JP2013173157A

JP2013173157A - ハンダ実装装置及びハンダ実装方法

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Publication number: JP2013173157A
Application number: JP2012038686A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Nozaki; 孝彦野崎
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-09-05

Abstract

【課題】構成の単純化と小型化、工程時間の短縮、コストダウン等を図ることができるハンダ実装装置を提供すること。
【解決手段】ハンダ層が形成された基板７上に搭載部品６を載置し、これを炉内で加熱して前記ハンダ層を溶融させることによって前記搭載部品６を前記基板７上に実装するハンダ実装装置を、密閉空間Ｓを形成する炉体（容器）３と、前記密閉空間Ｓに接続するガス注入口１１及びガス排出口１２と、前記密閉空間Ｓ内に設けられ前記基板７を配置するステージ５と、前記密閉空間Ｓ内に設けた基板７のハンダ層を加熱溶融する加熱手段と、前記炉体３の内壁に摺動可能なピストン１７とを含んで構成する。
備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品や半導体部品等をハンダ付けによって基板上に実装するためのハンダ実装装置とハンダ実装方法に関するものである。

電子部品や半導体部品等を基板上にハンダ付けによって実装する方法としては、基板上に形成されたペースト状のハンダ層の上にワークを載せ、ワークが載置された基板をリフロー炉に搬入し、基板上のハンダ層を加熱溶融させることによってワークをハンダ付けして基板上に実装する方法が一般的に用いられている。

ところで、上記方法によってワークを基板上に実装する方法では、加熱中に基板及びハンダ層が大気に晒されているため、基板やハンダが酸化してハンダボールや接合不良等の不具合が発生する。

そこで、特許文献１には、基板をハンダの融点以下の温度に加熱する予熱炉内を不活性ガス雰囲気とし、基板を融点以上の温度まで加熱するリフロー本体炉内の雰囲気を真空状態とすることによって、加熱中に生じる基板やハンダの酸化を防ぐ提案がなされている。

又、一般にハンダ付けを行う際には、ハンダ材が溶融する時点で母材の表面が清浄であることが必要である。このため、フラックスを用いて母材表面の清浄化(酸化還元化)を行っているが、フラックスは、ハンダ付け時の加熱によってある程度は気化するものの、一部はハンダ付け部に残る。この残ったフラックスをそのまま放置しておくと、空気中の水分(湿気)と反応してハンダ付け部が腐食したり、絶縁抵抗が低下して電子部品等の機能を低下させる可能性がある。

そこで、ハンダ付け後にフラックスを除去するために洗浄が行われている。この洗浄にはフロン等が使用されているが、フロン等は環境破壊防止等の観点からその使用が制限されている。

そこで、特許文献２には、ハンダ付けの雰囲気ガスとして、還元性ガスとカルボン酸ガスとの混合ガス、或いはこれに不活性ガスを混合したガスを用いることによって、フラックスを用いることなくハンダ付け部分を清浄、還元化して洗浄工程を省略する方法が提案されている。

又、特許文献３には、フラックスを含まないハンダシートと金属製キャップを基板上に順に設置し、還元雰囲気中でハンダリフローして金属製キャップを基板上に固定して封止する方法が提案されている。

更に、特許文献４には、フラックスを使用することなく且つハンダ層にボイドを発生させることなくハンダパンプを形成することができるとともに、ハンダバンプ形成後に洗浄が不要な加熱溶融処理装置が提案されている。具体的には、この装置は、ハンダが露出している加熱対象装置を入れるためのチャンバと、該チャンバ内に取り付けられてハンダを加熱するためのヒータと、チャンバ内を減圧するための排気手段と、チャンバ内に蟻酸を供給する管と供給された蟻酸の気化を助長する加熱器を有する蟻酸供給手段と、気化した蟻酸を溶液に溶かして回収する回収機構によって構成されている。

