JP2000349429A - 部分半田付け装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細なパターン形状の基板の半田付けにおい
て部品への熱影響を最少にし、管理が容易で、常に安定
して、しかも瞬時に半田付けができる。 【構成】 基板のランドにそれぞれ対応した開口部を持
つ小穴を、その下面に複数開けてソルダホールとした半
田付けノズルを基板の上方に設けて加熱し、その内部に
溶融半田を収容した後、部品を搭載した基板に合わせて
その半田をランドと部品の半田付け箇所に浸潤させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電子部品を搭載した
プリント基板を加熱し部分半田付けするための装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年ますますファインピッチ化の進むプ
リント配線基板において、その基板に搭載された部品を
半田付けにより基板へ固着させるいくつかの方法の内、
部分半田付けに関するものは、クリーム半田を用いて全
面加熱、あるいは局所的に加熱する方法と、噴流半田槽
を用いた局所半田付け法とがある。それぞれの特性に応
じた分野で電子機器の多機能化、軽薄短小化に大きく寄
与している。

【０００３】クリーム半田を用いた表面実装の基板が広
く普及し、その技術が進歩発展するに連れ、微細なファ
インピッチ・パターン基板の組み込まれた製品が多数開
発され市場に供給されてきた。これはクリーム半田とい
うフラックスと混練された形状による半田の基板面への
供給が、スクリーン印刷という技法を用いて微量でも的
確にしかもどの基板へも均一に塗布することができるこ
とによる。これまで行われてきた噴流槽での基板の全面
溶融半田接触ではショート多発で到底無理なパターンで
もクリーム半田を用いれば適量を基板上のパッドに置く
ことができる。

【０００４】また、噴流半田槽の流動する半田を局所的
に造り出し、その半田面を基板の必要箇所に接触させる
方法は、部品の後付け加工に安定した品質と効率をもた
らしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように基板の半田
付け技術が進展する中で、ファインピッチ化は、なお留
まることなく、より高度な手法を要求して来つヽある。
また現在の製造管理の現場においても半田付け工程はス
クリーン印刷、リフロー加熱共に微細で複雑なコントロ
ールを必要とし、作業者は多様の状況を習熟したノウハ
ウを要求されている。

【０００６】そして上記クリーム半田を用いた手法はそ
の装置において、複雑で大型の機構を必要とし、製造コ
ストにも大きく影響をあたえる。しかも半田を塗布する
スクリーン印刷機と加熱のためのリフロー炉は別工程の
装置であり共に必須の設備である。

【０００７】一方、噴流半田槽による局所半田付け装置
では、その機構は小形のノズルを備えた半田槽であり局
所的ではあっても面的加熱は避けられない。そのため密
集した微細な箇所の半田付け加工になるとショート等の
不具合が多発するため、適切な装置ではありえない。

【０００８】さらに噴流半田槽の機構により、使用する
半田は一定量以上を貯え、噴流機構も必要な出力を備え
ねばならず、装置は大型で重量のあるものにならざるを
得ない。加えて半田槽の保守管理及び清掃は常に必要と
され、現場での負荷を増すことになる。

【０００９】この発明はこれらの課題を解消しようとし
てなされたもので、微細なパターン形状の基板における
半田付けにおいて、クリーム半田に関わる複雑で精緻な
工程の管理を省き、装置の複雑、大型化を防ぎ、設備費
用を低減し、噴流槽による局所半田付けのように溶融半
田との面接触を避けるために、クリーム半田には無く溶
融半田のみが保有している表面張力という特性を活か
し、しかも微量であっても必要とされる最適量の半田供
給を半田付け箇所にのみ安定して行なう機構を提供する
ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半田付けノズルを用いた部分半田付け装置
において、その半田付けノズルは基板上部に設けて、そ
のノズル下面に開口部を持ち、しかも基板のランドにそ
れぞれ対応した小穴を複数開けてソルダホールとし、そ
のノズルを加熱したものである。

