JP3580730B2 - 鉛フリー半田用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フロー半田付け装置、及び該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。
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５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３１が偏析する場合が発生する。尚、図５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、例えば上記電極２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。
【０００７】
又、溶融状態にある従来の共晶半田の噴流に、図６に示すように、該共晶半田にて接合される電子部品１とプリント基板５との接合部分３を浸して該接合部分３に上記共晶半田を塗り、その後、塗られた共晶半田を凝固させることで上記電極２と電子部品１とを接合させるフロー半田付け装置が存在する。このようなフロー半田付け装置にて使用される半田について、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が用いられることが予想される。
【０００８】
しかしながら、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従来のフロー半田付け装置にて使用しても上記電極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。
一方、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。
又、フロー半田付け装置を使用して半田付けを行う場合、予めプリント基板５に仮固定されたＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｇｕｌｌ Ｗｉｎｇ Ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）タイプ等の電子部品を鉛噴流に直接接触させて半田付けするときもあるが、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もあるので、図６に示すように、プリント基板５の厚み方向に当該プリント基板５を貫通するスルーホール６に挿通された電子部品１のリード１ａを半田付けすることが多い。この場合、上記鉛フリー半田を使用したときには、該鉛フリー半田の凝固時に例えばＢｉ結晶の偏析が原因で、いわゆるリフトオフ７が発生しやすい。リフトオフ７は、共晶半田を使用したときにも発生するが共晶半田の場合、通常、溶融半田噴流の非接触面側、つまり図６ではプリント基板５の上側にて発生する。しかしながら、例えばＢｉを含有する鉛フリー半田では、溶融半田噴流の接触面側、つまり図６ではプリント基板５の下側でも発生してしまう。よって、該リフトオフ７の発生によっても上記電極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。又、上記熱疲労によるクラックや変形等は、リフトオフ７の発生部分近傍にて発生しやすい。
したがって、Ｂｉを含有させることで上述のようにクラック発生防止効果が著しく向上するにも拘わらず、特にフロー半田付けを行う場合、上記リフトオフ７による接合強度の問題から、Ｂｉ含有の鉛フリー半田は使用できないというのが現在の大勢的見解である。
【０００９】
又、フロー半田付け装置の場合、溶融状態にある鉛フリー半田の毛細管現象により上記スルーホール６と上記リード１ａとの隙間を溶融状態の鉛フリー半田が伝って流れるが、上記鉛フリー半田を用いた場合、表面張力が強くなり、いわゆる濡れ性が悪くなってしまう。その結果、上記接合部分にて鉛フリー半田が十分に流れず、この場合にも、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てしまう。
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、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フロー半田付け装置、及び該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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１態様である、鉛フリー半田用フロー半田付け装置は、鉛を含有しない錫の合金であり溶融状態にある鉛フリー半田の噴流に、上記鉛フリー半田にて接合される装着物と被装着材との接合部分を浸す溶融半田浸漬装置と、
上記被装着材に対して、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下げる作用を有す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上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す第１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第１微小振動の作用を終了させる第１作用部を有する発振装置と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記発振装置の上記第１作用部による第１微小振動は、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おける接合強度を増す振動であるようにしてもよい。
【００１２】
又、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第１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接合強度を増す振動であるように構成することもできる。
【００１３】
又、上記発振装置は、上記溶融半田浸漬装置における上記鉛フリー半田の噴流に対して、上記接合部分における上記鉛フリー半田の表面張力を低下させて濡れ性を向上させる第２微小振動を作用する第２作用部をさらに有するように構成することもできる。
