JP2007036110A - はんだ付け装置およびはんだ付けされた装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 はんだ付け装置10には、長手方向の長さLが基板の長さより長く形成された誘導コイル11を備える。誘導コイル11内側の空間は基板を配置するのに十分な大きさを有している。基板を、誘導コイルの内部であり巻き線に平行な平面内で誘導コイル11の略中央に配置した状態で誘導コイルに交流磁場を発生させる。誘導コイル11の内部では磁束が平行に略均一に基板を通過するので、基板上のはんだ材を均一に加熱溶融させることができる。はんだ材を均一に加熱溶融することができるので、基板上の各所に配置された回路部品を基板に均一にはんだ付けすることができる。
【選択図】 図1
Description
特許文献1に、誘導加熱を利用するはんだ付け装置が開示されている。このはんだ付け装置では、回路部品とクリームはんだを載置している鉄系配線基板の下側に平面状の誘導コイルを配置する。この誘導コイルに交流電流を通電することによって鉄系回路基板を加熱する。加熱された鉄系回路基板によってクリームはんだが溶融し、回路部品が基板にはんだ付けされる。
特許文献2に、はんだ材を載置している半導体基板の上部に平面状の誘導コイルを配置し、誘導コイルが発生する交流磁場により半導体基板上のはんだ材を加熱溶融させる技術が開示されている。
はんだ材を加熱溶融して回路部品を基板にはんだ付けするためには、適切な温度管理が必要である。高温になりすぎるとはんだ材の熱がはんだ材に接している回路部品に多く伝熱し、回路部品の性能が低下してしまう可能性がある。低温すぎるとはんだが溶融せず、回路部品を基板に固着させることができない。基板上に分布して配置されているはんだ材を適正に加熱することが重要である。
ところで誘導コイルが発生する磁束は、誘導コイルのN極側から出てS極側へと収束する。誘導コイルのN極側から出た磁束は、誘導コイルの外側では周囲へ広がるように分布し、S極側へと収束する。従って、誘導コイルの外側では、磁束密度の分布が一様でない。
特許文献1の技術では、基板の下側に誘導コイルを配置する。特許文献2の技術では、基板の上方に誘導コイルを配置する。いずれの技術によっても、誘導コイルの外側に広がる磁束を利用して加熱する。特許文献1や特許文献2の技術のように、誘導コイルの外側にはんだ材を配置する構成では、基板あるいははんだ材に対して均一な磁束密度を与えることができない。基板あるいははんだ材を通る磁束密度の分布が不均一であると、交流磁場を加えた際の誘導加熱現象も意図せずに不均一性が生じる。はんだ材を通る磁束密度が高い場所では磁束密度が低い場所よりも、はんだ材が高温に加熱されてしまう。基板上に分布しているはんだ材を均一に加熱することができない。その結果、基板に配置されている回路部品を均一にはんだ付けすることができなくなる。
基板上に分布して配置されているはんだ材を適正な温度に加熱し、基板上に分布している回路部品を均一にはんだ付けすることができる技術が必要とされている。
本発明のはんだ付け装置は、内側に貫通空間を有する誘導コイルと、基板を貫通空間の横断面の中心近傍に位置させる基板支持部を備えている。誘導コイルの貫通空間は基板よりも長く、その貫通空間の横断面は基板よりも大きく形成されていることを特徴とする。
内側に貫通空間を形成する誘導コイルは単一の誘導コイルでなくともよい。複数の誘導コイルを長手方向に隣接させて配置してもよい。
誘導コイルの長手方向に巻き線の間隔が粗である部分と密である部分を備えることによって、意図的に誘導コイル内部の磁束密度を長手方向に変化させることができる。巻き線の間隔が粗の部分では磁束密度を低くすることができ、巻き線の間隔が密の部分では磁束密度を高くすることができる。
同様に誘導コイルの長手方向において、貫通空間の横断面の面積が変化していてもよい。これによっても、意図的に誘導コイル内部の磁束密度を長手方向に変化させることができる。貫通空間の横断面の面積の大きな部分では磁束密度を低くすることができ、貫通空間の横断面の面積の小さな部分では磁束密度を高くすることができる。
