はんだ付け方法及びリフローはんだ付け装置
【課題】
従来の超音波を用いたはんだ付け方法では、超音波振動子の高温化に伴う破壊やスループットの低下等の問題を有していた。
【解決手段】
被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前期被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記被接続部材から前記超音波振動子と接続された音極を遠ざけ、前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第四の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法を提供する。
従来の超音波を用いたはんだ付け方法では、超音波振動子の高温化に伴う破壊やスループットの低下等の問題を有していた。
【解決手段】
被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前期被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記被接続部材から前記超音波振動子と接続された音極を遠ざけ、前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第四の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、毒性が少ないが、一般的にぬれ性が悪い鉛フリーはんだ合金を用いたリフローはんだ付け方法、及びこれを実現するリフローはんだ付け装置に関するものである。この鉛フリーはんだ合金は、有機基板等の回路基板への電子部品の接続に適用でき、２２０℃付近でのはんだ付けに用いられているＳｎ−３７Ｐｂ（単位：質量％）はんだの代替材として特に有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属筐体へのはんだ付け方法としては、接続部に配置されたはんだ板材（プリフォーム）をリフロー炉の中で溶融させて接続する工程が主流となっている。
また、接続に使用されるはんだは地球環境保護の観点から鉛フリーはんだを使用することが必須であり、はんだとしては融点が２００〜２２０℃付近のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系を主体とした合金などが使用されている。
【０００３】
しかしながら、鉛フリーはんだ合金は一般的に従来のＳｎ−３７Ｐｂはんだと比較してぬれ性が悪く、特にＳｎ−Ｚｎ系はんだの場合、はんだが接続部材に対してぬれ広がりにくく、結果としてはんだの広がり方が比較的少なくなった場所に応力集中し、そこが亀裂の早期発生点となることで接続信頼性が低下してしまう場合がある。
【０００４】
そこで、ぬれ性を向上させるためにフラックスの供給量を増加させるとはんだ内にガスが残留し、その部分がはんだ内ボイドとなる。このボイドも接続信頼性低下をまねく危険性がある。
ぬれ性を向上させるためには、はんだの流動性を高めて、はんだの溶融物性を改善する、すなわち、溶融時のはんだの表面張力や動粘度を低くすれば良い。
【０００５】
しかし、溶融物性ははんだのベース金属である錫の含有量によって殆どが決まってしまうため、はんだの組成を大きく変えてしまうと融点も大きく変わり場合によってははんだ付けに適さなくなってしまうため、はんだの組成によって溶融物性を制御するのは不可能である。
【０００６】
さらに、鉛フリーはんだのなかでも、最も汎用的に使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系は組成によっては引け巣の発生が著しく、熱機械的なストレスが原因ではんだ内に発生したクラックを介してこの引け巣が前述のボイドと連結すると相乗効果で著しく接続信頼性が低下してしまう場合がある。
【０００７】
これに対し、特許文献１では、超音波振動の振動エネルギーにより発生する応力により、はんだのぬれ性を得てはんだ付けを行なう方法が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平０８−１７４２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者等は、上記問題点に対して、以下のような方法に効果があると考えた。
（ア）はんだ付けを窒素などの不活性雰囲気中で実施し、はんだ酸化物の出現を抑える、
（イ）はんだの流路幅を広くかつ、屈曲部を無くして流路形状を単純化する、
（ウ）超音波によりはんだの表面張力などを低下させる
しかし、上記（ア）では従来の技術で鉛フリーはんだの使用時には通常使用されるものであり、さらに、上記（イ）は被接続物側の仕様変更での対応方法であるが、被接続物が微細化するに伴い実現は困難となるため、適当でない。
【００１０】
これに対して、上記特許文献１のように（ウ）の手段を用いることが有効であるが、従来技術においては以下の点が検討されておらず、課題を有していた。
すなわち、超音波を用いる場合、効果を得るためには超音波振動子を被接続部材付近に配置する又はこれに接触させなければならないところ、超音波振動子は耐熱温度が１００度程度と低く、高温下のリフロー炉内で長時間使用すると破壊してしまうため、短時間しか使用できず、リフロー炉の中の高温雰囲気中で恒常的に使用することができなかった。また、一度使用され、超音波振動子が一旦高温になると、次に使用するまで温度が下がるのを待たなければならず、高温化防止又は高速低温化の施策がなされていない為、全体としてスループット低下を招いていた。
【００１１】
また、一般的な鉛フリーはんだの溶融状態における音波の波長は音速を周波数で割った値であることから、超音波振動子の周波数が大きいほど波はきめ細かくなり、はんだ表面付近の溶融物性値は変化するものの、溶融はんだが大きな波長の波を持つ場合には溶融はんだの一部が周辺にあふれたり、液滴が周辺に飛散しやすくなる等の問題が生じるため、被接続部材がはんだ付け時にずれを生じないように十分なセルフアライメントの確保や適切なガイド構造が必要であるところ、上記特許文献１の従来技術においてはこれらが何ら検討されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するものであり、はんだの流動を比較的容易に実現して、高信頼接続を実現するはんだ付け方法及びこれに用いるリフローはんだ付け装置を提供するものである。本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば以下の通りである。
（１）被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前記被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記被接続部材から前記超音波振動子と接続された音極を遠ざけ、前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第四の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法である。
（２）被接続部材にはんだを供給する第一の工程と、前記はんだに光を照射して溶融させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子に接続された音極と前記被接続部材とを近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記被接続部材と前記超音波振動子に接続された音極とを遠ざけ、前記はんだを凝固させる第四の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法である。
（３）炉体と、前記炉体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、前記炉体内に設けられ、前記被接続部材を加熱するヒーターと、前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、前記音極及び前記超音波振動子を支持し、上下に可動するスライダーと、を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置である。
（４）筐体と、前記筐体に対して上下に可動し、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、前記はんだに光を照射して加熱する光源と、前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、はんだの流動を比較的容易に実現して、高信頼接続を実現するはんだ付け方法及びこれに用いるリフローはんだ付け装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係るリフローはんだ付け装置の第一の実施形態は、図１に示す通り、リフロー炉の炉体１と、炉体１の上方に固定され、はんだが供給された被接続部材２を搭載するステージ３と、被接続部材２を加熱するヒーター４（シーズヒータ等）と、被接続部材の下方に近づける又は接触させる音極５と、音極５と接続され、これに超音波振動を付与する超音波振動子６と、音極５と超音波振動子６とを支持する超音波発信器本体７と、超音波発信機本体７と接続して音極５と超音波振動子６とを支持し、炉体１に対して上下に可動するスライダー８と、スライダー８が移動して炉体１の下方で待機する領域とステージ３及びヒーター４とが設けられた領域との間に設けられた耐火壁９とを有して構成される。
