JP2005294624A - はんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法 - Google Patents

Abstract

【目的】はんだ槽中のはんだへ溶け出す銅の量が多い場合にも、はんだの入替え間隔を所定期間以上とすることができるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法を提供する。
【構成】回路基板のパターンおよび実装される電子部品と回路基板の投入数、はんだ付け条件等から、はんだの低減量およびはんだへの溶出銅量、はんだ槽からの持出し銅量を算出し、更に、はんだの低減量と同量の銅なし補充材で補償できる補償銅量の上限値および下限値とはんだ槽中の増加銅量とを算出し、両者を比較することによって、補充材の補充条件を決定する。はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の上限値を超える場合には、補充材の補充時点にはんだを取り出して銅なし補充材の補充量を増大させたり、ドロスの除去間隔を短くしたりする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、回路基板に電子部品を実装するフローソルダリング工程におけるはんだ組成の制御技術、特に、鉛フリーはんだを用いる場合のはんだ槽中のはんだの銅濃度の制御技術、に関する。

環境問題に関係した鉛の使用規制によって、回路基板に電子部品を実装するために用いられるはんだ材料を従来の鉛錫共晶はんだから鉛を含まない鉛フリーはんだへ切り換える動きが活発化し、鉛フリーはんだの製品への適用が加速されつつある。
鉛フリーはんだは、従来の鉛錫共晶はんだに比べて融点が高く、銅の溶解を抑制するために少量の銅を添加されている。それにもかかわらず、鉛フリーはんだを用いたフローソルダリング工程においては、回路基板の露出電極部や電子部品のリード部から、その材料である銅がはんだ中へ溶け出し、はんだ槽中のはんだの銅濃度を高め、その結果として、融点の高い鉛フリーはんだの融点を更に上昇させる。一方、はんだ付け温度は電子部品の耐熱性等によって上限を限られている。このため、銅の溶け出しによるはんだ融点の上昇は、濡れ性の悪化等を惹き起こし、はんだ付け不良の発生頻度を高める、という問題点を内在している。

しかしながら、この問題点への対応としては、現状では、定量的なデータに基づいた組成管理（はんだ補充材の補充条件の最適化等）は実行されておらず、現場の作業者の経験に頼っているのが現状である。特許文献１および特許文献２、特許文献３等には、はんだ付け工程によって消費されたはんだを補充する補充材としてはんだの成分比率から銅濃度だけを低くしたものを用いることによって、長期間のはんだ付け工程において、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定濃度範囲内に維持するという、はんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法が開示されている。
特開2001−237536号公報 特開2001−217531号公報 特開2003−10994号公報

上記に示した特許文献１や特許文献２等に開示されているはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法は、はんだの中へ溶け出す銅の量（以下では溶出銅量という）が補充材で補償できる範囲内にある場合には、はんだ槽中のはんだを入れ替えることなく、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定濃度範囲内に維持することができるので、有効であるが、溶出銅量が補充材で補償できる範囲を超える場合には、はんだ槽中のはんだの銅濃度が許容上限値を超えるまでの期間が短くなって、はんだ槽中のはんだを頻繁に入れ替えることが必要となり、材料コストおよびメンテナンスコストが高くなる。
この発明の課題は、はんだ槽中のはんだへ溶け出す銅の量が多い場合にも、はんだ槽中のはんだの入替え間隔を所定期間以上とすることができるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法を提供することである。

請求項１の発明は、回路基板へ電子部品を実装するフローソルダリング工程において、回路基板および電子部品からはんだ槽中のはんだへ溶け出す銅によって上昇するはんだの銅濃度を、はんだの成分比率から銅濃度のみを低くした補充材をはんだ槽へ供給することによって低減させて、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に維持するためのはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法であって、補充材を補充するまでにはんだ槽中のはんだへ溶出する銅の量（以下では「溶出銅量」という）を、回路基板のパターンとこれに実装される電子部品の種類およびそれぞれの種類毎の数と回路基板の投入数とはんだ付け条件とに基づいて算出し、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量（以下では「はんだ低減量」という）およびはんだの低減に対応してはんだ槽から持ち出される銅の量（以下では「持出し銅量」という）を、回路基板のパターンとこれに実装される電子部品の種類およびそれぞれの種類毎の数と回路基板の投入数とはんだ付け条件とはんだ表面に生成されるドロスの除去条件とに基づいて算出し、前記はんだ低減量と、前記溶出銅量から前記持出し銅量を差し引いた値、すなわち、はんだ槽中の増加銅量と、はんだ槽中のはんだの許容上限銅濃度および許容下限銅濃度と、を用いて、補充材の補充条件を決定する。

