JP2849552B2 - 超音波ソルダリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電子部品端子および
実装配線基板の半田付や、半導体の半田バンプ形成、ソ
ルダリング材の含浸などを行う超音波ソルダリング装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子部品の端子や実装配線基板な
どに半田付する場合、超音波を使ったノンフラックス半
田付を行う方法が知られているが、この方法は、端子が
銀メッキのものや電解研摩、還元処理などの前処理され
たものに限られ、一番多いニッケルメッキのものには実
用化されていない。このニッケルメッキの電子部品の端
子には、まず端子の表面のクリーニングのためフラック
ス処理を行った後、半田付を行い、その後残ったフラッ
クスをフロン、エタン、水系洗剤などで洗浄して除去す
るのが一般的であった。

【０００３】他方、半導体の半田バンプ形成や液晶用タ
ーゲット材へのソルダリング材の含浸などについて、超
音波が使われているが、品質的再現性から自動化されず
手動による作業にとどまっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術のうち、フラックス処理を行った後に半田付を行
い、その後フラックを洗浄する一般の方法では、フラッ
クスが室内機器を腐食したり、そのフラックス用洗剤の
フロン、エタンが地球環境を汚染したり、そのフロン代
替洗浄用高価洗浄システムが必要となる問題がある。

【０００５】また、超音波ソルダリングでフラックスを
使用しないニッケルメッキ上に安定してソルダリングが
出来ない理由は、ワーク表面の汚れをクリーニングした
り、酸化膜を破壊して半田と金属とを結合させる働きを
するキャビテーションの発生量およびその減衰とワーク
位置との関係が把握されていないため、超音波エネルギ
ーロスが多く、ソルダリングができないという問題があ
った。

【０００６】さらに、半導体バンプ形成やソルダリング
の品質的な再現性およびその自動化については、上記超
音波エネルギーロス以外に周波数２０〜５０ＫＨＺの比
較検討が不充分であるという問題があった。

【０００７】この発明の目的は、被ソルダリングワーク
上の超音波エネルギーロスを低減せしめると共に、超音
波の周波数を２０〜５０ＫＨＺの広い範囲にわたって検
討しフラックスなどを使用しないで信頼性のあるソルダ
リングが行われ、しかも、地球環境の改善並びに各種の
合理化を図った超音波ソルダリング装置を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの請求項１による超音波ソルダリング装置は、ソル
ダリング槽内にソルダリング材を収容せしめると共にソ
ルダリング材を加熱せしめ、この加熱されて融解された
ソルダリング材で被ソルダリングワークをソルダリング
するソルダリング装置において、前記ソルダリング槽内
のソルダリング材の表面より高いソルダリング槽の一部
に超音波ホーンを設け、この超音波ホーンの先端部と相
対向した近傍にほぼ平行に被ソルダリングワークを設け
ると共に、前記超音波ホーンと被ソルダリングワークを
垂直より傾斜可能に設け、前記ソルダリング槽内のソル
ダリング材をソルダリング槽外に取出し、そのソルダリ
ング材循環系の流れにより被ソルダリングワークにソル
ダリングすべくポンプ手段を前記ソルダリング槽内に設
けてなることを特徴とするものである。

【０００９】請求項２による超音波ソルダリング装置
は、前記超音波ホーンの先端部に相対向してほぼ平行に
被ソルダリングワークを１〜２５ｍｍ離隔して設けてな
ることを特徴とするものである。

【００１０】請求項３による超音波ソルダリング装置
は、前記超音波ホーンと被ソルダリングワークとが垂直
より０〜９０°の範囲で傾斜可能に設けてなることを特
徴とするものである。

【００１１】請求項４による超音波ソルダリング装置
は、前記被ソルダリングワークを中心にして前記超音波
ホーンとは反対側の相対向した位置に、融解したソルダ
リング材を受け止め超音波振動に対して共振する薄厚の
共振遮蔽板を設けてなることを特徴とするものである。

【００１２】請求項５による超音波ソルダリング装置
は、前記共振遮蔽板の厚さが０．３〜３．０ｍｍである
ことを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】以上のような請求項１による超音波ソルダリン
グ装置には自動又は手動によりソルダリング材を補給
し、ソルダリング槽内にソルダリング材が一定量収容さ
れる。またソルダリング槽内のソルダリング材の表面よ
り高いソルダリング槽の一部に超音波ホーンが設けら
れ、この超音波ホーンの先端部と相対向した近傍にほぼ
平行に被ソルダリングワークを設けると共に、超音波ホ
ーンと被ソルダリングワークを垂直より傾斜可能に設け
る。

