(57)【要約】      （修正有）【課題】半田粉末による半田付けを最適化する。【解決手段】半田粉末とバインダとを含むソルダペーストを介して基板に電子部品を半田付けするためのフラックスレス連続リフロー炉である。基板７は、ほぼ大気圧状態の第１、第２予備加熱ゾーン2A,2Bを通って本加熱ゾーン3に送られる。本加熱ゾーン3は密閉室5を有し、この密閉室5で加熱処理される。密閉室5は減圧手段に通じており、密閉室5内をほぼ真空状態まで減圧することができる。密閉室5は、基板７を受け入れるとほぼ真空状態になるまで減圧される。次いで、不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）をキャリアガスとしてギ酸（HCOOH）が密閉室5内に充填される。これにより密閉室5内の圧力は７０ＫＰａまで一気に上昇する。【選択図】図１
2015082630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半田粉末とバインダとを含むソルダペーストを介して基板に電子部品を半田付けする方法であって、
前記半田粉末が溶融する温度よりも低く且つ前記バインダが気化する温度以上の高い温度で前記電子部品を搭載した基板を加熱する予備加熱工程と、
該予備加熱工程に続いて、密閉室において前記電子部品と前記基板との間のガスを取り除くために真空引きするガス抜き工程と、
該ガス抜き工程の次に、前記密閉室に還元剤と不活性雰囲気ガスとを導入して該密閉室の圧力を上昇させて、前記電子部品と前記基板との間に前記還元剤を侵入させる還元ガス侵入工程と、
前記還元ガス侵入工程に続いて、前記密閉室において、前記半田粉末が溶融する温度まで該半田粉末を加熱する半田付け工程とを有することを特徴とする粉末半田を使った半田付け方法。
【請求項２】
前記半田付け方法がフラックスレス連続リフロー炉で行われ、
該フラックスレス連続リフロー炉が、大気圧状態の予備加熱ゾーンと、前記密閉室を備えた本加熱ゾーンとを有し、
前記予備加熱ゾーンで前記予備加熱工程が実行される、請求項１に記載の半田付け方法。
【請求項３】
前記還元剤がギ酸であり、
該ギ酸が前記不活性雰囲気ガスと一緒に前記密閉室に導入される、請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項４】
前記還元ガス侵入工程において、前記還元剤と前記不活性雰囲気ガスとを前記密閉室に導入したときの該密閉室の圧力が２５ＫＰａ〜１１０ＫＰａである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半田付け方法。
【請求項５】
半田粉末とバインダとを含むソルダペーストを介して基板に電子部品を半田付けするためのフラックスレス連続リフロー炉であって、前記基板を予備的に加熱する予備加熱ゾーン及びこれに続く本加熱ゾーンを有するフラックスレス連続リフロー炉において、
前記予備加熱ゾーンが大気圧状態であり、該予備加熱ゾーンでは、半田粉末が溶融しない温度であって前記ソルダペーストのバインダが気化する温度に設定され、
該本加熱ゾーンは、開放状態と密閉状態とをとることのできる密閉室を有し、
該密閉室が、該密閉室を真空引きする減圧手段に接続され、
該密閉室には、該密閉室に通じる供給口を通じて還元剤と不活性雰囲気ガスが供給可能であり、
前記密閉室に前記基板を受け取った後に該密閉室を真空引きし、次いで、該密閉室に前記還元剤を供給すると共に該還元剤と一緒又は該還元剤よりも前又は該還元剤よりも後に前記不活性雰囲気ガスを前記密閉室に供給して該密閉室の圧力を上昇させ、
該密閉室において前記半田粉末を加熱することを特徴とするフラックスレス連続リフロー炉。
【請求項６】
前記密閉室に、前記還元剤が前記不活性雰囲気ガスと一緒に供給される、請求項５に記載のフラックスレス連続リフロー炉。
【請求項７】
前記還元剤がギ酸である、請求項５又は６に記載のフラックスレス連続リフロー炉。
【請求項８】
前記密閉室内にヒータが設置され、
該密閉室内で前記不活性雰囲気ガスが循環される、請求項５〜７のいずれか一項に記載のフラックスレス連続リフロー炉。
【請求項９】
