JP4881831B2 - はんだ付け方法及びリフローはんだ付け装置 - Google Patents
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Description
また、接続に使用されるはんだは地球環境保護の観点から鉛フリーはんだを使用することが必須であり、はんだとしては融点が200〜220℃付近のSn−Ag−Cu系を主体とした合金などが使用されている。
ぬれ性を向上させるためには、はんだの流動性を高めて、はんだの溶融物性を改善する、すなわち、溶融時のはんだの表面張力や動粘度を低くすれば良い。
(ア)はんだ付けを窒素などの不活性雰囲気中で実施し、はんだ酸化物の出現を抑える、
(イ)はんだの流路幅を広くかつ、屈曲部を無くして流路形状を単純化する、
(ウ)超音波によりはんだの表面張力などを低下させる
しかし、上記(ア)では従来の技術で鉛フリーはんだの使用時には通常使用されるものであり、さらに、上記(イ)は被接続物側の仕様変更での対応方法であるが、被接続物が微細化するに伴い実現は困難となるため、適当でない。
すなわち、超音波を用いる場合、効果を得るためには超音波振動子を被接続部材付近に配置する又はこれに接触させなければならないところ、超音波振動子は耐熱温度が100度程度と低く、高温下のリフロー炉内で長時間使用すると破壊してしまうため、短時間しか使用できず、リフロー炉の中の高温雰囲気中で恒常的に使用することができなかった。また、一度使用され、超音波振動子が一旦高温になると、次に使用するまで温度が下がるのを待たなければならず、高温化防止又は高速低温化の施策がなされていない為、全体としてスループット低下を招いていた。
(1)被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、
少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前記リフロー炉内の前記被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記超音波振動を与えた後に、前記超音波振動子と接続された音極を前記リフロー炉内よりも温度の低い炉外に移動させる第四の工程と、前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第五の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法である。
(2)被接続部材にはんだを供給する第一の工程と、前記はんだに光を照射して溶融させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子に接続された音極と前記被接続部材とを近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記超音波振動を与えた後に、前記超音波振動子に接続された音極を前記リフロー炉内よりも温度の低い炉外に移動させる第四の工程と、前記はんだを凝固させる第五の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法である。
(3)炉体と、前記炉体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、前記炉体内に設けられ、前記被接続部材を加熱するヒーターと、前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、前記音極及び前記超音波振動子を支持し、前記炉体内及び炉体外に移動させるスライダーと、を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置である。
多くの構成で第一の実施形態と共通するものの、第一の実施形態と比較した本実施形態の主な特徴は、超音波振動子6をガラスウールなどの断熱材10で覆った構成とした点であり、これにより、超音波振動子6の温度上昇を遅延できるほか、長時間の超音波加振が可能となる。すなわち、本実施形態のリフローはんだ付け装置を用いたはんだ付けにおいては、はんだ溶融中に長時間にわたって超音波加振ができるため、はんだ付け時にはんだ内に発生しうるフラックスアウトガス起因のボイドの影響が問題となる組成のはんだに対しては有効となる。
このアルミ合金製筐体には、はんだ付け時にステンレス製コネクタのずれが生じないようガイドされている。
なお、アルミ合金製筐体、およびステンレス製コネクタには表面にニッケルめっきが施されている。また、正常にはんだ付けがなされると、アルミ合金製筐体、およびステンレス製コネクタの最も狭い50μmの間隙にもはんだが入り込むことになる。
フラックスはイソプロピルアルコールがベースで活性剤として2%の塩化物を含んでいるものとした。
リフローはんだ付けは、代表的な鉛フリーはんだであるSn−3Ag−0.5Cuを用いて、昇温速度1.6℃/秒、ピーク温度250℃で実施された。
なお、これらの条件は以下に示す実験例の全てにおいて適用した。
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子(周波数:35kHz、出力1000W)の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
(A)接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに10秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
(B)超音波による加振を全く行わず、はんだ付けし、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
の2種類のアルミ筐体サンプルを各20個ずつ合計40個作製した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、
(A)の場合・・・0%
(B)の場合・・・20%
であった。
これにより、はんだ付け時に超音波加振することに効果があることがわかった。
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子(周波数:35kHz、出力1000W)の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
(C)接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに10秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部(雰囲気温度40℃の場所)に退避させて、はんだを凝固させたもの、
(D)接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに10秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
の2種類のアルミ筐体サンプルを各20個ずつ合計40個作製した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、(C)、(D)いずれの場合も0%であった。
(C)の場合・・・2分
(D)の場合・・・5分
となった。
