JP3879448B2

JP3879448B2 - Lead-free soldering method and equipment

Info

Publication number: JP3879448B2
Application number: JP2001202706A
Authority: JP
Inventors: 雄介渡辺; 俊也安田; 治樹水谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: JP2003017846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パターン化された配線基板にはんだ付を行なう鉛フリーはんだ付方法と装置に関する。配線基板は、立体成形基板、プリント基板、フレキシブル基板等を含むものであり、主に、ワイヤハーネスが接続された基板に好適な鉛フリーはんだ付方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パターン化された配線基板、例えば、プリント基板のはんだ付けは、一般的にフローはんだあるいはリフローはんだ付方法等によって行なわれている。例えば、特開２０００−１４４４２４号に示されているものは、表面の実装品をリフローはんだ付した後で裏面側にフローはんだ付を行なうものであり、フローはんだ付では、はんだ槽に貯溜された溶融はんだを噴流させて、その噴流はんだを搬送コンベアにより搬送されるプリント基板の裏面側に噴き付けることによってはんだ付を行なっている。そして、プリント基板に噴流はんだを噴き付けてはんだ付けする際に、搬送されるプリント基板の上方より冷風を供給されて、プリント基板の表面側を冷却している。
【０００３】
また、従来から一般的にリフローはんだ方法で用いられていたはんだは、図８に示すように、窒素雰囲気の中で、鉛、錫の共晶はんだ（主にＰｂー６３Ｓｎ）が使用されていた。鉛を含んだ共晶はんだは融点（約１８３℃）が低く濡れ性が優れていることから、はんだ付を行なった後のはんだ付性がよい。しかし、鉛を含んだ材料は、鉛が雨水等によって溶出して地下水を汚染するという環境的問題が発生していることから、鉛の成分を含まない鉛フリーはんだ方法をとらざるを得なくなってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、はんだ付けされるワークがプリント基板でなく、例えば、車両に使用される回転検出装置（回転センサ）の立体成形基板を鉛フリーはんだ付で行なう場合、鉛フリーはんだにおいては、鉛を含まないことから共晶はんだに比べて融点（約２３２℃）が高く、しかも濡れ性が悪いことから、スルーホールのはい上がり不良やはんだ付後のはんだブリッジやはんだつらら等の外観不良を起こしやすい。つまり、立体成形基板は、樹脂ベース上にホールＩＣ等の磁気検出素子、バイアス磁石、コンデンサ、抵抗等の回路部品を搭載して各回路部品の端子を樹脂ベースに形成された配線パターンにはんだ付をし、これを樹脂モールドした構成であり、プリント基板と異なって、スルーホール高さが著しく高く、また、はんだ部分付部の凹凸形状が大きく形成されている。しかも立体成形基板にはワイヤハーネスが付帯されている。従って、立体成形基板ではスルーホールのはい上がり高さが高く、またはんだの温度はワイヤハーネスによって熱が奪われることから、はんだが高いスルーホールをはい上がりにくい状況となっていた。
【０００５】
しかも、濡れ性が悪く、高融点の錫１００％（あるいは鉛のない錫系合金）のはんだを使用することから、立体成形基板の配線のはんだはい上がり部分のメッキ部は、そのピール強度が低下するためにはんだ槽に僅かの時間しか暴露できない状態にある。そのために、特にスルーホールにおいてははんだ付性が低下するとともに、はんだブリッジやはんだつらら等の外観不良を発生しやすくなっていた。
【０００６】
この発明は、上述の課題を解決するものであり、濡れ性が悪く高融点のはんだを使用してはい上がりを確保して外観不良を防止できる鉛フリーはんだ付方法と装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかわる鉛フリーはんだ付方法と装置では、上記の課題を解決するために以下のようにするものである。すなわち、
請求項１記載の鉛フリーはんだ付方法は、パターン化される基板をはんだ槽に搬送すると、はんだ槽においては、噴流はんだ液を乱流域にした状態で、基板を所定時間、噴流はんだ液の流れに対して順送して基板に噴流はんだ液を浸漬させることから、スルーホール内に噴流はんだ液を浸入させ、パターン化されるはんだ付部にはんだ付を行なう。従って、噴流はんだ液は高さの高いスルーホール内においてもはい上がることができる。
【０００８】
次に、前記はんだ槽の乱流域を停止させて層流域にした後、噴流はんだ液の流れに対して、前記基板を逆送させることによって付着されたはんだを切り返すこととなる。この際、はんだが基板から離れる部分に、基板の移動速度と、はんだの流速、はんだの表面張力、ピールバック速度との力学的関係が発生する。そして、この力学的関係が吊り合うように各速度を設定することによって、はんだが無駄なく切り返しを行なえることから、はんだブリッジやはんだつららの発生をなくして外観を向上させることができる。
【０００９】
そして、これを順次制御することによって、生産性を向上させることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、この鉛フリーはんだ付を上記のように、乱流域・層流域で基板に噴流はんだ液を噴射することができ、しかも順送・逆送で順次基板を搬送するように行なうことができることから、はんだ槽を１槽にすることができ、１槽にすることによって装置自体をコンパクトに構成することができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明では、大気雰囲気内ではんだ付を行なうことによって、極めて短時間でのはんだ付作業を行なうことができ、作業性を向上することができる。
【００１２】
さらに、請求項４記載の発明では、基板が立体成形基板のようにスルーホール高さが高く、また、凹凸形状が大きく形成されていても、乱流域での噴流によってはい上がりを良好にするとともに、順送・逆送の切替えによって外観不良を防止することが可能となり、あるいは、立体成形基板やプリント基板等にワイヤハーネスを付帯させていても、ワイヤハーネスを閉じ込めてワイヤハーネスに加熱させずにはんだ槽ではんだ付を行なうことができる。。
