JPH0864949A - 温度制御された非酸化性雰囲気中で部品を印刷回路板にウエーブはんだ付けするための方法 - Google Patents

温度制御された非酸化性雰囲気中で部品を印刷回路板にウエーブはんだ付けするための方法

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JPH0864949A
JPH0864949A JP7097123A JP9712395A JPH0864949A JP H0864949 A JPH0864949 A JP H0864949A JP 7097123 A JP7097123 A JP 7097123A JP 9712395 A JP9712395 A JP 9712395A JP H0864949 A JPH0864949 A JP H0864949A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ウエーブはんだ付けによるはんだ接合の品質を
改善する。 【構成】印刷回路板を予熱するための少なくとも１の予
熱ゾーン（Ａ，Ｂ）と、回路板に部品をはんだ付けする
ための少なくとも１のはんだ付けゾーン（Ｃ）と、はん
だを冷却及び固化させるための少なくとも１の冷却ゾー
ン（Ｄ）を備えたウエーブはんだ付け装置に実質的に非
酸化性の雰囲気を注入するに当り、該雰囲気から該印刷
回路板への熱伝達の熱効率を増大させるために該実質的
に非酸化性の雰囲気の温度を該はんだ付け装置中へのそ
の注入の前及び／又は間に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ウエーブはんだ付け装
置中に実質的に非酸化性の雰囲気を提供するための方法
であって、この雰囲気から印刷回路板への熱伝達の熱効
率を増大させるために実質的に非酸化性の雰囲気の温度
をはんだ付け装置中へのその注入の前及び／又は間に制
御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ウエー
ブはんだ付け装置は、以前は手で行われていた印刷回路
板上への部品のはんだ付けを自動的に行うために当業界
に導入されて久しい。典型的なはんだ付け装置は、印刷
回路板を予熱するための少なくとも１の予熱ゾーンと、
はんだポットに収容された溶融はんだにより印刷回路板
の底部側を被覆することによって部品を回路板にはんだ
付けするための少なくとも１のはんだ付けゾーンと、は
んだが固化されるところの少なくとも１の冷却ゾーンと
を備えている。このはんだ付けプロセス又はコーティン
グプロセスは、通常、接合又は被覆されることが必要な
金属表面の印刷回路板の底に対する濡れを改善するため
に使用されるフラックス剤の存在下で行われる。フラッ
クス剤は、通常、腐食性であり、これらフラックス剤の
過剰又は残渣は、ウエーブはんだ付け操作後これを除去
しなければならない。
【０００３】低残渣洗浄不要フラックス又は無フラック
スプロセスが、開発され、そこでは、ウエーブはんだ付
けプロセスを標準のフラックス剤の不都合なしに窒素の
ような実質的に無酸素雰囲気下で行うことができる。
【０００４】米国特許第３，７０５，５４７号は、最も
早期のウエーブはんだ付け方法を開示しており、これに
は印刷回路板の金属表面の参加を回避するために不活性
ガスを注入することが含まれる。
【０００５】米国特許第４，５３８，７５７号は、窒素
及び水素を包含する還元性雰囲気下でのウエーブはんだ
付け方法を開示しており、周囲空気との雰囲気交換を紡
糸するために装置の入口及び出口で窒素カーテンが設け
られている。
【０００６】米国特許第４，６０６，４９３号は、はん
だ付け中に発生する熱による電気的（通常、鉛−スズ被
覆銅において）接続の酸化を紡糸し、回路担体中に熱的
応力が発生することを減少させるために不活性ガス雰囲
気下で印刷回路板をはんだ付けする方法及び装置を開示
している。このために、スリットを通して不活性ガスを
注入して複数の高速ジェットを提供し、これを印刷回路
板の底側に衝突させる。操作の条件として、不活性ガス
ジェットの温度ははんだポット中の溶融はんだの温度
（６００℃）より約２倍高い。
【０００７】米国特許第４，６４６，９５８号は、窒素
及びシラン、又は水素及びシランを包含する雰囲気下、
フラックスなし又は無フラックスシステム中で行われる
はんだリフロー又ははんだチップ方法を開示している。
【０００８】米国特許第４，８２１，９４７号は、フラ
ックスを用いないで、表面を構成する金属上に溶融金属
を被覆する方法を開示している。この方法は、温度が表
面を構成する金属への損傷を回避するに十分に低いとこ
ろの不活性ガス中で行われ、表面を構成する金属に隣接
する部品のような材料に損傷を与えない。
【０００９】米国特許第５，０７１，０５８号は、接合
又は被覆に用いられるフィラー材料を構成する金属を酸
化するに必要であるよりも大きな酸化能を有するが、空
気のそれよりも低い酸化能を有する制御された酸化性雰
