JP3940647B2 - 鉛フリーハンダを用いたハンダ付け方法、および実装基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、鉛フリーハンダを用いた配線基板への電子部品のハンダ付け方法および実装基板の製造方法に関し、特に鉛フリーハンダを用いて表面実装部品と挿入実装部品とを混載する配線基板へのハンダ付け方法および実装基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の配線基板への電子部品の実装は、紙フェノール樹脂、ガラス繊維強化エポキシ樹脂や、ポリイミド樹脂などからなる基板の所用箇所に銅などの導電材料からなる回路パターンを形成し、半導体素子などの能動素子やコンデンサ、抵抗などの受動素子を当該パターンの所用箇所に配置し、ハンダ付けなどの手段によって電気的、機械的に接続固定している。これらの電子部品を、配線基板に搭載する手段として、表面実装と、挿入実装が行われている。
【０００３】
表面実装は、配線基板表面に、回路パターンと電子部品接続端子部、いわゆるランド部を形成し、電子部品をランド部上に載置して電子部品の端子部とランド部とを配線基板表面でハンダ付けによって接続するものである。このような表面実装を行う電子部品としては、矩形の封止材から四方に端子部を導出しているＱＦＰと呼ばれているクワッドフラットパッケージ部品、ＢＧＡと呼ばれているパッケージ下部表面にハンダボールからなる端子部を配置した部品、ＳＯＰと呼ばれているパッケージ部側面２方向から端子を導出した部品、あるいはチップコンデンサなどの電子部品がある。
前記表面実装を行うには、具体的には、回路配線パターンを形成した配線基板のランド部にハンダペーストを塗布し、電子部品を所用位置に搭載し、電子部品の端子部とランド部とを接触させた状態で、赤外線ヒータ加熱方式や、熱風加熱方式、さらに前記２つの方式の併用方式などのリフロー炉で基板全体を加熱し、ハンダペーストを溶融、固化して電気的・機械的に接続固定するものである。このリフロー炉の１例を図８に示す。図８において、６２は、リフロー炉本体であり、この本体内に延在して配設されているレール６３上に沿って配線基板６１が搬送され、赤外線ヒータのような加熱装置６４によって、ハンダペーストが供給された部分がハンダペーストの溶融温度以上に加熱されて、ハンダペーストが溶融され、次いで固化されてハンダ付けが行われる。
【０００４】
また、挿入実装とは、配線基板にこの配線基板を貫通する孔であるスルーホールを形成し、スルーホール内面に導電性材料層を形成し、電子部品のリード線をそのスルーホールに挿入してハンダ付けし、実装するものである。このような挿入実装を行う電子部品としては、抵抗、コンデンサ、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）、などの電子部品がある。
この挿入実装を行うには、回路配線パターンおよび電子素子接続部に内面に導電層を有するスルーホールを形成した配線基板に電子部品を配置し、電子部品のリードをスルーホールに挿入し、ハンダ材料が溶解しているハンダ浴を備えたフロー炉に搬入し、配線基板の裏面を接触させて、溶融しているハンダ材料を表面張力によって電子部品のリード線が挿入されているスルーホールに充填し電気的・機械的に接続固定を行うものである。このフロー炉の１例を図９に示す。図９において、７２は、フロー炉本体であり、このフロー炉内にレール７３が延在して配置され、配線基板７１はこのレール７３上に沿って搬送される。フロー炉内入り口付近には、赤外線ヒータのような加熱装置７４が配置され、配線基板７１が所定温度まで予熱される。この予熱領域の後工程領域に、溶融ハンダ７６を収容したハンダ浴７５が配置されている。このハンダ浴７５内には溶融ハンダ７６が収容されるとともに、溶融ハンダ７６を上方に向かって噴射するためのノズル７７が１個または複数個配置されている。そして、この噴射位置において、レール７３上を搬送されてくる配線基板７１の下面が溶融ハンダ７６に接触しハンダ付けが行われるようになっている。
【０００５】
