JP4993765B2 - 被覆線の半田付け方法および半田付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、被覆線の半田付け方法と半田付け装置に係り、特に被覆線の周囲に充分な半田フィレットを形成する方法と装置に関するものである。

プリント配線板やコイル部品の基台の銅パターンからなるパッドなどの接続部に、コイルの巻き線を接続したり、回路の変更に対して渡り線（ジャンパ線）などの細線を接続することがある。このような時に接続される細線は銅の芯線を絶縁材にて被覆したもので、この絶縁材は予め剥離したり、接続時にヒータチップの熱で昇華させて消失させ、露出した中の芯線をリフロー半田付けするものである。また絶縁材で被覆していない裸細線をリフロー半田付けする場合もある。

従来は、ヒータチップを細線に押圧し発熱させて半田をリフローさせ、この状態でヒータチップの加熱を停止して半田が凝固とするのを待ち、その後ヒータチップを待機位置まで上昇させるものであった。しかしこの場合、ヒータチップを細線に押圧した時には細線は平板状につぶされるから、ヒータチップが細線を押圧したまま半田が凝固すると、溶融した半田は細線と接続部の間や細線とヒータチップとの間には入らないことになる。

細線は平板状につぶれているから、結局つぶれた平板の両側縁と先端面だけに半田が付くことになる。このため半田付けの強度が不足したり信頼性の低下を招くという問題が生じていた。このような問題を解決するために、本願出願人は半田溶融後ヒータチップを僅かに上昇させて半田が凝固するのを待ってからヒータチップを完全に待機位置に戻す方法を提案してきた（特許文献１、特許文献２）。
特開昭５３−３１５４７号公報 特開２００６−３４４８７１号公報

特許文献１記載の発明と特許文献２の方法での違いは、ヒータチップを僅かに上昇させるときにヒータチップへの通電を終了させているか否かであり、ヒータチップを僅かに上昇させて、線材とヒータチップとの間や線材とプリント配線板の接続部との間にも溶融半田が円滑に流入させ、線材を接続部にしっかりと十分な強度をもって固定することができる。

しかしながら、特許文献１記載の発明は加熱した状態でヒータチップを僅かに上昇するので線材も僅かではあるがヒータチップの上昇に合わせて上昇するので、ヒータチップと線材間に流入する半田は僅かで強度不足が生じる場合があるという欠点があった。また、特許文献２記載の発明は加熱を停止してからヒータチップを僅かに上昇させるようにしているが、半田が溶融状態にあるので、この欠点は完全には解決されずに残ったままであった。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、被覆線とヒータチップとの間や被覆線とプリント配線板の接続部との間にも溶融半田が円滑に流入し、被覆線を接続部にしっかりと十分な強度をもって固定することができ、半田付けの信頼性を向上させることができるリフロー半田付け方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用する装置を提供することを第２の目的とする。

本発明になる被覆線の半田付け方法は、予め半田が供給されている部位に被覆線を載置し、ヒータチップにより加圧し加熱することで半田付けする被覆線の半田付け方法であって、前記被複線を前記部位に載置し、ヒータチップを所定の時間所定の荷重で加圧すると共に所定の温度で加熱することで前記半田を溶融して前記被複線を前記部位に接続する工程と、前記加熱時間終了後前記半田が溶融している時間内に所定の時間間隔で前記ヒータチップを少なくとも２回所定の微小距離上下させる工程とを備えることを特徴とするものである。

本発明になる被覆線の半田付け装置は、予め半田が供給されている部位に被覆線を載置し、ヒータチップにより加圧し加熱することで半田付けする被覆線の半田付け装置であって、前記ヒータチップで前記被複線を前記部位に所定の荷重で加圧する加圧手段と、前記ヒータチップに電流を流して所定の温度に保ち半田を溶融するために加熱する加熱手段と、前記加熱終了後半田が溶融している間に所定の時間間隔で前記ヒータチップを少なくとも２回所定の微小距離上下動させる昇降手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、半田が溶融している間にヒータチップを微小距離上下動することとしたので、ヒータチップと被覆線との間および被覆線と被覆線の接続部との間に適当な量の半田が回りこみ、全体的に適当な半田フィレットが形成されるので充分な強度が得られ、信頼性の高い被覆線の半田付け方法および半田付け装置を提供することができる。

次に本発明について図を用いて詳細に説明する。
図１は本発明を実施するための最良の形態を示す半田付け装置の概略構成図、図２はこの半田付け装置を使用して被覆線を半田付けパッドに半田付け作業をするとき半田付け部近傍の概略図、図３は説明のためのタイミングチャートとヒータチップの温度変位とヒータチップの位置変位を示す模式図である。