前記還元ガス侵入工程において、前記還元剤と前記不活性雰囲気ガスとを前記密閉室に導入したときの該密閉室の圧力が２５ＫＰａ〜１１０ＫＰａである、請求項５〜８のいずれか一項に記載のフラックスレス連続リフロー炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末半田を使った半田付け方法及びフラックスレス連続リフロー炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時の高密度実装基板に対応するために、リフロー半田付けの後にフラックス残渣が残らないソルダペーストの開発が進んでいる。特許文献１は、粉末半田と、沸点が粉末半田の固相線と液相線との間にある多価アルコールからなるバインダとを混合したソルダペースト（「クリーム半田」とも呼ばれている）を開示している。このソルダペーストは還元雰囲気でリフローされる。
【０００３】
特許文献２は、粉末半田と、有機多価ヒドロキシ化合物（蒸発温度が１７０℃以上）とを混合したソルダペーストを開示している。
【０００４】
特許文献３は、ロジンを含有していないフラックスであってリフロー温度で蒸発する少なくとも１種類の固体溶剤と、常温で高粘性流体であり且つリフロー温度で蒸発する少なくとも１種類の高粘性溶剤と、常温で液体であり且つリフロー温度で蒸発する少なくとも１種類の液体溶剤と、粉末半田とを混合したソルダペーストを開示している。
【０００５】
この種のソルダペーストを使った半田付けに適したリフロー炉が提案されている（例えば特許文献４）。このリフロー炉は、フラックスの代わりにギ酸の還元力を利用して金属表面の酸化皮膜を除去する構成が採用され、業界では、「フラックスレスリフロー炉」と呼ばれている。このフラックスレスリフロー炉では、ギ酸の代わりに水素ガスを還元剤として使用するタイプも存在している（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２５２９１号公報
【特許文献２】特開平９−９４６９１号公報
【特許文献３】特開２００４−２５３０５号公報
【特許文献４】特開２００７−１２５５７８号公報
【特許文献５】特開２００４−１１１６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図６は、従来のフラックスレスリフロー炉の典型的な制御例を示す。図示のフラックスレスリフロー炉は連続式であり、その長手方向の一端に入り口を有し、他端に出口を有する。入り口から入った基板はリフロー炉の中を間欠的に移動しながら予備加熱ゾーンを通過した後に本加熱ゾーンに入り、この本加熱ゾーンで半田付けが実行される。次いで、冷却ゾーンで冷やされた後に出口から出る。
【０００８】
従来のフラックスレス連続リフロー炉は、第１予備加熱ゾーンに入る前に減圧される。また、従来のフラックスレス連続リフロー炉は、第１予備加熱ゾーンの入り口の近傍にガス供給口を有し、このガス供給口からギ酸が第１予備加熱ゾーンに注入される。典型的にはフラックスレス連続リフロー炉の、第１、第２の予備加熱ゾーン及び本加熱ゾーン、そして冷却ゾーンは窒素ガスで満たされて、ほぼ大気圧状態が維持される。
【０００９】
ギ酸は１５０℃から還元力を発揮することが知られていることから、第１及び第２予備加熱ゾーンでギ酸は還元力を発揮すると共にソルダペーストに含まれる溶剤（バインダ）が気化する。そして、本加熱ゾーンの加熱温度は、粉末半田が溶融する温度に設定されていることから、この本加熱ゾーンで半田付けが行われる。
【００１０】
本発明の目的は、半田粉末による半田付けを最適化することのできる半田付け方法及びフラックスレス連続リフロー炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の技術的課題は、本発明の第１の観点によれば、
半田粉末とバインダとを含むソルダペーストを介して基板に電子部品を半田付けする方法であって、
前記半田粉末が溶融する温度よりも低く且つ前記バインダが気化する温度以上の高い温度で前記電子部品を搭載した基板を加熱する予備加熱工程と、
該予備加熱工程に続いて、密閉室において前記電子部品と前記基板との間のガスを取り除くために真空引きするガス抜き工程と、
該ガス抜き工程の次に、前記密閉室に還元剤と不活性雰囲気ガスとを導入して該密閉室の圧力を上昇させて、前記電子部品と前記基板との間に前記還元剤を侵入させる還元ガス侵入工程と、
