JP4974382B2

JP4974382B2 - リフロー半田付け方法及びその装置

Info

Publication number: JP4974382B2
Application number: JP2008072996A
Authority: JP
Inventors: 敏明葛西
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP2009231415A

Description

本発明は、半田にレーザを照射することによって、基材として合成樹脂を用いたフレキシブルプリント配線板に部品を実装するリフロー半田付け方法及びリフロー半田付け装置に関するものである。

従来、フレキシブルプリント配線板（以下、ＦＰＣとする）に部品を実装する場合、鉛フリー半田ペーストを介して部品を搭載し、リフロー炉を透過させてリフロー半田付けを行っている。しかし、鉛フリー半田は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田等の鉛を含む半田よりも溶融温度が高く、そのため適切にリフロー半田付けを行うためには、リフロー炉の温度は高くしなければならない。リフロー炉に用いるリフロー半田付け方法においては、基材としてＰＥＴ等の合成樹脂を用いたＦＰＣ全体を半田の溶融温度よりも高温の雰囲気温度によって加熱するため、基材が損傷を受けてしまうことがある。

例えば、基材に低耐熱性基材であるＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）を用いたＣＣＬ（Ｃｏｐｐｅｒｃｌａｄｌａｍｉｎａｔｅ）の半田耐熱は２１０度で３０秒であり、２３５度の場合は１秒ももたない。リフロー炉を用いてこのＰＥＴ−ＣＣＬにリフロー半田付けを行う場合、リフロー炉のリフロー部の温度は、最高で２３０度を超える。そのようなリフロー半田付けを行うと基材のＰＥＴは、損傷を受ける。このように、リフロー炉を使用する方法においては、リフロー半田付け時にＰＥＴ等の合成樹脂の基材が損傷を受けてしまうことがある。

また、リフロー半田付けを行う他の方法として、半導体レーザなどのレーザを半田ペーストに照射することにより半田を溶融させるリフロー半田付け方法がある。（特許文献１参照）。

しかし、この半田にレーザを照射することにより溶融させるリフロー半田付け方法においては、レーザの照射時間が長すぎたり、出力が強すぎたりすると、半田の温度が溶融温度を越えてかなり高くなる。そして熱伝導によりＰＥＴ等の合成樹脂を用いた基材が耐熱温度を超えると、基材が損傷を受けてしまうことがある。

例えば、３２２５のチップ抵抗の場合、５Ｗの半導体レーザ照射を１秒程度行うことによりリフロー半田付けを行うことができる。しかし、この場合、半田の熱が基材に伝わり、ＰＥＴ等の合成樹脂の基材は、損傷を受ける。このため、半田にレーザを照射することにより溶融させるリフロー半田付け方法は、照射出力や照射時間を限定しなければならず、適正な製造条件の選択幅が狭くなってしまう。

そこで、本願出願人は、基材としてＰＥＴ等の合成樹脂を用いたＦＰＣにおいて、半田にレーザを照射することにより溶融させるリフロー半田付けを行う場合であっても、基材に損傷を与えることなく部品を実装することのできるリフロー半田付け方法及びリフロー半田付け装置を先に出願した。

本願出願人の先願に係る発明は、半田にレーザを照射することによって、基材として合成樹脂を用いたフレキシブルプリント配線板に部品を実装するリフロー半田付け方法において、前記フレキシブルプリント配線板に配置された半田を予熱した後に前記半田にレーザを照射する方法である。また、その装置は、図２及び図３に示すようなものである。