【００１５】
本実施形態のリフローはんだ付け装置を用いたはんだ付けでは、被接続部材２のはんだが溶融している間にスライダー８が上昇し、超音波振動子６より超音波振動が付与された音極５により被接続部材２に対して直接あるいは波長に変化を生じさせない程度に間接的に超音波加振が行われる。これによれば、スライダー８によるガイド構造により被接続部材２に対して正確に加振することができ、適切にはんだのぬれ性を向上させることができる。また、加振後には、スライダー８により超音波振動子６を炉体１内において温度が低い下方に移動・退避させることで、超音波振動子６の高温化に伴う破壊を防止することができる。ここで、図示しないが、超音波振動子を温度フィルタリングして、耐熱温度に到達する前に自動的に移動・退避する手段を設けておくと、より有効である。さらに、この下方の領域と高温下に置かれるヒーター４が設けられた領域との間に耐火壁９を設けることで、下方領域の高温化を抑制することが可能となり、スループットの低下をより抑制することができる。
【００１６】
次に、本発明に係るリフローはんだ付け装置の第二の実施形態について、図２を用いて説明する。
多くの構成で第一の実施形態と共通するものの、第一の実施形態と比較した本実施形態の主な特徴は、超音波振動子６をガラスウールなどの断熱材１０で覆った構成とした点であり、これにより、超音波振動子６の温度上昇を遅延できるほか、長時間の超音波加振が可能となる。すなわち、本実施形態のリフローはんだ付け装置を用いたはんだ付けにおいては、はんだ溶融中に長時間にわたって超音波加振ができるため、はんだ付け時にはんだ内に発生しうるフラックスアウトガス起因のボイドの影響が問題となる組成のはんだに対しては有効となる。
【００１７】
なお、図２においては、炉体１の下方にステージ３及びヒーター４を設け、被接続部材２の上から音極５を近づける例を示しているが、第一の実施形態のように、これらの位置関係を上下反対にしても、また、耐火壁９を設けた構成にしても構わない。
【００１８】
次に、本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態は、図３に示すように、リフロー炉の炉体１と、炉体１の下方に固定され、はんだが供給された被接続部材２を搭載して上下に可動するステージ３と、被接続部材２を加熱するヒーター４と、被接続部材２の上方に近づける又は接触させる音極５と、炉体１の外部に配置され、音極５と接続してこれに超音波振動を付与する超音波振動子６と、音極５と超音波振動子６とを支持する超音波発信器本体７とを有して構成される。
【００１９】
本実施形態の主な特徴は、炉体を十分小型化して、超音波振動子６を炉体１の外部に配置した点であり、超音波振動子６が直接高温環境下に置かれることなく、被接続部材２に超音波を加振することができる点で有効である。これを用いたはんだ付けにおいては、超音波振動子６は音極５から伝達される熱の影響のみで直接高温環境下に置かれないため、長時間の超音波加振ができるほか、超音波振動子６の冷却を待つ時間も短縮でき、スループットの向上も図ることができる。
【００２０】
なお、本実施の形態では、ステージ３を可動な構成とすることで、被接続部材２と音極５との正確な位置合せを行なう例を示したが、これに限られず、図４のように、炉体１の外部に超音波発信器本体７と接続されたスライダー８を設けると共に、炉体１にシャッター１１を設けて、適宜シャッター１１を開閉させ、超音波振動子６が炉体１内に入らない範囲で可動な構成としてもよい。炉内を窒素などの不活性雰囲気とする必要があるときは、シャッター１１により大気が炉内に入りにくくなるため、大気中の酸素の炉内侵入によるはんだぬれ性低下防止に有効である。また、図５のように、超音波振動子６を外部に配置する代わりに、必要に応じて冷媒により冷却することができるシリンダー１２内に配置することも可能である。この場合にも、超音波発信器本体７が炉内と炉外とを隔絶するピストンの役割をも担うため、炉内への大気侵入によるはんだぬれ性低下を防止することができる。このほか、超音波振動子６と音極５との接続部に伸縮可能な手段を設け、超音波振動子６を動かすことなく、音極５だけを可動とする構成としてもよい。
【００２１】
また、本実施形態においては、ステージ３が炉体１の下方に固定され、炉体１の上方に超音波振動子６等を配置する構成を示したが、第一の実施形態のように、これらの上下の構成を適宜反対にしたものであっても構わない。
【００２２】
次に、本発明に係るリフローはんだ付け装置の第四の実施形態は、図６に示すように、筐体１３と、筐体１３の下方に固定され、はんだが供給された被接続部材２を搭載して上下に可動するステージ３と、被接続部材２に局所的に光を照射し加熱する赤外線ランプ等の光源１４と、被接続部材２の上方に近づく又は接触させる音極５と、筐体１３の外部に配置され、音極５と接続してこれに超音波振動を付与する超音波振動子６と、音極５と超音波振動子６とを支持する超音波発信器本体７とを有して構成される。
【００２３】
多くの構成で第三の実施形態と共通するものの、第三の実施形態と比較した本実施形態の主な特徴は、被接続部材２の加熱を光源１４で行なう構成とした点であり、このような局所加熱方式は筐体１３内全体が高温下に置かれるわけではないため、超音波振動子６の温度上昇を防止することが可能となる。従って、図４では超音波振動子６を筐体１３の外部に配置する例を示したが、筐体１３の内部にあっても構わない。すなわち、本実施形態のリフローはんだ付け装置を用いたはんだ付けにおいては、音極５に直接赤外線ビームが当たらないようにすることで、超音波振動子６のみならず音極５もほとんど高温とならないため、長時間の超音波加振ができるほか、超音波振動子６の冷却を待つこともなく、他の実施形態を用いたはんだ付けよりもスループットの向上を図ることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態では、第三の実施形態と同様に、ステージ３を可動とするのでなく、筐体１３の外部に超音波発信器本体７と接続されたスライダーを設けて、超音波振動子６が筐体１３内に入らない範囲で可動な構成としてもよく、超音波振動子６と音極５との接続部に伸縮可能な手段を設け、超音波振動子６を動かすことなく、音極５だけを可動とする構成としてもよい。また、第一の実施形態のように、各構成の上下を適宜反対にしたものであってもよい。また、図４では光源１４が２つの場合を示したが、光源の個数はこれに限られず、１個であっても３個以上であっても構わない。
【００２５】
以下、本発明で開示したいくつかの実施形態のリフローはんだ付け装置を用いてはんだ付けした製品の接続信頼性について、具体的に実施した実験結果を示す。
【００２６】
筐体内部に不活性ガスを封止する構造を持つ製品の該筐体に筐体内部と外部の間で電気信号を伝達する金属コネクタをはんだ接続し、該はんだ接続部から不活性ガスがリークしないようにする必要がある形態の実験例について説明をする。
このアルミ合金製筐体には、はんだ付け時にステンレス製コネクタのずれが生じないようガイドされている。
なお、アルミ合金製筐体、およびステンレス製コネクタには表面にニッケルめっきが施されている。また、正常にはんだ付けがなされると、アルミ合金製筐体、およびステンレス製コネクタの最も狭い５０μｍの間隙にもはんだが入り込むことになる。
フラックスはイソプロピルアルコールがベースで活性剤として２％の塩化物を含んでいるものとした。
リフローはんだ付けは、代表的な鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを用いて、昇温速度１．６℃／秒、ピーク温度２５０℃で実施された。
なお、これらの条件は以下に示す実験例の全てにおいて適用した。
【００２７】
[実験例１]
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（A）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
（B）超音波による加振を全く行わず、はんだ付けし、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００２８】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、
（A）の場合・・・０％
（B）の場合・・・２０％
であった。
【００２９】
はんだ接続部のＸ線透視や断面観察による不良解析を実施すると、（B）の２０％リーク不良の発生原因は主に、はんだ付け時にはんだ内に発生したフラックスアウトガス起因のボイドであり、温度サイクル試験時にはんだ接続部に発生したクラックがこのボイドと連結することで、早期にリークが開始してしまうことがわかった。
これにより、はんだ付け時に超音波加振することに効果があることがわかった。