最近の複雑かつ高密度実装される電子機器においては、これらの表面実装する素子と、挿入実装する素子が混在するいわゆる混載実装方法が広く採用されている。このような混載実装においては、図１０のようなプロセスが広く採用されている。すなわち、工程ａにおいて、配線基板材料に銅などの導電材料からなる配線パターン、表面実装部品のためのランド部、およびスルーホール部を形成して配線基板を製作する。次いで、工程ｂで、ランド部にハンダ材料微粉末とフラックスを配合したハンダペーストをスクリーン印刷法により塗布する。次いで、工程ｃにおいて、表面実装部品を所定の位置に配置する。次いで、工程ｄで、表面実装部品を配置した配線基板を、図８に示すリフロー炉に搬入し、ハンダペーストを溶融させ、表面実装部品を配線基板に接続固定する。次いで、工程ｅにおいて、挿入実装部品のリード線をスルーホール部に挿入して配線基板上に配置する。次いで、これを、図９に示すフロー炉に搬入し、配線基板の裏面に溶融ハンダを接触させ、スルーホール部において、配線基板のスルーホールと挿入実装部品のリード線を接続固定し、電子部品の実装を完了する。
【０００６】
ところで、従来、このような実装において配線パターンと電子部品の接合を行うためのハンダ材料としては、スズ−鉛共晶ハンダが、電極材料へのぬれ性、接合信頼性、ハンダ付け温度などの点で優れているため広く用いられてきている。しかしながら、電気機器で広く使用されてきているこの鉛含有ハンダ材料が廃棄されると、人体に有害な鉛が環境に溶出し、重金属汚染を引き起こすおそれが大きいことから、近年鉛を含有しないいわゆる鉛フリーハンダ材料の採用が急速に進められている。
【０００７】
現在広く知られている鉛フリーハンダ材料としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎなどの材料が知られている。これらの鉛フリーハンダ材料は、スズ−鉛系ハンダ材料の融点（１８３℃）より若干融点が高くなっている。
一方、電子部品の端子部材料としては、ＣｕやＦｅ、あるいは４２アロイと呼ばれているＦｅ−Ｎｉ合金などが用いられており、これらの端子部材料表面は、ハンダ付け時のぬれ性を改善するために、メッキが施されている。このメッキ材料として、広く用いられているのが、Ｓｎ−Ｐｂメッキである。
【０００８】
ところで、現在一般に用いられている鉛フリーハンダ材料と、リード表面のメッキ材料との組み合わせによっては、混載実装を行うと、表面実装の接続部において、接触不良が頻発することが明らかとなった。すなわち、リード線として鉄系材料を用い、その表面にＳｎ−Ｐｂメッキを施した部品をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ材料を用いて表面実装により部品を搭載した後、挿入実装によって他の部品を搭載接続するために、フロー炉に導入してハンダ付けを行う際に、すでに接続している表面実装部品のハンダ接続部、すなわちハンダ材料であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕとメッキ材料であるＳｎ−Ｐｂが混在している領域において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｐｂのような低融点の組織が形成され、これが、フロー炉の熱によって溶融し接合部が破断するために発生するとみられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、環境問題に配慮した鉛フリーハンダ材料を使用し、表面実装部品と挿入実装部品とを混載して形成される配線基板の実装における上記問題点を解決するためになされたもので、混載配線基板の実装において、フロー炉による加熱によっても回路破断のおそれのない信頼性の高い実装方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた第１の本発明は、回路配線パターンと、表面実装部品を接続するためのランド部と、挿入実装部品を接続するためのスルーホール部とを備えた配線基板に、表面実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電気的に接続した後、挿入実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電気的に接続する電子部品のハンダ付け方法において、
