JP2001085834A - リフロー半田付け方法とそれを用いた部品実装システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶融温度の高い鉛を含有しない半田材料を用
いた場合においても、大きさや熱容量が大幅に異なる部
品や弱耐熱性部品が混載された回路基板を安定してリフ
ロー半田付けする。 【解決手段】 部品装着機１２内に、耐熱性の高い部品
を装着する第１装着領域１３と耐熱性の低い部品を装着
する第２装着領域１４とを回路基板の搬送方向に配置
し、第１装着領域１３と第２装着領域１４との連結部に
設けられた第１加熱機構１５によって回路基板を固相線
温度まで昇温し、部品装着機１２とリフロー装置１８と
の連結部に設けられた第２加熱機構１７によって回路基
板を固相線温度以上に昇温し、リフロー装置１８にて液
相線温度以上に昇温してリフロー半田付けする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板上にチッ
プ部品等の表面実装部品を半田付けして実装するための
リフロー半田付け方法とそれを用いた部品実装システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のリフロー半田付けは、回路基板
上の電極にあらかじめ印刷機によりクリーム半田を印刷
し、表面実装部品を部品装着機によりクリーム半田上に
装着した後、リフロー装置によりクリーム半田を加熱溶
融させ、部品電極と基板側電極を半田付けしている。

【０００３】図３に示すリフロー装置を参照して、従来
のリフロー半田付け方法を説明する。

【０００４】回路基板４は、図示しない印刷機により、
電極にクリーム半田が印刷された後、図示しない部品装
着機により前記クリーム半田上に部品１９が装着され
る。クリーム半田が印刷され部品が装着された回路基板
４は、このリフロー装置１８内を搬送されつつ、加熱、
冷却されてリフロー半田付けが行われる。このリフロー
装置１８には、回路基板４の搬入側から搬出側に向かっ
て、予備加熱ゾーン５、リフローゾーン６、冷却ゾーン
７が配置されている。そして、リフロー装置１８の搬入
口から搬出口にわたって配置された１つの搬送コンベア
３が、リフローすべき回路基板４を載置してリフロー装
置１８内を搬送する。予備加熱ゾーン５とリフローゾー
ン６とは、それぞれが加熱ヒータ１と、熱風噴出手段２
から吹き出される熱風９とによって回路基板４が全体的
に加熱され、冷却ゾーン７にて冷却フアン８で冷却され
る。

【０００５】このリフロー装置１８によるはんだ付け方
法では、コンベア３にリフローすべき回路基板４を載置
して、矢印の方向に一定速度で搬送し、予備加熱ゾーン
５において加熱ヒータ１と熱風噴出手段２から吹き出さ
れる熱風９とにより所定リフロー温度に加熱して半田を
溶融し、冷却ゾーン７においては、冷却ファン８により
所定冷却温度に冷却して前記溶融した半田を冷却硬化し
てリフロー半田付けを完了している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来の構成
では、リフロー装置１８における各ゾーン５、６、７が
それぞれ一定の所定予備加熱温度、所定リフロー温度、
所定冷却温度になるように全体的に制御されている。こ
のため図４に示すように、回路基板４上の温度が最も上
昇し難い部分の温度プロファイルＡと回路基板４上の温
度が最も上昇し易い部分の温度プロファイルＢとを比較
した場合、リフローゾーン６において４０℃〜７０℃程
度の温度差△Ｔが発生する。

【０００７】上記の温度差は、回路基板４に装着された
部品１９の大きさや熱容量の相違によるものであり、大
型パッケージＩＣのリード部の半田付け温度を目標温度
まで上昇させると、小さいチップ部品は必要以上に加熱
され、破損したり特性が劣化したりするという問題があ
る。一方、小さなチップ部品の電極部の半田付け温度を
必要最低温度まで上昇させても、大型パッケージＩＣの
リード部分は半田の融点に到達せず、半田が未溶融状態
となり、リード部と回路基板との電気的接続が得られな
いオープン不良が発生するという問題もある。

