JP2000244108A - プリント基板のはんだ付け方法、プリント基板のはんだ付け装置およびはんだ付け装置用冷却装置 - Google Patents

プリント基板のはんだ付け方法、プリント基板のはんだ付け装置およびはんだ付け装置用冷却装置

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JP2000244108A
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秀樹 中村
Shohei Motai
祥平 馬渡
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Senju Metal Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来、はんだ付け装置を使用したプリント基板
のはんだ付けでは、はんだ付け後の冷却がファン式の冷
却装置で行われていた。しかしながら、高温はんだや鉛
フリーはんだを従来のはんだ付け装置ではんだ付けする
と、ヒビ割れや剥離、そしてはんだ付け後の熱サイクル
で疲労破壊することがあった。 【解決手段】本発明は、溶融はんだ槽でのはんだ付け直
後にプリント基板のはんだ付け部に冷却液を接触させる
ことにより、急冷してはんだ付け部のヒビ割れや剥離、
熱サイクルによる破壊等を防ぐはんだ付け方法と装置、
および冷却装置を提供するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プリント基板をは
んだ付けする方法、プリント基板のはんだ付け装置、お
よびはんだ付け装置に設置してプリント基板を冷却する
冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、プリント基板をはんだ付けする
はんだ合金としては、Ｐｂ−６３Ｓｎの共晶はんだが多
く用いられている。この共晶はんだは、融点である液相
線温度が１８３℃という低い温度であるため、はんだ付
け装置の溶融はんだ槽で用いる場合、溶融はんだの温度
は２１０℃前後であり、電子部品やプリント基板に対す
る熱影響が少なくて済むものである。またこの共晶はん
だは、他のはんだ合金に比べてはんだ付け性が極めて良
好であるため、はんだ付け不良が少ないという特性も有
している。
【０００３】ところでプリント基板に搭載する電子部品
でもパワートランジスターや高電圧コイルは、電子機器
を使用した時にジュール熱で発熱するが、これらの電子
部品は高温に曝されるため電子部品を共晶はんだではん
だ付けしていたのでは、はんだ付け部が溶融してしまっ
たり、溶融しないまでもはんだ付け部の接着強度が弱く
なったりすることがあった。そのため、はんだ付け部が
高温に曝されるようなところには、高温雰囲気でもはん
だが溶融したり強度が弱くなったりしない高温はんだを
用いる。
【０００４】一般に高温はんだとは、鉛主成分に少量の
錫、銀、アンチモン等を添加したものや、錫主成分に少
量の鉛、銀、アンチモン等を添加したものであり、名前
が示すように融点、特に液相線温度が高く、その温度は
２２０℃以上である。従って、高温はんだを用いてのは
んだ付け温度は２５０℃以上という高い温度となり、熱
影響を受けやすい電子部品を搭載したプリント基板のは
んだ付けには使用できなかった。
【０００５】また近時、鉛公害の問題から鉛を全く含ま
ない鉛フリーはんだが検討されるようになってきてい
る。この背景には、共晶はんだではんだ付けした電子機
器が酸性雨で鉛が溶け出すことが懸念されているからで
ある。つまりテレビ、ビデオ、コンピューター、複写機
等の電子機器は、故障したり性能が悪くなったりした場
合には、修理してもそれ以上に性能が向上するわけでな
く、また修理費も高価なことから、ユーザーは修理する
よりも新しく購入した方が性能的にも経済的にも得策で
あると考えているからである。そのため完全に故障した
ものは勿論、まだ使用できる電子機器でも捨てられてい