前記挿入実装部品のハンダ付け工程において、前記表面実装部品のハンダ接合部の温度が、１５０℃以下となるように、前記表面実装部品の周囲に配置した冷却ブロックによって配線基板の所用部分を冷却することを特徴とする鉛フリーハンダを用いたハンダ付け方法である。
【００１２】
第３の本発明は、回路配線パターンと、表面実装部品を接続するためのランド部と、挿入実装部品を接続するためのスルーホール部とを備えた配線基板に、表面実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電気的に接続した後、挿入実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電子部品をハンダ付けする実装基板の製造方法において、
前記挿入実装部品のハンダ付け工程において、前記表面実装部品のハンダ接合部の温度が、１５０℃以下となるように、前記表面実装部品の周囲に配置した冷却ブロックによって配線基板の所用部分を冷却することを特徴とする実装基板の製造方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
本実施の形態は、フロー炉における加熱の際に、表面実装部品の表面側周囲に放熱ブロックを配置し、表面実装部品のハンダ接合部の温度上昇を抑止するものである。
混載実装を行った配線基板の一部欠截断面図である図１を用いて本実施の形態の実装方法を詳細に説明する。図１において、１は表面実装部品５と、挿入実装部品９を混載した配線基板であり、この配線基板１には、表面実装部品５を搭載し電気的・機械的に接続固定するためのランド部２、および、挿入実装部品９のリード１０を挿入して電気的・機械的に接続固定する貫通孔であるスルーホール３を備えている。このスルーホール３の内面には、銅などの導電層４が形成されている。
【００１５】
前記ランド部２付近には、ＱＦＰ部品のような電子部品５が配置され、電子部品５のリード６が、ハンダ８によって前記ランド部２に接続されている。前記リード６は、銅あるいは４２アロイと呼ばれているＦｅ−Ｎｉのような鉄合金などの金属で形成されており、その表面は、ハンダ８とのぬれ性を改善するために、鉛を含有するメッキ７が施されている。
また、挿入実装部品９は、部品本体と、部品本体から導出されるリード１０からなっており、このリード１０は、前記スルーホール３に挿入され、ハンダ１１によって、リード１０と、スルーホール３内面に形成されている導電層４と接続されている。
【００１６】
以下、前記図１の混載実装を行う配線基板の実装方法を、製造工程図である図２を用いて説明する。
紙フェノール樹脂、ガラス−エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの基板材料１の表面に、回路配線パターンを形成し、搭載する表面実装部品と接続するためのランド部２、および挿入実装部品６と接続するためのスルーホール３およびその内面の導電層４を形成して配線基板を作製する（工程ａ）。
【００１７】
該ランド部２の表面にスクリーン印刷により、ハンダペースト１２を塗布し、ついで、該ランド部２付近に、その端子部に鉛含有メッキ層を有する表面実装部品５を配置し、該表面実装部品５のリード線６が、該ランド部２とハンダペースト１２を介して接するように配置する（工程ｂ）。
【００１８】
ついで、この配線基板１表面側から、図示しないリフロー装置を用いて、配線基板１の表面を前記ハンダペースト１２の溶融温度以上に加熱して、前記ランド部２と前記リード６とをハンダ付けし電気的・機械的に接続固定する（工程ｃ）。
【００１９】
前記スルーホール３に、挿入実装部品６のリード線１４を挿入し、前記表面実装部品５の上面に、放熱ブロック２０を、放熱ブロック２０の下端部がランド部２の上部であって、表面実装部品５のリード線６に接するように配置する（工程ｄ）。
