JP4038582B2

JP4038582B2 - プリント基板のはんだ付け方法

Info

Publication number: JP4038582B2
Application number: JP2004170640A
Authority: JP
Inventors: 彰高口
Original assignee: 千住システムテクノロジー株式会社
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: TW200541427A; TWI387418B; JP2005353706A

Description

本発明は、溶融はんだでプリント基板のはんだ付けを行う方法、特に鉛フリーはんだを用いた場合に適したはんだ付け方法に関する。

一般にプリント基板と電子部品をはんだ槽の溶融はんだではんだ付けする場合、はんだ槽のノズルから噴流している溶融はんだにプリント基板の裏面を接触させてはんだ付けを行う。このプリント基板に搭載する電子部品としては、長いリードを有するディスクリート部品や本体の両端側面に電極設置されたチップ部品等がある。

ディスクリート部品をプリント基板にはんだ付けする場合は、プリント基板のランドに穿設されたスルーホールにリードを挿入し、リードとランドとを溶融はんだではんだ付けするものである。このときプリント基板が表裏にランドを有し、該ランド間を導通させている両面基板であると、ディスクリート部品を該スルーホールに挿入してはんだ付けする場合、裏面に接触した溶融はんだはスルーホール内を侵入して表面まで達しなければならない。

またチップ部品をプリント基板にはんだ付けする場合は、プリント基板の裏面のランドとチップ部品の電極間で完全にフィレットを形成するようにはんだが付着しなければならない。つまりチップ部品をプリント基板にはんだ付けするときに、チップ部品を搭載するプリント基板のランド間に接着剤を塗布した後、チップ部品の一方の電極をランド上に置き、もう一方の電極を隣接したランドに置くようにして本体をランド間のプリント基板に仮固定する。そしてプリント基板の裏面にチップ部品が搭載されたプリント基板をはんだ槽のノズルから噴流している溶融はんだに接触させて、プリント基板のランドとチップ部品の電極とをはんだ付けする。

ところでディスクリート部品とスルーホール間は間隙が狭いばかりでなく、スルーホールの長さが長いため、溶融はんだはスルーホール内に侵入してプリント基板の裏面から表面まで達しにくい。またチップ部品とランド間のはんだ付け部は直角の隅部となるため、該隅部にはんだがきても、隅部に存在している空気やフラックスが溶融はんだの侵入を邪魔して未はんだとなることがある。このようにプリント基板にはスルーホールやチップ部品の隅部のように溶融はんだが侵入しにくい部分（以下、侵入困難部分という）がある。

ところで従来、はんだ槽でのプリント基板のはんだ付けに用いられていたはんだは、Pb-Snはんだであった。このPb-Snはんだは、融点が低く、しかも流動性が良好なためはんだ付け時に電子部品やプリント基板を熱損傷させることがないばかりでなく、スルーホールやチップ部品の隅部のような侵入困難部分に侵入しやすいものである。しかしながらPb-Snはんだは鉛公害の問題から、電子業界ではその使用を自粛してきており、そのため最近では鉛を含まない鉛フリーはんだが多く使用されるようになってきた。この鉛フリーはんだとは、Snを主成分とし、これにAg、Cu、Sb、Bi、In、Zn、Cr、Ni、Co、Fe、Mo、Ge、Ga、P等を適宜添加したものである。Sn主成分の鉛フリーはんだは、Pb-Snはんだよりも流動性が悪いため侵入困難部分へ侵入しにくく、従来のはんだ付け方法ではんだ付けを行うと未はんだを発生させてしまうことがあった。

従来より侵入困難部分に溶融はんだを侵入させる方法としてジェット噴流を用いてはんだ付けする方法がある（特許文献１、２）。このジェット噴流とは、はんだ槽のノズルの出口を狭くし、ここから溶融はんだを勢いよく流出させて、侵入困難部分にはんだを侵入させるものである。このジェット噴流を用いたはんだ付け方法では、Pb-Snはんだでは、侵入困難部分に或る程度溶融はんだは侵入するが、流動性の悪い鉛フリーはんだではほとんど侵入不可能であった。

