JP2013153031A - はんだ付けノズルおよびそれを備えたはんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴流はんだ付けにおける未はんだ不良を防止し、安定した信頼性の高いプリント回路基板を得ることができるはんだ付けノズルと、はんだ付け装置を提供する。
【解決手段】はんだ付け装置１には、はんだ槽２に貯留された溶融はんだ３を噴出するはんだ付けノズル４と、溶融はんだ３を圧送するプロペラ１１とが設けられている。はんだ付けノズル４は、ノズル本体５とノズル支持体８からなり、ノズル本体５は、外壁部６および内壁部７によって形成されている。内壁部７は、外壁部６に対して取り替え可能とされる。内壁部７として、小径の噴出し口７７ａが形成された円筒状の内壁部７ａが用いられている。内壁部７，７ａは、はんだに対して濡れ性の高い金属の一例として、鉄から形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ付けノズルおよびそれを備えたはんだ付け装置に関し、特に、溶融したはんだをプリント配線板に接触させることによって、電子部品をプリント配線板へはんだ付けするためのはんだ付けノズルと、そのようなはんだ付けノズルを備えたはんだ付け装置とに関するものである。

プリント配線板に電子部品をはんだ付けする方法として、溶融はんだをプリント配線板に接触させる、いわゆる噴流はんだ付け方法（工法）がある。この方法では、まず、プリント配線板の被はんだ付け面に活性成分を含むフラックスを塗布する。次に、プリヒータの加熱によりフラックスの溶剤成分を蒸発させ、プリント配線板の被はんだ付け面をはんだ付けノズルから噴出している溶融はんだに接触させることによって、電子部品がプリント配線板にはんだ付けされる（噴流はんだ付け）。

近年、環境保護の観点から、電子部品をプリント配線板に実装するはんだとして、鉛を含まない無鉛はんだが使用されるようになった。ところが、自動車業界、電鉄業界あるいは社会インフラ業界等では、熱疲労耐性等の信頼性に問題があることから、無鉛はんだを使用することが見合わされている。

一方、部品メーカは、電極端子のめっき材やボール材に無鉛はんだを使用することを積極的に推進している。しかしながら、無鉛はんだを使用した電極にすず鉛共晶はんだを組み合わせると、継手の機械的特性が劣化する問題があることから、今後、上記業界においても、無鉛はんだを使用せざるを得ない場合が生じるとことが想定される。

無鉛はんだは、従来のすず鉛共晶はんだと比較すると、表面張力が大きく、電子部品の電極端子にはんだ付けされない不良が生じやすい。このような不良は、未はんだ不良と称されている。未はんだ不良の原因は次のように考えられている。噴流はんだ付けでは、はんだ付けノズルから噴流した溶融はんだがプリント配線板に接触する際に、電子部品を覆うようにフラックスガスや空気が存在することで、溶融はんだがプリント配線板の電極パッドに接触するのが妨げられてしまい、電極パッドに溶融はんだを付着させることが難しくなってしまう。

この未はんだ不良は、電極パッドの寸法を拡大等させることによって改善できる場合もあるが、プリント配線板の配線設計の見直しが必要となり、特に、高密度化されたプリント配線板においては、適切な対応が困難な場合が多い。

このような問題に対して、たとえば、特許文献１では、小径の噴出し口を有するはんだ付けノズルから溶融はんだを勢いよく噴流させ、その高い噴流圧力によって電子部品を覆うように存在するフラックスガスや空気を除去し、未はんだ不良を防止する方法が提案されている。また、特許文献２では、はんだ付けノズルおよびはんだ槽内を、はんだに対して濡れ性の高い材質にすることで、はんだ付けノズル内のはんだの流動を安定させて、はんだ付けの品質の向上をする方法が提案されている。

特公平０３−０７３１５６号公報 特開平０８−２７９６７５号公報

しかしながら、従来のはんだ付け方法では、次のような問題点があった。特許文献１に開示された手法では、溶融はんだを噴出する噴出し口が小径である。このため、はんだ酸化物やフラックスのカスなどの異物が噴出し口内壁に付着した場合には、噴流が安定しないことが想定される。また、噴出し口に異物が詰まった場合には、溶融はんだが噴流しないことが想定される。

