JP4968162B2 - 基板ユニット製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント板等の孔を有する基板上に電気部品を搭載するための基板下受けにボール等の大小の部材を用いたプリント板ユニット等の基板ユニット製造方法及び装置に関する。

図７は従来例の説明図であり、図７（ａ）は基板下受け構造の説明である。図７（ａ）において、プリント板ユニットの製造は、基台２２上に基板下受け２１を配設し、その上にプリント基板１を位置決めし、 プリント基板１のスルーホール５にコネクタ６のピン７が圧入される（例えば、特許文献１、２参照）。この圧入による取り付けは、スルーホール５へのはんだ付け（はんだ上り）の関係で、プリント基板１の厚さがある程度以上（例えば、２ｍｍ以上）のときに行われる。このとき、コネクタ６のピン７が圧入される孔であるスルーホール５径及びそのピッチに合わせてコネクタ種類毎に基板下受け２１を設定していた。なお、プリント基板１の下面には、実装部品８が搭載されている。図７（ａ）の右側は、左側の一部拡大図であり、基板下受け２１がスルーホールパターンに乗り上げた場合を示している。

図７（ｂ）はプリント基板に反りがある場合の説明である。図７（ｂ）において、プリント板ユニットの製造で、プリント基板１のスルーホール５にコネクタ６のピン７が圧入されるとき、初期からプリント基板１に反りがあるとコネクタ６の圧入時に基板下受け２１が接している一点に応力が集中していた。図７（ｂ）の右側は、左側の一部拡大図であり、基板下受け２１にてプリント基板１に損傷が生じた場合を示している。

図８は従来例の基板下受けピンを使用する場合の説明図である。図８において、プリント基板１の下に、基台２２上に一定の高さの複数の基板下受けピン２３を設けるものがあった。この基板下受けピン２３の先端は、丸くなっており、プリント基板１とは点接触するものである。プリント基板１に反りがあると基板下受けピン２３が全ピン接触しなくなる。このような、プリント基板１へのはんだの印刷やマウンタ（部品取付機）では、実装エリアを避けて未実装エリアに基板下受けを設定しており、プリント板種類毎に基板下受け（基板下受けピン２３）位置を変えていた。
特開平９−３２１４９７号公報 特開２００６−７３８０８号公報

上記従来のものは、次のような課題があった。

コネクタ圧入及び部品搭載時は、基板下受けが充分でないと基板損傷、部品破壊、搭載位置ズレといった製造品質に大きく影響する。特に、図７に示すようにコネクタを圧入する際の基板下受けでは、コネクタの圧入力が高いため、受け面積を最大限にとる必要があり、コネクタのピンが圧入されるスルーホールランド及びピッチに合わせてコネクタ種類毎にコネクタそれぞれ専用の基板下受けを用意していたが、膨大な種類の基板下受けが必要であり、製造コスト（工数、基板下受け費用）に影響していた。

また、狭ピッチコネクタでは、ランド（スルーホール配線）を避けて基板下受けを位置決めするのは困難であり、基板受けがランドパターンを乗り上げ、スルーホールメッキへのダメージ（断線）を生じていた。また、初期から基板反りがあるとコネクタ圧入時に基板下受けが接している一点に応力が集中して、基板の損傷及び圧入コネクタ座屈（端子ピンの曲がり）障害につながっていた。圧入コネクタのピン長が基板厚よりも短い場合、座屈の有無を検査する手段がなく検出できなかった。

図８に示すように、はんだ印刷機やマウンタでは実装エリアを避けて未実装エリアに基板下受を設定していたが、プリント基板種類毎に基板下受位置を変える必要があり膨大な工数を要していた。また、基板が初期から反っている場合、基板下受けが接触しない箇所が発生し、後の部品搭載位置精度に影響していた。

また、はんだ付け時の熱等の影響を避けるためコネクタの取付は、プリント基板ユニット製造の最終工程で行われる。特に、プリント基板として多層配線基板の場合の製造工程は多大（高価な基板）であり、最終工程であるコネクタの取り付けの失敗は大きな損害を与えることになっていた。

この基板ユニットの製造においては、上記課題を解決するために、基板下受けは、大小２種類のボールとし、多種のコネクタ及び基板仕様、また基板反りに関係なく基板下受け設定が可能となり、後のコネクタ圧入及び部品自動搭載を容易に実現可能とすることを目的とする。

