JP2001156437A - リフロー方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気部品に悪影響を与えにくく確実にはんだ
付けができるリフロー方法およびその装置を提供する。 【解決手段】 搬送用コンベア７によりソルダーペース
トを塗布したワークｗを搬送する。炉体8aでは約５０秒
間で室温のワークｗを温度上昇させ、炉体8b，8cで約７
５秒±１５秒程度の間ワークｗの温度を約１５０℃にプ
リヒートし、炉体8d，8eで約３０秒ないし４０秒程度の
間ワークｗの温度を２３０℃程度にしてソルダーペース
トをリフローして溶融させ、冷却ファン９で急冷させて
はんだ付けする。はんだの温度を３０秒ないし４０秒程
度はんだの液相線温度より５℃ないし１０℃高い領域に
保持することにより、半導体に高温による悪影響を与え
にくく、溶融時間を長くして合金層の成長を促して接合
強度が大きく向上し、リフトオフ発生率を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワークを加熱する
リフロー方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、リフロー装置としては、たとえば
特開平８−２９３６６６号公報に記載の構成が知られて
いる。この特開平８−２９３６６６号公報には、炉体内
に加熱対象のワークを搬送する搬送用コンベアを配設
し、この搬送用コンベアで搬送されたワークを加熱する
ヒータとを配設し、ワークを加熱している。

【０００３】そして、ワークを加熱する際には、まずプ
リヒートにより徐々にワークを暖め、このプリヒートの
後にワークをはんだの溶融温度より高い溶融温度にし、
溶融温度に達した後はすぐに温度を低下させてはんだを
固体にしてはんだ付けしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の一般的なＳｎ−
３７Ｐｂ系はんだの場合、融点は１８３℃であるため、
この融点を越えた後すぐに温度を低下させても十分には
んだ付けをすることができる。ところが、近年普及しつ
つある鉛フリーはんだといわれるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系は
んだを用いると、はんだがすべて固体になる固相線温度
と、はんだがすべて液体になる液相線温度との間にはん
だがシャーベット状の固液状態になる温度範囲があり、
十分に溶融時間を取ることができずに合金層の成長を促
しにくく、上記特開平８−２９３６６６号公報に記載の
リフロー装置のように、所定温度を維持せずに瞬時に温
度低下させてしまうと、はんだ付け後にはんだ強度を維
持しにくくなる。

【０００５】一方、短時間でも必要以上にはんだ付けの
温度を上昇させると、電気部品、特に半導体を用いた部
品の電気的特性に悪影響を与えることがある問題を有し
ている。

【０００６】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、電気部品に悪影響を与えにくく確実にはんだ付けが
できるリフロー方法およびその装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のリフロー
方法は、はんだを介して電気部品が取り付けられるワー
クをプリヒートするプリヒート工程と、このプリヒート
工程の後前記はんだの液相線温度より５℃ないし１０℃
高い温度範囲で前記ワークを３０秒以上加熱するリフロ
ー工程とを具備したもので、リフロー工程ではんだの温
度を液相線温度より５℃ないし１０℃高い温度にして３
０秒以上加熱することにより、はんだの溶融時間を長く
して合金層の成長を促して接合状態を向上させてはんだ
付けができるとともに、はんだの温度を液相線温度より
５℃ないし１０℃高い温度にすることにより、はんだが
溶融する程度の温度に抑えて電気部品に悪影響を与える
必要以上高い温度にすることを防止する。

【０００８】請求項２記載のリフロー方法は、請求項１
記載のリフロー方法において、リフロー工程は、４０秒
以内であるもので、必要以上に長い時間高い温度にする
ことを防止して電気部品が高温になる時間を短くし電気
部品に悪影響を与えることを防止する。

【０００９】請求項３記載のリフロー方法は、請求項１
または２記載のリフロー方法において、リフロー工程の
後ワークを冷却する冷却工程とを具備したもので、リフ
ロー工程の後に冷却することにより、はんだ付けの強度
を増加させる。

