JP4522752B2

JP4522752B2 - 半田付けによる端子接合方法

Info

Publication number: JP4522752B2
Application number: JP2004172252A
Authority: JP
Inventors: 篤志大橋; 昌一郎西谷; 高弘山田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: JP2005353801A; US7265315B2; US20050274704A1

Description

この発明は、端子をプリント配線基板に半田付けにより接合する端子接合方法に関する。

端子をプリント配線基板に接合する端子接合方法には、種々のものがある。例えばレーザ溶接を用いる技術が下記特許文献１に記載されている。

特許第２７６８１４１号公報

上記特許文献１のレーザ溶接に代えて、レーザ加熱による半田付けにて端子をプリント配線基板に接合することも可能である。

さて、半田付け時には、酸化防止や酸化物除去等の目的でフラックスが用いられる場合がある。また、半田付け後のプリント配線基板上に、絶縁確保や衝撃吸収の目的でシリコーンゲルが塗布される場合がある。よって、フラックス使用とシリコーンゲル使用とが組み合わされ、フラックスを用いて半田付けが行われた後、プリント配線基板上にシリコーンゲルが塗布される場合もある。

ところが、フラックス使用とシリコーンゲル使用とが組み合わされた場合、プリント配線基板上のフラックス残渣の影響によりシリコーンゲルの硬化が阻害されやすい。よって、プリント配線基板表面上のフラックス残渣を除去するための洗浄工程が必要とされていた。

しかし、洗浄機は高価でかつ大掛かりな設備であるので、フラックス洗浄工程が取り入れられると製造ラインの構成が複雑化し、設備費が増大することとなる。

そこで、フラックスを用いない半田付け手法も考案されている。フラックスを用いない半田付け手法の場合は、フラックス洗浄工程がそもそも必要ないために、洗浄機が不要でシリコーンゲル硬化が阻害されない。そのような手法として、窒素ガス等の不活性ガスに水素ガス等の還元ガスを混合させたガス雰囲気で半田付けを行い、半田表面上の酸化物を還元して除去するものがある。なお、ガス雰囲気は、半田付け部分へのガスの噴き付けを行うことや、ガスが充満したガスチャンバ内にて半田付けを行うことにより、実現される。

ところが、ガス噴き付けの場合は、半田や端子がガス噴射により冷却されてしまい、半田が溶融しにくいという問題がある。一方、ガスチャンバにてガス雰囲気を形成する場合は、このような冷却の問題はない。しかし、この場合は、半田付けを行うための治具の導入部やレーザ光導入のための開口部をガスチャンバに設ける必要がある。そして、そのような治具導入部やレーザ光開口部からのガス漏れが不可避となる。そのために、ガス供給量の増大が問題となる。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、ガスチャンバ内のガス雰囲気中で半田付けを行う場合であってもガス供給量の増大を抑制可能な、半田付けによる端子接合方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、（ａ）半田付け接合部を有する端子と、冷却フィン上に設けられ半田が予め塗布された基板と、レーザ光を射出可能なレーザ光源と、少なくとも一部分が前記レーザ光を透過させる材質で構成されたガスチャンバとを準備する工程と、（ｂ）前記半田と前記端子の前記半田付け接合部とを接触させた状態で前記ガスチャンバ内に前記端子と前記基板とを収め、不活性ガス単体、あるいは、不活性ガスと還元ガスとの混合ガスを含む気体を前記ガスチャンバ内に充満させる工程と、（ｃ）前記基板からの熱伝導によって前記端子が予備的に加熱されるように前記冷却フィンを加熱した後、前記レーザ光源より前記レーザ光を射出させ、前記ガスチャンバを透過させて前記レーザ光を前記端子の前記半田付け接合部に照射することにより、前記半田付け接合部を加熱する工程と、（ｄ）前記端子の前記半田付け接合部を前記加熱により溶融した前記半田内に埋没させた後、前記レーザ光の射出による加熱を停止する工程とを備える半田付けによる端子接合方法である。