るのが現状である。
【０００６】捨てられた電子機器は、ケースやプリント
基板が樹脂であり、またフレームやブラケット、配線な
どが金属であるため、焼却処分ができず、ほとんどが海
岸や山間の埋立地に埋められている。
【０００７】しかしながら近年ガソリンや重油のような
化石燃料が非常に多く使用されてきていることから、大
気中には硫黄酸化物が大量に放出されるようになってき
た。このように硫黄酸化物が多い大気中に雨が降ると、
雨は大気中の硫黄酸化物で酸性雨となり、それが地中に
染み込むようになる。地中に染み込んだ酸性雨は、地中
に埋められた電子機器のはんだ付け部を濡らし、はんだ
中の鉛を溶解する。そして鉛を溶解した酸性雨は、さら
に地中に浸透して地下水となり、該地下水を飲用として
利用したときに人間の体内に鉛が侵入して鉛中毒を起こ
すと考えられている。そのため、電子機器業界からは、
鉛を含まない所謂「鉛フリーはんだ合金」の出現が強く
望まれているものである。
【０００８】ところで鉛フリーはんだは、錫を主成分と
し、これに銀、銅、ニッケル等の高融点金属を添加した
ものであるが、高融点金属の添加だけでは融点が高いた
め、これにビスマスやインジューム等の低融点金属を添
加して鉛フリーはんだの融点を下げることもなされてい
る。鉛フリーはんだにビスマスやインジューム等を添加
した場合、確かに固相線温度は下がるが液相線温度はあ
まり下がらず２００℃以上と高いままのものもある。一
般にはんだ付け温度とは、液相線温度＋２０〜５０℃と
言われており、固相線温度を下げた鉛フリーはんだでも
はんだ付け温度は２２０℃以上と高く、このはんだ付け
温度ではんだ付けすると熱に弱い電子部品は機能劣化を
起こしてしまうものであった。
【０００９】熱に弱い電子部品が機能劣化を起こすの
は、高温に長時間曝されることに起因しているが、例え
高温に曝されても短時間であれば機能劣化を起こさなく
て済むものである。そのため、熱に弱い電子部品を搭載
したプリント基板のはんだ付けでは、はんだ付け後、な
るべく早くはんだ付け部を冷却することが望まれてい
た。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来のはんだ付け装置
は、フラクサー、プレヒーター、溶融はんだ槽、冷却装
置、等のはんだ付け処理装置が順次設置されており、冷
却装置はファンで風を送ってはんだ付け後のプリント基
板を冷却するものであった。このように風でプリント基
板を冷却する冷却装置では、如何に風を低温にしても冷
却速度は１０℃／秒以下とならず、ファン型の冷却装置
では熱に弱い電子部品を高温ではんだ付けした場合は機
能劣化を起こしてしまうものであった。
【００１１】また液相線温度が高い高温はんだや鉛フリ
ーはんだを用いてはんだ付けしたものは、はんだ付け
後、高温と低温に交互に曝されるという熱サイクルを受
けると、はんだ付け部が金属疲労を起こしてヒビ割れや
剥離等を起こすことがあった。これは、はんだ付けした
プリント基板が組み込まれた電子機器の使用時には電子
部品やコイル等から熱が発生するため電子機器のケース
内が高温となり、また電子機器の使用を止めると通電が
止まってケース内が室温に戻ることによる。このように
電子機器の使用、不使用を繰り返すことによりケース内
も高温・低温が繰り返され、はんだ付け部が熱サイクル
を受ける。ところが金属のはんだと樹脂のプリント基板
では熱膨張率が違うため、低温・高温による熱膨張の違
いから応力がはんだにかかり、それが繰り返されると遂
にははんだが金属疲労を起こしてヒビ割れや剥離となっ
てしまうものである。
【００１２】また鉛主成分の高温はんだや錫主成分の鉛
フリーはんだは、固相線温度と液相線温度間の所謂凝固
範囲の広いものが多い。このように凝固範囲の広いはん
だではんだ付けを行うと、はんだ付け後、はんだ付け部
に付着したはんだが完全に固まるまでに長い時間がかか
り、その間にプリント基板に振動や衝撃が加わると凝固
