JP3918763B2 - 非耐熱部品のはんだ付け方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、錫と亜鉛との合金を含んだ鉛フリーはんだを用いて非耐熱部品をはんだ付けするはんだ付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年環境保護の観点より、人体に悪影響を及ぼす恐れのある鉛を含まないはんだへの要求が大きくなってきた。しかし鉛を含まないはんだは、錫・銀系はんだに見られるように一般的にその融点が従来の錫・鉛系のはんだに比べて高くなる。そこで本発明においては鉛を含まないはんだとして、融点を錫・鉛系はんだと略同じとすることができる亜鉛系鉛フリーはんだ（以降亜鉛系鉛フリーはんだという）を用いたはんだ付け接続について述べるものである。
【０００３】
以下、従来のはんだ付け接続について図面を用いて説明する。図１９は従来のはんだ付け接続の説明図である。図１９において、１は、プリント基板である。このプリント基板１の所定の位置には、銅箔がエッチングされて形成されたはんだ付けパッド２が配置されている。３は、プリント基板１とはんだ付けパッド２の双方共に貫通して形成された孔であり、パッド２の略中央部に設けられている。
【０００４】
４は、リード付部品の電解コンデンサ（非耐熱部品の一例として用いた）である。この電解コンデンサ４には、リード部５を有し、そのリード部５が孔３を貫通するようにして挿入されている。そしてこれらのはんだ付けパッド２とリード部５とが亜鉛系鉛フリーはんだ６で接続されているものであった。
【０００５】
しかし、一般的にこのような挿入タイプの電解コンデンサ４は加熱によって寿命が短くなったり、使用されている樹脂の熱的限界が低いなどの理由により、従来の錫・鉛共晶はんだと同等以下の温度でリフローはんだ付けすることが必要である。なお、この亜鉛系鉛フリーはんだ６は、錫と亜鉛とが主成分であり、その成分構成を、錫が８９重量％、亜鉛が８重量％、ビスマスが３重量％とすることによってその融点を１９７℃としてある。
【０００６】
図２０は、従来のはんだ付け接続のフローチャートである。図２０において１０は亜鉛系の鉛フリーはんだ６をプリント基板１へ塗布する塗布工程である。この塗布工程１０では１．２ミリ厚の金属製プレートによって前記亜鉛系の鉛フリーはんだ６がプリント基板１上に印刷される。
【０００７】
１１は、塗布工程１０の後で、前記亜鉛系の鉛フリーはんだ６が印刷されたプリント基板１の孔３に電解コンデンサ４を挿入する部品挿入工程である。そして、この部品挿入工程１１の後のリフロー工程１２によって加熱し、前記亜鉛系の鉛フリーはんだ６をはんだ付けパッド２にはんだ付けするものであった。このリフロー工程１２により図２１に示されるように、はんだ付けパッド２と亜鉛系の鉛フリーはんだ６との層の間に銅と亜鉛の合金層２０が約４μｍの厚みで形成され、はんだ付けされるわけである。ここで、この銅と亜鉛の合金層２０にはＣｕ₅Ｚｎ₈とＣｕＺｎの合金が含まれるものである。ここで、図２１に示した模式図では、各層間に明らかな境界線があるが、これは説明を判りやすくするために便宜上このような境界線を設けたが、実際にはこのように明確な境界はなく、徐々にその成分比率が変化するものである。ただし本説明においては、一般的にＳＥＭ写真などによって判別できる範囲を層として境界線を設けて表している。
【０００８】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−１７４２７８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の非耐熱部品のはんだ付け接続において形成される錫と亜鉛との合金層２０には、Ｃｕ₅Ｚｎ₈とＣｕＺｎの合金が含まれるものであり、これらの合金２０は熱的に不安定な合金である。
【００１１】
つまり、高温環境下（例えば１２５℃）において、亜鉛系鉛フリーはんだ６中の亜鉛が消費され、図２２に示すように、錫と亜鉛との合金層２０ａは成長する。そして、この成長がある一定の厚みまで進むとその成長は止まる。なお、実験においては、この厚みは約１８μｍまで成長することが確認されている。すると今後は、銅と亜鉛との合金２０が亜鉛濃度が下がった鉛フリーはんだ６へ拡散し、この層２０ａは徐々に破壊していく（図２２に示される）。なお、この状態は、１２５℃の条件下で約３００時間の短時間で発生することが確認されている。
【００１２】
すると次には、図２３に示されているように、はんだ付けパッド２の銅と鉛フリーはんだ６との相互拡散が始まる。ここで通常であれば銅は、イオン化傾向の高い亜鉛と結合するのであるが、錫と亜鉛との合金層２０の成長によって鉛フリーはんだ６の亜鉛が消費されるので、鉛フリーはんだ６は錫が潤沢な状態となっているわけである。従って銅は錫との合金を形成することとなるが、この状態で、はんだ付けパッド２の銅が錫と結合する場合には、はんだ付けパッド２と鉛フリーはんだ６との界面に、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金２１が生じることが知られている。
【００１３】
ところがひとつのＣｕ₆Ｓｎ₅合金２１の結晶を得るために、５個の錫が消費されるわけであるので、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金２１が形成されるときには錫が多く消費される。これによりＣｕ₆Ｓｎ₅合金２１が生成されることによって、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金２１と鉛フリーはんだ６との界面近傍にボイド２２（一般にはカーケンダルボイドと言う）が発生することとなる。なお、この状態は、１２５℃の条件下で約１５００時間の期間で発生することを確認している。
【００１４】
しかしながら、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金２１の強度は、非常に弱く、脆い。さらにＣｕ₆Ｓｎ₅合金２１が生成される過程においてボイド２２が発生しているので、はんだ付けの接合強度の低下を招くこととなる。
【００１５】
そこで本発明は、この問題を解決したもので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を提供することを目的としたものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の非耐熱部品のはんだ付け接続は、第１と第２のはんだ付けパッドとにクリーム状の鉛フリーはんだをスクリーンによって印刷する印刷工程と、この印刷工程の後でチップ部品を前記第２のはんだ付けパッドへ装着する部品装着工程と、この装着工程の後で前記鉛フリーはんだを加熱して、前記第１のはんだ付けパッド上に錫・銅合金層を含む第１の合金層を形成させる第１のリフロー工程と、この第１のリフロー工程の後で前記第１の合金層の上に前記鉛フリーはんだの融点より低い融点であり、クリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだを供給するクリームはんだ塗布工程と、このクリームはんだ塗布工程の後で非耐熱部品のリード部を前記第１のパッドの略中央に形成された孔に挿入する部品搭載工程と、この部品搭載工程の後に加熱する第２のリフロー工程とを設け、前記第２のリフロー工程は、プリント基板に塗布されたクリームはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱工程と、この予熱の後にクリーム状の鉛フリーはんだを溶融する加熱工程と、この加熱工程の後に前記加熱工程で溶融したクリームはんだを冷却する第１の冷却工程とを有し、前記予熱工程と前記加熱工程との間には第２の冷却工程を有したものである。
【００１７】
これにより、第１の合金層が、直接銅と亜鉛が結合することを阻止し、高温環境下においてＣｕ₆Ｓｎ₅合金の発生する原因となる銅と亜鉛との合金の生成、成長を抑制するので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【００１８】
