JP2022174438A - 半田付け方法および半田付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予備半田層が表面に形成されたランドやパッドと電子部品の電極とを半田付けする場合に半田ボールが生成しないようにする。【解決手段】略筒形状で上下方向に貫通した半田孔５１を有し加熱可能な鏝先５ａを用いて、プリント回路基板ＣＢの表面の予備半田層ＰＳが予め形成されたランドＬｄと電子部品Ｅｐのピン電極Ｐとを半田付けする方法であって、鏝先５ａの下面をプリント回路基板ＣＢに接触させる工程と、半田孔５１内に半田片Ｗｈを供給する工程と、供給された半田片Ｗｈを半田孔５１内で加熱溶融させてランドＬｄと電子部品Ｅｐのピン電極Ｐとを半田付けする工程とを有する。そして、鏝先５ａとして下面に凹部５２が設けられたものを用い、凹部５２の底面には半田孔５１の下端開口が形成され、平面視において凹部５２の内周面は予備半田層ＰＳを囲むように位置する。【選択図】図１

Description

本発明は半田付け方法および半田付け装置に関するものである。

近年、各種機器のほとんどには電子部品を実装したプリント回路基板が搭載されている。このプリント回路基板の作製過程において、各種の電子部品をプリント回路基板の配線パターン（ランド，パッド）に接合する処理等のため半田付け作業がなされる。また半田付け作業を機械的に実現させるため半田付け装置が各種提案されすでに使用されているものもある。

例えば半田付け装置の一つとして、半田片（半田層内部にフラックスの層が設けられた糸半田を切断したもの）を、円筒状の鏝先の軸方向に貫通した半田孔内に供給し、半田孔内で加熱し溶融した半田を下方へ供給して半田付けを行うものがある（例えば特許文献１等）。

また、半田付けをより確実に行う等の観点から、プリント回路基板のランドやパッドの表面にスクリーン印刷によってソルダーペーストを塗布して予備半田層を予め形成しておくことも行われている（例えば特許文献２等）。

特開２００９－１９５９３８号公報 特開２０１０－８０９４５号公報

前述の半田孔内で半田片を加熱溶融して半田付けを行う装置を用いて、予備半田層が表面に形成されたランドやパッドと電子部品の電極とを半田付けした場合、ランドやパッドの周囲に溶融半田が飛散して半田ボールが生成されることがあった。半田ボールが生成されると半田ボールが配線と配線との間に入り込んで回路をショートさせることがあった。

本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、円筒状の鏝先の半田孔内で半田片を加熱溶融して半田付けを行う装置を用いて、予備半田層が表面に形成されたランドやパッドと電子部品の電極とを半田付けする場合に半田ボールが生成しないようにすることにある。

前記目的を達成する本発明に係る半田付け方法の一実施形態は、略筒形状で上下方向に貫通した半田孔を有し加熱可能な鏝先を用いて、プリント回路基板の表面の予備半田層が予め形成されたランド又はパッドと電子部品の電極とを半田付けする方法であって、前記鏝先の下面を前記プリント回路基板に接触させる工程と、前記半田孔内に半田片を供給する工程と、供給された前記半田片を前記半田孔内で加熱溶融させて前記ランド又は前記パッドと前記電子部品の電極とを半田付けする工程とを有し、前記鏝先として下面に凹部が設けられたものを用い、前記凹部の底面には前記半田孔の下端開口が形成され、平面視において前記凹部の内周面は前記予備半田層を囲むように位置することを特徴とする。

このような構成の半田付け方法では、鏝先の下面がプリント回路基板に接触したときに、鏝先の下面に形成された凹部がランド又はパッドの表面の予備半田層の周囲を囲むので、溶融した予備半田層が鏝先から外に押し出されてランド又はパッドの周囲に飛散することが防止される。

上記構成の半田付け方法において、前記凹部の上下方向深さが前記予備半田層の上下方向厚みよりも深いのが好ましい。

このような構成によれば、プリント回路基板と鏝先の凹部とで予備半田層を完全に取り囲むことが可能となる。

また上記構成の半田付け方法において、前記凹部の上下方向深さは２５μｍ以上５００μｍ以下であるのが好ましい。

また上記構成の半田付け方法において、電子部品の部品本体から外方に突出したピン電極をプリント回路基板板のスルーホールに挿通して前記スルーホールの外周縁に形成されたランドに前記ピン電極を半田付けする場合、前記半田孔はその下端部に半径方向外方に拡大した拡大部を有し、前記拡大部の上下方向長さと前記凹部の上下方向深さの和は、前記ピン電極の前記プリント回路基板の表面からの突出長さよりも長いのが好ましい。

また前記目的を達成する本発明に係る半田付け装置の一実施形態は、プリント回路基板の表面の予備半田層が予め形成されたランド又はパッドと電子部品の電極とを半田付けする半田付け装置であって、略筒形状で上下方向に貫通した半田孔を有し加熱可能な鏝先と、半田片を前記半田孔内へ供給する半田片供給手段と、前記鏝先を加熱する加熱手段と、前記鏝先と前記プリント回路基板とを接触方向及び離間方向に相対的に移動させる移動手段とを有し、前記鏝先は下面に凹部を有し、前記凹部の底面には前記半田孔の下端開口が形成され、平面視において前記凹部の内周面は前記予備半田層を囲むように位置することを特徴とする。

前記構成の装置において、前記凹部の上下方向深さは前記予備半田層の上下方向厚みよりも深いのが好ましい。

前記構成の装置において、前記凹部の上下方向深さは２５μｍ以上５００μｍ以下であるのが好ましい。

前記構成の装置において、電子部品の部品本体から外方に突出したピン電極をプリント回路基板板のスルーホールに挿通して前記スルーホールの外周縁に形成されたランドに前記ピン電極を半田付けする場合、前記半田孔はその下端部に半径方向外方に拡大した拡大部を有し、前記拡大部の上下方向長さと前記凹部の上下方向深さの和が、前記ピン電極の前記プリント回路基板の表面からの突出長さよりも長いのが好ましい。

また前記目的を達成する本発明に係る鏝先の一実施形態は、前記のいずれかに記載の半田付け装置に用いる鏝先であって、略筒形状で上下方向に貫通した半田孔を有し、下面に凹部を有し、前記凹部の底面には前記半田孔の下端開口が形成され、平面視において前記凹部の内周面が前記予備半田層を囲むように位置することを特徴とする。

