JP4332281B2

JP4332281B2 - Electronic device manufacturing method and soldering apparatus

Info

Publication number: JP4332281B2
Application number: JP2000131520A
Authority: JP
Inventors: 太佐男曽我; 哲也中塚; 寿治石田; 英恵下川; 浩介山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-04-26
Also published as: JP2001308507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
電子回路基板へのLSI、部品等を回路基板に実装した電子装置の製造方法と、実装するためのはんだ付け装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スルーホール挿入部品をSn-3.5Ag共晶にCuを添加したSn-Ag-Cu系はんだで、はんだ付けすると、フィレット表面にしわ模様ができることが一般に知られている。従来使用してきたSn-Pb系はんだの場合、この種の現象は起きていない。 Sn-Pb系のはんだ付けにおいては、はんだ付け後にファンで冷却することは一般に行われていた。ファンで早く冷却することにより、量産効率を高めることを目的にしたものである。冷却用ファンははんだ槽から離れたところで、即ち、取出し口の近くではんだ付け面もしくは部品側を冷却する方式で、冷却風を基板に直角に当てる方式である。冷却によって、しわ、クラック等の発生を抑えた例は見あたらない。急冷する効果は組織改善(微細化) 及びCuランドとはんだ間で剥離するリフトオフ現象（例えば：菅沼；回路実装学術講演大会論文集、p67、H10.3.24）防止等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鉛フリーの特にSn-Ag-Cu系はんだを用いた場合、フィレット表面にできる細かなしわは、拡大鏡レベルでの観察では細かいために、表面に光沢のない部分として写り、一般には見過ごす場合が多かった。しかし、製品を量産化することになると、材料、寸法の異なる各種の部品が使われるため、部品の中には大きなしわが発生し、明瞭なクラックに観察されるものもある。
【０００４】
本発明の目的は、フィレット表面に形成される「しわ」の発生を抑制した電子装置の製造方法およびその実装を実現するはんだ付け装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、特許請求の範囲の通りに構成することで達成される。
【０００６】
このしわ発生防止、即ち、クラック発生防止のためには、凝固直後の急冷は重要であるが、固相線、液相線が接近した高温はんだを対象としているため、フローはんだ槽に接近した位置（500mm以内。好ましくは250mm以内で近ければ近いほど効果はあるが、はんだ槽への熱的悪影響も出やすい。）での冷却ができ、かつ、はんだ槽への熱的悪影響なきことがポイントになる。Sn-Ag-Cu共晶系高温はんだの場合、凝固寸前の220℃近傍で急冷することが好ましい。
【０００７】
そこでフロー槽ではんだ付けされた回路基板を所定の傾斜をもたせて移動させ、その回路基板を空冷するようにすれば、一方向の冷気の流れが形成できることもあって、効果的に基板全面を冷却することができた。その結果、フィレット表面に比較的多く発生する小さなクラック「小さなしわ」に対しては、発生数を従来に比べて半減できた。特に問題視される大きなクラック「大きなしわ」の発生確率は元々少ないが、更に従来に比べ、１／４に低減できる。新たなはんだであるため、現状では生産管理基準は統一されていない。「大きなしわ」の定義は、外観の拡大境で深いクラックに見えるものとし、発生確率として約5%以下を目安とした。「大きなしわ」の発生率、欠陥のレベルは継手構造(片面基板、両面基板)継手のはんだ量、部品及び基板の熱容量、フロー条件等で変わる。急冷し難い構造ほど、「大きなしわ」の発生率、欠陥のレベルも大きくなる。「大きなしわ」を約5%認めても問題ない理由として、▲１▼「大きなしわ」が発生しても、-55〜125℃の温度サイクル試験で表面実装継手及びスルーホール継手において、1000サイクルを経過しても、「大きなしわ」の跡がクラック進展の起点になっていないこと、及び▲２▼「大きなしわ」がある基板でも、従来のSn-Pb共晶はんだ継手と比べ同等以上の温度サイクル寿命を有することが確認されていることにある。
【０００８】
