JP3580729B2 - 鉛フリー半田用リフロー半田付け装置及び半田付け方法、並びに接合体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含有しない、いわゆる鉛フリー半田用のリフロー半田付け装置、及び該リフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田用半田付け方法、並びに上記鉛フリー半田用のリフロー半田付け装置又は上記鉛フリー半田用半田付け方法を用いて半田付けされた接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護が叫ばれ、プリント基板上に電子部品を固定するときに以前より使用しているＳｎ−Ｐｂ（錫−鉛）系の半田に含まれている鉛も環境ひいては人体に悪影響を及ぼすことから、該鉛を含有しない、いわゆる鉛フリー半田が開発されつつある。現在、鉛フリー半田としては、Ｓｎ−Ｃｕ（錫−銅）系、Ｓｎ−Ａｇ（錫−銀）系、Ｓｎ−Ｚｎ（錫−亜鉛）系、Ｓｎ−Ｂｉ（錫−ビスマス）系、Ｓｎ−Ｉｎ（錫−インジウム）系、Ｉｎ−Ａｇ（インジウム−銀）系、等が開発され、特に、上記Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系が有力である。
【０００３】
しかしながら、従来の、鉛を含有する上記Ｓｎ−Ｐｂ系の共晶半田の融点である１８３℃に比べて、上記Ｓｎ−Ｃｕ系の、例えばＳｎ−０．７Ｃｕの組成にてなる鉛フリー半田における融点は２２７℃であり、上記Ｓｎ−Ａｇ系の、例えばＳｎ−３．５Ａｇの組成にてなる鉛フリー半田における融点は２２１℃であり、上記Ｓｎ−Ｚｎ系の、例えばＳｎ−８Ｚｎの組成にてなる鉛フリー半田における融点は１９９℃である。これらの中では、上記Ｓｎ−Ｚｎ系の融点が最も低いが、Ｚｎは酸化しやすいため、上述のようにプリント基板上への電子部品の固定用として使用するには、上記酸化防止の有効な手段が見出せていない現状にあってはＳｎ−Ｚｎ系の鉛フリー半田には問題がある。よって、現在のところ有力な鉛フリー半田としては、上記Ｓｎ−Ｃｕ系、及びＳｎ−Ａｇ系となるが、いずれの場合も上述のように上記共晶半田の融点に比べて約４０℃程、融点が高い。
【０００４】
例えば、プリント基板上への電子部品の固定用に、上記Ｓｎ−Ｃｕ系及びＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田を使用する場合、一般的な電子部品の耐熱温度が約２３０℃であることから、従来の上記共晶半田の場合では約５０℃の熱的余裕があったのが、上記Ｓｎ−Ｃｕ系及びＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田では温度的にほとんど余裕がなくなってしまう。又、例えばアルミ電解コンデンサ等のような弱耐熱性部品についてはなおさらである。
そこで、できるだけ従来の共晶半田における融点、若しくはそれ以下に鉛フリー半田の融点を下げるため、融点を下げる作用を有する金属である融点降下作用金属としてＢｉ（ビスマス）やＩｎ（インジウム）等を添加した、例えばＳｎ−３．５Ａｇ−６Ｂｉや、Ｓｎ−３．５Ａｇ−３Ｂｉ−３Ｉｎ等の組成からなる鉛フリー半田が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の共晶半田では、ほぼ瞬時的に溶融状態から凝固状態へ変化する。一方、上記Ｂｉを添加することで、その添加量に比例して鉛フリー半田の融点は下がるが、例えばＢｉを含有する鉛フリー半田では、溶融状態から凝固するまでの温度範囲が従来の共晶半田に比べて広くなり、凝固進行中において部分的に凝固した部分と未だ溶融状態にある部分とが混在する状態が生じる。よって、図１２に示すように、電子部品１とプリント基板５の電極２との接合部分３にて、鉛フリー半田４中にて大きく成長した例えばＢｉの結晶が偏析する場合が発生する。尚、図１２の接合部拡大部分は、接合部分３における鉛フリー半田４の組成を模式的に図示しており、図示する”○”が例えばＢｉに相当し、”□”は例えばＡｇに相当する。又、電極２との接合界面部分に図示する”△”は、電極２の材質であるＣｕと、鉛フリー半田内のＳｎとの化合物に相当する。
【０００６】
一方、Ｂｉ自体の硬度は、Ｓｎ，Ａｇに比べて高いため、例えば数十重量％にてＢｉを含有させたときに、Ｂｉ結晶の上記偏析によってＢｉが集合した部分における当該鉛フリー半田の強度は脆くなってしまう。よって、上記電極２との接合界面部分にＢｉ結晶が偏在し凝固してしまったようなときには、該接合界面部分での接合強度は低くなる。したがって、上記電極２と電子部品１との十分な接合強度が得られないという問題が生じる。そこで、その接合強度の信頼性の点から現在でのＢｉ含有量は、数重量％に留まざるを得ず、よって融点の十分な低温化が図られていないのが現状である。又、このような現状の鉛フリー半田を使用したときには、上述のようにその融点が共晶半田よりも高いため、共晶半田を用いる場合に比べて半田溶融に要する例えば電力が多くならざるを得ず、コスト、省エネルギー的にも問題があり、又、例えばアルミ電解コンデンサ等のように弱耐熱性の部品は上記鉛フリー半田を用いた半田付けができない。
【０００７】
又、従来の共晶半田の粒子を粘性材料に混在させた印刷ペーストをプリント基板５の電極２上に塗布した後に、上記プリント基板５上に電子部品１を実装したプリント基板に対して、主に上記電極２と上記電子部品１との接合部分を加熱することで上記鉛フリー半田を溶融させて、その後、凝固させることで上記電極２と電子部品１とを接合させるリフロー半田付け装置が存在する。
このようなリフロー半田付け装置に搬入されるプリント基板５に塗布された上記印刷ペーストに含まれる半田の粒子について、近年の環境問題の観点から上記共晶半田に代わり上述した鉛フリー半田の粒子が用いられることが予想される。
