JP4577974B2 - フローはんだ付け方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、はんだ材料を用いて電子部品などを基板に実装するためのフローはんだ付け方法およびそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子回路基板の製造において、電子部品などを基板に接合する１つの方法として、溶融したはんだ材料を噴流の形態で用いるフローはんだ付け方法が知られている。このフローはんだ付け方法は、一般的に、基板にフラックスを塗布するフラックス塗布工程、基板を予め加熱するプリヒート工程、ならびに基板をはんだ材料から成る噴流に接触させて基板にはんだ材料を供給するはんだ材料供給工程を含む。以下、従来の一般的なフローはんだ付け方法について、図面を参照しながら説明する。図４は、従来のフローはんだ付け装置の概略断面図である。図５（ａ）および（ｂ）は、図４のフローはんだ付け装置を用いるフローはんだ付け方法を説明する、基板に設けられたスルーホール近傍の拡大図であり、図５（ａ）は、スルーホールがはんだ材料からなる噴流の上方に位置するときの図であり、図５（ｂ）は、溶融したはんだ材料が基板に付着した状態を示す図である。
【０００３】
まず、既知の方法によってスルーホール挿入部品などの電子部品が所定の位置に適切に配置されたプリント基板などの基板に、フラックス供給手段（図示せず）を用いてフラックスを供給し、基板の下面にフラックスを塗布する。フラックスは、通常、ロジン（樹脂成分）などの活性成分およびイソプロピルアルコールなどの溶剤を含み、このようなフラックスを基板に塗布するフラックス塗布工程は、基板に形成されたランド（即ち、はんだ材料が供給されるべき部分）に不可避的に形成される酸化膜（自然酸化膜）を除去して、ランド表面でのはんだ材料の濡れ広がりを良好にする目的で行われる。フラックス供給手段には、霧状のフラックスを基板に吹き付けるスプレーフラクサーや、泡状のフラックスを基板と接触させる発泡フラクサーなどを用い得る。このようなフラックス供給手段は、フローはんだ付け装置とは別個に構成されていても、あるいはフローはんだ付け装置６０の内部に一体的に組み込まれて構成されていてもよい。
【０００４】
図４のフローはんだ付け装置６０に、上記のようにしてフラックスが塗布された基板７１（電子部品等は図示せず）を入口部６１から供給する。基板７１は、装置６０の内部を（図４に点線にて示す搬送ラインに沿って）、矢印６２の方向に一定速度で機械的に搬送される。基板７１の搬送は、より詳細には、基板７１の搬送方向に平行な両端部にて保持する搬送爪（図示せず）を矢印６２の搬送方向に機械的に移動させることにより行われる。尚、基板７１が搬送ライン（図中に点線にて示す）に沿って矢印６２の方向に搬送される空間のうち、プリヒート工程が実施されるプリヒーター６３の上方に位置する空間を予熱空間と呼び、はんだ材料供給工程が実施されるはんだ材料供給手段６６の上方に位置する空間をはんだ材料供給空間と呼ぶものとする。
【０００５】
このようにして装置６０の内部を入口部６１から出口部６９へ向けて搬送される基板７１は、まず、予熱空間において遠赤外線ヒーターなどの、基板７１の下方に位置するプリヒーター６３により加熱される。この加熱によるプリヒート工程は、基板７１へのはんだ材料６４の供給に先立って、基板７１を予め加熱して基板の上下方向における温度勾配を減少させて基板本体の温度を上昇させるため、上記のフラックス塗布工程により基板７１に塗布されたフラックスのうち不要な溶剤成分を気化させるため、ならびにぬれ時間の短縮のために行われるものである。プリヒーター６３は、一般的には、基板７１の搬送ラインの下方に配置されており、続くはんだ材料供給工程においてはんだ材料が供給される側と同じ側、即ち基板７１の下側から基板７１を加熱する。
【０００６】
続いて、基板７１は、予め加熱により溶融させたはんだ材料６４が入ったはんだ槽６５などを含むはんだ材料供給手段６６の上方のはんだ材料供給空間に搬送され、はんだ材料６４から成る１次噴流６７および２次噴流６８と基板７１の下面側にて接触して、はんだ材料６４が基板７１に供給される。このとき、噴流の形態で供給されたはんだ材料６４は、図５（ａ）に示すように、基板７１に形成されたスルーホール７２の内壁と、基板７１の上面側からスルーホールに挿入されているスルーホール挿入部品７３のリード７４との間の環状空間を、基板７１の下面側から毛管現象によって濡れ上がり、最終的には、図５（ｂ）に示すような形状を有して基板７１に付着する。その後、基板７１に供給されて付着したはんだ材料６４は温度低下により凝固して、該はんだ材料からなるフィレット７８を形成する。
【０００７】
