JP2008521609A5 - - Google Patents

Description

誘導加熱によって接続部をはんだ付けする方法および装置

本発明は、請求項１のプリアンブルの特徴を示す誘導加熱によって接続部をはんだ付けする方法、ならびに本方法を実施するための特に適切な装置に関する。

英国特許第１１８３３１６号明細書は、集電用導体と平行に配置されたワイヤを加熱する誘導加熱はんだ付けの方法を開示している。第１の実施形態では、電熱線は、パネル面上にボンディングすることによって固定され、集電用導体すなわち薄いスズめっき銅ストリップが、最上部の上に配置される。はんだ付けツールは、スペーサローラを使用して、同パネル面の上を集電用導体に沿って一定の離隔距離で案内される。第２の実施形態では、電熱線および集電用導体は、２つのパネルシートと１つの接着層とで構成された積層パネルユニットの中に外部からアクセスできない。この場合、積層パネルユニットが製作された後でのみ、発熱導体とそれらの集電用導体との間の電気接触がなされる。これを実現するためには、磁界が非接触でパネルシートの一方を透過する能力、すなわちはんだを溶解するのに必要なエネルギーが使用され、このパネルシートは、この場合、ハンドガイド式はんだ付けツールの「スペーサ」として働く。

そのようなパネルは、特に自動車の製造に使用されるが、建物にも使用されることが知られている。他の典型的な用途が、例えば、接続線の接点ベースのはんだ付けである。これらは、自動車製造でスペースを節約するためにますます小さくなってきており、ケーブル接続部が設けられることも多く、ケーブル接続部は、はんだ付けツールが直接当てられるときに厄介であることが分かるかもしれない（欧州特許第４７７０６９号明細書を参照）。さらに、増幅器などの電子部品が、パネルの外面上に印刷されたアンテナ導体領域に既に直接はんだ付けされている。

製造に関係する技術的な理由により、また複数の接続部を共通のマルチケーブルを使用して外部へ接続できるようにするために、いくつかのはんだ付け組立体またははんだスポットが、通常は互いに非常に近接して配置される（独国特許第１９５３６１３１号明細書を参照）。しかし、これらの組立体またはスポットは、従来のはんだ付けツールを使用して、順に個々にはんだ付けされなければならない。

しかし、はんだごてをむき出しの「前面」から関連する接続部品に直接当てることは、特に、通過時間の短い工業規模の生産において、避けられない力の作用の結果として不正確な位置合せが生じ得るときに、しばしば不利である。

しかし、誘導加熱はんだ付けの場合、装置の製造業者は、通常は印加される熱出力に応じて７００ｋＨｚ〜９００ｋＨｚの高周波を推奨する。同時に、必要電力は、比較的低い（わずか１ｋＷ〜４ｋＷ）。

しかし、推奨される比較的高い周波数を有する上記で論じた考えられる用途の条件下で行われる試験により、満足する結果を得ることが可能になる。具体的には、比較的高い銀の含有量を有するスクリーン印刷ペーストの厚い焼付け層で構成されている、パネル面上ではんだ接続面として働く導体構造は、過度に加熱し多くの熱を放散することができるが、同時に、はんだ付けされるべき構成要素は、まだ十分に熱くなっていない。１つの要因は、導体構造またはその材料が誘導で発生した波に対して高い吸収率を有することかもしれない。次に、高周波を使用することによって得られる加熱効果は、容積の大きい本体内の深くまでは侵入しないか、または極端にゆっくりと侵入するが、むしろその表面にとどまる（「表皮効果」とも呼ばれるものであり、この点については独国特許第６９４３０２７５号明細書、３６頁を参照）。その結果、短い通過時間で、関係する厚い層のもう一方の面までの所要の侵入深さを確実に達成することはできない。

独国特許出願公開第１９６３６２１６号明細書は、構成要素を誘導加熱するための、詳細には硬化させかつはんだ付けするための装置および方法を開示しており、この装置および方法は、磁界を偏向させるまたは方向付けるために誘導ループまたはコイルが導電物体と組み合わされている。ループ／コイルは、電気の良導体である管状材料で構成されており、はんだ付け作業の間、循環冷却液によって冷却される。誘導によって金属を加熱するための推奨される動作範囲または周波数範囲は、１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。しかし、その文献には、穿孔の縁部を硬化させる１つの応用例が、詳細に記載されているに過ぎない。記載されている導電物体は、当該孔の中に導入され得るコアを形成する。文献は、誘導加熱を用いてはんだ付けする、取付けまたは方法の生産に関する他の情報を与えていない。