【００１４】この状態において、ソルダリング槽内の融
解されたソルダリング材をポンプ手段によりソルダリン
グ槽外に取出されたソルダリング材を被ソルダリングワ
ークの上方から流すことにより、この荷重のかからない
自由なソルダリング材の流れによって被ソルダリングワ
ークにソルダリングされる。

【００１５】被ソルダリングワークにソルダリング材の
流れでソルダリングされる際、超音波ホーンの作動で融
解されたソルダリング材に超音波振動を与えると、超音
波ホーンの周りにキャビテーションが発生する。この発
生されたキャビテーション（空洞）の中で、ソルダリン
グ材中の金属原子が気化して気泡となる。その後、超音
波振動の振動モードが逆転し、空洞が一気につぶれ、ま
わりのソルダリング材が中心に向かって突進し衝突す
る。このとき大きな衝撃と破壊力が発生し、被ソルダリ
ングワーク表面の汚れをクリーニングする作用や、酸化
膜を破壊しハンダを金属結合させる作用が働いて被ソル
ダリングワークにフラックスなしでソルダリングされ
る。

【００１６】請求項２による超音波ソルダリング装置に
おいて、超音波ホーンの先端部に相対向してほぼ平行に
被ソルダリングワークを１〜２５ｍｍ離隔して設けたこ
とにより、超音波ホーンによる超音波振動が被ソルダリ
ングワークと超音波ホーンとの間のソルダリング材によ
く伝わり、ソルダリングが効果的に行われる。

【００１７】請求項３による超音波ソルダリング装置に
おいて、超音波ホーンと被ソルダリングワークとが垂直
より０〜９０°の範囲で傾斜させることにより、ソルダ
リング材の流れ中の半田分子にかかる荷重が低減され半
田分子の自由運動に依り、多量のキャビテーションを発
生し被ソルダリングワークにソルダリングが効果的に行
われる。

【００１８】請求項４，５による超音波ソルダリング装
置において、被ソルダリングワークを中心にして超音波
ホーンとは反対側の相対向した位置に、融解したソルダ
リング材を受け止め超音波振動に対して共振する薄厚の
共振遮蔽板を設け、この厚さを０．３〜３．０ｍｍとす
ることにより、共振遮蔽板が超音波振動で共振し、被ソ
ルダリングワークにソルダリングが効果的に行われる。

【００１９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基いて詳細
に説明する。

【００２０】図１および図２を参照するに、超音波ソル
ダリング装置１は、ソルダリング槽３を備えており、こ
のソルダリング槽３は例えば下部フレーム３Ｄ、前部フ
レーム３Ｆ、後部フレーム３Ｂ並びに、左、右部フレー
ム３Ｌ，３Ｒとで構成されていて、上方が開放した箱形
状となっている。しかも下部フレーム３Ｄ上にはヒータ
５が設けられていると共に下部フレーム３Ｄの上方には
ポンプ手段としての例えばポンプ７が設けられている。
しかも、前記ソルダリング槽３内にはソルダリング材Ｓ
が一定の高さ例えばＨまで収容されている。

【００２１】前記ソルダリング槽３内には下部プレート
９Ｄ、垂直プレート９Ｖおよび上部プレート９Ｕで構成
された仕切りプレート９が前記左，右部フレーム３Ｌ，
３Ｒに取付けられている。前記ソルダリング槽３内に収
容されたソルダリング材Ｓの高さＨよりも高い後部フレ
ーム３Ｂには前後方向（図１において左右方向）へ延伸
した超音波ホーン１１が球面座１３を介して０度から９
０度までの範囲で回動可能に設けられている。

【００２２】前記超音波ホーン１１の後部には振動子１
５が一体化されており、この振動子１５には超音波発振
器１７が接続されている。前記ソルダリング槽３の後方
（図１において右方）には前記振動子１５を回動せしめ
るための回動装置としての例えば流体シリンダ１９が配
置されている。この流体シリンダ１９に装着されたピス
トンロッド２１の先端が前記振動子１５を載置せしめて
いる受けプレート２３に支持金具２５を介して揺動可能
に連結されている。

【００２３】前記超音波ホーン１１の先端側には上下方
向へ延伸した遮蔽板２７が装着されている。また、前記
超音波ホーン１１の先端部と相対向した近傍にはほぼ平
行に被ソルダリングワークＷが設けられる。前記後部フ
レーム３Ｂの上部には内側（図１において左側）へ延伸
した支持フレーム２９の後端が取付けられており、この
支持フレーム２９の先端には下方へ垂下したクランプア
ーム３１が左右方向へ揺動可能に連結されている。この
クランプアーム３１には被ソルダリングワークＷをクラ
ンプせしめるワーククランプ３３が設けられている。

