半田付けプロセス改善のための熱・電気伝導度分析器
半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を、互いに入り込んだ金属トレースと温度センサーとを有するプローブ用いて測定されるフラックスの電気伝導度で表される前記フラックスの活性を監視することにより評価する。測定される電気伝導度−温度・時間プロフィールは、特定の用途に最適なフラックス調剤や半田付け条件の選定、半田付けプロセスの不具合の原因究明、および改良されたフラックス調剤の開発に有用である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工業プロセスの制御に関し、特に、電子回路の部品を相互接続する半田付けプロセスの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日のマイクロエレクトロニクス回路にはプリント基板（PWB：printed wiring board）を介して相互接続された電子部品や装置が一般に備えられ、その中には相互接続ワイヤーとして機能する銅線や、部品および装置のリード線を半田付けするための表面接続パッドが含まれる。プリント基板は、例えばエッジ接続や回路テストポイントなどの働きをする金属製表面パッドを含む場合がある。プリント基板配線およびパッド類は誘電体基板上に形成され、無電解銅めっき、フォトリソグラフィー、電気銅めっき等と組み合わせられたポリマー積層体製またはセラミックス製の基板が典型的に用いられる。多くの場合、多層に積層された電気回路がビアホールを介して相互接続される。典型的なビアホールは、銅めっきされた壁を有し半田で充填されている。プリント基板の銅パッドには耐酸化性金属による表面仕上げが一般に施され、半田ぬれ性を阻害する表面酸化物の形成を抑制している。典型的な表面仕上げとして、無電解ニッケル／金めっき、浸漬スズめっき、スズ−ビスマス合金電気めっきなどがある。
【０００３】
部品や装置のリード線はリフロー半田付けプロセスによってプリント基板の接続パッドに通常半田付けされる。このプロセスは、所定量の半田ペーストをプリント基板の接続パッドに塗布することと、部品やデバイスの入力／出力（Ｉ／Ｏ）リード線が適当なプリント基板の接続パッドに対して配向するようにプリント基板に部品やデバイスを載置・装着することと、この装着済みプリント基板アセンブリを加熱して半田ペースト中の半田をリフロー（溶解）させることとを含む。半田ペーストをプリント基板の接続パッドに所定量だけ塗布する際には、注射器型の自動ディスペンサー、またはステンシルおよびスキージを一般に用いる。半田ペーストの所定量は、半田付けされる特定の部品やデバイスによって様々である。代表的なデバイスとしてボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）が挙げられる。ＢＧＡはデバイスの一側面上の接続パッドに取付けられた半田ボールの列（アレー）を有する。多くのＢＧＡデバイスは多数のＩ／Ｏリードを有するため、隣接する接続パッド間の距離（ピッチ）が非常に小さくなっている。
【０００４】
通常の半田ペーストは小さな半田球の粉末を含み、これがリフローの間に融合して半田塊を形成する。この半田塊は、半田接続部における半田の大半を占める。また半田ペーストには、半田付けプロセス中の金属表面から酸化物を溶解するための半田付け用フラックスが含まれる。典型的な半田付け用フラックスは有機ハロゲン化合物を含み、これが十分に熱せられると活性化して有機酸と遊離ハロゲン種を発生させ金属酸化物を効果的に分解する。半田ペーストは添加物を含む場合もある。これら添加剤は、所望のレオロジー特性を付与し、半田リフロー中にフラックスが消費された際、金属表面が再酸化されるのを防ぐ。特に半田ペーストは、半田リフロー前に部品や装置を適所に保ちスランプを抑制するための十分な固さ（および粘性）を有する必要がある。スランプは隣接する接続パッド間の半田橋絡による電気的短絡の原因となり得る。
【０００５】
リフロー半田付けはリフロー炉中で一般に行われるが、この炉には電子アセンブリを搬送するための金属製ベルトコンベヤが備えられ、またアセンブリを所定の温度・時間プロフィールに従って加熱できるようにするための加熱ゾーンが各種含まれている。場合によっては、リフロー炉またはその一部を窒素雰囲気にし、リフロープロセス中における半田付け表面の酸化を防ぐこともある。
【０００６】
リフロー半田付けは複雑なプロセスであり、半田がリフロー（溶融）する直前にフラックスを十分に活性化させることにより（プリント基板パッド、部品リード線、半田ペースト中の半田粒子の）表面酸化物を溶解し、電気抵抗の低い強固な半田接続が行われるようにすることが重要である。必要とされるフラックス活性は、接続される表面上の酸化物の量および種類によって大きく異なる。リフロー半田付けプロセスの信頼性を確保するためには、半田付けされる特定のアッセンブリに適合した半田ペーストとリフロー条件を選定する必要がある。
【０００７】
フラックス活性に関連するリフロー半田付けの問題は、一般に次の４点の何れかである。（１）半田ペースト中のフラックスが貯蔵中に化学反応して活性を失い、半田付けプロセスで使用する際に残存する活性が不適となる。（２）半田ペースト中のフラックスが尚早に（半田リフロー温度より低い温度で）活性化され、接続される表面が半田リフロー前に再酸化される。（３）フラックスがリフロー温度で十分に活性化されない。（４）フラックスが半田付けプロセスの後にも活性なままで、腐食および／またはエレクトロマイグレーションを引き起こし、後に電気的短絡、開放、または過大な相互接続抵抗による回路損傷の原因となる。
【０００８】
電子装置アッセンブリ業界で現在用いられるもう一つの半田付けプロセスにウェーブ半田付けがある。この方法ではデバイス類を（表面実装および／またはスルーホールによって）装着したプリント基板が溶融半田の波に通される。ウェーブ半田付けにおいても、リフロー半田付けと同じフラックス活性の問題が発生する場合がある。
【０００９】
半田付けプロセスをコントロールするための既存の方法例として以下が挙げられる。（１）半田接続不良を発生させるのに必要な力を測定するボール／リードのせん断または引張試験。（２）半田広がり試験、半田ぬれ試験またはＳＥＲＡ（Sequential Electrochemical Reduction Analysis）法による半田ぬれ性評価。（３）表面絶縁抵抗（ＳＩＲ、Surface Insulation Resistance）測定、ハロゲン化合物分析、イオン清浄度試験、電気化学的移動試験、および銅鏡面および銅板腐食試験による半田フラックス残渣の検出。（４）粘性、比重、ハロゲン含有百分率、粘着性、酸価、ｐＨおよび（半田ボールの酸化を検出するための）インピーダンス分光など、半田ペーストの物理・化学特性測定。（５）クロマトグラフィー(GC、HPLC、ICおよびGPC)、分光法（ＵＶ、ＦＴＩＲ、ラマン、ＡＡ）、熱分析（ＤＳＣ、ＴＧＡ）、湿式分析などによるフラックスの化学分析。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５６５６９３３号明細書
【特許文献２】米国特許第６００５３９９号明細書
【特許文献３】米国特許第６２７８２８１号明細書
【特許文献４】米国特許第６３００７７８号明細書
【特許文献５】米国特許第６８１９００４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これらの方法はいずれも半田付けプロセスの前か後に行われ、それぞれ半田付けプロセス性能に関する１つのみの情報を提供するものに過ぎず、半田付けプロセスそのものについての情報を提供するものではない。このことは、半田ぬれ試験についても当てはまる。半田ぬれ試験は、試験片と溶融半田とが接触した際の（半田メニスカスの重量による）湿潤力を測定することにより、半田付けプロセスを模擬しようとするものである。この半田ぬれ試験は半田ぬれ性の指標を与えるものの、プリント基板やＢＧＡへの応用が難しく、試験片の配置、フラックス塗布、予熱（温度プロフィール）および試験片の熱慣性の点において実際の半田付けプロセスを適切に模擬するものではない。半田付けプロセスの性能を評価し、全ての重要な変動要因に対してプロセスを最適化できるようにするための方法が必要とされていることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための装置および方法を提供するものである。この装置は、誘電体基板上で隣接する２つの金属トレースを有するコンダクタンスプローブと、前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブと、前記２つの金属トレース間の電気伝導度を測定するための電気伝導度計とを備える。この２つの金属トレースは互いに入り込んだくし状パターンを形成することが好ましい。本発明の方法の好適な実施形態では、各金属トレースの少なくとも一部分および該トレース間の誘電体基板上の少なくとも一部分に（金属半田を含まない）半田付け用フラックスを塗布し、該トレース間の電気伝導度を半田付けプロセスの前、中間（ウェーブ半田付けの場合を除く）および後に測定する。このようにして作成された電気伝導度−温度・時間プロフィールを分析し、前記半田付けプロセスに対する前記フラックスの性能を決定する。本発明の装置は、同一の工程で複数のコンダクタンスプローブを同時に評価するための回路基板ラックをさらに備えてもよい。
【００１３】
本発明による電気伝導度−温度・時間プロフィールの分析により、半田リフローまたはウェーブ半田付け操作の前、中間（リフロー半田付けプロセスの場合）および後を含む実際の半田付けプロセス全般における相対的なフラックス活性を求めることができる。これによりフラックス活性および活性化特性を半田付けプロセスの要求に応じて最適化することが可能になる。（半田付けプロセスの前に）測定される常温フラックスのフラックス活性が顕著な場合、フラックスが室温で化学反応し保管寿命が短くなっていることを示す。
【００１４】
フラックス活性は、半田リフロー温度またはウェーブ半田付け操作の直前に最大となるようにすることが好ましい。熱・電気伝導度分析（ＴＣＡ：Thermoconductimetric Analysis）はフラックス活性が最大になる温度を検出するので特に有効である。ＴＣＡ電気伝導度−温度・時間プロフィールに基づいてフラックス化合物の化学的安定性や沸点などを調整することにより、フラックスの活性化に必要な時間および温度を最適化することができる。
【００１５】
また本発明によれば、腐食やエレクトロマイグレーションを誘起し回路故障の原因となるイオン状のフラックス残渣を、半田付けプロセス後に残留するフラックス活性によって検出することができる。先行の表面絶縁抵抗（ＳＩＲ、surface insulation resistance）試験に類似したものではあるが、本発明の残留フラックス活性測定は、半田付けプロセス全般について行われフラックス活性が最小になる温度を検出することを特徴とする。また、このような半田付け後の電気伝導度を交流（ａｃ）で測定し、操作電圧および周波数または周波数帯域（スイープ）が電子機器の残留フラックス活性に（その操作温度で）及ぼす影響を評価してもよい。
【００１６】
本発明の装置は、付加的な環境センサーをさらに備えることができる。例えば、コンダクタンスプローブまたは回路基板ラックにＲＨセンサーを含め、相対湿度が貯蔵時の残留フラックス活性に及ぼす影響を監視できるようにしてもよい。さらに別の例として、コンダクタンスプローブまたは回路基板ラックに各種センサーを含め、リフロー半田付けプロセス中のリフロー炉内、またはウェーブ半田付けプロセス中の予熱炉内のガス圧および／または酸素濃度を監視できるようにしてもよい。用途に応じ、本発明の装置に他の有用なセンサーを含めることができるが、これらは当業者にとって明らかであろう。
【００１７】
また本発明は、リフロープロセスの間における半田「スランプ」とその発生温度を検出するために用いることができる。この場合、金属半田を含む半田ペーストをコンダクタンスプローブ用金属トレースの少なくとも１つに塗布するが、トレース間の誘電体基板上には塗布しない。リフロープロセス時の半田ペースト・スランプは、コンダクタンスプローブ金属トレース間の半田橋絡によって生じる高い電気伝導度（短絡）として検出される。また金属トレース間を橋絡する半田ボールによる短絡も検出できる。
【００１８】
本発明の装置に各種ハードウェアおよびソフトウェアをさらに含めることにより、データ収集を容易にし、および／または、結果の信頼性を向上させることもできる。例えば無線リンクを（固定配線の代わりに）用い、コンダクタンスプローブおよび温度プローブ（さらにその他全ての使用されるセンサー）から、データ収集・処理システムにデータ信号を送信できるようにしてもよい。代わりに、コンダクタンスプローブまたは回路基板ラックに搭載されたオン・ボード・データリンクによってデータを収集・保存し、半田付けプロセスが完了した後にこれをダウンロードしてもよい。データ処理装置は、市販または私有のデータ分析プログラムをいくつ採用しても良く、典型的なグラフィックディスプレーによるデータ表示を行ってもよい。
【００１９】
さらに、当業者公知の技術や装置を用いて本発明の装置を熱的、物理的、または化学的劣化に対して「強化」し、リフロー炉、予熱炉、その他厳しい環境を損傷することなく通過できるようにしてもよい。同様に、本発明の装置を市販の装置を用いて小型化し、狭小な環境でのフラックス評価を行えるようにしてもよい。本発明による測定はフラックスの化学的摂動を避けるように行うべきもので、さもなければ結果の精度が大幅に低下することは当業者にとって自明であろう。例えば電圧は、高い入力インピーダンスを有する電圧電流計を用いて測定すべきもので、抵抗器によって電流を制限することなどによって高入力インピーダンスを得ることができる。
【００２０】
本発明は、保管寿命が長く、リフロー半田付け温度における（半田付け欠陥の最小化に必要な）フラックス活性が良好で、（腐食またはエレクトロマイグレーションによる電子機器の現場故障を防ぐために必要な）低い残留フラックス活性および（リフロー半田付け中の半田スランプによる電気回路の橋絡や短絡を防ぐために必要な）良好なレオロジー特性を有する半田ペースト調剤の開発に有用である。
【００２１】
また本発明は、ウェーブ半田付け用に良好な活性特性を有し、残留フラックス活性の低いフラックス調剤を開発するためにも有用である。
【００２２】
また本発明は、所定のリフロー半田付けプロセスで特定のプリント基板構造をリフロー半田付けする際、最も欠陥が少なくなる最適な半田ペースト調剤を選定するためにも有用である。
【００２３】
また本発明は、所定のウェーブ半田付けプロセスで特定のプリント基板構造をウェーブ半田付けする際、最も欠陥が少なくなる最適なフラックス調剤を選定するためにも有用である。
【００２４】
また本発明は、最適なリフロー半田付け条件（例えば、炉のコンベア速度とゾーン温度で決められる温度・時間プロフィールなど）を選定しリフロー半田付けの際のプリント基板構造欠陥を最小化するためにも有用である。
【００２５】
