合を行うリフロ技術である。

上記の通り、リフロ技術によるはんだ接合では、リフロ温度がはんだ接合に要する必要最低温度から部品の耐熱温度までの間となるようにリフロ条件が設定される。ここでリフロ条件とは、リフロ炉にて部品を装着したプリント基板を加熱する際の加熱条件をいい、その主な要素としては、例えばリフロ炉内の温度、リフロ炉内におけるプリント基板の搬送速度、及び熱風の風速などがある。
ここで、リフロ温度は基板全体で一様ではなく、搭載される部品の集中度によって温度が高い部分と温度が低い部分がある。したがって、基板上に現れる最も高いリフロ温度と最も低いリフロ温度が、はんだが溶融する必要最低温度から部品の耐熱温度までの範囲内に収まるように、リフロ条件を設定しなければならない。

一方で、現在主流として使用されているリフロ炉（図示せず）では、熱風による対流伝熱によって基板の加熱が行われている。リフロ温度は、部品を搭載した基板の熱容量によって決定され、この熱容量は質量×比熱すなわち体積×比重×比熱によって決定される。
基板上に搭載されている部品は、銅、シリコン、エポキシ樹脂等の材料で構成されるが、各部品が同じような材料比率で構成されていると仮定してよいため、比重や比熱は部品間でほぼ同等と見なすことができる。したがって、加熱される基板上の部品の熱容量は、各部品の体積をパラメータに用いて表すことができる。
そして、基板上の各箇所について、それぞれの箇所に搭載されている部品の体積（以下「部品体積」と記す）を算出すれば、その箇所における熱容量を導き出すことができ、基板上に現れるリフロ温度のバラツキを求めることが可能となる。

基板上に搭載された部品体積を算出する際には、どの程度の広さの範囲を想定して、この範囲内に配置された部品が占める体積を算出するかが問題となる。リフロ温度は、はんだにより接合される個々の部品の熱容量だけでなく、その部品の周辺に配置された部品の熱容量にも影響されるためである。
図１は、部品間の距離と、リフロ温度の基板上でのバラツキΔＴ（以下「リフロΔＴ」と記す）との相関を示すグラフである。ここでリフロΔＴとは、個々の部品・箇所におけるリフロ温度と、その基板において最も高いリフロ温度との差を意味する。基盤上でリフロ温度が最も高い部分は部品が配置されていない部分であり、当該箇所のリフロ温度はほぼ決まっている、言い換えればほぼ固定されているとみなすことが出来る。一方、図１に図示されるように、リフロΔＴは部品間距離と相関関係を有している。結局このリフロΔＴは、周辺部品との間の距離によって変化する当該部品のリフロ温度の低下量を示している。

図１に図示されたグラフから分かるように、部品間の間隙が大きくなって距離Ａを超えると、リフロΔＴがほぼ変化しなくなるとみなすことができる。これは、ある箇所のリフロ温度は、当該箇所から距離Ａを隔てた部品の熱容量に影響されないことを意味する。
したがって、基板上の各部品・箇所のリフロ温度を示すパラメータとして部品体積を算出するべき範囲の寸法は、リフロ温度を求めるべき部品の部品端から距離Ａを隔てた地点を含むように決定することができる。これによって、個々の部品・箇所周辺に配置された他部品による熱容量の影響を考慮して、リフロΔＴの算出を行うことができるようになる。このような距離Ａは個別の条件によって変化しうるが、これは実験により容易に決定することが可能である。

図２は、部品体積の算出を説明する図面であり、部品が搭載された基板の一部分を示している。上記の通り、本実施形態では、特定の部品あるいは箇所から距離Ａを隔てた範囲内に配置された部品全体の体積を算出する。具体的には、基板上の各箇所に配置された複数部品について、図２に示すようにそれぞれの部品端から距離Ａの範囲内に配置された部品が占める部品体積（以下の説明において「部品周辺エリア体積」と記すことがある）をそれぞれ算出する。図２に示す例では、リフロ温度を求める当該部品を部品Ｃ０とすると、部品Ｃ１１〜Ｃ１５が部品Ｃ０の部品端から距離Ａを隔てた範囲Ｓ内に完全に含まれるため、これらの部品の体積が全て部品周辺エリア体積に計上される。一方、部品Ｃ２１〜Ｃ２３については、その一部分のみが部品Ｃ０の部品端から距離Ａの範囲Ｓ内に含まれる。具体的には、部品Ｃ２１〜Ｃ２３については、ハッチングされた部分だけが部品Ｃ０の部品端から距離Ａの範囲Ｓ内に含まれるため、そのハッチングされた部分の体積だけが部品周辺エリア体積に計上される。部品Ｃ３１及びＣ３２については、部品Ｃ０の部品端から距離Ａの範囲Ｓ内に含まれていないため、部品Ｃ３１および部品Ｃ３２の体積は部品周辺エリア体積としては計上されない。なお、部品Ｃ０の体積も、部品周辺エリア体積に計上される。

