(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、鉛フリー半田を用いても、例えば、配線基板の如き装着物と、例えば、これに搭載する電子部品の如き被装着物との接合強度が高く、かつそのばらつきも少なく、しかもその接合強度の経時的変化が少なく、長期的に信頼性の高いろう付け方法及びこのろう付け方法を採用したろう付け装置を提供することにある。【解決手段】  本発明のろう付け方法は、鉛フリーのろう材を加熱溶融させろう付けを行うろう付け方法において、加熱溶融させたろう材の冷却工程を超音波を付加しながら時間―温度制御することを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【請求項２】
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
冷却固化したろう材の結晶粒子の直径を微細化せしめ、
及び／又は、
結晶粒子の直径の分散を均一化せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【請求項３】
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
冷却固化したろう材中の単位体積当たりの空隙の数を減少せしめ、
及び／又は、
空隙の平均直径を低減せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【請求項４】
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
被ろう付け材料表面上における溶融状態のろう材の濡れ特性を改善せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【請求項５】
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
被ろう付け材料表面と、
溶融状態、及び／又は、冷却固化状態のろう材との界面において、
被ろう付け材料とろう材の合金層を形成せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【請求項６】
ろう材が、鉛フリーのロウ材であることを特徴とする、
請求項１乃至６の何れかに記載したろう付け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、鉛フリー半田を電気ごて等を用いて行うろう付け方法及びこのろう付け方法を採用したろう付け装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今においては、環境問題等の観点から半田を含むろう材による接合を行う場合には、例えば、配線基板への電気部品や電子部品の接合に際しては、鉛フリーの半田、具体的には、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ｃｕ系組成を主成分とするものが用いられている。
ところでろう材を用いた接合においては、ろう材の濡れ性やその組成、あるいは配線基板や搭載する部品の耐熱性等物理的、化学的な種々の事象が複雑に絡んで、接合作業をやり難くしたり、高い接合強度が得られなかったり、接合部の信頼性が経時的に低下したり、といった問題を引き起こす。
また接合面を活性化して接合強度を上げるために用いるフラックスが、逆に腐食問題を引き起こしたり、作業環境を悪化させる等の問題を生じさせることもある。
特にこれらの問題は、従来のＰｂ―Ｓｎ半田と異なり、鉛フリー半田ではその歴史も浅いことから、未だその原因が十分に解明されておらず、今後の大きな解決課題となっている。
【０００３】
本来、この種のろう付けは、ろう材を溶融、液相化して配線基板等の接続部（以下単にパッドという）表面に接液させ、表層にろう材並びにパッドの組成成分による金属間化合物を生成させ、さらに前記ろう材及び金属間化合物の結晶粒の微細化、均一分散化を行うことで、良好な接合強度や長期信頼性が得られる、といわれている。
この点、従来用いられていたＰｂ―Ｓｎ半田については、Ｐｂにより比較的問題なくろう材及び前記金属間化合物の結晶粒の微細化、均一分散化が行われ、良好な接合強度及び長期信頼性が得られていた。
【０００４】
ところがろう材が鉛フリーのものに変わった際、従来のＰｂ―Ｓｎ半田とほぼ同様の考え方でろう付けを行おうとしたところ、鉛フリーのろう材は溶け難く接合し難いため、接合強度が不足して十分な接合強度が得られないとか、接合しても経時的にその接合強度が低下してくる、といった問題が出てきた。
具体的に、代表的な鉛フリー半田である、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系の半田において説明する。このＳｎ−Ａｇ系の半田は、その溶融温度が従来のＰｂ―Ｓｎ半田よりも４０℃〜５０℃前後高く、その結果、配線基板やこれに搭載する電子部品の熱的余裕がなくなっている。そこで溶融温度を下げ、従来のＰｂ―Ｓｎ半田と同程度の溶融温度に近づけようと、例えば、Ｂｉ（ビスマス）やＩｎ（インジウム）といった、いわゆる融点降下作用を有する金属（以下融点降下作用金属という）を添加する場合がある。
【０００５】
しかしながら、Ｓｎ−Ａｇ系の半田に融点降下作用金属であるＢｉやＩｎを添加すると、従来のＰｂ―Ｓｎ系の共晶半田に比較して、溶融状態から凝固するまでの温度範囲が広くなり、凝固進行中に部分的に融点降下作用金属であるＢｉやＩｎが凝固した部分と未だ溶融状態にある部分とが混在する状態が発生し、いわゆる結晶粒の偏析が起こり易くなってしまう。
このように、溶融温度を下げるべく融点降下作用金属ＢｉやＩｎを添加した結果、偏析が起こり易くなって、この偏析により結晶粒の肥大化、不均一分散化が生じて接合強度が安定せず、長期信頼性も得られない、という問題が起こっている。
【０００６】
そこで特許文献１に開示されているように、例えば、配線基板のパッドに電子部品を鉛フリー半田でろう付けしようとする場合、加熱して溶融させた、例えば、融点降下作用金属であるＢｉを添加したＳｎ−Ａｇ系の半田が冷却される工程で、これに超音波の如き微小振動を付加して、配線基板と電子部品の接合界面において、Ｂｉの結晶粒の偏析を防止して、このＢｉ結晶粒の微細化、均一分散化を図り、配線基板と電子部品の接合強度を向上させよう、との提案がなされている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３５１０６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されている発明において、出願人は要約すると以下のように主張している。
すなわち、溶融状態にある、例えば、融点降下作用金属Ｂｉを添加したＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田の冷却工程において、これに超音波を加えることにより、半田の表面張力を低下させ、流れを良くし、すなわち濡れ性を向上させことができる。
その結果、配線基板と電子部品の接合界面におけるＢｉの結晶粒の偏析を防ぐことができ、Ｂｉ結晶粒の微細化、均一分散化を実現できるため、配線基板と電子部品の接合強度を向上させることができる、と主張している。
【０００９】
