(57)【要約】【課題】加熱装置を用いて鉛フリーはんだで電子部品をプリント配線板に実装する際、大気リフロー方式で行ってもはんだボールの発生を防止する鉛フリーはんだのはんだ付け方法とその方法により電子部品がつけられたプリント基板を提供することを目的とする。【解決手段】プリヒート部の温度を１７０℃以下でありその時間を１００秒以下とする温度プロファイルではんだ付けを行うことを特徴とするはんだ付け方法であって、この方法によりはんだボールの発生を防ぎ、フラックス残渣による絶縁不良のないプリント基板を製造する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛フリーはんだを用いたプリント配線板に加熱装置を用いて電子部品をはんだ付けする方法であって、前記加熱装置によって加熱される前記プリント配線板の温度プロファイルにおいて、プリヒート部の温度が１７０℃以下かつ時間が１００秒以下であることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
請求項１記載のはんだ付け方法で電子部品がはんだ付けされたプリント配線板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント配線板上に印刷されたはんだペーストに熱を加えて、各種電子部品をこのプリント配線板にはんだ付けする方法とそのプリント配線板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型軽量化に伴い、この電子機器を制御するプリント配線板も小型化が求められ、またプリント配線板に実装する電子部品も挿入型から表面実装型に、そして、プリント配線板の両面に表面実装型部品を実装し、高密度実装化が進んでいる。
【０００３】
従来の錫鉛系はんだペースト（錫鉛を主成分とする合金粉末とロジンや活性剤や溶剤からなるフラックスを混練したペースト状のはんだ）を用いてプリント配線板に電子部品をはんだ付けする方法は、プリント配線板のはんだ付けするランド部にはんだペーストを金属製のメタルマスク等を用いて塗布し、その上に電子部品を装着し、プリント配線板の大きさや電子部品の種類に応じて設定された温度プロファイルを有する加熱装置によりプリント配線板を加熱し、はんだを溶融固化し機械的および電気的に電子部品とプリント配線板を接続している。
【０００４】
温度プロファイルは、電子部品の温度が均一に上昇するために、はんだの融点以下で均一に保つプリヒート部と、はんだの融点以上に加熱するリフロー部からなり、加熱装置の温度設定とプリント配線板の搬送速度によりこの温度プロファイルを制御していた。例えば、温度プロファイルは、プリヒート部が１２０〜１５０℃で８０秒以上、リフロー部が２００〜２２０℃で２５〜４０秒以内となるように加熱装置を制御していた。（例えば、特許文献１参照）
また、昨今の地球環境問題に対応するために、はんだの種類も錫鉛合金から鉛を含まない、所謂鉛フリーはんだ（例えば、錫銀銅合金）ではんだ付けされており、はんだ合金の融点が錫鉛より高くなるために、温度プロファイルのプリヒート部は、温度を高く時間を長くし、または、フラックスの性能劣化を防止するために２回に分けてプリヒートを行いはんだ付けを行っている。例えば、温度プロファイルは、１回目のプリヒート部は１４０〜１５０℃で２０〜６０秒で２回目のプリヒート部は１８０〜２００℃で時間４０〜８０秒になるように加熱装置を制御していた（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２９６５７号公報（第２図）
【特許文献２】
特開２００２−１７８１４０号公報（第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のはんだ付け方法の温度プロファイルで、鉛フリーはんだとして錫亜鉛系はんだペーストを用いて大気中でプリント配線板を加熱しはんだ付けを行うと、固化したはんだの表面及びまわりにはんだ粉末が未溶融であるはんだボールが発生し、また、電子部品とプリント配線板のランドとの接合強度が低い接続となり、品質信頼性の低いはんだ付けとなる問題を有していた。
【０００７】
はんだボールは、亜鉛が活性金属であるために発生し、プリヒート部ではんだ合金の表面に酸化膜が形成され、リフロー部でフラックスにより酸化膜を除去できなかったはんだ粉末がはんだボールとなる。その解決策として、酸化膜を除去するためにはんだペースト中のフラックスの活性力を高くすればよいが、はんだ付け後にプリント配線板のランド周辺部に活性力があるフラックスが残渣となるために絶縁抵抗の低下やはんだ合金の劣化等引き起こし接続信頼性が低くなるという問題点を有していた。
