JP4568454B2 - 部分噴流はんだ槽およびプリント基板の部分はんだ付け方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板の必要箇所だけに噴流する溶融はんだではんだ付けする噴流はんだ槽および、それを用いたはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にプリント基板のはんだ付けは、自動はんだ付け装置で行なっている。自動はんだ付け装置とは、フラクサー、プリヒーター、噴流はんだ槽、冷却機等が設置されたものである。該自動はんだ付け装置でプリント基板のはんだ付けを行なう場合、プリント基板の裏面全面にフラクサーでフラックス塗布、プリヒーターで予備加熱、噴流はんだ槽ではんだの付着、冷却機で冷却してはんだ付けが完了する。
【０００３】
ところで最近のプリント基板は、図５に示すようにプリント基板１の裏面にある多数のはんだ付け部２…が集合してはんだ付け群３を形成している。このように多数のはんだ付け部がはんだ付け群を形成するのは、プリント基板に搭載する電子部品がPGAやデュアルパッケージのように一個の電子部品に多数のリードが設置されていたり、コネクターのように多数のジャックと導通する電極が取り付けられていたりしているからである。また最近のプリント基板は、実装密度を高めるために、プリント基板の裏面に表面実装部品DやコネクターC等を搭載することがある。従って、最近のプリント基板では、はんだ付け部がはんだ付け群となり、裏面に表面実装部品やコネクター等が搭載されているものが多くなっている。
【０００４】
裏面に表面実装部品やコネクター等が搭載されたプリント基板を一般のプリント基板のはんだ付けに使用する自動はんだ付け装置ではんだ付けすると、表面実装部品やコネクターに問題が起きてしまう。つまり自動はんだ付け装置では、裏面全面にフラックス塗布を行ない、裏面前面を予備加熱し、そして裏面全面に溶融はんだを接触させるため、裏面に搭載された表面実装部品は高温となった溶融はんだと接触して機能劣化や熱損傷をおこし、また裏面に取り付けられたコネクターはジャックの挿入孔に溶融はんだが侵入してコネクターとしてまったく使用不能にしてしまう。そこで従来よりプリント基板の必要箇所だけに溶融はんだを接触させるとともに、不要箇所には熱影響を及ばすことがなくはんだ付けが行なえるという所謂「部分噴流はんだ槽」が採用されていた。
【０００５】
部分噴流はんだ槽とは、図６に示すように部分噴流はんだ槽４の中に噴流ポンプ５と多数のノズル６…が設置されており、また内部には図示しないヒーターではんだ７が溶融状態に保たれている。ノズルの設置位置は、図５に示すプリント基板１のはんだ付け群３…と一致したところである。
【０００６】
図７に示すように、従来の部分噴流はんだ槽に使用されていたノズル６は、はんだ付け群と略同一形状の単なる筒状のものであった。この筒状ノズルでプリント基板をはんだ付けする状態を図８で説明する。
【０００７】
部分噴流はんだ槽を設置する部分はんだ付け装置には、はんだ付け群だけに液状のフラックスを塗布するフラクサー、はんだ付け群だけを加熱して液状フラックスを乾燥させるとともに昇温させるプリヒーター等が設置されている。
【０００８】
上記のような部分はんだ付け装置でプリント基板の部分はんだ付けをする場合、図示しない搬送チャックでプリント基板を把持したまま図示しないフラクサーで部分フラックス塗布、図示しないプリヒーターで部分予備加熱を行ない、その後、部分噴流はんだ槽４ではんだの付着を行う。部分噴流はんだ槽でのはんだの付着は、プリント基板をプリント基板の多数のはんだ付け群とはんだ槽の多数のノズルが一致するところまで搬送し、搬送チャックでプリント基板を把持したままノズル上方で停止する。このときプリント基板は、ノズル上端と少しの間隔をおいて停止している。そして全てのノズル６…から溶融はんだ７を噴流させ、溶融はんだをプリント基板１のはんだ付け群に一定時間接触させてはんだの付着を行なう。このときノズルから噴流する溶融はんだは、プリント基板に接触してからノズル６の外壁を伝って下方に流下し、部分噴流はんだ槽４の溶融はんだ７に流れ込む。このようにしてはんだ付け群のはんだ付け部にはんだが付着したならば、搬送チャックをノズル上から移動させて冷却し、所定の位置でプリント基板の把持を解いてはんだ付けが終了する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、先に搭載されている表面実装部品やコネクター等とはんだ付け群とが近接しているようなプリント基板を、従来の部分噴流はんだ槽ではんだの付着を行なうと、溶融はんだが先に搭載されていた表面実装部品の電極に付着して短絡したり、やはり先に搭載されていたコネクターの挿入孔に侵入して使用不能になったりすることがあった。