請求項１に記載の発明によれば、レーザ光源よりレーザ光を射出させ、ガスチャンバを透過したレーザ光を端子の半田付け接合部に照射することにより、半田付け接合部を加熱する。よって、ガスチャンバにレーザ光導入のための開口部を設ける必要がない。その結果、ガス漏れが生じにくく、ガス供給量増大の抑制が可能となる。

本発明に係る実施の形態は、端子の平坦部におけるスプリングバック現象を利用して端子の半田付け接合部を溶融半田内に埋没させ、かつ、少なくとも一部分がレーザ光を透過させる材質で構成されたガスチャンバを用いてレーザ半田付けを行う、半田付けによる端子接合方法である。

スプリングバック現象を利用することから、溶融半田内に端子の半田付け接合部を押し込むための治具を必要とせず、ガスチャンバに治具の導入部を設ける必要がない。また、ガスチャンバにレーザ光導入のための開口部を設ける必要もない。その結果、ガス漏れが生じにくく、ガス供給量増大の抑制が可能な端子接合方法が実現できる。

図１は、本実施の形態に係る端子接合方法が適用された、車両用交流発電機部品ＣＳの構造を示す上面図である。また、図２は図１中の切断線II−IIにおける断面図である。

図１および図２に示すように、車両用交流発電機部品ＣＳにはブラシホルダＨＤが含まれ、ブラシホルダＨＤ内には表面空隙部ＨＤｃおよび底部空隙部ＨＤｂが設けられている。なお、表面空隙部ＨＤｃはブラシホルダＨＤ表面の二箇所に設けられ、いずれの表面空隙部ＨＤｃも底部空隙部ＨＤｂと連結している。また、底部空隙部ＨＤｂ内では、ブラシホルダＨＤから突出するブラシホルダ端子ＴＭａ〜ＴＭｈが露出している。なお、ブラシホルダ端子ＴＭａ〜ＴＭｈは例えば銅合金製の板状端子である。

ブラシホルダＨＤの底部には、底部空隙部ＨＤｂを覆うように冷却フィンＦＮが取り付けられている。また、冷却フィンＦＮの表面のうち底部空隙部ＨＤｂに面した側には、プリント配線基板ＳＢｐが接着されている。そして、プリント配線基板ＳＢｐ上には、パワートランジスタ等が形成されたＩＣ（Integrated Circuit）基板ＳＢｉが接着されている。

プリント配線基板ＳＢｐ上には、プリント配線（図示せず）に連結されたパッドＰＤａ〜ＰＤｈが設けられており、各ブラシホルダ端子ＴＭａ〜ＴＭｈと対応する各パッドＰＤａ〜ＰＤｈとは半田ＳＤａ〜ＳＤｈにより接合される。なお、半田付け後、底部空隙部ＨＤｂ内にはシリコーンゲルＳＧが満たされる。

図３〜図６は、本実施の形態に係る半田付けによる端子接合方法を、ブラシホルダ端子ＴＭａを例に採って説明する図である。まず、図３に示すように、半田ＳＤａの未塗布状態のときに、ブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１がプリント配線基板ＳＢｐに密着するように、ブラシホルダ端子ＴＭａの屈曲部ＴＭａ２の形状およびブラシホルダ端部ＨＤａからのブラシホルダ端子ＴＭａの突出形状を設計しておく。

次に、パッドＰＤａ上に半田ＳＤａを予め塗布したプリント配線基板ＳＢｐを用意する。そして、そのプリント配線基板ＳＢｐを冷却フィンＦＮに接着して、図２の状態となるように、冷却フィンＦＮをブラシホルダ端子ＴＭａの形成済みのブラシホルダＨＤの底部に取り付ける。

この取り付けによって、ブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１は、半田ＳＤａ上に押し当てられることとなる。この押し当てによって、図４の左図に示すように半田付け接合部ＴＭａ１は応力ＰＴを受ける。よって、ブラシホルダ端子ＴＭａのブラシホルダ端部ＨＤａ近傍の平坦部ＴＭａ３は、ブラシホルダ端部ＨＤａに抱きかかえられた根元部を支点に屈曲し、水平であった平坦部ＴＭａ３の角度ＡＧ１が若干減少することとなる。なお、平坦部ＴＭａ３は必ずしも水平形状である必要はなく、傾斜している場合にも同様の効果が得られる。