【０００８】
また別の解決策として、加熱を不活性ガス雰囲気中、例えば窒素ガスを充填し酸素濃度を１０００ｐｐｍ以下で行い、はんだ粉末の表面の酸化を防止してはんだ付けを行えばよいが、不活性ガス雰囲気で加熱をするためには特殊な加熱装置及びガス発生装置が必要であり、コストがかかるという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、鉛フリーはんだペーストを用いて、大気中での加熱方法ではんだボールの発生しない品質信頼性の高いはんだ付け方法を提供することを目的としてなされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明は、まずはんだボール発生の主原因は、加熱装置内のプリヒート部ではんだ粉末の表面が酸化され、はんだペーストに添加している活性剤で酸化膜を除去できないために、はんだ付け後プリント配線板のランドにはんだボールが発生することであると判断し、それに対してはんだペースト中の活性力を高くしてはんだ粉末表面の酸化膜を除去するのではなく、プリヒート部でのはんだ粉末の酸化を防止する加熱装置の温度プロファイルを形成することで、はんだボールの発生を防止するものである。
【００１１】
本発明は、鉛フリーはんだを用いたプリント配線板に加熱装置を用いて電子部品をはんだ付けする方法であって、加熱装置によって加熱されるプリント配線板の温度プロファイルのプリヒート部の温度が１７０℃以下で時間が１００秒以下のはんだ付け方法である。
【００１２】
本発明によれば、鉛フリーはんだのはんだ付けにおいて、はんだペースト中のフラックスの活性力を高めずに、窒素中ではなく大気雰囲気で、はんだボールの発生がない接続信頼性の高いプリント配線板を提供することが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、鉛フリーはんだを用いたプリント配線板に加熱装置を用いて電子部品をはんだ付けする方法であって、加熱装置によって加熱されるプリント配線板の温度プロファイルのプリヒート部の温度が１７０℃以下で時間が１００秒以下であることを特徴とするはんだ付け方法であり、加熱装置の温度プロファイルのプリヒート温度が低く時間を短くすることにより、錫亜鉛系を主成分とする比較的コストの安い鉛フリーはんだを用いて、大気中でのはんだ付けでもはんだボールが発生せず、電子部品との接合強度の高いはんだ付けを実現する効果を有している。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施の形態例を示す加熱装置により加熱されたはんだ付け部の温度プロファイルの図である。図１において、加熱装置により加熱されたはんだ付け部の温度プロファイルはプリヒート部とリフロー部からなり、プリヒート部ではプリント配線板に実装する電子部品のはんだ付け部のリフロー部での最高温度のばらつきを小さくするために均一に保ち、リフロー部ではんだを融点以上に加熱する。プリヒート部は温度が１７０℃以下で時間が１００秒以下で形成し、リフロー部ははんだを融点以上、例えば、錫亜鉛系はんだでは２１０℃以上に加熱し、はんだ付けを行う。
【００１６】
錫亜鉛を主成分とするはんだでは、亜鉛が非常に酸化しやすい金属であるために、大気中でのはんだ付けにおいてプリヒート部の温度が高い、あるいは時間が長くなると、はんだ粉末の表面に酸化膜が形成され、リフロー部ではんだを融点以上に温度を上げても溶融せず、球状の状態（以下、はんだボールと記す）になる。このはんだボールがあるプリント配線板を使用した商品では、商品の使用中にはんだボールが移動し、電極間のショートや機構部品の動作不良等を引き起こす。
【００１７】
本発明の温度プロファイルは、はんだペースト中のフラックスの活性剤のプリント基板上のはんだ付け部の残渣が品質信頼性に影響しない添加量で、プリヒート部の温度と時間をパラメータとしてはんだボールの発生状況を比較検討することにより、プリヒート部の温度を１７０℃以下、時間を１００秒以下を確立した。このような温度プロファイルで大気中のはんだ付けにおいて錫亜鉛を主成分とするはんだを用いてもプリヒート部でのはんだ粉末の酸化を抑制でき、酸化膜を除去するためのフラックス中の活性力を高くすることなくはんだボールの発生しないはんだ付けが可能である。
【００１８】
