JP2006344871A - リフロー半田付け方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 細線とヒータチップとの間や細線とプリント配線板の接続部との間にも溶融半田が円滑に流入し、細線を接続部にしっかりと十分な強度をもって固定し、半田付けの信頼性を向上させる。
【解決手段】 接続基板３４上の半田を載せた接続部３６に、細線３８を重ねヒータチップ２０により押圧しかつ加熱してリフロー半田付けするリフロー半田付け方法であって、ヒータチップ２０で細線３８を押圧しつつ加熱し半田４２を溶融させた後、加熱を停止すると共にヒータチップ２０を僅かに上昇させたリリース位置に停止させて半田４２を凝固させる。
【選択図】 図３

Description

この発明は接続基板の接続部に予め供給した半田の上に細線を載せ、この細線をヒータチップで加圧しつつ加熱することによりリフロー半田付けを行う方法と、この方法の実施に直接使用する装置とに関するものである。

プリント配線板やコイル部品の基台の銅パターンからなるパッドなどの接続部に、コイルの巻き線を接続したり、回路の変更に対して渡り線（ジャンパ線）などの細線を接続することがある。このような時に接続される細線は銅の芯線を絶縁材にて被覆したもので、この絶縁材は予め剥離したり、接続時にヒータチップの熱で昇華させて消失させ、露出した中の芯線をリフロー半田付けするものである。また絶縁材で被覆していない裸細線をリフロー半田付けする場合もある。

特開平５−５５７３９

特許文献１には、従来技術として、ヒータチップの加圧面（細線を押圧する面、すなわち下端面）に細線が係入する溝（抑え溝）を形成することが示されている。またこの特許文献１には、細線の被覆材を加熱した時に発生するガスをヒータチップの加圧面から逃がすために、この加圧面に他の溝（半田上がり溝）やガス抜き孔を設けることが提案されている。

従来は、ヒータチップを細線に押圧し発熱させて半田をリフローさせ、この状態でヒータチップの加熱を停止して半田が凝固とするのを待ち、その後ヒータチップを待機位置まで上昇させるものであった。しかしこの場合、ヒータチップを細線に押圧した時には細線は平板状につぶされるから、ヒータチップが細線を押圧したまま半田が凝固すると、溶融した半田は細線と接続部の間や細線とヒータチップとの間には入らないことになる。

細線は平板状につぶれているから、結局つぶれた平板の両側縁と先端面だけに半田が付くことになる。このため半田付けの強度が不足したり信頼性の低下を招くという問題が生じる。なおヒータチップの加圧面に溝を設けた場合は細線の上面が断面円弧状になるだけであり、この上面は前記半田上がり溝に対応する一部分を除いてヒータチップに密着しているので、この間には半田が入らないことになり、同じ問題が生じ得る。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、細線とヒータチップとの間や細線とプリント配線板の接続部との間にも溶融半田が円滑に流入し、細線を接続部にしっかりと十分な強度をもって固定することができ、半田付けの信頼性を向上させることができるリフロー半田付け方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用する装置を提供することを第２の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、接続基板上の半田を載せた接続部に、細線を重ねヒータチップにより押圧しかつ加熱してリフロー半田付けするリフロー半田付け方法であって、前記ヒータチップで細線を押圧しつつ加熱し半田を溶融させた後、加熱を停止すると共に前記ヒータチップを僅かに上昇させたリリース位置に停止させて半田を凝固させることを特徴とするリフロー半田付け方法、により達成できる。

また第２の目的は、請求項１の方法を実施するためのリフロー半田付け装置であって、ヒータチップを上下動させるモータヘッドと、ヒータチップにパルス電流を供給して加熱する電源ユニットと、ヒータチップの加圧力を検出する圧力センサと、ヒータチップの加熱温度を検出する温度センサと、前記圧力センサおよび温度センサの出力に基づいて前記モータヘッドおよび電源ユニットを制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、ヒータチップを下降させて細線を所定圧で加圧させつつ発熱させて半田を溶融させると共に、ヒータチップを僅かに上昇させてそのリリース位置に保持し半田を凝固させてから待機位置に復帰させる、ことを特徴とするリフロー半田付け装置、により達成される。