【００１３】
また、請求項５記載の鉛フリーはんだ付装置は、基板がパレットに収納されることから、例えば、基板が立体成形基板であったり、プリント基板であったり、又はフレキシブル基板であっても、各基板に合わせたパレットを製作することによって全ての基板を収納することができ、特にワイヤハーネスが付帯された基板をワイヤハーネスを閉じ込めることによって、ワイヤハーネスに加熱させずにはんだ槽ではんだ付を行なうことができる。そして、収納されたパレットごとロボットではんだ槽に搬送し、はんだ付を終了した基板をパレットごと回収装置から回収できるように構成していることから、品質の良い基板を生産性を上げて作業を行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の鉛フリーはんだ付け方法は、車両の回転検出装置（回転センサ）に使用される立体成形基板（以下、ＭＩＤ基板という。）をはんだ付することについて説明するものであり、図１〜２に示すはんだ付装置Ｍによって行なわれる。はんだ付装置Ｍは、機台１上に配置されるとともにＭＩＤ基板１０をパレット２０に収納してＭＩＤ基板１０が収納されたパレット２０をハンド２０１で把持するロボット２と、パレット２０に収納されたＭＩＤ基板１０にフラックス処理するフラックス装置３と、パレット２０に収納されたＭＩＤ基板１０に予熱を付与する加熱装置４と、ＭＩＤ基板１０にはんだ付けするはんだ槽５と、ＭＩＤ基板１０をパレット２０に収納してはんだ付装置Ｍ内に投入するとともにはんだ付けされたＭＩＤ基板１０をパレット２０を回収する投入・回収装置６とを有して構成されている。
【００１５】
ＭＩＤ基板１０は、図３に示すように、ＭＩＤ基板本体部１１とワイヤハーネス１５とを備え、ＭＩＤ基板本体部１１は、樹脂ベース１２上にホールＩＣ等の磁気検出素子、バイアス磁石、コンデンサ、抵抗等の回路部品を搭載（図３における裏面側に搭載するため図示せず）して各回路部品の端子を樹脂ベース１２に形成された配線パターン１３にはんだ付をし、これを樹脂モールドして構成されている。なお、各回路部品の端子は、樹脂ベース１２に形成されたスルーホール１４内に挿入されてはんだ付をすることによって配線パターン１３を形造ることとなる。
【００１６】
そして、この実施形態におけるＭＩＤ基板１０において各電子部品の端子を挿通するスルーホール１４は、その高さが約２．５ｍｍに形成され、はんだ付部の凹凸差は約４０μｍの段差を有している。これは、通常のプリント基板に対してスルーホール１３高さが約２．５倍、凹凸差は約８倍となっている。また、ＭＩＤ基板本体部１１の一端側から延びるワイヤハーネス１５は、先端にコネクタ部１６（図４参照）を有して形成される。
【００１７】
ＭＩＤ基板１０を収納するパレット２０は、図４〜６に示すように、ＭＩＤ基板１０以外にもプリント基板等を載置可能なベース板２１と、ＭＩＤ基板１０を上方から押える前部蓋部２５と、ワイヤハーネス１５をカバーする後部蓋部２７とを有している。実施形態におけるベース板２１には、ＭＩＤ基板本体部１１を収納する基板載置部２２と、ワイヤハーネスを収納するワイヤハーネス収納部２３とを有して略矩形状に形成され、さらに、ＭＩＤ基板１０の軸心方向に対して側部側にロボット２のハンド２０１に把持される被把持部２４を各２か所づつ備えて構成されている。
【００１８】
基板載置部２２には、ＭＩＤ基板本体部１１の両端を支持する支持部２２１（図６参照）が形成されるとともに、ＭＩＤ基板本体部１１の下方からはんだ噴流を噴き込むための開口部２２２がＭＩＤ基板本体部１１と略同幅に形成されている。さらに、基板配置部２２には、前部蓋部２５が支持部２２１に支持されたＭＩＤ基板本体部１１を上方から押圧するために一端が基板載置部２２に軸支されて開閉可能に配置されている。前部蓋部２５にはＭＩＤ基板本体部１１の両端を軽く押圧する押圧部２５２（図５又は６参照）が前部蓋部２５の本体２５１（図５又は６参照）から下方に突出するように形成されるとともに、前部蓋部２５を閉じた時に、基板載置部２２側のマグネット２２３及び前部蓋部２５側のマグネット２５３で基板載置部２２に固着可能に構成されている。
【００１９】
ワイヤハーネス収納部２３は、ＭＩＤ基板１０のワイヤハーネス１５を収納するために、実施形態においてはその約半分のスペース内でワイヤハーネスを屈曲させてコネクタ部１６を収納するように使用している。そして、後部蓋部２７の一端がワイヤハーネス収納部２３の一部に軸支されてワイヤはーネス１５を覆うように開閉可能に配置されている。後部蓋部２７も前部蓋部２５と同様に、閉じた時に他端がワイヤハーネス収納部２３にマグネット等で固着される。
【００２０】
なお、パレット２０は、基板収納部２２、ワイヤハーネス収納部２３、ロボット２のハンド２０１に把持される被把持部２４、及び各基板を押圧する前部蓋部２５、ワイヤハーネス１５を覆う後部蓋部２７、ＭＩＤ基板本体部１１の下面に噴流はんだ液を噴き込むための開口部２２２が形成あるいは配置されていれば、特にそれらの形状に限定するものではなく、また、ＭＩＤ基板やプリント基板あるいは他の基板の形状に合わせて全体の形状を形成すればよい。
【００２１】
ロボット２は、機台１上の略中央部に位置するように配置され、投入・回収装置６に投入されてＭＩＤ基板１０を収納したパレット２０をハンド２０１で把持して、順に、フラックス装置３、加熱装置４、はんだ槽５にＭＩＤ基板１０を搬送して投入・回収装置６に回収するように作動される。
【００２２】
フラックス装置３は、ロボット２のハンド２０１で搬送されたＭＩＤ基板１０の裏面側にフラックス液を塗布してはんだ付を行なえるように構成され、これは、公知のフラックス装置が配置される。実施形態において、このフラックス装置３では、フラックス液はソルダライトＵＬＦ−３０００が使用され、間欠スプレー方式で約２秒間で塗布する。
【００２３】
加熱装置４は、搬送部４１と加熱部４２とを有して構成され、ＭＩＤ基板１０を収納してロボット２のハンド２０１で把持されたパレット２０が、ハンド２０１の把持解除で加熱装置４の一端に載置されると、搬送部４１によってＭＩＤ基板１０を収納したパレット２０を一方の側に向かって所定時間内で搬送し、その間、加熱装置４２によってＭＩＤ基板１０に予熱を加える。実施形態においては、この予熱温度は約８０〜１００℃に設定され、予熱時間は約１０秒程度に設定されている。
【００２４】
