JP4900570B2 - 電子部品の実装方法、はんだ付け装置および実装基板 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板に電子部品をはんだ付けにより実装する技術に係り、より詳しくはリード付き電子部品をプリント基板のスルーホールの周りのランドにはんだ付けする実装方法、該実装方法の実施に用いられるはんだ付け装置および該実装方法により得られた実装基板に関する。

リード付き電子部品をプリント基板に実装するには、プリント基板のスルーホールにリードを挿入させた状態で電子部品をプリント基板に搭載し、このプリント基板をはんだ槽上で搬送して、プリント基板の裏面に溶融はんだを接触させ、リードとプリント基板のランドとを接合するフローはんだ付けが一般に採用されている。

ところで、電子部品には、耐熱性が低くてフローはんだ付けが困難なもの、あるいは重量やサイズ的な条件（高重量、大型サイズ）からフローはんだ付けだけでははんだ量が不足するものがあり、この場合は、フロー処理後にはんだコテにより手作業にてはんだ付け（増量）を行っている。また、何らかの原因でフローはんだ付けが不完全になることがあり、この場合も、フロー処理後にはんだコテにより手直し（修正）を行っている。なお、前記はんだ量不足対策として、例えば、特許文献１に記載のものでは、スルーホール近傍のランド面に予め補助部材を配置し、該補助部材とリードとの間にはんだブリッジを発生させて、リードに対するはんだの付着量を増加させることを行っている。

図２は、はんだコテ１によるはんだ付けの実施形態を示したもので、プリント基板２のスルーホール３に電子部品のリード４を挿入した状態で、スルーホール３の口部近傍にはんだコテ１を接近させ、はんだコテ１の熱で糸はんだ５を溶かして溶融はんだ６をスルーホール３に注入し、リード４をスルーホール３の周りのランド７に接合するようにしている。

しかるに、近年、プリント基板の多層化が進み、これに伴って銅配線密度が増し、プリント基板の熱容量が増加する傾向にある。このため、上記したはんだコテ１によるはんだ付け（コテ方式のはんだ付け）においては、はんだコテ１によるプリント基板２の加熱に時間がかかり、その分、はんだコテ１とプリント基板２との接触時間が増してプリント基板２が損傷（断線）してしまう危険があった。また、近年、環境問題から、Ｐｂを含まないＰｂフリーはんだの使用が推し進められているが、Ｐｂフリーはんだとして多用されるＳｎ−Ａｇ系はんだの融点は２２０度程度と高温であり、このような高融点のＰｂフリーはんだを用いた場合は、はんだコテの温度がさらに高くなり、プリント基板が損傷する危険がより一層高まるようになる。なお、Ｐｂフリーはんだとしては、融点が２００℃程度と比較的低いものもあるが（例えば、特許文献２参照）、この場合でも、前記したプリント基板の損傷の危険を避けることはできない。

また、上記したコテ方式のはんだ付けにおいては、溶融はんだ７が、その濡れ性だけでスルーホール３に充填されるため、図２に示されるように、溶融はんだ７がスルーホール３の途中までしか充填されず、はんだ充填量が不足して接合強度の面で不安が残る、という問題もあった。

特開２０００−２０８９０８号公報 特開２００３−５１６７１号公報

本発明は、上記したコテ方式のはんだ付けが有する種々の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、プリント基板に損傷を与えることなく高強度に電子部品を実装できる新たな実装方法、はんだ付け装置および実装基板を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電子部品の実装方法は、プリント基板のスルーホールに電子部品のリードを挿入した後、先端にノズルを有する射出スリーブ内に半溶融状態のはんだを供給し、前記射出スリーブに内装されたプランジャの操作により、前記はんだを前記ノズルから射出し、前記スルーホールに圧入して前記スルーホール内を流動させ、該スルーホール内に前記はんだを満たすことにより、電子部品をプリント基板にはんだ付けすることを特徴とする。

このように行う電子部品の実装方法においては、溶融状態または半溶融状態のはんだを射出手段を用いてプリント基板のスルーホールに圧入するので、プリント基板の加熱が抑えられ、しかも、スルーホール内へのはんだ充填量が十分に確保される。

本発明の実装方法において、上記はんだの種類は任意であり、汎用のＳｎ−Ｐｂはんだはもちろん、融点の異なる種々のＰｂフリーはんだを用いることができる。また、Ｐｂフリーはんだを用いる場合は、固液共存温度域を有するものを選択してもよく、この場合は、はんだを半溶融状態としてスルーホールに圧入することができる。

本発明に係るはんだ付け装置は、上記電子部品の実装方法に使用するはんだ付け装置であって、はんだを半溶融状態に加熱保持する加熱手段と、先端にノズルを有し、前記加熱手段により半溶融状態とされたはんだを受け入れ、内装されたプランジャの操作により前記ノズルより射出する射出手段とを備えていることを特徴とする。この場合、前記加熱手段は、はんだの種類に応じて加熱温度を自動設定する設定手段を備えている構成とすることができる。

