JP2007173522A - リフローハンダ付け方法および装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半田がリフローした時にヒータチップがワークから溶融半田を押出して半田付け不良を発生させるおそれをなくし、異なるワークに対しても設定値(目標沈み込み量)を変えるだけで対応でき、ワークが変化する場合にも処理能率を上げられるようにする。
【解決手段】基台22に対して昇降可能かつ位置固定可能な昇降ヘッド26に、下向きに付勢されたヒータチップ30を上下動可能に保持し、このヒータチップ30をワーク52に押圧しつつ発熱させることによりリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、昇降ヘッド26に設けたストッパ38によりヒータチップ30の下限位置を機械的に規制し、ヒータチップ30がワーク52に当接した状態でその下限位置から目標沈み込み量aだけ高い位置となるように前記昇降ヘッド26を押し下げて固定し、リフロー時のヒータチップ30の下降量を前記目標沈み込み量aに制限する。
【選択図】図3

Description

この発明は、予めクリーム半田や半田めっきなど半田を供給したハンダ付け部にヒータチップを押圧し、ヒータチップを発熱させることによりリフロー半田付けするリフローハンダ付け方法と、この方法の実施に直接使用するリフローハンダ付け装置とに関係するものである。
ヒータチップ(ツール)をワーク(半田付け対象、以下半田付け部ともいう)に押し付けてヒータチップに電流を流し、瞬時に発熱させてリフロー半田付けする方法が公知である(瞬間加熱方式)。この場合、ヒータチップの温度(ヒータ温度)を熱電対により検出し、このヒータ温度と加熱時間とを所定の温度プロファイルに従って制御し、一定条件で通電を停止し、ヒータ温度が設定温度以下に冷えるのを待ってヒータチップを上昇させて半田付け工程を終了させるものである。
このような瞬間加熱式のリフロー半田付け装置では、半田のリフロー中(溶融中)にヒータチップがワークを過大な圧力で押圧し続けると、半田がワークとヒータチップとの間から外側へ押し出されてしまう。例えばワークが表面にクリーム半田あるいは半田めっきなどで半田を供給した電極とその上に乗せたリード線である場合に、ヒータチップをワークに(リード線に)過大な圧力が押し付けたままリフローすると、溶融半田がリード線と電極の間から押出されてリード線と電極が直接接触する状態になる。このため、特にリード線が板状である場合などに半田付け不良が発生するおそれがある。
特開平6−77636 特開平11−216560
特許文献1には、ヒータチップにワークの外周側で段状に突出する部分(外周側段端面46)を設け、この段状の突出部分を基板に当接させることによって、ワークを押圧する圧力が過大になるのを防ぐことが示されている。
特許文献2には、。昇降ヘッド(16)にロッド(58)を上下動可能に保持し、このロッドにヒータチップ(12)を固定する一方、このロッド(58)を下向きに付勢し、昇降ヘッド(16)を下降させることによってヒータチップ(12)をワーク(94,90)に押圧するものが示されている。すなわち昇降ヘッド(16)にロッド(58)の位置(ヒータチップの位置)を検出するマイクロスイッチ(88)および変位センサ(80)を設け、ヒータチップ(12)をワークに押し付けてロッド(58)がマイクロスイッチ(88)を作動させる位置まで昇降ヘッド(16)を押下げてから昇降ヘッドを固定し、この状態でヒータヘッドをばね力によってワークに押圧したまま半田をリフロー(溶融)させるものである。
特許文献1に示されたものは、ヒータチップに設けた段状の突部の高さが一定であるため、ワークが変わると段状突部の高さが異なる他のヒータチップに交換する必要が生じる。このためワークが変化する場合に半田付けの処理能率が悪くなるという問題がある。また同一品種であっても個々のワークの厚さにバラツキがある場合には接合状態にバラツキが生じ接合品質が低下する。
特許文献2に示されたものはヒータチップをワークに押圧した状態で半田をリフローさせるので、溶融半田がヒータチップの下から外側へ押出されてしまう。すなわち半田が溶融を開始すると瞬時に液状化し、最後までつぶれてしまうからである。このため前記した不都合を解消することができないという問題がある。
