JP6914497B2

JP6914497B2 - 加熱方法及び加熱装置

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Publication number: JP6914497B2
Application number: JP2016166808A
Authority: JP
Inventors: 賀正中野; 泰三萩原; 幸平村上
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: JP2018034162A

Description

本発明は、例えば半田のような物品を高温蒸気を用いて加熱する方法及び装置に関する。

上記のような物品の加熱技術としては、例えば特許文献１に開示されたようなものがある。特許文献１の技術は、プリント基板上のランドに半田を配置し、その半田上に部品を配置したワークを加熱して、半田を溶融して、ランド上に部品を半田付けするもので、有底の筒状の蒸気槽内に、半田の融点よりも沸点が高い不活性有機溶剤を収容し、上記の内部の上方に前記ワークを配置して、蒸気槽の底部に設けた加熱装置によって有機溶剤を蒸発させ、この蒸気によって半田を加熱して溶融させる。その後に、蒸気槽からワークを取り出して、半田を冷却することによって、半田付けが完了する。

特開２０１０−１４２８７２号公報

特許文献１の技術では、有機溶剤の蒸気によって半田を溶融するだけであるが、半田自体やランドが酸化している場合には、半田が良好にランドに接合しない。そのため、従来、フラックスを使用して半田やランドの還元を行っていたが、フラックスは半田付け不良の１つである半田内の空隙（ボイド）の原因の１つであり、フラックスの使用は好ましくなく、また、フラックスは半田付け後に洗浄工程が必要で、品質の低下とコスト増の要因となっていた。

本発明は、高温蒸気によって物品を加熱する際に、還元も行うことができる加熱方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の加熱方法は、被加熱物、例えば被加熱物のうちの接合材の融点以上の温度で蒸発する高温蒸気によって前記被加熱物を均一に加熱する方法である。前記高温蒸気は、液状の加熱媒体を加熱して、被加熱物の融点以上の温度で蒸発させて発生する。前記被加熱物は、前記高温蒸気によって前記被加熱物の温度を前記融点以下の温度から前記被加熱物の融点以上の温度まで上昇させて、前記被加熱物の融点以上の温度で均一に加熱される。前記高温蒸気による加熱中において前記被加熱物の温度がその融点以上の温度となる前に、前記高温蒸気中にカルボン酸を導入し、導入した前記カルボン酸を前記高温蒸気によって加熱させることにより、還元雰囲気を作り、その還元雰囲気中で前記被加熱物を還元する。カルボン酸の高温蒸気中への導入は、カルボン酸を気体状態として、高温蒸気に導入するものや、液体のカルボン酸を高温蒸気中に滴下することによって、高温蒸気によって気体化するものがある。カルボン酸としては、被加熱物に含まれている加熱によって溶融する物質の融点以下の温度で気化するものが望ましい。

前記被加熱物を、金属電極、金属電極上に配置された半田、または２つの金属電極とその間に挟まれた半田とすることもできる。また、半田に代えて、粒状金属と有機物とからなる焼結材、板状金属と有機物とからなる焼結材または粒状金属と板状金属と有機物とからなる焼結材を使用することもできる。焼結材の金属は、金、銀、銅のうちいずれか１つか、これらのうち２つ乃至３つの混合物を使用できる。

前記の態様の加熱方法において、前記被加熱物が半田を含み、前記半田が溶融されているとき、圧力を真空にすることにより、前記半田中のボイドを除去することもできる。

前記の態様の加熱方法において、前記カルボン酸の濃度を約１パーセント以上とすることもできる。約１パーセント以上であると、被加熱物の還元を行うことができる。

本発明の他の態様の加熱装置は、内部に液体の加熱媒体が収容された蒸発槽を有している。前記蒸発槽中に、被加熱物を被加熱物搬入手段が搬入する。加熱手段が、前記加熱媒体を前記加熱媒体の沸点及び前記被加熱物の融点以上の温度で加熱して、前記加熱媒体の蒸気を発生させ、その蒸気によって、前記被加熱物の温度を前記融点より低い温度から前記被加熱物の融点以上の温度まで上昇させて、前記被加熱物を均一に加熱する。カルボン酸供給手段が前記被加熱物の温度が前記融点以上の温度になる前に前記蒸発槽にカルボン酸を供給する。カルボン酸供給手段は、前記カルボン酸を気化した状態で前記蒸発槽中に供給するか、または前記カルボン酸を前記蒸発槽中に滴下して供給する。