【００１０】請求項４記載のリフロー装置は、はんだを
介して電気部品が取り付けられるワークをプリヒートす
るプリヒート手段と、このプリヒート手段でプリヒート
した後前記はんだの液相線温度より５℃ないし１０℃高
い温度範囲で前記ワークを３０秒以上加熱するリフロー
手段とを具備したもので、リフロー手段ではんだの温度
を液相線温度より５℃ないし１０℃高い温度にして３０
秒以上リフローすることにより、はんだを確実に溶融さ
せてはんだ付けができるとともに、はんだの温度を液相
線温度より５℃ないし１０℃高い温度にすることによ
り、はんだが溶融する程度の温度に抑えて電気部品に悪
影響を与える必要以上高い温度にすることを防止する。

【００１１】請求項５記載のリフロー装置は、請求項４
記載のリフロー装置において、リフロー手段は、リフロ
ーする時間が４０秒以内であるもので、リフロー手段で
は必要以上に長い時間高い温度にすることを防止して電
気部品が高温になる時間を短くし電気部品に悪影響を与
えることを防止する。

【００１２】請求項６記載のリフロー装置は、請求項４
または５記載のリフロー装置において、ワークを搬送し
ながらプリヒート手段およびリフロー手段で処理する搬
送手段を具備したもので、搬送手段の搬送速度によりプ
リヒート手段およびリフロー手段での加熱時間を容易に
設定可能である。

【００１３】請求項７記載のリフロー装置は、請求項４
ないし６いずれか記載のリフロー装置において、リフロ
ー手段でリフローした後ワークを冷却する冷却手段とを
具備したもので、リフロー手段でリフローした後ワーク
を冷却手段で冷却することにより、はんだ付けの強度を
増加させる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のリフロー装置の一
実施の形態を図面を参照して説明する。

【００１５】図２および図３に示すように、１はリフロ
ー装置で、このリフロー装置１は、半導体部品その他の
チップなどの電気部品が搭載された基板などのワークｗ
を搬入する搬入口２および搬出する搬出口３が形成さ
れ、たとえば内部に不活性雰囲気である窒素Ｎ2 あるい
は空気が充填されたほぼ気密の筐体４を有し、この筐体
４の下部には設置用の脚５および移動用のキャスタ６が
取り付けられている。また、筐体４の搬入口２および搬
出口３間には、一定速度で搬送する搬送手段としての搬
送用コンベア７が配設され、この搬送用コンベア７は図
示しない無端状のチェーンを有し、このチェーンに取り
付けられた搬送爪の間にワークｗを挟持して搬入口２か
ら搬出口３に向けて水平搬送する。

【００１６】そして、この搬送用コンベア７に沿って５
つのプリヒート手段としての炉体8a，8b，8cおよびリフ
ロー手段としての炉体8d，8eが順次配設され、最下流側
には冷却ファン９が配設されている。

【００１７】また、５つの炉体8a，8b，8c，8d，8eは、
それぞれほぼ同一の構造で、たとえば炉体8aは、図１に
示すように、搬送用コンベア７の上下に対称に、それぞ
れ角筒状で上下方向に軸方向を有する上部炉体部11およ
び下部炉体部12を有している。そして、上部炉体部11は
上部が閉塞され、上部に径が小さい径小部15が形成さ
れ、この径小部15から段差部16を介して下部に径小部15
より径大の径大部17が形成されている。さらに、上部炉
体部11の内側には上方から下方に向けて送風する送風路
21が形成され、上部炉体部11の周囲には下方から上方に
向けて雰囲気が流れる戻り風路22が形成され、送風路21
と戻り風路22とは径小部15で連結風路23にて連結され、
循環経路としての循環風路24が形成され、隣り合う戻り
風路22間には隔壁25が形成され、この隔壁25の下端には
ワークｗの搬送方向に沿った水平の整流板26がＴ字状に
設けられ、送風路21から戻り風路22に流れる雰囲気が混
合することを防止している。