本発明の根底にある課題は、接続部をパネルユニットに誘導加熱はんだ付けするための改善された方法と、本方法を実施するのに特に適した装置とを提供することである。

この課題は、本発明により、方法に関しては請求項１の特徴によって、また装置に関しては請求項１２の特徴によって解決される。独立請求項にそれぞれ従属する二次的な請求項の特徴は、本発明の有利な実施形態を示す。

したがって、はんだ付けツールに配置される誘導ループまたはコイルの表面積の大きさおよび形状は、それぞれ当該の多接点領域の大きさおよび形状に合わせて決められる。この表面積は、非常に小さくすることができるが、一般には数平方センチメートルである。例えば、表面積は、０．５ｃｍ２〜７０ｃｍ２であり、さらに大きくすることもできる。

これらのツールは、はんだ付け面とは反対側の関係するパネル面に当てることができる。これらのツールによって発せられた磁界は、パネル材料を実質的に減衰せずに通過し、それは、はんだ付けの所要の熱がパネルの裏面からしか放散されないことを意味する。パネル面の縁部の不透明（非導電性）局所コーティングでも、磁界は実質的に減衰せずに侵入する。同時に、パネルの滑らかな面は、ツール用の理想的なベアリング面を形成し、ツールが位置する実際のはんだスポットからの距離も、パネルと無視できる差異で再現可能な層厚さとによって、パネルシート間で実質的に一定に保たれる。しかし、必要距離の固定が他の手段を用いて順守され得る場合、はんだ付けツールを、はんだスポットに面して位置するパネルの面上に厳密に位置付ける必要はない。同様に、はんだ付けツールを、はんだ付けされるべき構成要素に直接当てることも可能である。

本技法は、簡単なパネルや積層パネルで使用することができる。

したがって、大量生産では、ツールは、はんだ接続部を製作するために用意されたパネルが導入されかつ位置付けられるはんだ付け装置またははんだ付けステーションの固定位置に有利に取り付けることができる。ツールを固定した状態に保つことは、必要な供給ダクトが移動される必要がないという追加の利点を有する。

装置の製造業者の推奨から脱却することにより、誘導波およびそれぞれの磁界の周波数は、実験目的の場合、５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲にまで大幅に低下した。それによって、記載した用途での磁界の侵入深さは著しく増大する。しかし、比較的低周波の放射線は離隔ギャップ内およびパネル本体内で比較的高い透過損失を受けるため、より多くの電力を使用する必要がある。低周波のより高い磁場強度で作業する必要もある。

しかし、大量生産の有利な波及効果を有する著しく改善されたはんだ付け結果に鑑みて、本態様は考慮される必要がある。同時に、非常に短い通過時間でも、比較的広いはんだ接続領域内でも近接する全てのはんだスポットが、同時にかつ良好なプロセス信頼性ではんだ付けされるため、生産の著しい高速化が達成される。比較的小さい高周波はんだ付けツールを使用する場合、ツールと当該パネルとの間の相対移動も必要になるであろう。本発明との関連で、比較的低い周波数で誘導加熱はんだ付けするためのループまたはコイルは、高周波誘導に使用されるループまたはコイルよりも著しく大きな体積を有することが有利であることが分かっている。

全てを満足する結果に導く様々な実験的はんだ接続部を製作するために、適度に大型のループまたはコイルが使用されている。したがって、例えば、２つのアンテナ接続部に加えて、５極アンテナ接続部、スナップボタンの形の４つの個別アンテナ接続部、および２つの発熱導体接続部が、別に装備された典型的なパネルにはんだ付けされ、この全てが、印刷された導電性トラックを有するパネルの不透明な縁部コーティングの領域で行われる。低い誘導周波数用のこれらの導体構造の中への磁力線の良好な侵入の結果として、接点エレメントの本体または（金属）接点は、それらの事前のスズめっきを溶解しかつパネル側の接続面でそれらを確実に組み立てるために、磁界によって十分にかつ極めて瞬時に加熱される。

はんだ付けツールは、実質的に損耗することもない。はんだ付け用部品を位置付けるための保持ツールは、より簡単にかつはんだ付けツールなしに、よりコンパクトな形で製造され得る。

