WO2005025283A1

WO2005025283A1 - 半田付け方法とそのための液体塗布装置

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Publication number: WO2005025283A1
Application number: PCT/JP2004/013252
Authority: WO
Inventors: Sigeru Takehisa
Original assignee: Sigeru Takehisa
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2005-03-17
Also published as: JP2005086191A

Abstract

　電子部品実装工程１２１において電子部品を実装された印刷配線基板１３１に対して、液体塗布工程１３１ではスプレーノズル１３３で塗布液１３４を噴霧する。後工程のリフロー半田工程１４１では塗布された塗布液１３４がクリーム半田に速やかに熱を伝えるので、少なくとも塗布液を塗布した部分を速やかに、どの部分も均一に暖め、特に融点が高い鉛フリー半田のリフロー半田付け工程において不良の無い均一な半田付けを可能にする。

Description

明細書半田付け方法とそのための液体塗布装置技術分野

本発明は I Cなどの電子部品を高密度実装した印刷配線基板の半田付け方法及びそのための液体塗布装置に関するものである。背景技術

従来より印刷配線基板に I Cや電子部品を高密度実装する場合、第 8 図の従来の高密度印刷配線基板の半田付け方法に示すように、クリーム半田印刷工程 1 0 1で印刷配線基板にクリーム半田をメタル版等で印刷、接着剤塗布工程 1 1 1で電子部品固定のための接着剤を塗布し、電子部品実装工程 1 2 1で I C、抵抗器、コンデンサ等の電子部品を実装した後、リフロー半田工程 14 1でリフロー炉を通しての半田付けを行レ、、実装基板 1 50を完成するという手順が一般的である。

しかしながら近年環境に関する意識の高まりにより、たとえば特開 2 0 0 2 - 1 5843 3号公報（以下、特許文献 1 )、「鉛フリー半田対応への取り組み」（利昌工業株式会社、 R I SHO P r o d u c t s

N e w s平成 1 2年 1 1月 1 0日、以下非特許文献 1、「鉛フリ一半田対応強制対流式 N 2リフ口一装置」（YAMATO WORKS C o r p o r a t i o n, 2000以下、非特許文献 2) などのように鉛フリーの半田が要求され、従来の鉛を主成分とした半田（共晶半田：融点 1 80数度）に代わる鉛フリー半田が使用されるに至った。

鉛フリー半田としては S n— Z n系、 311—八_§ー。 1₁系、 S n— A g _C u— B i系、 S n— Ag— I n— B i系等々を各社が開発しているが、何れも融点が 220°C程度と高くなり半田付けが難しくなつている（非特許文献 1、 2参照）。

第 4図にリフロー炉内の一般的な温度カーブを示す。部品の耐熱温度 (約 240で）の関係からグラフに示すような温度プロファイルが必要である。ここで共晶半田の場合は 1 80での融点以上の温度に T 1時問 (50〜70 s e c) さらされ、融点以上の温度に十分な時間だけさらされるが、それより 40 高温の融点を持つ鉛フリー半田（融点が 22 0°Cの場合）は融点以上の温度に T 2時間（20〜40 s e c) しかさらされず、溶融条件が非常に不利で、高精度の半田技術を要求され、種々の条件によっては十分半田が溶融しない場合が多かった。

ここで 1 60°C程度の時問 Q (60〜90 s e c) はプリヒート時間でありワークを均一に暖めて本半田加熱がより確実に出来るようにするためのものである。

鉛フリ一半田の難しさは、特に I Cの内でも I Cのリードピッチの小さい SOPや QF Pという形状において、印刷配線基板のラインでの流し方向、実装密度、電解コンデンサなどの異形状の部品の集まり具合等により大幅に変わり、例えぱリフロー炉に入る印刷基板の先端部近くに設けられた I Cリードは充分に半田付けされない場合が多く発生する。具体的な例として、実装されてリフロー半田炉内に入った時の温度の状態は、第 7図の矢印で示すラインの方向に流れていくと、 SOPや Q F P形状の I Cリード端子部の温度は、基板の流れ方向、部品の熱容量、密集度、ヒーターの位置、炉内の風の流れ、等によって影響され、結果として第 7図の I Cのリード端子の前側の F 1、 F 2部分は、リード端子の後ろ側の R l、 R 2部分より温度が低くなる。そして F l、 F 2の部分の半田付けが不良となりやすい。