本発明に係る半田付け方法および半田付け装置によれば、予備半田層が表面に形成されたランドやパッドと電子部品の電極とを半田付けする場合に半田ボールを生成させないようにすることができる。

第１実施形態に係る鏝先５ａとプリント回路基板ＣＢの垂直断面図である。 プリント回路基板ＣＢのランドＬｄの拡大平面図である。 鏝先５ａとプリント回路基板ＣＢとが接触した状態を示す垂直断面図である。 半田片Ｗｈが半田孔５１に供給されたときの状態を示す垂直断面図である。 予備半田層ＰＳと半田片Ｗｈが溶融したときの状態を示す垂直断面図である。 ピン電極ＰとランドＬｄとが半田付けされた状態を示す垂直断面図である。 凹部５２の深さｄｐの浅い鏝先５ｂを用いたときの状態を示す垂直断面図である。 凹部５２の深さｄｐの浅い鏝先５ｂを用いたときの状態を示す垂直断面図である。 鏝先の他の例を示す垂直断面図である。 本発明の実施形態にかかる半田付け装置ＡＰの一例の斜視図である。 装置本体Ａ１の内部構造を示す斜視図である。 図２に示す装置本体Ａ１の概略垂直断面図である。 図２に示す装置本体Ａ１に設けられた駆動機構の一部の分解斜視図である。 半田ボールが生成される原因（機構）についての説明図である。 半田ボールが生成される原因（機構）についての説明図である。 半田ボールが生成される原因（機構）についての説明図である。

本発明者は、半田孔内で半田片を加熱溶融して半田付けを行う装置を用いて、予備半田層が表面に形成されたランドやパッドと電子部品の電極とを半田付けする場合に、ランドやパッドの周囲に半田ボールが生成される原因について種々検討を重ねた。その結果、鏝先の下面が予備半田層に接触し、鏝先によって圧力が加わった状態で予備半田層が加熱、溶融されることが大きな原因であるとの知見を得た。本発明はこの知見に基づき成されたものである。

まず、従来の半田付け装置において半田ボールが生成される原因（機構）について図１４～図１６を用いて具体的に説明する。これらの図は鏝先５ｅとプリント回路基板ＣＢの部分垂直断面図である。

鏝先５ｅは、円筒形状の部材であり、中央部分に軸方向に貫通した断面円形の半田孔５１を有する。そして半田孔５１は下端部において半径方向外方に半田孔５１の中心軸Ｃ１と同心円状に拡大した拡大部５１０を有する。鏝先５ｅは、不図示のヒーターによって加熱される。また鏝先５ｅの半田孔５１には不図示の供給手段から半田片Ｗｈ（図１６に図示）が供給される。

プリント回路基板ＣＢは、基板本体Ｂｄと、基板本体Ｂｄを上下方向に貫通するスルーホールＴｈと、基板本体Ｂｄの上下両面のスルーホールＴｈの周囲に形成されたランドＬｄと、ランドＬｄの表面に形成された予備半田層ＰＳと、ランドＬｄ（予備半田層ＰＳ）以外の基板本体Ｂｄ表面を覆うソルダーレジストＳＲとを有する。予備半田層ＰＳの上面はソルダーレジストＳＲの上面よりも上方に突出している。

電子部品Ｅｐのピン電極ＰはスルーホールＴｈを下側から上側に挿通され、ピン電極Ｐの先端はプリント回路基板ＣＢの上面から上方に突出する。

図１４に示すように、電子部品Ｅｐのピン電極Ｐとプリント回路基板ＣＢのランドＬｄとが半田付けされる場合、まず、鏝先５ｅがプリント回路基板ＣＢに対して接近する方向に相対的に移動する。そして鏝先５ｅの下面がランドＬｄ表面の予備半田層ＰＳの上面に当接する。その後、図１５に示すように、予備半田層ＰＳは、鏝先５ｅで押圧された状態で主として鏝先５ｅからの伝熱によって加熱溶融する。溶融した予備半田層ＰＳは鏝先５ｅの下面によってランドＬｄの表面に押し広げられる。そして図１６に示すように、溶融した予備半田層ＰＳの一部は鏝先５ｅの下面から鏝先５ｅの外に押し出される。鏝先５ｅから外に押し出された溶融半田は表面張力で球形化し冷却されて半田ボールＳＢとなる。

このような半田ボールＳＢの生成機構に鑑みて、本発明に係る半田付け方法及び装置では、平面視において内周面が予備半田層を囲む形状の凹部を鏝先の下面に形成することとした。

（第１実施形態）
図１に本発明の一実施形態に係る鏝先５ａとプリント回路基板ＣＢの垂直断面図を示す。図２はプリント回路基板ＣＢのランドＬｄの拡大平面図であって、ランドＬｄの上面に形成された予備半田層ＰＳと、鏝先５ａの凹部５２の内周面が破線で示されている。

鏝先５ａは円筒形状で中央部分に軸方向に貫通した断面円形の半田孔５１を有する。そして半田孔５１は下端部には半田孔５１の中心軸Ｃ１を中心として半径方向外方に同心円状に拡大した拡大部５１０を有する。また鏝先５ａの下面には半田孔５１の中心軸Ｃ１を中心として同心円状に拡大し下面からの深さｄｐの凹部５２が形成されている。換言すると、鏝先５ａの下面に形成された凹部５２の底面（上面）に半田孔５１の拡大部５１０の下端開口が形成されている。また鏝先５ａは、拡大部５１０よりも上方に半田孔５１と外周面とを連通するリリース孔５３を有する。リリース孔５３は、溶融した半田によって半田孔５１の下端開口がせき止められたときに、不図示のガス供給部から供給される窒素ガスや気化したフラックスなどを鏝先５ａの外に逃がす役割を果たす。

一方、プリント回路基板ＣＢの基板本体Ｂｄには平面視が円形状のランドＬｄが形成され、ランドＬｄの中央部にはスルーホールＴｈが形成されている。また、ランドＬｄの上面には厚さｔの予備半田層ＰＳが形成されている。ランドＬｄ（予備半田層ＰＳ）以外の基板本体Ｂｄの表面はソルダーレジストＳＲで覆われている。スルーホールＴｈには電子部品Ｅｐのピン電極Ｐが下側から上側に挿通され、ピン電極Ｐの先端はプリント回路基板ＣＢの上面から上方に突出している。