特許文献２に開示された手法では、はんだ付けノズルとはんだ槽をはんだと濡れる材質にするため、はんだノズルやはんだ槽を構成する金属が溶融はんだに溶出する溶食現象が生じる。この現象は、無鉛はんだを用いた場合に、従来のすず鉛共晶はんだと比較して顕著になり、はんだ槽の内部が侵食されてしまうことが想定される。また、はんだ付けノズルの噴出し口の内壁が溶融はんだに侵食されると、はんだの流動状態が変化し、はんだ付け性が大きく変化することが想定される。

本発明は、このような想定される問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、噴流はんだ付けにおける未はんだ不良を防止し、安定した信頼性の高いプリント回路基板を得ることができるはんだ付けノズルを提供することであり、他の目的は、そのようなはんだ付けノズルを備えたはんだ付け装置を提供することである。

本発明に係るはんだ付けノズルは、電子部品をプリント配線板にはんだ付けするための溶融はんだを噴出するはんだ付けノズルであって、ノズル本体と、ノズル本体を支持するノズル支持体とを有している。ノズル本体は、外壁部と内壁部とを備えている。外壁部はノズル支持体に設けられている。内壁部は、外壁部の内側に接触する態様で取り替え可能に装着され、所定の開口径の噴出し口を有し、少なくともはんだに接触する表面がはんだに対して濡れ性を有する材料から形成されている。

本発明に係るはんだ付け装置は、上記はんだ付けノズルを備えている。

本発明に係るはんだ付けノズルによれば、噴流はんだ付けにおける未はんだ不良を防止することができる。

本発明に係るはんだ付け装置によれば、噴流はんだ付けにおける未はんだ不良を防止し、安定した信頼性の高いプリント回路基板を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る、はんだ付けノズルを備えたはんだ付け装置の一断面図である。 同実施の形態において、はんだ付け装置の動作を説明するための一断面図である。 同実施の形態において、はんだ付け装置による電子部品のプリント配線板へのはんだ付けの一工程を示す部分断面図である。 同実施の形態において、図３に示す工程の後に行われる工程を示す一断面図である。 同実施の形態において、図４に示す工程の後に行われる工程を示す一断面図である。 同実施の形態において、図５に示す点線枠Ａ内の部分拡大断面図である。 同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す部分断面図である。 従来のはんだ付け装置による電子部品のプリント配線板へのはんだ付けの一工程を示す部分断面図である。 同実施の形態において、取り替え可能な内壁部を有するノズル本体を備えたはんだ付けノズルを示す部分断面図である。 本発明の実施の形態２に係る、はんだ付け装置におけるはんだ付けノズルを示す部分断面図である。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係るはんだ付けノズルと、それを備えたはんだ付け装置について説明する。図１に示すように、はんだ付け装置１には、はんだ槽２に貯留された溶融はんだ３をプリント配線板（図示せず）へ向けて噴出するはんだ付けノズル４と、そのはんだ付けノズル４に溶融はんだ３を圧送するプロペラ１１とが設けられている。プロペラ１１は、はんだ付けノズル４のほぼ直下に配置され、駆動部１３によって駆動される。溶融はんだとして、たとえば、鉛フリーはんだ（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）が用いられる。

はんだ付けノズル４の構造について、もう少し詳しく説明する。はんだ付けノズル４は、ノズル本体５とノズル支持体８からなり、ノズル本体５は、外壁部６および内壁部７によって形成されている。内壁部７は、外壁部６に対して取り付けおよび取り外し可能（取り替え可能）とされる。内壁部７が取り付けられた状態では、内壁部７は、外壁部６に隙間なく接触するとともに、ノズル支持体８の平板部９に隙間なく接触する。