このような寸法（距離Ａ）の範囲内に配置されたすべての部品が占める体積を算出することにより、部品周辺エリア体積を、各算出箇所に関するリフロΔＴとほぼ比例するパラメータと見なすことができる。この様子を図３に示す。
図３は、あるリフロ炉でリフロ加熱した場合における、基板上の部品周辺エリア体積と、それぞれの箇所のリフロΔＴとの関係を示すグラフである。図３に図示するとおり、部品周辺エリア体積が大きくなるのにしたがってリフロΔＴも大きくなる、言い換えればリフロ温度低下の度合いが大きくなる。

このように、部品周辺エリア体積は、ある基板について、リフロ炉内で生じるリフロ温度の温度差を推定するために利用することができる。したがって、部品周辺エリア体積を利用すれば、あるリフロ条件の下で加熱した場合に、その基板に生じるリフロ温度の差がはんだ接合に必要とされる温度範囲内に入るか否かを判定することができ、これによって許容できるリフロ条件を決定することが可能となる。

ここで、リフロ温度の温度差について様々な範囲を画定し、それぞれの範囲の温度差を生じさせる部品周辺エリア体積の範囲を定めることによって、様々なリフロ温度の温度差レベルに対応する体積レベルへ、部品周辺エリア体積をレベル分けすることができる。
例えば図３の例では、部品周辺エリア体積が所定の体積を超える体積レベル２の範囲内にある場合には、リフロ温度に最大温度範囲２に示す範囲の温度差が生じるのに対し、部品周辺エリア体積が所定の体積以下である体積レベル１の範囲内にある場合には、リフロ温度には最大でも温度範囲１に示す範囲でしか温度差が生じない。

図４は、リフロ条件の決定方法を説明する図である。図に示すＣ１〜Ｃ４は、特定の部品周辺エリア体積を有する部品・箇所における、基板のリフロ加熱時に生じるリフロ温度の変化幅を示している。
図４において、Ｃ１およびＣ２はリフロ条件Ａにてリフロ加熱を行った場合の、基板におけるリフロ温度の変化幅を示している。同様に、Ｃ３およびＣ４は、リフロ条件Ｂにてリフロ加熱を行った場合の、基板上のリフロ温度変動幅を示している。
一方、Ｃ１およびＣ３は、基板上の最大の部品周辺エリア体積が図３図示のレベル１の範囲に収まる基板を示している。Ｃ１とＣ３は、リフロ条件以外の条件は同じであるものとする。同様に、Ｃ２およびＣ４は、基板上の最大部品周辺エリア体積が図３図示のレベル２の範囲に達している基板を示している。Ｃ２とＣ４も、リフロ条件以外の条件は同じであるものとする。
したがって、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３並びにＣ４は、部品周辺エリア体積の最大値及びリフロ条件がそれぞれ、レベル１及び条件Ａ、レベル２及び条件Ａ、レベル１及び条件Ｂ、並びにレベル２及び条件Ｂと組み合わせた場合を示す。
なお、同一体積レベル内に最大部品周辺エリア体積が収まっていたとしても、個別の最大部品周辺エリア体積の値に応じて、生じる最低リフロ温度は変わってくる。図４に図示された各範囲Ｃ1〜Ｃ４において下辺が傾斜しているのは、各体積レベルの中において部品周辺エリア体積の最大値が大きくなるのにしたがってリフロ温度の最低値が低下することを示し、また上辺が一定しているのは、部品周辺エリア体積の最大値の変化にかかわらずリフロ温度の最大値は上昇しないことを示している。

