JP2003019590A - リフローはんだ付け方法 - Google Patents
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- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
Abstract
生産を目的としたVPS方式のはんだ付け方法を確立
し、長寿命の電子機器を実現すること。 【解決手段】 沸騰点温度が既値で、はんだの溶融温度
よりもほぼ10℃高い不活性液体2を蒸発させて、その
蒸気雰囲気2a中の酸素濃度を300ppm以下に制御
してリフローはんだ付けを行うようにした。
Description
とするはんだを使用してリフローはんだ付けを行うリフ
ローはんだ付け方法に関する。
けワーク上に電子部品をはんだ付けする際に、リフロー
はんだ付け方法が使用されている。リフローはんだ付け
方法は、被はんだ付け部すなわち電子部品が搭載される
被はんだ付けワークであるプリント配線板のランドに予
めはんだを供給しておいて、その後にこの被はんだ付け
部を加熱して前記予め供給しておいたはんだを溶融させ
てはんだ付けを行うはんだ付け方法である。
ト配線板等に見られるように多数の電子部品をはんだ付
けする必要がある。このはんだ付け実装には、従来から
錫−鉛はんだが使用されてきた。特に錫が63重量%で
残部が鉛から成るはんだは融点が183℃と低く、靭性
にも優れている。そのため、電子装置のはんだ付け実装
にはなくてはならない部材であった。
んだ付け実装に使用された錫−鉛はんだの鉛が酸性雨等
に促進されて溶出し、地下水等を汚染することが問題と
なっている。すなわち、鉛は神経毒を有することから人
体への影響が懸念されるのである。そのため、鉛を使用
しないはんだ(鉛フリーはんだ)の使用が行われるよう
になった。
現在実用的に使用されているはんだは錫−銀−銅系のは
んだや錫−銅系のはんだである。しかし、これらのはん
だは融点が210〜230℃程度であり、十分な濡れ性
を得るためには250〜270℃程度の温度に加熱する
必要がある。そのため、従来よりもはんだ付け温度が高
くなって実装される電子部品の寿命や信頼性が著しく低
下し、結果として電子装置の寿命時間が短くなる問題が
ある。
はんだの靭性は錫−鉛はんだの1/3〜1/5程度で、
加速度や歪み、温度サイクル等のストレスに対して脆弱
であることが懸念されている。
特に錫−9重量%亜鉛はんだは融点が199℃と低く、
非酸化性雰囲気中では210℃程度の温度でも良好な濡
れ性が得られ、それ以上の温度であっても温度による有
意差がないことがわかっている(本出願人による特願2
000−113014号参照)。また、靭性も錫−鉛は
んだと同等であることがわかっている。
00−113014号(以下「先願」という)に記載さ
れた技術を説明する。
との関係を示す図で、酸素濃度500ppmにおいて、
790箇所の被はんだ付け数を有するプリント配線板に
フローはんだ付けを行ったデータである。図3から明ら
かなように、はんだ温度210℃から260℃におい
て、不濡れ数が0となり、温度による有意差は認められ
ない。リフローはんだ付けにおいても同じことがいえ
る。
マス等の添加物を微量加えて、特定の物性を向上させた
鉛フリーはんだも存在するが、いずれもその低融点であ
る特性を損なわないようにその融点が200℃以下にな
るように添加量をきめている(例えば、特開平6−34
4181号公報や特開平8−19892号公報、特開平
9−19790号公報等を参照)。
んだと同等以下の低温でのはんだ付けが可能であり、そ
の靭性も大きいため、加速度や歪み、温度サイクル等の
ストレスに対して頑強なはんだ付け部を構成することが
可能であり、長寿命で高信頼性の電子装置を実現できる
部材である。
んだは亜鉛が活性で酸化し易い性質があり、特にはんだ
付け作業に伴って加熱されると酸化が激しく進行する性
質があり、大量生産を目的としたはんだ付け作業におい
て安定した濡れ性を確保することが難しいとされてい
る。他方で、本出願人による先願の特願2000−11
3014号に記載されているように、はんだ付けのプロ
セス条件を適切に選択することにより錫−亜鉛系はんだ
を使用したフローはんだ付けが可能であることがわかっ
ている。
して大量生産を目的としたリフローはんだ付けを行う際
の最適なプロセス条件を規定し、従来より低温でもはん
だ付けが可能であるとともに錫−鉛はんだと同等のはん