内壁部７として、たとえば、直径（開口径）５ｍｍの小径の噴出し口７７ａが形成された円筒状の内壁部７ａが用いられている。開口径を小さくする（５ｍｍ以下）ほど、溶融はんだの流速が高くなり、未はんだ不良を抑制するのに効果がある。噴出し口７７ａを通る溶融はんだとの濡れ性を高めるため、内壁部７，７ａは、はんだに対して濡れ性の高い金属として、たとえば、鉄から形成されている。プロペラ１１によって圧送された溶融はんだ３は、図２に示すように、外壁部６に触れることなく、内壁部７，７ａの噴出し口７７ａ内を流れ、噴出し口７７ａの開口端から噴出されることになる。

次に、上述したはんだ付け装置による、プリント配線板への電子部品のはんだ付け（噴流はんだ付け）について説明する。まず、プリント配線板に実装すべき電子部品がプリント配線板における所定の位置に仮固定（配置）される。図３に示すように、電子部品２３の電極端子２４のそれぞれが、対応する所定の電極パッド２２に接触するように、電子部品２３が接着剤２５によってプリント配線板２１に仮固定される。

次に、図４に示すように、電子部品が仮固定されているプリント配線板２１の表面がはんだ付けノズル４と対向するように、プリント配線板２１を所定の位置に配置する。次に、図５に示すように、駆動部１３によりプロペラ１１を駆動させて、溶融はんだ３をはんだ付けノズル４へ圧送し、はんだ付けノズル４の噴出し口７７ａから溶融はんだ３をプリント配線板２１へ向けて噴出させる。

このとき、後述するように、小径の噴出し口７７ａから安定的に高い圧力をもって、指向性よく溶融はんだ３が噴出することで、図６に示すように、電子部品２３を覆うように存在していたフラックスガスや空気が押し出されて、溶融はんだ３が、電子部品の電極端子２４と電極パッド２２に容易に接触する。

はんだ付けの条件の一例として、溶融はんだ３の温度は約２５０℃とされ、噴出し口７ａから噴出する溶融はんだ３の流速は約０．３ｍ／秒とされる。また、プリント配線板２１に溶融はんだ３を噴き付ける時間は、約１０秒程度とされる。

溶融はんだ３を電極端子２４等に接触させた後、プリント配線板２１等を冷却させることによって、図７に示すように、電極端子２４が電極パッド２２にはんだ付け（はんだ３３）される。こうして、電子部品２３が、はんだ付けによってプリント配線板２１に実装されたプリント回路基板２０が得られる。

上述したはんだ付け装置によれば、噴流はんだ付けにおける未はんだ不良を防止し、安定した信頼性の高いプリント回路基板を得ることができる。このことについて、比較例を交えて説明する。

図８に示すように、従来のはんだ付け装置によるはんだ付けでは、はんだ付けノズル１０５から噴流した溶融はんだ１０３がプリント配線板１２１に接触する際に、フラックスガスや空気１３０が電子部品１２３を覆うように存在する。このため、溶融はんだ１０３が、プリント配線板１２１の電極パッド１２２に接触するのが妨げられてしまい、はんだが電極パッド１２２および電極端子１２４に良好に付着しない（未はんだ不良）ことがある。

このような問題点に対して、比較例１（特公平０３−０７３１５６号公報）に係る手法では、小径の噴出し口を有するはんだ付けノズルから溶融はんだを勢いよく噴出させることで、未はんだ不良を防止しているとはいえ、溶融はんだを噴出する噴出し口が小径であるため、はんだ酸化物やフラックスのカスなどの異物が噴出し口の内壁に付着した場合には、噴流が安定しないことが想定される。また、噴出し口に異物が詰まった場合には、溶融はんだが噴流しないことが想定される。

一方、比較例２（特開平０８−２７９６７５号公報）に開示された手法では、はんだ付けはんだ付けノズルとはんだ槽をはんだと濡れる材質にしているものの、はんだ付けノズルやはんだ槽を構成する金属が溶融はんだに溶出する溶食現象が生じる。この現象は、無鉛はんだを用いた場合に、従来のすず鉛共晶はんだと比較して顕著になり、はんだ槽の内部が侵食されてしまうことが想定される。また、はんだ付けノズルの噴出し口の内壁が溶融はんだに侵食されると、はんだの流動状態が変化し、はんだ付け性が大きく変化することが想定される。

