JP2000351063A - 鉛フリー半田用リフロー半田付け装置及び半田付け方法、並びに接合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 融点の低温化が図られた鉛フリー半田を用い
た場合において、電子部品の十分な接合強度が得られる
リフロー装置、及び該リフロー装置にて実行される鉛フ
リー半田の半田付け方法、並びに接合体を提供する。 【解決手段】 加熱室１３２と、搬送装置１３５と、超
音波発振装置１３４とを備え、上記加熱室にて、鉛を含
有しない錫の合金である鉛フリー半田１２２を加熱し溶
融させ、上記搬送装置にて上記加熱室からプリント基板
５を搬出して溶融状態にある上記鉛フリー半田を冷却す
るときに、超音波発振装置にて鉛フリー半田に超音波振
動を作用させる。よって、電極２及び電子部品１の少な
くとも一方の接合界面にて上記鉛フリー半田における融
点降下作用金属の結晶の微細化及び上記融点降下作用金
属の偏析防止が行われ上記接合界面における接合強度を
増すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉛を含有しない、
いわゆる鉛フリー半田用のリフロー半田付け装置、及び
該リフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田用
半田付け方法、並びに上記鉛フリー半田用のリフロー半
田付け装置又は上記鉛フリー半田用半田付け方法を用い
て半田付けされた接合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境保護が叫ばれ、プリント基板
上に電子部品を固定するときに以前より使用しているＳ
ｎ−Ｐｂ（錫−鉛）系の半田に含まれている鉛も環境ひ
いては人体に悪影響を及ぼすことから、該鉛を含有しな
い、いわゆる鉛フリー半田が開発されつつある。現在、
鉛フリー半田としては、Ｓｎ−Ｃｕ（錫−銅）系、Ｓｎ
−Ａｇ（錫−銀）系、Ｓｎ−Ｚｎ（錫−亜鉛）系、Ｓｎ
−Ｂｉ（錫−ビスマス）系、Ｓｎ−Ｉｎ（錫−インジウ
ム）系、Ｉｎ−Ａｇ（インジウム−銀）系、等が開発さ
れ、特に、上記Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚ
ｎ系が有力である。

【０００３】しかしながら、従来の、鉛を含有する上記
Ｓｎ−Ｐｂ系の共晶半田の融点である１８３℃に比べ
て、上記Ｓｎ−Ｃｕ系の、例えばＳｎ−０．７Ｃｕの組
成にてなる鉛フリー半田における融点は２２７℃であ
り、上記Ｓｎ−Ａｇ系の、例えばＳｎ−３．５Ａｇの組
成にてなる鉛フリー半田における融点は２２１℃であ
り、上記Ｓｎ−Ｚｎ系の、例えばＳｎ−８Ｚｎの組成に
てなる鉛フリー半田における融点は１９９℃である。こ
れらの中では、上記Ｓｎ−Ｚｎ系の融点が最も低いが、
Ｚｎは酸化しやすいため、上述のようにプリント基板上
への電子部品の固定用として使用するには、上記酸化防
止の有効な手段が見出せていない現状にあってはＳｎ−
Ｚｎ系の鉛フリー半田には問題がある。よって、現在の
ところ有力な鉛フリー半田としては、上記Ｓｎ−Ｃｕ
系、及びＳｎ−Ａｇ系となるが、いずれの場合も上述の
ように上記共晶半田の融点に比べて約４０℃程、融点が
高い。

【０００４】例えば、プリント基板上への電子部品の固
定用に、上記Ｓｎ−Ｃｕ系及びＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー
半田を使用する場合、一般的な電子部品の耐熱温度が約
２３０℃であることから、従来の上記共晶半田の場合で
は約５０℃の熱的余裕があったのが、上記Ｓｎ−Ｃｕ系
及びＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田では温度的にほとんど
余裕がなくなってしまう。又、例えばアルミ電解コンデ
ンサ等のような弱耐熱性部品についてはなおさらであ
る。そこで、できるだけ従来の共晶半田における融点、
若しくはそれ以下に鉛フリー半田の融点を下げるため、
融点を下げる作用を有する金属である融点降下作用金属
としてＢｉ（ビスマス）やＩｎ（インジウム）等を添加
した、例えばＳｎ−３．５Ａｇ−６Ｂｉや、Ｓｎ−３．
５Ａｇ−３Ｂｉ−３Ｉｎ等の組成からなる鉛フリー半田
が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の共晶半田では、
ほぼ瞬時的に溶融状態から凝固状態へ変化する。一方、
上記Ｂｉを添加することで、その添加量に比例して鉛フ
リー半田の融点は下がるが、例えばＢｉを含有する鉛フ
リー半田では、溶融状態から凝固するまでの温度範囲が
従来の共晶半田に比べて広くなり、凝固進行中において
部分的に凝固した部分と未だ溶融状態にある部分とが混
在する状態が生じる。よって、図１２に示すように、電
子部品１とプリント基板５の電極２との接合部分３に
て、鉛フリー半田４中にて大きく成長した例えばＢｉの
結晶が偏析する場合が発生する。尚、図１２の接合部拡
大部分は、接合部分３における鉛フリー半田４の組成を
模式的に図示しており、図示する”○”が例えばＢｉに
相当し、”□”は例えばＡｇに相当する。又、電極２と
の接合界面部分に図示する”△”は、電極２の材質であ
るＣｕと、鉛フリー半田内のＳｎとの化合物に相当す
る。

