JP2007078484A

JP2007078484A - はんだ濡れ性試験装置及びはんだ濡れ性試験方法

Info

Publication number: JP2007078484A
Application number: JP2005265740A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawasaki; 剛史川崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】どのような実装部品に対しても安定した正確なぬれ曲線を得ることができるはんだ濡れ性試験装置及びはんだ濡れ性試験方法を提供する。
【解決手段】基板３に実装される実装部品２を基板３にはんだ付けする際のはんだ濡れ性を測定するはんだ濡れ性試験装置１において、クリームはんだＳを介して実装部品２が搭載された基板３が載置される載置台５と、クリームはんだＳを加熱する加熱手段６と、実装部品２とランド１２との接合部３ａに供給されたはんだの変位を測定する変位測定手段８と、変位測定手段８の測定結果に応じて変位の経時変化として表されるはんだ濡れ曲線を作成する処理手段１０とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子部品などの実装部品を接合するはんだの濡れ性を測定するはんだ濡れ性試験装置及び試験方法に関し、特にはんだの熱的挙動に伴う変位からはんだの濡れ性を測定するはんだ濡れ性試験装置及び試験方法に関する。

従来より、プリント配線板に実装部品をはんだ付けする際には、はんだ粉とフラックスや増粘材からなるペースト状のクリームはんだをランドやスルーホールに印刷し、実装部品を搭載した後、リフロー炉においてクリームはんだを溶融させることにより行っている。はんだ付けの良否は、実装部品の端子が接合されるランドの金属部分やスルーホールの中に必要な量のはんだが均一に濡れ広がっている度合い、いわゆるはんだ濡れ性によって左右される。

このため、実際にはんだ付けを行う前に、実装部品やランド部に対するクリームはんだのぬれ性を試験することが行われる。この試験結果を受け、はんだぬれ性に優れた安定性の良いはんだを選定して、はんだ付け不良などの発生を抑止することができる。

はんだ濡れ性の試験装置としては、例えば日本電子機械工業会規格ＥＩＡＪＥＴ−７４０４「ソルダペーストを用いた表面実装部品のはんだ付け性試験方法（平衡法）」に規定された装置がある。この装置では、アームによって実装部品を把持してはんだ漕に浸漬させ、ソルダペーストを加熱する。その際、実装部品に働く垂直方向の作用力を電子天秤等で検出し、作用力の経時変化に基づく濡れ曲線を得て、濡れ性を評価している。

しかし、かかる試験装置における環境は、表面実装部品を使用する実際の実装環境での加熱条件とは異なるため、この試験結果が実際に使えるのか不明である。また、かかる試験装置では、アームによって把持できる実装部品のサイズやリード等の電極部の形状に制限があり、全ての実装部品に対応することはできない。

その他の試験装置としては、特開２００３−１８８５２８号公報（参考文献１）に記載された装置がある。かかる装置は、クリームはんだを加熱することにより、実装部品が上下方向に変位することから、この実装部品の表面にレーザ光を照射し上下方向の変位を測定するとともに、変位の経時変化を濡れ曲線として求め、表示手段に表示させるものである。

しかし、かかる測定装置では、実装部品の小型化が進むと、クリームはんだが溶融することにより実装部品の表面に溶融はんだが回り込むことがあり、測定結果にばらつきが生じやすい。また、重量のある実装部品では上下方向の変位を測定することが困難となる。

特開２００３−１８８５２８号公報

そこで、本発明は、どのような実装部品に対しても安定した正確なぬれ曲線を得ることができるはんだ濡れ性試験装置及びはんだ濡れ性試験方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明にかかるはんだ濡れ性試験装置は、基板に実装される実装部品を上記基板にはんだ付けする際のはんだ濡れ性を測定するはんだ濡れ性試験装置において、クリームはんだを介して上記実装部品が搭載された基板が載置される載置台と、上記クリームはんだを加熱する加熱手段と、上記実装部品とランドとの接合部に供給されたはんだの変位を測定する変位測定手段と、上記変位測定手段の測定結果に応じて上記変位の経時変化として表されるはんだ濡れ曲線を作成する処理手段とを備えるものである。

