JP3252737B2 - リフロー式はんだ付方法及びワーク搬送治具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リフロー方式によ
るワーク同士のはんだ付方法及びその時にワークを搬送
するワーク搬送治具、特に、ボイドを発生することなく
はんだ材を溶融しはんだ付け処理することのできるリフ
ローはんだ付方法及びワーク搬送治具に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子部品等を基板等にはんだ付け
により接続固定する場合、個々の電子部品をはんだ付ロ
ボット等によって、間欠的にはんだ付け処理する方法
と、はんだ付部位に供給されたはんだ材をトンネルタイ
プの連続加熱炉（以下、単に加熱炉という）等を用いて
溶融させ、連続的にはんだ付け処理するいわゆるリフロ
ー方式のはんだ付方法とがある。前者ははんだ量やはん
だ位置の微妙な調整が可能である反面、生産効率が悪く
大量生産には適していない。一方、後者は微妙なはんだ
付けの調整は困難であるが大量生産に適していて、比較
的規模の大きな生産工場では多用されている。

【０００３】従来のリフロー式のはんだ付けでは、加熱
炉からの輻射熱を効率的にはんだ付け対象であるワーク
及びはんだ材に伝達しはんだ材の溶融を進める必要があ
る。そのため、一般にワークを加熱炉中で搬送するワー
ク搬送治具は、熱伝導率や放射率に優れたカーボンが使
用されている。

【０００４】ところで、はんだ付けの目的である確実な
電気接続と強固な固定を実現するためには、はんだ付け
が完了したはんだ層にボイドがないことが必要になる。
また、電子部品等を放熱板にはんだ付け固定する場合、
はんだ層のボイドは効率的な放熱の妨げになるため十分
に排除する必要がある。その必要性は、発熱量の大きい
パワーモジュールの場合さらに増す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したカー
ボン製のワーク搬送治具を介してワークの加熱を行う場
合、加熱効率がよくはんだ材の溶融を迅速に行うことが
できる反面、ワーク等が急速に加熱されるため、はんだ
材は任意の場所から溶融が始まり、はんだ材の溶融管理
が困難であった。その結果、はんだ付け不良が発生した
場合、リフローの条件設定等が困難であるという問題が
ある。また、はんだ材の溶融が中心部を残し周囲から始
まると、中心部に空気層や不純物が残留してしまう可能
性が高く、はんだ材の溶融及び硬化時にボイドを発生す
る可能性が増してしまうという問題がある。

【０００６】また、特開昭６３−６７１３７号公報に
は、はんだ付け対象であるワークの形状を変更してはん
だ材の溶融をワーク中心部から周囲に向かわせてはんだ
層のボイドを排除する技術が開示されているが、トンネ
ルタイプの連続加熱炉によるはんだ溶融では、ワーク搬
送状態がはんだ材の溶融に大きく影響し、はんだ材の溶
融方向を安定させることが困難であるという問題があ
る。また、はんだ材の溶融管理のためにワーク形状の変
更を行うとワークの設計上の制約が多くなるという問題
がある。

【０００７】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、ワーク等の形状変更を伴うことなく、はんだ材の溶
融状態（方向）を容易に管理すると共に、空気層や不純
物の巻き込み等を低減することのできるリフロー式はん
だ付方法及びワーク搬送治具を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明の構成は、はんだ材を介して積層さ
れたワーク同士を加熱炉中で移動させることにより前記
はんだ材を溶融して当該ワーク同士のはんだ付けを行う
リフロー式はんだ付方法において、ワークに対する熱伝
達を少なくとも一部で抑制し、当該ワークの被加熱温度
の上昇タイミングをワーク進行方向の前端から後端に向
かって順次遅らせ、前記はんだ材をワーク進行方向前端
から順に溶融させることを特徴とする。

【０００９】ここで、熱伝達の抑制は、例えば熱の伝達
経路中に熱伝達率の低い材料を設けたり、熱の伝達経路
に空気層を設ける等して行う。この構成によれば、はん
だ材の溶融をワークの進行方向の前端から後端に向けた
一定方向で行い、はんだ材に混入していた空気層や不純
物及びはんだ材とワークの間の気体等を後端に順次押し
出すことが可能になり、はんだ材の溶融管理を容易に行
うことができると共に、空気層や不純物のない良好なは
んだ付け処理を行うことができる。

【００１０】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、さらに、前記ワークの進行方向に沿って、
前記加熱炉の温度勾配を高く設定し、ワークの前端位置
に対して後端位置の被加熱温度の上昇タイミングを遅ら
せること特徴とする。

