WO2007116451A1

WO2007116451A1 - はんだ接合される製品の製造方法、はんだ接合装置、はんだ条件判別方法、リフロ装置及びはんだ接合方法

Info

Publication number: WO2007116451A1
Application number: PCT/JP2006/306706
Authority: WO
Inventors: Osamu Saito; Rie Takada; Mitsumasa Kojima; Tetsuji Ishikawa
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2008-09-30
Also published as: JPWO2007116451A1; US20090020588A1; JP4724224B2

Abstract

　実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、部品を基板にはんだ接合するはんだ接合される製品の製造方法であって、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定し、決定された加熱条件に基づいてリフロ加熱を行う方法。

Description

明細書

はんだ接合される製品の製造方法、はんだ接合装置、はんだ条件判別方法、リフ口装置及びはんだ接合方法

技術分野

[0001] 本発明は、プリント基板 (PWB)に部品が実装されたプリント回路基板のような、はんだ接合される製品の製造方法及びはんだ接合装置に関し、特にこのようなはんだ接合される製品をはんだ接合するリフロ条件の設定方法に関する。

背景技術

[0002] はんだ接合により部品をプリント基板に実装するリフロ技術においては、基板上に塗布したクリームはんだペーストの上に部品を装着した後、リフロ炉にて全体をはんだ融点以上に加熱してはんだ接合を行っている。そして、リフロ炉の動作条件であるリフロ条件 (炉内温度、基板の搬送速度や風速）は、必要最低温度から部品の耐熱温度までの間にはんだ接合部の温度が収まるように設定される。

従来のはんだ接合部温度の管理方法では、製品相当のサンプル基板上に温度測定用の熱電対を設けて、実際にリフロ加熱を行った際の温度を実測することによって、温度プロファイルの確認と温度設定値の調整を行なって、た。

[0003] また、別の管理方法として、事前にプリント回路板の基板の物性値および部品の物性値を調査し、その値を用ヽて熱解析シミュレーションを行うことによりリフロ工程における温度プロファイルを推定して、指定された温度規格を満足してヽるか確認する方法がある（例えば、下記特許文献 1)。

[0004] 特許文献 1：特許第 2782789号公報

特許文献 2：特開平 3 - 256105号公報

特許文献 3：特開 2002— 353609号公報

発明の開示

[0005] し力しながら、上記のような製品サンプルを準備して実測するためには、製品サンプルの準備のために少な力ずコストを必要とする。また、リフロ条件を設定するまでの間に、サンプノレ作成力もリフロ炉を用いた実験まで多大な労力を必要としていた。また熱解析シミュレーションは、部品や基板の物性値の入力作業、及び解析自体にも多大な時間がかかる。また精度が悪いために、結局はシミュレーション後に再度製品サンプルによる実測確認をしなければならな!/、ケースも多、ため、実運用上の問題も多い。

[0006] さらに、近年では、鉛フリー化した BGAのバンプを用いる鉛フリー BGAが実装されるケースが増えている。この鉛フリー BGAは融点は、従来の共晶はんだバンプをもつ BGAと比較して 20°C以上高くなるので、リフロ条件の設定はさらに難しい作業となる上記問題点に鑑み、本発明では、例えばプリント回路基板のような、はんだ接合される製品をリフロ加熱によってはんだ接合する際に、最適なリフロ条件を容易に決定することを可能とした、はんだ接合される製品を製造する製造方法及びはんだ接合装置を提供することを目的とする。

[0007] リフロ技術によるはんだ接合では、リフロ温度すなわちリフロ加熱時におけるはんだ接合部の温度が、必要最低温度力部品の耐熱温度までの間となるように、リフロ時の加熱条件すなわちリフロ条件が設定される。ここでリフロ条件とは、例えばリフロ炉内の温度、リフロ炉内におけるプリント基板の搬送速度、及び熱風の風速などであつて、基板をリフロ加熱する際の加熱条件である。

[0008] リフロ温度は基板全体で一様ではなぐ搭載される部品の集中度によって高い部分と低い部分がある。ここで、リフロ温度は基板の熱容量によって決定されるので、基板上の各箇所におけるリフロ温度は、当該箇所に搭載されている部品の体積に応じて変動する。

そこで本発明では、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づ!ヽてリフ口加熱して部品を基板にはんだ接合する際に、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定し、決定された加熱条件に基づ！ヽてリフロ加熱を行う。

[0009] すなわち、本発明の第 1形態によるはんだ接合される製品の製造方法は、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、部品を基板にはんだ接合する際に、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定し、決定された加熱条件に基づいてリフロ加熱を行う。

[0010] また、はんだ接合される製品の製造方法は、下記ステップ、すなわち基板の所定寸法の範囲ごとに算出したこれら範囲内に搭載された部品の体積のうち、最大の値を有する最大部品体積に対応するはんだ付け温度とはんだ付けに要する必要温度とを対比した結果算出された、当該基板に対応するはんだ条件を、読み出すステップと、読み出されたはんだ条件に基づ、て基板への部品のはんだ付けを行うステップと、を有するものであってもよい。

[0011] 本発明の第 2形態によるはんだ接合装置は、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、部品を基板にはんだ接合するはんだ接合装置であって、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出する部品体積算出部と、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定する加熱条件決定部と、を備えて構成される。

[0012] 基板に生じるリフロ温度のうち最高値は、実装部品が少ない (部品体積が最低の）箇所に生じその値は基板によってほぼ決まっている。したがって上記のように算出した部品体積の最高値は基板上に生じるリフロ温度のバラツキの範囲を表す。したがつてこのような部品体積の最高値にしたがって加熱条件を決定すれば、各基板に生じるリフロ温度のバラツキに応じて使用可能な加熱条件を決定することが可能となる。またリフロ温度は基板の厚さに応じて変化するため、加熱条件の決定にあたっては、さらに基板の既知の厚さの値を使用してもよい。