はんだ槽５は、フローはんだ付方式が採用され、噴流となった噴流はんだ液をパレット２０の開口部２２２を通って裏面側から噴き付けることによってはんだ付が行なわれるように構成され、図７に示すように、ノズル５１とはんだ流ガイド５２とを有して１槽で構成されている。はんだ槽５には、噴流はんだ液を噴き付けるためのノズルと５１、ノズル５１から噴射された噴流はんだ液の流れを形成するはんだ流ガイド５２と、噴流はんだ液に乱流を発生させる図示しないモータとを有している。そして、このはんだ槽５では、モータを作動させることによって噴流はんだ液を攪拌して高速のはんだ流で乱流域を形成する。
【００２５】
そして、はんだ槽５では、ＭＩＤ基板１０を収納したパレット２０をロボット２のハンド２０１が把持した状態で、ロボット２の制御によって、乱流域又は層流域の中でノズル５１の上方でパレット２０を順送させたり逆送させたりする。この作動は後述の作用の中で詳細に説明する。
【００２６】
はんだ槽５におけるはんだ付作業は大気雰囲気の中で行なわれ、また、はんだ付作業によって、はんだ槽５の上方で上昇された温度を吸引するバキューム装置８（図２参照）が、はんだ槽５の上方に配置されている。
【００２７】
次に、上記のように構成されたはんだ付装置Ｍの作用を、図１〜８に基づいて説明する。
【００２８】
はんだ付装置Ｍの外でパレット２０にセットされたＭＩＤ基板１０（以下、基板収納体３０という。）が、投入・回収装置６からはんだ付装置Ｍ内に投入されると、ロボット２のハンド３がパレット２０の被把持部２４を両側から把持して、基板収納体３０を保持する。
【００２９】
ロボット２に保持された基板収納体３０は、フラックス装置３に搬送されてロボット２に保持された状態のまま、フラックス液をＭＩＤ基板１０の裏面側に塗布する。
【００３０】
次にフラックス液が塗布された基板収納体３０は、ロボット２によって加熱装置４に搬送される。加熱装置４では、ロボット２がハンド２０１で基板収納体３０を把持解除すると、基板収納体３０は搬送部４１で搬送されながら予熱される。この際、基板収納体３０を把持解除したロボット２は、加熱装置４で予熱されて予熱部４２の先端で待機している直前の基板収納体３０をはんだ槽５に搬送してはんだ付をする。そして、はんだ付をした基板収納体３０を投入・回収装置６で回収した後、新たな基板収納体３０を把持して、フラックス処置をして加熱装置４に再び搬送する。これによって、タクトタイムを短縮することができる。
【００３１】
はんだ槽５に搬送された基板収納体３０は、ロボット２に保持された状態のまま、はんだ槽５のノズル５１上方に搬送される。実施形態のはんだは、図８に示すように、濡れ性が悪く高融点の錫１００％のものを使用して、ＭＩＤはんだ付性（はんだはい上がり）を確保しながらはんだ外観不良を低減するために、基板収納体３０がはんだ槽５のノズル５１上方に配置される際、はんだ槽５は、下記表１のはんだ付条件で示すように、シーケンス制御あるいはコンピュータプログラミングされたモータによって乱流域を形成し、ＭＩＤ基板１０の浸漬深さを２〜２．５ｍｍに設定している。はんだ槽５のノズル５１から噴流する噴流はんだ液は基板収納体３０のパレット２０の下部開口部２２２からＭＩＤ基板１０内に噴流するとともにはんだ流ガイド５２に沿って流れている（順送方向）。基板収納体１０がロボット２にて、はんだ槽５の上方に移動されると、基板収納体３０は、水平方向に対してＭＩＤ基板角度０〜８°（実施形態では約８°）の範囲内ではんだ流の順送方向に沿って移動させる。この移動は約３．５〜４秒で行なわれ、この間に、はんだがＭＩＤ基板１０に浸漬されることになる。
【００３２】
【表１】

【００３３】
基板収納体３０が、所定時間搬送されると、次に、はんだ槽５は乱流域を停止して層流域を形成させる。そして、基板収納体３０をロボット２により噴流はんだ液の流れに対して逆送させる。このときのはんだ槽５のはんだ付条件は、下記表２の第２のはんだ付条件で示すように、噴流はんだ液量を２．５〜３ｍｍとし、層流域内でＭＩＤ基板深さを２〜２．５ｍｍに設定する。そして、基板収納体３０をロボット２によって、ＭＩＤ基板角度３〜８°で噴流はんだ液に対して逆送方向に３．５〜４秒間移動させる。
【００３４】
【表２】

【００３５】
これによって、ＭＩＤ基板１０のはんだ付部に付着されたはんだは、基板収納体３０の層流域内での逆送によって、力学的関係で釣合が取れることによって、無駄なくきれいに切り返されることとなる。
【００３６】
上記のようなはんだ付条件で、ロボット２に把持された基板収納体３０のＭＩＤ基板１０を、１槽のはんだ槽５ではんだ付を行なうことによって、大気雰囲気内で行なうことができ、その結果、図８に示すように極めて短時間でワイヤハーネス１５を付帯したＭＩＤ基板１０にはんだ付を行なうことができる。
【００３７】
図８のグラフは、従来から一般的に行なわれてプリント基板を窒素雰囲気の中でフローはんだ付をしたもの（二点鎖線で示す）と、本発明によるはんだ付装置Ｍで行なわれて大気雰囲気内でＭＩＤ基板１０をフローはんだ付したもの（実線で示す）との、温度プロファイルの比較を示したものである。
【００３８】
上述のように、高融点（約２３２℃）の錫１００％を使用しても、乱流域での順送、層流域での逆送をロボット２の搬送により大気雰囲気で行なうことにより、一般に行なわれていたはんだ付方法に比べて、極めて短時間ではんだ付を行なうことができる。
【００３９】
なお、ロボット２がはんだ槽５上において、乱流域の中での順送、層流域の中での逆送を行なう作動は、その位置及び移動量を記憶されることから、一旦行なえばティーチングされてこれを繰り返して行なうこととなる。
【００４０】
従って、上記のように、実施形態のはんだ付方法では、以下のような効果を達成できる。
【００４１】
第１に、はんだ槽５においては、モータによってはんだ槽５を乱流域にした状態で、ＭＩＤ基板１０が収納された基板収納体３０を３．５〜４秒間、噴流はんだ液の流れに対してロボット２の操作によって順送してＭＩＤ基板に噴流液を浸漬させることから、スルーホール内に噴流はんだ液を浸入させ、パターン化されたはんだ付部にはんだ付を行なう。従って、はんだは高さの高いスルーホール内においてもはい上がることができる。
【００４２】
次に、前記はんだ槽の乱流域を停止させて層流域にした後、噴流はんだ液の流れに対してロボット２の操作で逆送させることによってはんだを切り返すこととなる。この際、はんだがＭＩＤ基板１０から離れる部分に、ＭＩＤ基板１０の移動速度と、はんだの流速、はんだの表面張力、ピールバック速度との力学的関係が発生する。そして、この力学的関係が吊り合うように各速度を設定することによって、はんだが無駄なく切り返しを行なえることから、はんだブリッジやはんだつららの発生をなくして外観を向上させることができる。
