JP2009010299A - はんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーはんだ材料を用いて挿入タイプの電子部品をプリント配線板に実装するためのはんだ付け方法であって、リフトオフの発生と引け巣の発生を低減して電子部品と基板との接続信頼性に優れたプリント配線板のはんだ付け方法を提供する。
【解決手段】挿入タイプ電子部品を搭載したプリント配線板を鉛フリーはんだ材料を用いてフローはんだ付けした後に、フローはんだ付けにより電子部品が実装された実装基板をリフロー炉に載置し、該リフロー炉において該実装基板を搬送することなく、該実装基板全体を一様に加熱してはんだ接合部を再度溶融させた後に、該実装基板全体を一括均一に急冷凝固するリフロー処理を行なう。
【選択図】図１

Description

この発明は、鉛フリーはんだ材料を用いて、プリント配線板または表面実装部品を実装した回路基板に挿入タイプの電子部品を実装するためのはんだ付け方法に関する。

近年、電子機器の高性能化、使用される環境の多様化に伴って内蔵される電子回路基板の信頼性特性の向上が強く望まれている。このため、電子部品実装において、電子部品を基板にはんだ付けすることによって形成される接合部の機械的強度、熱衝撃強度などの信頼性特性向上に対する要求が高まって来ている。

また、電子部品のプリント基板へのはんだ付け等に用いられるはんだ材料は、地球環境保全の観点から廃棄製品からの鉛の除去や鉛の使用禁止に関する法規を受け、鉛を含むはんだ材料から鉛を含まない鉛フリーはんだ材料へと切り替えが進んでいる。

鉛フリーはんだ材料を用いた挿入タイプの電子部品の基板へのフローはんだ付けにおける、リフトオフや引け巣等のはんだ付けの不具合は、はんだ付けによりはんだ材料のはんだ添加元素の偏析や元のはんだ組成とは異なる低融点の脆弱な合金が形成されることなどが原因となっていることが知られており、はんだを急速に凝固させることで、偏析現象の緩和や脆弱な合金相の成長時間が短縮化されることで、上記不具合の低減に効果があると言われている。

はんだ付けの不具合であるリフトオフや引け巣等の発生を抑制して電子部品と基板との接続信頼性の向上を目的として、下記の製造方法やはんだ付け方法が提案されている。

特開平１１−３５４９１９号公報には、Bｉを含んだ鉛フリーはんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するためのフローはんだ付け方法において、フローはんだ付け直後に遮熱板で仕切られた冷却ゾーンを通過させ、液相線温度近傍から固相線温度近傍までの温度域を約１０〜２０℃／秒で冷却し、第二の冷却速度：固相線温度近傍以下の温度域を約０．１〜５℃／秒で徐冷し、リフトオフの発生を抑制して接続信頼性の向上した電子回路基板の製造方法が記載されている（特許文献１）。

特開２００１−１５９０３号公報には、鉛フリーはんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するためのフローはんだ付けにおいて、フローはんだ付け設備ライン内に冷却部を備え、フローはんだ付け工程後、急冷工程ではんだ付け温度の１／２以下の温度または、２０℃乃至１２０℃の温度の予め選択された温度の冷媒液により回路基板を冷却して、はんだ接合部のクラック（リフトオフ現象）の発生を防止した強固なはんだ付け方法及び装置が記載されている（特許文献２）。

特開２００２−１４１６５８号公報には、鉛フリーのはんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するためのフローはんだ付けにおいて、フロー設備ライン内に冷却チャンバ装置を備え、フロー槽と冷却チャンバ間にはんだが凝固し始めるのを抑制するためにはんだが溶融している状態を確保できる雰囲気温度を有する調整ゾーンを設け、はんだ材料供給ゾーンにて溶融したはんだ材料を基板の所定の箇所に付着させた後、調整ゾーンで基板に付着したはんだ材料を溶融状態で均熱化し、冷却ゾーンにて急速に例えば約２００℃／分〜５００℃／分、より好ましくは約３００℃／分〜５００℃／分で冷却して、リフトオフの発生を低減したはんだ付け方法および装置が記載されている（特許文献３）。

