JP4116102B2

JP4116102B2 - 温度制御された非酸化性雰囲気中で部品を印刷回路板にウエーブはんだ付けするための方法

Info

Publication number: JP4116102B2
Application number: JP09712395A
Authority: JP
Inventors: ケビン・ピー・マッケアン; フレドリック・ロートマン; ロバート・ダブリュ・コナーズ
Original assignee: エアー・リキッド・アメリカ・コーポレーション; レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2023-07-09
Also published as: CA2146594A1; DE69511613T2; KR100333122B1; US5520320A; KR950035549A; EP0681418A3; DE69511613D1; CN1112352A; HK1012833A1; TW319946B; EP0681418B1; JPH0864949A; EP0681418A2; CN1138461C

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ウエーブはんだ付け装置中に実質的に非酸化性の雰囲気を提供するための方法であって、この雰囲気から印刷回路板への熱伝達の熱効率を増大させるために実質的に非酸化性の雰囲気の温度をはんだ付け装置中へのその注入の前及び／又は間に制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ウエーブはんだ付け装置は、以前は手で行われていた印刷回路板上への部品のはんだ付けを自動的に行うために当業界に導入されて久しい。典型的なはんだ付け装置は、印刷回路板を予熱するための少なくとも１の予熱ゾーンと、はんだポットに収容された溶融はんだにより印刷回路板の底部側を被覆することによって部品を回路板にはんだ付けするための少なくとも１のはんだ付けゾーンと、はんだが固化されるところの少なくとも１の冷却ゾーンとを備えている。このはんだ付けプロセス又はコーティングプロセスは、通常、接合又は被覆されることが必要な金属表面の印刷回路板の底に対する濡れを改善するために使用されるフラックス剤の存在下で行われる。フラックス剤は、通常、腐食性であり、これらフラックス剤の過剰又は残渣は、ウエーブはんだ付け操作後これを除去しなければならない。
【０００３】
低残渣洗浄不要フラックス又は無フラックスプロセスが、開発され、そこでは、ウエーブはんだ付けプロセスを標準のフラックス剤の不都合なしに窒素のような実質的に無酸素雰囲気下で行うことができる。
【０００４】
米国特許第３，７０５，５４７号は、最も早期のウエーブはんだ付け方法を開示しており、これには印刷回路板の金属表面の酸化を回避するために不活性ガスを注入することが含まれる。
【０００５】
米国特許第４，５３８，７５７号は、窒素及び水素を包含する還元性雰囲気下でのウエーブはんだ付け方法を開示しており、周囲空気との雰囲気交換を防止するために装置の入口及び出口で窒素カーテンが設けられている。
【０００６】
米国特許第４，６０６，４９３号は、はんだ付け中に発生する熱による電気的（通常、鉛−スズ被覆銅において）接続の酸化を防止し、回路担体中に熱的応力が発生することを減少させるために不活性ガス雰囲気下で印刷回路板をはんだ付けする方法及び装置を開示している。このために、スリットを通して不活性ガスを注入して複数の高速ジェットを提供し、これを印刷回路板の底側に衝突させる。操作の条件として、不活性ガスジェットの温度ははんだポット中の溶融はんだの温度（６００℃）より約２倍高い。
【０００７】
米国特許第４，６４６，９５８号は、窒素及びシラン、又は水素及びシランを包含する雰囲気下、フラックスなし又は無フラックスシステム中で行われるはんだリフロー又ははんだチップ方法を開示している。
【０００８】
米国特許第４，８２１，９４７号は、フラックスを用いないで、表面を構成する金属上に溶融金属を被覆する方法を開示している。この方法は、温度が表面を構成する金属への損傷を回避するに十分に低いところの不活性ガス中で行われ、表面を構成する金属に隣接する部品のような材料に損傷を与えない。
【０００９】
米国特許第５，０７１，０５８号は、接合又は被覆に用いられるフィラー材料を構成する金属を酸化するに必要であるよりも大きな酸化能を有するが、空気のそれよりも低い酸化能を有する制御された酸化性雰囲気中で行われる接合／被覆操作を行うための方法を開示している。ウエーブはんだ付け方法の場合には、不活性ガス雰囲気中の酸素含有率は少なくとも１０ｐｐｍ、好ましくは少なくとも５００ｐｐｍである。