また本発明にかかるはんだ濡れ性試験方法は、基板に実装される実装部品を上記基板にはんだ付けする際のはんだ濡れ性を測定するはんだ濡れ性試験方法において、クリームはんだを介して上記実装部品が搭載された基板を加熱する工程と、上記実装部品とランドとの接合部に供給されたはんだの変位を測定する工程と、上記測定結果に応じて上記変位の経時変化として表されるはんだ濡れ曲線を作成する工程とを有するものである。

本発明にかかるはんだ濡れ性試験装置及びはんだ濡れ性試験方法によれば、求めた濡れ曲線より濡れ時間を測定することにより、容易且つ精度よくはんだ濡れ性を評価することができる。また、実装部品とランドとの接合部に供給されたはんだの変位を測定することで、実装部品のサイズや形状、重量等による制約がなく、あらゆる実装部品に対応することができる。

以下、本発明が適用されたはんだ濡れ性試験装置及びはんだ濡れ性試験方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すように、本発明が適用されたはんだ濡れ性試験装置１は、実装部品２が搭載された基板３が収納される装置本体４と、装置本体４内に設けられ基板３が載置される載置台５と、基板３に印刷されたクリームはんだＳを加熱溶解する加熱手段６と、冷却手段７と、クリームはんだＳの変位を検出する変位測定手段８と、実装部品２のはんだ付け挙動を撮像する撮像カメラ９と、変位測定部８による測定結果及び撮像カメラ９の撮像信号を処理する処理手段１０とを備える。

装置本体４には、変位測定手段８が配設されるとともに、撮像カメラ９を内部に臨ませる窓部１１が形成されている。装置本体４内に設けられた載置台５は、基板３が載置されるものであり、近傍には加熱手段６が配設されている。

加熱手段６は、例えば熱風ヒータ、赤外線ヒータ又は遠赤外線ヒータ、あるいはホットプレート等が用いられる。熱風ヒータや赤外線又は遠赤外線ヒータの場合は、載置台５の上方、側方若しくは斜め上側に熱風が排出されるノズルが設けられる。またホットプレートを用いる場合は、載置台５内に組み込まれる等され、基板３を下側から加熱する。

冷却手段７は、例えば送風機が用いられ、常温の空気を装置本体内に送り込むことにより、加熱手段６によって加熱された装置本体２の冷却を行う。なお冷却手段７は、冷却材として水を用いた水冷冷却器を用いた場合には冷却時間の短縮を図ることができる。

加熱手段６により加熱されたクリームはんだＳの変位を測定する変位測定手段８は、載置台５に載置された基板３の実装部品２とランド１２との接合部３ａ上方に配設されている。この変位測定手段８は、例えばレーザ変位計１４が用いられ、基板３に印刷されたクリームはんだＳあるいは実装部品２と非接触でクリームはんだＳの変位を測定する。具体的に、レーザ変位計１４は、図２に示すように、光源としての例えば半導体レーザ１５と、受光レンズ１６と、位置検出素子１７とから主として構成される。位置検出素子１７は、例えばＰＮ接合シリコンダイオードを用いた半導体位置検出素子（PSD:Position Sensitive Detector ）を用いることができる。

半導体レーザ１５から出射したレーザ光Ｌは、図２に示すように、実装部品２とランド１２との接合部３ａ、すなわち実装部品２の側面近傍に印刷されたクリームはんだＳの表面で正反射し、受光レンズ１６により位置検出素子１７上に結像される。位置ＡにあるクリームはんだＳの表面で反射したレーザ光Ｌは位置検出素子１７上のａ点に、位置ＢにあるクリームはんだＳの表面で反射したレーザ光Ｌはｂ点にそれぞれ結像され、その差ＳよりＡＢ間の距離、すなわちクリームはんだＳの上下方向の変位が経時的かつ連続的に測定される。