【００１４】
又、上記第１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、及び上記接合部分における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ように構成することもできる。
【００１５】
又、上記制御装置は、さらに、上記接合部分における上記鉛フリー半田の表面張力を低下させて濡れ性を向上させる第２微小振動について、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、及び上記接合部分における接合強度の少なくとも一つに基づいて制御を行うように構成することもできる。
【００１６】
本発明の第２態様である、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り溶融状態にある鉛フリー半田の噴流に、上記鉛フリー半田にて接合される装着物と被装着材との接合部分を浸すとき、
上記接合部分における上記鉛フリー半田の表面張力を低下させて濡れ性を向上させる第２微小振動を、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下げる作用を有する融点降下作用金属の量、及び上記装着物と被装着材との接合強度の少なくとも一つに基づいて制御して、上記噴流に作用させることを特徴とする。
【００１７】
又、上記接合部分を上記鉛フリー半田の噴流に浸すとき、及び上記噴流により上記接合部分に上記鉛フリー半田が塗られた後の少なくとも一方にて、さらに、上記鉛フリー半田における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装着物と上記被装着材との接合強度を増す第１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、及び上記装着物と上記被装着材との接合強度の少なくとも一つに基づいて制御して、上記噴流により上記接合部分に塗られ溶融状態にある上記鉛フリー半田に作用させるようにしてもよい。
【００１８】
又、本発明の第３態様である、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り溶融状態にある鉛フリー半田の噴流に、上記鉛フリー半田にて接合される装着物と被装着材との接合部分を浸すとき、及び上記噴流により上記接合部分に上記鉛フリー半田が塗られた後の少なくとも一方にて、
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下げ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第１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、及び上記装着物と上記被装着材との接合強度の少なくとも一つに基づいて制御して、上記噴流により上記接合部分に塗られ溶融状態にある上記鉛フリー半田に作用させることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第４態様である接合体は、上記第１態様の鉛フリー半田用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。
【００２０】
【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フロー半田付け装置、及び該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。
【００２１】
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、融点降下作用金属である添加剤としてＢｉ，Ｉｎ，Ｃｕ等が考えられる。尚、ここで、添加剤とは、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。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態のフロー半田付け装置１１１には、従来のフロー半田付け装置の場合と同様に、プリント基板上の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。
上記フロー半田付け装置１１１は、フラクサー１３１と、予備加熱装置１３２と、溶融半田浸漬装置１３３と、超音波発振装置１３４と、搬送装置１３５と、制御装置１３６と、冷却装置１３７とを備える。尚、上記フラクサー１３１、上記予備加熱装置１３２、及び冷却装置１３７は、設置を省略することもできる。
【００２３】
搬送装置１３５は、フラクサー１３１、予備加熱装置１３２、溶融半田浸漬装置１３３、及び冷却装置１３７の各設置箇所を通過する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を駆動する駆動装置としてのモータ１３５２にて、上記コンベヤ１３５１に載置された上記部品実装済みのプリント基板５を、フラクサー１３１、予備加熱装置１３２、溶融半田浸漬装置１３３、冷却装置１３７の順に搬送する。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。
【００２４】
上記フラクサー１３１は、上記部品実装済みのプリント基板５の上記電極２と電子部品１との接合部分にフラックスを塗布する公知の装置であり、制御装置１３６にて動作制御される。
【００２５】
上記予備加熱装置１３２は、上記部品実装済プリント基板５における、主に上記接合部分の予備加熱を行う装置であり、制御装置１３６にて予備加熱温度の制御が行われ、少なくとも上記接合部分をプリヒート時間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、当該鉛フリー半田の融点（ｍ．ｐ．）よりも若干低い温度である。
尚、上記予備加熱を行う手段としては、本実施形態ではヒータを用いるが、これ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。
【００２６】