また従来のプリント基板のはんだ付け方法、即ちはんだ槽のノズルから噴流する溶融はんだにプリント基板を接触させてはんだ付けを行う方法では、はんだ槽に多量の酸化物が発生するという問題もあった。つまり従来のはんだ付け方法は、はんだ槽が設置された自動はんだ付け装置で行うが、ここでは多数のプリント基板を一定間隔で間欠的に搬送レールに沿って走行させており、はんだ槽では溶融はんだがノズルから連続して噴流させた状態となっていた。

ところではんだ槽では、はんだが高温で溶融しており、しかも溶融はんだがノズルの高い位置にある噴流口から溶融はんだの液面に流れ落ちるため、溶融はんだの液面では滝壺のように攪拌しながら深く入り込んで溶融はんだ中に空気を巻き込んでいる。ただでさえ高温で溶融状態となったはんだは空気に触れると酸化しやすいものであるが、はんだ槽ではノズルから流れ落ちるときの攪拌と空気の巻き込みがあるため、ノズルの近傍では激しく酸化が起こってはんだの酸化物が大量に発生していた。

はんだ槽で酸化物が大量に発生すると、それがはんだ槽から溢れ出てはんだ槽の下方にある配線を焦がしてショートさせたり、はんだ槽近辺を汚したりする。またはんだ槽で酸化物が大量に発生すると、ノズルから液面深く入り込む溶融はんだとともに噴流ポンプに達して噴流ポンプに吸い込まれ、ノズルから出てきてプリント基板に付着し、外観を悪くしたり短絡の原因となったりする。さらにはんだ槽で酸化物が大量に発生すると、作業者が一定時間毎に酸化物を柄杓や網ですくい取らなければならないという手間のかかるものでもある。このすくい取った酸化物は、産業廃棄物として産廃回収業者に有償で処理してもらわなくてはならないという後処理の問題もある。

このようにはんだ槽では、酸化物の大量発生による問題が多々あるが、これはプリント基板が間欠的に送られてくるにもかかわらず、はんだ槽のノズルからは常時、溶融はんだが噴流していて、常に酸化物を発生させる状態になっているからである。つまり搬送装置で送られてくるプリント基板は、一定間隔をあけて送られてくるものであり、プリント基板がはんだ槽に到来していないとき（以下、待機時）にも酸化物が多く発生する。そのためはんだ槽では、プリント基板が到来してきたとき（以下、稼働時）だけ噴流すれば、それだけ酸化物の発生も少なくなるものであり、従来より稼働時だけ噴流を行ってはんだ付けするという方法が提案されていた。（参照：特許文献３〜４）

特許文献３は、はんだ槽を挟んで２個の検出手段が設置されており、被はんだ付け物がこれらの検出手段間に存在しているときに溶融はんだの噴流を行うものである。この特許文献３は待機時には、溶融はんだはノズルの最下位、即ち溶融はんだの液面まで下がっている。

特許文献４は、プリント基板の有無を検知するセンサーを設け、プリント基板を検知しないときには溶融はんだの噴出を抑制してノズルから流出しない位置に留め、センサーがプリント基板を検知したときには溶融はんだを噴出させるようにしたものである。噴流プロペラを回転させるモーターは周波数変換器を介して電力が供給され、回転数を調節するようになっている。この特許文献４は、待機時には、溶融はんだがノズルの上部、即ち溶融はんだがノズルから流れ落ちない最も高い位置のところで留まっている。
特開昭58-178593号公報特開平14-134898号公報特開昭56-163074号公報特開昭59-174270号公報