図１において、１は制御部、２は半田付けヘッド、３は半田付けヘッド２の昇降駆動部、４は半田付けヘッド２と昇降駆動部３を支持するベース部であり、これらで半田付け装置１００を構成する。

制御部１は操作部１１、表示部１２、データ処理部１３、入出力制御部１４、荷重差異算出部１５、変位差異算出部１６、温度差異算出部１７、半田付けヘッド制御部１８、半田付け温度制御部１９からなる。

操作部１１は半田付け作業を行うときに必要なパラメータの入力や作業開始指示入力を行い、表示部１２は必要なパラメータの入力状況、半田付け作業時の半田付けヘッド２の動き、およびヒータチップ２１の温度変化等を表示し、操作部１１と表示部１２が半田付け装置１００のマンマシンインタフェースとなる。

データ処理部１３は入出力制御部１４、荷重差異算出部１５、変位差異算出部１６、および温度差異算出部１７からなり、半田付けヘッド２の昇降とヒータチップ２１の温度を制御する指示データを作成する。

入出力制御部１４は操作部１１から設定されるパラメータを受けて格納すると共に必要に応じて格納された設定パラメータの内から半田付けヘッド２に印加する荷重の設定値Ｐｓ１を荷重差異算出部１５に、半田フィレット整形時におけるヒータチップ２１の位置の下限の設定値Ｄｓ１と上限の設定値Ｄｓ２とを半田変位差異算出部１６に、そして被覆線に応じた半田付け温度設定値Ｔｓ１と半田付けフィレット整形時の温度設定値Ｔｓ２を温度差異算出部１７に送出する。

荷重差異算出部１５には半田付け作業時に半田付けヘッド２に実際に印加される荷重の測定値Ｐｍ１も入力され、ここで設定値Ｐｓ１との差分を算出し、得られた算出値を半田付けヘッド駆動部１８に送出する。また、変位差異算出部１６には半田フィレット整形時におけるヒータチップ２１の位置の中でもっとも下げた時の測定値Ｄｍ１ともっとも上げた時の測定値Ｄｍ２とが入力され、ここで測定値Ｄｍ１と設定値Ｄｓ１と、測定値Ｄｍ２と設定値Ｄｓ２との差異を算出し、得られた算出値を入出力制御部１４と半田ヘッド駆動部１８とに送出する。

このように３種類の算出値が半田ヘッド駆動部１８に送出されるが、これらは同時に送出されることはない。すなわち、第１の算出値は半田付け作業時のヒータチップ２１の位置に基づくものであり、第２の算出値は半田フィレット整形時にヒータチップ２１を下げたときのヒータチップ２１の位置に基づくものであり、第３の算出値は半田フィレット整形時にヒータチップ２１を上げたときのヒータチップ２１の位置に基づくものであり、時間的に相違するものである。

温度差異算出部１７には半田付け作業時にヒータチップ２１の温度の測定値Ｔｍ１も入力され、ここで設定値Ｔｓ１との差分を算出し、得られた算出値を入出力制御装置１４と半田付け温度制御部１９に送出する。

半田付けヘッド駆動部１８は主として荷重・変位制御部１８ａからなる。ここでは、荷重差異算出部１５から送出される前記３種類の荷重と位置の差分値に基づいて半田付けヘッド２を昇降させるための駆動信号と回転角度を生成し、昇降駆動部３に送出する。

半田付け温度制御部１９は主として電流制御部１９ａからなる。ここでは、温度差異算出部１７から送出される前記温度の差分値に基づいてヒータチップ２１に流す電流を制御する。

半田付けヘッド２は先端に半田付け用のヒータチップ２１を配設した支持体２２ａ，２２ｂと昇降駆動部３の昇降部材（図示せず）への取付部２３からなる。また、ヒータチップ２１には半田付け作業時の温度を検出する熱電対等からなる温度検出部２４が付設されており、支持体２２ａと支持体２２ｂとの間には半田付け作業時の荷重を検出するロードセル等からなる荷重検出部２５が設けられており、さらに支持体２２ａにはヒータチップ２１の半田付け作業時の動きを検出する変位センサ等からなる変位検出部２６が設けられている。

昇降駆動部３はモータ等からなり、支持部材３１を介してベース部４に取り付けられている。そして、昇降駆動部３からの昇降駆動は支持部材３１に配設された前記昇降部材を介して半田付けヘッド２を昇降させる。
ベース部４は載置台４ａを備え、半田付けヘッド２と昇降駆動部３の支持部材となると共に半田付け対象物を載置する。

