JP2014120649A - 加熱ヘッド、この加熱ヘッドを用いた半田付け装置、及び半田付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業性及びエネルギー効率が高く、熱容量が大きな部品であっても基板に好適に実装できる加熱ヘッド、半田付け装置、及び半田付け方法を提供する。
【解決手段】軟磁性材料からなり一部に開裂部２ａが設けられた回路状の導磁部材２と、当該導磁部材２に巻回された誘導加熱コイル３と、導磁部材２の開裂部２ａに半田を供給するための半田供給装置４とからなることを特徴とする加熱ヘッド１ｈ、これを用いた半田付け装置１、及び半田付け方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱方式の加熱ヘッド、この加熱ヘッドを用いた半田付け装置、及び半田付け方法に係り、作業性及びエネルギー効率が高く、特に、熱容量が大きな電子部品を基板に効率よく半田付けすることができる加熱ヘッド、半田付け装置、及び半田付け方法に関する。

従来より、電子部品の電子回路基板への実装は半田付けや導電性接着剤によって行われており、特に近年では、電子回路基板上の所定の位置にクリーム状の半田を塗布し、その上に電子部品を載置し、その後リフロー炉で熱を加えて半田を溶融固化することにより部品を基板に固定する、いわゆる表面実装といわれる方法が主流である（例えば特許文献１）。

しかしながら、上記の表面実装により大きなコンデンサーやトランスのような熱容量が大きな部品を実装しようとすれば、リフロー炉の熱が部品に奪われて半田の温度が上昇せず、うまく半田付けできないという欠点がある。そのため、熱容量が大きな部品については別の方法で半田付けすることになる。
熱容量が大きな部品を取り付けることができる最も単純な方法は半田ごてによる半田付けであるが、半田ごてによる半田付けは自動化が困難なため作業が煩雑になるばかりでなく、こて先がすぐに消耗して頻繁に取り替える必要が生じるので、作業性が悪くコストが高くなる。
そこで、自動化が容易で非接触的に半田を加熱できる方法として、誘導加熱方式の半田付け方法が採用されることがある（例えば特許文献２）。

特開平６−３７４４０号公報 特開２０００−４２７３０号公報

しかしながら、一般に誘導加熱方式における加熱コイル（以後、誘導加熱コイルと称する）に用いる導線は、自家発熱を押さえるための冷却水を通す水路が内部に設けられている複雑な構造になっているので、誘導加熱コイル自体の小型化には限界がある。具体的には、小型の誘導加熱コイルでも通常は直径１５ｍｍ程度と比較的広いのに対し、電子部品を実装する際の半田付け部位の幅は細い線の場合は０．５ｍｍ程度と比較的狭いので、通常の誘導加熱コイルを用いると加熱の必要がない部分まで加熱することになり、エネルギー効率が悪くなるという欠点がある。そればかりでなく、半田付けした部分の冷却にも余分な時間がかかるので、生産性の面でも十分でない。

このような欠点を解消するため、特許文献２ではワーク上の半田付け部位を挟んで一対のチップを対向配置し、半田付け部位が微小であるときには、チップの先端部を微小化することによって加熱範囲を微小化し、エネルギーの浪費や生産性の低下を防いでいる。
しかしながら、この方法によればワーク上に半田付け部位が２箇所以上ある場合、一の部位を半田付けしてから次の部位に進むときに、実装途中の大きな部品がチップ移動の邪魔になるため、大きな部品の周りを迂回させてチップを移動する必要が生じ、そのため作業性が悪化する。チップ間の距離を部品の厚みよりも大きくすれば迂回の必要はなくなるが、その場合には磁束が拡がってしまうため広い範囲を加熱することになり、エネルギーの浪費や生産性の低下を防ぐ効果が得られない。

本発明は上記従来技術の問題点を解消し、作業性及びエネルギー効率が高く、熱容量が大きな部品であっても基板に好適に実装できる加熱ヘッド、半田付け装置、及び半田付け方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の特徴の第１は、軟磁性材料からなり一部に開裂部が設けられた回路状の導磁部材と、当該導磁部材に巻回された誘導加熱コイルと、導磁部材の開裂部に半田を供給するための半田供給装置とからなる加熱ヘッドを内容とする。