【０００８】
しかしながら、リフロー半田付け装置では、装置の構造上、上記印刷ペースト内の半田粒子を溶融させるための熱が電子部品に作用する割合が高いことから、鉛フリー半田の融点を、従来の共晶半田の融点近く又はそれ以下まで可能な限り下げたいが、上記鉛フリー半田は、現時点では上述のような問題を有する。よって、上記鉛フリー半田を含む上記印刷ペーストを従来のリフロー半田付け装置にて溶融、凝固させても上記電極２と電子部品１との十分な接合強度が得られないという問題が生じる。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、融点の低温化が図られた鉛フリー半田を用いた場合において、電子部品の十分な接合強度が得られるリフロー半田付け装置、及び該リフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田の半田付け方法、並びに上記鉛フリー半田用のリフロー半田付け装置又は上記鉛フリー半田用半田付け方法を用いて半田付けされた接合体を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１態様である、鉛フリー半田用リフロー半田付け装置は、鉛を含有しない錫の合金である鉛フリー半田を加熱し溶融させる加熱室と、
上記鉛フリー半田にて接合される装着物及び被装着材の上記加熱室への搬入及び上記加熱室からの搬出を行う搬送装置と、
溶融状態にある上記鉛フリー半田が上記加熱室から搬出されることで冷却されるときに、上記鉛フリー半田に含まれ上記鉛フリー半田における融点を降下させる作用を有する融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す微小振動を、当該鉛フリー半田の凝固点に達する直前から作用させて上記鉛フリー半田が完全に凝固した以後に上記微小振動の作用を終了させる発振装置と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記発振装置は、溶融状態にある上記鉛フリー半田が上記加熱室から搬出されることで冷却されるときに、上記被装着材と上記装着物との少なくとも一方の接合界面にて、上記融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記接合界面における上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す微小振動を上記鉛フリー半田に作用させることもできる。
【００１１】
上記被装着材及び上記装着物における半田付け部分がＣｕを含有するとき、上記発振装置が発する上記微小振動は、さらに、上記被装着材と上記装着物との少なくとも一方の接合界面に存在する、上記鉛フリー半田に含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物層の厚みを増し上記接合界面における上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す振動であるようにすることもできる。
【００１２】
上記第１態様において、上記微小振動について、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有する上記融点降下作用金属の量、及び上記接合強度の少なくとも一つに基づいて制御を行う制御装置をさらに備えることもできる。
【００１３】
又、本発明の第２態様である、リフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田の半田付け方法は、鉛を含有しない錫の合金である鉛フリー半田を凝固させることで装着物を被装着材に接合させるため、溶融状態にある上記鉛フリー半田の冷却を行うとき、
上記鉛フリー半田における融点を降下させる作用を有する融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記装着物と上記被装着材との接合強度を増す微小振動を、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有する上記融点降下作用金属の量、及び上記接合強度の少なくとも一つに基づいて制御することを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明の第３態様である接合体は、上記第１態様の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置を用いて半田付けされたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態である鉛フリー半田用リフロー半田付け装置、及び該リフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田の半田付け方法、並びに上記鉛フリー半田用のリフロー半田付け装置又は上記鉛フリー半田用半田付け方法を用いて半田付けされた接合体について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。又、上記「課題を解決するための手段」に記載する、「装着物」の機能を果たす一例として、本実施形態では電子部品を例に採り、「被装着材」の機能を果たす一例として、本実施形態では上記電子部品を実装するプリント基板を例に採り、「微小振動」の機能を果たす一例として、本実施形態では超音波振動を例に採り、「発振装置」の機能を果たす一例として、本実施形態では超音波発振装置を例に採り、「接合体」の機能を果たす一例として、本実施形態では上記プリント基板と上記電子部品とが半田付けされた物を例に採る。尚、上記装着物及び被装着材はこれらに限定されるものではなく、例えば、上記被装着材が液晶パネル用基板であったり、上記被装着材及び装着物の両者ともに電子部品であるような場合も含む概念である。又、上記微小振動は上記超音波振動に限定されず、以下に説明するように上記装着物と上記被装着材との接合部分、特には接合界面部分での接合強度を増す作用をする振動である。