確かに特許文献１のようにＢｉを添加したＳｎ−Ａｇ系の半田を用いて、この半田の冷却工程において超音波を加えた場合、従来の方法によるものよりも配線基板と電子部品の接合部の接合界面に銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）の合金層を確実に形成でき、また、例えば、融点降下作用金属Ｂｉが添加されている場合なら、Ｂｉの結晶粒の偏析を効果的に防止できる等々により接合強度の向上を図ることができる。
しかしながら、その確実性という観点からは未だ十分なものは得られていない。具体的には、接合強度にはばらつきが存在し、接合部の接合強度向上と長期信頼性を確実に確保できるところまでは到っていない。
【００１０】
本発明者は、その原因を検討した結果、特許文献１の段落番号００３３の１行目から６行目の「このような実験装置構成にて、熱風発生器２０１からの熱風を電子部品２０５に当て、鉛フリー半田１２２を溶融させ、溶融後、上記熱風を当てるのをやめて自然冷却させて鉛フリー半田１２２を凝固させた。超音波発信器２０２による超音波は、上記自然冷却の開始と同時に作用を開始した。」との記載に着目した。
【００１１】
一般的に考えた場合、溶融状態から結晶化が進み凝固に到る過程にあって、結晶粒の偏析、微細化あるいは均一分散化は冷却条件に左右されるはずである。
それ故、特許文献１の上記記載にあるように、溶融状態にある鉛フリー半田の冷却工程にあって、鉛フリー半田の組成に関係なく、単に自然冷却するだけでは、いかに超音波を付加したとしても、安定して必要な接合強度は得られないのではないか、と推測した。
同時に、問題は単に融点降下作用金属の結晶粒の析出状態に限定されず、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系半田であれば、安定した接合強度を得るためには、主成分であるＳｎの結晶粒の微細化や均一分散化の方が、添加物に過ぎないＢｉ等の融点降下作用金属の結晶粒の微細化や均一分散化より、より重要であるはずである、とも考えた。
【００１２】
実際に、特許文献１に記載の方法で、Ｓｎ−３．５Ａｇ半田（Ｂｉ等の融点降下作用金属を含まないもの）を用いて配線基板に電子部品のろう付け（半田付け）を行ったところ、配線基板側の銅表面には銅とＳｎの金属間化合物は確実に形成されてはいたが、Ｓｎの結晶粒の大きさや均一分散に着目すると、Ｓｎの結晶については一部に大きな結晶粒が混在しており、その分散も均一とは言い難かった。
以上から本発明者は、鉛フリー半田の主成分であるＳｎや、例えば、これに融点降下作用金属が添加されている場合には、主成分であるＳｎと融点降下作用金属の両結晶粒の微細化、均一分散化を確実に実現でき、安定した高い接合強度と長期信頼性を得るためには、その鉛フリー半田の組成に応じて、冷却条件を最適化してやる必要がある、と考え、本発明に到った。
【００１３】
上記問題に鑑み本発明の目的は、鉛フリー半田を用いても、例えば、配線基板の如き装着物と、例えば、これに搭載する電子部品の如き被装着物との間の接合強度を向上させることができ、かつそのばらつきが少なく、しかもその接合強度の経時的変化も少ない、すなわち長期的に信頼性の高いろう付け方法及びこのろう付け方法を採用したろう付け装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成すべく本発明の請求項１記載のろう付け方法は、鉛フリーのろう材を加熱溶融させろう付けを行うろう付け方法において、加熱溶融させたろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とするものである。
このようにしてなる請求項１記載のろう付け方法によれば、加熱溶融させた鉛フリーのろう材の冷却工程において、超音波を加えながら、しかも時間―温度の関係を制御しながら冷却するため、例えば、融点降下作用金属であるＢｉを添加したＳｎ−Ａｇ系半田を用いて配線基板上に電子部品を搭載する場合、接合部におけるＳｎやＢｉの結晶化を、偏析等が少なく、かつその結晶粒がより微細でその分布も均一になる最適な結晶化条件で進めることができる。
その結果、配線基板の如き装着物と、これに搭載する電子部品のような被装着物との間の接合部における、例えば、ＳｎやＢｉの偏析を効果的に防止でき、もって接合強度が高く、かつそのばらつきも少ない、しかも長期信頼性に優れた接合部を得ることができる。
【００１５】
［請求項１］
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【００１６】
［請求項２］
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
冷却固化したろう材の結晶粒子の直径を微細化せしめ、
及び／又は、
結晶粒子の直径の分散を均一化せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【００１７】
［請求項３］
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
冷却固化したろう材中の単位体積当たりの空隙の数を減少せしめ、
及び／又は、
空隙の平均直径を低減せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【００１８】
［請求項４］
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
被ろう付け材料表面上における溶融状態のろう材の濡れ特性を改善せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【００１９】
［請求項５］
ろう材を加熱溶融させた後、被ろう付け材料表面上で、ろう材を冷却固化させるろう付け装置において、
加熱により溶融させたろう材について、
加熱終了後の冷却過程中のろう材が溶融状態にある期間に、
溶融状態にあるろう材に対して超音波を照射することにより、
前記期間に超音波を照射しない場合と比較して、
被ろう付け材料表面と、
溶融状態、及び／又は、冷却固化状態のろう材との界面において、
被ろう付け材料とろう材の合金層を形成せしめることにより、
ろう付けの剥離強度を高くする機能を有することを特徴とするろう付け装置。
【００２０】
［請求項６］
ろう材が、鉛フリーのロウ材であることを特徴とする、
請求項１乃至６の何れかに記載したろう付け装置。
【００２１】
本出願の発明は、鉛フリーのろう材を加熱溶融させ、ろう付けを行うろう付け装置において、加熱により溶融させたろう材に対して、加熱終了後の冷却過程において、超音波を加えてながら時間―温度制御することを特徴とするろう付け方法である。
【００２２】
本出願の発明は、フラックスを用いないことを特徴とするろう付け方法である。
【００２３】
本出願の発明は、溶融状態の前記ろう材の温度を温度センサーにより測定しその温度により、または外部から前記ろう材の表面温度を測定した温度により、前記溶融状態のろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とするろう付け方法である。
【００２４】
本出願の発明は、前記溶融状態のろう材の周囲雰囲気を温度制御された冷却媒体を用いて冷却することで前記冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とするろう付け方法である。
【００２５】
本出願の発明は、前記溶融状態のろう材の周囲を囲い、その内部の雰囲気を温度制御された冷却媒体を用いて冷却することを特徴とするろう付け方法である。