このはんだ材料供給工程（またはフローはんだ付け工程）において、１次噴流６７は、基板７１に設けられたスルーホール７２の壁面ならびに該スルーホール７２を取り囲む基板７１の上面および下面領域に形成されたランド７５（および電子部品のリード７４）の表面をはんだ材料で十分に濡らすためのものであり、これが不十分であると、スルーホール７２とリード７４との間の環状空間をはんだ材料が十分濡れ上がらず、いわゆる「赤目」などの問題が生じる。また、２次噴流６８は、はんだレジストで覆われた領域に付着したはんだ材料を除去し、フィレットの形を整えるためのものであり、これが不十分であると、はんだ材料がランド間にまたがって残留・固化して、いわゆる「ブリッジ」を形成したり（このブリッジは電子回路のショートを招くので望ましくない）、角状の突起を形成したりするので望ましくない。
【０００８】
このようにして得られた基板７１は、その後、出口部６９から取り出され、これにより、フローはんだ付け方法によって電子部品が基板７１にはんだ付けされた電子回路基板が作製される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようにして作製される電子回路基板においては、従来、ＳｎおよびＰｂを主要構成成分とするＳｎ−Ｐｂ系のはんだ材料、特にＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ材料が一般的に用いられている。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ材料に含まれる鉛は、不適切な廃棄物処理により環境汚染を招く可能性があるため、鉛を含有するはんだ材料の代替として、鉛を含まないはんだ材料、いわゆる「鉛フリーはんだ材料」が工業規模で使用され始めている。
【００１０】
上述のようなはんだ材料からなるフィレット７８は、電子回路基板の高い信頼性を得るために、電子部品のリード７４と基板のランド７５との間において十分に高い接合強度が要求されるが、上記のような従来のフローはんだ付け方法において、Ｓｎ−Ｐｂ系のはんだ材料に代えて鉛フリーのはんだ材料を用いて電子回路基板を作製すると、ランド７５の表面に濡れ広がった溶融状態のはんだ材料６４が凝固する際に、図６（これは、図５（ｂ）の点線にて囲まれる領域Ｘの拡大図である。）に示すように、はんだ材料からなるフィレット７８の外周縁部８１が、ランド７５の外周縁部８３から離れて、フィレット７８およびランド７５の界面での部分的な剥離が起こり得る。
【００１１】
このような、フィレット７８のランド７５からの剥離現象は一般に「リフトオフ」と呼ばれ、リフトオフの発生は、ランド７５とはんだ材料からなるフィレット７８（または単にはんだ材料とも言う）との間の接合が不十分になり、その結果、リード７４とランド７５との間で高い接合強度が得られないという難点がある。このようなリフトオフは、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ材料を用いる場合にはほとんど起こらなかったが、鉛フリーはんだ材料を用いる場合に頻繁に起こるという問題がある。特に、ＳｎおよびＢｉを含む鉛フリーはんだ材料（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系材料）を用いる場合や、Ｓｎ−Ｐｂめっきが施されたリードを接合するために鉛フリーはんだ材料を用いる場合などにリフトオフが顕著に発生する。
【００１２】
以上のように、単にＳｎ−Ｐｂ系はんだ材料を鉛フリーはんだ材料に代えて、従来の方法および装置を用いてフローはんだ付けを行うと、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ材料の場合には殆ど問題にならなかったリフトオフの発生が無視できない程度に増加するという問題があり、鉛フリーはんだ材料を用いる場合に従来のフローはんだ付け方法および装置をそのまま利用することは適当でない。
【００１３】
本発明は上記の従来の課題を解決すべくなされたものであり、本発明の目的は、はんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するためのフローはんだ付け方法であって、はんだ材料として鉛フリーはんだ材料を用いる場合に適した方法および該方法を実施するための装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
リフトオフの発生要因については、一般的に、フローはんだ付けに用いるはんだ材料が溶融状態から凝固する際に、元の（供給時の）はんだ材料と組成の異なる、より低融点の合金成分（供給されたはんだ材料自身に含まれる金属材料および／またははんだ材料中に溶け出し得る金属材料（例えばリードのめっきなど）に起因する合金成分）がフィレットとランドとの界面近傍に集まって凝固することによると考えられている。例えば、本出願人による特願２０００−７１６３７号および特願２０００−７１６３５号を参照されたい。
【００１５】
