JP6621638B2 - はんだ付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の部材が第２の部材に非フラックス含有はんだを介して搭載された被加熱体を加熱することで、はんだを溶融させて、第１の部材と第２の部材とを接合する、はんだ付け方法に関するものである。

プリント配線基板に形成された端子に電子部品の端子を接合するときに、接合材として使用される「はんだ」には、フラックスが含有されている。フラックスは、端子表面にできた酸化膜を除去したり、はんだが空気雰囲気中で溶融したときの再酸化を防止したりする。
しかし、フラックスは、接合後にフラックス残渣となって絶縁不良を発生させたり、端子を腐食させたりする。そのため、できれば、フラックスを含有しないはんだを、部材同士の接合に使用するのが望ましい。
このようなはんだ付け作業に関して、特許文献１に記載された「半田接合方法および装置」が知られている。

特許文献１に記載された「半田接合方法および装置」には、大気中や、Ｎ₂等の不活性ガス雰囲気中における半田付けではフラックスを含有したペースト半田を使用し、Ｈ₂等の還元ガス雰囲気中における半田付けではフラックスを含まないペレット半田を使用していたが、真空中でペレット半田を用いて半田付けするようにしたことにより、不活性ガスや還元ガスなどの特殊なガスの供給および回収に係わる設備を不要としたというものである。

特開平９−３０００９３号公報

しかし、特許文献１の「半田接合方法および装置」では、真空雰囲気を形成することができる真空室に半田溶融用のヒータを配設しているが、これでは、はんだ付け作業を行う際に、接合対象となる被加熱体を、作業者が一つ一つ真空室に入れる必要がある。一般的なリフロー炉では搬送装置が、被加熱体を炉内へ搬送して、はんだ付けを行っている。そのため、被加熱体が炉内に搬入されるときには、炉入口を開放状態としなければならず、また被加熱体が炉内から搬出されるときには、炉出口を開放状態としなければならない。従って、リフロー炉では、炉内を真空雰囲気とするは困難である。
リフロー炉が設置された作業場全体を真空雰囲気すればよいが、作業場全体を真空雰囲気にするには、大掛かりな脱気装置が必要となる。
従って、第１の部材と第２の部材とをはんだにより接合する際に、特殊なガスを使用することなく、非フラックス含有はんだを用いて接合することができるはんだ付け方法の開発が望まれている。

そこで本発明は、特殊なガスを使用することなく、非フラックス含有はんだを用いて第１の部材と第２の部材とを接合することにより、接合部分の高い接合信頼性を図ることができるはんだ付け方法を提供することを目的とする。

本発明のはんだ付け方法は、リフロー炉の炉壁に囲まれた炉内に、第１の加熱装置が過熱水蒸気を送気して、前記炉内を加熱する工程と、前記炉内に、第１の部材が第２の部材に非フラックス含有はんだを介して搭載された被加熱体を、搬送装置が移動させる工程と、前記炉内に搬送された被加熱体の非フラックス含有はんだを過熱水蒸気により溶融して、前記第１の部材および前記第２の部材とを接合する工程とを含むことを特徴とする。

本発明のはんだ付け方法によれば、リフロー炉の炉壁に囲まれた炉内に、第１の加熱装置が過熱水蒸気を送気して充満させて、炉内を加熱することにより、空気が過熱水蒸気と置換されるので、はんだに酸化膜ができることを抑止することができる。従って、被加熱体が搬送装置により搬送された炉内で、第１の部材と第２の部材とを接合する際に、非フラックス含有はんだを用いても、過熱水蒸気によりはんだを溶融させてはんだ付けすることができる。

前記第１の加熱装置が前記炉内を過熱水蒸気により加熱するときに、第２の加熱装置により前記炉壁を加熱することが望ましい。炉壁が加熱されていなければ、被加熱体が炉内に搬送されると、被加熱体が熱を吸収することで、炉内温度が急激に低下する。この炉内温度の低下に伴い、過熱水蒸気が被加熱体に結露するおそれがある。しかし、炉壁が加熱されていれば、炉壁への熱吸収が抑制されるため、炉内の急激な温度低下が抑えられる。従って、被加熱体への結露を防止することができる。また、過熱水蒸気により、被加熱体を効率よく加熱して温度上昇させることができる。