だ付け強度(靭性等)が得られるはんだ付けを可能と
し、これにより長寿命で高信頼性の電子装置を実現する
ことにある。
付け方法は、錫−亜鉛系はんだを使用して低温でも良好
な濡れ性が得られるいわゆるVPS方式のプロセス条件
を特定したところに特徴がある。
め被はんだ付けワークの被はんだ付け部に塗布しておい
て、酸素濃度が300ppm以下の不活性液体の蒸気雰
囲気中で前記はんだを加熱溶融させて前記被はんだ付け
部のはんだ付けを行うように構成する。
は大気中よりも酸素濃度が低いことが知られている。し
たがって、この蒸気雰囲気中は一般的に不活性雰囲気で
あるとして取り扱われてきた。しかし、その酸素濃度を
制御してまではんだ付けを行う事例は存在しなかった。
は、亜鉛が活性で酸化し易いことが濡れ性を阻害する要
因となっている。また、被はんだ付けワークの被はんだ
付け部表面の酸化、特に被はんだ付け部が銅で構成され
る場合には、その表面の僅かな酸化が、錫と亜鉛を主成
分とするはんだでは濡れ性に大きく影響を与える。
濃度を制御し、この酸素濃度を300ppm以下に保持
することによって良好な濡れ性が得られることが判明し
た。しかも、はんだの融点に極めて近い低温でのリフロ
ーはんだ付けが可能となる。
前記亜鉛を3〜12重量%含み融点が200℃以下のは
んだを予め被はんだ付けワークの被はんだ付け部に塗布
しておいて、沸騰点が210℃以上の不活性液体の蒸気
雰囲気中であって酸素濃度が300ppm以下の蒸気雰
囲気中で前記はんだを加熱溶融させて前記被はんだ付け
部のはんだ付けを行うように構成する。
鉛はんだは、その融点が199℃と最も低くなる。さら
に、インジウムやビスマス等の添加物を微量加えること
により、融点をさらに低くしたり靭性等の物性を向上さ
せることができる。これらのはんだは、亜鉛を3〜12
重量%含ませることで実現することが可能であり、その
融点も200℃以下にすることができる。
銅系はんだ等では、その融点よりも少なくとも25℃以
上高い温度で加熱しないと良好な濡れ性が得られない
(「エレクトロニクス・パッケージング用ハンダペース
ト」ジェニー・ウォング著 工業調査会 1992年1
月10日初版 第226頁〜「7.12ベーパ相リフロ
ー(Vapor Phase Reflow)」)。
体の蒸気雰囲気中の酸素濃度を300ppm以下とし、
その融点よりも少なくとも10℃以上高い温度で加熱す
ることにより良好な濡れ性が得られる。したがって、他
の鉛フリーはんだと比較して低温で良好な濡れ性のはん
だ付けを行うことができるようになる。
け方法の実施形態例を説明する。
されるVPS方式のリフローはんだ付け装置の構成を説
明する。図1は、リフローはんだ付け装置の構成を説明
するための図で、図1(a)はリフローはんだ付け装置
の側断面図であり、蒸気発生量を制御する系および酸素
濃度を測定する系をブロック図で描いた図、(b)は
(a)のI−I断面を示す図である。
内にはこの不活性液体2を沸騰させて蒸気を発生させる
ためのヒータ3が複数n個設けてあり、このn個のヒー
タ3群に印加される電力P1,P2,P3,…,Pnは
蒸気発生量制御装置4により制御される構成である。そ
して、これらの各ヒータ3にはその表面温度を検出する
センサ3aをそれぞれ設けてあり、これらの表面温度信
号T1,T2,T3,…,Tn を蒸気発生量制御装置
4にフィードバックして、それぞれのヒータ3が有害な
PFIB(パーフロロイソブレチン)を発生する温度
(例えば350℃)以上にならないように印加する電力
Pi (i=1,2,3,…,n)を制御している。
タシステムで構成された主制御装置5からの通信指示に
より、その指示された発生速度で蒸気を発生するようヒ
ータ3を制御する。すなわち、電力が印加されるヒータ
3の数および印加される電力を制御し、不活性液体2へ
供給する単位時間当たりの熱量を調節することにより単
位時間当たりの蒸気発生量を制御する仕組みである。な
お、主制御装置5にはキーボード等で構成された指示操
作部6とLCD等で構成された表示部7とを備えてい
る。
む蒸気雰囲気2aを保持する蒸気チャンバ8が設けてあ
り、さらにこの蒸気チャンバ8を通る搬送コンベア9を
設けてある。この搬送コンベア9は図2に示すようなは
んだ26を予め被はんだ付け部であるランド10aに塗
布しておいた被はんだ付けワークであるプリント配線板
10をこの蒸気雰囲気2a内へ搬送する。
が漏出しないように、搬送コンベア9に沿ってトンネル
状の搬入チャンバ11と搬出チャンバ12とを蒸気チャ