[0013] 1つの部品体積を算出する所定寸法の範囲は、基板に実装された少なくとも 1つの部品について当該部品を囲む所定寸法の範囲としてよい。このとき、対象となる部品の端力所定距離だけ離れた位置までを含むように所定寸法の範囲を定め、この所定距離として部品同士の間隔が基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して実質的に影響しなくなる最小部品間距離を、予め定めておいてもよい。

[0014] 加熱条件の決定に際して、予め定めた複数の加熱条件から選択して加熱条件を決定してもよぐ部品体積に基づく所定の算出方法に従って加熱条件を定義する値を決定してちょい。部品体積の算出に際して、はんだ接合される製品について設計した、基板上への部品の配置データに基づいて部品体積を算出してもよぐ又ははんだ接合される製品に実装される各部品を実装面に搭載した状態で基板の表面の各位置の高さをセンサで検出しておき、基板表面の各位置の高さに基づいて部品体積を算出してもよい。

[0015] 本発明の第 3形態によるはんだ条件判別方法は、基板への部品実装時におけるはんだ接合の条件を判別するはんだ条件判別方法であって、基板上の所定寸法の範囲内に配置される部品の体積を算出するステップと、算出された部品体積力最大部品体積を抽出するステップと、抽出された最大部品体積をパラメータとして基板における最低リフロ温度を判別するステップと、最低リフロ温度とはんだ付けに要する必要温度とを比較して、基板におけるはんだ条件が適切なものか否かを判別するステップと、を有する。

このはんだ条件判別方法において、部品体積算出時には基板の板厚を勘案して部品体積を算出してもよい。

[0016] 本発明の第 4形態によるリフ口装置は、部品が搭載された基板を加熱してリフロを行ぅリフ口装置であって、部品を加熱する加熱機構と、加熱機構を制御する制御部と、制御部による加熱機構制御時に用いられるリフロ条件を記憶した記憶部とを備えて構成される。ここで上記リフロ条件は、基板上の所定寸法の範囲内に搭載された部品の体積に応じて設定されたものであり、上記制御部は、リフロ処理が施される基板に対応したリフロ条件を記憶部力読み出して、読み出されたリフロ条件により基板に対するリフロ処理を制御する。

このリフ口装置において、上記リフロ条件は、基板上の所定寸法の範囲内に配置された部品の体積を算出し、算出された部品体積のうち最大値を有する部品体積に対応するリフロ温度とはんだ付けに要する必要温度とを対比し、リフロ温度が必要温度を下回らな、ように選定されたものであってよ、。

[0017] 本発明の第 5形態によるはんだ接合方法は、実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによって、部品を基板にはんだ接合する方法であって、基板の各位置において所定寸法の範囲内に実装される部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、算出された部品体積に応じて加熱条件を決定し、決定された加熱条件に基づ!/ヽてリフロ加熱を行う。

本発明を、添付の図面を参照して以下に説明する。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]部品間の距離とリフロ温度のバラツキ ΔΤとの関係を示すグラフである。

[図 2]部品体積を算出する範囲を説明する図である。

[図 3]部品体積とリフロ温度のバラツキ ΔΤとの関係を示すグラフである。

[図 4]リフロ条件の決定方法を説明する図である。

[図 5]異なる温度規格の下で許容される部品体積の決定方法を説明する図である。

[図 6]本発明の第 1実施例よるはんだ接合装置の概略構成を示すブロック図である。

[図 7]図 6に示すはんだ接合装置により実行されるリフロ条件を決定する方法のフローチャートである。

[図 8]第 1のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。

[図 9]第 2のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。

[図 10]本発明の第 2実施例よるはんだ接合装置の概略構成を示す斜視図である。

[図 11]図 10に示すはんだ接合装置の概略構成を示すブロック図である。

[図 12]図 10に示すはんだ接合装置により実行されるリフロ条件を決定する方法のフローチャートである。符号の説明

[0019] 1 はんだ接合装置

2 基板

11 部品体積算出部

12 体積レベル決定部

13 リフロ条件決定部

15 リフロ炉

41 体積センサ

42 ノーコードセンサ

CO、 Cl l〜C32 部品発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、はんだ接合される製品の製造方法及びはんだ接合装置の実施例を説明する。

ここで、本実施形態の対象とするはんだ接合技術は、基板上に塗布したクリームはんだペーストの上に部品を装着した後、はんだ融点以上の熱風で加熱してはんだ接合を行うリフロ技術である。

[0021] 上記の通り、リフロ技術によるはんだ接合では、リフロ温度がはんだ接合に要する必要最低温度力も部品の耐熱温度までの間となるようにリフロ条件が設定される。ここでリフロ条件とは、リフロ炉にて部品を装着したプリント基板を加熱する際の加熱条件をいい、その主な要素としては、例えばリフロ炉内の温度、リフロ炉内におけるプリント基板の搬送速度、及び熱風の風速などがある。

ここで、リフロ温度は基板全体で一様ではなぐ搭載される部品の集中度によって温度が高い部分と温度が低い部分がある。したがって、基板上に現れる最も高いリフ口温度と最も低、リフ口温度が、はんだが溶融する必要最低温度から部品の耐熱温度までの範囲内に収まるように、リフロ条件を設定しなければならない。

[0022] 一方で、現在主流として使用されているリフロ炉（図示せず)では、熱風による対流伝熱によって基板の加熱が行われている。リフロ温度は、部品を搭載した基板の熱容量によって決定され、この熱容量は質量 X比熱すなわち体積 X比重 X比熱によつて決定される。

基板上に搭載されている部品は、銅、シリコン、エポキシ榭脂等の材料で構成される力各部品が同じような材料比率で構成されていると仮定してよいため、比重や比熱は部品間でほぼ同等と見なすことができる。したがって、加熱される基板上の部品の熱容量は、各部品の体積をパラメータに用いて表すことができる。

そして、基板上の各箇所について、それぞれの箇所に搭載されている部品の体積（以下「部品体積」と記す)を算出すれば、その箇所における熱容量を導き出すことができ、基板上に現れるリフロ温度のバラツキを求めることが可能となる。

