シリーズ

夢の実現

─昨日、今日、明日─

大型･高多層基板の鉛フリーはんだ付け工法の開発〜 世界No.1のOKI EMSを目指して 〜
町田 政広
小板橋 雄也小日向隆

近年，エレクトロニクス業界では，経営資源の集中配ント配線板の大型・高多層化が加速，ここ1〜2年の間で分を目的とした生産アウトソーシング，製品コストの低面積，層数ともに2倍の推移となっていることである。

減を目的とした東南アジア圏への生産シフトなど生産面さらに，最近では，RoHS（the Restriction of theuse of certain Hazardous Substances）指令を背景とでの変革が進んでいる。
このような中，当社生産サービスカンパニーでは情報通信機器分野で培ってきた豊富な生産実績・ノウハウをコアして，鉛フリーはんだを用いた実装の要求が高まり，現在の適用率は，約70％にもなっている。とし，各市場分野の上位機種をターゲットに，製品の開

これらの特徴は，今後もさらに加速していくことが予発・設計から組立・検査まで一貫した生産サービスを請け測される。つまり，当社として，お客様ニーズに応え，製負い，提供するEMS（Electronics

品実現を継続していく上では，大型･高多層基板の鉛フManufacturing

リーはんだ付け技術に取り組み，技術確立していくことService）ビジネスの展開を図ってきた。
近年，お客様の製品は，ますます多様化・複雑化するが必要不可欠である。

とともに，製品の心臓部にあたる基板に関しては，鉛フリー化，大型・高多層化が加速し，そのはんだ付け，実大型高多層基板の鉛フリーはんだ付け
現状，当社で取り扱っている基板においては，プリント装における難易度は，アップしている。
当社では，お客様のニーズに応えるべく，大型・高多配線板が450×300×3（mm）24層と大型・高多層であ層基板の鉛フリー実装の新規工法開発に取り組んできた。

り，さまざまな形態の部品が6,000点にのぼり実装されて本稿では，本技術の開発経緯，新工法の特長についてい る 。 こ れ ら 実 装 部 品 は ， SMT（ Surface MountTechnology）部品，ディスクリート部品に区分され，一紹介する。

般的にSMT部品では，リフロー方式自動はんだ付け工法，製品実装動向

ディスクリート部品では，手はんだ付け工法により，は図1に顧客製品の実装動向を示す。特徴としては，プリんだ付けされる。
部品点数６,０００点

現在

２００４
プリント配線板（L×W×ｔ）

２００５

３００×２００×１．
６ ３７０×３００×２
（１２層）
（６層）

２００６

２００７

２００８

４５０×３００×３（２４層）

５１０×４８０×５ ６００×５７０×５.５
（３４層）
（３０層）

50〜70%

70〜80%

大型･高多層基板（450×300×3mm24層）

共晶＊鉛フリーはんだを使用

はんだ
30〜50%

鉛フリー 20〜30%

部品点数

ディスクリート部品

SMT部品

４０００点

２０００点

６０００点

＊鉛フリーはんだを使用

80〜90%
リフローはんだ付け工法

１００００点

８０００点手はんだ付け工法

はんだペースト印刷（１）部品搭載（１）

１００５

チップ
部品
ＢＧＡ
圧入コネクタ

０６０３
500ピン
0.6㎜ピッチ

1000ピン
10000.5㎜ピッチ
0.5

片面125ピン片面240ピン240ピン
片面240０４０２

1500〜2000ピン
1500
1500〜2000
2000ピン
0.4㎜ピッチ
0.4

片面1000ピン
片面10001000ピン

ＰｏＰ-ＢＧＡ

両面240ピン両面240ピン両面240PCB

PCB

PCB

PCB

リフロー方式
自動はんだ付け（１）加熱

はんだペースト印刷（２）

加熱
糸はんだ
はんだコテ

部品搭載（２）
リフロー方式
自動はんだ付け（２）加熱

図1 顧客製品の実装動向

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図2 基板の実装形態およびはんだ付け工法

ユビキタスサービス特集／TELECOM2006出展報告 ●また，これらはんだ付けにおいては，従来の鉛を含有する共晶はんだに替わり，鉛フリーはんだ（Sn-3Ag0.5Cu）を用いて，プリント配線板と部品間をはんだ接合する（図2）。
特に鉛フリーはんだにおける溶融温度は，共晶はんだ183℃に対し，217〜220℃と高く，はんだ付け時，より高温での加熱が必要となる。
以下，部品形態ごとのはんだ付け上の課題，これを解決した新工法の特長について述べる。