図１及び図２に示すように、鏝先５ａの下面に形成された凹部５２の内径ＤはランドＬｄに塗布された予備半田層ＰＳの外径ｄよりも大きく、凹部５２の深さｄｐは予備半田層ＰＳの厚さｔよりも深く設定されている。凹部５２の深さｄｐに特に限定は無いが、通常、２５μｍ以上５００μｍ以下の範囲で足りる。

後段において図１０に基づき説明するように、半田付け装置ＡＰの制御手段Ｃｏｎｔが、マニピュレーターＭＬの多関節アームＡｍの回転動作を制御して、図１に示すように、装置本体Ａ１の鏝先５ａを、鏝先５ａの中心軸Ｃ１がプリント回路基板ＣＢから突出したピン電極Ｐの中心軸Ｃ２と同一線上で且つ上方向に離隔した位置（離隔位置）に移動させる。次いで図３に示すように、制御手段ＣｏｎｔはマニピュレーターＭＬを制御して、鏝先５ａを下方に移動させる。

図３に示すように、鏝先５ａがプリント回路基板ＣＢに接近する方向に移動したとき、図１４～図１６に示した従来の半田付け装置と異なり、鏝先５ａの下面に形成された凹部５２によって鏝先５ａの下面は予備半田層ＰＳに接触することなくソルダーレジストＳＲに当接する。鏝先５ａの下面に形成された凹部５２の内径Ｄは予備半田層ＰＳの外径ｄよりも大きく、平面視において凹部５２の内周面は予備半田層ＰＳを囲むように位置する。また凹部５２の上下方向の深さｄｐは予備半田層ＰＳの厚さｔよりも深く、予備半田層ＰＳの上面は凹部５２の底面（上面）に接触しない。つまり予備半田層ＰＳは所定隙間を有して凹部５２に囲まれた状態となる。

これにより、従来ような、鏝先で加熱溶融された予備半田層の一部が鏝先の下面から鏝先の外に押し出されて半田ボールが生成する不具合は効果的に防止される。

次いで、図４に示すように、鏝先５ａの半田孔５１に半田片Ｗｈが供給される。予備半田層ＰＳは凹部５２によって囲まれている、換言すると予備半田層ＰＳは鏝先５ａに接触していないので、鏝先５ａからの熱は直接的に受け取れず、半田片Ｗｈが半田孔５１に供給されたとき予備半田層ＰＳの加熱溶融は大きくは進んでいない。一方、半田孔５１内に供給された半田片Ｗｈは、通常は半田孔５１の内周壁にその一部が接触するので（半田孔５１の内周壁に接触せずにピン電極Ｐ上に半田片Ｗｈが立った場合を除いて）、鏝先５ａから伝熱によって半田片Ｗｈは直接的に加熱される。鏝先５ａからの伝熱量が多く半田片Ｗｈは短時間で溶融温度まで加熱される。半田片Ｗｈの加熱溶融過程において溶融温度が半田よりも低いフラックスがまず溶融して半田片Ｗｈの表面に流出する。フラックスは半田よりも熱伝導率が高いのでフラックスを介して鏝先５ａから半田片Ｗｈへの伝熱が加速される。また、半田片Ｗｈから流下した一部のフラックスが予備半田層ＰＳの表面と鏝先５ａ（凹部５２）との隙間に至り、フラックスを介して鏝先５ａから予備半田層ＰＳへの伝熱も加速される。

そして、図５に示すように、半田片Ｗｈおよび予備半田層ＰＳの温度が溶融温度に達すると、半田片Ｗｈおよび予備半田層ＰＳは溶融して一体となる（溶融半田ＭＳ）。そして、図６に示すように、溶融半田ＭＳの一部はスルーホールＴｈ内を流下し、鏝先５ａがプリント回路基板ＣＢから上方に離間することで溶融半田ＭＳが外気によって冷却固化され、ランドＬｄとピン電極Ｐとの間に半田の円錐形状のフィレットが形成されランドＬｄとピン電極Ｐとが半田付けされる。

（第２実施形態）
図７及び図８に第２実施形態に係る半田付け装置及び半田付け方法の主要部の垂直断面図を示す。これらの図に示す第２実施形態の装置及び方法が第１実施形態と異なる点は、鏝先５ｂの下面に形成された凹部５２の深さｄｐが予備半田層ＰＳの厚みｔよりも浅い点である。

図７に示すように、このような構成の装置および方法では、プリント回路基板ＣＢに接近する方向に鏝先５ｂが相対的に移動したとき、鏝先５ｂの凹部５２の底面（上面）が予備半田層ＰＳの上面に当接し、鏝先５ｂの下面とプリント回路基板ＣＢの表面との間には隙間Ｇが形成される。ただし、第１実施形態と同様に、鏝先５ｂの下面に形成された凹部５２の内径Ｄは予備半田層ＰＳの外径ｄよりも大きく、平面視において凹部５２の内周面は予備半田層ＰＳを囲むように位置する。

凹部５２の底面が予備半田層ＰＳの上面に接触しているので、第１実施形態とは異なって、鏝先５ｂから予備半田層ＰＳに熱が直接伝えられる。また、予備半田層ＰＳは鏝先５ｂによって常に下方に力が加わっている。このため予備半田層ＰＳは第１実施形態よりも早く加熱溶融される。そして、図１４～図１６に示した従来の装置及び方法と同様に、予備半田層ＰＳの溶融と共に鏝先５ｂは下方に移動し、鏝先５ｂの下面がプリント回路基板ＣＢ（ソルダーレジストＳＲ）に当接する。

しかしながら、図１４～図１６に示した従来の装置及び方法と異なって、平面視において凹部５２の内周面が予備半田層ＰＳを囲むように位置しているので、図８に示すように、溶融した予備半田層ＰＳは鏝先５ｂの凹部５２及び拡大部５１０の中に留まって鏝先５ｂの外に押し出されることはない。したがって半田ボールＣＢ（図１６に図示）が生成する不具合は効果的に防止される。