熱媒体を加熱することによって高温蒸気を発生し、この高温蒸気によって被加熱物を加熱することができるが、半田付けの品質低下の要因の一つであるフラックスを使わずに、半田付けが可能となる。また、フラックスを使用しないので、半田付け後の洗浄工程を削減できるので、半田付け品質や生産性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態のべーパーリフロー装置の概略構成図である。図１のべーパーリフロー装置において使用する被加熱物を示す図である。図１のべーパーリフロー装置においてワークとして銅板を使用した場合の温度プロファイルである。図１のべーパーリフロー装置におけるワークとして銅板上に半田を配置したものを使用し、ギ酸と窒素ガスとの流量を異ならせた場合の温度プロファイルである。図１のべーパーリフロー装置においてギ酸と窒素ガスとの流量を異ならせた場合のワークの状態を示す図である。本発明の第２の実施形態のべーパーリフロー装置の概略構成図である。図６のべーパーリフロー装置におけるギ酸の１回の滴下量を示す図である。図６のべーパーリフロー装置において使用するワークと、そのワークの加熱後の状態を示す図である。図６のべーパーリフロー装置における温度プロファイルである。図９の温度プロファイルにおいて滴下量を異ならせた場合の加熱後のワークの状態を示す図である。図６のべーパーリフロー装置において真空引きを行わない場合の温度プロファイルである。図１２の温度プロファイルの場合のワークの状態を示す図である。図６のべーパーリフロー装置において真空引きを行った場合の温度プロファイルである。図１３の温度プロファイルの場合のワークの状態を示す図である。

本発明の第１の実施形態の加熱方法及び加熱装置は、ベーパーリフロー半田付け方法及び装置に、本発明を実施したもので、その装置は、図１に示すように、蒸発槽２を有している。蒸発槽２は、例えば円筒状に形成され、その内部の下部に、液状の熱媒体４、例えば低分子量のパーフルオロポリエーテルまたはフルオロカーボンが収容されている。蒸発槽２の底の外面には、加熱手段、例えばヒーター６が配置されている。ヒーター６を動作させることによって熱媒体４が加熱され、高温蒸気となり、矢印で示すように蒸発槽２の上部に向かう。

蒸発槽２内の上部には、被加熱物、例えばワーク８が配置されている。ワーク８としては、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、例えば金属電極１０、金属電極１０上に配置された半田１２、または２つの金属電極１０、１０とその間に挟まれた半田１２とすることもできる。半田１２は、Ｓｎ基半田（Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｚｎ系）、Ｂｉ系半田（Ｂｉ−Ｚｎ、Ｂｉ−Ａｇ）、Ａｕ系半田（Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｇｅ）、Ｚｎ系半田（Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ）、Ａｌ系半田（Ａｌ−Ｓｉ）を使用することができる。なお、半田１２に代えて、ワーク８は、ナノメートルやマイクロメートルサイズの粒状金属（及び／または）板状金属と有機物とからなる焼結材を使用することもできる。焼結材の金属としては、金、銀、銅のうちいずれか１つ若しくはこれらの混合物を使用する。ワーク８が蒸気槽２内にある状態において、ヒーター６を動作させると、熱媒体４から発生した高温蒸気にワーク８が晒され、ワーク８が加熱される。

ワーク８は、例えばメッシュ状に形成された支持台１３上に配置され、その両側に設けたアーム１４、１４によって支持されており、アーム１４、１４は、蒸気槽２の上部から蒸気槽２の外部に突出し、昇降装置１６に結合されている。アーム１４、１４と昇降装置１６とが、被加熱物搬入手段を構成する。蒸気槽２の上部には、ゲートバルブ１８を介してロードロックチャンバー２０が設けられている。アーム１４は、ゲートバルブ１８、ロードロックチャンバー２０を介して昇降装置１６に結合されており、ゲートバルブ１８を開いて昇降装置１６を動作させることによって、ワーク８は、ロードロックチャンバー２０と蒸気槽２との間を昇降可能である。ロードロックチャンバー２０には、真空ポンプ２２が取り付けられており、ゲートバルブ１８を開いてワーク８をロードロックチャンバー２０内に収容して、ゲートバルブ１８を閉じて、真空ポンプ２２を動作させることによって真空引きが可能である。