【００１０】
米国特許第５，１２１，８７５号は、ウエーブはんだ付け装置のための短いフードを開示しており、ここでは印刷回路板の予熱が空気下で行われる。この方法において、洗浄不要フラックスが使用され、はんだポットで５％未満の酸素濃度が推奨されている。
【００１１】
米国特許第４，９２１，１５６号は、はんだ付け室を有し、このはんだ室に保護ガス雰囲気を注入するための手段と、溶融金属はんだのプール中に下降して突出する封止スカート手段を含む装置を開示している。好ましくは、保護ガス雰囲気は、窒素及びおそらくいくぶんかの還元剤からなる。
【００１２】
米国特許第４，７４６，２８９号は、層流条件での非反応性雰囲気下で部品を処理するための方法を開示している。
【００１３】
米国特許第５，２０３，４８９号及び同第５，２４０，１６９号に、ウエーブはんだ付け方法における新たな進展が示されている。このウエーブはんだ付け方法によれば、表面搭載部品をはんだ付け前に回路板の底側において使用することができる。この新技術は、２つの主要利点を有する。その一つは、回路板の底部に平方インチ当りより多くの部品を置くことができるということである。第２には、スルーホール部品に付随する欠陥、たとえば不十分な頂部側フィレット（filet ）及びバイアバレル（via barrel）におけるボイドを除去することである。これらの新規部品は、それらが置き換えようとする伝統的なスルーホール部品よりもはるかに小さいので、それらが耐え得る熱衝撃は大幅に低下する。そのような部品についての通常の最大立ち上げ温度(ramp temperature ）は２℃／ｓｅｃである。このため、標準的なウエーブはんだ付け装置の予熱温度は、部品を損傷させないために低下させる必要があるが、これを行うことによりスルーホール部品は適切な温度に達し得ず、欠陥率を増加させる。
【００１４】
一般的な製造条件下では、回路板は、ピンスルーホール（ＰＴＨ）及び表面搭載部品（ＳＭＴ）を含有し得る。このタイプの回路板は、混成テクノロジー板と呼ばれる。ＰＴＨ部品は、サイズ及び質量、並びに金属製ヒートシンクやプラスチック製コネクターのように材料において大きく変わり得る。比較すると、ＳＭＴ部品は、非常に小さく、質量がわずかである。混成テクノロジーの問題は、欠陥率を増加させる温度差である。これら欠陥は２つの主要カテゴリーに別れる。第１は、ＳＭＴ部品の過加熱であり、第２は、ＰＴＨ部品の不足加熱であり、不十分なはんだ接合を生じさせるものである。当業界では混成テクノロジー板が主流であるので、回路板を横切る大きな温度差の問題を解決することが要求されている。
【００１５】
さらに、連続プロセスにおいて同じ装置ではんだ付けしようとする回路板アッセンブリーのタイプが変わるという問題がある。比較的軽量の部品を有する小さな回路板を、比較的重質の部品を有する大きな回路板と同じプロセスラインではんだ付けしようとする場合、両タイプの回路板について適切な温度プロファイルを維持するという問題がある。１つの解決は、多重温度プロファイルを使用することであるが、この解決は、装置のスループットを低下させ、単位コストを上昇させる。他の解決は、同じ温度プロファイルを使用することである。この解決は欠陥率を増加させるという欠点を有する。
【００１６】
より多くの組み立て者が異なる回路板のタイプ及び部品のタイプを使用するに従い、この問題はさらに大きくなる。従って、品質又はスループットを犠牲にすることなく回路板のタイプ及び部品のタイプを変えることを許容する解決が必要である。
【００１７】
また、処理する製品の数を増加させることによって、各製品に要求される組立時間が増加し、装置のスループットを低下させる。これにより製品コストはさらに上昇する。
【００１８】
ウエーブはんだ付け装置を用いて印刷回路板上に部品をはんだ付けする目的の一つは、スルーホール部品を有するかＳＭＴ部品を有するかにかかわらず、均質な高品質はんだ接合を達成することである。はんだ接合のよりよい品質は、印刷回路板上の部品の電気接続欠陥を減少させるためのより均質なはんだ接合を意味する。これは、はんだ塗り落ち、スルーホール部品のバレル内のはんだのボイド、また不十分な頂部側フィレットを回避することにより達成できる。スルーホール部品のウエーブはんだ付け方法に関して上に開示した異なる全ての方法は、はんだ接合の品質に関し完全に満足できるものではなく、よりよい品質のはんだ接合を達成するためにウエーブはんだ付け方法を改善することが当業界で望まれている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、はんだ接合の品質を改善するために、入ってくる雰囲気の温度を制御することによって取り巻く雰囲気から印刷回路板への熱伝達の熱効率を増加させることを目的としている。本発明の一態様によれば、ウエーブはんだ付け装置中に注入（inject）される実質的に非酸化性の雰囲気を予熱ゾーンのような当該装置のある領域内で予熱し、冷却ゾーン及び／又はウエーブゾーンのような当該装置の他の領域内で冷却する。