上記溶融半田浸漬装置１３３は、溶融状態の鉛フリー半田１２２を噴出させる噴流生成装置１３３１を備える。上記鉛フリー半田１２２は、上述したＳｎ−Ａｇ−Ｂｉの組成にてなる鉛フリー半田である。該噴流生成装置１３３１には、図２に示すように、上記コンベヤ１３５１による搬送方向に沿って１次噴流ノズル１３３３と２次噴流ノズル１３３４とが並設されており、それぞれのノズル１３３３，１３３４から溶融した鉛フリー半田１２２を噴出させるためのポンプ１３３２が設けられ、さらに、鉛フリー半田１２２を溶融させるためのヒータ１３３５が設けられている。上記ポンプ１３３２は制御装置１３６にて動作制御され、及び上記ヒータ１３３５は当該ヒータ用の温度調節器１３３６にて温度制御される。上記温度調節器１３３６は制御装置１３６にて動作制御される。該動作制御による上記温度制御によって、ヒータ１３３５にて溶融されている鉛フリー半田１２２の温度は、図４に示すように、鉛フリー半田１２２の融点よりも高いフロー温度ｔ２に設定されている。
尚、溶融半田浸漬装置１３３のこのような構成は、従来のフロー半田付け装置に備わる溶融半田浸漬装置における構成と変わるところはない。
【００２７】
本実施形態のフロー半田付け装置１１１において特徴的構成の一つである超音波発振装置１３４は、第１周波数及び第１振幅値の第１超音波を発生する第１発振器１３４３と、該発振器１３４３にて発生した超音波振動をプリント基板５に作用させる第１作用部１３４４と、第２周波数及び第２振幅値の第２超音波を発生する第２発振器１３４１と、該発振器１３４１にて発生した超音波振動を溶融状態の鉛フリー半田１２２に作用させる第２作用部１３４２と、を備える。
【００２８】
上記第１作用部１３４４は、コンベヤ１３５１にて搬送されているプリント基板５に対して、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、上記鉛フリー半田１２２における含有成分の結晶、例えば上記融点降下作用金属としての本例の場合にはＢｉ結晶やＳｎとＡｇとの合金結晶の微細化及び偏在防止を図る程度の第１周波数及び第１振幅値の振動、例えば数μｍの振幅を作用させる。
【００２９】
又、本実施形態では、搬送中のプリント基板５に対して第１作用部１３４４は超音波振動を作用させることから、第１作用部１３４４をプリント基板５の搬送に同期して移動させるための移動装置１３４５を備えている。尚、搬送中のプリント基板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、上述の、第１作用部１３４４をプリント基板５に直接に接触させる方法に限定されるものではない。よって、上記移動装置１３４５は、常に設けられる構成ではない。
又、本実施形態では、第１作用部１３４４及び第２作用部１３４２を設けているが、これらの少なくとも一方を設ける構成を採ることもできる。
【００３０】
又、第１作用部１３４４がプリント基板５へ上記超音波振動を作用させるタイミングは、以下のような形態がある。即ち、図４に示す時刻ｔ１のように、プリント基板５が溶融半田浸漬装置１３３を通過し、溶融状態にある鉛フリー半田１２２の冷却が開始された時点から作用させてもよいし、上述した本実施形態の場合のように、つまり時刻ｔ０のように鉛フリー半田１２２の噴流を当てているときから作用させてもよい。少なくとも時刻ｔ２のように、当該鉛フリー半田１２２の温度が当該鉛フリー半田１２２の凝固点に達する直前には作用を開始する必要がある。よって図２では、第１作用部１３４４は、溶融半田浸漬装置１３３に設けているように図示しているが、溶融半田浸漬装置１３３から、後述の冷却装置１３７の設置箇所まで、又は上記冷却装置１３７の設置箇所のみに、設けるように構成することができる。
尚、第１作用部１３４４による超音波振動の作用終了時点は、当該鉛フリー半田１２２が完全に凝固した以後である。
【００３１】
上記第１作用部１３４４を設けることで、図５及び図６に示す接合部分３に対して超音波振動が作用し、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。よって該振動の作用により、肥大化した例えばＢｉの結晶は、図３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、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おいて、上記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における上記Ｂｉ以外の成分、例えばＳｎやＡｇ等に比べて硬度の高い上記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、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。
【００３２】
さらに、上記第１作用部１３４４による超音波振動の作用により以下の効果を得ることもできる。即ち、上述したように、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の接合界面における上記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。よって、上記超音波振動を制御する必要がある。
【００３３】
さらに又、上述のように超音波振動を与えることで上記接合強度が向上することから、Ｂｉを含有する鉛フリー半田を使用することができ、その結果、当該鉛フリー半田は、Ｂｉを含有しない半田に比べて著しく良好なクラック発生防止効果を有する。したがって、Ｂｉを含有する鉛フリー半田であっても、フロー半田付け装置の場合に特に問題が顕著になる上記リフトオフ７の発生が防止でき、及びＢｉを含有することで該リフトオフ７の発生部分近傍にて発生しやすいクラックや変形等を防止することができる。
【００３４】
上記第２作用部１３４２は、プリント基板５に向かって噴出している鉛フリー半田１２２の噴流に、当該鉛フリー半田１２２の表面張力を低下させ、上記濡れ性を改善する程度の第２周波数及び第２振幅値の超音波振動、例えば数μｍの振幅を与える。本実施形態では、１次噴流ノズル１３３３及び２次噴流ノズル１３３４のそれぞれに第２作用部１３４２を設けている。
尚、変形例として、１次噴流ノズル１３３３及び２次噴流ノズル１３３４のいずれか一方にのみ第２作用部１３４２を設けてもよく、この場合、２次噴流ノズル１３３４に優先的に第２作用部１３４２を設けるのが好ましい。
【００３５】