本発明者らの更なる研究の結果、以下のようにしてリフトオフが発生することが明らかになった。図５（ｂ）に示すように基板７１に付着してランド７５上で濡れ広がって、上下の円錐台部分がこれらの間の環状体部分で接続された形状を有する溶融状態のはんだ材料６４は、まず、円錐台部分のうち、ランド７５と接触している外周縁部（図６の外周縁部８１に相当する部分）から凝固し始め、該外周縁部から円錐台部分の表面に沿って、リード７４と接触している先端部分（図６の先端部分８２に相当する部分）にまで次第に凝固する。これにより、はんだ材料６４の露出表面は全て凝固するが、その内部ではまだ溶融状態を維持している。次いで、はんだ材料６４の内部（バルク）の温度分布に従って、円錐台部分の先端部分から基板７１の主面に向かって凝固が進行する。このとき、上記のような低融点合金成分は、まだ凝固していない溶融状態のはんだ材料部分へより多く分配される（または偏析する）ため、凝固の進行と共に低融点合金成分が移動して濃縮される。やがて、ランド７５とはんだ材料６４との界面にまで凝固が進行し、はんだ材料６４が完全に凝固して、はんだ材料６４からなるフィレット７８を形成する。この結果、最も凝固が遅いランド７５とフィレット７８（はんだ材料６４）との界面に低融点合金成分８８が集まるが、凝固の進行と共に、フィレット７８の先端部分８２が凝固により固定（または拘束）された状態ではんだ材料６４が凝固収縮することによって、矢印８６で示す方向に張力が生じ、また、基板７１が熱収縮することによって、矢印８７で示す方向（基板７１の厚さ方向の中央に向かう方向）に張力が生じる。上記のようにしてランド７５とフィレット７８との界面近傍に濃縮された脆弱な低融点合金成分８８は、これら張力に耐えきれず、ランド７５の外周縁部８３から界面剥離が起こると考えられる。
【００１６】
以上のように、鉛フリーはんだ材料を用いてフローはんだ付けを行う際に発生するリフトオフの発生は、基板に供給されて付着した溶融状態のはんだ材料が凝固する際に、元のはんだ材料に対して組成の異なる、より低融点の合金成分が偏析し、フィレットとランドとの界面近傍に濃縮されて析出することに起因する。このような低融点合金成分の偏析は、凝固し始めたはんだ材料部分に存在する低融点合金成分が、まだ凝固していない溶融状態のはんだ材料部分へと移動することによるため、はんだ材料の凝固速度を上昇させることによって、低融点合金成分の移動を抑制し、フィレットとランドとの界面近傍に濃縮される低融点合金成分の量を減少させて（即ち、低融点合金成分の偏析を緩和して）、これによりリフトオフの発生率を減少させることが可能になると考えられる。このような知見に基づいて、本発明者らは、溶融状態のはんだ材料が基板に供給されてから完全に凝固するまでに要する時間を短縮化するように、はんだ材料供給後に基板を、より詳細には基板に供給されたはんだ材料を積極的に冷却する方法およびそのための装置を得るに至った。このようなフローはんだ付け方法および／または装置によれば、鉛フリーはんだ材料を用いる場合のリフトオフの発生率を低減することが可能となった。具体的には、本発明により以下のようなフローはんだ付け方法および装置が提供される。
【００１７】
本発明の１つの要旨においては、はんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するフローはんだ付け方法であって、溶融したはんだ材料を基板に供給した後、１０〜１００℃／秒、好ましくは３０〜１００℃／秒、より好ましくは４０〜８０℃／秒の冷却速度で基板の温度が低下するように、積極的に基板を少なくとも部分的（または局所的）に冷却することを特徴とする方法が提供される。
【００１８】
本発明の別の要旨によれば、はんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するフローはんだ付け装置であって：基板の下面に溶融したはんだ材料を噴流の形態で接触させることによって基板にはんだ材料を供給するはんだ材料供給手段と；はんだ材料供給手段によりはんだ材料が供給された基板を、１０〜１００℃／秒、好ましくは３０〜１００℃／秒、より好ましくは４０〜８０℃／秒の冷却速度で基板の温度が低下するように、少なくとも部分的（または局所的）に冷却する冷却手段とを備える装置が提供される。
【００１９】
従来、基板の下面に溶融したはんだ材料を噴流の形態で接触させることによって基板にはんだ材料を供給した後、基板を積極的に冷却することなく単に放冷していた。このような従来の方法／装置では、基板の冷却速度は、概して約３〜８℃／秒であり、鉛フリーはんだ材料を用いる場合に低融点合金成分の偏析を助長し、リフトオフの発生を招いていた。これに対して、本発明の上記方法および／または装置では、溶融したはんだ材料を基板に供給した後、１０〜１００℃／秒、好ましくは３０〜１００℃／秒、より好ましくは４０〜８０℃／秒の冷却速度で基板の温度が低下するように、基板を積極的に冷却しているので、溶融状態のはんだ材料が基板に供給されて付着してから、完全に凝固するまでに要する時間を短縮化できるので、特にはんだ材料として鉛フリーはんだ材料を用いる場合に、低融点合金成分の偏析を従来よりも緩和し、リフトオフの発生率を効果的に低減することが可能となる。