この場合、はんだ槽の脇に50〜100mm離れた位置に冷却手段、例えばスポットクーラーを設け、基板移動方向にスポットクーラーのガイド翼を多段に設けるなどして、一方向の冷気の流れを形成することができる。スポットクーラーは冷却風の当たる面積を大きくし(幅200mm、長さ200mm)、通常は冷却風は10〜30℃の範囲で制御が可能である。この時の風量は７ｍ3/minである。熱容量が大なる基板、部品を対象とした場合、冷媒として、液体窒素、液体空気、ドライアイス等を混ぜた冷媒で冷却して0℃近く、もしくは0℃以下に冷やすとクラック防止には効果がある。但し、余り急冷すると基板、リード間の熱膨張差のため、はんだにクラックが発生することもあるので、はんだにクラックがでない程度で高めに制御する必要がある。
【０００９】
この冷却効果は、しわが完全に無くなる程の極端な効果はなくても、冷却の程度により、フィレット外観のしわの程度は下がり、しわの数は少なくなることも分かった。更に、部品側に設置された窒素のゾーン冷却と組み合わせると効果を増す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は一般に使用されているダブルウエーブ方式のはんだフロー槽９に、スポットクーラー２を取り付けたモデルである。
【００１１】
はんだフロー槽９に熱的影響を及ぼさないでスポットクーラーをはんだフロー槽９の脇３に直接取り付ける位置（はんだ浴にスポットクーラーを引っかける状態の位置を0mmとすれば、約0〜約100mm離した位置）に接近させることがポイントである。これによってスポットクーラーを用いて冷却された冷媒を、基板４に挿入された部品５のピン継手部がはんだ付け直後に当てることが可能となる。距離ｌははんだが供給されて継手が形成された場所(250℃)から冷媒で冷やされ始める地点(220℃前後)までの距離を示すが、この距離は計算上では50mm位になる。即ち、1000mm/minのコンベア速度で、３秒くらいで冷却される距離である。
【００１２】
また、冷媒の流れは角度を設けた複数のガイド７により、基板４のコンベア６移動方向に向かい向かうように構成した。これによって基板４の全面を冷却するため冷却の効果が上がるだけでなく、冷気がはんだフロー槽９へ向かわないのでその影響も少ない。
【００１３】
コンベア６は、設置面10に対して５〜7度くらいの傾斜11を持たせて配置した。また、ガイド７の角度12も30〜80度くらいの範囲で有効である。この範囲である程度角度をつけても、基板面に沿って反対側の熱いはんだ浴側への表面を這うような層流的な流れが存在し、はんだ浴から離れていても継手表面を冷やす効果がある。基板に直角に当てたのでは、基板表面だけではなく周辺部を巻き込んだ冷却になるので、はんだ浴への影響が大きすぎ問題である。ガイドの角度を基板移動方向に傾けることにより、主流は基板移動方向への円滑な流れをつくり、かつ、それとは反対方向に、はんだ付け直後の継手部を冷却するような基板表面層を伝わる熱源方向の流れをつくり、継手表面を過冷却することにより引け巣防止の効果をもたらしていると考える。
【００１４】
これによって図示したような一定方向の冷気の主要な流れが形成され、基板４がコンベア６で移動してもその形成された冷気の流れにより継続的に冷却され得る状態となり、基板４の全面を効率よく冷却することが可能となる。他方、それとは反対方向に、はんだ付け直後の継手部を過冷却するような基板表面層を伝わる熱源方向の流れをつくり、引け巣発生を防止していると考える。
【００１５】
図２は基板に部品等を搭載させた一般に使用しているSn-Ag-Cu系高温はんだの温度プロファイルの一例を示す。高温はんだとしてSn-3.5Ag-0.75Cuなどが一般に知られているが、ここでは同一系統のSn-3Ag-0.7Cuを使用した。Sn-3Ag-0.7Cuの融点は217〜221℃で、スルーホール部のランド部に取り付けた熱電対による測定では、220℃近傍の温度勾配は約15℃/sであった。はんだクラックの発生位置はフィレット表面の中央部であり、かつ、最終凝固の位置であることを引け巣現象の解析結果で確認されている。このフィレットの中央部表面位置での温度測定はできないが、最終凝固であることから測定位置よりも若干冷却が遅れるので10〜15℃/s程度と思われる。
【００１６】