前記第２の加熱装置が前記炉壁を加熱するときに、過熱水蒸気以上の高温に加熱すると、炉壁が過熱水蒸気の熱を吸収することを防止することができる。

前記第１の加熱装置が、前記炉内から排出した過熱水蒸気を復水し、再加熱して過熱水蒸気として前記炉内へ送気することが望ましい。過熱水蒸気は、炉内から排出され、復水されて湯となる。そして、再加熱されて過熱水蒸気として、再度、炉内へ送気される。このように過熱水蒸気が循環することで、常に炉内を、高温の過熱水蒸気で充満させることができ、炉内の空気との置換を維持することができる。

前記第１の加熱装置が、前記被加熱体の下方から過熱水蒸気を送気すると、過熱水蒸気は炉内の下部から上方へ向かって拡がるため、炉内温度をほぼ均一化することができる。また、過熱水蒸気が下方から加熱するため、被加熱体の上面には影響を与えない。従って、過熱水蒸気によって、接合前の第１部品または第２部品が吹き飛ばされてしまう事態を回避することができる。

前記第１の加熱装置が、前記被加熱体の下方から前記炉内へ送気し、前記炉内の上部から排気することが望ましい。被加熱体の下方から炉内へ送気し、炉内の下部から上部へ上昇して、被加熱体を加熱した過熱水蒸気が、温度低下により炉内の下方に向う前に排気させることができる。

前記第１の加熱装置が、前記被加熱体の下方と共に、上方からも過熱水蒸気を送気すると、被加熱体の下方からの過熱水蒸気と、上方からの過熱水蒸気により、過熱水蒸気同士が衝突して乱流となって炉内に拡がるため、炉内の温度の均一化を図ることができる。

本発明のはんだ付け方法によれば、過熱水蒸気を炉内に送気して充満させて加熱することにより、空気が過熱水蒸気と置換されるので、はんだに酸化膜ができることを抑止することができる。従って、本発明のはんだ付け方法は、特殊なガスを使用することなく、非フラックス含有はんだを用いて第１の部材と第２の部材とを接合することにより、接合部分の高い接合信頼性を図ることができる。

本発明の実施の形態に係るリフロー炉の正面図である。 図１に示すリフロー炉の炉本体の垂直断面図である。

本発明の実施の形態に係るリフロー炉を、図面に基づいて説明する。
図１および図２に示すリフロー炉１０は、電子部品Ｄ（第１の部材）がクリームはんだを介して搭載されたプリント配線基板Ｐ（第２の部材）を被加熱体として、クリームはんだ（非フラックス含有はんだ）を溶融させて、被接合部材である電子部品Ｄの端子とプリント配線基板Ｐの端子とを接合するものである。
リフロー炉１０は、３台の炉本体２０と、３台の炉本体２０の前後に配置された加熱室３０と、プリント配線基板Ｐを移動させる搬送装置４０と、第１の加熱装置５０と、第２の加熱装置６０と、炉本体２０などを支持する架台７０とを備えている。

３台の炉本体２０は、プリント配線基板Ｐが進行する際の最初の炉本体２０の炉出口と真ん中の炉本体２０の炉入口とが連結され、真ん中の炉本体２０の炉出口と最後の炉本体２０の炉入口とが連結されている。最初の炉本体２０は、プリント配線基板Ｐを加熱して一次予熱する第１の予熱炉２０ａとして機能する。真ん中の炉本体２０は、プリント配線基板Ｐを更に加熱して二次予熱する第２の予熱炉２０ｂとして機能する。最後の炉本体２０は、クリームはんだを溶融させて部材同士を接合する接合炉２０ｃとして機能するものである。
炉本体２０は、平面視長方形状に形成されている。炉本体２０は、被加熱体であるプリント配線基板を囲う炉壁２１と、外カバー２２とにより形成されている。