【００４３】
そして、これを順次制御することによって、パターン化されたはんだ付部にはんだ付を行なって生産性を向上させることができる。
【００４４】
第２に、この鉛フリーはんだ付を上記のように、乱流域でＭＩＤ基板１０に噴流はんだ液を噴射することができ、しかも順送・逆送で順次ＭＩＤ基板１０を収納した基板収納体３０をロボット２で搬送するように行なうことができることから、はんだ槽５を１槽にすることができ、１槽にすることによってはんだ付装置Ｍ自体をコンパクトに構成することが可能となる。
【００４５】
第３に、基板収納体３０をロボット２で順送又は逆送するとともにはんだ槽５を乱流域と層流域のなかで、はんだ付を行なうことから、大気雰囲気内で行なうことができ、大気雰囲気内ではんだ付を行なうことによって、図８に示すように、例えば、プリント基板を通常のフローはんだ付で行なうものより、極めて短時間でのはんだ付作業を行なうことができ、作業性を向上することができる。
【００４６】
第４に、実施形態のはんだ付装置Ｍでは、基板がＭＩＤ基板１０のようにスルーホール高さが高く、また、凹凸形状が大きく形成されていても、乱流域での噴流によってはい上がりを良好にするとともに、順送・逆送の切替えによって外観不良を防止することが可能となる。
【００４７】
そして、ＭＩＤ基板１０がパレット２０に収納されることから、例えば、基板が立体成形基板であったり、プリント基板であったり、又はフレキシブル基板であっても、各基板に合わせたパレットを製作することによって全ての基板を収納することができ、特にワイヤハーネス１５が付帯されたＭＩＤ基板１０のワイヤハーネス１５をワイヤハーネス収納部２３に閉じ込めることによって、ワイヤハーネス１５を加熱させずにはんだ槽５ではんだ付を行なうことができる。
【００４８】
第５に、実施形態のはんだ付装置Ｍは、基板収納体３０をフラックス処理、予熱をした後で、ロボット２ではんだ槽５に搬送し、はんだ付を終了したＭＩＤ基板１０をパレット２０ごと投入・回収装置６から回収できるように構成していることから、品質の良いＭＩＤ基板１０を生産性を上げて作業を行なうことができる。
【００４９】
なお、基板収納体３０に収納される基板はＭＩＤ基板１０に限らず、ワイヤハーネスの付帯したプリント基板、あるいは、ワイヤハーネスの付帯しないＭＩＤ基板、プリント基板あるいはフレキシブル基板等であってもよい。
【００５０】
また、上記形態でははんだ槽５を１槽で構成しているが、勿論２槽以上で形成するようにしてもよい。
【００５１】
さらに、はんだ槽５におけるはんだは、錫１００％でなくても、鉛フリーはんだ、例えば、Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ等のＳｎ系はんだであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態によるはんだ付装置を示す平面図である。
【図２】図１におけるはんだ付装置を示す側面図である。
【図３】図１のはんだ付装置ではんだ付けされるＭＩＤ基板を示す平面図である。
【図４】ＭＩＤ基板を収納するパレットを示す平面図である。
【図５】同正面断面図である。
【図６】同側面断面図である。
【図７】図１におけるはんだ槽ではんだ付を行なう状態を示す簡略断面図である。
【図８】本発明によるはんだ付と従来のはんだ付による温度プロファイルを比較したグラブである。
【符号の説明】
Ｍ…はんだ付装置
１…機台
２…ロボット
３…フラックス装置
４…加熱装置
５…はんだ槽
６…投入・回収装置
１０…ＭＩＤ基板（立体成形基板）
１１…ＭＩＤ基板本体部
１４…スルーホール
１５…ワイヤハーネス
２０…パレット
２１…ベース板
２２…基板載置部
２２２…開口部
２３…ワイヤハーネス収納部
２４…被把持部
２５…前部蓋部
２７…後部蓋部
５１…ノズル
５２…はんだ流ガイド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lead-free soldering method and apparatus for soldering a patterned wiring board. The wiring board includes a three-dimensionally formed board, a printed board, a flexible board, and the like, and mainly relates to a lead-free soldering method and apparatus suitable for a board to which a wire harness is connected.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, soldering of a patterned wiring board, for example, a printed circuit board, is generally performed by a flow soldering method or a reflow soldering method. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-144424 discloses a method in which flow soldering is performed on the back side after reflow soldering a surface mounting product. In flow soldering, the solder is stored in a solder bath. Soldering is performed by jetting molten solder and spraying the jet solder onto the back side of the printed circuit board conveyed by the conveyor. And when spraying solder on a printed circuit board and soldering, cold air is supplied from the upper part of the printed circuit board conveyed, and the surface side of a printed circuit board is cooled.