【００２０】
従って、本発明の方法および装置はいずれも、はんだ材料として、例えば、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系、およびＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系などの鉛フリーはんだ材料を使用する場合に特に適するが、本発明はこれに限定されず、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ材料などの鉛を含むはんだ材料を使用してもよい。
【００２１】
尚、本明細書を通じて、「基板の温度」とは、特にことわりのない限り、基板の上面の温度、より詳細には基板の上面側に位置するランド表面の温度を言い、例えば基板の上面側に位置するランドに熱電対を接触させ（例えば貼り付けて）、この熱電対から得られるデータをペンレコーダで記録することによって測定できる。また、「冷却速度」とは、溶融状態のはんだ材料が付着した基板の冷却を開始する時から、はんだ材料の凝固が完全に終了する時までの平均冷却速度を言うものとし、上記のようにして測定された基板の温度の測定データに基づいて得ることができる。具体的には、平均冷却速度は、冷却手段によって液体または気体などの冷却流体が供給されて基板が冷却され始める時から、基板の温度が１５０℃に達する時までの基板の温度の測定データに基づいて得られ得る。ここで、１５０℃の温度は、はんだ材料中に存在し得る低融点合金成分のうち、最も融点が低いＳｎ−Ｐｂ共晶合金の融点（１８３℃）よりも低く、この１５０℃の温度では、はんだ材料の凝固は完全に終了していると見なされる。
【００２２】
本発明の好ましい態様においては、基板を冷却するための冷却手段として、液体を基板に向けて噴射する手段を用いることができ、これにより１０〜１００℃／秒という冷却速度を得ることができる。このような冷却速度は、常套の方法で気体を基板に吹き付けるガス冷却のみによって得られる冷却速度よりも概して大きく、ガス冷却手段のみを用いて１０〜１００℃／秒の冷却速度を達成することは容易ではない。しかし、上記のような液体冷却手段を用いれば、基板に向かって供給され、基板（特に基板に供給されたはんだ材料）に付着した液体の気化熱を利用することができるので、１０〜１００℃／秒の冷却速度を得ることが可能となる。但し、本発明は液体冷却手段を用いるものに限定されることなく、１０〜１００℃／秒の冷却速度を得ることができる限り、気体冷却手段（例えばファンなど）を単独で用いて、あるいはその他の手段を用いてもよいことが理解されるべきである。
【００２３】
液体を基板に向かって噴射する液体冷却手段としては、具体的には、霧状の液体を基板に向かって噴出する（あるいは霧状の液体が分散した空間を形成する）液体冷却手段（例えばスプレーなど）、および柱状の液体（液滴が線状に集まって一体を成したものまたは噴流）を基板に向けて吐出する液体冷却手段（例えばノズル、ウォーターガンなど）のいずれか一方を用いることができ、また、これらの双方を併用することがより好ましい。霧状の液体は、必ずしも基板に向かって噴出されなくともよく、例えば、霧状の液体が分散した空間に基板を通過させるようにしてもよい。液体冷却手段（例えばスプレーなど）液体冷却手段により基板に向かって噴射する液体には、代替フロン系の溶剤（例えばハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ−１３４ａ））や、低残渣タイプのフラックス（例えばイソプロピルアルコールを溶剤とする、固形成分５％以下のもの）などを使用し得る。この液体は常温であってよいが、好ましくは５０〜１００℃である。
【００２４】
本発明の更に好ましい態様においては、上記のような液体冷却手段に加えて、気体を基板に吹き付けるガス冷却手段（例えばファンなど）を用いる。液体冷却手段とガス冷却手段を併用することによって、液体冷却手段単独で基板を冷却する場合よりも更に大きな冷却手段を得ることが可能となり、リフトオフの発生率を更に低減し得る。
【００２５】
ガス冷却手段により基板に吹き付ける気体には、例えば、空気または窒素ガスなどを用い得るが、窒素ガスが好ましい。窒素ガスは、基板に形成されたランドおよび／またははんだ材料の酸化を招くことがなく、はんだ材料の濡れ性を更に向上させることができるという利点を有する。この気体は常温であってよいが、０〜２０℃の低温の気体であることが好ましく、例えばスポットクーラーなどにより所定の温度に冷却した気体をファンなどを用いて基板に吹き付けることができる。
【００２６】
尚、上記のような液体冷却手段およびガス冷却手段は、基板の上面側および下面側のいずれから基板を冷却するものであってもよいが、Ｓｕ−Ｃｕ系、Ｓｕ−Ａｇ−Ｃｕ系材料の場合にはリフトオフが基板の上面側で発生するため上面側から冷却することが好ましく、また、基板が搬送される搬送ラインの上面側および下面側に冷却手段を設けて、基板の上面側および下面側の双方から基板を冷却することがより好ましい。