【０００６】一方、Ｂｉ自体の硬度は、Ｓｎ，Ａｇに比
べて高いため、例えば数十重量％にてＢｉを含有させた
ときに、Ｂｉ結晶の上記偏析によってＢｉが集合した部
分における当該鉛フリー半田の強度は脆くなってしま
う。よって、上記電極２との接合界面部分にＢｉ結晶が
偏在し凝固してしまったようなときには、該接合界面部
分での接合強度は低くなる。したがって、上記電極２と
電子部品１との十分な接合強度が得られないという問題
が生じる。そこで、その接合強度の信頼性の点から現在
でのＢｉ含有量は、数重量％に留まざるを得ず、よって
融点の十分な低温化が図られていないのが現状である。
又、このような現状の鉛フリー半田を使用したときに
は、上述のようにその融点が共晶半田よりも高いため、
共晶半田を用いる場合に比べて半田溶融に要する例えば
電力が多くならざるを得ず、コスト、省エネルギー的に
も問題があり、又、例えばアルミ電解コンデンサ等のよ
うに弱耐熱性の部品は上記鉛フリー半田を用いた半田付
けができない。

【０００７】又、従来の共晶半田の粒子を粘性材料に混
在させた印刷ペーストをプリント基板５の電極２上に塗
布した後に、上記プリント基板５上に電子部品１を実装
したプリント基板に対して、主に上記電極２と上記電子
部品１との接合部分を加熱することで上記鉛フリー半田
を溶融させて、その後、凝固させることで上記電極２と
電子部品１とを接合させるリフロー半田付け装置が存在
する。このようなリフロー半田付け装置に搬入されるプ
リント基板５に塗布された上記印刷ペーストに含まれる
半田の粒子について、近年の環境問題の観点から上記共
晶半田に代わり上述した鉛フリー半田の粒子が用いられ
ることが予想される。

【０００８】しかしながら、リフロー半田付け装置で
は、装置の構造上、上記印刷ペースト内の半田粒子を溶
融させるための熱が電子部品に作用する割合が高いこと
から、鉛フリー半田の融点を、従来の共晶半田の融点近
く又はそれ以下まで可能な限り下げたいが、上記鉛フリ
ー半田は、現時点では上述のような問題を有する。よっ
て、上記鉛フリー半田を含む上記印刷ペーストを従来の
リフロー半田付け装置にて溶融、凝固させても上記電極
２と電子部品１との十分な接合強度が得られないという
問題が生じる。本発明は、このような問題点を解決する
ためになされたもので、融点の低温化が図られた鉛フリ
ー半田を用いた場合において、電子部品の十分な接合強
度が得られるリフロー半田付け装置、及び該リフロー半
田付け装置にて実行される鉛フリー半田の半田付け方
法、並びに上記鉛フリー半田用のリフロー半田付け装置
又は上記鉛フリー半田用半田付け方法を用いて半田付け
された接合体を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１態様であ
る、鉛フリー半田用リフロー半田付け装置は、鉛を含有
しない錫の合金である鉛フリー半田を加熱し溶融させる
加熱室と、上記鉛フリー半田にて接合される装着物及び
被装着材の上記加熱室への搬入及び上記加熱室からの搬
出を行う搬送装置と、溶融状態にある上記鉛フリー半田
が上記加熱室から搬出されることで冷却されるときに、
上記鉛フリー半田に含まれ上記鉛フリー半田における融
点を降下させる作用を有する融点降下作用金属の結晶の
微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記被
装着材と上記装着物との接合強度を増す微小振動を上記
鉛フリー半田に作用させる発振装置と、を備えたことを
特徴とする。

【００１０】上記発振装置は、溶融状態にある上記鉛フ
リー半田が上記加熱室から搬出されることで冷却される
ときに、上記被装着材と上記装着物との少なくとも一方
の接合界面にて、上記融点降下作用金属の結晶の微細化
及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記接合界面
における上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す
微小振動を上記鉛フリー半田に作用させることもでき
る。

【００１１】上記被装着材及び上記装着物における半田
付け部分がＣｕを含有するとき、上記発振装置が発する
上記微小振動は、さらに、上記被装着材と上記装着物と
の少なくとも一方の接合界面に存在する、上記鉛フリー
半田に含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物層の厚みを増
し上記接合界面における上記被装着材と上記装着物との
接合強度を増す振動であるようにすることもできる。

【００１２】上記第１態様において、上記微小振動につ
いて、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有
する上記融点降下作用金属の量、及び上記接合強度の少
なくとも一つに基づいて制御を行う制御装置をさらに備
えることもできる。

【００１３】又、本発明の第２態様である、リフロー半
田付け装置にて実行される鉛フリー半田の半田付け方法
は、鉛を含有しない錫の合金である鉛フリー半田を凝固
させることで装着物を被装着材に接合させるため、溶融
状態にある上記鉛フリー半田の冷却を行うとき、上記鉛
フリー半田における融点を降下させる作用を有する融点
降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の
偏析防止を行い上記装着物と上記被装着材との接合強度
を増す微小振動を、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリ
ー半田に含有する上記融点降下作用金属の量、及び上記
接合強度の少なくとも一つに基づいて制御することを特
徴とする。

【００１４】さらに本発明の第３態様である接合体は、
上記第１態様の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置を
用いて半田付けされたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態である鉛フリー
半田用リフロー半田付け装置、及び該リフロー半田付け
装置にて実行される鉛フリー半田の半田付け方法、並び
に上記鉛フリー半田用のリフロー半田付け装置又は上記
鉛フリー半田用半田付け方法を用いて半田付けされた接
合体について、図を参照しながら以下に説明する。尚、
各図において、同じ構成部分については同じ符号を付し
ている。又、上記「課題を解決するための手段」に記載
する、「装着物」の機能を果たす一例として、本実施形
態では電子部品を例に採り、「被装着材」の機能を果た
す一例として、本実施形態では上記電子部品を実装する
プリント基板を例に採り、「微小振動」の機能を果たす
一例として、本実施形態では超音波振動を例に採り、
「発振装置」の機能を果たす一例として、本実施形態で
は超音波発振装置を例に採り、「接合体」の機能を果た
す一例として、本実施形態では上記プリント基板と上記
電子部品とが半田付けされた物を例に採る。尚、上記装
着物及び被装着材はこれらに限定されるものではなく、
例えば、上記被装着材が液晶パネル用基板であったり、
上記被装着材及び装着物の両者ともに電子部品であるよ
うな場合も含む概念である。又、上記微小振動は上記超
音波振動に限定されず、以下に説明するように上記装着
物と上記被装着材との接合部分、特には接合界面部分で
の接合強度を増す作用をする振動である。