レーザ変位計１４の出力はアンプを介して、処理手段１０たるパソコンに入力される。処理手段１０は、画像処理手段、画像記録手段及び画像モニタを備え、測定されたクリームはんだＳの変位の経時変化をぬれ曲線として求め、画面モニタに表示する。

撮像カメラ９は、クリームはんだＳの加熱中の挙動を観察するものであり、観察結果を処理手段１０に送信することにより、実装部品の挙動を観察することができる。

なお、載置台５に載置される基板３は、例えばガラス布基材からなる銅張積層板が用いられ、一面あるいは両面に配線パターン及び実装部品が実装される電極ランド１２等が印刷やエッチング等により形成されている。また、ランド１２にはスクリーン印刷等によって予めクリームはんだＳが印刷され、部品搭載機等によって実装部品２が搭載されている。実装部品２は、ＢＧＡやＱＦＰといった表面実装型の半導体パッケージやＰＧＡ等の挿入実装型の半導体パッケージ、あるいはトランジスタ、コンデンサ等のディスクリート部品、ベアチップ等が用いられる。

次に、かかるはんだ濡れ性試験装置１を用いたはんだ濡れ性試験方法について説明する。先ず、装置本体４の載置台５に、クリームはんだＳが印刷されるとともに実装部品２が搭載された基板３を載置し、加熱手段６にてクリームはんだＳを加熱、溶融させる。この間、変位測定手段８にて、実装部品２とランド１２との接合部３ａに印刷されたクリームはんだＳの上下方向の変位を測定する。

クリームはんだＳの挙動として、（Ａ）溶融前における初期状態、（Ｂ）クリームはんだＳが溶融を開始する溶融開始状態、（Ｃ）溶融したクリームはんだＳがランド１２上に濡れ広がる濡れ開始状態、（Ｄ）ランド１２と実装部品２の接合部３ａまでクリームはんだＳが濡れ広がり、はんだフィレットが形成される濡れ完了状態とに分類し、かかるクリームはんだＳ及び実装部品２の変位状態を図３に示す。また、実装部品２とランド１２との接合部３ａに印刷されたクリームはんだＳの変位の経時変化（ぬれ曲線）を図４に示す。

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示すように、加熱前の初期状態においては、クリームはんだＳは溶融していない。このときの実装部品２とランド１２との接合部３ａにおけるクリームはんだＳの上下方向に関する位置を基準として、この基準位置に対する、クリームはんだＳの溶融に伴う変位をレーザ変位計１４で測定していく。

加熱手段８からの熱風によりクリームはんだＳの加熱が開始されると、先ず等温加熱のプリヒート過程にて、クリームはんだＳ中に含まれる溶剤の蒸発やフラックスの活性化が行われる。このとき、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、フラックスが溶融して流れ、クリームはんだＳは多少下がる。

次いで、本加熱により、クリームはんだＳを溶融させる。このとき、図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示すように、クリームはんだＳは完全に溶融し、最も下に下がる。この状態においては、実装部品２の電極がクリームはんだＳによって濡れる条件が既に整っており、濡れが始まる。

そして、図３（Ｄ）及び図４（Ｄ）に示すように、クリームはんだＳの電極へのぬれが進むと、電極の下にクリームはんだＳが濡れ広がり、はんだフィレットが形成されるため、クリームはんだＳは上昇する。そしてクリームはんだＳが上昇しきったときに濡れが完了する。

このクリームはんだＳの溶融に伴って、実装部品２とランド１２との接合部３ａにおけるクリームはんだＳが下がり始め（図３（Ｂ）及び図４（Ｂ））、クリームはんだＳの溶融が進むと下降も止まり実装部品２の電極の濡れが開始され（図３（Ｃ）及び図４（Ｃ））、はんだが実装部品２の電極の下まで濡れ広がりはんだが上昇し始めるまでの時間ｔ１と、濡れの進行に伴ってはんだフィレットが形成されるとクリームはんだＳが上昇し始め、濡れの完了に伴って上昇が停止するまでの時間（図４（Ｂ）〜図４（Ｃ））をｔ２とを足したｔ３（＝ｔ１＋ｔ２）を濡れ時間とする。このぬれ時間が短いほど、クリームはんだＳと実装部品２との間のぬれ性が良く、はんだ付け性が良好であると言える。
実験例