【００２７】
上記のような液体冷却手段およびガス冷却手段はいずれも、基板全体を冷却するものであっても、基板を局所的に（または基板の一部分を）冷却するものであってもよいが、２つまたはそれ以上の冷却手段を用いて、１つの冷却手段により基板全体を冷却すると共に、少なくとも１つの別の冷却手段により基板を局所的に冷却することがより好ましい。例えば、霧状の液体を基板に向かって噴霧する液体冷却手段により基板全体を冷却すると共に、柱状の液体を基板に向かって吐出する液体冷却手段により基板を局所的に冷却するようにしてもよい。また、気体を基板に吹き付けるガス冷却手段により基板全体を冷却すると共に、柱状の液体を基板に向かって吐出する液体冷却手段により基板を局所的に冷却するようにしてもよい。
【００２８】
ここで、「基板を局所的に冷却する」とは、基板に付着したはんだ材料が露出している基板の箇所を狙って（またはこれに向けて）、霧状の液体、柱状の液体または気体などの冷却用の流体を供給して、露出したはんだ材料を冷却することを意味するが、必ずしも露出しているはんだ材料の全てを冷却しなくてよい。リフトオフの発生率は、基板に実装する電子部品の種類によって（より詳細にはランドおよび／またはリードなどの形状によって）異なることが解っているので、例えば、リフトオフの発生率の高い電子部品の接合部（はんだ材料）の露出部分を狙って冷却することによって、リフトオフの発生を効率よく防止することができる。
【００２９】
上述のような基板を局所的に冷却する冷却手段は、所定の位置に固定されていてよいが、基板と並進しながら基板を冷却するように、基板の搬送方向に沿ってスライド移動可能に構成されることが好ましい。固定された局所的な冷却手段のみを用いる場合には、その冷却手段から吐出される柱状の液体が搬送ラインを横切る位置を基板の所定の箇所（即ち、冷却対象のはんだ材料）が通過する間だけ該所定の箇所が冷却されるため冷却時間が短く、また、はんだ材料供給空間にある溶融状態のはんだ材料からの熱的影響を受けて比較的高温となっている冷却空間の雰囲気ガスに曝されるため、冷却が十分に得られない場合があり得る。これに対して、搬送方向にスライド移動可能な冷却手段を用いる場合には、基板と並進しながら基板を冷却するので、基板の所定の箇所を他の箇所よりも長時間に亘って冷却することが可能となり、これにより、周辺の冷却していない雰囲気ガスの熱による冷却効率の低下を低減することができ、基板の所定の箇所を十分に冷却できるという効果が得られる。特に、基板の所定の箇所がはんだ噴流から離れる位置から、所定の箇所が目的の温度に達して冷却が終了する位置までに亘って基板と並進しながら基板を冷却することが好ましい。
【００３０】
本発明の更に好ましい態様においては、冷却手段を用いて基板を冷却する冷却空間と、はんだ材料が基板に供給されるはんだ材料供給空間（これは、はんだ材料供給手段の上方に位置する）とを熱的に遮断する遮断手段、例えばエアカーテンおよび／または仕切り（ゴム製シートなど）を用いてこれら空間を仕切ることが好ましい。はんだ材料供給空間の雰囲気ガスは、高温の溶融状態のはんだ材料により温度が上昇しているが、冷却空間の雰囲気ガスは、基板を冷却するために、より低温であるほうがよい。そこで、上記のようにエアカーテンや仕切りなどの遮断手段を用いてはんだ材料供給空間の雰囲気ガスから冷却空間の雰囲気ガスを熱的に遮断することによって、装置全体の熱効率を向上させることができるという効果が得られる。
【００３１】
本発明に利用可能な基板には、例えば、紙フェノール系材料、ガラスエポキシ系材料、ポリイミドフィルム系材料、およびセラミック系材料などからなる基板が用いられ得る。また、基板に接合される電子部品は、挿入部品（例えば半導体、コンデンサ、抵抗、コイル、コネクタなど）および／または基板の裏面に配置される表面実装部品（例えば半導体、コンデンサ、抵抗、コイルなど）であってよい。しかし、これらは単なる例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３２】
本発明のフローはんだ付け方法はフラックス供給手段を用いるフラックス塗布工程を含み、また、本発明のフローはんだ付け装置はフラックス供給手段を含むことが好ましい。このようなフラックス供給手段としては、泡状のフラックスを基板と接触させる発泡式のフラックス供給手段（例えば発泡フラクサー）、ならびに霧状のフラックスを基板に吹き付けるスプレー式のフラックス供給手段（例えばスプレーフラクサー）を単独で、あるいは組み合わせて用い得る。このフラックス供給手段は、フローはんだ付け装置に一体的に組み込まれて構成されていても、フローはんだ付け装置と別個に構成されていてもよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の種々の実施形態について図面を参照しながら説明するが、従来のフローはんだ付け方法および装置と異なる点を中心に説明するものとする。