特開平１１−３５４９１９号公報 特開２００１−１５９０３号公報 特開２００２−１４１６５８号公報

しかしながら、特許文献１は、フローゾーンと冷却ゾーン間に遮熱板が設けられているが、フローゾーンと冷却ゾーン間で発生している温度勾配により、基板の先端と後端での冷却速度に差が生じ、基板全体を均一な冷却速度で冷却できない。また、基板のサイズに関する記載が無く、大型基板の場合には更に基板の先端と後端での冷却速度の差が顕著になり、冷却ゾーンへ到達する前に凝固が始まっている可能性もあり、基板全体を均一な冷却速度で冷却できないという問題がある。

特許文献２には、特許文献1の遮熱板が設けられていないが同様にフローゾーンと冷却ゾーン間で発生している温度勾配により、基板全体を均一な冷却速度で冷却できないという問題がある。

また、特許文献３によれば、調整ゾーンが設けてあることで、冷却前のはんだ凝固対策が取られているが、ベルトコンベアにより基板を冷却ゾーンへ搬送するために、調整ゾーンと冷却ゾーン間で発生している温度勾配により、基板の先端と後端での冷却速度に差が生じ、基板全体を均一な冷却速度で冷却できないという問題がある。

上記の特許文献１乃至３の問題をまとめると、従来のようなベルトコンベアにより基板を冷却ゾーンへ搬送する場合、基板が冷却ゾーンに進入する位置において、基板の先端、中央、後端で基板の表面温度に差異が発生し、搬送方向における基板の先端、中央部、後端での冷却速度に差が生じ、基板全体を均一な冷却速度で冷却できないという問題点が挙げられる。このように基板全体を均一な冷却速度で冷却できない場合、基板上の各はんだ接合部の冷却条件が異なり、電子部品のはんだ付けの品質にばらつきが生じるという問題がある。

本発明は、プリント配線板または表面実装部品を実装した鉛フリーのプリント回路板に、挿入タイプの電子部品を鉛フリーのはんだ材料を用いて実装するためのはんだ付け方法において、リフトオフの発生と引け巣の発生を低減して電子部品と基板の接続信頼性に優れたプリント配線板またはプリント回路板のはんだ付け方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、鉛フリーはんだ材料を用いてプリント配線板または表面実装部品を搭載したプリント回路板のはんだ付け方法において、挿入タイプ電子部品を該プリント配線板または該プリント回路板のスルーホールに挿入してフローはんだ付けにより該挿入タイプ電子部品を搭載したプリント回路実装板を作製し、その後に該プリント回路実装板を加熱炉に載置して、加熱・冷却することにより該プリント回路実装板の該挿入タイプ電子部品及び／または表面実装部品のはんだ接合部のはんだを再度溶融させた後に冷却凝固するリフロー処理を行なうことを特徴とするプリント配線板のはんだ付け方法である。

請求項１に記載の発明において、フロー炉で一旦はんだ付けした電子部品を搭載したプリント回路実装板をバッチ式のリフロー炉に装填し、電子部品のはんだ接合部を再度溶融させる。リフロー炉の中では該実装板は移動することがないため、はんだが溶融状態のままで該実装板は上下ノズルからの冷媒の噴射冷却により全体が均一に冷却凝固される。実装板が均一に冷却されることにより、リフトオフの発生と引け巣の発生を低減できるという効果が得られる。

請求項２に記載の発明は、はんだ接合部を再度溶融させる前記リフロー処理の加熱工程におけるはんだ溶融時の雰囲気温度が、はんだ材料の融点＋５℃以上の温度であって、はんだ付けする前記挿入タイプ電子部品の耐熱温度−５℃以下の温度範囲内である請求項１記載のはんだ付け方法である。