【００１６】又、本実施形態では、鉛を含有しない錫の
合金である半田、つまり鉛フリー半田の一例として、上
記Ｓｎ−Ａｇ系半田に、当該鉛フリー半田の融点を下げ
る作用を有する金属、つまり融点降下作用金属としてＢ
ｉを添加したＳｎ−Ａｇ−Ｂｉの組成にてなる鉛フリー
半田を例に採り、具体的なＢｉ含有量としては、２０重
量％、４０重量％とした。尚、Ｂｉ含有量の最大値は、
Ａｇを含まずＳｎと共晶状態となる５８重量％（Ｓｎ−
５８Ｂｉ）である。しかしながら、鉛フリー半田の組成
は、これに限定するものではなく、上述したＳｎ−Ｃｕ
系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｉｎ
−Ａｇ系等であって、上記融点降下作用金属としてＢ
ｉ，Ｉｎ，Ｃｕ等が考えられる。尚、ここで、上記融点
降下作用金属とは、約０．５重量％を超えるものをい
い、又、例えばＢｉ等の単体である場合に限らず例えば
Ｂｉ等を含有した合金の場合もある。

【００１７】図1に示すように、本実施形態のリフロー
装置１１１には、従来のリフロー装置の場合と同様に、
プリント基板上に印刷ペースト１２１が塗布され、かつ
実装位置に電子部品１が仮固定された部品実装済みのプ
リント基板５が搬入される。ここで、上記印刷ペースト
１２１に含まれる半田粒子１２２は、上述のＳｎ−Ａｇ
−Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田である。以後、該鉛
フリー半田に符号１２２を付すときもある。上記リフロ
ー装置１１１は、予備加熱室１３１と、本加熱室１３２
と、冷却室１３３と、超音波発振装置１３４と、搬送装
置１３５と、制御装置１３６とを備える。尚、上記予備
加熱室１３１及び冷却室１３３は、設置を省略すること
もできる。

【００１８】搬送装置１３５は、予備加熱室１３１、本
加熱室１３２、及び冷却室１３３を貫通した搬送路に沿
って延在するコンベヤ１３５１を有し、該コンベヤ１３
５１を駆動するモータ１３５２にて、該コンベヤ１３５
１に載置された上記部品実装済みのプリント基板５を、
予備加熱室１３１、本加熱室１３２、冷却室１３３の順
に搬送する。図示するようにコンベヤ１３５１は循環し
ており、又、モータ１３５２は制御装置１３６にて動作
制御される。

【００１９】上記予備加熱室１３１は、上記部品実装済
プリント基板５における、主に上記印刷ペースト１２
１、即ち鉛フリー半田１２２の予備加熱を行う部分であ
り、予備加熱用のヒータ１３１１を備える。該ヒータ１
３１１は、電源１３１２を介して制御装置１３６に接続
されており、電源１３１２が制御装置１３６にて動作制
御されることで、図４に示すように、少なくとも印刷ペ
ースト１２１をプリヒート時間Ｔ１内にプリヒート温度
ｔ１まで加熱する。尚、上記プリヒート温度ｔ１は、当
該鉛フリー半田１２２の融点（ｍ．ｐ．）よりも若干低
い温度である。又、予備加熱室１３１内には、搬送され
る部品実装済プリント基板５の厚み方向において、上記
搬送路を挟み上記ヒータ１３１１と反対側には、温度調
節用に冷気ガスを吹き出すノズル１３１３及び予備加熱
室１３１内の空気を撹拌するためのファン１３１４が設
けられている。上記ノズル１３１３に冷気ガスを供給す
るガス供給装置１３１５及び上記ファン１３１４を回転
させるモータ１３１６は、それぞれ制御装置１３６に接
続されており、制御装置１３６にてそれぞれ動作制御さ
れる。

【００２０】上記本加熱室１３２は、上記予備加熱室１
３１に隣接して設けられ、上記プリヒート温度ｔ１に予
備加熱された少なくとも印刷ペースト１２１、即ち鉛フ
リー半田１２２を本加熱する部分であり、本加熱用のヒ
ータ１３２１を備える。該ヒータ１３２１は、電源１３
２２を介して制御装置１３６に接続されており、電源１
３２２が制御装置１３６にて動作制御されることで、図
４に示すように、少なくとも鉛フリー半田１２２をリフ
ロー時間Ｔ２内にリフロー温度ｔ２まで加熱する。上記
リフロー温度ｔ２は、当該鉛フリー半田１２２の上記融
点を超える温度であるので、該本加熱により、鉛フリー
半田１２２は溶融される。又、上記予備加熱室１３１の
場合と同様に、本加熱室１３２内にも、冷気ガス吹出ノ
ズル１３２３及びファン１３２４が設けられ、上記ノズ
ル１３２３に冷気ガスを供給するガス供給装置１３２５
及び上記ファン１３２４を回転させるモータ１３２６
は、それぞれ制御装置１３６に接続されており、制御装
置１３６にてそれぞれ動作制御される。尚、鉛フリー半
田１２２の予備加熱及び本加熱を行う手段としては、本
実施形態における上記ヒータ１３１１，１３２１に限定
されるものではなく、例えば、熱風や、ＩＲ（赤外線）
等の公知の手段を用いることもできる。又、予備加熱及
び本加熱における鉛フリー半田１２２の温度上昇曲線
は、図４に示すパターンに限定されるものではない。