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、半田がリフローした時にヒータチップがワークから溶融半田を押出して半田付け不良を発生させるおそれがなく、また異なるワークに対しても設定値(目標沈み込み量)を変えるだけで対応でき、ワークが変化する場合にも処理能率を上げ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リフローハンダ付け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、基台に対して昇降可能かつ位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きに付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、このヒータチップをワークに押圧しつつ発熱させることによりリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、前記昇降ヘッドに設けたストッパにより前記ヒータチップの下限位置を機械的に規制し、ヒータチップがワークに当接した状態でその下限位置から目標沈み込み量だけ高い位置となるように前記昇降ヘッドを押し下げて固定し、リフロー時のヒータチップの下降量を前記目標沈み込み量に制限することを特徴とするリフローハンダ付け方法、により達成される。
また第2の目的は、基台に対して昇降可能かつ位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きに付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、このヒータチップをワークに押圧しつつ発熱させることによってリフローハンダ付けするリフローハンダ付け装置において、前記昇降ヘッドに設けられ前記ヒータチップの前記昇降ヘッドに対する昇降位置を検出する変位計と、リフロー時のヒータチップの目標沈み込み量を設定する設定値入力手段と、前記下限位置においた前記ヒータチップをワークに当接させてから前記昇降ヘッドを前記目標沈み込み量だけ下降させて固定し前記ヒータチップを発熱させるコントローラと、を備えることを特徴とするリフローハンダ付け装置、により達成される。
第1の発明によれば、ヒータチップを昇降ヘッドに対する下限位置に保持した状態で昇降ヘッドを下降させ、ヒータチップがワークに当接してから目標沈み込み量だけ昇降ヘッドを下降させて固定してから、ヒータチップを発熱させてリフローするので、ヒータチップは昇降ヘッドに対して目標沈み込み量だけ下降してストッパにより機械的に停止される。このため目標沈み込み量をワークや、ワークの半田の厚さなどに対応して適切に設定することにより、溶融半田がワークから押し出されて半田付け不良が発生するのを防ぐことができる。
また異なるワークに対しては目標沈み込み量をそれぞれのワークに対してそれぞれ適切に設定すればよいので、ワークが異なる場合にヒータチップを交換することなく簡単に対応でき、処理能率が向上する。また第2の発明によれば、第1の発明の実施に直接使用する装置が得られる。
昇降ヘッドに対するヒータチップの上下変位量は、昇降ヘッドの設けた変位計で検出することができる。この変位計の出力はヒータチップがワークに当接すると変化し始めるから、逆にこの出力が変化し始めることからヒータチップがワークに当接したことを判定できる。そしてこの出力が目標沈み込み量に対応する出力となった時点で昇降ヘッドを固定すればよい(請求項2)。
ヒータチップがワークに当接したことは変位計の出力が変化を開始したことから検出することができる。例えばヒータチップの下限位置で変位計をリセットし、この変位計の出力が予め設定したタッチダウン沈み込み量xになったことからヒータチップがワークに当接したと判定する。そしてその後変位計の出力が目標沈み込み量aとなるまで昇降ヘッドを下降させて固定し、ヒータチップを発熱させればよい(請求項3)。
ヒータチップがワークに当接するまで(変位計出力がxになるまで)は昇降ヘッドの位置制御は厳密に行う必要性が小さいが、その後に目標沈み込み量aに固定する間は厳密な位置制御が必要である。このためこの後半(変位計出力がxからaになるまで)の位置制御は変位計の出力をフィードバック(負帰還)させて行う必要が生じ、昇降ヘッドの下降速度は著しく遅くなる。そこでタッチダウン沈み込み量xをできるだけ大きくすれば、後半の位置制御(xからaになるまで)の距離(a−x)が短くなり、位置決め制御時間を短くすることができる。例えばxはaの約80%以下の範囲内で任意に設定可能とするのがよい(請求項4)。なおxはaの50%〜90%としても十分な効果が得られる。