また従来の部分噴流はんだ槽では、多層基板のスルーホール内に充分にはんだが侵入しないという問題もあった。本発明は、はんだ付け群以外の不必要な箇所には絶対にはんだが付着せず、しかもスルーホール内にはんだが完全に侵入するという部分噴流はんだ槽及び部分はんだ付け方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、はんだ付け群以外の不必要な箇所にはんだが付着するのは、図８に示すようにノズル６を出た溶融はんだ７がノズルの外壁に沿って流出するためであることが分かった。つまりノズル６の外壁に沿って流出する溶融はんだがノズルに近いところに先に搭載された表面実装部品DやコネクターCに接触して、そこから表面実装部品Dのはんだ付け部やコネクターCの挿入孔に流入してしまうからである。また従来の部分噴流はんだ槽でスルーホール内にはんだが侵入しないのは、ノズルから噴流した溶融はんだがプリント基板に接触したときに噴流圧力が充分でないためであることが判明した。
【００１１】
そこで本発明者らは、ノズルから噴流した溶融はんだをノズルの外部に流出させないようにすれば、はんだ付け群と先に搭載した表面実装部品やコネクター等が近接していても、溶融はんだが表面実装部品やコネクター等に接触して不必要な箇所にはんだを付着させるようなことはなくなり、またプリント基板と接触する噴流はんだの圧力を高くするようにすれば、スルーホール内へのはんだの侵入も充分に行なえることに着目して本発明を完成させた。
【００１２】
本発明は、ノズルはプリント基板のはんだ付け群と略同一形状となっており、該ノズルの上端は、ナイフエッジとなっていて、該ノズル壁面の一壁面または複数の壁面の下部に溶融はんだの流出部が形成されていて、しかもノズル内には噴流ポンプと連通し上端がノズル上端よりも僅か下方に位置したダクトが設置されているととともに、流出部が形成されたノズル壁面とダクト間には間隙が設けられていることを特徴とする部分噴流はんだ槽である。
【００１３】
また本発明は、前記部分噴流はんだ槽を用い、プリント基板の多数のはんだ付け群と部分噴流はんだ槽に設置された多数のノズルを一致させてプリント基板をノズル上に載置し、その後、ノズル内の溶融はんだをノズル内で上昇させてノズル上に載置されたプリント基板のはんだ付け群に接触させるとともに、ノズル内で溶融はんだを流動させることを特徴とするプリント基板の部分はんだ付け方法でもある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の部分噴流はんだ槽は、ノズル上端をナイフエッジにしておくことが望ましい。なぜならばノズル上端をナイフエッジにしておくと、該上端にはんだが残らなくなるからである。つまり部分噴流はんだ槽では、常時、溶融はんだを噴流状態にしておくものではなく、プリント基板にはんだを付着させるときだけ溶融はんだをノズル内に導入させて噴流させる。そのため非噴流時には、溶融はんだがノズル内の下方にあり、ノズルは冷めた状態となっている。そして噴流時に溶融はんだをノズル内に導入して噴流させると、冷めたノズルによって噴流する溶融はんだの温度が下げられる。その結果、温度が下がった溶融はんだは、はんだ付け性が悪くなるため、プリント基板のはんだ付け部に、はんだが完全に付着せず、未はんだやブリッジ等を発生させてしまうことになる。また、一度プリント基板にはんだを付着させた後、溶融はんだをノズルの下方に下げると、ノズルの内壁にははんだの酸化物が付着する。従って、そのまま次のプリント基板にはんだを付着させるためにノズルから溶融はんだの噴流を行なうと、ノズル内壁に付着していた酸化物が噴流する溶融はんだとともに流出してプリント基板に付着してしまうことがある。そこでプリント基板に溶融はんだを付着させる前にノズルから溶融はんだを噴流させる「カラ噴流」を行ない、ノズルを加熱するとともにノズル内に付着していた酸化物の清掃を行なう。このカラ噴流時、ノズル上端が平らであるとノズル上端にはんだが残ってしまい、これがプリント基板の不要箇所に付着することがあるため、ノズル上端にはんだが残らないように傾斜を付したナイフエッジにしておく。
【００１５】
また本発明の部分噴流はんだ槽では、カラ噴流時にノズルの温度が素早く昇温するようにノズルを熱伝導性が良好な材料で作製するとよい。熱伝導性が良好な材料としては銅があるが、銅をそのままノズルに使用すると、銅に溶融はんだが金属的に接合してしまい、長時間経過するうちに銅が溶融はんだ中に溶け込んでしまうようになる。そこで銅製のノズルに溶融はんだが接合しないように、ノズルに表面処理を施しておく。該表面処理としては、チタニウムが適している。