途中のはんだにヒビ割れや剥離が生じて不完全なはんだ
付け部となってしまう。そのため高温はんだや鉛フリー
はんだではんだ付けしたときには、早い冷却速度で冷却
することが必要となるものである。
【００１３】一般に鉛フリーはんだは、共晶はんだに比
べてはんだ付け性に劣るものである。その理由は、はん
だ自体の特性の他、錫主成分のはんだは大気中ではんだ
付けを行うと、はんだが酸化されやすいため、はんだ付
け性を悪くしてしまうからである。そこで鉛フリーはん
だを用いてはんだ付けする場合は、酸素のない状態、即
ち不活性雰囲気で行うのが好ましいとされている。しか
しながら、不活性雰囲気中ではんだ付けを行うと、外部
の冷風をチャンバー内に取り入れることができないた
め、単に風を送るファン型の冷却装置ではプリント基板
の冷却が充分に行えず、前述のような冷却不足によるヒ
ビ割れや剥離を起こしてしまうものであった。
【００１４】はんだの機械的強度を上げるためには、は
んだ付け後の冷却速度を早くするとよいと言われてい
る。その理由は、はんだ付け時に溶融状態で付着したは
んだを急冷するとはんだの凝固時に組織が細かくなり機
械的強度を上げるからである。そこで従来のはんだ付け
装置では、はんだ付け部の機械的強度を上げるために冷
却速度を上げる努力がなされていたが、前述のようにフ
ァンでの冷風では、はんだの機械的強度を上げる程の冷
却速度を得ることはできなかった。本発明は、高温はん
だや鉛フリーはんだを用いたはんだ付けで、電子部品に
機能劣化を与えたり、はんだ付け部の機械的強度を弱く
したりしないという、はんだ付け方法、はんだ付け装
置、および冷却装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、鉄鋼の焼
入れや焼鈍は高温に熱した鉄鋼を水中に入れて急冷する
と組織が細かくなって機械的強度が向上することから、
これをはんだ付け後のプリント基板の冷却に採用すれば
鉄鋼と同様な効果が現れることに着目して本発明を完成
させた。
【００１６】本発明は、プリント基板を溶融はんだに接
触させた後、冷却するはんだ付け方法において、プリン
ト基板を液相線温度が２００℃以上のはんだ合金ではん
だ付けした後、該プリント基板を流動している冷却液に
接触させてはんだ付け部を急冷することを特徴とするプ
リント基板のはんだ付け方法である。
【００１７】また別の本発明は、プリヒーター、溶融は
んだ槽が設置されたはんだ付け装置において、プリント
基板の進行方向退出側の溶融はんだ槽に近接して冷却液
を噴流する冷却装置が設置されていることを特徴とする
プリント基板のはんだ付け装置である。
【００１８】さらに別の本発明は、本体内には噴流口が
設置され、また本体には流入口と流出口が設置されてお
り、流入口は噴流口と接続されているとともに本体外部
に設置されたチラーに接続されており、また流出口も該
チラーに接続されていて、本体内の冷却液が噴流口から
噴流後、流出口から流出し、チラーで冷却された後、流
入口から本体内に戻る構造となっていることを特徴とす
るはんだ付け装置用冷却装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明のはんだ付け方法では、対
象となるはんだ合金は、液相線温度が２００℃以上のも
のである。はんだ合金の液相線温度が２００℃以上とな
ると、はんだ付け温度、即ちはんだ付け装置のはんだ槽
内の溶融はんだの温度を２２０℃以上にしなければなら
ないが、溶融はんだの温度が２２０℃になると電子部品
が機能劣化を起こし始めるようになる。しかしながら、
はんだ付け温度が高温であっても、冷却速度を早くすれ
ば、電子部品に対する熱影響は少なくて済むものであ
る。液相線温度が２００℃以上のはんだ合金としては、
高温はんだや鉛フリーはんだの多くがそれに該当する。
【００２０】本発明で冷却液による冷却速度は、１０℃
／秒以上が必要である。はんだ付け後の冷却速度が１０
℃／秒よりも遅いと、はんだ付け後のはんだの組織を細