表１にタンタルコンデンサを用いてはんだ濡れ性試験を行った結果の濡れ性と濡れ時間との関係を示す。この実験では、ランド１２上にクリームはんだＳを印刷した直後と、印刷後一日放置した後に、それぞれタンタルコンデンサを搭載し、濡れ時間を測定した。

この結果、クリームはんだＳの印刷直後にタンタルコンデンサを搭載し加熱溶融させた場合には、フラックスの揮発も少ないため濡れ性は良好であり、このとき、濡れ時間は７秒であった。一方、クリームはんだＳの印刷後一日経過した後にタンタルコンデンサを搭載し加熱溶融させた場合には、フラックスが殆ど無いため濡れ性は悪化する。このとき、濡れ時間は３３秒であった。このことから、濡れ性が悪くなるのに伴い、濡れ時間が長くなることがわかる。特に今回の実験では、溶融開始からタンタルコンデンサの電極の下まではんだが濡れ広がりはんだが上昇し始めるまでの時間ｔ１に大きな差が見られた。

次に、表２にタンタルコンデンサに高熱処理を施すことにより複数の異なるメッキ状態のサンプルを用いてはんだ濡れ性試験を行った結果の濡れ状態と濡れ時間との関係を示す。この実験では、タンタルコンデンサに２４５℃の加熱処理を施し、クリームはんだＳが印刷されたランド１２と接合される電極のメッキ状態を異ならせ、クリームはんだＳの濡れ時間を測定した。すなわち、タンタルコンデンサを２４５℃の加熱を行うと電極メッキの酸化が促進されるため、加熱時間の長さに伴ってメッキ状態が悪化していく。これより、加熱時間毎に複数の試料を用意し、それぞれの濡れ時間を測定した。

表２より、電極のメッキ状態が良好であれば、はんだ濡れ時間も短くなることがわかる。また、電極のメッキ状態が良好であれば、はんだ濡れ性も良好である。したがって、はんだ濡れ時間が短ければ、それだけ、はんだ濡れ性が良好であるといえる。

次に、表３にタンタルコンデンサのはんだ接合部３ａにおけるクリームはんだＳの濡れ角とはんだ濡れ時間との相関関係を調べた結果を示す。濡れ角は、タンタルコンデンサが実装されるランド１２とクリームはんだＳが接触する角度をいい、良好なはんだ付け状態の濡れ角は２０°程度といわれており、またヤングの関係式より９０°が良否の限界であり、９０°を超えると濡れ不足となる。

表３より、ランド１２とクリームはんだＳの濡れ角が小さいほど濡れ時間が短いことがわかる。また、この濡れ角とはんだ濡れ時間との相関係数は０．９２１１であり、両変量には相関的な関係があることが分かる。したがって、はんだ濡れ時間が短ければ、それだけ、はんだ濡れ性が良好であるといえる。なお、濡れ角に代わって濡れ時間によってはんだ濡れ性を評価することができるため、レーザ変位計で測定することで容易にはんだ濡れ性試験を行うことができる。

以上のように、本発明が適用されたはんだ濡れ性試験装置１によれば、求めた濡れ曲線より濡れ時間を測定することにより、容易且つ精度よくはんだ濡れ性を評価することができる。

また、濡れ性試験装置１によれば、クリームはんだＳに対して非接触で変位を測定しているので、クリームはんだＳと実装部品２の濡れ特性のみに依存した変位として測定でき、よって、正確でバラツキのない濡れ曲線が得られ、これに基づいた正確な濡れ性の評価を行うことができる。