図２に示す先願の装置は、ＦＰＣ１に配置された半田にレーザ光を照射するレーザ光照射部１１と、ＦＰＣに配置された半田を予熱するための加熱装置１２とを備えている。加熱装置１２は、その上にＦＰＣ１を載置可能に構成されており、載置されたＦＰＣ１を１００度及至１３０度程度に加熱するように構成されている。また、レーザ光照射部１１は制御装置（図示省略）によって照射位置や照射時間が制御されるように構成されている。ＦＰＣ１上でリフロー半田付けが行われる。ここで、ＦＰＣ１は、基材１Ａと、その上にプリントされた回路１Ｂとからなる。基材１ＡにはＰＥＴ等の合成樹脂が用いられている。合成樹脂のＰＥＴの耐熱温度は２３０度でありこの温度を超える熱が加えられると損傷する。また、ＦＰＣ１の上に半田ペースト２が配置されている。使用される半田ペースト２は鉛フリー半田であり、この融点は２２０度程度である。そして、この半田ペースト２上に、回路１Ｂに実装される部品４の端子３が設置されている。この状態において、加熱装置１２が加熱することにより、ＰＥＴ等の合成樹脂が用いられている基材１Ａ、回路１Ｂ、半田ペースト２、端子３、部品４が予熱される。その後に、半田ペースト２に対して直接レーザ光を照射することによって、リフロー半田付けを行う。それぞれの半田ペースト２についてこのレーザ走査を行い、ＦＰＣ１全体のリフロー半田付けを行う。

図３の先願に係る装置は、フレキシブルプリント配線板加熱部１３を有する点において、（図２に示す）リフロー半田付け装置と異なる。フレキシブルプリント配線板放熱部１３は、多孔質状の素材、例えばポーラス状のアルミニウムにより構成されたプレート１４と、プレート１４を保持するハウジング１５と、ハウジング１５に接続された真空ポンプ１６とにより構成されている。プレート１４は、表面にＦＰＣ１を載置可能に構成されている。ハウジング１５は、上面に開口部を有し、プレート１４によってこの上面の開口部が閉口されるように固定され、プレート１４が固定されたハウジング１５内には、空間Ｘが形成される。ハウジング１５は、その側壁に空間Ｘに通じる孔部１７を有し、この孔部１７に真空ポンプ１６が接続されている。また、加熱手段として、プレート１４内に３つのヒータ１８が並列させて設けられている。ヒータ１８は、載置されたＦＰＣ１を１００度及至１３０度程度に加熱するように構成されている。また、プレート１４内にであって、ＦＰＣ１の近傍に温度測定用の熱電対１９が２つに並列したヒータ１８の間に設けられる。熱電対１９は、プレート１４内の温度を計測し、ヒータ１８は、この計測された温度に基づいてＦＰＣ１上の半田ペースト２が１００度及至１３０度程度に加熱されるように、その温度が調節される。このリフロー半田付け装置により、ＦＰＣ１上でリフロー半田付けが行われる。レーザ走査されるＦＰＣ１の部品実装部分は裏面に設けられたプレート１４内のヒータ１８により予熱されており、半田ペースト２も温度が上昇しているため、半田ペースト２は、予熱しなかった場合よりも短時間で溶融温度に達する。このため、レーザ照射が短時間ですみ、半田の熱伝導によりＦＰＣ１の部品実装部分の裏側のＰＥＴ等の合成樹脂が用いられている基材１Ａが耐熱温度を越える前にレーザの照射が終了する。
特開平４−９１４９２号公報

図２に示す先願装置の加熱装置１２においても、図３と同様に基材１Ａ（例えばＰＥＴ）の裏側を吸引し、レーザ照射によって発生する熱の一部を廃熱する。この方式では、ＦＰＣ１の全体を予熱し（例えば１３０℃）、レーザ照射を一定時間（例えば０．１〜２秒）行うことにより，半田の温度を融点２１７℃以上に保ち、熱伝導によりランド裏のＰＥＴが２３０℃以上にならないようにし、ＰＥＴのダメージを回避している。実際にレーザ照射を行う場合、ＦＰＣを保温装置に密着させる必要があるため、図３に示すような吸引・保温装置が必要になる。しかしながら、図３に示すプレート１４（ポーラス板）では、場所による温度変動が２０ｄｅｇ程度発生するため、適正リフロー条件範囲を狭めることになる。また、レーザ照射出力や照射時間が、半田付けされる対象がオープンであるため雰囲気温度の影響を大きく受けてしまう。