[0023] 基板上に搭載された部品体積を算出する際には、どの程度の広さの範囲を想定して、この範囲内に配置された部品が占める体積を算出するかが問題となる。リフロ温度は、はんだにより接合される個々の部品の熱容量だけでなぐその部品の周辺に配置された部品の熱容量にも影響されるためである。

図 1は、部品間の距離と、リフロ温度の基板上でのバラツキ ΔΤ (以下「リフ口 ΔΤ」と記す）との相関を示すグラフである。ここでリフロ ΔΤとは、個々の部品 '箇所におけるリフロ温度と、その基板において最も高いリフロ温度との差を意味する。基盤上でリフ口温度が最も高い部分は部品が配置されていない部分であり、当該箇所のリフロ温度はほぼ決まっている、言い換えればほぼ固定されているとみなすことが出来る。一方、図 1に図示されるように、リフロ ΔΤは部品間距離と相関関係を有している。結局このリフロ ΔΤは、周辺部品との間の距離によって変化する当該部品のリフロ温度の低下量を示している。

[0024] 図 1に図示されたグラフ力も分力るように、部品間の間隙が大きくなつて距離 Αを超えると、リフロ ΔΤがほぼ変化しなくなるとみなすことができる。これは、ある箇所のリフ口温度は、当該箇所力距離 Aを隔てた部品の熱容量に影響されないことを意味する。

したがって、基板上の各部品'箇所のリフロ温度を示すパラメータとして部品体積を算出するべき範囲の寸法は、リフロ温度を求めるべき部品の部品端力距離 Aを隔てた地点を含むように決定することができる。これによつて、個々の部品'箇所周辺に配置された他部品による熱容量の影響を考慮して、リフロ ΔΤの算出を行うことができるようになる。このような距離 Aは個別の条件によって変化しうる力これは実験により容易に決定することが可能である。

[0025] 図 2は、部品体積の算出を説明する図面であり、部品が搭載された基板の一部分を示している。上記の通り、本実施形態では、特定の部品あるいは箇所力距離 Aを隔てた範囲内に配置された部品全体の体積を算出する。具体的には、基板上の各箇所に配置された複数部品について、図 2に示すようにそれぞれの部品端力距離 Aの範囲内に配置された部品が占める部品体積 (以下の説明にお、て「部品周辺ェリア体積」と記すことがある）をそれぞれ算出する。図 2に示す例では、リフロ温度を求める当該部品を部品 COとすると、部品 C11〜C15が部品 COの部品端力も距離 Aを隔てた範囲 S内に完全に含まれるため、これらの部品の体積が全て部品周辺エリア体積に計上される。一方、部品 C21〜C23については、その一部分のみが部品 CO の部品端力も距離 Aの範囲 S内に含まれる。具体的には、部品 C21〜C23については、ハッチングされた部分だけが部品 COの部品端力も距離 Aの範囲 S内に含まれるため、そのハッチングされた部分の体積だけが部品周辺エリア体積に計上される。部品 C31及び C32については、部品 COの部品端から距離 Aの範囲 S内に含まれていないため、部品 C31および部品 C32の体積は部品周辺エリア体積としては計上されない。なお、部品 COの体積も、部品周辺エリア体積に計上される。

[0026] このような寸法 (距離 A)の範囲内に配置されたすベての部品が占める体積を算出することにより、部品周辺エリア体積を、各算出箇所に関するリフロ ΔΤとほぼ比例するパラメータと見なすことができる。この様子を図 3に示す。

図 3は、あるリフロ炉でリフロ加熱した場合における、基板上の部品周辺エリア体積と、それぞれの箇所のリフロ ΔΤとの関係を示すグラフである。図 3に図示するとおり、部品周辺エリア体積が大きくなるのにしたがってリフロ ΔΤも大きくなる、言い換えればリフロ温度低下の度合、が大きくなる。

[0027] このように、部品周辺エリア体積は、ある基板について、リフロ炉内で生じるリフロ温度の温度差を推定するために利用することができる。したがって、部品周辺エリア体積を利用すれば、あるリフロ条件の下で加熱した場合に、その基板に生じるリフロ温度の差がはんだ接合に必要とされる温度範囲内に入る力否かを判定することができ、これによつて許容できるリフロ条件を決定することが可能となる。

[0028] ここで、リフロ温度の温度差にっ、て様々な範囲を画定し、それぞれの範囲の温度差を生じさせる部品周辺エリア体積の範囲を定めることによって、様々なリフロ温度の温度差レベルに対応する体積レベルへ、部品周辺エリア体積をレベル分けすることができる。

例えば図 3の例では、部品周辺エリア体積が所定の体積を超える体積レベル 2の範囲内にある場合には、リフロ温度に最大温度範囲 2に示す範囲の温度差が生じるのに対し、部品周辺エリア体積が所定の体積以下である体積レベル 1の範囲内にある場合には、リフロ温度には最大でも温度範囲 1に示す範囲でしか温度差が生じない。 [0029] 図 4は、リフロ条件の決定方法を説明する図である。図に示す C1〜C4は、特定の部品周辺エリア体積を有する部品 '箇所における、基板のリフロ加熱時に生じるリフロ温度の変化幅を示して、る。

図 4において、 C1および C2はリフロ条件 Aにてリフロ加熱を行った場合の、基板におけるリフロ温度の変化幅を示している。同様に、 C3および C4は、リフロ条件 Bにてリフロ加熱を行った場合の、基板上のリフロ温度変動幅を示している。

一方、 C1および C3は、基板上の最大の部品周辺エリア体積が図 3図示のレベル 1 の範囲に収まる基板を示している。 C1と C3は、リフロ条件以外の条件は同じであるものとする。同様に、 C2および C4は、基板上の最大部品周辺エリア体積が図 3図示のレベル 2の範囲に達している基板を示している。 C2と C4も、リフロ条件以外の条件は同じであるものとする。

したがって、 Cl、 C2、 C3並びに C4は、部品周辺エリア体積の最大値及びリフロ条件がそれぞれ、レベル 1及び条件 A、レベル 2及び条件 A、レベル 1及び条件 B、並びにレベル 2及び条件 Bと組み合わせた場合を示す。

