大型高多層基板の鉛フリーはんだ付け技術
町田政広

小板橋雄也

当社では，2002年より多岐にわたる分野のお客様に対け温度マージンであったものが，鉛フリーはんだ付けでし，お客様機器・装置の基板組立，装置組立，検査を一は，約10℃とはんだ付け温度マージンが極端に狭くなる｡

貫して行う生産サービス（EMS：Electronics

鉛フリーはんだ付けでは，リフロー加熱時の高精度な温Manufacturing Service）を提供してきた。

度制御が必要である（図1）。

近年，特に基板組立生産サービスにおいては，お客様機器・装置の高性能化・高速化に伴い，取り扱う基板の大型高多層化傾向がある。
さらに，2006年7月のRoHS（the Restriction of theuse of certain Hazardous Substances）指令発令を前に規制物質の1つである鉛の使用を制限した鉛フリー実装

加熱プロセス制御が極めて困難
Temp

部品耐熱温度＝230℃

230℃△Ｔ（基板内温度ばらつき）約50℃
200℃

約10℃
溶融温度：217℃〜220℃

溶融温度：183℃の要求も加速している。従来，鉛フリーはんだ付けでは，共晶はんだ付けに対して，溶融温度の違いからはんだ付共晶はんだ
63Ｓｎ-37Ｐｂ

けが可能となる温度領域が狭い。一方で大型高多層基板のはんだ付けについては，実装部品間・基板間の温度ば鉛フリーはんだ
Ｓｎ-3.0Ａｇ-0.5Ｃｕ

共晶はんだリフロープロファイル例

鉛フリーはんだリフロープロファイル例

らつきが大きくなるため，さらに繊細な温度制御が求め
図1 はんだ付け温度られている。
今回，古河電気工業株式会社殿とはんだ付けのキープロセスである，リフローはんだ付け工法について，共同当社の鉛フリー化の取り組み状況で開発を行った。本書では大型高多層基板の鉛フリーは2006年7月のRoHS指令の発令を前にEMSにおいて取んだ付けを実現する新リフロー加熱方式を紹介する。

り扱う基板の鉛フリー化は加速している｡既に50%以上の製品で鉛フリー化を達成しているが,RoHS指令が発令さ鉛フリー化の概要

れる2006年上期には90%になると予想される（図2）。

近年，基板組立においては，電子部品のSMT（SurfaceMount Technology）化に伴い，リフローはんだ付け工法が主流となっている。このリフローはんだ付けは，プリント配線板にペーストはんだを印刷供給，さらに電子部品を搭載後，一括でこれらをリフロー加熱することに100%

90%

80%
54%

60%

より，はんだを溶融させてプリント配線板と電子部品を40%接合する工法である。

20%

これまでのリフローはんだ付けにおいては，溶融温度

鉛フリー化率（％）

35%
20%

26%

0%が183℃の共晶はんだ（Sn-37Pb）が使用されてきた｡こ

04年上期

04年下期

05年上期

05年下期

06年上期（予想）

れに対し，鉛フリーはんだ（Sn-3Ag-0.5Cu）は，その図2 EMSにおいて取り扱う基板の鉛フリー化率

組成により，溶融温度が217〜220℃と高温である｡
一方，電子部品の保証耐熱温度は230℃程度で，はんだ当社では，早期より鉛フリーはんだ付けの技術確立に付け加熱時に大きな熱ストレスが加わると，破損の恐れ

取り組み，現在では2003年に古河電気工業株式会社殿とがある｡つまり，共晶はんだ付けでは，約50℃のはんだ付共同で開発した「部品昇温抑制リフロー方式」を採用し

38 沖テクニカルレビュー

2006年7月／第207号Vol.73 No.3

メカトロニクス・生産技術特集 ●た装置で製品実現をしている。

大型高多層基板の増加｢部品昇温抑制リフロー方式｣とは，はんだ付け加熱時，部品ボディ温度を保証耐熱温度以下に抑制するとともに，鉛フリー実装の要求が高まる一方，近年，データ通信