ンバ8に接して設けてあり、両チャンバ11,12内に
は搬送コンベア9の搬送方向に対してその板面が直交す
る向きに抑止板13を並べて設け、いわゆるラビリンス
シール構造を形成している。
ンバ12の底面11a,12aは液槽1方向に下降する
俯角に設けてあり、この搬入チャンバ11と搬出チャン
バ12内で液化した不活性液体2が液槽1に還流するよ
うに構成してある。そのため、搬入チャンバ11と搬出
チャンバ12に設けた抑止板13はこれらチャンバ1
1,12の底面11a,12aに対して僅かに隙間14
を設けて構成してある。また、図1(b)に示すよう
に、プリント配線板10上に液垂れしないように上部の
抑止板13の端面13aを「へ」の字状の形状とし、液
化した不活性液体2が抑止板13の「へ」の字状端面に
沿って側壁15側へ流れるように構成してある。
搬入チャンバ11と搬出チャンバ12には冷水を通水し
た冷却ジャケット17を設けてあり、これによりこのチ
ャンバ11,12およびチャンバ11,12内の蒸気雰
囲気2aを冷却して蒸気の凝縮・液化を促進するように
構成してある。なお、搬入チャンバ11の冷却ジャケッ
ト17の取り付け範囲を搬入口18側にやや局限するよ
うに構成し、この搬入チャンバ11を搬送されるプリン
ト配線板10が搬入チャンバ11の抑止板13で形成さ
れるラビリンスシール部で予備加熱されるように構成し
てある。
冷却ジャケット17は、蒸気の高さが高くなり過ぎない
ようにするためのもので、これにより搬入チャンバ11
や搬出チャンバ12から漏出しようとする蒸気を抑制す
ることができる。
出チャンバ12側には、透孔20aを設けた仕切り板2
0を液槽1内の前後に設けてある。これは、搬入チャン
バ11と搬出チャンバ12の底面11a,12aから液
槽1へ還流する温度低下した不活性液体2が、液槽1の
不活性液体2と混ざり合って急激な温度低下を生じさせ
ることがないようにするための部材で、これにより、液
槽1内の不活性液体2の温度を安定に保持することがで
きるようになる。すなわち、蒸気発生量を安定化させる
ことができる。
するために、プリント配線板10が搬送される近傍位置
の蒸気雰囲気2aをサンプリングパイプ21でサンプリ
ングし、ミスト除去装置22でミストを除去した後に酸
素濃度測定装置23で酸素濃度を測定するように構成し
てある。
れ、その温度が沸騰点に到達すると与えられた熱量に比
例した蒸気を発生し、蒸気チャンバ8内に不活性液体2
の蒸気雰囲気2aを形成する。そして、この蒸気雰囲気
2a中の酸素濃度は不活性液体2の蒸気の密度により変
わり、蒸気密度が高くなるほど酸素濃度は低くなる。
り、電力を印加するヒータ3の数nおよびヒータ3に印
加する電力Pi を制御することによって不活性液体2
に与える熱量を制御することが可能となり、これにより
単位時間当たりの蒸気発生量を調節して蒸気チャンバ8
内の酸素濃度を制御し調節することができる。
表面温度を温度センサ3aで検出し、有害なPFIBが
発生しないようにヒータ3の印加電力Pi を制御す
る。例えば、ヒータ3の表面温度が350℃に到達する
と、それ以上の電力が印加されなくなる。そしてそれ以
上の不活性液体2の蒸気発生量を得る必要がある場合に
は、電力Pi を印加するヒータ3の数nを増加させて
電力ひいては熱量を増加するように制御する。
ト:Fluorinert(3M社の商品名)やペルフ
ロード(徳山ソーダ社の商品名)、ガルデン:Gald
en(モンテフルオス社の商品名)、マルチフロー:M
ultifluor(エアプロダクツ社の商品名)等々
がある。
度の制御された蒸気雰囲気2aを形成することができ
る。そして、プリント配線板10の被はんだ付け部のは
んだ付け作業は次のように行われる。
8から搬入チャンバ11に搬入されると、抑止板13が
設けられたラビリンスシール部に漏出する蒸気雰囲気2
aによりプリント配線板10の予備加熱が行われ、続い
て酸素濃度の制御された蒸気チャンバ8内の蒸気雰囲気
2a中でプリント配線板10の被はんだ付け部に予め塗
布しておいたはんだが溶融し、その後、搬出チャンバ1
2に搬送されることで冷却してはんだが固化し、一連の
はんだ付け作業が行われ、搬出口19から搬出される。
なお、蒸気雰囲気2aによる加熱は、プリント配線板1
0上において蒸気が凝縮する際の潜熱放出によって行わ
れる。
性を評価した結果を説明する。図2は、濡れ性評価の結
果を説明するための図表で、図2(a)は濡れ性評価手