【００１６】
又、本実施形態では、鉛を含有しない錫の合金である半田、つまり鉛フリー半田の一例として、上記Ｓｎ−Ａｇ系半田に、当該鉛フリー半田の融点を下げる作用を有する金属、つまり融点降下作用金属としてＢｉを添加したＳｎ−Ａｇ−Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田を例に採り、具体的なＢｉ含有量としては、２０重量％、４０重量％とした。尚、Ｂｉ含有量の最大値は、Ａｇを含まずＳｎと共晶状態となる５８重量％（Ｓｎ−５８Ｂｉ）である。
しかしながら、鉛フリー半田の組成は、これに限定するものではなく、上述したＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｉｎ−Ａｇ系等であって、上記融点降下作用金属としてＢｉ，Ｉｎ，Ｃｕ等が考えられる。尚、ここで、上記融点降下作用金属とは、約０．５重量％を超えるものをいい、又、例えばＢｉ等の単体である場合に限らず例えばＢｉ等を含有した合金の場合もある。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のリフロー装置１１１には、従来のリフロー装置の場合と同様に、プリント基板上に印刷ペースト１２１が塗布され、かつ実装位置に電子部品１が仮固定された部品実装済みのプリント基板５が搬入される。ここで、上記印刷ペースト１２１に含まれる半田粒子１２２は、上述のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田である。以後、該鉛フリー半田に符号１２２を付すときもある。
上記リフロー装置１１１は、予備加熱室１３１と、本加熱室１３２と、冷却室１３３と、超音波発振装置１３４と、搬送装置１３５と、制御装置１３６とを備える。尚、上記予備加熱室１３１及び冷却室１３３は、設置を省略することもできる。
【００１８】
搬送装置１３５は、予備加熱室１３１、本加熱室１３２、及び冷却室１３３を貫通した搬送路に沿って延在するコンベヤ１３５１を有し、該コンベヤ１３５１を駆動するモータ１３５２にて、該コンベヤ１３５１に載置された上記部品実装済みのプリント基板５を、予備加熱室１３１、本加熱室１３２、冷却室１３３の順に搬送する。図示するようにコンベヤ１３５１は循環しており、又、モータ１３５２は制御装置１３６にて動作制御される。
【００１９】
上記予備加熱室１３１は、上記部品実装済プリント基板５における、主に上記印刷ペースト１２１、即ち鉛フリー半田１２２の予備加熱を行う部分であり、予備加熱用のヒータ１３１１を備える。該ヒータ１３１１は、電源１３１２を介して制御装置１３６に接続されており、電源１３１２が制御装置１３６にて動作制御されることで、図４に示すように、少なくとも印刷ペースト１２１をプリヒート時間Ｔ１内にプリヒート温度ｔ１まで加熱する。尚、上記プリヒート温度ｔ１は、当該鉛フリー半田１２２の融点（ｍ．ｐ．）よりも若干低い温度である。
又、予備加熱室１３１内には、搬送される部品実装済プリント基板５の厚み方向において、上記搬送路を挟み上記ヒータ１３１１と反対側には、温度調節用に冷気ガスを吹き出すノズル１３１３及び予備加熱室１３１内の空気を撹拌するためのファン１３１４が設けられている。上記ノズル１３１３に冷気ガスを供給するガス供給装置１３１５及び上記ファン１３１４を回転させるモータ１３１６は、それぞれ制御装置１３６に接続されており、制御装置１３６にてそれぞれ動作制御される。
【００２０】
上記本加熱室１３２は、上記予備加熱室１３１に隣接して設けられ、上記プリヒート温度ｔ１に予備加熱された少なくとも印刷ペースト１２１、即ち鉛フリー半田１２２を本加熱する部分であり、本加熱用のヒータ１３２１を備える。該ヒータ１３２１は、電源１３２２を介して制御装置１３６に接続されており、電源１３２２が制御装置１３６にて動作制御されることで、図４に示すように、少なくとも鉛フリー半田１２２をリフロー時間Ｔ２内にリフロー温度ｔ２まで加熱する。上記リフロー温度ｔ２は、当該鉛フリー半田１２２の上記融点を超える温度であるので、該本加熱により、鉛フリー半田１２２は溶融される。
又、上記予備加熱室１３１の場合と同様に、本加熱室１３２内にも、冷気ガス吹出ノズル１３２３及びファン１３２４が設けられ、上記ノズル１３２３に冷気ガスを供給するガス供給装置１３２５及び上記ファン１３２４を回転させるモータ１３２６は、それぞれ制御装置１３６に接続されており、制御装置１３６にてそれぞれ動作制御される。
尚、鉛フリー半田１２２の予備加熱及び本加熱を行う手段としては、本実施形態における上記ヒータ１３１１，１３２１に限定されるものではなく、例えば、熱風や、ＩＲ（赤外線）等の公知の手段を用いることもできる。又、予備加熱及び本加熱における鉛フリー半田１２２の温度上昇曲線は、図４に示すパターンに限定されるものではない。
【００２１】
上記冷却室１３３は、上記本加熱室１３２に隣接して設けられ、上記リフロー温度ｔ２に本加熱され溶融状態にある鉛フリー半田１２２を冷却する部分であり、冷却室１３３内の空気を撹拌するためのファン１３３４が設けられている。該ファン１３３４を回転させるモータ１３３６は、制御装置１３６に接続されており、制御装置１３６にて動作制御される。
【００２２】