【００１８】そして、上部炉体部11の上方には上下方向
に軸方向を有し、連結風路23からの雰囲気を送風路21に
送風する循環用の送風手段としてのシロッコファン30が
取り付けられ、このシロッコファン30は上部炉体部11の
上方に設けられた回転モータ31にて回転駆動される。

【００１９】また、上部炉体部11の径大部17の上部に位
置するシロッコファン30の下部には、遠赤外線を放射す
る加熱手段としての一対のヒータ32，33が配設され、こ
れらヒータ32，33は図４に示すようにほぼＷ字状に折り
曲げて形成された棒状のシーズヒータ体34に径方向に沿
った円環状の放熱フィン35が取り付けられて形成され、
これらヒータ32，33の表面には黒色耐熱塗装がなされて
赤外線放射表面処理がなされており、ヒータ32，33の曲
部の位置を反対側に位置させて平面方向に均一に加熱す
るように配置されている。

【００２０】さらに、ヒータ32，33の下部には、径大部
17を閉塞するように金属板で形成された整流板41が取り
付けられ、この整流板41にはパンチングメタルなどで熱
風透過用の透孔42が多数形成されている。

【００２１】またさらに、整流板41より下方の径大部17
の最下端部を閉塞するように遠赤外線を拡散して輻射す
るたとえばアルミニウム製の輻射パネル43が取り付けら
れ、この輻射パネル43にもパンチングメタルなどで熱風
透過用の透孔44が多数形成されている。

【００２２】一方、下部炉体部12は搬送用コンベア７を
対称面として上部炉体部11と上下対称に形成され、下部
が閉塞され、下部に径が小さい径小部51が形成され、こ
の径小部51から段差部52を介して上部に径小部51より径
大の径大部53が形成されている。さらに、下部炉体部12
の内側には下方から上方に向けて送風する送風路56が形
成され、下部炉体部12の周囲には上方から下方に向けて
雰囲気が流れる戻り風路57が形成され、送風路56と戻り
風路57とは径小部51で連結風路58にて連結され、循環経
路としての循環風路59が形成され、隣り合う戻り風路57
間には隔壁61が形成され、この隔壁61の下端にはワーク
ｗの搬送方向に沿った水平の整流板62がＴ字状に設けら
れ、送風路56から戻り風路57に流れる雰囲気が混合する
ことを防止している。

【００２３】そして、下部炉体部12の下方には上下方向
に軸方向を有し、連結風路58からの雰囲気を送風路56に
送風する循環用の送風手段としてのシロッコファン63が
取り付けられ、このシロッコファン63は下部炉体部12の
下方に設けられた回転モータ64にて回転駆動される。

【００２４】また、下部炉体部12の径大部53の上部に位
置するシロッコファン63の上部には、遠赤外線を放射す
る加熱手段としての一対のヒータ65，66が配設され、こ
れらヒータ65，66も図３に示すようにほぼＷ字状に折り
曲げて形成された棒状のシーズヒータ体34に径方向に沿
った円環状の放熱フィン35が取り付けられて形成され、
これらヒータ65，66の表面には黒色耐熱塗装がなされて
赤外線放射表面処理がなされており、ヒータ65，66の曲
部の位置を反対側に位置させて平面方向に均一に加熱す
るように配置されている。

【００２５】さらに、ヒータ65，66の上部には、径大部
53を閉塞するように金属板で形成された整流板71が取り
付けられ、この整流板71にはパンチングメタルなどで熱
風透過用の透孔72が多数形成されている。

【００２６】またさらに、整流板71より上方の径大部53
の最上端部を閉塞するように遠赤外線を拡散して輻射す
るたとえばアルミニウム製の輻射パネル73が取り付けら
れ、この輻射パネル73にもパンチングメタルなどで熱風
透過用の透孔74が多数形成されている。

