(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板を移動させるコンベアと、
鉛フリーはんだを供給できるはんだ槽と、
該はんだ槽からのはんだの供給を受けた前記回路基板の回路基板面に対して、前記はんだの供給を受けた箇所から２５０ｍｍ以内の距離で、冷気を斜めに供給できるスポットクーラーと、を備え、
前記コンベアは、前記回路基板が移動するにつれて上がるように設置面に対して傾斜を持たせて配置してあるとともに、前記回路基板を前記設置面に対して傾けて移動させ、
前記スポットクーラーは、前記設置面に対して傾けて移動させる前記回路基板に対して、前記はんだ槽から離れる方向に前記冷気を供給することを特徴とするはんだ付け装置。
【請求項２】
前記はんだの供給を受けた回路基板面の反対面を窒素を用いて冷却する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のはんだ付け装置。
【請求項３】
前記回路基板の移動方向に沿って冷気が流れるように構成したことを特徴とする請求項１または２記載のはんだ付け装置。
【請求項４】
前記窒素を回路基板の移動方向に流すように構成したことを特徴とする請求項２または３記載のはんだ付け装置。
【請求項５】
前記スポットクーラーが角度のついた風向きガイドを一段以上設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のはんだ付け装置。
【請求項６】
前記風向きガイドが設置面に対して、3０〜8０度の傾きを有することを特徴とする請求項５記載のはんだ付け装置。
【請求項７】
前記風向きガイドが設置面に対して、3０〜8０度の傾きを有し、前記コンベアは、前記回路基板を設置面に対して、５〜７度に傾けて移動させることによって前記回路基板面に対して冷気を斜めに供給するように構成したことを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載のはんだ付け装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
電子回路基板へのLSI、部品等を回路基板に実装した電子装置の製造方法と、実装するためのはんだ付け装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スルーホール挿入部品をSn-3.5Ag共晶にCuを添加したSn-Ag-Cu系はんだで、はんだ付けすると、フィレット表面にしわ模様ができることが一般に知られている。従来使用してきたSn-Pb系はんだの場合、この種の現象は起きていない。 Sn-Pb系のはんだ付けにおいては、はんだ付け後にファンで冷却することは一般に行われていた。ファンで早く冷却することにより、量産効率を高めることを目的にしたものである。冷却用ファンははんだ槽から離れたところで、即ち、取出し口の近くではんだ付け面もしくは部品側を冷却する方式で、冷却風を基板に直角に当てる方式である。冷却によって、しわ、クラック等の発生を抑えた例は見あたらない。急冷する効果は組織改善(微細化) 及びCuランドとはんだ間で剥離するリフトオフ現象（例えば：菅沼；回路実装学術講演大会論文集、p67、H10.3.24）防止等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鉛フリーの特にSn-Ag-Cu系はんだを用いた場合、フィレット表面にできる細かなしわは、拡大鏡レベルでの観察では細かいために、表面に光沢のない部分として写り、一般には見過ごす場合が多かった。しかし、製品を量産化することになると、材料、寸法の異なる各種の部品が使われるため、部品の中には大きなしわが発生し、明瞭なクラックに観察されるものもある。
【０００４】
本発明の目的は、フィレット表面に形成される「しわ」の発生を抑制した電子装置の製造方法およびその実装を実現するはんだ付け装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、特許請求の範囲の通りに構成することで達成される。