また本発明は、最適な予熱条件（例えば、炉のコンベア速度とゾーン温度で決められる温度・時間プロフィール）を選定し、ウェーブ半田付けの際のプリント基板構造の欠陥を最小化するためにも有用である。
【００２６】
また本発明は、リフロー炉雰囲気中または予熱炉雰囲気中の酸素が半田付けプロセスの性能に及ぼす影響を知るためにも有用である。これら情報は、（酸素が悪影響を及ぼす場合には）不活性な窒素雰囲気を用いる、あるいは（酸素が悪影響を及ぼさない場合には）不活性雰囲気使用に伴うコストを低減する、など半田付け性能の改善に役立てることができる。また本発明を用い、実質的に悪影響を及ぼさない範囲の酸素許容濃度を決定することもできる。
【００２７】
また本発明は、最適なフラックス調剤および予熱／半田条件を選定し、特定の電子装置操作条件（例えば温度、ならびに交流電圧および周波数を含む回路トレース間の印加電圧など）に対する残留フラックス活性の影響を最小化するためにも有用である。残留フラックス活性は、携帯電話など高い周波数で作動する電子装置で特に問題となる。
【００２８】
また本発明は、貯蔵条件が貯蔵時の残留フラックス活性に及ぼす影響を決定するためにも有用である。本発明の温度プローブによって貯蔵時の温度を監視することができる。また他の貯蔵条件を監視するために他のセンサー類を使用してもよい。例えばＲＨセンサーを使用し、相対湿度が貯蔵時の残留フラックス活性に及ぼす影響を監視してもよい。このＲＨセンサーを、例えば本発明のコンダクタンスプローブまたは回路基板ラックに含めるか、または貯蔵空間のどこかに取り付けても良い。
【００２９】
また本発明は、半田付け装置や半田ペーストおよびフラックス調剤をマーケティングする際、優位な性能をグラフィックに実証するためにも有用である。
【００３０】
上述した用途は例示を意図したもので、全てを網羅したものではない。本発明の範囲内の他の用途も当業者には明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の他の特徴や利点は、添付図面とともに説明する以下の詳細な記述により、当業者にとって明らかなものとなるであろう。
【００３２】
添付の各図面は縮尺どおりに描かれたものではなく、いくつかの特徴点は本発明の特徴や操作をより良く表すため拡大されている。
【００３３】
本書では、当業者に一般に知られている技術用語を使用する。「金属トレース」と言う用語は、配線、パッド、互いに入り込んだくし状パターンおよび蛇行パターンなどを含むあらゆる回路要素の配置を広く網羅するものである。「半田ペースト」はリフロー半田付け用として一般に用いられるもので、フラックスおよび小さな半田粒子の粉末を含む。半田ペースト・フラックスは金属酸化物を溶解するための活性剤を一般に含み、また、ペーストのレオロジー特性および／または化学特性を改善するための様々な添加物を通常含んでいる。半田ペースト・フラックスに用いられる代表的な添加物には、溶剤、（半田スランプを軽減するための）流動剤、防蝕剤、熱安定材などがある。ウェーブ半田付けに使用されるフラックスにも（活性剤の他に）様々な添加物が含まれる場合があるが、半田粒子を含まず流動剤が不要なものもある。
【００３４】
本書における「フラックス」とは、フラックス成分のあらゆる組み合わせを示し活性剤のみを使用するものも含む。場合によっては、評価の対象となるフラックスと金属半田粒子とを遠心分離や化学抽出により半田ペーストから分離する。半田ペースト・スランプ評価試験用の典型的な半田ペーストには、金属半田粉を含む通常使用される全ての成分が含まれる。
【００３５】
本発明は、半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための方法および装置を提供するものである。本発明の方法は以下の各工程を含む。（１）誘電体材料基板上の所定領域の内に並べられた２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設ける、（２）前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブを設ける、（３）前記所定領域の少なくとも一部分上に所定量のフラックスを塗布する、（４）前記コンダクタンスプローブを、塗布されたフラックスと共に所定の温度・時間プロフィールに従って加熱する、（５）前記コンダクタンスプローブの金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定し、電気伝導度−温度・時間プロフィールを生成できるようにする、さらに（６）前記電気伝導度−温度・時間プロフィールを分析し、半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を求めるようにする。これらの工程は適宜順を変えて実施してもよい。フラックス活性評価では一般に、各金属トレースの少なくとも一部分およびそれら間の誘電体基板上の所定領域内にフラックスを塗布する。半田ペースト・スランプ評価ではフラックスを含む半田ペーストを用い、金属トレースの少なくとも１つの上にあって金属トレース間の基板上ではない所定領域内に該半田ペーストを塗布する。この場合、金属トレース間の空間を橋絡する半田スランプが電気伝導度測定における電気短絡として検出される。
【００３６】
トレース対を形成する本発明による２つの金属トレースは、合金を含むあらゆる適当な金属で作ることができる。銅は電子回路に汎用され、金属トレース用として好適な金属である。半田ぬれ性を改善するため銅に表面仕上げを施しても良い。典型的な表面仕上げには、半田めっき、無電解ニッケル／金めっき、浸漬スズめっき、スズ−ビスマス合金電気めっきなどがある。このような表面仕上げはフラックス活性特性に影響を及ぼす傾向がある。また本発明は、表面仕上げがフラックス活性特性に及ぼす影響を調べるための方法および装置も提供する。
【００３７】
本発明による２つの金属トレースはあらゆる適当な形状に配置することができる。このような形状として、例えば互いに入り込んだくし状または蛇行パターンなど、小さな間隔で分離された長いトレースが電気伝導度測定のＳ／Ｎ比向上の点で有用であろう。トレース間の間隔は、評価対象となる半田付けプロセスで用いられる表面パッドの最細ピッチと同等にすることが好ましい。評価対象となるリフロー半田付けプロセスで実際に半田付けされる回路アッセンブリを模擬したトレース形状は、半田ペースト・スランプ、または、半田ボール形成などの影響を検知するために有益な場合がある。コンダクタンスプローブトレース対を複数、直列（デイジー・チェーン）接続してＳＮ比を高めてもよい。
【００３８】
図１は、コンダクタンスプローブの回路トレースが互いに入り込んだくし状パターンを有する本発明の装置を示す。このパターンは基板１００上に並べられた一対の金属トレース１０１および１０２を含むもので、この基板にはポリマー積層体、セラミックス材料またはこれらの組み合わせを含むあらゆる誘電体材料を用いることができる。典型的な積層体材料として難燃性エポキシグラスファイバー（ＦＲ−４）がある。金属トレース１０１および１０２は、ワイヤー１０３および１０４を介して電気伝導度計１０５に接続されている。この電気伝導度計はトレース１０１と１０２との間に電圧を印加し、その際の電流応答から電気伝導度を決定する。印加電圧および電流応答は、直流（ｄｃ）または交流（ａｃ）のいずれでもよい。直流測定の場合には１から１０ボルト範囲の印加電圧が適当であることが見出されているが、この範囲外の電圧を印加しても構わない。
【００３９】
図１に示す実施形態の温度プローブは、ワイヤー１０７および１０８を介して第１の電圧計１０９に接続された熱電対１０６を含む。好ましくは、第１の電圧計１０９と一体または別の熱電対用冷接点（図示せず）を用いて温度測定精度を向上させる。熱電対用冷接点は室温でもよく、またさらに精度を向上させるためこれを特定の温度に制御してもよい。測定の温度範囲にわたって必要な感度を有するものであればどのような熱電対を使用しても構わない。基板１００またはその上の金属パッドと熱電対１０６とが接触するように配置することが好ましいが、コンダクタンスプローブに（接触せずに）近接した熱電対によっても十分な精度の温度測定を行うことができる。代替的な実施形態では、リフロー炉中のコンベアに沿って固定された一連の熱電対を用いて本発明の温度測定を行うことができる。また代わりに別の温度測定方法を採用してもよい。例えば、コンダクタンスプローブから放射される赤外線を検出・分析することで、このコンダクタンスプローブの温度を監視することも可能である。
【００４０】
本発明の典型例では、（基板１００ならびに金属トレース１０１および１０２を含む）コンダクタンスプローブと温度プローブ１０６とが加熱される一方、電気伝導度計１０５および第１の電圧計１０９は常温に保たれる。この場合、ワイヤー１０３、１０４、１０７および１０８の少なくとも一部を耐熱材料にする。本発明の範囲内で、電気伝導度計１０５および／または第１の電圧計１０９に耐熱性回路を使用し、これらをコンダクタンスプローブおよび温度プローブ１０６とともに加熱できるようにしてもよい。
【００４１】
図２は本発明の装置の実施形態を示すもので、コンダクタンスプローブの回路トレースが誘電体基板２００上に並べられた円形パッド２０１と同心リング２０２とを備えている。この回路トレース配置は回路基板の接続パッドを模擬するもので、同心リング内周が比較的長いためトレース間の電気伝導度変化に対する感度が高い。図１の実施形態と同様、トレース２０１および２０２がワイヤー２０３および２０４を介して電気伝導度計２０５に接続されており、また熱電対２０６がワイヤー２０７および２０８を介して第１の電圧計２０９に接続されている。金属トレース２０１への電気接続は、（図示するように）同心リングトレース２０２に設けられた間隙をワイヤー２０４の一部が通るように配線することができる。代わりに、金属トレース２０１への接続を基板２００中の内部回路を介して行い、リング２０２の間隙を無くしてもよい。このようなコンダクタンスプローブを複数（同一の基板上で）並列接続することにより測定感度を向上させＳ／Ｎ比を高めてもよい。
【００４２】
コンダクタンスプローブの金属トレースへのフラックスを塗布方法は、実施しようとするフラックス評価の種類によって異なる。半田付けまたは予熱プロセス中における半田フラックスの活性を評価するためには、各金属トレースの少なくとも一部分、および両トレース間の誘電体基板の少なくとも一部分に（金属半田の無い）フラックスを塗布する。リフロー半田付け中の半田ペースト・スランプ特性を評価するためには（金属半田粉の入った）半田ペースト中にフラックスを含め、これをコンダクタンスプローブの少なくとも１つの金属トレースの少なくとも一部分に塗布する。ただしこの場合、両トレース間の誘電体基板には塗布しない。このようにすると、リフロープロセス中の半田スランプ、または、半田ボール形成による金属トレース間の短絡がトレース間電気伝導度の急激な増大として容易に検出することができる。
【００４３】
コンダクタンスプローブの金属トレース（および基板）へのフラックスまたはペーストの塗布にはどのような手段を適宜用いてもよい。フラックスまたはペースト塗布の好ましい方法として、リフロー半田付け製造プロセスで一般に用いられる注射器型自動ディスペンサーを使用する方法がある。この装置によれば、所定量の半田ペーストを正確に分注することができる。フラックスまたはペースト塗布のもう一つの好ましい方法では当技術分野で周知のステンシルおよびスキージを使用する。この場合、塗布されるフラックスまたはペーストの厚さはステンシルの厚さによって決定される。また本発明におけるフラックスやペーストの塗布には、スプレー、浸漬、ブラシまたは印刷などの方法を用いても構わない。
【００４４】
電気伝導度測定によって表されるフラックス活性は存在するフラックスの量に依存するため、コンダクタンスプローブには所定量のフラックスを塗布することが好ましい。電気伝導度データからフラックスの伝導度を計算することも理論的には可能であるが、この手法は実用的とは言えない。この手法では、時間や温度ともに変化するフラックスの形状や量に対し金属トレースの配置を考慮する必要があり、またフラックスの伝導度を温度の関数として事前に知ることが必要になる。従って、所定量のフラックスを分注し、金属トレース間の電気伝導度をフラックス活性の相対値、すなわち電気伝導度を増大させるイオン種の形成に依存する値、として測定することが好ましい。また、半田ペーストの存在量に強く依存するスランプ特性の評価においても所定量の半田ペーストを金属トレースに塗布することが好ましい。
【００４５】
所定量のフラックスまたはペーストを選定し、これらフラックスまたはペーストが使用される半田付け製造プロセスを模擬するようにすることが好ましい。この場合、金属トレースの所定領域に塗布する半田ペーストの量を金属トレース間の間隙などのトレース配置に応じて調整してもよい。この間隙を、評価対象となるリフロー半田付けプロセスで半田付けされる量産基板上の接続パッド間の最小間隙と同等にすることが好ましい。
【００４６】
本発明の方法における加熱工程は、温度プロフィール制御用のベルトコンベヤと加熱ゾーンとを有するリフロー炉または予熱炉で行うことが好ましい。ただし、本発明の方法による加熱は適当ないかなる手段によっても行うことができ、例えばコンベアの無い静的な炉を加熱プログラムの有無にかかわらず使用することもできる。
【００４７】
本発明の方法による電気伝導度−温度・時間プロフィール分析では、コンダクタンスプローブがリフロー炉を通過するなどして加熱される際に測定される電気伝導度と温度とを時間の関数として通常プロットする。この分析は、好ましくはコンピュータを用いた表形式データ、または例えば電気伝導度を温度の関数として表したその他のプロットを用いて実施する。電気伝導度の測定値はフラックス活性に比例するものと一般に見なすことができる。電気伝導度−温度・時間プロフィールで評価されるリフロー半田付けプロセスの重要特性は下記を含む。
・初期室温フラックス活性、この特性によりフラックスの時期尚早な活性化を検出する。尚早な活性化はフラックスの保管寿命を縮め性能を低下させる。
・半田リフロー時間および温度に対するフラックス活性化の時間および温度、この特性により、実際のリフロー条件下でフラックスを有効に作用させることができる。
・リフロープロセス後におけるフラックスの低温活性：この特性によりイオン状のフラックス残渣を検出する。
上記残渣は腐食またはエレクトロマイグレーションを誘起し、使用時に回路故障の原因となり得る。ウェーブ半田付けプロセスにおける電気伝導度−温度・時間プロフィールの重要特性はリフロー半田付けプロセスのそれに類似している。
【００４８】
本発明によって得られたデータを様々な方法で分析することにより、半田付けプロセスの性能に関する定量的な情報を得ることができる。例えば、電気伝導度データを時間または温度に対しプロットして作成される曲線を直接分析してもよいし、時間または温度に伴う伝導度の変化を強調するため曲線を微分して一次または二次微分曲線を作成してもよい。データ曲線を（当業者が）調査して分析する、および／または、勾配、ピーク面積、ピーク面積率、ピーク高さ、ピーク高さ率、あるいは電気伝導度が所定値を上回る時間など曲線の（限定されない）特徴を抽出して分析することができる。
【００４９】
