JPH0327872A - はんだ付け接合方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、はんだ付け作業中、どの時点ではんだ付け接
合又は結合が適切に完了したかを決定するための電力測
定に関し、特に、はんだごて又は他の電気的ヒータによ
り提供されるピーク電力を測定することによって、はん
だ付け結合の適切な完了が決定されるように、はんだ付
け機構の各種パラメータを予め決定することに関する。

［従来技術及び発明が解決しようとする課題］冷間ろう
付け接合は、電気的機構及び電子的機構において、この
産業の開始以来、主要な問題源となってきた．冷間ろう
付け接合に対して保証される以上の加熱のし過ぎは高価
な電子チップを確実に損ない破壊することになるので、
電子チップ等の集積回路の出現に伴なって冷間ろう付け
接合に関する問題は大きく増大してきている．こうして
、はんだ付け作業者、特に高度な生産性が要求されるは
んだ付け作業者は、はんだ付け作業に際して、共に欠陥
品又は欠陥基板となってしまうような不充分な加熱と過
剰な加熱との間でしばしば綱渡り作業が強いられている
。

［課題を解決するための手段及びその作用］本発明は、
ピーク電力の測定を行なうことによって、良質なはんだ
付け接合を保証できる２つの異なる実施例を開示するも
のである。

第１実施例において、特定時間長以内に到達された電力
ピークによって、その結合部が良質なはんだ付け接合が
提供され得る適正温度に達したことが示される． 即ち、この手法においては、もし特定時間以内に所定の
ピーク電力が達成されたならば、良質なはんだ付け接合
に要求される所定の温度が達成されたことが理解される
。ここで挙げられる各種パラメータは例示的なものであ
り、此等パラメータは負荷の特定分類毎に変更され予め
決定されねばならない． 各種パラメータを決定するために、時間に対する基本的
な関数が決定される。上記特定時間の間、上昇温度に晒
される各種要素の最大安全露出を決定するためには、基
板等の組織構造と共にその基板上の各種構成部材の温度
に関する物理的許容公差が検討される。１つの要素が露
出されるか晒される温度は、はんだごて先端の形状及び
ワット数を考慮しての熱源に対して配置される当該要素
の位置や、はんだとての温度や、はんだ付けされるべき
接合部への熱伝達率等に依存して変化する。次なるパラ
メータは適切なはんだ付け接合を提供するために伝達さ
れるべき熱であり、はんだの溶融温度と全複合体からの
熱の放散率との関数である。

此等パラメータが決定されたならば、実験によって適切
なはんだ付け接合を提供するに望ましい温度を達成する
に要求されるピーク電力が決定される。その後、はんだ
付け工程の作業者はそのピーク電力が達成されたこと示
す信号だけに集中すればよいことになる。

本発明の第２実施例においては、適切なはんだ付け接合
の決定手段として、ピーク電力対時間の曲線の内の特殊
形状が選択される。電力ははんだ付けされるべき連結部
に接触してぃるヒータ＆：供給される。はんだの流れを
観測し、その連結部が適切に加熱され、溶融されたと決
定された時に、その時間に対する電力のプロット点が注
目される．このプロット点は接合完了の印を提供するこ
とになる。

この工程に用いられているヒータの熱的イナーシャ（慣
性）は低いことが必要であり、その熱源はヒータの先端
でなくてはならず、熱シンク又は他の熱源から基本的に
は絶縁されねばならない。

その絶縁の用途でセラミックが用いられる。ヒータの熱
的イナーシャは加熱される部材の熱的イナーシャよりも
相当に小さいことが必要である．熱的イナーシャをより
低減するためには、電流源とヒータとを誘導式に接続す
ることで行なう。

本発明の概念が生み出される過程で使用され、本願に表
示された曲線及びデータを得るのに使用されたはんだご
ては、米国特許第４，８３９，５０１号に開示されてお
り、此等のはんだごては、次式の関係を保持することに
よって一定電流で駆動される温度自動調節式のヒータで
ある。また、米国特許第４，２５６．９４５号に開示さ
れるはんだごても採用することができる。