【００２７】次に、上記実施の形態の動作について説明
する。

【００２８】まず、それぞれ炉体8a，8b，8c，8d，8eの
内、上部炉体部11では、シロッコファン30を動作させて
送風路21からヒータ32，33方向に送風し、ヒータ32，33
で雰囲気を加熱して熱風とし、整流板41の透孔42で整流
された後、輻射パネル43の透孔44を介してワークｗの上
面に熱風が供給される。

【００２９】その後、ワークｗの上面で反射された熱風
は、整流板26で隣の戻り風路22には流れないように整流
されて自己の戻り風路22に流れ、連結風炉23を介してシ
ロッコファン30に戻り雰囲気は循環される。したがっ
て、隣り合う炉体8a，8b，8c，8d，8eの設定温度が異な
っても、雰囲気が混合することを防止できるため、温度
管理を適切にできる。

【００３０】また、ヒータ32，33は耐熱黒色塗装により
遠赤外線を照射しやすくしておりこの遠赤外線を照射し
て輻射パネル43を加熱し、この輻射パネル43の輻射熱に
よりワークｗの上面を均一に加熱する。

【００３１】このように、ヒータ32，33は、送風路21内
の雰囲気を加熱するとともに、輻射パネル43を加熱して
輻射パネル43の輻射熱によりワークｗの上面を加熱する
ので、雰囲気用のヒータと遠赤外線用のヒータを別個に
する必要がなくなり、構成が簡単になる。

【００３２】一方、下部炉体部12では、シロッコファン
63を動作させて送風路56からヒータ65，66方向に送風
し、ヒータ65，66で雰囲気を加熱して熱風とし、整流板
71の透孔72で整流された後、輻射パネル73の透孔74を介
してワークｗの下面に熱風が供給される。

【００３３】その後、ワークｗの下面で反射された熱風
は、整流板71で隣の戻り風路72には流れないように整流
されて自己の戻り風路57に流れ、連結風炉58を介してシ
ロッコファン63に戻り雰囲気は循環される。したがっ
て、隣り合う炉体8a，8b，8c，8d，8eの設定温度が異な
っても、雰囲気が混合することを防止できるため、温度
管理を適切にできる。

【００３４】また、ヒータ65，66も耐熱黒色塗装により
遠赤外線を照射しやすくしておりこの遠赤外線を照射し
て輻射パネル73を加熱し、この輻射パネル73の輻射熱に
よりワークｗの下面を均一に加熱する。

【００３５】この場合にも、ヒータ65，66は、送風路56
内の雰囲気を加熱するとともに、輻射パネル73を加熱し
て輻射パネル73の輻射熱によりワークｗの上面を加熱す
るので、雰囲気用のヒータと遠赤外線用のヒータを別個
にする必要がなくなり、構成が簡単になる。

【００３６】上述のように、炉体8a，8b，8c，8d，8e
は、それぞれ上部炉体部11および下部炉体部12を有して
いるため、炉体8a，8b，8c，8d，8e内に搬送用コンベア
７を対称面としたほぼ上下対象の対流が生じ、ワークｗ
の上面および下面のいずれも加熱できるので、近年増加
の傾向にあるワークｗの両面に実装部品が装着されてい
る場合にも容易に対応できる。

【００３７】次に、上述のはんだ付け動作について説明
する。

【００３８】まず、それぞれ炉体8a，8b，8cの温度をプ
リヒート用の１７０℃、炉体8d，8eの温度をリフロー用
の２４０℃に設定する。すなわち、近年環境などの問題
から鉛フリーはんだが用いられるようになり、鉛フリー
はんだとしてたとえば表１に示すようなＳｎ−Ａｇ−Ｂ
ｉ系はんだ、たとえばＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕが用い
られているが、従来のＳｎ−３７Ｐｂ系はんだの融点１
８３℃に比べて、表１に示すように固相線温度が２１６
℃、液相線温度が２２０℃と高いため、ワークｗの温度
が従来より高めの温度たとえば使用するはんだの液相線
温度より５℃ないし１０℃高い温度に設定している。な
お、ワークｗの温度を液相線温度の５℃ないし１０℃程
度高い温度にしたのは、ワークｗに半導体部品などが装
着されている場合には、半導体を必要以上に高温にさら
すことは好ましくないためである。なお、リフローに用
いる炉体8d，8eの温度は使用するはんだに従いそれぞれ
対応するはんだの液相線温度の５℃ないし１０℃程度高
く設定すれば良く、ワークｗの温度が２３５℃以下であ
ればワークｗに装着する半導体にも悪影響を与えにく
い。