はんだ付け作業の間、接続されるべき構成要素は、それ自体が磁界によって加熱されない簡単なクランプ手段を使用して、パネル面に対して自由に押圧されるだけである。これらのツールは、例えば、プラスチックまたはセラミックまたは両方で製作されてもよく、あるいは、非金属部品がはんだ付けされるべき構成要素と接触する領域に並べられてもよい。磁界を局所的に最適化しかつ偏向させるためには、フェライト材で製作されたクランプ手段を使用することも可能である。

パネルシート（車両では一般に外装面である）の「裏面」からはんだ付けし、その結果直接加熱することにより、追加の重要な構造的利点がもたらされ、すなわち、より複雑な構造要素がはんだ付けされ得る。

詳細には、実際のはんだスポットを除くと、接続されるべき構成要素は、いかなる自由な金属面を示す必要はないが、例えば、全体的にプラスチックでコーティングされるかまたはオーバーモールドされてもよく、適切な場合、接触点の真上の第２の面に位置付けられた構成要素を含んでもよい（独国特許第１９８５６６６３号明細書を参照）。そのような構成要素は、それらの組立環境では特別な保護なしに使用され得る。もちろん、はんだ接続の目視検査は、例えば「検査孔」を使用して、はんだスポット自体で行うこともできる（独国特許第１０２４９９９２号明細書を参照）。

当然ながら、磁力線が加熱対象の構成要素において最適に方向付けされ得るように、ループまたはコイルあるいはそれを含むツールの形状は、それぞれの細部に適合するように、重要な条件では、想定される接続部の幾何形状（はんだ接続面の領域内の構成要素の表面積および形状）に適合されなければならない。磁力線のパターンを最適化するためにツール内にフェライト素子を有することが特に有利である。それを湾曲したパネル面に適合するようにするためには、対応するプレフォーミングおよび／またはツールの接触面上の弾性中間層が好都合であることが分かる。

本発明による解決法の他の詳細および利点は、考えられる用途の例の添付図面とその詳細説明から明らかになるであろう。

これらの概略的な描写では、原寸に比例して描かれていない。

図１は、ガラスまたはプラスチック製の台形パネルシート１を示し、このパネルシート１の上面には、表示の方向に、その縁部に沿って非導電性の不透明コーティング２（この場合、網掛けグレイであるが、実際には一般に黒）が設けられる。これは、例えば、本明細書においては簡単のために湾曲なしに描かれている、自動車のリヤウィンドウである。その表面上には、ウィンドウの視野および／またはコーティング２の範囲の縁部の側部を貫通して延びる導電トラックまたは導体構造３、例えば発熱導体およびアンテナ導体も設けられる。パネルシート１の左側縁部に沿って、コーティング２の表面上に集電用導体４および５がある。さらに、導体構造３または集電用導体の電気的接続を目的とするいくつかの接続面６、７、８（図には薄い灰色で示されている）も設けられ、それについては、後でより詳細に説明する。

パネルシートの右側縁部には、対応する参照符号のない集電用導体と接続面の逆同一配置が示されている。集電用導体と接続面の配置は、実際にはパネルシートの一方の側と他方の側とで異なってもよい。接続面およびはんだスポットは、この場合、パネルの形状の長辺に沿って配置されてもよい。

パネルシート１の中心視野における発熱導体構造とアンテナ導体構造３の配置は、これ以上には描かれない。本明細書においてこれは重要ではない、というのは、本明細書は、誘導で生成された熱ではんだ付けすることによって、導体構造３の縁部の電気接続部を製作することだけに関するからである。

導体構造３は一般に、集電用導体４、５および接続面６、７、８もそうであるが、厚層技術を用いて導電印刷ペースト（銀を含有する）を印刷（スクリーン印刷）し、その後（ガラスパネルにおいて、好ましくは曲げ時に）ベーキングすることによって製造される。

パネル１は、特にストップ１１、支持体１２およびはんだ付けツール１３が属している、四角形で示されている装置１０に配置される。ストップ１１は、パネル１を面内に位置付けるためにパネル１の外側縁部に押し付けられ、支持体１２およびはんだ付けツール１３は、視野方向に、パネル１の裏側／下にある。装置内に固定されたはんだ付けツール１３は、パネル面上への垂直投影で接続面の領域を全体的に覆っていることが分かる。パネルに面しているそれらの表面積は、数平方センチメートルである。

接続面６、７および８はそれぞれ、パネルの外部に、すなわち、それらの機能に対応する電源または接続線に、あるいはアンテナケーブルに接続されなければならないが、これらは、図１には示されていない。