囲気中で行われる接合／被覆操作を行うための方法を開
示している。ウエーブはんだ付け方法の場合には、不活
性ガス雰囲気中の酸素含有率は少なくとも１０ｐｐｍ、
好ましくは少なくとも５００ｐｐｍである。
【００１０】米国特許第５，１２１，８７５号は、ウエ
ーブはんだ付け装置のための短いフードを開示してお
り、ここでは印刷回路板の予熱が空気下で行われる。こ
の方法において、洗浄不要フラックスが使用され、はん
だポットで５％未満の酸素濃度が推奨されている。
【００１１】米国特許第４，９２１，１５６号は、はん
だ付け室を有し、このはんだ室に保護ガス雰囲気を注入
するための手段と、溶融金属はんだのプール中に下降し
て突出する封止スカート手段を含む装置を開示してい
る。好ましくは、保護ガス雰囲気は、窒素及びおそらく
いくぶんかの還元剤からなる。
【００１２】米国特許第４，７４６，２８９号は、層流
条件での非反応性雰囲気下で部品を処理するための方法
を開示している。
【００１３】米国特許第５，２０３，４８９号及び同第
５，２４０，１６９号に、ウエーブはんだ付け方法にお
ける新たな進展が示されている。このウエーブはんだ付
け方法によれば、表面搭載部品をはんだ付け前に回路板
の底側において使用することができる。この新技術は、
２つの主要利点を有する。その一つは、回路板の底部に
平方インチ当りより多くの部品を置くことができるとい
うことである。第２には、スルーホール部品に付随する
欠陥、たとえば不十分な頂部側フィレット（filet ）及
びバイアバレル（via barrel）におけるボイドを除去す
ることである。これらの新規部品は、それらが置き換え
ようとする伝統的なスルーホール部品よりもはるかに小
さいので、それらが耐え得る熱衝撃は大幅に低下する。
そのような部品についての通常の最大立ち上げ温度(ram
p temperature ）は２℃／ｓｅｃである。このため、標
準的なウエーブはんだ付け装置の予熱温度は、部品を損
傷させないために低下させる必要があるが、これを行う
ことによりスルーホール部品は適切な温度に達し得ず、
欠陥率を増加させる。
【００１４】一般的な製造条件下では、回路板は、ピン
スルーホール（ＰＴＨ）及び表面搭載部品（ＳＭＴ）を
含有し得る。このタイプの回路板は、混成テクノロジー
板と呼ばれる。ＰＴＨ部品は、サイズ及び質量、並びに
金属製ヒートシンクやプラスチック製コネクターのよう
に材料ににおいて大きく変わり得る。比較すると、ＳＭ
Ｔ部品は、非常に小さく、質量がわずかである。混成テ
クノロジーの問題は、欠陥率を増加させる温度差であ
る。これら欠陥は２つの主要カテゴリーに別れる。第１
は、ＳＭＴ部品の過加熱であり、第２は、ＰＴＨ部品の
不足加熱であり、不十分なはんだ接合を生じさせるもの
である。当業界では混成テクノロジー板が主流であるの
で、回路板を横切る大きな温度差の問題を解決すること
が要求されている。
【００１５】さらに、連続プロセスにおいて同じ装置で
はんだ付けしようとする回路板アッセンブリーのタイプ
が変わるという問題がある。比較的軽量の部品を有する
小さな回路板を、比較的重質の部品を有する大きな回路
板と同じプロセスラインではんだ付けしようとする場
合、両タイプの回路板について適切な温度プロファイル
を維持するという問題がある。１つの解決は、多重温度
プロファイルを使用することであるが、この解決は、装
置のスループットを低下させ、単位コストを上昇させ
る。他の解決は、同じ温度プロファイルを使用すること
である。この解決は欠陥率を増加させるという欠点を有
する。
【００１６】より多くの組み立て者が異なる回路板のタ
イプ及び部品のタイプを使用するに従い、この問題はさ
らに大きくなる。従って、品質又はスループットを犠牲
にすることなく回路板のタイプ及び部品のタイプを変え
ることを許容する解決が必要である。
【００１７】また、処理する製品の数を増加させること
によって、各製品に要求される組立時間が増加し、装置
のスループットを低下させる。これにより製品コストは
さらに上昇する。
【００１８】ウエーブはんだ付け装置を用いて印刷回路
板上に部品をはんだ付けする目的の一つは、スルーホー
ル部品を有するかＳＭＴ部品を有するかにかかわらず、
均質な高品質はんだ接合を達成することである。はんだ
接合のよりよい品質は、印刷回路板上の部品の電気接続
欠陥を減少させるためのより均質なはんだ接合を意味す
る。これは、はんだ塗り落ち、スルーホール部品のバレ
ル内のはんだのボイド、また不十分な頂部側フィレット
を回避することにより達成できる。スルーホール部品の
ウエーブはんだ付け方法に関して上に開示した異なる全
ての方法は、はんだ接合の品質に関し完全に満足できる
ものではなく、よりよい品質のはんだ接合を達成するた
めにウエーブはんだ付け方法を改善することが当業界で
望まれている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の方法は、はんだ