図4 リフロー方式自動はんだ付けにおける温度バラツキ

SMT部品のリフロー方式自動はんだ付け工法を得るためには，これまでになく，均一な加熱を可能と（1）鉛フリーはんだ付けの課題するリフロー装置が求められる。

一般的なSMT部品の保証耐熱温度は，230℃程度である。リフロー方式自動はんだ付けにおいて，230℃以（3）新リフロー装置の開発

上で加熱した場合，熱ストレスにより部品の破損が発生

大型･高多層基板のリフロー方式自動鉛フリーはんだ付する。また，鉛フリーはんだは，溶融温度が220℃程度でけの実現に向け，当社では，古河電気工業株式会社殿とあり，これ以下の加熱温度では，はんだ未接合の不具合共同で新加熱方式を採用したリフロー装置を開発した。本となる。つまり，鉛フリーはんだを用いたリフロー方式

開発装置は，多ゾーンリフロー装置をベースに改良を加自動はんだ付けにおいて，良好なはんだ付けを得るためえたものである。本装置は以下に示す特長がある。には，はんだ付け温度範囲を10℃以内で制御する必要が① 多ゾーン（12ゾーン）
加熱ゾーン数が多く，装置内の温度をきめ細かく設定ある。
従来の共晶はんだ付けでは，温度範囲50℃以内であっすることが可能である。すなわち，基板の昇温を精度良くたものに対し，その難易度は，アップしている（図3）。

行えるため，基板内温度ばらつき（ΔT）を低減できる。
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。さらはんだ付け温度範囲に，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，温度シミュレーションの適用が可能となった。通常，リフロー装置で基板を加熱する際，基板ごとに温度設定を行う必要がある。本装置では，温度シミュレーションにより，基板上の部品の温度を予測することが可能となった。
③ 新加熱方式の採用
新規開発装置には当社独自の加熱方式を採用している。

図3 共晶はんだと鉛フリーはんだのはんだ付け温度範囲

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，（2）大型高多層基板の課題鉛フリーはんだによる実装要求が高まる一方，基板の大型･高多層化も加速している。大型･高多層基板のはん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度で行える。

だ付けにおいては，部品の実装レイアウトや種類，大きさごとに，必要となる熱量が異なる。言い換えると，従（4）新加熱方式の効果

来のリフロー方式自動はんだ付け工法では，各実装部品① 評価基板間ではんだ付け可能範囲10℃を超える温度バラツキが発生する（図4）。
つまり，大型･高多層基板で良好な鉛フリーはんだ付け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（基板厚み：3.1mm 22層），CCGA（Ceramic Column Grid Array）やBGA（Ball Grid

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Array）を搭載しているため，はんだ付けが非常に難しい。

や内層スルーホールのパターン断線不具合が発生する。し特にCCGAは熱容量が大きく，十分に加熱するためにはたがって，手はんだ工法による作業では，高い技能が要多くの熱量が必要になる。

求される。
また，はんだ付けの出来栄えであるスルーホール内へ② 検証結果
温度測定結果を図5に示す。図中の数値は，基板をリフロー装置で加熱した際，搭載されている部品温度の最大のはんだ充填状態については，目視による点検では，判別不可能である（図6）。

値と最小値を示している。この最小値と最大値の差＝ΔT
はんだコテの値が小さい程，リフロー装置としての性能が高いこと未充填になる。

搭載部品
最高温度
搭載部品
最低温度

はんだコテ

パターン断線
熱量小温度（℃）
250

熱量大ΔT=19.1℃
240

ΔT=12.8℃
ΔT=4.7℃

230

目視点検
不可能

図6

ディスクリート部品

ディスクリート部品

大型･高多層基板の鉛フリーはんだ付け（手はんだ工法）の課題

220（2）局所フロー方式自動はんだ付け工法・X線検査の特長
適用装置

一般装置
（９ゾーン）

開発ベース装置
開発装置（１２ゾーン） （新加熱方式）

図5 リフロー装置別温度測定結果

当社では，大型･高多層基板へのディスクリート部品鉛フリーはんだ付けの実現に向け，｢ディップパレットを用いた局所フロー方式自動はんだ付け工法｣とこの出来栄えを保証する｢スルーホールはんだ充填状態のX線検査｣の開検証結果から，一般的な装置と比較して，新加熱方式発に取り組んできた。