さらに、非耐熱部品の装着されたプリント基板は、加熱手段に入る前にこの第２の冷却手段で非耐熱部品の温度を一度下げてあるので、加熱手段での部品の温度を低くすることができる。従って、融点の高い鉛フリーはんだでリフローはんだ付けしても、その熱により非耐熱部品が壊れることなく、はんだ付けを行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、プリント基板と、このプリント基板の一方面に銅箔によって形成された第１と第２のはんだ付けパッドと、この第１のはんだ付けパッド上に接着される非耐熱部品と、この非耐熱部品と前記第１のはんだ付けパッドとをはんだによって接続するはんだ付け方法において、前記第１と第２のはんだ付けパッドとにクリーム 状の鉛フリーはんだをスクリーンによって印刷する印刷工程と、この印刷工程の後でチップ部品を前記第２のはんだ付けパッドへ装着する部品装着工程と、この装着工程の後で前記鉛フリーはんだを加熱して、前記第１のはんだ付けパッド上に錫・銅合金層を含む第１の合金層を形成させる第１のリフロー工程と、この第１のリフロー工程の後で前記第１の合金層の上に前記鉛フリーはんだの融点より低い融点であり、クリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだを供給するクリームはんだ塗布工程と、このクリームはんだ塗布工程の後で前記非耐熱部品のリード部を前記第１のパッドの略中央に形成された孔に挿入する部品搭載工程と、この部品搭載工程の後に加熱する第２のリフロー工程とを設け、前記第２のリフロー工程は、プリント基板に塗布されたクリームはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱工程と、この予熱の後にクリーム状の鉛フリーはんだを溶融する加熱工程と、この加熱工程の後に前記加熱工程で溶融したクリームはんだを冷却する第１の冷却工程とを有し、前記予熱工程と前記加熱工程との間には第２の冷却工程を有したものである。
【００２０】
これによって、はんだ付けパッド上には第１の工程によって錫・銅合金と錫とからなる層が形成されるので、その上から亜鉛を含むはんだを供給されても、銅と亜鉛との結合は阻止される。従って、高温環境下においてＣｕ₆Ｓｎ₅合金の発生する原因となる銅と亜鉛との合金の生成を抑制するので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【００２１】
なお、ボイドの発生も抑制することができるので、熱衝撃などによるはんだクラックも発生しにくくなる。
【００２２】
さらに、銅と亜鉛との合金もその強度は弱い。本発明においては銅と亜鉛との合金自体の生成も抑制することができるので、さらにはんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【００２３】
さらにまた、非耐熱部品の装着されたプリント基板は、加熱手段に入る前にこの第２の冷却手段で非耐熱部品の温度を一度下げてあるので、加熱手段での部品の温度を低くすることができる。従って、融点の高い鉛フリーはんだでリフローはんだ付けしても、その熱により非耐熱部品が壊れることなく、はんだ付けを行うことができる。
【００２４】
それに加えて、第１のリフロー工程においてはんだ付けパッド上に錫・銅合金と錫とからなる層を形成すると同時に実装部品の装着を行うことができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明におけるスクリーンは、鉛フリーはんだを溶融したときの銅・錫合金と錫からなる層の厚さが銅箔の銅分子が拡散する距離よりも大きくなるような厚みで印刷できる厚みとした請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより銅・錫合金と錫とからなる層の表面まで到達する銅箔の銅分子は少なくなり、銅・亜鉛系の鉛フリーはんだ中の亜鉛と銅との合金の生成は少なくなる。従って、高温環境下においてＣｕ₆Ｓｎ₅合金の発生する原因となる銅と亜鉛との合金の生成も少なくすることができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【００２６】
請求項３に記載の発明におけるスクリーンには、はんだ付けパッドと対向して形成された開口部と、前記はんだ付けパッドの略中央に設けられた孔に対向して形成されるとともに前記孔を覆うように形成された遮蔽部とを有する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより孔にははんだが供給されないので、孔がはんだで塞がれてしまうことはない。
【００２７】
請求項４に記載の発明における開口部に架設されるとともに遮蔽部に連結される連結部の幅は、クリーム状の鉛フリーはんだを加熱したときには、前記クリーム状の鉛フリーはんだが連結部に対向するクリームはんだ不塗布部を覆うことができる程度に細くした請求項３に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法である。
【００２８】
これにより鉛フリーはんだははんだ付けパッドの略全面を覆うので、はんだ付けパッドが露出せず、この上から供給される錫・亜鉛系の鉛フリーはんだ中の亜鉛とはんだ付けパッドの銅との合金の生成は少なくなる。従って、高温環境下においてＣｕ₆Ｓｎ₅合金の発生する原因となる銅と亜鉛との合金の生成も少なくすることができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【００２９】
また、はんだ付けパッドが露出しないので、亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け性も良くなる。
【００３０】
請求項５に記載の発明における開口部に架設されるとともに遮蔽部に連結される連結部の幅は、クリーム状の鉛フリーはんだを加熱したときに、連結部に対向するクリームはんだ不塗布部での前記鉛フリーはんだの厚みが銅箔の銅分子が拡張する距離よりも大きくなる程度に大きくした請求項３に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより連結部によって生ずるクリームはんだ不塗布部において、銅・錫合金と錫とからなる層の表面まで到達する銅箔の銅分子は少なくなり、鉛フリーはんだ中の亜鉛と銅との合金の生成は少なくなる。従って、高温環境下においてＣｕ₆Ｓｎ₅合金の発生する原因となる銅と亜鉛との合金の生成も少なくすることができ、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【００３１】
請求項６に記載の発明は、第２の冷却工程では、加熱工程内での非耐熱部品のピーク温度が、予め定められた温度以下となるように冷却する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより第２の冷却部にて予め非耐熱部品のピーク温度を、部品の品質保証の限界温度以下となるように冷却しておけば、非耐熱部品が保証温度を超えることはなく、品質や特性や信頼性を劣化させることなくリフローはんだ付けを行うことができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明は、加熱工程にてクリーム状の錫・亜鉛系はんだがピーク温度に達した後であって、非耐熱部品が予め定められた温度以上となる前に、第１の冷却工程では、前記非耐熱部品の冷却を開始する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品の品質保証の限界温度以上となる前に冷却が開始されるので、品質保証の限界温度が低い非耐熱部品とか、融点の高いはんだであっても品質、特性や信頼性を劣化させないリフローはんだ付けを行うことができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、加熱工程から第１の冷却工程への搬送は、錫・亜鉛系はんだの温度が固相線温度より下回った温度で行う請求項７に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより加熱手段から冷却手段への移動ははんだが固体化してからとなるので、搬送による振動などによる界面剥離や、部品の傾きなどは生じない。従って、良好なはんだ付けを実現することができる。
【００３４】
請求項９に記載の発明におけるクリーム状の錫・亜鉛系はんだは、フラックス成分とはんだ粉にて形成され、予熱手段において、このクリーム状の錫・亜鉛系はんだの温度は前記フラックス成分が活性化するとともに、溶剤が揮発する温度以上とし、このときの非耐熱部品の温度は、予め定められた温度以下とした請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これによりクリーム状の錫・亜鉛系はんだ中のフラックスが予熱手段で活性化し、プリント基板や部品リードなどのはんだ付け面を覆っている酸化膜等の皮膜を除去するので良好なはんだ付けを実現することができる。
【００３５】
また、この予熱温度は、非耐熱部品の品質保証の限界温度以下であるので、予熱手段で非耐熱部品の品質・特性や信頼性は劣化することはない。
【００３６】
請求項１０に記載の発明における予熱工程は、クリームはんだ面と対向する面側から予熱する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより予熱手段では、非耐熱部品側は加熱されないので、非耐熱部品の温度が高くなることはない。従って、第２の冷却手段でプリント基板を冷却する場合、短時間で温度を下げることができる。つまり、非耐熱部品を効果的に冷却することができるので、加熱手段では、クリーム状の錫・亜鉛系はんだの温度を容易に上昇させることができる。従って加熱手段での電力を小さくすることができる。