（Ｉ：電流、Ｒ：抵抗） ［実施例］ 以下に詳述する本発明の第１実施例には以下の如き仮定
が設けてある。

１，　良質のはんだ付け結合とはその結合部の温度が５
秒以内に４５０〜５００”Ｆまでに上昇した場合の結合
をいう． ２．　この４５０〜５００＠Ｆの結合部温度は０．５秒
間は保持されなければならい．３．　はんだ付け工程の
作業者には、良質はんだ付け結合が形成されたことを決
定するために、ピーク電流出力の読み取りをなすことが
要求されるのみである。ヒータ先端部材を選別する作業
を操作技術者が要求してもよい。この点については後程
説明する。結合領域面と接するはんだごて先端の面積は
同様の全ての作業において常に一定に保持されなければ
ならない。

４．　ヒータ先端面は適切にすずめつきされて維持され
なければならない。

５．　結合部の温度勾配又は温度変化の割合は重要では
ないと考えることにする（常にそうとは限らない）。

第１図のグラフを考察する前に、はんだ付け結合の形成
中、伝熱に関して２つの位相が生じることに着目する。

第１の位相は過渡的なものである．上記ヒータ先端部材
に蓄えられたエネルギーと結合部の熱的必要条件に基づ
いて熱が伝達される。はんだ付け結合の形成の際に現わ
れるこの位相は、そのヒータ温度（電力）がそのはんだ
付け結合部の温度と関連しないので、この発明にとって
さほど有用ではない。ヒータ温度がその最小点に到達し
て増大を開始した後は、結合部温度はヒータ温度に依存
することになる。よって、ここで１つの重要な設計ガイ
ドラインが定義される。このはんだ付け方法を有効なも
のとするには、ヒータは結合部に熱を供給しなければな
らない。ここで定義される関連性は温度又は時間の関数
としてのヒータに供給される電力との関連性に依存する
ので、本発明を実施する際に、もしヒータ出力が要求さ
れなければ、良質なはんだ付け結合が生じたか否かを決
定することは不可能となる。こうして電力と温度とが関
連づけられたので、この位相ははんだ付け結合部に関す
る有力な情報を提供するものである。

添付する第１図等には３つの曲線が描写されており、各
曲線は電力対結合部温度のグラフである。全ての曲線は
全体的には同一の輪郭を有している。

第１図に示す如く、１つのはんだ付け工程においては３
つの異なる領域が確認される。領域！は「蓄積熱」と云
われる．はんだ付け結合を形成するこの位相において、
全ての熱はヒータ先端の蓄積熱によって供給される。正
味の電力は変化しないが、先端温度は低下する。この位
相は１秒間以内に急激に生じて明確に完了する．この領
域でのはんだ付け結合部の温度制御は不可能である。で
きる限り速くヒータを負荷に対応させたいので、先端の
熱的イナーシャはできる限り小さいことが望ましい。い
ったんヒータがその先端温度の下落に対応すると、領域
２、即ち「過渡的な加熱」が始まる。電力は急激にその
ピークへと増大し、上記領域１の場合よりも緩慢ではあ
るが、結合部温度は上昇し続ける。先端温度の更なる低
下による何等かの寄与と共に、ヒータから熱がその結合
部へ供給される。はんだ付け結合部はヒータから直接的
に伝達された熱が支配的となるため、その温度制御は改
善されるが、依然として作業者の判断が要求される。領
域３、即ち『定常状態での加熱』は最も興味深いもので
ある。この位相において、結合部温度は上昇するものの
正味の電力は減少する。結合部温度はゆっくりと上昇し
、当該結合部への熱はヒータによって供給されている。

温度は定常状態熱伝達の法則に従って上昇するので、結
合部温度は次式のように電力と関連することになる。

（ヒータ温度）−（結合部温度） ＝（正味電力）Ｘ（熱的抵抗） 第１図は電力対結合部温度の曲線に対する負荷の大きさ
の効力を示している。如何なる所与のヒータ先端形状に
おいても、負荷の増大はピーク電力を増大させ、ピーク
電力時の温度を低下させることになる。大きい負荷及び
中位の負荷に形成されたはんだ付け結合は良質の結合で
はなかった。