本発明の方法は、コンダクタンスプローブまたはコンダクタンスプローブを含む回路基板ラック、に取り付けられた環境センサーからの出力を監視する工程をさらに含んでもよい。有用な情報が得られる環境センサーとして、酸素濃度、相対湿度（ＲＨ）、およびリフロー半田付けやウェーブ半田付けの予熱に用いられる炉環境のガス全圧などを検出するための各センサーがある。このようなセンサーからの出力を監視し（また好ましくはそれらの値を変化させて環境を調整しながら）本発明の各種評価を行うことにより、検出されたパラメータおよびその変動がフラックス活性化特性に及ぼす影響を知ることができる。
【００５０】
フラックスを金属トレースおよびこれらの間の基板の両方に塗布する場合、常温で測定されるトレース間の電気伝導度が測定前のフラックス活性の指標となる。これにより、半田付けの信頼性を損なうフラックス保管寿命の短縮および／または不十分なフラックス活性を検出することができる。Fredericksonらによる米国特許第5,656,933号、第6,005,399号、第6,278,281号および第6,300,778号は常温における半田ペーストの特性評価にインピーダンス分光法を用いることを述べている。この作業は、半田付け製品欠陥の原因となる半田ペースト中の半田粒子の酸化を検出することを目的とし、等価回路モデルに結合した印加電圧周波数の関数としての複雑なインピーダンス測定を必要とするものである。一方本発明者らは、半田フラックスの電気伝導度がフラックス活性の指標となること、そして常温におけるフラックス活性がフラックス保管寿命の評価および半田付け性能予測に用いることができることを逸早く認識したのである。
【００５１】
半田付け用フラックスの（使用前における）活性を評価する方法を提供する本発明の実施形態は、（１）誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設け、（２）各金属トレースの少なくとも一部分上およびそれら間の誘電体基板上の所定領域内に所定量のフラックスを塗布し、さらに（３）前記コンダクタンスプローブの金属トレース間の電気伝導度を測定する各工程を含む。本方法において相対的に高い電気伝導度は、半田付け用フラックスの活性度が相対的に高いことを示す。
【００５２】
本発明の装置は、（１）誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブと、（２）前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブと、（３）前記コンダクタンスプローブの２つの金属トレース間における電気伝導度を測定するための電気伝導度計とを備える。好適な実施形態では所定領域の少なくとも一部分上にフラックスを塗布し、コンダクタンスプローブを加熱しながらコンダクタンスプローブの金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定することにより電気伝導度−温度・時間プロフィール作成し、これを分析して半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を決定する。
【００５３】
本発明の装置における電気伝導度計は、直流または交流の電源と電流計測器とを一般に備える。この電流計測器は、抵抗器と第２の電圧計を含む単純な装置でもよく、例えば電流フォロワおよび／またはバッファー／増幅器を含むより複雑な装置であってもよい。電気伝導度は抵抗値の逆数なので、抵抗測定によって電気伝導度を求めることもできる。
【００５４】
また本発明の装置は、複数のコンダクタンスプローブを同時に試験するための回路基板ラックと、熱電対プローブのＳＮ比を高めるための電圧増幅器と、電気伝導度計のＳＮ比を高めるための電流増幅器と、半田付けプロセスの性能評価に使用する電気伝導度−温度・時間プロフィールの分析を容易にするためのアナログ−デジタル変換器およびコンピュータと、前記コンダクタンスプローブ、前記温度プローブ、その他使用されるすべてのセンサー類からのデータ信号をデータ収集・処理システムに送信するための無線リンクと、加熱工程完了後のデータダウンロードを想定しデータの収集と格納を行うためのオン・ボード・データリンクと、前記電気伝導度−温度・時間プロフィールのハードコピーを供するためのプリンタとをさらに備えてもよい。
好適な実施形態の記述
【００５５】
図３は本発明の装置の好適な実施形態を示すもので、この装置は、互いに入り込んだくし状パターンを形成する金属トレース対３１１および３１２、３３１および３３２、３５１および３５２、をそれぞれ有する複数のコンダクタンスプローブ３１０、３３０、３５０と、回路基板ラック３７０と、電気伝導度計３７０と、ワイヤー３８１および３８２によって第１の電圧計３８３に接続された熱電対３８０を含む温度プローブと、電気伝導度計３７０および第１の電圧計３８３からの各出力３７１および３８４のＳＮ比を向上させるためのバッファー／増幅器モジュール３９０と、バッファー／増幅器モジュール３９０からの出力３９１をデジタル化するためのアナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３９２と、Ａ／Ｄ変換器３９２からの出力３９３を分析するためのパーソナルコンピュータ３９４と、コンピュータ３９４からの出力３９５のハードコピーを提供するためのプリンタ３９６とを備えている。金属トレース対３１１および３１２、３３１および３３２、３５１および３５２、がワイヤー３１３、３１４、３３３、３３４、３５３、３５４を介して回路基板のエッジ接点３１５、３１６、３３５、３３６、３５５、３５６にそれぞれ接続され、各エッジ接点は回路基板ラック３７０のスロット３１７、３１８、３３７、３３８、３５７、３５８にそれぞれ挿入され、また各スロットはワイヤー３１９、３２０、３３９、３４０、３５９、３６０を介して電気伝導度計３７０にそれぞれ接続されている。バッファー／増幅器３９０は２つの回路を備え、１つは電気伝導度計３７０からの出力３７１用で、もう１つは温度プローブの第１電圧計３８３からの出力３８４用となっている。図４、５はそれぞれコンダクタンスプローブおよび温度プローブ用に好適なバッファー／増幅器の模式的回路図を示す。
【００５６】
複数のコンダクタンスプローブを保持する回路基板ラックを使用することにより、実質的に同一の条件下で実施される同じリフロー半田付けについて複数の試験を実施することが可能になる。これらのコンダクタンスプローブを実質的に同一なものにして、各種結果の再現性の指標と見なしてもよいし、これらを異なるものにして１つ以上の変動要因の指標として用いてもよい。例えば、見かけ上同一のコンダクタンスプローブに塗布するフラックスの量や組成を変動させてもよいし、同一のフラックスを用い、コンダクタンスプローブの配置を変えて試験を行ってもよい。回路基板ラックは適宜構成することができ、単一プローブの場合を含むあらゆる数のコンダクタンスプローブを保持することができる。
【００５７】
互いに入り込んだくし状パターンを形成する１対の銅トレースの付いたＦＲ−４回路基板（長さ約６．０ｃｍ×幅約６．０ｃｍ×厚さ約０．８ｍｍ）を備えるコンダクタンスプローブを用いて本発明の有効性を実証した。くし状パターンには、ＩＰＣ−ＴＭ−６５０（ｍｅｔｈｏｄ：２．６．３．３）の表面絶縁抵抗（ＳＩＲ）測定法に規定されるＢ−２５パターンと同じものを採用した。Ｂ−２５パターンは接続された５つのくし状セグメントを含み、これらが合計で４１本の歯（０．４ｍｍ幅、２５ｍｍ長、間隔０．５ｍｍ）を含む１対の互いに入り込んだくし状パターンを形成する。銅トレースには厚さ２５μｍで表面仕上げの無いものを使用した。１つ以上のコンダクタンスプローブ上にあるエッジコネクターをステンレス鋼製回路基板ラック（３５ｃｍ長×２５ｃｍ幅×０．１ｃｍ厚）のスロットに挿入した。このラックは５枚までのコンダクタンスプローブを収容できるものであった。また温度プローブには、回路基板ラックと物理的に接触した一対の熱電対(Omega GG-K-30-SLE-500、Type K)を含むものを使用した。
【００５８】
スキージとステンシルを用いてフラックスまたはペーストを一様に塗布し、フラックスまたはペーストの厚さを製造用リフロー半田付けで典型的な約３ｍｉｌ（７５μｍ）とした。ステンシルの構造は、半田ペースト・スランプ試験用の金属半田粉を含む半田ペーストを塗布する際、コンダクタンスプローブのくし歯が互いに入り込んだ部分の全てを覆うような構造とした。（金属半田粉を含まない）フラックスを使用するフラックス活性度測定の場合には、ステンシルをコンダクタンスプローブのくし目に対して９０°回転させ、金属トレースおよびそれらの間の誘電体基板と直角に交差する方向にフラックスを塗布した。
【００５９】
加熱にはHeller 1700リフロー炉を用い、コンダクタンスプローブを挿入した回路基板ラックをコンベア速度４５ｃｍ／分で通過させた。このリフロー炉には６つの加熱ゾーン（それぞれ約２５ｃｍ長）があり、コンダクタンスプローブがその中の各所定温度に順次曝されるようになっている。低温プロフィールの所定ゾーン温度は１６０、１７０、１８０、１９０、２１５および２３０℃の順とした。中温プロフィールの所定ゾーン温度は、１８０、１９０、１９０、１８５、１８５および２４５℃の順とした。高温プロフィールの所定ゾーン温度は、１９０、１９０、１８５、１８０、１７５および２６０℃の順とした。プロフィール全体を完了するのに必要な時間が、低、中および高の各プロフィールについてそれぞれ、３．５、４．５および６．０分となるようにコンベア速度を調整した。
【００６０】
実施例１：図６は低温プロフィールでリフローした市販の２種類の半田フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。いずれの半田フラックスについても電気伝導度が室温で測定されるが、これはフラックスの保管寿命を短縮させるフラックス活性がいくらかあることを示す。室温における電気伝導度はKester 256GSのほうが明らかに高いが、これは同フラックスが保管中に活性を失いやすく保管寿命も短くなる傾向にあることを示す。実際の保管寿命試験によれば、Kester 256GSフラックスの保管寿命は４ヶ月、Kester 244フラックスの保管寿命は６ヶ月であった。
【００６１】
図６の約４５℃（０．５分）付近からKester 256GSフラックスの電気伝導度は急激に増大し始めるが、これはフラックス活性剤が溶解しフラックス溶剤中で解離するに伴いフラックス活性が増大することを示す。電気伝導度測定値によって示されるKester 244フラックスの活性は、この温度／時間領域においてKester 256GSフラックスのそれに比べ約６秒遅れることが認められる。
【００６２】
図６の約１４０℃（１．４分）付近において、Kester 256GSフラックスの電気伝導度はピークに達しその後急激に低下するが、これはフラックス溶剤の揮発に伴いフラックス活性が低下することを示している。この温度／時間領域におけるKester 244フラックスの活性は高いままであった。図６の約１８０℃（２．１分）付近から、Kester 256GSフラックスの電気伝導度が再び上昇しているが、これはフラックスの樹脂系および弱有機活性剤が液化しフラックス活性が増大したことを示している。この温度／時間領域（最高温度の２３２℃まで）において、Kester 244フラックスの活性は増大し続けるが、これは２４４活性剤の揮発性が相対的に低いことを反映している。
【００６３】
図６において温度がピークに達してから約２２０℃まで低下すると（３．６分）、いずれの半田フラックスも電気伝導度の低下を示すが、これは温度の低下に伴いフラックス活性が低下したことを示す。しかしながらKester 244フラックスの活性低下はより緩慢で、より長い時間にわたり高い値を示す。また同フラックスの活性は、半田付けのピーク温度に対応して最高点に到達した。一方、Kester 256GSフラックスは２．２分でリフロー温度（１８０℃）に到達し、その後約３．６分まで完全活性に到らなかった点に留意すべきである。このような結果を用いて、各用途に最適な半田フラックスを選定することができる。例えば、高いフラックス活性を維持するKester 244フラックスは、実施例１の低温プロフィールを用いて半田ぬれ性が比較的低い部品を半田付けするのに好ましい。
【００６４】
いずれの半田フラックスの電気伝導度も図６の約１１５℃付近から低い値のプラトーを示すが、これはフラックス樹脂系が凝固するに伴いフラックス活性が無視できる程度まで低下するためである。このようにいずれの半田フラックスも、腐食や電流漏れなど実用上の問題を回避するために必要な低い残留フラックス活性を示す。いずれのフラックスも、半田付け後に残渣が電子アセンブリ上に残っても許容される程度のものである。
【００６５】
実施例２：図７は、実施例１の低温プロフィールで用いた２つの市販半田フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について、中温プロフィールで測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。従来のスズ−鉛半田より高い融点を有するスズ−銀−銅半田を用いたリフロー半田付けなどでは、このようなさらに高い温度が要求される。中温プロフィールにおけるKester 256GSフラックスは、前記と同様２つの電気伝導度ピークを示すが、最高半田付け温度におけるフラックス活性がかなり高いことからも分かるようにその性能が改善されている。一方、Kester 244フラックスの活性は高いものの高温域でかなり変動する。これはKester 244活性剤系の一部が中温プロフィールの高温域で非常に揮発的となったことに起因するものと考えられる。本例より、特にリフローサイクル時間が長い場合には、Kester 256GSフラックスが好ましい場合があることが分かる。
【００６６】
実施例３：図８は、実施例１および実施例２の低温・中温プロフィールで用いた２つの市販半田フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について、高温プロフィールで測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。高温プロフィールにおいてもKester 256GSフラックスは前記と同様２つの電気伝導度ピークを示すが、最高半田付け温度におけるフラックス活性が（中温プロフィールに比較して）かなり高いことからも分かるように、その性能はさらに改善されている。これに対し、Kester 244フラックスの活性は高温プロフィールの高温域において（中温プロフィールに比べ）低下している。
【００６７】
実施例１から実施例３で得られた結果から、Kester 256GSフラックスは高温プロフィールに好ましく、一方、Kester 244フラックスは、比較的半田ぬれ性の低い部品を低温プロフィールで半田付けする際に良好な結果をもたらすであろうことが明らかである。またKester 244フラックスは室温活性がより低いため保管寿命が長い。
【００６８】