前記還元ガス侵入工程に続いて、前記密閉室において、前記半田粉末が溶融する温度まで該半田粉末を加熱する半田付け工程とを有することを特徴とする粉末半田を使った半田付け方法を提供することにより達成される。
【００１２】
上記の技術的課題は、本発明の第２の観点によれば、
半田粉末とバインダとを含むソルダペーストを介して基板に電子部品を半田付けするためのフラックスレス連続リフロー炉であって、前記基板を予備的に加熱する予備加熱ゾーン及びこれに続く本加熱ゾーンを有するフラックスレス連続リフロー炉において、
前記予備加熱ゾーンが大気圧状態であり、該予備加熱ゾーンでは、半田粉末が溶融しない温度であって前記ソルダペーストのバインダが気化する温度に設定され、
該本加熱ゾーンは、開放状態と密閉状態とをとることのできる密閉室を有し、
該密閉室が、該密閉室を真空引きする減圧手段に接続され、
該密閉室には、該密閉室に通じる供給口を通じて還元剤と不活性雰囲気ガスが供給可能であり、
前記密閉室に前記基板を受け取った後に該密閉室を真空引きし、次いで、該密閉室に前記還元剤を供給すると共に該還元剤と一緒又は該還元剤よりも前又は該還元剤よりも後に前記不活性雰囲気ガスを前記密閉室に供給して該密閉室の圧力を上昇させ、
該密閉室において前記半田粉末を加熱することを特徴とするフラックスレス連続リフロー炉を提供することにより達成される。
【００１３】
本発明の他の目的及び本発明の作用効果は、次に説明する本発明の好ましい実施形態の詳しい説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例の連続式フラックスレスリフロー炉の概略構成図である。
【図２】図１に図示のリフロー炉での各ゾーン及び密閉室の圧力状態及び温度状態を説明するための図である。
【図３】図１に図示のリフロー炉での各ゾーン及び密閉室の圧力状態及び温度状態の変形例を説明するための図である。
【図４】予備加熱工程での処理の作用説明図である。
【図５】密閉室での処理の作用説明図である。
【図６】従来のフラックスレス連続リフロー炉での各ゾーン及び密閉室の圧力状態及び温度状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１５】
以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。
【００１６】
図１は実施例のフラックスレスリフロー炉１を示す。図示のフラックスレスリフロー炉１は連続式リフロー炉である。フラックスレスリフロー炉１は、図１に示されているように、ワーク搬送方向に区画された直列に並んだ複数のゾーンを有する。以下の説明では、フラックスレスリフロー炉１を「リフロー炉」又は「炉」と呼ぶ。具体的には、リフロー炉１は、ワーク搬送方向に順に、図面右側に位置する第１、第２の２つの予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂと、図面中央に位置する本加熱ゾーン３と、図面左側に位置する１つの冷却ゾーン４を有する。本加熱ゾーン３は、その内部に密閉室５を有している。
【００１７】
参照符号６は、各室を仕切る仕切壁である。リフロー炉１内の各ゾーン２Ａ、２Ｂ、３、４では、雰囲気ガスとして、半田の酸化を防止するために不活性ガス（本実施形態では窒素ガス）が循環される。
【００１８】
プリント配線基板７（以下、単に「基板」という。）は、リフロー炉１内を間欠的に搬送される。この基板７には半田粉末、溶剤（バインダ）を含むソルダペーストを介して電子部品が搭載されている。第１、第２の予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂ、本加熱ゾーン３、冷却ゾーン４に順次送り込まれた基板７は、各ゾーンで所定時間、滞在する。
【００１９】
本加熱ゾーン３の密閉室５は上下に分割された上側筐体５Ａと下側筐体５Ｂとを有する。下側筐体５Ｂは本加熱ゾーン３に固定されている。他方、上側筐体５Ａはアクチュエータ、具体的にはシリンダ装置（図示せず）によって上下に移動可能である。
【００２０】