パネルシート１の左側縁部に「ＩＩ」が付されている輪は、本発明による方法および対応する装置を詳細に説明するために、図２の拡大詳細図に示されている領域を囲んでいる。円で囲まれた領域は、以下では接続領域とも称される。これは全体で、関連するはんだ付けツールが適合される画定済み表面積を有する。

個別のはんだ付けツールで覆われる接続領域は、必要ならさらに大きくすることもできる。さらに、個別のはんだ付けツールは、２つ以上の条件を含むことができる。これは、はんだスポットが、平面のパネル上に、あるいはわずかに湾曲しただけの、または円筒状に湾曲したパネル上に生成される場合に推奨されるであろう。

図２は、図１の左側から見た、平置きされたパネル１のエッジ領域の側面を示す。同じ要素の場合、図１に使用されたものと同じ参照符号が付されている。確かに平坦なパネルシート１が示されているが、本発明は、当然ながら湾曲したパネルにも適用することができる。

不透明コーティング２上に見ることができるものが、図１の円ＩＩ内の接続領域の２つの接続面７および４つの接続面８である。対の接続面７には、接続ケーブルが設けられた橋状接点エレメント１５の２つのはんだ付けシュー１４が付着されている。はんだ付けされた可撓性リード線を備えるそのような接点エレメントは、従来技術において（例えば欧州特許第０４７７０６９号明細書から）知られている。それらは、発熱領域を車両のオンボード電源に電気的に接続するためにしばしば使用される。具体的には、リード線のはんだ付けは過度に加熱されてはいけないため、そのような構成要素は、後続のはんだ付けにとって極めて重要である。そのような過度の加熱は、本発明による方法を用いて確実に防止することができる。

４つの接続面８には、４つの金属接点１７を含む、それ自体が知られている多接点エレメント１６が付着され、金属接点１７のそれぞれは、接続面８のうちの１つにはんだ付けされなければならない。さらに、多接点エレメント１６は、接続ケーブルで接続される。接続ケーブルは、例えば、適切な場合にダイバーシティアンテナ環境においてアンテナケーブルでもよい。

多接点エレメント１６は、好ましくは適切なプラスチック（電気的に絶縁）で製作されたシースを示しており、そのシース内には、接続ケーブルへの線路接続部を有する接点１７が埋め込まれている。パネル１の反対側に位置する多接点エレメントの表面に自由金属面は必要ない。他の電気部品および／または電子部品（例えば増幅器）が、シース内部にあってもよい。

図２に示されている６つのはんだスポットのそれぞれには、鉛を含有するまたは鉛のない（予めスズめっきされた、またははんだ堆積物を有する）薄いはんだ層９が設けられ、適切な場合、その後でフラックスが組み入れられる、または塗布される。そのことは、注入されたエネルギーが全ての構成要素を十分に加熱して両面を堅固にはんだ付けすることができることが保証されるとともに、スズめっきされていない面がはんだでぬれることができる場合、はんだ付けされる２つの面の一方だけに、すなわち、接続面７、８のどちらかに、あるいははんだシュー１４または接点１７にはんだ堆積物を付着させるのに十分かもしれない。

接続面７および８とはんだ堆積物のコーティング２の厚みは、本明細書においては原寸に比例して示されていない。

クランプ手段１８、１９を示すために一点鎖線が使用されており、クランプ手段１８、１９のそれぞれは、接点またははんだスポットの上に接点ソール１４および多接点エレメント１６を位置付けかつ押圧するものである。これらは、はんだスポットとガルバニック接触する必要はない。これらのクランプ手段は、例えば、有利に、自動製造ラインにおいてツールを保持しかつ位置付けるように、同時に遠隔制御され得る。この二重機能は、クランプ手段が図示の接点エレメントとわずかに重複していることによって示されている。クランプ手段は、接点エレメントを持ち上げ、最初にそれぞれの貯蔵所から離れ、それらを対応する接続面上に位置付け、それらを、はんだ付け作業の間にはんだが固まるまで適所に保持する。

交流電圧を有する市販の発電機１３Ｇから調整可能な周波数および出力で電力供給される（少なくとも）１つの誘導ループまたはコイル１３Ｉを備えるはんだ付けツール１３は、接触点７および８とは反対側に位置するパネル１の下面に当てられる。また、発電機とコイルとの間の接続部にスイッチ１３Ｓがシンボルで示されており、そのスイッチによって誘導ループ１３Ｉの動作が制御され得る。最後に、必要な場合、ツール１３は、連結ホース１３Ｃによって冷却することができる。概略的な描写とは大きく異なり、冷却液入口および電力供給線は、ひとまとめにされてもよい。