実施例４：図９は、代表的な水溶性フラックスについて高温プロフィールを用いて測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。このようなフラックスは半田ぬれ性が一般に乏しく、半田付けが難しい金属システムに一般に使用される。水溶性フラックスの活性（図９）はリフロープロセスを通じて比較的高いままである。さらに半田付けプロセス後（室温においても）フラックス活性が高いまま維持される。このことは洗浄プロセスによって腐食および／エレクトロマイグレーションを引き起こすフラックス残渣を除去する必要があることを示唆している。
【００６９】
実施例５：図１０は、３種類のリフロー封止材を低温プロフィールで測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。これら材料の典型的な用途はボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）装置であるが、この装置はプリント基板への相互接続にリード線を用いず、半田球の列を使用したパッケージである。パッケージと基板との間に形成される半田接続が封止材の存在により強化され相互接続の接着信頼性が向上する。典型的なリフロー半田付けプロセスに用いられるリフロー封止材は、半田合金の溶融温度に到るまで良好なフラックス特性を維持することが求められる。その後リフロー封止材を架橋させ硬化させると完全にポリマー化した封止材となる。リフロープロセスにおいてリフロー封止材をあまりに早く硬化させると、その結果生じるゲルが半田接続形成を阻害する。（このことは米国特許第6,819,004号、Kirstenに記載されている。）リフロー封止材が硬化するに従いその電気伝導度は低下する。
【００７０】
図１０に明らかなようにEL2-33-1および9110S材は、9101材よりはるかに低い温度で硬化するためある種の高温半田合金系には適さない。実際に半田付け試験を行ったところ、EL2-33-1および9110Sリフロー封止材は融点１８３℃のＳｎ−Ｐｂ共晶半田（６３％Ｓｎ−３７％Ｐｂ）に対しては十分に機能するものの、融点２２１℃の鉛フリー合金（９６．５％Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕ）に対しては９１０１材のみが有効であった。これらの結果は本発明が、リフロー封止材を硬化させるのに適当な温度プロフィールを確立するためにも使用することができ、さらに特定のリフロー条件下における硬化の度合いを測定するためにも使用することができることを示している。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態を例示し説明した。一方、これらの改良や別の実施形態が当業者にとって明らかであることは疑いの余地がない。さらに、ここに例示され記述された要素を等価なものと置き換える、または部品または接続を逆にしたり入れ替えたりすることも可能であり、本発明の特徴を他の特徴と独立して利用することも可能である。したがって、上記の模範的な実施形態は例示のためのものであり、全ての形態を含むものではない。添付の請求項は本発明の範囲全体をより良く示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】コンダクタンスプローブの回路トレースが互いに入り込んだくし状パターンを有する本発明の装置の実施形態を示す。
【図２】コンダクタンスプローブの回路トレースが円形パッドおよび同心リングを含む本発明の装置の実施形態を示す。
【図３】互いに入り込んだくし状パターンを有する複数のコンダクタンスプローブと、回路基板ラックと、バッファー／増幅器モジュールと、アナログ−デジタル変換器と、パーソナルコンピュータと、プリンタとを備える本発明の装置の好適な実施形態を示す。
【図４】本発明のコンダクタンスプローブに用いられる好適なバッファー／増幅器の回路図である。
【図５】本発明の熱電対式温度プローブに用いられる好適なバッファー／増幅器の回路図である。
【図６】２種類の市販半田ペースト・フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について、市販のリフロー炉を低温加熱プロフィールで加熱しリフローを行った際、本発明の方法および装置によって測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの代表例を示す。
【図７】図６の２つの市販半田ペースト・フラックス調剤を中温プロフィールで加熱した際に測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの代表例を示す。
【図８】図６の２つの市販半田ペースト・フラックス調剤を高温プロフィールで加熱した際に測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの代表例を示す。
【図９】半田ペーストに用いられる代表的な水溶性フラックスについて高温プロフィールを用い測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。
【図１０】３種のリフロー封止材について低温プロフィールを用い測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 基板
１０１ 金属トレース
１０２ 金属トレース
１０３ ワイヤー
１０４ ワイヤー
１０５ 電気伝導度計
１０６ 熱電対
１０７ ワイヤー
１０８ ワイヤー
１０９ 電圧計
２００ 基板
２０１ 円形パッド
２０２ 同心リング
２０３ ワイヤー
２０４ ワイヤー
２０５ 電気伝導度計
２０３ ワイヤー
２０４ ワイヤー
２０６ 熱電対
２０７ ワイヤー
２０８ ワイヤー
２０９ 電圧計
３１１ 金属トレース
３１２ 金属トレース
３３１ 金属トレース
３３２ 金属トレース
３５１ 金属トレース
３５２ 金属トレース
３１０ コンダクタンスプローブ
３３０ コンダクタンスプローブ
３５０ コンダクタンスプローブ
３７０ 回路基板ラック
３７０ 電気伝導度計
３８０ 熱電対
３８１ ワイヤー
３８２ ワイヤー
３８３ 電圧計
３９０ バッファー／増幅器
３９２ アナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
３９４ コンピュータ
３９６ プリンタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は工業プロセスの制御に関し、特に、電子回路の部品を相互接続する半田付けプロセスの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日のマイクロエレクトロニクス回路にはプリント基板（PWB：printed wiring board）を介して相互接続された電子部品や装置が一般に備えられ、その中には相互接続ワイヤーとして機能する銅線や、部品および装置のリード線を半田付けするための表面接続パッドが含まれる。プリント基板は、例えばエッジ接続や回路テストポイントなどの働きをする金属製表面パッドを含む場合がある。プリント基板配線およびパッド類は誘電体基板上に形成され、無電解銅めっき、フォトリソグラフィー、電気銅めっき等と組み合わせられたポリマー積層体製またはセラミックス製の基板が典型的に用いられる。多くの場合、多層に積層された電気回路がビアホールを介して相互接続される。典型的なビアホールは、銅めっきされた壁を有し半田で充填されている。プリント基板の銅パッドには耐酸化性金属による表面仕上げが一般に施され、半田ぬれ性を阻害する表面酸化物の形成を抑制している。典型的な表面仕上げとして、無電解ニッケル／金めっき、浸漬スズめっき、スズ−ビスマス合金電気めっきなどがある。
【０００３】
部品や装置のリード線はリフロー半田付けプロセスによってプリント基板の接続パッドに通常半田付けされる。このプロセスは、所定量の半田ペーストをプリント基板の接続パッドに塗布することと、部品やデバイスの入力／出力（Ｉ／Ｏ）リード線が適当なプリント基板の接続パッドに対して配向するようにプリント基板に部品やデバイスを載置・装着することと、この装着済みプリント基板アセンブリを加熱して半田ペースト中の半田をリフロー（溶解）させることとを含む。半田ペーストをプリント基板の接続パッドに所定量だけ塗布する際には、注射器型の自動ディスペンサー、またはステンシルおよびスキージを一般に用いる。半田ペーストの所定量は、半田付けされる特定の部品やデバイスによって様々である。代表的なデバイスとしてボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）が挙げられる。ＢＧＡはデバイスの一側面上の接続パッドに取付けられた半田ボールの列（アレー）を有する。多くのＢＧＡデバイスは多数のＩ／Ｏリードを有するため、隣接する接続パッド間の距離（ピッチ）が非常に小さくなっている。
【０００４】
通常の半田ペーストは小さな半田球の粉末を含み、これがリフローの間に融合して半田塊を形成する。この半田塊は、半田接続部における半田の大半を占める。また半田ペーストには、半田付けプロセス中の金属表面から酸化物を溶解するための半田付け用フラックスが含まれる。典型的な半田付け用フラックスは有機ハロゲン化合物を含み、これが十分に熱せられると活性化して有機酸と遊離ハロゲン種を発生させ金属酸化物を効果的に分解する。半田ペーストは添加物を含む場合もある。これら添加剤は、所望のレオロジー特性を付与し、半田リフロー中にフラックスが消費された際、金属表面が再酸化されるのを防ぐ。特に半田ペーストは、半田リフロー前に部品や装置を適所に保ちスランプを抑制するための十分な固さ（および粘性）を有する必要がある。スランプは隣接する接続パッド間の半田橋絡による電気的短絡の原因となり得る。
【０００５】
リフロー半田付けはリフロー炉中で一般に行われるが、この炉には電子アセンブリを搬送するための金属製ベルトコンベヤが備えられ、またアセンブリを所定の温度・時間プロフィールに従って加熱できるようにするための加熱ゾーンが各種含まれている。場合によっては、リフロー炉またはその一部を窒素雰囲気にし、リフロープロセス中における半田付け表面の酸化を防ぐこともある。
【０００６】
リフロー半田付けは複雑なプロセスであり、半田がリフロー（溶融）する直前にフラックスを十分に活性化させることにより（プリント基板パッド、部品リード線、半田ペースト中の半田粒子の）表面酸化物を溶解し、電気抵抗の低い強固な半田接続が行われるようにすることが重要である。必要とされるフラックス活性は、接続される表面上の酸化物の量および種類によって大きく異なる。リフロー半田付けプロセスの信頼性を確保するためには、半田付けされる特定のアッセンブリに適合した半田ペーストとリフロー条件を選定する必要がある。
【０００７】
フラックス活性に関連するリフロー半田付けの問題は、一般に次の４点の何れかである。（１）半田ペースト中のフラックスが貯蔵中に化学反応して活性を失い、半田付けプロセスで使用する際に残存する活性が不適となる。（２）半田ペースト中のフラックスが尚早に（半田リフロー温度より低い温度で）活性化され、接続される表面が半田リフロー前に再酸化される。（３）フラックスがリフロー温度で十分に活性化されない。（４）フラックスが半田付けプロセスの後にも活性なままで、腐食および／またはエレクトロマイグレーションを引き起こし、後に電気的短絡、開放、または過大な相互接続抵抗による回路損傷の原因となる。
【０００８】
電子装置アッセンブリ業界で現在用いられるもう一つの半田付けプロセスにウェーブ半田付けがある。この方法ではデバイス類を（表面実装および／またはスルーホールによって）装着したプリント基板が溶融半田の波に通される。ウェーブ半田付けにおいても、リフロー半田付けと同じフラックス活性の問題が発生する場合がある。
【０００９】
半田付けプロセスをコントロールするための既存の方法例として以下が挙げられる。（１）半田接続不良を発生させるのに必要な力を測定するボール／リードのせん断または引張試験。（２）半田広がり試験、半田ぬれ試験またはＳＥＲＡ（Sequential Electrochemical Reduction Analysis）法による半田ぬれ性評価。（３）表面絶縁抵抗（ＳＩＲ、Surface Insulation Resistance）測定、ハロゲン化合物分析、イオン清浄度試験、電気化学的移動試験、および銅鏡面および銅板腐食試験による半田フラックス残渣の検出。（４）粘性、比重、ハロゲン含有百分率、粘着性、酸価、ｐＨおよび（半田ボールの酸化を検出するための）インピーダンス分光など、半田ペーストの物理・化学特性測定。（５）クロマトグラフィー(GC、HPLC、ICおよびGPC)、分光法（ＵＶ、ＦＴＩＲ、ラマン、ＡＡ）、熱分析（ＤＳＣ、ＴＧＡ）、湿式分析などによるフラックスの化学分析。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５６５６９３３号明細書
【特許文献２】米国特許第６００５３９９号明細書
【特許文献３】米国特許第６２７８２８１号明細書
【特許文献４】米国特許第６３００７７８号明細書
【特許文献５】米国特許第６８１９００４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これらの方法はいずれも半田付けプロセスの前か後に行われ、それぞれ半田付けプロセス性能に関する１つのみの情報を提供するものに過ぎず、半田付けプロセスそのものについての情報を提供するものではない。このことは、半田ぬれ試験についても当てはまる。半田ぬれ試験は、試験片と溶融半田とが接触した際の（半田メニスカスの重量による）湿潤力を測定することにより、半田付けプロセスを模擬しようとするものである。この半田ぬれ試験は半田ぬれ性の指標を与えるものの、プリント基板やＢＧＡへの応用が難しく、試験片の配置、フラックス塗布、予熱（温度プロフィール）および試験片の熱慣性の点において実際の半田付けプロセスを適切に模擬するものではない。半田付けプロセスの性能を評価し、全ての重要な変動要因に対してプロセスを最適化できるようにするための方法が必要とされていることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための装置および方法を提供するものである。この装置は、誘電体基板上で隣接する２つの金属トレースを有するコンダクタンスプローブと、前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブと、前記２つの金属トレース間の電気伝導度を測定するための電気伝導度計とを備える。この２つの金属トレースは互いに入り込んだくし状パターンを形成することが好ましい。本発明の方法の好適な実施形態では、各金属トレースの少なくとも一部分および該トレース間の誘電体基板上の少なくとも一部分に（金属半田を含まない）半田付け用フラックスを塗布し、該トレース間の電気伝導度を半田付けプロセスの前、中間（ウェーブ半田付けの場合を除く）および後に測定する。このようにして作成された電気伝導度−温度・時間プロフィールを分析し、前記半田付けプロセスに対する前記フラックスの性能を決定する。本発明の装置は、同一の工程で複数のコンダクタンスプローブを同時に評価するための回路基板ラックをさらに備えてもよい。
【００１３】