これらに対して、上述したはんだ付け装置１のはんだ付けノズル４では、溶融はんだを噴出する内壁部７，７ａを、はんだに対して濡れ性の高い鉄から形成したうえで、内壁部７，７ａの噴出し口７７ａの開口径が比較的小径とされる。これにより、溶融したはんだが噴出し口７７ａから噴出す際に、はんだ酸化物やフラックスのカスが噴出し口７７ａの内壁面に付着するのを抑制することができる。その結果、溶融はんだを安定した高い噴流圧力をもって噴出させて、電子部品２３をプリント配線板２１に確実にはんだ付けすることができる。

また、上述したはんだ付け装置１のはんだ付けノズル４では、図９に示すように、溶融はんだを噴出する内壁部７，７ａが交換可能とされる。これにより、内壁部７，７ａが溶融はんだに溶出した場合でも、新しい内壁部７，７ａに取り替えることで、はんだ付け性の経時変化を抑えることができる。

このことについて、もう少し詳しく説明する。はんだに対して濡れ性の高い鉄から形成された内壁部は、時間の経過とともに溶融はんだによって腐食されてしまう。このため、内壁部の平坦性が失われてしまったり、噴出し口の開口径が徐々に大きくなってしまい、時間の経過とともに、はんだ付けの状態（はんだ付け性）が良好な状態から徐々に悪い状態なることが想定される。

上述したはんだ付けノズル４では、内壁部７，７ａを交換可能にすることで、たとえ、内壁部７，７ａが溶融はんだに溶出したり、噴出し口７７ａが侵食される場合であっても、使用を開始してから所定の時間を経過した内壁部７、７ａをはんだ付けノズル４から取り外し、これを新しい内壁部に取り替えることができる。これにより、はんだ付け性の経時変化を抑えて、電子部品をプリント配線板に安定にはんだ付けすることができる。

実施の形態２
本発明の実施の形態２に係るはんだ付け装置のはんだ付けノズルのバリエーションの一例について説明する。はんだ付けノズルの内壁部の噴出し口の開口径は、円筒状の内壁部の肉厚を変更することによって、任意の開口径に変更することが可能である。ここでは、前述した噴出し口よりも開口径の小さい噴出し口を有するはんだ付けノズルについて説明する。

図１０に示すように、はんだ付け装置のはんだ付けノズル４には、内壁部７として、前述した噴出し口７７ａよりも開口径を小さくした噴出し口７７ｂを有する内壁部７ｂが、はんだ付けノズル４に取り替え可能に取り付けられている。なお、これ以外の構成については、図１に示すはんだ付け装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を繰り返さないこととする。

次に、上述したはんだ付け装置による電子部品のプリント配線板へのはんだ付けについて説明する（噴流はんだ付け）。はんだ付けの手順は、前述したはんだ付け装置による手順と実質的に同じである。溶融はんだ３をはんだ付けノズル４へ圧送し、はんだ付けノズル４の内壁部７，７ｂの噴出し口７７ｂから溶融はんだ３をプリント配線板２１へ向けて噴出させることによって、電子部品がプリント配線板にはんだ付けされることになる。

ここで、内壁部７，７ｂの噴出し口７７ｂの開口径を小さくするほど、溶融はんだの噴出圧力が増大して、電子部品の周辺に存在する空気やフラックスガスを押し出す能力が大きくなる。上述したはんだ付け装置では、内壁部７，７ｂの噴出し口７７ｂの開口径が、前述した噴出し口７７ａの開口径よりも小さく設定されている。これにより、噴出し口７７ｂから噴出する溶融はんだの噴出圧力が増大し、電子部品の周辺に存在する空気やフラックスガスが確実に押し出されて、溶融はんだがより容易に電子部品の電極端子と電極パッドに接触する。その結果、電子部品をプリント配線板に確実にはんだ付けすることができる。

しかも、前述したように、溶融はんだを噴出する内壁部７，７ｂを、はんだに対して濡れ性の高い鉄から形成することで、溶融したはんだが噴出し口７７ｂから噴出す際に、はんだ酸化物やフラックスのカスが噴出し口７７ｂの内壁面に付着するのを抑制することができる。その結果、溶融はんだを安定した高い噴流圧力をもって噴出させて、電子部品をプリント配線板に確実にはんだ付けすることができる。