【００３０】
［実験例２］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（C）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部（雰囲気温度４０℃の場所）に退避させて、はんだを凝固させたもの、
（D）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００３１】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（C）、（D）いずれの場合も０％であった。
【００３２】
しかし、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（C）の場合・・・２分
（D）の場合・・・５分
となった。
よって、（C）の場合は、（D）の２．５倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、振動子が炉内の低温部に退避するかあるいは炉外へ移動できるようにすることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００３３】
［実験例３］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている。
いま、この炉を使用して、接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに超音波による加振を開始し、振動子が８０℃に到達したとき炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部（雰囲気温度４０℃の場所）に退避させて、はんだを凝固させることにした。
【００３４】
また、振動子は、
（E）厚さ１０ｍｍのガラスウールで包み、さらにこの部分をステンレス製のカバーで覆っているもの、
（F）そのままのもの、
の２種類を使用してはんだ付けを行い、アルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
その結果、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（E）の場合・・・３分
（F）の場合・・・２分
と、（E）の方が長時間待機する必要があった。
【００３５】
しかし、はんだが溶融状態のときに超音波による加振を開始し、振動子が８０℃に到達して炉のヒータースイッチを切るまでの時間は、
（E）の場合・・・１５秒
（F）の場合・・・１０秒
と、（E）の方が長時間超音波加振が可能であった。
【００３６】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件２０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、３６０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、
（E）の場合・・・０％
（F）の場合・・・２０％
であった。
【００３７】
はんだ接続部のＸ線透視や断面観察による不良解析を実施すると、（F）の２０％リーク不良の発生原因は主に、はんだ付け時にはんだ内に発生したフラックスアウトガス起因の微細なボイドであり、温度サイクル試験時にはんだ接続部に発生したクラックがこのボイドと連結することで、（F）の場合は比較的早期にリークが開始してしまうことがわかった。
よって、（E）の場合は、製品１台あたりの生産時間が（F）の１．５倍かかるが、耐熱性の低い超音波振動子を長時間リフロー炉の中で使用できるため、接続信頼性を向上させる効果があることがわかった。
【００３８】
［実験例４］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている以下の、
（G）炉体が小型でそのサイズが概ね一辺２５０ｍｍの立方体の形状であり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ているもの、
（H）炉のサイズが概ね一辺４００ｍｍの立方体の形状であり、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部（雰囲気温度４０℃の場所）に退避させるもの、
の２種類の炉とした。
【００３９】
以上の２種類の炉を使用して、接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ることにより、アルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（G）、（H）いずれの場合も０％であった。
【００４０】
しかし、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は、言うまでもなく両者間で差が発生し、
（G）の場合・・・３０秒
（H）の場合・・・２分
となった。
よって、炉体が小型で耐熱性の低い超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ている（G）の場合は、（H）の場合と同様の接続信頼性を実現でき、さらに生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００４１】
［実験例５］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている以下の、
（I）炉体が小型でそのサイズが概ね一辺２５０ｍｍの立方体の形状であり、炉の熱源を赤外線ランプとし、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ており、赤外線ランプのビームの焦点が音極から離れているもの、
（J）炉体が小型でそのサイズが概ね一辺２５０ｍｍの立方体の形状であり、炉の熱源をシーズヒータとし、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ているもの、
の２種類の炉とした。
【００４２】
以上の２種類の炉により、アルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（I）、（J）いずれの場合も０％であった。
【００４３】
しかし、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は、言うまでもなく両者間で差が発生し、
（I）の場合・・・０秒
（J）の場合・・・３０秒
となった。
よって、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、被加熱物の加熱方法を赤外線ランプなどの局所加熱方式とし振動子に直接赤外線ビームが当たらないようにする（I）の場合は、（J）の場合と同様の接続信頼性を実現でき、さらに生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００４４】
［実験例６］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、炉内に窒素を供給し概ね酸素濃度１０００ｐｐｍの雰囲気でリフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（K）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させた後、炉体表面にできた開口部をシャッターによって閉じ、はんだを凝固させたもの、
（L）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させて、はんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００４５】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（K）、（L）いずれの場合も０％であった。
【００４６】
しかし、振動子が十分冷却され、次のロットのはんだ付け準備のために炉内の酸素濃度を１０００ｐｐｍの不活性雰囲気にするために待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（K）の場合・・・２分
（L）の場合・・・３分
となった。
よって、（K）の場合は、（L）の１．５倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、振動子を炉外に退避させた後、炉体表面にできた開口部をシャッターによって閉じることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００４７】
［実験例７］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、炉内に窒素を供給し概ね酸素濃度１０００ｐｐｍの雰囲気でリフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（M）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに炉内と連結しており、必要に応じて冷媒により冷却することの出来るシリンダー内に振動子を退避し、振動子を持つ加振部が炉内と炉外を隔絶するピストンの役割を持った状態を維持させながら、はんだを凝固させたもの、