【０００６】
このしわ発生防止、即ち、クラック発生防止のためには、凝固直後の急冷は重要であるが、固相線、液相線が接近した高温はんだを対象としているため、フローはんだ槽に接近した位置（500mm以内。好ましくは250mm以内で近ければ近いほど効果はあるが、はんだ槽への熱的悪影響も出やすい。）での冷却ができ、かつ、はんだ槽への熱的悪影響なきことがポイントになる。Sn-Ag-Cu共晶系高温はんだの場合、凝固寸前の220℃近傍で急冷することが好ましい。
【０００７】
そこでフロー槽ではんだ付けされた回路基板を所定の傾斜をもたせて移動させ、その回路基板を空冷するようにすれば、一方向の冷気の流れが形成できることもあって、効果的に基板全面を冷却することができた。その結果、フィレット表面に比較的多く発生する小さなクラック「小さなしわ」に対しては、発生数を従来に比べて半減できた。特に問題視される大きなクラック「大きなしわ」の発生確率は元々少ないが、更に従来に比べ、１／４に低減できる。新たなはんだであるため、現状では生産管理基準は統一されていない。「大きなしわ」の定義は、外観の拡大境で深いクラックに見えるものとし、発生確率として約5%以下を目安とした。「大きなしわ」の発生率、欠陥のレベルは継手構造(片面基板、両面基板)継手のはんだ量、部品及び基板の熱容量、フロー条件等で変わる。急冷し難い構造ほど、「大きなしわ」の発生率、欠陥のレベルも大きくなる。「大きなしわ」を約5%認めても問題ない理由として、▲１▼「大きなしわ」が発生しても、-55〜125℃の温度サイクル試験で表面実装継手及びスルーホール継手において、1000サイクルを経過しても、「大きなしわ」の跡がクラック進展の起点になっていないこと、及び▲２▼「大きなしわ」がある基板でも、従来のSn-Pb共晶はんだ継手と比べ同等以上の温度サイクル寿命を有することが確認されていることにある。
【０００８】
この場合、はんだ槽の脇に50〜100mm離れた位置に冷却手段、例えばスポットクーラーを設け、基板移動方向にスポットクーラーのガイド翼を多段に設けるなどして、一方向の冷気の流れを形成することができる。スポットクーラーは冷却風の当たる面積を大きくし(幅200mm、長さ200mm)、通常は冷却風は10〜30℃の範囲で制御が可能である。この時の風量は７ｍ3/minである。熱容量が大なる基板、部品を対象とした場合、冷媒として、液体窒素、液体空気、ドライアイス等を混ぜた冷媒で冷却して0℃近く、もしくは0℃以下に冷やすとクラック防止には効果がある。但し、余り急冷すると基板、リード間の熱膨張差のため、はんだにクラックが発生することもあるので、はんだにクラックがでない程度で高めに制御する必要がある。
【０００９】
この冷却効果は、しわが完全に無くなる程の極端な効果はなくても、冷却の程度により、フィレット外観のしわの程度は下がり、しわの数は少なくなることも分かった。更に、部品側に設置された窒素のゾーン冷却と組み合わせると効果を増す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は一般に使用されているダブルウエーブ方式のはんだフロー槽９に、スポットクーラー２を取り付けたモデルである。
【００１１】
はんだフロー槽９に熱的影響を及ぼさないでスポットクーラーをはんだフロー槽９の脇３に直接取り付ける位置（はんだ浴にスポットクーラーを引っかける状態の位置を0mmとすれば、約0〜約100mm離した位置）に接近させることがポイントである。これによってスポットクーラーを用いて冷却された冷媒を、基板４に挿入された部品５のピン継手部がはんだ付け直後に当てることが可能となる。距離ｌははんだが供給されて継手が形成された場所(250℃)から冷媒で冷やされ始める地点(220℃前後)までの距離を示すが、この距離は計算上では50mm位になる。即ち、1000mm/minのコンベア速度で、３秒くらいで冷却される距離である。
【００１２】