（鏝先の他の例）
図９は、本発明で使用可能な鏝先の他の例を示す垂直断面図である。プリント回路基板ＣＢの変形や鏝先の取り付け精度誤差などによって、プリント回路基板ＣＢに対して鏝先が垂直に当接せずプリント回路基板ＣＢと鏝先の下面との間に微小な隙間が生じることがある。このとき、稀にではあるが半田孔５１内で溶融した半田が前記隙間に進入し鏝先の下端外周にボール状（半田ボール）となって付着することがある。鏝先の下端外周に付着した半田ボールは鏝先が移動する際の衝撃で鏝先からプリント回路基板ＣＢ上に落下するおそれがある。万が一半田ボールが配線と配線との間に落下すると回路をショートさせることになる。そこで、図９（ａ）に示す鏝先５ｃでは、鏝先５ｃの下端外周に面取り部５１１が形成されている。このような面取り部５１１が鏝先５ｃの下端外周に形成されていることによって前述の半田ボールの鏝先の下端外周への付着が防止される。このことは本発明者による実験で確認されている。

図９（ｂ）に示す鏝先５ｄは、円筒形状で中央部分に軸方向に貫通した断面円形の半田孔５１を有し、上部に半田孔５１と外周面とを連通するリリース孔５３を有する点は第１実施形態の鏝先５ａと同じであるが、半田孔５１の下方に拡大部５１０が形成されていない点で第１実施形態の鏝先５ａと異なる。拡大部５１０は、鏝先５ａの半田孔５１にピン電極Ｐを挿入する際の裕度を設けるためのものであるので、プリント回路基板ＣＢに対する鏝先５ａの相対的移動精度の高い場合には拡大部５１０は必要とされず、図９（ｂ）に示す拡大部５１０のない鏝先５ｄを使用することも可能となる。また、プリント回路基板ＣＢの表面のパッドと、パッド上に載置された電子部品の電極とを半田付けする場合（スルーホールＴｈがない場合）にはこのような形態の鏝先５ｄを使用することも可能である。

（半田付け装置の全体構成）
図１０は、以上説明した鏝先５ａを用いて半田付けを行う半田付け装置ＡＰの斜視図である。半田付け装置ＡＰがプリント回路基板ＣＢに電子部品Ｅｐを半田付けする場合である。治具Ｇｊに固定されたプリント回路基板ＣＢには４つのスルーホールＴｈが形成されており、各スルーホールＴｈの内周面及び周縁にはランドＬｄが形成されている。そして、この４つのスルーホールＴｈの各々には、プリント回路基板ＣＢの裏面側に配置された電子部品Ｅｐから延出した４つのピン電極Ｐが下から上方向に挿通され、プリント回路基板ＣＢの上面からピン電極Ｐの先端が突出した状態となっている。

一方、本発明に係る半田付け装置ＡＰは、多関節アームＡｍを有する移動手段としてのマニピュレーターＭＬと、マニピュレーターＭＬの先端に取り付けられた装置本体Ａ１と、マニピュレーターＭＬ及び装置本体Ａ１の動作を制御する制御装置Ｃｏｎｔとを備える。マニピュレーターＭＬは基台Ｂｓ上に設置され、多関節アームＡｍは複数の関節部の各々において回転可能とされている。制御手段Ｃｏｎｔは、マニピュレーターＭＬの多関節アームＡｍの回転動作を制御して、装置本体Ａ１をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の所望位置に移動させる。また制御手段Ｃｏｎｔは、後述する装置本体Ａ１のカッターユニット２、駆動機構３、半田送り機構６及びヒーターユニット（加熱手段）４の動作を制御する。なお、本実施形態ではカッターユニット２、駆動機構３、半田送り機構６が半田片供給手段を構成する。

半田付け装置ＡＰによって半田付けを行う場合、装置本体Ａ１が、マニピュレーターＭＬによってＸ方向及びＹ方向に移動されてプリント回路基板ＣＢのランドＬｄに対する位置決めが行われる。そして、装置本体Ａ１がＺ方向に移動されることで、鏝先５ａの先端がランドＬｄに接触する。以下説明する実施形態ではこの半田付け装置ＡＰを用いて、プリント回路基板ＣＢの上面から突出したピン電極Ｐを装置本体Ａ１の鏝先５ａの半田孔５１（図１２に図示）内に位置させ、鏝先５ａの半田孔５１に供給される半田片Ｗｈを溶融させてピン電極ＰとランドＬｄとを半田付けする。なお、本実施形態では、装置本体Ａ１を移動させているが、装置本体Ａ１を固定しプリント回路基板ＣＢを移動させる、あるいは装置本体Ａ１とプリント回路基板ＣＢの両者を移動させるようにしても構わない。

このような鏝先５ａの制御手段Ｃｏｎｔによる移動制御は、予め入力設定された値に基づき行ってもよいし、接触センサーなど不図示の検知手段による検知信号に基づき行ってもよい。

（装置本体Ａ１）
図１１に装置本体Ａ１の斜視図を示し、図１２に図１１に示す半田付け装置の垂直断面図、図１３は図１１に示す半田付け装置に設けられた駆動機構の一部の分解斜視図である。なお、図１１では、筐体の一部を切断し、装置本体Ａ１の内部を表示するようにしている。

図１１に示すように、装置本体Ａ１は、装置ユニットＵと、装置ユニットＵをＺ方向の所定距離範囲で移動可能に支持する支持部材ＳＰと、装置ユニットＵと支持部材ＳＰを覆うカバーＣ（図１１の破線）とを有する。

支持部材ＳＰは、四角形状のＹＺ平面を有しＸ方向に所定の厚みを有する板状の基部Ｍｆと、基部ＭｆのＸ方向一方側面のＹ方向中央部にＹ方向に所定幅を有しＸ方向に突出しＺ方向に連続するガイドレールＭｇと、ガイドレールＭｇにＺ方向に移動可能に取り付けられたブロックＭｂとを備える。

基部ＭｆのＺ方向上端部はマニピュレーターＭＬの多関節アームＡｍの先端に取り付けられる。ブロックＭｂには装置ユニットＵの壁体１１がＺ方向の略全域にわたって取り付けられている。すなわち、装置ユニットＵはブロックＭｂに固定され、ブロックＭｂと一体となってＺ方向に移動可能とされている。また、ブロックＭｂのＹ方向の一方側面の下端部には移動規制ピン９１が側面から外方に向かって垂直に突出して設けられている。