特開平４−２２０１６６号公報特開平６−１９０５８４号公報特開昭６２−１５９９９５号公報特許第３３７８８５２号公報

しかしながら、特許文献１〜４において提案された装置や方法においては、リフロー炉に付帯する加熱手段や真空ポンプ等の減圧手段を要する他、工程数に応じた炉数が必要となるため、工程装置が複雑化及び大型化する他、工程時間が長くなってコストアップを招くという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、構成の単純化と小型化、工程時間の短縮、コストダウン等を図ることができるハンダ実装装置及びハンダ実装方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載のハンダ実装装置は、ハンダ層が形成された基板上に搭載部品を載置し、これを炉内で加熱して前記ハンダ層を溶融させることによって前記搭載部品を前記基板上に実装する装置であって、
密閉空間を形成する容器と、
前記密閉空間に接続するガス注入口及びガス排出口と、
前記密閉空間内に設けられ前記基板を配置するステージと、
前記密閉空間内に設けた基板のハンダ層を加熱溶融する加熱手段と、
前記容器の内壁に摺動可能なピストンとを備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、更に、前記ステージに対して前記基板を搬入及び／又は搬出可能な搬送手段を備えることを特徴とする。

請求項３記載のハンダ実装方法は、ハンダ層が形成された基板上に搭載部品を載置し、これを炉内で加熱して前記ハンダ層を溶融させることによって前記搭載部品を前記基板上に実装する装置であって、
密閉空間を形成する容器と、前記密閉空間に接続するガス注入口及びガス排出口と、
前記密閉空間内に設けられ前記基板を配置するステージと、前記密閉空間内に設けた基板のハンダ層を加熱溶融する加熱手段と、前記容器の内壁に摺動可能なピストンとを備えることを特徴とするハンダ実装装置を用意し、
前記密閉空間を非密閉状態としてステージ上に前記基板を載置する工程と、
前記基板をセットした後に密閉空間を形成するセット工程と、
前記密閉空間に備えられた前記ピストンを可動させて密閉空間を減圧状態としてガス注入口からガスを注入し、ガス注入状態でハンダ層を加熱する加熱工程と、
前記密閉空間に備えられた前記ピストンを可動させて密閉空間のガスをガス排出口から排出するガス排出工程と、
前記密閉空間に備えられた前記ピストンを可動させて密閉空間を減圧状態とするとともに、前記ハンダ層を加熱するボイド抜き工程と、
前記ハンダ層を冷却する冷却工程と、を順次行うことを特徴とする。

本発明によれば、ピストンを備える炉体を加熱炉及び減圧炉として共用することができるとともに、ピストンの移動によって炉体内を瞬時に減圧及び加圧雰囲気とすることができる他、ガスの置換も容易に行うことができ、真空ポンプ等の付帯設備が不要となるためにハンダ実装装置の構造単純化を図ることができる。

又、炉体の容積を基板に合わせて小さくすることができるため、減圧や加圧、加熱、ガスの置換に要する工程時間が短縮されるとともに、必要な置換ガス量が少なくて済み、装置を小型化してコストダウンを図ることができる他、実装効率を高めて生産性の向上を図ることができる。

本発明に係るハンダ実装装置の全体構成図である。本発明に係るハンダ実装装置要部の縦断面図である。 (ａ)〜（ｈ）は本発明に係るハンダ実装方法をその工程順に示すハンダ実装装置要部の縦断面図である。ハンダ層が形成された基板の側面図である。ハンダ層が形成された基板の平面図である。ハンダ層の上に搭載部品が重ねられた基板の側面図である。ハンダ付けによって搭載部品が実装された基板の側面図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係るハンダ実装装置の全体構成図、図２は同ハンダ実装装置要部の縦断面図であり、図示のハンダ実装装置１は、水平に設置されたベース２と、該ベース２の上方に配された上下動可能な炉体３と、ベース２を貫通するロッド４の上端に固設されたステージ５と、該ステージ５に対してハンダ付けを行う部材である搭載部品６を搬入し且つ該搭載部品６が実装された基板７を搬出する搬送手段８と、不活性ガスや還元ガス等のガスを充填したガスボンベ９と、前記炉体３やステージ５、搬送手段８等を駆動制御する制御手段１０を含んで構成されている。

上記ベース２には、図２に示すように、ガス注入口１１とガス排出口１２が形成されており、ガス注入口１１は、図１に示すように配管１３によって前記ガスボンベ９に接続されており、ガス排出口１２には、大気に開口する配管１４が接続されており、配管１３，１４には開閉弁１５，１６がそれぞれ設けられている・
前記炉体３は、下方が開放された容器状部材であって、その上方からはピストンロッド１７が垂直に挿入されており、該ピストンロッド１７の炉体３内に臨む下端部には、炉体３に内周に上下摺動可能に嵌合するピストン１８が結着されている。尚、ピストンロッド１７及びピストン１８は、図１に示す駆動源１９によって駆動されて上下動し、駆動源１９は前記制御手段１０によってその駆動が制御される。