段を示す図、(b)は酸素濃度に対する濡れ性の評価結
果を示す図である。
行うための試料を示しており、プリント配線板10のラ
ンド10a上に接着剤を兼ねたフラックス(ロジン系)
25を塗布しておいて、このフラックス上にSn−9Z
nはんだ26の粉末を接着し試料とした。
んだ付け装置で加熱してはんだ付け作業を行った。図2
(a)のロ.ハ.二.は濡れ性評価基準を示しており、
図2(a)のロ.のようにランド10a上にはんだ26
が玉状になった場合は濡れ性が悪いので×、同じくハ.
のようにはんだ26がランド10a全域には濡れ拡がら
ないが濡れを生じている場合は△、同じく二.のように
はんだ26がランド10a全域に濡れ拡がった場合は○
とした。
ナートFC−70を使用し、はんだ26には亜鉛が9重
量%の錫−亜鉛はんだ(Sn−9Znはんだ)の粉末を
使用して、蒸気雰囲気2a中の酸素濃度を制御してこの
蒸気雰囲気2a中でのはんだ濡れ性を評価した。なお、
Sn−9Znはんだ26の融点は199℃であり、この
はんだ26はフロリナートFC−70の蒸気により21
5℃に加熱されて溶融し、リフローはんだ付けが行われ
る。
の例としては、ペルフロードIL−310やガルデンL
S/215、マルチフローAPF−215等がある。
はんだ濡れを評価した結果である。蒸気雰囲気2a中の
酸素濃度が1000ppmでははんだ26が殆ど濡れを
生じることがなく×、700ppmや500ppmでは
はんだ26が濡れ拡がるべきランド10aの全域には濡
れ拡がらないので△、300ppm以下ではランド10
aの全域にはんだ26が濡れ拡がるので○であった。
んだ26を使用して不活性液体2の蒸気雰囲気2a中で
加熱してはんだ付けを行う場合には、この蒸気雰囲気2
a中の酸素濃度を300ppm以下にすることにより良
好な濡れ性のはんだ付けを行うことができることがわか
る。しかも、従来の常識をくつがえし、主成分が錫と亜
鉛からなる融点200℃以下のはんだ26を使用すれ
ば、この融点よりも僅か15℃程度高い温度に加熱して
はんだ26を溶融させることにより、良好な濡れ性のは
んだ付けを行うことができることがわかる。
C−71を使用しても同様の結果が得られた。すなわ
ち、先願の特願2000−113014号のフローはん
だ付けの事例においても溶融はんだの温度を変数として
みた濡れ性には、210℃以上のはんだ温度において、
そのはんだ温度による有意差がないことが説明されてい
るように、沸騰点の高い不活性液体2を使用して高い温
度に加熱しても有意差が見られないので、主成分が錫と
亜鉛からなる融点200℃以下のはんだ26と沸騰点2
10℃以上の不活性液体2、特に沸騰点215℃の不活
性液体2の蒸気による加熱とは、極めて良好なはんだ付
けプロセス条件を形成するものであることがわかる。
有量が9重量%の際に融点が199℃と最も低くなり、
それよりも含有量が多くても少なくても融点が上昇す
る。しかし、インジウムやビスマス等の添加物を微量加
えることにより融点が低くなることが判っており、これ
により、融点を200℃以下に保持して低温はんだ付け
が可能としつつ物性改善を行ったはんだ26もある。し
たがって、これらの鉛フリーはんだは沸騰点210℃以
上の不活性液体2、特に沸騰点215℃の不活性液体2
の蒸気による加熱が良好なはんだ付けプロセス条件を実
現するものとなる。
する亜鉛を含むはんだ26であっても、蒸気雰囲気2a
の酸素濃度を300ppm以下に制御することにより、
沸騰点が210℃以上の、具体的には沸騰点が215℃
の不活性液体2の蒸気中で加熱溶融させてはんだ付けを
行うことで、低温でありながら良好な濡れ性のはんだ付
けを行うことができる。
6において融点が200℃以上のはんだ26を使用する
場合には、沸騰点がこの融点よりも10℃以上高い不活
性液体2、例えばフロリナートFC−71(253℃)
やマルチフローAPF−240(240℃)を使用し、
その蒸気雰囲気2a中の酸素濃度を300ppm以下に
制御してリフローはんだ付けを行うように構成すればよ
い。
んだ26を使用して酸素濃度が300ppm以下に制御
された不活性液体2の蒸気雰囲気2a中でリフローはん
だ付けを行うことにより、低温であっても良好な濡れ性
のはんだ付けを行うことが可能となり、プリント配線板
10やそこに搭載される電子部品に与える熱ストレスを
大幅に少なくすることが可能となって、長寿命で高信頼
性のプリント配線板10を大量にはんだ付け生産するこ
とができるようになる。また、錫と亜鉛を主成分とする