【００２０】
熱い実質的に非酸化性の雰囲気を、ウエーブはんだ付け装置の予熱ゾーンの少なくとも１つのようなゾーンに注入する場合、本発明の方法は、好ましくは印刷回路板及び印刷回路板を加熱するための輻射に実質的に垂直であるところの層流強制対流を使用するが、従来は、時に輻射をともなう自由対流を使用していた。層流強制対流という語は、各分配ゾーンにつき５００ないし２，５００のレイノルズ数を有する流れを意味する。より大きな熱伝導を促進するために入口ゾーンではより高いレイノルズ数が時に要求される。
【００２１】
ウエーブはんだ付け装置中に注入された雰囲気を予熱する目的の一つは、印刷回路板が溶融はんだに接触する時に印刷回路板とはんだポットとの間の温度勾配を減少させることにある。はんだウエーブの領域におけるこの温度勾配ができるだけ小さいならば、溶融はんだは印刷回路板内のホールを含む異なる領域中に侵入し、固化する前にこれら領域及びホールのすべてを満たすに十分な時間を持つこととなるが、印刷回路板の温度が低すぎる場合には、溶融はんだはほとんどすぐに固化され、はんだ接合の品質が悪くなり、このウエーブはんだ付け工程後の品質管理工程で不合格とされる回路の数が増加する。
【００２２】
本発明によれば、はんだ接合の品質を改善するためには、はんだポットの上流側にあり、特に印刷回路板の近傍にある、ウエーブはんだ付け装置のゾーン中の雰囲気を層流条件下に維持し、その温度を２０℃ないし２５０℃（好ましくは８０℃ないし２００℃）に制御しなければならないことが見い出された。しかしながら、印刷回路板への損傷を回避するために、本発明の一態様によれば、溶融はんだとはんだポット上の印刷回路板との接触の終了のわずか後に通常行われるはんだ付け工程が完了するとすぐに印刷回路板を冷却することが勧められる。この冷却工程を行うために、予熱ゾーン又ははんだゾーン中に注入された雰囲気の温度よりも低い温度を有する雰囲気を注入することが勧められる。
【００２３】
本発明は、また、印刷回路板を予熱するための少なくとも１の予熱ゾーンと、該回路板にスルーホール部品もしくは表面搭載部品又はそれら両者をはんだ付けするための、はんだポットを含む少なくとも１のはんだ付けゾーンと、該はんだを冷却及び固化させるための少なくとも１の冷却ゾーンを備えるウエーブはんだ付け装置中に実質的に非酸化性の雰囲気を提供し、該部品を液体状態のはんだを適用することにより電気的及び機械的に印刷回路板に結合し、該部品を印刷回路板上に電気的に接続し機械的に結合するために該はんだをさらに固化させるウエーブはんだ付け方法であって、該雰囲気から該印刷回路板への熱伝達の熱効率を増大させるために、該実質的に非酸化性の雰囲気の温度を該はんだ付け装置中へのその注入の前及び／又は間に制御し、該少なくとも１の予熱ゾーン及び該はんだポットを含む少なくとも１のはんだゾーンを強制層流対流に供することをさらに含むことを特徴とするウエーブはんだ付け方法にも関する。
【００２４】
この温度制御された実質的に非酸化性雰囲気は、ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１のゾーン、好ましくはウエーブはんだ付け装置の全てのゾーンに注入することができる。
【００２５】
本発明の好ましい態様によれば、実質的に非酸化性の雰囲気の温度は、周囲温度よりも高く、ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１の予熱ゾーンに注入される。
【００２６】
本発明の他の態様によれば、実質的に非酸化性雰囲気の温度は、周囲温度よりも低いかそれと等しく、ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１の冷却ゾーンに注入される。
【００２７】
本発明の他の側面によれば、ウエーブはんだ付け装置の種々のゾーンに注入された実質的に非酸化性の雰囲気の温度は、ゾーン毎に異なり得るが、好ましくは同じである。同様に、ウエーブはんだ付け装置の種々のゾーンに注入された実質的に非酸化性の雰囲気の組成は、ゾーン毎に異なるか、又は同じであり得る。