いまリフロ温度を温度Ｔ１〜Ｔ２の間に管理する場合を考える。図４に図示された条件では、この基板の部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル１の範囲内にあれば、リフロ条件Ａ及びリフロ条件Ｂのいずれを用いてもリフロ温度を温度Ｔ１〜Ｔ２の間に維持することが可能である。
しかし、部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル２の範囲内である場合には、リフロ条件Ａを用いると基板上のある部分について必要最低温度Ｔ１を下回るおそれが生じるため、リフロ条件Ａを用いることは出来ず、リフロ条件Ｂを選択する必要がある。
このように、部品周辺エリア体積の最大値によってリフロ温度の変動範囲を見積もることによって、各リフロ条件における基板上の最低リフロ温度を判別して必要最低温度Ｔ１と比較し、当該リフロ条件が適切であるか否かを判別し、許容される温度範囲を満足するリフロ条件を選択することが可能となる。

許容されるリフロ温度の幅は、製品によって異なり、またはんだ付けの条件などによっても異なってくる場合がある。例えば、共晶はんだと比較すると、鉛フリーはんだはその融点が高い。その一方で、リフロの最大許容温度は部品の耐熱温度などに依存するため、用いられるはんだ種別に関わらずほぼ一義的に定まる。そのため、共晶はんだと鉛フリーＢＧＡが混在している製品では、共晶はんだのみを使用した製品に許容されるリフロ温度の変動範囲よりも、許容されるリフロ温度の変動範囲が狭い。
したがって、図５に示す部品周辺エリア体積とリフロΔＴとの関係を、用いられるはんだ種別に対応付けるとすると、例えば共晶はんだのみを使用した場合には、許容される温度変化幅を図示規格１の範囲とすることが可能であるため、部品周辺エリア体積の最大値として体積レベル１及び２の範囲内を取ることができる。これに対して、例えば共晶はんだと鉛フリーＢＧＡを混在して使用している場合には、許容される温度変化幅が図示規格２の範囲となり規格１よりも狭くなるため、部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル１の範囲内にある場合のみ、良好なリフロ処理を行うことができる。
このように、使用可能なリフロ条件を部品周辺エリア体積の最大値に基づいて決定する場合には、リフロ加熱する製品に鉛フリーＢＧＡを使用しているか否かについて考慮することが望ましい。
また、リフロ温度は基板の板厚によっても影響を受けるので、基板の板厚についても同様に考慮することが望ましい。

このように、リフロ条件は、部品周辺エリア体積の最大値、基板の板厚及び鉛フリーＢＧＡの使用有無などに基づいて決定することができる。リフロ条件の決定は、例えば下記の表１の表１に示すようなリフロ条件の割り当て表を使用して、予め設定された複数のリフロ条件Ａ〜Ｄのうちから許容されるリフロ条件を選択して行ってもよい。

表１の例では、まず、所定の体積を基準として部品周辺エリア体積の最大値を体積レベル１及び体積レベル２にレベル分けし、また同様に基板の板厚が所定の板厚より厚いか否かによって板厚レベル１及び２にレベル分けしている。このように、表１の例では、基板の厚みも熱容量の変動要因として考慮している。そして、それぞれの体積レベル及び板厚レベルの組合せと、基板をはんだ接合する際に使用することができるリフロ条件Ａ〜Ｄとを、鉛フリーＢＧＡの使用の有無に応じて対応付けている。

表１の例では、鉛フリーはんだの使用如何に関わらず、体積レベル１の場合には、基板の板厚レベル１ではリフロ条件Ａで、板厚レベル２ではリフロ条件Ｃでのリフロが可能となる。したがって、部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル１の基板では、基板の板厚レベルをパラメータとしてリフロ条件を選択できる。
これに対して、体積レベル２の場合には、鉛フリーはんだなしであれば、板圧レベル１でリフロ条件Ｂ、板厚レベル２でリフロ条件Ｄでのリフロが可能である一方、鉛フリーはんだを用いる場合には、板厚レベルに関わらず適したリフロ条件を得ることができない。このように、表１の例では、基板の部品周辺エリア体積の最大値がレベル２の場合には、板厚レベルならびに鉛フリーはんだの使用有無を考慮して、リフロ条件を選択する必要が出てくる。
このように、体積レベルの範囲及び板厚レベルの範囲の組合せに応じて、基板ごとのリフロ条件の対応関係を予め設定しておくことができる。このような対応関係は、当該リフロ条件でリフロ加熱したときに生じるリフロ温度のバラツキ（リフロΔＴ）が、鉛フリーＢＧＡの使用の有無に応じて定まる許容温度範囲内に成るか否かの判断を加味して予め設定しておくことができる。