【００２６】
本出願の発明は、鉛フリーのろう材を、内部に超音波発生源を内蔵した電気ごてを用いて加熱溶融させ、前記冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とするろう付け方法である。
【００２７】
本出願の発明は、前記電気ごてがその先端部に温度センサーを有していて、前記温度センサーにより測定された温度により前記溶融状態のろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とするろう付け方法である。
【００２８】
本出願の発明は、前記電気ごてがその先端部に冷却媒体吐出口を有していることを特徴とするろう付け方法である。
【００２９】
本出願の発明は、鉛フリーのろう材を加熱溶融させろう付けを行うろう付け装置であって、前記加熱溶融させたろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御するための超音波発生装置と時間―温度制御装置とを備えていることを特徴とするろう付け装置である。
【００３０】
本出願の発明は、前記ろう付け装置が電気ごてであることを特徴とするろう付け装置である。
【００３１】
本出願の発明は、前記電気ごての先端部が電磁誘導コイルに励起されてジュール熱を発生する金属体を有していて、かつ前記先端部の外周には電磁誘導コイルが形成されていて、この電磁誘導コイルを形成している電線として４００℃以上の耐熱性を有する電線が用いられていることを特徴とするろう付け装置である。
【００３２】
本出願の発明は、前記耐熱性を有する電線が、銅導体に耐熱性絶縁被覆を施したものであることを特徴とするろう付け装置である。
【００３３】
本出願の発明は、前記電磁誘導コイルの部分が、その表面を耐熱被覆材で覆われていることを特徴とするろう付け装置である。
【００３４】
本出願の発明は、前記耐熱被覆材がガラス、セラミックスあるいは酸化ベリリウムであることを特徴とするろう付け装置である。
【００３５】
本出願の発明は、前記電気ごての先端部が銅に鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキを施したもの、あるいは鉄または鉄／ニッケルからなり内部が空洞で外形が砲弾形状をしたものであることを特徴とするろう付け装置である。
【００３６】
本出願の発明は、前記電気ごての先端部にあって、銅とこれを被覆する鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキとの境界部には銅と鉄または銅とニッケルの金属間化合物層が形成されていることを特徴とするろう付け装置である。
【００３７】
本出願の発明は、前記電気ごてが、その先端部に温度制御された冷却媒体を吐出する冷却媒体吐出口を有していることを特徴とするろう付け装置である。
【００３８】
本出願の発明は、前記電気ごての先端部と前記超音波発生源とがホーン部材を介して直線状に配置されていて、かつ前記先端部と前記超音波発生源との間には断熱部材が介在されていることを特徴とするろう付け装置である。
【００３９】
本出願の発明は、前記超音波発生装置が、超音波発生源と該超音波発生源が発生する振動を前記先端部に伝えるホーン部材とを有し、該ホーン部材は断熱性を有することを特徴とするろう付け装置である。
【００４０】
本出願の発明は、前記断熱部材及び前記断熱性を有するホーン部材は、チタン、ステンレス、ガラスまたは磁器あるいはこれらの組み合わせからなることを特徴とするろう付け装置である。
【００４１】
本出願の発明は、前記電気ごての先端部が、複数の共振周波数を作り出すための共振周波数補正機能を有していることを特徴とするろう付け装置である。
【００４２】
本出願の発明に係るろう付け方法においては、好ましくは、フラックスを用いないことを特徴としている。
【００４３】
本出願の発明に係るろう付け方法によれば、超音波を加えることで濡れ性を向上させることができ、その分フラックスを使用しないで済む。その結果、接合部内にフラックスが残留することがなくなる。よってフラックスの残留物によって接合部が経時的に劣化する恐れをなくすることができ、長期信頼性をより一層高めることができる。またフラックスの気化による作業環境の悪化も防止することができる。
【００４４】
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、溶融状態の前記ろう材の温度を温度センサーにより測定しその温度により、または外部から前記ろう材の表面温度を測定した温度により、前記溶融状態のろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とする。
例えば、電気ごての先端部に温度センサーを装着し、これを溶融状態にあるろう材中に挿入して温度を直接測定したり、溶融状態のろう材近傍で測定した値を近似値として間接的に用いたり、さらには赤外線温度測定器等で外部から溶融状態のろう材の表面温度を測定して、得られたこれらいずれかの温度を用いて、溶融状態のろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御する。
このようにすれば、高い精度で溶融状態のろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することが可能になる。
その結果、鉛フリー半田を用いた接合部にあって、より確実に接合強度の高い、かつそのばらつきも少ない、しかも長期信頼性に優れた接合部を得ることができる。
【００４５】
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、前記溶融状態のろう材の周囲雰囲気を温度制御された冷却媒体を用いて冷却することで前記冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴としている。
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、ろう材の冷却工程の時間―温度制御に温度制御された冷却媒体、具体的には、窒素やアルゴン等の不活性ガスや水をミスト状にした冷却媒体からなる、予め温度制御された冷却媒体を用いるため、応答性よく溶融状態のろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することが可能になる。
このようにすれば、高い精度で、しかも容易に溶融状態のろう材の冷却工程を時間―温度制御することができ、より確実に接合強度の高い、かつそのばらつきも少ない、しかも長期信頼性に優れた接合部を得ることができる。
【００４６】
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、前記溶融状態のろう材の周囲を囲い、その内部の雰囲気を温度制御された冷却媒体を用いて冷却することを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、溶融状態のろう材の周囲を囲い、その内部の雰囲気だけを温度制御すればよいので、溶融状態のろう材の時間―温度の制御をより迅速に精度よく行うことができる。また冷却範囲が狭くなるため、冷却媒体である、例えば、アルゴンガス等の冷却ガスの使用量も少なくて済む、という効果も得られる。
【００４７】