【００３９】

【表１】 このように、炉体8a，8b，8c，8d，8eの温度を設定し
て、搬送用コンベア７によりはんだであるソルダーペー
ストが塗布されたワークｗを搬送してはんだ付けをする
際には、搬送コンベア７により一定の速度で搬送し、た
とえば図１に示すように、炉体8aでは約５０秒間で室温
のワークｗを温度上昇させ、炉体8b，8cで約７５秒±１
５秒程度の間ワークｗの温度を約１５０℃にプリヒート
し、炉体8d，8eで約３０秒ないし４０秒程度の間ワーク
ｗの温度を２３０℃程度にしてソルダーペーストをリフ
ローして溶融させ、冷却ファン９で急冷させてはんだ付
けする。このように、リフローした後ワークｗを急冷さ
せることにより、固化したはんだを硬くすることがで
き、リフトオフ発生率を抑制できる。また、液相線温度
より５℃ないし１０℃高い領域に保持する時間が４０秒
以下であれば、半導体に対する悪影響も十分に小さくで
きる。

【００４０】なお、リフロー時間を従来のＳｎ−３７Ｐ
ｂ系はんだに比べて長くとることにより、はんだのリフ
トオフ発生率を小さくする。すなわち、図５に示すよう
に、はんだの温度を３０秒ないし４０秒程度はんだの液
相線温度より５℃ないし１０℃高い領域に保持すること
により、液相線温度より５℃ないし１０℃高い領域に保
持する時間が３０秒未満の場合に比べて、溶融時間を長
くして合金層の成長が促されて接合強度が大きく向上
し、リフトオフ発生率を抑制できる。

【００４１】また、搬送コンベア７の速度を一定にした
場合、プリヒート用の炉体8a，8b，8c、リフロー用の炉
体8d，8eおよび冷却装置９の長さを任意の長さに設定す
ることにより、搬送コンベア７の速度を一定にした場
合、プリヒート用の炉体8a，8b，8c、リフロー用の炉体
8d，8eおよび冷却装置９内での処理時間が定まり、プリ
ヒートの時間、リフローの時間および冷却の時間を容易
に設定できる。

【００４２】さらに、上記実施例では隣り合う戻り風炉
22，57の雰囲気が混ざらないように整流板26，62で整流
しているが、戻り風炉22，57に隣の雰囲気を混ぜないた
めには図６に示すように閉塞板81を整流板26，62に取り
付けて戻り風炉22，57の開口を閉塞するようにしても良
い。

【００４３】

【発明の効果】請求項１記載のリフロー方法によれば、
リフロー工程ではんだの温度を液相線温度より５℃ない
し１０℃高い温度にして３０秒以上加熱することによ
り、はんだの溶融時間を長くして合金層の成長を促して
接合状態を向上させてはんだ付けができるとともに、は
んだの温度を液相線温度より５℃ないし１０℃高い温度
にすることにより、はんだが溶融する程度の温度に抑え
て電気部品に悪影響を与える必要以上高い温度にするこ
とを防止できる。

【００４４】請求項２記載のリフロー方法によれば、請
求項１記載のリフロー方法に加え、リフロー工程は４０
秒以内であるので、必要以上に長い時間高い温度にする
ことを防止して電気部品が高温になる時間を短くし電気
部品に悪影響を与えることを防止できる。