【００１１】この構成によれば、ワークの被加熱温度の
上昇タイミングの遅延をさらに容易に行うことができ
る。

【００１２】上記のような目的を達成するために、本発
明の構成は、はんだ材を介して積層されたワーク同士を
搭載して、加熱炉中を移動することにより前記はんだ材
を溶融してワーク同士のリフローはんだ付けを行うワー
ク搬送治具であって、前記ワークを保持すると共に、当
該ワークに対する熱伝達が可能な基台と、前記基台の一
部に形成され、搬送方向前端から後端に向かう熱伝達を
抑制し、前記ワークの被加熱温度の上昇タイミングを前
端から後端に向かって順次遅らせる熱伝達不良体と、を
有することを特徴とする。

【００１３】ここで、熱伝達不良体とは、基台を構成す
る材料（例えば、カーボン）より熱伝達率の悪い材料、
例えばガラスセラミックスやジルコニア等で構成した
り、基台の一部を分離した空気層で構成する。この構成
によれば、ワーク側の構造上の変更を行うことなくワー
クの温度管理、すなわちワークと接触しているはんだ材
の溶融管理を容易に行うことが可能になり、空気層や不
純物のない良好なはんだ付け処理を行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。な
お、本実施形態では、はんだ付けの対象となるワークの
一例として、電子部品を実装した絶縁基板（以下、単に
基板という）と放熱板とを例にとり、前記基板を放熱板
に固定する場合を説明する。図１（ａ），（ｂ）は本実
施形態のはんだ付方法に使用する耐熱性のワーク搬送治
具１０に、はんだ付け対象であるワーク１２を搭載した
状態を示す上面図及び断面図である。

【００１５】前記ワーク搬送治具１０は、カーボン（熱
伝導率：約１００Ｗ／ｍ・Ｋ）等の熱伝達率の高い材質
と、ガラスセラミックス（熱伝導率：約３．０Ｗ／ｍ・
Ｋ）やジルコニア（熱伝導率：約２．９Ｗ／ｍ・Ｋ）等
の熱伝導率の低い材質とを組み合わせ、大別して下治具
１４と上治具１６とからなる基台で構成されている。前
記下治具１４は放熱板１８を収納載置するための凹部１
４ａを有し、後述する加熱炉中を搬送する時の振動等に
よるワーク１２の位置ずれ等を防止している。前述した
ように下治具１４は熱伝導率の高いカーボン（熱伝達良
体）と熱伝導率の低いガラスセラミックス（熱伝達不良
体）との組み合わせによって構成されている。本実施形
態の場合、ワーク搬送治具１０の加熱炉内における進行
方向Ａの前端か順にら第１カーボン部１４ｂ、セラミッ
クス部１４ｃ、第２カーボン部１４ｄで構成されてい
る。

【００１６】一方、上治具１６は中央にワーク１２の一
部（放熱板１８上にはんだ付けされる基板２０）を露出
する開口１６ａを有し、前記下治具１４と同様に進行方
向Ａの前端から順に第１カーボン部１６ｂ、セラミック
ス部１６ｃ、第２カーボン部１６ｄで構成されている。
なお、前記下治具１４と上治具１６とは、下治具１４に
立設された複数の係合ピン２２（本実施形態の場合は４
本）が上治具１６に形成された対応する係合孔２４に係
合することによって結合され、ワーク１２、主に放熱板
１８の挟持を行い、下治具１４、上治具１６を介してワ
ーク１２の加熱を行う。

【００１７】次に、ワーク１２をワーク搬送治具１０に
セットする手順を説明する。まず、下治具１４の凹部１
４ａに放熱板１８を収納載置し、前記係合ピン２２と係
合孔２４との位置決めを行いつつ、上治具１６と下治具
１４との結合を行い、放熱板１８の挟持を行う。続い
て、上治具１６の開口１６ａを介して、前記放熱板１８
の上面にはんだ材２６を積層配置し、さらに、その上面
に基板２０を積層配置してセットを終了する。