はんだ26は靭性が大きく強靭であるので、加速度や歪
み、温度サイクル等のストレスに対しても強靭なプリン
ト配線板10を生産することができるようになる。
け方法によれば、いわゆる錫−亜鉛系はんだと呼称され
る亜鉛を含むはんだを使用して、はんだ付けの際の加熱
による亜鉛の激しい酸化を阻止して、低温でも良好な濡
れ性のリフローはんだ付けを行うことができるようにな
り、大量生産を目的としたリフローはんだ付けが可能と
なる。
ことなくこの錫−鉛はんだと同等の強靭性が得られるは
んだ付けが可能となり、はんだ付け部が頑強であり長寿
命で高信頼性のプリント配線板ひいては電子装置を実現
することができるようになる。
の図である。
る。
Claims (2)
- 【請求項1】 錫と亜鉛を主成分とするはんだを予め被
はんだ付けワークの被はんだ付け部に塗布しておいて、
酸素濃度が300ppm以下の不活性液体の蒸気雰囲気
中で前記はんだを加熱溶融させて前記被はんだ付け部の
はんだ付けを行うことを特徴とするリフローはんだ付け
方法。 - 【請求項2】 錫と亜鉛を主成分として少なくとも前記
亜鉛を3〜12重量%含み融点が200℃以下のはんだ
を予め被はんだ付けワークの被はんだ付け部に塗布して
おいて、沸騰点が210℃以上の不活性液体の蒸気雰囲
気中であって酸素濃度が300ppm以下の蒸気雰囲気
中で前記はんだを加熱溶融させて前記被はんだ付け部の
はんだ付けを行うことを特徴とするリフローはんだ付け
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001204414A JP2003019590A (ja) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | リフローはんだ付け方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001204414A JP2003019590A (ja) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | リフローはんだ付け方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003019590A true JP2003019590A (ja) | 2003-01-21 |
Family
ID=19040889
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001204414A Pending JP2003019590A (ja) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | リフローはんだ付け方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003019590A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012529744A (ja) * | 2009-06-08 | 2012-11-22 | タイコ・エレクトロニクス・コーポレイション | 導電コーティングの気相リフロー接合のためのシステム及び方法 |
| DE112011103874T5 (de) | 2010-11-23 | 2013-08-22 | Mitsubishi Electric Corporation | Reflow-Lötvorrichtung und Reflow-Lötverfahren |
-
2001
- 2001-07-05 JP JP2001204414A patent/JP2003019590A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012529744A (ja) * | 2009-06-08 | 2012-11-22 | タイコ・エレクトロニクス・コーポレイション | 導電コーティングの気相リフロー接合のためのシステム及び方法 |
| DE112011103874T5 (de) | 2010-11-23 | 2013-08-22 | Mitsubishi Electric Corporation | Reflow-Lötvorrichtung und Reflow-Lötverfahren |
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