蒸気槽２における熱媒体４とワーク８との間には、カルボン酸供給手段、例えばガスバブリング装置２４が取り付けられている。ガスバブリング装置２４は、気化されたカルボン酸、例えばギ酸を導入するためのもので、容器２６内にカルボン酸液２８を収容し、このカルボン酸液２８中に外部から不活性ガス導入管３０を介して不活性ガス、例えば窒素ガスを導入することによって、カルボン酸液２８を気化させて、気化したカルボン酸と窒素ガスとを、気化ガス導入管３２を介して蒸気槽２内、特に高温蒸気中に導入している。なお、符号３４で示すのは、冷却ジャケットで、気化ガス導入管３２を蒸気槽２に取り付けるために使用するオーリング（図示せず）が高温蒸気に晒されて劣化することを防止するためのもので、気化ガス導入管３２の導入位置として予め想定される複数の箇所に設けられている。

このように構成されたべーパーリフロー装置では、蒸気槽２内に熱媒体４を収容し、ワーク８を蒸気槽２内で熱媒体４の上方に配置し、ヒーター６を加熱させることによって、熱媒体４から高温蒸気を発生させ、この蒸気によってワーク８を加熱させる。図３（ａ）、（ｂ）は、熱媒体として沸点が摂氏２３０度と２６０度の低分子量のパーフルオロポリエーテルを熱媒体４として使用し、ワーク８として１００＊１００＊２（ｍｍ）の銅板を使用し、ヒーター６の制御温度を白丸で示すように２５０度、２８０度として、熱媒体４の温度をそれぞれ四角で示すように約２３２度、２６２度として、それらからそれぞれ高温蒸気を発生させた状態で、ワーク８を加熱したときのＣｕ板の温度を黒丸で示したもので、沸点が２３０度の場合、最高温度が２３０．５度、最低温度が２２９．８度となり、その差は０．７度であり、沸点が２６０度の場合、最高温度が２６０．４度で、最低温度が２５９．６度で、その差は０．８度である。従って、操作開始から概ね１２０秒という短時間で銅板を過加熱することなく、銅板を均一に加熱することが可能である。

また、熱媒体４の加熱によるワーク８の加熱時に、ガスバブリング装置２４を使用して、気化されたギ酸を蒸発槽２内に供給することによって、ワーク８の加熱と同時に還元も行うことができる。図４（ａ）乃至（ｃ）は、蒸発槽２として容積３２．４６ｌのものを使用し、摂氏２６０度の低分子量のパーフルオロポリエーテルを熱媒体４として使用し、ワーク８として銅板上に半田を配置したものを使用し、ギ酸と窒素ガスとの流量を２ｌ／分、５ｌ／分、１０ｌ／分として、ワーク８の温度が摂氏１５０度から導入した際の温度プロファイルである。このプロファイルで、５０＊５０＊２（ｍｍ）の銅板上の２０＊２０＊０．４（ｍｍ）のＳｎ−３．０Ｗｔ％Ａｇ−０．５Ｗｔ％Ｃｕ半田を溶融した後の半田の写真を図５に示す。２ｌ／分では図５（ａ）に示すように半田は溶融するが、完全に還元されてなく、黄色く変色し、銅板とも濡れていなかった。５ｌ／分では、同図（ｂ）に示すように半田は溶融し、還元され、銀光沢色をしており、銅板との濡れも広がっていた。１０ｌ／分では、同図（ｃ）に示すように、半田は溶融し、還元され、銀光沢色をしており、銅板とも広範囲に濡れていた。この点から、２ｌ／分よりも大きい流量でギ酸と窒素ガスとを蒸発槽２に供給することが望ましいが、ギ酸と窒素ガスとの流量が増大すると、熱媒体の蒸気が冷却され、銅板の温度上昇が限定される。