【００３７】
また、非耐熱部品の温度も高くならないので、冷却手段で充分に冷却させることができ、加熱手段での非耐熱部品の温度が品質保証の限界温度を超えないようにすることができる。
【００３８】
請求項１１に記載の発明における予熱工程では、非耐熱部品が搭載された面側から冷却する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これによりプリント基板が、予熱手段を通過中でも、非耐熱部品は冷却されているので、加熱手段での部品の温度をさらに低く抑えることができる。従って、さらに部品の品質保証の限界温度が低い部品や融点の高いはんだに対してもリフローはんだ付けをすることができる。
【００３９】
請求項１２に記載の発明における加熱工程では、非耐熱部品が植設された面側から冷却する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これによりはんだの加熱中においても非耐熱部品を冷却しているので、非耐熱部品の温度を上昇させないようにすることができる。従って、第１の冷却手段での冷却が開始されるまでに、部品保証の限界温度を超してしまうことはなく、部品の特性が悪化することはない。
【００４０】
請求項１３に記載の発明における加熱工程では、クリームはんだ塗布面に対向する面側から加熱する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品側は加熱されないので加熱手段中で、非耐熱部品の温度が品質保証の限界温度を超えないようにすることができる。
【００４１】
請求項１４に記載の発明は、加熱工程を構成する加熱部には、プリント基板のクリームはんだ塗布面に対向した複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出す熱風により加熱する請求項１３に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより局所的に熱量を与えることができるので、加熱時間を短くすることができ、加熱手段の電力を少なくすることができる。
【００４２】
請求項１５に記載の発明は、パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、熱風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板にはプリント基板のはんだ付け箇所に対応する位置に孔が設けられた請求項１４に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより遮蔽板のみを交換すれば、容易にはんだ付け位置の異なるプリント基板をはんだ付けするはんだ付け装置とすることができる。
【００４３】
請求項１６に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きな非耐熱部品のクリームはんだに対向した箇所を大きな径とした請求項１４に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより部品の熱容量の大きさに応じて、パイプの径を変えることによって、加熱手段での加熱時間を同一にすることができ、パイプからの熱風を同時に停止することができるので、容易にはんだ付けすることができる。
【００４４】
請求項１７に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きい非耐熱部品のクリーム状の錫・亜鉛系はんだに対向した箇所に多数本設けられた請求項１４に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより部品の熱容量の大きさに応じてパイプの本数を変えることで、加熱手段での加熱時間を同一にすることができ、パイプからの熱風を同時に停止することができるので、容易にはんだ付けすることができる。
【００４５】
請求項１８に記載の発明における第２の冷却工程では、プリント基板の非耐熱部品が搭載された面側から冷却する冷却部を有する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品は冷却部によって強制的に冷却されるので、充分に冷却させることができ、加熱手段での部品の温度をさらに低く抑えることができる。従って、部品の品質保証の限界温度が低い部品や融点の高いはんだを用いてリフローはんだ付けをすることができる。
【００４６】
請求項１９に記載の発明における第２の冷却工程には、複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出す冷風により非耐熱部品を選択的に冷却する請求項１８に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品のみを選択的に冷却することができる。
【００４７】
つまり、金属製のフレームなどは、その熱容量が大きく、温度を下げると加熱工程での温度が充分に上がりにくくなり、はんだ付けができなくなる。そこで、このような熱容量の大きな部品は冷却しないようにすることができるので、良好なはんだ付けをすることができる。
【００４８】
請求項２０に記載の発明は、パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、冷風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板には非耐熱部品が搭載されている位置に対応した孔が設けられた請求項１９に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これによりこの遮蔽板で冷却不要な箇所には冷風が当たらないので、必要な箇所のみを効率よく冷却することができる。また、遮蔽板のみを交換すれば、容易にはんだ付け位置の異なるプリント基板のはんだ付けをすることもできる。
【００４９】
請求項２１に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きな非耐熱部品に対向した箇所では径を大きくした請求項１９に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより熱容量の大きな部品の温度も下げることができる。
【００５０】
請求項２２に記載の発明におけるパイプは、熱容量の大きい非耐熱部品に対向した箇所には多数本設けられた請求項１９に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより熱容量の大きな部品の温度も下げることができる。
【００５１】
請求項２３に記載の発明における非耐熱部品は、熱容量の大きい本体部と、この本体部の径に比べて充分に小さい径であるとともに、前記本体部に接続して設けられたリード部からなる請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法であり、これにより非耐熱部品はその本体部が大きな熱容量を有し、はんだ付け部が本体部の径に比べて充分に小さい径となっているので、加熱手段で加熱したリード部の熱は、本体へ伝導しにくい。従って、加熱手段中においても本体部の温度を低く保つことができ、部品が破壊温度や特性の保証温度を超えてしまうことはない。
【００５２】
（実施の形態１）
以下、本実施の形態について図１と図２を用いて説明する。図１は本実施の形態におけるはんだ付け接続の断面模式図を示したものであり、図２はその要部拡大図である。図１と図２において従来例と同じものについては同じ番号を付しその説明は簡略化する。
【００５３】
なお、図２に示した模式図では、各層間に明らかな境界線があるが、これは説明を判りやすくするために便宜上このような境界線を設けたものであり、実際にはこのように明確な境界はなく、徐々にその成分比率が変化するものである。ただし本発明においては、一般的にＳＥＭ写真などによって判別できる範囲を層として境界線を設けて表している。
【００５４】
図１と図２において、３０は、はんだ付けパッド２上に形成された第１の合金層であり、この第１の合金層３０のはんだ付けパッド２側には、Ｃｕ₃Ｓｎ合金／Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金の錫・銅合金層３１が略３μｍの厚みで形成されている。一方第１の合金層３０の表層面側には、錫が主体となるＳｎ・Ａｇの層３２が形成されている。
【００５５】
そしてはんだ付けパッド２から最も離れた最表層には、錫と亜鉛とが主成分の鉛フリーはんだ３３（以降、亜鉛系鉛フリーはんだという）の層３４が形成されている。なお、本実施の形態において各層の厚みは、Ｃｕ₃Ｓｎ合金層３１の厚みが略３μｍであり、その上に形成された錫が主体となる層３２の厚みが略５０μｍとなっている。