接合の品質を改善するために、入ってくる雰囲気の温度
を制御することによって取り巻く雰囲気から印刷回路板
への熱伝達の熱効率を増加させることを目的としてい
る。本発明の一態様によれば、ウエーブはんだ付け装置
中に注入（inject）される実質的に非酸化性の雰囲気を
予熱ゾーンのような当該装置のある領域内で予熱し、冷
却ゾーン及び／又はウエーブゾーンのような当該装置の
他の領域内で冷却する。
【００２０】熱い実質的に非酸化性の雰囲気を、ウエー
ブはんだ付け装置の予熱ゾーンの少なくとも１つのよう
なゾーンに注入する場合、本発明の方法は、好ましくは
印刷回路板及び印刷回路板を加熱するための輻射に実質
的に垂直であるところの層流強制対流を使用するが、従
来は、時に輻射をともなう自由対流を使用していた。層
流強制対流という語は、各分配ゾーンにつき５００ない
し２，５００のレイノルズ数を有する流れを意味する。
より大きな熱伝導を促進するために入口ゾーンではより
高いレイノルズ数が時に要求される。
【００２１】ウエーブはんだ付け装置中に注入された雰
囲気を予熱する目的の一つは、印刷回路板が溶融はんだ
に接触する時に印刷回路板とはんだポットとの間の温度
勾配を減少させることにある。はんだウエーブの領域に
おけるこの温度勾配ができるだけ小さいならば、溶融は
んだは印刷回路板内のホールを含む異なる領域中に侵入
し、固化する前にこれら領域及びホールのすべてを満た
すに十分な時間を持つこととなるが、印刷回路板の温度
が低すぎる場合には、溶融はんだはほとんどすぐに固化
され、はんだ接合の品質が悪くなり、このウエーブはん
だ付け工程後の品質管理工程で不合格とされる回路の数
が増加する。
【００２２】本発明によれば、はんだ接合の品質を改善
するためには、はんだポットの上流側にあり、特に印刷
回路板の近傍にある、ウエーブはんだ付け装置のゾーン
中の雰囲気を層流条件下に維持し、その温度を２０℃な
いし２５０℃（好ましくは８０℃ないし２００℃）に制
御しなければならないことが見い出された。しかしなが
ら、印刷回路板への損傷を回避するために、本発明の一
態様によれば、溶融はんだとはんだポット上の印刷回路
板との接触の終了のわずか後に通常行われるはんだ付け
工程が完了するとすぐに印刷回路板を冷却することが勧
められる。この冷却工程を行うために、予熱ゾーン又は
はんだゾーン中に注入された雰囲気の温度よりも低い温
度を有する雰囲気を注入することが勧められる。
【００２３】本発明は、また、ウエーブはんだ付け装置
中に実質的に非酸化性の雰囲気を提供するための方法で
あって、スルーホール部品もしくは表面搭載部品又はそ
れら両者を液体状態のはんだにより電気的及び機械的に
印刷回路板に結合し、該部品を印刷回路板上に電気的に
接続し機械的に結合するために該はんだをさらに固化す
る方法にして、該装置は、該印刷回路板を予熱するため
の少なくとも１の予熱ゾーンと、該回路板に該部品をは
んだ付けするための少なくとも１のはんだ付けゾーン
と、該はんだを冷却及び固化させるための少なくとも１
の冷却ゾーンを備え、該雰囲気から該印刷回路板への熱
伝達の熱効率を増大させるために該実質的に非酸化性の
雰囲気の温度を該はんだ付け装置中へのその注入の前及
び／又は間に制御することを特徴とする方法にも関す
る。
【００２４】この温度制御された実質的に非酸化性雰囲
気は、ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１のゾー
ン、好ましくはウエーブはんだ付け装置の全てのゾーン
に注入することができる。
【００２５】本発明の好ましい態様によれば、実質的に
非酸化性の雰囲気の温度は、周囲温度よりも高く、ウエ
ーブはんだ付け装置の少なくとも１の予熱ゾーンに注入
される。
【００２６】本発明の他の態様によれば、実質的に非酸
化性雰囲気の温度は、周囲温度よりも低いかそれと等し
く、ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１の冷却ゾー
ンに注入される。
【００２７】本発明の他の側面によれば、ウエーブはん
だ付け装置の種々のゾーンに注入された実質的に非酸化
性の雰囲気の温度は、ゾーン毎に異なり得るが、好まし
くは同じである。同様に、ウエーブはんだ付け装置の種
々のゾーンに注入された実質的に非酸化性の雰囲気の組
成は、ゾーン毎に異なるか、又は同じであり得る。
【００２８】実質的に非酸化性の雰囲気が少なくとも２
の予熱ゾーンを備えたウエーブはんだ付け装置に注入さ
れるところの本発明の他の態様によれば、異なる予熱ゾ
ーンに注入される雰囲気の温度はゾーン毎に異なる。
【００２９】本発明の好ましい態様によれば、温度制御
された実質的に非酸化性の雰囲気はあらかじめ設定され
た（予定）値に維持され、この予定の値は同一である
か、ゾーン毎に異なる。通常、この予定の値は加熱され
た雰囲気が必要な場合はウエーブはんだ付け装置の全て
のゾーンについて同じである。この予定の温度値は、通
常、図２に例示したように、プロセス温度プロファイル