部品はんだ付け部（端子部）温度をはんだ溶融温度以上速度や処理速度の増加に伴い，EMSにおいて取り扱う基にするため，意図的に実装基板表裏の温度差をつけたリ板が大型高多層化している（図5）。特に基板の厚みに関フロー方式である。つまり，｢部品ボディ温度＜部品はんしては，2mm厚以上の基板が確実に増加している。現在だ付け部温度｣を可能とした方式である。

は，3.1mm厚の鉛フリー基板もあり，今後も厚みの増加
1）

この方式を採用した装置の側面と断面を図3に示す 。

傾向は続くと予想される。

本装置では，上面を熱風ヒータ，下面を遠赤外線ヒータ＞2.2mm≦2.2mm≦1.6mmとし，加熱特性の異なるヒータを併用した。更に，上面熱風ヒータより発する温風を吸収･冷却する循環構造を採厚みの比率（％）

用した。これらにより，上･下面ヒータを独立で温度制御

100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%するとともに上･下面での対面温度干渉を最小限に抑制し，上･下面ヒータ間の温度差をつけることを可能とした。

側面

A
遠赤外線を採用

1%
6%

93%

03年度

＞1000cm2≦1000cm2≦500cm2
体積の比率（％）

1%

3%

9%

13%

91%

84%

04年度

4%

100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

23%

7%

9%

25%
44%

73%

68%
47%

05年度

03年度

04年度

05年度

図5 基板サイズの変化

A’「部品昇温抑制リフロー方式」の能力として，3mm程度までの鉛フリーはんだ付けは可能である。今後基板の断面（A-A’）

大型高多層化が予想されるが，図6に示すように，基板の厚みの増加により熱伝導が阻害されるため，最大の特徴である下面からの遠赤外線加熱では十分に加熱できない。
一方で，一般的な熱風加熱方式の装置では，3mm厚の基板を製造するのも困難であり，ΔT＝20℃が限界である。

遠赤外線ヒーター

熱風ヒータ
（低温）

図3 リフロー炉の構造

基板が厚いため、基板内を熱が伝導しにくい

以上の取り組みにより，一般的なリフロー炉では実現できなかったはんだ付け温度範囲Δ10℃を確保（図4）し，多くのお客様に提案してきた2）。
（℃）

遠赤外線ヒータ（高温）

250：部品ボディー

242℃：はんだ付け部

240

図6 大型高多層基板の加熱

230℃

230℃

230℃
230220昇温傾向の逆転に成功
0

開発目標

227℃
212℃
従来方式（共晶はんだ）

一般的な熱風方式

部品昇温抑制方式

図4 部品昇温抑制方式の効果

今後，4〜5mm厚みの基板の登場も予想される中で，十分な能力を確保する必要があると判断し，評価対象の基板（3.1mm厚み）に対して，ΔT（基板内温度ばらつき）を5℃以下に抑えること目標として新加熱方式の開発を行った。

沖テクニカルレビュー
2006年7月／第207号Vol.73 No.339

新加熱方式の開発（1）装置の特長開発した加熱方式は，古河電気工業株式会社殿のリフロー炉（XNK-1245）をベースに改良を加えたもので
写真1 CCGAの外観ある。本装置は以下に示す特長がある。
① 多ゾーン（12ゾーン）
ゾーン数が多いため，炉内の温度を細かく設定することが可能である。すなわち，基板の昇温を精度良く行えBGAるため，ΔTを低減できる（図7）。

CCGA
XNK-1245

QFP

１２ゾーン熱風加熱方式

図7 XNK-1245の構造（側面図）

基 板 厚 み ： 3.1mm 22層基 板サイズ ： 320×400mm
測定ポイント：11ポイント
測 定 部 位 ：BGA，CCGA，QFP，基板表面② 熱風加熱方式
加熱方式として，熱風加熱方式を採用している。さら図8 温度測定対象基板に，加熱能力が従来の機種よりも向上している。また，熱風加熱方式の採用により，次に述べる温度シミュレーいるため，はんだ付けが困難である。特にCCGAは熱容ションの適用が可能となった。

量が大きく，十分に加熱するためには多くの熱量が必要になる（図8）。

③ 基板温度シミュレーション
リフロー炉で基板を加熱する際，基板ごとに温度設定（2）検証結果を行う必要がある。今回の装置では，基板上の部品の温温度測定結果を図9に示す。図中の数値は，基板をリフ度を予測することが可能であり，製品立ち上げ時間の短ロー炉で加熱した時の，搭載されている部品温度の最大縮に期待が持てる。