炉壁２１は、金属板により形成されている。炉壁２１は、プリント配線基板Ｐの進行方向に対して左右上下に配置されることで、プリント配線基板Ｐが通過する直方体状の炉内空間を形成している。
外カバー２２は、底壁２１１と、側壁２１２，２１３とが収納される凹部が形成された下部外カバー２２１と、天井壁２１４を上から押さえる上部外カバー２２２とから形成されている。外カバー２２は、断熱材を内包している。

加熱室３０は、３台の炉本体２０の入炉側に配置された入炉側加熱室３１と、３台の炉本体２０の出炉側に配置された出炉側加熱室３２と、それぞれの加熱室（入炉側加熱室３１，出炉側加熱室３２）に熱風を送気する２台の熱風発生器３３とを備えている。

搬送装置４０は、入炉側加熱室３１の室内と第１の予熱炉２０ａの炉内とに配置された第１の搬送装置４１と、第２の予熱炉２０ｂの炉内に配置された第２の搬送装置４２と、接合炉２０ｃと出炉側加熱室３２との内部空間に配置された第３の搬送装置４３とを備えている。
第１〜３の搬送装置４１〜４３は、プリント配線基板Ｐを担持して移動させる無端の搬送チェーン４４と、プリント配線基板Ｐが進行する方向に対して、プリント配線基板Ｐを挟んで両側に配置され、往路の搬送チェーン４４を案内する支持部材４５と、搬送チェーン４４が、一方の駆動ギヤと他方の従動ギヤとに巻き回されて搬送チェーン４４を周回させる駆動部４６とを備えている。

第１の加熱装置５０は、炉内に加熱気体を送気して炉内を加熱するものである。本実施の形態では、第１の加熱装置５０は、過熱水蒸気を送気する機能を備えている。第１の加熱装置５０は、水蒸気を発生する水蒸気発生器５１と、一方が水蒸気発生器５１に接続され、他方が炉本体２０の底部に接続された３台の過熱器５２と、一方が炉本体２０に接続され、他方が水蒸気発生器５１に接続された復水器５３とを備えている。
第１の加熱装置５０の流入口５４は、底壁２１１に接続されている。流入口５４の開口部は、底壁２１１から露出している。

第２の加熱装置６０は、炉壁２１の外側面に設けられ、炉壁２１を加熱する。第２の加熱装置６０は、底壁２１１と、側壁２１２，２１３と、天井壁２１４とのそれぞれの外側に配置された面状ヒータ６１と、面状ヒータ６１を炉壁２１に固定する押え板６２とを備えている。

架台７０は、平面視矩形状の枠体である。架台７０は、３台の炉本体２０と、加熱室３０と、搬送装置４０などが搭載されている。架台７０の底部には、移動するときのキャスター７１が配置されていると共に、固定するときのレベルフット７２が配置されている。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係るリフロー炉１０によるはんだ付け方法について、図面に基づいて説明する。
なお、プリント配線基板Ｐの端子には、予め、接合材の一例であるクリームはんだが塗布され、クリームはんだを介して、プリント配線基板Ｐの端子に電子部品Ｄの端子が搭載されているものとする。
以下の説明においては、単にプリント配線基板Ｐと記載したときには、接合前の電子部品Ｄが搭載された状態を示す。

また、第１の加熱装置５０の水蒸気発生器５１は水蒸気を発生しており、この蒸気が過熱器５２により過熱水蒸気となって、それぞれの炉本体２０の炉内に送気されているものとする。なお、炉内に送気された過熱水蒸気は、炉本体２０に接続された復水器５３を介して水蒸気発生器５１に戻り循環する。
更に、第２の加熱装置６０の面状ヒータ６１は、炉壁２１を加熱しているものとする。

まず、第１の搬送装置４１により搬送されたプリント配線基板Ｐは、上流側の入炉側加熱室３１に進入する。
入炉側加熱室３１では、熱風発生器３３により加熱室室内が約１００度以上に加熱されている。この加熱により、プリント配線基板Ｐは、入炉側加熱室３１を通過しながら約１００度まで温度が上昇する。