を用いた装置は，明らかに優れた結果を示した。さらに，

本はんだ付け工法は，既にリフロー方式自動はんだ付基板面内のΔTを4.7℃まで低減することが可能となり，けにより実装済みのSMT部品を防熱し，はんだ付けした開発を行う上で目標とした値を上回る結果が得られた。

いディスクリート部品部分を開口したパレットを用いて③ 温度シミュレーションの実施

フロー方式で自動はんだ付けする工法である（図7）。

今回の装置開発では，加熱性能の向上に加え，装置条フロー方式自動はんだ付け工法とは，基板を予備加熱，件設定の効率化を目的とした基板温度シミュレーション溶融はんだに浸漬させることにより，複数のディスクの検討を行った。結果としては，装置条件設定時間を短リート部品を一括はんだ付けする工法である。しかし，両縮，製品立ち上げ時間の大幅な短縮に貢献することがで

面リフロー方式自動はんだ付け後は，SMT部品の溶融はきた。

んだ浸漬による熱破損を考慮し，行われないのが一般的である。今回は，先に述べたディップパレットを用いるディスクリート部品の局所フロー方式自動はんだ付け工法（1）ディスクリート部品のはんだ付けにおける課題ことによりこの課題を解決した。
さらに，従来より当社BGAはんだ付け検査で適用，確立してきた3次元自動X線検査のノウハウを活かし，外観基板にSMT部品を両面リフロー後，さらにディスクリート部品を実装する上では，一般的に，はんだコテを用いた手はんだ付け工法が用いられる。
しかし，大型･高多層基板の鉛フリーはんだ付けにおい大型・高多層基板のフロー方式自動はんだ付け工法
ディスクリート部品

ディスクリート部品ては，基板熱容量の増加，はんだ溶融温度の上昇により，はんだコテ温度が低い場合，スルーホール内のはんだ未充填が発生する。また，はんだコテ温度が高い場合，スルーホール局部への集中加熱となり，基板材の熱膨張率の差異により，スルーホールとプリント配線板間の剥離

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溶融はんだ予備加熱（均一加熱）

図7

パレットによる熱保護

局所自動フロー工法

ユビキタスサービス特集／TELECOM2006出展報告 ●から目視確認できないディスクリート部品のはんだ付け術の取り組みにおいては，OKI EMSの特長である高品状態の自動検査を実現した。

質・高信頼性を考慮した開発，他社には真似のできないコア技術を探求していく。

これらの特長を以下に述べる。

また，生産技術開発のみならず，設計開発力の強化も図り，幅広いサービスを提供していく。

① 品質の向上
フロー方式自動はんだ付け装置での予備加熱により，基これら活動を通じ，顧客の期待に継続して応えていく板全体が均一加熱され，はんだコテのような局所的な集とともに世界No.1のOKI EMSを目指していきたい。◆◆中加熱が抑制されるため，スルーホールとプリント配線板間の剥離や内層スルーホールのパターン断線不具合を防ぎ，さらに，大きな熱量が加えられることより，スルーホールの十分なはんだ充填を実現する。
② 自動による効率化と繰り返し性向上
自動装置による複数部品の一括はんだ付けが可能で作業効率が向上。また，高い技能が要求されるはんだ付けにおいても，バラツキが少なく，繰り返し性がある。
③ 高い品質保証
2次元X線検査では，プリント配線板のパターンや実装部品の写りこみがあり，スルーホール内のはんだ充填状態の検査は不可である。今回，3次元X線検査の適用により，スルーホール内のはんだ充填率を検出，はんだ付けの良否を判断し，より高いレベルの保証を実現した（図8）。
はんだ充填不足■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
3）町田政広，小板橋雄也：大型高多層基板の鉛フリーはんだ付
け技術，沖テクニカルレビュー207号，Vol.73 No.3，pp.3841，2006年7月●筆者紹介
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
小日向隆：Takashi Obinata. 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
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

３次元のＸ線画像により、はんだ充填不足の検査が可能
鉛フリーはんだ

はんだ充填不足

３次元：検出可能

２次元：検出不可

図8 スルーホール内のはんだ充填状態検査

今後の展望
今回は，これまでに開発してきた大型・高多層基板の鉛フリーはんだ付け工法について紹介したが，今後，図1（顧客製品の実装動向）で示した通り，実装部品においては，｢PoP−BGA（Package On Package−Ball GridArray）｣，｢多ピンの両面圧入コネクタ｣が登場，3次元実装技術・検査技術への取り組みが必要となる。これら技

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