[0003]
In addition, as shown in FIG. 8, the solder that has been generally used in the reflow soldering method conventionally uses eutectic solder of lead and tin (mainly Pb-63Sn) in a nitrogen atmosphere. . Since eutectic solder containing lead has a low melting point (about 183 ° C.) and excellent wettability, the solderability after soldering is good. However, the material containing lead has an environmental problem that lead is eluted by rainwater and contaminates groundwater. Therefore, the lead-free soldering method that does not contain lead components has to be taken. ing.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, when the work to be soldered is not a printed board, for example, when a three-dimensional molded board of a rotation detection device (rotation sensor) used in a vehicle is to be lead-free soldered, lead-free solder does not contain lead. For this reason, the melting point (about 232 ° C.) is higher than that of eutectic solder, and the wettability is poor, and therefore, it is easy to cause poor penetration of through holes and poor appearance such as solder bridges and solder icicles after soldering. In other words, a three-dimensional molded board is equipped with circuit components such as Hall IC and other magnetic detection elements, bias magnets, capacitors, and resistors on a resin base, and the terminals of each circuit component are soldered to a wiring pattern formed on the resin base. Unlike the printed circuit board, the through-hole height is remarkably high, and the uneven shape of the soldered portion is large. Moreover, a wire harness is attached to the three-dimensional molded substrate. Accordingly, in the three-dimensional molded substrate, the rising height of the through hole is high, or the temperature of the solder is deprived of heat by the wire harness.
[0005]
In addition, the wettability is poor and the solder of high melting point 100% tin (or lead-free tin-based alloy) is used, so that the peel strength of the plated part of the solder bump of the three-dimensional molded board is lowered. Therefore, it is in a state where it can be exposed to the solder bath for only a short time. For this reason, solderability is deteriorated particularly in the through hole, and appearance defects such as solder bridges and solder icicles are likely to occur.
[0006]
This invention solves the above-mentioned subject, and aims at providing the lead-free soldering method and apparatus which can prevent the appearance defect by using a solder having poor wettability and using a high melting point solder. And
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The lead-free soldering method and apparatus according to the present invention are as follows in order to solve the above problems. That is,
In the lead-free soldering method according to claim 1, when the substrate to be patterned is transported to the solder bath, the flow of the jet solder solution is maintained in the solder bath in a state where the jet solder solution is in a turbulent flow region for a predetermined time. Therefore, the jet solder liquid is immersed in the through hole, and soldering is performed on the soldered portion to be patterned. Therefore, the jet solder liquid can be lifted up even in a high through-hole.
[0008]
Next, after the turbulent flow area of the solder tank is stopped to be a laminar flow area, the attached solder is turned back by reversing the substrate against the flow of the jet solder liquid. At this time, a mechanical relationship between the moving speed of the board, the flow speed of the solder, the surface tension of the solder, and the peelback speed is generated in a portion where the solder is separated from the board. And by setting each speed so that this mechanical relationship is suspended, the solder can be turned back without waste, so the appearance can be improved without the occurrence of solder bridges and solder icicles.
[0009]
And productivity can be improved by controlling this sequentially.
[0010]
In the invention of claim 2, the lead-free soldering can inject the jet solder liquid onto the substrate in the turbulent flow region and the laminar flow region as described above, and the substrate can be transported sequentially by forward / reverse feeding. Therefore, the number of solder baths can be reduced to one, and the apparatus itself can be made compact by using one bath.
[0011]
In the invention according to claim 3, by performing soldering in an air atmosphere, the soldering operation can be performed in a very short time, and workability can be improved.
[0012]
Further, in the invention according to claim 4, even if the substrate has a high through-hole height like a three-dimensionally formed substrate and a large uneven shape is formed, the jet flow in the turbulent region improves the lift. It becomes possible to prevent appearance defects by switching between forward and reverse feeding, or even if a wire harness is attached to a three-dimensional molded board or printed board, etc., without confining the wire harness and heating it Soldering can be performed in a solder bath. .
[0013]
Moreover, since the board | substrate is accommodated in a pallet, the lead-free soldering apparatus of Claim 5 is each, even if a board | substrate is a solid molded board | substrate, a printed board, or a flexible board, All the boards can be accommodated by producing a pallet that matches the board, and in particular, by soldering the wiring harness attached to the wiring harness, soldering is performed in a solder bath without heating the wiring harness. be able to. And, since the entire pallet stored is transported to the solder tank by the robot, and the board that has been soldered can be recovered from the recovery device together with the pallet, it is possible to improve the productivity of high-quality boards. Can be done.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The lead-free soldering method according to the embodiment describes soldering a three-dimensional molded board (hereinafter referred to as an MID board) used in a vehicle rotation detection device (rotation sensor). The soldering apparatus M shown in FIG. The soldering apparatus M is disposed on the machine base 1 and accommodates the MID board 10 in the pallet 20 and holds the pallet 20 containing the MID board 10 with the hand 201 and the pallet 20. The flux device 3 that performs flux processing on the MID substrate 10, the heating device 4 that preheats the MID substrate 10 accommodated in the pallet 20, the solder bath 5 that is soldered to the MID substrate 10, and the MID substrate 10 on the pallet 20. It is configured to have an input / recovery device 6 for storing and charging the soldered MID substrate 10 into the soldering device M and recovering the pallet 20.