さらに、上記冷却室１３３及び本加熱室１３２には、本実施形態のリフロー装置１１１において特徴的構成の一つである超音波発振装置１３４が設けられている。該超音波発振装置１３４は、所定の周波数の超音波を発生する発振器１３４１と、超音波振動を上記部品実装済プリント基板５に作用させる作用部１３４２とを備え、本実施形態では上記作用部１３４２をプリント基板５に接触させることで以下の機能を果たす。つまり、超音波発振装置１３４は、上記本加熱により鉛フリー半田１２２が溶融状態にある少なくとも上記接合部分３、特に上記電極２の接合界面及び電子部品１の接合界面の少なくとも一方に、下記の、結晶の微細化及び偏在防止を図る程度の周波数の振動、例えば数μｍの振幅が生じるように、本実施形態では上記作用部１３４２をプリント基板５に接触させる。
【００２３】
当該リフロー装置１１１では、上述のように本加熱室１３２及び冷却室１３３に超音波発振装置１３４を設けており、又、上記プリント基板５は、コンベヤ１３５１にて、本加熱室１３２内及び冷却室１３３内を停止することなく搬送される。よって本実施形態の超音波発振装置１３４の上記作用部１３４２は、プリント基板５の搬送に同期して移動する同期移動機構を設けている。
【００２４】
尚、上述のように本実施形態では上記作用部１３４２は、プリント基板５に接触して振動を与える形態を採ることから上記同期移動機構を有するが、プリント基板５、正確には上記溶融状態にある鉛フリー半田１２２への超音波振動の与え方は、プリント基板５に上記作用部１３４２を直接に接触させる形態に限定されない。よって上記同期移動機構を常に備えるものではない。
【００２５】
又、当該リフロー装置１１１では、上述のように本加熱室１３２及び冷却室１３３に超音波発振装置１３４を設けているので、図４に示すように、上記本加熱室１３２内をプリント基板５が搬送されている時間に相当する上記リフロー時間Ｔ２内における、時刻Ｔ２−０、時刻Ｔ２−１、時刻Ｔ２−２、及び時刻Ｔ２−３の内のいずれかの時刻から超音波振動をプリント基板５へ作用させることができる。ここで、上記時刻Ｔ２−０は、プリント基板５が予備加熱室１３１から本加熱室１３２に搬入し上記鉛フリー半田１２２が上記プリヒート温度ｔ１を超えたときの時刻であり、上記時刻Ｔ２−１はプリヒート温度ｔ１を超えた鉛フリー半田１２２がその融点を超えたときの時刻であり、上記時刻Ｔ２−２は融点を超えた鉛フリー半田１２２が上記リフロー温度ｔ２に到達してから冷却開始までの間の任意の時刻であり、上記時刻Ｔ２−３はリフロー温度ｔ２にある鉛フリー半田１２２の冷却を開始するときの時刻である。尚、上記超音波振動の作用終了時点は、最大、当該鉛フリー半田１２２が完全に凝固した以後である。
【００２６】
一方、上述のように、上記超音波振動を与える目的は、鉛フリー半田１２２に含まれる融点降下作用金属の結晶の微細化等であることから、溶融状態にある鉛フリー半田１２２の冷却を開始して当該鉛フリー半田１２２の温度が少なくともその凝固点に降下する直前には、超音波振動の作用を開始させる必要がある。よって、超音波発振装置１３４は、少なくとも冷却室１３３に設ければよい。そして冷却室１３３にのみ超音波発振装置１３４を設けたときには、プリント基板５が冷却室１３３内を搬送されている時間に相当する冷却時間内、つまり本加熱室１３２から冷却室１３３へプリント基板５が搬入され鉛フリー半田１２２の冷却が開始される上記時刻Ｔ２−３から鉛フリー半田１２２の温度がその凝固点まで降下した時刻Ｔ３−１の直前までの時間内の任意の時刻から、最低限、超音波振動を鉛フリー半田１２２に作用させればよい。
【００２７】
このように接合部分３に対して超音波振動を作用させることで、溶融している鉛フリー半田１２２が上記超音波振動により振動する。よって、図１２に示すように肥大化したＢｉの結晶３１は、上記振動の作用により図５に示すように、微細化され、かつ上記振動の作用により溶融状態の鉛フリー半田１２２が混ぜ合わされるので、例えば電極２の接合界面にＢｉの結晶が偏在することを防止することができる。その結果、当該鉛フリー半田１２２におけるＢｉ以外の成分、例えばＳｎやＡｇ等に比べて硬度の高いＢｉの結晶が、例えば電極２の接合界面に集合した状態で偏析し凝固することはなくなる。又、本実施形態における鉛フリー半田１２２の成分のように、Ａｇを含有する場合、ＳｎとＡｇとの合金が生成され析出するが、上記超音波振動はこのようなＳｎ−Ａｇ合金の結晶をも微細化するように働く。したがって、接合部分３の全体がほぼ均一な組成となり、かつ各組成の結晶は微細化されているので、接合部分３の全体の強度を均一化でき、上記電極２の接合界面及び電子部品１の接合界面における接合強度を、超音波振動を作用させない従来の場合に比べて、高めることができる。
【００２８】
さらに、上記超音波振動を作用させることで以下の効果を得ることもできる。即ち、上述したように、上記接合部分３においてＣｕを主成分とする電極２及び電子部品１の電極の表面部分には、鉛フリー半田１２２に含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物が形成されているが、上記超音波振動を作用させることで、該振動により上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物を含む層が溶融状態の鉛フリー半田１２２内へ拡散し、成長する。このＳｎ−Ｃｕ化合物を含む層の厚み１０２が適切な値になるように超音波振動を作用させることで、より上記電極２及び電子部品１の接合界面における接合強度を高めることができる。尚、上記厚み１０２は、上記適切値を超えると、逆に、上記接合強度が弱くなるので、超音波振動は制御される必要がある。
さらには、上記超音波振動を作用させることで、鉛フリー半田１２２の表面張力を低下させることができるので、鉛フリー半田１２２の流れを良くし、いわゆる濡れ性を向上させることができる。
【００２９】
又、Ｂｉを含有させないＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ系の半田や共晶半田に比べて、Ｂｉを添加した半田は、熱疲労試験において特にクラックや変形等の発生防止効果が非常に優れているという利点がある。よって、Ｂｉを含有する鉛フリー半田は、上記超音波振動の作用により接合強度を向上させることができ、かつクラックや変形等の発生防止を図ることもできる。