【００２１】上記冷却室１３３は、上記本加熱室１３２
に隣接して設けられ、上記リフロー温度ｔ２に本加熱さ
れ溶融状態にある鉛フリー半田１２２を冷却する部分で
あり、冷却室１３３内の空気を撹拌するためのファン１
３３４が設けられている。該ファン１３３４を回転させ
るモータ１３３６は、制御装置１３６に接続されてお
り、制御装置１３６にて動作制御される。

【００２２】さらに、上記予備加熱室１３１及び本加熱
室１３２には、本実施形態のリフロー装置１１１におい
て特徴的構成の一つである超音波発振装置１３４が設け
られている。該超音波発振装置１３４は、所定の周波数
の超音波を発生する発振器１３４１と、超音波振動を上
記部品実装済プリント基板５に作用させる作用部１３４
２とを備え、本実施形態では上記作用部１３４２をプリ
ント基板５に接触させることで以下の機能を果たす。つ
まり、超音波発振装置１３４は、上記本加熱により鉛フ
リー半田１２２が溶融状態にある少なくとも上記接合部
分３、特に上記電極２の接合界面及び電子部品１の接合
界面の少なくとも一方に、下記の、結晶の微細化及び偏
在防止を図る程度の周波数の振動、例えば数μｍの振幅
が生じるように、本実施形態では上記作用部１３４２を
プリント基板５に接触させる。

【００２３】当該リフロー装置１１１では、上述のよう
に本加熱室１３２及び冷却室１３３に超音波発振装置１
３４を設けており、又、上記プリント基板５は、コンベ
ヤ１３５１にて、本加熱室１３２内及び冷却室１３３内
を停止することなく搬送される。よって本実施形態の超
音波発振装置１３４の上記作用部１３４２は、プリント
基板５の搬送に同期して移動する同期移動機構を設けて
いる。

【００２４】尚、上述のように本実施形態では上記作用
部１３４２は、プリント基板５に接触して振動を与える
形態を採ることから上記同期移動機構を有するが、プリ
ント基板５、正確には上記溶融状態にある鉛フリー半田
１２２への超音波振動の与え方は、プリント基板５に上
記作用部１３４２を直接に接触させる形態に限定されな
い。よって上記同期移動機構を常に備えるものではな
い。

【００２５】又、当該リフロー装置１１１では、上述の
ように本加熱室１３２及び冷却室１３３に超音波発振装
置１３４を設けているので、図４に示すように、上記本
加熱室１３２内をプリント基板５が搬送されている時間
に相当する上記リフロー時間Ｔ２内における、時刻Ｔ２
−０、時刻Ｔ２−１、時刻Ｔ２−２、及び時刻Ｔ２−３
の内のいずれかの時刻から超音波振動をプリント基板５
へ作用させることができる。ここで、上記時刻Ｔ２−０
は、プリント基板５が予備加熱室１３１から本加熱室１
３２に搬入し上記鉛フリー半田１２２が上記プリヒート
温度ｔ１を超えたときの時刻であり、上記時刻Ｔ２−１
はプリヒート温度ｔ１を超えた鉛フリー半田１２２がそ
の融点を超えたときの時刻であり、上記時刻Ｔ２−２は
融点を超えた鉛フリー半田１２２が上記リフロー温度ｔ
２に到達してから冷却開始までの間の任意の時刻であ
り、上記時刻Ｔ２−３はリフロー温度ｔ２にある鉛フリ
ー半田１２２の冷却を開始するときの時刻である。尚、
上記超音波振動の作用終了時点は、最大、当該鉛フリー
半田１２２が完全に凝固した以後である。

【００２６】一方、上述のように、上記超音波振動を与
える目的は、鉛フリー半田１２２に含まれる融点降下作
用金属の結晶の微細化等であることから、溶融状態にあ
る鉛フリー半田１２２の冷却を開始して当該鉛フリー半
田１２２の温度が少なくともその凝固点に降下する直前
には、超音波振動の作用を開始させる必要がある。よっ
て、超音波発振装置１３４は、少なくとも冷却室１３３
に設ければよい。そして冷却室１３３にのみ超音波発振
装置１３４を設けたときには、プリント基板５が冷却室
１３３内を搬送されている時間に相当する冷却時間内、
つまり本加熱室１３２から冷却室１３３へプリント基板
５が搬入され鉛フリー半田１２２の冷却が開始される上
記時刻Ｔ２−３から鉛フリー半田１２２の温度がその凝
固点まで降下した時刻Ｔ３−１の直前までの時間内の任
意の時刻から、最低限、超音波振動を鉛フリー半田１２
２に作用させればよい。

【００２７】このように接合部分３に対して超音波振動
を作用させることで、溶融している鉛フリー半田１２２
が上記超音波振動により振動する。よって、図１２に示
すように肥大化したＢｉの結晶３１は、上記振動の作用
により図５に示すように、微細化され、かつ上記振動の
作用により溶融状態の鉛フリー半田１２２が混ぜ合わさ
れるので、例えば電極２の接合界面にＢｉの結晶が偏在
することを防止することができる。その結果、当該鉛フ
リー半田１２２におけるＢｉ以外の成分、例えばＳｎや
Ａｇ等に比べて硬度の高いＢｉの結晶が、例えば電極２
の接合界面に集合した状態で偏析し凝固することはなく
なる。又、本実施形態における鉛フリー半田１２２の成
分のように、Ａｇを含有する場合、ＳｎとＡｇとの合金
が生成され析出するが、上記超音波振動はこのようなＳ
ｎ−Ａｇ合金の結晶をも微細化するように働く。したが
って、接合部分３の全体がほぼ均一な組成となり、かつ
各組成の結晶は微細化されているので、接合部分３の全
体の強度を均一化でき、上記電極２の接合界面及び電子
部品１の接合界面における接合強度を、超音波振動を作
用させない従来の場合に比べて、高めることができる。