なお、上記の部品周辺エリア体積の算出方法では、基板上に配置された各部品について、それぞれの部品端から距離Ａの範囲内に配置された部品が占める部品体積を算出することとした。
これに代えて、基板上に配置された部品を基準とするのではなく、基板上の各箇所について、当該箇所を囲む所定の寸法の範囲内に配置された部品が占める部品体積を算出することとしても同様の効果が期待できるのは明らかである。そして部品体積の算出を行う範囲の寸法を、基板上に配置された部品について部品体積を算出する場合と同様の寸法の範囲として予め定めておくことが可能である。

また上記のリフロ条件の決定方法の例では、リフロ条件の割り当て表を用いることによって予め定めた複数のリフロ条件の中から使用するリフロ条件を選択していたが、これに代えて又はこれに加えて、リフロ条件を定義する物理的値を、部品周辺エリア体積の最大値及び／又は板厚に基づく所定の算出方法に基づいて決定してもよい。
基板上の各箇所の熱容量は、当該箇所の部品周辺エリア体積と板厚とに比例するから、例えば、部品周辺エリア体積の最大値Ｖ及び板厚Ｄに基づいて、次式（１）にしたがって、リフロ炉内温度Ｔを定めることによってリフロ条件を決定することも可能である。
Ｔ＝Ａ×Ｖ＋Ｂ×Ｄ＋Ｃ（１）
ここに、Ａ、Ｂ及びＣは予め定めた定数の算出パラメータである。この方法を用いると、リフロ加熱時の温度プロファイルをより詳細に管理することが可能となる。定数Ａ，Ｂ，Ｃは、実験などによって求めることが出来る。

また上記の通り算出した部品周辺エリア体積の最大値及び板厚をパラメータとして、予め定めたリフロ条件における基板上の最低リフロ温度Ｔｍｉｎを、実験値や下記式（２）のような算出式にしたがって判別し、この最低リフロ温度Ｔｍｉｎと、はんだ付けに要する必要温度とを比較して、当該リフロ条件が適切なものであるか否かを判別して、適切なリフロ条件を選択してもよい。
Ｔｍｉｎ＝Ｔｍａｘ−Ｅ×Ｖ（２）
ここにＥは予め定めた定数の算出パラメータであり、Ｔｍａｘはリフロ条件毎に板厚Ｄに応じて定めた所定定数の最高リフロ温度である。

以下、添付する図６〜図１２を参照しながら、本発明によるはんだ接合装置及びはんだ接合される製品の製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。
図６は、本発明の一実施形態によるはんだ接合装置の主に処理・制御を司る部分の基本構成を示すブロック図である。
ここでは、はんだ接合される製品として、プリント基板（ＰＷＢ）の表面に電子部品等の電気的部品（以下、単に「部品」と記す）がはんだ接合されるプリント回路基板を例に挙げて説明する。

そして、図６に示すはんだ接合装置１として、プリント基板上に塗布したクリームはんだペーストの上に部品を装着した後、リフロ炉（図示せず）にてはんだ融点以上の熱風で加熱してはんだ接合を行うリフロ装置を例に挙げて説明する。
図６に図示するように、本実施形態によるはんだ接合装置１は、リフロ炉（図示せず）のリフロ条件を設定するための部品体積算出部１１、体積レベル決定部１２及びリフロ条件決定部１３と、設定されたリフロ条件に基づいてリフロ炉（図示せず）を制御するリフロ炉制御部１４を備える。

部品体積算出部１１は、図２を参照して上述した方法と同様に、プリント基板上に配置された各部品について、それぞれの部品端から距離Ａの範囲内に配置された当該部品を含む各部品が占める部品周辺エリア体積を算出する。このとき部品体積算出部１１は、製品であるプリント回路基板の設計データである実装ＣＡＤデータ３１に含まれている基板上の各部品の配置情報と、予め部品情報ライブラリ３２のようなデータベースに登録された各部品の寸法情報とに基づいて、部品周辺エリア体積を算出することができる。
また部品体積算出部１１が、基板上の各箇所毎（部品毎ではなく）に、当該箇所を囲む所定の寸法の範囲内に配置された部品が占める部品周辺エリア体積を算出してもよいことは、上記にて説明した通りである。