[0015]
As shown in FIG. 3, the MID board 10 includes an MID board body 11 and a wire harness 15. The MID board body 11 has a magnetic detection element such as a Hall IC on the resin base 12, a bias magnet, a capacitor, A circuit component such as a resistor is mounted (not shown for mounting on the back side in FIG. 3), and terminals of each circuit component are soldered to the wiring pattern 13 formed on the resin base 12, and this is resin molded. Configured. The terminals of each circuit component are inserted into through holes 14 formed in the resin base 12 and soldered to form the wiring pattern 13.
[0016]
In the MID substrate 10 in this embodiment, the through hole 14 through which the terminal of each electronic component is inserted is formed with a height of about 2.5 mm, and the unevenness of the soldered portion has a step of about 40 μm. Yes. This is because the height of the through hole 13 is about 2.5 times that of a normal printed circuit board and the unevenness difference is about 8 times. Further, the wire harness 15 extending from one end side of the MID substrate body 11 is formed with a connector portion 16 (see FIG. 4) at the tip.
[0017]
As shown in FIGS. 4 to 6, the pallet 20 for storing the MID substrate 10 includes a base plate 21 on which a printed circuit board and the like can be placed in addition to the MID substrate 10, and a front lid portion 25 for pressing the MID substrate 10 from above. And a rear lid portion 27 that covers the wire harness 15. The base plate 21 in the embodiment has a substrate mounting portion 22 for storing the MID substrate main body portion 11 and a wire harness storage portion 23 for storing a wire harness, and is formed in a substantially rectangular shape. Each of the gripped portions 24 to be gripped by the hand 201 of the robot 2 is provided on each side with respect to the ten axial directions.
[0018]
In the substrate mounting portion 22, support portions 221 (see FIG. 6) that support both ends of the MID substrate main body portion 11 are formed, and an opening 222 for injecting a solder jet from below the MID substrate main body portion 11. Is formed to have substantially the same width as the MID substrate body 11. Furthermore, one end of the front lid portion 25 is pivotally supported by the substrate placement portion 22 so that the front lid portion 25 presses the MID substrate main body portion 11 supported by the support portion 221 from above. Has been. The front lid 25 has a pressing portion 252 (see FIG. 5 or 6) for lightly pressing both ends of the MID substrate body 11 so as to protrude downward from the main body 251 (see FIG. 5 or 6) of the front lid 25. When the front lid portion 25 is closed, the magnet 223 on the substrate placement portion 22 side and the magnet 253 on the front lid portion 25 side can be fixed to the substrate placement portion 22.
[0019]
In order to store the wire harness 15 of the MID board 10, the wire harness storage unit 23 is used to store the connector unit 16 by bending the wire harness in about half of the space in the embodiment. Then, one end of the rear lid portion 27 is pivotally supported by a part of the wire harness storage portion 23, and the wire is disposed so as to be openable and closable so as to cover the tunnel 15. Similarly to the front lid portion 25, the rear lid portion 27 is fixed to the wire harness storage portion 23 with a magnet or the like when closed.
[0020]
The pallet 20 includes a substrate storage unit 22, a wire harness storage unit 23, a gripped unit 24 gripped by the hand 201 of the robot 2, a front cover unit 25 that presses each substrate, and a rear cover that covers the wire harness 15. If the opening part 222 for injecting a jet solder liquid is formed or arrange | positioned in the lower surface of the part 27 and the MID board | substrate main-body part 11, it will not specifically limit to those shapes, and MID board | substrate, a printed circuit board, or The entire shape may be formed in accordance with the shape of another substrate.
[0021]
The robot 2 is arranged so as to be positioned at a substantially central portion on the machine base 1, holds the pallet 20 loaded in the loading / collecting device 6 and storing the MID substrate 10 with the hand 201, and sequentially the flux device 3. The MID substrate 10 is transported to the heating device 4 and the solder bath 5 and is recovered by the input / recovery device 6.
[0022]
The flux device 3 is configured such that a flux liquid can be applied to the back side of the MID substrate 10 conveyed by the hand 201 of the robot 2 and soldered, and a known flux device is disposed. In the embodiment, in the flux device 3, solderite ULF-3000 is used as the flux liquid and is applied in about 2 seconds by an intermittent spray method.
[0023]
The heating device 4 includes a transport unit 41 and a heating unit 42, and the pallet 20 that holds the MID substrate 10 and is gripped by the hand 201 of the robot 2 is released from the gripping of the hand 201. When placed on one end, the pallet 20 containing the MID substrate 10 is transported to one side within a predetermined time by the transport unit 41, and during that time, the heating device 42 preheats the MID substrate 10. In the embodiment, the preheating temperature is set to about 80 to 100 ° C., and the preheating time is set to about 10 seconds.
[0024]
The solder bath 5 employs a flow soldering method, and is configured such that soldering is performed by spraying the jet solder liquid that has become a jet through the opening 222 of the pallet 20 from the back surface side. As shown, it has a nozzle 51 and a solder flow guide 52 and is composed of one tank. The solder tank 5 includes a nozzle 51 for spraying a jet solder liquid, a solder flow guide 52 that forms a flow of the jet solder liquid sprayed from the nozzle 51, and a motor (not shown) that generates a turbulent flow in the jet solder liquid. And have. And in this solder tank 5, a jet solder liquid is stirred by operating a motor and a turbulent flow area is formed with a high-speed solder flow.