に従って選ばれる。
【００３０】本発明によれば、印刷回路板の温度は徐々
に上昇させてはんだゾーンにおいて最大に達し、ついで
徐々に低下させる。
【００３１】予熱されたガス雰囲気は、回路板の要求、
すなわちアッセンブリーの質量及びアッセンブリーの質
量の分布に依存して、アッセンブリー印刷回路板の頂部
側、又は底部側、又は両側に注入することができる。
（本発明の利点の一つは、さもなければヒートシンクに
より永続的にカバーされる部品を有する回路板の小さな
部品上に後に作業者によって除去される付加的なヒート
シンクを設ける必要がもはやないということである）。
予熱されたガスを印刷回路板の一方の側のみに注入する
場合、取り巻く雰囲気を加熱し、従って印刷回路板をよ
り迅速にかつ均一に加熱するための加熱手段を他の側に
設けること、あるいはたとえば実質的に周囲温度での実
質的に非酸化性の雰囲気を注入すること、あるいはこの
側に予熱を持たず、及び該側にガス注入を持たないこと
さえも可能である。
【００３２】本発明の他の好ましい態様によれば、該予
熱ガス雰囲気が、プレナム室に実質的に不活性のガスの
層流を注入することにより生成され、該プレナム室は穿
孔された底壁と、ガスがヒーター手段と接触して加熱さ
れるように関係づけられた該ヒーター手段及びガス注入
手段とを備え、プレナム室中の加熱されたガスの圧力が
該プレナム室の外部のガス雰囲気の圧力よりもやや高
く、該加熱されたガスは、かくして、該プレナム室の該
穿孔された壁の開口を通って層流的に流れる。これらの
開口は、層流のレイノルズ数が５００ないし２，５００
に維持されるように選ばれ、これは約０．２ｍｍないし
０．４ｍｍの直径を有するゾーン当り６０個のホールを
用いて行うことができる。
【００３３】本発明の他の態様によれば、予熱ガス雰囲
気は、プレナム室に実質的に不活性のガスの層流を注入
することにより生成され、該プレナム室は穿孔された底
壁と、該穿孔壁と一体の加熱手段と、ガスが該穿孔壁に
よって少なくとも部分的に加熱されるように該加熱手段
に関係づけられたガス注入手段とを備え、プレナム室中
の加熱されたガスの圧力が該プレナム室の外部のガス雰
囲気の圧力よりも高く、該加熱されたガスは、かくし
て、該プレナム室の該穿孔された壁の開口を通って層流
的に流れる。
【００３４】本発明の好ましい態様によれば、プレナム
室は、頂部から底部まで、実質的に平行な平面内に、該
室の頂部壁、加熱手段、ガス注入手段、及び穿孔壁を有
する。加熱手段は、例えば、加熱オーブン中に通常使用
されている加熱レジスターである。ガス注入手段は、好
ましくは、プレナム室の少なくとも３つの側に配置され
たパイプ又はマニホールドの形態にあり、このマニホー
ルドは、プレナム中での不活性ガス拡散のためのホール
を備え、これらホールはマニホールドの上半分上に、好
ましくは穿孔壁に平行に配置されたマニホールドの直径
上に配置されている。しかしながら、加熱手段がプレナ
ム室の穿孔底壁と一体の場合には、いずれの方向からも
窒素ガスを注入することが可能である。
【００３５】本発明の一つの好ましい態様によれば、実
質的に非酸化性の雰囲気は、３％未満の、好ましくは１
０００ｐｐｍ未満の、さらに好ましくは１０ｐｐｍ未満
の酸素を含む窒素ガスである。はんだポットの領域にお
けるうきかす（dross ）の生成を回避するために、種々
の実験によってウエーブ領域内の窒素ガス中の酸素濃度
は１０ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５ｐｐｍ未満でな
ければならないことが示された。ウエーブはんだ付け装
置中に注入される窒素ガスの純度を維持するために、別
のゾーンを有することが好ましく、これらゾーンはカー
テン、ガスカーテン等により互いに分離される。しかし
ながら、窒素雰囲気（あるいは不活性ガス）中の酸素含
有率は予熱ゾーン及び／又は冷却ゾーンにおいてははん
だゾーンにおけるよりも重要でないので、これら予熱ゾ
ーンにおいて、又はその少なくともいくつかにおいて、
及び／又は冷却ゾーンにおいて、又はその少なくともい
くつかにおいて、１０ｐｐｍを超えて酸素を含む窒素雰
囲気を持つことができる。このことは、例えばいくつか
のウエーブはんだ付け装置か互いに近接している場合、
又は共通の窒素もしくは不活性源を有する同じプラント
内に位置している場合に特に有利である。これらの条件
では、純粋の又は実質的に純粋の窒素（通常酸素１ｐｐ
ｍ未満）、例えばバルクの液体窒素容器からの窒素をウ
エーブはんだ付けゾーンに注入する一方、より純度の低
い窒素の残りが膜発生器又はＰＳＡによって提供され
る。
【００３６】いうまでもなく、２桁の数のウエーブはん
だ付け装置を同時に使用する非常に大規模のプラントの
場合には、これら装置の少なくともはんだゾーンを現場
窒素プラント、例えば低温現場窒素プラント（cryogeni
c on-site nitrogen plant）に接続することもできる。