上記の技術を活用すると、溶融適正温度が高いはんだ材が配置されている基板部分では磁束密度が高くなるようにするとともに、溶融適正温度が低いはんだ材が配置されている基板部分では磁束密度が低くなるようにできる。溶融適正温度の異なるはんだ材を均一に加熱溶融させることができる。よって溶融適正温度の異なるはんだ材が用いられている基板であっても回路部品を均一にはんだ付けできる。
誘導コイルの外で回路部品とはんだ材を配置した基板を基板支持部に取り付けることができる。その状態で基板を貫通空間の横断面の中心近傍まで搬送することができる。
ここで「漸減」とは基板の搬送方向に誘導コイルの内側面積が段階的に減少するように構成されている場合を含む。
上記構成によれば、横断面積の大きい場所に基板が搬送された状態では低い磁束密度が基板に流れる。基板を所定温度まで加熱することができる。その後、搬送を進めて横断面積のより小さい場所まで基板を進めた状態にすると、横断面積が大きい位置よりも高い磁束密度が基板に流れる。基板をより高温に加熱することができる。これを順次繰り返すことで基板を徐々に加熱することができる。その際に加熱の度合いは誘導コイル横断面積の大きさで設定される。基板を徐々に加熱するのに誘導コイルに流す電流を制御する必要がなくなる。なお、横断面積が異なる誘導コイルの夫々の位置で基板の搬送を一時停止してから誘導コイルに交流磁場を発生させることも好ましい。
ここで「サセプタ」とは好ましくは磁性材料で形成されおり、交流磁場に曝されると電流が流れて発熱する部材をいう。
はんだ材の種類によっては溶融させるための適正温度まで昇温させる時間(昇温時間)の適正値(昇温適正時間)も異なる場合がある。昇温適正時間の長いはんだ材が配置されている場所ではサセプタの厚さを厚くする。サセプタは、通過する磁束密度が同じであっても断面積の大きい部分は断面積の小さい部分よりも昇温に要する時間が長くなる。はんだ材の昇温適正時間に合わせてサセプタの厚さを調整することによって、夫々のはんだ材に適した昇温適正時間を実現することができる。異なるはんだ材が用いられている基板であっても回路部品を均一にはんだ付けすることができる。
基板上の回路部品の配置によっては、回路部品が密集している場所とそうでない場所、極端には回路部品が配置されていない場所が存在する場合がある。回路部品の配置に応じてはんだ材も偏在することになる。はんだ材が配置されていない場所は基板を加熱しないほうがよい。加熱箇所を少なくできれば、基板全体の温度上昇を抑えることができる。そのような場合には、加熱する必要のない場所にはサセプタが基板に接触しないようにサセプタの形状を形成する。即ちサセプタの基板に取り付ける面の面積を基板の面積よりも小さく形成する。これによって不要な場所まで基板を加熱することを防止することができる。
本方法によって、回路部品が均一に基板にはんだ付けされた装置を製造することが可能となる。
誘導コイル内での誘導加熱現象によりサセプタを均一に加熱し、その熱量ではんだを溶融させることができる。はんだを誘導加熱作用により直接加熱するよりも少ない電力で回路部品が基板に均一にはんだ付けされた装置を製造することができる。
本発明によれば、回路部品が基板に均一にはんだ付けされた装置を製造することができる。
(第1形態) はんだ材には磁性材が含まれていることが好ましい。はんだ材に磁性材が含まれていれば交流磁場によりはんだ材を加熱することができる。
(第2形態) サセプタは非磁性体の枠型に磁性材を含む部材を埋め込んで形成されたものであることが好ましい。基板の加熱したい部分に合わせて磁性材を含む部材を配置することができる。その一方で磁性材を含む部材を配置していない部分では基板を加熱しないようにすることができる。