【００４５】請求項３記載のリフロー方法によれば、請
求項１または２記載のリフロー方法に加え、リフロー工
程の後ワークを冷却することにより、はんだ付けの強度
を増加できる。

【００４６】請求項４記載のリフロー装置によれば、リ
フロー手段ではんだの温度を液相線温度より５℃ないし
１０℃高い温度にして３０秒以上リフローすることによ
り、はんだを確実に溶融させてはんだ付けができるとと
もに、はんだの温度を液相線温度より５℃ないし１０℃
高い温度にすることにより、はんだが溶融する程度の温
度に抑えて電気部品に悪影響を与える必要以上高い温度
にすることを防止できる。

【００４７】請求項５記載のリフロー装置によれば、請
求項４記載のリフロー装置に加え、リフロー手段はリフ
ローする時間が４０秒以内であるので、リフロー手段で
は必要以上に長い時間高い温度にすることを防止して電
気部品が高温になる時間を短くし電気部品に悪影響を与
えることを防止できる。

【００４８】請求項６記載のリフロー装置によれば、請
求項４または５記載のリフロー装置に加え、ワークを搬
送しながらプリヒート手段およびリフロー手段で処理す
る搬送手段を具備したので、搬送手段の搬送速度により
プリヒート手段およびリフロー手段での加熱時間を容易
に設定できる。

【００４９】請求項７記載のリフロー装置によれば、請
求項４ないし６いずれか記載のリフロー装置に加え、リ
フロー手段でリフローした後ワークを冷却手段で冷却す
ることにより、はんだ付けの強度を増加できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリフロー装置の一実施の形態のはんだ
付けの際の時間と温度の関係を示すグラフである。

【図２】同上リフロー装置の筐体を切り欠いた側面図で
ある。

【図３】同上リフロー装置の炉体を示す断面図である。

【図４】同上ヒータを示す平面図である。

【図５】同上はんだ付けの際のリフロー時間と接合強度
の関係を示すグラフである。

【図６】同上他の実施の形態を示すリフロー装置の一部
を示す断面図である。

【符号の説明】

７ 搬送手段としての搬送用コンベア 8a，8b，8c プリヒート手段としての炉体 8d，8e リフロー手段としての炉体 ｗ ワーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡野 輝男 埼玉県狭山市大字上広瀬591番地11 株式 会社タムラエフエーシステム内 Ｆターム(参考） 5E319 CC33

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 はんだを介して電気部品が取り付けられ
   るワークをプリヒートするプリヒート工程と、 このプリヒート工程の後前記はんだの液相線温度より５
   ℃ないし１０℃高い温度範囲で前記ワークを３０秒以上
   加熱するリフロー工程とを具備したことを特徴とするリ
   フロー方法。
2. 【請求項２】 リフロー工程は、４０秒以内であること
   を特徴とする請求項１記載のリフロー方法。
3. 【請求項３】 リフロー工程の後ワークを冷却する冷却
   工程とを具備したことを特徴とする請求項１または２記
   載のリフロー方法。
4. 【請求項４】 はんだを介して電気部品が取り付けられ
   るワークをプリヒートするプリヒート手段と、 このプリヒート手段でプリヒートした後前記はんだの液
   相線温度より５℃ないし１０℃高い温度範囲で前記ワー
   クを３０秒以上加熱するリフロー手段とを具備したこと
   を特徴とするリフロー装置。
5. 【請求項５】 リフロー手段は、リフローする時間が４
   ０秒以内であることを特徴とする請求項４記載のリフロ
   ー装置。
6. 【請求項６】 ワークを搬送しながらプリヒート手段お
   よびリフロー手段で処理する搬送手段を具備したことを
   特徴とする請求項４または５記載のリフロー装置。
7. 【請求項７】 リフロー手段でリフローした後ワークを
   冷却する冷却手段とを具備したことを特徴とする請求項
   ４ないし６いずれか記載のリフロー装置。