熱容量の大なる部品を搭載した試料程、その距離l（噴流部からクーラーが直接当たる場所までの距離）を長くとれるので効果も出てくる(図１)。即ち、クラックが大きなものほど、冷却効果の影響が現れることを示す。Sn-Ag-Cu系高温はんだは220℃前後の融点であることから、本来は、はんだ槽の近くで冷却しないとクラック防止の効果はないように思われる。しかし、実際には後述の表１に示すように、はんだ付け温度の250℃から約100〜150℃までに下がった16秒後の位置での平均冷却速度で評価しても、冷却速度の差による影響が明確に現れることが分かった。この理由は先ほど示したように、熱源の方向に基板表面に沿う冷たい層流が流れ込んで、溶融したばかりのはんだ継手側に流れるため、表面に過冷却を起こさせ、表面に引け巣を起こさせない効果と考える。即ち、フィレット表面のクラックは直接に220℃の凝固位置で直接に冷却できなくとも、少し離れた位置での冷却でも、冷媒によるはんだ表面の冷却効果はあることを示している。冷却効果を出すためにスポットクーラーをはんだ槽に近付け、凝固直後を冷却することは一番効果はあるが、物理的な制約から距離が限られる場合が多い。その場合でも、その近傍を冷却することは効果があることが分かった。基板面を広く冷却することは熱伝導、熱伝達による冷却効果と考える。このため、単純ではあるが、冷却媒体の方向が、基板の移動方向に沿ってスムーズに流れることが重要であり、角度が変えられる風向きユニットを多段に設けることにより、さらに冷却効果を発揮することができる。
【００１７】
次に窒素雰囲気ゾーン冷却方式のフローはんだ槽において、スポットクーラーの位置によるフィレット表面クラック発生への影響を調べた。スポットクーラーは冷媒を上から下に流す(部品側を冷却)方式である。はんだ付け温度は250℃で、コンベア速度は1000mm/minである。冷却速度測定位置ははんだ槽から240mm離れた位置で、はんだ付け直後から16秒かかる位置である。そこで、
a)スポットクーラーなし、
b)はんだ槽から離れた位置でのスポットクーラー、
c)はんだ層に近づけたスポットクーラー
の３段階について検討した結果を表１に示す。
【００１８】
表１は、はんだ付け温度の250℃から約100〜150℃まで下がった16秒後の位置での平均冷却速度をa)、b)、c)の場合について示したものである。図３はa)、c)の場合の温度測定部を16秒、32秒とした場合の温度曲線である。a)、c)の場合に限らず、冷却レベルに応じて、継手の温度は下がり、表１からフィレット表面クラック発生率も下がっていることが分かる。
【００１９】
【表１】

【００２０】
次に、クーラーをはんだ槽に近づけた場合について検討した。
【００２１】
下側から上側に向けてはんだ付け面を冷却する方式の異なりによる冷却速度とフィレット表面クラック発生率について調べた。冷却速度は250℃から約100℃までの間の測定データであり、コンベア速度は1200mm/minである。
【００２２】
a)従来の冷却ファンユニットを従来位置に比べ、はんだ槽側に近づけた場合(基板に風を垂直に当てる)、
b)コンベア移動方向に流れるようにガイドを設けたスポットクーラーをはんだ槽の脇に設けた場合、
の２つについて比較した結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
a)方式は基板面に垂直に風を当てる従来方式であり、周りの加熱されたエアを吸い込むため、排気温度がmax44℃と高くなり、また、風が当たる領域も狭く問題であることが分かった。
【００２５】
なお、表面クラックの大、小とは図４に示すように、スルーホール継手のフィレット表面を拡大鏡で観察し、明瞭なクラックを大きなクラックとし、それ以外を小さなクラックと数えた。大きなクラック周辺には小さなクラックが集まり、この小さなクラックは離して見ると光沢のない外観を呈しているので、特に問題になるとは思えない。
【００２６】
次に、窒素雰囲気ゾーン冷却方式でスポットクーラーを組み合わせた検討を行った。図５は図１に示した装置に窒素雰囲気ゾーン８を追加した装置である。はんだ付け温度はmax250℃、コンベア速度は1000mm/minである。以下のa)、b)、c)の条件で比較した。
【００２７】
a)はんだ槽から離れた従来位置で、上から下に部品側にスポットクーラーを当てる場合
(窒素雰囲気ゾーン冷却は使用しない)、
b)同じくa)の状態で、窒素雰囲気ゾーン冷却を使用した場合、
c)スポットクーラーをはんだ槽に近づけ、下から上にはんだ付け面側にスポットクーラーを当てて、かつ、窒素雰囲気ゾーン冷却を使用した場合（図５）である。
【００２８】