本発明の特徴の第２は、半田供給装置により供給される半田が糸半田であり、半田供給装置は糸半田を開裂部に送入する順送り機能と、開裂部内の糸半田を半田供給装置内に退出させる逆送り機能を有する上記の加熱ヘッドを内容とする。

本発明の特徴の第３は、上記の加熱ヘッドと、半田付け対象物を載置するためのワークステージと、加熱ヘッドを半田付け対象物の半田付け部位に近接させるための移動手段と、誘導加熱コイルに高周波電流を供給するための電源部を有する半田付け装置を内容とする。

本発明の特徴の第４は、上記の加熱ヘッドを用いた半田付け方法であって、半田付け対象物の半田付け部位に導磁部材の開裂部を近接させてから誘導加熱コイルに高周波電流を流すことにより半田付け部位を加熱する予熱工程と、導磁部材の開裂部に半田を供給して、該半田を半溶融状態になるまで加熱し、半溶融状態の半田を半田付け部位に圧接して押し広げる半田供給工程と、押し広げた半溶融半田が溶融して半田付け部位になじむまで、半田付け部位を加熱し続ける後加熱工程と、からなる半田付け方法を内容とする。

本発明の接続装置における加熱ヘッドは、誘導加熱コイルを使用しているので、半田付けの時間を短くすることができ、生産性を向上させて電子回路基板への電子部品の実装コスト等を下げることができる。また、軟磁性材料からなり一部に開裂部が設けられた回路状の導磁部材を用いて、開裂部から漏れた磁束によりタブと電気接点の半田付けが行われるので、加熱する範囲を必要最小限にまで狭めることができ、その分エネルギー効率が高くなり、生産性も向上する。さらに、構造が単純で扱いやすく、作業性に優れる。

導磁部材の開裂部に半田を送入することにより、半田を加熱ヘッドに接触させることなく半溶融状態にすることができ、所定の部位に容易に半溶融状態の半田を付着させることができる。また、半田を開裂部から退出させることにより、半田の加熱を止めることができるので、制御が容易である。

図１は本発明の加熱ヘッドをしめす概略斜視図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は導磁部材の別例をしめす概略説明図である。 図３は半田供給ノズルの一例を示す概略断面図である。 図４は本発明の半田付け装置を示す概略平面図である。

本発明の加熱ヘッド１ｈは、図１に示すように、軟磁性材料からなり一部に開裂部２ａが設けられた回路状の導磁部材２と、当該導磁部材２に巻回された誘導加熱コイル３と、導磁部材２の開裂部２ａに半田Ｈを供給するための半田供給装置４とからなることを特徴とする。

本発明の加熱ヘッド１ｈは、図１に示すように、導磁部材２と誘導加熱コイル３と半田供給装置４とからなる。図中、４ａは半田供給装置本体（図示せず）から送出される半田を通すためのチューブであり、４ｂはチューブ４ａを通って送出された半田を吐出するノズルであり、Ｈは糸半田である。
本例において、導磁部材２は支持部材５によって移動手段（図示せず）に支持されており、ノズル４ｂは支持部材５から伸びる分枝５ａによって支持されている。なお、分枝５ａはノズル４ｂの取り付け角度を自在に変更できるように構成されている。
また、支持部材５には互いに電気的に接続された入力端子５ｂと出力端子５ｃが設けられており、電源部（図示せず）から供給される電流を伝えるためのケーブル５ｄが入力端子５ｂに接続されるとともに、誘導加熱コイル３が出力端子５ｃに接続されている。

本発明における誘導加熱コイル３は導磁部材２に巻回されると共に、高周波電流を発生させる電源部（図示せず）と接続されているので、高周波電流を誘導加熱コイル３に流すことにより導磁部材２内に急速な磁束の変化が起こる。
誘導加熱コイル３の材質、構造は、高周波電流により過度に発熱しない限り特に限定されないが、高周波電流を流しても発熱しにくいリッツ線のような部材を用いて誘導加熱コイル３を形成するのが好ましい。また、誘導加熱コイル３を形成する導線を中空管状にして、導線の中に冷却水を通すことにより、自己発熱による熱を冷却するように構成することもできる。

誘電加熱に用いる高周波電流の周波数は、半田付けのための適切な温度に加熱できる程度とすれはよく、具体的な周波数は半田付け対象物の大きさや半田の溶融温度等によっても異なるが、電子部品を電子回路基板に半田付けにより実装する場合には、通常１５０〜４００ｋＨｚ程度、特に細い配線を半田付けする場合で１ＭＨｚ程度の周波数が使用されている。