かくして機械的強度を向上させることができないばかり
でなく、はんだ付け後、プリント基板に少しの振動でも
加わるとはんだ付け部にヒビ割れや剥離が発生してしま
う。この冷却速度を得るためには、冷却液の温度は６０
℃以下にしておくことが好ましい。
【００２１】本発明で使用する冷却液としては、はんだ
付け後に、はんだを腐食させたり、プリント基板の絶縁
抵抗を低下させたりしないものでなければならない。該
冷却液としては、代替フロン、オイル、高沸点溶剤、
水、等が適している。特に代替フロン（商品名：ＡＫ−
２２５）は、はんだ付け後、瞬時にして気化するためプ
リント基板に付着して運ばれることがなく、滴下による
汚れが全く生じない。また代替フロンは、はんだ付け後
にプリント基板に付着しているフラックス残渣を洗浄除
去する効果を有するため、さらに信頼性向上の効果も有
している。
【００２２】本発明のはんだ付け装置では、はんだ付け
後のプリント基板に冷却液を接触させる冷却装置の設置
は、当然はんだ槽に対してプリント基板の進行方向退出
側であり、できるかぎり溶融はんだ槽に近接して設置す
る。冷却装置を溶融はんだ槽に近接するのは、溶融はん
だ槽で付着した溶融はんだを高温状態から急激に低温ま
で冷却して、はんだの組織を細かくするとともに、凝固
途中の振動や衝撃でヒビ割れや剥離を起こさないように
するためである。
【００２３】本発明の冷却装置で使用するチラーとは、
液状の冷媒内にコイル状に巻回されたパイプが浸漬され
ており、該パイプ内に冷却装置から流出してきた冷却液
を流動させることにより冷媒で冷却液を冷やすものであ
る。従って、冷媒の温度をコントロールすることにより
冷却液の温度コントロールもでき、その結果、冷却速度
を如何様にも調整することができる。
【００２４】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明を説明する。本
発明では、はんだ付けを不活性雰囲気で行うはんだ付け
装置で説明する。図１は本発明のはんだ付け装置の断面
図、図２は本発明の冷却装置の平面図、図３は図２のＤ
−Ｄ線断面図である。
【００２５】はんだ付け装置１は、プリヒーター２、溶
融はんだ槽３、冷却装置４等の処理装置が順次設置され
ている。これらの処理装置の上方を搬送装置５（一点鎖
線）が走行していて、図示しないプリント基板を矢印Ｘ
方向に搬送するようになっている。
【００２６】プリヒーター２、溶融はんだ槽３、冷却装
置４はトンネル状のチャンバー６内に収容されている
が、図示しないフラクサーははんだ付け装置とは別途設
置されており、インラインでプリント基板が連続搬送さ
れるようになっている。チャンバー６内には、内部を不
活性雰囲気にするために多数の窒素ガス供給管７・・・
が取り付けられている。
【００２７】溶融はんだ槽３には、荒れた波を噴流する
一次噴流ノズル８と穏やかな波を噴流する二次噴流ノズ
ル９が設置されている。また溶融はんだ槽３の中の溶融
はんだ１０中にはチャンバー６のスカートが浸漬されて
いる。チャンバーのスカートを溶融はんだ中に浸漬した
のは、チャンバーを上下動させたときに溶融はんだでチ
ャンバー内をエアータイトにするためである。
【００２８】冷却装置４は、本体１１が開放された箱形
であり、前述溶融はんだ槽３に近接して設置されてい
る。冷却装置の設置位置は図示しないプリント基板の進
行方向Ｘに対して退出側である。冷却装置４の内部には
噴流口１２が設置されている。該噴流口は、図２に示す
ようにプリント基板の進行方向Ｘに直交して横方に広く
なっており、また噴流口１２は溶融はんだ槽３に近い方
に設置されている。
【００２９】本体１１には底面１３に流入口１４と流出
口１５が形成されており、流入口１４は前述噴流口１２
と接続されている。流入口１４と流出口１５は図示しな
いチラーと接続されている。冷却装置４の本体１１の中
には冷却液１６が入れられており、冷却液は噴流口１２
から噴流した後、本体１１内に溜り、底面１３に成形さ