上記第２作用部１３４２を設けることで、鉛フリー半田１２２の噴流が超音波振動することから、鉛フリー半田１２２の表面張力が低下し、上記濡れ性を改善することができ、特に図６に示すような上記接合部分３にて鉛フリー半田１２２が十分に流れ上記電極２と電子部品１との十分な接合強度を得ることができる。
【００３６】
以上のように、上記第１作用部１３４４による第１超音波振動の上記接合部分３における第１振幅値及び第１周波数は、上記電極２又は電子部品１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電極２と電子部品１との接合強度を増す値であり、さらには、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上記接合強度を増す値である。
又、上記第２作用部１３４２による第２超音波振動の第２振幅値及び第２周波数は、上記接合部分３にて鉛フリー半田１２２が十分に流れ上記電極２と電子部品１との十分な接合強度が得られるように、鉛フリー半田１２２の表面張力を低下させ鉛フリー半田１２２の濡れ性を向上させる値である。
【００３７】
即ち、上記第１作用部１３４４による第１周波数及び第１振幅値の第１超音波振動、及び上記第２作用部１３４２による第２周波数及び第２振幅値の第２超音波振動の各振幅値及び周波数は、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及び電子部品１の接合強度と相関関係を有する。さらに又、上記第１作用部１３４４による超音波振動の第１振幅値及び第１周波数は、上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物層の厚み、つまり上記接合界面における上記接合強度とも相関関係を有する。さらには、上記第２作用部１３４２における第２超音波振動の第２振幅値及び第２周波数は、鉛フリー半田１２２の濡れ性とも関係を有する。
【００３８】
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、上記第１作用部１３４４による第１超音波振動の第１振幅値及び第１周波数との関係情報を少なくとも格納する。又、より好ましくは、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、上記第２作用部１３４２による第２超音波振動の第２振幅値及び第２周波数との関係情報をも併せて上記記憶部１３６１に格納する。さらには上記Ｓｎ−Ｃｕ化合物層の厚みと、上記接合強度と、上記第１作用部１３４４による第１超音波振動の第１振幅値及び第１周波数との関係情報を格納するのが好ましい。
さらに、上記第２作用部１３４２における第２超音波振動の第２振幅値及び第２周波数と、鉛フリー半田１２２の濡れ性との関係情報を上記記憶部１３６１に格納するのが好ましい。
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。
【００３９】
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それぞれの振幅値及び周波数を求め、この各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１３４３、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。
【００４０】
次に、上記冷却装置１３７は、上記溶融半田浸漬装置１３３に隣接して設けられ、上記フロー温度ｔ２に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、ファン１３７１が設けられている。該ファン１３７１を回転させるモータ１３７２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。
【００４１】
以上説明した構成を備えるフロー半田付け装置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。
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、フラクサー１３１にてフラックスが塗布され、該塗布後、予備加熱装置１３２にて、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、溶融半田浸漬装置１３３の設置箇所へ搬入され、１次噴流ノズル１３３３及び２次噴流ノズル１３３４から噴出している溶融状態の鉛フリー半田１２２の噴流にさらされ鉛フリー半田１２２が塗られる。又、このとき、第２作用部１３４２にて鉛フリー半田１２２の上記噴流に第２超音波振動を与え、さらに本実施形態では第１作用部１３４４にてプリント基板５に第１超音波振動を作用させる。
これらの超音波振動により、上述したように、プリント基板５の電極２と電子部品１との接合部分３における鉛フリー半田１２２の濡れ性が向上し、かつ融点降下作用金属の例えばＢｉの結晶を微細化し偏析を防止する。これにより上記電極２と電子部品１と接合強度を、超音波振動を与えない場合に比べて向上させることができる。
【００４２】
本実施形態では、上記第１作用部１３４４による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は冷却装置１３７の設置箇所へ搬入され、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第１作用部１３４４をプリント基板５から外し上記超音波振動のプリント基板５への作用を停止する。又、その後、プリント基板５は、冷却装置１３７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。
【００４３】
このように本実施形態のフロー半田付け装置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、上記噴流の鉛フリー半田１２２及び上記接合部分３において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。
【００４４】
又、このように超音波振動の作用により、従来に比べてＢｉを多く含有させた鉛フリー半田であっても上記接合強度を増すことができることから、上述した、Ｂｉによるクラック発生防止効果を引き出すことが可能となり、特にフロー半田付け装置にて半田付けされる、図６に示すようなスルーホール６にリード１ａが挿入されて半田付けされる形態において、上記リフトオフ７部分近傍に発生しやすい上記鉛フリー半田の上記熱疲労によるクラック発生を著しく防止することが可能となる。