その比較結果を図６に示す。図６は両面スルーホール基板において、はんだ付け装置の冷媒の冷却速度を横軸に取り、縦軸にクラック発生率をとったものである。○が小さなクラックを示し、□が大きなクラックを示す。フィレット部の冷却速度は同一フロー条件でも基板の形態(片面基板、両面基板)によって異なってくる。片面基板ははんだ量も少ないため冷却速度は早い傾向を示す。窒素によるゾーン冷却だけでも基板の部品面を覆うように冷却することにより、リードからの吸熱を促進させることによる効果はある。窒素とスポットクーラー冷却の相乗作用で効果は更に増す。この場合も窒素の流れは基板の移動方向に向ける必要がある。使用したスポットクーラーは10〜30℃で動作できるものを用い、風量は7ｍ3/minであるが、容量、性能アップは可能である。窒素をフローに使用する時は、本来、スルーホール中のはんだ揚がりが良くない場合、あるいは低残さフラックスを用いた時に使用されるが、コストアップの点で限定される。この点、スポットクーラー冷却は経済的であると考える。スポットクーラーの流れは角度を設けたガイドにより、基板４移動方向にスムーズに流れるため、冷却の効果は上がり、はんだ槽への冷媒の巻き込みもない。これに対して、冷却ファンを取り付け基板下面を冷媒で垂直に吹き付ける従来の方式は、エアがはんだ槽の方向にも流れ、はんだ付け作業にも影響を及ぼす。この効果は新プロセスに比べ僅かであることが図６で分かった。
【００２９】
この種のクラックの特徴として、部品が急冷されやすい片面基板より、両面基板の方が微少クラックは多発し、かつ、大きなクラックも発生し易い。両面基板で熱容量の大きな部品を搭載した場合に、大きな、深いクラックが発生し易いことが分かった。この点、本案による冷却効果は両面基板に対して効果が現れ易い。
【００３０】
スポットクーラーを取り付けて基板全面を斜めから吹き付けることにより、移動方向への流れをつくり、かつ全面を冷却し、はんだ槽への熱的影響をなくすことができる。小さいミクロのクラックは外観上は検査では問題にならないが、比較的大きな深いクラックはフィレット表面の中央部に発生するので、この冷却効果により、大きな、深いクラック発生を防止したり、もしくは小さいミクロのクラックに抑えることができる。
【００３１】
なお、クーラーボックスとはんだ槽を直接に接触させる場合、断熱板等を使用することで、はんだ槽への熱影響を避けることができる。
【００３２】
これまではSn-Ag-Cu系はんだを用いてはんだ付けすることについて説明してきたが、その他にSn-Ag系はんだ、もしくはSn-Ag-Cu系はんだ、もしくはSn-Cu系はんだ、もしくはSn-Zn系はんだ、もしくはこれらにBi、In、Ge、P、Ni、Sb等が１種類以上含んだはんだであっても同様の効果が得られる。また、Sn系の鉛フリーはんだに限らず、液層線温度と固層線温度との差がある鉛フリーはんだの場合、同様の効果が期待できる。
【００３３】
なお、Biを含有したはんだでは、この種のクラックは少なくなる傾向になるが、逆に、Cuランドとはんだ間で剥離するリフトオフ現象が起こりやすくなる傾向がある。本方式による冷却効果により、更に温度が下がった個所(ランド部)での冷却効果も期待できるので、付随的効果として、リフトオフ防止効果にもつながる。
【００３４】
この冷却効果はスルーホール部品のみならず、フローの大型面付け部品に対しても効果がある。また、リフローにおいても冷却工程で、本方式を採用することにより、発生し易い大型面付け部品に対しても、効果がある。面付け部品のフィレット中央部のクラックをエア、もしくは窒素を用いたスポットクーラーによる急冷効果により防止できる。
【００３５】
これまでスポットクーラーの外付けによる冷却手段について説明してきたが、これに限らずはんだ付け装置に冷却装置を組み込んだものでも良い。冷却手段はスポットクーラー以外の手段を用いてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、フィレット表面に形成される「しわ」の発生を抑制した電子装置の製造方法およびその実装を実現するハンダ付け装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フロー槽の脇にスポットクーラーを取り付けた断面図。
【図２】高温はんだの温度プロファイルを示す図。
【図３】冷却条件を変えて、温度測定位置を変えた場合の温度曲線を示す図。
【図４】スルーホール継手のフィレット表面のクラック外観写真。
【図５】窒素雰囲気ゾーン冷却に、スポットクーラーを取り付けた断面図。
【図６】冷却効果によるクラック発生率の低減を示す図。
【符号の説明】
１：はんだ
２：スポットクーラー
３：フロー槽の脇
４：基板
５：部品
６：コンベア
７：ガイド
８：窒素雰囲気ゾーン冷却
９：フロー槽
10：接地面
11：傾斜
12：角度[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an electronic device in which an LSI, a component, and the like are mounted on an electronic circuit board, and a soldering apparatus for mounting.