また、冷媒の流れは角度を設けた複数のガイド７により、基板４のコンベア６移動方向に向かい向かうように構成した。これによって基板４の全面を冷却するため冷却の効果が上がるだけでなく、冷気がはんだフロー槽９へ向かわないのでその影響も少ない。
【００１３】
コンベア６は、設置面10に対して５〜7度くらいの傾斜11を持たせて配置した。また、ガイド７の角度12も30〜80度くらいの範囲で有効である。この範囲である程度角度をつけても、基板面に沿って反対側の熱いはんだ浴側への表面を這うような層流的な流れが存在し、はんだ浴から離れていても継手表面を冷やす効果がある。基板に直角に当てたのでは、基板表面だけではなく周辺部を巻き込んだ冷却になるので、はんだ浴への影響が大きすぎ問題である。ガイドの角度を基板移動方向に傾けることにより、主流は基板移動方向への円滑な流れをつくり、かつ、それとは反対方向に、はんだ付け直後の継手部を冷却するような基板表面層を伝わる熱源方向の流れをつくり、継手表面を過冷却することにより引け巣防止の効果をもたらしていると考える。
【００１４】
これによって図示したような一定方向の冷気の主要な流れが形成され、基板４がコンベア６で移動してもその形成された冷気の流れにより継続的に冷却され得る状態となり、基板４の全面を効率よく冷却することが可能となる。他方、それとは反対方向に、はんだ付け直後の継手部を過冷却するような基板表面層を伝わる熱源方向の流れをつくり、引け巣発生を防止していると考える。
【００１５】
図２は基板に部品等を搭載させた一般に使用しているSn-Ag-Cu系高温はんだの温度プロファイルの一例を示す。高温はんだとしてSn-3.5Ag-0.75Cuなどが一般に知られているが、ここでは同一系統のSn-3Ag-0.7Cuを使用した。Sn-3Ag-0.7Cuの融点は217〜221℃で、スルーホール部のランド部に取り付けた熱電対による測定では、220℃近傍の温度勾配は約15℃/sであった。はんだクラックの発生位置はフィレット表面の中央部であり、かつ、最終凝固の位置であることを引け巣現象の解析結果で確認されている。このフィレットの中央部表面位置での温度測定はできないが、最終凝固であることから測定位置よりも若干冷却が遅れるので10〜15℃/s程度と思われる。
【００１６】
熱容量の大なる部品を搭載した試料程、その距離l（噴流部からクーラーが直接当たる場所までの距離）を長くとれるので効果も出てくる(図１)。即ち、クラックが大きなものほど、冷却効果の影響が現れることを示す。Sn-Ag-Cu系高温はんだは220℃前後の融点であることから、本来は、はんだ槽の近くで冷却しないとクラック防止の効果はないように思われる。しかし、実際には後述の表１に示すように、はんだ付け温度の250℃から約100〜150℃までに下がった16秒後の位置での平均冷却速度で評価しても、冷却速度の差による影響が明確に現れることが分かった。この理由は先ほど示したように、熱源の方向に基板表面に沿う冷たい層流が流れ込んで、溶融したばかりのはんだ継手側に流れるため、表面に過冷却を起こさせ、表面に引け巣を起こさせない効果と考える。即ち、フィレット表面のクラックは直接に220℃の凝固位置で直接に冷却できなくとも、少し離れた位置での冷却でも、冷媒によるはんだ表面の冷却効果はあることを示している。冷却効果を出すためにスポットクーラーをはんだ槽に近付け、凝固直後を冷却することは一番効果はあるが、物理的な制約から距離が限られる場合が多い。その場合でも、その近傍を冷却することは効果があることが分かった。基板面を広く冷却することは熱伝導、熱伝達による冷却効果と考える。このため、単純ではあるが、冷却媒体の方向が、基板の移動方向に沿ってスムーズに流れることが重要であり、角度が変えられる風向きユニットを多段に設けることにより、さらに冷却効果を発揮することができる。
【００１７】
次に窒素雰囲気ゾーン冷却方式のフローはんだ槽において、スポットクーラーの位置によるフィレット表面クラック発生への影響を調べた。スポットクーラーは冷媒を上から下に流す(部品側を冷却)方式である。はんだ付け温度は250℃で、コンベア速度は1000mm/minである。冷却速度測定位置ははんだ槽から240mm離れた位置で、はんだ付け直後から16秒かかる位置である。そこで、