ヒータチップで細線を押圧しつつ加熱し、半田を溶融させてから、ヒータチップを僅かに上昇させてリリース位置に保持するので、溶融した半田が細線の回りに流れて凝固する。

このため細線の外周全体によく半田が回り込み、細線をしっかりとプリント配線板の接続部に固定することができる。従って細線の固着強度が増大し、半田付けの信頼性が向上する。

請求項５に記載された装置によれば、この方法の実施に直接使用する装置が得られる。

ヒータチップはパルス電流によって加熱し、ヒータチップに取付けた熱電対などの温度センサの出力を監視することにより温度制御するのが望ましい。この場合には短時間で高精度な制御が可能である。

ヒータチップを加圧位置からリリース位置まで僅かに上昇させる距離（リリース量）は、細線と接続部との間隙および細線とヒータチップとの間隙の少なくとも一方に溶融半田が流入可能な寸法とする。この寸法とこの時の上昇速度は何回かテストをして決めることができ、最適な寸法や速度は被半田付け部材や半田付けする位置が変わっても再現性良くかつ高精度に反復できることが望ましい。

ヒータチップは半田が凝固するまでリリース位置に保持すれば、ヒータチップを離した時に細線が移動しないので好ましい。しかし半田の半凝固温度で細線の移動が不可能な状態であればヒータチップを離してもよい。この場合には作業時間（タクト）を短縮でき、稼働率が向上する。

ヒータチップのリリース位置（従ってリリース量）を設定するためにはジョグ動作を用いることができる。すなわちヒータチップの位置をジョグスイッチにより昇降可能とし、細線を押圧し加熱している下降位置を基準にしてジョグスイッチを上押し、最適な位置をリリース位置として登録すればよい。またヒータチップの加圧面は平面とすれば、細線の絶縁被覆を加熱して昇華させた時に発生するガスで加圧面が汚れても、清掃し易く研磨もし易い。

図１は本発明の一実施例である装置の全体構成図、図２はその各部の動作と信号等の流れを示す図、図３は半田付け動作の説明図、図４は半田付けの結果を従来方法と比較して示す図、図５は装置の全体の動作流れ図、図６はジョグ動作によるリリース位置（リリース量）の設定手順を示す図である。

図１、２において、符号１０はモータヘッドであり、ベース１２に対して上下に位置決め可能である。すなわちモータヘッド１０は、ベース１２から起立する駆動部１４に保持されて上下動する加圧部１６を備える。駆動部１４はサーボモータ（図示せず）によって加圧部１６を昇降させる。加圧部１６は、ベース１２に水平に固定されたワーク保持台１８に向かって垂直に対向するヒータチップ（加熱体）２０を持つ。

このヒータチップ２０は図３に示すように下端から上方に向かって二股状に分岐し、その下端を水平な平面からなる加圧面２２とし、左右の分岐部２４、２６が正負の電極（図示せず）に接続される。これら分岐部２４、２６には後記溶接トランス３０からパルス電流が供給され、ヒータチップ２０が発熱する。このヒータチップ２０は全体が電気抵抗が大きく、また少なくとも加圧面２２が半田濡れ性が悪い材料で作られる。

図１で２８は電源ユニット、３０は溶接トランス、３２はコントローラである。電源ユニット２８はコントローラ３２の指令に基づいてパルス幅または振幅を制御したパルス電流を溶接トランス３０に送り、この溶接トランス３０で変圧（降圧）してパルス電流をヒータチップ２０に送る。

コントローラ３２は、モータヘッド１６で検出した加圧力Ｐと電源ユニット２８が送出する信号を読込んでモータヘッド１０をコントロールする。この結果半田付けを行う時には電源ユニット２８がヒータチップ２０に加熱電流を供給する一方、モータヘッド１０がヒータチップ２０の昇降を制御する。