なお、同一体積レベル内に最大部品周辺エリア体積が収まっていたとしても、個別の最大部品周辺エリア体積の値に応じて、生じる最低リフロ温度は変わってくる。図 4 に図示された各範囲 C1〜C4にお!/、て下辺が傾斜して、るのは、各体積レベルの中において部品周辺エリア体積の最大値が大きくなるのにしたがってリフロ温度の最低値が低下することを示し、また上辺が一定しているのは、部品周辺エリア体積の最大値の変化にかかわらずリフロ温度の最大値は上昇しな、ことを示して、る。

[0030] いまリフロ温度を温度 T1〜T2の間に管理する場合を考える。図 4に図示された条件では、この基板の部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル 1の範囲内にあれば、リフロ条件 Α及びリフロ条件 Βのいずれを用いてもリフロ温度を温度 Τ1〜Τ2の間に維持することが可能である。

しかし、部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル 2の範囲内である場合には、リフロ条件 Αを用いると基板上のある部分について必要最低温度 T1を下回るおそれが生じるため、リフロ条件 Aを用いることは出来ず、リフロ条件 Bを選択する必要がある。このように、部品周辺エリア体積の最大値によってリフロ温度の変動範囲を見積もることによって、各リフロ条件における基板上の最低リフロ温度を判別して必要最低温度 T1と比較し、当該リフロ条件が適切である力否かを判別し、許容される温度範囲を満足するリフロ条件を選択することが可能となる。

[0031] 許容されるリフロ温度の幅は、製品によって異なり、またはんだ付けの条件などによつても異なってくる場合がある。例えば、共晶はんだと比較すると、鉛フリーはんだはその融点が高い。その一方で、リフ口の最大許容温度は部品の耐熱温度などに依存するため、用いられるはんだ種別に関わらずほぼ一義的に定まる。そのため、共晶はんだと鉛フリー BGAが混在している製品では、共晶はんだのみを使用した製品に許容されるリフロ温度の変動範囲よりも、許容されるリフロ温度の変動範囲が狭い。したがって、図 5に示す部品周辺エリア体積とリフロ ΔΤとの関係を、用いられるはんだ種別に対応付けるとすると、例えば共晶はんだのみを使用した場合には、許容される温度変化幅を図示規格 1の範囲とすることが可能であるため、部品周辺エリア体積の最大値として体積レベル 1及び 2の範囲内を取ることができる。これに対して、例えば共晶はんだと鉛フリー BGAを混在して使用してヽる場合には、許容される温度変化幅が図示規格 2の範囲となり規格 1よりも狭くなるため、部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル 1の範囲内にある場合のみ、良好なリフロ処理を行うことができる。

このように、使用可能なリフロ条件を部品周辺エリア体積の最大値に基づいて決定する場合には、リフロ加熱する製品に鉛フリー BGAを使用している力否かについて考慮することが望ましい。

また、リフロ温度は基板の板厚によっても影響を受けるので、基板の板厚についても同様に考慮することが望ま、。

[0032] このように、リフロ条件は、部品周辺エリア体積の最大値、基板の板厚及び鉛フリー BGAの使用有無などに基づいて決定することができる。リフロ条件の決定は、例えば下記の表 1の表 1に示すようなリフロ条件の割り当て表を使用して、予め設定された複数のリフロ条件 A〜Dのうちから許容されるリフロ条件を選択して行ってもよい。

[0033] 表 1の例では、まず、所定の体積を基準として部品周辺エリア体積の最大値を体積レベル 1及び体積レベル 2にレベル分けし、また同様に基板の板厚が所定の板厚より厚いか否かによって板厚レベル 1及び 2にレベル分けしている。このように、表 1の例では、基板の厚みも熱容量の変動要因として考慮している。そして、それぞれの体積レベル及び板厚レベルの組合せと、基板をはんだ接合する際に使用することができるリフロ条件 A〜Dとを、鉛フリー BGAの使用の有無に応じて対応付けている。

[0034] [表 1] 表 1

[0035] 表 1の例では、鉛フリーはんだの使用如何に関わらず、体積レベル 1の場合には、基板の板厚レベル 1ではリフロ条件 Aで、板厚レベル 2ではリフロ条件 Cでのリフ口が可能となる。したがって、部品周辺エリア体積の最大値が体積レベル 1の基板では、基板の板厚レベルをパラメータとしてリフロ条件を選択できる。

これに対して、体積レベル 2の場合には、鉛フリーはんだなしであれば、板圧レベル 1でリフロ条件 B、板厚レベル 2でリフロ条件 Dでのリフ口が可能である一方、鉛フリーはんだを用いる場合には、板厚レベルに関わらず適したリフロ条件を得ることができない。このように、表 1の例では、基板の部品周辺エリア体積の最大値がレベル 2の場合には、板厚レベルならびに鉛フリーはんだの使用有無を考慮して、リフロ条件を選択する必要が出てくる。

このように、体積レベルの範囲及び板厚レベルの範囲の組合せに応じて、基板ごとのリフロ条件の対応関係を予め設定しておくことができる。このような対応関係は、当該リフ口条件でリフロ加熱したときに生じるリフロ温度のバラツキ（リフ口 ΔΤ)力鉛フリ一 BGAの使用の有無に応じて定まる許容温度範囲内に成る力否かの判断を加味して予め設定しておくことができる。

[0036] なお、上記の部品周辺エリア体積の算出方法では、基板上に配置された各部品について、それぞれの部品端力も距離 Aの範囲内に配置された部品が占める部品体積を算出することとした。

これに代えて、基板上に配置された部品を基準とするのではなぐ基板上の各箇所について、当該箇所を囲む所定の寸法の範囲内に配置された部品が占める部品体積を算出することとしても同様の効果が期待できるのは明らかである。そして部品体積の算出を行う範囲の寸法を、基板上に配置された部品について部品体積を算出する場合と同様の寸法の範囲として予め定めておくことが可能である。