【００３７】
【実施例】図１は、本発明の方法を実施でき、２つの予
熱ゾーンＡ及びＢ、はんだゾーンＣ、及び冷却ゾーンＤ
を有するウエーブはんだ付け装置の概略側面図である。
回路板はウエーブはんだレール２３上を輸送され、入口
カーテン４を通って第１の予熱ゾーンＡに入る。この第
１の予熱ゾーン（及び他のゾーンもまた）は、これを通
って移動する回路板を遮断する制御された雰囲気を提供
するために輸送レールを全体的に囲んでいる。第１の予
熱ゾーンＡは頂部側スキン３及び底部側スキン６を包含
し、図５に示すようなガスチューブマニホールド１を備
える。このチューブはそれぞれのスキン３及び６の壁に
近接している。加熱用の頂部側コイル２及び底部側コイ
ル５がガスチューブマニホールドと制御された雰囲気を
回路板の上及び下に拡散させるガス拡散プレートの間に
配設されている。
【００３８】第２の予熱ゾーンＢは第１の予熱ゾーンＡ
と実質的に同様であり、頂部側スキン１１、底部側スキ
ン１３、頂部側及び底部側加熱コイル１０、１２、ガス
拡散マニホールド（頂部及び底部側）、及びガス拡散プ
レート１４（頂部及び底部側）を有し、ゾーンＡとＢと
の間には、入口カーテンシステム４と同様のカーテンシ
ステム８が設けられている。
【００３９】第２の予熱ゾーンＢとはんだゾーンＣを分
離して、はんだゾーンカーテンシステム１５（このカー
テンシステムはこれら種々のゾーンに空気が侵入するこ
とを実質的に防止する）。これは、それぞれが別の互い
に実質的にシール接触（sealing contact ）にある平行
なストリップにより形成された平行な垂直カーテンで作
られている。
【００４０】はんだゾーンＣは、はんだポット２２内で
溶融はんだが雰囲気にさらされる実質的に全領域を覆う
はんだゾーンスキン１８を備える。はんだ浴上に空気が
侵入することを防止するために、２つの横方向ウエーブ
はんだレールとはんだ浴との間にはんだポットシール２
０が設けられている。
【００４１】はんだゾーンスキン１８は、また、スキン
１８の垂直壁のすべての周りでそれに近接して伸びるは
んだゾーンガス拡散マニホールド１６を有する。はんだ
操作中の目視制御を提供するために、このスキン１８
は、はんだゾーン窓１７を有し、はんだゾーンガス拡散
プレート１９が短い距離をもって外壁から水平に、つい
で窓１７の側部と同一平面にあるスキン１８の頂部壁ま
で垂直に延びており、該ガス拡散プレートは、かくし
て、ガス拡散マニホールド１６を取り囲む。
【００４２】空気の侵入を防止するため、はんだゾーン
Ｃの出口から冷却ゾーンＤを通って出口カーテンシステ
ム２１が設けられている。この冷却ゾーンＤは、また、
それぞれ頂部及び底部側ガス拡散穿孔プレートを有する
頂部側ガス拡散マニホールド２５及び底部側ガス拡散マ
ニホールド２６を備えた頂部側スキン２９及び底部側ス
キン３０を有する。はんだゾーンは溶融はんだにより制
御された雰囲気に伝達される熱により熱間に維持され、
冷却ゾーンがマニホールド２５及び２６内を循環し、プ
レート２７及び２８を通って拡散して回路板を冷却しそ
れらをそれらが周囲空気により酸化（あるいは迅速に酸
化）されないような温度にもたらるある冷却ガスを提供
するので、はんだゾーンＣ及び冷却ゾーンＤの両者は加
熱手段を備えない。
【００４３】図２は、図１に示したようなウエーブはん
だ付けフードシステムであるが、本例の場合図１におけ
る２ではなく３の予熱ゾーンと、１のウエーブはんだゾ
ーンと１の冷却ゾーンを有するものの長さに沿った温度
プロファイルを示す。
【００４４】流量１００ｓｃｆｈの窒素ガス（ここで
は、該マニホールドガス拡散器中を流れる不活性ガスと
して使用）をガスマニホールドを介して第１の予熱ゾー
ンに注入し、頂部スキン（及び必要なら底部スキン）内
の加熱コイルの輻射により、ついで拡散器プレート（加
熱コイルにより加熱）のホール中を通る間の電動により
加熱する。第１の予熱ゾーンに使用したものと同じガス
（又は異なる不活性ガス、使用した第１のガスが「純粋
でない」窒素、すなわち１ないし３％のＯ2 をともなう
９７ないし９９％のＮ2 であった場合は、通常より少な
い酸素を有する）を流量２００ｓｃｆｈでこの第２の予
熱ゾーンに同様に注入し、ついで７００ｓｃｆｈの流量
を第３のゾーンに注入する（同一純度又はより少ないＯ
2 ）。流量を増すことは、雰囲気と、当該システムの入
口からウエーブゾーンへそうこうする回路板との間の熱
伝達を増し、ついで回路板及びこの回路板が担う部品の
外側の温度を漸進的に上昇させることを意味する。つい
で、不活性ガス（これは本プロセス中常に層流又は実質
的な層流を維持する）の流量が、このゾーンにおける約
３００℃のはんだポットの存在によりたとえば４００ｓ
ｃｆｈに低下した時でも、熱伝達現象は続く。冷却工程
は、本例では、この冷却ゾーンのガス拡散器に注入され
た窒素のゼロ流量で行われる。しかしながら、不活性ガ
スは、第３の予熱ゾーン及びウエーブゾーンからこの冷
却ゾーンを介し、冷却ゾーンのカーテンを通って系を出