れた流出口１５から流出（矢印Ａ）して図示しないチラ
ーに流動していく。チラーに入った冷却液は、チラーで
冷却され本体１１の流入口１４に流入（矢印Ｂ）し、再
度噴流口１２から噴流するようになっている。
【００３０】本発明に使用するチラーとは、冷却媒体の
中にパイプがコイル状に巻回され、該冷媒体を温度調節
するようになっているものである。従って、コイル内を
暖まった冷却液が通過するうちに温度調節された冷媒体
で熱交換されて冷却液が冷やされるようになっている。
【００３１】次に上記はんだ付け装置におけるプリント
基板のはんだ付け方法について説明する。
【００３２】先ず、溶融はんだ槽３内の溶融はんだ１０
を所定の温度に加熱し、一次噴流ノズル８と二次噴流ノ
ズル９から溶融はんだを噴流させる。そして窒素ガスを
窒素ガス供給管７からチャンバー６内に供給してチャン
バー内を所定の酸素濃度まで下げる。このようにして溶
融はんだ槽３の溶融はんだの温度とチャンバー６内の酸
素濃度が所定の数値になったならば、図示しないフラク
サーでやはり図示しないプリント基板にフラックスを塗
布した後、はんだ付け装置の搬送装置５でプリント基板
を矢印Ｘ方向に搬送する。プリント基板は、プリヒータ
ー２で予備加熱され、溶融はんだ槽３の一次噴流ノズル
８で溶融はんだが付着させられる。この一次噴流ノズル
から噴流する荒れた波は、溶融はんだが侵入しにくいは
んだ付け部に侵入して未はんだをなくすことができる
が、波が荒れているためブリッジやツララ等が発生す
る。その後、プリント基板は二次噴流ノズル９の穏やか
な波に接することにより一次噴流ノズルで発生したブリ
ッジやツララを修正して、不良のないはんだ付け部が形
成される。
【００３３】そして溶融はんだが付着したプリント基板
は、冷却装置４で冷却される。冷却装置４では、冷却液
１６が噴流口１２から噴流しており、搬送装置５で搬送
されたプリント基板は噴流している冷却液１６に接して
冷却される。このとき冷却液に接したプリント基板で
は、はんだ付け部に付着した溶融状態、或いは凝固途中
のはんだは低温となった冷却液に接するため急冷される
ようになる。
【００３４】次に本発明の具体的な実施例と比較例につ
いて説明する。本発明の実施例は、チャンバー内にプリ
ヒーター、溶融はんだ槽、本発明の冷却装置等のはんだ
処理装置を設置したものである。また比較例は、冷却装
置だけが従来のファン式のものを用いた他は実施例と同
一のはんだ処理装置を用いたはんだ付け装置である。
【００３５】上記実施例と比較例のはんだ付け装置にお
いて、チャンバー内の酸素濃度を５０ｐｐｍに保ち、溶
融はんだ槽のはんだにはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリー
はんだ（液相線温度２２０℃）を投入して該はんだの温
度を２５０℃にした。
【００３６】プリント基板に熱電対を取り付け、実施例
と比較例のはんだ付け装置のはんだ付け処理装置上を通
過させて温度プロファイルを描いた。その温度プロファ
イルを図４に示す。
【００３７】実施例の温度プロファイル（実線）では、
溶融はんだ槽の一次噴流ノズルから噴流する溶融はんだ
に接したときにプリント基板は急激に２４０℃まで上昇
し、一次噴流ノズルから離脱すると２２０℃まで下が
る。そしてプリント基板が次の二次噴流ノズルから噴流
する溶融はんだに接したときにピーク温度の２５０℃と
なり、二次噴流ノズルから離脱して２３０℃になった時
点で冷却装置から噴流する５℃の冷却液に接すると急激
に８０℃まで温度が下がった。その後、プリント基板の
余熱で１３０℃まで上昇してから徐々に温度が下がって
いった。
【００３８】一方、比較例のはんだ付け装置における温
度プロファイル（点線）は、ピーク温度２５０℃となっ
た後、５秒後にファン式冷却装置で冷却され、この冷却
装置で冷却され始めてから６０秒後にやっと１５０℃ま
で温度が下がった。
【００３９】実施例と比較例のはんだ付け装置による温
度プロファイルの比較から明らかなように本発明ではは