プリント配線基板Ｐは第１の搬送装置４１により、入炉側加熱室３１から第１の予熱炉２０ａに進行する。第１の予熱炉２０ａでは、過熱水蒸気により炉内が約２２０度に加熱されている。プリント配線基板Ｐが第１の予熱炉２０ａの炉内に進行しても、プリント配線基板Ｐは約１００度まで予熱されているため、過熱水蒸気がプリント配線基板Ｐに付着して結露することが防止できる。

また、約１００度に加熱されたプリント配線基板Ｐが、第１の予熱炉２０ａの炉内に進行しても、炉壁２１が第２の加熱装置６０により加熱されているため、過熱水蒸気の温度がプリント配線基板Ｐに吸熱されるだけで、過熱水蒸気の熱が、炉壁２１によって奪われることが抑制できる。従って、過熱水蒸気の温度が急激に低下することが抑止できるため、第１の加熱装置５０からの過熱水蒸気によりプリント配線基板Ｐを効率よく加熱することができる。

更に、約２２０度の過熱水蒸気に対して、第２の加熱装置６０は、炉壁２１を＋１０度とした約２３０度に加熱するため、炉壁２１が過熱水蒸気の熱を吸収することを防止することができる。従って、過熱水蒸気の供給量を抑えることができる。

第１の加熱装置５０の流入口５４が被加熱体であるプリント配線基板Ｐの下方に配置されているため、高温の過熱水蒸気は、流入口５４から第１の予熱炉２０ａの炉内に噴出されると、上方へ、プリント配線基板Ｐを包み込むようにして拡がる。従って、第１の予熱炉２０ａの炉内の温度をほぼ均一に保つことができる。
更に、電子部品Ｄがクリームはんだを介してプリント配線基板Ｐの上面となっている実装面に実装され、はんだによる接合前のまだ不安定な状態であっても、プリント配線基板Ｐの下方に位置する流入口５４から過熱水蒸気が吹き出されている。そのため、電子部品Ｄが、流入口５４から吹き出される過熱水蒸気によって、プリント配線基板Ｐから吹き飛ばされてしまうことを防止することができる。

プリント配線基板Ｐが第１の予熱炉２０ａを通過すると、プリント配線基板Ｐは第２の搬送装置４２によって第２の予熱炉２０ｂに進行する。第２の予熱炉２０ｂでは、過熱水蒸気により炉内が、第１の予熱炉２０ａの炉内より高い、約２５０度に加熱されている。
第２の予熱炉２０ｂにおいても同様に、炉壁２１が第２の加熱装置６０により加熱されているため、過熱水蒸気の熱が、炉壁２１によって奪われることを抑制することが防止できる。従って、過熱水蒸気による加熱をプリント配線基板Ｐの加熱へと作用させることができる。
第２の予熱炉２０ｂにおいては、約２５０度の過熱水蒸気に対して、第２の加熱装置６０は、炉壁２１を＋１０度とした約２６０度に加熱するため、炉壁２１が過熱水蒸気の熱を吸収することを防止することができる。

はんだは含有金属の含有比率で融点が決まるが、例えば、融点が約２３０度のはんだであれば、プリント配線基板Ｐの端子に塗布されたクリームはんだは、第２の予熱炉２０ｂの炉内を進行しながら溶融し始める。

プリント配線基板Ｐが第２の予熱炉２０ｂを通過すると、プリント配線基板Ｐは第３の搬送装置４３によって接合炉２０ｃに進行する。接合炉２０ｃでは、過熱水蒸気により炉内が、第２の予熱炉２０ｂの炉内より高い、約２６０度に加熱されている。
また、接合炉２０ｃにおいては、約２６０度の過熱水蒸気に対して、第２の加熱装置６０は、炉壁２１を＋１０度とした約２６０度に加熱するため、炉壁２１が過熱水蒸気の熱を吸収することを防止することができる。