誘導加熱コイル３の巻数も、半田付けのための適切な温度に加熱できる程度とすればよい。図１には、１回巻回された誘導加熱コイル３が記載されているが、これに限定されず、通常は１〜３回程度巻回させることにより十分な温度が得られる。

本発明において、導磁部材２は誘導加熱コイル３から発せられる磁束を半田付け対象物に効率よく作用させるためのものであるので、透磁性が高いことが必要であり、従って、本発明では軟磁性材料からなる導磁部材２が使用される。具体的な材質としては、透磁性に優れた軟磁性材料であれば特に限定されず、珪素鋼のような導電性材料でもよいが、抵抗率が高くて１５０ｋＨｚ以上の高周波を利用しても比較的発熱しにくいフェライトが好ましい。好適なフェライトの例としては、マンガン亜鉛フェライト、ニッケル亜鉛フェライト、銅亜鉛フェライト等が挙げられ、市販品としてはＦｅｒｒｏｔｒｏｎ（商品名、Ｆｌｕｘｔｒｏｌ社製）が例示できる。

導磁部材２の材質として導電性を有する物質を使用する場合には、誘導加熱コイル３と導磁部材２の間に絶縁体を介在させる必要がある。使用する絶縁体としては特に限定されないが、シリコン樹脂やポリイミド樹脂が例示できる。
絶縁の方法も特に限定されず、誘導加熱コイル３と導磁部材２の間にシート状の絶縁体を介在させてもよいし、あるいは絶縁テープを巻き付ける等の方法により、誘導加熱コイル３と導磁部材２のいずれか一方又は両方の周りを絶縁体で被覆することもできる。

特に、誘導加熱コイル３を形成する導線を中空管状にして、導線の中に冷却水を通す場合、熱伝導率の高い絶縁体を使用することにより、導磁部材２を同時に冷却することができるので好ましい。このような熱伝導率の高い絶縁体としては、セラミックスフィラーをシリコーンに高充填した材料、例えば、電気化学工業株式会社製、商品名：デンカ放熱シート等が例示できる。

導磁部材２の形状は、一部に開裂部２ａが設けられた回路状とされる。なお、本発明において回路状とは、誘導加熱コイル３に通電することにより、内部に磁気回路が形成される形状をいい、典型的にはリング状が例示されるが、その他矩形枠状など導磁部材を冷却するためのヒートシンクを取り付けやすい形状にしてもよいし、三角形枠状など尖端を狭い部分に差し込みやすい形状にしてもよい。
本発明においては、導磁部材２に開裂部２ａが設けられているので、この開裂部２ａから磁束が漏れ出し、この漏れた磁束の変化によって半田付け対象物に誘導加熱を引き起こし、この誘導加熱を利用して半田付けを行うことができる。
なお、開裂部２ａの大きさは特に限定されないが、開裂部２ａの幅を半田付けしたい部位の幅と同程度とすれば、周辺の余分な部分を加熱せず、半田付け部位のみを加熱することができるエネルギー効率の高い導磁部材２を容易に得ることができるので好ましい。

導磁部材２の具体的な形状は、回路状で開裂部が設けられている限り特に限定されないが、図１に示す加熱ヘッド１ｈでは、フェライトを焼結してなる、外径３６ｍｍ、内径２３ｍｍ、厚さ１５ｍｍのドーナツ状部材（所謂、トロイダルコア）に幅３ｍｍの開裂部２ａを削成してなる導磁部材が使用されている。
また、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、開裂部２ａの側面を斜面状に削成して磁束が漏れる範囲を更に狭くすることにより、磁束を集中させやすくなり、一層小さな範囲を加熱することができる。これに加え、切削して薄くなった開裂部２ａ近辺で発生した熱を発熱しにくい非切削部分に逃がし、効果的に冷却することができる。
あるいは図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、開裂部２ａが斜めになるように導磁部材２を曲げるとともに、ノズル４ｂから吐出される半田Ｈの向きが開裂部２ａの向きと同じになるようにすれば、吐出された半田Ｈを好適に溶融させることができる。