（N）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させて、はんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００４８】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（M）、（N）いずれの場合も０％であった。
【００４９】
しかし、振動子が十分冷却され、次のロットのはんだ付け準備のために炉内の酸素濃度を１０００ｐｐｍの不活性雰囲気にするために待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（M）の場合・・・２０秒
（N）の場合・・・３分
となった。
よって、（M）の場合は、（N）の９倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、炉内と連結しており、必要に応じて冷媒により冷却することの出来るシリンダー内に振動子を退避し、振動子を持つ加振部が炉内と炉外を隔絶するピストンの役割を持った状態を維持させることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００５０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態を用いて説明すると共に、具体的な実験例を説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第一の実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第二の実施形態を示す図である。
【図３】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態を示す図である。
【図４】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態の変形例１を示す図である。
【図５】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態の変形例２を示す図である。
【図６】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第四の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 炉体、
２ 被接続部材、
３ ステージ、
４ ヒーター、
５ 音極、
６ 超音波振動子、
７ 超音波発信器本体、
８ スライダー、
９ 耐火壁、
１０ 断熱材、
１１ シャッター、
１２ シリンダー、
１３ 筐体、
１４ 光源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、毒性が少ないが、一般的にぬれ性が悪い鉛フリーはんだ合金を用いたリフローはんだ付け方法、及びこれを実現するリフローはんだ付け装置に関するものである。この鉛フリーはんだ合金は、有機基板等の回路基板への電子部品の接続に適用でき、２２０℃付近でのはんだ付けに用いられているＳｎ−３７Ｐｂ（単位：質量％）はんだの代替材として特に有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属筐体へのはんだ付け方法としては、接続部に配置されたはんだ板材（プリフォーム）をリフロー炉の中で溶融させて接続する工程が主流となっている。
また、接続に使用されるはんだは地球環境保護の観点から鉛フリーはんだを使用することが必須であり、はんだとしては融点が２００〜２２０℃付近のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系を主体とした合金などが使用されている。
【０００３】
しかしながら、鉛フリーはんだ合金は一般的に従来のＳｎ−３７Ｐｂはんだと比較してぬれ性が悪く、特にＳｎ−Ｚｎ系はんだの場合、はんだが接続部材に対してぬれ広がりにくく、結果としてはんだの広がり方が比較的少なくなった場所に応力集中し、そこが亀裂の早期発生点となることで接続信頼性が低下してしまう場合がある。
【０００４】
そこで、ぬれ性を向上させるためにフラックスの供給量を増加させるとはんだ内にガスが残留し、その部分がはんだ内ボイドとなる。このボイドも接続信頼性低下をまねく危険性がある。
ぬれ性を向上させるためには、はんだの流動性を高めて、はんだの溶融物性を改善する、すなわち、溶融時のはんだの表面張力や動粘度を低くすれば良い。
【０００５】
しかし、溶融物性ははんだのベース金属である錫の含有量によって殆どが決まってしまうため、はんだの組成を大きく変えてしまうと融点も大きく変わり場合によってははんだ付けに適さなくなってしまうため、はんだの組成によって溶融物性を制御するのは不可能である。
【０００６】
さらに、鉛フリーはんだのなかでも、最も汎用的に使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系は組成によっては引け巣の発生が著しく、熱機械的なストレスが原因ではんだ内に発生したクラックを介してこの引け巣が前述のボイドと連結すると相乗効果で著しく接続信頼性が低下してしまう場合がある。
【０００７】
これに対し、特許文献１では、超音波振動の振動エネルギーにより発生する応力により、はんだのぬれ性を得てはんだ付けを行なう方法が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平０８−１７４２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者等は、上記問題点に対して、以下のような方法に効果があると考えた。
（ア）はんだ付けを窒素などの不活性雰囲気中で実施し、はんだ酸化物の出現を抑える、
（イ）はんだの流路幅を広くかつ、屈曲部を無くして流路形状を単純化する、
（ウ）超音波によりはんだの表面張力などを低下させる
しかし、上記（ア）では従来の技術で鉛フリーはんだの使用時には通常使用されるものであり、さらに、上記（イ）は被接続物側の仕様変更での対応方法であるが、被接続物が微細化するに伴い実現は困難となるため、適当でない。
【００１０】
これに対して、上記特許文献１のように（ウ）の手段を用いることが有効であるが、従来技術においては以下の点が検討されておらず、課題を有していた。
すなわち、超音波を用いる場合、効果を得るためには超音波振動子を被接続部材付近に配置する又はこれに接触させなければならないところ、超音波振動子は耐熱温度が１００度程度と低く、高温下のリフロー炉内で長時間使用すると破壊してしまうため、短時間しか使用できず、リフロー炉の中の高温雰囲気中で恒常的に使用することができなかった。また、一度使用され、超音波振動子が一旦高温になると、次に使用するまで温度が下がるのを待たなければならず、高温化防止又は高速低温化の施策がなされていない為、全体としてスループット低下を招いていた。
【００１１】
また、一般的な鉛フリーはんだの溶融状態における音波の波長は音速を周波数で割った値であることから、超音波振動子の周波数が大きいほど波はきめ細かくなり、はんだ表面付近の溶融物性値は変化するものの、溶融はんだが大きな波長の波を持つ場合には溶融はんだの一部が周辺にあふれたり、液滴が周辺に飛散しやすくなる等の問題が生じるため、被接続部材がはんだ付け時にずれを生じないように十分なセルフアライメントの確保や適切なガイド構造が必要であるところ、上記特許文献１の従来技術においてはこれらが何ら検討されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するものであり、はんだの流動を比較的容易に実現して、高信頼接続を実現するはんだ付け方法及びこれに用いるリフローはんだ付け装置を提供するものである。本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば以下の通りである。
（１）被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前記被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記被接続部材から前記超音波振動子と接続された音極を遠ざけ、前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第四の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法である。
（２）被接続部材にはんだを供給する第一の工程と、前記はんだに光を照射して溶融させる第二の工程と、前記はんだの溶融中に、超音波振動子に接続された音極と前記被接続部材とを近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、前記被接続部材と前記超音波振動子に接続された音極とを遠ざけ、前記はんだを凝固させる第四の工程と、を有することを特徴とするはんだ付け方法である。