よって、(C)の場合は、(D)の2.5倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、振動子が炉内の低温部に退避するかあるいは炉外へ移動できるようにすることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子(周波数:35kHz、出力1000W)の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている。
いま、この炉を使用して、接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに超音波による加振を開始し、振動子が80℃に到達したとき炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部(雰囲気温度40℃の場所)に退避させて、はんだを凝固させることにした。
(E)厚さ10mmのガラスウールで包み、さらにこの部分をステンレス製のカバーで覆っているもの、
(F)そのままのもの、
の2種類を使用してはんだ付けを行い、アルミ筐体サンプルを各20個ずつ合計40個作製した。
その結果、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
(E)の場合・・・3分
(F)の場合・・・2分
と、(E)の方が長時間待機する必要があった。
(E)の場合・・・15秒
(F)の場合・・・10秒
と、(E)の方が長時間超音波加振が可能であった。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、
(E)の場合・・・0%
(F)の場合・・・20%
であった。
よって、(E)の場合は、製品1台あたりの生産時間が(F)の1.5倍かかるが、耐熱性の低い超音波振動子を長時間リフロー炉の中で使用できるため、接続信頼性を向上させる効果があることがわかった。
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子(周波数:35kHz、出力1000W)の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている以下の、
(G)炉体が小型でそのサイズが概ね一辺250mmの立方体の形状であり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ているもの、
(H)炉のサイズが概ね一辺400mmの立方体の形状であり、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部(雰囲気温度40℃の場所)に退避させるもの、
の2種類の炉とした。
その後、上記2種類の筐体を用いて実使用条件10年相当の温度サイクル試験(−30〜80℃、1サイクル/時、180サイクル)を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、(G)、(H)いずれの場合も0%であった。
(G)の場合・・・30秒
(H)の場合・・・2分
となった。
よって、炉体が小型で耐熱性の低い超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ている(G)の場合は、(H)の場合と同様の接続信頼性を実現でき、さらに生産速度を向上させる効果があることがわかった。
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子(周波数:35kHz、出力1000W)の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている以下の、
(I)炉体が小型でそのサイズが概ね一辺250mmの立方体の形状であり、炉の熱源を赤外線ランプとし、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ており、赤外線ランプのビームの焦点が音極から離れているもの、
(J)炉体が小型でそのサイズが概ね一辺250mmの立方体の形状であり、炉の熱源をシーズヒータとし、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ているもの、
の2種類の炉とした。
その後、上記2種類の筐体を用いて実使用条件10年相当の温度サイクル試験(−30〜80℃、1サイクル/時、180サイクル)を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、(I)、(J)いずれの場合も0%であった。
(I)の場合・・・0秒
(J)の場合・・・30秒
となった。
よって、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、被加熱物の加熱方法を赤外線ランプなどの局所加熱方式とし振動子に直接赤外線ビームが当たらないようにする(I)の場合は、(J)の場合と同様の接続信頼性を実現でき、さらに生産速度を向上させる効果があることがわかった。
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、炉内に窒素を供給し概ね酸素濃度1000ppmの雰囲気でリフローはんだ付けする際、超音波振動子(周波数:35kHz、出力1000W)の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
(K)接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに10秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させた後、炉体表面にできた開口部をシャッターによって閉じ、はんだを凝固させたもの、
(L)接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに10秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させて、はんだを凝固させたもの、
の2種類のアルミ筐体サンプルを各20個ずつ合計40個作製した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、(K)、(L)いずれの場合も0%であった。
(K)の場合・・・2分
(L)の場合・・・3分
となった。
よって、(K)の場合は、(L)の1.5倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、振動子を炉外に退避させた後、炉体表面にできた開口部をシャッターによって閉じることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、炉内に窒素を供給し概ね酸素濃度1000ppmの雰囲気でリフローはんだ付けする際、超音波振動子(周波数:35kHz、出力1000W)の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
(M)接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに10秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに炉内と連結しており、必要に応じて冷媒により冷却することの出来るシリンダー内に振動子を退避し、振動子を持つ加振部が炉内と炉外を隔絶するピストンの役割を持った状態を維持させながら、はんだを凝固させたもの、