なおxをあまりaに近い量にすると、ヒータチップがワークに当接した時の昇降ヘッドの上下振動が目標沈み込み量aの位置決めまでに消えずに残ることがあり、正確な位置決めに悪影響を及ぼすことがある。従ってxはaの80%以下に設定するのがよい。
目標沈み込み量はワークの半田の厚さ、例えば表面に半田を盛った電極の上にリード線を半田付けする場合には電極表面の半田の厚さ、よりも小さく設定するのがよい(請求項5)。このようにすれば電極とリード線の間あるいはリード線とヒータヘッドとの間に半田が確実に入ることになり、本発明の効果が確実に得られる。しかしこの発明は、ワークに弾力性がある場合などにこの弾力性とバランスしてヒータチップが適切な圧力で押圧するように、目標沈み込み量を半田の厚さと略同一あるいは半田の厚さより大としてもよい。
請求項1の発明の方法を実施するためには、例えば、a)リフロー時のヒータチップの沈み込み量を設定する工程、b)昇降ヘッドを下降させてヒータチップを当接させる工程、c)昇降ヘッドをさらに押し下げてヒータチップをその下限位置から前記沈み込み量上昇した位置に固定する工程、d)ヒータチップを発熱させて半田をリフローし、ヒータチップをその下限位置まで下降させる工程、e)半田が凝固するのを待って昇降ヘッドを上昇させる行程、以上の各工程を有するリフローハンダ付け方法、を用いることができる(請求項6)。
ヒータチップは、リフロー中にヒータチップの下降量が目標沈み込み量に到達した時点でその加熱を停止するのがよい(請求項7)。ヒータチップの加熱時間は予め設定しておいてもよい。しかし前記のようにヒータチップの下降量が目標沈み込み量に到達した時点でヒータチップの加熱を停止すれば、ワークに対する熱の影響を減らすことができる。
ヒータチップは目標沈み込み量に到達する直前の所定沈み込み量でその加熱を停止し、その後は予熱によって加熱するようにしてもよく、この場合はワークに対する熱的影響を一層減らすことができる。このようにヒータチップの加熱停止をタイマによる時間による設定に代えて、ヒータチップの下降量により設定する場合は、このような時点で加熱を停止してもハンダ付け状態に問題が生じないワークであることが必要なことは勿論である。
請求項8に記載された発明において、変位計は差動トランス(作動変圧器)で成形することができる。またヒータチップが固定されたロッドを昇降ヘッドに上下動自在に保持し、このロッドをばねによって下向きに付勢すると共にこの付勢力をばね力調節手段によって可変とし、さらに昇降ヘッドに係合してヒータチップの下限位置を設定するストッパとなる下限位置設定部材をこのロッドに固定するように構成することができる(請求項9)。この場合は、ヒータチップがワークを押圧する圧力をばね力調節手段によって調節するので、異なるワークに対して最適な押圧力を設定することができる。
コントローラは変位計の出力に基づいて、ヒータチップの加熱によりヒータチップが目標沈み込み量だけ下降したことを検出してヒータチップの加熱を停止するものとしてもよい(請求項10)。コントローラはヒータチップの加熱時間を設定しておいて、この設定時間に到達した時点で加熱を停止するものであってもよい。
図1はこの発明の一実施例を示す外観図、図2は、その制御系統を示すブロック図である。図3〜6は昇降ヘッドの動作説明図であり、図3は動作前、図4は昇降ヘッドを下降させてヒータチップがワークに接触した状態、図5は昇降ヘッドをさらに目標沈み込み量aだけ下降させて固定した状態、図6はヒータチップを発熱させヒータチップをストッパによる限定位置に下降させた状態をそれぞれ示す。図7は動作の流れ図、図8は半田付け部の拡大断面図である。図8(A)はリフロー前を、(B)はこの発明によるリフロー中を、(C)は参考図であって従来方法による場合のリフロー中を示している。
図1,2において符号10はコントローラ、12は電源、14は溶接機である。コントローラ10は、電源スイッチ16、表示パネル20を持つ。この表示パネル20は表面に透明なタッチセンサ(図示せず)からなる入力手段が設けられ、この入力手段から後記目標沈み込み量aを含む種々の設定値が設定される。