第２の実施形態のべーパーリフロー装置を図６に示す。この装置は、ガスバブリング装置２４に代えて、ギ酸の滴下装置２４ａを使用したものである。この滴下装置２４ａでは、ギ酸タンク３６を準備し、これに不活性ガス導入管３８を介して不活性ガス、例えば０．０５ＭＰａの圧力の窒素ガスを供給し、配管４０に液体のギ酸を押し出して、三方切換弁４２の入力ポートに供給し、その出力ポートを配管４４を介して蒸気槽２内に導入して、ギ酸液を蒸気槽２内に滴下させる。蒸気槽２内には高温蒸気が充満しており、その温度は、滴下されたギ酸の沸点よりも高いので、滴下されたギ酸は即座に気化される。なお、三方切換弁４２を使用しているのは、配管４４に残留したギ酸液を完全に滴下させるために、もう１つの入力ポートから窒素ガスを供給するためである。

図７は、図５において窒素ガスの圧力を０．０５ＭＰａとし、三方切換弁４２を１秒間開くことを繰り返した時の滴下量を測定したもので、最大で０．６９５ｇ、最小で０．５８６ｇ、平均が０．６４０ｇ、標準偏差が０．０２８ｇとなった。このように1回の滴下で平均として０．６４０ｇのギ酸が滴下される。ギ酸１モルは４６ｇであるので、滴下量０．６４ｇは０．０１４モルで、１モルは２２．４リットルであるので、０．０１４モルから０．３１リットルのギ酸ガスが発生している。蒸気槽２は上述したように３２．４６リットルの大きさであるので、ギ酸の濃度は０．３１リットル／３２．４６リットルは、０．００９６で、約１％となる。

図８（ａ）に示すように銅板上にＳｎ−３．０Ｗｔ％Ａｇ−０．５Ｗｔ％Ｃｕのペースト半田を形成したものをワーク８として使用して図９に示す温度プロファイルで、加熱すると共に、上記の滴下を１２０秒〜１８０秒の間に３回滴下すると（濃度３％）、図８（ｂ）に示すようにペースト半田が溶融し、銅板上に十分に濡れた。なお、図９において一点鎖線で示すのはヒーター６の温度、破線で示すのは熱媒体４の温度、実線で示すのはワーク８の温度である。

銅板上にＳｎ−３．０Ｗｔ％Ａｇ−０．５Ｗｔ％Ｃｕのペースト半田を形成したものをワーク８として使用して図９と同じ温度プロファイルで、加熱すると共に、滴下回数０とすると、図１０（ａ）に示すように、還元されていないので、溶融した半田は黄色く、また濡れは広がらなかった。滴下回数１回（濃度１％）では、同図（ｂ）に示すように、還元雰囲気に晒されたので、半田は銀光沢色で、正常に溶融しいている。但し、濡れの広がりはよくなかった。滴下回数６回（濃度６％）では、同図（ｃ）に示すように十分に還元されているので、半田は銀光沢色で、濡れ広がりが改善している。これらから、約１％以上の濃度でギ酸ガスを発生させると、還元作用が得られ、濡れを良くするためには約３％以上のギ酸ガスを発生させることが望ましい。なお、液状のギ酸によって還元することができるので、ギ酸の濃度に上限は無く、滴下回数によって瞬時にギ酸濃度を変えられる利点もある。

第１の実施形態では、説明しなかったが、ゲートバルブ１８を閉じて、ワーク８を加熱し、その後にゲートバルブ１８を開いて、昇降装置１６を動作させることによって、ワーク８をロードロックチャンバー２０内に移動させて、ゲートバルブ１８を閉じて、真空ポンプ２２を動作させて、ロードロックチャンバー２０内を真空にすることによって、ワーク８内の半田からボイドを抜くことができる。

図１１は、ペースト半田で部品を基板に半田づけするように配置したワーク８を加熱しただけで真空引きを行っていない場合の温度プロファイルで、一点鎖線がヒーター６の温度、破線が熱媒体４の温度、実線がワーク８の温度である。ワーク８の温度が一定となった１２０秒経過後にギ酸を３回滴下し、半田が完全に溶ける２５０度以上の温度までワーク８を加熱して、冷却した場合には、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように部品と基板との接合界面や半田のフィレット部にボイドが存在する。同じワーク８で、図１３に示すように同じ温度プロファイルで同じようにギ酸を滴下し、２５０度以上の温度までワーク８を加熱した後、ゲートバルブ１８を開いてロードロックチャンバー２０にワーク８を移動させて、ゲートバルブ１８を閉じて、真空引きを行った場合、図１４（ａ）、（ｂ）に示すようにボイドが発生しない。