【００１１】また上記ソルダホールの上方開口部を密閉
してその内圧を調整することもできる。

【００１２】そしてソルダホール内部にロッドを挿入し
て内圧を調整することもできる。

【００１３】基板上のランドに対応した半田付けノズル
の下面に小穴を開けてノズルホールとし、その内部にパ
イプを滑動させるように設けて、そのパイプ内腔をソル
ダホールとすることができる。

【００１４】ソルダホールの上方開口部を囲む外縁を設
け半田プールとし、あるいはその上部を覆い密閉するこ
とができる。

【００１５】上記半田プール内に溶融半田スキージを設
け、その下縁をソルダホールの上方開口部を含む平面に
沿い、且つ接触して移動させるとよい。

【００１６】上記半田プール内のソルダホール上方開口
部毎に定量送出バルブを設けるとよい。

【００１７】上記の半田付けノズルにおいて、ソルダホ
ール開口面を円筒等の曲面上に配置し、ソルダホールを
移動する基板に順次接触させる形状とすると効果的であ
る。

【００１８】

【作用】上記のように構成された半田付けノズルを用い
た部分半田付け装置において、まず半田付けノズルの下
面に小穴より成る複数のソルダホールを開口して設け、
その開口面を加熱溶融した半田を貯えた半田槽の半田上
面に接触させる。そしてソルダホール内の気体圧力を下
げて開口部より溶融半田を吸引させてから、半田面より
離す。半田付けノズルは加熱され設定温度に維持されて
いればソルダホール内の半田は溶融したまヽ定温に保た
れている。次に半田付けノズル開口部と基板の半田付け
部の位置を合わせる。各ソルダホール開口部は部品を搭
載された基板の複数の半田付け箇所にそれぞれ相当する
位置に配置されているため、ソルダホールの内圧を元に
戻し、あるいは少し高めれば保持されていた半田は基板
の半田付け箇所に流れ移る。この時、流動した半田が半
田付けノズルに十分接触していればノズルからの熱は基
板パッド及び搭載部品半田付け部に容易に浸透する。ま
た半田付けノズルの下面の一部を取り除くことにより、
基板に接触する際、搭載部品とノズルの接近を避け、あ
るいは部品を過度に加熱しないようにしながら半田付け
ノズル内の半田をパッド上に接触させることができる。

【００１９】ソルダホール内の圧を調整するために内部
にロッドを挿入し上下に駆動させると、半田を収容する
際、ソルダホール内の気体の微妙な容積変化に影響され
ない任意の正確な半田量が確保できる。加えて基板上に
流動させる時には確実に任意の速度でそれを行い、ソル
ダホール内に半田の残片を放置させない。

【００２０】半田付けノズルのソルダホール開口部を溶
融半田内に沈めた場合、半田はやはりソルダホール内に
収容される。半田の入る量はソルダホールの断面形状大
きさによる。つまり半田の表面張力が小断面のソルダホ
ール内壁と弾き合う働きと、半田表面から沈められたソ
ルダホール開口部までの半田の重量により押し上げられ
る働きとが釣り合った位置まで半田は入り込み、その量
は条件が変わらなければ安定して一定である。その後、
ノズル上部を密閉し半田付けノズルを引き上げれば、ソ
ルダホールの中に定量の半田を確保できる。また穴径が
微小の場合、半田内に沈められたソルダホール開口部か
ら流入した半田は上部を密閉し気密にする要もなく、そ
のま、半田付けノズルを引き上げることによりソルダホ
ール内に収容できる。

【００２１】半田付けノズルのソルダホールを設けたい
位置に小穴を開けてノズルホールとし、そこへパイプを
通してスライドさせる。半田付けノズルは移動させない
ま、パイプのみ半田内へ押し下げれば、パイプの内腔で
あるソルダホールに適量の半田を確保できる。

【００２２】ソルダホールの上方開口部を内包する半田
付けノズルの上面の周囲を縁で囲み半田プールとし定量
の半田を入れるとソルダホール内に半田が流入する。

【００２３】上記半田プール内に、溶融半田スキージを
設けて進行方向に半田を貯えながらソルダホール上方開
口部の面に沿い、そのスキージを移動してソルダホール
内へ溶融半田を流入させることにより、半田量が安定す
る。ソルダホールの上方開口部付近の径を変え、あるい
はソルダホールに合わせて穴を開けた板をソルダホール
と前記スキージとの間で水平に滑動しながら往復させ
て、より安定した半田量を得ることができる。