また、微小な部品では、その挙動が確認し難いため、撮像カメラ９によって撮像しモニタに拡大表示するようにしている。すなわち、左右の電極でクリームはんだＳの溶融タイミングがずれると、左右の電極に働くモーメントに大きな差が生じてチップ立ちが起こりやすくなるが、これをモニタで容易に視認することができ、確実に異常検出を行うことができる。

また、はんだ濡れ性試験装置１は、単に実装部品２とランド１２との接合部３ａにおけるクリームはんだＳの変位（上下動）を測定する方法であるので、従来のように、クリームはんだＳが実装部品の表面へ濡れ上がっていくことによる測定結果のばらつきが生じることがなく、０４０２といった微小なチップ部品の測定も確実に行うことができる。

さらに、はんだ濡れ性試験装置１は、実装部品をクリームはんだＳが印刷された基板に実装して測定を行うため、より実際の実装工程近い条件で測定を行うことができる。また、実装部品のサイズや形状、重量等による制約がなく、あらゆる実装部品に対応することができる。

本発明が適用されたはんだ濡れ性試験装置の構成を示す図である。変位測定手段の構成を示す図である。クリームはんだの溶融状態を示す図である。クリームはんだの溶融とはんだ濡れ曲線との対応を示す図である。

符号の説明

１はんだ濡れ性試験装置、２実装部品、３基板、４装置本体、５載置台、６加熱手段、７冷却手段、８変位測定手段、９撮像カメラ、１０処理手段、１１窓部、１４レーザ変位計、１５半導体レーザ、１６受光レンズ、１７位置検出素子、Ｓクリームはんだ

Claims

基板に実装される実装部品を上記基板にはんだ付けする際のはんだ濡れ性を測定するはんだ濡れ性試験装置において、
クリームはんだを介して上記実装部品が搭載された基板が載置される載置台と、
上記クリームはんだを加熱する加熱手段と、
上記実装部品とランドとの接合部に供給されたはんだの変位を測定する変位測定手段と、
上記変位測定手段の測定結果に応じて上記変位の経時変化として表されるはんだ濡れ曲線を作成する処理手段とを備えるはんだ濡れ性試験装置。
上記変位測定手段は、上記クリームはんだに非接触で測定することを特徴とする請求項１記載のはんだ濡れ性試験装置。
上記変位測定手段は、レーザ変位計であることを特徴とする請求項２記載のはんだ濡れ性試験装置。
上記はんだ濡れ曲線は、上記実装部品の接合箇所における上記クリームはんだの上下方向の変位に応じて測定することを特徴とする請求項１記載のはんだ濡れ性試験装置。
上記はんだ濡れ曲線から、上記クリームはんだが溶融し始めてから上記実装部品の所定箇所まで濡れ広がるまでのはんだ濡れ時間を測定することを特徴とする請求項１記載のはんだ濡れ性試験装置。
基板に実装される実装部品を上記基板にはんだ付けする際のはんだ濡れ性を測定するはんだ濡れ性試験方法において、
クリームはんだを介して上記実装部品が搭載された基板を加熱する工程と、
上記実装部品とランドとの接合部に供給されたはんだの変位を測定する工程と、
上記測定結果に応じて上記変位の経時変化として表されるはんだ濡れ曲線を作成する工程とを有するはんだ濡れ性試験方法。
上記はんだの変位測定は、上記クリームはんだに非接触で行うことを特徴とする請求項６記載のはんだ濡れ性試験方法。
レーザ変位計を用いて上記はんだの変位測定を行うことを特徴とする請求項７記載のはんだ濡れ性試験方法。
上記はんだ濡れ曲線は、上記実装部品の接合箇所における上記クリームはんだの上下方向の変位に応じて測定することを特徴とする請求項６記載のはんだ濡れ性試験方法。
上記はんだ濡れ曲線から、上記クリームはんだが溶融し始めてから上記実装部品の所定箇所まで濡れ広がるまでのはんだ濡れ時間を測定することを特徴とする請求項６記載のはんだ濡れ性試験方法。