特許文献１、２のようなジェット噴流を用いたはんだ付け方法では、ジェット噴流の勢いが弱いと、侵入困難部分まで溶融はんだを侵入させることできず、しかるに侵入困難部分まで溶融はんだを侵入させるために勢いを強くすると、スルーホール内に挿入されていたディスクリート部品のリードを上方に移動させたり、接着剤で仮固定されていたチップ部品を剥がし取ってしまったりする。またジェット噴流を用いたはんだ付けでは、稼働時だけ溶融はんだを噴流させようとしても、比重の大きな溶融はんだ中で停止していたポンプを高速に回転させるまでに時間がかかるため、短時間の間欠搬送で送られてくるプリント基板に対応できなかった。また特許文献３、４のように待機時にノズルからの噴流を止めておくものでは、確かに酸化物の発生を少なくすることができるが、侵入困難部分への溶融はんだの侵入はできなかった。

本発明は、鉛フリーはんだのように侵入困難部分に侵入しにくいはんだを用いた場合でも、侵入困難部分に容易に溶融はんだを侵入させることができるばかりでなく、稼働時だけ溶融はんだをノズルから噴流させることができるため酸化物の発生も極めて少なくできるというプリント基板のはんだ付け方法を提供することにある。

本発明者は、はんだ槽を用いたプリント基板のはんだ付けにおいて、溶融はんだの噴流を段階的に行えば、溶融はんだを侵入困難部分に容易に侵入させることができるとともに、稼働時だけ溶融はんだをノズルから噴流させることもできるようになることに着目して本発明を完成させた。

本発明の第１発明は、プリント基板を走行させながら溶融はんだが投入されたはんだ槽ではんだ付けを行う方法において、走行しているプリント基板がはんだ槽に近づくまでは一次ノズル内の溶融はんだをはんだ槽の液面まで下げておき、プリント基板が一次ノズルに近づいたならば溶融はんだをプリント基板に被らない高さまで一次ノズルから噴流させ、さらにプリント基板を走行させて溶融はんだの噴流高さを高くしても溶融はんだがプリント基板に被らない位置に達したならば、溶融はんだの噴流高さをさらに上げて溶融はんだの侵入困難部分まで溶融はんだを完全に侵入させ、プリント基板が溶融はんだから離れる前に溶融はんだがプリント基板に被らない高さまで溶融はんだの噴流高さを下げ、そしてプリント基板が溶融はんだから離れたならば、溶融はんだをはんだ槽の液面まで下げるという三段階の噴流を行うことを特徴とするプリント基板のはんだ付け方法である。

また本発明の第２発明は、プリント基板を走行させながら溶融はんだが投入されたはんだ槽ではんだ付けを行う方法において、走行しているプリント基板がはんだ槽に近づくまでは一次ノズル内の溶融はんだを一次ノズルから流れ落ちない位置に留めおき、プリント基板が一次ノズルに近づいたならば溶融はんだをプリント基板に被らない高さまで一次ノズルから噴流させ、さらにプリント基板を走行させて溶融はんだの噴流高さを高くしても溶融はんだがプリント基板に被らない位置に達したならば、溶融はんだの噴流高さをさらに上げて溶融はんだの侵入困難部分まで溶融はんだを完全に侵入させ、プリント基板が溶融はんだから離れる前に溶融はんだがプリント基板に被らない高さまで溶融はんだの噴流高さを下げ、そしてプリント基板が溶融はんだから離れたならば、溶融はんだをノズルから流れ落ちない位置まで下げるという三段階の噴流を行うことを特徴とするプリント基板のはんだ付け方法である。