（３）炉体と、前記炉体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、前記炉体内に設けられ、前記被接続部材を加熱するヒーターと、前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、前記音極及び前記超音波振動子を支持し、上下に可動するスライダーと、を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置である。
（４）筐体と、前記筐体に対して上下に可動し、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、前記はんだに光を照射して加熱する光源と、前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、はんだの流動を比較的容易に実現して、高信頼接続を実現するはんだ付け方法及びこれに用いるリフローはんだ付け装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係るリフローはんだ付け装置の第一の実施形態は、図１に示す通り、リフロー炉の炉体１と、炉体１の上方に固定され、はんだが供給された被接続部材２を搭載するステージ３と、被接続部材２を加熱するヒーター４（シーズヒータ等）と、被接続部材の下方に近づける又は接触させる音極５と、音極５と接続され、これに超音波振動を付与する超音波振動子６と、音極５と超音波振動子６とを支持する超音波発信器本体７と、超音波発信機本体７と接続して音極５と超音波振動子６とを支持し、炉体１に対して上下に可動するスライダー８と、スライダー８が移動して炉体１の下方で待機する領域とステージ３及びヒーター４とが設けられた領域との間に設けられた耐火壁９とを有して構成される。
【００１５】
本実施形態のリフローはんだ付け装置を用いたはんだ付けでは、被接続部材２のはんだが溶融している間にスライダー８が上昇し、超音波振動子６より超音波振動が付与された音極５により被接続部材２に対して直接あるいは波長に変化を生じさせない程度に間接的に超音波加振が行われる。これによれば、スライダー８によるガイド構造により被接続部材２に対して正確に加振することができ、適切にはんだのぬれ性を向上させることができる。また、加振後には、スライダー８により超音波振動子６を炉体１内において温度が低い下方に移動・退避させることで、超音波振動子６の高温化に伴う破壊を防止することができる。ここで、図示しないが、超音波振動子を温度フィルタリングして、耐熱温度に到達する前に自動的に移動・退避する手段を設けておくと、より有効である。さらに、この下方の領域と高温下に置かれるヒーター４が設けられた領域との間に耐火壁９を設けることで、下方領域の高温化を抑制することが可能となり、スループットの低下をより抑制することができる。
【００１６】
次に、本発明に係るリフローはんだ付け装置の第二の実施形態について、図２を用いて説明する。
多くの構成で第一の実施形態と共通するものの、第一の実施形態と比較した本実施形態の主な特徴は、超音波振動子６をガラスウールなどの断熱材１０で覆った構成とした点であり、これにより、超音波振動子６の温度上昇を遅延できるほか、長時間の超音波加振が可能となる。すなわち、本実施形態のリフローはんだ付け装置を用いたはんだ付けにおいては、はんだ溶融中に長時間にわたって超音波加振ができるため、はんだ付け時にはんだ内に発生しうるフラックスアウトガス起因のボイドの影響が問題となる組成のはんだに対しては有効となる。
【００１７】
なお、図２においては、炉体１の下方にステージ３及びヒーター４を設け、被接続部材２の上から音極５を近づける例を示しているが、第一の実施形態のように、これらの位置関係を上下反対にしても、また、耐火壁９を設けた構成にしても構わない。
【００１８】
次に、本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態は、図３に示すように、リフロー炉の炉体１と、炉体１の下方に固定され、はんだが供給された被接続部材２を搭載して上下に可動するステージ３と、被接続部材２を加熱するヒーター４と、被接続部材２の上方に近づける又は接触させる音極５と、炉体１の外部に配置され、音極５と接続してこれに超音波振動を付与する超音波振動子６と、音極５と超音波振動子６とを支持する超音波発信器本体７とを有して構成される。
【００１９】
本実施形態の主な特徴は、炉体を十分小型化して、超音波振動子６を炉体１の外部に配置した点であり、超音波振動子６が直接高温環境下に置かれることなく、被接続部材２に超音波を加振することができる点で有効である。これを用いたはんだ付けにおいては、超音波振動子６は音極５から伝達される熱の影響のみで直接高温環境下に置かれないため、長時間の超音波加振ができるほか、超音波振動子６の冷却を待つ時間も短縮でき、スループットの向上も図ることができる。
【００２０】
なお、本実施の形態では、ステージ３を可動な構成とすることで、被接続部材２と音極５との正確な位置合せを行なう例を示したが、これに限られず、図４のように、炉体１の外部に超音波発信器本体７と接続されたスライダー８を設けると共に、炉体１にシャッター１１を設けて、適宜シャッター１１を開閉させ、超音波振動子６が炉体１内に入らない範囲で可動な構成としてもよい。炉内を窒素などの不活性雰囲気とする必要があるときは、シャッター１１により大気が炉内に入りにくくなるため、大気中の酸素の炉内侵入によるはんだぬれ性低下防止に有効である。また、図５のように、超音波振動子６を外部に配置する代わりに、必要に応じて冷媒により冷却することができるシリンダー１２内に配置することも可能である。この場合にも、超音波発信器本体７が炉内と炉外とを隔絶するピストンの役割をも担うため、炉内への大気侵入によるはんだぬれ性低下を防止することができる。このほか、超音波振動子６と音極５との接続部に伸縮可能な手段を設け、超音波振動子６を動かすことなく、音極５だけを可動とする構成としてもよい。
【００２１】
また、本実施形態においては、ステージ３が炉体１の下方に固定され、炉体１の上方に超音波振動子６等を配置する構成を示したが、第一の実施形態のように、これらの上下の構成を適宜反対にしたものであっても構わない。
【００２２】
次に、本発明に係るリフローはんだ付け装置の第四の実施形態は、図６に示すように、筐体１３と、筐体１３の下方に固定され、はんだが供給された被接続部材２を搭載して上下に可動するステージ３と、被接続部材２に局所的に光を照射し加熱する赤外線ランプ等の光源１４と、被接続部材２の上方に近づく又は接触させる音極５と、筐体１３の外部に配置され、音極５と接続してこれに超音波振動を付与する超音波振動子６と、音極５と超音波振動子６とを支持する超音波発信器本体７とを有して構成される。
【００２３】
多くの構成で第三の実施形態と共通するものの、第三の実施形態と比較した本実施形態の主な特徴は、被接続部材２の加熱を光源１４で行なう構成とした点であり、このような局所加熱方式は筐体１３内全体が高温下に置かれるわけではないため、超音波振動子６の温度上昇を防止することが可能となる。従って、図４では超音波振動子６を筐体１３の外部に配置する例を示したが、筐体１３の内部にあっても構わない。すなわち、本実施形態のリフローはんだ付け装置を用いたはんだ付けにおいては、音極５に直接赤外線ビームが当たらないようにすることで、超音波振動子６のみならず音極５もほとんど高温とならないため、長時間の超音波加振ができるほか、超音波振動子６の冷却を待つこともなく、他の実施形態を用いたはんだ付けよりもスループットの向上を図ることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態では、第三の実施形態と同様に、ステージ３を可動とするのでなく、筐体１３の外部に超音波発信器本体７と接続されたスライダーを設けて、超音波振動子６が筐体１３内に入らない範囲で可動な構成としてもよく、超音波振動子６と音極５との接続部に伸縮可能な手段を設け、超音波振動子６を動かすことなく、音極５だけを可動とする構成としてもよい。また、第一の実施形態のように、各構成の上下を適宜反対にしたものであってもよい。また、図４では光源１４が２つの場合を示したが、光源の個数はこれに限られず、１個であっても３個以上であっても構わない。
【００２５】
以下、本発明で開示したいくつかの実施形態のリフローはんだ付け装置を用いてはんだ付けした製品の接続信頼性について、具体的に実施した実験結果を示す。
【００２６】
筐体内部に不活性ガスを封止する構造を持つ製品の該筐体に筐体内部と外部の間で電気信号を伝達する金属コネクタをはんだ接続し、該はんだ接続部から不活性ガスがリークしないようにする必要がある形態の実験例について説明をする。
このアルミ合金製筐体には、はんだ付け時にステンレス製コネクタのずれが生じないようガイドされている。
なお、アルミ合金製筐体、およびステンレス製コネクタには表面にニッケルめっきが施されている。また、正常にはんだ付けがなされると、アルミ合金製筐体、およびステンレス製コネクタの最も狭い５０μｍの間隙にもはんだが入り込むことになる。