この基板ユニットの製造には、次のような手段を有する。

孔を有する基板との間に空間を形成する治具に該基板を固定する固定ステップと、前記空間に複数のボール等の第１の部材を挿入する第１の挿入ステップと、前記空間に前記孔を通して、前記第１の部材よりも体積が小さなボール等の第２の部材を挿入する第２の挿入ステップと、前記孔等の基板にコネクタ等の部材を圧入等で取り付ける取付ステップとを有する。このため、プリント基板等の基板仕様及び圧入部材の仕様に関係なく自由自在に基板下受けを設定でき、従来の基板損傷、部品破壊、搭載位置ズレが低減でき、基板種及び部品種毎に必要であった基板下受け構造を省略でき、製造工数も大幅に削減でき、コスト低減に大きく寄与する。

この基板ユニットの製造によれば、次のような効果がある。

基板と治具の間の空間に複数の第１の部材を挿入し、前記空間に前記孔を通して、前記第１の部材よりも体積が小さな第２の部材を挿入し、前記孔等の基板に部材を圧入等で取り付けるため、基板仕様及び圧入部材の仕様に関係なく自由自在に基板下受けを設定でき、従来の基板損傷、部品破壊、搭載位置ズレが低減でき、基板種及び部品種毎に必要であった基板下受け構造を省略でき、製造工数も大幅に削減でき、コスト低減を行うことができる。

コネクタ圧入及び部品自動搭載時のプリント基板ユニットの製造において、プリント基板と治具（テーブル）の隙間に基板下受けとなる大小のボールを流し込み、部品自動搭載及びコネクタ圧入用の基板下受けを、部品に干渉することなく均一に設定する。コネクタの取付は、はんだ付け時の熱等の影響を避けるためプリント基板ユニット製造の最終工程で行う必要があり、特に、プリント基板が多層配線基板である場合の製造工程は多くなる（高価な基板となる）ため、最終工程となるコネクタの取付での失敗はできるだけ避けなければらならない。

（１）：基板ユニット製造方法の説明
図１はプリント基板の治具への取り付け説明図であり、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は平面図である。図１において、プリント基板１への部品の取り付けのための治具である基板受け台（基台）２、基板受けコーナーガイド３、ボール挿入部４が設けてある。

プリント基板１は、スルーホール等の孔を有する多層配線が行われている基板（多層配線基板）である。基板受け台（基台）２は、プリント基板１をボールを介して下受けする受け台である。基板受けコーナーガイド３は、プリント基板１を基板受け台２の所定位置に位置決めするため４隅（４個所）に設けられる。ボール挿入部４は、プリント基板１の４辺に設けられ、プリント基板１と基板受け台２の間に挿入する部材である大ボールを挿入するための挿入部である。ボールは、大ボールと小ボールが使用される。プリント基板１と基板受け台２との間隔Ａは大ボール径と一致し、大ボール径はプリント基板１の下面の実装部品の高さ以上とする。小ボール径は、大ボール径の１／４程度で、スルーホールから挿入できるものである。

ａ）大ボール挿入の説明
プリント板ユニットの製造では、プリント基板１と治具である基板受け台２間に大ボール径＋α（ボールが移動できる程度の隙間）の隙間になる基板ガイド（基板受けコーナーガイド３）にプリント基板１をセットする。次に、プリント基板１とテーブル（基板受け台）間の隙間に大ボールを流し込む。すると大ボールは、裏面の実装部品を避けてプリント基板１と基板受け台２間の隙間に充填され基板下受けが完成する。

図２は大ボール挿入の説明図である。図２において、プリント基板１が、基板受けコーナーガイド３にセットされており、プリント基板１と基板受け台２の間隔は大ボール径＋αとなっている。このプリント基板１と基板受け台２の間隔に大ボール９がくるように、両サイド（実際は４辺）のボール挿入部４から投入する。ここでαは、大ボール９がプリント基板１と基板受け台２の間隔に挿入しやすくするために設けるもので、ランド（プリント基板上の配線；例えば、厚さ３０〜５０μ）の厚さよりは大きく大ボール径よりは小さくする。なお、大ボール９の径がスルーホール５の径より小さい場合は、スルーホール５から大ボール９を挿入することもできる。