また、内壁部７，７ｂを取り替え可能とすることで、はんだに対して濡れ性の高い内壁部７，７ｂが溶融はんだに溶出した場合でも、新しい内壁部７に取り替えることで、はんだ付性の経時変化を抑えることができる。さらに、はんだ付けする電子部品やプリント配線板に応じて、適切な噴出し口の開口径を設定することで、所望の噴流形状と圧力をもって溶融はんだを噴出し口から噴出させることができ、電子部品をプリント配線板に確実にはんだ付けすることができる。

なお、上述した各実施の形態では、ノズル本体５の内壁部７が鉄から形成された場合を例に挙げて説明した。内壁部７としては、はんだに対して濡れ性の高い材料であれば、鉄に限られず、たとえば、ニッケル、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属から形成された内壁部であってもよい。また、たとえば、ニッケルめっき処理のように、溶融はんだと接触する表面に濡れ性の高い材料を形成するようにしてもよい。

さらに、内壁部７として、円筒状の内壁部を例に挙げて説明した。内壁部としては、噴出し口の断面積が、溶融はんだを高い圧力をもって指向性よく噴出させることができれば、円筒状のものに限られず、たとえば、噴出し口の開口形状が四角形や五角形の筒状のものでもよい。

また、はんだ付けの条件として示した溶融はんだの温度、噴出し流速および浸漬時間の数値は一例であって、これらに限定されるものではない。さらに、溶融はんだをノズル４へ向けて送り出すのに、ノズル４のほぼ直下に配置されたプロペラ１１によって溶融はんだを圧送する場合を例に挙げて説明した。プロペラを配置する位置としては、溶融はんだをノズル４へ向けて送り出すことができれば、ノズル４の直下に限られない。また、プロペラ以外に、たとえば、ポンプを用いて溶融はんだを送り出すようにしてもよい。

さらに、溶融はんだとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）を例に挙げたが、このようなＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ以外に、たとえば、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ（鉛含有）等を適用してもよい。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、噴流はんだ付けに有効に利用される。

１ はんだ付け装置、２ はんだ槽、３ 溶融はんだ、３３ はんだ、４ はんだ付けノズル、５ ノズル本体、６ 外壁部、７，７ａ，７ｂ 内壁部、７７ａ，７７ｂ 噴出し口、８ ノズル支持体、９ 平板部、１１ プロペラ、１３ 駆動部、２０ プリント回路基板、２１ プリント配線板、２２ 電極パッド、２３ 電子部品、２４ 電極端子、２５ 接着剤。

Claims (5)

1. 電子部品をプリント配線板にはんだ付けするための溶融はんだを噴出するはんだ付けノズルであって、
   ノズル本体と、
   前記ノズル本体を支持するノズル支持体と
   を有し、
   前記ノズル本体は、
   前記ノズル支持体に設けられた外壁部と、
   前記外壁部の内側に接触する態様で取り替え可能に装着され、所定の開口径の噴出し口を有し、少なくともはんだに接触する表面がはんだに対して濡れ性を有する材料から形成された内壁部と
   を備えた、はんだ付けノズル。
2. 前記内壁部は、
   前記噴出し口の開口径として、一の開口径の噴出し口を有する一の内壁部と、
   前記一の開口径とは異なる他の開口径の噴出し口を有し、前記一の内壁部と取り換え可能な他の内壁部と
   を備えた、請求項１記載のはんだ付けノズル。
3. 前記ノズル支持体は、前記内壁部が前記外壁部に装着された状態で前記内壁部の底が接触する平板部を有する、請求項１または２に記載のはんだ付けノズル。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ付けノズルを備えた、はんだ付け装置。
5. 溶融はんだを貯留するはんだ槽と、
   前記はんだ槽に貯留された前記溶融はんだを、前記はんだ付けノズルへ向けて送り出す送り出し部と
   を備えた、請求項４記載のはんだ付け装置。

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