密閉室５は、上側筐体５Ａが下降して下側筐体５Ｂに密接する密閉状態と、上側筐体５Ａが上昇した開放状態の２つの状態をとることができる。密閉室５は、上側筐体５Ａが上昇した開放状態で、密閉室５に対する基板７の出し入れが行われる。第２予備加熱ゾーン２Ｂから密閉室５に基板７が送り込まれると、上側筐体５Ａが下降して密閉室５は密閉状態になる。そして、この密閉室５での処理が完了すると、上側筐体５Ａが上昇して密閉室５は開放状態となり、この密閉室５内で処理された基板７が密閉室５から取り出される。密閉室５から取り出された基板７は、次の冷却ゾーン４に搬送される。
【００２１】
冷却ゾーン４では、冷却装置８により基板７が一定時間冷却されて、これにより半田が固化される。基板７はその後、冷却ゾーン４から炉１の出口１２を通って外部に搬出される。
【００２２】
リフロー炉１内での加熱について、再度、説明すると、基板７は炉１の入口１１から、先ず、最初の第１予備加熱ゾーン２Ａに搬送される。この第１の予備加熱ゾーン２Ａでは、ヒータ１４で加熱された不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）が循環されており、この不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）によって一定時間、基板７が加熱される。
【００２３】
基板７は、次に第２予備加熱ゾーン２Ｂに送られ、この第２の予備加熱ゾーン２Ｂでも、ヒータ１５で加熱された不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）が循環されており、この不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）によって一定時間加熱される。勿論、第１、第２の予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂでの加熱方法として、熱風（不活性雰囲気ガス）による加熱方法に限られず、遠赤外線加熱（輻射熱）や熱プレート（伝導）よる加熱方法又はこれらの組み合わせによる加熱方法を採用してもよい。
【００２４】
基板７は次に、本加熱ゾーン３に送られる。この本加熱ゾーン３はヒータ１６で加熱された不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）が循環されている。また、密閉室５にもヒータ１７が配置され、このヒータ１７によって加熱された不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）が密閉室５で循環される。密閉室５に収容された基板７の半田粉末は、この密閉室５の中で溶融状態になる。勿論、密閉室５での加熱方法として、熱風（不活性雰囲気ガス）による加熱方法に限られず、遠赤外線加熱（輻射熱）や熱プレート（伝導）よる加熱方法又はこれらの組み合わせによる加熱方法を採用してもよい。
【００２５】
密閉室５は、この密閉室５内の圧力を下げるために減圧手段（この実施例では真空源）に通じており、密閉室５内をほぼ真空状態まで減圧することができる。また、密閉室５はガス供給口１８を有し、このガス供給口１８を通じて、不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）をキャリアガスとして還元剤であるギ酸を密閉室５内に供給することができる。
【００２６】
図２は、リフロー炉１の温度プロファイル及び炉１内の第１、第２の予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂ、密閉室５、冷却ゾーン４の圧力制御を説明するための図である。リフロー炉１の入口１１から第２予備加熱ゾーン２Ｂまでほぼ大気圧状態が維持される。
【００２７】