前記ステージ５は、前記ロッド４の上端に水平に取り付けられており、これには加熱手段として不図示のセラミックヒータが内蔵されている。そして、このステージ５は、ロッド４が図１に示す駆動源２０によって上下に駆動されることによって上下動するが、駆動源２０は前記制御手段１０によってその駆動が制御される。

前記搬送手段８は、互いに逆方向に水平移動して離間又は近接する一対の移動台２１と、これらの移動台２１上を水平方向に往復動可能なプッシュロッド２２と、該プッシュロッド２２の先端に取り付けられたＬ字状の押圧子２３及び移動台２１とプッシュロッド２２を駆動する駆動源２４を含んで構成されており、駆動源２４は前記制御手段１０によってその駆動が制御される。

次に、以上のように構成されたハンダ実装装置１を用いて実施される搭載部品６の基板７へのハンダ実装方法を図３〜図７に基づいて以下に説明する。

図３（ａ）〜（ｈ）は本発明に係るハンダ実装方法をその工程順に示すハンダ実装装置要部の縦断面図、図４はハンダ層が形成された基板の側面図、図５は同平面図、図６はハンダ層の上に搭載部品が重ねられた基板の側面図、図７はハンダ付けによって搭載部品が実装された基板の側面図である。

本発明に係るハンダ実装方法は、以下に説明する１）ワーク搬入工程、２）セット工程、３）ガス置換工程、４）加熱工程、５）ガス排出工程、６）ボイド抜き工程、７）冷却工程及び８）ワーク搬出工程を順次経て搭載部品６をハンダ付けによって基板７上に実装することを特徴とする。以下、各工程についてそれぞれ説明する。

１）ワーク搬入工程：
先ず、ベース２の上方に炉体３を移動させる。又、ロッド４を上動させてステージ５を所定位置に配置し、この状態で、ステージ５上に基板７をセットする。ここで、基板７上には配線パターン７ａ，７ｂが形成されており、配線パターン７ａ上にはハンダ層２５が形成されている。尚、基板７としては、プリント配線板、例えばガラスエポキシ銅張積層板、ＦＲ−４、セラミック、アルミニウム、銅、酸化シリコン等を基材とするものが用いられ、ハンダ層２５には鉛フリーハンダ、成型ハンダ、ハンダペースト等が用いられる。又、搭載部品６としては、ＬＥＤデバイス、太陽電池パネル、抵抗デバイス等の電子部品が考えられる。

このワーク搬入工程においては、図３（ａ）に示すように、ステージ５が上動し、その上面が搬送手段８の左右の移動台２１の上面の高さ位置に合わせられる。そして、この状態から搬送手段８のプッシュロッド２２が図３（ａ）の右方へと摺動し、その先端に取り付けされた作動子２３で基板７を移動させてステージ５上に搬送する。尚、電子部品等の搭載部品６は図６に示すように予めハンダ層２５の上に積み重ねておく。

２）セット工程：
前記ワーク搬入工程において搭載部品６がハンダ層２５上に積層された基板７が移動体２１上にセットされると、図３(ｂ)に示すように搬送手段８の左右の移動台２１が矢印方向に移動して互いに離間し、プッシュロッド２２と作動子２３はステージ５から退避する。この状態から炉体３が下降し、該炉体３の下端がベース２に密着し、炉体３内にはピストン１８によって区画される密閉空間Ｓが形成される。このとき、ピストン１８は下方に位置し、密閉空間Ｓの容積をピストン１５が搭載部品６にぶつからない範囲で最小限の容積となるようにする。

３）ガス置換工程：
このガス置換工程では、図１に示す配管１３，１４にそれぞれ設けられた開閉弁１５，１６が共に開けられた状態で、図３（ｃ）に示すように炉体３内でピストン１８が上昇する。これにより、容積が拡大して減圧する。減圧した密閉空間Ｓに図１に示すガスボンベ９からガスが配管１３を通ってベース２のガス注入口１１から注入され、密閉空間Ｓ内の空気がガスによって置換される。尚、ガスとしては、基板７やハンダ層２５の酸化を抑制する窒素等の不活性ガス、還元効果が期待される窒素と水素の混合ガス、還元性ガスとカルボン酸ガスとの混合ガス、或いはこれに不活性ガスを混合したガスが用いられる。