【００４５】
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接合強度上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、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。
【００４６】
上述のように本実施形態では、溶融半田浸漬装置１３３への搬入から冷却装置１３７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、上記第１作用部１３４４は搬送されているプリント基板５へ第１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、上記１次噴流ノズル１３３３及び２次噴流ノズル１３３４にて、溶融状態にある鉛フリー半田１２２の噴流にて鉛フリー半田１２２が上記接合部分３に塗られた後、プリント基板５の搬送を一旦停止して、上記第１作用部１３４４にて第１超音波振動を作用させても良い。
又、本実施形態では、第１作用部１３４４及び第２作用部１３４２は、共に連続的に超音波振動を作用させているが、間欠的に作用させるように構成してもよい。
【００４７】
又、上記制御装置１３６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、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。さらに、以下の関係情報を格納することもできる。つまり、超音波発振装置１３４の上記第１作用部１３４４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。よって上記第１作用部１３４４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、上記第１振幅値及び第１周波数との関係情報や、プリント基板５の大きさと上記第１振幅値及び第１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第１振幅値及び第１周波数との関係情報を上記記憶部１３６１に格納することで、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。
又、上述の実施形態では、鉛フリー半田１２２の濡れ性は、上記第２作用部１３４２による第２超音波振動により改善させるように説明したが、上記第１作用部１３４４の第１超音波振動によっても向上される。よって、上記記憶部１３６１には、上記第１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。
【００４８】
尚、本実施形態では、溶融半田浸漬装置１３３として２つのノズル１３３３、１３３４を有するタイプを例に採ったが、該タイプに限定されるものではなく、公知の溶融半田浸漬装置を採用することができる。
又、本実施形態では、上記第１作用部１３４４による第１超音波振動、及び上記第２作用部１３４２による第２超音波振動の各振幅値及び周波数は、異なる場合を例に説明したが、これらの振幅値及び周波数は同一であってもよい。
【００４９】
【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フロー半田付け装置によれば、溶融している鉛フリー半田に第１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、上記第１微小振動により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、上記第１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。
【００５０】
又、本発明の第２態様における、鉛フリー半田用フロー半田付け装置にて実行される半田付け方法によれば、装着物と被装着材との接合部分を鉛フリー半田の噴流に浸すときに鉛フリー半田の噴流に第２微小振動を作用させたことから、微小振動を作用させない場合に比べて、上記接合部分における鉛フリー半田の濡れ性を向上させることができ、上記接合部分の接合強度を増すことができる。
【００５１】
上記第２態様の半田付け方法において、及び第３態様の半田付け方法において、上記接合部分を上記噴流に浸すとき、及び浸した後の少なくとも一方にて、さらに、上記接合部分に塗られ溶融状態にある鉛フリー半田に対して、上記被装着材の大きさ、上記鉛フリー半田に含有する融点降下作用金属の量、及び上記被装着材と上記装着物とにおける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第１微小振動を制御して作用させる。このような動作により、上記接合部分にて上記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上記融点降下作用金属の偏析防止を行い上記被装着材と装着物との接合強度を、上記第１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。
【００５２】
又、第４態様の接合体では、上記第１態様の鉛フリー半田用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フロー半田付け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フロー半田付け装置に備わる溶融半田浸漬装置を示す断面図である。
【図３】図１に示す鉛フリー半田用フロー半田付け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４】図１に示す鉛フリー半田用フロー半田付け装置における鉛フリー半田の温度変化を示すグラフである。
【図５】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。
【図６】従来の共晶半田を用いたフロー半田付け装置にて共晶半田が凝固するときに発生するリフトオフを説明するための、接合部分における断面図である。