請求項２に記載の発明において、はんだ材料が溶けた状態を維持できる最低限の温度に雰囲気温度をすることにより、はんだ付けした電子部品の機能の劣化を防止しすることができ、かつ、溶融温度と凝固温度の温度差が小さいため、均一に急速冷却凝固されるので、リフトオフの発生と引け巣の発生を低減できる。

請求項３に記載の発明は、はんだ接合部のはんだを再溶融させた後に冷却凝固するリフロー処理の冷却工程において、プリント回路実装板の冷却には急速冷却用の媒体を用いることを特徴とする請求項１及び請求項２記載のはんだ付け方法である。

請求項３に記載の発明によれば、急速冷却用の媒体を用いることにより、再溶融はんだは急速に冷却されるため、微細な金属組織を有する凝固はんだとなるため、耐疲労性に優れたはんだ付けが得られる。

請求項４に記載の発明は、請求項１の鉛フリーはんだ材料が、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｓｂ、および、前記基本はんだ材料に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕが微量に添加された鉛フリーはんだ材料から選択されたいずれかの材料であることを特徴とする請求項１乃至３記載のハンダ付け方法である
請求項４に記載の発明において、鉛フリーのはんだを用いることができるため、製造されたプリント回路実装板は環境に与える影響が少ないものとなる。

本発明によれば、フローはんだ付け後に、実装回路基板を炉内で搬送をしないで再溶融・急冷凝固するリフローはんだ付けを行うことで、個々のはんだ接合部内でのはんだ材料の温度分布と基板全体でのはんだ材料の温度分布のばらつきを少なくできるので、急冷開始温度のばらつきならびに個々のはんだ接合部での凝固時間のばらつきをなくすことができ、リフトオフの発生や疲労寿命のばらつきを低減することができる。

また、再溶融・急冷凝固するリフローはんだ付けにおいて、急速冷却によりはんだを凝固させることで、リフトオフの発生を効果的に低減することができる。また、凝固したはんだ材料の金属組織が微細化されて、はんだ接合部の機械的強度の向上ならびに疲労寿命のばらつきの低減を図ることができる。

これら不具合の低減によりプリント回路実装板の品質・信頼性の向上をはかることができる。

以下、本発明におけるはんだ付け方法の一例について図１乃至図２を用いて説明する。
図１は、本発明におけるはんだ付け方法のフローチャートである。また、図２は従来のフローはんだ付け方法のフローチャートである。図２によりプリント配線板の従来のフローはんだ付け工程１０を説明する。

工程１１では、電子部品をはんだ付けするための、銅ランド、銅スルーホール等の回路配線が設けられた実装用プリント配線板が準備される。なお、実装用プリント配線板は、片面基板、両面基板のいずれでもよく、また、本説明では、プリント配線板にはフローはんだ付けにより挿入部品を実装するが、フローはんだ付け前に表面実装部品をリフローはんだ付けで実装していてもよい。なお、表面実装部品をリフローはんだ付けするときに使用するはんだ材料は同じはんだ材料が望ましい。プリント配線板の絶縁基材としてとして、ガラスエポキシ基板やメタルコア基板を用いることができる。さらに、多層構造のプリント配線板を使用することもできる。次の工程１２では、挿入（パッケージ）タイプの電子部品、例えば、リレー、コンデンサ、抵抗などのリード端子付きの電子部品、が規定のスルーホールに挿入搭載される。電子部品が搭載されたプリント配線板はベルトコンベアにセットされ、フロー炉に搬送されて搭載された電子部品はプリント配線板にフローはんだ付けされる。

まず、フラックス塗布工程１３において、電子部品が搭載されたプリント配線板のはんだ付け面にはんだ付けのためのフラックスが均一に塗布される。フラックスの塗布が終了した電子部品を搭載したプリント配線板はプリヒート工程１４で、フラックスを活性化させはんだ付け性をよくするための予備加熱温度、例えば１６０〜１７０℃にプリヒートされて、フローはんだ付着工程１５へ搬送される。