本発明によれば、プリント基板をはんだ槽ではんだ付けする際、プリント基板がはんだ槽に到達するまでの待機時には、溶融はんだがノズルから噴流していないため、溶融はんだの高所からの落下による酸化が少なくなる。従って、本発明では、酸化物発生によるはんだの消費が少なくなるばかりでなく、酸化物が溶融はんだに巻き込まれてプリント基板に付着するようなことがない。また本発明では、走行しているプリント基板に溶融はんだが接触した後、プリント基板のはんだ付け部が一次ノズルの噴出上部に位置したときに噴流高さが高くなるため、噴流の勢いが強くなって侵入困難部分に溶融はんだが容易に侵入し、未はんだとなることもない。さらに本発明の第２発明では、待機時に溶融はんだをノズルから流れ落ちないノズル上部に留めおくため、ノズル内の溶融はんだがノズルを常時加熱してノズルを冷やさない。その結果、第２発明では稼働時にノズルから噴流する溶融はんだは温度が下がることなく所定の温度でプリント基板に付着し、溶融はんだの温度が低いことで起因するはんだ付け不良はなくなる。

本発明では、待機時には溶融はんだの噴流を留めておき、プリント基板がノズルに到達したならば溶融はんだがプリント基板に被らない程度の中間の強さで噴流させ、プリント基板がさらに走行して噴流している溶融はんだの勢いをさらに強くしてもプリント基板に被らない位置に達したならば、侵入困難部分まで溶融はんだが侵入できる高さまで噴流させるという三段階の噴流を行う。そして電子部品のはんだ付け部が過ぎたなら溶融はんだがプリント基板に被らない高さまで溶融はんだの噴流高さを下げ、その後、プリント基板がノズルを過ぎたならばさらに溶融はんだの位置を下げるものである。

本発明の第１発明は、待機時にはノズル内の溶融はんだの位置をはんだ槽の液面と同一位置まで下げてある。本発明の第２発明は、待機時にはノズル内の溶融はんだの位置を溶融はんだがノズルから流れ落ちない位置まで下げてある。第２発明のように待機時に溶融はんだをノズルの上部に留め置くと、ノズルが溶融はんだで加熱されるため、稼働時にノズルから噴流する溶融はんだを冷やすようなことがなく、所定の温度ではんだ付けが行える。

溶融はんだの高さをきめ細かく調整するためには、ポンプを回転させるモーターとしては回転制御可能なものを使用する。本発明に使用して好適なモーターは、サーボモーターやインバーターモーターである。

以下、図面に基づいて本発明のはんだ付け方法を説明する。図１ははんだ槽における稼働時の状態を説明する図、図２は第１発明におけるプリント基板のはんだ付け方法を説明する図、図３は第２発明におけるプリント基板のはんだ付け方法を説明する図である。

先ずプリント基板のはんだ付けについて簡単に説明する。プリント基板は、はんだ付け工程前に、電子部品をプリント基板に搭載する工程がある。この工程で電子部品が搭載されたプリント基板は、自動はんだ付け装置の搬送装置に乗り移される。自動はんだ付け装置には、フラクサー、プリヒーター、はんだ槽、冷却機等の処理装置が設置されており、これらの処理装置上を搬送装置が設置されている。プリント基板は、該搬送装置で搬送されながら、フラクサーでフラックス塗布、プリヒーターで予備加熱、はんだ槽ではんだの付着、冷却機で冷却が行われてはんだ付けされる。

図１に示すはんだ槽１には、一次ノズル２と二次ノズル３が設置されており、またはんだ槽内には溶融はんだ４が投入されている。一次ノズルと二次ノズルから噴流する溶融はんだは、図示しないポンプでそれぞれ独自に噴流状態がコントロールされている。一次ノズル２は、噴流する溶融はんだを荒らすようにノズル出口に多数の穴５・・・が穿設されている。一次ノズルの荒れた波は侵入困難部分に溶融はんだを侵入しやすくするものであるが、この荒れた波だけでは侵入困難部分に溶融はんだを完全に侵入させることはできない。特に鉛フリーはんだのように流動性の悪いものでは、一次ノズルでのはんだ付けでは未はんだが発生する。この一次ノズルから噴流する波は荒れているため、はんだが均一に付着せず、ツララやブリッジを形成してしまう。そこで、これらのツララやブリッジを二次ノズルから噴流する穏やかな波で修正するものである。二次ノズル２は、ノズル出口が広く、しかもノズル出口には何の障害物がないため、噴流する溶融はんだは穏やかな波となる。プリント基板は、一点鎖線の矢印のように一次ノズルから二次ノズル方向に走行する。