[0002]
[Prior art]
It is generally known that when a through-hole insertion part is soldered with Sn-Ag-Cu solder in which Cu is added to Sn-3.5Ag eutectic, a wrinkle pattern is formed on the fillet surface. This kind of phenomenon does not occur in the case of Sn-Pb solder that has been used conventionally. In Sn-Pb soldering, cooling with a fan is generally performed after soldering. The purpose is to increase mass production efficiency by quickly cooling with a fan. The cooling fan is a system in which the soldering surface or the component side is cooled away from the solder tank, that is, near the take-out port, and the cooling air is applied to the substrate at a right angle. There is no example of suppressing the generation of wrinkles, cracks, etc. by cooling. The effects of rapid cooling are known to improve the structure (miniaturization) and prevent lift-off phenomenon (eg: Suganuma; Proceedings of Circuit Assembly Academic Conference, p67, H10.3.24) that separates between Cu land and solder.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When using lead-free solder, especially Sn-Ag-Cu solder, the fine wrinkles that can be formed on the fillet surface are fine when viewed at the magnifying glass level. There were many. However, when a product is mass-produced, various parts with different materials and dimensions are used, so some parts generate large wrinkles and some are observed as clear cracks.
[0004]
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electronic device in which generation of “wrinkles” formed on the fillet surface is suppressed, and a soldering device that realizes the mounting thereof.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The above object can be achieved by configuring the present invention as defined in the claims.
[0006]
Rapid cooling immediately after solidification is important to prevent this wrinkle generation, that is, crack generation, but because it is intended for high-temperature solders where the solidus and liquidus lines are close to each other, the position is close to the flow solder bath. (Within 500mm, preferably within 250mm, the closer it is, the more effective, but the thermal adverse effect on the solder tank is likely to occur.) The point is that there is no thermal adverse effect on the solder tank. Become. In the case of Sn—Ag—Cu eutectic high-temperature solder, it is preferable to rapidly cool at around 220 ° C. just before solidification.
[0007]
Therefore, if the circuit board soldered in the flow tank is moved with a predetermined inclination and the circuit board is air-cooled, a flow of cold air in one direction can be formed, so that the entire surface of the board can be effectively formed. Could be cooled. As a result, the number of small cracks “small wrinkles” that occur relatively frequently on the fillet surface can be halved compared to the conventional case. In particular, the probability of occurrence of a large crack “big wrinkle” that is regarded as a problem is originally low, but it can be further reduced to ¼ compared to the conventional case. Because it is a new solder, production control standards are not unified at present. The definition of “large wrinkles” is a crack that appears deep on the boundary of the appearance, and the probability of occurrence is about 5% or less. The occurrence rate of “large wrinkles” and the level of defects vary depending on the joint structure (single-sided board, double-sided board) joint solder amount, component and board heat capacity, flow conditions, and the like. The more difficult to cool, the greater the “wrinkle” incidence and defect level. There is no problem even if about 5% of “large wrinkles” are recognized. (1) Even if “large wrinkles” occur, 1000 cycles of surface mount joints and through-hole joints in a temperature cycle test of −55 to 125 ° C. Even after passing, the traces of “large wrinkles” are not the starting point of crack growth, and (2) even the board with “large wrinkles” is equal to or better than conventional Sn-Pb eutectic solder joints. It has been confirmed that it has a temperature cycle life.
[0008]
In this case, a cooling means, for example, a spot cooler is provided at a position 50 to 100 mm away from the solder bath, and a plurality of spot cooler guide blades are provided in the substrate moving direction to form a one-way cold air flow. be able to. The spot cooler increases the area where the cooling air hits (width 200 mm, length 200 mm), and usually the cooling air can be controlled in the range of 10-30 ° C. The air volume at this time is 7 m3 / min. For substrates and parts with large heat capacity, cooling with a mixture of liquid nitrogen, liquid air, dry ice, etc. as a refrigerant and cooling to near 0 ° C or below 0 ° C is effective in preventing cracks. is there. However, if it is cooled too rapidly, cracks may occur in the solder due to the difference in thermal expansion between the substrate and the leads, and therefore it is necessary to control the solder so as not to crack.
[0009]
It was also found that even if this cooling effect is not so extreme that wrinkles are completely eliminated, the degree of wrinkles in the fillet appearance decreases and the number of wrinkles decreases depending on the degree of cooling. Furthermore, the effect increases when combined with the zone cooling of nitrogen installed on the component side.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a model in which a spot cooler 2 is attached to a commonly used double wave type solder flow tank 9.