本発明による電気伝導度−温度・時間プロフィールの分析により、半田リフローまたはウェーブ半田付け操作の前、中間（リフロー半田付けプロセスの場合）および後を含む実際の半田付けプロセス全般における相対的なフラックス活性を求めることができる。これによりフラックス活性および活性化特性を半田付けプロセスの要求に応じて最適化することが可能になる。（半田付けプロセスの前に）測定される常温フラックスのフラックス活性が顕著な場合、フラックスが室温で化学反応し保管寿命が短くなっていることを示す。
【００１４】
フラックス活性は、半田リフロー温度またはウェーブ半田付け操作の直前に最大となるようにすることが好ましい。熱・電気伝導度分析（ＴＣＡ：Thermoconductimetric Analysis）はフラックス活性が最大になる温度を検出するので特に有効である。ＴＣＡ電気伝導度−温度・時間プロフィールに基づいてフラックス化合物の化学的安定性や沸点などを調整することにより、フラックスの活性化に必要な時間および温度を最適化することができる。
【００１５】
また本発明によれば、腐食やエレクトロマイグレーションを誘起し回路故障の原因となるイオン状のフラックス残渣を、半田付けプロセス後に残留するフラックス活性によって検出することができる。先行の表面絶縁抵抗（ＳＩＲ、surface insulation resistance）試験に類似したものではあるが、本発明の残留フラックス活性測定は、半田付けプロセス全般について行われフラックス活性が最小になる温度を検出することを特徴とする。また、このような半田付け後の電気伝導度を交流（ａｃ）で測定し、操作電圧および周波数または周波数帯域（スイープ）が電子機器の残留フラックス活性に（その操作温度で）及ぼす影響を評価してもよい。
【００１６】
本発明の装置は、付加的な環境センサーをさらに備えることができる。例えば、コンダクタンスプローブまたは回路基板ラックにＲＨセンサーを含め、相対湿度が貯蔵時の残留フラックス活性に及ぼす影響を監視できるようにしてもよい。さらに別の例として、コンダクタンスプローブまたは回路基板ラックに各種センサーを含め、リフロー半田付けプロセス中のリフロー炉内、またはウェーブ半田付けプロセス中の予熱炉内のガス圧および／または酸素濃度を監視できるようにしてもよい。用途に応じ、本発明の装置に他の有用なセンサーを含めることができるが、これらは当業者にとって明らかであろう。
【００１７】
また本発明は、リフロープロセスの間における半田「スランプ」とその発生温度を検出するために用いることができる。この場合、金属半田を含む半田ペーストをコンダクタンスプローブ用金属トレースの少なくとも１つに塗布するが、トレース間の誘電体基板上には塗布しない。リフロープロセス時の半田ペースト・スランプは、コンダクタンスプローブ金属トレース間の半田橋絡によって生じる高い電気伝導度（短絡）として検出される。また金属トレース間を橋絡する半田ボールによる短絡も検出できる。
【００１８】
本発明の装置に各種ハードウェアおよびソフトウェアをさらに含めることにより、データ収集を容易にし、および／または、結果の信頼性を向上させることもできる。例えば無線リンクを（固定配線の代わりに）用い、コンダクタンスプローブおよび温度プローブ（さらにその他全ての使用されるセンサー）から、データ収集・処理システムにデータ信号を送信できるようにしてもよい。代わりに、コンダクタンスプローブまたは回路基板ラックに搭載されたオン・ボード・データリンクによってデータを収集・保存し、半田付けプロセスが完了した後にこれをダウンロードしてもよい。データ処理装置は、市販または私有のデータ分析プログラムをいくつ採用しても良く、典型的なグラフィックディスプレーによるデータ表示を行ってもよい。
【００１９】
さらに、当業者公知の技術や装置を用いて本発明の装置を熱的、物理的、または化学的劣化に対して「強化」し、リフロー炉、予熱炉、その他厳しい環境を損傷することなく通過できるようにしてもよい。同様に、本発明の装置を市販の装置を用いて小型化し、狭小な環境でのフラックス評価を行えるようにしてもよい。本発明による測定はフラックスの化学的摂動を避けるように行うべきもので、さもなければ結果の精度が大幅に低下することは当業者にとって自明であろう。例えば電圧は、高い入力インピーダンスを有する電圧電流計を用いて測定すべきもので、抵抗器によって電流を制限することなどによって高入力インピーダンスを得ることができる。
【００２０】
本発明は、保管寿命が長く、リフロー半田付け温度における（半田付け欠陥の最小化に必要な）フラックス活性が良好で、（腐食またはエレクトロマイグレーションによる電子機器の現場故障を防ぐために必要な）低い残留フラックス活性および（リフロー半田付け中の半田スランプによる電気回路の橋絡や短絡を防ぐために必要な）良好なレオロジー特性を有する半田ペースト調剤の開発に有用である。
【００２１】
また本発明は、ウェーブ半田付け用に良好な活性特性を有し、残留フラックス活性の低いフラックス調剤を開発するためにも有用である。
【００２２】
また本発明は、所定のリフロー半田付けプロセスで特定のプリント基板構造をリフロー半田付けする際、最も欠陥が少なくなる最適な半田ペースト調剤を選定するためにも有用である。
【００２３】
また本発明は、所定のウェーブ半田付けプロセスで特定のプリント基板構造をウェーブ半田付けする際、最も欠陥が少なくなる最適なフラックス調剤を選定するためにも有用である。
【００２４】
また本発明は、最適なリフロー半田付け条件（例えば、炉のコンベア速度とゾーン温度で決められる温度・時間プロフィールなど）を選定しリフロー半田付けの際のプリント基板構造欠陥を最小化するためにも有用である。
【００２５】
また本発明は、最適な予熱条件（例えば、炉のコンベア速度とゾーン温度で決められる温度・時間プロフィール）を選定し、ウェーブ半田付けの際のプリント基板構造の欠陥を最小化するためにも有用である。
【００２６】
また本発明は、リフロー炉雰囲気中または予熱炉雰囲気中の酸素が半田付けプロセスの性能に及ぼす影響を知るためにも有用である。これら情報は、（酸素が悪影響を及ぼす場合には）不活性な窒素雰囲気を用いる、あるいは（酸素が悪影響を及ぼさない場合には）不活性雰囲気使用に伴うコストを低減する、など半田付け性能の改善に役立てることができる。また本発明を用い、実質的に悪影響を及ぼさない範囲の酸素許容濃度を決定することもできる。
【００２７】
また本発明は、最適なフラックス調剤および予熱／半田条件を選定し、特定の電子装置操作条件（例えば温度、ならびに交流電圧および周波数を含む回路トレース間の印加電圧など）に対する残留フラックス活性の影響を最小化するためにも有用である。残留フラックス活性は、携帯電話など高い周波数で作動する電子装置で特に問題となる。
【００２８】
また本発明は、貯蔵条件が貯蔵時の残留フラックス活性に及ぼす影響を決定するためにも有用である。本発明の温度プローブによって貯蔵時の温度を監視することができる。また他の貯蔵条件を監視するために他のセンサー類を使用してもよい。例えばＲＨセンサーを使用し、相対湿度が貯蔵時の残留フラックス活性に及ぼす影響を監視してもよい。このＲＨセンサーを、例えば本発明のコンダクタンスプローブまたは回路基板ラックに含めるか、または貯蔵空間のどこかに取り付けても良い。
【００２９】
また本発明は、半田付け装置や半田ペーストおよびフラックス調剤をマーケティングする際、優位な性能をグラフィックに実証するためにも有用である。
【００３０】
上述した用途は例示を意図したもので、全てを網羅したものではない。本発明の範囲内の他の用途も当業者には明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の他の特徴や利点は、添付図面とともに説明する以下の詳細な記述により、当業者にとって明らかなものとなるであろう。
【００３２】
添付の各図面は縮尺どおりに描かれたものではなく、いくつかの特徴点は本発明の特徴や操作をより良く表すため拡大されている。
【００３３】
本書では、当業者に一般に知られている技術用語を使用する。「金属トレース」と言う用語は、配線、パッド、互いに入り込んだくし状パターンおよび蛇行パターンなどを含むあらゆる回路要素の配置を広く網羅するものである。「半田ペースト」はリフロー半田付け用として一般に用いられるもので、フラックスおよび小さな半田粒子の粉末を含む。半田ペースト・フラックスは金属酸化物を溶解するための活性剤を一般に含み、また、ペーストのレオロジー特性および／または化学特性を改善するための様々な添加物を通常含んでいる。半田ペースト・フラックスに用いられる代表的な添加物には、溶剤、（半田スランプを軽減するための）流動剤、防蝕剤、熱安定材などがある。ウェーブ半田付けに使用されるフラックスにも（活性剤の他に）様々な添加物が含まれる場合があるが、半田粒子を含まず流動剤が不要なものもある。
【００３４】
本書における「フラックス」とは、フラックス成分のあらゆる組み合わせを示し活性剤のみを使用するものも含む。場合によっては、評価の対象となるフラックスと金属半田粒子とを遠心分離や化学抽出により半田ペーストから分離する。半田ペースト・スランプ評価試験用の典型的な半田ペーストには、金属半田粉を含む通常使用される全ての成分が含まれる。
【００３５】
本発明は、半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための方法および装置を提供するものである。本発明の方法は以下の各工程を含む。（１）誘電体材料基板上の所定領域の内に並べられた２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設ける、（２）前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブを設ける、（３）前記所定領域の少なくとも一部分上に所定量のフラックスを塗布する、（４）前記コンダクタンスプローブを、塗布されたフラックスと共に所定の温度・時間プロフィールに従って加熱する、（５）前記コンダクタンスプローブの金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定し、電気伝導度−温度・時間プロフィールを生成できるようにする、さらに（６）前記電気伝導度−温度・時間プロフィールを分析し、半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を求めるようにする。これらの工程は適宜順を変えて実施してもよい。フラックス活性評価では一般に、各金属トレースの少なくとも一部分およびそれら間の誘電体基板上の所定領域内にフラックスを塗布する。半田ペースト・スランプ評価ではフラックスを含む半田ペーストを用い、金属トレースの少なくとも１つの上にあって金属トレース間の基板上ではない所定領域内に該半田ペーストを塗布する。この場合、金属トレース間の空間を橋絡する半田スランプが電気伝導度測定における電気短絡として検出される。
【００３６】
トレース対を形成する本発明による２つの金属トレースは、合金を含むあらゆる適当な金属で作ることができる。銅は電子回路に汎用され、金属トレース用として好適な金属である。半田ぬれ性を改善するため銅に表面仕上げを施しても良い。典型的な表面仕上げには、半田めっき、無電解ニッケル／金めっき、浸漬スズめっき、スズ−ビスマス合金電気めっきなどがある。このような表面仕上げはフラックス活性特性に影響を及ぼす傾向がある。また本発明は、表面仕上げがフラックス活性特性に及ぼす影響を調べるための方法および装置も提供する。
【００３７】
本発明による２つの金属トレースはあらゆる適当な形状に配置することができる。このような形状として、例えば互いに入り込んだくし状または蛇行パターンなど、小さな間隔で分離された長いトレースが電気伝導度測定のＳ／Ｎ比向上の点で有用であろう。トレース間の間隔は、評価対象となる半田付けプロセスで用いられる表面パッドの最細ピッチと同等にすることが好ましい。評価対象となるリフロー半田付けプロセスで実際に半田付けされる回路アッセンブリを模擬したトレース形状は、半田ペースト・スランプ、または、半田ボール形成などの影響を検知するために有益な場合がある。コンダクタンスプローブトレース対を複数、直列（デイジー・チェーン）接続してＳＮ比を高めてもよい。
【００３８】
図１は、コンダクタンスプローブの回路トレースが互いに入り込んだくし状パターンを有する本発明の装置を示す。このパターンは基板１００上に並べられた一対の金属トレース１０１および１０２を含むもので、この基板にはポリマー積層体、セラミックス材料またはこれらの組み合わせを含むあらゆる誘電体材料を用いることができる。典型的な積層体材料として難燃性エポキシグラスファイバー（ＦＲ−４）がある。金属トレース１０１および１０２は、ワイヤー１０３および１０４を介して電気伝導度計１０５に接続されている。この電気伝導度計はトレース１０１と１０２との間に電圧を印加し、その際の電流応答から電気伝導度を決定する。印加電圧および電流応答は、直流（ｄｃ）または交流（ａｃ）のいずれでもよい。直流測定の場合には１から１０ボルト範囲の印加電圧が適当であることが見出されているが、この範囲外の電圧を印加しても構わない。
【００３９】
図１に示す実施形態の温度プローブは、ワイヤー１０７および１０８を介して第１の電圧計１０９に接続された熱電対１０６を含む。好ましくは、第１の電圧計１０９と一体または別の熱電対用冷接点（図示せず）を用いて温度測定精度を向上させる。熱電対用冷接点は室温でもよく、またさらに精度を向上させるためこれを特定の温度に制御してもよい。測定の温度範囲にわたって必要な感度を有するものであればどのような熱電対を使用しても構わない。基板１００またはその上の金属パッドと熱電対１０６とが接触するように配置することが好ましいが、コンダクタンスプローブに（接触せずに）近接した熱電対によっても十分な精度の温度測定を行うことができる。代替的な実施形態では、リフロー炉中のコンベアに沿って固定された一連の熱電対を用いて本発明の温度測定を行うことができる。また代わりに別の温度測定方法を採用してもよい。例えば、コンダクタンスプローブから放射される赤外線を検出・分析することで、このコンダクタンスプローブの温度を監視することも可能である。
【００４０】
本発明の典型例では、（基板１００ならびに金属トレース１０１および１０２を含む）コンダクタンスプローブと温度プローブ１０６とが加熱される一方、電気伝導度計１０５および第１の電圧計１０９は常温に保たれる。この場合、ワイヤー１０３、１０４、１０７および１０８の少なくとも一部を耐熱材料にする。本発明の範囲内で、電気伝導度計１０５および／または第１の電圧計１０９に耐熱性回路を使用し、これらをコンダクタンスプローブおよび温度プローブ１０６とともに加熱できるようにしてもよい。
【００４１】
図２は本発明の装置の実施形態を示すもので、コンダクタンスプローブの回路トレースが誘電体基板２００上に並べられた円形パッド２０１と同心リング２０２とを備えている。この回路トレース配置は回路基板の接続パッドを模擬するもので、同心リング内周が比較的長いためトレース間の電気伝導度変化に対する感度が高い。図１の実施形態と同様、トレース２０１および２０２がワイヤー２０３および２０４を介して電気伝導度計２０５に接続されており、また熱電対２０６がワイヤー２０７および２０８を介して第１の電圧計２０９に接続されている。金属トレース２０１への電気接続は、（図示するように）同心リングトレース２０２に設けられた間隙をワイヤー２０４の一部が通るように配線することができる。代わりに、金属トレース２０１への接続を基板２００中の内部回路を介して行い、リング２０２の間隙を無くしてもよい。このようなコンダクタンスプローブを複数（同一の基板上で）並列接続することにより測定感度を向上させＳ／Ｎ比を高めてもよい。