【０００８】また、リフロー加熱の保証条件が厳しい弱
耐熱部品については次のような問題がある。例えば、ア
ルミ電解コンデンサの場合、リフロー加熱時のピーク温
度は２３０℃以下であり、２００℃以上の保持時間は３
０秒以下等の規制があるので、この保証条件を確保する
必要がある。

【０００９】さらに部品の種類による昇温温度の差は、
加熱源を熱風などによる対流加熱式にするか、赤外線な
どによる輻射加熱式にするか、また部品の材質等によっ
ても異なってくる。

【００１０】上記のような部品や加熱源などの制約条件
の他、近年では電子機器に使用されてきた半田に含まれ
ている鉛が酸性雨などによって溶出し、地下水を汚染す
るといったことが社会問題化しており、半田材料の制約
条件の問題もある。ところが半田材料から鉛を除いた鉛
フリー半田を使用する場合には次の問題が発生する。
錫、銀を主成分とした鉛を含有しない半田材料は、従来
の鉛を含有した共晶はんだと比較して、融点が高く、濡
れ性が劣るといった傾向を示している。このため、半田
を完全に溶融させリフロー半田付けするためには、従来
の加熱温度を上昇させなければならず、鉛を含んだ半田
を用いたリフロー半田付けに比べて非常に厳しい加熱条
件の設定が要求されることになる。

【００１１】上記のような加熱条件等を考慮すれば、従
来のリフロー半田付け方法とその装置では次のような問
題が具体的に発生する。つまり従来例では、前記のよう
に予備加熱ゾーン５、リフローゾーン６、冷却ゾーン７
がそれぞれ一定の所定温度に制御されているので、大型
パッケージＩＣとアルミ電解コンデンサとを回路基板４
に混載してリフロー半田付けを行う場合、アルミ電解コ
ンデンサのリフロー時の保証条件を維持すると大型パッ
ケージＩＣのリード部分の温度が半田の融点に到達せず
リード部と回路基板のランドとの電気的接続が得られな
いオープン不良が発生し、大型パッケージＩＣのリード
部の温度を半田の融点まで上昇させるとアルミ電解コン
デンサのリフロー時の保証条件を満足できず、リフロー
後にアルミ電解コンデンサ内の電解液が漏れ出して回路
基板上のパターンが腐食し断線してしまうので、大型パ
ッケージＩＣとアルミ電解コンデンサとを同じ回路基板
上にリフロー半田付けするのが困難であるという問題が
ある。さらに、錫、銀を主成分とした鉛を含有しない半
田材料を用いる場合、半田材料自体の融点が従来の半田
材料に比べて高いことから、材料の融点、部品の搭載さ
れた基板の種類によっては、これらの条件設定の幅がま
すます狭くなってしまい、半田付けができなくなるとい
った問題がある。

【００１２】そこで本発明は上記の問題点を解決し、溶
融温度の高い鉛を含有しない半田材料を用いた場合にお
いても、大きさや熱容量が大幅に異なる部品や弱耐熱性
部品が混載された回路基板を安定してリフロー半田付け
できるリフロー半田付け方法とそれを用いた部品実装シ
ステムを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のリフロー半田付
け方法は上記目的を達成するため、回路基板にクリーム
半田を印刷すると共にその上に部品を装着し、その回路
基板を、リフロー装置内を搬送してクリーム半田を融点
以上に加熱してリフロー半田付けするリフロー半田付け
方法において、クリーム半田の印刷後に耐熱性の高い部
品を装着した後に回路基板を昇温し、半田材料の固相線
温度に到達した段階で耐熱性の低い部品を装着し、全て
の部品が装着された段階で回路基板を液相線温度以上に
昇温し、リフロー半田付けすることを特徴とする。