はんだ低減量と同量の補充材で補償できるはんだ槽中の増加銅量は、目標とする銅濃度と補充材の銅濃度との差で決まるので、上記の諸数値を用いれば、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定濃度範囲内に維持するための補充材の補充条件が決定される。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記の補充材の補充条件として、前記のはんだ槽中の増加銅量と前記はんだ低減量に前記の許容上限銅濃度および許容下限銅濃度を乗じた値（以下では「補償銅量の上限値」および「補償銅量の下限値」という）とを比較し、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の下限値に達しない場合には、前記はんだ低減量と同量を供給することによって、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調整できる補充材の銅濃度を算出し、補充材の補充時に、前記はんだ低減量と同量の、算出された銅濃度の銅を含む補充材（以下では「銅入り補充材」という）をはんだ槽へ供給し、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の上限値以下で補償銅量の下限値以上の範囲内にある場合には、補充材の補充時に、前記はんだ低減量と同量の銅を含まない補充材（以下では「銅なし補充材」という）をはんだ槽へ供給し、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の上限値を超える場合には、はんだをはんだ槽から取り出すことによって、はんだの低減量を増大させ且つはんだ槽中の増加銅量を低減させ、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調節できるようにする取出しはんだ量を算出し、補充材の補充時に、前記はんだ低減量に取出しはんだ量を加算した量の銅なし補充材をはんだ槽へ供給する。

補充材の補充時点における補償銅量の上限値および補償銅量の下限値を算出し、これらとはんだ槽中の増加銅量とを比較することによって、補充材の補充時点における補充材の補充条件が、上記のように確実に設定される。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記の補充材の補充条件として、前記のはんだ槽中の増加銅量と補償銅量の上限値および補償銅量の下限値とを比較し、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の下限値に達しない場合には、前記はんだ低減量と同量を供給することによって、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調整できる補充材の銅濃度を算出し、補充材の補充時に、前記はんだ低減量と同量の、算出された銅濃度の銅入り補充材をはんだ槽へ供給し、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の上限値以下で補償銅量の下限値以上の範囲内にある場合には、補充材の補充時に、前記はんだ低減量と同量の銅なし補充材をはんだ槽へ供給し、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の上限値を超える場合には、前記のはんだ槽中の増加銅量を低減させ且つ前記はんだ低減量を増大させて、はんだ槽中の増加銅量を、補償銅量の上限値以下に収めるように、前記のドロスの除去条件を見直す。

「実施例１」の項で説明するように、ドロスの除去の時間間隔が長い場合には、単位時間当たりのドロスの生成量が少なく、したがって単位時間当たりのはんだの消耗量が少ないが、ドロスの除去の時間間隔が短くなると、単位時間当たりのドロスの生成量が多くなり、したがって単位時間当たりのはんだの消耗量が多くなる。しかも、ドロスの除去によって、ドロスに含まれる銅も一緒にはんだ槽から持ち出される。したがって、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の上限値を超える場合には、ドロスの除去条件を見直すことによって、はんだ槽中の増加銅量を補償銅量の上限値以下に収めることが可能となる。

請求項１の発明においては、溶出銅量、はんだ低減量および持出し銅量を算出し、これらの計算値に基づいて補充材の補充条件を決定するが、上述したように、はんだ低減量と同量の補充材で補償できるはんだ槽中の増加銅量は目標とする銅濃度と補充材の銅濃度との差で決まるので、これらの計算値を用いることによって、確実にはんだ槽中の銅濃度を所定銅濃度の範囲内に維持することができる補充材の補充条件を決定するができる。したがって、請求項１の発明によれば、はんだ槽中のはんだへ溶け出す銅の量が多い場合にも、はんだ槽中のはんだの入替え間隔を所定期間以上とすることができるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法を提供することができる。
請求項２の発明においては、補充材の補充時点における補償銅量の上限値および補償銅量の下限値が算出され、これらとはんだ槽中の増加銅量との比較によって、補充材の補充時点における補充材の補充条件が把握・設定されているので、その補充条件にしたがって補充材を補充すれば、はんだ槽中のはんだの銅濃度が所定銅濃度の範囲内に確実に維持される。