【００２０】
次いで、この配線基板１を、図示しないフロー装置に載置して、図７に示すような溶融ハンダが収容されているハンダ浴を備えたフロー炉に搬送する。このフロー炉において、ハンダ浴には、溶融されたハンダ材料が、その上部を通過する配線基板方向に噴流として流れ、溶融ハンダは配線基板下面に接触して前記スルーホールに挿入されているリード１０とスルーホール３内面の導電層４との間でハンダ付けが行われる（工程ｅ）。この際に、スルーホール部のハンダ付け時に、表面実装部品のリード線は、溶融ハンダによって加熱されるが、その熱は、放熱ブロックによって散逸させられるため、ランド部２とリード線６との接続部に蓄積されることはない。従って、この接続部の温度は、１５０℃以上に上昇することなく、その結果、ランド部２とリード線６を接続するハンダ８が再溶融して、破断を生ずることがない。
【００２１】
上記の実施の形態においては、放熱ブロックを、表面実装部品のリード線の上部に、配置したが、図３の工程（ｄ）および工程（ｅ）にみられるように、この放熱ブロックをリード線の周囲に、リード線を囲繞するように配置することもできる。このような配置を採用すれば、リード線端子部数が少なく、十分放熱できない場合、あるいは、リード線端子部の長さが短かったり、ＢＧＡのように端子部が表面実装部品の下部に配置され放熱ブロックの搭載に適していない構造の部品にも適用できる。
【００２２】
この発明において、放熱ブロックを載置する表面実装部品としては、ＱＦＰのようなフラットパッケージの形状が適している。このような表面実装部品に接して配置する放熱ブロックの形状としては、図４に示すようにフラットパッケージのリード線に接触するか、あるいは該リード線の周囲を囲繞するように、中空四角柱状体である枠体（図４（ａ））か、あるいは、柱状ブロックの下部の一部を欠截除去し凹部とした形状（図４（ｂ））とすることが好ましい。また、その材質は、熱伝導性に優れ、軽量で、かつハンダ塗れ性に劣る材料が好ましく、最も適切な材料はアルミニウムである。
【００２３】
［第２の実施の形態］
本実施の形態は、フローハンダ付け工程において温度上昇が見込まれる表面実装部品の温度上昇を防止するために、スポット冷却を行うものである。すなわち、表面実装部品を搭載し、リフロー炉で表面実装部品をハンダ付けした後、挿入実装部品を所要箇所に配設し、フロー炉に搬入してスルーホール部をハンダ付けするが、その際、配線基板の表面部を局部的に冷却し、表面実装部品のリード線接合部の温度が１５０℃以上に上昇しないようにするものである。
【００２４】
このフロー炉における配線基板の温度曲線を図５に示す。図５において、横軸は、経過時間であり、縦軸は、配線基板下面のハンダ浴に接する任意の点における表面温度である。図５にみられるように、配線基板は、フロー炉に搬入された初期の段階で、予熱される。次いで、ハンダ浴中の２カ所に設けられる溶融ハンダ噴流部において配線基板の下面が、１波，２波と２回の溶融ハンダに接触し、この時点で配線基板の温度が最高温度に到達し、挿入実装部品のリード線がハンダ付けされる。そして、配線基板は、ハンダ浴の領域から離脱すると次第に温度は低下し、ハンダは固化してゆく。このような、温度履歴を経てハンダ付けされる配線基板において、配線基板上面が最高の温度を記録するタイミングであるハンダ浴の噴射位置すなわち図５における領域Ａの温度が１５０℃を上回ると、表面実装部品とランド部とのハンダ接合が剥離するおそれが大きいため、この部分の温度を１５０℃以下に制御することが重要である。
【００２５】
一方、このフロー炉の全領域で冷却を行うことは、エネルギー効率が低下し、経済的でないばかりでなく、ハンダ接合が十分行われず接続不良を生起する原因ともなる。従って、フロー炉内の特定領域のみを冷却することが実用上必要であり、前記温度曲線である図５の領域Ａを冷却することが好ましい。
このため、フロー炉の上部に冷却媒体圧送ノズルを配置し、溶融ハンダ噴射ノズル上部に位置する配線基板に冷却空気や冷却窒素などの冷却媒体を吹き付けることが好ましい。
