JP5384814B2 - ヒータユニット及びｘ線解析装置 - Google Patents

Description

この発明は、ヒータユニット及びこのヒータユニットを備えるＸ線解析装置に関する。

回路基板の実装工程（はんだのリフロー工程）においては、はんだ付けが確実に行われることが必要である。近年、地球環境保護のために鉛はんだの代わりに、鉛フリーはんだを使用することが求められるようになってきた。鉛フローはんだを使用する場合は、回路基板の実装工程（はんだのリフロー工程）において、鉛フリーはんだの濡れ性により、はんだ付けの不良を招くことが懸念されている。そのため、鉛フローはんだを用いて確実にはんだ付けするためには、適切な条件によりはんだ付けを行うことが必要である。

鉛フローはんだを用いた場合の適切な条件の設定のためには、電子部品や回路基板のパターンにはんだが溶ける状態を観測することが有効である。Ｘ線解析装置により、はんだ部分の観察、解析を行うことは公知である。Ｘ線による解析を行うことにより、基板上のはんだが溶ける状態を、その場で、かつ、リアルタイムに観察することが可能になる。しかし公知のＸ線解析装置では、リフロー炉における加熱条件を再現するものではなかった。

また、薄膜の残留応力測定に関して、Ｘ線回折を活用し側傾法を用いて測定する薄膜の残留応力測定装置についても知られている（特許文献１）。しかし、この残留応力測定装置は、Ｘ線回折を活用して残留応力を測定する装置であって、リフロー炉による加熱時におけるはんだの状態を解析できるものではなかった。
特開２００４−３２５２６７号公報

実際のリフロー炉は大型であり、このリフロー炉に多数の基板が装入されてリフロー処理が行われることから、このような大型のリフロー炉にＸ線解析装置を組み込んで，特定の基板のはんだ付け状況の解析を行うのは困難である。したがって、大型のリフロー炉と同一の条件で基板を加熱することのできるシステムであって、Ｘ線による解析が可能であるシステムが求められている。このようなシステムが実現すれば、事前にリフロー炉と同一の条件で基板を加熱し、鉛フリーはんだをリフローさせるときのはんだのリフロー状況をＸ線解析装置により解析することにより、実際のリフロー炉におけるはんだ付け条件を設定することが可能となる。

この発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、実際のリフロー炉と同じ条件で回路基板を加熱することができ、かつ、加熱される回路基板をＸ線解析するのに適用して好適な、ヒータユニット及びこのヒータユニットを備えるＸ線解析装置を提供することを目的とする。

本発明のヒータユニットは、炭化ケイ素製ヒータと、この炭化ケイ素製ヒータ及び当該炭化ケイ素製ヒータにより加熱される被加熱物を透過する方向にＸ線を照射可能なＸ線源と、このＸ線源から照射されたＸ線を受光する方向に設けられた受光部とを備えることことを特徴とする。

本発明のヒータユニットは、炭化ケイ素製ヒータ上に設けられて被加熱物を載置する、Ｘ線が透過可能な絶縁材料からなる載置台を更に備えることができる。

また、本発明のＸ線解析装置は、上述した本発明に係るヒータユニットを備えるものである。

本発明のヒータユニットによれば、回路基板を、リフロー炉と同一条件で加熱してはんだ付けされた部分を、その場でかつリアルタイムでＸ線解析することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に係るヒータユニットを、模式的な断面図で図１に示す。

図１に示すヒータユニット１０は、炭化ケイ素製ヒータ１１を有している。この炭化ケイ素製ヒータ１１は、炭化ケイ素よりなり、概略平板形状に炭化ケイ素線が巻き回されたように構成したものである。この炭化ケイ素製ヒータ１１に、図示しない電極を介して給電線１２が接続され、この給電線に接続する電源１３から炭化ケイ素製ヒータ１１に電力を供給することにより、炭化ケイ素製ヒータ１１は抵抗発熱する。炭化ケイ素製ヒータ１１の材料である炭化ケイ素は、Ｘ線を透過可能な材料である。

この概略平板形状の炭化ケイ素製ヒータ１１の一方の平面上には、被加熱物Ｓとしての例えば回路基板が載置される、板状の載置台１４が配設されている。この載置台１４は、炭化ケイ素製ヒータ１１と被加熱物Ｓとを絶縁する電気絶縁性を有し、かつ、Ｘ線を透過可能な材料よりなり、例えば石英ガラスよりなるものである。

この炭化ケイ素製ヒータ１１の他方の平面側には、上記炭化ケイ素製ヒータ１１を保持するベース１５が配設されている。このベース１５は、Ｘ線を透過可能な材料よりなり、例えば石英ガラスよりなるものである。