フラックスはイソプロピルアルコールがベースで活性剤として２％の塩化物を含んでいるものとした。
リフローはんだ付けは、代表的な鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを用いて、昇温速度１．６℃／秒、ピーク温度２５０℃で実施された。
なお、これらの条件は以下に示す実験例の全てにおいて適用した。
【００２７】
[実験例１]
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（A）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
（B）超音波による加振を全く行わず、はんだ付けし、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００２８】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、
（A）の場合・・・０％
（B）の場合・・・２０％
であった。
【００２９】
はんだ接続部のＸ線透視や断面観察による不良解析を実施すると、（B）の２０％リーク不良の発生原因は主に、はんだ付け時にはんだ内に発生したフラックスアウトガス起因のボイドであり、温度サイクル試験時にはんだ接続部に発生したクラックがこのボイドと連結することで、早期にリークが開始してしまうことがわかった。
これにより、はんだ付け時に超音波加振することに効果があることがわかった。
【００３０】
［実験例２］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（C）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部（雰囲気温度４０℃の場所）に退避させて、はんだを凝固させたもの、
（D）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ってはんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００３１】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（C）、（D）いずれの場合も０％であった。
【００３２】
しかし、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（C）の場合・・・２分
（D）の場合・・・５分
となった。
よって、（C）の場合は、（D）の２．５倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、振動子が炉内の低温部に退避するかあるいは炉外へ移動できるようにすることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００３３】
［実験例３］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている。
いま、この炉を使用して、接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに超音波による加振を開始し、振動子が８０℃に到達したとき炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部（雰囲気温度４０℃の場所）に退避させて、はんだを凝固させることにした。
【００３４】
また、振動子は、
（E）厚さ１０ｍｍのガラスウールで包み、さらにこの部分をステンレス製のカバーで覆っているもの、
（F）そのままのもの、
の２種類を使用してはんだ付けを行い、アルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
その結果、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（E）の場合・・・３分
（F）の場合・・・２分
と、（E）の方が長時間待機する必要があった。
【００３５】
しかし、はんだが溶融状態のときに超音波による加振を開始し、振動子が８０℃に到達して炉のヒータースイッチを切るまでの時間は、
（E）の場合・・・１５秒
（F）の場合・・・１０秒
と、（E）の方が長時間超音波加振が可能であった。
【００３６】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件２０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、３６０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、
（E）の場合・・・０％
（F）の場合・・・２０％
であった。
【００３７】
はんだ接続部のＸ線透視や断面観察による不良解析を実施すると、（F）の２０％リーク不良の発生原因は主に、はんだ付け時にはんだ内に発生したフラックスアウトガス起因の微細なボイドであり、温度サイクル試験時にはんだ接続部に発生したクラックがこのボイドと連結することで、（F）の場合は比較的早期にリークが開始してしまうことがわかった。
よって、（E）の場合は、製品１台あたりの生産時間が（F）の１．５倍かかるが、耐熱性の低い超音波振動子を長時間リフロー炉の中で使用できるため、接続信頼性を向上させる効果があることがわかった。
【００３８】
［実験例４］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている以下の、
（G）炉体が小型でそのサイズが概ね一辺２５０ｍｍの立方体の形状であり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ているもの、
（H）炉のサイズが概ね一辺４００ｍｍの立方体の形状であり、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉内の最低温度部（雰囲気温度４０℃の場所）に退避させるもの、
の２種類の炉とした。
【００３９】
以上の２種類の炉を使用して、接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切ることにより、アルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（G）、（H）いずれの場合も０％であった。
【００４０】
しかし、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は、言うまでもなく両者間で差が発生し、
（G）の場合・・・３０秒
（H）の場合・・・２分
となった。
よって、炉体が小型で耐熱性の低い超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ている（G）の場合は、（H）の場合と同様の接続信頼性を実現でき、さらに生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００４１】
［実験例５］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、リフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっている以下の、
（I）炉体が小型でそのサイズが概ね一辺２５０ｍｍの立方体の形状であり、炉の熱源を赤外線ランプとし、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ており、赤外線ランプのビームの焦点が音極から離れているもの、
（J）炉体が小型でそのサイズが概ね一辺２５０ｍｍの立方体の形状であり、炉の熱源をシーズヒータとし、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、音極の部分のみが炉内に入り、振動子の部分が常に炉外へ出ているもの、
の２種類の炉とした。
【００４２】
以上の２種類の炉により、アルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（I）、（J）いずれの場合も０％であった。
【００４３】
しかし、振動子が十分冷却されるためにはんだ付けができず待機してなくてはいけない時間は、言うまでもなく両者間で差が発生し、
（I）の場合・・・０秒
（J）の場合・・・３０秒
となった。
よって、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、被加熱物の加熱方法を赤外線ランプなどの局所加熱方式とし振動子に直接赤外線ビームが当たらないようにする（I）の場合は、（J）の場合と同様の接続信頼性を実現でき、さらに生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００４４】
［実験例６］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、炉内に窒素を供給し概ね酸素濃度１０００ｐｐｍの雰囲気でリフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（K）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させた後、炉体表面にできた開口部をシャッターによって閉じ、はんだを凝固させたもの、