【００２８】
実質的に非酸化性の雰囲気が少なくとも２の予熱ゾーンを備えたウエーブはんだ付け装置に注入されるところの本発明の他の態様によれば、異なる予熱ゾーンに注入される雰囲気の温度はゾーン毎に異なる。
【００２９】
本発明の好ましい態様によれば、温度制御された実質的に非酸化性の雰囲気はあらかじめ設定された（予定）値に維持され、この予定の値は同一であるか、ゾーン毎に異なる。通常、この予定の値は加熱された雰囲気が必要な場合はウエーブはんだ付け装置の全てのゾーンについて同じである。この予定の温度値は、通常、図２に例示したように、プロセス温度プロファイルに従って選ばれる。
【００３０】
本発明によれば、印刷回路板の温度は徐々に上昇させてはんだゾーンにおいて最大に達し、ついで徐々に低下させる。
【００３１】
予熱されたガス雰囲気は、回路板の要求、すなわちアッセンブリーの質量及びアッセンブリーの質量の分布に依存して、アッセンブリー印刷回路板の頂部側、又は底部側、又は両側に注入することができる。（本発明の利点の一つは、さもなければヒートシンクにより永続的にカバーされる部品を有する回路板の小さな部品上に後に作業者によって除去される付加的なヒートシンクを設ける必要がもはやないということである）。予熱されたガスを印刷回路板の一方の側のみに注入する場合、取り巻く雰囲気を加熱し、従って印刷回路板をより迅速にかつ均一に加熱するための加熱手段を他の側に設けること、あるいはたとえば実質的に周囲温度での実質的に非酸化性の雰囲気を注入すること、あるいはこの側に予熱を持たず、及び該側にガス注入を持たないことさえも可能である。
【００３２】
本発明の他の好ましい態様によれば、該予熱ガス雰囲気が、プレナム室に実質的に不活性のガスの層流を注入することにより生成され、該プレナム室は穿孔された底壁と、ガスがヒーター手段と接触して加熱されるように関係づけられた該ヒーター手段及びガス注入手段とを備え、プレナム室中の加熱されたガスの圧力が該プレナム室の外部のガス雰囲気の圧力よりもやや高く、該加熱されたガスは、かくして、該プレナム室の該穿孔された壁の開口を通って層流的に流れる。これらの開口は、層流のレイノルズ数が５００ないし２，５００に維持されるように選ばれ、これは約０．２ｍｍないし０．４ｍｍの直径を有するゾーン当り６０個のホールを用いて行うことができる。
【００３３】
本発明の他の態様によれば、予熱ガス雰囲気は、プレナム室に実質的に不活性のガスの層流を注入することにより生成され、該プレナム室は穿孔された底壁と、該穿孔壁と一体の加熱手段と、ガスが該穿孔壁によって少なくとも部分的に加熱されるように該加熱手段に関係づけられたガス注入手段とを備え、プレナム室中の加熱されたガスの圧力が該プレナム室の外部のガス雰囲気の圧力よりも高く、該加熱されたガスは、かくして、該プレナム室の該穿孔された壁の開口を通って層流的に流れる。
【００３４】
本発明の好ましい態様によれば、プレナム室は、頂部から底部まで、実質的に平行な平面内に、該室の頂部壁、加熱手段、ガス注入手段、及び穿孔壁を有する。加熱手段は、例えば、加熱オーブン中に通常使用されている加熱レジスターである。ガス注入手段は、好ましくは、プレナム室の少なくとも３つの側に配置されたパイプ又はマニホールドの形態にあり、このマニホールドは、プレナム中での不活性ガス拡散のためのホールを備え、これらホールはマニホールドの上半分上に、好ましくは穿孔壁に平行に配置されたマニホールドの直径上に配置されている。しかしながら、加熱手段がプレナム室の穿孔底壁と一体の場合には、いずれの方向からも窒素ガスを注入することが可能である。
【００３５】
本発明の一つの好ましい態様によれば、実質的に非酸化性の雰囲気は、３％未満の、好ましくは１０００ｐｐｍ未満の、さらに好ましくは１０ｐｐｍ未満の酸素を含む窒素ガスである。はんだポットの領域におけるうきかす（dross ）の生成を回避するために、種々の実験によってウエーブ領域内の窒素ガス中の酸素濃度は１０ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５ｐｐｍ未満でなければならないことが示された。ウエーブはんだ付け装置中に注入される窒素ガスの純度を維持するために、別のゾーンを有することが好ましく、これらゾーンはカーテン、ガスカーテン等により互いに分離される。しかしながら、窒素雰囲気（あるいは不活性ガス）中の酸素含有率は予熱ゾーン及び／又は冷却ゾーンにおいてははんだゾーンにおけるよりも重要でないので、これら予熱ゾーンにおいて、又はその少なくともいくつかにおいて、及び／又は冷却ゾーンにおいて、又はその少なくともいくつかにおいて、１０ｐｐｍを超えて酸素を含む窒素雰囲気を持つことができる。このことは、例えばいくつかのウエーブはんだ付け装置が互いに近接している場合、又は共通の窒素もしくは不活性源を有する同じプラント内に位置している場合に特に有利である。これらの条件では、純粋の又は実質的に純粋の窒素（通常酸素１ｐｐｍ未満）、例えばバルクの液体窒素容器からの窒素をウエーブはんだ付けゾーンに注入する一方、より純度の低い窒素の残りが膜発生器又はＰＳＡ（圧力スウィング吸着）によって提供される。