本発明における半田供給装置４は開裂部２ａに半田Ｈを供給するためのものである。この半田供給装置４から供給される半田Ｈは未溶融であるが、開裂部２ａの中で加熱溶融され、半田付け部位に付着される。この際、半田Ｈを完全に溶融するのではなく、半溶融状態にするほうが好ましい。
詳述すれば、本発明において半田Ｈは半田供給装置４により、ノズル４ｂから導磁部材２の開裂部２ａに送入され、開裂部２ａで加熱されて好ましくは半溶融状態になり、この半溶融状態の半田Ｈが半田付け部位に圧接されて押し広げられることにより、半田Ｈが半田付け部位に付着する。なお、半田Ｈが斜め方向に送入されると、半溶融状態の半田Ｈが途中部分から垂れて、意図しない部分に半田Ｈが付着する可能性があるので、半田Ｈは真下に向けて送入するほうが好ましい。

開裂部２ａに供給される半田Ｈの種類は特に限定されず、例えば半田ごてを用いた通常の半田付けによく用いられる糸半田でも利用することができる。半田供給装置４は開裂部２ａに供給する半田Ｈの種類に応じて適宜選択すればよい。好ましくは、図３に示すように、半田供給装置本体側から半田Ｈ（糸半田）とともに気体Ｇ（空気や不活性気体、好ましくは窒素ガス）を送出することにより、半田付け部位で蒸発しノズル４ｂに蒸着するフラックスを吹き飛ばすように構成すればよい。
また、本発明においては、半田Ｈを開裂部に送入する順送り機能と、開裂部内の半田Ｈを半田供給ノズル内に退出させる逆送り機能を有する半田供給装置４を使用するのが好ましい。このようにすれば、必要量の半田Ｈが供給された後は、半田Ｈを導磁部材２の開裂部２ａからノズル内に退出させ、半田Ｈがそれ以上加熱されるのを防ぐことができる。即ち、導磁部材２の開裂部２ａ内への半田Ｈの送入、退出のタイミングを制御することにより、供給する半田Ｈの量を調節でき、適切な量の半田Ｈを半田付け部位に付着させることができる。
このような半田供給装置４として、市販品としてはアポロ精工社製の糸はんだ送りフィーダー、型番：ＳＳＡが例示できる。

本発明の加熱ヘッド１ｈは、例えば図４に示すような、ワークＷ（半田付け対象物）を載置するためのワークステージ６と、加熱ヘッド１ｈを半田付け部位に近接させるための移動手段７と、誘導加熱コイルに高周波電流を供給するための電源部８等を備えた半田付け装置１における加熱ヘッドとして好適に用いることができる。

本発明の半田付け装置１で用いるワークステージ６はワークＷを載置できる限り特に限定されないが、自動化の際の作業性を考慮してワークＷを上流の工程から導入、及び／又は下流の工程へ送出させる手段を備えたものが好ましい。あるいはベルトコンベアのような移動装置の上面をそのままワークステージ６として利用してもよい。

本発明の半田付け装置１において、加熱ヘッド１ｈは複数の半田付け部位を一つづつ順番に半田付けするように構成される。加熱ヘッドを複数の半田付け部位の間で移動させるための移動手段７は特に限定されないが、通常は三軸駆動装置が使用される。あるいはワークステージ６としてベルトコンベアのような移動装置を用いる場合、この移動装置をＸ軸方向の駆動装置として用い、残るＹ軸及びＺ軸上で駆動する二軸駆動装置を移動手段７としてもよい。

本発明の半田付け装置１で使用する電源部８は、誘導加熱に必要な高周波電流を誘導加熱コイル３に通電することができれば特に限定されず、通常の誘導加熱装置に用いられる高周波電源が全て好適に使用できる。

本発明の半田付け装置１を用いて半田付けを行うには、まず、半田付け部位に導磁部材２の開裂部２ａを近接させてから誘導加熱コイル３に高周波電流を流すことにより、半田付け部位（電子部品を電子回路基板へ実装する場合は、基板上のラウンド及び電子部品のリード線）を予熱する。予熱の温度は使用する半田によって異なるが、概ね、半田の融点と同程度が好ましい。