フローはんだ付着工程１５は、鉛フリーはんだ、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ、が溶融（２５０℃）した噴流式のはんだ槽ではんだ接合部にフローはんだ付着がなされる。なお、鉛フリーはんだとして、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ、好ましくは、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｓｂ、さらに、上記各合金に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕを微量加えたものでもかまわない。

フローはんだ付着が終了したプリント回路実装板（以下実装基板という）は冷却凝固工程１６で冷却され凝固される。冷却方法は自然冷却でもよいし、あらかじめ選択された温度に温調された冷媒液中に浸漬させる、もしくは、ガス噴射、噴霧又はシャワーで冷媒を吹きかける等を施して冷却してもよい。

なお、実装基板を冷却する冷媒として、使用しているはんだ材料の融点より低い気体または液体の、空気、水蒸気、水、液化二酸化炭素（ガス）、液化窒素(ガス)、液化アルゴン（ガス）、液化ヘリウム（ガス）等が使用できる。

冷却されフロー炉から排出、取り出され、フローはんだ付けが終了した実装基板は、無洗浄タイプのフラックスでない場合、付着しているはんだ用フラックスが洗浄除去された後、はんだ接合部の外観検査（工程１７）が行われ、挿入タイプの電子部品が実装された実装基板ができあがる。

次に、図１を用いて本発明のはんだ付け方法を説明する。本発明のプリント配線板のはんだ付け工程１は、挿入タイプの電子部品が搭載されたプリント配線板をフローはんだ付けにより実装基板を製作するフローはんだ付け工程１０と、工程１０で製作された実装基板のはんだ接合部のはんだを再溶融、急冷凝固させるリフローはんだ付け工程２０とから構成されている。なお、ここでいうリフローはんだ付けとは、一般的な表面実装部品のはんだ付けに使用される、あらかじめ施されているはんだメッキ、ソルダーペーストを溶融、凝固させることではなく、はんだ付けしたはんだ接合部のはんだを再溶融、急冷凝固させることを言う。

前述のフローはんだ付け工程１０と同一工程（工程１１〜１６）を経て、フロー炉から取り出された実装基板は、直ちにまたははんだ付け外観検査等の中間工程（工程１７）が終了すると、実装基板のはんだ接合部のはんだを再溶融、急冷凝固させるリフローはんだ付け工程２０に進む。実装基板は実装基板全体を急速に且つ均一に冷却する強制冷却機構を備えた搬送機構のないリフロー炉６０、例えば、バッチ式リフロー炉へ運ばれ炉内の所定の位置に載置される（工程２１）。図３はバッチ式リフロー炉６０を示し、図３（ａ）はリフロー炉６０の概略と載置された実装基板５０を示す模式図であり、図３（ｂ）はリフロー炉の縦断面構造と実装基板５０のはんだ付け状態を示す模式図である。図３（ａ）において、実装基板５０が図示しない支持部材により実装基板５０の端の部分が支持されリフロー炉６０内に載置されている状態を示す。図３（ｂ）の断面図において、実装基板５０の温風加熱方式による加熱状態、および冷却状態を示し、実装基板５０の上下方向には加熱用ノズル６１、冷却用ノズル６２が配置されている。加熱用ノズル６１から噴出される熱風ガス６１ａ、例えば、図示しないヒータを設置した空間内に窒素ガスを通すことで所定温度にあらかじめ加熱された窒素ガス、により実装基板５０は均一に加熱される。加熱ガスの温度は、使用されるはんだ材料、部品の耐熱性により異なるが、例えば、鉛フリーはんだ材料Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点約２１７℃）では約２５０℃に加熱される。なお、リフロー炉６０は載置された複数枚の実装基板５０の全面を一括均一に加熱することができ、かつ一括均一に冷却できる機構を備えていればよい。リフロー炉内の雰囲気は空気でもよいが、ハンダ、部品のリード端子等の酸化を防ぐために窒素雰囲気とすることが好ましい。リフロー炉の加熱方式は、熱風加熱方式、赤外線輻射加熱方式でいずれでもよく、また両加熱方式を複合した加熱方式であってもよい。