[0037] また上記のリフロ条件の決定方法の例では、リフロ条件の割り当て表を用いることによって予め定めた複数のリフロ条件の中力使用するリフロ条件を選択していたが、これに代えて又はこれに加えて、リフロ条件を定義する物理的値を、部品周辺エリア体積の最大値及び Z又は板厚に基づく所定の算出方法に基づいて決定してもよい基板上の各箇所の熱容量は、当該箇所の部品周辺エリア体積と板厚とに比例するから、例えば、部品周辺エリア体積の最大値 V及び板厚 Dに基づいて、次式（1)にしたがって、リフロ炉内温度 Tを定めることによってリフロ条件を決定することも可能である。

T=AXV+B X D + C (1)

ここに、 A、 B及び Cは予め定めた定数の算出パラメータである。この方法を用いると、リフロ加熱時の温度プロファイルをより詳細に管理することが可能となる。定数 A, B , Cは、実験などによって求めることが出来る。

[0038] また上記の通り算出した部品周辺エリア体積の最大値及び板厚をパラメータとして、予め定めたリフロ条件における基板上の最低リフロ温度 Tminを、実験値や下記式 (2)のような算出式にしたがって判別し、この最低リフロ温度 Tminと、はんだ付けに要する必要温度とを比較して、当該リフロ条件が適切なものである力否かを判別して、適切なリフロ条件を選択してもよい。

Tmin=Tmax-E XV (2)

ここに Eは予め定めた定数の算出パラメータであり、 Tmaxはリフロ条件毎に板厚 D に応じて定めた所定定数の最高リフロ温度である。 [0039] 以下、添付する図 6〜図 12を参照しながら、本発明によるはんだ接合装置及びはんだ接合される製品の製造方法の好ま、実施の形態につ!、て詳説する。

図 6は、本発明の一実施形態によるはんだ接合装置の主に処理 ·制御を司る部分の基本構成を示すブロック図である。

ここでは、はんだ接合される製品として、プリント基板 (PWB)の表面に電子部品等の電気的部品（以下、単に「部品」と記す)がはんだ接合されるプリント回路基板を例に挙げて説明する。

[0040] そして、図 6に示すはんだ接合装置 1として、プリント基板上に塗布したクリームはんだペーストの上に部品を装着した後、リフロ炉（図示せず）にてはんだ融点以上の熱風で加熱してはんだ接合を行うリフ口装置を例に挙げて説明する。

図 6に図示するように、本実施形態によるはんだ接合装置 1は、リフロ炉（図示せず) のリフロ条件を設定するための部品体積算出部 11、体積レベル決定部 12及びリフロ条件決定部 13と、設定されたリフロ条件に基づいてリフロ炉（図示せず)を制御するリフロ炉制御部 14を備える。

[0041] 部品体積算出部 11は、図 2を参照して上述した方法と同様に、プリント基板上に配置された各部品について、それぞれの部品端力も距離 Aの範囲内に配置された当該部品を含む各部品が占める部品周辺エリア体積を算出する。このとき部品体積算出部 11は、製品であるプリント回路基板の設計データである実装 CADデータ 31に含まれている基板上の各部品の配置情報と、予め部品情報ライブラリ 32のようなデータベースに登録された各部品の寸法情報とに基づいて、部品周辺エリア体積を算出することができる。

また部品体積算出部 11が、基板上の各箇所毎 (部品毎ではなく）に、当該箇所を囲む所定の寸法の範囲内に配置された部品が占める部品周辺エリア体積を算出してもよいことは、上記にて説明した通りである。

[0042] 体積レベル決定部 12は、プリント基板上の各部品（又は各箇所）について算出された部品周辺エリア体積の最大の値を選択し、この最大の部品周辺エリア体積をこのプリント回路基板のリフロ温度のノツキを示す指標である体積レベルとして決定する。リフロ条件決定部 13は、決定された体積レベルに応じてリフロ条件を決定する。具体的には、リフロ条件を定めるリフロ炉内温度、リフロ炉内搬送速度、及び熱風の風速等の各要素のいずれか又はその全部を決定する。そしてリフロ条件決定部 13は、決定したリフロ条件を、直接リフロ炉制御部 14に出力してリフロ炉制御部 14によるリフロ炉（図示せず)の制御に供する力またはオペレータによるリフロ炉（図示せず)の操作に供するため、決定したリフロ条件を表示装置や印刷装置等であるデータ出力部 33に出力する。

[0043] なお、リフロ条件を設定するための上記の構成要素、すなわち部品体積算出部 11 、体積レベル決定部 12及びリフロ条件決定部 13は、単一又は複数の情報処理プロセッサ上で動作してそれぞれ上記の機能を実行するソフトウェアモジュールとして実現することが可能であり、または単一又は複数の専用ハードウェアとして実現することも可能である。

[0044] 以下、図 7に示すフローチャート、並びに図 8及び図 9に示す説明図を参照して、図 6に示すはんだ接合装置 1によるリフロ条件の決定方法を説明する。

ステップ S 1にお、て、リフロ条件決定部 13は実装 CADデータ 31に含まれて、る当該プリント基板の設計データの中から鉛フリー BGA搭載情報を検出して、当該プリント基板に鉛フリー BGAが使用されている力、また共晶はんだと鉛フリーはんだとが混在しているか否かを判定する。そしてステップ S2において、リフロ条件決定部 13は、鉛フリー BGAが混在して、るかに否かに応じてリフロ温度の規格を決定する。

[0045] 例えば、従来の共晶はんだバンプをもつ BGAのリフロ温度の必要最低温度を T1とし、鉛フリー化 BGAのリフロ温度の必要最低温度を T2とし、部品耐熱温度を T3とする。共晶はんだバンプを持つ BGAでは、リフロ温度が T3—T1の範囲となるリフロ温度規格 1が適用される。一方、鉛フリー化 BGAの必要最低温度 T2は共晶はんだバンプをもつ BGAの必要最低温度 T1よりも 20° C高いため、鉛フリー BGAが混在している場合には、共晶はんだバンプのみの場合のリフロ温度規格 1よりも温度変動の許容範囲が狭いリフロ温度力 ST3—T2の範囲となるリフロ温度規格 2が適用される。