【００５６】
本実施の形態における被はんだ付け物である電解コンデンサ４（非耐熱部品の一例として用いた）は、リード部５を有した電解コンデンサであり、従来と同様にプリント基板１に設けられた孔３にリード部５（電解コンデンサ４のはんだ付け箇所）が挿通され、亜鉛系鉛フリーはんだ３３によって電気的に接続されることとなる。
【００５７】
次に、本実施の形態におけるはんだ付け接続について説明する。図３は、本実施の形態におけるはんだ付けのフローチャートである。図３において本実施の形態におけるはんだ付けは、はんだ付けパッド２上に第１の合金層３０を形成する第１の工程４１と、この第１の工程４１の後で亜鉛系の鉛フリーはんだ３３を第１の合金層３０上へ供給する第２の工程４２と、この第２の工程４２の後で耐熱温度が低い電解コンデンサ４をプリント基板１の孔３へ挿入する第３の工程４３と、そしてこの第３の工程４３の後で前記亜鉛系の鉛フリーはんだを第２のリフローによって加熱し溶融させる第４の工程４４とによって構成されている。
【００５８】
なお、前記第１の工程４１は、はんだ付けパッド２上に錫・銀系のはんだ（亜鉛を含まない鉛フリーはんだの一例として用いた）を供給する印刷工程４５と、この印刷工程４５の後で自動装着機等によってチップ部品を装着する部品装着工程４６と、この部品装着工程４６の後で前記錫・銀系のはんだを第１のリフローによって加熱・溶融させる溶融工程４７とから構成されている。
【００５９】
以下各工程について図面を用いて順次説明する。まず図４は、印刷工程４５の説明図である。プリント基板１上には複数のはんだ付けパッド２、５１ａや５１ｂが形成されている。なおこれらのはんだ付けパッド２は、電子部品４のリード部５とはんだ付け接続されるものである。また、はんだ付けパッド５１ａや５１ｂは図６に示されるようにチップ部品６１の電極に対向するような位置に形成されている。
【００６０】
そしてこのプリント基板１の上にメタルスクリーン５２が載置され、このメタルスクリーン５２上に錫が９７重量％であり銀が３重量％の構成比率を有した錫・銀系のクリームはんだ（亜鉛を含まない鉛フリーはんだの一例として用いた）５３が供給される。この錫・銀系のクリームはんだ５３は、スキージ５４によってメタルスクリーン５２に設けられた開口部５５や５６ａ、５６ｂに刷り込まれ、所定のはんだ付けパッド２、５１ａ、５１ｂ上へ供給される。なお開口部５５は、はんだ付けパッド２と対向し、開口部５６ａ、５６ｂは、はんだ付けパッド５１ａ、５１ｂと対向するように設けられている。
【００６１】
なお、メタルスクリーン５２の厚みは、１２０μｍであり、その開口部５５の中心には図５に示すように孔３を覆うように円形の遮蔽部５７が形成されている。この遮蔽部５７の径は、孔３の径よりも約０．４ｍｍ大きな径とすることで、たとえスクリーンの印刷がずれたとしても、錫・銀系のクリームはんだ５３が孔３内に付着しないようにしてある。
【００６２】
また、開口部５５は、４つの架設部５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄによって開口部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄの４つに分割される。これは、遮蔽部５７を確りと保持できるように架設部５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄを４箇所に設けている。しかしながら、プリント基板１にはこれらの架設部５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄによる錫・銀系のクリームはんだ５３の不形成部が生じるために、この架設部５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄの幅はできる限り細い方が望ましい。
【００６３】
そこで、本実施の形態においては、これら架設部５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄの幅はそれぞれ約０．２ｍｍとしてある。こうしておけば、錫・銀系のクリームはんだ５３を溶融させることによって、この不形成部にも容易に第１の合金層３０を形成することができる。なお、本実施の形態において、架設部は４箇所としているが、少なくとも２箇所以上設けてやれば良い。架設部の数を少なくすれば、錫・銀系のクリームはんだ５３の塗布面積を大きくできるので、さらに確実に第１の合金層を形成させることができる。
【００６４】
次に図６は、部品装着工程４６にてチップ部品を装着した状態を示す図である。この部品装着工程４６では、印刷工程４５で供給された錫・銀系のクリームはんだ５３上にチップ部品６１が自動装着機等によって装着される。なお、この錫・銀系のクリームはんだ５３の融点は２１７℃であり、従来の錫・鉛共晶系のクリームはんだに比べて約３４℃融点が高い。従ってこの部品装着工程４６では、錫・銀系のクリームはんだ５３に適したリフロー温度にも耐えるだけの耐熱を有した部品のみが装着される。ただし、錫・銀系のクリームはんだ５３に適したリフロー温度は一般的に２５０℃程度であるが、一般のチップ部品６１はこれ以上の耐熱を有しているので、この工程でほとんどの装着部品は装着することができる。
【００６５】
また、このとき一般的にはこの装着が全て完了するまでには、前記印刷工程４５から数分以上が経過するので、錫・銀系のクリームはんだ５３にはダレが発生し、不形成部６２の間隔は小さくなる。本実施の形態においては、架設部５７の幅が０．２ｍｍであるので、この部品装着工程４６においてその不形成部の幅６４は０．１ｍｍ程度にまで小さくなる。
【００６６】
その次に図７は、溶融工程４７において錫・銀系のクリームはんだ５３が加熱された状態を示す説明図であり、図８はこの溶融工程４７の温度プロファイルを示したものである。図８において、横軸７０は時間であり、縦軸７１が温度を表している。
【００６７】
７２は錫・銀系のクリームはんだ５３における温度プロファイルを示している。ここで、７３は予備加熱工程であり、この予備加熱工程７３の予備加熱温度７４は１６０℃としている。この予備加熱工程７３では、錫・銀系のクリームはんだ５３中の溶剤成分を蒸発させるとともに、フラックス成分を活性化し、被はんだ付け物（はんだ付けパッド表面や電子部品電極など）の表面を清浄化するものである。この予備加熱工程７３で加熱されると錫・銀系のクリームはんだ５３の粘度が小さくなり、ダレが生じるために、不形成部６２上も錫・銀系のクリームはんだ５３によって覆われることとなる。
【００６８】
そして７５が本加熱工程であり、この本加熱工程７５にて錫・銀系のクリームはんだ５３の融点を超えるまで加熱し、錫・銀系のクリームはんだ５３を溶融させる。この本加熱工程７５のピーク温度７６は、２５０℃とすることで、錫・銀系のクリームはんだ５３の温度を融点である２１７℃よりも高い温度へと確実に上昇させることができる。なお、７７は、本加熱工程７５で溶融された錫・銀系のクリームはんだ５３を略常温まで冷却し、固める冷却工程である。これによってチップ部品６１のはんだ付けと同時に、はんだ付けパッド２上へ第１の合金層３０を形成することができる。
【００６９】
次に図９はクリームはんだ５３の冷却後の状態を示す図面である。図９において、錫・銀系のクリームはんだ５３が溶融すると、溶剤分容積が減少しその容積は約半分となる。しかし印刷工程４５でのメタルスクリーン５２の開口部５５を本実施の形態のような寸法とすることにより、孔３を除いて錫・銀系のクリームはんだ５３がはんだ付けパッド２の略全面に広がって覆い、第１の合金層３０を形成するわけである。
【００７０】
ここで、図８における７８は錫・鉛の共晶はんだにおける温度プロファイルである。この温度プロファイル７８のピーク温度７９は、錫・銀系のクリームはんだ５３のピーク点温度７６に比べ約２０℃低くなっている。従って、耐熱温度が１６０℃と耐熱性が低い電解コンデンサ４などをはんだ付けする場合には、従来の錫・鉛の共晶はんだと同じ程度の融点を有した亜鉛系鉛フリーはんだを使用することが望まれる。
【００７１】
そこで図１０に示すように、第２の工程４２では、亜鉛系の鉛フリーはんだ３３を錫・銀系のクリームはんだ５３上に供給する。なお、この亜鉛系の鉛フリーはんだ３３の融点が１９７℃であり、比較的共晶はんだと近い融点を持ったはんだであるためである。
【００７２】
なお、亜鉛系の鉛フリーはんだ３３のプリント基板１への供給は、厚さ１．２ｍｍのプレート８２上にはんだ付けパッド２と対向する位置に設けられた刷り込み孔８３を形成し、この刷り込み孔８３へ亜鉛系鉛フリーはんだ３３が刷り込まれる。そして、その刷り込み孔８３の径より若干小さな径のピン８４によって亜鉛系の鉛フリーはんだが押し出されて錫・銀系のクリームはんだ５３上へ転写される。
【００７３】