小さい負荷も、過剰な電力が供給されたはんだとての場
合のように、所望の温度に到達した後かなりたってピー
ク電力が生じたために、良質な結合を提供しなかった。

第２図には、負荷（中位の負荷）を一定としてヒータ先
端形状を変えた場合のグラフを示す。このグラフより明
らかな如く、Ａで示す曲線のようなより大型及び／或は
短形のヒータ先端は、ピーク電力が増大し、ピーク電力
時の温度も上昇している。よって、０１３で示されるヒ
ータカートリッジによって形成されたはんだ付け結合だ
けが良質な結合であると考えられる。此等３つのカート
リッジ全ては３５ワット・ヒータであり、全ての曲線は
同一時間経過に亙って描写されている。このように、結
合部温度が正味の電力から予測できるので、第３領域、
即ち「定常状態での加熱』が最も興味深い。

第４図には、此等の試験に採用されたはんだ入り容器か
ら成る温度制御付きのはんだ壺又はポットを図示する。

此等の試験ははんだごて先端を溶融はんだ中に置くこと
によって行なわれた。このはんだポットによる負荷試験
によって、カートリッジ先端の温度が異なるときの当該
カートリッジの出力電力の特徴付けを行なうことができ
る。ここでの出力電力対温度の変化はその先端の熱的抵
抗に起因している。熱的抵抗がより低ければ低い程（短
形且つ大型の先端の場合）、その曲線はより急峻となる
．第３図は同一ワット数であるが異なる大きさを有する
３つの異なるカートリッジのはんだポットによる負荷試
験の結果を示す。これもまた定常状態の熱伝達であるの
で、良質なはんだ結合の形成を出力電力で確認すること
ができる。良質な結合は４５０′〜５００＠　Ｆの間の
温度で形成される。カートリッジＳＴＴＣ−０　３　７
では、その場合の出力電力は１１．５から９．５ワット
である。．０３３の先端カートリッジを使用した際には
、そのピーク電力を少なくとも９．５ワットで達成しな
ければならない。もしそうでなければ、結合部温度はあ
まりに高過ぎることになるか、カートリッジ先端の選択
が正しくなかったのである。もしピーク電力が１１．５
ワットを越えても、５秒間以内にその電力が１１．５ワ
ットに減少したならば、良質なはんだ付け結合が行なわ
れるであろう。

第５図は、本発明に係るはんだとての制御機構のブロッ
ク図である。図面中、操作用ハンドルとして示したはん
だごて１０には、電力センサーｌ４を含むＲＦ６−３０
型電力供給源１２によってｒｆ電力が供給されている。

センサー１４ははんだごて１０に供給される電力を検知
し、ピーク電力指示計１６にｄｃ信号を供給している。

ピーク電力が指示されたならば、はんだ付け結合は完了
され、工程作業は終了されることになる。工程の終了は
その工程作業者によってなされてもよく、装備機構によ
って全自動的に行なわせてもよい。

第６図は本発明の第２実施例に用いられるヒータを示す
。中空円筒形のセラミック本体２４又は他の熱的且つ電
気的な絶縁体にコイル２２が巻回されている。この中空
セラミック本体２４内には強磁性コア２６がコイル２２
と同軸状に配置されている。強磁性体から成る中空シエ
ル２８がコイル２２を覆って上記中空セラミック体２４
の端部を越えて当該セラミック体の回りに配置されてお
り、その先端にはヒータ先端３０を提供している。

工程作業に際して、コイル２２を励磁すると、コア２６
によって高められた磁束がシェル２８に結合することに
よってこれがキュリー温度、この例の場合には約５００
″　Ｆまで加熱される。キュリー温度に近づくにつれ、
シェル２８及びコア２６は常磁性に近づくことになり、
前述した特許に開示されるように、加熱は此等部材が再
度強磁性になるまで減少することになり、こうした加熱
サイクルが繰り返されることになる。