体積レベル決定部１２は、プリント基板上の各部品（又は各箇所）について算出された部品周辺エリア体積の最大の値を選択し、この最大の部品周辺エリア体積をこのプリント回路基板のリフロ温度のバラツキを示す指標である体積レベルとして決定する。
リフロ条件決定部１３は、決定された体積レベルに応じてリフロ条件を決定する。具体的には、リフロ条件を定めるリフロ炉内温度、リフロ炉内搬送速度、及び熱風の風速等の各要素のいずれか又はその全部を決定する。そしてリフロ条件決定部１３は、決定したリフロ条件を、直接リフロ炉制御部１４に出力してリフロ炉制御部１４によるリフロ炉（図示せず）の制御に供するか、またはオペレータによるリフロ炉（図示せず）の操作に供するため、決定したリフロ条件を表示装置や印刷装置等であるデータ出力部３３に出力する。

なお、リフロ条件を設定するための上記の構成要素、すなわち部品体積算出部１１、体積レベル決定部１２及びリフロ条件決定部１３は、単一又は複数の情報処理プロセッサ上で動作してそれぞれ上記の機能を実行するソフトウエアモジュールとして実現することが可能であり、または単一又は複数の専用ハードウエアとして実現することも可能である。

以下、図７に示すフローチャート、並びに図８及び図９に示す説明図を参照して、図６に示すはんだ接合装置１によるリフロ条件の決定方法を説明する。
ステップＳ１において、リフロ条件決定部１３は実装ＣＡＤデータ３１に含まれている当該プリント基板の設計データの中から鉛フリーＢＧＡ搭載情報を検出して、当該プリント基板に鉛フリーＢＧＡが使用されているか、また共晶はんだと鉛フリーはんだとが混在しているか否かを判定する。そしてステップＳ２において、リフロ条件決定部１３は、鉛フリーＢＧＡが混在しているかに否かに応じてリフロ温度の規格を決定する。

例えば、従来の共晶はんだバンプをもつＢＧＡのリフロ温度の必要最低温度をＴ１とし、鉛フリー化ＢＧＡのリフロ温度の必要最低温度をＴ２とし、部品耐熱温度をＴ３とする。共晶はんだバンプを持つＢＧＡでは、リフロ温度がＴ３−Ｔ１の範囲となるリフロ温度規格１が適用される。一方、鉛フリー化ＢＧＡの必要最低温度Ｔ２は共晶はんだバンプをもつＢＧＡの必要最低温度Ｔ１よりも２０°Ｃ高いため、鉛フリーＢＧＡが混在している場合には、共晶はんだバンプのみの場合のリフロ温度規格１よりも温度変動の許容範囲が狭いリフロ温度がＴ３−Ｔ２の範囲となるリフロ温度規格２が適用される。

ステップＳ３において、部品体積算出部１１は、実装ＣＡＤデータ３１に含まれている基板上の各部品の配置情報と、予め部品情報ライブラリ３２のようなデータベースに登録された各部品の寸法情報とに基づいて、部品周辺エリア体積を算出する。
ステップＳ４において体積レベル決定部１２は、ステップＳ３において算出された各部品周辺エリア体積のうち、最大の部品周辺エリア体積をこのプリント回路基板の固有の体積レベルとして決定する。

ステップＳ５において、リフロ条件決定部１３は、ステップＳ２で決定したリフロ温度規格と、ステップＳ４で決定したこのプリント回路基板の固有の体積レベルと、実装ＣＡＤデータ３１に含まれている基板の板厚情報に基づいて、予め設定されている複数のリフロ条件の中から使用するリフロ条件を決定する。
リフロ設備には性能差があり、例えばより高性能なリフロ設備ではプリント基板上に発生するリフロ温度のバラツキ範囲が小さいという傾向がある。また、リフロ条件を定める各物理量もリフロ設備によって異なっているため、リフロ条件決定部１３はリフロ条件をリフロ設備ごとに代えて設定する必要がある。ここでは２台のリフロ設備を使用する場合について想定し、そのうちの第１のリフロ設備は標準的な性能の設備であり、第２のリフロ設備は高性能設備であるとする。