図1に本発明に係る一実施例のはんだ付け装置を示す。はんだ付け装置10は、回路部品とはんだ材を載置した基板(回路部品とはんだ材を含めた基板全体をワーク20と称する。図1では回路部品、はんだ材、基板の夫々は図示を省略してある。)を搬送するコンベア14(基板支持部に相当する)と、コンベア14の途中を囲む誘導コイル11と、基板の温度を計測する温度計測器16と、これらを制御するコントローラ18を備える。誘導コイル11は巻き線12によって形成されている。なお図1では理解しやすいように巻き線12は太く描いてある。実際には誘導コイル11は図1よりも細い線で多数回巻いて形成されている。
図1に示すように誘導コイル11の長さLは、ワーク20の長さよりも長く形成されている。また誘導コイル11内側の貫通空間はワーク20を配置するのに十分な大きさに形成されている。
コンベア14は誘導コイル11の内側を貫通するように配置されている。コンベア14によってワーク20が誘導コイル11の貫通空間の内部へ搬送されるとコントローラ18は誘導コイル11に交流電流を通電する。誘導コイル11には通電された交流電流によって交流磁場が発生する。この交流磁場の誘導加熱作用によってワーク20上のはんだ材が加熱溶融される。はんだ材が加熱溶融するとコントローラ18は交流電流の通電を停止する。加熱溶融したはんだ材は温度が下がってワーク20上の回路部品と基板とを固着する。即ちはんだ付けされる。温度計測器16はワーク20が過度に加熱しないようにその温度を監視する。
回路部品28a、28b、28cは、その回路構成によって基板の様々な位置に配置される。回路部品の配置に応じて回路部品28a、28b、28cを基板26にはんだ付けするためのはんだ材30も基板の様々な位置に配置される。
図3の上方に位置する誘導コイル11の巻き線12には紙面裏側から紙面表側へ電流が流れている。また図3の下方に位置する誘導コイル11の巻き線12には紙面表側から紙面裏側へ電流が流れている。図3の上方に位置する誘導コイル11の巻き線12全体を囲むようにして左回りの向きに磁束100aが発生する。図3の下方に位置する誘導コイル11の巻き線12全体を囲むようにして右回りの向きに磁束100bが発生する。誘導コイル11の内部(貫通空間)では磁束は左から右へと向う方向となる。誘導コイル11の全長Lはワーク20の長さWより十分長いので、ワーク20には磁束が平行に通過する。交流磁場によって誘導コイル11が発生する磁束密度が変化するとワーク20には電磁誘導作用によって渦電流が発生する。その向きは磁束密度の増減を打ち消すように磁束を発生させる向きとなる。例えば誘導コイル11が発生する磁束100a、100bが減少する場合には、図3に示すようにワーク20内には渦電流102が発生する。この場合、渦電流102によってワーク20内には磁束104aおよび104bが発生する。この磁束104a、104bのワーク20内での向きは、誘導コイル11が発生する磁束100a、100bと同じ向きとなる。
なお上記説明は2次元に限定して説明したが3次元に拡張しても同様の説明ができる。
また、基板上の回路部品の配置によっては回路部品が密集している場所とそうでない場所が存在する場合がある。回路部品の配置に応じてはんだ材も基板上に偏在することになる。はんだ材が密集している場所では全てのはんだ材を溶融させるためにより多くの熱量が必要となる。はんだ材が密集していない場所でははんだ材の量に応じて与える熱量を調整しなければならない。
例えばワーク20の端部付近でははんだ材が密に配置され、ワーク20の中央付近でははんだ材が粗に配置されたケースを例とする。この場合には誘導コイル11bの巻き線12bを図4に示すように配置する。即ち、はんだ材が粗に配置されたワーク20の中央付近における巻き線12bの紙面上側と下側との距離e1を、はんだ材が密に配置されたワーク20の端部付近における巻き線12bの紙面上側と下側との距離e2よりも長くなるように巻き線12bを巻く。このように巻き線12bを巻くと、巻き線12bの紙面上側と下側との距離の長い部分(図4にe1で示す部分)では磁束密度は低くなり、巻き線12bの紙面上側と下側との距離の短い部分(図4にe2で示す部分)では磁束密度は高くなる。これにより誘導コイル11bが発生する交流磁場の強さもe1の部分で弱く、e2の部分で強くすることができる。従って交流磁場の変化によって生じるワーク20内の渦電流の強さもe1の部分で弱く、e2の部分で強くすることができる。はんだ材の密集したワーク20の端部付近ではより強く加熱でき、はんだ材の密集していないワーク20の中央付近では弱めに加熱することができる。ワーク20上のはんだ材の配置の粗密に合わせてワーク20に加える熱量の分布を調整することができる。