次に、レーザ光源よりレーザ光ＢＭを射出させ、レーザ光ＢＭをブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１に照射する。これにより、半田付け接合部ＴＭａ１は加熱される。なお、レーザ光源およびレーザ光は、図２にても符号ＬＳおよびＢＭでそれぞれ示している。

半田付け接合部ＴＭａ１への加熱により半田ＳＤａが溶融すると、半田付け接合部ＴＭａ１が受けていた応力ＰＴは急減することとなる。すると、図４の右図に示すように、応力ＰＴに対する反力ＳＢの作用により、ブラシホルダ端子ＴＭａの平坦部ＴＭａ３において減少していた角度ＡＧ１は、再び水平な角度ＡＧ２へと戻る。すなわち、ブラシホルダ端子ＴＭａは、図３に示した設計形状に復帰する。この現象はスプリングバックと称され、金属加工分野にて周知の現象である。

よって、半田ＳＤａの溶融後には、ブラシホルダ端子ＴＭａの平坦部ＴＭａ３におけるスプリングバック現象により、ブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１は半田ＳＤａ内に埋没する。図５は、図４右図の上面図であり、ブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１が半田ＳＤａ内に埋没している様子が示されている。

そして、この状態でレーザ光ＢＭの射出による加熱を停止する。

なお、レーザ光源ＬＳから射出されたレーザ光ＢＭによる半田付けは、図６に示すように、車両用交流発電機部品ＣＳをガスが充満したガスチャンバＣＢ内に導入して行う。半田付け時のガスチャンバＣＢ内は、窒素（Ｎ₂）ガス等の不活性ガス単体のガス雰囲気、あるいは、不活性ガスに水素（Ｈ₂）ガス等の還元ガスを混合させたガス雰囲気とされる。

ガスチャンバＣＢは、図６中の矢印Ｚ１方向、すなわち、製造ラインの流れ方向Ｘ１に垂直な方向に可動であり、コンベヤプレートＨＰ（製造ラインの流れ方向Ｘ１に可動）により運ばれてきた車両用交流発電機部品ＣＳの１つを、コンベヤプレートＨＰを底面として密閉することが可能である。

ガスチャンバＣＢにはガス供給管ＩＮおよびガス吸引管ＯＵが設けられており、ガス吸引管ＯＵを介してガスチャンバＣＢ内のガスを引き抜くこと、及び、ガス供給管ＩＮを介してガスチャンバＣＢ内にガスを招き入れることが可能である。よって、ガスチャンバＣＢを降ろして車両用交流発電機部品ＣＳを密閉した後、ガスチャンバＣＢ内の空気をガスチャンバＣＢより引き抜くとともに、ガス供給管ＩＮを介して窒素（Ｎ₂）ガス及び水素（Ｈ₂）ガスの混合気をガスチャンバＣＢ内に招き入れることで、車両用交流発電機部品ＣＳを、還元ガスを含むガス雰囲気に曝すことができる。

ここで、ガスチャンバＣＢのうちレーザ光ＢＭが照射される部分は、レーザ光源ＬＳから射出されるレーザ光ＢＭを透過させる材質で構成されている。例えば、レーザ光源ＬＳにＸｅランプやＡｌＧａＡｓ半導体レーザを用いた可視光波長レーザを採用する場合は、ガスチャンバＣＢは例えばガラス製とされる。

これにより、レーザ光源ＬＳよりレーザ光ＢＭを射出させてブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１に半田付けを行う場合に、レーザ光ＢＭはガスチャンバを透過する。