[0025]
In the solder tank 5, the pallet 20 containing the MID substrate 10 is held by the hand 201 of the robot 2, and the pallet 20 is sequentially moved above the nozzle 51 in the turbulent flow region or the laminar flow region by the control of the robot 2. Send or reverse. This operation will be described in detail later in the operation.
[0026]
The soldering operation in the solder bath 5 is performed in an air atmosphere, and a vacuum device 8 (see FIG. 2) that sucks the temperature raised above the solder bath 5 by the soldering operation is provided in the solder bath 5. It is arranged above.
[0027]
Next, the effect | action of the soldering apparatus M comprised as mentioned above is demonstrated based on FIGS.
[0028]
When a MID substrate 10 (hereinafter referred to as a substrate storage body 30) set on the pallet 20 outside the soldering apparatus M is loaded into the soldering apparatus M from the loading / recovering apparatus 6, the hand 3 of the robot 2 is used. Grips the gripped portion 24 of the pallet 20 from both sides and holds the substrate storage body 30.
[0029]
The substrate container 30 held by the robot 2 is applied to the back surface of the MID substrate 10 while being transported to the flux device 3 and held by the robot 2.
[0030]
Next, the substrate container 30 to which the flux liquid is applied is conveyed to the heating device 4 by the robot 2. In the heating device 4, when the robot 2 releases the grip of the substrate storage body 30 with the hand 201, the substrate storage body 30 is preheated while being transported by the transport unit 41. At this time, the robot 2 that has released the grip of the substrate storage body 30 transports the substrate storage body 30 immediately preheated by the heating device 4 and stands by at the tip of the preheating unit 42 to the solder bath 5 for soldering. . Then, after the soldered substrate storage body 30 is recovered by the input / recovery device 6, the new substrate storage body 30 is gripped, flux-treated, and conveyed again to the heating device 4. Thereby, the tact time can be shortened.
[0031]
The substrate container 30 conveyed to the solder tank 5 is conveyed above the nozzle 51 of the solder tank 5 while being held by the robot 2. As shown in FIG. 8, the solder of the embodiment uses poorly wettable 100% tin having a high melting point to reduce solder appearance defects while ensuring MID solderability (solder finish). In addition, when the substrate container 30 is disposed above the nozzle 51 of the solder bath 5, the solder bath 5 forms a turbulent flow area by a sequence-controlled or computer-programmed motor as shown by the soldering conditions in Table 1 below. The immersion depth of the MID substrate 10 is set to 2 to 2.5 mm. The jet solder liquid jetted from the nozzle 51 of the solder bath 5 jets into the MID substrate 10 from the lower opening 222 of the pallet 20 of the substrate housing 30 and flows along the solder flow guide 52 (in the forward direction). When the substrate storage body 10 is moved above the solder bath 5 by the robot 2, the substrate storage body 30 is within the range of 0 to 8 ° MID substrate angle (about 8 ° in the embodiment) with respect to the horizontal direction. To move along the solder flow progressive direction. This movement is performed in about 3.5 to 4 seconds, and during this time, the solder is immersed in the MID substrate 10.
[0032]
[Table 1]

[0033]
When the substrate storage body 30 is conveyed for a predetermined time, the solder bath 5 then stops the turbulent flow region and forms a laminar flow region. And the board | substrate storage body 30 is reversely sent with respect to the flow of a jet solder liquid by the robot 2. FIG. The soldering conditions of the solder bath 5 at this time are as follows. As shown in the second soldering conditions in the following Table 2, the jet solder liquid amount is 2.5 to 3 mm, and the MID substrate depth is 2 to 2 in the laminar flow region. Set to 2.5 mm. Then, the substrate storage body 30 is moved by the robot 2 in the reverse feeding direction for 3.5 to 4 seconds with respect to the jet solder liquid at an MID substrate angle of 3 to 8 °.
[0034]
[Table 2]

[0035]
As a result, the solder attached to the soldered portion of the MID substrate 10 is balanced back in a mechanical relationship by being fed back in the laminar flow region of the substrate housing 30 and is cut back cleanly without waste. .
[0036]
By soldering the MID substrate 10 of the substrate container 30 held by the robot 2 under the above-described soldering conditions in one solder bath 5, it can be performed in the atmosphere. As shown in FIG. 8, soldering can be performed on the MID substrate 10 with the wire harness 15 attached in a very short time.
[0037]
The graph of FIG. 8 shows a general atmospheric air atmosphere that is performed by a soldering apparatus M according to the present invention in which a printed circuit board is generally flow soldered in a nitrogen atmosphere (indicated by a two-dot chain line). The comparison of the temperature profile with what flow-soldered MID board | substrate 10 (indicated with a continuous line) is shown.
[0038]
As described above, even if 100% tin having a high melting point (about 232 ° C.) is used, the forward transfer in the turbulent flow region and the reverse feed in the laminar flow region are generally performed by carrying the robot 2 in the atmosphere. Compared with the conventional soldering method, soldering can be performed in a very short time.
[0039]
In addition, since the operation of the robot 2 performing the forward feeding in the turbulent flow region and the reverse feeding in the laminar flow region on the solder tank 5 is memorized, the position and the movement amount are memorized. This is repeated.
[0040]
Therefore, as described above, the soldering method according to the embodiment can achieve the following effects.
[0041]
1stly, in the solder tank 5, the board | substrate accommodating body 30 in which the MID board | substrate 10 was accommodated for 3.5 to 4 second with respect to the flow of a jet solder liquid in the state which made the solder tank 5 the turbulent flow area with the motor. Since the jet liquid is soaked in the MID substrate by progressively operating by the operation of the robot 2, the jet solder liquid is infiltrated into the through hole, and soldering is performed on the patterned soldering portion. Therefore, the solder can climb up even in a high through-hole.