【００２８】さらに、上記超音波振動を作用させること
で以下の効果を得ることもできる。即ち、上述したよう
に、上記接合部分３においてＣｕを主成分とする電極２
及び電子部品１の電極の表面部分には、鉛フリー半田１
２２に含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物が形成されて
いるが、上記超音波振動を作用させることで、該振動に
より上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物を含む層が溶融状態の鉛フリ
ー半田１２２内へ拡散し、成長する。このＳｎ−Ｃｕ化
合物を含む層の厚み１０２が適切な値になるように超音
波振動を作用させることで、より上記電極２及び電子部
品１の接合界面における接合強度を高めることができ
る。尚、上記厚み１０２は、上記適切値を超えると、逆
に、上記接合強度が弱くなるので、超音波振動は制御さ
れる必要がある。さらには、上記超音波振動を作用させ
ることで、鉛フリー半田１２２の表面張力を低下させる
ことができるので、鉛フリー半田１２２の流れを良く
し、いわゆる濡れ性を向上させることができる。

【００２９】又、Ｂｉを含有させないＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ
−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ系の半田や共晶半田に比べ
て、Ｂｉを添加した半田は、熱疲労試験において特にク
ラックや変形等の発生防止効果が非常に優れているとい
う利点がある。よって、Ｂｉを含有する鉛フリー半田
は、上記超音波振動の作用により接合強度を向上させる
ことができ、かつクラックや変形等の発生防止を図るこ
ともできる。

【００３０】以上のように、超音波振動による上記接合
部分３における周波数及び振幅値は、接合部分３におけ
るプリント基板５及び電子部品１の少なくとも一方の接
合界面にて上記鉛フリー半田１２２に含まれる融点降下
作用金属、例えば上述のようにＢｉ、の結晶の微細化、
及びＳｎ−Ａｇのような生成された合金結晶の微細化、
並びに上記融点降下作用金属の偏析防止を行い、上記接
合界面におけるプリント基板５の電極２と電子部品１と
の接合強度を増す値である。該値に加えてさらに、上記
接合界面に存在する上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物を含む層の厚
みを増し上記接合界面における電極２と電子部品１との
接合強度を増す値を考慮して上記周波数及び振幅値を決
定しても良いし、さらに上記濡れ性を向上させる値を考
慮して決定しても良い。

【００３１】即ち、このような周波数及び振幅値は、上
記鉛フリー半田の組成、とりわけ上記融点降下作用金属
の、本実施形態の場合ではＢｉの含有量と相関関係を有
し、ひいては上記接合界面における電極２と電子部品１
との接合強度と相関関係を有する。さらに又、上記周波
数及び振幅値は、上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物層の厚み、つま
り上記接合界面における電極２と電子部品１との接合強
度とも相関関係を有する。そこで本実施形態では、制御
装置１３６に備わる記憶部１３６１に、上記融点降下作
用金属の含有量及び上記接合強度の少なくとも一方と、
上記振幅値及び周波数との関係情報を少なくとも格納
し、さらには上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物層の厚みと、上記接
合強度と、上記振幅値及び周波数との関係情報を格納す
るのが好ましい。よって制御装置１３６は、上記接合強
度における所望値と、例えば上記融点降下作用金属の含
有量とに基づいて最適な上記振幅値及び周波数を求め、
該振幅値及び周波数が上記接合部分３にて得られるよう
に、上記発振器１３４１の動作制御を行う。制御装置１
３６が上記動作制御を行うことで、より適切に鉛フリー
半田１２２を超音波振動させることができ、上記接合強
度を適切化することができる。

【００３２】出願人は、上述のように鉛フリー半田１２
２に超音波振動を作用させた場合、及び作用させない従
来の場合における上記接合強度を求める実験を行った。
該実験用の装置構成を図６、７に示し、接合強度評価方
法を図１１に示し、実験結果を図８〜図１０に示す。当
該実験では、鉛フリー半田１２２を溶融させる手段とし
て、図６に示すように熱風発生器２０１を用い、又、超
音波発振器２０２のホーン部２０３をプリント基板２０
４に固定した。尚、ホーン部２０３が上記作用部１３４
２に相当する。プリント基板２０４上の電極には、上記
鉛フリー半田１２２の印刷ペーストを塗布し、ＱＦＰ
（Quad Flat Gull Wing Leaded Package）にてなる電子
部品２０５を仮固定した。図７には、電子部品２０５と
ホーン部２０３との位置関係を示している。

【００３３】このような実験装置構成にて、熱風発生器
２０１からの熱風を電子部品２０５に当て、鉛フリー半
田１２２を溶融させ、溶融後、上記熱風を当てるのをや
めて自然冷却させて鉛フリー半田１２２を凝固させた。
超音波発振器２０２による超音波振動は、上記自然冷却
の開始と同時に作用を開始した。上記接合強度評価方法
は、上記鉛フリー半田１２２を用いて上記電極２に接合
した電子部品１のリードを４５度方向へ引っ張り、上記
リードと電極２との間の剥離や、上記リード又は電極２
の破断に至るまでの引張強度を調べた。又、図８は、Ｓ
ｎ−３．５Ａｇ−４０Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田
を用いた場合の実験結果であり、図９は、Ｓｎ−３．５
Ａｇ−２０Ｂｉの場合の実験結果であり、図１０は、Ｓ
ｎ−３．５Ａｇ−６Ｂｉの場合の実験結果である。特に
図８及び図９に示す実験結果から明らかなように、超音
波振動を作用させない場合に比べて作用させた方が、引
張強度が向上することがわかる。さらに、図８及び図９
と、図１０との実験結果から明らかなように、Ｂｉ含有
量が多い鉛フリー半田において、超音波振動の作用が有
効であることが判る。