【００３６】
いうまでもなく、２桁の数のウエーブはんだ付け装置を同時に使用する非常に大規模のプラントの場合には、これら装置の少なくともはんだゾーンを現場窒素プラント、例えば低温現場窒素プラント（cryogenic on-site nitrogen plant）に接続することもできる。
【００３７】
【実施例】
図１は、本発明の方法を実施でき、２つの予熱ゾーンＡ及びＢ、はんだゾーンＣ、及び冷却ゾーンＤを有するウエーブはんだ付け装置の概略側面図である。回路板はウエーブはんだレール２３上を輸送され、入口カーテン４を通って第１の予熱ゾーンＡに入る。この第１の予熱ゾーン（及び他のゾーンもまた）は、これを通って移動する回路板を遮断する制御された雰囲気を提供するために輸送レールを全体的に囲んでいる。第１の予熱ゾーンＡは頂部側スキン３及び底部側スキン６を包含し、図５に示すマニホールド２０１のようなガスチューブマニホールド１を備える。このチューブはそれぞれのスキン３及び６の壁に近接している。加熱用の頂部側コイル２及び底部側コイル５がガスチューブマニホールドと制御された雰囲気を回路板の上及び下に拡散させるガス拡散プレートの間に配設されている。
【００３８】
第２の予熱ゾーンＢは第１の予熱ゾーンＡと実質的に同様であり、頂部側スキン１１、底部側スキン１３、頂部側及び底部側加熱コイル１０、１２、ガス拡散マニホールド（頂部及び底部側）、及びガス拡散プレート１４（頂部及び底部側）を有し、ゾーンＡとＢとの間には、入口カーテンシステム４と同様のカーテンシステム８が設けられている。
【００３９】
第２の予熱ゾーンＢとはんだゾーンＣを分離して、はんだゾーンカーテンシステム１５（このカーテンシステムはこれら種々のゾーンに空気が侵入することを実質的に防止する）が存在する。これは、それぞれが別の互いに実質的にシール接触（sealing contact ）にある平行なストリップにより形成された平行な垂直カーテンで作られている。
【００４０】
はんだゾーンＣは、はんだポット２２内で溶融はんだが雰囲気にさらされる実質的に全領域を覆うはんだゾーンスキン１８を備える。はんだ浴上に空気が侵入することを防止するために、２つの横方向ウエーブはんだレールとはんだ浴との間にはんだポットシール２０が設けられている。
【００４１】
はんだゾーンスキン１８は、また、スキン１８の垂直壁のすべての周りでそれに近接して伸びるはんだゾーンガス拡散マニホールド１６を有する。はんだ操作中の目視制御を提供するために、このスキン１８は、はんだゾーン窓１７を有し、はんだゾーンガス拡散プレート１９が短い距離をもって外壁から水平に、ついで窓１７の側部と同一平面にあるスキン１８の頂部壁まで垂直に延びており、該ガス拡散プレートは、かくして、ガス拡散マニホールド１６を取り囲む。
【００４２】
空気の侵入を防止するため、はんだゾーンＣの出口から冷却ゾーンＤを通って出口カーテンシステム２１が設けられている。この冷却ゾーンＤは、また、それぞれ頂部及び底部側ガス拡散穿孔プレートを有する頂部側ガス拡散マニホールド２５及び底部側ガス拡散マニホールド２６を備えた頂部側スキン２９及び底部側スキン３０を有する。はんだゾーンは溶融はんだにより制御された雰囲気に伝達される熱により熱間に維持され、冷却ゾーンがマニホールド２５及び２６内を循環し、プレート２７及び２８を通って拡散して回路板を冷却しそれらをそれらが周囲空気により酸化（あるいは迅速に酸化）されないような温度にもたらるある冷却ガスを提供するので、はんだゾーンＣ及び冷却ゾーンＤの両者は加熱手段を備えない。
【００４３】
図２は、図１に示したようなウエーブはんだ付けフードシステムであるが、本例の場合図１における２ではなく３の予熱ゾーンと、１のウエーブはんだゾーンと１の冷却ゾーンを有するものの長さに沿った温度プロファイルを示す。
【００４４】