一方、基部ＭｆのＸ方向一方側面のＺ方向下部のＹ方向端部位置には、直方体形状の上ストッパー部９３と下ストッパー部９４とがＺ方向に所定距離隔てて対向するように設けられている。

ブロックＭｂの一方側面に設けられた移動規制ピン９１は、基部Ｍｆの上ストッパー部９３と下ストッパー部９４との間の領域に位置し、初期状態のときすなわち鏝先５ａが配線基板Ｂｄに当接していない状態のときは、装置ユニットＵ及びブロックＭｂの自重によって移動規制ピン９１は下ストッパー部９４に当接した状態となっている。換言すると、移動規制ピン９１が下ストッパー部９４に当接することで、装置ユニットＵのＺ方向下方への移動が規制される。他方、鏝先５ａが配線基板Ｂｄに当接して装置ユニットＵがＺ方向上方に移動した場合には、移動規制ピン９１が上ストッパー部９３に当接することで、装置ユニットＵのＺ方向上方向への移動が規制される。

（装置ユニットＵ）
装置ユニットＵは、支持部１、カッターユニット２、駆動機構３、ヒーターユニット４、鏝先５ａ、半田送り機構６を備えている。

支持部１は、立設された平板状の壁体１１を備えている。なお、以下の説明では、便宜上、図１１に示すように、壁体１１に沿う水平方向をＸ方向、壁体１１と垂直な水平方向をＹ方向、壁体１１に沿う鉛直方向をＺ方向とする。例えば、図１１に示すように、壁体１１はＺＸ平面を有している。

支持部１は、壁体１１と、保持部１２と、摺動ガイド１３と、ヒーターユニット固定部１４とを備える。壁体１１は、鉛直方向に立設された平板状の壁体である。壁体１１は、装置本体Ａ１の支持部材としての役割を果たしている。保持部１２は、壁体１１のＺ方向の下端部より上方にずれた位置に固定されている。保持部１２は、駆動機構３の後述するエアシリンダー３１を保持する。ヒーターユニット固定部１４は、ヒーターユニット４の固定を行う部材であり、壁体１１のＺ方向の端部（下端部）に設けられている。

摺動ガイド１３は、壁体１１のＺ方向の下端部の近傍に、固定されている。摺動ガイド１３は、カッターユニット２の後述するカッター下刃２２と共に、壁体１１と固定されており、カッターユニット２の後述するカッター上刃２１をＸ方向に摺動可能にガイドする。

摺動ガイド１３は、Ｙ方向に対向して対をなす部材である。摺動ガイド１３は、一対の壁部１３１と、抜止部１３２とを有している。壁部１３１は、Ｘ方向に延びる平板状の部材である。一方の壁部１３１は、壁体１１と接触して配されており、壁体１１と反対側の面は、カッター下端２２と接触している。また、他方の壁部１３１は、カッター下刃２２の側面と接触している。つまり、一対の壁部１３１は、カッター下刃２２をＹ方向の両側から挟んでいる。そして、一対の壁部１３１及びカッター下刃２２は、ねじ等の締結具で壁体１１に共締めされて、固定される。

抜止部１３２は、一対の壁部１３１のそれぞれに設けられている。一対の壁部１３１は、カッター下刃２２のＺ方向上面よりもＺ方向に延びており、一対の壁部１３１のＺ方向の上端部から、それぞれ、他方に向かって延びている。すなわち、摺動ガイド１３は、一対の抜止部１３２を備えている。そして一対の抜止部１３２それぞれのＹ方向の先端は、接触しない、換言すると、摺動ガイド１３には上部に開口を有している。カッター上刃２１は、カッター下刃２２の上面と、抜止部１３２との間に少なくとも一部は配される。これにより、カッター上刃２１は、Ｘ方向にガイドされるとともに、Ｚ方向に抜け止めされる。

カッターユニット２は、半田送り機構６によって送られた糸半田Ｗを所定長さの半田片Ｗｈに切断する切断具である。カッターユニット２は、カッター上刃２１と、カッター下刃２２と、プッシャーピン２３とを備えている。

上述のとおり、カッター下刃２２は摺動ガイド１３とともに壁体１１に固定される。図１２に示すように、カッター下刃２２は、下刃孔２２１と、ガス流入孔２２２とを備えている。下刃孔２２１は、カッター下刃２２をＺ方向に貫通する貫通孔であり、カッター上刃２１の後述する上刃孔２１１を貫通した糸半田Ｗが挿入される。下刃孔２２１の上端の辺縁部は切刃状に形成されている。上刃孔２１１と下刃孔２２１とを用いて、糸半田Ｗを所定長さの半田片Ｗｈに切断する。切断された半田片Ｗｈは、自重によって又はプッシャーピン２３に押されて、下刃孔２２１の内部を下方に落下する。下刃孔２２１は、ヒーターユニット４の後述する半田供給孔４２２を介して、鏝先５ａの後述する半田孔５１と連通している。下刃孔２２１の内部を落下した半田片Ｗｈは、半田供給孔４２２に達した後、半田孔５１に落下する。

ガス流入孔２２２は、カッター下刃２２の外側面と下刃孔２２１とを連通する孔である。不図示のガス供給源から供給されるガスはガス流入孔２２２に流入する。そして、ガスは、下刃孔２２１、半田供給孔４２２を通過して、半田孔５１に到達する。なお、ガスとは、半田を加熱して溶融するときに半田の酸化を抑制するために用いられるものである。すなわち、溶融した半田と酸素との接触を抑制するためのガスである。ガスとしては、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、二酸化炭素等を挙げることができる。本実施形態の半田付け装置ＡＰでは、窒素ガスを供給するものとして説明する。

カッター上刃２１は、上述したとおり、カッター下刃２２のＺ方向上面上に配される。カッター上刃２１は、摺動ガイド１３によって摺動時に摺動方向がＸ方向になるようガイドされるとともにＺ方向に抜け止めされる。すなわち、カッター上刃２１は、カッター下刃２２のＺ方向の上面上をＸ方向に摺動する。なお、カッター上刃２１は、駆動機構３によって摺動される。

カッター上刃２１は、上刃孔２１１と、ピン孔２１２とを備えている。上刃孔２１１は、カッター上刃２１をＺ方向に貫通する貫通孔である、上刃孔２１１には、半田送り機構６から送られた糸半田Ｗが挿入される。上刃孔２１１の下端の辺縁部は切刃状に形成されている。ピン孔２１２は、カッター上刃２１をＺ方向に貫通する貫通孔である。ピン孔２１２には、プッシャーピン２３の後述するロッド部２３１が、摺動可能に挿入される。