接続基板となるプリント配線板３４はワーク保持台１８に固定され、半田付けする接続部（配線パターンのパットなど）３６を図３に示すように、ヒータチップ２０の加圧面２２の真下に位置させる。なおこの接続部３６には半田が予め載せられている。この半田は半田めっき、半田クリーム等の公知の方法で供給される。

図３、４で３８は細線であり、ここには絶縁被覆材が除去されてその芯線のみが示されている。芯線は半田付け前は断面円形である。この細線３８は接続部３６とヒータチップ２０の加圧面２２との間に適宜の方法で保持される。この状態からリフロー半田付け動作に入る。

図５に基づいて全体の動作を説明する。まずコントローラ３２はモータヘッド１０に下降指令を送出する（図２の動作(1)参照）。モータヘッド１０はこの指令に基づいて加圧部１６を下降させる（図５のステップＳ１００）。モータヘッド１０はヒータチップ２０の加圧圧力（加圧力）Ｐを圧力センサ４０（図２）によって常時監視し（動作(2)）、コントローラ３２はこの圧力が適正圧Ｐ₀になると（ステップＳ１０２）、通電開始指令を電源ユニット２８に送る（動作(3)）。電源ユニット２８はパルス電流をヒータチップ２０に送り加熱する（ステップＳ１０４、動作(4)）。

図３の（Ａ）はこの加熱により半田４２が溶融し、かつ細線３８が加圧によって偏平に（板状）に押し潰された状態を示す。加熱温度Ｔはヒータチップ２０に固着した熱電対からなる温度センサ４４（図２）で監視され（動作(5)）、電源ユニット２８はこの温度Ｔが設定温度Ｔ₁になると（ステップＳ１０６）、予め設定した加熱時間ｔ₀の経過を待って（ステップＳ１０８）、加熱を停止する（ステップＳ１１０）と共に、通電終了指令をコントローラ３２に送る（動作(6)）。

コントローラ３２は、電源ユニット２８からこの通電終了指令を受け取ると、リリース指令をモータヘッド１０に送る（動作(7)）。モータヘッド１０はこのリリース指令に基づいて加圧部１６を僅かに上昇させてその位置に暫時保持する（ステップＳ１１２）。電源ユニット２８はその間もヒータチップ２０の温度Ｔを監視し続け（動作(8)）、この温度Ｔが半田の凝固温度好ましくは半凝固温度Ｔ₂に降下すると（ステップＳ１１４）、コントローラ３２に凝固温度到達信号を送る（動作(9)）。コントローラ３２はこの信号に基づいてリリース終了と判断して加圧部１６を待機位置まで上昇させ、次の動作に備える（ステップＳ１１６，動作(10)）。

図３の（Ｂ）はヒータチップ２０をリリース位置にした時の様子を示している。図３の（Ａ）の状態からヒータチップ２０を僅かに上昇させると、溶融した半田４２は潰された細線３８の回りに回り込み細線３８は溶融した半田４２の中に浮かぶ状態になる。またヒータチップ２０の加圧面２２は半田濡れ性が悪い材料でできているので、溶融した半田４２は加圧面２２からはじかれて分離し、細線３８を包み込む。

この図３の（Ｂ）でαはヒータチップ２０を僅かに上昇させる寸法、すなわちリリース量であり、このリリース量αは供給された半田の量や細線３８の径や硬さなどによって最適な量に設定する必要がある。この実施例では図６に示すジョグ動作によってこのリリース量を設定する。

このジョグ動作では、まずヒータチップ２０を下降させ図５のステップＳ１００〜１０８の動作を終わって加圧位置（図３の（Ａ）の位置）にしたものとする。この状態から操作者はコントローラ３２のジョグスイッチ４６（図１）を上向きに操作する（上押し、ステップＳ１２０）。すると加圧部１６は一定速度で上昇する（ステップＳ１２２）。ジョグスイッチ４６の上押し中は加圧部１６は上昇し続け、ジョグスイッチ４６から指を離すと停止する。