なお、再溶融・急冷凝固するリフローはんだ付けが適用される実装基板は、表面実装部品と挿入タイプ実装部品の混在した実装基板であってもよく。リフロー炉に載置される。耐熱性が低いまたは急冷で特性が劣化する表面実装部品等が実装された実装基板に対して、それらの部品を保護するために加熱防止または急冷防止のためパレットで被う等の前処理が施される。前処理が施された実装基板はリフロー炉６０に載置される。

図３（ｂ）に示すように、実装基板５０のプリント配線板５１はあらかじめ規定された温度で加熱が行われ、はんだ接合部５５（電子部品のリード端子５２ａと銅ランド５３、銅スルーホール５４とはんだとから構成される。）のはんだが溶融される（工程２２）。再溶融時の炉内の雰囲気温度は、はんだ材料の融点以上、例えば、はんだ融点＋5℃以上、搭載電子部品の耐熱温度−5℃以下であり、リフロー炉６０の上下方向に設置された加熱用ノズル６１から噴射される雰囲気温度を有する熱風６１ａが炉内に噴射され、炉内の雰囲気温度は上昇し、熱風６１ａの温度（雰囲気温度）に到達することにより得られる。実装基板５０は、加熱用ノズル６１からの熱風６１ａおよび周囲雰囲気ガスにより加熱される。また、はんだ再溶融加熱時の保持時間は、銅ランドの銅食われが進み難く、かつプリント回路実装板５０の配線板や実装電子部品が熱で損傷しない短い時間であることが望ましく、例えばはんだ融点＋5℃で１０秒間保持される。

表面実装部品と挿入タイプ実装部品の混在した実装基板も同様に、所定温度に加熱されはんだ接合部のはんだは溶融される。挿入タイプ実装部品のはんだ付けに用いられた鉛フリーはんだと同じはんだペースト等でリフローはんだ付けされた表面実装部品は、加熱によりはんだ接合部のはんだは溶融される。しかし、表面実装部品は、耐熱性の接着剤で基板に接着固定されており、再溶融加熱で表面実装部品が剥がれたり、移動したりすることはない。

リフロー炉６０で冷却が完了した実装基板５０はリフロー炉６０から取り出され、はんだ接合部の外観検査（工程２４）が行われる。

表面実装部品と挿入タイプ実装部品の混在した実装基板は、実装基板の表面温度が、下がるとリフロー炉６０から取り出され、前処理で施されたパレット等の治工具が取り除かれ、はんだ接合部の外観検査等が行われ、はんだ接合部を再度溶融させた後に急冷凝固するリフローはんだ付けが完了する。

以上述べたようにしてフローはんだ付け−再溶融・急冷凝固するリフローはんだ付け
をした実装基板５０が製造される。

以下、本発明のはんだ付け方法によるはんだ接合部への影響について実施例によって具体的に説明する。

従来のフロー炉はんだ付けで急速冷却を行った（フローはんだ付け）試料と、本発明のフロー炉はんだ付けで急速冷却を行った後にバッチ式リフロー炉ではんだ接合部のはんだを再溶融した後に急速冷却を行った（リフローはんだ付け）試料を作製し、それぞれのはんだ付け方法（急速冷却）がはんだ接合部の引け巣発生およびリフトオフ発生に及ぼす影響、効果について従来技術と本発明による比較試験を行った。