[0011]
A position where the spot cooler is directly attached to the side 3 of the solder flow tank 9 without affecting the solder flow tank 9 (if the position where the spot cooler is hooked on the solder bath is 0 mm, the spot cooler is separated by about 0 to about 100 mm. The point is to approach the position. As a result, the coolant cooled using the spot cooler can be applied to the pin joint portion of the component 5 inserted into the substrate 4 immediately after soldering. The distance l indicates the distance from the place where the solder is supplied and the joint is formed (250 ° C.) to the point where cooling starts with the refrigerant (around 220 ° C.), and this distance is about 50 mm in the calculation. That is, it is the distance that is cooled in about 3 seconds at a conveyor speed of 1000 mm / min.
[0012]
In addition, the flow of the refrigerant was configured to face the conveyor 6 moving direction of the substrate 4 by a plurality of guides 7 having an angle. As a result, the entire surface of the substrate 4 is cooled, so that not only the cooling effect is improved, but also the cold air does not go to the solder flow tank 9, so that the influence is small.
[0013]
The conveyor 6 was disposed with an inclination 11 of about 5 to 7 degrees with respect to the installation surface 10. The angle 12 of the guide 7 is also effective in the range of about 30 to 80 degrees. Even if the angle is set to some extent within this range, there is a laminar flow that crawls the surface toward the hot solder bath on the opposite side along the board surface, and the effect of cooling the joint surface even when away from the solder bath There is. If the contact is made at a right angle to the substrate, the cooling will involve not only the surface of the substrate but also the peripheral part, so the influence on the solder bath is too large. By tilting the guide angle in the board movement direction, the mainstream creates a smooth flow in the board movement direction, and in the opposite direction, a heat source that travels through the board surface layer that cools the joint immediately after soldering It is thought that the effect of shrinkage nest prevention is brought about by creating a flow in the direction and supercooling the joint surface.
[0014]
As a result, a main flow of cool air in a certain direction as shown in the figure is formed, and even if the substrate 4 moves on the conveyor 6, it can be continuously cooled by the formed cool air flow. It becomes possible to cool efficiently. On the other hand, it is considered that in the opposite direction, a flow in the direction of the heat source that propagates through the substrate surface layer that supercools the joint immediately after soldering is created, thereby preventing shrinkage.
[0015]
FIG. 2 shows an example of a temperature profile of Sn-Ag-Cu high-temperature solder that is generally used with components and the like mounted on a substrate. Sn-3.5Ag-0.75Cu or the like is generally known as a high temperature solder, but here, Sn-3Ag-0.7Cu of the same system was used. The melting point of Sn-3Ag-0.7Cu was 217 to 221 ° C., and the temperature gradient near 220 ° C. was about 15 ° C./s as measured by a thermocouple attached to the land portion of the through hole. It is confirmed from the analysis result of the shrinkage nest phenomenon that the solder crack is generated at the center of the fillet surface and the final solidification position. Although the temperature cannot be measured at the surface position of the center of the fillet, it is considered to be about 10 to 15 ° C./s because cooling is slightly delayed from the measurement position because of the final solidification.
[0016]
Samples equipped with parts with large heat capacities are also effective because the distance l (distance from the jet part to the place where the cooler directly hits) can be increased (Fig. 1). That is, the larger the crack, the more the effect of the cooling effect appears. Since Sn-Ag-Cu high-temperature solder has a melting point of around 220 ° C, it does not seem to be effective in preventing cracks unless it is cooled near the solder bath. However, in fact, as shown in Table 1 below, even if the average cooling rate at the position after 16 seconds from the soldering temperature of 250 ° C. to about 100 to 150 ° C. is evaluated, the difference in cooling rate It has been found that the influence of is apparent. The reason for this is that, as mentioned earlier, a cold laminar flow along the surface of the board flows in the direction of the heat source and flows to the side of the solder joint that has just been melted. Therefore, the surface is overcooled and the surface does not shrink. Think of it as an effect. That is, even if the cracks on the fillet surface cannot be directly cooled at the solidification position of 220 ° C., the cooling of the solder surface by the refrigerant is effective even when cooling at a slightly separated position. Although it is most effective to place a spot cooler close to the solder bath in order to produce a cooling effect and cool immediately after solidification, the distance is often limited due to physical limitations. Even in that case, it has been found that cooling the vicinity thereof is effective. Cooling the substrate surface widely is considered to be a cooling effect by heat conduction and heat transfer. For this reason, although it is simple, it is important that the direction of the cooling medium flows smoothly along the moving direction of the substrate, and a cooling effect can be further exhibited by providing a plurality of wind direction units that can change the angle. Can do.