この F 1、 F 2部分の温度の時間経過を実測したものを印刷配線基板上の温度状態を示す説明図の第 5図の Bカーブで示している。 Aカープは後述する本発明の不良の発生が見られない R 1， R 2部分の温度カーブである。また Cカーブは基板上面や電解コンデンサの表面温度である。このグラフのカーブが部品の耐熱温度（約 2 4 0 °C) を越えると部品不良が発生する。例えば電解コンデンサの場合は劣化が始まる。ここでグラフ Bによれば本半田の融点以上の加熱時間が t 2しかなく、半田溶融が充分でないことがグラフからも読みとれる。

参考までに不良の実体を示すと、不良の半困付け部を拡大したのが第 6図 aであり半田部の中間層に剥離部（クラック）が発生する（低融点金属の濃化現象）。

したがって第 6図 bのように荷重ダイアルゲージで剥離強度を測定すると、 5 gから 2 0 g程度で剥離するものがあった。良品部は 5 0 0 g から 8 0 0 g程度であるので、その差は歴然としている。

またこの不良は全ての基板の同じ場所で発生する（全数不良）ので、やり直し作業が大変であった。発明の開示

本発明は鉛フリー半田の普及に対して、上記の問題を解決し、部品保護の観点から高温、長時間の加熱を避け、できるだけ低温で、かつ短時間の加熱でも確実な半田付けのできる半田付け方法およびそのための液体塗布装置を提供することを目的とする。

この目的に対応するために本発明の半田付け方法は、印刷配線基板実装において、第 1図に示すように部晶実装工程と半田リフロー工程との間に実装面に液体を塗布する工程を入れたことを特徴とする。

この方法において前記液体はフラックスあるいは半田クリ一ムと相溶性のある液体であることを特徴とするものであり、また前記液体はアルコール、水等蒸発後残滓が残らない液体であることを特徴とするものであり、さらに前記液体はプリント基板の特定の部分だけに塗布するようにしたものであってもよい。

またこれらの問題を解決するための本発明の液体塗布装置は、少なくとも塗布液を納めた液体タンクと、塗布液を給送するポンプと、塗布液を印刷配線基板の実装面に嘖霧するスプレー部と、塗布液を搬送する管体等とを備えたものである。

そして、この装置において、特定部分塗布のため、複数のスプレーノズルと不要部分への塗布を防ぐ塗布マスキングテンプレートとを設けてもよい。また、この装置において、塗布液の回収のためのバキューム及ぴ冷却液化装置を備えてもよい。

さらに、この装置において、プリヒートの前工程としてリフロー炉と一体化してもよい。

本発明は上記の半田付け方法、および上記液体塗布装置によって、リフロー前の半田付け部分が液体でぬれることにより、短時間で半田の融点まで温度が上昇し、十分に加熱されることにより半田付けが確実に行え、半田付け不良を防ぐように作用するものである。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の一実施形態における半田付け方法の各工程を示す説明図、第 2図は、同じく一実施形態における液体塗布装置の断面図、第 3図は、同じく一実施形態における液体塗布装置による印刷配線基板への液体塗布状況を示す斜視図、第 4図は、リフロー炉内の温度プロフアイルを示す図、第 5図は、印刷配線基板上の温度状態を示す説明図、第 6図は、半田付け不良状況を示す図、第 7図は、従来の半田付け方法における不良発生箇所の説明図、第 8図は、従来の半田付け方法における各工程を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を用いて本発明の一実施形態について詳細な説明を行う。第 1図は本発明の一実施形態における半田付け方法の各工程を示す説明図、第 2図は同じく一実施形態における液体塗布装置の断面図、第 3図は液体塗布装置による印刷配線基板への液体塗布状況を示す斜視図である。以下、従来の各工程の説明図である図 8と対応する部分には同じ符号を付けて示す。

第 1図において、本実施形態の半田付け方法の工程は、クリーム半田印刷工程 1 0 1、接着剤塗布工程 1 1 1、電子部品実装工程 1 2 1、液体塗布工程 1 3 1、リフロー半田工程 1 4 1よりなり、完成品 1 5 1を得る。

各部の詳細を説明すると、クリーム半田印刷工程 1 0 1では、印刷配線基板 1 0 2の電子部品実装面 1 0 3を上にして、メタル版 1 0 4を上から圧着してスキージー 1 0 5を一方の端辺から他方の端辺に向けて搐動させてクリーム半田 1 0 6を電子部品実装面 1 0 3上に捺染、印刷する。すなわち半田付けしたい部分にクリーム半田 1 0 6が適量ずつ付着される。

接着剤塗布工程 1 1 1では、前工程を終わった印刷配線基板 1 1 2に X— Y移動ロボット 1 1 3の接着剤塗布部 1 1 4から接着剤 1 1 5を、電子部品を実装すべきところに塗布する。