本実施の形態に係る半田付けによる端子接合方法によれば、ブラシホルダ端子ＴＭａの平坦部ＴＭａ３におけるスプリングバックによりブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１を加熱により溶融した半田ＳＤａ内に埋没させた後、加熱を停止する。よって、溶融した半田ＳＤａ内にブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１を押し込むための治具を必要とすることなく、容易に半田付けが行える。そして、ガスチャンバＣＢに治具の導入部を設ける必要がない。その結果、ガス漏れが生じにくく、ガス供給量増大の抑制が可能となる。

また、本実施の形態に係る半田付けによる端子接合方法によれば、レーザ光源ＬＳよりレーザ光ＢＭを射出させ、ガスチャンバＣＢを透過したレーザ光ＢＭをブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１に照射することにより、半田付け接合部ＴＭａ１を加熱する。よって、ガスチャンバＣＢにレーザ光ＢＭを導入するための開口部を設ける必要もない。よって、この点からもガス漏れが生じにくく、ガス供給量増大の抑制が可能となる。

なお、ブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１におけるレーザ光ＢＭの照射径を、半田付け接合部ＴＭａ１の幅（図５に示す符号ＷＤ）と略同等としておけばよい。

そうすれば、レーザ光のエネルギーを効率よくブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１に与えることができる。

また、図７に示すように、レーザ光ＢＭの光軸ＬＡを、ブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１表面の法線方向ＮＭから、ずれ量ＳＨだけ傾斜させてもよい。

そうすれば、図７に示すようにプリント配線基板ＳＢｐ上の端部にてブラシホルダ端子ＴＭａを半田付けする場合にも、ブラシホルダＨＤの側壁等によってレーザ光ＬＢが遮断されることを回避可能である。

また、車両用交流発電機部品ＣＳを運搬するコンベヤプレートＨＰを、加熱可能なホットプレートで構成し、ブラシホルダ端子ＴＭａの半田付け接合部ＴＭａ１の加熱に先立って、プリント配線基板ＳＢｐを冷却フィンＦＮを介してコンベヤプレートＨＰによって加熱することにより、半田ＳＤａが溶融しない程度にブラシホルダ端子ＴＭａを予備的に加熱しておいてもよい。

例えばブラシホルダ端子ＴＭａを１００℃程度に予備的に加熱しておけば、予備的加熱を行わない場合には半田付けに３秒程度要するところを０．５秒程度に短縮することができる。よって、半田溶融までの時間を短縮することができ、生産性の向上に資する。

また、ブラシホルダ端子ＴＭａの表面には半田メッキを施しておいてもよい。

ブラシホルダ端子ＴＭａの表面に半田メッキを施しておけば、半田ＳＤａの濡れ性が高まり、接合不良が生じにくい。よって、半田付け後のブラシホルダ端子ＴＭａとプリント配線基板ＳＢｐとの接合強度が高く保たれる。

なお、ブラシホルダ端子ＴＭａは銅合金としたが、その他の金属材料を採用してもよい。また、ブラシホルダ端子ＴＭａの形状も、板状のものに限られず、例えばピン状のものを用いてもよい。

なお、本実施の形態ではスプリングバックを利用してブラシホルダ端子ＴＭａを半田ＳＤａ内に埋没させる例を示したが、図８に示すように治具（図示せず）を用いたブラシホルダ端子ＴＭａへの押圧ＰＲによりブラシホルダ端子ＴＭａを半田ＳＤａ内に埋没させることを排除するものではない。

微小な治具であってガスチャンバＣＢにわずかな治具導入部を設けるだけで済む場合には、ガス漏れの度合いが小さいと考えられるからである。

また、ガスチャンバＣＢ内の酸素（Ｏ₂）ガス濃度を体積比で500ppm以下としておけばよい。

図９は、ガスチャンバＣＢ内の残留酸素（Ｏ₂）ガス濃度（単位は体積比ppm:parts per million）を横軸に、ブラシホルダ端子ＴＭａの接合強度（単位はN:Newton）を縦軸にとったグラフである。なお、接合強度は、半田付け後のブラシホルダ端子ＴＭａをプリント配線基板ＳＢｐの表面から垂直方向に引っ張る試験を行って測定したものである。