なお、ピン８４によって亜鉛系の鉛フリーはんだ３３が押さえつけられると横へ膨らむ。この膨らみによって、隣接した部品等とはんだショートしないように、前記刷り込み孔８３の径は、はんだ付けパッド２の径に比べて約０．２ｍｍ小さくしてある。
【００７４】
次に第３の工程４３は、図１１に示されるように、第２の工程４２で亜鉛系の鉛フリーはんだ３３が転写されたはんだ付けパッド２の孔３に電解コンデンサ４（耐熱の低い電子部品の一例として用いた）のリード部５を挿入する工程である。
【００７５】
そして第４の工程４４は、亜鉛系の鉛フリーはんだ３３を溶解させて電解コンデンサ４のリード部５のはんだ付けを行う工程である。なお、本実施の形態においては一般のリフロー炉を用い、図１２に示される温度９４まで加熱し、亜鉛系の鉛フリーはんだ３３のはんだ付けを行う。予備加熱工程の予備加熱温度９２は１５０℃であり、本加熱工程９３のピーク温度９４は２１５℃としている。そして、９５の冷却工程によって略常温まで冷却され、はんだ付けが完了する。
【００７６】
次に、以上のようなはんだ付け方法の各工程で形成される合金層の形成過程について説明する。まず、第１の工程では１２０μｍのスクリーンを用いて錫・銀系のクリームはんだ５３が供給され、溶融される。この場合にははんだ付けパッド２の銅と錫・銀系のクリームはんだ５３とが結合し、Ｃｕ₃ＳｎとＣｕ₆Ｓｎ₅との銅・錫合金層３１が形成されることが知られている。そしてこの銅・錫合金層３１の上に、錫・銀系のクリームはんだ５３による錫が主体の層３２が形成され、第１の合金層３０が形成されることとなる。なお、それぞれの層の厚みは、錫・銅合金層３１が３μｍであり、錫が主体の層３２の厚みが５０μｍである。
【００７７】
次に、第２の工程４２によってこの状態の合金層上に、亜鉛系鉛フリーはんだ３３を供給し、第３の工程で電解コンデンサを挿入し、第４の工程４４によって加熱溶融する。これによって、図１に示されるように錫・亜鉛のはんだ層３３と、銀が主体の層３２と、錫・銅合金層とが出来上がる。
【００７８】
以上の構成によって、錫・銅合金層３１と錫が主体の層３２から形成される第１の合金層３０が、銅と亜鉛との結合を阻止し、高温環境下においてＣｕ₆Ｓｎ₅合金の発生する原因となる銅と亜鉛との合金の生成を抑制するので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。なお、ボイドの発生も抑制することができるので、熱衝撃などによるはんだクラックも発生しにくくなる。
【００７９】
また、本発明においては強度が弱い銅と亜鉛の合金自体の生成も抑制することができるので、さらにはんだ付けの接合強度の低下が発生しにくくなる。
【００８０】
さらに、前記Ｃｕ₃ＳｎはＣｕ₅Ｚｎ₈に比べて非常に安定した合金であり、高温環境下において成長したり、破壊しない。また、Ｃｕ₆Ｓｎ₅のように結合によりボイドを生じることもなく、接合強度はＣｕ₆Ｓｎ₅に比べて大きくなるので、熱衝撃などによるはんだクラックも発生しにくくなる。
【００８１】
さらにまた、本実施の形態においては、鈴・銀系のクリームはんだ５３は、厚さが１２０μｍのメタルスクリーン５２によって印刷されるので、第１の合金層３０の厚さは約５０μｍとなる。一方Ｃｕ₃Ｓｎの層３１の厚みは３μｍであり、これ以上の層には、ほとんど銅分子が拡散されておらず、略錫・銀系のクリームはんだ５３の組成比率と変化はしない。つまり、メタルスクリーン５２によって容易に、厚い第１の合金層３０を得ることが可能となるので、その第１の合金層３０の表面側には銅をほとんど含まない組成とすることができるものである。
【００８２】
一方、この第１の合金層３０上に亜鉛系鉛フリーはんだ３３が供給されるが、第１の合金層３０の厚さは約５０μｍと厚いので、亜鉛系鉛フリーはんだ３３中の亜鉛粒子は錫が主体の層３２の途中までしか拡散しない。従って、銅と亜鉛との結合が抑制されることとなるので、さらに確実に銅と亜鉛との合金の生成が抑制される。従って、はんだ付けの接合強度の低下が発生しにくい亜鉛系鉛フリーはんだに対するはんだ付け接続を実現することができる。
【００８３】
なお、本実施の形態におけるはんだ付け方法によれば、はんだ付けパッド２上に第１の合金層３０を形成すると同時に、チップ部品６１をはんだ付け接続することができるので、第１の合金層３０を形成するためにメッキ工程等、別途工程を設ける必要がないので、鉛フリーはんだ付けに対して、安価にはんだ付け接続を行うことができる。
【００８４】
さらに、亜鉛系の鉛フリーはんだ３３を含め一般的に鉛フリーはんだのはんだ付け性は悪い。しかしながら、本実施の形態においてはんだ付けパッド２は、予め錫・銀系のクリームはんだ５３によってその表面が覆われることとなるので、はんだ付け性は良くなる。
【００８５】
なお、本実施の形態において、第１の合金層３０は錫・銀系の鉛フリーはんだによって形成したが、これは錫・銀・インジウム系の鉛フリーはんだによって形成しても良い。その場合、たとえばインジウムの含有率を８重量％程度とすれば、その融点は２０６℃と亜鉛系鉛フリーはんだ３３の融点と近いため、亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け時に第１の合金層３０も溶融するので、はんだ付けは非常に良好である。
【００８６】
また、特にインジウムを含んだはんだを用いると、錫とインジウムと銀の合金層が確りと亜鉛の進入を阻止し、亜鉛と銅との合金が発生せず、その合金による信頼性低下などが生じにくくなることが確認されている。
【００８７】
本実施の形態においては、プリント基板１のはんだ付けパッド２に関してのみ記載したが、これは電解コンデンサ４のリード５側に対しても同様に第１の合金層を形成しておくと良い。ただし、リード５の表面積ははんだ付けパッド２に比べて非常に小さいので、第１の合金層３０の厚みは、薄くても良く、メッキ等で形成しても良い。
【００８８】
（実施の形態２）
以下実施の形態２について図面を用いて説明する。図１４は、本実施の形態２におけるはんだ付け方法における加熱工程の正面図を示す。なお、本実施の形態２において従来例や実施の形態１と同じものについては同じ番号を付しその説明は簡略化している。また本実施の形態２における第４の工程４４以外は実施の形態１と同じであり、ここでは特に第４の工程４４について詳細に説明している。
【００８９】
図１４において、１は、第１の工程４１で予め錫・銀系の鉛フリーはんだによって面実装部品（図示せず）が両面にはんだ付けされるとともに、はんだ付けパッド２上には第１の合金層３０が予め形成されたプリント基板である。
【００９０】
そして、第２の工程４２ではんだ付けパッド２に転写等により亜鉛系の鉛フリーのクリームはんだ１２２が供給され、第３の工程４３で電解コンデンサやＩＦトランスなどの品質保証の限界温度が低い非耐熱部品１２３が孔３へ挿入される。そして、このプリント基板１を金属製のシールドケース１２４内に収納させている。
【００９１】
なお、この非耐熱部品１２３には、比較的大きな形状であり、大きな熱容量を有した本体部１２３ａと、この本体部１２３ａに接続されたリード部１２３ｂとから構成されている。このはんだ付け部はその直径が０．３ｍｍ程度の銅線等であり、その径は本体部１２３ａの径に比べて充分に細くなっている。これはリード部１２３ｂ自体は熱が伝わり易く、はんだ付けし易いように熱伝導の良い銅線を用いている。
【００９２】
１２５は、プリント基板１を搬送する搬送手段であり、その搬送面１２６が垂直になるように立設され、水平方向に移動する構造となっている。また、搬送手段１２５はスチールコンベアであり、一定の間隔で磁石１２７が取り付けられている。この磁石１２７によってシールドケース１２４は、クリームはんだ塗布面側を下として、搬送手段１２５に仮設されることとなる。
【００９３】
これにより、プリント基板１の上下方向は、ともに開放されているので、本実施の形態２におけるはんだ付け装置において熱風や冷風などを遮るものが存在しないこととなる。従って、プリント基板１や非耐熱部品１２３に対して、熱風や冷風を効率良くはんだに与えることができるので、熱源の電力を小さくし、はんだ付け装置の消費電力を小さくすることができる。
【００９４】
１２８は、搬送手段１２５によってプリント基板１が最初に搬送される予熱手段である。この予熱手段１２８の搬送手段１２５の下方には、クリームはんだ１２２を予熱する加熱部１２９ａを有しており、クリームはんだ１２２の温度を約１２０度から約１５０度にまで予熱する。この予熱温度は、加熱手段での電力を小さくするためにはできる限り高くすることが望ましいが、部品の品質保証の限界温度を超えないように設定することが必要である。
【００９５】
そこで、予熱手段１２８には、搬送手段１２５の上方に設置された冷却部１３０が設けられている。この冷却部１３０では、非耐熱部品１２３側にのみ冷風を当てるものであり、その温度が上昇しないようにしている。
【００９６】