本発明ではプリント基板がノズルに達したときに溶融はんだを噴流させるが、ノズルから溶融はんだを噴流させるタイミングは、自動はんだ付け装置に設置されたセンサーと制御装置で行う。つまりプリント基板が前工程から自動はんだ付け装置の搬送装置に乗り移った後、自動はんだ付け装置に設置されたセンサーが該プリント基板を検知して信号を制御装置に送る。制御装置は、プリント基板を検知した信号が送られてから何秒でノズルに到達するかを計算してあり、プリント基板検知後到達時間になったならば、ポンプを回転させるモーターに信号を送ってノズルから溶融はんだを噴流させるようになっている。

次に第１発明について図２を参照しながら説明する。
（Ａ）プリント基板６は、図示しない搬送装置で一点鎖線で示すように搬送させられてくる。このときプリント基板６は、一次ノズル２に到達していないため、一次ノズル内の溶融はんだ４は、はんだ槽の液面と同位置にある。
（Ｂ）プリント基板６が一次ノズル２に到達すると図示しない制御装置からの信号で図示しないモーターが回転してポンプを回転させ、溶融はんだ４が一次ノズル２から噴流する。このときの溶融はんだの噴流高さ（ｈ_１）は、溶融はんだがプリント基板の裏面に接するがプリント基板前部の表面に被らない高さである。
（Ｃ）プリント基板がさらに走行して、溶融はんだの高さをそれ以上に高めても溶融はんだがプリント基板の表面に被らないところまできたならば、モーターの回転を早めて一次ノズルからの溶融はんだの高さをさらに高くする。このときの溶融はんだの高さ（ｈ_２）は、プリント基板がないときに測定すると点線で示すような高さとなる。このように一次ノズルから噴流する溶融はんだの高さを高くすると、溶融はんだは勢いが強くなるため侵入困難部分まで完全に侵入していく。
（Ｄ）プリント基板がさらに走行し、侵入困難部分に侵入させるほどの高い噴流では、プリント基板の後部表面に溶融はんだが被るような位置にきたならば、モーターの回転速度を遅くして溶融はんだの噴流を下げる。このときの噴流高さは、前記噴流高さ（ｈ_１）と略同一であり、プリント基板の裏面に接するが表面に被らない高さである。
（Ｅ）そしてプリント基板が一次ノズルから離れたならば、制御装置からの信号で溶融はんだ４をはんだ槽と同一液面まで下げる。

続いて第２発明について図３を参照しながら説明する。
（Ａ’）プリント基板６は、図示しない搬送装置で一点鎖線で示すように搬送させられてくる。このときプリント基板６は、一次ノズル２に到達していないため、溶融はんだ４は一次ノズル内でノズルから流れ落ちない位置にある。
（Ｂ）プリント基板６が一次ノズル２に到達すると図示しない制御装置からの信号で図示しないモーターが回転してポンプを回転させ、溶融はんだ４が一次ノズル２から噴流する。このときの溶融はんだの噴流高さ（ｈ_１）は、溶融はんだがプリント基板の裏面に接するがプリント基板前部の表面に被らない高さである。
（Ｃ）プリント基板がさらに走行して、溶融はんだの高さをそれ以上に高めても溶融はんだがプリント基板の表面に被らないところまできたならば、モーターの回転を早めて一次ノズルからの溶融はんだの高さをさらに高くする。このときの溶融はんだの高さ（ｈ_２）は、プリント基板がないときに測定すると点線で示すような高さとなる。このように一次ノズルから噴流する溶融はんだの高さを高くすると、溶融はんだは勢いが強くなるため侵入困難部分まで完全に侵入していく。
（Ｄ）プリント基板がさらに走行し、侵入困難部分に侵入させるほどの高い噴流では、プリント基板の後部表面に溶融はんだが被るような位置にきたならば、モーターの回転速度を遅くして溶融はんだの噴流を下げる。このときの噴流高さは、前記噴流高さ（ｈ_１）と略同一であり、プリント基板の裏面に接するが表面に被らない高さである。
（Ｅ’）そしてプリント基板が一次ノズルから離れたならば、制御装置からの信号で溶融はんだを一次ノズル２から流れ落ちない位置まで下げる。