請求項３の発明においては、請求項２の発明と同様に、補充材の補充時点における補償銅量の上限値および補償銅量の下限値が算出され、これらとはんだ槽中の増加銅量との比較によって、補充材の補充時点における補充材の補充条件が把握・設定されているが、はんだ槽中の増加銅量が補償銅量の上限値を超える場合には、ドロスの除去条件を見直すことによって、はんだ槽中の増加銅量を低減させ且つ前記はんだ低減量を増大させて、はんだ槽中の増加銅量を、補償銅量の上限値以下に収めるので、補充材の補充時には、はんだ槽中のはんだを取り出す工程を設けることを必要としない。

この発明によるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法は、フローソルダリング工程においてはんだ槽中のはんだへ溶け出す銅の量（溶出銅量）とはんだ槽中から汲み出されるはんだの量（はんだ低減量）および銅の量（持出し銅量）とを、投入される回路基板およびそれに実装される電子部品と回路基板の投入数とはんだ付け条件とドロスの除去条件と予め取得しておいたはんだへの銅の溶解率やドロスの生成量、ドロスに含まれる銅の濃度等のデータ等に基づいて算出し、算出したこれらの数値によって、補充材の補充条件を決定することを特徴としている。したがって、どのような回路基板がどのようなはんだ付け条件で投入されるとしても、その投入条件から上記諸量を算出することによって、補充材の補充時に、適切に補充材を補充することができ、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定期間以上の長期にわたって所定範囲内に維持することができる。

以下において、この発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明する。

図１は、この発明によるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法の実施例1を示すブロック図であり、図3はドロス除去時間間隔とドロス生成量との関係を示す線図である。
この実施例は、設定された各種の条件に基づいて、溶出銅量とはんだ低減量と持出し銅量とを算出する第1の計算工程と、これらの算出結果から、銅なし補充材を補充することで補償できる銅の量（補償銅量）の上限値および下限値とはんだ槽中の増加銅量とを算出する第2の計算工程と、補償銅量の上限値および下限値とはんだ槽中の増加銅量とを比較して補充条件を決定する条件決定工程と、その条件にしたがって補充材を補充する補充工程とで構成されている。
まず、第1の計算工程から説明する。
溶出銅量は、回路基板のパターンとこれに実装される電子部品の種類およびそれぞれの種類毎の数と回路基板の投入数とはんだ付け条件とによって決まり、回路基板の投入数に比例する。はんだ低減量は、投入された回路基板に付着して持ち出されるはんだの量（以下では「基板持ち出しはんだ量」という）と、ドロスとして除去されるはんだの量とで決まり、両者の和として求められる。前者は、回路基板のパターンとこれに実装される電子部品の種類およびそれぞれの種類毎の数と回路基板の投入数とはんだ付け条件とによって決まり、回路基板の投入数に比例する。後者は、はんだ槽の設定条件とドロスを除去するまでの時間とによって決まり、回路基板の投入数には関係しない。ドロスを除去するまでの時間とドロスの生成量との関係は、図3に示すように、比例関係にはなく、ドロス除去の時間間隔が短いほど単位時間あたりのドロスの生成量が多い。持出し銅量は、はんだと一緒に持ち出される分とドロスと一緒に持ち出される分とで決まり、両者の和として求められる。前者は、基板持ち出しはんだ量にはんだの銅濃度を乗じて算出され、後者は、除去ドロス量にドロスの銅濃度を乗じて算出される。