そこで、本願発明は、雰囲気温度を管理して、一定温度下でレーザ照射を行ってリフロー条件を安定化させることのできるリフロー半田付け方法及びその装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、半田にレーザを照射することによって、基材として低耐熱性の合成樹脂を用いたフレキシブルプリント配線板に部品を実装するリフロー半田付け方法において、レーザ光透過面を有する小室の室内の所定高さ位置にポーラスプレートを配置し、前記ポーラスプレートにより小室内を上部室と下部室とに分ける工程と、前記ポーラスプレート上にフレキシブルプリント配線板を載置する工程と、温度管理された前記小室内でフレキシブルプリント配線板に配置された半田を予熱する工程と、予熱後、前記半田に小室外から前記レーザ光透過面を介してレーザを照射して半田を溶融さる工程と、前記下部室の空気を吸引する工程と、を含み、前記半田にレーザを照射する際に、前記下部室の負圧によって、前記フレキシブルプリント配線板を前記ポーラスプレートに固定するとともに、前記ポーラスプレートを介して前記フレキシブルプリント配線板を放熱するものである。
また、半田にレーザを照射することによって、基材として合成樹脂を用いたフレキシブルプリント配線板に部品を実装するリフロー半田付け装置において、レーザ光透過板が取付けられた小室と、小室内の所定の高さ位置に配置され、前記小室内を上室部と下室部とに分けるとともに、前記フレキシブルプリント配線板が載置されるポーラスプレートと、前記フレキシブルプリント配線板の半田を予熱するための予熱手段と、前記半田に小室外から前記レーザ光透過板を介してレーザを照射するレーザ光照射部と、前記下部室の空気を吸引する吸引手段と、を備え、前記半田にレーザを照射する際に、前記下部室の負圧によって、前記フレキシブルプリント配線板が前記ポーラスプレートに固定されるとともに、前記フレキシブルプリント配線板が前記ポーラスプレートを介して放熱されるように構成した。

本発明の方法によれば、ポーラスプレートにヒータを埋め込む必要がなくなり、ポーラスプレートを安価に提供でき、かつ半田を管理された雰囲気温度で予熱し、レーザ照射をするので、フレキシブルプリント配線板の基材を損傷せずに、確実な半田付けを迅速に行うことができる。

また本発明の装置によれば、装置も簡単なものとなり、温度管理も容易であり、半田付けの信頼性も向上する。

以下に、本発明の実施形態について図１を参照にして説明する。

図１におけるフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）１は、先願（図２）と同様に基材１Ａに回路１Ｂをプリントしたものであり、基板１ＡとしてはＰＥＴ、ＰＥＮなどの低耐熱性の材料が用いられている。このようなＦＰＣ１に部品４を実装する場合、端子３と回路１Ｂとの間に半田ペースト２を配置し、半田ペースト２にレーザ光照射部１１からレーザ光を照射する。図１では、アルミニウム製の上面が開口した箱状のハウジング２０の上面にレーザ光透過板２１を着脱自在に取付けて外部の温度に左右されにくい小室を構成している。この小室内の所定の高さ位置にポーラスプレート２２を設け、このポーラスプレート２２上にＦＰＣ１を載置する。

前記小室内に設けたポーラスプレート２２は、アルミニウムから形成され、ポーラス径１５μｍ、大きさは縦横が２００×２００（ｍｎ）、厚さが１５ｍｍものを用いた。このポーラスプレート２２により小室は上部室Ｒ１と下部室Ｒ２とに分けられている。上部室Ｒ１には温度管理された熱風を取り入れる取入口２３を設け、下部室Ｒ２にはポーラスプレート２２を介して上部室の熱を吸引するための吸引口２４を設け、この吸引口２４に真空ポンプ２５を連結してある。