本発明に係る実装基板は、プリント基板のスルーホールに電子部品のリードが挿入され、該リードが前記スルーホールに充填されたはんだ層を介して該スルーホールの周りのランドに接合された実装基板において、前記スルーホールに充填されたはんだ層が、プリント基板のスルーホールに電子部品のリードを挿入した後、先端にノズルを有する射出スリーブ内に半溶融状態のはんだを供給し、前記射出スリーブに内装されたプランジャの操作により、前記はんだを前記ノズルから射出し、前記スルーホールに圧入して前記スルーホール内を流動させ、該スルーホール内に前記はんだを満たすことにより形成されていることを特徴とする。この場合、前記はんだ層は、プリント基板の表・裏両面にフィレットを形成する構成とするのが望ましい。

本発明によれば、プリント基板に電子部品をはんだ付けする際、プリント基板の加熱が抑えられるので、多層化してもプリント基板が損傷することはなくなり、その上、スルーホール内へのはんだ充填量が十分に確保されるので、プリント基板に対する電子部品の接合強度が十分に高まり、品質的に信頼性の高い実装基板を安定して得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の１つの実施形態を示したものである。なお、図２に示した部分と同一部分には同一符号を付している。同図中、１０は、プリント基板２のスルーホール３に半溶融状態のはんだ１１を圧入する射出装置（射出手段）、１６は、前記射出装置１０に供給するはんだを固液共存温度域（半溶融状態）に加熱保持する加熱装置（加熱手段）である。前記射出装置１０および加熱装置１６は、プリント基板２に電子部品のリード４をはんだ付けするはんだ付け装置を構成している。

射出装置１０は、先端にノズル１２を有する射出スリーブ１３と、この射出スリーブ１３に摺動可能に内装されたプランジャ１４と、このプランジャ１４に一端が連結され、他端が射出スリーブ１３の外部へ延ばされたロッド１５とを備えている。射出装置１０は、手動式であっても自動式であってもよく、何れの場合も、射出スリーブ１３内に半溶融状態のはんだ１１を受入れた後、ロッド１５を介してプランジャ１４を押込むことで、射出スリーブ１３内のはんだ１１がノズル１２より射出される。なお、射出スリーブ１３にはヒータを外装または内蔵するようにしてもよく、この場合は、はんだ１１の冷却を抑えることができる。また、はんだ１１に接触するプランジャ１５の先端に断熱材を接合しておくことも、はんだ１１の冷却を抑える上で効果的となる。一方、加熱装置１６は、ヒータを内蔵する加熱炉１７と加熱炉１７の温度を制御するコントローラ１８とを備えている。コントローラ１８は、はんだの種類に応じて加熱温度を自動設定する設定手段（図示略）を備えた構成としてもよく、この場合は、はんだ種類を表わすスイッチ操作に応じてはんだが固液共存温度域内の所定の温度に加熱保持される。

電子部品をプリント基板２に実装するには、予め加熱装置１６の加熱炉１７内ではんだを半溶融状態に加熱保持する。そして、プリント基板２のスルーホール３に電子部品のリード４を挿入した後、加熱装置１６から射出装置１０の射出スリーブ１３に半溶融状態に加熱されたはんだ１１を供給し、この半溶融状態のはんだ１１をプランジャ１４の操作によりノズル１２から射出し、スルーホール３に圧入する。この圧入によりはんだ１１は、スルーホール３内を流動してプリント基板２の下面側へ向かい、これによりスルーホール３内は、はんだ１１により十分に満たされる。また、プリント基板２の下面側へ向かって流動したはんだ１１は、該スルーホール３の下側開口から外部へ流出して、ランド７のフランジ面上に拡大し、これによりプリント基板２の下面側にはフィレット１１´が形成される。一方、スルーホール３内にはんだ１１が充填された後、さらに射出スリーブ１３のノズル１２からはんだ１１を適当量射出することで、プリント基板２の表面側にもフィレット１１´が形成される。この場合、はんだ１１が粘稠な半溶融状態となっているので、フィレット１１´を容易に形成することができる。

このようにして電子部品のリード４が、はんだ（はんだ層）１１によりスルーホール３の周りのランド７に接合され、プリント基板２に対する電子部品の実装は終了する。しかして、半溶融状態のはんだ１１を射出シリンダ１３のノズル１２からスルーホール３内に圧入するので、従来のはんだコテ１（図２）によるはんだ付けのようにプリント基板２が高温に加熱されることはなく、したがってプリント基板２が多層化されて、その熱容量がアップしていても、該プリント基板２が損傷を受けることはなくなる。また、周辺が高熱に晒されることがないので、耐熱性の低い電子部品を実装する場合でも、その損傷を未然に防止することができる。しかも、はんだ１１がスルーホール３内に十分に充填されるので、電子部品のリード４とランド７との接合強度も高まり、重量が重い電子部品であってもあるいはサイズが大きい電子部品であっても安定してプリング基板２に実装できる。本実施形態においては特に、プリント基板２の表・裏両面にはんだのフィレット１１´が形成されているので、接合強度はより一層高まり、高重量でかつ大型サイズの電子部品の実装に好適となる。