流量１００ｓｃｆｈ（ standard cubic feet per hour ）（標準条件下で２８３２リットル／時）の窒素ガス（ここでは、該マニホールドガス拡散器中を流れる不活性ガスとして使用）をガスマニホールドを介して第１の予熱ゾーンに注入し、頂部スキン（及び必要なら底部スキン）内の加熱コイルの輻射により、ついで拡散器プレート（加熱コイルにより加熱）のホール中を通る間の電動により加熱する。第１の予熱ゾーンに使用したものと同じガス（又は異なる不活性ガス、使用した第１のガスが「純粋でない」窒素、すなわち１ないし３％のＯ₂をともなう９７ないし９９％のＮ₂であった場合は、通常より少ない酸素を有する）を流量２００ｓｃｆｈ（標準条件下で５６６４リットル／時）でこの第２の予熱ゾーンに同様に注入し、ついで７００ｓｃｆｈ（標準条件下で１９８２４リットル／時）の流量を第３のゾーンに注入する（同一純度又はより少ないＯ₂）。流量を増すことは、雰囲気と、当該システムの入口からウエーブゾーンへ走行する回路板との間の熱伝達を増し、ついで回路板及びこの回路板が担う部品の外側の温度を漸進的に上昇させることを意味する。ついで、不活性ガス（これは本プロセス中常に層流又は実質的な層流を維持する）の流量が、このゾーンにおける約３００℃のはんだポットの存在によりたとえば４００ｓｃｆｈ（標準条件下で１１３２８リットル／時）に低下した時でも、熱伝達現象は続く。冷却工程は、本例では、この冷却ゾーンのガス拡散器に注入された窒素のゼロ流量で行われる。しかしながら、不活性ガスは、第３の予熱ゾーン及びウエーブゾーンからこの冷却ゾーンを介し、冷却ゾーンのカーテンを通って系を出る。
【００４５】
図３及び図４は、はんだポットシステム上で使用され、プレナム蓋１０１と、矩形状を有し、はんだ浴をそれを通して観察しうる窓１０３を囲むチューブマニホールド１０２を備えるガス拡散器システムを示す。
【００４６】
このマニホールド１０２は、規則的に離間したホール１００（図示の矩形マニホールドの頂部側及び底部側それぞれ上に）を包含する。矩形マニホールド１０２は、ガス入口Ｔ継手１０４を有する。
【００４７】
図３は、ガス拡散器の上面図であり、図４は同じ拡散器の底面図である。図４において、拡散器プレート１０５がマニホールド１０２を覆い、窓１０３を封止的に取り囲み、ガスがマニホールドのホールから、ついで穿孔拡散器プレート１０５のホールをのみ通じて流れる。プレナム内に加熱手段が設けられている（図５に例示するように）場合、不活性ガスは、それが拡散器プレート１０５中の１０６のようなホールを通過する際にも加熱される（伝導により）。
【００４８】
予熱ゾーンのガス拡散器システムは、蓋１０１の頂部に窓を持たず、これにより蓋の全表面を実質的に覆い、かつホール、通常は該プレートの表面全体に規則的に離間して設けられたホールを有する連続的で、通常実質的にフラットな拡散器プレート１０５を持つこととなる以外は図３及び図４に示すシステムと同様である。好ましいパターンを有するガスの流れを所望する場合、異なるサイズ及び異なるパターンのホールを提供することができる。
【００４９】
図５は、図１に示すような装置の予熱ゾーンにおける頂部及び／又は底部プレナムとして使用されるプレナムの全体図である。プレナム２０８（これは穿孔されている底壁２０４を除き、プレーンの壁を有する平行六面体ボックスである）は、頂部から底部にかけて、通常、穿孔底２０４に平行な面中に配置された規則的に離間したホール２０３をその枝２０９及び２１０に有するガスマニホールド２０１を備える。マニホールドの枝２１１は、通常、（ガス拡散のための）ホールを持たない。不活性ガスは２０２でマニホールドに入り、２０３でマニホールドを出る（又はその逆）。入口２０２及び出口２０３は、通常、ハウジング２０８の側（垂直）壁から近すぎず、その設計はプレナム中でのガスの再分配（repartition ）が均一でありその中で乱流が生じないようなものである。入口及び出口２０２及び２０３（又はその逆）は不活性ガス（例えば、窒素）源に接続されている。ガスマニホールド２０１と穿孔底プレート２０４との間には、結線部２０７を介して適切な電力源に接続されたいくつかの加熱用コイル２０６が設けられている。これらコイルは、底プレート２０４に平行（又は実質的に平行）に、穿孔底プレート２０４中のホール又はスリットの出口側で（好ましくは）層流又は実質的に層流を維持しなければならないガス流２０５を撹乱することなく穿孔プレートとの熱伝達を向上させるために近接して配置されている。
【００５０】
例
本発明によって達成される改善を立証するために、はんだポットのすぐ上で、はんだゾーン中に図５に例示したようなガスプレナム室を有する同一装置内で異なる実験を行った。
【００５１】