【００３０】
以上のように、超音波振動による上記接合部分３における周波数及び振幅値は、接合部分３におけるプリント基板５及び電子部品１の少なくとも一方の接合界面にて上記鉛フリー半田１２２に含まれる融点降下作用金属、例えば上述のようにＢｉ、の結晶の微細化、及びＳｎ−Ａｇのような生成された合金結晶の微細化、並びに上記融点降下作用金属の偏析防止を行い、上記接合界面におけるプリント基板５の電極２と電子部品１との接合強度を増す値である。該値に加えてさらに、上記接合界面に存在する上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物を含む層の厚みを増し上記接合界面における電極２と電子部品１との接合強度を増す値を考慮して上記周波数及び振幅値を決定しても良いし、さらに上記濡れ性を向上させる値を考慮して決定しても良い。
【００３１】
即ち、このような周波数及び振幅値は、上記鉛フリー半田の組成、とりわけ上記融点降下作用金属の、本実施形態の場合ではＢｉの含有量と相関関係を有し、ひいては上記接合界面における電極２と電子部品１との接合強度と相関関係を有する。さらに又、上記周波数及び振幅値は、上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物層の厚み、つまり上記接合界面における電極２と電子部品１との接合強度とも相関関係を有する。
そこで本実施形態では、制御装置１３６に備わる記憶部１３６１に、上記融点降下作用金属の含有量及び上記接合強度の少なくとも一方と、上記振幅値及び周波数との関係情報を少なくとも格納し、さらには上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物層の厚みと、上記接合強度と、上記振幅値及び周波数との関係情報を格納するのが好ましい。
よって制御装置１３６は、上記接合強度における所望値と、例えば上記融点降下作用金属の含有量とに基づいて最適な上記振幅値及び周波数を求め、該振幅値及び周波数が上記接合部分３にて得られるように、上記発振器１３４１の動作制御を行う。
制御装置１３６が上記動作制御を行うことで、より適切に鉛フリー半田１２２を超音波振動させることができ、上記接合強度を適切化することができる。
【００３２】
出願人は、上述のように鉛フリー半田１２２に超音波振動を作用させた場合、及び作用させない従来の場合における上記接合強度を求める実験を行った。該実験用の装置構成を図６、７に示し、接合強度評価方法を図１１に示し、実験結果を図８〜図１０に示す。
当該実験では、鉛フリー半田１２２を溶融させる手段として、図６に示すように熱風発生器２０１を用い、又、超音波発振器２０２のホーン部２０３をプリント基板２０４に固定した。尚、ホーン部２０３が上記作用部１３４２に相当する。プリント基板２０４上の電極には、上記鉛フリー半田１２２の印刷ペーストを塗布し、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｇｕｌｌ Ｗｉｎｇ Ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）にてなる電子部品２０５を仮固定した。図７には、電子部品２０５とホーン部２０３との位置関係を示している。
【００３３】
このような実験装置構成にて、熱風発生器２０１からの熱風を電子部品２０５に当て、鉛フリー半田１２２を溶融させ、溶融後、上記熱風を当てるのをやめて自然冷却させて鉛フリー半田１２２を凝固させた。超音波発振器２０２による超音波振動は、上記自然冷却の開始と同時に作用を開始した。
上記接合強度評価方法は、上記鉛フリー半田１２２を用いて上記電極２に接合した電子部品１のリードを４５度方向へ引っ張り、上記リードと電極２との間の剥離や、上記リード又は電極２の破断に至るまでの引張強度を調べた。又、図８は、Ｓｎ−３．５Ａｇ−４０Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田を用いた場合の実験結果であり、図９は、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２０Ｂｉの場合の実験結果であり、図１０は、Ｓｎ−３．５Ａｇ−６Ｂｉの場合の実験結果である。
特に図８及び図９に示す実験結果から明らかなように、超音波振動を作用させない場合に比べて作用させた方が、引張強度が向上することがわかる。さらに、図８及び図９と、図１０との実験結果から明らかなように、Ｂｉ含有量が多い鉛フリー半田において、超音波振動の作用が有効であることが判る。
【００３４】
以上説明した構成を備えるリフロー装置１１１の動作を以下に説明する。尚、動作制御は、制御装置１３６にて行われる。 鉛フリー半田１２２の印刷ペースト１２１が電極２に塗布され、かつ電子部品１が載置されたプリント基板５が搬送装置１３５のコンベヤ１３５１に載置される。載置されたプリント基板５は、コンベヤ１３５１の搬送に従い、予備加熱室１３１に搬入され、上記鉛フリー半田１２２は、図４に示すようにプリヒート温度ｔ１まで加熱される。さらにコンベヤ１３５１の搬送によりプリント基板５は本加熱室１３２に搬入され、鉛フリー半田１２２は融点を超えて溶融しさらに上記リフロー温度ｔ２まで加熱される。尚、本実施形態では、予備加熱室１３１及び本加熱室１３２では、できるだけ鉛フリー半田１２２の印刷ペースト１２１部分のみを加熱し電子部品１を加熱しないように、電子部品１部分をヒータ１３１１，１３２１の熱から守るマスクを設けている。
【００３５】