図４に電子部品を搭載したプリント配線板７０の模式図を示す。プリント配線板７１は銅ランドの幅０．５ｍｍ、銅スルーホール径：φ１．４ｍｍを設けた両面ガラスエポキシ基板（厚さ：１ｍｍ、大きさ：１５０ｍｍの正方形）を使用した。プリント配線板７１に搭載する電子部品として、プリント基板用リレー７２（オムロン製：Ｇ８ＦＥ−１ＡＰ−Ｌ）を９個使用した。リレー７２のリード端子の材質は銅で、リード端子の数は６本／個である。リレー７２の搭載位置は、フローはんだ付けの配線板７１の搬送方向（図４矢印７５で示す）を前基準にして基板前部７１ｆに３つ、基板中央部７１ｃに３つ、基板後部７１ｒに３つ搭載した。リレー７２を搭載した基板７０を６枚用意し、６枚を従来のフロー炉はんだ付けを用いて下記の条件で急速冷却フローはんだ付けを行い、その内３枚を従来技術のはんだ付けの試料とした（試料Ｎｏ．１ａ〜３ａ）。残り３枚について急速冷却機構を備えたバッチ式リフロー炉を用いて、本発明の下記の条件ではんだ接合部を再溶融した後に急速冷却するリフローはんだ付けを行った（試料Ｎｏ．１ｂ〜３ｂ）。なお、はんだ材料として、鉛フリーのＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点約２１７℃）を用いた。

フローはんだ付け条件：搬送速度：１ｍ／分、はんだ噴流温度：２５０℃。
冷却速度：１０℃／秒
リフローはんだ付け条件：雰囲気温度：２４０℃、保持時間：１０秒
冷却速度：２０℃／秒
上記のはんだ付け条件で製作された試料（実装基板）における各リレーのリード端子のはんだ接合部分（図３（ｂ）５３参考）について走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）用いて表面観察（倍率は30〜200倍を適宜使用）にて引け巣発生状態及びリフトオフ状態を検査し、その後表面観察でリフトオフと思われる部位について断面検査を行ってリフトオフを確認することで、基板前部７１ｆ、中央部７１ｍおよび後部７１ｒそれぞれの引け巣発生数およびリフトオフ発生数を求めた。引け巣発生数およびリフトオフ発生数は、はんだ接合部中に引け巣およびリフトオフの発生しているリード端子のはんだ接合部の個数を示す。得られた結果を表１に示す。

表1より、引け巣の発生数に関しては、各試料の検査はんだ接合部は５４ヶ所で、３試料の全検査はんだ接合部１６２ヶ所において、従来技術のはんだ付け方法の引け巣発生数は、３試料合計で４５ヶ所に対して、本発明の実施例１のはんだ付け方法の引け巣発生数は、３試料合計で６ヶ所と、従来技術のはんだ付け方法の1３％と非常に少なく、実装基板のはんだ接合部のはんだを再溶融、急冷凝固するリフローはんだ付けの効果が認められる。また、電子部品の搭載位置による影響は、各搭載位置の各試料の検査はんだ接合部は１８箇所で、３試料の全検査はんだ接合部５４ヶ所において、従来技術のはんだ付け方法における各部の引け巣発生数は、基板前部は合計１１ヶ所、基板中央部は合計１１ヶ所、基板後部は２３ヶ所である。最後に冷却される基板後部の発生数は他の位置の約２倍であり、電子部品の搭載位置によって引け巣の発生数にばらつきが生じている。これは従来技術のはんだ付け方法では、フローはんだ付けライン上を搬送しながら溶融はんだは冷却されて、基板前部、基板中央部、基板後部では、加熱温度、冷却速度等のはんだ付け条件が異なるためと考えられる。

本発明の実施例１のはんだ付け方法における各搭載位置の引け巣発生数は、検査件数５４ヶ所において、基板前部は合計２ヶ所、基板中央部は合計１ヶ所、基板後部は３ヶ所で、引け巣の発生数が非常に少なく、引け巣発生数に対する、搭載位置の影響があるとはいえない。この理由は、本発明のはんだ付け方法では実装基板を搬送することがないため、基板前部、基板中央部、基板後部との搭載位置関係がなくなり、またはんだ接合部のはんだを再度溶融した後に基板全体を一括均一に冷却させるので、冷却速度のばらつきが小さいために引け巣発生件数が少ないと考えられる。