【００１４】この発明によれば、耐熱性の高い大型パッ
ケージＩＣなどを装着した後に回路基板を昇温した後
に、耐熱性の低いアルミ電解コンデンサなどを装着して
から回路基板を昇温してクリーム半田を溶融しているの
で、アルミ電解コンデンサなどの耐熱保証温度に達する
までにリフロー加熱を完了することが可能になるので、
アルミ電解コンデンサ内の電解液が漏出して、回路基板
上のパターンが腐食し断線する問題を回避することがで
きる。また、大型パッケージＩＣなどのリード部分の半
田が未溶融状態になることもないので、オープン不良の
発生も回避することができる。このように加熱条件の異
なる部品が混載された基板上の温度ばらつきを小さくす
ることで安定したリフロー半田付けを行うことができ
る。

【００１５】本発明の部品実装システムは上記目的を達
成するため、回路基板にクリーム半田を印刷する印刷機
と、その回路基板上に部品を装着する部品装着機と、部
品が装着された回路基板を搬送してクリーム半田を融点
以上に加熱してリフロー半田付けするリフロー装置とか
らなる部品実装システムにおいて、部品装着機内に、部
品装着時の回路基板の温度を制御できる第１装着領域と
第２装着領域の２つの部品装着領域を、回路基板の搬送
方向に配置したことを特徴とする。

【００１６】また上記構成において、回路基板の温度の
制御は、耐熱性の高い部品を装着する第１装着領域と耐
熱性の低い部品を装着する第２装着領域との連結部に設
けられた第１加熱機構による固相線温度までの昇温と、
部品装着機とリフロー装置との連結部に設けられた第２
加熱機構による固相線温度以上の昇温の２段階の昇温に
よって行うと好適である。

【００１７】この部品実装システムによれば、前記リフ
ロー半田付け方法を具体的に実現することができる。

【００１８】また上記構成において、第２装着領域の部
品供給部は、耐熱性の低い部品を保温する保温機構を備
えるようにすれば、基板上の温度は既に固相線温度以上
に昇温していても、部品は常温からの昇温に比べて急激
な昇温が避けられるので、熱損傷を受けるのを回避する
ことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明のリフロー半田付け方法と
それを用いた部品実装システムについての一実施形態を
図１と図２を基づいて以下、具体的に説明する。

【００２０】図１は本実施形態の部品実装システムを示
す概略構成図である。図２は本実施形態の回路基板上の
温度プロファイルを示したグラフである。

【００２１】図１に示す部品実装システムは、クリーム
半田を印刷する印刷機１０と、部品を装着する部品装着
機１２と、クリーム半田をリフロー半田付けするリフロ
ー装置１８とから構成される。尚、リフロー装置１８は
従来例で示した図３の概略構成と同様であるので説明は
しないが、一部符号は利用して以下説明する。

【００２２】図３で示したように、回路基板４に部品１
９をリフロー半田付けするためにはまず、図１に示すよ
うに印刷機１０においてクリーム半田を印刷した後、部
品装着機１２において印刷されたクリーム半田上に部品
１９を装着し、部品１９が装着された回路基板４をリフ
ロー装置１８内を搬送してクリーム半田を融点以上に加
熱して冷却することによって行われる。部品装着機１２
は、部品装着時にヒータ等の加熱手段によって基板上に
部品を装着する領域の雰囲気温度を制御することが可能
な第１装着領域１３と第２装着領域１４とを有してい
る。第１装着領域１３では耐熱性の高い熱容量の大きい
大型パッケージＩＣが、第２装着領域１４では熱容量の
小さい半導体部品や弱耐熱性のアルミ電解コンデンサが
装着される。第１装着領域１３と第２装着領域１４との
間の基板搬送連結部には第１加熱機構１５が配置され、
部品装着機１２とリフロー装置１８との間の基板搬送連
結部には第２加熱機構１７が配置されている。

【００２３】以下、本実施形態におけるリフロー半田付
け方法について図１と図２に基づいて説明する。

【００２４】印刷機１０により常温でクリーム半田を回
路基板の電極上に供給して印刷し、その後、搬送コンベ
ア（図示省略）によって基板搬送連結部１１を経て部品
装着機１２に基板が搬送される。この部品装着機１２
は、前述した第１装着領域１３と第２装着領域１４に区
分されており、それらを連結する基板搬送連結部には第
１加熱機構１５によって、基板全体を昇温することがで
きる構造になっている。