【００４２】
コンダクタンスプローブの金属トレースへのフラックスを塗布方法は、実施しようとするフラックス評価の種類によって異なる。半田付けまたは予熱プロセス中における半田フラックスの活性を評価するためには、各金属トレースの少なくとも一部分、および両トレース間の誘電体基板の少なくとも一部分に（金属半田の無い）フラックスを塗布する。リフロー半田付け中の半田ペースト・スランプ特性を評価するためには（金属半田粉の入った）半田ペースト中にフラックスを含め、これをコンダクタンスプローブの少なくとも１つの金属トレースの少なくとも一部分に塗布する。ただしこの場合、両トレース間の誘電体基板には塗布しない。このようにすると、リフロープロセス中の半田スランプ、または、半田ボール形成による金属トレース間の短絡がトレース間電気伝導度の急激な増大として容易に検出することができる。
【００４３】
コンダクタンスプローブの金属トレース（および基板）へのフラックスまたはペーストの塗布にはどのような手段を適宜用いてもよい。フラックスまたはペースト塗布の好ましい方法として、リフロー半田付け製造プロセスで一般に用いられる注射器型自動ディスペンサーを使用する方法がある。この装置によれば、所定量の半田ペーストを正確に分注することができる。フラックスまたはペースト塗布のもう一つの好ましい方法では当技術分野で周知のステンシルおよびスキージを使用する。この場合、塗布されるフラックスまたはペーストの厚さはステンシルの厚さによって決定される。また本発明におけるフラックスやペーストの塗布には、スプレー、浸漬、ブラシまたは印刷などの方法を用いても構わない。
【００４４】
電気伝導度測定によって表されるフラックス活性は存在するフラックスの量に依存するため、コンダクタンスプローブには所定量のフラックスを塗布することが好ましい。電気伝導度データからフラックスの伝導度を計算することも理論的には可能であるが、この手法は実用的とは言えない。この手法では、時間や温度ともに変化するフラックスの形状や量に対し金属トレースの配置を考慮する必要があり、またフラックスの伝導度を温度の関数として事前に知ることが必要になる。従って、所定量のフラックスを分注し、金属トレース間の電気伝導度をフラックス活性の相対値、すなわち電気伝導度を増大させるイオン種の形成に依存する値、として測定することが好ましい。また、半田ペーストの存在量に強く依存するスランプ特性の評価においても所定量の半田ペーストを金属トレースに塗布することが好ましい。
【００４５】
所定量のフラックスまたはペーストを選定し、これらフラックスまたはペーストが使用される半田付け製造プロセスを模擬するようにすることが好ましい。この場合、金属トレースの所定領域に塗布する半田ペーストの量を金属トレース間の間隙などのトレース配置に応じて調整してもよい。この間隙を、評価対象となるリフロー半田付けプロセスで半田付けされる量産基板上の接続パッド間の最小間隙と同等にすることが好ましい。
【００４６】
本発明の方法における加熱工程は、温度プロフィール制御用のベルトコンベヤと加熱ゾーンとを有するリフロー炉または予熱炉で行うことが好ましい。ただし、本発明の方法による加熱は適当ないかなる手段によっても行うことができ、例えばコンベアの無い静的な炉を加熱プログラムの有無にかかわらず使用することもできる。
【００４７】
本発明の方法による電気伝導度−温度・時間プロフィール分析では、コンダクタンスプローブがリフロー炉を通過するなどして加熱される際に測定される電気伝導度と温度とを時間の関数として通常プロットする。この分析は、好ましくはコンピュータを用いた表形式データ、または例えば電気伝導度を温度の関数として表したその他のプロットを用いて実施する。電気伝導度の測定値はフラックス活性に比例するものと一般に見なすことができる。電気伝導度−温度・時間プロフィールで評価されるリフロー半田付けプロセスの重要特性は下記を含む。
・初期室温フラックス活性、この特性によりフラックスの時期尚早な活性化を検出する。尚早な活性化はフラックスの保管寿命を縮め性能を低下させる。
・半田リフロー時間および温度に対するフラックス活性化の時間および温度、この特性により、実際のリフロー条件下でフラックスを有効に作用させることができる。
・リフロープロセス後におけるフラックスの低温活性：この特性によりイオン状のフラックス残渣を検出する。
上記残渣は腐食またはエレクトロマイグレーションを誘起し、使用時に回路故障の原因となり得る。ウェーブ半田付けプロセスにおける電気伝導度−温度・時間プロフィールの重要特性はリフロー半田付けプロセスのそれに類似している。
【００４８】
本発明によって得られたデータを様々な方法で分析することにより、半田付けプロセスの性能に関する定量的な情報を得ることができる。例えば、電気伝導度データを時間または温度に対しプロットして作成される曲線を直接分析してもよいし、時間または温度に伴う伝導度の変化を強調するため曲線を微分して一次または二次微分曲線を作成してもよい。データ曲線を（当業者が）調査して分析する、および／または、勾配、ピーク面積、ピーク面積率、ピーク高さ、ピーク高さ率、あるいは電気伝導度が所定値を上回る時間など曲線の（限定されない）特徴を抽出して分析することができる。
【００４９】
本発明の方法は、コンダクタンスプローブまたはコンダクタンスプローブを含む回路基板ラック、に取り付けられた環境センサーからの出力を監視する工程をさらに含んでもよい。有用な情報が得られる環境センサーとして、酸素濃度、相対湿度（ＲＨ）、およびリフロー半田付けやウェーブ半田付けの予熱に用いられる炉環境のガス全圧などを検出するための各センサーがある。このようなセンサーからの出力を監視し（また好ましくはそれらの値を変化させて環境を調整しながら）本発明の各種評価を行うことにより、検出されたパラメータおよびその変動がフラックス活性化特性に及ぼす影響を知ることができる。
【００５０】
フラックスを金属トレースおよびこれらの間の基板の両方に塗布する場合、常温で測定されるトレース間の電気伝導度が測定前のフラックス活性の指標となる。これにより、半田付けの信頼性を損なうフラックス保管寿命の短縮および／または不十分なフラックス活性を検出することができる。Fredericksonらによる米国特許第5,656,933号、第6,005,399号、第6,278,281号および第6,300,778号は常温における半田ペーストの特性評価にインピーダンス分光法を用いることを述べている。この作業は、半田付け製品欠陥の原因となる半田ペースト中の半田粒子の酸化を検出することを目的とし、等価回路モデルに結合した印加電圧周波数の関数としての複雑なインピーダンス測定を必要とするものである。一方本発明者らは、半田フラックスの電気伝導度がフラックス活性の指標となること、そして常温におけるフラックス活性がフラックス保管寿命の評価および半田付け性能予測に用いることができることを逸早く認識したのである。
【００５１】
半田付け用フラックスの（使用前における）活性を評価する方法を提供する本発明の実施形態は、（１）誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設け、（２）各金属トレースの少なくとも一部分上およびそれら間の誘電体基板上の所定領域内に所定量のフラックスを塗布し、さらに（３）前記コンダクタンスプローブの金属トレース間の電気伝導度を測定する各工程を含む。本方法において相対的に高い電気伝導度は、半田付け用フラックスの活性度が相対的に高いことを示す。
【００５２】
本発明の装置は、（１）誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブと、（２）前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブと、（３）前記コンダクタンスプローブの２つの金属トレース間における電気伝導度を測定するための電気伝導度計とを備える。好適な実施形態では所定領域の少なくとも一部分上にフラックスを塗布し、コンダクタンスプローブを加熱しながらコンダクタンスプローブの金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定することにより電気伝導度−温度・時間プロフィール作成し、これを分析して半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を決定する。
【００５３】
本発明の装置における電気伝導度計は、直流または交流の電源と電流計測器とを一般に備える。この電流計測器は、抵抗器と第２の電圧計を含む単純な装置でもよく、例えば電流フォロワおよび／またはバッファー／増幅器を含むより複雑な装置であってもよい。電気伝導度は抵抗値の逆数なので、抵抗測定によって電気伝導度を求めることもできる。
【００５４】
また本発明の装置は、複数のコンダクタンスプローブを同時に試験するための回路基板ラックと、熱電対プローブのＳＮ比を高めるための電圧増幅器と、電気伝導度計のＳＮ比を高めるための電流増幅器と、半田付けプロセスの性能評価に使用する電気伝導度−温度・時間プロフィールの分析を容易にするためのアナログ−デジタル変換器およびコンピュータと、前記コンダクタンスプローブ、前記温度プローブ、その他使用されるすべてのセンサー類からのデータ信号をデータ収集・処理システムに送信するための無線リンクと、加熱工程完了後のデータダウンロードを想定しデータの収集と格納を行うためのオン・ボード・データリンクと、前記電気伝導度−温度・時間プロフィールのハードコピーを供するためのプリンタとをさらに備えてもよい。
好適な実施形態の記述
【００５５】
図３は本発明の装置の好適な実施形態を示すもので、この装置は、互いに入り込んだくし状パターンを形成する金属トレース対３１１および３１２、３３１および３３２、３５１および３５２、をそれぞれ有する複数のコンダクタンスプローブ３１０、３３０、３５０と、回路基板ラック３７０と、電気伝導度計３７０と、ワイヤー３８１および３８２によって第１の電圧計３８３に接続された熱電対３８０を含む温度プローブと、電気伝導度計３７０および第１の電圧計３８３からの各出力３７１および３８４のＳＮ比を向上させるためのバッファー／増幅器モジュール３９０と、バッファー／増幅器モジュール３９０からの出力３９１をデジタル化するためのアナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３９２と、Ａ／Ｄ変換器３９２からの出力３９３を分析するためのパーソナルコンピュータ３９４と、コンピュータ３９４からの出力３９５のハードコピーを提供するためのプリンタ３９６とを備えている。金属トレース対３１１および３１２、３３１および３３２、３５１および３５２、がワイヤー３１３、３１４、３３３、３３４、３５３、３５４を介して回路基板のエッジ接点３１５、３１６、３３５、３３６、３５５、３５６にそれぞれ接続され、各エッジ接点は回路基板ラック３７０のスロット３１７、３１８、３３７、３３８、３５７、３５８にそれぞれ挿入され、また各スロットはワイヤー３１９、３２０、３３９、３４０、３５９、３６０を介して電気伝導度計３７０にそれぞれ接続されている。バッファー／増幅器３９０は２つの回路を備え、１つは電気伝導度計３７０からの出力３７１用で、もう１つは温度プローブの第１電圧計３８３からの出力３８４用となっている。図４、５はそれぞれコンダクタンスプローブおよび温度プローブ用に好適なバッファー／増幅器の模式的回路図を示す。
【００５６】
複数のコンダクタンスプローブを保持する回路基板ラックを使用することにより、実質的に同一の条件下で実施される同じリフロー半田付けについて複数の試験を実施することが可能になる。これらのコンダクタンスプローブを実質的に同一なものにして、各種結果の再現性の指標と見なしてもよいし、これらを異なるものにして１つ以上の変動要因の指標として用いてもよい。例えば、見かけ上同一のコンダクタンスプローブに塗布するフラックスの量や組成を変動させてもよいし、同一のフラックスを用い、コンダクタンスプローブの配置を変えて試験を行ってもよい。回路基板ラックは適宜構成することができ、単一プローブの場合を含むあらゆる数のコンダクタンスプローブを保持することができる。
【００５７】
互いに入り込んだくし状パターンを形成する１対の銅トレースの付いたＦＲ−４回路基板（長さ約６．０ｃｍ×幅約６．０ｃｍ×厚さ約０．８ｍｍ）を備えるコンダクタンスプローブを用いて本発明の有効性を実証した。くし状パターンには、ＩＰＣ−ＴＭ−６５０（ｍｅｔｈｏｄ：２．６．３．３）の表面絶縁抵抗（ＳＩＲ）測定法に規定されるＢ−２５パターンと同じものを採用した。Ｂ−２５パターンは接続された５つのくし状セグメントを含み、これらが合計で４１本の歯（０．４ｍｍ幅、２５ｍｍ長、間隔０．５ｍｍ）を含む１対の互いに入り込んだくし状パターンを形成する。銅トレースには厚さ２５μｍで表面仕上げの無いものを使用した。１つ以上のコンダクタンスプローブ上にあるエッジコネクターをステンレス鋼製回路基板ラック（３５ｃｍ長×２５ｃｍ幅×０．１ｃｍ厚）のスロットに挿入した。このラックは５枚までのコンダクタンスプローブを収容できるものであった。また温度プローブには、回路基板ラックと物理的に接触した一対の熱電対(Omega GG-K-30-SLE-500、Type K)を含むものを使用した。
【００５８】
スキージとステンシルを用いてフラックスまたはペーストを一様に塗布し、フラックスまたはペーストの厚さを製造用リフロー半田付けで典型的な約３ｍｉｌ（７５μｍ）とした。ステンシルの構造は、半田ペースト・スランプ試験用の金属半田粉を含む半田ペーストを塗布する際、コンダクタンスプローブのくし歯が互いに入り込んだ部分の全てを覆うような構造とした。（金属半田粉を含まない）フラックスを使用するフラックス活性度測定の場合には、ステンシルをコンダクタンスプローブのくし目に対して９０°回転させ、金属トレースおよびそれらの間の誘電体基板と直角に交差する方向にフラックスを塗布した。
【００５９】
加熱にはHeller 1700リフロー炉を用い、コンダクタンスプローブを挿入した回路基板ラックをコンベア速度４５ｃｍ／分で通過させた。このリフロー炉には６つの加熱ゾーン（それぞれ約２５ｃｍ長）があり、コンダクタンスプローブがその中の各所定温度に順次曝されるようになっている。低温プロフィールの所定ゾーン温度は１６０、１７０、１８０、１９０、２１５および２３０℃の順とした。中温プロフィールの所定ゾーン温度は、１８０、１９０、１９０、１８５、１８５および２４５℃の順とした。高温プロフィールの所定ゾーン温度は、１９０、１９０、１８５、１８０、１７５および２６０℃の順とした。プロフィール全体を完了するのに必要な時間が、低、中および高の各プロフィールについてそれぞれ、３．５、４．５および６．０分となるようにコンベア速度を調整した。
【００６０】