なお、上記実施形態においては、半溶融状態のはんだ１１をスルーホール３に圧入するようにしたが、本発明は、溶融状態のはんだをスルーホール３に圧入してもよいことはもちろんである。この場合も、上記したように射出シリンダ１３のノズル１２を通じてスルーホール３に溶融状態のはんだを圧入するので、プリント基板２が高温に加熱されることはない。

ここで、上記したはんだ付けに用いるはんだ１１としては、Ｐｂを含まないＰｂフリーはんだを用いるのが望ましい。一方、実装基板が、例えば自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に用いられる場合は、高温、高湿の使用環境となるので、このような環境に対して十分なる耐性を有するはんだを用いるのが望ましい。これら条件を満足するはんだとしては、例えば、表１に示すものがある。

表１に示すはんだのうち、Ｓｎ−３.０Ａｇ−０.５Ｃｕ合金は共晶組成であり、溶融状態で使用する場合は、この合金を選択するのが望ましい。また、本発明では、射出装置１０を用いてプリント基板２のスルーホール３に圧入するので、溶融状態とする温度をそれほど高くする必要はなく、その使用温度は、融点（２１９℃）よりプラス１０℃程度、すなわち２３０℃程度に設定すれば十分である。

一方、表１中のＳｎ−３.０Ａｇ−１.２Ｃｕ合金、Ｓｎ−３.５Ａｇ−０.５Ｂｉ−３.０Ｉｎ合金およびＳｎ−１０Ｂｉ−５Ｚｎ合金は、何れも固液共存温度域を有しており、半溶融状態で使用する場合は、これら合金を選択する。これら合金の使用温度は、固相線と液相線との間の中間温度とするが、Ｓｎ−１０Ｂｉ−５Ｚｎ合金は他の二者に比べて、固相線と液相線の温度差が広くかつ使用温度が低いので、作業性の面で有利である。

なお、例えば、前記特許文献２（特開２００３−５１６７１号公報）には、Ｓｎ−１Ｂｉ−８Ｚｎ合金、Ｓｎ−３Ｂｉ−８Ｚｎ等のＰｂフリーはんだが記載されているが（その[表１]参照）、それらの温度差は、前者で７℃、後者で１０℃であり、このようなはんだを選択した場合は、作業性の面で不利となる。また、これら合金は、耐熱性、耐湿性の面で問題があり、上記ＥＣＵへの適用が困難となる。

本発明に係る電子部品の実装方法の１つの実施形態を模式的に示す断面図である。 はんだコテを利用して行う従来の電子部品の実装方法を模式的に示す側面図である。

符号の説明

２ プリント基板
３ スルーホール
４ 電子部品のリード
１０ 射出装置（射出手段）
１１ はんだ（はんだ層）
１１´ フィレット
１２ ノズル
１３ 射出スリーブ
１４ プランジャ
１６ 加熱装置（加熱手段）
１７ 加熱炉
１８ コントローラ

Claims (7)

1. プリント基板のスルーホールに電子部品のリードを挿入した後、先端にノズルを有する射出スリーブ内に半溶融状態のはんだを供給し、前記射出スリーブに内装されたプランジャの操作により、前記はんだを前記ノズルから射出し、前記スルーホールに圧入して前記スルーホール内を流動させ、該スルーホール内に前記はんだを満たすことにより、電子部品をプリント基板にはんだ付けすることを特徴とする電子部品の実装方法。
2. はんだとして、Ｐｂフリーはんだを用いることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の実装方法。
3. Ｐｂフリーはんだが、固液共存温度域を有していることを特徴とする請求項２に記載の電子部品の実装方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電子部品の実装方法に使用するはんだ付け装置であって、はんだを半溶融状態に加熱保持する加熱手段と、先端にノズルを有し、前記加熱手段により半溶融状態とされたはんだを受け入れ、内装されたプランジャの操作により前記ノズルより射出する射出手段とを備えていることを特徴とするはんだ付け装置。
5. 前記加熱手段が、はんだの種類に応じて加熱温度を自動設定する設定手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載のはんだ付け装置。
6. プリント基板のスルーホールに電子部品のリードが挿入され、該リードが前記スルーホールに充填されたはんだ層を介して該スルーホールの周りのランドに接合された実装基板において、前記スルーホールに充填されたはんだ層が、プリント基板のスルーホールに電子部品のリードを挿入した後、先端にノズルを有する射出スリーブ内に半溶融状態のはんだを供給し、前記射出スリーブに内装されたプランジャの操作により、前記はんだを前記ノズルから射出し、前記スルーホールに圧入して前記スルーホール内を流動させ、該スルーホール内に前記はんだを満たすことにより形成されていることを特徴とする実装基板。
7. はんだ層が、プリント基板の表・裏両面にフィレットを形成していることを特徴とする請求項６に記載の実装基板。

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