【００２５】第１装着領域１３は雰囲気温度が常温に設
定されており、耐熱性温度が２００℃以上の半田付け時
の耐熱性に問題のない大型パッケージＩＣなどの部品を
装着する。これら耐熱性に問題のない部品を装着し終わ
った後、第１装着領域１３と第２装着領域１４との間に
配置された第１加熱機構１５により、図２に示すよう
に、回路基板を半田材料の固相線温度にまで昇温する。
この固相線温度に保たれた状態で、基板は部品装着機１
２内の第２装着領域１４に搬送され、半導体部品やアル
ミ電解コンデンサなどの耐熱性が低い弱耐熱性部品を装
着する。

【００２６】これら半導体部品やアルミ電解コンデンサ
など弱耐熱性部品は、あらかじめ第２装着領域１４での
部品供給部１６の保温機構において、ヒーター等の加熱
手段により１５０℃程度に保温されている。部品供給部
１６に部品保温機能をもたせる目的の一つは、基板上の
温度が既に半田材料の固相線温度約２００℃以上に昇温
しているため、耐熱性が低い部品に熱損傷を与えないた
めである。このときの固相線温度は、使用する半田材料
の特性によって決定される。

【００２７】その後、部品装着機１２とリフロー装置１
８を連結する基板搬送連結部に配置された第２加熱機構
１７によって基板を図２に示すように固相線温度以上に
加熱した後、リフロー装置１８に搬送する。

【００２８】リフロー装置１８内に搬送された基板は、
半田材料の液相線温度以上に加熱してクリーム半田を溶
融した後、冷却ゾーン７（図３）にて冷却することによ
り、リフロー半田付けが完了する。

【００２９】以上のように、本実施形態では従来のリフ
ロー半田付け方法とそれを用いた部品実装システムでは
処理できなかった問題を解決している。つまり、大きさ
や熱容量が大幅に異なる部品、弱耐熱性部品が混載され
た温度ばらつきの大きい回路基板において、高融点の半
田材料を用いる場合においても、基板の温度が弱耐熱性
部品の耐熱保証温度に到達するまでに部品電極部の半田
付けを終了することができる。従って、部品に熱ストレ
スを与えることなくリフロー半田付けすることができ
る。

【００３０】また、部品装着機１２において、耐熱性の
高い部品を第１装着領域１３にて先に装着し、第１加熱
機構１５によって固相線温度にまで昇温してから第２装
着領域１４にて部品供給部１６の保温機構にて保温され
ていた耐熱性の低い部品を装着する。このことにより、
半田そのものは固相線温度を超えると徐々に溶融を開始
するが、装着された部品は、前記保温温度からリフロー
ピーク温度までの昇温であるため、回路基板上の温度差
は小さくなり、常温からの昇温に比べて部品の熱ストレ
スが大幅に緩和されるので、良好な半田付けをすること
ができる。

【００３１】鉛を含有しない錫、銀からなる半田材料を
用いた場合を例にとって説明する。従来の鉛入り半田
（共晶はんだ）の融点は１８３℃であるが、錫、銀から
なる半田は、固相線温度と液相線温度が存在し、以下、
それぞれの温度が約２０５℃および約２１０℃の材料に
ついて説明する。

【００３２】クリーム半田を印刷された基板に、部品装
着機１２内の第１装着領域１３において、まず耐熱性に
問題のないチップ抵抗、チップコンデンサ、チップコイ
ル、チップインダクタなどの部品を常温で装着する。

【００３３】この後、これらのチップ部品が装着された
基板全体を第１加熱機構１５によって加熱し、固相線温
度である約２０５℃まで上昇させる。次に、保温機能を
備えた部品供給部１６で急激な熱損傷を抑えるために、
約１５０℃程度に保温された耐熱保証温度が約２３０℃
の耐熱性の低いパッケージＩＣなどのＱＦＰ、ＳＯＰ
や、金属ケースで覆われて熱に敏感に反応するアルミ電
解コンデンサなどを第２装着領域１４において装着し、
リフロー装置１８へ搬送する前に第２加熱機構１７によ
って固相線温度以上に加熱する。