半田付け部位を予熱した後、導磁部材２の開裂部２ａに適量の半田を送入する。このとき、導磁部材２には高周波電流が流れているので、送入された半田は加熱溶融され、半田付け部位に付着される。なお、上記した通り、半田は完全に溶融するのではなく、半溶融状態にするほうが好ましい。半溶融状態の半田は外力がかからない状態では一応原形を保っているが、外力により容易に変形するので、半溶融状態の半田を半田付け部位に圧接することにより、この半田は好適に押し広げられる。なお、半溶融状態にならない共昌半田の場合は、半田付け部位を共昌半田の融点を超える温度に加温してから、共昌半田を融点の間際まで加温し、この共昌半田を半田付け部位に押し付けて半田付け部位の熱を半田に移行させることにより半田を溶解させればよい。

半田を半田付け部位に付着させた後、付着した半田が半田付け部位になじむまで誘導加熱コイルに高周波電流を流し続け、その後に加熱を終了することにより半田付けが完了する。
溶融半田を半田付け部位になじませる時間は特に限定されないが、通常は溶融半田が半田付け部位に付着してから１〜２秒程度である。
また、加熱の終了は高周波電源をオフにすることによって行ってもよいが、多数の半田付けを連続的に行う場合には、頻繁な電源のオン／オフを避けるため、単に半田付け部位から加熱ヘッド１ｈを遠ざけるだけでもよい。

本発明の加熱ヘッド１ｈ及び半田付け装置１は半田付け一般に用いることができるが、特に、電子回路基板への電子部品の実装の際の半田付け用として好適に用いることができる。
電子部品の実装用として用いる場合、本発明の半田付け装置１だけで全ての部位を半田付けしてもよいし、リフロー炉と併用して、リフロー炉で半田付けできないような大きな電子部品のみを本発明の加熱ヘッド１ｈ及び半田付け装置１で半田付けしてもよい。リフロー炉を併用する場合、本発明の半田付け装置１による半田付けはリフロー炉による加熱の前でも後でもよいが、リフロー炉による加熱の前に本発明の半田付け装置１を用いれば、リフロー炉による加熱が本発明の半田付け装置１における後加熱工程と同じ役割を果たすので、本発明の半田付け装置１による後加熱工程を省略できる点で好ましい。

叙上のとおり、本発明の加熱ヘッド、この加熱ヘッドを用いた半田付け装置、及び半田付け方法によれば、加熱ヘッドが、軟磁性材料からなり一部に開裂部が設けられた回路状の導磁部材と、当該導磁部材に巻回された誘導加熱コイルからなるので、電子部品のリード線のような極めて小さな部分であってもその部分だけをピンポイントで加熱し、他の部分を加熱しないので、エネルギー効率を向上させることができる。

１ 半田付け装置
１ｈ 加熱ヘッド
２ 導磁部材
２ａ 開裂部
３ 誘導加熱コイル
４ 半田供給装置
４ａ チューブ
４ｂ ノズル
５ 支持部材
５ａ 分枝
５ｂ 入力端子
５ｃ 出力端子
５ｄ ケーブル
６ ワークステージ
７ 移動手段
８ 電源部
Ｈ 半田
Ｗ ワーク
Ｇ 気体

Claims (4)

1. 軟磁性材料からなり一部に開裂部が設けられた回路状の導磁部材と、当該導磁部材に巻回された誘導加熱コイルと、導磁部材の開裂部に半田を供給するための半田供給装置とからなることを特徴とする加熱ヘッド。
2. 半田供給装置により供給される半田が糸半田であり、半田供給装置は糸半田を開裂部に送入する順送り機能と、開裂部内の糸半田を半田供給装置内に退出させる逆送り機能を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱ヘッド。
3. 請求項１又は請求項２に記載の加熱ヘッドと、半田付け対象物を載置するためのワークステージと、加熱ヘッドを半田付け対象物の半田付け部位に近接させるための移動手段と、誘導加熱コイルに高周波電流を供給するための電源部を有することを特徴とする半田付け装置。
4. 請求項１又は２に記載の加熱ヘッドを用いた半田付け方法であって、
   半田付け対象物の半田付け部位に導磁部材の開裂部を近接させてから誘導加熱コイルに高周波電流を流すことにより半田付け部位を加熱する予熱工程と、
   導磁部材の開裂部に半田を供給して、該半田を半溶融状態になるまで加熱し、半溶融状態の半田を半田付け部位に圧接して押し広げる半田供給工程と、
   押し広げた半溶融半田が溶融して半田付け部位になじむまで、半田付け部位を加熱し続ける後加熱工程と、
   からなることを特徴とする半田付け方法。

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