以上の説明から明らかなように、投入される回路基板のパターンおよび実装される電子部品と回路基板の投入数とはんだ付け条件とが決まれば、予め実測しておいた、回路基板の単位パターンによるはんだの持ち出し量や回路基板のパターンを含めた電子部品単位での銅の溶出量、ドロスの生成量、ドロス中の銅濃度等のデータをベースにして、上記の3つの量、すなわち、はんだ低減量と溶出銅量と持出し銅量とを算出することができる。当然のことながら、予め取得しておいたデータに加えて、更に実工程の中で取得したデータを積み上げることは、上記３つの量の算出精度を高めるために有効である。
続いて、第2の計算工程を説明する。
補充時点に補充する補充材の量ははんだ低減量Dと同量であるから、補償銅量は、はんだ低減量Dにはんだ槽中のはんだの許容銅濃度を乗じることによって算出され、許容上限銅濃度C(max)を乗じた値を上限値Ｑ(com)maxとし、許容下限銅濃度C(min)を乗じた値を下限値Ｑ(com)minとする範囲内にある。一方、はんだ槽中の増加銅量Ｑ(inc)は、溶出銅量から持出し銅量を差し引くことによって算出される。

次に、条件決定工程を説明する。
１） Ｑ(com)min＞ Q(inc) である場合
この場合は、はんだ低減量と同量の銅なし補充材を補充すると過剰補償となる場合であるので、この場合においては、はんだ低減量と同量の銅入り補充材をはんだ槽へ供給することによって、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調整する。この条件を満たす銅濃度の銅入り補充材を準備して用いてもよいし、初期投入はんだと銅なし補充材とをこの条件を満たす割合で配合して用いてもよい。
銅入り補充材の銅濃度C（sup）は、次式
C（sup）＝C（min）×〔Q(com)min−Q(inc)〕÷Ｑ(com)min
によって算出される。

なお、上式のC(min)をC(max)からC(min)までの範囲内の任意の値に置き換えてもよい。
２） Ｑ(com)max≧Q(inc)≧Ｑ(com)min である場合
この場合は、はんだ低減量と同量の銅なし補充材で補償できる場合であるので、この場合においては、はんだ低減量と同量の銅なし補充材を補充する。
３） Q(inc)＞Ｑ(com)max である場合
この場合は、はんだ低減量と同量の銅なし補充材を補充するだけでは補償しきれない場合であるので、はんだをはんだ槽から取り出して、はんだの低減量を増大させ且つはんだ槽中の増加銅量を低減させ、はんだ低減量に取出しはんだ量を加算した量の銅なし補充材をはんだ槽へ供給することによって、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調整する。

はんだの取出し量D(out)は、次式
D(out) ×C(max) ＝〔Q(inc) −Ｑ(com)max−D(out) ×C(bath)〕
を満足する、すなわち、取出し量D(out)に対応する補償銅量〔D(out) ×C(max)〕が、補償し切れなかった分〔Q(inc) −Ｑ(com)max〕から取出し量D(out)に対応して持ち出される銅量〔D(out) ×C(bath)〕を差し引いた値と同じとなるという条件を満足することが必要であるので、
D(out) ＝〔Q(inc) −Ｑ(com)max〕÷〔C(max)＋C(bath)〕
によって算出される。
なお、C(bath)ははんだ槽中のはんだの銅濃度であり、上式のC(bath)およびC(max)のいずれかまたは両方をC(max)からC(min)までの範囲内の任意の値に置き換えてもよい。

この実施例にしたがって、条件の異なるプリント基板に電子部品を実装してはんだ槽中のはんだの銅濃度を制御した結果、はんだ槽中のはんだの銅濃度を常に所定範囲内に維持することができた。

図２は、この発明によるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法の実施例２を示すブロック図である。
この実施例が実施例1と異なる点は、条件決定工程でQ(inc)＞Ｑ(com)max となった場合であって、この実施例においては、ドロスの除去条件を短時間間隔でのドロス除去の側に見直し、ドロスの除去量を増大させることによって、はんだ低減量を増大させ且つ持出し銅量を増大させて、
Q(inc)≦Ｑ(com)max
という条件を満たすようにする。この条件の見直しは、図3に示したようなドロス生成量に関する実測データに基づいて実行される。
この実施例の特徴は、ドロスの除去条件を見直すことによって、補充材の補充時に、はんだ槽中のはんだを取り出す工程をなくしたことである。したがって、ドロスを自動的に除去できる機構を備えている場合には、補充材の補充時にはんだを取り出す工程を設ける必要がなくなる。