実施例１：図６は低温プロフィールでリフローした市販の２種類の半田フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。いずれの半田フラックスについても電気伝導度が室温で測定されるが、これはフラックスの保管寿命を短縮させるフラックス活性がいくらかあることを示す。室温における電気伝導度はKester 256GSのほうが明らかに高いが、これは同フラックスが保管中に活性を失いやすく保管寿命も短くなる傾向にあることを示す。実際の保管寿命試験によれば、Kester 256GSフラックスの保管寿命は４ヶ月、Kester 244フラックスの保管寿命は６ヶ月であった。
【００６１】
図６の約４５℃（０．５分）付近からKester 256GSフラックスの電気伝導度は急激に増大し始めるが、これはフラックス活性剤が溶解しフラックス溶剤中で解離するに伴いフラックス活性が増大することを示す。電気伝導度測定値によって示されるKester 244フラックスの活性は、この温度／時間領域においてKester 256GSフラックスのそれに比べ約６秒遅れることが認められる。
【００６２】
図６の約１４０℃（１．４分）付近において、Kester 256GSフラックスの電気伝導度はピークに達しその後急激に低下するが、これはフラックス溶剤の揮発に伴いフラックス活性が低下することを示している。この温度／時間領域におけるKester 244フラックスの活性は高いままであった。図６の約１８０℃（２．１分）付近から、Kester 256GSフラックスの電気伝導度が再び上昇しているが、これはフラックスの樹脂系および弱有機活性剤が液化しフラックス活性が増大したことを示している。この温度／時間領域（最高温度の２３２℃まで）において、Kester 244フラックスの活性は増大し続けるが、これは２４４活性剤の揮発性が相対的に低いことを反映している。
【００６３】
図６において温度がピークに達してから約２２０℃まで低下すると（３．６分）、いずれの半田フラックスも電気伝導度の低下を示すが、これは温度の低下に伴いフラックス活性が低下したことを示す。しかしながらKester 244フラックスの活性低下はより緩慢で、より長い時間にわたり高い値を示す。また同フラックスの活性は、半田付けのピーク温度に対応して最高点に到達した。一方、Kester 256GSフラックスは２．２分でリフロー温度（１８０℃）に到達し、その後約３．６分まで完全活性に到らなかった点に留意すべきである。このような結果を用いて、各用途に最適な半田フラックスを選定することができる。例えば、高いフラックス活性を維持するKester 244フラックスは、実施例１の低温プロフィールを用いて半田ぬれ性が比較的低い部品を半田付けするのに好ましい。
【００６４】
いずれの半田フラックスの電気伝導度も図６の約１１５℃付近から低い値のプラトーを示すが、これはフラックス樹脂系が凝固するに伴いフラックス活性が無視できる程度まで低下するためである。このようにいずれの半田フラックスも、腐食や電流漏れなど実用上の問題を回避するために必要な低い残留フラックス活性を示す。いずれのフラックスも、半田付け後に残渣が電子アセンブリ上に残っても許容される程度のものである。
【００６５】
実施例２：図７は、実施例１の低温プロフィールで用いた２つの市販半田フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について、中温プロフィールで測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。従来のスズ−鉛半田より高い融点を有するスズ−銀−銅半田を用いたリフロー半田付けなどでは、このようなさらに高い温度が要求される。中温プロフィールにおけるKester 256GSフラックスは、前記と同様２つの電気伝導度ピークを示すが、最高半田付け温度におけるフラックス活性がかなり高いことからも分かるようにその性能が改善されている。一方、Kester 244フラックスの活性は高いものの高温域でかなり変動する。これはKester 244活性剤系の一部が中温プロフィールの高温域で非常に揮発的となったことに起因するものと考えられる。本例より、特にリフローサイクル時間が長い場合には、Kester 256GSフラックスが好ましい場合があることが分かる。
【００６６】
実施例３：図８は、実施例１および実施例２の低温・中温プロフィールで用いた２つの市販半田フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について、高温プロフィールで測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。高温プロフィールにおいてもKester 256GSフラックスは前記と同様２つの電気伝導度ピークを示すが、最高半田付け温度におけるフラックス活性が（中温プロフィールに比較して）かなり高いことからも分かるように、その性能はさらに改善されている。これに対し、Kester 244フラックスの活性は高温プロフィールの高温域において（中温プロフィールに比べ）低下している。
【００６７】
実施例１から実施例３で得られた結果から、Kester 256GSフラックスは高温プロフィールに好ましく、一方、Kester 244フラックスは、比較的半田ぬれ性の低い部品を低温プロフィールで半田付けする際に良好な結果をもたらすであろうことが明らかである。またKester 244フラックスは室温活性がより低いため保管寿命が長い。
【００６８】
実施例４：図９は、代表的な水溶性フラックスについて高温プロフィールを用いて測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。このようなフラックスは半田ぬれ性が一般に乏しく、半田付けが難しい金属システムに一般に使用される。水溶性フラックスの活性（図９）はリフロープロセスを通じて比較的高いままである。さらに半田付けプロセス後（室温においても）フラックス活性が高いまま維持される。このことは洗浄プロセスによって腐食および／エレクトロマイグレーションを引き起こすフラックス残渣を除去する必要があることを示唆している。
【００６９】
実施例５：図１０は、３種類のリフロー封止材を低温プロフィールで測定した電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。これら材料の典型的な用途はボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）装置であるが、この装置はプリント基板への相互接続にリード線を用いず、半田球の列を使用したパッケージである。パッケージと基板との間に形成される半田接続が封止材の存在により強化され相互接続の接着信頼性が向上する。典型的なリフロー半田付けプロセスに用いられるリフロー封止材は、半田合金の溶融温度に到るまで良好なフラックス特性を維持することが求められる。その後リフロー封止材を架橋させ硬化させると完全にポリマー化した封止材となる。リフロープロセスにおいてリフロー封止材をあまりに早く硬化させると、その結果生じるゲルが半田接続形成を阻害する。（このことは米国特許第6,819,004号、Kirstenに記載されている。）リフロー封止材が硬化するに従いその電気伝導度は低下する。
【００７０】
図１０に明らかなようにEL2-33-1および9110S材は、9101材よりはるかに低い温度で硬化するためある種の高温半田合金系には適さない。実際に半田付け試験を行ったところ、EL2-33-1および9110Sリフロー封止材は融点１８３℃のＳｎ−Ｐｂ共晶半田（６３％Ｓｎ−３７％Ｐｂ）に対しては十分に機能するものの、融点２２１℃の鉛フリー合金（９６．５％Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．５％Ｃｕ）に対しては９１０１材のみが有効であった。これらの結果は本発明が、リフロー封止材を硬化させるのに適当な温度プロフィールを確立するためにも使用することができ、さらに特定のリフロー条件下における硬化の度合いを測定するためにも使用することができることを示している。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態を例示し説明した。一方、これらの改良や別の実施形態が当業者にとって明らかであることは疑いの余地がない。さらに、ここに例示され記述された要素を等価なものと置き換える、または部品または接続を逆にしたり入れ替えたりすることも可能であり、本発明の特徴を他の特徴と独立して利用することも可能である。したがって、上記の模範的な実施形態は例示のためのものであり、全ての形態を含むものではない。添付の請求項は本発明の範囲全体をより良く示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】コンダクタンスプローブの回路トレースが互いに入り込んだくし状パターンを有する本発明の装置の実施形態を示す。
【図２】コンダクタンスプローブの回路トレースが円形パッドおよび同心リングを含む本発明の装置の実施形態を示す。
【図３】互いに入り込んだくし状パターンを有する複数のコンダクタンスプローブと、回路基板ラックと、バッファー／増幅器モジュールと、アナログ−デジタル変換器と、パーソナルコンピュータと、プリンタとを備える本発明の装置の好適な実施形態を示す。
【図４】本発明のコンダクタンスプローブに用いられる好適なバッファー／増幅器の回路図である。
【図５】本発明の熱電対式温度プローブに用いられる好適なバッファー／増幅器の回路図である。
【図６】２種類の市販半田ペースト・フラックス調剤（Kester 244およびKester 256GS）について、市販のリフロー炉を低温加熱プロフィールで加熱しリフローを行った際、本発明の方法および装置によって測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの代表例を示す。
【図７】図６の２つの市販半田ペースト・フラックス調剤を中温プロフィールで加熱した際に測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの代表例を示す。
【図８】図６の２つの市販半田ペースト・フラックス調剤を高温プロフィールで加熱した際に測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの代表例を示す。
【図９】半田ペーストに用いられる代表的な水溶性フラックスについて高温プロフィールを用い測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。
【図１０】３種のリフロー封止材について低温プロフィールを用い測定された電気伝導度−温度・時間プロフィールの例を示す。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 基板
１０１ 金属トレース
１０２ 金属トレース
１０３ ワイヤー
１０４ ワイヤー
１０５ 電気伝導度計
１０６ 熱電対
１０７ ワイヤー
１０８ ワイヤー
１０９ 電圧計
２００ 基板
２０１ 円形パッド
２０２ 同心リング
２０３ ワイヤー
２０４ ワイヤー
２０５ 電気伝導度計
２０３ ワイヤー
２０４ ワイヤー
２０６ 熱電対
２０７ ワイヤー
２０８ ワイヤー
２０９ 電圧計
３１１ 金属トレース
３１２ 金属トレース
３３１ 金属トレース
３３２ 金属トレース
３５１ 金属トレース
３５２ 金属トレース
３１０ コンダクタンスプローブ
３３０ コンダクタンスプローブ
３５０ コンダクタンスプローブ
３７０ 回路基板ラック
３７０ 電気伝導度計
３８０ 熱電対
３８１ ワイヤー
３８２ ワイヤー
３８３ 電圧計
３９０ バッファー／増幅器
３９２ アナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
３９４ コンピュータ
３９６ プリンタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための方法であって、
コンダクタンス
誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設ける工程と、
前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブを設ける工程と、
前記所定の領域の少なくとも一部分上に所定量の前記フラックスを塗布する工程と、
前記コンダクタンスプローブを、塗布された前記フラックスと共に所定の温度・時間プロフィールに従って加熱する工程と、
電気伝導度−温度・時間プロフィールを生成するように、前記コンダクタンスプローブの前記金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定する工程と、
前記電気伝導度−温度・時間プロフィールを分析し、半田付けプロセスにおける前記フラックスの性能を求める工程とを含む方法。
【請求項２】
前記各金属トレースの少なくとも一部分と、それらの間の誘電体基板の所定領域内とに前記フラックスを塗布するようにした請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フラックスが半田ペーストに含まれ、該半田ペーストが前記金属トレースの少なくとも１つの所定領域内にあって前記金属トレース間の基板を除く領域に塗布され、前記測定工程が前記金属トレース間で発生する電気的短絡を検出する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記フラックスが、ステンシル、注射器分注、浸漬被覆、スプレー、ブラシおよび印刷よりなる群から選択される方法によって塗布される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱工程が、リフロー炉またはウェーブ半田付け予熱炉によって行われる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記コンダクタンスプローブの金属トレース間の電気伝導度が、前記２つの金属トレース間に印加される電圧に対する電流応答の温度の関数として測定される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記２つの金属トレース間に印加される電圧が所定周波数の交流電圧である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記塗布、加熱、測定および分析の各工程が、複数の所定周波数に対して繰り返される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記分析する工程がコンピュータを用いて行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記分析する工程が、電気伝導度のデータ曲線を時間または温度の関数として作成することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記分析する工程が、前記データ曲線の勾配、ピーク面積、ピーク面積率、ピーク高さ、ピーク高さ率および前記電気伝導度が所定値を上回る時間よりなる群から選択される特徴を抽出することをさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記コンダクタンスプローブまたは前記コンダクタンスプローブを含む回路基板ラックに取り付けられた環境センサーからの出力を監視する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記環境センサーが、酸素濃度センサー、相対湿度センサー、および圧力センサーよりなる群から選択される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記塗布、加熱、測定、監視および分析の各工程が前記環境センサーからの複数の出力について繰り返される請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