図２において、２１は熱電対２４が付設されたヒータチップ、２２ｂは支持体、４ａは半田付け対象物品を載置する載置台、３１は被覆線、４１は被覆線３１を半田付けする半田付けパッド４１ａを備える例えばプリント配線板等の半田付け対象物品、５１は半田付けパッド４１ａ上に形成された半田である。

このような構成を備える半田付け装置１００を用いて半田付け作業をするには、前記のようなパラメータを設定した後に半田付け作業開始指令を与える。なお、このとき用いる各種のパラメータは、予め実験的に求めておくと半田付け作業がやり易い。
次に、このような半田付け装置１００を用いた半田付け作業について説明する。

［パラメータの設定］
半田付け作業開始前に、操作部１１から半田付け対象物に合わせて次のような種々のパラメータを設定する。
つまり、半田付け時のヒータチップ２１の温度設定値Ｔｓ１、半田フィレット整形時におけるヒータチップ２１の温度設定値Ｔｓ２、ヒータチップ２１で被覆線を半田付け箇所に押圧する時の荷重設定値Ｐｓ１、半田フィレット整形時においてヒータチップ２１を上下動させるときの上下動の変位の下限設定値Ｄｓ１、上限設定値Ｄｓ２、半田付け時間設定値ｔｓ１、微小距離上昇維持時間設定値ｔｓ２、微小距離下降維持時間ｔｓ３である。

［半田付け作業］
続いて、図３も参照しながら半田付け作業について説明する。図３において、図２と同じ符号を付したものは図２におけるものと同じものである。
図３は半田付け作業開始前から終了までのヒータチップ２１の温度変化とヒータチップ２１の位置変化を示している。図３において、（１）はヒータチップ２１の温度変化、（２）はヒータチップ２１の位置変化を示している。また、（ａ）〜（ｇ）はそれぞれの時点のヒータチップ２１の動作と半田付け、特に被覆線の３１の位置と被覆線３１の周囲に整形される半田フィレットを示す図であり、順に半田付け作業開始前、ヒータチップ２１を半田が溶融する温度に加熱し、最大荷重を印加した時、ヒータチップ２１の加熱を停止しヒータチップ２１を僅かに上昇させた時、ヒータチップ２１の加熱を停止しヒータチップ２１を僅かに下降させた時、ヒータチップ２１の加熱を停止しヒータチップ２１を僅かに上昇させた時、ヒータチップ２１の加熱を停止しヒータチップ２１を僅かに下降させた時、ヒータチップ２１の加熱を停止しヒータチップ２１を完全に上昇させた時である。

はじめに、載置台４ａにプリント配線板４１を半田付けパッド４１ａを上に向けて、この半田付けパッド４１ａの半田付け部位がヒータチップ２１の先端部の真下になるように位置合わせして載置し、この半田付け部位に被覆線３１を載置する（図３（ａ））。
そして、操作部１１を用いて半田付け作業開始操作をする。この操作が入出力制御部１４に送られ、ここで半田付け作業開始指令信号Ａが生成され、所要の各部に送出される。この所要の各部は以下の記載によって順次明らかにする。

この後、実際の半田付け作業となる。
半田付け作業開始指令信号Ａを受けると、入出力制御部１４は荷重差異算出部１５に設定値Ｐｓ１を送出し、また半田付けヘッド駆動部１８に半田付けヘッド２の駆動許可指令を送出する。荷重差異算出部１５はこの設定値Ｐｓ１と荷重検出部２５からの測定値Ｐｍ１を入力とし、その差異を算出するので、最初は測定値Ｐｍ１は０であるから、設定値Ｐｓ１そのものを荷重として印加するように半田付けヘッド駆動部１８に送出する。

半田付けヘッド駆動部１８はこの算出値を受けて、この算出値に応じて駆動信号と回転角度を生成して回転駆動部３に送出する。昇降駆動部３はこの駆動信号と回転角度を受けて半田付けヘッド２を下降させてヒータチップ２１の先端で被覆線３１を半田付けパッド４１ａに押し付ける。

このときの荷重は荷重検出部２５で定期的に検出されており、測定値Ｐｍ１が定期的に荷重差異算出部１５に送出され、定期的に差異が算出され、入出力制御部１４と前述のように半田付けヘッド駆動部１８に送られ、半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）の半田付けパッド４１ａへの荷重が設定値Ｐｓ１になるように制御される。