なお本発明は、一次ノズルでの溶融はんだの噴流状態について説明したが、二次ノズルでは段階的な噴流制御は必要ない。つまり二次ノズルは、一次ノズルで発生したツララやブリッジを修正するためであり、一次ノズルでのはんだ付けで侵入困難部分には既にはんだが侵入しているため、二次ノズルでは必要高くして勢いを付ける必要がないのである。従って、二次ノズルでは稼働時に溶融はんだを所定の高さまで噴流させ、待機時には噴流を所定の位置まで下げるだけでよい。

一般にSn主成分の鉛フリーはんだは、融点が高いことからはんだ槽内に投入するはんだの温度も高くして使用しなければならず、それだけはんだ槽内での酸化が激しい。本発明は、はんだ槽内での酸化抑制に効果があるため鉛フリーはんだを用いたプリント基板のはんだ付けには好適なものであるが、鉛フリーはんだよりも融点の低いSn-Pbはんだを用いたはんだ付けにも採用できることはいうまでもない。

はんだ槽における稼働時の状態を説明する図である。第１発明におけるプリント基板のはんだ付け方法を説明する図である。第２発明におけるプリント基板のはんだ付け方法を説明する図である。

符号の説明

２一次ノズル
４溶融はんだ
６プリント基板

Claims

プリント基板を走行させながら溶融はんだが投入されたはんだ槽ではんだ付けを行う方法において、走行しているプリント基板がはんだ槽に近づくまでは一次ノズル内の溶融はんだをはんだ槽の液面まで下げておき、プリント基板が一次ノズルに近づいたならば溶融はんだをプリント基板に被らない高さまで一次ノズルから噴流させ、さらにプリント基板を走行させて溶融はんだの噴流高さを高くしても溶融はんだがプリント基板に被らない位置に達したならば、溶融はんだの噴流高さをさらに上げて溶融はんだの侵入困難部分まで溶融はんだを完全に侵入させ、プリント基板が溶融はんだから離れる前に溶融はんだがプリント基板に被らない高さまで溶融はんだの噴流高さを下げ、そしてプリント基板が溶融はんだから離れたならば、溶融はんだをはんだ槽の液面まで下げるという三段階の噴流を行うことを特徴とするプリント基板のはんだ付け方法。
プリント基板を走行させながら溶融はんだが投入されたはんだ槽ではんだ付けを行う方法において、走行しているプリント基板がはんだ槽に近づくまでは一次ノズル内の溶融はんだを一次ノズルから流れ落ちない位置に留めおき、プリント基板が一次ノズルに近づいたならば溶融はんだをプリント基板に被らない高さまで一次ノズルから噴流させ、さらにプリント基板を走行させて溶融はんだの噴流高さを高くしても溶融はんだがプリント基板に被らない位置に達したならば、溶融はんだの噴流高さをさらに上げて溶融はんだの侵入困難部分まで溶融はんだを完全に侵入させ、プリント基板が溶融はんだから離れる前に溶融はんだがプリント基板に被らない高さまで溶融はんだの噴流高さを下げ、そしてプリント基板が溶融はんだから離れたならば、溶融はんだをノズルから流れ落ちない位置まで下げるという三段階の噴流を行うことを特徴とするプリント基板のはんだ付け方法。