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、鉛フリーのろう材を、内部に超音波発生源を内蔵した電気ごてを用いて加熱溶融させ、前記冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、コンパクト化された電気ごてにより前述したろう付け方法を実現できるため、例えば、ロボット等の手にこの電気ごてを持たせることで、多岐の分野に本発明のろう付け方法を適用することが可能になる。
【００４８】
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、前記電気ごてはその先端部に温度センサーを有していて、前記温度センサーにより測定された温度により前記溶融状態のろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御することを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、溶融状態の半田に最も近い電気ごての先端に温度センサーを有しているので、溶融状態のろう材温度を直接的に、あるいは間接的であっても溶融状態のろう材に極めて近い位置で測定することができる。
その結果、溶融状態のろう材の冷却工程における時間―温度制御をより精度よく行うことができる。
【００４９】
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、前記電気ごてはその先端部に冷却媒体吐出口を有していることを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け方法の好ましい態様においては、電気ごてはその先端部に冷却媒体吐出口を有しているため、溶融状態にあるろう材を冷却する場合、極めて近い位置から、例えば、温度制御された冷却ガスや冷却ミストの如き冷却媒体を吐出できる。そのため溶融状態のろう材を応答性よく冷却することができ、溶融状態のろう材の冷却工程における時間―温度制御をより精度よく行うことができる。
【００５０】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、鉛フリーのろう材を加熱溶融させろう付けを行うろう付け装置であって、前記加熱溶融させたろう材の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御するための超音波発生装置と時間―温度制御装置とを備えていることを特徴としている。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、超音波発生装置と時間―温度制御装置とを有しているため、溶融状態のろう材の冷却工程にあって、超音波の付加と時間―温度制御を合わせて行うことができるため、接合部における半田主成分であるＳｎやＢｉやＩといった融点降下作用金属の偏析を効果的に防止でき、Ｓｎ、ＢｉあるいはＩ等の偏析の少ない、かつ結晶粒が微細でその分布も均一な結晶を確実に析出させることができる。
すなわち、より確実に接合部の接合強度を向上させることができ、かつそのばらつきも少なくさせることができ、しかも長期信頼性を得ることも可能になる。
【００５１】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記ろう付け装置は電気ごてであることを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、ろう付け装置が電気ごてという使いまわしのよい工具であるため、例えば、ロボット等に容易装着でき便利である。
【００５２】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記電気ごての先端部は電磁誘導コイルに励起されてジュール熱を発生する金属体を有していて、かつ前記先端部の外周には電磁誘導コイルが形成されていて、この電磁誘導コイルを形成している電線として４００℃以上の耐熱性を有する電線が用いられていることを特徴としている。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、電気ごての先端部は、例えば、銅に鉄メッキの如き磁性体からなる被覆層を施した、いわゆる電磁誘導コイルに励起されてジュール熱を発生する金属体からなり、前記先端部外周には、この先端部にジュール熱を発生させるための電磁誘導コイルとして、鉛フリー半田の溶融温度である２３０℃前後よりも遥かに高い４００℃以上の耐熱性を有する電線が巻かれて電磁誘導コイルが形成されているため、電気ごての先端部を高温にしても、この電線が容易に劣化することがなくなる。それ故、鉛フリー半田を加熱溶融する場合、安心して、電気ごての先端部を瞬時に鉛フリー半田の溶融温度以上に加熱することができる。
【００５３】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記耐熱性を有する電線は、銅導体に耐熱性絶縁被覆を施したものであることを特徴とするものである。
このように本発明に用いる耐熱性を有する電線として、銅導体に耐熱性絶縁被覆、具体的には、例えば、ガラステープを重ね巻きしたり、アルミナを被覆して形成した耐熱性絶縁被覆を施した電線を用いているため、４００℃以上の耐熱性を確実に実現できる。
【００５４】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記電磁誘導コイルの部分は、その表面を耐熱被覆材で覆われていることを特徴とするものであり、前記耐熱被覆材はガラス、セラミックスあるいは酸化ベリリウムであることを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、電磁誘導コイルの部分、すなわち、耐熱性を有する電線が巻かれた部分の表面全体を、例えば、ガラスまたはセラミックス等の耐熱被覆材で覆うことにより、電気ごての先端部に加熱用ヒーターである電線を確実に、かつ容易にしっかりと固定できる。
しかもこの耐熱被覆材で電線表面の酸化を防止することもできるので、電線の耐熱性を補助することができると共に、その寿命を長くすることができる。
【００５５】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記電気ごての先端部は銅に鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキを施したもの、あるいは鉄または鉄／ニッケルからなり内部が空洞で外形が砲弾形状をしたものであることを特徴とするものであり、前記電気ごての先端部にあって、銅とこれを被覆する鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキとの境界部には銅と鉄または銅とニッケルの金属間化合物層が形成されていることを特徴とするものである。
【００５６】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、電気ごての先端部は銅に鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキの如き磁性体製のメッキを施したもの、あるいは鉄または鉄／ニッケルからなり内部が空洞で外形が砲弾形状をした磁性体製の部材で形成したものであるため発熱性に優れ、しかも表面の鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキ製の被覆層で、あるいは鉄または鉄／ニッケルからなり内部が空洞で外形が砲弾形状をした部材で、鉛フリー半田側の錫（Ｓｎ）により先端部内部の銅（Ｃｕ）が腐食されることを防止できる。それ故、電気ごて先端部の寿命を長くすることもできる。