さらに、本実施例では、大気中でのはんだ付けについて記載しているが、他のはんだ付け方法、例えば窒素リフローにおいて本発明の温度プロファイルではんだ付けを実施しても、はんだボールの発生もなく、品質信頼性にも問題ない。
【００１９】
また、本実施例では、錫亜鉛を主成分とするはんだペーストで記載しているが、他の鉛フリーはんだ、例えば錫銀を主成分とする鉛フリーはんだでも本発明の温度プロファイルはんだ付けをすれば、フラックス中の活性力を低くしてもはんだボールの発生を防止できるという同様の効果を有している。
【００２０】
次に、本発明の温度プロファイルの効果を確認するため、温度プロファイルのプリヒート部の条件をかえてはんだボールの発生について比較試験を行った。比較試験は下記条件で行い、その結果を図２に示した。
【００２１】
比較条件
（１）鉛フリーはんだ：Ｓｎ８Ｚｎ３Ｂｉ（Ｚｎが８重量％、Ｂｉが３重量％、残りがＳｎ）
（２）プリント配線板：ガラスエポキシ基材の両面基板（板厚１．６ｍｍ）
（３）加熱装置：大気リフロー方式の４ゾーン
（４）部品：０．６５ｍｍピッチの半導体（リードめっき：Ｐｄ、ＳｎＢｉ）
（５）温度プロファイル条件
（比較例）    プリヒート１７０℃１２０秒  ピーク２１０℃  （図２（ｃ）、図２（ｆ））
（実施例１）  プリヒート１５０℃６０秒  ピーク２１０℃  （図２（ａ）、図２（ｄ））
（実施例２）  プリヒート１７０℃１００秒  ピーク２１０℃  （図２（ｂ）、図２（ｅ））
図２は、上記各実施例および比較例の条件において、それぞれ０．６５ｍｍピッチの半導体（図示せず）のリード部とはんだとの接続状態を示したものである。図２（ａ）、図２（ｄ）が（実施例１）の条件によるもので、図２（ａ）のリード部１１はＰｄめっき、１３は鉛フリーはんだであり、図２（ｄ）のリード部１２はＳｎＢｉめっきであり、はんだ１３は図２（ａ）と同じものである。
【００２２】
図２（ｂ）と図２（ｅ）は（実施例２）の条件によるもので、図２（ｂ）のリード部１１はＰｄめっき、図２（ｅ）のリード部１２はＳｎＢｉめっきであり、両者とも１３は鉛フリーはんだである。
【００２３】
図２（ｃ）と図２（ｆ）は（比較例）の条件によるもので、図２（ｃ）のリード部１１はＰｄめっき、図２（ｆ）のリード部１２はＳｎＢｉめっきであり、それぞれ鉛フリーはんだ１４、鉛フリーはんだ１６と接続されている。なお鉛フリーはんだ１４と鉛フリーはんだ１６も上記の比較条件（１）の鉛フリーはんだである。
【００２４】
図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｄ）、図２（ｅ）に示すように、（実施例１）、（実施例２）の温度プロファイルではんだ付けをＰｄめっきのリード部１１、ＳｎＢｉめっきのリード部１２のそれぞれに対して行うと、リード部１１またはリード部１２に接続される鉛フリーはんだ１３には、いずれもはんだボールの発生がないが、（比較例）である図２（ｃ）、図２（ｆ）には、Ｐｄめっきのリード部１１またはＳｎＢｉめっきのリード部１２に接続される鉛フリーはんだ１４、鉛フリーはんだ１６の両方には、はんだボールがそのリード間やはんだランドの表面に発生している。これは、本発明の温度プロファイルが従来方法に比べてはんだ粉末の表面酸化が少なくリフロー部で酸化膜を除去でき、良好なはんだ付けが可能になった状態を示している。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の鉛フリーはんだのはんだ付け方法では、プリヒート部の温度を低く時間を短くすることにより、はんだ粉末の酸化を少なくすることができ、従来のはんだペーストの活性力で大気リフロー中でもはんだボールの発生しないはんだ付けが可能となる。これにより、はんだボールによる商品の動作不良やフラックス残渣による絶縁不良等のない品質信頼性の高いプリント配線板を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだ付け方法の一実施の形態例である加熱装置の温度プロファイルの図
【図２】同装置によりはんだが接続された状態を記す図
【符号の説明】
１  はんだ付け部の温度を示す曲線
１１  Ｐｄめっきのリード部
１２  ＳｎＢｉめっきのリード部
１３、１４、１６  鉛フリーはんだ
【図１】
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【図２】
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