半田付け用フラックスの活性を評価する方法であって、
誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設ける工程と、
前記金属トレースそれぞれの少なくとも一部分上および該金属トレース間における誘電体基板上の所定領域上に所定量のフラックスを塗布する工程と、
前記コンダクタンスプローブの前記金属トレース間における電気伝導度を測定する工程と、を含み、
相対的に高い電気伝導度が前記半田付け用フラックスの相対的に高い活性を示す、方法。
【請求項１６】
半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための装置であって、
誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを含むコンダクタンスプローブと、
前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブと、
前記コンダクタンスプローブの前記２つの金属トレース間における電気伝導度を測定するための電気伝導度計と、
を備え、
前記フラックスを所定領域の少なくとも一部分上に塗布し、前記コンダクタンスプローブを加熱しつつ前記コンダクタンスプローブの金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定することで、電気伝導度−温度・時間プロフィール作成し、これを分析して半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を決定できるようにする、装置。
【請求項１７】
前記２つの金属トレースが、互いに入り込んだくし状パターンを形成する請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記誘電体材料がポリマーを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記誘電体材料がセラミックを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記温度プローブが熱電対と第１の電圧計とを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記熱電対が、前記コンダクタンスプローブの一部と物理的に接触している請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記電気伝導度計が電源と電流計測器とを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項２３】
前記電源が交流電源である請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記電流計測器が電気抵抗器と第２の電圧計とを含む請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記コンダクタンスプローブが、リフロー炉または予熱炉によって加熱される請求項１６に記載の装置。
【請求項２６】
複数のコンダクタンスプローブを同時にテストするための回路基板ラックをさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項２７】
前記熱電対が前記回路基板ラックの一部と物理的に接触している請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記熱電対プローブのＳＮ比を増大させるための電圧増幅器をさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項２９】
前記電気伝導度計のＳＮ比を増大させるための電流増幅器をさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項３０】
アナログ−デジタル変換器とコンピュータとをさらに備え、これにより前記半田付けプロセスにおけるフラックスの性能評価に用いられる電気伝導度−温度・時間プロフィールの分析を容易にした請求項１６に記載の装置。
【請求項３１】
前記コンダクタンスプローブ、前記温度プローブおよび使用されるその他センサーからのデータ信号をデータ収集・処理システムに送信するための無線リンクをさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項３２】
データを収集・格納し、前記加熱工程が完了した後にこれをダウンロードできるようなオン・ボード・データリンクをさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項１】
半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための方法であって、
コンダクタンス
誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設ける工程と、
前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブを設ける工程と、
前記所定の領域の少なくとも一部分上に所定量の前記フラックスを塗布する工程と、
前記コンダクタンスプローブを、塗布された前記フラックスと共に所定の温度・時間プロフィールに従って加熱する工程と、
電気伝導度−温度・時間プロフィールを生成するように、前記コンダクタンスプローブの前記金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定する工程と、
前記電気伝導度−温度・時間プロフィールを分析し、半田付けプロセスにおける前記フラックスの性能を求める工程とを含む方法。
【請求項２】
前記各金属トレースの少なくとも一部分と、それらの間の誘電体基板の所定領域内とに前記フラックスを塗布するようにした請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フラックスが半田ペーストに含まれ、該半田ペーストが前記金属トレースの少なくとも１つの所定領域内にあって前記金属トレース間の基板を除く領域に塗布され、前記測定工程が前記金属トレース間で発生する電気的短絡を検出する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記フラックスが、ステンシル、注射器分注、浸漬被覆、スプレー、ブラシおよび印刷よりなる群から選択される方法によって塗布される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱工程が、リフロー炉またはウェーブ半田付け予熱炉によって行われる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記コンダクタンスプローブの金属トレース間の電気伝導度が、前記２つの金属トレース間に印加される電圧に対する電流応答の温度の関数として測定される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記２つの金属トレース間に印加される電圧が所定周波数の交流電圧である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記塗布、加熱、測定および分析の各工程が、複数の所定周波数に対して繰り返される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記分析する工程がコンピュータを用いて行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記分析する工程が、電気伝導度のデータ曲線を時間または温度の関数として作成することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記分析する工程が、前記データ曲線の勾配、ピーク面積、ピーク面積率、ピーク高さ、ピーク高さ率および前記電気伝導度が所定値を上回る時間よりなる群から選択される特徴を抽出することをさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記コンダクタンスプローブまたは前記コンダクタンスプローブを含む回路基板ラックに取り付けられた環境センサーからの出力を監視する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記環境センサーが、酸素濃度センサー、相対湿度センサー、および圧力センサーよりなる群から選択される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記塗布、加熱、測定、監視および分析の各工程が前記環境センサーからの複数の出力について繰り返される請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
半田付け用フラックスの活性を評価する方法であって、
誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを備えるコンダクタンスプローブを設ける工程と、
前記金属トレースそれぞれの少なくとも一部分上および該金属トレース間における誘電体基板上の所定領域上に所定量のフラックスを塗布する工程と、
前記コンダクタンスプローブの前記金属トレース間における電気伝導度を測定する工程と、を含み、
相対的に高い電気伝導度が前記半田付け用フラックスの相対的に高い活性を示す、方法。
【請求項１６】
半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を評価するための装置であって、
誘電体材料基板上の所定の領域内に配置された２つの金属トレースを含むコンダクタンスプローブと、
前記コンダクタンスプローブの温度を測定するための温度プローブと、
前記コンダクタンスプローブの前記２つの金属トレース間における電気伝導度を測定するための電気伝導度計と、
を備え、
前記フラックスを所定領域の少なくとも一部分上に塗布し、前記コンダクタンスプローブを加熱しつつ前記コンダクタンスプローブの金属トレース間における電気伝導度を温度の関数として測定することで、電気伝導度−温度・時間プロフィール作成し、これを分析して半田付けプロセスにおけるフラックスの性能を決定できるようにする、装置。
【請求項１７】
前記２つの金属トレースが、互いに入り込んだくし状パターンを形成する請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記誘電体材料がポリマーを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記誘電体材料がセラミックを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記温度プローブが熱電対と第１の電圧計とを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記熱電対が、前記コンダクタンスプローブの一部と物理的に接触している請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記電気伝導度計が電源と電流計測器とを含む請求項１６に記載の装置。
【請求項２３】
前記電源が交流電源である請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記電流計測器が電気抵抗器と第２の電圧計とを含む請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記コンダクタンスプローブが、リフロー炉または予熱炉によって加熱される請求項１６に記載の装置。
【請求項２６】
複数のコンダクタンスプローブを同時にテストするための回路基板ラックをさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項２７】
前記熱電対が前記回路基板ラックの一部と物理的に接触している請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記熱電対プローブのＳＮ比を増大させるための電圧増幅器をさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項２９】
前記電気伝導度計のＳＮ比を増大させるための電流増幅器をさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項３０】
アナログ−デジタル変換器とコンピュータとをさらに備え、これにより前記半田付けプロセスにおけるフラックスの性能評価に用いられる電気伝導度−温度・時間プロフィールの分析を容易にした請求項１６に記載の装置。
【請求項３１】
前記コンダクタンスプローブ、前記温度プローブおよび使用されるその他センサーからのデータ信号をデータ収集・処理システムに送信するための無線リンクをさらに備える請求項１６に記載の装置。
【請求項３２】
データを収集・格納し、前記加熱工程が完了した後にこれをダウンロードできるようなオン・ボード・データリンクをさらに備える請求項１６に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２００９−５３３６９５（Ｐ２００９−５３３６９５Ａ）
【公表日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０６５０１（Ｐ２００９−５０６５０１）
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００７４４９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２６７４９
【国際公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【出願人】（５０８３１２４１８）ケスター，インコーポレイティド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００７４４９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２６７４９
【国際公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【出願人】（５０８３１２４１８）ケスター，インコーポレイティド (1)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]