[0017]
Next, in a nitrogen atmosphere zone cooling type flow solder bath, the influence of the spot cooler position on the occurrence of fillet surface cracks was investigated. The spot cooler is a system in which the refrigerant is allowed to flow from the top to the bottom (the component side is cooled). The soldering temperature is 250 ° C and the conveyor speed is 1000mm / min. The cooling rate measurement position is at a position 240 mm away from the solder bath and takes 16 seconds immediately after soldering. Therefore,
a) Without spot cooler,
b) Spot cooler at a position away from the solder bath,
c) Table 1 shows the results of studying the three stages of the spot cooler close to the solder layer.
[0018]
Table 1 shows the average cooling rate at the position 16 seconds after the soldering temperature decreased from 250 ° C. to about 100 to 150 ° C. in the cases of a), b) and c). FIG. 3 is a temperature curve when the temperature measuring unit in cases a) and c) is 16 seconds and 32 seconds. Not only in the cases of a) and c), but according to the cooling level, it can be seen from Table 1 that the joint temperature decreases and the rate of occurrence of fillet surface cracks also decreases.
[0019]
[Table 1]

[0020]
Next, the case where the cooler was brought close to the solder bath was examined.
[0021]
The cooling rate and the rate of occurrence of fillet surface cracks due to different methods of cooling the soldering surface from the bottom to the top were investigated. The cooling speed is measured data between 250 ° C. and about 100 ° C., and the conveyor speed is 1200 mm / min.
[0022]
a) When the conventional cooling fan unit is closer to the solder tank side than the conventional position (wind is applied to the board vertically),
b) When a spot cooler provided with a guide so that it flows in the direction of conveyor movement is provided beside the solder bath,
Table 2 shows the result of comparison between the two.
[0023]
[Table 2]

[0024]
The a) method is a conventional method in which the wind is applied perpendicularly to the substrate surface, and since the surrounding heated air is sucked in, the exhaust temperature becomes as high as 44 ° C, and the area where the wind hits is also a narrow problem. It was.
[0025]
As shown in FIG. 4, the surface cracks were large and small, and the fillet surface of the through-hole joint was observed with a magnifying glass. Clear cracks were regarded as large cracks, and the others were counted as small cracks. Small cracks gather around the large cracks, and these small cracks have a dull appearance when viewed apart, so I don't think it would be a problem.
[0026]
Next, the examination which combined the spot cooler with the nitrogen atmosphere zone cooling system was performed. FIG. 5 shows an apparatus in which a nitrogen atmosphere zone 8 is added to the apparatus shown in FIG. The soldering temperature is max 250 ℃ and the conveyor speed is 1000mm / min. Comparison was made under the following conditions a), b) and c).
[0027]
a) When a spot cooler is applied to the component side from top to bottom at a conventional position away from the solder bath
(Do not use nitrogen atmosphere zone cooling),
b) If nitrogen atmosphere zone cooling is used in the same condition a),
c) The case where the spot cooler is brought close to the solder bath, the spot cooler is applied to the soldering surface side from the bottom to the top, and the nitrogen atmosphere zone cooling is used (FIG. 5).
[0028]
The comparison result is shown in FIG. FIG. 6 shows a double-sided through-hole substrate in which the cooling rate of the coolant of the soldering apparatus is taken on the horizontal axis, and the crack generation rate is taken on the vertical axis. ○ indicates a small crack, and □ indicates a large crack. The cooling rate of the fillet portion varies depending on the substrate form (single-sided substrate, double-sided substrate) even under the same flow conditions. The single-sided board has a small amount of solder, so the cooling rate tends to be fast. Even with only zone cooling with nitrogen, there is an effect of promoting heat absorption from the lead by cooling so as to cover the component surface of the substrate. The effect is further enhanced by the synergistic action of nitrogen and spot cooler cooling. In this case as well, the flow of nitrogen must be directed in the direction of substrate movement. The spot cooler used is one that can operate at 10-30 ° C, and the air volume is 7m3 / min, but the capacity and performance can be increased. When nitrogen is used for the flow, it is originally used when the solder lift in the through hole is not good or when a low residual flux is used, but it is limited in terms of cost increase. In this regard, it is considered that spot cooler cooling is economical. Since the flow of the spot cooler smoothly flows in the direction of movement of the substrate 4 by an angled guide, the cooling effect is improved and the refrigerant is not entrained in the solder bath. On the other hand, in the conventional method in which the cooling fan is attached and the lower surface of the substrate is blown vertically with the refrigerant, the air also flows in the direction of the solder bath, which affects the soldering operation. It can be seen in FIG. 6 that this effect is slight compared to the new process.