【００３４】
（実施形態１）
図１に示す本実施形態のフローはんだ付け装置２０は、図４を参照して説明した従来のフローはんだ付け装置６０と同様の構成を有するが、基板１１が搬送ライン（図中に点線にて示す）に沿って矢印２の方向に搬送される空間のうち、はんだ材料供給手段６の上方のはんだ材料供給空間に対して、搬送方向２に下流に位置する冷却空間に基板１１が搬送されたときに、基板１１を冷却するように、冷却空間の上下に各々配置された冷却手段１２ａおよび１２ｂを更に備える点で従来のものと相違する。本実施形態においては、液体冷却手段１２ａおよび１２ｂはいずれも、霧状の液体を基板全体に向けて噴霧して基板全体を冷却する手段である。以下、このようなフローはんだ付け装置２０を用いて、電子部品を基板に実装するフローはんだ付け方法について説明する。
【００３５】
まず、従来と同様に、電子部品が所定の位置に適切に配置された基板の下面に、例えば発泡式またはスプレー式のフラクサーを用いてフラックス（図示せず）を塗布し、この基板１１（図１中、電子部品等は図示せず）を入口部１から装置２０に供給し、入口部１から出口部９に向かう搬送ライン（図１に点線にて示す）に沿って矢印２の方向に機械的に搬送する。尚、上記フラクサーはフローはんだ付け装置２０の内部に一体的に構成されていてもよく、この場合には、フラックスが塗布されていない基板１１を入口部１から装置２０内に入れて搬送しながら、以下のプリヒート工程に先立って、プリヒーター３の上流にて基板１１の下面にフラックスを塗布する。
【００３６】
その後、基板１１がプリヒーター３の上方の予熱空間に搬送されると、プリヒート工程として、基板１１の下方に位置するプリヒーター３により、従来と同様にして基板１１を約１００〜１３０℃に予め（またははんだ材料供給に先立って）加熱する。このようにして予熱された基板１１は、続いて、図１に示すはんだ材料供給手段６の上方のはんだ材料供給空間に搬送され、従来と同様にしてはんだ材料供給工程が実施される。具体的には、基板１１の下面に、はんだ槽５内の溶融したはんだ材料４を１次噴流７および２次噴流８の形態で順次接触させることによって、はんだ材料４が基板１１に供給されて付着する。このとき、基板１１に供給される溶融状態のはんだ材料４は、例えば約２４５〜２６０℃であり、１次噴流７および２次噴流８と接触しているときの基板１１の上面側の温度は、溶融状態のはんだ材料４の温度よりも５〜１５℃低い温度、例えば約２３５〜２５５℃である（尚このとき、基板１１の下面側の温度は、溶融状態のはんだ材料４の温度と実質的に等しい）。
【００３７】
次いで、基板１１がはんだ材料供給空間の下流の冷却空間に搬送されると、冷却手段１２ａおよび１２ｂを用いて、基板１１の各々上面側および下面側から基板１１に向けて霧状の液体（またはミスト）を噴出して基板１１の全体を冷却する。このとき、基板の冷却を開始する時からはんだ材料が完全に凝固する時までの平均冷却速度（本実施形態においては、基板の搬送ラインに対して上下に対称に配置された冷却手段１２ａおよび１２ｂから液体が噴出されて基板が冷却され始める時から、基板の温度が１５０℃に達する時までの平均冷却温度とする）を、１０〜１００℃／秒、好ましくは３０〜１００℃／秒、より好ましくは４０〜８０℃／秒とすることができる。
【００３８】
その後、冷却工程を経た基板１１が出口部９から取り出され、これにより、フローはんだ付け方法によって電子部品が基板１１に実装された電子回路基板が得られる。
【００３９】
本実施形態によれば、溶融したはんだ材料を基板に供給した後、１０〜１００℃／秒、好ましくは３０〜１００℃／秒、より好ましくは４０〜８０℃／秒の冷却速度で基板の温度が低下するように基板を積極的に冷却するので、溶融状態のはんだ材料が基板に供給されてから、完全に凝固するまでに要する時間を短縮化できる。従って、特にはんだ材料として鉛フリーはんだ材料を用いる場合に、リフトオフの発生率を効果的に低減することが可能となる。
【００４０】
尚、本実施形態においては、基板を冷却するために、基板の上面側および下面側の双方に各々１つずつ配置された２つの冷却手段を用いるものとしたが、冷却手段の配置および数などはこれに限定されない。例えば、上面側または下面側のいずれか一方にのみ冷却手段を１つまたは２つ以上配置してもよく、また、上面側および下面側の双方に冷却手段を配置する場合であっても、上面側に配置される冷却手段の数と、下面側に配置される冷却手段の数を同じにしても、違えてもよい。更にまた、本実施形態では冷却手段として液体冷却手段のみを用いるようにしたが、液体冷却手段とガス冷却手段とを組み合わせて用いることが更に好ましい。
【００４１】