溶接器14は図3に詳細に示すように、基台22と、この基台22から垂直に起立する支柱24と、この支柱24に昇降可能に保持されモータ25(図2)によって昇降される昇降ヘッド26と、この昇降ヘッド26に保持されて下方へ突出するロッド28と、このロッド28の下端に固定されたヒータチップ(ツール)30とを持つ。このロッド28は昇降ヘッド26に固定された筒32内に装填されたコイルばね34によって下向きに付勢されている。
コイルばね34の上端は、筒32の上端に螺合されたばね力調節手段となるキャップ36に支持されている。ロッド28には下限位置設定部材となる板38が固定され、この板38はロッド28の下降時に昇降ヘッド26の内壁に当接して位置決めされる(図3,6の位置)。この板38の位置すなわち昇降ヘッド26に対する相対位置は、昇降ヘッド26に内装した変位計40によって検出される。このこの変位計40は例えば公知の差動トランスで形成することができる。この場合は、板38にロッド28と平行に固定した鉄心42を、一次コイルおよび2組の二次コイルを組合せたコイル44の中で移動させ、2組の二次コイルの出力差に基づいて鉄心42の変位を検出する。
ヒータチップ30は上方に開くスリットを形成して略U字状とした抵抗金属で作られ、両端間に電流を流すことによって瞬時に発熱させるものである。このヒータチップ30はウェルドケーブル46によって電源12に収容された溶接トランスの二次側に接続されている。
なおヒータチップ30の印加電圧、電流は電源12内において検出され、フィードバック制御に用いられる。またヒータチップ30の先端付近の温度(溶接温度)は熱電対によって検出され、この熱電対の出力もフィードバック制御に用いられる。
52は被半田付け対象となるワークである。このワーク52は、回路基板54の電極56にリード線58を乗せたものであり、ここに電極54の表面には半田60が予め供給されている。この半田60は、予めフュージング(加熱処理によるクリーム半田を溶融し、均質合金化する処理)したクリーム半田、半田めっき、あるいは他の手段で予め供給される。図8の(A)はリフロー前の状態を示している。
次にコントローラ10の構成を図2を用いて説明する。コントローラ10はCPU62と、このCPU62により制御されるモータ制御部64、変位検出部66、表示部70、設定部72等を持つ。変位検出部66は変位計40の出力に基づいてロッド28の変位すなわちヒータチップ30の変位を検出する。モータ制御部64は、この変位検出部66の出力に基づいてモータ25を制御する。すなわちCPU62が出力する位置指令信号に基づいて、ロッド28(ヒータチップ30)の位置を指令位置にするようにモータ25を正逆転させる。
電源12には温度管理部68が設けられる。この温度管理部68はヒータチップ30の温度を指令温度にするように制御する。表示部70は前記表示パネル20に対応する。設定部72はこの表示パネル20の表面に設けたタッチセンサで形成される。
次に図7を用いて動作を説明する。コントローラ10の電源スイッチ16をオンにすると、CPU62が起動し表示パネル20にメニュー画面が表示される。オペレータはメニュー画面で「データ設定」を選択し、種々のデータ(設定値)を設定する。
ここで設定するデータは、目標沈み込み量a、タッチダウン沈み込み量x、正常沈み込み到達上下限、沈み込みリミット、などである。目標沈み込み量aは半田潰し量であって、ヒータチップ30がワーク52に当接した後にワーク52に進入する量である(図5,6参照)。タッチダウン沈み込み量xは、ヒータチップ30がワーク52に接触したと判断する変位計40の変位検出量である。正常沈み込み到達上下限は、半田潰し量aの適否を判定する値であり、[(目標沈み込み量−現在沈み込み量)≦正常沈み込み到達上下限]、の関係が成立すれば正常とし、そうでなければ異常とする。沈み込みリミットは、変位計の最大変位量を設定するものである。
データの設定が終わると、CPU62は図3の状態で変位計40の出力をゼロにリセットする(図7のステップS100)。この時はロッド28は板38が昇降ヘッド26の内壁に当接することによってストッパとして機能することにより下限位置に係止される。すなわち機械的ストップ状態である。オペレータが表示パネル20に表示されたスタートスイッチ(図示せず)を押す(触れる)ことにより、CPU62は半田付け動作を開始する。まずモータ25を駆動させて昇降ヘッド26を下降させる(ステップS102)。