例えば、炉壁２１が加熱されていなければ、炉内を加熱する第１の加熱装置５０からの過熱水蒸気の熱はプリント配線基板Ｐに奪われるだけでなく、炉壁２１に奪われる。そのため、過熱水蒸気の温度を炉壁２１が奪う熱の分まで高温にする必要がある。はんだを溶融させて部材同士を接合するためには、はんだが溶融する２３０度以上とすればよいが、炉壁２１が奪う熱の分まで考慮すると、更に５０度以上の高温の過熱水蒸気とする必要がある。
しかし、電子部品Ｄの耐熱温度の多くは約２８０度〜約３００度であるため、電子部品Ｄの破損が心配される。また、電子部品Ｄは破損してしまう温度に曝されることになるため、加熱時間が短時間であればよいが、長時間の加熱ができない。

本実施の形態に係るリフロー炉１０では、炉壁２１が第２の加熱装置６０により加熱されているため、接合炉２０ｃにおいても、第１の加熱装置５０からの過熱水蒸気の熱を電子部品Ｄの耐熱温度に至らない約２６０度に抑えることができる。そのため、リフロー炉１０の接合炉２０ｃは、はんだの接合において、電子部品Ｄの破壊を防止することができる。

このように本実施の形態に係るリフロー炉１０では、炉内に加熱気体を送気して炉内を加熱する第１の加熱装置５０と、炉壁２１に設けられ、炉壁２１を加熱する第２の加熱装置６０とを備えているため、第１の加熱装置５０からの過熱水蒸気の熱が、炉壁２１によって吸収されることを抑制することができる。従って、第１の加熱装置５０により、プリント配線基板Ｐや電子部品Ｄ、クリームはんだを効率よく加熱して温度上昇させることができるので、プリント配線基板Ｐに搭載される電子部品Ｄへの損傷を抑えると共に、小型化を図ることができる。

また、第２の加熱装置６０は、面状ヒータ６１が、金属板により形成された炉壁２１を、外側面から加熱して、炉壁２１全体を加熱するため、炉壁２１を均一に効率よく加熱することができる。

はんだ接合においては、プリント配線基板Ｐの端子に酸化膜が被膜していたり、炉内の酸素によりはんだが酸化して酸化膜ができ、接合を阻害したりする。そのため、はんだには、フラックスが含有される。フラックスは、端子表面にできた酸化膜の除去、はんだが溶融したときにできる酸化膜形成の抑止、および、はんだの表面張力を低下させ、はんだ濡れ性の向上などの機能を有する。しかし、その反面、はんだ接合後のフラックスは、プリント配線基板Ｐ上に茶褐色の残渣となる。このフラックス残渣が、絶縁不良を発生させたり、端子を腐食させたり、接合状態を検査する外観検査で誤判定を招いたりするおそれがある。従って、はんだ付けの工程の後には、フラックス残渣を除去する洗浄工程が行われる。

第１の加熱装置５０が発生する加熱気体を過熱水蒸気としたリフロー炉１０では、炉内に過熱水蒸気が充満して、無酸素状態または低酸素状態となるため、プリント配線基板Ｐの端子や、電子部品Ｄの端子に酸化膜ができることを防止することができる。そのため、プリント配線基板Ｐに電子部品Ｄを接合するはんだに、フラックスを含有させないものを使用することができる。
従って、はんだのコストを抑制することができると共に、フラックス残渣を洗浄する工程が省略できるので、工程を簡略化することができる。また、無酸素状態または低酸素状態とするための窒素ガスなどの使用が不要とすることができるため、窒素ガスなどの特殊なガスに要するコストを大幅に低減することができる。よって、本実施の形態に係るはんだ付け方法では、窒素ガスなどの特殊なガスを使用することなく、非フラックス含有はんだを用いてプリント配線基板Ｄと電子部品Ｄとを接合することにより、接合部分において高い接合信頼性を図ることができる。

過熱水蒸気によって加熱されるプリント配線基板Ｐは、急激な温度低下によって、過熱水蒸気による結露が心配される。特に、冷え切ったプリント配線基板Ｐが投入される第１の予熱炉２０ａでは、入炉側加熱室３１によって、プリント配線基板Ｐが予め加熱されているが、過熱水蒸気が炉壁２１に吸熱されて温度低下を招くようであれば、プリント配線基板Ｐへの結露が心配される。
しかし、リフロー炉１０では、炉壁２１が第２の加熱装置６０により加熱されているため、過熱水蒸気の熱が、炉壁２１によって奪われることが抑制できる。従って、過熱水蒸気の温度が急激に低下することが抑止できるため、過熱水蒸気によるプリント配線基板Ｐへの結露を防止することができる。