図８は、第１のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。図８は、互いに板厚が異なる２種類の基板に対して、異なるリフロ条件Ａおよびリフロ条件Ｂによりリフロ加熱をした場合に生じる、リフロ温度の変化範囲を示している。ここで、使用されるプリント基板の２種類の板厚１及び板厚２は、それぞれ１．６ｍｍ及び２．４ｍｍであるとする。
図８の例では、範囲Ａ１は板厚１の基板をリフロ条件Ａで加熱した場合のリフロ温度範囲を示し、範囲Ｂ１は板厚１の基板をリフロ条件Ｂで加熱した場合のリフロ温度範囲を示し、範囲Ａ２は板厚２の基板をリフロ条件Ａで加熱した場合のリフロ温度範囲を示し、範囲Ｂ２は板厚２の基板をリフロ条件Ｂで加熱した場合のリフロ温度範囲を示す。このように、図８の例では４種類の条件が設定されている。なお、リフロ条件Ａ及びリフロ条件Ｂは、図８の例で想定されているリフロ設備固有のリフロ条件である。
ここで、範囲Ａ１，Ａ２，Ｂ１およびＢ２についてはそれぞれ、体積レベルＶ１，Ｖ２，Ｖ３の三種類の体積レベルが設定されている。

各範囲Ａ１及びＢ１、並びにＡ２及びＢ２は、それぞれの板厚が板厚１並びに板厚２である基板群のリフロ温度のバラツキ範囲を示しており、基板の体積レベルがＶ１からＶ３へと大きくなる（すなわち部品周辺エリア体積の最大値が増加する）のにしたがってリフロ温度のバラツキ範囲が広くなることを示している。

はんだとして共晶はんだのみが用いられる場合、温度規格としては規格１、つまりリフロ温度範囲Ｔ１−Ｔ３が適用される。この場合、Ａ１，Ａ２、Ｂ１およびＢ２はその体積レベルに関わらず、最低となるリフロ温度が規格１における最低必要温度Ｔ１を上回っている。なお、Ｂ１の場合には、基板において最大リフロ温度を示す箇所が、部品の耐熱温度であるＴ３を上回る可能性が示唆されている。
一方、鉛フリーＢＧＡ混在時の温度規格２（Ｔ２〜Ｔ３）が適用される場合には、リフロ条件Ａを使用すれば、Ａ１において図８にてハッチングされた体積レベルＶ１の場合に対応することが可能である。同様に、リフロ条件Ｂを使用すれば、Ｂ２にてハッチングされた体積レベルＶ１の場合に対応することが可能であることが分かる。Ａ１の体積レベルＶ２，Ｖ３、Ｂ２の体積レベルＶ２，Ｖ３，Ａ２については、基板において最低リフロ温度を示す箇所が、必要温度Ｔ２を下回る可能性が示唆されており、リフロが出来ない可能性がある。

図９は、第２のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。図に示す範囲Ｃ１、Ｄ１、Ｃ２、Ｄ２は各々、体積レベルがＶ１からＶ３まで異なる２種類の板厚のプリント基板を、異なるリフロ条件Ｃ及びＤでリフロ加熱した場合に生じるリフロ温度の範囲を示す。ここで範囲Ｃ１は板厚１の基板をリフロ条件Ｃで加熱した場合の範囲を示し、範囲Ｄ１は板厚１の基板をリフロ条件Ｄで加熱した場合の範囲を示し、範囲Ｃ２は板厚２の基板をリフロ条件Ｃで加熱した場合の範囲を示し、範囲Ｄ２は板厚２の基板をリフロ条件Ｄで加熱した場合の範囲を示す。

図示するとおり、共晶はんだ温度規格１（Ｔ１〜Ｔ３）が適用される場合には、リフロ条件Ｃを使用すれば、板厚１及び板厚２のどちらの場合でも、全ての体積レベルＶ１〜Ｖ３の基板において要求される温度範囲Ｔ１〜Ｔ３の中に収まることが分かる（範囲Ｃ１及びＣ２参照）。
鉛フリーＢＧＡ混在時の温度規格２（Ｔ２〜Ｔ３）が適用される場合には、リフロ条件Ａを使用すれば板厚１及び体積レベルＶ１の場合に対応することが可能であり（範囲Ｃ１参照）、リフロ条件Ｂを使用すれば板厚２であり体積レベルＶ１の場合に対応することが可能であることが分かる（範囲Ｄ２参照）。