【００２４】上下に動くロッドの途中を削る等して容積
の変化を用いてソルダホール内へ定量の半田を半田プー
ルから取り入れる定量送出バルブを用いる。この場合半
田排出のロッドとしてもこのバルブは作用できる。

【００２５】ソルダホールの開口する面を一平面ではな
く例えば円筒状またはその一部の曲面とした半田付けノ
ズルを設け、半田付けする基板を移動させるのに合わせ
て半田付けノズルを回転させれば効率のよい半田付けが
できる。

【００２６】ソルダホール内の酸化した半田は新たな半
田の吸引にも排出にも支障を及ぼす。ソルダホール内の
半田が酸化するのを防ぐため窒素ガスを用いると好まし
い。あるいはソルダホール内に半田が滞留しないために
も、先のロッドによる半田の排出が効果を増す。

【００２７】

【実施例】実施例について図面を参照して説明すると図
１において、半田付けする基板１７の複数の半田付け箇
所であるランド２にそれぞれ対応した位置に配置された
ソルダホール１を半田付けノズル３の下面に設けてお
き、半田槽半田面からソルダホール１内に適量の半田を
収容した後、その面を基板に接触させその半田を基板ラ
ンド２上に流出させる。

【００２８】図２に示される実施例では、図１に示した
実施例の内、ソルダホール１内にロッド５を挿入して内
圧を調整できるようにし、半田槽８の半田面１０から溶
融半田９を吸引し、そののち基板上に排出する。

【００２９】図３に示される実施例では、図１に示した
実施例の内、半田付けノズル３下面のソルダホール開口
部７を半田槽８内の溶融半田９内に沈め半田を収容す
る。

【００３０】図４に示される実施例では、図１に示した
実施例の内、ソルダホールの必要とする箇所に小穴を開
けノズルホール６とし、その中にパイプ１１をスライド
させ、そのパイプ１１の内部をソルダホール１としてい
る。

【００３１】図５に示される実施例では、図１に示した
実施例の内、ソルダホール１の上方開口部１２の周囲を
外縁１３で囲み、半田プール１４としたものである。

【００３２】図６に示される実施例では、図５に示した
実施例の内、半田プール１４内に溶融半田スキージ１５
を設け、ソルダホール１の上方開口部１２に沿い擦動さ
せるものである。

【００３３】図７に示される実施例では、図５に示した
実施例の内、半田プール１４内のソルダホール１毎に半
田の定量送出バルブ１６を設けたものである。

【００３４】図８に示される実施例では、図１に示した
実施例の内、ソルダホール１の開口する面が円筒状とな
った半田付けノズル３のその回転に合わせて基板１７を
移動させている。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３６】半田は加熱され溶融して液体となつている
時、表面張力の大きな特性を表わす。それは丸く小さく
なろうとし、あるいは集合して一塊になろうとする働き
であり、また半田になじむ面にたいしては微細な間隙に
も浸透しようとする物理的な働きである。この表面張力
の大きな溶融金属としての半田は微細な半田付けにおい
て扱い難く、一旦集合して一つに塊った半田は分散させ
ることも容易ではない。それがために例えばショートの
発生し易いファインピッチの基板では、噴流半田槽での
加工は不良が多発し到底無理なこと、なっている。微細
な箇所の半田付けを実現するために、先にも述べたよう
にクリーム半田を基板上に印刷塗布し、リフロー炉にて
加熱する手法が発展してきている現況であるが、スクリ
ーン印刷においては微小パターンになる程、例えば版抜
け性、ダレ等あるいはリフロー加熱での半田ボール、シ
ョート、マンハッタン現象等作業上での困難が多く、常
に安定して誰にでも加工できるとは限らない。装置の微
妙な設定調整が加工工程の歩留まりに大きく影響を及ぼ
すことは避けられない。