グラフから明らかなように、酸素ガス濃度が500ppm以下では接合強度が高く保たれている。これは、酸素ガス濃度が500ppm以下ではブラシホルダ端子ＴＭａ表面の酸化物が還元作用によって除去されるが、500ppmを超えると酸化物の還元作用が働かないことに起因すると考えられる。

このように、ガスチャンバ内の酸素（Ｏ₂）ガス濃度が体積比で500ppm以下であれば、ブラシホルダ端子ＴＭａ表面の酸化物が還元作用により除去されて半田ＳＤａの濡れ性が高くなり、接合不良が生じにくい。よって、半田付け後の端子と基板との接合強度が高く保たれる。

なお、上記においてはブラシホルダ端子ＴＭａを例に採り説明を行ったが、もちろん他のブラシホルダ端子ＴＭｂ〜ＴＭｈについても同様の処理が行われる。よって、ここではブラシホルダ端子ＴＭｂ〜ＴＭｈの半田付けの説明を省略した。

本発明の実施の形態に係る半田付けによる端子接合方法が適用された車両用交流発電機部品の構造を示す上面図である。図１中の切断線II−IIにおける断面図である。半田未塗布状態のときのブラシホルダ端子の設計形状を示す図である。本発明の実施の形態に係る半田付けによる端子接合方法を示す図である。図４右図の上面図である。ガスチャンバを用いたレーザ半田付けの様子を説明する図である。プリント配線基板上の端部にてブラシホルダ端子を半田付けする場合を示す図である。治具を用いた押圧によりブラシホルダ端子を半田内に埋没させる場合を示す図である。ガスチャンバ内の残留酸素（Ｏ₂）ガス濃度を横軸に、ブラシホルダ端子の接合強度を縦軸にとったグラフである。

符号の説明

ＴＭａ〜ＴＭｈブラシホルダ端子、ＳＤａ〜ＳＤｈ半田、ＰＤａ〜ＰＤｈパッド、ＳＢｐプリント配線基板、ＬＳレーザ光源、ＬＢレーザ光、ＣＢガスチャンバ、ＣＳ車両用交流発電機部品。

Claims

（ａ）半田付け接合部を有する端子と、冷却フィン上に設けられ半田が予め塗布された基板と、レーザ光を射出可能なレーザ光源と、少なくとも一部分が前記レーザ光を透過させる材質で構成されたガスチャンバとを準備する工程と、
（ｂ）前記半田と前記端子の前記半田付け接合部とを接触させた状態で前記ガスチャンバ内に前記端子と前記基板とを収め、不活性ガス単体、あるいは、不活性ガスと還元ガスとの混合ガスを含む気体を前記ガスチャンバ内に充満させる工程と、
（ｃ）前記基板からの熱伝導によって前記端子が予備的に加熱されるように前記冷却フィンを加熱した後、前記レーザ光源より前記レーザ光を射出させ、前記ガスチャンバを透過させて前記レーザ光を前記端子の前記半田付け接合部に照射することにより、前記半田付け接合部を加熱する工程と、
（ｄ）前記端子の前記半田付け接合部を前記加熱により溶融した前記半田内に埋没させた後、前記レーザ光の射出による加熱を停止する工程と
を備える半田付けによる端子接合方法。
請求項１に記載の半田付けによる端子接合方法であって、
前記工程（ｂ）にて、前記ガスチャンバ内の酸素（Ｏ₂）ガス濃度を体積比で500ppm以下とする
半田付けによる端子接合方法。
請求項１に記載の半田付けによる端子接合方法であって、
前記工程（ｃ）にて、前記端子の前記半田付け接合部における前記レーザ光の照射径は前記半田付け接合部の幅と略同等である
半田付けによる端子接合方法。
請求項１に記載の半田付けによる端子接合方法であって、
前記工程（ｃ）にて、前記レーザ光の光軸は、前記端子の前記半田付け接合部表面の法線方向から傾斜している
半田付けによる端子接合方法。
請求項１に記載の半田付けによる端子接合方法であって、
前記端子の表面には半田メッキがなされている
半田付けによる端子接合方法。