【００３４】以上説明した構成を備えるリフロー装置１
１１の動作を以下に説明する。尚、動作制御は、制御装
置１３６にて行われる。 鉛フリー半田１２２の印刷ペ
ースト１２１が電極２に塗布され、かつ電子部品１が載
置されたプリント基板５が搬送装置１３５のコンベヤ１
３５１に載置される。載置されたプリント基板５は、コ
ンベヤ１３５１の搬送に従い、予備加熱室１３１に搬入
され、上記鉛フリー半田１２２は、図４に示すようにプ
リヒート温度ｔ１まで加熱される。さらにコンベヤ１３
５１の搬送によりプリント基板５は本加熱室１３２に搬
入され、鉛フリー半田１２２は融点を超えて溶融しさら
に上記リフロー温度ｔ２まで加熱される。尚、本実施形
態では、予備加熱室１３１及び本加熱室１３２では、で
きるだけ鉛フリー半田１２２の印刷ペースト１２１部分
のみを加熱し電子部品１を加熱しないように、電子部品
１部分をヒータ１３１１，１３２１の熱から守るマスク
を設けている。

【００３５】又、本実施形態では、鉛フリー半田１２２
が上記リフロー温度ｔ２に達した後、冷却が開始される
前に、超音波発振装置１３４の作用部１３４２をプリン
ト基板５に接触させ、超音波振動をプリント基板５、即
ち溶融状態の鉛フリー半田１２２に作用し始める。 上
記超音波振動を作用させながら、コンベヤ１３５１の搬
送に従いプリント基板５は冷却室１３３へ搬入され、鉛
フリー半田１２２の冷却が行われ、鉛フリー半田１２２
が完全に凝固する温度に達した以後にて上記作用部１３
４２をプリント基板５から外し上記超音波振動の作用を
停止する。又、その後、プリント基板５は、冷却室１３
３から搬出される。以下、同様の動作が、搬送される各
プリント基板５に対して行われ、順次半田付けが行われ
ていく。

【００３６】本実施形態のリフロー装置１１１によれ
ば、鉛フリー半田１２２の融点を従来の共晶半田付近ま
で下げながら、溶融状態にある鉛フリー半田１２２に超
音波振動を作用させることで、プリント基板５の電極２
と電子部品１との接合強度を、超音波振動を作用させな
い場合に比べて増すことができる。

【００３７】又、このように超音波振動の作用により、
Ｂｉ含有量が従来に比べて多い鉛フリー半田であっても
その信頼性を得ることができる。よって、従来の鉛フリ
ー半田に比べて融点の低い鉛フリー半田を使用すること
ができ、その結果、例えば、アルミ電解コンデンサ等の
ような弱耐熱性部品を鉛フリー半田にてプリント基板等
に固定することが可能となり、又、鉛フリー半田を溶融
させるために要する電力を従来の鉛フリー半田の場合に
比べて低下させることができ、省エネルギー、究極的に
は環境保護に寄与することになるという効果もある。

【００３８】上述のように本実施形態では、連続的に超
音波振動をプリント基板５へ作用させたが、これに限定
されるものではなく、間欠的に作用させてもよい。又、
上述のように本実施形態では、予備加熱及び本加熱はヒ
ータ１３１１、１３２１にて行い、又、予備加熱室１３
１への搬入から冷却室１３３からの搬出まで、コンベヤ
１３５１は停止することなくプリント基板５を搬送し、
超音波発振装置１３４は搬送されているプリント基板５
へ超音波振動を作用させるように構成したが、このよう
な構成に限定されるものではない。例えば、図２及び図
３に示すように、公知のＶＰＳ（Vapor Phase Solderin
g）方式の形態を採った、リフロー装置３１１、３５１
を構成することもできる。

【００３９】リフロー装置３１１では、本加熱のとき、
制御装置３３６にて動作制御される搬送装置３３５のコ
ンベヤ３３５１による搬送路からプリント基板５を一旦
外して加熱装置３３２の加熱槽３３２２内で静止させ、
本加熱が行われる。又、該リフロー装置３１１は、制御
装置３３６にて動作制御される超音波発振装置３３４を
備え、上記本加熱により溶融状態にある鉛フリー半田１
２２に対する超音波振動の作用、さらには溶融状態から
の冷却時における鉛フリー半田１２２に対する超音波振
動の作用を行う。尚、上記制御装置３３６は、上述の制
御装置１３６と同様の構成及び機能を有する。

【００４０】尚、上記加熱装置３３２は、鉛フリー半田
１２２の上記リフロー温度ｔ２程度の沸点を有する加熱
用液体３３２１を蓄えた加熱槽３３２２と、該加熱用液
体３３２１を沸騰させるヒータ３３２３と、上記加熱槽
３３２２へのプリント基板５の出し入れを行う昇降装置
３３２４と、加熱用液体３３２１の蒸気を凝縮させる冷
却コイル３３２５とを備える。又、上記ヒータ３３２
３、昇降装置３３２４、及び冷却コイル３３２５は、制
御装置３３６にてそれぞれ動作制御される。このように
構成された加熱装置３３２では、ヒータ３３２３により
沸騰した加熱用液体３３２１の蒸気が加熱槽３３２２内
の加熱領域３３２６に飽和状態にて存在する。よって加
熱領域３３２６は、加熱用液体３３２１の沸点、つまり
上記リフロー温度ｔ２程度の均一な温度になっている。
コンベヤ３３５１から移載されたプリント基板５は、上
記昇降装置３３２４にて加熱領域３３２６内へ搬入さ
れ、上記リフロー温度ｔ２程度の温度にて昇温され、鉛
フリー半田１２２が溶融される。鉛フリー半田１２２の
溶融後、昇降装置３３２４にてプリント基板５は加熱槽
３３２２外へ搬出され、再びコンベヤ３３５１へ移載さ
れる。上記超音波発振装置３３４は、上述した、鉛フリ
ー半田１２２の溶融後プリント基板５が加熱槽３３２２
外へ搬出されて鉛フリー半田１２２の凝固が完了するま
での間、プリント基板５を介して上記接合部分３へ超音
波振動を作用させる。