【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…フロー半田付け装置、１２２…鉛フリー半田、
１３３…溶融半田浸漬装置、１３４…超音波発振装置、
１３５…搬送装置、１３６…制御装置、１３７…冷却装置、
１３４２…第２作用部、１３４４…第１作用部。

Claims (14)

1. 鉛を含有しない錫の合金であり溶融状態にある鉛フリー半田の噴流に、上記鉛フリー半田にて接合される装着物（１）と被装着材（５）との接合部分を浸す溶融半田浸漬装置（１３３）と、
   上記被装着材（５）に対して、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下げる作用を有す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上記被装着材と上記装着物との接合強度を増す第１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第１微小振動の作用を終了させる第１作用部（１３４４）を有する発振装置（１３４）と、
   を備えたことを特徴とする鉛フリー半田用フロー半田付け装置。
2. 上記発振装置の上記第１作用部による第１微小振動は、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おける接合強度を増す振動である、請求項１記載の鉛フリー半田用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第１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第１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フロー半田付け装置。
5. 上記発振装置は、上記溶融半田浸漬装置における上記鉛フリー半田の噴流に対して、上記接合部分における上記鉛フリー半田の表面張力を低下させて濡れ性を向上させる第２微小振動を作用する第２作用部（１３４２）をさらに有する、請求項１から４のいずれかに記載の鉛フリー半田用フロー半田付け装置。
6. 上記溶融半田浸漬装置に対して上記被装着材を搬送する搬送装置（１３５）と、
   上記第１作用部を上記被装着材の搬送に同期して移動させる移動装置（１３４５）とをさらに備えた、請求項１から５のいずれかに記載の鉛フリー半田用フロー半田付け装置。
7. 上記第１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下げる作用を有する融点降下作用金属の量、及び上記接合部分における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）をさらに備えた、請求項１から６のいずれかに記載の鉛フリー半田用フロー半田付け装置。
8. 上記制御装置は、さらに、上記接合部分における上記鉛フリー半田の表面張力を低下させて濡れ性を向上させる第２微小振動について、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、及び上記接合部分における接合強度の少なくとも一つに基づいて制御を行う、請求項７記載の鉛フリー半田用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り溶融状態にある鉛フリー半田の噴流に、上記鉛フリー半田にて接合される装着物（１）と被装着材（５）との接合部分を浸すとき、
    上記接合部分における上記鉛フリー半田の表面張力を低下させて濡れ性を向上させる第２微小振動を、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下げる作用を有する融点降下作用金属の量、及び上記装着物と被装着材との接合強度の少なくとも一つに基づいて制御して、上記噴流に作用させることを特徴とする、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. 鉛を含有しない錫の合金であり溶融状態にある鉛フリー半田の噴流に、上記鉛フリー半田にて接合される装着物（１）と被装着材（５）との接合部分を浸すとき、及び上記噴流により上記接合部分に上記鉛フリー半田が塗られた後の少なくとも一方にて、
    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下げ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第１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、及び上記装着物と上記被装着材との接合強度の少なくとも一つに基づいて制御して、上記噴流により上記接合部分に塗られ溶融状態にある上記鉛フリー半田に作用させることを特徴とする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. 上記接合部分を上記鉛フリー半田の噴流に浸すとき、及び上記噴流により上記接合部分に上記鉛フリー半田が塗られた後の少なくとも一方にて、さらに、
    上記鉛フリー半田における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装着物と上記被装着材との接合強度を増す第１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、及び上記装着物と上記被装着材との接合強度の少なくとも一つに基づいて制御して、上記噴流により上記接合部分に塗られ溶融状態にある上記鉛フリー半田に作用させる、請求項１０記載の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. 上記被装着材及び上記装着物の半田付け部分がＣｕを含有するとき、上記第１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接合強度を増す振動である、請求項１１又は１２記載の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。
14. 請求項１０から１３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。

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