【００１６】
本発明の部分噴流はんだ槽に使用するノズルは、ノズル下部に形成する溶融はんだの流出部を一箇所以上とするものである。該流出部の形成箇所は、ノズル内に設置したダクトとノズル壁面間に間隙を設け、該間隙のあるノズル壁面の下部をあけて流出部とする。ダクトとノズル壁面間に間隙を設けるのは、図１に示すようにノズルの一つの壁面の一箇所、或いは図２に示すように相対向する二つのノズル壁面の二箇所であり、これらの壁面の下部に流出部を形成する。該流出部は、溶融はんだの液面より上方にあっても、或いは溶融はんだの液面下にあってもよい。
【００１７】
ノズルの形状はプリント基板のはんだ付け群に合わせるものであり、矩形の他、L字型、凸型、十字型等、各種の形状にすることもできる。これら矩形以外の形状のノズルでは、流出部を二箇所以上にすることもできる。流出部を二箇所以上にすることにより溶融はんだの流れの方向を適宜選択でき、流出方向の適正な選択によりブリッジの防止もさらに効果的になる。
【００１８】
本発明の部分噴流はんだ槽に使用する溶融はんだ流動用のポンプはピストン式が適している。つまり従来の自動はんだ付け装置の噴流はんだ槽に使用されていたインペラ式のポンプは部分はんだ付けに適していないからである。インペラ式ポンプは、回転始めに溶融はんだを勢いよく流動させるため、部分噴流はんだ槽のようにノズルが細いものではノズルから高い圧力で溶融はんだが噴流し、それが不必要な部分に付着してしまう。またインペラは安定した回転ができないためノズルから噴流する溶融はんだの高さを一定にすることができず所謂「脈流」となって、はんだ付け不良をおこすことがあった。さらにまたインペラ式は、部分噴流はんだ槽においては、ノズル全体から均一に噴流させることが困難であり、それぞれのノズルから均一な噴流ができなかった。一方、ピストン式は、シリンダー内の溶融はんだをピストンの降下で押し出すため、ピストンの駆動始めから終了まで安定した吐出が可能であり、脈流がなく、また部分噴流はんだ槽においては全てのノズルから均一な噴流ができるものである。そしてまたピストン式は、ピストンの上下動をボールネジとその螺合部で行ない、ボールネジまたは螺合部の回動をサーボモーターで行なえば、上下動の速度を如何様にも容易に制御できるようになる。
【００１９】
【実施例】
次に本発明の部分噴流はんだ槽について説明する。図１、２は本発明の部分噴流はんだ槽に設置するノズルの一部破断斜視図である。
【００２０】
図１に示すノズル８は、図５に示すプリント基板１のはんだ付け群と略同一形状となっている。矩形のノズル８は、四つの壁面９、１０、１１、１２から形成されていて、そのうちの三つの壁面９、１０、１１は溶融はんだ中に没しており溶融はんだ中でポンプ５と連通している。壁面１２は、途中で切れており、切れた部分の下部が溶融はんだの流出部１３となっている。ノズル８内にはダクト１４が設置されている。ダクト１４は、上端がノズル８の上端よりも少し低くなっており、溶融はんだの液面下でポンプ５と連通している。またダクトと流出部１３を有するノズル壁面１２との間には、間隙１５が設けられている。図１ではコ字型ダクトであり、両側がノズルの短尺壁面に密着したもので示したが、板状のものの両側をノズルの短尺壁面に密着したものでもよい。
【００２１】
図２に示す矩形のノズル１６は、四つの壁面１７、１８、１９、２０から形成されている。これらの壁面は、全て下部が途中で切られており、相対向する長尺の壁面１８、２０の下部が流出部１３、１３となっている。ノズル１５内にはポンプ５と連通したダクト２１が設置されている。ダクト２１は上端がノズル１６の上端よりも低くなっており、流出部１３、１３を有するノズル壁面１８、２０間に間隙１５、１５が設けられている。
【００２２】
上記ノズルを設置した部分噴流はんだ槽におけるプリント基板のはんだ付け方法について説明する。
【００２３】