【００１８】図２には最もシンプルな加熱炉の例とし
て、コンベア型の加熱炉２８が示されている。この加熱
炉２８は金属製のベルト３０がトンネル３２内に収納さ
れたワッフル３４の中を一定速度（例えば、６０ｍｍ／
ｍｉｎ）で移動し、ベルト３０上に載置されたワーク搬
送治具を加熱炉２８内に順次投入していく。なお、前記
ワッフル３４の内周壁には図示しないヒータが配置され
ている。このヒータは図２に示すように、例えば４つの
ゾーンＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓに配置されたものが独立して温度
制御可能である。そして、各ゾーン毎の加熱温度がワー
ク１０に供給されているはんだ材２６（図１（ｂ）参
照）が加熱炉２８内を進行するに連れて順次先頭側から
後端に向かって溶融するような温度勾配で設定されてい
る。この温度勾配は、加熱炉２８の入口側で最も低く、
出口側で最も高くなるように徐々に推移することが望ま
しいが、室温状態のワーク１２及びワーク搬送治具１０
を所定時間内に加熱して良好なはんだリフローを行うこ
とも必要である。例えば、溶融温度約１７０℃のはんだ
材を使用した場合、最も入口に近いゾーンＰは予備加熱
ゾーンとして、ヒータ設定温度を例えば３００℃に設定
し、ワーク搬送治具１０がゾーンＰを通過する時にワー
ク１２の温度がはんだ材の溶融温度以下近傍（例えば１
５０℃程度）になるようにして、はんだ溶融前の処理時
間を短縮することができる。本実施形態の場合、ゾーン
Ｑから実際のはんだ材溶融を行うように、例えば、ゾー
ンＱのヒータ設定温度を１８０℃として、ゾーンＲを２
００℃、ゾーンＳを４００℃に設定する。なお、加熱炉
２８のワッフル３４の内部には、水素と窒素の混合ガス
が充填され、水素ガスによってはんだ材２６や基板２
０、放熱板１８に形成された酸化膜を還元除去すると共
に、窒素ガスによってはんだ材２６の酸化防止を行い、
化学的処理によるはんだ付け品質の向上を併せて行うこ
とが望ましい。

【００１９】上述のような、ワーク搬送治具１０と加熱
炉２８を使用したワークの加熱状態およびはんだリフロ
ー状態を説明する。ゾーンＰを通過したワーク搬送治具
１０は進行方向前部から順次ゾーンＱのヒータに近づき
加熱される。前述したようにワーク搬送治具１０は熱伝
導率の高い第１カーボン部１４ｂ，１６ｂと第２カーボ
ン部１４ｄ，１６ｄ及び熱伝導率の低いセラミックス部
１４ｃ，１６ｃで構成されているため、ワーク搬送治具
１０の前部で吸収した熱は直ちにはワーク搬送治具１０
の中部、後部には伝わらない。また、加熱炉２８をワー
ク搬送治具１０が前端に進行すると共に加熱が進むよう
に設定しているため、ワーク１２の被加熱温度の上昇タ
イミングはワーク１２の進行方向の前端から後端に向か
って順次遅延することになる。そして、ワーク１２の前
部と後部とで温度差が発生し、前記はんだ材２６はワー
ク１２の進行方向前端から一方向で順に溶融することに
なる。この結果、はんだ材２６に空気層や不純物が存在
する場合でもワーク１２のワーク搬送治具１０の進行方
向に対して後端にはんだ材２６に混入した空気層や不純
物、及びはんだ材２６と基板２０あるいは放熱板１８と
の間の気体等を押し出しながらはんだ材の溶融が進む。
そして、ボイドの無いはんだ層を形成し、良好なはんだ
付け処理を行うことができる。

【００２０】なお、本実施形態では、ワーク搬送治具１
０は熱伝導率の高い第１カーボン部１４ｂ，１６ｂを前
部に配置し、後部にやはり熱伝導率の高い第２カーボン
部１４ｄ，１６ｄを配置した例を説明している。この場
合、後部で吸収した熱をワーク１２に伝達してしまう
が、加熱炉２８の温度勾配設定による前部と後部の温度
差やその温度における熱の吸収タイミングの遅延により
前部より後部の方が加熱が遅れるため、後部からの熱伝
達がある場合でも前部と後部とで温度差は形成され、は
んだ材の溶融方向には影響しない。なお、後部からのこ
のような熱伝達は、溶融方向を維持した効率的なワーク
１２の加熱を行う上で有効である。また、後部にカーボ
ン部を設けること無く前部から順次熱伝達率の低い材料
でワーク搬送治具で構成してもはんだ材溶融方向に関す
る同様の効果を得ることができる。

【００２１】図３（ａ），（ｂ）には、ワーク搬送治具
の他の実施形態の断面図及び上面図が示されている。こ
のワーク搬送治具３６は、下治具３８ａ、３８ｂと上治
具４０ａ、４０ｂの独立した合計４ピースからなる基台
で構成され、この４ピースによってワーク１２を構成す
る放熱板１８の前端と後端とを把持する構成になってい
る。すなわち、前述したワーク搬送治具１０において、
ガラスセラミックスで構成した熱伝導不良部分を空気層
で構成したものである。なお、下治具３８ａと上治具４
０ａ及び下治具３８ｂと上治具４０ｂとの接合は、前述
したワーク搬送治具１０と同様に係合ピンと係合孔との
接続によって行う。