【００２６】
本実施の形態において使用することのできるフロー炉の要部断面図を図６に示す。図６において、５２がハンダ浴であり、このハンダ浴５２中に溶融ハンダ５４が収容されている。ハンダ浴５２の上部付近にはレール５３が延在しており、このレール５３に沿って配線基板５１が搬送される。ハンダ浴５２中には、溶融ハンダ５４を上方に噴射するためのノズル５５が配置されており、この噴射された溶融ハンダ位置において、配線基板５１と溶融ハンダ５４が接触して、配線基板５１のスルーホール部に溶融ハンダが吸収充填され、ハンダ付けが行われる。この溶融ハンダ５４の噴射位置上方には、冷却媒体噴射ノズル５６が配置され、冷却空気のような冷却媒体を配線基板５１表面の所用箇所に吹き付け、スポット冷却を行うようになっている。
【００２７】
このフロー炉装置において、冷却媒体供給ノズル５６は、開閉弁を備え、配線基板が、噴流位置上にさしかかった際、弁が解放され、冷却媒体を噴射して配線基板を冷却し、配線基板が噴流位置を脱離する際、開閉弁が遮断され、冷却媒体の供給が停止するように構成することが好ましい。
あるいは、冷却媒体供給ノズルは、ポンプによって冷却媒体の供給開始および停止を行うように設定することが好ましい。いずれにしても、冷却媒体は、噴流位置に配線基板が存在しない時には供給が停止されていることが好ましい。
また、冷却媒体供給ノズルは、配線基板の横方向に延在する１本の開孔を有するノズルであってもよいし、また、複数の開孔を配線基板の横方向に１列に配列したノズル形状であってもよい。さらに、これらの複数のノズルは、開閉弁によってすべてが一律に解放および遮断されるように制御してもよいし、個々のノズルを個別に制御して部分的に解放および遮断するようにしてもよい。このように個々のノズルを個別に制御することのできる装置を用いることによって、配線基板の特定の冷却を要する部分のみ冷却することができ、不要な冷却を行うことがないから、さらにエネルギー効率は向上する。
【００２８】
［第３の実施の形態］
一般には混載実装基板面には、耐熱性、端子部の形態などの点で異なる多数の電子部品が搭載されるのが一般的である。このような、多数の電子部品を搭載した配線基板を製造する際に、すべての表面実装部品の上部に前記放熱ブロックを載置することは、放熱ブロックの載置が手作業となることから生産性が低下する要因となる。そのために、放熱ブロックを載置する表面実装部品を選択する必要がある。
本実施の形態は、放熱ブロックを載置する表面実装部品を選別する方法に関するものである。
本実施の形態における選別のポイントは、表面実装部品のリード線の材質が、鉄もしくはその合金であること、メッキ材が、鉛を含有していることの２要件をすべて満たしている表面実装部品のみに、前記放熱ブロックを載置する。これによって、生産性の低下を最小限に抑制し、その後のフローハンダ付け工程においても表面実装部品のリード部接続剥離を生ずることなく、信頼性の高いハンダ付けが可能となる。
【００２９】
【実施例】
以下本発明を、実施例を用いて説明する。
ガラスエポキシ樹脂基板を用いて、配線パターン、ランド部およびスルーホールを形成した基板を作製した。この基板上のランド部に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のハンダを含有するハンダペーストを塗布した。次いで、Ｆｅ−Ｎｉ系の合金である４２Ａｌｌｏｙからなる端子の表面にＳｎ−Ｐｂメッキを施したＱＦＰタイプの表面実装部品を端子部が前記ランド部上に配置されるように搭載した。これをピーク温度２４０℃でリフローしてハンダ付けを行った。
次いで、この基板のスルーホールに挿入実装部品を配置し、さらにこの配線基板上に搭載されている表面実装基板のハンダ接合部に、熱電対を取り付けて、その表面温度を測定しながら、この配線基板をフロー炉内に搬入し、前記表面実装部品のハンダ接合部の温度を１００℃から１９０℃まで変更しながら、フローハンダ付けを行った。こうして得られた実装基板について、表面実装部品のハンダ接合部の温度と、表面実装部品の接合強度、および再溶融発生率を、ＱＦＰの４辺から５ピンづつ測定し、その２０のハンダ接合部の平均値を求めた。その結果を図７に示す。