電子部品実装工程 1 2 1では、前工程を終わった印刷配線基板 1 2 2 に X— Y移動ロボット 1 2 3の電子部品チャック部 1 2 4で I C 1 2 5、チップ部品 1 2 6、コンデンサ 1 2 7などを実装する。

液体塗布工程 1 3 1では、前工程を終わった印刷配線基板 1 3 2の実装面にスプレーノズル 1 3 3で液体 1 3 4を嘖霧塗布する。この液体については後述する。

リブロー半田工程 1 4 1では前工程を終わった印刷配線基板 1 4 2をリフロー炉 1 4 3のコンベア 1 4 4上に載置し、適度な速度で移送する。その間にヒーター 1 4 5により所定の温度、所定の時間加熱する。このヒーター 1 4 5は複数組配置され、入り口付近は低温に、次第に高温にして第 4図のような温度プロファイルを得る。そして冷却装置 1 4 6で冷却されて完成品 1 5 1が得られる。ファン孔 1 4 7から炉内に送風して印刷配線基板移送方向と直角方向の温度を均一化する。

ここで本発明の特徴である液体塗布工程の原理について説明する。一般的に気体と液体の熱伝導率には大きな差があり、液体は気体の 2 5倍であると言われている。また熱容量にも差がある。従って実装され、且つ乾燥した印刷配線基板をリフロー炉の中で周囲の熱風（空気）により暖めようとすると時間がかかる。しかし電子部品の耐熱時間の関係より長く熱することは出来ない。場所により加熱時間が不十分な所は充分半田が溶融せず半田付け不良となる。

これを解決するには、一つの手段として、乾燥した印刷配線基板と熱風（空気）の間に少しの溶剤や水などの液体を介在させると解決出来る。これは例としてサウナの中で身体が濡れている時と、タオルで拭いて、身体を乾燥させている時の熱さの差を感じてもらうと明自に判るように、熱風と乾燥した物との間に少しの液体を介在させると早く熱が伝わり熱くなる。逆に濡れた衣類を着ていると早く冷える。

本発明はかかる原理を応用して実装した印刷配線基板をリフロー炉内で、少なくとも塗布液を塗布した部分を速やかに、どの部分も均一に暖め、不良の無い均一な半田付けしょうとするものである。

ここでは液体塗布とは、刷毛、筆等で液体を手塗りしてもよく、柔らかいローラーで転写してもよく、また第 2図に示すような液体塗布装置で液体を噴霧 ·噴射しても良い。第 2図の液体塗布装置は装置筐体 2 0 1中に塗布液 2 0 2を納めた液体タンク 2 0 3、塗布液 2 0 2を給送するポンプ 2 0 4、塗布液を噴霧するスプレーノズル 2 0 5や不必要なところに塗布液を飛ばさないためのスプレーカバー 2 0 6や飛散した塗布液を回収するバキューム用力パー 2 0 7等を備えたスプレー部 2 0 8、ワークである印刷配線基板 2 0 9を搬送する印刷配線基板搬送コンベア 2 1 0、気化した塗布液を吸引するバキュームファン 2 1 1、気化した塗布液を冷却して液化する冷却装置 2 1 2、液化した塗布液を貯蔵する回収タンク 2 1 3、この液体塗布装置を制御する制御回路 2 1 4等で構成されている。

この液体塗布装置による塗布状況を示す第 3図とともに説明する。塗布液 2 0 2は給送ポンプ 2 0 4でスプレー部 2 0 8に送られ、スプレーノズル 2 0 5で噴霧されて印刷配線基板搬送コンベア 2 1 0上の印刷配線基板 2 0 9の実装面に展着する。マスキング用のスプレーカバー 2 0 6やバキューム用カバー 2 0 7は塗布時に不要な液体をまき散らしても不経済であり、環境上問題があるので、不要な所に塗布しないために用いる。さらにマスキングのために印刷配線基板ごとに図示しないテンプレートのような物を用意しても良い。飛散した ¾布液はバキュームファン 2 1 1でバキュームされ、冷却装置 2 1 2で冷却されて回収タンク 2 1 3に回収される。

ここで塗布する液体としては、リフロー炉内でクリーム半田や電子部品の状態に影響が少ないものでなければならない。また半田付け後も電子部晶の電気特性や絶縁性や耐久性にも影響があつてはならない。また、蒸発後に残滓が残らないものが望ましい。従って、クリーム半田ゃフラッタスと相溶性のある溶剤、たとえばアルコール、特にイソプロピルァルコール、およびその希釈液、純度の高い水、等が好ましい。また石油系やテンペル系溶剤でも可能である。