a)スポットクーラーなし、
b)はんだ槽から離れた位置でのスポットクーラー、
c)はんだ層に近づけたスポットクーラー
の３段階について検討した結果を表１に示す。
【００１８】
表１は、はんだ付け温度の250℃から約100〜150℃まで下がった16秒後の位置での平均冷却速度をa)、b)、c)の場合について示したものである。図３はa)、c)の場合の温度測定部を16秒、32秒とした場合の温度曲線である。a)、c)の場合に限らず、冷却レベルに応じて、継手の温度は下がり、表１からフィレット表面クラック発生率も下がっていることが分かる。
【００１９】
【表１】
0004332281.tif 000002
【００２０】
次に、クーラーをはんだ槽に近づけた場合について検討した。
【００２１】
下側から上側に向けてはんだ付け面を冷却する方式の異なりによる冷却速度とフィレット表面クラック発生率について調べた。冷却速度は250℃から約100℃までの間の測定データであり、コンベア速度は1200mm/minである。
【００２２】
a)従来の冷却ファンユニットを従来位置に比べ、はんだ槽側に近づけた場合(基板に風を垂直に当てる)、
b)コンベア移動方向に流れるようにガイドを設けたスポットクーラーをはんだ槽の脇に設けた場合、
の２つについて比較した結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】
0004332281.tif 000003
【００２４】
a)方式は基板面に垂直に風を当てる従来方式であり、周りの加熱されたエアを吸い込むため、排気温度がmax44℃と高くなり、また、風が当たる領域も狭く問題であることが分かった。
【００２５】
なお、表面クラックの大、小とは図４に示すように、スルーホール継手のフィレット表面を拡大鏡で観察し、明瞭なクラックを大きなクラックとし、それ以外を小さなクラックと数えた。大きなクラック周辺には小さなクラックが集まり、この小さなクラックは離して見ると光沢のない外観を呈しているので、特に問題になるとは思えない。
【００２６】
次に、窒素雰囲気ゾーン冷却方式でスポットクーラーを組み合わせた検討を行った。図５は図１に示した装置に窒素雰囲気ゾーン８を追加した装置である。はんだ付け温度はmax250℃、コンベア速度は1000mm/minである。以下のa)、b)、c)の条件で比較した。
【００２７】
a)はんだ槽から離れた従来位置で、上から下に部品側にスポットクーラーを当てる場合
(窒素雰囲気ゾーン冷却は使用しない)、
b)同じくa)の状態で、窒素雰囲気ゾーン冷却を使用した場合、
c)スポットクーラーをはんだ槽に近づけ、下から上にはんだ付け面側にスポットクーラーを当てて、かつ、窒素雰囲気ゾーン冷却を使用した場合（図５）である。
【００２８】
その比較結果を図６に示す。図６は両面スルーホール基板において、はんだ付け装置の冷媒の冷却速度を横軸に取り、縦軸にクラック発生率をとったものである。○が小さなクラックを示し、□が大きなクラックを示す。フィレット部の冷却速度は同一フロー条件でも基板の形態(片面基板、両面基板)によって異なってくる。片面基板ははんだ量も少ないため冷却速度は早い傾向を示す。窒素によるゾーン冷却だけでも基板の部品面を覆うように冷却することにより、リードからの吸熱を促進させることによる効果はある。窒素とスポットクーラー冷却の相乗作用で効果は更に増す。この場合も窒素の流れは基板の移動方向に向ける必要がある。使用したスポットクーラーは10〜30℃で動作できるものを用い、風量は7ｍ3/minであるが、容量、性能アップは可能である。窒素をフローに使用する時は、本来、スルーホール中のはんだ揚がりが良くない場合、あるいは低残さフラックスを用いた時に使用されるが、コストアップの点で限定される。この点、スポットクーラー冷却は経済的であると考える。スポットクーラーの流れは角度を設けたガイドにより、基板４移動方向にスムーズに流れるため、冷却の効果は上がり、はんだ槽への冷媒の巻き込みもない。これに対して、冷却ファンを取り付け基板下面を冷媒で垂直に吹き付ける従来の方式は、エアがはんだ槽の方向にも流れ、はんだ付け作業にも影響を及ぼす。この効果は新プロセスに比べ僅かであることが図６で分かった。