る。
【００４５】図３及び図４は、はんだポットシステム上
で使用され、プレナム蓋１０１と、矩形状を有し、はん
だ浴をそれを通して観察しうる窓１０３を囲むチューブ
マニホールド１０２を備えるガス拡散器システムを示
す。
【００４６】このマニホールド１０２は、規則的に離間
したホール１００（図示の矩形マニホールドの頂部側及
び底部側それぞれ上に）を包含する。矩形マニホールド
１０２は、ガス入口Ｔ継手を有する。
【００４７】図３は、ガス拡散器の上面図であり、図４
は同じ拡散器の底面図である。図４において、拡散器プ
レート１０５がマニホールド１０２を覆い、窓１０３を
封止的に取り囲み、ガスがマニホールドのホールから、
ついで穿孔拡散器プレート１０５のホールをのみ通じて
流れる。プレナム内に加熱手段が設けられている（図５
に例示するように）場合、不活性ガスは、それが拡散器
プレート１０５中の１０６のようなホールを通過する際
にも加熱される（伝導により）。
【００４８】予熱ゾーンのガス拡散器システムは、蓋１
０１の頂部に窓を持たず、これにより蓋の全表面を実質
的に覆い、かつホール、通常は該プレートの表面全体に
規則的に離間して設けられたホールを有する連続的で、
通常実質的にフラットな拡散器プレート１０５を持つこ
ととなる以外は図３及び図４に示すシステムと同様であ
る。好ましいパターンを有するガスの流れを所望する場
合、異なるサイズ及び異なるパターンのホールを提供す
ることができる。
【００４９】図５は、図１に示すような装置の予熱ゾー
ンにおける頂部及び／又は底部プレナムとして使用され
るプレナムの全体図である。プレナム２０８（これは穿
孔されている底壁２０４を除き、プレーンの壁を有する
平行六面体ボックスである）は、頂部から底部にかけ
て、通常、穿孔底２０４に平行な面中に配置された規則
的に離間したホール２０３をその枝２０９及び２１０に
有するガスマニホールド２０１を備える。マニホールド
の枝２１１は、通常、（ガス拡散のための）ホールを持
たない。不活性ガスは２０２でマニホールドに入り、２
０３でマニホールドを出る（又はその逆）。入口２０２
及び出口２０３は、通常、ハウジング２０８の側（垂
直）壁から近すぎず、その設計はプレナム中でのガスの
再分配（repartition ）が均一でありその中で乱流が生
じないようなものである。入口及び出口２０２及び２０
３（又はその逆）は不活性ガス（例えば、窒素）源に接
続されている。ガスマニホールド２０１と穿孔底プレー
ト２０４との間には、結線部２０７を介して適切な電力
源に接続されたいくつかの加熱用コイルが設けられてい
る。これらコイルは、底プレート２０４に平行（又は実
質的に平行）に、穿孔底プレート２０４中のホール又は
スリットの出口側で（好ましくは）層流又は実質的に層
流を維持しなければならないガス流を撹乱することなく
穿孔プレートとの熱伝達を向上させるために近接して配
置されている。
【００５０】例 本発明によって達成される改善を立証するために、はん
だポットのすぐ上で、はんだゾーン中に図５に例示した
ようなガスプレナム室を有する同一装置内で異なる実験
を行った。
【００５１】以下に示す実験は、輻射よりも有効な熱伝
達媒体として加熱された不活性ガスの強制対流層流を用
いることの利点を示すために行ったものである。（加熱
された不活性ガスの）強制対流層流は、プレナムプレー
トを横切る水中０．１インチから水中５０インチまでの
圧力降下（これは実質的に１ないし３０ｍ／ｓの速度を
意味する）を有する不活性ガス流として定義しうる。
【００５２】ガラス繊維／エポキシ樹脂（ＦＲ４タイ
プ）の印刷回路板で、同じ回路板上に小さな部品と大き
な部品を有するものについて試験を行った。
【００５３】図６は、熱がヒーターの直接輻射により部
品に与えられ、プレナム中へのガス注入を行わなかった
場合と、熱が、プレナム中で加熱され及び回路板上に流
れる窒素ガスの注入による強制層流により与えられた場
合の双方の結果を示す。
【００５４】図６から、輻射の場合の温度差ΔＴは、時
間の関数として、対流の場合のΔＴよりもはるかに大き
いことがわかる。（実質的に非酸化性の）層流状予熱強
制対流が防止するのは、この温度差なのである。この温
度差は、このシステムを用いることにより、過加熱又は
不足加熱による欠陥の可能性を除去するように回路板を
横切る温度を制御できるということを示している。温度
差ΔＴは、部品の２つの側（頂部及び底部）の間の温度
差を表わす。このΔＴは、加熱ガスとの接触後３０秒経
過後不活性ガスの強制層流対流については約１５℃（又
はそれ以下）であるが、輻射については、全く瞬間的な
約１５℃のΔＴ（時間ゼロで）があり、３０秒後に約４
３℃に達する。
【００５５】図７及び８は、輻射のみにより発生され、
回路板へ伝えられた熱、及び強制層流対流により回路板
へ伝えられた熱についての温度（ケルビン）対時間
（秒）を示すグラフである。図７の場合、温度源は６０
０Ｋに加熱され（対流のみ）、一方図８の場合は、温度