【００３７】クリーム半田を溶融させるためには加熱が
必要となる。基板全面を搭載部品ごと加熱するのが一般
のリフロー炉であるが、熱に対して敏感な部品に対して
は困難な手法となる。その部品の耐熱性を高めれば高価
となる。それらを敢えて用い搭載部品の一括リフロー加
熱を選んでも、どうしてもリフロー加熱の無理な部品は
後付け処理される。つまり半田付けロボットによる加工
であり局所半田槽による加工となる。半田付けロボット
はコテ型も熱光線型も一点々々半田付けする逐次タイプ
の装置であり効率が非常に低トする。大量の生産機種の
ためには多数のロボツトが稼働すること、なる。設備費
用が増し保守管理の工数も増大する。

【００３８】噴流半田槽による局所半田付け装置はあく
までノズルという面での溶融半田との接触であり、半田
流動の条件からノズルの最少限度を越えて接触面を狭め
れば半田は脈動を起こし激しく上下に揺れる。また常に
流落する半田がなければ半田面の安定は無く温度も安定
しないから、その流落部を基板のどこへ設けることがで
きるかもノズル製作の制限条件となる。何よりもノズル
上面という一定面積の範囲では一括ディップの半田付け
が起こるのだから、微小パターンのショートを免れるこ
とができないという課題が残る。

【００３９】ここで仮に、部品搭載した基板の半田付け
部分にのみ、適量の溶融半田が適度の熱量を維持したま
ヽ接触できたとすると、次の様なことが起こる。熱伝導
は溶融半田を通じて半田付け箇所から起こるため、同時
に確実な加熱が行われ部品の素子本体には決して無理な
熱が掛からない。つまり部品への熱影響を最少に押さえ
ることができるから耐熱部品等の対策で煩う必要が無
い。リフローの内部で起こるように、基板のあらゆる箇
所で蓄熱が始まり、クリーム半田が溶解し始めた時に
は、その温度と同等かそれ以上に帯熱した素子があると
いうことは有り得ない。だから後付けしなければならな
い部品も激減する。基板パッドに溶融半田が接触し、そ
のまヽ浸潤するため半田の供給と加熱は同時にしかも瞬
時に行われて半田付け加工はその時点で終了してしま
う。そしてこの浸潤が溶融半田の表面張力を最大に活か
す瞬間でもある。半田は流体として基板上に染み込むか
ら版抜け不良や滲み等はもちろん半田ボールもマンハッ
タン現象も起こり得ようがない。半田は表面張力の大き
な液体としての物理特性に従って流動するばかりで非常
に安定している。クリーム半田のように粘性のある固体
として小さな穴に押し込められて後、抜き残しを出した
り、滲み出たりはしない。加熱された液状の半田はレジ
ストの上には乗りたがらず、ひたすら身を丸めようとす
る。言い換えれば隣り合う適量の溶融半田はそれぞれが
一つにまとまろうとするばかりで決してショートを起こ
さない。ショートつまりブリッジは適量を越えた供給の
時、初めて発生するのだから、この適量を維持できれば
ショートは皆無となる。こうして半田付けは溶融半田が
自身の持つ表面張力という特性に従って、いとも容易
に、安定して、瞬時に終えることになる。

【００４０】上記の仮定の条件、つまり適量の溶融半田
を半田付け箇所にのみ最適の温度を保ちながら接触させ
るということを当発明の半田付けノズルを用いた装置が
簡素で且つ小型の機構により同時多点で可能とした。

【００４１】任意の量の溶融半田をソルダホール内に取
り込む方法について、下面のソルダホール開口部から収
容する方式の他、上部より定量を供給する方式がある。
下面より収容する方式は機構が簡単で駆動が容易であ
り、上面より収容する方式は半田付け加工に要する時間
タクトが短縮できる要素が多い。つまり基板を入れ替え
ている間に半田を上部から供給することができる。