４）加熱工程：
上記ガス置換工程によって炉体３内の密閉空間Ｓの空気がガスによって置換されると、図１に示す配管１３，１４にそれぞれ設けられた開閉弁１５，１６を共に閉じ、ステージ５に設けられた不図示のセラミックヒータに通電し、図３（ｄ）に示すようにガス雰囲気中で基板７上のハンダ層２５をセラミックヒータによって加熱する。尚、このとき、炉体３内でピストン１８を下げて密閉空間Ｓを加圧することによってガスの濃度を高め、ガスによる還元効果を高めるようにしても良い。

５）ガス排出工程：
このガス排出工程では、図１に示す配管１４に設けられた開閉弁１６を開け、図３（ｅ）に示すように炉体３内の密閉空間Ｓでピストン１８を下降させて密閉空間Ｓ内のガスをベース２のガス排出口１２から配管１４を経て大気中に排出する。

６）ボイド抜き工程：
上記ガス排出工程によって炉体３内の密閉空間Ｓからガスを排出した後、図３（ｆ）に示すように炉体３内の密閉空間Ｓでピストン１８を上昇させて該密閉空間Ｓ内を減圧した状態で、ステージ５に設けられたセラミックヒータで基板７上のハンダ層２５を加熱して該ハンダ層２５を溶融させる。すると、溶融状態のハンダ層２５からボイド（ブローホール）が除去される。尚、密閉空間Ｓの減圧は、ハンダ層２５を溶融状態とする前に減圧状態とすることが好ましいが、溶融を開始した後に減圧状態としても良い。

ここで、ボイド抜きの所望減圧値を２ｋＰａ、常圧を１００ｋＰａ、基板７（縦２０ｍｍ×横２ｍｍ×厚み１ｍｍ）の体積を５００ｍｍ^３とすると、ボイル・シャルルの法則からＰＶ／Ｔ＝一定（Ｐ：圧力、Ｖ：体積、Ｔ：絶対温度）を用いて、
ＰＶ／Ｔ＝Ｐ’Ｖ’／Ｔ’
ここに、Ｐ：常圧（＝１００ｋＰａ）、Ｖ：基板の体積、Ｐ’：減圧値（＝２ｋＰａ）
Ｖ’：減圧時の密閉空間の容積、Ｔ＝Ｔ’＝２９８Ｋ＝＝２７３℃＋２５℃）
従って、
１００ｋＰａ×５００ｍｍ^３／２９８Ｋ＝２ｋＰａ×Ｖ’／２９８Ｋ
となり、
上式から、Ｖ’を求めると、
Ｖ’＝２５０００ｍｍ^３
となり、
Ｖ’／Ｖ＝２５０００ｍｍ^３／５００ｍｍ^３＝５０
となって、ボイド抜きの所望減圧値は２ｋＰａを得るには、密閉空間Ｓの容積は基板７の体積の５０倍を必要とする。

例えば、密閉空間Ｓの内径ｒをｒ＝φ５０ｍｍ、高さをｈとすると、
Ｖ’＝πｒ^２ｈ＝２５０００ｍｍ^３
から、
ｈ＝２５０００ｍｍ^３／π×（２５ｍｍ）^２
≒１３ｍｍ
となり、ピストン１８を約１３ｍｍだけ引き上げることによって所望の減圧値２ｋＰａを得ることができる。

加熱環境下においても、同様にハンダの溶融温度を２２０℃とすると、
１００ｋＰａ×５００ｍｍ^３／２９８Ｋ＝２ｋＰａ×Ｖ’／４９３Ｋ
となり、
上式から、Ｖ’を求めると、
Ｖ’≒４１５００ｍｍ^３
となり、
Ｖ’／Ｖ＝２５０００ｍｍ^３／５００ｍｍ^３＝８３
となって、ピストン１８を約２２ｍｍだけ引き上げる必要がある。

又、減圧値を２００ｋＰａに設定した場合には、密閉空間Ｓには更に１０倍の容積が必要となり、ピストン１８を２２０ｍｍだけ引き上げることによって所望の減圧値２００ｋＰａを得ることができる。

７）冷却工程：
この冷却工程では、図３（ｇ）に示すように基板７上のハンダ層２５を常圧下で冷却して固化させる。すると、固化したハンダ層２５によって搭載部品６が図７に示すようにハンダ付けされて基板７に実装される。