[0046] ステップ S3において、部品体積算出部 11は、実装 CADデータ 31に含まれている基板上の各部品の配置情報と、予め部品情報ライブラリ 32のようなデータベースに登録された各部品の寸法情報とに基づいて、部品周辺エリア体積を算出する。ステップ S4において体積レベル決定部 12は、ステップ S3において算出された各部品周辺エリア体積のうち、最大の部品周辺エリア体積をこのプリント回路基板の固有の体積レベルとして決定する。

[0047] ステップ S5において、リフロ条件決定部 13は、ステップ S2で決定したリフロ温度規格と、ステップ S4で決定したこのプリント回路基板の固有の体積レベルと、実装 CAD データ 31に含まれて、る基板の板厚情報に基づ!/、て、予め設定されて!、る複数のリフロ条件の中から使用するリフロ条件を決定する。

リフロ設備には性能差があり、例えばより高性能なリフロ設備ではプリント基板上に発生するリフロ温度のバラツキ範囲が小さいという傾向がある。また、リフロ条件を定める各物理量もリフロ設備によって異なっているため、リフロ条件決定部 13はリフロ条件をリフロ設備ごとに代えて設定する必要がある。ここでは 2台のリフロ設備を使用する場合について想定し、そのうちの第 1のリフロ設備は標準的な性能の設備であり、第 2のリフロ設備は高性能設備であるとする。

[0048] 図 8は、第 1のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。図 8は、互いに板厚が異なる 2種類の基板に対して、異なるリフロ条件 Aおよびリフロ条件 Bによりリフロ加熱をした場合に生じる、リフロ温度の変化範囲を示している。ここで、使用されるプリント基板の 2種類の板厚 1及び板厚 2は、それぞれ 1. 6mm及び 2. 4mm であるとする。

図 8の例では、範囲 A1は板厚 1の基板をリフロ条件 Aで加熱した場合のリフロ温度範囲を示し、範囲 B1は板厚 1の基板をリフロ条件 Bで加熱した場合のリフロ温度範囲を示し、範囲 A2は板厚 2の基板をリフロ条件 Aで加熱した場合のリフロ温度範囲を示し、範囲 B2は板厚 2の基板をリフロ条件 Bで加熱した場合のリフロ温度範囲を示す。このように、図 8の例では 4種類の条件が設定されている。なお、リフロ条件 A及びリフ口条件 Bは、図 8の例で想定されているリフロ設備固有のリフロ条件である。

ここで、範囲 Al, A2, B1および B2についてはそれぞれ、体積レベル VI, V2, V 3の三種類の体積レベルが設定されて!、る。

[0049] 各範囲 A1及び Bl、並びに A2及び B2は、それぞれの板厚が板厚 1並びに板厚 2 である基板群のリフロ温度のバラツキ範囲を示しており、基板の体積レベルが VIから V3へと大きくなる（すなわち部品周辺エリア体積の最大値が増加する）のにしたがつてリフロ温度のバラツキ範囲が広くなることを示している。

[0050] はんだとして共晶はんだのみが用いられる場合、温度規格としては規格 1、つまりリフロ温度範囲 Tl— T3が適用される。この場合、 Al, A2、 B1および B2はその体積レベルに関わらず、最低となるリフロ温度が規格 1における最低必要温度 T1を上回つている。なお、 B1の場合には、基板において最大リフロ温度を示す箇所力部品の耐熱温度である T3を上回る可能性が示唆されている。

一方、鉛フリー BGA混在時の温度規格 2 (T2〜T3)が適用される場合には、リフロ条件 Αを使用すれば、 A1において図 8にてハッチングされた体積レベル VIの場合に対応することが可能である。同様に、リフロ条件 Bを使用すれば、 B2にてハツチングされた体積レベル VIの場合に対応することが可能であることが分かる。 A1の体積レベル V2, V3、 B2の体積レベル V2, V3, A2については、基板において最低リフ口温度を示す箇所が、必要温度 T2を下回る可能性が示唆されており、リフ口が出来ない可能性がある。

[0051] 図 9は、第 2のリフロ設備におけるリフロ条件の決定方法の説明図である。図に示す範囲 Cl、 Dl、 C2、 D2は各々、体積レベルが VIから V3まで異なる 2種類の板厚のプリント基板を、異なるリフロ条件 C及び Dでリフロ加熱した場合に生じるリフロ温度の範囲を示す。ここで範囲 C1は板厚 1の基板をリフロ条件 Cで加熱した場合の範囲を示し、範囲 D1は板厚 1の基板をリフロ条件 Dで加熱した場合の範囲を示し、範囲 C2 は板厚 2の基板をリフロ条件 Cで加熱した場合の範囲を示し、範囲 D2は板厚 2の基板をリフロ条件 Dで加熱した場合の範囲を示す。

[0052] 図示するとおり、共晶はんだ温度規格 1 (T1〜T3)が適用される場合には、リフロ条件 Cを使用すれば、板厚 1及び板厚 2のどちらの場合でも、全ての体積レベル Vl〜 V3の基板にお!、て要求される温度範囲 T1〜T3の中に収まることが分かる（範囲 C1 及び C2参照)。

鉛フリー BGA混在時の温度規格 2 (Τ2〜Τ3)が適用される場合には、リフロ条件 A を使用すれば板厚 1及び体積レベル VIの場合に対応することが可能であり（範囲 C 1参照）、リフロ条件 Bを使用すれば板厚 2であり体積レベル VIの場合に対応することが可能であることが分かる（範囲 D2参照)。

[0053] そこで本実施例では、基板板厚の基準を 1. 8mmとし、基盤板厚を 1. 8mm以下の板厚レベル 1と 1. 8mmより厚い板厚レベル 2つにレベル分けし、各体積レベル及び板厚レベルの組合せと、これらのレベルの範囲に属する基板をはんだ接合する際に使用することができるリフロ条件 A〜Dとを、鉛フリー BGAの使用の有無に応じて対応付ける、下記の表 2のようなリフロ条件割り当てマスターテーブルを作成する。