密閉室５は、基板７を受け入れて密閉状態になると減圧され、ほぼ真空状態になる。また、密閉室５内のヒータ１７がＯＮされる。この真空状態を生成した直後又は真空状態を例えば数秒乃至数分間、継続した後に、不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）をキャリアガスとしてギ酸（HCOOH）が密閉室５内に充填される。これにより、密閉室５内の圧力はこの実施例では７０ＫＰａまで一気に上昇する。この不活性雰囲気ガスは、基板７と電子部品２２との間に介在する半田粉末２４を加熱するための熱媒体として機能する。したがって、密閉室５に充填する不活性雰囲気ガスの量は、経済性を念頭に置いて不活性雰囲気ガスが熱媒体として機能するのに足りる量が設定される。これを密閉室５の圧力状態で説明すれば、好ましくは２５ＫＰａ〜１１０ＫＰａである。密閉室５の圧力状態を大気圧（１００ＫＰａ）よりも低圧（負圧）にするのが不活性雰囲気ガスやギ酸（還元ガス）の外部への漏れを抑制し易い。「負圧」の具体例としては、６０ＫＰａ〜９０ＫＰａ、好ましくは６５〜８５ＫＰａである。勿論、密閉室５の圧力状態を大気圧（１００ＫＰａ）又は大気圧よりも高圧（正圧）にすることで、半田粉末の間に還元ガスが入り込み易くなる。
【００２８】
上記の処理により、先ず、密閉室５をほぼ真空状態まで減圧することにより、大気圧状態の予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂでガス化した溶剤（バインダ）が電子部品２２と基板７との間から強制的に吸い出され、この電子部品２２と基板７との間は負圧状態になる。次いで、密閉室５内に不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）をキャリアガスとしたギ酸（HCOOH）が導入され、これにより密閉室５内の圧力が大気圧に近い圧力状態まで急上昇することにより、電子部品２２と基板７との間にギ酸（HCOOH）が吸い込まれる。つまり、密閉室５を先ず真空状態まで減圧し、次に、ギ酸を密閉室５に導入すると共に不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）で密閉室５の圧力を急上昇させることで、予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂでガス化した溶剤（バインダ）が密閉室５においてギ酸に強制的に置換される。
【００２９】
密閉室５を減圧した後の操作の変形例として、先ず、不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）を密閉室５に導入し、次いで、気化したギ酸を密閉室５に導入するようにしてもよい。他の変形例として、先ず、気化したギ酸を密閉室５に導入し、次いで不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）を密閉室５に導入してもよい。
【００３０】
密閉室５は不活性雰囲気ガスが循環しており、そして、この不活性雰囲気ガスの温度が、半田が溶融する温度に設定されている。この温度は１５０℃以上であることから、密閉室５に充填したギ酸は直ちに還元力を発揮する。
【００３１】
上述した還元剤としてギ酸（HCOOH）を用いたウェットケミカル還元方式に代えて、還元ガスである水素ガス（Ｈ2）を用いたガス還元方式を採用してもよい。
【００３２】
不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）を密閉室５内に供給して密閉室５内の圧力を大気圧に近い７０ＫＰａまで急上昇させることで、ソルダペースト中のガス化した溶剤（バインダ）はギ酸に強制的に置換される。勿論、加熱した不活性雰囲気ガスによって密閉室５の中で半田粉末も加熱され、半田粉末は溶融する。
【００３３】
図３を参照して、密閉室５の上記の制御の変形例を説明すると、密閉室５での加熱によって半田粉末が溶け出した後に第２回目の減圧を行って密閉室５を再び真空状態にしてもよい。この第２回目の減圧によって半田のボイドの発生を抑制することができる。この第２回目の減圧を行ったら、次に再び不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）を密閉室５内に供給するのがよい。この不活性雰囲気ガスは密閉室５の中で循環される。
【００３４】
図４は半田粉末による半田付けの準備工程を説明するための図である。図４の(I)は、ソルダペースト２０を介して電子部品２２を搭載した基板７を示す。ソルダペースト２０は半田粉末２４と溶剤（バインダ）２６とを含む。図４の(II)は、溶剤（バインダ）２６を気化させる工程を示す。気化した溶剤(バインダ)をドットで図示すると共に参照符号２６Ｇで示してある。この図４の(II)の状態つまり溶剤２６の気化は第１、第２の予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂで発生する。