以上、従来技術のはんだ付け方法の場合、はんだ付けの際に部品搭載基板に接触する噴流はんだの温度、基板の搬送速度、雰囲気温度、雰囲気ガスの流れ等、フローはんだ槽から急冷されるまでの条件により、急冷前のはんだ溶融状態が一定に保たれるとは限らないため、急冷凝固された実装基板のはんだ付け品質にばらつきが発生する。

これに対して本発明の実施例１のはんだ接合部のはんだを再溶融、急冷凝固するリフローはんだ付けの場合は、一定のはんだ溶融状態から急冷凝固が行われるために、安定したはんだ付け品質が得られる。

なお、リフトオフ発生数に関しては、従来技術のはんだ付け、本発明のはんだ付け共にリフトオフ発生件数がゼロで、リフトオフの発生は認められず、はんだ付け方法による差がみられない。このことから、本発明のはんだ付け方法においても十分にリフトオフ発生の抑制効果があること確認された。

実施例１と同様に、従来のフロー炉はんだ付けで急速冷却フローはんだ付けを行った試料と、本発明のフロー炉はんだ付けで急速冷却を行った後に、バッチ式リフロー炉ではんだ接合部のはんだを再溶融した後に急速冷却するリフローはんだ付けを行った試料を作製し、はんだ付け方法の相違がはんだ接合部の疲労寿命に及ぼす影響、効果について、従来技術と本発明による比較試験を行った。

なお、プリント配線基板７０および搭載部品７２は実施例１と同様のものを使用し、同じはんだ付け条件ではんだ付けを施した。試料Ｎｏ．は、はんだ付け条件が実施例１と同じため同じ番号を付した。

製作した比較試験用試料を自動温度調節が可能な恒温槽に入れ、疲労試験を実施した。疲労試験は−４０℃から１４０℃までの温度変化を伴うサイクル試験である。恒温槽内の温度プロファイルは、−４０℃で３０分間保持→３０分間かけて１４０℃まで昇温→１４０℃で３０分間保持→３０分間かけて−４０℃まで降温とし、これを１サイクルとして合計１０００サイクルの疲労試験を行った。

疲労試験終了後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料（被試験実装基板）の各はんだ接合部分の断面観察（倍率は30〜200倍を適宜使用）を行い、疲労により発生したはんだ部分のき裂の長さを計測した。計測された基板前部７１ｆ、基板中央部７２ｍ、基板後部７１ｒそれぞれのき裂長さの平均値を導出した。長いき裂が検出された試料は、すなわち寿命が短い実装基板ということである。得られたはんだき裂長さの結果を表２に示す。

表２より、従来技術のはんだ付け方法によるはんだき裂長さ（全平均値６６７μｍ）よりも、本発明の実施例２のはんだ付け方法のはんだき裂長さ（全平均値４６１μｍ）は、約２００μｍ小さくなっている。また、従来技術のはんだ付け方法における各部の平均はんだき裂長さは、基板前部７１ｆは６１０μｍ、基板中央部７１ｍは６２７μｍ、基板後部７１ｒは７６０μｍである。最後に冷却される基板後部７１ｒのはんだき裂長さは他の位置７１ｆ、７１ｍよりも約１５０μｍ長く、電子部品の搭載位置によってはんだき裂長さに差異が生じている。これは従来技術のはんだ付け方法では、部品搭載基板は噴流はんだ槽でのはんだ付着後、フローはんだ付けライン上を搬送されながら周囲の条件（基板の搬送速度、雰囲気温度、雰囲気ガスの流れ等）に応じて冷却されて、基板前部７１ｆ、基板中央部７１ｍ、基板後部７１ｒでは、急冷凝固前の条件が異なる。そのため、はんだ接合部のはんだ凝固組織のＳｎ結晶粒のサイズは異なり、はんだき裂長さ（寿命）にばらつきが発生する。