以下に示す実験は、輻射よりも有効な熱伝達媒体として加熱された不活性ガスの強制対流層流を用いることの利点を示すために行ったものである。（加熱された不活性ガスの）強制対流層流は、プレナムプレートを横切る水中０．１インチ（０．２４９１ミリバール）から水中５０インチ（１２４．５５ミリバール）までの圧力降下（これは実質的に１ないし３０ｍ／ｓの速度を意味する）を有する不活性ガス流として定義しうる。
【００５２】
ガラス繊維／エポキシ樹脂（ＦＲ４タイプ）の印刷回路板で、同じ回路板上に小さな部品と大きな部品を有するものについて試験を行った。
【００５３】
図６は、熱がヒーターの直接輻射により部品に与えられ、プレナム中へのガス注入を行わなかった場合と、熱が、プレナム中で加熱され及び回路板上に流れる窒素ガスの注入による強制層流により与えられた場合の双方の結果を示す。
【００５４】
図６から、輻射の場合の温度差ΔＴは、時間の関数として、対流の場合のΔＴよりもはるかに大きいことがわかる。（実質的に非酸化性の）層流状予熱強制対流が防止するのは、この温度差なのである。この温度差は、このシステムを用いることにより、過加熱又は不足加熱による欠陥の可能性を除去するように回路板を横切る温度を制御できるということを示している。温度差ΔＴは、部品の２つの側（頂部及び底部）の間の温度差を表わす。このΔＴは、加熱ガスとの接触後３０秒経過後不活性ガスの強制層流対流については約１５℃（又はそれ以下）であるが、輻射については、全く瞬間的な約１５℃のΔＴ（時間ゼロで）があり、３０秒後に約４３℃に達する。
【００５５】
図７及び８は、輻射のみにより発生され、回路板へ伝えられた熱、及び強制層流対流により回路板へ伝えられた熱についての温度（ケルビン）対時間（秒）を示すグラフである。図７の場合、温度源は６００Ｋに加熱され（対流のみ）、一方図８の場合は、温度源は５００Ｋでのみ、すなわち１００Ｋ低く加熱される。両方の場合の最終ゴールは、回路板の部品上で約３５５Ｋの平均値の温度に達することである（図８の場合に加熱部材について６００Ｋの同一温度を維持することは、より速く（３０秒以下）目的温度の３５５Ｋに達することを意味し得た）。
【００５６】
図８から、温度差は、予熱された実質的に非酸化性のガスの層流を使用する場合、部品のサイズにより変化することがわかる。評価した２種の部品は、サイズ及び材料組成において変化させた。温度測定は、各部品につき３ヵ所で行った。
【００５７】
図７は、輻射熱伝達を例示する。部品内における温度勾配の大きな変化は、部品がはんだを行うための所望の温度に達するために不当な応力を受けることを示している。単一部品内の材料物性の変化のために、このタイプの応力は早期の部品故障につながる。
【００５８】
図８は、強制層流対流を例示する。この場合、温度勾配の変化は、輻射のみの場合に対して実質的に減少している。１の部品内の温度差の減少は、より大きな部品の信頼性につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々の窒素注入マニホールド及び予熱手段を有するウエーブはんだ付け装置の概略図。
【図２】ウエーブはんだ付け装置中の温度プロファイルを示すグラフ図。
【図３】加熱手段を持たないガスプレナム室中のガス注入手段の一例を示す頂面図。
【図４】図３に示すガス注入手段の底面図。
【図５】ウエーブはんだ付け装置中に予熱された不活性ガス雰囲気を注入するためのガスプレナム室の全体図。
【図６】輻射によって及び強制層流対流によって提供された熱についての温度差対時間の関係を示すグラフ図。
【図７】ある条件での強制層流対流と輻射とを対比して示すグラフ。
【図８】他の条件での強制層流対流と輻射とを対比して示すグラフ。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ…予熱ゾーン、Ｃ…はんだゾーン、Ｄ…冷却ゾーン、１，１６…ガスチューブマニホールド、２，５…加熱用コイル、２２…はんだポット。

Claims

印刷回路板を予熱するための少なくとも１の予熱ゾーンと、該回路板にスルーホール部品もしくは表面搭載部品又はそれら両者をはんだ付けするための、はんだポットを含む少なくとも１のはんだ付けゾーンと、該はんだを冷却及び固化させるための少なくとも１の冷却ゾーンを備えるウエーブはんだ付け装置中に実質的に非酸化性の雰囲気を提供し、該部品を液体状態のはんだを適用することにより電気的及び機械的に印刷回路板に結合し、該部品を印刷回路板上に電気的に接続し機械的に結合するために該はんだをさらに固化させるウエーブはんだ付け方法であって、該雰囲気から該印刷回路板への熱伝達の熱効率を増大させるために、該実質的に非酸化性の雰囲気の温度を該はんだ付け装置中への該実質的に非酸化性の雰囲気の注入の前及び／又は間に制御し、該少なくとも１の予熱ゾーン及び該はんだポットを含む少なくとも１のはんだ付けゾーンを強制層流対流に供することをさらに含むことを特徴とするウエーブはんだ付け方法。