大ボール９の充填率は、大ボール９が動くことが可能な（余裕のある）範囲とし、５０％程度とする。ここで充填率は、プリント基板１と基板受け台２との空間の体積に対する挿入された全大ボール９の体積の割合である。そして、充填率は、実装されている部品の数や大きさ等により変化するものである。

ｂ）小ボール挿入の説明
プリント基板１と基板受け台２との空間に大ボール９を挿入後、前記αの隙間を無くすようにプリント基板１を大ボール９に突き当て、小ボールをプリント基板１の実装面のスルーホールから投入するものである。これで、プリント基板１の基板受けが完成することになる。

図３は小ボール挿入の説明図である。図３において、プリント基板１と基板受け台２との空間への大ボール９挿入後、プリント基板１を大ボール９に突き当て、スルーホール５から小ボール１０を投入する。このため、コネクタ圧入時に下受けが必要な部分（コネクタが圧入される部分）には充分な量の小ボールを投入することができる。なお、小ボール１０の投入は、スルーホール５からだけでなく、大ボール９を投入したボール挿入部４から投入することもできる。

これにより、プリント基板１と基板受け台２との隙間に小ボール１０が進入して、細かい空間を埋めることになり、基板受けが完成する。小ボール１０の充填量は、プリント基板１と基板受け台２との隙間（空間）を全て埋めることができる程度の量とする。

ここでスルーホール５は、プリント基板１の表裏及び多層配線の層間を電気的に接続するものである。プリント基板１の裏面の実装部品８の高さは、大ボール９の直径より小さく（大ボール９の直径は実装部品８の高さより大きい）なっている。また、大小のボールの材質は、プリント基板１と同程度の熱膨張率を有するものが適当であり、例えば、アルミニウムやステンレス等を使用することができる。

ｃ）コネクタ圧入の説明
コネクタ圧入時及び部品搭載時の応力が分散されるように、基板下受けはプリント基板１と点接触となるボール状としている。

図４はコネクタ圧入の説明図である。図４において、プリント基板１と基板受け台２との空間への大ボール９と小ボール１０を挿入後、コネクタ６を上から押圧し、コネクタ６の導電ピン７の左右の張り出し部分がスルーホール５に圧入する。この圧入により、コネクタ６をプリント基板１に実装（固定）すると共にスルーホール５と導電ピン７との電気的接続が行われる。

このコネクタ６のプリント基板１への取り付けは、プリント基板１に対して部品をハンダ付けするリフローステップを終了した後に行われる。これはコネクタ６（熱に弱い）のハンダ付け時の熱による熱ストレスを避けるためである。

ｄ）プリント基板に反りがある場合の説明
プリント基板１に基板反りがある場合でも、基板反り分の隙間を充分に埋めるために大小２種のボールとし、小ボールが細かい隙間を埋めるようにする。

図５はプリント基板に反りがある場合の説明図である。図５において、プリント基板１に基板反りがある場合でも、大ボール９と小ボール１０により、プリント基板１の基板反り分と基板受け台２との空間を充分に埋めるため、コネクタ６を上から押圧し、導電ピン７をスルーホール５に圧入することができる。

以上のように、プリント基板の基板仕様及びコネクタ仕様に関係なく自由自在に基板下受けを設定できることから、従来の基板損傷、部品破壊、搭載位置ズレが低減でき、基板種及び部品種毎に必要であった基板下受け構造を省略できることから工数も大幅に削減でき、コスト低減に大きく寄与するものである。

（２）：基板ユニット製造装置の説明
図６は基板ユニット製造装置の説明図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は側面図である。図６において、プリント基板１等の基板ユニット製造装置には、基板ユニット製造基台２０上にボール整列ユニット１１とプレスユニット１２が設けてある。ボール整列ユニット１１には、ボール挿入部１６の移動ユニット１４、ボール挿入部１５、ボール挿入部１６、基板受け台２の移動ユニット１７が設けてある。プレスユニット１２には、加圧位置移動ユニット１８、サーボプレス１９が設けてある。