[0054] [表 2] 表 2

[0055] リフロ条件決定部 13は、ステップ S2で決定したリフロ温度規格と、ステップ S4で決定したこのプリント回路基板の固有の体積レベルと、実装 CADデータ 31に含まれて V、る基板の板厚情報をレベル分けした板厚レベルに基づ、て、リフロ条件割り当てマスターテーブルを参照することによって、使用するべきリフロ条件を一意に決定することが可能である。

[0056] 図 10は、本発明の第 2実施例よるはんだ接合装置の概略構成を示す斜視図であり、図 11は、図 10に示すはんだ接合装置の概略構成を示すブロック図である。

図 6に示した実施例では、部品周辺エリア体積の算出のために実装 CADデータ 3 1や部品ライブラリ 32といった上流の情報を利用している。本実施例ではこれに代えて、基板 2をリフロ炉 15へと運ぶ搬送装置 (コンベア等） 16の経路上に、レーザ等の非接触式体積センサ 41を備え、プリント回路板個々に各箇所の部品周辺エリア体積を算出する。

ここで非接触式体積センサ 41は、例えば基板 2上をレーザ光線等で走査し、基板 2 表面、及び表面に部品が搭載されている箇所では部品上面の高さを検出することによって、基板 2上の各箇所に搭載された部品が占める体積を検出する。

[0057] さらにはんだ接合装置 1には、コンベア 16上を搬送される製品のバーコードを読み取り、その型番を識別するためのバーコードリーダ 42を備えてもよい。ある製品について部品周辺エリア体積を一度読み取った場合にはそのとき決定した体積レベルを記憶しておく。そして次回、同じ製品のはんだ接合を行う場合には、バーコードリーダ 42によってその製品に付されたバーコードを読み取り、過去に部品周辺エリア体積が既に読み取られた製品と同じ製品であるかを判定する。そして既に部品周辺エリア体積の読み取られて、た場合には、記憶した体積レベルを使用してリフロ条件を設定することとしてよい。そのためにはんだ接合装置 1には、ある製品について体積レベル決定部 12が決定した体積レベルを記憶する体積レベル記憶部 17を備える。

[0058] 図 12は、図 10に示すはんだ接合装置により実行されるリフロ条件を決定する方法のフローチャートである。ステップ S1及び S2において、リフロ条件決定部 13は、鉛フリー BGAが混在してヽるカゝ否かを判定し、これに応じてリフロ温度の規格を決定するステップ S11において、バーコードリーダ 42はコンベア 16上を搬送される基板 2に付されたバーコードを読み取る。ステップ S 12において部品体積算出部 11及び体積レベル決定部 12は、バーコードを読み取った基板と同じ型番の製品について、既に体積レベルを決定したことがある力否かを判定する。

[0059] 体積レベルを決定したことがな、場合、ステップ S3へと進み、部品体積算出部 11 は非接触式体積センサ 41が読み取った基板 2の表面形状データから、基板 2上の各箇所の部品周辺エリア体積を各々算出する。そしてステップ S4において、体積レベル決定部 12はプリント回路基板の固有の体積レベルを決定したのち、ステップ S1 3において決定した体積レベルとこの製品の型番情報とを対応付けて体積レベル記憶部 17に記憶する。そしてステップ S5において、決定された体積レベルを使用してリフロ条件を決定する。

[0060] 一方でステップ S12の判断にて、既に体積レベルを決定したことがあると判定された場合には、体積レベル決定部 12は、この製品の型番情報とを対応付けて記憶された体積レベルのデータを体積レベル記憶部 17から読み込む。そしてステップ S5〖こぉ、て、読み込まれた体積レベルを使用してリフロ条件を決定する。

[0061] なお、上記図 6及び図 10に示した実施例では、はんだ接合装置 1において部品周辺エリア体積の算出乃至リフロ条件の決定を行っていたが、上記説明した方法による部品周辺エリア体積の算出乃至リフロ条件の決定ははんだ接合装置 1において行う必要は必ずしもない。

これに代えて、他の部品情報ライブラリ 32や実装 CADデータ 31、体積センサ 41などを利用可能な外部の計算装置を用いて、リフロ処理を行う製品に関する部品周辺エリア体積の算出乃至リフロ条件の決定の処理を実行させてもよい。

この場合には、上記のように決定されたリフロ条件を記憶するための記憶部 18をはんだ接合装置 1に設ける。そしてこのはんだ接合装置 1を用いて基板 2上への部品のリフロ処理を行う際に、はんだ接合装置 1リフロ炉制御部 14がこの基板 2に対応したリフロ条件を記憶部 18から読み出して、読み出したリフロ条件に基づいて基板 2上への部品のリフロ処理の制御を行ってもよい。

[0062] 以上、説明のみを目的として選択した好適な実施例を参照しながら、本発明を説明したが、当業者には本発明の趣旨および範囲カゝら逸脱することなぐこれら実施例の様々な変形、省略、および逸脱を、行なうことが可能であることは明らかである。また、クレームに使用される各用語は、明細書にて説明された実施例に記載された特定の意味に限定されるものではない。

産業上の利用可能性

[0063] 本発明は、プリント基板 (PWB)に部品が実装されたプリント回路基板のような、はんだ接合される製品の製造方法及びはんだ接合装置に適用可能であり、特にこのようなはんだ接合製品をはんだ接合する際のリフロ条件の設定方法に適用可能である

Claims

請求の範囲

[1] 実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによつて、前記部品を前記基板にはんだ接合する、はんだ接合される製品の製造方法であつて、