【００３５】
予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂでの予備加熱によってガス化した溶剤２６Ｇを電子部品２２と基板７との間から強制的に除去するために、上述したように密閉室５を先ず真空状態まで減圧するガス抜き工程が実行される。次いで、ギ酸と共に又はギ酸よりも前に又はギ酸よりも後に不活性雰囲気ガスを密閉室５の中に充填することにより、密閉室５内の圧力を一気に、この実施例では例えば７０ＫＰａまで上昇することにより電子部品２２と基板７との間に還元剤（この実施例ではギ酸）が流入する還元ガス侵入工程が実行される。この還元ガス侵入工程はギ酸が還元作用を行う温度以上の温度で実行される。次いで、密閉室５の中で、電子部品２２と基板７との間に存在する半田粉末２４が溶融する温度で当該半田粉末２４を加熱する半田付け工程が実行される。
【００３６】
すなわち、予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂで溶剤（バインダ）２６を気化させ、そして、半田粉末２４が溶融する温度で加熱する密閉室５を真空引きすることで、半田粉末２４が溶け出す前に、基板７と電子部品２２との間から気化した溶剤（バインダ）２６Ｇを強制的に抜き去る。これにより、基板７と電子部品２２との間に存在する半田粉末２４の間のガス化した溶剤（バインダ）２６Ｇが除去され、半田粉末２４の間に空所２８（図５の(II)）が生成される。次いで、密閉室５にギ酸３０を充填すると共に不活性雰囲ガスを導入して密閉室５の圧力を大気圧に近い圧力状態まで急上昇させることで、上記の負圧の空所２８にギ酸３０が一気に侵入する。すなわち、予備加熱ゾーン２Ａ、２Ｂでガス化した溶剤（バインダ）２６Ｇがギ酸によって強制的に置換される。そして、半田粉末２４が溶け出す。
【００３７】
図５は、密閉室５での処理を説明するための図である。前述したように、密閉室５は、基板７を受け入れると直ちにほぼ真空状態になるまで減圧される。このときの状態を図５の(I)、(II)に示す。前述した図４(II)に図示の溶剤ガス２６Ｇが、密閉室５を真空状態まで減圧することで、基板７と電子部品２２との間から抜き取られる（図５の(I)）。その結果、基板７と電子部品２２との間に残留する半田粉末２４の間が空所２８（真空状態）になる（図５の(II)）。
【００３８】
次いで密閉室５にギ酸３０を充填し、また、これと同時又はその前又はその後で不活性雰囲気ガス（Ｎ2ガス）を密閉室５に充填すると、密閉室５内の圧力が７０ＫＰａに急上昇し、密閉室５内に充填されたギ酸３０が、半田粉末２４の間の真空状態の空所２８に一気に侵入する（図５の(III)、(IV)）。空所２８に侵入したギ酸３０は直ちに還元力を発揮することになる。次いで、半田粉末２４が溶け始める。
【００３９】
図５を参照した以上の説明から、ギ酸による還元作用を必要とする要所が強制的にギ酸で置換されることが理解できるであろう。これにより半田粉末による半田付けを最適化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、上記実施例で説明した連続式のリフロー炉に限定されずバッチ式のリフロー炉にも適用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  フラックスレスリフロー炉
２Ａ  第１の予備加熱ゾーン
２Ｂ  第２の予備加熱ゾーン
３  本加熱ゾーン
５  密閉室
７  プリント配線基板
１７  密閉室内に配置したヒータ
１８  ガス供給口（窒素ガス、ギ酸を密閉室に供給）
２０  ソルダペースト
２２  電子部品
２４  半田粉末
２６  溶剤（バインダ）
２６Ｇ  予備加熱工程でガス化した溶剤（バインダ）
３０  ギ酸
【図１】
2015082630.tif 000003
【図２】
2015082630.tif 000004
【図３】
2015082630.tif 000005
【図４】
2015082630.tif 000006
【図５】
2015082630.tif 000007
【図６】
2015082630.tif 000008