１３１は、予熱手段１２８から搬出されるプリント基板１が、搬入されるように連結された第２の冷却手段である。この第２の冷却手段１３１においても、搬送手段１２５の上方には冷却部１３０が設けられている。この冷却部１３０は予熱手段１２８に使用しているものと同じであり、非耐熱部品１２３の温度が上昇しないようにしている。
【００９７】
１３２は、第２の冷却手段１３１から搬出されるプリント基板１が搬入されるように連結された加熱手段である。この加熱手段１３２では、クリームはんだ１２２を溶融させ、はんだ付けするものであり、搬送手段１２５の下方には加熱部１２９ｂを有している。
【００９８】
ここで、一般的にクリームはんだは、その温度を液相線温度より約３０度高い温度にまで加熱しはんだ付けされる。従って、亜鉛系鉛フリーのクリームはんだ１２２の液相線温度は１９７℃であるので、加熱手段１３２において通常であればクリームはんだ１２２は約２３０度にまで加熱されなければならないこととなる。しかしながら、一般的な電解コンデンサやＩＦトランスにおける品質保証の限界温度は約１６０度である。そこで本実施の形態２において、加熱手段１３２によるクリームはんだ１２２の温度を出来る限り低く設定し、２１０℃程度に抑えなければならない。
【００９９】
一方、本発明のようにクリームはんだ１２２とパッド２との間に、予めクリームはんだ１２２よりも融点が高いクリームはんだによる第１の合金層３０が形成されている場合、この加熱手段１３２でのクリームはんだ１２２の融点より温度をさらに高い温度にしておくことが望ましい。つまりこれは、第１の合金層３０を出来る限り高い温度としてやった方が、第１の合金層３０とクリームはんだ１２２との間での拡散が起こりやすくなるためである。
【０１００】
そこで、加熱手段１３２では２２０℃まで加熱する代わりに、本体部１２３ａの温度がこの加熱手段１３２による加熱によって、限界温度以上とならないように、予備加熱手段１２８と加熱手段１３２との間に冷却手段１３１を設け、その冷却手段の冷却部１３０で本体部１２３ａ側を一旦冷却する構成としている。
【０１０１】
さらに、加熱手段１３２にも、プリント基板１の上方に予熱手段１２８と同じ冷却部１３０を有しており、この加熱手段１３２中においても、非耐熱部品１２３を冷却している。
【０１０２】
次に、加熱手段１３２から搬出されるプリント基板１が搬入されるように連結された第１の冷却手段１３３によって、溶融したクリームはんだは略外気温まで冷却され、出口１３４から搬出される。
【０１０３】
図１５は本実施の形態２における加熱部と冷却部の断面図である。まずは、搬送手段１２５の上方に設けられた冷却部１３０について図１５を用いて説明する。
【０１０４】
１４０はエアー供給装置であり、１４１はこのエアー供給装置１４０に接続して設けられたエアー導管であり、エアーはこのエアー導管１４１内を通って空気室１４２へ導かれる。この空気室１４２には非耐熱部品１２３の装着位置に対応して、複数個のパイプ１４３が植設されている。このパイプ１４３の径は、耐熱温度の低い部品に対しては径を大きくしている。これにより、非耐熱部品１２３の温度上昇を効率的に抑えることができるので、さらに熱に対する限界温度の低い部品についてもリフローはんだ付けすることができる。
【０１０５】
なお、本実施の形態２においては、パイプ１４３の径を大きくしたが、パイプ１４３の本数を多くしても同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
さらに空気室１４２とパイプ１４３との間には、エアーを遮蔽する遮蔽板１４４が設けられている。この遮蔽板１４４には、非耐熱部品１２３が配置された箇所に当たる位置にのみエアーが通過するように孔１４５が設けられている。これにより非耐熱部品１２３に対してのみ効率的に冷却することができる。また、この遮蔽板１４４を変更するだけで容易に非耐熱部品１２３の位置が異なるプリント基板に対しての対応が可能である。
【０１０７】
なお、全てのパイプ１４３を等間隔に植設し、遮蔽板１４４の孔１４５のみで冷却部分を制御することも可能である。このようにすることにより、どんなプリント基板にも遮蔽板１４４の交換のみで対応することができる。
【０１０８】
次に加熱部１２９ａ、１２９ｂについて説明する。１４６は、エアー供給機であり、１４７はこのエアー供給機１４６に接続されるとともに、その外部に発熱体１４７ａを有したエアー導管である。このエアー導管１４７を通過することでエアーは所定の温度に加熱される。この加熱されたエアーは、空気室１４８へ導かれ、遮蔽板１５０上に設けられた孔１５１からパイプ１４９を通りクリームはんだ１２２を加熱するものである。
【０１０９】
なお、このパイプ１４９の径は、フレーム等の熱容量の大きな部品については大きくし、大きな熱量を供給できるようにしてある。また、耐熱温度の高い部品に対してもパイプの径は大きくしている。
【０１１０】
また、本実施の形態２においては、パイプ１４９の径を大きくしたが、パイプ１４９の本数を多くしても同様の効果を得ることができる。
【０１１１】
遮蔽板１５０は、空気室１４８内に設けられており、必要な箇所にのみ加熱されたエアー（温風）を供給するものである。従って、この遮蔽板１５０には、非耐熱部品１２３が装着された箇所に当たる位置にのみエアーが通過するように孔１５１が設けてある。これによりクリームはんだ１２２に対してのみ効率的に加熱することができる。また、この遮蔽板１５０を変更するだけで容易に非耐熱部品１２３の位置の異なる基板に対しての対応が可能である。
【０１１２】
なお、全てのパイプ１４９を等間隔に植設し、遮蔽板１５０の孔１５１のみで加熱部分を制御することも可能である。このようにすることにより、どんなプリント基板にも遮蔽板１５０の交換のみで対応することができる。
【０１１３】
さらに、プリント基板１には温度測定用の銅箔１５２が設けられており、この銅箔１５２上にもクリームはんだ１５３が塗布される。１５４は、このクリームはんだ１５３の温度を測定する非接触の温度測定器であり、この測定器１５４に接続された計算部１５５で非耐熱部品１２３の本体部１２３ａの温度を計算し、算出する。これによりクリームはんだ１５３の温度を実際に測定することができるので、容易に本体部１２３ａの温度を管理することができ、非耐熱部品１２３が限界温度を超えてしまうことはない。
【０１１４】
なお、予熱手段１２８における加熱部１２９ａと、加熱手段１３２中における加熱部１２９ｂとは発熱体１４７ａの容量を除いて同じものであり、発熱体１４７ａの容量変更により温度を変えるだけで対応することができる。
【０１１５】
次に図１６は、本実施の形態２における非耐熱部品１２３の本体部１２３ａとクリームはんだ１２２との温度プロファイルを示す図であり、本実施の形態２におけるはんだ付けについて図１６を用いて説明する。
【０１１６】
予熱手段１２８では時間１６０の間予熱し、クリームはんだ１２２を温度１６１まで加熱する。このとき本体部１２３ａの温度は限界温度１６２以下の温度になるようにしておく。すなわち１２０度から１５０度程度の温度としておく。これによって、クリームはんだ１２２中のフラックス成分（樹脂、活性剤、チキソ剤、溶剤）が活性化し、またその溶剤が揮発する。つまり、クリームはんだ１２２中のフラックスは予熱により活性化し、プリント基板１の銅箔やリード部１２３ｂなどを覆っている酸化膜等の皮膜を除去するので、良好なはんだ付けができる。また、予熱によって溶剤を揮発させるのは、後の加熱手段１３２における急激な加熱で溶剤中に溶けていた気体が爆発することを防ぎ、はんだボールの飛散や、はんだ付けフィレット内のボイド（ピンホール、ブローホール）を防ぐものである。
【０１１７】
次に第２の冷却手段１３１では時間１６３の間冷却され、本体部１２３ａの温度は略外気温にまで落としている。なお、予熱手段１２８、第２の冷却手段１３１共に、非耐熱部品１２３側のみに冷却部１３０を有しているので、クリームはんだ１２２の温度はあまり下げないで、本体部１２３ａの温度は短時間の間に大きく下げることができる。このことは次の加熱手段１３２による加熱が開始される時点での本体部１２３ａとクリームはんだ１２２との温度差１６６を大きくしておけるものである。
【０１１８】
また、加熱手段で時間１６５の間加熱すると、クリームはんだ１２２は、液相線温度１６８を超えて溶融するが、非耐熱部品１２３の本体部１２３ａは、加熱手段１３２中においても冷却部１３０にて冷却されているので、温度を低く保つことができる。さらに、本体部１２３ａは大きな熱容量を有し、リード部１２３ｂが本体部１２３ａの径に比べて充分に小さい径となっているので、加熱手段１３２で加熱したリード部１２３ｂへの熱は、本体部１２３ａへ伝導しにくいこととなる。
【０１１９】
従って、加熱手段１３２中において、本体部１２３ａの温度が上昇する速度は、クリームはんだ１２２あるいはリード部１２３ｂに比べて遅くなる。つまりクリームはんだ１２２の温度が下降してもしばらくは本体部１２３ａの温度は上昇を続ける。また、加熱手段１３２での加熱開始時点において、本体部１２３ａとクリームはんだ１２２との温度差が大きくなる分、クリームはんだ１２２を規定のピーク温度１６７になるまで加熱したとしても、本体部１２３ａのピーク温度は限界温度１６２より低くすることができる。