図７から明らかなように、表面実装部品のリード線温度が１５０℃以下の場合には、接合強度は、安定して１３５０ｇｆ付近の値を示していたが、１６０℃においては、８００ｇｆにまで強度が低下し、１８０℃以上の温度では、４２０ｇｆにまで強度低下が発生した。また、再溶融発生率（全リード線接合箇所に対するリード剥離の発生率）も同様に、１５０℃以下の領域においては、再溶融発生率は０％であったが、１６０℃においては、２０％の頻度で剥離が発生し、１８０℃においてはその発生率は６０％にまで達した。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、表面実装部品と、挿入実装部品とを混載した配線基板の実装において、環境に配慮した鉛フリーハンダを用いながら、ハンダ接合部分の剥離が生じない信頼性の高い実装方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の部品を混載した配線基板の一部欠截断面図である。
【図２】 本発明の配線基板の一部を欠截した断面図による実装工程図である。
【図３】 本発明の配線基板の一部を欠截した断面図による実装工程図である。
【図４】 本発明冷却ブロックの斜視図である。
【図５】 フロー炉における配線基板表面温度の変化を示すグラフである。
【図６】 本発明のフロー炉を示す概略断面図である。
【図７】 本発明の実施例を示すグラフである。
【図８】 従来のリフロー炉を示す概略断面図である。
【図９】 従来のフロー炉を示す概略断面図である。
【図１０】 従来の部品を混載した配線基板の実装工程図である。
【符号の説明】
１，５１，６１，７１…配線基板
２…ランド部
３…スルーホール部
４…導電層
５…表面実装部品
６，１０…リード線
７…メッキ層
８，１１…ハンダ部
９…挿入実装部品
２０…放熱ブロック
５２，７５…ハンダ浴
５３，６３，７３…レール
５４，７６…溶融ハンダ
５５，７７…溶融ハンダ噴射ノズル
５６…冷却媒体噴射ノズル
６２…リフロー炉
６４，７４…加熱装置

Claims (2)

1. 回路配線パターンと、表面実装部品を接続するためのランド部と、挿入実装部品を接続するためのスルーホール部とを備えた配線基板に、表面実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電気的に接続した後、挿入実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電気的に接続する電子部品のハンダ付け方法において、
   前記挿入実装部品のハンダ付け工程において、前記表面実装部品のハンダ接合部の温度が、１５０℃以下となるように、前記表面実装部品の周囲に配置した冷却ブロックによって配線基板の所用部分を冷却する際に、
   前記冷却ブロックを中空四角柱状体である枠体とし、前記枠体下部を前記配線基板上に接触させて前記表面実装部品を囲むよう配置することを特徴とする鉛フリーハンダを用いたハンダ付け方法。
2. 回路配線パターンと、表面実装部品を接続するためのランド部と、挿入実装部品を接続するためのスルーホール部とを備えた配線基板に、表面実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電気的に接続した後、挿入実装部品を前記配線基板上に配置し、鉛フリーハンダを用いて電子部品をハンダ付けする実装基板の製造方法において、
   前記挿入実装部品のハンダ付け工程において、前記表面実装部品のハンダ接合部の温度が、１５０℃以下となるように、前記表面実装部品の周囲に配置した冷却ブロックによって配線基板の所用部分を冷却する際に、
   前記冷却ブロックを中空四角柱状体である枠体とし、前記枠体下部を前記配線基板上に接触させて前記表面実装部品を囲むよう配置することを特徴とする実装基板の製造方法。

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