しかも銅とこれを被覆する鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキとの境界部に銅と鉄あるいは銅とニッケルの金属間化合物層が形成されているため、銅と鉄メッキまたは銅と鉄／ニッケルメッキ間の接着強度が高くなって、メッキによる被覆層が剥がれ難くなり、電気ごて先端部７の長寿命化を図れるとともに、内側の銅本体への熱伝導性をも長期に亘って安定化させることもできる。
【００５７】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記電気ごては、その先端部に温度制御された冷却媒体を吐出する冷却媒体吐出口を有していることを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、電気ごての先端部に形成された冷却媒体吐出口から、例えば、温度制御された不活性ガスやミスト状の水の如き冷却媒体を吐出することができるため、溶融状態にある鉛フリー半田を極めて近い位置で温度制御することができる。よって溶融状態の鉛フリー半田を冷却する際の時間―温度の制御をより精度よく行うことができる。
【００５８】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記電気ごての先端部と前記超音波発生源とがホーン部材を介して直線状に配置されていて、かつ前記先端部と前記超音波発生源との間には断熱部材が介在されていることを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、電気ごての先端部と前記超音波発生源がホーン部材を介して直線状に配置されているため、超音波を電気ごての先端部に確実に伝えることができる。また前記先端部と前記超音波発生源との間には断熱部材を介在させているため、具体的には、ホーン部材の端面部またはその途中に断熱材を介在させているため、加熱されている先端部の熱が超音波発生源へ及ぼす悪影響を減少させることができる。
【００５９】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記超音波発生装置は、超音波発生源と該超音波発生源が発生する振動を前記先端部に伝えるホーン部材とを有し、該ホーン部材は断熱性を有することを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、ホーン部材全体を断熱材で形成しているため、加熱されている先端部の熱が超音波発生源に及ぼす悪影響を最小限に抑えることができる。
【００６０】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記断熱部材及び前記断熱性を有するホーン部材は、チタン、ステンレス、ガラスまたは磁器あるいはこれらの組み合わせからなることを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、断熱部材や圧電素子の如き超音波発生源から電気ごての先端部に超音波を伝えるホーン部材を、断熱性に優れた材料であるチタン、ステンレス、ガラスまたは磁器あるいはこれらの組み合わせにより構成したことから、ヒーター部である電気ごて先端部の熱が超音波発生源に対して、悪影響をより及ぼし難くなる。その結果、超音波特性への熱的影響をより一層排除できる。
【００６１】
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、前記電気ごての先端部は、複数の共振周波数を作り出すための共振周波数補正機能を有していることを特徴とするものである。
本出願の発明に係るろう付け装置の好ましい態様においては、電気ごての先端部に溝や突起を設けたり、あるいは先端部として材質の異なるものを幾つか用意しておいていつでも交換可能にしておくなどの共振周波数を作り出す複数の補正機能を有しているため、仮に、使用する鉛フリー半田の種類が変わっても、その半田に最適な共振周波数を作り出すことができる。
また電気ごての先端部の熱が超音波発生装置を構成するホーン部材に影響を与えたとしても、その温度変化による共振点のずれを補正することもできるので、この点でも超音波特性への熱的影響を排除することもできる。
【発明の効果】
【００６２】
以上のように本発明によれば、鉛フリー半田を用いても、例えば、配線基板の如き装着物と、これに搭載する電子部品の如き被装着物との間の接合強度を高くでき、かつそのばらつきも少なくでき、しかもその接合強度の経時的変化が少なくて長期的に信頼性の高いろう付け方法及びこのろう付け方法を採用したろう付け装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下に図を用いて本発明のろう付け方法及びこのろう付け方法を採用したろう付け装置の実施形態例を詳細に説明する。
図１は、本発明のろう付け方法を実施するために用いるろう付け装置、具体的には電気ごての一実施形態例を示す要部の一部断面概略正面図、図２はその先端部の一部断面拡大図（先端部の一部のみ非断面図になっている）である。
尚、前述したように図１、図２ともその一部を断面図にしたのは、内部の構成を判り易くするためである。また図１を要部の一部断面概略正面図と称している意味は、電気ごての外装部分を外して、内部の要部のみ示しているからである。
図１に示すように、この電気ごて１の後端部には、超音波発生源である圧電素子２、２がその極性を−、＋、＋、−になるように、かつ互いの接触面が密に接触するように重ねられ、これらがホーン部材３に螺子４でしっかりと固定されている。ここで符号５は必要に応じて設けられる押さえ部材である。
ホーン部材３は、図１に向かって左側の端面が圧電素子２との接触面の接触面積よりも小さくなるように右側から左側に向かって徐々に横断面が絞られている断面減少部６を有している。
【００６４】
ここでホーン部材３の圧電素子２との接触面積をＳ１、ホーン部材３の左端の端面３ａの断面積をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１の値を小さくすればする程、端面３ａにおける超音波の振幅を大きくすることができる。
すなわち、前述した断面減少部６を設けた理由は、後述する溶融状態の半田に付加する超音波の振幅を圧電素子２で発生させる超音波の振幅よりも大きくするためである。
また、ホーン部材３の左側には電気ごて１の先端部７（ヒーター部）が螺合されるが、このとき螺合される先端部７の後端の雄螺子８は、ホーン部材３の左端の端面３ａに形成された雌螺子９に螺合される。
【００６５】
ところでホーン部材３から電気ごて１の先端部７に超音波が特性変化することなく正確に伝わるように、ホーン部材３の端面３ａと、これに接触する先端部７側の固定部１０の端面１１とを極めて密なる状態で面接触させるようにするとよい。そこで端面３ａと端面１１とを、その外形を同形にして、かつ接触する両面を鏡面仕上げに加工するとよい。
因みに、雄螺子８と雌螺子９との関係は逆の関係、すなわち雄螺子、雌螺子の位置関係を逆にしてもよいことはいうまでもない。
【００６６】
