JP4202295B2 - リフローはんだ付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を実装基板にはんだ付けするためのリフローはんだ付け装置に関するものである。

近年、ビデオムービー、携帯電話などの携帯電子機器は、高機能化および小型化が進んでいる。それに伴って機器に内蔵されるプリント基板も小型化され、さらなる薄型化、そして筐体内での配置の自由度向上のためにフィルム基板の採用も進んでいる。また、実装される電子部品もＣＣＤモジュールに代表されるように、耐熱温度１７０℃以下という従来と比較すると極端に低いものも多くなってきている。
さらに、環境に対する意識の高まりから、はんだに含まれる鉛の使用が見直されつつあり、欧州では法規制により鉛はんだが全廃される。代替材料である鉛フリーはんだは、鉛はんだと比較して溶融温度が２０〜４０℃高くなり、一般的には２００〜２２０℃となる。

このような状況下において、耐熱温度が１７０℃という従来と比較すると極端に低い電子部品の実装には、溶融温度の低いはんだ材料の開発により、これを用いるという方法が考えられる。例えば、Ｓｎ−５８％Ｂｉはんだの溶融温度は１３８℃であり、この材料を使えばＣＣＤモジュールの耐熱温度を確保することができる。しかし、この材料は固く、脆い性質を持つＢｉを多量に含んでいるため、はんだ付け信頼性が低いことが知られており、実用化が困難である。信頼性が低くなる原因は、はんだ付け接合面にＢｉが偏析するためである。Ｂｉの偏析を抑止することができれば信頼性を確保することができるため、弱耐熱部品のリフローが可能となる。そのための一方法として、特許文献１のように、はんだ付け部に超音波を作用させる方法が提案されている。
特開２００３−０４６２２８号公報

前記の方法では、電子部品を実装する基板を両端から挟み込む構造で超音波を作用させるため、実装基板が容易には変形しないことが要求される。基板材料として、ＦＲ４、ＣＥＭ３等の複合材はそのような方法に使用可能である。しかし、ＣＣＤモジュール等の耐熱温度の低い電子部品が実装されている基板は、ポリイミドからなるフィルム基板が一般的である。このフィルム基板は、モバイル商品の筐体内に内蔵することから、容易に変形できるように作られている。そのため、従来提案されている方法では、超音波を作用させることができないという問題を有している。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、フィルム基板に耐熱温度の低い電子部品をはんだ付けすることができるリフロー装置を提供することを目的とする。

本発明のリフローはんだ付け装置は、はんだにて接合される電子部品を載置したフィルム基板を搭載する板状の加熱部と、前記板状の加熱部に接触し、前記板状の加熱部を振動発熱させる超音波発生装置と、前記板状の加熱部に接触し、前記超音波発生装置から前記板状の加熱部へ与えられた超音波振動を減衰する装置を配置したことを特徴とする。

本発明のリフローはんだ付け装置は、被装着材であるフィルム基板を搭載する板状の加熱部を備え、超音波によりこの板状の加熱部を振動発熱させるので、弱耐熱部品を搭載するとともに変形しやすいフィルム基板に対してリフローはんだ付けが可能になる。超音波による振動により、はんだ溶融後の冷却時にＢｉの結晶成長が抑制されるため、はんだ付け接合面にＢｉが偏析することがなく、Ｓｎ−５８％Ｂｉはんだによって高品質なはんだ付けができる。

本発明のリフローはんだ付け装置は、被装着材であるフィルム基板を搭載する板状の加熱部を備え、超音波によりこの板状の加熱部を振動発熱させてフィルム基板のリフローはんだ付けを行うものである。本発明によれば、弱耐熱部品を搭載しているフィルム基板のリフローはんだ付けが可能になる。

本発明のリフローはんだ付け装置は、従来のリフローはんだ付け装置のように加熱トンネル部を常時昇温させておく必要はない。従って、実装基板のリフローはんだ付け時にのみ超音波発生装置を作用させればよいので、大きな省エネ効果が期待できる。試算してみると、従来のリフローはんだ付け装置の消費エネルギーは約３７ｋＷであるが、本発明のリフローはんだ付け装置の消費エネルギーは約３ｋＷであり、従来の約１０％のエネルギーでリフローはんだ付けすることが可能となる。
また、装置の小型化を図ることができ、従来のリフローはんだ付け装置の全長が約４ｍであったものを、本発明のリフローはんだ付け装置では全長約１．５ｍにすることができる。