ヒータチップ30がワーク52に当接すると変位計40の出力が変化を開始する。すなわち出力値が増加する(ステップS104)。この出力が前記タッチダウン沈み込み量xに到達するとCPU62はヒータチップ30がワーク52に接触したと判定する(ステップS106)。図4はこの状態を示している。この時点からCPU62はモータ25をフィードバック制御に切換える。すなわちモータ制御部64は、CPU62が出力する指令値に基づいて変位計40の出力をこの指令値に一致させるようにモータ25をフィードバック制御する。
CPU62は指令値として目標沈み込み量aを出力するので、昇降ヘッド26は図4の位置(ヒータチップ30がワーク52に接触しさらにタッチダウン沈み込み量xだけ下降した位置)から、さらに下降させ変位計40の出力がこの目標沈み込み量aとなるまで下降させて停止する(ステップS108)。図5はこの状態を示している。この時にはロッド28およびヒータチップ30はコイルばね34の復元力によって下向きに付勢されている。
CPU62はこの状態で電源12に信号を送り、ヒータチップ30の加熱を開始させる(ステップS110)。この加熱は、電源12がヒータチップ30に電流を供給することにより行われる。この時ヒータチップ30の温度が電源12の温度管理部68で判定され、ヒータチップ30の温度を所定の温度管理特性(温度プロファイル)に適合させつつ制御する。なおこの温度プロファイルは予め設定されて電源12の温度管理部68にメモリされている。
ヒータチップ30の発熱によりワーク52が半田溶接温度に加熱されると、半田が溶融する。このためヒータチップ30は前記目標沈み込み量aの寸法だけワーク52に進入し(ステップS112)、板38が昇降ヘッド26の内壁に当接して停止する(ステップS114)。すなわち機械的にストッパで固定される。図6はこの状態を示している。この時変位計40はリセット位置に戻るので、その出力は0に戻る。
CPU62は、ヒータチップ30が停止し変位計40の出力がゼロ以外の一定値で固定された時は、この一定値が前記正常沈み込み到達上下限の範囲内であれば正常と判定し、冷却を開始する(ステップS116)。この冷却には、自然冷却、空冷、液冷など適宜の方式が用いられる。そして冷却が終わると、CPU62は昇降ヘッド26を上昇させて図3に示す初期位置に戻す(ステップS118)。
変位計40の出力が正常沈み込み到達上下限の範囲外になった場合は、異常有りとしてアラームを出力したり、ヒータチップ30の通電を停止してワーク52の保護を図る。
次に図8を用いて半田付け動作を説明する。ヒータチップ30が発熱する前にワーク52に接触した時(図4)、すなわち図7に示すステップS106〜S108の動作を終了した時には、ヒータチップ30はワーク52に進入しない。図8の(A)はこの状態を示している。ヒータチップ30が発熱して半田60が溶融すると、図8の(B)に示すように溶融半田60Aの一部がリード線58と電極56との間から側方へ流出し、ヒータチップ30がコイルばね34の復元力により下向きに押されて下降する。
この実施例によればロッド28およびヒータチップ30の下降量は目標沈み込み量aに制限されているので、この目標沈み込み量aを適切に設定することにより溶融半田60Aをリード線58と電極56との間に十分に残すことができる。従って図8(B)に示すように電極56とリード線58との間に溶融半田60Aを入れてこれらを良好な状態で半田付けすることができる。
なお図8の(C)は参考として従来方法による半田付け動作を示す。この場合ヒータチップ30が常時下向きに付勢されているので、ヒータチップ30とリード線58と電極56が互いに密着した状態となり、これらの間から溶融半田60Aが外側へ押し出される。このため半田付けの信頼性が低下する。
本発明の一実施例の外観斜視図 同じく内部構造を示すブロック図 昇降ヘッド部の初期位置を示す図 同じくヒータチップがワークに接触した位置を示す図 同じく昇降ヘッドを目標沈み込み量aだけ押し下げて固定した位置を示す図 同じく半田溶融時を示す図 動作流れ図 ヒータチップの半田付け動作を示す図
符号の説明
10 コントローラ
12 電源
14 溶接器
20 表示パネル(設定値入力手段)
22 基台
26 昇降ヘッド
28 ロッド
30 ヒータチップ
36 キャップ(ばね力調節手段)