上記構成は、溶融適正温度が異なるはんだ材がひとつの基板に用いられた場合にも適用できる。
以上の説明は2次元に限定したが、3次元の場合は、図4に示した巻き線12bの紙面上側と下側との距離の大きい部分e1は、誘導コイル11bの長手方向で巻き線12bに平行な平面内における誘導コイル11bの内側面積を大きくすることに相当する。また図4に示した巻き線12bの紙面上側と下側との距離の短い部分e2は、誘導コイル11bの長手方向で巻き線12bに平行な平面内における誘導コイル11bの内側面積を小さくすることに相当する。換言すれば、誘導コイル11bは、その長手方向において、貫通空間の横断面の面積が変化するように形成することに相当する。
ワーク20はコンベヤ14によって図5のxで示す方向、即ち紙面左から右へと搬送される。誘導コイル11は11g、11h、11j、11kの4つの部分に分けることができる。誘導コイル11gの部分では上側の巻き線と下側の巻き線との距離はgである。同様に誘導コイル11hの部分では上下の巻き線の間の距離はhである。誘導コイル11jの部分ではその距離はjであり、誘導コイル11kの部分ではその距離はkである。夫々の巻き線の上下間の距離はg>h>j>kという関係になっている。即ちワーク20の進行方向に対して巻き線の上下間の距離が漸減するようになっている。巻き線の上下間の距離が小さいほど、その間を通る磁束密度は大きくなる。従ってワーク20が誘導コイル11gの部分にある状態で交流磁場を発生させる場合よりワーク20が誘導コイル11hの部分にある状態で交流磁場を発生させた場合の方がワーク20上のはんだ材をより高温に加熱できる。同様にワーク20が誘導コイル11jの位置にある状態で交流磁場を発生させればはんだ材をより高温に加熱できる。さらにワーク20が誘導コイル11kの位置にある状態で交流磁場を発生させれば一層はんだ材を高温に加熱できる。このとき各誘導コイル11g、11h、11j、11kには同じ大きさの電流を流せばよい。即ち上記構成によれば、電流の大きさを制御せずともワーク20上のはんだ材を徐々に加熱することが可能となる。上記は2次元で説明したが3次元の場合も同様の説明ができる。3次元の場合には、巻き線の上下間の距離の、g>h>j>kという関係は、巻き線に平行な平面における誘導コイル11の内側面積(即ち誘導コイル11の貫通空間の横断面の面積)がワーク20の搬送方向に対して漸減するように構成することに等しくなる。なお、内側面積の異なる夫々の誘導コイル11g、11h、11j、11kの位置においてワーク20を一時停止させてからワーク20に交流電流を発生させる。その位置での加熱が終了してからコンベア14によって次の誘導コイルの位置へワーク20を移動させる。
図6はサセプタを取り付けたワーク20を用いた場合の図1のIII−III線に対応する断面図である。サセプタ50は、図2に示した基板26の下面に取り付けられる。換言すれば、サセプタ50は基板26の回路部品が配置されていない側の面に取り付けられる。そしてサセプタ50がパレット22に載置されてワーク20全体がコンベア14の上に配置される。この状態で誘導コイル11に交流電流を通電すると図3の説明と同様にしてサセプタ50は均一に加熱される。均一に加熱されたサセプタ50から基板26へ均等に熱が伝わる。基板26が均一に加熱されるので、基板26上にはんだ材30が様々な位置に配置されていても、夫々のはんだ材30も均一に加熱される。その結果、基板26上のはんだ材30を均一に溶融させることができる。回路部品28a、28b、28cを基板26上に均一にはんだ付けすることができる。