また、本実施形態においては、２つの冷却手段とも基板全体を冷却するものとしたが、いずれか一方または双方を実施形態２にて後述するような基板を局所的に冷却する手段としてもよく、あるいは、基板を局所的に冷却する手段を基板の上面側および下面側のいずれかまたは双方に追加してもよい。特に、冷却手段として基板を局所的に冷却する手段を用いる場合には、基板と並進しながら基板を冷却するように、（図１の紙面内で）基板の搬送方向に沿ってスライド移動可能に構成された手段を用いて、基板の所定の箇所を、他の箇所よりも長時間に亘って冷却するようにしてもよい。
【００４２】
（改変例）
本改変例のフローはんだ付け装置は、図１を参照して説明した上記実施形態のフローはんだ付け装置２０に、図２に示すようにエアカーテン形成手段１４を追加して設けたものである（図２においても、図１および図２と同様の部材には同様の参照番号を付し、基板１１の電子部品等は図示しないものとしている）。本改変例においても、このようなフローはんだ付け装置を用いて、上記実施形態とほぼ同様にしてフラックス塗布工程、プリヒート工程、およびはんだ材料供給工程を含むフローはんだ付け方法が実施され得るが、エアカーテン形成手段１４を用いることにより以下のような相違がある。
【００４３】
エアカーテン形成手段１４は、搬送空間のうち、はんだ材料供給手段６の上方に位置するはんだ材料供給空間の雰囲気ガスと、基板の搬送方向２においてはんだ材料供給空間よりも下流にある冷却空間の雰囲気ガスとを熱的に遮断する遮断手段として機能するエアカーテン１６を提供するものである。このエアカーテン形成手段１４には、例えば、適切な大きさおよび形状を有するスリット（または穴）が設けられたパイプなどの内孔に気体（好ましくは窒素ガス）を流し、搬送方向２に搬送される基板の搬送ライン（図２にて点線にて示す）を横切るように気体をパイプのスリットから流出させて、エアカーテン１６を形成している。ここで、エアカーテン１６を形成する気体の温度は特に限定されない。
【００４４】
通常、はんだ材料供給空間の雰囲気ガスは、プリヒート工程において使用されるプリヒーターおよびはんだ材料供給工程において使用される高温のはんだ材料４によって加熱されている。一方、搬送方向２において、はんだ材料供給空間よりも下流にある冷却空間の雰囲気ガスは、はんだ材料４などからの熱的影響が少なく、また、基板１１を冷却するために、概してはんだ材料供給空間の雰囲気ガスよりも低温の液体や気体などが供給されているので、はんだ材料供給空間の雰囲気ガスよりも温度が低い。従って、はんだ材料供給空間の雰囲気ガスと、冷却空間の雰囲気ガスとの温度差により装置全体の熱効率が低くなる。しかし、本実施形態のように、はんだ材料供給空間の雰囲気ガスと冷却空間の雰囲気ガスとの間にエアカーテン１６を設けることによって、上記実施形態と同様の効果が得られることに加えて、上記実施形態の装置よりも熱効率を向上させることが可能となる。
【００４５】
上記のようなエアカーテン１６などの遮断手段は、はんだ材料供給空間において、はんだ材料から成る２次噴流８と接触していた基板１１が２次噴流８から離れる位置より下流であればよいが、好ましくは該遮断手段が２次噴流８の外形（または表面）に影響を及ぼさない位置に設けることが好ましい。遮断手段は、例えば、はんだ槽５の下流側端部付近の上方に位置する基板の搬送空間を横切って設けることができる。
【００４６】
尚、本改変例では、遮断手段としてエアカーテンのみを用いるものについて説明したが、特に、エアカーテンとして高温（例えば２００〜４００℃）の気体を用いる場合には、冷却空間の雰囲気ガスの温度を低下させないように、冷却空間とエアカーテンの間に（図２では冷却手段１２ａおよび１２ｂとエアカーテン１６との間に）、例えばゴム製シートなどの仕切り（図示せず）を設けることが好ましい。このようなシートには、適当な間隔および長さで、基板に近い側からスリットが入っていることが好ましい。また、エアカーテンに代えて、このようなシートを単独で用いるようにしても、はんだ材料供給空間の雰囲気ガスと冷却空間の雰囲気ガスとの間の熱損失を低減して、上記実施形態の装置よりも熱効率を向上させるという効果を奏し得る。
【００４７】
（実施形態２）
本実施形態のフローはんだ付け装置は、図１を参照して上述した実施形態１のフローはんだ付け装置の冷却手段を変更したものであり、その他の部材については実施形態１と同様である。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。
【００４８】
実施形態１においては、液体を基板に向かって噴射する液体冷却手段として、霧状の液体を基板に向けて噴出して基板全体を冷却する液体冷却手段１２ａおよび１２ｂ（図１）を用いるものとしたが、本実施形態ではこれらに代えて、柱状の液体を基板に向けて吐出して基板を局所的に冷却する液体冷却手段を用いることとした。この液体冷却手段は、冷却用の液体３２を収容する液体加圧タンク３３と、外部から液体加圧タンク３３に供給されるエアの圧力を調節する圧力調節弁３１と、チューブ３４およびディスペンサバルブ３５を介して液体加圧タンク３３に接続されたノズル３６とを含む。ノズル３６には、０．１〜０．３ｍｍの穴径を有するものを使用でき、ディスペンサバルブ３５の開閉により、ノズル３６からの液体の吐出が制御される。