このように気化されたカルボン酸を蒸気槽２内に供給することによって、ワーク８を加熱するだけでなく、還元することもできる。特に、ワーク８が半田を含むものの場合、加熱後に、ロードロックチャンバー２０にワーク８を移動させて、真空引きすることによってボイドの発生を阻止することができる。

第１の実施形態では、気化したギ酸を蒸気槽２に供給し、第２の実施形態では、液体のカルボン酸を蒸気槽２内に滴下して、加熱された熱媒体４によって気化させたが、例えばギ酸を収容した容器等を蒸気槽２に加熱前に配置し、蒸気槽２内の熱媒体４の加熱時に、その熱によって容器内のギ酸を気化させることもできる。また、上記の両実施形態では、カルボン酸としてギ酸を使用したが、これに代えて、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸のように室温で液体で、かつ沸点が被加熱物中で溶けるものの融点以下の温度で気化するもの、例えば沸点が２００度以下のものを使用することができるし、常温で粉末等の固体であって、加熱することによって昇華するものも使用することができる。

２蒸気槽
４熱媒体
６ヒーター（加熱手段）
８ワーク
２４ガスバブリング装置（カルボン酸供給手段）

Claims

液状の加熱媒体を加熱して、被加熱物の融点以上の温度で蒸発させた高温蒸気によって前記被加熱物の温度を前記融点より低い温度から前記被加熱物の融点以上の温度まで上昇させて、前記被加熱物の融点以上の温度で均一に加熱する方法であって、
前記高温蒸気による加熱中において前記被加熱物の温度がその融点以上の温度となる前に、前記高温蒸気中にカルボン酸を導入し、導入した前記カルボン酸を前記高温蒸気によって加熱させることにより、還元雰囲気を作り、その還元雰囲気中で前記被加熱物を還元する加熱方法。
請求項１記載の加熱方法において、前記カルボン酸が気体状態とされて、前記高温蒸気中に導入されて、加熱される加熱方法。
請求項１記載の加熱方法において、前記カルボン酸が液体であり、この液体のカルボン酸を前記高温蒸気中に滴下することによって、気化及び加熱される加熱方法。
請求項１記載の加熱方法において、前記被加熱物が、金属電極、金属電極上に配置された半田または２つの金属電極とその間に挟まれた半田である加熱方法。
請求項４記載の加熱方法において、半田に代えて、粒状金属と有機物とからなる焼結材、板状金属と有機物とからなる焼結材または粒状金属と板状金属と有機物とからなる焼結材を使用する加熱方法。
請求項１記載の加熱方法において、前記被加熱物が半田を含み、前記半田が溶融されているとき、圧力を真空にすることにより、前記半田中のボイドを除去する加熱方法。
請求項１記載の加熱方法において、前記カルボン酸の濃度が約１％以上である加熱方法。
内部に液体の加熱媒体が収容された蒸発槽と、
前記蒸発槽中に、被加熱物を搬入する被加熱物搬入手段と、
前記加熱媒体を前記加熱媒体の沸点及び前記被加熱物の融点以上の温度で加熱して、前記加熱媒体の蒸気を発生させ、その蒸気によって、前記被加熱物の温度を前記融点より低い温度から前記被加熱物の融点以上の温度まで上昇させて、前記被加熱物を均一に加熱する加熱手段と、
前記被加熱物の温度が前記融点以上の温度になる前に前記蒸発槽にカルボン酸を供給するカルボン酸供給手段とを、
有し、前記カルボン酸供給手段は、前記カルボン酸を気化した状態で前記蒸発槽中に供給する加熱装置。
内部に液体の加熱媒体が収容された蒸発槽と、
前記蒸発槽中に、被加熱物を搬入する被加熱物搬入手段と、
前記加熱媒体を前記加熱媒体の沸点及び前記被加熱物の融点以上の温度で加熱して、前記加熱媒体の蒸気を発生させ、その蒸気によって、前記被加熱物の温度を前記融点より低い温度から前記被加熱物の融点以上の温度まで上昇させて、前記被加熱物を均一に加熱する加熱手段と、
前記被加熱物の温度が前記融点以上の温度になる前に前記蒸発槽にカルボン酸を供給するカルボン酸供給手段とを、
有し、前記カルボン酸供給手段は、前記カルボン酸を前記蒸発槽中に滴下して供給する加熱装置。