【０１２０】
また、加熱手段１３２での加熱時間１６５経過後に、第１の冷却手段１３３による冷却が開始されることとなる。このときの本体部１２３ａの温度は限界温度１６２以下の温度にて冷却を開始している。さらに、冷却開始時点においてはクリームはんだ１２２が固相線以下の温度となってから搬送手段１２５でプリント基板１を搬送することにしている。
【０１２１】
これにより、本体部１２３ａの温度が限界温度１６２を超える前に冷却を開始するので、本体部１２３ａが破壊温度や特性の保証限界温度１６２を超えてしまうことはない。また、完全にクリームはんだ１２２が固体化してから移動するので、移動等に伴う振動等による、界面剥離等が発生することはない。
【０１２２】
以上の構成により、錫・銀系や、錫・銀・銅系等の高融点鉛フリーはんだによる合金層の上に、低融点の鉛フリーはんだを塗布しはんだ付けする場合においても、非耐熱部品１２３の本体部１２３ａの温度を限界温度１６２以下に保つことができるので、高融点鉛フリーはんだで非耐熱部品１２３のリフローはんだ付けすることも可能となる。従って、非耐熱部品１２３の限界温度１６２を超えることはなく、鉛フリーはんだ等によって非耐熱部品１２３のはんだ付けをすることができるので、環境保護に対して有効なはんだ付け装置を提供することができる。
【０１２３】
以上のように、本発明のはんだ付け装置を用いてリフローはんだ付けを行えば、たとえＩＦトランス等の非耐熱部品であっても鉛フリーはんだではんだ付け品質の良い装着が可能になる。
【０１２４】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について説明する。図１７、図１８は本発明の実施の形態３におけるはんだ付け装置の正面図と要部断面図である。
【０１２５】
図１７、図１８において、プリント基板１や、そのプリント基板１上に搭載される非耐熱部品１２３や、錫・銀系の鉛フリーはんだによってパッド上に形成された第１の合金層３０などは本発明の実施の形態２と同一のものであり、同じ符号を付してその説明は簡略化している。
【０１２６】
２００は、非耐熱部品１２３が搭載されたプリント基板１を搬送する搬送手段であり、２本のチェーンにより構成されており、リフロー炉２０１の中央部付近を貫いて設けられている。
【０１２７】
２０２は、この搬送手段２００上に架設されるパレットである。このパレット２０２上には、金属製のシールドケース１２４内に収められるとともに、非耐熱部品１２３が搭載されたプリント基板１が設置されている。また、このパレット２０２には非耐熱部品１２３のリード部１２３ｂの位置には孔２０３が設けられており、これによりリフロー炉２０１内でこのリード部１２３ｂに対して局部的に加熱することが可能となる。
【０１２８】
このリフロー炉２０１は、予熱手段２０４、第２の冷却手段２０５、加熱手段２０６と第１の冷却手段２０７がこの順に設けられている。
【０１２９】
まず、予熱手段２０４では、搬送手段２００の下方に加熱部２０８が設けられ、この加熱部２０８は、遠赤外線ヒータや熱風ブロワーを複数個併設して構成され、予備加熱するものである。なお、本実施の形態３における予熱手段２０４中には、搬送手段２００の上方に冷却部２０９を設けてある。これにより本体部１２３ａの温度を上げないようにしている。
【０１３０】
しかし、リフロー炉２０１が一般的に市販されているものである場合には、予熱手段２０４の搬送手段２００の上方にも遠赤外線のランプが複数個併設されている。そこで、このランプには電源を供給せず発熱させないようにしておくことで、本体部１２３ａの温度を上げないようにすることもできる。
【０１３１】
次に、第２の冷却手段２０５では、搬送手段２００の上方に冷却部２１０を有し、この冷却部２１０で本体部１２３ａの温度を略外気温になるまで下げている。
【０１３２】
なお、リフロー炉２０１が一般的に市販されているものである場合にはこのときは、搬送手段２００の上方、下方ともに遠赤外線のランプを有した構造となっている。その場合には少なくともその上方のランプの電源を切っておくことで、本体部１２３ａの温度を下げることができる。
【０１３３】
次に、加熱手段２０６においては、搬送手段２００の下方には加熱部２１１を有しており、この加熱部２１１には、遠赤外線ランプが複数個併設して構成され、クリームはんだ１２２を加熱し、はんだ付けするものである。なお、本実施の形態３における加熱手段２０６中にも、搬送手段２００の上方に冷却部２０９を設けている。これにより本体部１２３ａの温度を上げないようにしている。
【０１３４】
しかし、リフロー炉２０１が一般的に市販されているものである場合には、加熱手段２０６の搬送手段２００の上方にも遠赤外線のランプが複数個併設されている。そこで、このランプには電源を供給せず発熱させないようにしておくことで、本体部１２３ａの温度を上げないようにすることができる。
【０１３５】
そして、本体部１２３ａの温度が部品の限界温度に達する前に、第１の冷却手段２０７で冷却するものである。
【０１３６】
以上のような構成により、本発明の実施の形態２同様に、非耐熱部品の限界温度を超えることはなく、鉛フリーはんだを用いて非耐熱部品１２３をリフローはんだではんだ付けすることができる。
【０１３７】
さらにまた、本実施の形態３におけるはんだ付け装置は、一般の市販されているリフロー炉からの変更は容易であるので、大きな変更費用等を発生させずに鉛フリーはんだ等のはんだ付けを行うことができる。
【０１３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プリント基板と、このプリント基板の一方面に銅箔によって形成された第１と第２のはんだ付けパッドと、この第１のはんだ付けパッド上に接着される非耐熱部品と、この非耐熱部品と前記第１のはんだ付けパッドとをはんだによって接続するはんだ付け方法において、前記第１と第２のはんだ付けパッドとにクリーム状の鉛フリーはんだをスクリーンによって印刷する印刷工程と、この印刷工程の後でチップ部品を前記第２のはんだ付けパッドへ装着する部品装着工程と、この装着工程の後で前記鉛フリーはんだを加熱して、前記第１のはんだ付けパッド上に錫・銅合金層を含む第１の合金層を形成させる第１のリフロー工程と、この第１のリフロー工程の後で前記第１の合金層の上に前記鉛フリーはんだの融点より低い融点であり、クリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだを供給するクリームはんだ塗布工程と、このクリームはんだ塗布工程の後で前記非耐熱部品のリード部を前記第１のパッドの略中央に形成された孔に挿入する部品搭載工程と、この部品搭載工程の後に加熱する第２のリフロー工程とを設け、前記第２のリフロー工程は、プリント基板に塗布されたクリームはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱工程と、この予熱の後にクリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだを溶融する加熱工程と、この加熱工程の後に前記加熱工程で溶融した錫・亜鉛系はんだを冷却する第１の冷却工程とを有し、前記予熱工程と前記加熱工程との間には第２の冷却工程を有したものである。
【０１３９】
この構成によって、第１の合金層が、直接銅と亜鉛が結合することを阻止し、高温環境下においてＣｕ₆Ｓｎ₅合金の発生する原因となる銅と亜鉛との合金の生成を抑制するので、はんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【０１４０】
なお、ボイドの発生も抑制することができるので、熱衝撃などによるはんだクラックも発生しにくくなる。
【０１４１】
さらに、銅と亜鉛との合金もその強度は弱い。本発明においては銅と亜鉛との合金自体の生成も抑制することができるので、さらにはんだ付けの接合強度の低下を発生しない亜鉛系鉛フリーはんだのはんだ付け接続を実現することができる。
【０１４２】
さらにまた、非耐熱部品の装着されたプリント基板は、加熱手段に入る前にこの第２の冷却手段で非耐熱部品の温度を一度下げてあるので、加熱手段での部品の温度を低くすることができる。従って、融点の高い鉛フリーはんだでリフローはんだ付けしても、その熱により非耐熱部品が壊れることなく、はんだ付けを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態におけるはんだ付け接続の断面模式図
【図２】 同、要部の断面模式図
【図３】 同、フローチャート
【図４】 同、印刷工程の説明図
【図５】 スクリーンの開口部の詳細図
【図６】 部品装着工程の説明図
【図７】 溶融工程の加熱状態における説明図
【図８】 本実施の形態における溶融工程の温度プロファイル図
【図９】 本実施の形態の第１の工程終了状態の断面図