プリント基板１は、図示しない搬送チャックで把持され、図示しないフラクサーではんだ付け群にフラックスが塗布され、図示しないプリヒーターで予備加熱され、部分噴流はんだ槽４に到来する。部分噴流はんだ槽４には、プリント基板１のはんだ付け群と一致したところに、はんだ付け群と略同一形状のノズル８、１６が設置されている。プリント基板はそれぞれのはんだ付け群が、それに対応するノズル上まで搬送される。ここでプリント基板のはんだ付着を行なう前にノズルの昇温とノズル内壁清掃のためにカラ噴流を行なう。カラ噴流後、プリント基板をノズル上に載置し、しばらくの間ノズル上で載置したままにする。ノズル上に載置されたプリント基板は、ノズル内にある溶融はんだで加熱されてはんだ付け群がはんだ付けに適した温度まで昇温される。その後、ポンプ５を作動させてポンプ内の溶融はんだをダクト内に送流する。ダクトから送られた溶融はんだは、ノズルの上部まで噴流し、ノズルに載置されたプリント基板のはんだ付け群に接触する。このときダクトから噴流してきた溶融はんだは、プリント基板に接触後、図１のように一側に流出部があるノズル８では、図３の左側に示すように流出部１３方向に流動し、また図２のように両側に流出部１３、１３があるノズル１６では図３の右側に示すように両側の流出部１３，１３方向に流動する。このときプリント基板２の裏面に表面実装部品DやコネクターCがはんだ付け群に近接して搭載されていても、噴流後の溶融はんだはノズルの外方に流出しないため、表面実装部品やコネクター等には絶対に接触しない。そしてプリント基板をノズル上に載置してノズルから溶融はんだを噴流させると、溶融はんだは少ない流出部からしか流出できないため、ノズル内の圧力は高まり、スルーホール内にも溶融はんだは侵入していくようになる。
【００２４】
このようにして、はんだ付け群のはんだ付け部にはんだが付着したならば、ノズルからの噴流を止め、搬送チャックでプリント基板を把持してノズル上から上方に持ち上げると同時に、次の図示しない冷却ゾーンまで搬送する。冷却ゾーンで冷却したプリント基板は、所定の位置で搬送着から解放してはんだ付けが終了する。
【００２５】
本発明の部分噴流はんだ槽を用いて、精密加工機械用制御盤に使用する多層のプリント基板のはんだ付けを行った。該プリント基板には表面にPGAやデュアルパッケージ等の電子部品が搭載され、裏面に表面実装部品とコネクターが取り付けられており、また多数のスルーホールが穿設されていた。PGAやデュアルパッケージのリードはプリント基板の表面から裏面に挿通しており、裏面で多数のはんだ付け部がはんだ付け群となっている。はんだ付け後のプリント基板を観察したところ、裏面の表面実装部品やコネクターにははんだが付着してなく、またスルーホール内にははんだが完全に侵入していた。一方、従来の部分噴流はんだ槽で同一のプリント基板のはんだ付けを行なったところ、裏面に搭載してあった表面実装部品やコネクターには不必要な箇所にはんだが付着しており、スルーホール内にははんだが充分に侵入していなかった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればプリント基板のはんだ付け時に、裏面に搭載した表面実装部品やコネクターに不必要なはんだが付着することがないばかりでなく、スルーホール内にもはんだが完全に侵入するという信頼性に優れたはんだ付け部が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の部分噴流はんだ槽に使用するノズルの実施例
【図２】本発明の部分噴流はんだ槽に使用するノズルの他の実施例
【図３】本発明の部分噴流はんだ槽でプリント基板をはんだ付けする説明図
【図４】本発明部分噴流はんだ槽の平面図
【図５】プリント基板の裏面
【図６】従来の部分噴流はんだ槽の平面図
【図７】従来の部分噴流はんだ槽に使用するノズルの斜視図
【図８】従来の部分噴流はんだ槽でプリント基板をはんだ付けする説明図
【符号の説明】
８ ノズル
１２ ノズル壁面
１３ 流出部
１４ ノズル
１５ 間隙

Claims (3)

1. ノズルはプリント基板のはんだ付け群と略同一形状となっており、該ノズルの上端は、ナイフエッジとなっていて、該ノズル壁面の一壁面または複数の壁面の下部に溶融はんだの流出部が形成されていて、しかもノズル内には噴流ポンプと連通し上端がノズル上端よりも僅か下方に位置したダクトが設置されているととともに、流出部が形成されたノズル壁面とダクト間には間隙が設けられていることを特徴とする部分噴流はんだ槽。
2. 前記ノズルは、銅板にチタンメッキが施された材料からなることを特徴とする請求項１記載の部分噴流はんだ槽。
3. 請求項１乃至２記載の部分噴流はんだ槽を用い、プリント基板の多数のはんだ付け群と部分噴流はんだ槽に設置された多数のノズルを一致させてプリント基板をノズル上に載置し、その後、ノズル内の溶融はんだをノズル内で上昇させてノズル上に載置されたプリント基板のはんだ付け群に接触させるとともに、ノズル内で溶融はんだを流動させることを特徴とするプリント基板の部分はんだ付け方法。

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