又、本実施形態では、鉛フリー半田１２２が上記リフロー温度ｔ２に達した後、冷却が開始される前に、超音波発振装置１３４の作用部１３４２をプリント基板５に接触させ、超音波振動をプリント基板５、即ち溶融状態の鉛フリー半田１２２に作用し始める。 上記超音波振動を作用させながら、コンベヤ１３５１の搬送に従いプリント基板５は冷却室１３３へ搬入され、鉛フリー半田１２２の冷却が行われ、鉛フリー半田１２２が完全に凝固する温度に達した以後にて上記作用部１３４２をプリント基板５から外し上記超音波振動の作用を停止する。又、その後、プリント基板５は、冷却室１３３から搬出される。
以下、同様の動作が、搬送される各プリント基板５に対して行われ、順次半田付けが行われていく。
【００３６】
本実施形態のリフロー装置１１１によれば、鉛フリー半田１２２の融点を従来の共晶半田付近まで下げながら、溶融状態にある鉛フリー半田１２２に超音波振動を作用させることで、プリント基板５の電極２と電子部品１との接合強度を、超音波振動を作用させない場合に比べて増すことができる。
【００３７】
又、このように超音波振動の作用により、Ｂｉ含有量が従来に比べて多い鉛フリー半田であってもその信頼性を得ることができる。よって、従来の鉛フリー半田に比べて融点の低い鉛フリー半田を使用することができ、その結果、例えば、アルミ電解コンデンサ等のような弱耐熱性部品を鉛フリー半田にてプリント基板等に固定することが可能となり、又、鉛フリー半田を溶融させるために要する電力を従来の鉛フリー半田の場合に比べて低下させることができ、省エネルギー、究極的には環境保護に寄与することになるという効果もある。
【００３８】
上述のように本実施形態では、連続的に超音波振動をプリント基板５へ作用させたが、これに限定されるものではなく、間欠的に作用させてもよい。
又、上述のように本実施形態では、予備加熱及び本加熱はヒータ１３１１、１３２１にて行い、又、予備加熱室１３１への搬入から冷却室１３３からの搬出まで、コンベヤ１３５１は停止することなくプリント基板５を搬送し、超音波発振装置１３４は搬送されているプリント基板５へ超音波振動を作用させるように構成したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、図２及び図３に示すように、公知のＶＰＳ（Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）方式の形態を採った、リフロー装置３１１、３５１を構成することもできる。
【００３９】
リフロー装置３１１では、本加熱のとき、制御装置３３６にて動作制御される搬送装置３３５のコンベヤ３３５１による搬送路からプリント基板５を一旦外して加熱装置３３２の加熱槽３３２２内で静止させ、本加熱が行われる。又、該リフロー装置３１１は、制御装置３３６にて動作制御される超音波発振装置３３４を備え、上記本加熱により溶融状態にある鉛フリー半田１２２に対する超音波振動の作用、さらには溶融状態からの冷却時における鉛フリー半田１２２に対する超音波振動の作用を行う。尚、上記制御装置３３６は、上述の制御装置１３６と同様の構成及び機能を有する。
【００４０】
尚、上記加熱装置３３２は、鉛フリー半田１２２の上記リフロー温度ｔ２程度の沸点を有する加熱用液体３３２１を蓄えた加熱槽３３２２と、該加熱用液体３３２１を沸騰させるヒータ３３２３と、上記加熱槽３３２２へのプリント基板５の出し入れを行う昇降装置３３２４と、加熱用液体３３２１の蒸気を凝縮させる冷却コイル３３２５とを備える。又、上記ヒータ３３２３、昇降装置３３２４、及び冷却コイル３３２５は、制御装置３３６にてそれぞれ動作制御される。
このように構成された加熱装置３３２では、ヒータ３３２３により沸騰した加熱用液体３３２１の蒸気が加熱槽３３２２内の加熱領域３３２６に飽和状態にて存在する。よって加熱領域３３２６は、加熱用液体３３２１の沸点、つまり上記リフロー温度ｔ２程度の均一な温度になっている。コンベヤ３３５１から移載されたプリント基板５は、上記昇降装置３３２４にて加熱領域３３２６内へ搬入され、上記リフロー温度ｔ２程度の温度にて昇温され、鉛フリー半田１２２が溶融される。鉛フリー半田１２２の溶融後、昇降装置３３２４にてプリント基板５は加熱槽３３２２外へ搬出され、再びコンベヤ３３５１へ移載される。
上記超音波発振装置３３４は、上述した、鉛フリー半田１２２の溶融後プリント基板５が加熱槽３３２２外へ搬出されて鉛フリー半田１２２の凝固が完了するまでの間、プリント基板５を介して上記接合部分３へ超音波振動を作用させる。
【００４１】
図３に示すリフロー装置３５１は、上述のリフロー装置３１１の変形例であり、上記加熱領域３３２６をコンベヤ３３５１の搬送路中に設けた構成を有する。又、図３に示す、符号３５２は加熱装置を示し、符号３５３は冷却室を示し、符号３５４は搬送路内の排気を行う排気装置を示しており、上記加熱装置３５２は、上述の加熱装置３３２に相当し、上記冷却室３５３は上述の冷却室１３３に相当する。
このような構成にてなるリフロー装置３５１では、上述したリフロー装置１１１の場合と同様にコンベヤ３３５１による搬送中に鉛フリー半田１２２を加熱することもできるし、加熱装置３５２の加熱領域３３２６にてプリント基板５の搬送を一旦停止して加熱を行ってもよい。
【００４２】
これらのリフロー装置３１１，３５１においても、超音波発振装置３３４を備えているので、上述のリフロー装置１１１の場合と同様に、融点を従来の共晶半田付近まで下げながら、溶融状態にある鉛フリー半田１２２に超音波振動を作用させることで、プリント基板５の電極２と電子部品１との接合強度を、超音波振動を作用させない場合に比べて増すことができる。
【００４３】