そこで本実施例では、基板板厚の基準を１．８ｍｍとし、基盤板厚を１．８ｍｍ以下の板厚レベル１と１．８ｍｍより厚い板厚レベル２つにレベル分けし、各体積レベル及び板厚レベルの組合せと、これらのレベルの範囲に属する基板をはんだ接合する際に使用することができるリフロ条件Ａ〜Ｄとを、鉛フリーＢＧＡの使用の有無に応じて対応付ける、下記の表２のようなリフロ条件割り当てマスターテーブルを作成する。

リフロ条件決定部１３は、ステップＳ２で決定したリフロ温度規格と、ステップＳ４で決定したこのプリント回路基板の固有の体積レベルと、実装ＣＡＤデータ３１に含まれている基板の板厚情報をレベル分けした板厚レベルに基づいて、リフロ条件割り当てマスターテーブルを参照することによって、使用するべきリフロ条件を一意に決定することが可能である。

図１０は、本発明の第２実施例よるはんだ接合装置の概略構成を示す斜視図であり、図１１は、図１０に示すはんだ接合装置の概略構成を示すブロック図である。
図６に示した実施例では、部品周辺エリア体積の算出のために実装ＣＡＤデータ３１や部品ライブラリ３２といった上流の情報を利用している。本実施例ではこれに代えて、基板２をリフロ炉１５へと運ぶ搬送装置（コンベア等）１６の経路上に、レーザ等の非接触式体積センサ４１を備え、プリント回路板個々に各箇所の部品周辺エリア体積を算出する。
ここで非接触式体積センサ４１は、例えば基板２上をレーザ光線等で走査し、基板２表面、及び表面に部品が搭載されている箇所では部品上面の高さを検出することによって、基板２上の各箇所に搭載された部品が占める体積を検出する。

さらにはんだ接合装置１には、コンベア１６上を搬送される製品のバーコードを読み取り、その型番を識別するためのバーコードリーダ４２を備えてもよい。ある製品について部品周辺エリア体積を一度読み取った場合にはそのとき決定した体積レベルを記憶しておく。そして次回、同じ製品のはんだ接合を行う場合には、バーコードリーダ４２によってその製品に付されたバーコードを読み取り、過去に部品周辺エリア体積が既に読み取られた製品と同じ製品であるかを判定する。そして既に部品周辺エリア体積の読み取られていた場合には、記憶した体積レベルを使用してリフロ条件を設定することとしてよい。そのためにはんだ接合装置１には、ある製品について体積レベル決定部１２が決定した体積レベルを記憶する体積レベル記憶部１７を備える。

図１２は、図１０に示すはんだ接合装置により実行されるリフロ条件を決定する方法のフローチャートである。ステップＳ１及びＳ２において、リフロ条件決定部１３は、鉛フリーＢＧＡが混在しているか否かを判定し、これに応じてリフロ温度の規格を決定する。
ステップＳ１１において、バーコードリーダ４２はコンベア１６上を搬送される基板２に付されたバーコードを読み取る。ステップＳ１２において部品体積算出部１１及び体積レベル決定部１２は、バーコードを読み取った基板と同じ型番の製品について、既に体積レベルを決定したことがあるか否かを判定する。

体積レベルを決定したことがない場合、ステップＳ３へと進み、部品体積算出部１１は非接触式体積センサ４１が読み取った基板２の表面形状データから、基板２上の各箇所の部品周辺エリア体積を各々算出する。そしてステップＳ４において、体積レベル決定部１２はプリント回路基板の固有の体積レベルを決定したのち、ステップＳ１３において決定した体積レベルとこの製品の型番情報とを対応付けて体積レベル記憶部１７に記憶する。そしてステップＳ５において、決定された体積レベルを使用してリフロ条件を決定する。

一方でステップＳ１２の判断にて、既に体積レベルを決定したことがあると判定された場合には、体積レベル決定部１２は、この製品の型番情報とを対応付けて記憶された体積レベルのデータを体積レベル記憶部１７から読み込む。そしてステップＳ５において、読み込まれた体積レベルを使用してリフロ条件を決定する。