本発明の実施例２のはんだ付け方法における部品載置位置の平均はんだき裂長さは、基板前部７１ｆは４５０μｍ、基板中央部７１ｍは４５７μｍ、基板後部７１ｒは４７０μｍで、はんだき裂長さは、従来技術のはんだ付けのはんだき裂長さより小さく、かつ、ばらつきも小さい。なお、本発明の各実施例のはんだ付け方法では実装基板を搬送することがないため、基板前部７１ｆ、基板中央部７１ｍ、基板後部７１ｒの部品の搭載位置関係はなくなる。本発明のはんだ付け方法は、はんだ接合部のはんだを再度溶融した後、基板を搬送することなく基板全体が最適な条件で一括均一に急冷されるため、各搭載位置に関係なく冷却速度のばらつきは小さく均一なはんだ凝固組織が得られ、結果としてはんだき裂長さ（寿命）のばらつきは小さくなる。

本発明におけるはんだ付け方法のフローチャートである。 従来のフローはんだ付け方法のフローチャートである。 図３はバッチ式リフロー炉６０のはんだ付け状態を示し、図３（ａ）はリフロー炉６０の概略と載置された実装基板５０を示す模式図であり、図３（ｂ）はリフロー炉の縦断面構造と実装基板５０のはんだ付け状態を示す模式図である。 電子部品を搭載したプリント配線板７０の模式図を示す。

符号の説明

１：本発明のプリント配線板のはんだ付け工程
１０：フローハンダ付け工程 １３：フラックス塗布工程
１４：プレヒート工程 １５：噴流はんだ付着工程
１６：冷却工程 ２０：リフローはんだ付け工程
２１：はんだ再溶融工程 ２２：急速冷却凝固工程
５０：実装基板 ５１：プリント配線板
５２：挿入タイプ電子部品 ５２ａ：リード端子
５３：銅ランド ５４：銅スルーホール
５５：はんだ接合部 ６０：リフロー炉
６１：加熱用ノズル ６２：冷却用ノズル
６３：加熱用配管 ６４：冷却用配管
７０：電子部品搭載プリント配線板 ７１：プリント配線板
７１ｆ：基板前部 ７２ｍ：基板中央部
７２ｒ：基板後部 ７２：リレー
７５：基板搬送方向

Claims (4)

1. 鉛フリーはんだ材料を用いてプリント配線板または表面実装部品を搭載したプリント回路板のはんだ付け方法において、挿入タイプ電子部品を該プリント配線板または該プリント回路板のスルーホールに挿入してフローはんだ付けにより該挿入タイプ電子部品を搭載したプリント回路実装板を作製し、その後に該プリント回路実装板を加熱炉に載置して加熱・冷却することにより該プリント回路実装板の該挿入タイプ電子部品及び／または表面実装部品のはんだ接合部のはんだを再度溶融させた後に冷却凝固するリフロー処理を行なうことを特徴とするプリント配線板のはんだ付け方法。
2. はんだ接合部を再度溶融させる前記リフロー処理の加熱工程におけるはんだ溶融時の雰囲気温度は、はんだ材料の融点＋５℃以上の温度であって、はんだ付けする前記挿入タイプ電子部品の耐熱温度−５℃以下の温度範囲内である請求項１記載のはんだ付け方法。
3. はんだ接合部のはんだを再溶融させた後に冷却凝固するリフロー処理の冷却工程の冷却には冷媒を用いることを特徴とする請求項１及び請求項２記載のはんだ付け方法。
4. 請求項１の鉛フリーはんだ材料は、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｓｂ、および、前記基本はんだ材料に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕが微量に添加された鉛フリーはんだ材料から選択されたいずれかの材料であることを特徴とする請求項１乃至３記載のはんだ付け方法

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