んだ付け後のプリント基板が急激に温度が下げられてい
るのが分かる。
【００４０】また上記実施例と比較例のはんだ付け装置
でプリント基板のはんだ付けを行った後、該プリント基
板を熱サイクル試験にかけた。この熱サイクル試験と
は、はんだ付け後のプリント基板を−５５℃の極低温に
３０分間、＋１２５℃の高温に３０分間という低温と高
温雰囲気に交互に曝し、はんだ付け部にヒビ割れが生じ
るまでのサイクル数を測定するものである。比較例のは
んだ付け装置ではんだ付けしたプリント基板は熱サイク
ル試験で、８２０サイクルでヒビ割れが生じたのに対
し、実施例のはんだ付け装置ではんだ付けしたプリント
基板では１０００サイクル以上でもヒビ割れが生じなか
った。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温はんだや鉛フリーはんだのようにはんだ付け温度が
高くてはんだ付け時、プリント基板を高温に熱してしま
うものでも、短時間でプリント基板を急激に温度を下げ
ることができるため、電子部品の機能劣化を起こさせな
いものであり、また液相線温度と固相線温度間が広いは
んだ合金に対してもはんだの凝固途中短時間で固化させ
ることができるため、搬送中に振動や衝撃が加わっても
はんだ付け部にヒビ割れや剥離等を起こさせないという
信頼性に富むはんだ付け部を得ることができるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだ付け装置の断面図
【図２】本発明の冷却装置の平面図
【図３】は図２のＤ−Ｄ線断面図
【図４】はんだ付け装置の実施例と比較例におけるプリ
ント基板の温度プロファイル
【符号の説明】
１ はんだ付け装置 ２ プリヒーター ３ 溶融はんだ槽 ４ 冷却装置 ５ 搬送装置 ６ チャンバー １２ 噴流口 １３ 底面 １４ 流入口 １５ 流出口 １６ 冷却液

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プリント基板を溶融はんだに接触させた
    後、冷却するはんだ付け方法において、プリント基板を
    液相線温度が２００℃以上のはんだ合金ではんだ付けし
    た後、該プリント基板を流動している冷却液に接触させ
    てはんだ付け部を急冷することを特徴とするプリント基
    板のはんだ付け方法。
  2. 【請求項２】 前記冷却速度は、１０℃／秒以上である
    ことを特徴とする請求項１記載のプリント基板のはんだ
    付け方法。
  3. 【請求項３】 前記冷却液は、代替フロン、オイル、高
    沸点溶剤、水、等はんだ付け後のはんだに悪影響を及ば
    さない液体であることを特徴とする請求項１記載のプリ
    ント基板のはんだ付け方法。
  4. 【請求項４】 プリヒーター、溶融はんだ槽が設置され
    たはんだ付け装置において、冷却液をプリント基板に接
    触させることができる冷却装置が溶融はんだ槽のプリン
    ト基板の進行方向退出側で溶融はんだ槽に近接して設置
    されていることを特徴とするプリント基板のはんだ付け
    装置。
  5. 【請求項５】 前記プリヒーター、溶融はんだ槽は、不
    活性雰囲気状態を保つチャンバー内に設置されているこ
    とを特徴とする請求項４記載のプリント基板用はんだ付
    け装置。
  6. 【請求項６】 本体内には噴流口が設置され、また本体
    には流入口と流出口が設置されており、流入口は噴流口
    と接続されているとともに本体外部に設置されたチラー
    に接続されており、また流出口も該チラーに接続されて
    いて、本体内の冷却液が噴流口から噴流後、流出口から
    流出してチラーで冷却された後、流入口から本体内に戻
    る構造となっていることを特徴とするはんだ付け装置用
    冷却装置。
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