【００４９】
上記のような液体冷却手段を用いて、電子部品３７から引き出されたリード３８と基板１１のスルーホールとの間の環状空間を満たして付着したはんだ材料３９に向けて（図中に点線矢印にて示す方向に）、ノズル３６から液体を吐出することによって、はんだ材料３９に液体が付着してこのはんだ材料３９を冷却することができる。尚、基板１１の所定の箇所に対する液体の吐出方向は特に限定されず、吐出された液体は任意の角度で基板の所定の箇所に付着してよい。
【００５０】
以上のように、本実施形態によれば、基板の所定の箇所、即ち冷却対象のはんだ材料のみを狙って冷却することができる。また、このような冷却手段を用いるフローはんだ付け方法および装置によれば、基板とノズルとの間の距離が１００ｍｍ程度離れている場合でも、基板の所定の箇所に必要量の液体を確実に付着させることができる。更に、搬送ライン上を通過する基板の有無を検出するようにセンサを設け、このセンサと連動させてディスペンサバルブ３６の開閉を制御することもでき、このような場合には、必要なときにのみ液体を吐出させることが可能となる。また、本実施形態の液体冷却手段を基板の搬送方向に沿ってスライド移動可能に構成し、基板と並進しながら基板を冷却して、基板の所定の箇所を、他の箇所よりも長時間に亘って冷却するようにしてもよい。
【００５１】
以上、本発明の実施形態および改変例について上述したが、本発明を逸脱しない範囲でその他の種々の改変がなされ得ることが当業者に容易に理解されよう。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するためのフローはんだ付け方法であって、はんだ材料として鉛フリーはんだ材料を用いる場合に適した方法および該方法を実施するための装置が提供される。このようなフローはんだ付け方法および装置は、溶融したはんだ材料を基板に供給した後、基板を積極的に冷却しているので、溶融状態のはんだ材料が基板に付着してから完全に凝固するまでに要する時間を短縮化でき、よって、はんだ材料として鉛フリーはんだ材料を用いる場合のリフトオフの発生率を効果的に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１つの実施形態におけるフローはんだ付け装置の概略断面図である。
【図２】 図１の実施形態の改変例における、フローはんだ付け装置の概略部分断面図である。
【図３】 本発明のもう１つの実施形態におけるフローはんだ付け装置の部分概略図である。
【図４】 従来のフローはんだ付け装置の概略断面図である。
【図５】 図４のフローはんだ付け装置を用いるフローはんだ付け方法を説明する、基板に設けられたスルーホール近傍の拡大図であり、図５（ａ）は、スルーホールがはんだ材料からなる噴流の上方に位置するときの図であり、図５（ｂ）は、溶融したはんだ材料が基板に付着した状態を示す図である。
【図６】 図５（ｂ）の領域Ｘの拡大図である。
【符号の説明】
１ 入口部
２ 矢印（搬送方向）
３ プリヒーター
４ はんだ材料
５ はんだ槽
６ はんだ材料供給手段
７ １次噴流
８ ２次噴流
９ 出口部
１１ 基板
１２ａ、１２ｂ 冷却手段
１４ パイプ（エアカーテン形成手段）
１６ エアカーテン
２０ フローはんだ付け装置
３１ 圧力調節バルブ
３２ 液体
３３ 液体加圧タンク
３４ チューブ
３５ ディスペンサバルブ
３６ ノズル
３７ 電子部品
３８ リード
３９ はんだ材料（フィレット）

Claims (2)

1. はんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するフローはんだ付け方法であって、溶融した鉛フリーはんだ材料を基板に供給した後、１０〜１００℃／秒の冷却速度で基板の温度が低下するように、基板全体を冷却すると共に、基板に配置された電子部品の一部に対してそのはんだ付け部を、基板と並進する冷却手段を用いて冷却することを特徴とする方法。
2. はんだ材料を用いて電子部品を基板に実装するフローはんだ付け装置であって、
   基板の下面に溶融したはんだ材料を噴流の形態で接触させることによって基板にはんだ材料を供給するはんだ材料供給手段と、
   はんだ材料供給手段によりはんだ材料が供給された基板を、１０〜１００℃／秒の冷却速度で基板の温度が低下するように、少なくとも部分的に冷却する冷却手段と
   を備え、
   冷却手段を２つまたはそれ以上備え、１つの冷却手段は基板全体を冷却するための手段であり、少なくとも１つの別の冷却手段は、基板を局所的に冷却するための手段であり、
   基板を局所的に冷却する冷却手段が、基板と並進しながら基板を冷却するように、基板の搬送方向に沿ってスライド移動可能に構成される装置。

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