【００２９】
この種のクラックの特徴として、部品が急冷されやすい片面基板より、両面基板の方が微少クラックは多発し、かつ、大きなクラックも発生し易い。両面基板で熱容量の大きな部品を搭載した場合に、大きな、深いクラックが発生し易いことが分かった。この点、本案による冷却効果は両面基板に対して効果が現れ易い。
【００３０】
スポットクーラーを取り付けて基板全面を斜めから吹き付けることにより、移動方向への流れをつくり、かつ全面を冷却し、はんだ槽への熱的影響をなくすことができる。小さいミクロのクラックは外観上は検査では問題にならないが、比較的大きな深いクラックはフィレット表面の中央部に発生するので、この冷却効果により、大きな、深いクラック発生を防止したり、もしくは小さいミクロのクラックに抑えることができる。
【００３１】
なお、クーラーボックスとはんだ槽を直接に接触させる場合、断熱板等を使用することで、はんだ槽への熱影響を避けることができる。
【００３２】
これまではSn-Ag-Cu系はんだを用いてはんだ付けすることについて説明してきたが、その他にSn-Ag系はんだ、もしくはSn-Ag-Cu系はんだ、もしくはSn-Cu系はんだ、もしくはSn-Zn系はんだ、もしくはこれらにBi、In、Ge、P、Ni、Sb等が１種類以上含んだはんだであっても同様の効果が得られる。また、Sn系の鉛フリーはんだに限らず、液層線温度と固層線温度との差がある鉛フリーはんだの場合、同様の効果が期待できる。
【００３３】
なお、Biを含有したはんだでは、この種のクラックは少なくなる傾向になるが、逆に、Cuランドとはんだ間で剥離するリフトオフ現象が起こりやすくなる傾向がある。本方式による冷却効果により、更に温度が下がった個所(ランド部)での冷却効果も期待できるので、付随的効果として、リフトオフ防止効果にもつながる。
【００３４】
この冷却効果はスルーホール部品のみならず、フローの大型面付け部品に対しても効果がある。また、リフローにおいても冷却工程で、本方式を採用することにより、発生し易い大型面付け部品に対しても、効果がある。面付け部品のフィレット中央部のクラックをエア、もしくは窒素を用いたスポットクーラーによる急冷効果により防止できる。
【００３５】
これまでスポットクーラーの外付けによる冷却手段について説明してきたが、これに限らずはんだ付け装置に冷却装置を組み込んだものでも良い。冷却手段はスポットクーラー以外の手段を用いてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、フィレット表面に形成される「しわ」の発生を抑制した電子装置の製造方法およびその実装を実現するハンダ付け装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フロー槽の脇にスポットクーラーを取り付けた断面図。
【図２】高温はんだの温度プロファイルを示す図。
【図３】冷却条件を変えて、温度測定位置を変えた場合の温度曲線を示す図。
【図４】スルーホール継手のフィレット表面のクラック外観写真。
【図５】窒素雰囲気ゾーン冷却に、スポットクーラーを取り付けた断面図。
【図６】冷却効果によるクラック発生率の低減を示す図。
【符号の説明】
１：はんだ
２：スポットクーラー
３：フロー槽の脇
４：基板
５：部品
６：コンベア
７：ガイド
８：窒素雰囲気ゾーン冷却
９：フロー槽
10：接地面
11：傾斜
12：角度
【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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【図６】
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