【００２４】前記超音波ホーン１１の先端部に相対向し
てほぼ平行に設けられた被ソルダリング材Ｗを中心とし
て、前記超音波ホーン１１とは反対側の相対向した位置
には共振遮蔽板３５が前記左，右部フレーム３Ｌ，３Ｒ
に取付けられている。

【００２５】上記構成により、流体シリンダ１９を作動
せしめてピストンロッド２１を上下方向へ伸縮せしめる
ことにより、振動子１５が０度から９０度の範囲で回動
されることによる。図１における状態において振動子１
５が垂直に対して０度の状態に位置決めされて使用され
る。

【００２６】前記ワーククランプ３３に被ソルダリング
をワークＷをクランプせしめて、超音波ホーン１１の先
端部と相対向してほぼ平行にセットされる。この状態で
ヒータ５をＯＮにし、ソルダリング槽３内に収容されて
いるソルダリング材Ｓを予め設定された設定温度に加熱
せしめるとソルダリング材Ｓが融解される。

【００２７】加熱されたソルダリング材Ｓはポンプ７を
作動せしめることにより、図１において仕切り板９の右
側へ流れて上方へ持ち上げられる。この上方に持ち上げ
られたソルダリング材Ｓは、矢印で示したごとく遮蔽板
２７と共振遮蔽板３５との間を上方から下方へ向けて流
れてソルダリング槽３内に収容されることになる。

【００２８】加熱されたソルダリング材Ｓは遮蔽板２７
と共振遮蔽板３５との間を上方から下方へ流れることに
よって、ワーククランプ３３にクランプされた被ソルダ
リングワークＷの外周部にソルダリング材Ｓがソルダリ
ングされることになる。

【００２９】被ソルダリングワークＷにソルダリング材
Ｓがソルダリングされる際に、超音波発振器１７を作動
せしめて振動子１５を介して超音波ホーン１１が振動す
ることにより、加熱されて融解されたソルダリング材Ｓ
に超音波振動が与えられると、超音波ホーン１１の周り
にキャビテーション（空洞）が発生する。

【００３０】この発生されたキャビテーション（空洞）
の中で、ソルダリング材Ｓ中の金属原子が気化して気泡
となる。その後、超音波振動の振動モードが逆転し、空
洞が一気につぶれ、まわりのソルダリング材Ｓが中心に
向かって突進し衝突する。このとき大きな衝撃と破壊力
が発生し、被ソルダリングワークＷの表面の汚れをクリ
ーニングする作用や、酸化膜を破壊しハンダを金属結合
させる作用が働いて被ソルダリングワークＷにフラック
スなしでソルダリングされることになる。

【００３１】その結果、本実施例では被ソルダリングワ
ークＷとして実装基板上の半田付や半導体バンプ形成あ
るいは液晶用ターゲット材などの広いフラット面のある
もののスピードが必要な均一半田付に効果を奏するもの
である。またフラックスを使用しないで上記被ソルダリ
ングワークＷに半田付することができるので、フロン，
エタンなどのオゾン層破壊や排水処理時などによる環境
汚染の抜本的な対策が実現できる。さらに、フラックス
を使った前処理、洗浄、乾燥の工程短縮およびソルダリ
ング工程の手動から自動化などの合理化に効果を奏す
る。

【００３２】ソルダリングワークＷを中心にして超音波
ホーン１１と反対側の相対向した位置に共振遮蔽板３５
を設けたことにより、超音波振動が共振遮蔽板３５に共
振されるので、被ソルダリングワークＷと共振遮蔽板３
５との間のソルダリング材の流れにも超音波振動が生
じ、被ソルダリングワークＷの図２において左側面にも
フラックス処理なしの半田付を行うことができる。そし
て、共振遮蔽板３５の厚さを０．３〜３．０ｍｍとする
のが、共振させるので最も好ましい範囲である。

【００３３】図２に示されているように、超音波ホーン
１１の先端部と被ソルダリングワークＷとの間の距離Ｌ
１は好ましくは１〜２５ｍｍとするのがよく、キャビテ
ーションの発生が多く、ソルダリング効果を上げること
ができる。また、図２に示されている被ソルダリングワ
ークＷと共振遮蔽板３５との間の距離Ｌ２は、前記距離
Ｌ１と同程度にするのがよい。

【００３４】図３には図２に代る他の実施例が示されて
いる。図３において図２における部品と同じ部品には同
一の符号を付し、重複する部分の説明を省略する。

【００３５】図３はフラットなワークで片面のみにソル
ダリングするものでワークが図２における共振遮蔽板３
５を兼ねている。そして、振動子１５を垂直に対して角
度θだけ傾斜させてソルダリングするようにしたもので
ある。振動子１５の角度θだけの傾斜は、前記流体シリ
ンダ１９を作動させて行われる。