38 板(下限位置設定部材、ストッパ)
40 変位計
a 目標沈み込み量

Claims (10)

  1. 基台に対して昇降可能かつ位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きに付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、このヒータチップをワークに押圧しつつ発熱させることによりリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、前記昇降ヘッドに設けたストッパにより前記ヒータチップの下限位置を機械的に規制し、ヒータチップがワークに当接した状態でその下限位置から目標沈み込み量だけ高い位置となるように前記昇降ヘッドを押し下げて固定し、リフロー時のヒータチップの下降量を前記目標沈み込み量に制限することを特徴とするリフローハンダ付け方法。
  2. 昇降ヘッドに対するヒータチップの上下変位量は昇降ヘッドに設けた変位計で検出され、この変位計の出力が変化を開始したことからヒータチップがワークに当接したことを検出し、この変位計の出力が目標沈み込み量に対応する出力になったことから昇降ヘッドの位置を固定してヒータチップを発熱させる請求項1のリフローハンダ付け方法。
  3. ヒータチップがワークに当接する前に変位計はリセットされ、昇降ヘッドの下降に伴い前記変位計の出力が予め設定したタッチダウン沈み込み量になったことからヒータチップがワークに当接したことを検出し、その後変位計の出力が目標沈み込み量となるまで昇降ヘッドをさらに下降させてその位置を固定しヒータチップを発熱させる請求項2のリフローハンダ付け方法。
  4. タッチダウン沈み込み量を目標沈み込み量の約80%以下の範囲内で設定可能とした請求項3のリフローハンダ付け方法
  5. 目標沈み込み量はワークに供給されたハンダの厚さよりも小さく設定されている請求項1のリフローハンダ付け方法。
  6. 請求項1のリフローハンダ付け方法であって、
    a)リフロー時のヒータチップの沈み込み量を設定する工程、
    b)昇降ヘッドを下降させてヒータチップをワークに当接させる工程、
    c)昇降ヘッドをさらに押し下げてヒータチップをその下限位置から前記沈み込み量上昇した位置に固定する工程、
    d)ヒータチップを発熱させて半田をリフローし、ヒータチップをその下限位置まで下降させる工程、
    e)半田が凝固するのを待って昇降ヘッドを上昇させる行程、
    以上の各工程を有するリフローハンダ付け方法。
  7. リフロー時のヒータチップの下降量が目標沈み込み量に到達した時点でヒータチップの加熱を停止する請求項1のリフローハンダ付け方法。
  8. 基台に対して昇降可能かつ位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きに付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、このヒータチップをワークに押圧しつつ発熱させることによってリフローハンダ付けするリフローハンダ付け装置において、
    前記昇降ヘッドに設けられ前記ヒータチップの前記昇降ヘッドに対する昇降位置を検出する変位計と、
    リフロー時のヒータチップの目標沈み込み量を設定する設定値入力手段と、
    前記下限位置においた前記ヒータチップをワークに当接させてから前記昇降ヘッドを前記目標沈み込み量だけ下降させて固定し前記ヒータチップを発熱させるコントローラと、
    を備えることを特徴とするリフローハンダ付け装置。
  9. 昇降ヘッドに上下動可能に保持されその下端にヒータチップが固定されたロッドと、
    このロッドを下向きに付勢するばねと、
    このばねの前記ロッドに対する付勢力を変化させるばね力調節手段と、
    前記ロッドに固定され前記昇降ヘッドに係合して前記ヒータチップの下限位置を設定するストッパとなる下限位置設定部材と、
    を備える請求項8のリフローハンダ付け装置。
  10. コントローラは変位計の出力に基づいてヒータチップの加熱によりヒータチップが目標沈み込み量だけ下降したことを検出してヒータチップの加熱を停止する請求項8のリフローハンダ付け装置。
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