図１に示すハウジング２０のポーラスプレート２２上にＦＰＣ１を載せたら、取入口２３から熱風を上部室Ｒ１に送り込んで半田ペースト２を予熱する。予熱された半田ペースト２は、予熱しなかった場合よりも短時間で溶融温度に達する。このため、レーザ照射も短時間ですみ、半田の熱伝導によりＦＰＣの部品実装部分の裏側のＰＥＴ等の合成樹脂が用いられている基材１Ａが耐熱温度を越える前にレーザの照射が終了する。例えばＦＰＣ全体が１２０度程度に予熱されている場合、レーザの照射時間は０．１秒程度で良い。この時、半田ペースト２は、融点を越える温度により溶融するものの、ＰＥＴ等の合成樹脂が用いられている基材１Ａに熱が伝わる前にレーザ照射が終了し、基材１Ａは、耐熱温度を超えることが無い。よって、ＰＥＴ等の合成樹脂を用いた基材１Ａが損傷を受けることなく、リフロー半田付けを行うことが出来る。

前記予熱温度は、１３０〜１５０℃とし、部品４としては、チップ抵抗３２２５とＬＥＤ３２２８を用い、真空ポンプ２５による吸引圧２０ｋｐａとした。また、半田ペーストは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のものを用いた。

下部室Ｒ２の空気が吸引されて負圧になることにより、ＦＰＣ１はポーラスプレート２２上の所定の位置に確実に固定され、この位置決めされた状態でレーザ光が正確な位置（半田ペースト２の個所）に照射され、リフロー半田付けを安定して行うことができる。また、下部室Ｒ２の負圧により、放熱（廃熱）も行うことができる。真空ポンプ２５による吸引は、ＦＰＣ１の位置決めと上部室Ｒ１の放熱を同時に行うためのものである。

前記ポーラスプレート２２上でＦＰＣ１の位置決めを行う際に、ＣＣＤカメラでモニタしながら調整を行うことができ、レーザ照射の正確さを増大させることができる。

本発明の実施形態の形態に係るリフロー半田付け装置を示す側面概念図である。先願のリフロー半田付け装置を示す側面概念図である。先願のリフロー半田付け装置を示す側面概念図である。

符号の説明

１フレキシブルプリント配線板
１Ａ基板
１Ｂ回路
２半田ペースト
３端子
４部品
１１レーザ光照射部
２０ハウジング
２１レーザ光透過板
２２ポーラスプレート
Ｒ１上部室
Ｒ２下部室

Claims

半田にレーザを照射することによって、基材として低耐熱性の合成樹脂を用いたフレキシブルプリント配線板に部品を実装するリフロー半田付け方法において、
レーザ光透過面を有する小室の室内の所定高さ位置にポーラスプレートを配置し、前記ポーラスプレートにより小室内を上部室と下部室とに分ける工程と、
前記ポーラスプレート上にフレキシブルプリント配線板を載置する工程と、
温度管理された前記小室内でフレキシブルプリント配線板に配置された半田を予熱する工程と、
予熱後、前記半田に小室外から前記レーザ光透過面を介してレーザを照射して半田を溶融する工程と、
前記下部室の空気を吸引する工程と、を含み、
前記半田にレーザを照射する際に、前記下部室の負圧によって、前記フレキシブルプリント配線板を前記ポーラスプレートに固定するとともに、前記ポーラスプレートを介して前記フレキシブルプリント配線板を放熱することを特徴とするリフロー半田付け方法。
半田にレーザを照射することによって、基材として合成樹脂を用いたフレキシブルプリント配線板に部品を実装するリフロー半田付け装置において、
レーザ光透過板が取付けられた小室と、
小室内の所定の高さ位置に配置され、前記小室内を上室部と下室部とに分けるとともに、前記フレキシブルプリント配線板が載置されるポーラスプレートと、
前記フレキシブルプリント配線板の半田を予熱するための予熱手段と、
前記半田に小室外から前記レーザ光透過板を介してレーザを照射するレーザ光照射部と、
前記下部室の空気を吸引する吸引手段と、を備え、
前記半田にレーザを照射する際に、前記下部室の負圧によって、前記フレキシブルプリント配線板が前記ポーラスプレートに固定されるとともに、前記フレキシブルプリント配線板が前記ポーラスプレートを介して放熱されるように構成したことを特徴とするリフロー半田付け装置。