図１、図２に示す電気ごて１は、電磁誘導方式のヒーターを採用している。そのため電気ごて１の先端部７に設けられている固定部１０の左側には、その耐熱性が、例えば、４００℃以上である電線１３が、おおよそ２０ターン前後巻かれて電磁誘導コイル１４が形成されている。この電線１３は耐熱性電線であって、銅導体の表面を耐熱性に優れた絶縁被覆材であるガラス材やアルミナ材で覆って、その耐熱特性を４００℃以上に高めたものである。
また電磁誘導コイル１４と先端部７の表面との間には優れた耐熱性絶縁材であるガラス繊維やアルミナ製繊維を、例えば、テープまたは編組状にした耐熱性座床１４ａが形成されている。
さらに電磁誘導コイル１４上にはガラス、セラミックスあるいは酸化ベリリウム等からなる耐熱被覆層１４ｂが施され、電磁誘導コイル１４が電気ごて１の先端部７にしっかりと固定されるようになっている。
尚、これら耐熱性座床１４ａや耐熱被覆層１４ｂは必ずしも必要ではなく、省略することもできる。
【００６７】
図２に示すように、電磁誘導コイル１４により誘導加熱される電磁誘導コイル１４の内側に位置する先端部７は、本体１７が銅または酸化ベリリウムからなり、これに鉄メッキまたは鉄／ニッケルメッキからなる厚さ１００ｍμ程度の被覆層１８を施した構造になっている。
このようにした結果、誘導加熱により被覆層１８が励磁されてジュール熱を発生し、先端部７を効率的に高温化させることができる。また電磁誘導方式を採用したことにより、先端部７を小型化でき、それ故、先端部７全体の熱容量を小さくすることができる。その結果、短時間で先端部７を所定温度まで加熱できる利点もある。
また被覆層１８を設けたことにより、銅からなる本体１７がそのイオン化傾向の差によって、半田側の組成の１つである錫（Ｓｎ）に腐食されるのを効果的に防止することもできる。
【００６８】
さらに電気ごて１のより先端の部分、具体的には先端から２ｍｍくらいの位置には、内径が１．０ｍｍ以下の冷却媒体吐出口１５が設けられていて、この冷却媒体吐出口１５から外部に向かって、例えば、所定温度に加熱された、すなわち温度制御された、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス、あるいはミスト状にした水等を流し、電気ごて１のヒーター部分である先端部７を、後述する時間―温度制御の所定パターンに沿って精度よく冷却できるようになっている。
【００６９】
また先端部７の先端から、例えば、２ｍｍ以内の位置に、温度センサー１６も取り付けられている。このようにしておけば、溶融状態の鉛フリー半田に最も近接した位置で、溶融状態の半田温度を直接的に、あるいは溶融状態の鉛フリー半田に最も近い先端部７の温度を介して間接的に測定することが可能になる。
ここで温度センサー１６としては、後述するように、この温度センサー１６で測定した温度で、溶融状態の鉛フリー半田の冷却工程を時間―温度制御しようとしている。そこでこの制御をより精度よく行うためには、この温度センサー１６の時定数が小さいものほど好ましい。具体的には、時定数が０．１ｓｅｃ以下、より好ましく０．０１ｓｅｃ程度のものが好ましい。
因みに、通常用いられている市販の温度センサーの時定数は０．１ｓｅｃ以上のものが多い。
尚、図１、図２では、温度センサー１６に装着されている電線は、図を判り難くするため省略しているが、この電線は電磁誘導コイル１４への電力供給電線と共に外部に導かれ、その端部にコネクタ１４ｃが装着されている。
そして温度センサー１６が測定した温度に基づいて、前述した冷却媒体吐出口１５から流す冷却媒体の量やその温度を調整しながら、先端部７の先端の温度またはこの先端が接触する溶融状態の半田の温度を、超音波を加えながら時間―温度制御する。
【００７０】
また図１、図２において符号２１は、螺子４、押さえ部材５、圧電素子２、２、ホーン部材３及び電気ごて１の先端部７のほぼ軸心位置を貫通し、冷却媒体吐出口１５に連通する冷却媒体流路である。
また符号２２は、この冷却媒体流路２１に接続され、適温に制御された冷却ガス等の冷却媒体を冷却媒体流路２１に送り込む冷却媒体送出管である。図示されてはいないが、この冷却媒体送出管２２の端部には、冷却媒体を貯留するタンクがあり、かつこのタンクは加熱用のヒーターにより加熱され、かつ温度制御されて、内部の冷却媒体を所定温度に調整可能になっている。
また冷却媒体吐出口１５は、図では１個しか記載されていないが、例えば、一例として、先端部７の径方向に所定間隔で複数個放射線状に配置しておけば、電気ごて１の先端部７あるいは溶融状態の鉛フリー半田をより均一に、かつ迅速に冷却できるので好ましい。
【００７１】
図３は、図１、図２に示す本発明の電気ごて１において、溶融状態の鉛フリー半田の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御するための制御機構の一例を示すフローチャートである。
図３に示すように、前述した電気ごて１にあっては、電気ごて１のメインスイッチ２０を入れると、電気ごて１の先端部７に装着されている温度センサー１６からの信号が制御装置（ＣＰＵ）３０に入る。
さらにこの温度センサー１６の信号により、制御装置（ＣＰＵ）３０はヒーター部である電磁誘導コイル１４を制御する信号をヒーター制御部４０へ送る。またこれと連動してタンク内の冷却媒体を適温に加熱冷却するために冷却装置５０に温度制御信号を送ったり、電気ごて１の冷却媒体流路２１へ送り込む冷却媒体の流量を調整のために流量調整弁５１に弁の開閉度を指示する信号も送るようになっている。
【００７２】
さらに制御装置（ＣＰＵ）３０は、超音波発生源である圧電素子２、２で発生させる超音波の周波数、振幅等を適切に制御する超音波制御装置６０にも、使用する半田の組成等に対応して、その都度適正な周波数や振幅、発生時間Ｔｏｎあるいは停止時間Ｔｏｆｆを指示するようになっている。
尚、本発明にあっては、超音波発生源である圧電素子２、２に、発生した超音波を先端部７に伝えるホーン部材３、さらには前記超音波制御装置６０も含めて超音波発生装置ということにする。
【００７３】
具体的に説明すると、制御装置（ＣＰＵ）３０は、超音波制御装置６０を介して、圧電素子２、２により発生させる超音波の発生時間Ｔｏｎ、停止時間Ｔｏｆｆ、超音波のＴｒａｉｎ  Ｐｕｌｓｅの発生時間Ｔｔｏｎ、停止時間Ｔｔｏｆｆあるいは振幅Ｖ等を制御する。
ここでＴｒａｉｎ  Ｐｕｌｓｅとは、正負のパルスを連続的に発生させるのではなく、その間に停止時間Ｔｔｏｆｆを設けたパルスの発生方式ると発生する振動エネルギーの調整制度を向上させることができる。因みに、この調整は、例えば、配線基板に電子部品を接合する場合、配線基板側の接合部であるパッドに形成されている銅膜の厚さ等に応じて行われる。
尚、正負の各パルスを１個のパルスで構成するだけでなく、複数個のパルスで構成するようにしてもよい。
ところで本発明で用いる超音波の振動数は、２０ＫＨｚ〜６０ＫＨｚである。
【００７４】
また、電気ごて１の先端部７に設けられているヒーター部分、すなわち電磁誘導コイル１４に指示信号を出す場合には、ヒーター制御部４０を介して行い、負荷する電流の発生時間Ｔｏｎ、停止時間Ｔｏｆｆに加え電圧Ｖの大きさを指示する。
【００７５】
また冷却装置５０へは、図３において冷却装置５０が内蔵する冷却ガス貯蔵タンクにおけるヒーター温度、あるいは冷却媒体送出管２２、冷却媒体流路２１を介して冷却媒体吐出口１５から吐出する冷却媒体、例えば、冷却ガスの温度、量についての指示を出す。