源は５００Ｋでのみ、すなわち１００Ｋ低く加熱され
る。両方の場合の最終ゴールは、回路板の部品上で約３
５５Ｋの平均値の温度に達することである（図８の場合
に加熱部材について６００Ｋの同一温度を維持すること
は、より速く（３０秒以下）目的温度の３５５Ｋに達す
ることを意味し得た）。
【００５６】図８から、温度差は、予熱された実質的に
非酸化性のガスの層流を使用する場合、部品のサイズに
より変化することがわかる。評価した２種の部品は、サ
イズ及び材料組成において変化させた。温度測定は、各
部品につき３ヵ所で行った。
【００５７】図７は、輻射熱伝達を例示する。部品内に
おける温度勾配の大きな変化は、部品がはんだを行うた
めの所望の温度に達するために不当な応力を受けること
を示している。単一部品内の材料物性の変化のために、
このタイプの応力は早期の部品故障につながる。
【００５８】図８は、強制層流対流を例示する。この場
合、温度勾配の変化は、輻射のみの場合に対して実質的
に減少している。１の部品内の温度差の減少は、より大
きな部品の信頼性につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々の窒素注入マニホールド及び予熱手段を有
するウエーブはんだ付け装置の概略図。
【図２】ウエーブはんだ付け装置中の温度プロファイル
を示すグラフ図。
【図３】加熱手段を持たないガスプレナム室中のガス注
入手段の一例を示す頂面図。
【図４】図３に示すガス注入手段の底面図。
【図５】ウエーブはんだ付け装置中に予熱された不活性
ガス雰囲気を注入するためのガスプレナム室の全体図。
【図６】輻射によって及び強制層流対流によって提供さ
れた熱についての温度差対時間の関係を示すグラフ図。
【図７】ある条件での強制層流対流と輻射とを対比して
示すグラフ。
【図８】他の条件での強制層流対流と輻射とを対比して
示すグラフ。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ…予熱ゾーン、Ｃ…はんだゾーン、Ｄ…冷却ゾー
ン、１，１６…ガスチューブマニホールド、２，５…加
熱用コイル、２２…はんだポット。
フロントページの続き (71)出願人 591036572 レール・リキード・ソシエテ・アノニム・ プール・レテュード・エ・レクスプロワタ シオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロ ード フランス国、75321 パリ・セデクス 07、 カイ・ドルセイ 75 (72)発明者 ケビン・ピー・マッケアン アメリカ合衆国、イリノイ州 60540、ナ パービル、ウエスト・ジェファソン・アベ ニュー 321 (72)発明者 フレドリック・ロートマン フランス国、75004 パリ、リュ・ドゥ・ ラ・ベルリー 40 (72)発明者 ロバート・ダブリュ・コナーズ アメリカ合衆国、イリノイ州 60558、ウ エスタン・スプリングス、フィフィティー フォース・プレース 617

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ウエーブはんだ付け装置中に実質的に非
    酸化性の雰囲気を提供するための方法であって、スルー
    ホール部品もしくは表面搭載部品又はそれら両者を液体
    状態のはんだにより電気的及び機械的に印刷回路板に結
    合し、該部品を印刷回路板上に電気的に接続し機械的に
    結合するために該はんだをさらに固化する方法にして、
    該装置は、該印刷回路板を予熱するための少なくとも１
    の予熱ゾーンと、該回路板に該部品をはんだ付けするた
    めの少なくとも１のはんだ付けゾーンと、該はんだを冷
    却及び固化させるための少なくとも１の冷却ゾーンを備
    え、該雰囲気から該印刷回路板への熱伝達の熱効率を増
    大させるために該実質的に非酸化性の雰囲気の温度を該
    はんだ付け装置中へのその注入の前及び／又は間に制御
    することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 該温度制御された実質的に非酸化性の雰
    囲気を該ウエーブはんだ付け装置の少なくとも１のゾー
    ンに注入する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 該実質的に非酸化性の雰囲気の温度が周
    囲温度よりも高く、これを該ウエーブはんだ付け装置の
    少なくとも１の予熱ゾーンに注入する請求項１記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 該実質的に非酸化性の雰囲気の温度が周
    囲温度よりも低いか等しく、これを該ウエーブはんだ付
    け装置の少なくとも１の冷却ゾーンに注入する請求項１
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 該ウエーブはんだ付けの種々のゾーンに