前記基板の各位置において、所定寸法の範囲内に実装される前記部品が占める部品体積をそれぞれ算出し、

算出された前記部品体積に応じて前記加熱条件を決定し、

決定された前記加熱条件に基づいてリフロ加熱を行うことを特徴とする、はんだ接合される製品の製造方法。

[2] 前記算出された部品体積の最大値に応じて、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[3] 前記算出された部品体積と、前記基板の既知の厚さに応じて、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[4] 前記基板に実装された少なくとも 1つの前記部品について、当該部品を囲む前記所定寸法の範囲内において、前記部品体積を算出することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[5] 前記所定寸法の範囲を、前記少なくとも 1つの部品の端から所定距離だけ離れた位置までを含むように定め、

前記部品同士の間隔力前記基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して実質的に影響しなくなる最小部品間距離を、前記所定距離として予め定めることを特徴とする請求項 4に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[6] 予め定めた複数の加熱条件から選択して、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[7] 前記算出された部品体積に基づく所定の算出方法に従って、前記加熱条件を定義する値を決定することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[8] 前記はんだ接合される製品につ、て設計した、前記基板上への前記部品の配置データに基づいて、前記部品体積を算出することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[9] 前記はんだ接合される製品に実装される各前記部品を実装面に搭載した状態で、前記基板の表面の各位置の高さをセンサで検出し、

前記検出した前記基板の表面の各位置の高さに基づいて、前記部品体積を算出することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合される製品の製造方法。

[10] 実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによつて、前記部品を前記基板にはんだ接合するはんだ接合装置であって、

前記基板の各位置において、所定寸法の範囲内に実装される前記部品が占める部品体積をそれぞれ算出する部品体積算出部と、

算出された前記部品体積に応じて前記加熱条件を決定する加熱条件決定部と、を備えることを特徴とするはんだ接合装置。

[11] 前記加熱条件決定部は、前記算出された部品体積の最大値に応じて、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項 10に記載のはんだ接合装置。

[12] 前記加熱条件決定部は、前記算出された部品体積と、前記基板の既知の厚さに応じて、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項 10に記載のはんだ接合装置

[13] 部品体積算出部は、前記基板に実装された少なくとも 1つの前記部品について、当該部品を囲む前記所定寸法の範囲内において、前記部品体積を算出することを特徴とする請求項 10に記載のはんだ接合装置。

[14] 前記所定寸法の範囲が、前記少なくとも 1つの部品の端から所定距離だけ離れた位置までを含むように定められ、

前記所定距離として、予め定められた、前記基板に塗布されるはんだのリフロ加熱時における温度に対して前記部品同士の間隔が実質的に影響しなくなる最小部品間距離を、用いることを特徴とする請求項 13に記載のはんだ接合装置。

[15] 前記加熱条件決定部は、予め定めた複数の加熱条件力選択して、前記加熱条件を決定することを特徴とする請求項 10に記載のはんだ接合装置。

[16] 前記加熱条件決定部は、前記算出された部品体積に基づく所定の算出方法に従つて、前記加熱条件を定義する値を決定することを特徴とする請求項 10に記載のはんだ接合装置。

[17] 部品体積算出部は、前記はんだ接合される製品について設計した、前記基板上への前記部品の配置データに基づ、て、前記部品体積を算出することを特徴とする請求項 1に記載のはんだ接合装置。

[18] 前記はんだ接合される製品に実装される各前記部品を実装面に搭載した状態で、前記基板の表面の各位置の高さを検出する非接触センサを更に備え、

部品体積算出部は、前記検出した前記基板の表面の各位置の高さに基づいて、前記部品体積を算出することを特徴とする請求項 10に記載のはんだ接合装置。

[19] 基板への部品実装時におけるはんだ接合の条件を判別するはんだ条件判別方法において、

前記基板上の所定寸法の範囲内に配置される部品の体積を算出するステップと、前記算出された部品体積から、最大部品体積を抽出するステップと、

前記抽出された最大部品体積をパラメータとして、前記基板における最低リフロ温度を判別するステップと、

前記最低リフロ温度と、はんだ付けに要する必要温度とを比較して、前記基板におけるはんだ条件が適切なもの力否かを判別するステップと、を有することを特徴とする

、はんだ条件判別方法。

[20] 前記部品体積算出時には、前記基板の板厚を勘案して部品体積を算出することを特徴とする、請求項 19に記載のはんだ条件判別方法。

[21] 部品が搭載された基板を加熱してリフロを行うリフ口装置において、

前記部品を加熱する加熱機構と、

前記加熱機構を制御する制御部と、

前記制御部による前記加熱機構制御時に用いられるリフロ条件を記憶した記憶部とを備え、

前記リフロ条件は、基板上の所定寸法の範囲内に搭載された部品の体積に応じて設定されたものであり、

前記制御部は、リフロ処理が施される基板に対応したリフロ条件を前記記憶部から読み出して、前記読み出されたリフロ条件により前記基板に対するリフロ処理を制御することを特徴とする、リフ口装置。

[22] 前記リフ口装置において、

前記リフロ条件は、基板上の所定寸法の範囲内に配置された部品の体積を算出し、算出された部品体積のうち最大値を有する部品体積に対応するリフロ温度とはんだ付けに要する必要温度とを対比し、前記リフロ温度が前記必要温度を下回らないように選定されたものであることを特徴とする、請求項 21に記載のリフ口装置。

[23] 基板に部品がはんだ付けされた製品を製造する方法において、

前記基板に搭載される部品の体積を前記基板の所定寸法の範囲ごとに算出し、算出された部品体積のうち最大の値を有する最大部品体積に対応するはんだ付け温度とはんだ付けに要する必要温度とを対比した結果算出された、当該基板に対応するはんだ条件を、読み出すステップと、

前記読み出されたはんだ条件に基づ、て、前記基板への前記部品のはんだ付けを行うステップと、を備えたことを特徴とする、はんだ接合される製品の製造方法。

[24] 実装する部品を載せた基板を所定の加熱条件に基づいてリフロ加熱することによつて、前記部品を前記基板にはんだ接合するはんだ接合方法であって、

算出された前記部品体積に応じて前記加熱条件を決定し、

決定された前記加熱条件に基づいてリフロ加熱を行うことを特徴とする、はんだ接合方法。