尚、本発明にあっては、時間―温度制御装置という場合には、制御装置（ＣＰＵ）３０、ヒーター制御部４０そして冷却装置５０を含むものとする。
ところで符号７０は、例えば、制御装置（ＣＰＵ）３０に対して、使用する鉛フリー半田の種類に応じて、その制御条件を入力するために用いるＰＣ、すなわちパーソナルコンピューターである。
【００７６】
図４を用いて、具体的にどのような時間―温度制御を行うかを詳細に説明する。
図４は任意の鉛フリー半田を用い、かつ前述した本発明のろう付け装置の一実施形態例である電気ごて１を使用して、配線基板の如き装着物の接合部であるパッドに、被装着物である電子部品の接続端子を接合する場合の時間―温度制御の一例を示している。
図４に示すように、予めＰＣ７０を介して、使用する鉛フリー半田に関する制御条件を制御装置（ＣＰＵ）３０に入力しておく。その上で電気ごて１のメインスイッチ２０をオンにする。すると電気ごて１の先端に装着されている温度センサー１６の信号を拾いつつ制御装置（ＣＰＵ）３０は、電気ごて１の先端部７の時間―温度制御を開始する。
【００７７】
具体的には、図１、図２に示すように先端部７の電磁誘導コイル１４により先端部７を加熱し、電気ごて１の先端の温度を立ち上げる。ここでＴ２は用いた鉛フリー半田の凝固点を示す温度であり、Ｔ１は溶融温度、すなわち融点を示している。
加熱されて電気ごて１の先端温度が溶融温度Ｔ１より５０℃〜２００℃くらい高い、いわゆる動作温度Ｔｗを超えたら、制御装置（ＣＰＵ）３０の制御により電磁誘導コイル１４に流す電流や、冷却媒体吐出口１５から吐出する、例えば、ミスト状の水や窒素ガスのような冷却媒体の温度や量を冷却装置５０を介して制御しながら、電気ごて１の先端温度を動作温度Ｔｗに戻す。この状態を符号８０が示している。
電気ごて１の先端部７の温度が動作温度Ｔｗで安定した時点Ａで鉛フリー半田に電気ごて１の先端を接触させ、鉛フリー半田を加熱し、溶融させる。
【００７８】
電気ごて１の先端温度は、鉛フリー半田に熱を奪われるため一時的に下がるが、制御装置（ＣＰＵ）３０とヒーター制御部４０による制御により直ちに動作温度Ｔｗに戻される。この状態を時点Ｂが示している。この電気ごて１を操作している作業者が溶融状態の鉛フリー半田の様子を観ていて、自身の判断で時間ｔ１（ＢからＣまでの時間）を判断し、ヒーター（電磁誘導コイル１４）への電流をオフにする。すなわち、電気ごて１の先端部７の加熱を止める。これと同時に制御装置（ＣＰＵ）３０は、温度センサー１６から送られてくる温度の信号の監視を開始し、その温度がＴＷより低いＴＤになったら、直ちに超音波制御装置６０を介して圧電素子２、２に超音波の発振を促す。
【００７９】
そして溶融状態の鉛フリー半田が凝固点であるＴ２に達する少し前の温度ＴＥに達したら、超音波の発振を止めるように指示を出す。
発振を止める時点を、溶融状態にある鉛フリー半田が完全に凝固して固まるＦ（Ｔ２に対応）の時点の手前のＥ（温度ＴＥに対応）の時点にする理由は、単にＦの時点まで超音波を加え続けると、電気ごて１の先端部７が固化した半田にくっついてしまうので、これを防止するためである。
因みに、この温度ＴＥは、予め何度か実験を行い、超音波付加の効果を果たした上で、しかも電気ごて１の先端を固化した半田に確実にくっつけないで済む温度に決めておく。
【００８０】
ここで超音波発生源である圧電素子２、２に超音波の発振を促す温度ＴＤは鉛フリー半田の組成や、例えば、配線基板と電子部品の接合部に供給されている溶融状態の半田の量によって予め決められている温度である。具体的には、もし配線基板へパワー部品の如く接続端子が太く、それ故、接合部に供給する鉛フリー半田の量が多い場合には、同じ組成の鉛フリー半田で小さな電子部品を接合する場合に比して、より低いＴＤで超音波の発振を開始する。
【００８１】
本発明にあって、作業者がヒーターをオフにした時点Ｃから鉛フリー半田が凝固点、すなわち凝固温度Ｔ２に達するまでの時点Ｆまでの時間―温度の冷却曲線８１の制御が極めて重要である。
冷却曲線８１は、鉛フリー半田がその組成毎に有する最適な冷却曲線である。ここでいう最適な冷却曲線とは、接合部内にあって主成分ＳｎやＢｉ等の融点降下作用金属の析出が正常に行われ、偏析がなく結晶粒が微細で、分散が均一な状態で析出する冷却曲線をいうものとする。
【００８２】
鉛フリー半田の種類毎に異なる最適な冷却曲線８１は、予め鉛フリー半田の種類毎に、あるいは接合部に供給される半田の量に対応して実験し、得られているものとする。
それ故、実際の半田付けでは、用いる鉛フリー半田の組成等に基づいて決められた冷却曲線８１に沿って冷却が行われるように、温度センサー１６からの温度に基づいて、制御装置（ＣＰＵ）３０はヒーター制御部４０や冷却装置５０、あるいは超音波制御装置６０を制御しながら冷却を行う。
具体的には、冷却媒体吐出口１５から吐出させる不活性ガスの温度や量、さらにヒーターのスイッチのオン−オフ、圧電素子２のオンーオフを時間軸に沿って正確に制御する。
【００８３】
典型的な例で説明すると、図５において、実線で示す曲線Ｇが、現在使用している鉛フリー半田の最適な冷却曲線８１であると仮定した場合、その鉛フリー半田の自然冷却曲線がＸであれば、より冷却効果を高めて、すなわち冷却装置５０から供給する冷却媒体の温度をより低くして、あるいは冷却媒体の量を多くして電気ごて１の先端の冷却媒体吐出口１５に供給して、自然冷却よりもより速やかに冷却を行うように制御する。
逆に、用いている鉛フリー半田の自然冷却曲線がＹのようになっている場合には、例えば、その一例として、供給する冷却媒体の温度を少し高めにして、溶融状態の半田がより緩やかに固化するように制御する。
このように用いている鉛フリー半田の組成等に最適な冷却曲線８１に、実際の冷却曲線をより近付けるように冷却、制御する。
【００８４】
尚、時間帯Ｄ−Ｅ間では、電気ごて１の先端から溶融状態の鉛フリー半田に超音波を加えながら、前述した時間―温度制御が行われるが、この場合、使用している鉛フリー半田の組成や供給されている半田量等に応じて適正な周波数、振幅等を持つ超音波を供給できるように超音波制御装置６０は圧電素子２に加える条件を制御できるようになっている。
ここで、通常、超音波の周波数を制御するといっても、この電気ごて１が共振点を１つしか持っていない場合には、周波数制御は実質不可能である。そこで予め、先端部７の任意の箇所に凸凹、具体的には、溝や突起を形成して、この電気ごて１が複数個の共振点を持つように細工を施しておくとよい。あるいはまた電気ごて１の先端部７を異なる材質で形成したものを用意しておき、必要により先端部７を交換して使用できるようにしておいてもよい。
【００８５】
さらには、図１に示す実施形態例では、圧電素子２を一対のみ組み込んでいるが、これに別の周波数を発振する一対の圧電素子２と組にして一緒に組み込んでおき、適宜いずれかの対の圧電素子に切り替えながら、あるいは組み合わせて使うこともできる。ここでは前述した種々の適用形態を含めて共振周波数補正機能と呼ぶことにする。
このようにしておけば、先端部７の熱が超音波発生源である圧電素子２に伝わってその周波数特性を変化させてしまったような場合にも、容易にこの変化を補正することができ好ましい。
【００８６】
ところで一般的には、溶融状態の鉛フリー半田に超音波を加えると、その表面張力を低下させることができ、その結果、溶融状態の鉛フリー半田の流動性が増し、濡れ性の向上を図ることができる、といわれている。