【図１０】 同、第２の工程の説明図
【図１１】 同、第３の工程の説明図
【図１２】 本実施の形態における第４の工程の温度プロファイル図
【図１３】 第１の工程によって形成される層の要部の断面模式図
【図１４】 本実施の形態２におけるはんだ付け装置の正面図
【図１５】 同要部詳細図
【図１６】 同、温度プロファイル図
【図１７】 本実施の形態３におけるはんだ付け装置の正面図
【図１８】 同、要部断面図
【図１９】 従来のはんだ付け接続の説明図
【図２０】 同、フローチャート
【図２１】 同、要部の断面模式図
【図２２】 同、高温環境での金属間化合物の成長を示す要部の断面模式図
【図２３】 同、高温環境下での金属間化合物の成長を示す要部の断面模式図
【符号の説明】
１ プリント基板
２ はんだ付けパッド
３０ 第１の合金層
３３ 亜鉛系鉛フリーはんだ

Claims (23)

1. プリント基板と、このプリント基板の一方面に銅箔によって形成された第１と第２のはんだ付けパッドと、この第１のはんだ付けパッド上に接着される非耐熱部品と、この非耐熱部品と前記第１のはんだ付けパッドとをはんだによって接続するはんだ付け方法において、前記第１と第２のはんだ付けパッドとにクリーム状の鉛フリーはんだをスクリーンによって印刷する印刷工程と、この印刷工程の後でチップ部品を前記第２のはんだ付けパッドへ装着する部品装着工程と、この装着工程の後で前記鉛フリーはんだを加熱して、前記第１のはんだ付けパッド上に錫・銅合金層を含む第１の合金層を形成させる第１のリフロー工程と、この第１のリフロー工程の後で前記第１の合金層の上に前記鉛フリーはんだの融点より低い融点であり、クリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだを供給するクリームはんだ塗布工程と、このクリームはんだ塗布工程の後で前記非耐熱部品のリード部を前記第１のパッドの略中央に形成された孔に挿入する部品搭載工程と、この部品搭載工程の後に加熱する第２のリフロー工程とを設け、前記第２のリフロー工程は、プリント基板に塗布されたクリームはんだを予め定められた温度まで予熱する予熱工程と、この予熱の後にクリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだを溶融する加熱工程と、この加熱工程の後に前記加熱工程で溶融した錫・亜鉛系はんだを冷却する第１の冷却工程とを有し、前記予熱工程と前記加熱工程との間には第２の冷却工程を有した非耐熱部品のはんだ付け方法。
2. スクリーンは、鉛フリーはんだを溶融したときの銅・錫合金と錫からなる層の厚さが銅箔の銅分子が拡散する距離よりも大きくなるような厚みで印刷できる厚みとした請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
3. スクリーンには、はんだ付けパッドと対向して形成された開口部と、前記はんだ付けパッドの略中央に設けられた孔に対向して形成されるとともに前記孔を覆うように形成された遮蔽部とを有する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
4. 開口部に架設されるとともに遮蔽部に連結される連結部の幅は、クリーム状の鉛フリーはんだを加熱したときには、前記クリーム状の鉛フリーはんだが連結部に対向するクリームはんだ不塗布部を覆うことができる程度に細くした請求項３に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
5. 開口部に架設されるとともに遮蔽部に連結される連結部の幅は、クリーム状の鉛フリーはんだを加熱したときに、連結部に対向するクリームはんだ不塗布部での前記クリームはんだの厚みが銅箔の銅分子が拡張する距離よりも大きくなる程度に大きくした請求項３に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
6. 第２の冷却工程では、加熱工程内での非耐熱部品のピーク温度が、予め定められた温度以下となるように冷却する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
7. 加熱工程にてクリームはんだがピーク温度に達した後であって、非耐熱部品が予め定められた温度以上となる前に、第１の冷却工程では、前記非耐熱部品の冷却を開始する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
8. 加熱工程から第１の冷却工程への搬送は、錫・亜鉛系はんだの温度が固相線温度より下回った温度で行う請求項７に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
9. クリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだは、フラックス成分とはんだ粉にて形成され、予熱手段において、このクリーム状の錫・亜鉛系鉛フリーはんだの温度は前記フラックス成分が活性化するとともに、溶剤が揮発する温度以上とし、このときの非耐熱部品の温度は、予め定められた温度以下とした請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
10. 予熱工程は、クリームはんだ面と対向する面側から予熱する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
11. 予熱工程では、非耐熱部品が搭載された面側から冷却する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
12. 加熱工程では、非耐熱部品が植設された面側から冷却する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
13. 加熱工程では、クリームはんだ塗布面に対向する面側から加熱する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
14. 加熱工程を構成する加熱部には、プリント基板のクリームはんだ塗布面に対向した複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出す熱風により加熱する請求項１３に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
15. パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、熱風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板にはプリント基板のはんだ付け箇所に対応する位置に孔が設けられた請求項１４に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
16. パイプは、熱容量の大きな非耐熱部品のクリームはんだに対向した箇所を大きな径とした請求項１４に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
17. パイプは、熱容量の大きい非耐熱部品のクリームはんだに対向した箇所に多数本設けられた請求項１４に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
18. 第２の冷却工程では、プリント基板の非耐熱部品が搭載された面側から冷却する冷却部を有する請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
19. 第２の冷却工程には、複数個のパイプが設けられ、このパイプから噴出す冷風により非耐熱部品を選択的に冷却する請求項１８に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
20. パイプの根元に設けられた空気室と、この空気室内に設けられるとともに、冷風を遮蔽する遮蔽板とを有し、この遮蔽板には非耐熱部品が搭載されている位置に対応した孔が設けられた請求項１９に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
21. パイプは、熱容量の大きな非耐熱部品に対向した箇所では径を大きくした請求項１９に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
22. パイプは、熱容量の大きい非耐熱部品に対向した箇所には多数本設けられた請求項１９に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。
23. 非耐熱部品は、熱容量の大きい本体部と、この本体部の径に比べて充分に小さい径であるとともに、前記本体部に接続して設けられたリード部からなる請求項１に記載の非耐熱部品のはんだ付け方法。

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