【００４１】図３に示すリフロー装置３５１は、上述の
リフロー装置３１１の変形例であり、上記加熱領域３３
２６をコンベヤ３３５１の搬送路中に設けた構成を有す
る。又、図３に示す、符号３５２は加熱装置を示し、符
号３５３は冷却室を示し、符号３５４は搬送路内の排気
を行う排気装置を示しており、上記加熱装置３５２は、
上述の加熱装置３３２に相当し、上記冷却室３５３は上
述の冷却室１３３に相当する。このような構成にてなる
リフロー装置３５１では、上述したリフロー装置１１１
の場合と同様にコンベヤ３３５１による搬送中に鉛フリ
ー半田１２２を加熱することもできるし、加熱装置３５
２の加熱領域３３２６にてプリント基板５の搬送を一旦
停止して加熱を行ってもよい。

【００４２】これらのリフロー装置３１１，３５１にお
いても、超音波発振装置３３４を備えているので、上述
のリフロー装置１１１の場合と同様に、融点を従来の共
晶半田付近まで下げながら、溶融状態にある鉛フリー半
田１２２に超音波振動を作用させることで、プリント基
板５の電極２と電子部品１との接合強度を、超音波振動
を作用させない場合に比べて増すことができる。

【００４３】又、上記制御装置１３６，３３６に備わる
記憶部１３６１には、本実施形態の場合、上述のように
上記融点降下作用金属の含有量及び上記接合強度の少な
くとも一方と、上記振幅値及び周波数との関係情報を少
なくとも格納し、好ましくはさらに、上記Ｓｎ−Ｃｕ化
合物層の厚みと、上記接合強度と、上記振幅値及び周波
数との関係情報を格納し、又さらに以下の関係情報を格
納することもできる。つまり、例えば図７に示すよう
に、超音波発振装置１３４の作用部１３４２がプリント
基板５に接触して鉛フリー半田１２２に超音波振動を与
える場合、該超音波振動は波状にプリント基板５を伝搬
していくので、共振する部分としない部分とが生じる。
よって上記作用部１３４２が接触する接触位置と、振動
させたい接合部分３との間の距離と、上記振幅値及び周
波数との関係情報や、プリント基板５の大きさと上記振
幅値及び周波数との関係情報を上記記憶部１３６１に格
納してもよい。上記距離や大きさと上記振幅値及び周波
数との関係情報を上記記憶部１３６１に格納すること
で、当該リフロー半田付け装置１１１に搬入されてくる
プリント基板５の大きさに応じて、制御装置１３６の制
御により、より適切に鉛フリー半田１２２を超音波振動
させることができ、上記接合強度を適切化することがで
きる。

【００４４】又、上述のように上記超音波振動を作用さ
せることで、鉛フリー半田１２２の表面張力を低下させ
上記濡れ性を向上させることができることから、上記記
憶部１３６１には、上記超音波振動と上記濡れ性との関
係情報を格納することもできる。

【００４５】さらには、鉛フリー半田のＢｉ含有量は、
上述のようにクラック等の発生防止効果とも関係するの
で、記憶部１３６１には、Ｂｉ含有量を介してクラック
等の発生防止と上記超音波振動との関係情報を格納する
こともできる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の第１態様の
鉛フリー半田用リフロー装置によれば、溶融している鉛
フリー半田を凝固させるときに微小振動を作用させる発
振装置を備えたことから、融点を従来の共晶半田付近ま
で降下させた鉛フリー半田において、当該鉛フリー半田
に含まれる融点降下作用金属の結晶の微細化及び偏析防
止が図られ、上記被装着材と装着物との接合強度を、上
記微小振動を作用させない場合に比べて増すことができ
る。

【００４７】又、本発明の第２態様における、鉛フリー
半田用リフロー装置にて実行される半田付け方法によれ
ば、鉛フリー半田における融点降下作用金属の結晶の微
細化及び上記融点降下作用金属の偏析防止を行い被装着
材と装着物との接合強度を増す微小振動を、上記被装着
材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有する上記融点降下
作用金属の量、及び上記被装着材と装着物との接合強度
の少なくとも一つに基づいて制御するようにした。した
がって、上記被装着材と装着物との接合強度は上記微小
振動を作用させない場合に比べて増すことができ、かつ
適切化することができる。

【００４８】又、本発明の第３態様の接合体では、上記
第１態様の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置を用い
て半田付けを行うことから、鉛フリー半田に含まれる融
点降下作用金属の含有量が従来に比べて多い鉛フリー半
田を使用しても、上記被装着材と上記装着物との接合強
度を従来に比べて増すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態における鉛フリー半田用リ
フロー装置の概略構成を示す図である。

【図２】 図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置にお
ける本加熱室の変形例を示す断面図である。

【図３】 図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置にお
ける本加熱室の変形例を示す図である。

【図４】 図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置にて
実行される温度制御を説明するためのグラフである。

【図５】 図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置にて
超音波振動を作用させた場合における、プリント基板の
電極と電子部品との接合部分での、鉛フリー半田の含有
成分の結晶の状態を説明するための概念図である。

【図６】 超音波振動の作用の有無と接合強度との関係
を調べるための実験装置の概略を示す図である。

【図７】 図６に示す実験装置にて使用したプリント基
板の平面図である。

【図８】 上記実験の結果を示すグラフであり、Ｓｎ−
３．５Ａｇ−４０Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田の場
合で、超音波振動の作用の有無と引張強度との関係を示
すグラフである。

【図９】 上記実験の結果を示すグラフであり、Ｓｎ−
３．５Ａｇ−２０Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田の場
合で、超音波振動の作用の有無と引張強度との関係を示
すグラフである。

【図１０】 上記実験の結果を示すグラフであり、Ｓｎ
−３．５Ａｇ−６Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田の場
合で、超音波振動の作用の有無と引張強度との関係を示
すグラフである。

【図１１】 上記引張強度の測定方法を説明するための
図である。

【図１２】 プリント基板の電極と電子部品との接合部
分について、超音波振動を作用させない場合における鉛
フリー半田の含有成分の結晶の状態を説明するための概
念図である。