プッシャーピン２３は、ロッド部２３１と、ヘッド部２３２と、バネ２３３とを有する。ロッド部２３１は、円柱状の部材であり、ピン孔２１２に摺動可能に挿入される。また、プッシャーピン２３がＺ方向下に移動することで、ロッド部２３の先端が、ピン孔２１２から突出する。ヘッド部２３２はロッド部２３１の軸方向の上端に連結される。ヘッド部２３２は、ピン孔２１２の内径よりも大きい外径を有する円板形状である。ヘッド部２３２は、ピン孔２１２に挿入されない。すなわち、ヘッド部２３２は、ロッド部２３１のピン孔２１２内への移動を制限する、いわゆる、ストッパーとしての役割を果たす。

バネ２３３は、ロッド部２３１の径方向外側を囲む圧縮コイルばねである。バネ２３３は、Ｚ方向下端部がカッター上刃２１の上面と接触し、Ｚ方向上端部がヘッド部２３２の下面と接触する。すなわち、バネ２３３は、カッター上刃２１の上面から反力を受け、ヘッド部２３２をＺ方向上に押す。これにより、ヘッド部２３２と連結されたロッド部２３１は、Ｚ方向上方に持ち上げられ、ロッド部２３１の下端が、ピン孔２１２の下端から突出しないように維持される。なお、ロッド部２３１のＺ方向下端部には、ピン孔２１２からの抜けを抑制する抜け止め（不図示）が設けられている。

プッシャーピン２３は、カッター上刃２１とカッター下刃２２で切断されて下刃孔２２１に残った半田片Ｗｈを下方に押す。そして、プッシャーピン２３は、ばね２３３の弾性力によって、常に上方に、すなわち、カッター下刃２２と反対側に押し上げられている。つまり、ロッド部２３１は、ヘッド部２３２が押されたときに、ピン孔２１２のＺ方向下端部から下に突出する。そして、ヘッド部２３２は、駆動機構３の後述するカム部材３３に押される。

カッター上刃２１において、上刃孔２１１とピン孔２１２とはＸ方向に並んで設けられている。カッター上刃２１は、Ｘ方向に摺動することで、上刃孔２１１と下刃孔２２１とが上下に重なる位置、又は、ピン孔２１２と下刃孔２２１とが上下に重なる位置に移動する。なお、カッター上刃２１は、一方の摺動端部まで摺動したときに上刃孔２１１と下刃孔２２１とが重なり、他方の摺動端部まで摺動したときにピン孔２１２と下刃孔２２１とが重なるように、摺動してもよい。

そして、上刃孔２１１と下刃孔２２１とがＺ方向に重なっている状態で、半田送り機構６から糸半田Ｗが送られると、上刃孔２１１を通過した糸半田Ｗが、下刃孔２２１に挿入される。上述のとおり、上刃孔２１１の下端の辺縁部が切刃状に形成されているとともに、下刃孔２２１の上端の辺縁部も切刃状に形成されている。そして、カッター上刃２１の下面は、カッター下刃２２の上面と接触している。そのため、下刃孔２２１に糸半田Ｗが挿入されている状態で、カッター上刃２１がＸ方向に摺動することで、上刃孔２１１および下刃孔２２１それぞれの切刃によって糸半田Ｗが切断される。

カッター上刃２１は、カム部材３３によってＸ方向に摺動される。そのため、カッター上刃２１及びプッシャーピン２３は、カム部材３３と同期している。カム部材３３は、ピン孔２１２が下刃孔２２１とＺ方向に重なったときに、ヘッド部２３２を押す。そのため、カッター上刃２１がＸ方向に摺動するときには、プッシャーピン２３のロッド部２３１の先端は、ピン孔２１２に収容されている。そのため、カッター上刃２１がＸ方向に摺動するときに、ロッド部２３１の先端とカッター下刃２２の上面とが接触するのを抑制し、ロッド部２３１の先端及び（又は）カッター下刃２２の変形、破損等が抑制される。

カッター上刃２１がＸ方向に摺動することで、下刃孔２１１とピン孔２１２とがＺ方向に重なる。ピン孔２１２が下刃孔２１１と重なっている状態で、ヘッド部２３２はカム部材３３に押される。これにより、プッシャーピン２３が、Ｚ方向下に移動する。プッシャーピン２３がピン孔２１２からＺ方向下方に突出すると、プッシャーピン２３の一部が下刃孔２１１に挿入される。下刃孔２１１の入り口に糸半田を切断した後述の半田片が残っている場合、プッシャーピン２３の先端が半田片を押して、半田片は落下する。

図１１、図１２に示すように、駆動機構３は、エアシリンダー３１と、ピストンロッド３２と、カム部材３３と、スライダー部３４と、ガイド軸３５とを有する。エアシリンダー３１は保持部１２に保持される。エアシリンダー３１は、有底円筒状である。エアシリンダー３１の内部には、ピストンロッド３２が収容されており、外部から供給される空気の圧力でピストンロッド３２を摺動駆動（伸縮）させる。エアシリンダー３１とピストンロッド３２とが駆動機構３のアクチュエーターを構成している。ピストンロッド３２は、エアシリンダー３１の内部に配されるとともに、一部が常にエアシリンダー３１の軸方向の一方の端部（ここでは、Ｚ方向の下端部）から、突出している。エアシリンダー３１は、ピストンロッド３２が突出する面がカッターユニット２に向くように、すなわち、Ｚ方向下に向くように、保持部１２に保持される。

ピストンロッド３２は、保持部１２に設けられた貫通孔（不図示）を貫通している。ピストンロッド３２は、ガイド軸３５と平行に設けられており、ガイド軸３５に沿って直線的に往復動する。ピストンロッド３２の先端部は、カム部材３３に固定されており、ピストンロッド３２の伸縮によって、カム部材３３がＺ方向に摺動する。カム部材３３の摺動は、ガイド軸３５によってガイドされている。