[0029]
As a feature of this type of crack, the double-sided board is more likely to have microcracks and the large cracks are more likely to occur than the single-sided board where components are easily cooled. It was found that large and deep cracks are likely to occur when a component having a large heat capacity is mounted on a double-sided board. In this respect, the cooling effect according to the present plan is likely to appear on the double-sided board.
[0030]
By attaching a spot cooler and spraying the entire surface of the substrate from an oblique direction, it is possible to create a flow in the moving direction, cool the entire surface, and eliminate the thermal influence on the solder bath. Small micro cracks are not a problem for inspection in appearance, but relatively large deep cracks occur in the center of the fillet surface, so this cooling effect prevents the generation of large, deep cracks, or small micro cracks. It can be suppressed to cracks.
[0031]
In addition, when making a cooler box and a solder tank contact directly, the heat influence on a solder tank can be avoided by using a heat insulating board etc.
[0032]
So far, soldering using Sn-Ag-Cu solder has been explained, but in addition, Sn-Ag solder, Sn-Ag-Cu solder, Sn-Cu solder, Sn- Similar effects can be obtained even with Zn-based solder or solder containing one or more of Bi, In, Ge, P, Ni, Sb and the like. The same effect can be expected in the case of lead-free solder that is not limited to Sn-based lead-free solder but has a difference between the liquidus temperature and the solid-layer temperature.
[0033]
In addition, in the solder containing Bi, this kind of crack tends to decrease, but conversely, a lift-off phenomenon that peels between the Cu land and the solder tends to occur. Due to the cooling effect of this method, a cooling effect at a location where the temperature has further decreased (land portion) can also be expected.
[0034]
This cooling effect is effective not only for through-hole parts but also for large-sized imposition parts for flows. Also, by adopting this method in the cooling process in reflow, it is also effective for large imposition parts that are likely to occur. Cracks at the center of the fillet of the imposition component can be prevented by a rapid cooling effect by a spot cooler using air or nitrogen.
[0035]
So far, the cooling means by externally attaching the spot cooler has been described. However, the present invention is not limited to this, and a cooling device incorporated in the soldering device may be used. As the cooling means, means other than the spot cooler may be used.
[0036]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the electronic device which suppressed generation | occurrence | production of the "wrinkle" formed on the fillet surface, and the soldering apparatus which implement | achieves the mounting | wearing can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a spot cooler attached to the side of a flow tank.
FIG. 2 is a view showing a temperature profile of high-temperature solder.
FIG. 3 is a diagram showing a temperature curve when the temperature measurement position is changed by changing the cooling condition.
FIG. 4 is a photograph of the appearance of a crack on the fillet surface of a through-hole joint.
FIG. 5 is a cross-sectional view in which a spot cooler is attached to nitrogen atmosphere zone cooling.
FIG. 6 is a diagram showing a reduction in crack generation rate due to a cooling effect.
[Explanation of symbols]
1: Solder 2: Spot cooler 3: Side of flow tank 4: Substrate 5: Component 6: Conveyor 7: Guide 8: Nitrogen atmosphere zone cooling 9: Flow tank
10: Ground plane
11: Inclined
12: Angle

Claims

A conveyor for moving the circuit board;
A solder bath capable of supplying lead-free solder;
A spot cooler capable of supplying cool air obliquely at a distance of 250 mm or less from the location where the solder is supplied, with respect to the circuit board surface of the circuit board which is supplied with the solder from the solder tank,
The conveyor is arranged with an inclination with respect to the installation surface so as to rise as the circuit board moves, and the circuit board is moved with an inclination with respect to the installation surface,
The said spot cooler supplies the said cool air in the direction away from the said solder tank with respect to the said circuit board moved inclining with respect to the said installation surface, The soldering apparatus characterized by the above-mentioned .

2. The soldering apparatus according to claim 1, further comprising means for cooling the surface opposite to the surface of the circuit board to which the solder is supplied using nitrogen.

The soldering apparatus according to claim 1, wherein cold air flows along a moving direction of the circuit board.

4. The soldering apparatus according to claim 2, wherein the nitrogen is made to flow in a moving direction of the circuit board.

The soldering apparatus according to claim 1, wherein the spot cooler is provided with one or more wind direction guides having an angle.

The soldering apparatus according to claim 5, wherein the wind direction guide has an inclination of 30 to 80 degrees with respect to the installation surface.

The wind direction guide has an inclination of 30 to 80 degrees with respect to the installation surface, and the conveyor moves the circuit board at an angle of 5 to 7 degrees with respect to the installation surface. The soldering apparatus according to claim 5 , wherein cold air is supplied obliquely to the soldering apparatus.