【００２２】ワーク搬送治具３６を使用した場合、ワー
クのはんだ付け面である放熱板１８にもヒータからの熱
が直接放射され、その輻射熱は加熱に寄与するが、下治
具３８ａ、３８ｂ及び上治具４０ａ、４０ｂを構成する
カーボンの熱放射率は、ε＝０．９８であるのに対し
て、放熱板１８等を構成する材料の熱放射率は低い（例
えば、銅はε＝０．８０）ので、ワーク搬送治具側の輻
射熱の吸収が多く先に温度が上昇する。このため放熱板
１８は前部の下治具３８ａ、上治具４０ａからの熱量が
加算される。また、その加熱から所定時間遅延した状態
で後部の下治具３８ｂ、上治具４０ｂからの熱量が加算
される。その結果、ワーク搬送治具１０と同様に、ワー
ク１２の被加熱温度の上昇タイミングをワーク１２の進
行方向の前端から後端に向かって順次遅らせ、はんだ材
２６をワーク進行方向前端から後端に向かって順に溶融
させることができる。このように、ワーク搬送治具の構
成を簡略化しつつ図１の例と同様の効果を得ることがで
きる。

【００２３】なお、本実施形態では、放熱板と基板との
はんだ付けを例にとって説明したが、リフローはんだ付
け処理が必要なワークのはんだ付けであれば、他のワー
クのはんだ付けに本実施形態を適用しても同様の効果を
得ることができる。

【００２４】また、ワーク搬送治具の熱伝達を抑制する
手段の配置位置や方法、配置数等はワーク進行方向の前
端から後端に向かって、ワークの温度上昇が遅延するよ
うに調整できれば、任意であり本実施形態と同様な効果
を得ることができる。また、本実施形態ではワーク搬送
治具を構成するものとして、カーボンやガラスセラミッ
クス、ジルコニア、空気層等を一例として説明したが、
上述のようなワークの温度伝達及び温度上昇遅延調節が
可能なものであれば、任意であり本実施形態と同様な効
果を得ることができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、はんだ材の溶融をワー
クの進行方向の前端から後端に向けた一定方向で行い、
はんだ材に混入していた空気層や不純物及びはんだ材と
ワークの間の気体等を後端に順次押し出すことが可能に
なり、はんだ材の溶融管理を容易に行うことができるの
で、リフローの条件設定を容易に行うことができる。ま
た、空気層や不純物をはんだ層から排除した良好なはん
だ付け処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係るリフロー式はんだ付
方法に用いるワーク搬送治具の構成を説明する説明図で
ある。

【図２】 本発明の実施形態に係るリフロー式はんだ付
方法に用いる加熱炉の構成を説明する説明図である。

【図３】 本発明の実施形態に係るリフロー式はんだ付
方法に用いる他のワーク搬送治具の構成を説明する説明
図である。

【符号の説明】

１０，３６ ワーク搬送治具、１２ ワーク、１４，３
８ａ，３８ｂ 下治具、１４ｂ，１６ｂ 第１カーボン
部、１４ｃ，１６ｃ セラミックス部、１４ｄ，１６ｄ
第２カーボン部、１６，４０ａ，４０ｂ 上治具、１
８ 放熱板、２０ 基板、２２ 係合ピン、２４ 係合
孔、２６ はんだ材、２８ 加熱炉。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 はんだ材を介して積層されたワーク同士
   を加熱炉中で移動させることにより前記はんだ材を溶融
   して当該ワーク同士のはんだ付けを行うリフロー式はん
   だ付方法において、 ワークに対する熱伝達を少なくとも一部で抑制し、当該
   ワークの被加熱温度の上昇タイミングをワーク進行方向
   の前端から後端に向かって順次遅らせ、前記はんだ材を
   ワーク進行方向前端から順に溶融させることを特徴とす
   るリフロー式はんだ付方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、 さらに、前記ワークの進行方向に沿って、前記加熱炉の
   温度勾配を高く設定し、ワークの前端位置に対して後端
   位置の被加熱温度の上昇タイミングを遅らせること特徴
   とするリフロー式はんだ付方法。
3. 【請求項３】 はんだ材を介して積層されたワーク同士
   を搭載して、加熱炉中を移動することにより前記はんだ
   材を溶融してワーク同士のリフローはんだ付けを行うワ
   ーク搬送治具であって、 前記ワークを保持すると共に、当該ワークに対する熱伝
   達が可能な基台と、 前記基台の一部に形成され、搬送方向前端から後端に向
   かう熱伝達を抑制し、前記ワークの被加熱温度の上昇タ
   イミングを前端から後端に向かって順次遅らせる熱伝達
   不良体と、 を有することを特徴とするワーク搬送治具。