なおサセプタ50は、はんだ付けが終了した時点で基板26から取り外してもよいし、はんだ材30が溶融した時点で基板26から取り外してもよい。はんだ材30が溶融した後もサセプタ50を基板26に取り付けたままにしておけば高温のサセプタ50によりはんだ材30の温度を徐々に低下させることができる。その一方ではんだ材30が溶融した時点で高温のサセプタ50を取り外せばはんだ材を素早く冷却することができる。いずれの方がよいかははんだ材30を適正に固着する際の適正な冷却時間による。
図7に、基板26の中央部をゆっくり昇温することのできるサセプタ50aの形状を示す。図7(A)はサセプタ50aの平面図であり図7(B)はサセプタ50aの側面図である。このサセプタ50aは、図7(B)に示す側面図の上側が基板に取り付けられる面となる。このサセプタ50aは基板の中央部に対応するサセプタ50aの中央部の厚さt2がサセプタ50aの端部の厚さt1より厚く形成されている。即ちサセプタ50aが基板に取り付けられた状態では基板の中央付近ではサセプタ50aの厚さはt2となり基板の端部付近ではサセプタ50aの厚さはt1となる。
サセプタ50aの中央の厚さt2の部分ではサセプタ自身の容量が大きいために厚さt1の端部付近よりもゆっくりと昇温することになる。従って図7の形状のサセプタ50aを基板に取り付けて誘導加熱することで、昇温適正時間の長いはんだ材が配置されている基板の中央部を基板の端部付近よりもゆっくり昇温することができる。夫々のはんだ材の昇温適正時間に合わせて各はんだ材を加熱溶融させることができる。サセプタ50aによって、昇温適正時間の異なるはんだ材が用いられていても回路部品を均一にはんだ付けすることが可能となる。
さらに各サセプタ小片52を異なる厚さにすることも好ましい。また各サセプタ小片52を異なる磁性材を成分とする部材で形成することも好ましい。サセプタ小片52を異なる厚さにすることで、サセプタ小片52ごとに昇温時間を調整することができる。またサセプタ小片52に含まれる磁性材の種類によって、昇温時間の他に同じ交流磁場により到達する温度を異ならせることができる。基板に使用されるはんだ材の種類に応じてサセプタ小片52の厚さや磁性材成分を異ならせることで、はんだ材の種類によらずひとつの基板上のはんだ材を均一に加熱溶融させることができる。即ち、はんだ材の種類によらずひとつの基板上の回路部品を均一にはんだ付けすることができる。
図10に示すサセプタ50dは、サセプタ板54の両面に例えばメッキなどの他種の金属板62を貼着してある。逆に図11に示すサセプタ50eは、他種の金属版62の両面にサセプタ板54を貼着してある。このように異なる種類の金属を貼り合わせることによって、サセプタ50d、50eを均一に加熱することができる。
サセプタの例としてはその他にも基板の形状や基板上のはんだ材の配置に合わせて分割したサセプタを基板に取り付けることも好適である。
次に回路部品が基板にはんだ付けされた装置を製造する方法について説明する。本実施例では回路基板そのものをある機能を有した装置であるとする。
この製造工程ではまず、図1および図2に示したように、回路部品28a、28b、28cとはんだ材30を載置した基板26を、誘導コイル11の内側の貫通空間の横断面の中心近傍に配置する。その後コントローラ18により誘導コイル11に交流電流を通電することによって、誘導コイル11に交流磁場を発生させる。交流磁場により基板26上のはんだ材30が誘導加熱により加熱されて溶融する。はんだ材30が溶融した時点で誘導コイル11への電流の通電を停止する。その後基板26を冷却する。なお、基板26を常温に放置して冷却してもよい。冷却されてはんだ材30が再固化すると、基板26上に回路部品28a、28b、28cがはんだ付けされる。こうして基板に回路部品が均一にはんだ付けされた装置を製造することができる。
なお、図6に示したように、誘導コイル11に交流磁場を発生させる前に基板26にサセプタ50を取り付ける工程を加えることも好適である。また回路基板を製造する際に、図4や図5に示した形状の誘導コイル11を用いてもよい。さらにサセプタを用いる場合には、図7から図9に示した形状のサセプタを用いてもよい。