図１２に示すように、ガイド軸３５は、下端部がカッター下刃２２に設けられた凹穴に嵌合されており、カッター下刃２２にねじ３５１でねじ止め固定されている。また、ガイド軸３５の上部は、保持部１２に設けられた孔を貫通しており、ピン３５２によって移動が規制されている。つまり、ガイド軸３５はねじ３５１によってカッター下刃２２と、ピン３５２によって保持部１２と固定されている。

なお、本実施形態において、ガイド軸３５は、ねじ３５１及びピン３５２によって固定されているが、これに限定されるものではなく、例えば、圧入、溶接等の固定方法で固定されるものであってもよい。また、本実施形態において、ガイド軸３５として円柱状の部材としているが、これに限定されるものではなく、断面多角形状や楕円等を利用してもよい。

図１２、図１３に示すように、カム部材３３は、矩形状の部材であり、長辺の一部を矩形状に切り欠いた凹部３３０と、カム部材３３に連結し、ガイド軸３５が貫通する貫通孔を備えた円筒形状の支持部３３１とを備えている。凹部３３０には、スライダー部３４が（Ｘ方向及びＺ方向に）摺動可能に配置される。また、支持部３３１はガイド軸３５と平行に延びる形状を有しており、カム部材３３のがたつきを抑制するために設けられている。つまり、カム部材３３がある程度厚みを有し、がたつきが発生しにくい構成の場合、円筒形状の部分を省略し、貫通孔だけで支持部３３１を構成してもよい。

そして、カム部材３３は、凹部３３０の中間部分に設けられて中心軸がガイド軸３５と直交する円柱状のピン３３２と、凹部３３０と隣接してプッシャーピン２３を押すピン押し部３３３と、支持部３３１内部に配置された軸受３３４とを備えている。ピン３３２は、スライダー部３４に設けられた後述するカム溝３４０に挿入される。また、軸受３３４は、ガイド軸３５に外嵌し、カム部材３３ががたつかないように、円滑に摺動させる部材である。

図１２、図１３に示すように、スライダー部３４は、長方形状の板状の部材であり、カッター上刃２１と一体的に形成されている。スライダー部３４は、板厚方向に貫通するとともに長手方向に延びるカム溝３４０を備えている。カム溝３４０は、ガイド軸３５と平行に延びる第１溝部３４１を上側に、同じくガイド軸３５と平行に延びる第２溝部３４２を下側に設けている。そして、第１溝部３４１と第２溝部３４２とは、Ｘ方向にずれて設けられており、カム溝３４０は第１溝部３４１と第２溝部３４２とを接続する接続溝部３４３を備えている。

カム溝３４０には、カム部材３３のピン３３２が挿入されており、カム部材３３がガイド軸３５に沿って移動することで、ピン３３２がカム溝３４０の内面を摺動する。ピン３３２がカム溝３４０の接続溝部３４３に位置するとき、接続溝部３４３の内面を押す。これにより、スライダー部３４及びスライダー部３４に一体的に形成されたカッター上刃２１がカム部材３３の摺動方向（Ｚ方向）と交差する方向（Ｘ方向）に移動（カッター下刃２２に対して摺動）する。

なお、本実施形態では、カム部材３３にピン３３２、スライド部３４にカム溝３４０を備えた構成を挙げて説明しているが、実際には、カム部材にカム溝、スライド部にピンを備えた構成であってもよい。

本実施形態では、駆動機構３のアクチュエーターとして空気圧を用いるものとしているが、これに限定されるものではなく、空気以外の流体（例えば、作動油）を用いるもの（油圧）であってもよい。また、流体を用いるものに限定されるものではなく、モーターやソレノイド等の電力を用いるものであってもよい。本実施形態では、１つのアクチュエーターと、カム及びカム溝を用いて、カッター上刃２１の摺動とプッシャーピン２３の押下を行っているが、これに限定されない。例えば、カッター上刃２１の摺動と、プッシャーピン２３の押下とを行うように、アクチュエーターを複数個（２個）備えていてもよい。

図１１、図１２に示すように、半田送り機構６は、糸半田Ｗを供給する。半田送り機構６は、一対の送りローラ６１と、ガイド管６２とを備えている。一対の送りローラ６１は、支持壁１１に回転可能に取り付けられている。一対の送りローラ６１は、糸半田Ｗの側面を挟んで回転することで、糸半田を下方に送る。なお、一対の送りローラ６１は、互いに他方に向かって付勢されており、その付勢力で糸半田Ｗを挟む。送りローラ６１の回転角度（回転数）によって、送り出した糸半田Ｗの長さが測定（決定）されている。

ガイド管６２は、弾性変形可能な管体であり、上端は、送りローラ６１の糸半田Ｗが送り出される部分に近接して配置されている。また、ガイド管６２の下端は、カッター上刃２１の上刃孔２１１と連通するように設けられている。なお、ガイド管６２の下端はカッター上刃２１の摺動に追従して移動するものであり、ガイド管６２はカッター上刃２１が摺動する範囲で過剰に引っ張られたり、突っ張ったりしない長さ、および、形状を有している。

ヒーターユニット４は、半田片Ｗｈを加熱し、溶融させるための加熱装置であり、図１２に示すように、壁体２２の下端部に設けられたヒーターユニット固定部１４に固定されている。ヒーターユニット４は、ヒーター４１と、ヒーターブロック４２とを備える。ヒーター４１は、通電により発熱する。ヒーター４１は、ここでは、円筒形状のヒーターブロック４２の外周面に巻き回された電熱線を有する。

ヒーターブロック４２は円筒形状を有しており、軸方向の端部に鏝先５ａを取り付けるための断面円形状の凹部４２１と、凹部４２１の底部の中心部から反対側に貫通した半田供給孔４２２とを備えている。ヒーターブロック４２は、半田供給孔４２２と下刃孔２２１とが連通するように、カッター下刃２２に接触して設けられている。ヒーターブロック４２をこのように設けることで、半田片Ｗｈは、下刃孔２２１から半田供給孔４２２に移動する。