[0042]
Next, after stopping the turbulent flow area of the solder tank to be a laminar flow area, the solder is turned back by reversely feeding the flow of the jet solder liquid by the operation of the robot 2. At this time, a mechanical relationship between the moving speed of the MID substrate 10, the flow velocity of the solder, the surface tension of the solder, and the peelback speed is generated in a portion where the solder is separated from the MID substrate 10. And by setting each speed so that this mechanical relationship is suspended, the solder can be turned back without waste, so the appearance can be improved without the occurrence of solder bridges and solder icicles.
[0043]
And by controlling this sequentially, it is possible to improve the productivity by soldering the patterned soldering portion.
[0044]
Secondly, as described above, the lead-free soldering can inject the jet solder liquid onto the MID substrate 10 in the turbulent region, and the substrate housing 30 in which the MID substrate 10 is sequentially accommodated in the forward and reverse feeds. Therefore, the solder bath 5 can be made into one bath, and by using one bath, the soldering apparatus M itself can be made compact.
[0045]
Third, since the substrate container 30 is fed forward or backward by the robot 2 and the solder tank 5 is soldered in a turbulent flow region and a laminar flow region, it can be performed in an air atmosphere. By performing soldering in the inside, as shown in FIG. 8, for example, it is possible to perform soldering work in an extremely short time compared to the case where the printed circuit board is performed by ordinary flow soldering, and the workability is improved. be able to.
[0046]
Fourth, in the soldering apparatus M of the embodiment, even if the substrate has a high through-hole height like the MID substrate 10 and a large uneven shape is formed, the jet flow in the turbulent flow area has a good rise. In addition, it is possible to prevent appearance defects by switching between the forward feed and the reverse feed.
[0047]
Since the MID substrate 10 is stored in the pallet 20, for example, even if the substrate is a three-dimensional molded substrate, a printed substrate, or a flexible substrate, a pallet that matches each substrate is manufactured. All the substrates can be accommodated by the soldering bath 5. In particular, the wire harness 15 of the MID substrate 10 with the wire harness 15 attached is confined in the wire harness accommodating portion 23, so that the wire harness 15 can be soldered in the solder bath 5 without being heated. Attaching can be performed.
[0048]
Fifth, the soldering apparatus M of the embodiment performs flux processing and preheating of the substrate housing 30 and then transports it to the solder tank 5 by the robot 2 and inputs the MID substrate 10 that has been soldered together with the pallet 20. Since it is configured so that it can be recovered from the recovery device 6, it is possible to work on the high-quality MID substrate 10 with increased productivity.
[0049]
In addition, the board | substrate accommodated in the board | substrate storage body 30 is not restricted to the MID board | substrate 10, The printed circuit board with which the wire harness was attached, or the MID board | substrate with which the wire harness was not attached, a printed circuit board, or a flexible substrate may be sufficient.
[0050]
Moreover, in the said form, although the solder tank 5 is comprised by 1 tank, you may make it form in 2 tanks or more.
[0051]
Furthermore, the solder in the solder bath 5 may not be 100% tin but may be lead-free solder, for example, Sn-based solder such as Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a soldering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing the soldering apparatus in FIG. 1;
FIG. 3 is a plan view showing an MID substrate to be soldered by the soldering apparatus of FIG. 1;
FIG. 4 is a plan view showing a pallet for storing an MID substrate.
FIG. 5 is a front sectional view of the same.
FIG. 6 is a side sectional view of the same.
7 is a simplified cross-sectional view showing a state in which soldering is performed in the solder bath in FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a grab comparing temperature profiles of soldering according to the present invention and conventional soldering.
[Explanation of symbols]
M ... Soldering device 1 ... Machine base 2 ... Robot 3 ... Flux device 4 ... Heating device 5 ... Solder tank 6 ... Loading / collecting device 10 ... MID substrate (three-dimensional molded substrate)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... MID board | substrate main-body part 14 ... Through-hole 15 ... Wire harness 20 ... Pallet 21 ... Base board 22 ... Board | substrate mounting part 222 ... Opening part 23 ... Wire harness storage part 24 ... Grasping part 25 ... Front cover part 27 ... Rear cover 51 ... Nozzle 52 ... Solder flow guide

Claims

A lead-free soldering method in which a substrate to be patterned is transported to a solder bath and soldered by being heated with a jet solder liquid jetted from the solder bath,
While making the jet solder liquid in the solder tank a turbulent flow area, while immersing the board in the jet solder liquid for a predetermined time, the board is sequentially fed along the flow of the jet solder liquid,
Then, while making the jet solder liquid in the solder bath into a laminar flow area, the substrate is sent back to the flow of the jet solder liquid,
A lead-free soldering method characterized by sequentially controlling the generation of the turbulent flow region, the forward feeding of the substrate, the generation of the laminar flow region, and the reverse feeding of the substrate.

The lead-free soldering method according to claim 1, wherein the solder jet is performed in one bath.

The lead-free soldering method according to claim 1 or 2, wherein the jet solder liquid is jetted in an air atmosphere.

4. The lead-free soldering method according to claim 1, wherein the substrate is a three-dimensional molded substrate or a printed circuit board with a wire harness attached thereto.

A lead-free soldering apparatus that transports a substrate to be patterned to a solder bath and is soldered by being heated with a jet liquid jetted from the solder bath,
A machine base, a pallet disposed in the machine base for storing the board, a robot for transporting the pallet for housing the board, a pallet for housing the board, and lead-free soldering the board A solder bath, and a collecting device for collecting the soldered substrate together with the pallet;
Configured with
In the solder bath, the jet solder solution in the solder bath is made into a turbulent flow area, and the substrate is sequentially fed along the flow of the jet solder solution while the substrate is immersed in the jet solder solution for a predetermined time. And
Then, while making the jet solder liquid in the solder bath into a laminar flow area, the substrate is sent back to the flow of the jet solder liquid,
A lead-free soldering apparatus configured to sequentially control the generation of the turbulent flow region, the forward feeding of the substrate, the generation of the laminar flow region, and the reverse feeding of the substrate.