値と最小値を示している。この最小値と最大値の差＝ΔTの値が小さければ小さいほど，リフロー炉としての性能が高いことになる。

（2）新加熱方式
新たに開発した加熱方式について述べる。本方式は，ΔTの低減を目的として，各ゾーンに加熱時間制御機能を追加したものであり，ゾーンごとの加熱時間を調整することが可能である。本方式を用いることで，ゾーン数を大幅に増加させることなく，同様の効果が期待できる。すなわち，先にも述べたが，基板の昇温制御が非常に高精

ピーク温度（℃）

搭載部品
最高温度

250

ΔT=19.1℃

搭載部品 2 4 0
最低温度

ΔT=12.8℃
ΔT=4.7℃

230度で行えるようになる。
220

新加熱方式の検討（1）評価基板
今回，新加熱方式の評価に用いた基板に関して述べる。
本基板は板厚が厚く，CCGA（Ceramic Column GridArray）（写真1）やBGA（Ball Grid Array）を搭載して40 沖テクニカルレビュー

2006年7月／第207号Vol.73 No.3

適用装置

一般装置

XNK-1245
XNK-1245 （新加熱方式）

図9 温度測定結果

メカトロニクス・生産技術特集 ●一般装置とXNK-1245に関して比較を行う。XNK-1245で得られたΔTの値は，一般的な装置で得られた数値より大幅に低減されており，装置そのものの性能が非常に優れていると言える。
次に新加熱方式を適用した際の結果について述べる。新加熱方式により，基板面内の温度を4.7℃まで低減するこ■参考文献
1）第36回マイクロ接合研究委員会：ソルダリング分科会「鉛フリーはんだ対応ソルダリング機器」
2）小日向隆，野末正仁：弱耐熱性部品対応無鉛はんだリフロー
はんだ付け技術の確立，沖テクニカルレビュー199号，Vol.71
No.3，pp.32-35，2004年7月とが可能となり，今回開発を行う上で目標とした値を上回る結果が得られた。

●筆者紹介（3）温度シミュレーションの実施
新方式の評価と共に，リフロー炉の条件設定の効率化を目的として，基板温度シミュレーションに関しても検町田政広：Masahiro Machida. 生産サービスカンパニー EMSビ
ジネス本部 品質保証部 生産技術開発チーム チームマネージャ
小板橋雄也：Yuya Koitabashi. 生産サービスカンパニー EMSビ
ジネス本部 品質保証部 生産技術開発チーム討を実施した。
従来のリフロー炉の場合，加熱方式として熱風と遠赤外線を併用しているため，シミュレーションによる温度プロファイルの取得は困難であった。今回の装置は熱風加熱方式に統一しているため，温度プロファイルを作成する際にシミュレーションを用いることが可能である。
XNK-1245に関して，温度条件設定をシミュレーションにより実施したが，条件設定時間が大幅に短縮される結果となり，製品立ち上げ時間の短縮に期待が持てる（図10）。
今後，さらなるシミュレーション精度の向上を目指してデータの収集を行い，早期の導入を目指す。

基板温度測定（標準設定にて測定）

基板温度測定（標準設定にて測定）

測定結果を基に，感覚で再設定数回の繰り返しが必要

測定結果を基にシミュレーション再設定した条件にて測定
NO条件に合致？

シミュレーションにより算出した条件にて温度測定

YES
生産条件完成生産条件完成図10

温度シミュレーションの概要

まとめ

今後予測される基板の大型高多層化に十分に対応可能な加熱方式を開発した。新加熱方式を搭載したリフロー炉は，他社にない新技術であり，当社のEMSのコアとなり得る装置である。
また，環境への対応が企業としての価値を問われる中で，大型高多層基板の鉛フリー化を目指す企業に対して，新加熱方式リフロー炉を用いて受託生産を行い，自然環境保護と顧客満足に貢献したい。

◆◆

沖テクニカルレビュー
2006年7月／第207号Vol.73 No.3

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