【００４２】上記の内、下面から収容する方式はソルダ
ホール上部を負圧にして吸引する方式とソルダホール開
口部を半田内に沈め周囲の半田重量より生じる、半田を
ソルダホール内へ押し上げる働きを用いる方式とある。
吸引ずる方式は気体あるいはロッドによる負圧の制御で
多数のソルダホールに一括して半田を吸引できるが、負
圧の微妙な変化の影響を受け易い。半田重量自身の働き
でソルダホール内に押し込む方式は微小の半田を常に定
量収容する特性を備えることができる。

【００４３】ソルダホール断面積が十分大きい場合、ま
た収容した半田量が一定量を越えている場合、収容して
から上部を開放ずれば、その半田は自重で基板上に流落
する。しかし多くの場合、つまり上記断面積が一定以下
であり収容半田量が少量の場合、ソルダホール上部から
気圧を高め、あるいはロッドにて下方に押し出すことに
より半田を流出させることができる。

【００４４】コネクタ等のピンが狭小のピッチで並んで
いる箇所の半田付けはコテを用いたロボットではその間
隙にコテ先と半田を挿入することが困難な場合がある。
当半田付けノズルは微小ピッチにおいても、例えばピン
を溶融半田で上方より包み込むようにしてその全周から
加熱し、その半田付けを同時多点で素早く終える。

【図面の簡単な説明】

【図１】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【図２】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【図３】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【図４】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【図５】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【図６】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【図７】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【図８】半田付けノズルの実施例を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ ソルダホール ２ ランド ３ 半田付けノズル ５ ロッド ６ ノズルホール ７ 開口部 ８ 半田槽 ９ 溶融半田 １０ 半田面 １１ パイプ １２ 上方開口部 １３ 外縁 １４ 半田プール １５ 溶融半田スキージ １６ 定量送出バルブ １７ 基板 １８ 気密パッキン １９ 気体圧調整口

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１７）上の半田付け箇所の複数の
   ランド（２）の位置に対応し、且つそれらランド（２）
   が同時に接することのできる平面を下面とし、その下面
   に開口部（７）を有する小穴から成るソルダホール
   （１）を複数設け、それら開口部はそれぞれのランド
   （２）に対応する位置と形状を合わせ持つ、加熱された
   半田付けノズル（３）を用いた部分半田付け装置。
2. 【請求項２】 ソルダホール（１）の上部を密閉して内
   圧を調整できるようにした半田付けノズル（３）を用い
   た請求項１記載の部分半田付け装置。
3. 【請求項３】 ソルダホール（１）の内部にロッド
   （５）を挿入してその内圧を調整できるようにした半田
   付けノズル（３）を用いた請求項１記載の部分半田付け
   装置。
4. 【請求項４】 基板上の複数のランド（２）にそれぞれ
   対応して設けた小穴からなるノズルホール（６）の内部
   にパイプ（１１）を滑動させ、そのパイプ（１１）の内
   腔をソルダホール（１）とした半田付けノズル（３）を
   用いた請求項１記載の部分半田付け装置。
5. 【請求項５】 ソルダホール（１）の上方開口部（１
   ２）を囲む周辺を高めて外縁（１３）とし、あるいはそ
   の上部を覆い、それらに囲まれた半田プール（１４）を
   設けた半田付けノズル（３）を用いた請求項１記載の部
   分半田付け装置。
6. 【請求項６】 半田プール（１４）内において、ソルダ
   ホール（１）の上方開口部（１２）を含む平面に沿い、
   擦動する溶融半田スキージ（１５）を合わせ設けた半田
   付けノズル（３）を用いた請求項５記載の部分半田付け
   装置。
7. 【請求項７】 半田プール（１４）内のソルダホール
   （１）毎に半田の定量送出バルブ（１６）を設けた半田
   付けノズル（３）を用いた請求項５記載の部分半田付け
   装置。
8. 【請求項８】 基板上の半田付け箇所の複数のランド
   （２）の位置に対応し、且つそれらランド（２）が順次
   に接することのできる曲面に開口部（７）を有するソル
   ダホール（１）を複数設けた半田付けノズル（３）を用
   いた請求項１記載の部分半田付け装置。