なお、上記図６及び図１０に示した実施例では、はんだ接合装置１において部品周辺エリア体積の算出乃至リフロ条件の決定を行っていたが、上記説明した方法による部品周辺エリア体積の算出乃至リフロ条件の決定ははんだ接合装置１において行う必要は必ずしもない。
これに代えて、他の部品情報ライブラリ３２や実装ＣＡＤデータ３１、体積センサ４１などを利用可能な外部の計算装置を用いて、リフロ処理を行う製品に関する部品周辺エリア体積の算出乃至リフロ条件の決定の処理を実行させてもよい。
この場合には、上記のように決定されたリフロ条件を記憶するための記憶部１８をはんだ接合装置１に設ける。そしてこのはんだ接合装置１を用いて基板２上への部品のリフロ処理を行う際に、はんだ接合装置１リフロ炉制御部１４がこの基板２に対応したリフロ条件を記憶部１８から読み出して、読み出したリフロ条件に基づいて基板２上への部品のリフロ処理の制御を行ってもよい。

以上、説明のみを目的として選択した好適な実施例を参照しながら、本発明を説明したが、当業者には本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これら実施例の様々な変形、省略、および逸脱を、行なうことが可能であることは明らかである。また、クレームに使用される各用語は、明細書にて説明された実施例に記載された特定の意味に限定されるものではない。

本発明は、プリント基板（ＰＷＢ）に部品が実装されたプリント回路基板のような、はんだ接合される製品の製造方法及びはんだ接合装置に適用可能であり、特にこのようなはんだ接合製品をはんだ接合する際のリフロ条件の設定方法に適用可能である。

Claims

実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、前記部品を前記基板にはんだ接合する、はんだ接合される製品の製造方法であって、
前記部品同士の間隔が前記基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して実質的に影響しなくなる最小の距離である所定距離を定め、
前記基板に実装された少なくとも１つの前記部品について、前記少なくとも１つの部品の端から前記所定距離だけ離れた位置までを含むように所定寸法の範囲を定め、
前記所定寸法の範囲内に実装される前記部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、
算出された前記部品体積に応じて前記加熱条件を決定し、
決定された前記加熱条件に基づいてリフロ加熱を行うことを特徴とする、はんだ接合される製品の製造方法。
前記算出された部品体積と、前記基板の既知の厚さに応じて、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合される製品の製造方法。
予め定めた複数の加熱条件から選択して、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合される製品の製造方法。
実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、前記部品を前記基板にはんだ接合するはんだ接合装置であって、
前記基板の各位置において、所定寸法の範囲内に実装される前記部品が占める部品体積をそれぞれ算出する部品体積算出部と、
算出された前記部品体積に応じて前記加熱条件を決定する加熱条件決定部と、
を備え、
前記所定寸法の範囲は、前記基板に実装された少なくとも１つの前記部品について、前記少なくとも１つの部品の端から所定距離だけ離れた位置までを含むように定められ、前記所定距離は、前記部品同士の間隔が、前記基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して実質的に影響しなくなる最小距離であることを特徴とするはんだ接合装置。
部品が搭載された基板を加熱してリフロを行うリフロ装置において、
前記部品を加熱する加熱機構と、
前記加熱機構を制御する制御部と、
前記制御部による前記加熱機構制御時に用いられるリフロ条件を記憶した記憶部とを備え、
前記リフロ条件は、基板上の所定寸法の範囲内に搭載された部品の体積に応じて設定されたものであり、
前記制御部は、リフロ処理が施される基板に対応したリフロ条件を前記記憶部から読み出して、前記読み出されたリフロ条件により前記基板に対するリフロ処理を制御し、
前記所定寸法の範囲は、前記基板に実装された少なくとも１つの前記部品について、前記少なくとも１つの部品の端から所定距離だけ離れた位置までを含むように定められ、前記所定距離は、前記部品同士の間隔が、前記基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して実質的に影響しなくなる最小距離であることを特徴とする、リフロ装置。
実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、前記部品を前記基板にはんだ接合するはんだ接合方法であって、
前記部品同士の間隔が前記基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して実質的に影響しなくなる最小の距離である所定距離を定め、
前記基板に実装された少なくとも１つの前記部品について、前記少なくとも１つの部品の端から前記所定距離だけ離れた位置までを含むように所定寸法の範囲を定め、
前記所定寸法の範囲内に実装される前記部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、
算出された前記部品体積に応じて前記加熱条件を決定し、
決定された前記加熱条件に基づいてリフロ加熱を行うことを特徴とする、はんだ接合方法。