リフロー炉１０では、水蒸気発生器５１が発生した水蒸気は、過熱器５２により過熱水蒸気となり、それぞれの炉本体２０の炉内に送気され、その後、炉内から炉本体２０の上部に接続された復水器５３を介して水蒸気発生器５１に戻り循環している。このように過熱水蒸気が、第１の加熱装置５０と炉本体２０とを循環することで、常に炉内を、高温の過熱水蒸気で充満させることができる。従って、炉本体２０は、炉内の空気と過熱水蒸気との置換を維持することができ、炉内を過熱水蒸気により充満させることができる。

更に、復水器５３へは、炉本体２０の上部から過熱水蒸気を送気している。そのため、プリント配線基板Ｐの下方から炉内へ送気し、炉内の下部から上部へ上昇して、プリント配線基板Ｐを加熱した過熱水蒸気が、温度低下により炉内の下方に向う前に排気させることができる。従って、炉内の温度を効率よく維持することができ、炉内の温度低下を抑止することができる。

なお、本実施の形態に係るリフロー炉１０では、第１の加熱装置５０が炉内の下部から炉内に過熱水蒸気を送気しているが、プリント配線基板Ｐの下方からと共に、プリント配線基板Ｐの上方からも、過熱水蒸気を送気するようにしてもよい。そうすることで、過熱水蒸気が炉内で衝突して乱流となって混合するため、炉内温度の均一化をより促進させることができる。

本発明は、加熱気体によって被加熱体を加熱して、はんだなどの接合材を溶融させて部材同士を接合するリフロー炉に好適である。

１０ リフロー炉
２０ 炉本体
２０ａ 第１の予熱炉
２０ｂ 第２の予熱炉
２０ｃ 接合炉
２１ 炉壁
２１１ 底壁
２１２，２１３ 側壁
２１４ 天井壁
２２ 外カバー
２２１ 下部外カバー
２２２ 上部外カバー
３０ 加熱室
３１ 入炉側加熱室
３２ 出炉側加熱室
３３ 熱風発生器
４０ 搬送装置
４１ 第１の搬送装置
４２ 第２の搬送装置
４３ 第３の搬送装置
４４ 搬送チェーン
４５ 支持部材
４６ 駆動部
５０ 第１の加熱装置
５１ 水蒸気発生器
５２ 過熱器
５３ 復水器
５４ 流入口
６０ 第２の加熱装置
６１ 面状ヒータ
６２ 押え板
７０ 架台
７１ キャスター
７２ レベルフット
Ｐ プリント配線基板
Ｄ 電子部品

Claims (5)

1. リフロー炉の炉壁に囲まれた炉内に、第１の加熱装置が過熱水蒸気を送気して、前記炉内を加熱すると共に、前記第１の加熱装置が前記炉内を過熱水蒸気により加熱するときに、第２の加熱装置により前記炉壁を過熱水蒸気以上の高温に加熱する工程と、
   前記炉内に、第１の部材が第２の部材に非フラックス含有はんだを介して搭載された被加熱体を、搬送装置が移動させる工程と、
   前記炉内に搬送された被加熱体の非フラックス含有はんだを過熱水蒸気により溶融して、前記第１の部材および前記第２の部材とを接合する工程とを含むはんだ付け方法。
2. 前記第１の加熱装置が、前記炉内から排出した過熱水蒸気を復水し、再加熱して過熱水蒸気として前記炉内へ送気する請求項１記載のはんだ付け方法。
3. 前記第１の加熱装置が、前記被加熱体の下方から過熱水蒸気を送気する請求項１または２記載のはんだ付け方法。
4. 前記第１の加熱装置が、前記被加熱体の下方から前記炉内へ送気し、前記炉内の上部から排気する請求項３記載のはんだ付け方法。
5. 前記第１の加熱装置が、前記被加熱体の下方と共に、上方からも過熱水蒸気を送気する請求項３記載のはんだ付け方法。

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