また一説には、超音波は接合体表面の酸化被膜を破壊することで濡れ性を向上させている、ともいわれている。いずれにせよ超音波を加えることで接合面の濡れ性が向上し、特別にフラックスを用いずとも配線基板の如き装着物と、例えば、これに搭載する電子部品の如き被装着物との接合強度を向上させることができる。
本発明にあっては、フラックスは用いても用いなくともいずれでもよいが、前述したようにフラックスを用いずともろう付けが可能になると、接合部内にフラックスが残留する恐れがなくなり、この残留物により接合部が経時的に劣化する恐れを減少させることができる。その結果、接合部の長期信頼性をより高めることができる。またフラックスの気化による作業環境の悪化も防止することができる。
【００８７】
またこの冷却工程において、溶融状態の鉛フリー半田の周囲を壁等で囲んだり、覆ったりして外部と遮断すると、冷却ガスの如き冷却媒体による冷却がより効率的に、かつ精度よく行えるので好ましい。またこのようにすれば、高価な冷却ガスを使用する場合でも、その使用量を減少させることができ、この点でも好ましい。
以上のように溶融状態の鉛フリー半田の冷却工程にあって、超音波を加えると同時に時間―温度の制御を合わせて行うと、鉛フリー半田の主成分であるＳｎはもちろんのこと、Ｂｉの如き融点降下作用金属が添加されている場合には、この融点降下作用金属も含めて偏析を防止でき、これらの結晶粒が微細で、その分布も均一な接合部が得られる。
その結果、鉛フリー半田の接合に際して、接合強度が高く、ばらつきも少なく、長期に亘って信頼性の高い接合部を得ることができる。
【００８８】
本発明によるろう付け方法と特許文献１に開示されているろう付け方法との相違を確認すべく、典型的な鉛フリー半田であるＳｎ−３．５Ａｇを用いて配線基板に電子部品を半田付けした。その際得られた接合部の断面を電子顕微鏡で観察したところ両者には下記のような相違があった。
すなわち、本発明の方法と特許文献１に開示されている方法とも、配線基板の銅パッド
と半田との間に形成されている合金層は共に十分であまり相違を見出すことはできなかったが、固化している半田層内のＳｎの結晶粒の大きさ及び分布に明確な差が見られた。
具体的には、本発明の方法によるものでは、Ｓｎの結晶粒の大きさが特許文献１に記載された方法で得られたものよりも明らかに小さく、その偏析も少なかった。すなわち、本発明の方法で得られた接合部の方が、Ｓｎの結晶粒の大きさが小さく、その分布も格段に均一であった。
その結果、接続強度も本発明の方がより高く、かつそのばらつきも小さかった。
【００８９】
ところで図１において、ホーン部材３を断熱性に優れた、例えば、チタン、ステンレス、ガラスまたは磁器あるいはこれらの組み合わせからなるもので形成すると、電気ごて１の先端部７の熱が超音波発生源である圧電素子２、２に対して、より影響を及ぼし難くなって、超音波への熱的影響をより確実に排除できる。
あるいは、この種の断熱性材料をホーン部材３の軸方向の一部、具体的にはホーン材３の両端部あるいは軸方向の任意の位置に介在させても同様な効果が得られる。
具体的には、ホーン部材３を、例えば、図１において左側の端面３ａに近い方の位置でホーン部材３の軸に対して垂直に切り、切った位置に、例えば、チタン、ステンレス、ガラスまたは磁器等からなる適切な厚さの断熱部材を介在させればよい。
この場合、介在させる断熱部材の形状及びサイズは、これと接触するホーン部材３の接触面のそれと同形、同サイズで、かつ断熱部材、ホーン部材３の各接触面は鏡面に仕上げられ、密着させることが好ましい。このように断熱部材を介在させると、電磁誘導コイル１４の熱による超音波発生源への影響を最小限に抑えることができる。
【００９０】
また前述した本発明のろう付け方法では、電気ごてを使用した実施形態例のみ示しているが、例えば、リフロー炉にこの発明のろう付け方法を適用することもできる。
また前述したろう付け装置として、誘導加熱方式を採用した電気ごてのみ示したが、例えば、先端部７の内部に通常のヒーターを抱いた電気ごてであってもよいことはいうまでもない。
また前記実施形態例では、溶融状態の半田の温度を電気ごて１の先端部に装着した温度センサー１６で直接あるいは間接的に測定した温度を用いて前記溶融状態の半田の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御しているが、これとは別に赤外線温度センサー等を用いて、溶融状態の半田の表面温度を測定して、この温度で冷却工程の時間―温度制御を行うこともできる。
【００９１】
さらに、前記実施形態例では、電気ごて１の先端部７として、銅製の本体部１２に磁性体である鉄メッキのような被覆層１８を施して形成しているが、例えば、厚さが０．１ｍｍ以上の鉄製あるいは鉄／ニッケル合金製で、外形が図１、図２に示すように砲弾状で、かつ図１、図２のものとは相違して、その内部が空洞の、いわゆる容器状の部材でこの先端部７を形成しても、電線１３を巻いて形成した電磁誘導コイル１４により励起され、電気ごてとして必要、十分な発熱をもたらすこともできる。
また、電線１３の導体として銅導体の実施形態例のみ示しているが、これをニクロム線で形成することもできる。この場合、自身が発生するジュール熱で電気ごて１の先端部７を常に予熱状態に保持できる利点がある。
【００９２】
また、前記実施形態例では述べていないが、本発明を、例えば、配線基板とこれに搭載する電子部品の半田付けに適用する場合に、配線基板の周囲を壁材で覆うか、あるいは配線基板上の実際に搭載する電子部品の周囲のみを壁材で覆って作業を行えば、溶融状態のろう材の時間―温度の制御をより迅速に精度よく行うことができ、また同時に冷却範囲が狭くなる分冷却媒体の使用量も少なくて済む、という効果が得られる。
【００９３】
以上に述べたように、本発明によれば、鉛フリー半田を用いても、例えば、配線基板の如き装着物と、これに搭載する電子部品の如き被装着物との間の接合強度が高くでき、しかもその接合強度の経時的変化が少なく、長期的に信頼性の高いろう付け方法及びこのろう付け方法を採用したろう付け装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明のろう付け装置の一実施形態例を示す電気ごての要部を示す一部断面概略正面図である。
【図２】図１に示す電気ごての先端部の一部断面拡大図である。
【図３】図１に示す電気ごてを用いて行う溶融状態の鉛フリー半田の冷却工程を超音波を加えながら時間―温度制御するための一実施形態例を示すフローチャートである。
【図４】任意の鉛フリー半田を用い、かつ図１、図２に示す電気ごてを使用して、しかも超音波を加えながら配線基板に電子部品を接合する場合の時間―温度制御の一実施形態例を示すフローチャートである。
【図５】任意の鉛フリー半田における最適冷却曲線と自然冷却曲線の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９５】
１  電気ごて
２  圧電素子
３  ホーン部材
７  先端部
１３  電線
１４  電磁誘導コイル
１５  冷却媒体吐出口
１６  温度センサー
１７  本体
１８  被覆層
２０  メインスイッチ
２１  冷却媒体流路
２２  冷却媒体送出管
３０  制御装置（ＣＰＵ）
４０  ヒーター制御部
５０  冷却装置
６０  超音波制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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