さらに塗布量にもよるが乾燥までの時間等を考慮しなければならないので、ある程度粘度がある塗料、顔料であっても良い。特殊なものは電子部品との相性の実績が無く使いづらいので、上記のようにクリーム半田やフラックスなどと相溶性のある液体が無難である。

この発明の基本的な発想に従えば、使用する液体は上記例示されたものに限定されないことは容易に理解できるであろう。リフローの時、クリーム半田の濡れ性を考えた時、一般的なクリーム半田の場合、その溶剤であるイソプロピールアルコールが良いようである。すなわち、タリーム半田と相溶性のあるィソプロピールアルコールを用いて、クリーム半田の粘度が下がっても、半田溶融による表面張力で、薄くなつたタリーム半田がリード端子に引き寄せられるので実用上間題がない。

液体としての水の使用に関しては、特開 2 0 0 1— 1 1 4 7 4 7号公報（以下特許文献 2 ) にあるような水溶性半田フラックス組成物を用いるときには上記と同様な理由で、相溶性のある水が用いられるであろう。本実施形態では、上述のような方法と装置により、リフロー炉内の温度プロファイルを示す図 4のような温度印加を行ったとき、従来の方法であれば、印刷配線基板上のある部分の温度上昇が第 5図のカーブ Bのような状態であったものが、本発明によれば印刷配線基板が液体で濡れることにより早く熱せられてカープ Aのような温度状態となる。

印刷配線基板が、このような温度状態になればクリーム半田も充分加熱されて短時間に十分な温度に加熱されて溶融し、剥離などの不良が発生しなくなる。

さらに図 4における温度プロファイルにおいて、鉛フリ一半田の融点 (この例では 2 2 0度 C ) を超える温度差をできるだけ小さくし、また鉛フリー半田の融点を超える温度が印加される時間をできるだけ短くしても、従来の方法と装置を用いた場合に比べて剥離強度も遜色なく十分な半田付け性能が得られた。

なお、図では液体塗布装置を独立して設けたが、リフロー炉の前段として図示しないリフロー炉と一体化して設けても良い。

また第 2図では印刷配線基板を印刷配線基板搬送コンベアで搬送するように説明したが、コンベアがなく、印刷配線基板を固定しておいて液体を塗布してもよい。また所定位置まで搬送して、そこで停止してから塗布してもよい。これは固定のスプレーノズルを用いたり、テンプレートを用いて特定部分だけに塗布するような場合に適したやり方である。また、上記実施形態における液体塗布装置の構成は一例であり、この他にもローラによる転写、手を用いた刷毛による塗布等、いかなる方法であっても、液体を塗布できるものであればよい。

さらに、液体塗布工程の前後の工程の詳細は、ここで述べたのは一例であり、適宜変更して実施しても差し支えない。産業上の利用可能性

この様に本発明の半田付け方法およびそのための液体塗布装置を用いると、従来方法であれば印刷配線基板の実際の温度上昇は第 5図の力一ブ Bのような状態であったものが、本発明によれば印刷配線基板が液体で濡れることにより早く熱せられてカーブ Aのような温度状態となる。このような温度状態になれぱクリーム半田も短時間に充分加熱されて高温での加熱時間が短くても、半田融点を超える温度が僅かであっても印刷配線基板は十分な温度に加熱されて半田が溶融し、剥離などの不良が発生しなくなり、部品の劣化も抑えられる、という産業上有利な効果が得られる。

Claims

請求の範囲

1 . 印刷配線基板実装において、部品実装工程と半田リブロー工程との問に実装面に液体を塗布する工程を入れたことを特徴とする半田付け方法。

2 . 前記液体はフラックスあるいは半田クリ一ムと相溶性のある液体であることを特徴とする請求項 1記載の半田付け方法。

3 . 前記液体はアルコール、水等蒸発後残滓が残らない液体であることを特徴とする請求項 1記載の半田付け方法。

4 . 前記液体はプリント基板の特定の部分だけに塗布するようにしたことを特徴とする請求項 1記載の半田付け方法。

5 . 少なくとも塗布液を納めた液体タンクと、塗布液を給送するポンプと、塗布液を印刷配線基板の実装面に噴霧するスプレー部と、塗布液を搬送する管体等とを備えた半田付けのための液体塗布装置。

6 . 特定部分塗布のため、複数のスプレーノズルと不要部分への塗布を防ぐ塗布マスキングテンプレートとを設けた請求項 5記載の半田付けのための液体塗布装置。

7 . さらに塗布液の回収のためのバキューム及び冷却液化装置を備えた請求項 5記載の半田付けのための液体塗布装置。

8 . プリヒートの前工程としてリフロー炉と一体化した請求項 5から 7 に記載の半田付けのための液体塗布装置。