（L）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させて、はんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００４５】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（K）、（L）いずれの場合も０％であった。
【００４６】
しかし、振動子が十分冷却され、次のロットのはんだ付け準備のために炉内の酸素濃度を１０００ｐｐｍの不活性雰囲気にするために待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（K）の場合・・・２分
（L）の場合・・・３分
となった。
よって、（K）の場合は、（L）の１．５倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、振動子を炉外に退避させた後、炉体表面にできた開口部をシャッターによって閉じることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００４７】
［実験例７］
リフロー炉はバッチ式のものを使用し、炉内に窒素を供給し概ね酸素濃度１０００ｐｐｍの雰囲気でリフローはんだ付けする際、超音波振動子（周波数：３５ｋＨｚ、出力１０００Ｗ）の振動によりはんだのぬれを改善できる機構が備わっており、この炉を使用して、
（M）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに炉内と連結しており、必要に応じて冷媒により冷却することの出来るシリンダー内に振動子を退避し、振動子を持つ加振部が炉内と炉外を隔絶するピストンの役割を持った状態を維持させながら、はんだを凝固させたもの、
（N）接続部の温度がピークの２５０℃に到達してから、はんだが溶融状態のときに１０秒間超音波による加振を行なった後、炉のヒータースイッチを切って、さらに振動子を炉外に退避させて、はんだを凝固させたもの、
の２種類のアルミ筐体サンプルを各２０個ずつ合計４０個作製した。
【００４８】
その後、上記２種類の筐体を用いて実使用条件１０年相当の温度サイクル試験（−３０〜８０℃、１サイクル／時、１８０サイクル）を実施した。
その結果、はんだの中のクラック進展によりはんだ接続部から不活性ガスの著しいリークが起きていたサンプルの発生率は、（M）、（N）いずれの場合も０％であった。
【００４９】
しかし、振動子が十分冷却され、次のロットのはんだ付け準備のために炉内の酸素濃度を１０００ｐｐｍの不活性雰囲気にするために待機してなくてはいけない時間は両者の間に差が発生し、
（M）の場合・・・２０秒
（N）の場合・・・３分
となった。
よって、（M）の場合は、（N）の９倍の速度で製品の生産が可能となり、耐熱性の低い超音波振動子をリフロー炉の中で使用する際、超音波振動子が温度上昇しないよう、炉内と連結しており、必要に応じて冷媒により冷却することの出来るシリンダー内に振動子を退避し、振動子を持つ加振部が炉内と炉外を隔絶するピストンの役割を持った状態を維持させることにより、生産速度を向上させる効果があることがわかった。
【００５０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態を用いて説明すると共に、具体的な実験例を説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第一の実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第二の実施形態を示す図である。
【図３】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態を示す図である。
【図４】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態の変形例１を示す図である。
【図５】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第三の実施形態の変形例２を示す図である。
【図６】本発明に係るリフローはんだ付け装置の第四の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 炉体、
２ 被接続部材、
３ ステージ、
４ ヒーター、
５ 音極、
６ 超音波振動子、
７ 超音波発信器本体、
８ スライダー、
９ 耐火壁、
１０ 断熱材、
１１ シャッター、
１２ シリンダー、
１３ 筐体、
１４ 光源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、
少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、
前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前記被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、
前記被接続部材から前記超音波振動子と接続された音極を遠ざけ、前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第四の工程と、
を有す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あって、
前記第四の工程では、前記超音波振動子と接続された音極を、前記リフロー炉内の前記被接続部材が設置されたステージより下方に移動させることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のはんだ付け方法であって、
前記超音波振動子は、断熱材で覆われていることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項４】
請求項３記載のはんだ付け方法であって、
前記断熱材は、ガラスウールであることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項５】
請求項１記載のはんだ付け方法であって、
前記第四の工程では、前記超音波振動子と接続された音極を、前記リフロー炉内のシリンダー内に移動させることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項６】
請求項５記載のはんだ付け方法であって、
さらに、前記シリンダー内に移動した前記超音波振動子に接続された音極を、前記シリンダー内で冷却する第五の工程を有することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のはんだ付け方法であって、
前記第三の工程及び第四の工程は、前記リフロー炉の外部に前記超音波振動子を配置した状態で実施することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項８】
被接続部材にはんだを供給する第一の工程と、
前記はんだに光を照射して溶融させる第二の工程と、
前記はんだの溶融中に、超音波振動子に接続された音極と前記被接続部材とを近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、
前記被接続部材と前記超音波振動子に接続された音極とを遠ざけ、前記はんだを凝固させる第四の工程と、
を有することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項９】
請求項８記載のはんだ付け方法であって、
前記第二の工程では、赤外線ランプを用いて光を照射することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項１０】
炉体と、
前記炉体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、
前記炉体内に設けられ、前記被接続部材を加熱するヒーターと、
前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、
前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、
前記音極及び前記超音波振動子を支持し、上下に可動するスライダーと、
を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１１】
請求項１０記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記ステージ及び前記ヒーターは、前記炉体内の上方に配置されており、