第７図にははんだ付け結合の善し悪しを示し得る特性曲
線を示す。

曲線Ａにおいて、ヒータはＸ点でキュリー温度に到達し
て最大加熱状態となり、そして負荷に伝達されている電
力は低点ｘ１に落ちる。第２ピークであるＹ点ははんだ
溶融の結果であり、熱がはんだ付け結合部へ向って拡大
し伝達されてヒータ温度が減少することになる。これは
温度を維持するためにより多くの電力を要求している。

加熱されるべき全ての要素が加熱された後、ヒータはア
イドル状態となり、温度はレベル２まで落ちる。

曲線Ａで示されているように、このアイドル電力が無負
荷状態を示す線ｚｌの上方にあれば、結合は適切に完了
したことになる。

曲線Ｂは不良のはんだ付け結合の特性曲線である。この
曲線ではＺ点でピーク電力に立ち上がるが、はんだが溶
融されたことを示す第２のピーク点Ｙは提供されていな
い。また、この曲線は点Ｚから無負荷状態を示す線ｚｌ
付近まで降下しており、負荷へ熱伝達が殆どなされてい
ないか全くなされていないことを示している。

このように、本発明の第２実施例に従えば、第７図を基
に詳述したように、電力対時間のグラフを観察すること
によって、そのはんだ付け結合の善し悪しが容易に決定
されることになる。

［発明の効果］ 本発明は以上説明したように構成されているので、はん
だ付け工程作業に際して良質なはんだ付け結合の完了を
容易に決定す呂ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は負荷の大きさに依存しての電力対結合部温度の
特性曲線、第２図はヒータ先端の形状に依存しての電力
対結合部温度の特性曲線、第３図は同一ワット数である
異なる３つのカートリッジによるはんだポットを用いた
負荷試験結果を示す特性図、第４図ははんだポットの概
略図、第５図は本発明に係るはんだとての制御機構のブ
ロック図、第６図は本発明の第２実施例に採用されるヒ
ータの概略断面図、第７図ははんだ付け結合の良否を示
し得る特性曲線を示す。 図面中の主な参照番号 １０．．．はんだごて、１２．．．電力供給源、１４．
．．電力センサー　１６．．．電力指示計、２　２　．
．．コイル、２　４　．．．中空円筒形セラくツク本体
、２６．．．コア、２　８　．．．中空シェル、３　０
　．．．　ヒータ先端。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）適切なはんだ付け工程の完了を決定する方法にお
   いて、 はんだ付けされようとする部材に隣接する物理的な部材
   を損なうことなく適切なはんだ付け結合を行なうに際し
   て要求されるパラメータの関数としての、ヒータへ入力
   される所望ピーク電力を予め決定し、 はんだ付け操作を開始し、 上記ヒータへの電力を測定して上記パラメータの関数と
   してのピーク電力の発生を確定し、上記パラメータの望
   ましい関数としてのピーク電力を検出することにより、
   上記はんだ付け工程を終了することから成る適切なはん
   だ付け工程の完了を決定する方法。
2. （２）上記望ましい関数は上記電力の時間的変化に関す
   るグラフの特殊形状であることから成る請求項１記載の
   方法。
3. （３）上記望ましい関数は後続してより小さく現われる
   ピーク電力を伴なうピーク電力であることから成る請求
   項１記載の方法。
4. （４）上記後続ピーク電力出現後の時間的電力変化は所
   定の基準電力レベル以上に維持されねばならないことか
   ら成る請求項３記載の方法。
5. （５）適切なはんだ付け工程の完了を決定する装置にお
   いて、 適切なはんだ付け結合を行なうに際して要求されるパラ
   メータの関数としての、ヒータへ入力されるピーク電力
   を予め決定する手段と、 はんだ付け操作を開始する手段と、 電力を測定して上記パラメータの関数としてのピーク電
   力の発生を確定する手段と、 上記パラメータの望ましい関数としてのピーク電力を検
   出することにより、上記はんだ付け工程を終了する手段
   と、 を備えて成る適切なはんだ付け工程の完了を決定する装
   置。