【００３４】そして、リフロー装置１８では半田が溶融
する液相線温度約２１０℃以上に基板を加熱して半田を
溶融させることにより、耐熱性の低い部品の温度が耐熱
保証温度である２３０℃に到達する前に、クリーム半田
が溶融して半田付けを完了することができ、耐熱性の低
い部品が混載された基板に対しても良好な半田付けを行
うことができる。

【００３５】したがって、大型パッケージＩＣとアルミ
電解コンデンサとを回路基板に混載してリフロー半田付
けを行っても、大型パッケージＩＣのリード部分にオー
プン不良が生じたり、アルミ電解コンデンサ内の電解液
が漏出し、基板上のパターンが腐食し断線する問題を回
避することができる。また、融点が高い鉛を含有しない
半田材料を用いても、温度規制の範囲内で基板上の温度
ばらつきを小さくすることで安定したリフロー半田付け
を行うことができる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、鉛を含有
しない溶融温度の高い半田材料を用いた場合において
も、回路基板上に混載された加熱条件の異なる部品の温
度規制の範囲内で、温度ばらつきを小さくすることで安
定してリフロー半田付けすることができ、大型パッケー
ジＩＣの半田未溶融によるオープン不良や、アルミ電解
コンデンサの耐熱保証温度以上の昇温による電解液の漏
出等の発生を防止して、良好な半田付け品質を得ること
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部品実装システムを
示す概略構成図。

【図２】同実施形態における回路基板上の温度プロファ
イルを示すグラフ。

【図３】従来例のリフロー装置を示す概略構成図。

【図４】従来例の回路基板上の温度プロファイルを示す
グラフ。

【符号の説明】

１０ 印刷機 １２ 部品装着機 １３ 第１装着領域 １４ 第２装着領域 １５ 第１加熱機構 １６ 保温機構を備えた部品供給部 １７ 第２加熱機構 １８ 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） Ｂ２３Ｋ 31/02 ３１０ Ｂ２３Ｋ 31/02 ３１０Ｆ // Ｂ２３Ｋ 101:42 (72)発明者 猪狩 貴史 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 AC01 BB05 CC33 CD29 CD35 GG11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板にクリーム半田を印刷すると共
   にその上に部品を装着し、その回路基板を、リフロー装
   置内を搬送してクリーム半田を融点以上に加熱してリフ
   ロー半田付けするリフロー半田付け方法において、クリ
   ーム半田の印刷後に耐熱性の高い部品を装着した後に回
   路基板を昇温し、半田材料の固相線温度に到達した段階
   で耐熱性の低い部品を装着し、全ての部品が装着された
   段階で回路基板を液相線温度以上に昇温し、リフロー半
   田付けすることを特徴とするリフロー半田付け方法。
2. 【請求項２】 回路基板にクリーム半田を印刷する印刷
   機と、その回路基板上に部品を装着する部品装着機と、
   部品が装着された回路基板を搬送してクリーム半田を融
   点以上に加熱してリフロー半田付けするリフロー装置と
   からなる部品実装システムにおいて、部品装着機内に、
   部品装着時の回路基板の温度を制御できる第１装着領域
   と第２装着領域の２つの部品装着領域を、回路基板の搬
   送方向に配置したことを特徴とする部品実装システム。
3. 【請求項３】 回路基板の温度の制御は、耐熱性の高い
   部品を装着する第１装着領域と耐熱性の低い部品を装着
   する第２装着領域との連結部に設けられた第１加熱機構
   による固相線温度までの昇温と、部品装着機とリフロー
   装置との連結部に設けられた第２加熱機構による固相線
   温度以上の昇温の２段階の昇温によって行う請求項２記
   載の部品実装システム。
4. 【請求項４】 第２装着領域の部品供給部は、耐熱性の
   低い部品を保温する保温機構を備えた請求項３記載の部
   品実装システム。