８）ワーク搬出工程：
上記冷却工程においてハンダ層２５が冷却されて固化し、搭載部品６がハンダ付けによって基板７上に実装されると、図３（ｈ）に示すように炉体３が上昇してベース２から離れ、搬送手段８の左右の移動台２１が図示矢印方向に移動して接近するとともに、ステージ５が上動してその上面が移動台２１の上面に一致する。そして、その状態から搬送手段８のプッシュロッド２２が図示矢印方向に摺動し、その先端に取り付けられた作動子２３が基板７を押し出すため、搭載部品６が実装された基板７が搬出され、一連の実装作業が完了する。

以上のように、本発明に係るハンダ実装装置を用いて実施される本発明に係るハンダ実装方法によれば、ピストン１８を備える炉体３を加熱炉及び減圧炉として共用することができるとともに、ピストン１８の移動によって炉体３内を瞬時に減圧及び加圧雰囲気とすることができる他、ガスの置換も容易に行うことができ、真空ポンプ等の付帯設備が不要となるためにハンダ実装装置１の構造単純化を図ることができる。

又、炉体３の容積を基板７に合わせて小さくすることができるため、減圧や加圧、加熱、ガスの置換に要する工程時間が短縮されるとともに、必要な置換ガス量が少なくて済み、ハンダ実装装置１を小型化してコストダウンを図ることができる他、実装効率を高めて生産性の向上を図ることができる。

尚、図３を用いて説明した上記ハンダ実装方法においては、ハンダ層２５としてハンダ材にフラックスを含まないハンダを用いることができる。フラックスを含まないハンダの場合には、背景技術で説明したようにハンダ材の表面が酸化して接合不良等の不具合が生じるおそれがあるが、以上説明したハンダ実装方法においては所定のガス雰囲気下で加熱工程を行っているため、ハンダ材の酸化を抑止することができる。ハンダ材にフラックスを含むハンダを用いた場合には、ボイド抜き工程においてハンダ層２５に含まれるフラックス成分を気化させて飛散させることができる。

１ハンダ実装装置
２ベース
３炉体
４ロッド
５ステージ
６搭載部品
７基板
７ａ，７ｂ配線パターン
８搬送手段
９ガスボンベ
１０制御手段
１１ガス注入口
１２ガス排出口
１３，１４配管
１５，１６開閉弁
１７ピストンロッド
１８ピストン
１９，２０駆動源
２１移動台
２２プッシュロッド
２３作動子
２４駆動源
２５ハンダ層
Ｓ密閉空間

Claims

ハンダ層が形成された基板上に搭載部品を載置し、これを炉内で加熱して前記ハンダ層を溶融させることによって前記搭載部品を前記基板上に実装する装置であって、
密閉空間を形成する容器と、
前記密閉空間に接続するガス注入口及びガス排出口と、
前記密閉空間内に設けられ前記基板を配置するステージと、
前記密閉空間内に設けた基板のハンダ層を加熱溶融する加熱手段と、
前記容器の内壁に摺動可能なピストンとを備えることを特徴とするハンダ実装装置。
更に、前記ステージに対して前記基板を搬入及び／又は搬出可能な搬送手段を備えることを特徴とする請求項１記載のハンダ実装装置。
ハンダ層が形成された基板上に搭載部品を載置し、これを炉内で加熱して前記ハンダ層を溶融させることによって前記搭載部品を前記基板上に実装する装置であって、
密閉空間を形成する容器と、前記密閉空間に接続するガス注入口及びガス排出口と、
前記密閉空間内に設けられ前記基板を配置するステージと、前記密閉空間内に設けた基板のハンダ層を加熱溶融する加熱手段と、前記容器の内壁に摺動可能なピストンとを備えることを特徴とするハンダ実装装置を用意し、
前記密閉空間を非密閉状態としてステージ上に前記基板を載置する工程と、
前記基板をセットした後に密閉空間を形成するセット工程と、
前記密閉空間に備えられた前記ピストンを可動させて密閉空間を減圧状態としてガス注入口からガスを注入し、ガス注入状態でハンダ層を加熱する加熱工程と、
前記密閉空間に備えられた前記ピストンを可動させて密閉空間のガスをガス排出口から排出するガス排出工程と、
前記密閉空間に備えられた前記ピストンを可動させて密閉空間を減圧状態とするとともに、前記ハンダ層を加熱するボイド抜き工程と、
前記ハンダ層を冷却する冷却工程と、を順次行うことを特徴とするハンダ実装方法。