【００３６】したがって、被ソルダリングワークＷの図
３において右側面に、図２に示したと同様に、ソルダリ
ング材Ｓが上方から下方へ流れて均一にソルダリングを
行うことができる。この実施例においては、フラックス
を使用しないで例えばニッケルメッキ付電子部品の端子
に直接半田付が可能となる。それ以外は、上述した実施
例と同様の効果を奏する。

【００３７】また、振動子１１の垂直に対する角度θを
０度を越え９０度以内の角度とすることにより、超音波
ホーン１１の先端部と被ソルダリングワークＷとの間の
ソルダリング材Ｓの流れ中の半田分子にかかる荷重を低
減させることができる。

【００３８】なお、この発明は、前述した実施例に限定
されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他
の態様で実施し得るものである。

【００３９】

【発明の効果】以上のごとき実施例の説明より理解され
るように、請求項１による発明によれば、実装基板上の
半田付や半導体バンプ形成、液晶用ターゲット材などの
広いフラット面のあるもののスピードが必要な均一半田
付に効果を奏する。また、フラックスを使用しないで、
ニッケルメッキ付端子に直接半田付が可能になり、フロ
ン，エタンなどのオゾン層破壊や排水処理などによる環
境汚染の抜本的な対策が実現できる。さらにフラックス
を使った前処理、洗浄、乾燥の工程短縮およびソルダリ
ング工程の手動から自動化などの合理化の効果を奏す
る。

【００４０】請求項２による発明によれば、超音波ホー
ンによる超音波振動が被ソルダリングワークと超音波ホ
ーンとの間のソルダリング材によく伝わり、ソルダリン
グ効果を上げることができる。

【００４１】請求項３による発明によれば、ソルダリン
グ材の流れ中の半田分子にかかる荷重削減を行い、被ソ
ルダリングワークにソルダリングを効果的に行うことが
できる。

【００４２】請求項４，５による発明によれば、融解し
たソルダリング材を受け止める共振遮蔽板が超音波振動
で共振し、被ソルダリングワークにソルダリングを効果
的に行うことができ、細長い被ソルダリングワークに効
果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施する一実施例の超音波ソルダリ
ング装置の側面断面図である。

【図２】図１におけるＩＩ矢視部の拡大図である。

【図３】図２に代る他の実施例の説明図である。

【符号の説明】

１ 超音波ソルダリング装置 ３ ソルダリング槽 ７ ポンプ（ポンプ手段） １１ 超音波ホーン １９ 流体シリンダ（回動装置） Ｓ ソルダリング材 Ｗ 被ソルダリングワーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−178540（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−153543（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−85047（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−68726（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−148662（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−210444（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 1/00 - 3/08 H05K 3/34 506

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ソルダリング槽内にソルダリング材を収
   容せしめると共にソルダリング材を加熱せしめ、この加
   熱されて融解されたたソルダリング材で被ソルダリング
   ワークをソルダリングするソルダリング装置において、
   前記ソルダリング槽内のソルダリング材の表面より高い
   ソルダリング槽の一部に超音波ホーンを設け、この超音
   波ホーンの先端部と相対向した近傍にほぼ平行に被ソル
   ダリングワークを設けると共に、前記超音波ホーンと被
   ソルダリングワークを垂直より傾斜可能に設け、前記ソ
   ルダリング槽内のソルダリング材をソルダリング槽外に
   取出し、そのソルダリング材循環系の流れにより被ソル
   ダリングワークにソルダリングすべくポンプ手段を前記
   ソルダリング槽内に設けてなることを特徴とする超音波
   ソルダリング装置。
2. 【請求項２】 前記超音波ホーンの先端部に相対向して
   ほぼ平行に被ソルダリングワークを１〜２５ｍｍ離隔し
   て設けてなることを特徴とする請求項１記載の超音波ソ
   ルダリング装置。
3. 【請求項３】 前記超音波ホーンと被ソルダリングワー
   クとが垂直より０〜９０°の範囲で傾斜可能に設けてな
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波ソルダ
   リング装置。
4. 【請求項４】 前記被ソルダリングワークを中心にして
   前記超音波ホーンとは反対側の相対向した位置に、融解
   したソルダリング材を受け止め超音波振動に対して共振
   する薄厚の共振遮蔽板を設けてなることを特徴とする請
   求項１，２又は３記載の超音波ソルダリング装置。
5. 【請求項５】 前記共振遮蔽板の厚さが０．３〜３．０
   ｍｍであることを特徴とする請求項４記載の超音波ソル
   ダリング装置。