本発明の好ましい実施の形態において、板状の加熱部は、材質の異なる２種類以上の材料の組み合わせから構成されている。この材料の組み合わせは、それぞれの材料の層を組み合わせるものと、１つの層を複数の材料の組み合わせで構成するものとを含む。このように材質の異なる材料を組み合わせと、材料毎に超音波の伝わる速度に差が生じるため、材料間での分子同士の摩擦が大きくなり、発熱効果を上げることができる。

本発明の他の好ましい実施の形態において、板状の加熱部の表面に、易剥離性の粘着加工をしたフィルムを貼り付けている。そのようなフィルムとしては、厚さ１００μｍ程度のシリコーンシートの両面に易剥離性の粘着加工をしたものがある。このような粘着性のフィルムにより、フィルム基板を安定に保持し、かつフィルム基板への密着性がよくなるので、熱の伝達をよくすることができる。
本発明のさらに他の好ましい実施の形態において、板状の加熱部が、フィルム基板の非加熱部のための切り欠き部を有する。これによって、耐熱性の低い部品の損傷を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における、リフローはんだ付け装置の構成を示す。図１において、１は板状の加熱部であり、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属、または樹脂材料からなる。板状の加熱部１の一端面には超音波発生装置２が、これと対向する端面には超音波発生装置２から加熱部１を通過してきた超音波を減衰させるための減衰装置３がそれぞれ設けられている。超音波発生装置２は、周波数約２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波を発生させる。この周波数は、大きいほど超音波の波長が短くなるため、板状の加熱部１上での振動および加熱むらが少なくなるので好ましい。しかし、高周波化すると、物理的に大きな物を振動させることができないため、上限は６０ｋＨｚ程度である。

図１では、加熱部１の上に、フィルム基板５が搭載されている。フィルム基板５上には、クリームはんだ（図示せず）が塗布された上に電子部品４が載置されている。板状の加熱部１は、超音波発生装置２および減衰装置３によって把持され、超音波発生装置２で発生した超音波エネルギーにより板状の加熱部１が振動して発熱するように構成されている。

所定の位置にクリームはんだを介して電子部品４を搭載したフィルム基板５を板状の加熱部１上に載せ、超音波発生装置２を作動させると、板状の加熱部１が超音波により発熱する。板状の加熱部１を通過してきた超音波は減衰装置３により減衰される。板状の加熱部１で発生した振動、熱がフィルム基板５に伝わって、クリームはんだが溶融する。はんだの溶融後、超音波発生装置２の出力を下げて、自然冷却または強制冷却により溶融したはんだを凝固させ、フィルム基板５への電子部品４のはんだ付けが完了する。

図２は、板状の加熱部の構成例を示す。板状の加熱部１は、材質の異なる２種類の材料を組み合わせて構成されている。ここで層１ａを構成する材料と層１ｂを構成する材料とは、密度が異なり、超音波の伝達する速度、すなわち音速の差があるようにするのが望ましい。この２種類の材料は図２に示すように、各材料からなる層を重ねた２層構造としても良いが、より効果的な方法として２種の材料を細かく組み合わせる方法もある。ガラス繊維とエポキシ樹脂を組み合わせたＦＲ４はその一例である。

また、図３に示すように、板状の加熱部１の第２の構成例として、組み合わせる材料の数を層１ａ、１ｂおよび１ｃの３種類またはそれ以上のものを積層することも可能である。ガラス繊維の層とエポキシ樹脂の層を交互に組み合わすのが最も好ましい。

図４は、板状の加熱部の第３の構成例を示すものである。板状の加熱部１の表面に、例えば珪樹の名で三菱樹脂（株）より販売されている粘着性フィルム６を貼り付けている。粘着性フィルム６を貼り付けていることにより、容易に変形するフィルム基板５を加熱部１上に安定して保持できるから、超音波により発熱した加熱部１の熱をフィルム基板５に効率よく伝えることができる。板状の加熱部１の温度は、約１６０℃まで上昇するので、粘着性フィルム６は、耐熱性があり、また板状の加熱部１からフィルム基板５への伝熱効果を高めるために薄いものを選ぶことが望ましい。この構成により、フィルム基板５と板状の加熱部１との密着性を確保することができる。