従来の高周波誘導ループまたはコイルに比べると大きいはんだ付けツール１３は、はんだ付けツールの長さおよび幅にほぼ対応するサイズのコイルまたはループを含む。中間スペースは、フェライト体または他の同等の適切な材料で製作された物体を使用して、それ自体が知られている方法で充填されてもよい。このようにして、それらが発する磁界は、それが偏向され、かつそれがはんだスポット上にできるだけ集中的にかつ協調して作用するように最適化され得る。したがって、大きな均質性を得るのではなく、むしろ決定済みのまたは小領域のスポット、すなわちはんだスポットとそれらに付着された金属接点エレメントとをできるだけ瞬時にかつ集中的に加熱することが可能である。

同様に、磁力線を形成し案内するために、同じ機能を有するクランプ手段にもフェライト素子またはフェライト部品が装備されることも有利となり得る。この選択肢は、はんだ付けツール自体と同様に、それぞれの接続領域とそのはんだスポットとに応じて個々に決める必要がある。

高いはんだ付け品質を常に実現するためには、はんだ付けツール１３とはんだスポットとの間の距離は、各パネルシート上でできるだけ一定に保たれることが重要である。したがって、本明細書において示されている例示的な実施形態では、はんだ付けツールは、パネル面に直接当てられている。当然ながら、パネルの滑らかな表面へのいかなる損傷も防止されなければならない。この場合、本発明によれば、いかなる接触も完全に回避するために、はんだ付けツールとパネルの下面との間にごく小さい明確な離隔を設けることが可能である。

したがって、誘導コイルを有するツールが、本明細書において示されている平坦なパネル１ではなく、湾曲したパネルシートの表面に当てられる場合、正確な再現可能な位置決めという意味で、パネルの局部的な形状に適合させる必要があり、あるいは、場合により弾性中間層を用いてこの表面を抱き込む必要があるであろう。

優先として、これらのはんだ付けツールは、装置１０内に定置固定されて位置付けられる。処理されるべきパネルシートは、図示されていないコンベア手段を使用して毎回持ち込まれ、支持体１２上のストップ１１の間に配置される。

しかし、もちろん、ロボットを使用して処理されるべきパネルシート上の再現可能な位置にまで移動することができるはんだ付けツールを当てることも可能である。例えば、この解決法は、いつも同じ状態のままのパネルユニット上で多数の構成要素を処理する必要がないときに、あるいはモデルの頻繁な変更が同じ装置を使用して処理されなければならないときに好ましいであろう。

はんだ付け組立体を製造するためには、誘導ループ１３Ｉには、その電源を接続する（スイッチ１３Ｓを閉じる）ことによって、所望の周波数（５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の電流が供給される。１．３ｋＷ〜１５ｋＷ程度の典型的な電力が設定されるが、これは、当然ながら、ループまたはコイルの遠隔、はんだスポットの（全）表面積ならびに加熱されるべき質量に応じて変更され得る。磁界は、数ミリメートルの厚みのパネル材料と、数ミクロンの厚みの不透明な縁部コーティング２とを過度に減衰することなく通過し、離隔が小さいほど減衰も低下する。接触点７、８およびはんだ堆積物９の金属構成要素において、また付着された接点エレメント１５および１６の金属構成要素（はんだ脚１４、接点１７）においても熱の放出がある。低周波は、比較的深い侵入を可能にするという利点に加え、電磁波に敏感な特定の構成要素もこれらの構成要素を破壊することなくはんだ付けされ得るという追加の利点を示す。

はんだが完全に溶解するまで磁界が作用する必要のある時間と、最良の周波数範囲は、試験によって単純に繰返し決定され、適切なソフトウェアを用いてシミュレーションされ得る。はんだ付け作業の後、磁界はオフされる（スイッチ１３Ｓが開放される）。パネル１は、クランプ手段１８、１９もそうだが、はんだが固まるまで短時間保持されたままであり、電気接続部は、付加的な機械的固定なしにしっかりと保持する。その後、パネル１は、後段の処理作業に移送される。

はんだ付け用の接続部を有する一枚のパネルであり、このパネルが、はんだ付け用のこれらの接続部の誘導加熱はんだ付け装置内に配置された状態を示す図である。 図１の複数のはんだ接続箇所の領域の拡大詳細を示す図である。