これらのベース１５、炭化ケイ素製ヒータ１１、載置台１４及び被加熱物Ｓは、加熱容器１６内に収容されている。この加熱容器１６の上端に蓋１７が取り付けられることにより、炭化ケイ素製ヒータ１１から発生する熱が、加熱容器１６から外部に逸散するのを抑制することができ、これにより、リフロー炉と同一条件での加熱を容易に再現することが可能となる。また、この加熱容器１６には、リフロー炉の加熱、冷却条件に合わせて、必要に応じて冷媒ガス等を供給することができるようになっている。この加熱容器１６及び蓋１７は主に金属、例えばステンレス鋼により構成され、加熱容器１６の中央部１６ａ及び蓋１７の中央部１７ａが、Ｘ線を透過可能な材料、例えば石英ガラスよりなる。

加熱容器１６は、支持部材１８上に載置されている。支持部材１８の中央部は、Ｘ線を透過可能なように開口１８ａが形成されている。

この支持部材１８の下面側には、Ｘ線源１９ａが設けられている。このＸ線源１９ａは、炭化ケイ素製ヒータ１１を透過し載置台１４上に載置された被加熱物Ｓに向かう方向に、Ｘ線を照射することができるものである。

このＸ線源１９ａから照射されるＸ線の照射方向の延長線上で、被加熱物Ｓよりも上方の蓋１７よりも更に上方に、Ｘ線の受光部１９ｂが設けられている。

図１に示した本実施形態のヒータユニット１０は、被加熱物Ｓを加熱するためのヒータが炭化ケイ素製ヒータ１１であることが特徴の一つである。被加熱物Ｓを加熱しているときのＸ線解析をする場合には、ヒータが、Ｘ線解析の妨げとならないこと、リフロー炉での加熱条件と同じ高速、高温加熱が可能であることが必要である。また、加熱装置は、全体として小型化できることが望まれる。

Ｘ線解析の妨げとならないヒータとしては、ランプヒータが考えられる。このランプヒータは、例えばハロゲンヒータがあり、ハロゲンランプの輻射加熱により被加熱物を加熱する方式のヒータである。このランプヒータは、輻射加熱であるから、ヒータの設置位置を、Ｘ線源と受光器との延長線上から外れた位置に設けることができるので、Ｘ線解析の妨げとなることを回避できる。このランプヒータは、被処理物Ｓを高速、高温加熱できる点でも有利であるが、その反面、被加熱物から離れた位置からの輻射加熱であるが故に、被加熱物に対して加熱ムラが生じるおそれがある。また、加熱温度は、ランプヒータの性能により固定されてしまうので、被加熱物を種々のリフロー温度に温度制御することが困難である。また、ランプヒータによる実際の加熱温度は、リフロー炉の加熱条件よりも高すぎる。更に、ランプヒータを被加熱物から離れた位置に設置するためのスペースが必要であるので、装置が大型化する点でも不利であった。しかも、ランプヒータは、加熱するのに大電力が必要であった。

また、Ｘ線解析の妨げとならない別のヒータとしては、カーボンヒータが考えられる。カーボンヒータの材料であるカーボンは、Ｘ線を透過可能な材料である。しかし、カーボンヒータは、実際のリフロー炉のような酸化性（大気）雰囲気では酸化腐食してしまうために、このような雰囲気では使用することが実質的に困難である。カーボンヒータを用いるために真空雰囲気で加熱したのでは、実際のリフロー炉と同一条件での加熱をすることにはならず、実際のリフロー炉におけるはんだの挙動を解析することができない。また、カーボンヒータは、カーボンの電気抵抗が低いが故に、所定の高温まで加熱するためには、大電流を流す必要があり、そのため、電源や電源ケーブルや電極や制御盤など、電源容量の関係で加熱装置が大掛かりになってしまう不利がある。

これに対して、本実施形態のヒータユニット１０では、炭化ケイ素製ヒータ１１を用いている。炭化ケイ素製ヒータ１１の材料である炭化ケイ素は、Ｘ線が透過可能な材料であるため、ヒータとして炭化ケイ素製ヒータ１１を用いることにより、加熱時の被処理物の挙動をＸ線で解析することが可能である。また、図示した炭化ケイ素製ヒータ１１は、被処理物Ｓとほぼ同じ又はそれ以上の大きさの平面形状を有しており、載置台１４を介して被処理物Ｓを輻射又は熱伝導により加熱する。したがって、被処理物Ｓを急速に、かつ、均一に加熱することができる。また、炭化ケイ素製ヒータ１１への投入電力に応じて、加熱温度を種々の温度に制御することができる。

炭化ケイ素製ヒータ１１は、ランプヒータと比較すると、ランプヒータのようなスペースが不要であり、装置を小型化することができる。また、炭化ケイ素製ヒータ１１は、カーボンヒータと比較すると、カーボンのように酸化することがなく、酸化性（大気）雰囲気で高温加熱することができるので、図１に示した実施形態のような簡素な構造であっても、実際のリフロー炉と同じ条件での加熱が実現できる。更に、炭化ケイ素は、カーボンと比べて電気抵抗が高いため、大電流を流す必要がなく、よって、電源や電極、ケーブル等も小型化することができ、ひいては設備の小型化が可能となる。大電流を流す必要がないため汎用電源を用いることができる点でもカーボンヒータよりも有利である。