実際にリフローはんだ付け実験装置を作製して有用性の確認を行った。超音波発生装置２には、発振周波数３８ｋＨｚで出力４０Ｗのものを用意した。そして板状の加熱部１には、両面銅貼りガラスエポキシ基板を用いた。両面銅貼りガラスエポキシ基板の表面には、シリコン樹脂を素材とした厚さ１００μｍの両面粘着シートを貼り付けた。超音波発生装置２を作動させたときの板状の加熱部１の表面温度を、熱電対を用いて測定したところ、超音波発生装置の作動開始後６２秒で１６２℃まで上昇することが確認された。

そこで、Ｓｎ−５８％Ｂｉのクリームはんだ（融点１３８℃）で電子部品４を実装したフィルム基板５を用意した。これを板状の加熱部１に搭載し、超音波発生装置２を作動させたところ、４５秒後にはクリームはんだが溶融し、６０秒後に超音波発生装置２の出力を２０Ｗに下げ、１０５秒後に強制冷却を開始した。こうしてはんだ付けが完了した。図７は、このはんだ付けにおける実装部品の上面の温度変化を示す。はんだ付け後の接合界面をＳＥＭ観察したところ、信頼性低下の要因であるＢｉの偏析は見られず良好な状態であることが確認された。

図５は板状の加熱部１の変形例を示すもので、一部に切り欠き部７を有する。フィルム基板５上に加熱したくない部分がある場合には、加熱したくない部分が切り欠き部７上に位置するように、フィルム基板５を加熱部１に搭載する。本発明によるリフローはんだ付け装置では、板状の加熱部１が熱源となるため、切り欠き部７を設けることにより、昇温を抑制することが可能となる。

超音波は減衰しやすい性質を持っているため、板状の加熱部１が大型になると、面内の温度分布のばらつきが大きくなる。そこで、図６に示すように、複数の超音波発生装置２により、板状の加熱部１の複数の辺から超音波を作用させる方法も有効である。図示の例では、２つの超音波発生装置２を相対向するように設けたので、一方の超音波発生装置に対して他方の超音波発生装置は減衰装置として働く。

このように本実施の形態によれば、容易に変形するフィルム基板５上に耐熱温度の低い電子部品を高品質にリフローはんだ付けをすることができる。

本発明のリフローはんだ付け装置は、電子部品を実装基板にリフローはんだ付けするのに利用することができる。

本発明の一実施の形態におけるリフローはんだ付け装置の構成を示す斜視図である。 板状の加熱部の他の例を示す斜視図である。 板状の加熱部のさらに他の例を示す斜視図である。 板状の加熱部の他の例を示す斜視図である。 板状の加熱部のさらに他の例を示す斜視図である。 複数の超音波発生装置を備えたリフローはんだ付け装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例におけるはんだ付けの際の実装部品の上面の温度変化を示す図である。

符号の説明

１ 板状の加熱部
１ａ、１ｂ、１ｃ 加熱部を構成する異なる材料からなる層
２ 超音波発生装置
３ 減衰装置
４ 電子部品
５ フィルム基板
６ 粘着性フィルム
７ 切り欠き部

Claims (5)

1. はんだにて接合される電子部品を載置したフィルム基板を搭載する板状の加熱部と、前記板状の加熱部に接触し、前記板状の加熱部を振動発熱させる超音波発生装置と、前記板状の加熱部に接触し、前記超音波発生装置から前記板状の加熱部へ与えられた超音波振動を減衰する装置を配置したことを特徴とするリフローはんだ付け装置。
2. 板状の加熱部が、材質の異なる２種類以上の材料の組み合わせからなる請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
3. 板状の加熱部の表面に、粘着性のフィルムを貼り付けている請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
4. 板状の加熱部が、フィルム基板の非加熱部のための切り欠き部を有する請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
5. 超音波発生装置を複数備えた請求項１記載のリフローはんだ付け装置。

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