前記音極及び前記超音波振動子は、前記ステージよりも下方で前記スライダーにより上下に可動となるように配置されていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記炉体内には、前記ヒーターよりも下方に耐火壁を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記超音波振動子は、断熱材で覆われていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記断熱材は、ガラスウールであることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１５】
請求項１０記載のリフローはんだ付け装置であって、
さらに、前記超音波振動子を冷却するシリンダーを有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１６】
請求項１０乃至１５のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記超音波振動子は、前記炉体の外部に配置されていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１７】
筐体と、
前記筐体に対して上下に可動し、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、
前記はんだに光を照射して加熱する光源と、
前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、
前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、
を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１８】
筐体と、
前記筐体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、
前記はんだに光を照射して加熱する光源と、
前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、
前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、
前記音極及び前記超音波振動子を支持し、上下に可動するスライダーと、
を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記光源は、赤外線ランプであることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１】
被接続部材にはんだを供給し、リフロー炉内のステージに設置する第一の工程と、
少なくとも前記はんだが溶融する温度にリフロー炉内の温度を上昇させる第二の工程と、
前記はんだの溶融中に、超音波振動子と接続された音極を前記被接続部材に近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、
前記被接続部材から前記超音波振動子と接続された音極を遠ざけ、前記リフロー炉内の温度を低下させて前記はんだを凝固させる第四の工程と、
を有す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あって、
前記第四の工程では、前記超音波振動子と接続された音極を、前記リフロー炉内の前記被接続部材が設置されたステージより下方に移動させることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のはんだ付け方法であって、
前記超音波振動子は、断熱材で覆われていることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項４】
請求項３記載のはんだ付け方法であって、
前記断熱材は、ガラスウールであることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項５】
請求項１記載のはんだ付け方法であって、
前記第四の工程では、前記超音波振動子と接続された音極を、前記リフロー炉内のシリンダー内に移動させることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項６】
請求項５記載のはんだ付け方法であって、
さらに、前記シリンダー内に移動した前記超音波振動子に接続された音極を、前記シリンダー内で冷却する第五の工程を有することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のはんだ付け方法であって、
前記第三の工程及び第四の工程は、前記リフロー炉の外部に前記超音波振動子を配置した状態で実施することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項８】
被接続部材にはんだを供給する第一の工程と、
前記はんだに光を照射して溶融させる第二の工程と、
前記はんだの溶融中に、超音波振動子に接続された音極と前記被接続部材とを近づけて、前記被接続部材に振動を与える第三の工程と、
前記被接続部材と前記超音波振動子に接続された音極とを遠ざけ、前記はんだを凝固させる第四の工程と、
を有することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項９】
請求項８記載のはんだ付け方法であって、
前記第二の工程では、赤外線ランプを用いて光を照射することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項１０】
炉体と、
前記炉体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、
前記炉体内に設けられ、前記被接続部材を加熱するヒーターと、
前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、
前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、
前記音極及び前記超音波振動子を支持し、上下に可動するスライダーと、
を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１１】
請求項１０記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記ステージ及び前記ヒーターは、前記炉体内の上方に配置されており、
前記音極及び前記超音波振動子は、前記ステージよりも下方で前記スライダーにより上下に可動となるように配置されていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記炉体内には、前記ヒーターよりも下方に耐火壁を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記超音波振動子は、断熱材で覆われていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記断熱材は、ガラスウールであることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１５】
請求項１０記載のリフローはんだ付け装置であって、
さらに、前記超音波振動子を冷却するシリンダーを有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１６】
請求項１０乃至１５のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記超音波振動子は、前記炉体の外部に配置されていることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１７】
筐体と、
前記筐体に対して上下に可動し、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、
前記はんだに光を照射して加熱する光源と、
前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、
前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、
を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１８】
筐体と、
前記筐体に固定され、はんだが供給された被接続部材を搭載するステージと、
前記はんだに光を照射して加熱する光源と、
前記被接続部材に近づく又は接触する音極と、
前記音極と接続され、前記音極に超音波振動を付与する超音波振動子と、
前記音極及び前記超音波振動子を支持し、上下に可動するスライダーと、
を有することを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載のリフローはんだ付け装置であって、
前記光源は、赤外線ランプであることを特徴とするリフローはんだ付け装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−９４３７０（Ｐ２００９−９４３７０Ａ）
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６５０７０（Ｐ２００７−２６５０７０）
【出願日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]