（半田付け装置の動作）
次に、半田付け装置ＡＰの動作について説明する。図１及び図１０に示すように、制御手段Ｃｏｎｔが、マニピュレーターＭＬの多関節アームＡｍの回転動作を制御して、装置本体Ａ１の鏝先５ａを、鏝先５ａの中心軸Ｃ１がプリント基板Ｂｄから突出したピン端子Ｐの中心軸Ｃ２と同一線上で且つ上方向に離隔した位置（離隔位置）に移動させる。次いで図３に示すように、制御手段ＣｏｎｔはマニピュレーターＭＬを制御して、鏝先５ａを下方に移動させて、鏝先５ａの下面をプリント基板ＢｄのソルダーレジストＳＲに当接させ、鏝先５ａの半田孔５１内に電子部品Ｅｐのピン端子Ｐを位置させる。鏝先５ａには、ヒーター４１（図１２に図示）からの熱が伝達されており、鏝先５ａが接触することでプリント基板ＢｄのソルダーレジストＳＲを介してランドＬｄが伝熱により加熱され（プレヒート）、電子部品Ｅｐのピン端子ＰもソルダーレジストＳＲ、ランドＬｄ及び基板本体Ｂｄを経由した伝熱及び鏝先５ａからの輻射熱、さらには半田孔５１内の対流によって加熱される。

次いで、図４に示すように、鏝先５ａの半田孔５１に半田片Ｗｈが供給される。図５に示すように、半田片Ｗｈおよび予備半田層ＰＳの温度が溶融温度に達すると、半田片Ｗｈおよび予備半田層ＰＳは溶融して一体となる（溶融半田ＭＳ）。そして、図６に示すように、溶融半田ＭＳの一部はスルーホールＴｈ内を流下し、鏝先５ａがプリント回路基板ＣＢから上方に離間することで溶融半田ＭＳが外気によって冷却固化され、ランドＬｄとピン電極Ｐとの間に半田の円錐形状のフィレットが形成されランドＬｄとピン電極Ｐとが半田付けされる。半田付け装置ＡＰはこの一連の動作を繰り返して電子部品Ｅｐのピン電極Ｐとプリント回路基板ＣＢのランドＬｄとの半田付けを順次行う。

以上説明した実施形態は本発明に係る半田付け装置及び半田付け方法の一例を示したものであり、本発明の効果を阻害しない範囲において種々の変形等は可能である。

本発明に係る半田付け方法および半田付け装置は、予備半田層が表面に形成されたランドやパッドと電子部品の電極とを半田付けする場合に半田ボールを生成させないようにすることができる。

ＡＰ 半田付け装置
Ａ１ 装置本体
４ ヒーターユニット
４１ ヒーター
４２ ヒーターブロック
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ 鏝先
５１ 半田孔
５２ 凹部
５１０ 拡大部
５１１ 面取り部
６ 半田送り機構
Ｂｄ 基板本体
ＣＢ プリント回路基板
Ｃ１ 鏝先の中心軸
Ｃ２ ピン電極の中心軸
ｄ 予備半田層の外径
ｄｐ 凹部の深さ
Ｄ 凹部の内径
Ｅｐ 電子部品
ＭＳ 溶融半田
Ｌｄ ランド
Ｐ ピン電極
ＰＳ 予備半田層
ＳＲ ソルダーレジスト
ｔ 予備半田層の厚み
Ｔｈ スルーホール
Ｗ 糸半田
Ｗｈ 半田片

Claims (9)

1. 略筒形状で上下方向に貫通した半田孔を有し加熱可能な鏝先を用いて、プリント回路基板の表面の予備半田層が予め形成されたランド又はパッドと電子部品の電極とを半田付けする方法であって、
   前記鏝先の下面を前記プリント回路基板に接触させる工程と、
   前記半田孔内に半田片を供給する工程と、
   供給された前記半田片を前記半田孔内で加熱溶融させて前記ランド又は前記パッドと前記電子部品の電極とを半田付けする工程と、
   を有し、
   前記鏝先として下面に凹部が設けられたものを用い、前記凹部の底面には前記半田孔の下端開口が形成され、平面視において前記凹部の内周面は前記予備半田層を囲むように位置することを特徴とする半田付け方法。
2. 前記凹部の上下方向深さが前記予備半田層の上下方向厚みよりも深い請求項１記載の半田付け方法。
3. 前記凹部の上下方向深さが２５μｍ以上５００μｍ以下である請求項１又は２記載の半田付け方法。
4. 電子部品の部品本体から外方に突出したピン電極をプリント回路基板板のスルーホールに挿通して前記スルーホールの外周縁に形成されたランドに前記ピン電極を半田付けする半田付け方法であって、
   前記半田孔はその下端部に半径方向外方に拡大した拡大部を有し、
   前記拡大部の上下方向長さと前記凹部の上下方向深さの和が、前記ピン電極の前記プリント回路基板の表面からの突出長さよりも長い請求項１～３のいずれかに記載の半田付け方法。
5. プリント回路基板の表面の予備半田層が予め形成されたランド又はパッドと電子部品の電極とを半田付けする半田付け装置であって、
   略筒形状で上下方向に貫通した半田孔を有し加熱可能な鏝先と、
   半田片を前記半田孔内へ供給する半田片供給手段と、
   前記鏝先を加熱する加熱手段と、
   前記鏝先と前記プリント回路基板とを接触方向及び離間方向に相対的に移動させる移動手段とを有し、
   前記鏝先は下面に凹部を有し、前記凹部の底面には前記半田孔の下端開口が形成され、平面視において前記凹部の内周面は前記予備半田層を囲むように位置することを特徴とする半田付け装置。
6. 前記凹部の上下方向深さが前記予備半田層の上下方向厚みよりも深い請求項５記載の半田付け装置。
7. 前記凹部の上下方向深さが２５μｍ以上５００μｍ以下である請求項５又は６記載の半田付け装置。
8. 電子部品の部品本体から外方に突出したピン電極をプリント回路基板板のスルーホールに挿通して前記スルーホールの外周縁に形成されたランドに前記ピン電極を半田付けする半田付け装置であって、
   前記半田孔はその下端部に半径方向外方に拡大した拡大部を有し、
   前記拡大部の上下方向長さと前記凹部の上下方向深さの和が、前記ピン電極の前記プリント回路基板の表面からの突出長さよりも長い請求項５～７のいずれかに記載の半田付け装置。
9. 請求項１～８のいずれかに記載の半田付け装置に用いる鏝先であって、
   略筒形状で上下方向に貫通した半田孔を有し、
   下面に凹部を有し、
   前記凹部の底面には前記半田孔の下端開口が形成され、
   平面視において前記凹部の内周面が前記予備半田層を囲むように位置することを特徴とする鏝先。

Images