該温度制御された実質的に非酸化性の雰囲気を該ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１のゾーンに注入する請求項１記載の方法。
該実質的に非酸化性の雰囲気の温度が周囲温度よりも高く、これを該ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１の予熱ゾーンに注入する請求項１記載の方法。
該実質的に非酸化性の雰囲気の温度が周囲温度よりも低いか等しく、これを該ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１の冷却ゾーンに注入する請求項１記載の方法。
該ウエーブはんだ付けの種々のゾーンに注入された該実質的に非酸化性の雰囲気の温度がゾーン毎に異なる請求項１記載の方法。
該ウエーブはんだ付けの種々のゾーンに注入された該実質的に非酸化性の雰囲気の組成がゾーン毎に異なる請求項１記載の方法。
少なくとも２の予熱ゾーンを有するウエーブはんだ付け装置に実質的に非酸化性の雰囲気を注入し、異なる予熱ゾーンに注入された雰囲気の温度がゾーン毎に異なる請求項５又は６記載の方法。
該実質的に非酸化性の雰囲気を予熱した後に、層流条件下で、該はんだ付け装置に提供する請求項１記載の方法。
該温度制御された実質的に非酸化性の雰囲気の温度を予定の値に維持する請求項１記載の方法。
印刷回路板の温度を該はんだ付けゾーン中で最大に達するように徐々に上昇させ、ついで徐々に低下させ、予熱ゾーン中の該非酸化性の雰囲気の温度が該はんだ付けゾーンの温度よりも低い請求項１記載の方法。
少なくともいくつかの印刷回路板がその頂部側にＳＭＴ部品を包含する請求項１記載の方法。
少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印刷回路板の頂部側に予熱されたガス雰囲気を注入する請求項１記載の方法。
少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印刷回路板の底部側をも予熱する請求項１２記載の方法。
少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印刷回路板の底部側に非予熱雰囲気を注入する請求項１２記載の方法。
少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印刷回路板の底部側に予熱されたガス雰囲気を注入する請求項１記載の方法。
少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印刷回路板の頂部側をも予熱する請求項１５記載の方法。
少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印刷回路板の頂部側に非予熱雰囲気を注入する請求項１２記載の方法。
少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印刷回路板の両側に予熱されたガス雰囲気を注入する請求項１記載の方法。
該予熱ガス雰囲気を、穿孔された底壁と、ガスがヒーター手段と接触して加熱されるように関係づけられた該ヒーター手段及びガス注入手段とを備えるプレナム室に実質的に不活性のガスの層流を注入することにより生成させ、該プレナム室中の加熱されたガスの圧力が該プレナム室の外部のガス雰囲気の圧力よりもやや高く、該加熱されたガスは、かくして、該プレナム室の該穿孔された壁の開口を通って層流的に流れる請求項１記載の方法。
該予熱ガス雰囲気を、穿孔された底壁と、該穿孔壁と一体の加熱手段とガスが該穿孔壁と接触するように該加熱手段に関係づけられたガス注入手段とを備えるプレナム室に実質的に不活性のガスの層流を注入することにより生成させ、該プレナム室中の加熱されたガスの圧力が該プレナム室の外部のガス雰囲気の圧力よりも高く、該加熱されたガスは、かくして、該プレナム室の該穿孔された壁の開口を通って層流的に流れる請求項１記載の方法。
該加熱手段が、該プレナム室内に平行に、かつ該穿孔壁と実質的に平行な面内に配置された加熱ロッドと、該加熱ロッド間に平行に配置されたパイプの形態にあるガス注入手段を備えるものであり、該パイプは該パイプの上半分上に配置された開口を有するところの請求項１９記載の方法。
該ガス注入手段が、該パイプの表面のいずれかの場所に配置された開口を有するところのものである請求項２０記載の方法。