ボール整列ユニット１１は、プリント基板１と基板受け台２との空間へ大ボールを挿入する４個所のボール挿入部１５を有する第１の挿入ユニットと前記空間に小ボールを挿入する第２の挿入ユニットとを備えるものである。プレスユニット１２は、プリント基板１のスルーホールにコネクタ６の導電ピンを圧入するものである。

移動ユニット１４は、ボール挿入部１６を図６（ａ）で上下に移動するものである。ボール挿入部１５は、プリント基板１の外周の４辺に設けられた大ボール（又は小ボール）を挿入する挿入部である。ボール挿入部１６は、移動ユニット１４の図６（ａ）では上下の移動と共に移動し、移動ユニット１４に沿って図６（ａ）では左右の移動手段を有する。これにより、ボール挿入部１６で、大ボールを４辺のボール挿入部１５から投入すると共に、プリント基板１の孔（スルーホール等）から小ボールをプリント基板１と基板受け台２との空間へ投入するものである。移動ユニット１７は、ボール整列ユニット１１で大小のボールを充填したプリント基板１と基板受け台２をプレスユニット１２まで移動するための移動ユニットである。

加圧位置移動ユニット１８は、サーボプレス１９を図６（ａ）で上下に移動するための移動ユニットである。サーボプレス１９は、図６（ａ）で加圧位置移動ユニット１８と共に上下に移動し、加圧位置移動ユニット１８に沿って左右に移動する移動手段を有し、コネクタ６をプリント基板１に押圧し、プリント基板１のスルーホールにコネクタ６の導電ピンを圧入するものである。基板ユニット製造基台２０は、ボール整列ユニット１１とプレスユニット１２を乗せる基台である。

このように、この基板ユニットの製造では、各種基板の部品実装仕様に合わせて自由自在に基板受けを設定可能である。このため、従来の基板受けの治具省略及び段取り工数削減によるコストダウンを行うことができる。また、基板受け応力緩和による基板及び実装部品の信頼度を向上することができる。さらに、基板受けが必要な全工程（製造、試験、保管）に対応することが可能となる。

本発明のプリント基板の治具への取り付け説明図である。 本発明の大ボール挿入の説明図である。 本発明の小ボール挿入の説明図である。 本発明のコネクタ圧入の説明図である。 本発明のプリント基板に反りがある場合の説明図である。 本発明の基板ユニット製造装置の説明図である。 従来例の説明図である。 従来例の基板下受けピンを使用する場合の説明図である。

符号の説明

１ プリント基板（基板）
２ 基板受け台（治具）
３ 基板受けコーナーガイド
４ ボール挿入部
５ スルーホール（孔）
６ コネクタ（圧入部材）
７ 導電ピン
８ 実装部品
９ 大ボール（第１の部材）
１０ 小ボール（第２の部材）
１１ ボール整列ユニット
１２ プレスユニット
１４ 移動ユニット
１５ ボール挿入部
１６ ボール挿入部
１７ 移動ユニット
１８ 加圧位置移動ユニット
１９ サーボプレス
２０ 基板ユニット製造基台

Claims (7)

1. 孔を有する基板との間に空間を形成する治具に該基板を固定する固定ステップと、
   前記空間に複数の第１の部材を挿入する第１の挿入ステップと、
   前記空間に前記孔を通して、前記第１の部材よりも体積が小さな第２の部材を挿入する第２の挿入ステップと、
   前記孔に圧入部材を圧入する圧入ステップとを有する基板ユニット製造方法。
2. 前記治具は、前記第１の部材を挿入するための挿入口を備えることを特徴とする請求項１に記載の基板ユニット製造方法。
3. 前記圧入部材はコネクタであることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の基板ユニット製造方法。
4. 前記第１の部材および前記第２の部材は、球形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板ユニット製造方法。
5. 前記基板に対して部品をハンダ付けするリフローステップを、前記圧入ステップよりも先に行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板ユニット製造方法。
6. 孔を有する基板との間に空間を形成する治具と、
   前記治具に固定された前記基板の前記空間に複数の第１の部材を挿入する第１の挿入ユニットと、
   前記空間に前記孔を通して、前記第１の部材よりも小さな第２の部材を挿入する第２の挿入ユニットとを備えることを特徴とする基板ユニット製造装置。
7. 前記治具は、前記第１の部材を挿入するための挿入口を備えることを特徴とする請求項６記載の基板ユニット製造装置。

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