又、上記制御装置１３６，３３６に備わる記憶部１３６１には、本実施形態の場合、上述のように上記融点降下作用金属の含有量及び上記接合強度の少なくとも一方と、上記振幅値及び周波数との関係情報を少なくとも格納し、好ましくはさらに、上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物層の厚みと、上記接合強度と、上記振幅値及び周波数との関係情報を格納し、又さらに以下の関係情報を格納することもできる。つまり、例えば図７に示すように、超音波発振装置１３４の作用部１３４２がプリント基板５に接触して鉛フリー半田１２２に超音波振動を与える場合、該超音波振動は波状にプリント基板５を伝搬していくので、共振する部分としない部分とが生じる。よって上記作用部１３４２が接触する接触位置と、振動させたい接合部分３との間の距離と、上記振幅値及び周波数との関係情報や、プリント基板５の大きさと上記振幅値及び周波数との関係情報を上記記憶部１３６１に格納してもよい。
上記距離や大きさと上記振幅値及び周波数との関係情報を上記記憶部１３６１に格納することで、当該リフロー半田付け装置１１１に搬入されてくるプリント基板５の大きさに応じて、制御装置１３６の制御により、より適切に鉛フリー半田１２２を超音波振動させることができ、上記接合強度を適切化することができる。
【００４４】
又、上述のように上記超音波振動を作用させることで、鉛フリー半田１２２の表面張力を低下させ上記濡れ性を向上させることができることから、上記記憶部１３６１には、上記超音波振動と上記濡れ性との関係情報を格納することもできる。
【００４５】
さらには、鉛フリー半田のＢｉ含有量は、上述のようにクラック等の発生防止効果とも関係するので、記憶部１３６１には、Ｂｉ含有量を介してクラック等の発生防止と上記超音波振動との関係情報を格納することもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の第１態様の鉛フリー半田用リフロー装置によれば、溶融している鉛フリー半田を凝固させるときに微小振動を作用させる発振装置を備えたことから、融点を従来の共晶半田付近まで降下させた鉛フリー半田において、当該鉛フリー半田に含まれる融点降下作用金属の結晶の微細化及び偏析防止が図られ、上記被装着材と装着物との接合強度を、上記微小振動を作用させない場合に比べて増すことができる。
【００４７】
又、本発明の第２態様における、鉛フリー半田用リフロー装置にて実行される半田付け方法によれば、鉛フリー半田における融点降下作用金属の結晶の微細化及び上記融点降下作用金属の偏析防止を行い被装着材と装着物との接合強度を増す微小振動を、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有する上記融点降下作用金属の量、及び上記被装着材と装着物との接合強度の少なくとも一つに基づいて制御するようにした。したがって、上記被装着材と装着物との接合強度は上記微小振動を作用させない場合に比べて増すことができ、かつ適切化することができる。
【００４８】
又、本発明の第３態様の接合体では、上記第１態様の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置を用いて半田付けを行うことから、鉛フリー半田に含まれる融点降下作用金属の含有量が従来に比べて多い鉛フリー半田を使用しても、上記被装着材と上記装着物との接合強度を従来に比べて増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における鉛フリー半田用リフロー装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置における本加熱室の変形例を示す断面図である。
【図３】図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置における本加熱室の変形例を示す図である。
【図４】図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置にて実行される温度制御を説明するためのグラフである。
【図５】図１に示す鉛フリー半田用リフロー装置にて超音波振動を作用させた場合における、プリント基板の電極と電子部品との接合部分での、鉛フリー半田の含有成分の結晶の状態を説明するための概念図である。
【図６】超音波振動の作用の有無と接合強度との関係を調べるための実験装置の概略を示す図である。
【図７】図６に示す実験装置にて使用したプリント基板の平面図である。
【図８】上記実験の結果を示すグラフであり、Ｓｎ−３．５Ａｇ−４０Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田の場合で、超音波振動の作用の有無と引張強度との関係を示すグラフである。
【図９】上記実験の結果を示すグラフであり、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２０Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田の場合で、超音波振動の作用の有無と引張強度との関係を示すグラフである。
【図１０】上記実験の結果を示すグラフであり、Ｓｎ−３．５Ａｇ−６Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田の場合で、超音波振動の作用の有無と引張強度との関係を示すグラフである。
【図１１】上記引張強度の測定方法を説明するための図である。
【図１２】プリント基板の電極と電子部品との接合部分について、超音波振動を作用させない場合における鉛フリー半田の含有成分の結晶の状態を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１…電子部品、２…電極、３…接合部分、５…プリント基板、
１１１…リフロー装置、１２２…鉛フリー半田、
１３２…本加熱室、１３３…冷却室、１３４…超音波発振装置、
１３６…制御装置、
３１１…リフロー装置、３３６…制御装置、３５１…リフロー装置。

Claims (13)