(N)接続部の温度がピークの250℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに10秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させて、はんだを凝固させたもの、
の2種類のアルミ筐体サンプルを各20個ずつ合計40個作製した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、(M)、(N)いずれの場合も0%であった。
(M)の場合・・・20秒
(N)の場合・・・3分
となった。
よって、(M)の場合は、(N)の9倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、炉内と連結しており、必要に応じて冷媒により冷却することの出来るシリンダー内に振動子を退避し、振動子を持つ加振部が炉内と炉外を隔絶するピストンの役割を持った状態を維持させることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
2 被接続部材、
3 ステージ、
4 ヒーター、
5 音極、
6 超音波振動子、
7 超音波発信器本体、
8 スライダー、
9 耐火壁、
10 断熱材、
11 シャッター、
12 シリンダー、
13 筐体、
14 光源
Claims (17)
- 被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、
少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、
前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前記リフロー炉内の前記被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、
前記超音波振動を与えた後に、前記超音波振動子と接続された音極を前記リフロー炉内よりも温度の低い炉外に移動させる第四の工程と、
前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第五の工程と、
を有することを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項1記載のはんだ付け方法であって、
前記第五の工程では、前記超音波振動子と接続された音極を、前記リフロー炉内の前記被接続部材が設置されたステージより下方に移動させることを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項1又は2記載のはんだ付け方法であって、
前記超音波振動子は、断熱材で覆われていることを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項3記載のはんだ付け方法であって、
前記断熱材は、ガラスウールであることを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項1記載のはんだ付け方法であって、
前記第四の工程では、前記超音波振動子と接続された音極を、シリンダー内に移動させることを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項5記載のはんだ付け方法であって、
さらに、前記シリンダー内に移動した前記超音波振動子に接続された音極を、前記シリンダー内で冷却する第六の工程を有することを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載のはんだ付け方法であって、
前記第三の工程及び第五の工程は、前記リフロー炉の外部に前記超音波振動子を配置した状態で実施することを特徴とするはんだ付け方法。 - 被接続部材にはんだを供給する第一の工程と、
前記はんだに光を照射して溶融させる第二の工程と、
前記はんだの溶融中に、超音波振動子に接続された音極と前記被接続部材とを近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、
前記超音波振動を与えた後に、前記超音波振動子に接続された音極を前記リフロー炉内よりも温度の低い炉外に移動させる第四の工程と、
前記はんだを凝固させる第五の工程と、
を有することを特徴とするはんだ付け方法。 - 請求項8記載のはんだ付け方法であって、
前記第二の工程では、赤外線ランプを用いて光を照射することを特徴とするはんだ付け方法。 - 炉体と、
前記炉体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、
前記炉体内に設けられ、前記被接続部材を加熱するヒーターと、
前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、
前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、
前記音極及び前記超音波振動子を支持し、前記炉体内及び炉体外に移動させるスライダーと、
を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。 - 請求項10記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記ステージ及び前記ヒーターは、前記炉体内の上方に配置されており、
前記音極及び前記超音波振動子は、前記ステージよりも下方で前記スライダーにより上下に可動となるように配置されていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。 - 請求項11記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記炉体内には、前記ヒーターよりも下方に耐火壁を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。 - 請求項10乃至12のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記超音波振動子は、断熱材で覆われていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。 - 請求項13記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記断熱材は、ガラスウールであることを特徴とするリフローはんだ付け装置。 - 請求項10記載のリフローはんだ付け装置であって、
さらに、前記超音波振動子を冷却するシリンダーを有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。 - 請求項10乃至15のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記超音波振動子は、前記炉体の外部に配置されていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。 - 請求項1または8において、
前記第四の工程は、前記第五の工程の前に行うことを特徴とするはんだ付け方法。
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