【符号の説明】

１…電子部品、２…電極、３…接合部分、５…プリント
基板、１１１…リフロー装置、１２２…鉛フリー半田、
１３２…本加熱室、１３３…冷却室、１３４…超音波発
振装置、１３６…制御装置、３１１…リフロー装置、３
３６…制御装置、３５１…リフロー装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 3/34 ５０７ Ｈ０５Ｋ 3/34 ５０７Ｊ ５１２ ５１２Ｃ (72)発明者 平野 正人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山口 敦史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 末次 憲一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5E319 BB01 BB08 CC33 CD35

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉛を含有しない錫の合金である鉛フリー
   半田を加熱し溶融させる加熱室（１３２、３３２）と、 上記鉛フリー半田にて接合される装着物（１）及び被装
   着材（５）の上記加熱室への搬入及び上記加熱室からの
   搬出を行う搬送装置（１３５、３３５）と、 溶融状態にある上記鉛フリー半田が上記加熱室から搬出
   されることで冷却されるときに、上記鉛フリー半田に含
   まれ上記鉛フリー半田における融点を降下させる作用を
   有する融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下
   作用金属の偏析防止を行い上記被装着材と上記装着物と
   の接合強度を増す微小振動を上記鉛フリー半田に作用さ
   せる発振装置（１３４、３３４）と、 を備えたことを特徴とする鉛フリー半田用リフロー半田
   付け装置。
2. 【請求項２】 上記発振装置は、溶融状態にある上記鉛
   フリー半田が上記加熱室から搬出されることで冷却され
   るときに、上記被装着材と上記装着物との少なくとも一
   方の接合界面にて、上記融点降下作用金属の結晶の微細
   化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記接合界
   面における上記被装着材と上記装着物との接合強度を増
   す微小振動を上記鉛フリー半田に作用させる、請求項１
   記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
3. 【請求項３】 上記被装着材及び上記装着物における半
   田付け部分がＣｕを含有するとき、上記発振装置が発す
   る上記微小振動は、さらに、上記被装着材と上記装着物
   との少なくとも一方の接合界面に存在する、上記鉛フリ
   ー半田に含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物層の厚みを
   増し上記接合界面における上記被装着材と上記装着物と
   の接合強度を増す振動である、請求項１又は２記載の鉛
   フリー半田用リフロー半田付け装置。
4. 【請求項４】 上記鉛フリー半田がＳｎ−Ａｇ系組成を
   主成分とするとき、上記発振装置が発する上記微小振動
   は、さらに、Ｓｎ−Ａｇ合金成分の結晶の微細化及び偏
   析防止を行う、請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛
   フリー半田用リフロー半田付け装置。
5. 【請求項５】 上記発振装置は、上記加熱室にも設けら
   れ、溶融状態にある上記鉛フリー半田に対して上記微小
   振動を作用させる、請求項１ないし４のいずれかに記載
   の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
6. 【請求項６】 上記装着物を装着した上記被装着材は、
   上記搬送装置にて搬送されながら上記加熱室内を通過し
   上記加熱室から搬出され、上記発振装置は、上記被装着
   材の移動に同期して移動しながら上記微小振動を上記鉛
   フリー半田に作用させる、請求項５記載の鉛フリー半田
   用リフロー半田付け装置。
7. 【請求項７】 上記加熱室は、上記鉛フリー半田を溶融
   させる蒸気雰囲気を形成する、いわゆるＶＰＳ（ベーパ
   ーフェイズソルダリング）装置にて構成される、請求項
   １ないし６のいずれかに記載の鉛フリー半田用リフロー
   半田付け装置。
8. 【請求項８】 上記微小振動について、上記被装着材の
   大きさ、上記鉛フリー半田に含有する上記融点降下作用
   金属の量、及び上記接合強度の少なくとも一つに基づい
   て制御を行う制御装置（１３６、３３６）をさらに備え
   た、請求項１ないし７のいずれかに記載の鉛フリー半田
   用リフロー半田付け装置。
9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれかに記載の鉛
   フリー半田用リフロー半田付け装置を用いて半田付けさ
   れたことを特徴とする接合体。
10. 【請求項１０】 鉛を含有しない錫の合金である鉛フリ
    ー半田を凝固させることで装着物（１）を被装着材
    （５）に接合させるため、溶融状態にある上記鉛フリー
    半田の冷却を行うとき、 上記鉛フリー半田における融点を降下させる作用を有す
    る融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用
    金属の偏析防止を行い上記装着物と上記被装着材との接
    合強度を増す微小振動を、上記被装着材の大きさ、上記
    鉛フリー半田に含有する上記融点降下作用金属の量、及
    び上記接合強度の少なくとも一つに基づいて制御するこ
    とを特徴とする、リフロー半田付け装置にて実行される
    鉛フリー半田用半田付け方法。
11. 【請求項１１】 上記制御される上記微小振動は、上記
    被装着材及び上記装着物の少なくとも一方の接合界面に
    て、上記融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降
    下作用金属の偏析防止を行い上記接合界面における接合
    強度を増す微小振動である、請求項１０記載のリフロー
    半田付け装置にて実行される鉛フリー半田用半田付け方
    法。
12. 【請求項１２】 上記被装着材及び上記装着物における
    半田付け部分がＣｕを含有するとき、上記制御される微
    小振動は、さらに、上記被装着材及び上記装着物の少な
    くとも一方の接合界面に存在する、上記鉛フリー半田に
    含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物層の厚みを増し上記
    接合界面における接合強度を増す振動を考慮した微小振
    動である、請求項１０又は１１記載のリフロー半田付け
    装置にて実行される鉛フリー半田用半田付け方法。
13. 【請求項１３】 請求項１０ないし１２のいずれかに記
    載の鉛フリー半田用半田付け方法を用いて半田付けされ
    たことを特徴とする接合体。