1. 鉛を含有しない錫の合金である鉛フリー半田を加熱し溶融させる加熱室（１３２、３３２）と、
   上記鉛フリー半田にて接合される装着物（１）及び被装着材（５）の上記加熱室への搬入及び上記加熱室からの搬出を行う搬送装置（１３５、３３５）と、
   溶融状態にある上記鉛フリー半田が上記加熱室から搬出されることで冷却されるときに、上記鉛フリー半田に含まれ上記鉛フリー半田における融点を降下させる作用を有する融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す微小振動を、当該鉛フリー半田の凝固点に達する直前から作用させて上記鉛フリー半田が完全に凝固した以後に上記微小振動の作用を終了させる発振装置（１３４、３３４）と、
   を備えたことを特徴とする鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
2. 上記発振装置は、上記被装着材と上記装着物との少なくとも一方の接合界面にて、上記融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記接合界面における上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す微小振動を上記鉛フリー半田に作用させる、請求項１記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
3. 上記被装着材及び上記装着物における半田付け部分がＣｕを含有するとき、上記発振装置が発する上記微小振動は、さらに、上記被装着材と上記装着物との少なくとも一方の接合界面に存在する、上記鉛フリー半田に含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物層の厚みを増し上記接合界面における上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す振動である、請求項１又は２記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
4. 上記鉛フリー半田がＳｎ−Ａｇ系組成を主成分とするとき、上記発振装置が発する上記微小振動は、さらに、Ｓｎ−Ａｇ合金成分の結晶の微細化及び偏析防止を行う、請求項１から３のいずれかに記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
5. 上記発振装置は、上記加熱室にも設けられ、溶融状態にある上記鉛フリー半田に対して上記微小振動を作用させる、請求項１から４のいずれかに記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
6. 上記装着物を装着した上記被装着材は、上記搬送装置にて搬送されながら上記加熱室内を通過し上記加熱室から搬出され、上記発振装置は、上記被装着材の移動に同期して移動しながら上記微小振動を上記鉛フリー半田に作用させる、請求項５記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
7. 上記加熱室は、上記鉛フリー半田を溶融させる蒸気雰囲気を形成する、いわゆるＶＰＳ（ベーパーフェイズソルダリング）装置にて構成される、請求項１から６のいずれかに記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
8. 上記微小振動について、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有され上記鉛フリー半田における融点を降下させる作用を有する融点降下作用金属の量、及び上記接合強度の少なくとも一つに基づいて制御を行う制御装置（１３６、３３６）をさらに備えた、請求項１から７のいずれかに記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の鉛フリー半田用リフロー半田付け装置を用いて半田付けされたことを特徴とする接合体。
10. 鉛を含有しない錫の合金である鉛フリー半田を凝固させることで装着物（１）を被装着材（５）に接合させるため、溶融状態にある上記鉛フリー半田の冷却を行うとき、
    上記鉛フリー半田における融点を降下させる作用を有する融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記装着物と上記被装着材との接合強度を増す微小振動を、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有する上記融点降下作用金属の量、及び上記接合強度の少なくとも一つに基づいて制御することを特徴とする、リフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田用半田付け方法。
11. 上記制御される上記微小振動は、上記被装着材及び上記装着物の少なくとも一方の接合界面にて、上記融点降下作用金属の結晶の微細化及び該融点降下作用金属の偏析防止を行い上記接合界面における接合強度を増す微小振動である、請求項１０記載のリフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田用半田付け方法。
12. 上記被装着材及び上記装着物における半田付け部分がＣｕを含有するとき、上記制御される微小振動は、さらに、上記被装着材及び上記装着物の少なくとも一方の接合界面に存在する、上記鉛フリー半田に含まれるＳｎと上記Ｃｕとの化合物層の厚みを増し上記接合界面における接合強度を増す振動を考慮した微小振動である、請求項１０又は１１記載のリフロー半田付け装置にて実行される鉛フリー半田用半田付け方法。
13. 請求項１０から１２のいずれかに記載の鉛フリー半田用半田付け方法を用いて半田付けされたことを特徴とする接合体。

Images