本実施形態のヒータユニットにおいて、炭化ケイ素製ヒータ１１は、被加熱物Ｓに対向する面を有する形状であれば、特に形状を問わない。炭化ケイ素製ヒータ１１が被加熱物Ｓに対向する面を有することにより、回路基板等の被加熱物Ｓの全面にわたって加熱することができ、加熱効率が向上する。この炭化ケイ素製ヒータ１１は、例えば反応焼結法やホットプレス焼結法や鋳込み成形法を用いて製造することができる。

図１に示した本実施形態のヒータユニット１０は、炭化ケイ素製ヒータ１１上に設けられる載置台１４を更に備えることにより、この載置台１４に被加熱物Ｓを載置して、被加熱物Ｓを直接観察することが可能となる。したがって、載置台１４は、Ｘ線が透過可能な絶縁材料からなることが必要である。また、載置台１４は、炭化ケイ素製ヒータ１１と被加熱物Ｓとを電気的に絶縁し、かつ、炭化ケイ素製ヒータ１１から生じた熱を輻射又は熱伝導して、被加熱物Ｓを加熱させる。そのため、載置台１４は、これらの役割を果たすことができる石英ガラスよりなることが好ましい。また、石英ガラス以外にも、窒化アルミニウムを用いることもできる。載置台１４が石英ガラスよりなる場合には、炭化ケイ素製ヒータ１１から被加熱物Ｓへの加熱は輻射加熱が主となり、載置台１４が窒化アルミニウムよりなる場合には、炭化ケイ素製ヒータ１１から被加熱物Ｓへの加熱は熱伝導加熱が主となる。被加熱物Ｓの材料に応じて、載置台１４の材料を選択すればよい。もっとも、載置台１４の材料は、石英ガラス又は窒化アルミニウムに限定されるものではなく、載置台１４としての役割を果たすことができ、かつ、Ｘ線が透過可能な材料であれば良い。

ベース１５は、Ｘ線が透過可能な材料として石英ガラスよりなるものを用いることができるが、ベース１５の材料は、石英ガラスに限定されず、Ｘ線が透過可能で、かつ、炭化ケイ素製ヒータ１１及び載置台１４を支持する強度を有する材料であればよい。

加熱容器１６の中央部１６ａ及び蓋１７の中央部１７ａは、Ｘ線が透過可能な材料として、例えば石英ガラスよりなるものとすることができるが、石英ガラスよりなるものに限定されない。なお、本実施形態のヒータユニットでは、炭化ケイ素製ヒータ１１を用いているので、ランプヒータを用いる場合のように加熱容器１６及び蓋１７を大型化する必要がなく、装置の小型化が可能である。

Ｘ線源１９ａと受光部１９ｂとは、被加熱物Ｓを挟んで同一直線上に位置するように配置される。より好ましくは、回路基板等の被加熱物Ｓが載置される載置台１４の表面に直交する方向にＸ線源１９ａとＸ線の受光部１９ｂとが配置されることが、はんだ付けされた部分を確実に解析でき、また、状態観察を広範囲で行うことができるので好ましい。

これまで説明した本実施形態に係るヒータユニットを組み込んだＸ線解析装置は、回路基板等を、リフロー炉と同一条件で加熱し、この加熱時におけるはんだの溶ける状態を、その場で、かつリアルタイムで解析することができる。

以上、本実施形態に係るヒータユニット及びこのヒータユニットを用いたＸ線解析装置を、図面に従って説明したが、本発明のヒータユニット及びＸ線解析装置は、図面及び実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の形態に係るヒータユニットの模式的な断面図である。

符号の説明

１０ ヒータユニット
１１ 炭化ケイ素製ヒータ
１４ 載置台
１９ａ Ｘ線源
１９ｂ 受光部

Claims (3)

1. 炭化ケイ素製ヒータと、
   この炭化ケイ素製ヒータ及び当該炭化ケイ素製ヒータにより加熱される回路基板を透過する方向にＸ線を照射可能なＸ線源と、
   このＸ線源から照射されたＸ線を受光する方向に設けられた受光部と、
   前記炭化ケイ素製ヒータ上に設けられて前記回路基板を載置する、Ｘ線が透過可能な石英ガラスからなる載置台と、
   前記炭化ケイ素製ヒータと、前記載置台と、前記回路基板とを収納する加熱容器と、
   前記加熱容器の上端に取り付けられている蓋とを有するヒータユニットを備え、
   前記回路基板と、前記蓋との間には空間が形成されていることを特徴とするＸ線解析装置。
2. 前記回路基板において、前記炭化ケイ素製ヒータにより加熱される面と反対面の全面は、空間を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線解析装置。
3. 前記回路基板は、前記炭化ケイ素製ヒータによって、炭化ケイ素製ヒータが設置されている面のみ加熱されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線解析装置。

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