    注入された該実質的に非酸化性の雰囲気の温度がゾーン
    毎に異なる請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 該ウエーブはんだ付けの種々のゾーンに
    注入された該実質的に非酸化性の雰囲気の組成がゾーン
    毎に異なる請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 少なくとも２の予熱ゾーンを有するウエ
    ーブはんだ付け装置に実質的に非酸化性の雰囲気を注入
    し、異なる予熱ゾーンに注入された雰囲気の温度がゾー
    ン毎に異なる請求項５又は６記載の方法。
  8. 【請求項８】 該実質的に非酸化性の雰囲気を、予熱後
    に、層流条件下で、該はんだ付け装置に提供する請求項
    １記載の方法。
  9. 【請求項９】 該温度制御された実質的に非酸化性の雰
    囲気の温度を予定の値に維持する請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 印刷回路板の温度を該はんだ付けゾー
    ン中で最大に達するように徐々に上昇させ、予熱ゾーン
    中の該非酸化性の雰囲気の温度が以降のゾーンの温度よ
    りも低い請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 少なくともいくつかの印刷回路板がそ
    の頂部側にＳＭＴ部品を包含する請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】 少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印
    刷回路板の頂部側に予熱されたガス雰囲気を注入する請
    求項１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印
    刷回路板の底部側をも予熱する請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印
    刷回路板の底部側に非予熱雰囲気を注入する請求項１２
    記載の方法。
  15. 【請求項１５】 少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印
    刷回路板の底部側に予熱されたガス雰囲気を注入する請
    求項１記載の方法。
  16. 【請求項１６】 少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印
    刷回路板の頂部側をも予熱する請求項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印
    刷回路板の頂部側に非予熱雰囲気を注入する請求項１２
    記載の方法。
  18. 【請求項１８】 少なくとも１の予熱ゾーンにおいて印
    刷回路板の両側に予熱されたガス雰囲気を注入する請求
    項１記載の方法。
  19. 【請求項１９】 該予熱ガス雰囲気を、プレナム室に実
    質的に不活性のガスの層流を注入することにより生成さ
    せ、該プレナム室は穿孔された底壁と、ガスがヒーター
    手段と接触して加熱されるように関係づけられた該ヒー
    ター手段及びガス注入手段とを備え、プレナム室中の加
    熱されたガスの圧力が該プレナム室の外部のガス雰囲気
    の圧力よりもやや高く、該加熱されたガスは、かくし
    て、該プレナム室の該穿孔された壁の開口を通って層流
    的に流れる請求項１記載の方法。
  20. 【請求項２０】 該予熱ガス雰囲気を、プレナム室に実
    質的に不活性のガスの層流を注入することにより生成さ
    せ、該プレナム室は穿孔された底壁と、該穿孔壁と一体
    の加熱手段と、ガスが該穿孔壁と接触するように該加熱
    手段に関係づけられたガス注入手段とを備え、プレナム
    室中の加熱されたガスの圧力が該プレナム室の外部のガ
    ス雰囲気の圧力よりも高く、該加熱されたガスは、かく
    して、該プレナム室の該穿孔された壁の開口を通って層
    流的に流れる請求項１記載の方法。
  21. 【請求項２１】 該加熱手段が、該プレナム室内に平行
    に、かつ該穿孔壁と実質的に平行な面内に配置された加
    熱ロッドと、該加熱ロッド間に平行に配置されたパイプ
    の形態にあるガス注入手段を備え、該パイプは該パイプ
    の上半分上に配置された開口を有する請求項１９記載の
    方法。
  22. 【請求項２２】 該ガス注入手段が、該パイプの表面の
    いずれかの場所に配置された開口を有する請求項２０記
    載の方法。
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