操作者はヒータチップ２０の加圧面２２が溶融半田４２から分離する直前または直後の適切な位置に来ると（ステップＳ１２４）、ジョグスイッチ４６から指を離し、登録スイッチ４８（図１）を押すことによってその位置を記憶させることにより設定する（ステップ１２６）。また途中でヒータチップ２０の位置が高すぎた時には、ジョグスイッチ４６を下向きに押せば（下押し、ステップＳ１２８）、ヒータチップ２０は下降する（ステップ１３０）。このようにジョグスイッチ４６を上向き、下向きに押すことによって適切なリリース量（リリース位置）を求め設定することができる。

図４は従来方法による半田付け（Ａ１、Ａ２）と本発明による半田付け（Ｂ１、Ｂ２）とを比較して示す図である。なお同図のＡ２、Ｂ２はそれぞれＡ１、Ｂ１のII−II線断面図である。従来方法によればヒータチップを細線に加圧したまま溶融半田を凝固させるので、図４のＡ１、Ａ２のように細線３８は接続部３６に密着してこの間に半田４２は入らない。また細線３８の上面にはヒータチップが密着していたので半田が回っていない。このためＡ２から明らかなように、細線３８と接続部３６との密着面には接着力が発生していない。このため細線３８の側面３８Ａ（Ａ１参照）および先端面３８Ｂ（Ａ２参照）だけで固定されることになり、固着力が弱くなる。

これに対し本発明の方法によれば、図４のＢ１、Ｂ２のように、細線３８の回り全周に亘って半田４２が回っている。このため細線３８はその全周が半田４２によって接続部３６に固定されることになり、固着力が大きくなる。

本発明の一実施例である装置の全体構成図 その各部の動作と信号の流れを示す図 半田付け動作説明図 半田付け結果を従来方法と比較して示す図 動作流れ図 ジョグ動作の流れ図

符号の説明

１０ モータヘッド
１６ 加圧部
２０ ヒータチップ
２８ 電源ユニット
３０ 溶接トランス
３２ コントローラ
３４ プリント基板（接続基板）
３６ 接続部
３８ 細線
４０ 圧力センサ
４２ 半田
４４ 温度センサ
４６ ジョグスイッチ
４８ 登録スイッチ

Claims (7)

1. 接続基板上の半田を載せた接続部に、細線を重ねヒータチップにより押圧しかつ加熱してリフロー半田付けするリフロー半田付け方法であって、
   前記ヒータチップで細線を押圧しつつ加熱し半田を溶融させた後、加熱を停止すると共に前記ヒータチップを僅かに上昇させたリリース位置に停止させて半田を凝固させることを特徴とするリフロー半田付け方法。
2. ヒータチップはパルス電流により加熱され、このヒータチップに取付けた温度センサの出力に基づいて加熱温度を制御する請求項１のリフロー半田付け方法。
3. ヒータチップを僅かに上昇させる距離は、細線と接続部との間および細線とヒータチップとの間の少なくとも一方に溶融半田が流入可能な距離である請求項１または２のリフロー半田付け方法。
4. ヒータチップは細線から僅かに上昇させた位置で半田の半凝固温度まで保持した後待機位置へ復帰させる請求項１〜３のいずれかのリフロー半田付け方法。
5. 請求項１の方法を実施するためのリフロー半田付け装置であって、
   ヒータチップを上下動させるモータヘッドと、
   ヒータチップにパルス電流を供給して加熱する電源ユニットと、
   ヒータチップの加圧力を検出する圧力センサと、
   ヒータチップの加熱温度を検出する温度センサと、
   前記圧力センサおよび温度センサの出力に基づいて前記モータヘッドおよび電源ユニットを制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、ヒータチップを下降させて細線を所定圧で加圧させつつ発熱させて半田を溶融させると共に、ヒータチップを僅かに上昇させてそのリリース位置に保持し半田を凝固させてから待機位置に復帰させる、ことを特徴とするリフロー半田付け装置。
6. コントローラは、ヒータチップを昇降させるジョグスイッチと、このジョグスイッチで設定したリリース位置を登録する登録スイッチとを備える請求項５のリフロー半田付け装置。
7. ヒータチップの加圧面は平面である請求項５または６のリフロー半田付け装置。

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