この発明によるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法の実施例1を示すブロック図 この発明によるはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法の実施例２を示すブロック図 ドロス除去時間間隔とドロス生成量との関係を示す線図

Claims (3)

1. 回路基板へ電子部品を実装するフローソルダリング工程において、回路基板および電子部品からはんだ槽中のはんだへ溶け出す銅によって上昇するはんだ中の銅濃度を、はんだの成分比率から銅濃度のみを低くした補充材をはんだ槽へ供給することによって低減させて、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に維持するためのはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法であって、
   補充材を補充するまでにはんだ槽中のはんだへ溶出する銅の量を、回路基板のパターンとこれに実装される電子部品の種類およびそれぞれの種類毎の数と回路基板の投入数とはんだ付け条件とに基づいて算出し、
   補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量およびはんだの低減に対応してはんだ槽から持ち出される銅の量を、回路基板のパターンとこれに実装される電子部品の種類およびそれぞれの種類毎の数と回路基板の投入数とはんだ付け条件とはんだ表面に生成されるドロスの除去条件とに基づいて算出し、
   前記の補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量と、前記の補充材を補充するまでにはんだ槽中のはんだへ溶出する銅の量から前記のはんだの低減に対応してはんだ槽から持ち出される銅の量を差し引いた値、すなわち、はんだ槽中の増加銅量と、はんだ槽中のはんだの許容上限銅濃度および許容下限銅濃度と、を用いて、補充材の補充条件を決定する、
   ことを特徴とするはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法。
2. 前記の補充材の補充条件として、
   前記のはんだ槽中の増加銅量と、前記の補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に前記の許容上限銅濃度および許容下限銅濃度を乗じた値と、を比較し、
   はんだ槽中の増加銅量が、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容下限銅濃度を乗じた値に達しない場合には、前記のはんだの低減量と同量を供給することによって、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調整できる補充材の銅濃度を算出し、補充材の補充時に、前記のはんだの低減量と同量の、算出された銅濃度の銅を含む補充材をはんだ槽へ供給し、
   はんだ槽中の増加銅量が、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容上限銅濃度を乗じた値以下で、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容下限銅濃度を乗じた値以上の範囲内にある場合には、補充材の補充時に、前記のはんだの低減量と同量の銅を含まない補充材をはんだ槽へ供給し、
   はんだ槽中の増加銅量が、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容上限銅濃度を乗じた値を越える場合には、はんだをはんだ槽から取り出すことによって、はんだの低減量を増大させ且つはんだ槽中の増加銅量を低減させ、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調整できるようにする取出しはんだ量を算出し、補充材の補充時に、前記のはんだの低減量に取出しはんだ量を加算した量の銅を含まない補充材をはんだ槽へ供給する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法。
3. 前記の補充材の補充条件として、
   前記のはんだ槽中の増加銅量と、前記の補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に前記の許容上限銅濃度および許容下限銅濃度を乗じた値と、を比較し、
   はんだ槽中の増加銅量が、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容下限銅濃度を乗じた値に達しない場合には、前記のはんだの低減量と同量を供給することによって、はんだ槽中のはんだの銅濃度を所定範囲内に調整できる補充材の銅濃度を算出し、補充材の補充時に、前記のはんだの低減量と同量の、算出された銅濃度の銅を含む補充材をはんだ槽へ供給し、
   はんだ槽中の増加銅量が、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容上限銅濃度を乗じた値以下で、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容下限銅濃度を乗じた値以上の範囲内にある場合には、補充材の補充時に、前記のはんだの低減量と同量の銅を含まない補充材をはんだ槽へ供給し、
   はんだ槽中の増加銅量が、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容上限銅濃度を乗じた値を越える場合には、前記のはんだ槽中の増加銅量を低減させ且つ前記の補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量を増大させて、はんだ槽中の増加銅量を、補充材を補充するまでのはんだ槽中のはんだの低減量に許容上限銅濃度を乗じた値以下に収めるように、前記のドロスの除去条件を見直す、
   ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ槽中のはんだの銅濃度制御方法。

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