誘導コイル11が発生する交流磁場によりはんだ材が加熱溶融した後は、はんだが再固化してからサセプタ50を基板26から取り外してもよい。またはんだ材30が溶融した時点でサセプタ50を基板26から取り外してもよい。はんだ材30が溶融した後もサセプタ50を基板26に取り付けたままにしておけば高温のサセプタ50によりはんだ材30の温度を徐々に低下させることができる。その一方ではんだ材30が溶融した時点で高温のサセプタ50を取り外せばはんだ材を素早く冷却することができる。いずれの方がよいかははんだ材30を適正に固着する際の適正な冷却時間による。
また実施例では図2に示すように誘導コイル11の巻き線12に平行な平面での断面形状は略矩形としてある。その他にも誘導コイル11の断面形状を楕円形としてもよい。
また実施例では、基板を貫通空間の横断面の中心近傍に位置させる基板支持部としてコンベアを例としたが、基板支持部は誘導コイルの貫通空間内に配置された台であってもよい。その台は、台の上に基板を載置したときに基板が貫通空間の横断面の中心近傍に位置するように配置する。
また実施例では、コンベアを誘導コイルの外部から貫通空間の横断面の中心近傍を通過するように基板を搬送可能である基板支持部の例としたが、基板支持部としては、基板を上から吊り下げるように支持して搬送可能な装置であってもよい。その場合にも基板支持部は吊り下げた基板が貫通空間の横断面の中心近傍に位置されるように構成する。
11、11g、11h、11j、11k:誘導コイル
12、12b:巻き線
14:コンベア(基板支持部)
16:温度計測器
18:コントローラ
22:パレット
26:基板
28a、28b、28c:回路部品
30:はんだ材
50、50a、50b、50c、50d、50e:サセプタ
52:サセプタ小片
54:サセプタ板
60:サセプタ枠
62:金属板
Claims (10)
- 誘導加熱現象を利用し、回路部品の近傍に配置されているはんだ材を溶融して回路部品を基板にはんだ付けする装置であり、
内側に貫通空間を有する誘導コイルと、
基板を貫通空間の横断面の中心近傍に位置させる基板支持部を備えており、
その貫通空間は基板よりも長く、その貫通空間の横断面は基板よりも大きく形成されていることを特徴とするはんだ付け装置。 - 誘導コイルは、その長手方向において、巻き線の間隔が変化していることを特徴とする請求項1に記載のはんだ付け装置。
- 誘導コイルは、その長手方向において、貫通空間の横断面の面積が変化していることを特徴とする請求項1に記載のはんだ付け装置。
- 前記基板支持部は、誘導コイルの外部から貫通空間の横断面の中心近傍を通過するように基板を搬送可能であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のはんだ付け装置。
- 貫通空間は、搬送方向の上流から下流に向けて、貫通空間の横断面の面積が漸減するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載のはんだ付け装置。
- 交流磁場に曝されると発熱するサセプタをさらに備えており、
そのサセプタを取り付けた基板を貫通空間の横断面の中心近傍に位置させることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のはんだ付け装置。 - サセプタは、基板に取り付ける面に垂直な方向の厚さが、前記面内で変化していることを特徴とする請求項6に記載のはんだ付け装置。
- サセプタは、サセプタを取り付ける基板の面積より小さい面積であることを特徴とする請求項6又は7に記載のはんだ付け装置。
- 回路部品が基板にはんだ付けされた装置を製造する方法であり、
誘導コイルの内側の貫通空間の横断面の中心近傍に、回路部品とはんだ材と基板を配置する工程と、
誘導コイルに交流電流を通電する工程と、
を含むことを特徴とする、はんだ付けされた装置の製造方法。 - 誘導コイルの内側に配置する工程に先立って、基板にサセプタを取り付ける工程を実施することを特徴とする請求項9に記載のはんだ付けされた装置の製造方法。
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