一方、荷重差異算出部１５からの算出値が０（または、予め定められた範囲内）になると、入出力制御部１４は温度差異算出部１７に設定値Ｔｓ１を送出し、また半田付け温度制御部１９にヒータチップ２１の加熱許可指令を送出する。温度差異算出部１７はこの設定値Ｔｓ１と温度検出部２４からの測定値Ｔｍ１を入力とし、その差異を算出するので、最初は測定値Ｔｍ１は室温程度であるから、ほぼ設定値Ｔｓ１を算出値として半田付け温度制御部１９に送出する。

半田付け温度制御部１９はこの算出値に基づいてヒータチップ２１に流す電流を制御しながらヒータチップ２１に電流を流す。この電流によるヒータチップ２１の温度は温度検出部２４で定期的に検出されており、測定値Ｔｍ１が定期的に温度差異算出部１７に送出され、定期的に差異が算出され、入出力制御部１４と前述のように半田付け温度制御部１９に送られ、ヒータチップ２１の温度が設定値Ｔｓ１になるように制御される。
こうして設定された荷重と温度が設定時間（ｔｓ１）継続することにより半田５１が溶融すると共に被覆線３１が半田付けパッド４１ａに半田付けされる（図３（ｂ））。

この設定時間（ｔｓ１）が経過した後入出力制御部１４は半田付け温度制御部１９に送出していた加熱許可指令を解除し、ヒータチップ２１の加熱を停止させると共に温度差異算出部１７にヒータチップ２１の微小距離の上下動を実行するときの温度の設定値Ｔｓ２を送出する。加熱停止後も温度検出部２４は定期的にヒータチップ２１の温度検出を継続し、温度差異算出部１７に送出する。温度差異算出部１７では前述と同様に差異を算出し、その結果を入出力制御部１４に送出する。

温度差異算出部１７からの算出値が０（または、予め定められた範囲内）になると、入出力制御部１４は変位算出部１６に設定値Ｄｓ１を送出すると共に荷重差異算出部１５に設定値Ｐｓ１を少しずつ小さくしていく。こうすることで半田付けヘッド駆動部１８から昇降駆動部３を介して半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）が上昇する。

この半田付けヘッド２の上昇量は変位検出部２６で定期的に検出され、測定値Ｄｍ１として変位差異算出部１６に送出される。変位差異算出部１６では、入力される設定値Ｄｓ１と測定値Ｄｍ１を基にその差異を算出する。入出力制御部１４は、この算出値が０（または、予め定められた範囲内）になるまで荷重差異算出部１５に設定値Ｐｓ１を少しずつ小さくしていく。こうすることで半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）が設定位置に到達すると入出力制御部１４は設定値Ｐｓ１の減らすのを停止し、そのまま設定時間（ｔｓ２）経過するのを待つ。こうして、ヒータチップ２１と被覆線３１の接触面には隙間が生まれこの隙間を埋めるように溶融されている半田が回り込む（図３（ｃ））。

この設定時間（ｔｓ２）が経過した後も温度差異算出部１７には温度の設定値Ｔｓ２を送出したままにしておき、ヒータチップ２１の温度がこの温度と一定の温度差以内にあることを確認し続ける。一定の温度差にあるときには入出力制御部１４は変位算出部１６に設定値Ｄｓ２を送出すると共に荷重差異算出部１５に設定値Ｐｓ１を少しずつ大きくしていく。こうすることで半田付けヘッド駆動部１８から昇降駆動部３を介して半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）が下降する。

この半田付けヘッド２の下降量は変位検出部２６で定期的に検出され、測定値Ｄｍ１として変位差異算出部１６に送出される。変位差異算出部１６では、入力される設定値Ｄｓ１と測定値Ｄｍ１を基にその差異を算出する。入出力制御部１４は、この算出値が０（または、予め定められた範囲内）になるまで荷重差異算出部１５に設定値Ｐｓ１を少しずつ大きくしていく。こうすることで半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）が設定位置に到達すると入出力制御部１４は設定値Ｐｓ１の増やすのを停止し、そのまま設定時間（ｔｓ３）経過するのを待つ（図３（ｄ））。こうして、ヒータチップ２１を上昇させることに伴い離れた被覆線３１と半田付けパッド４１ａとの間を少なくし、安定した半田付けとなるようにする。

この設定時間（ｔｓ３）が経過した後、前述したような手順で半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）を設定時間（ｔｓ２）設定量（Ｄｓ１）だけ上昇させる（図３（ｅ））。こうすることで、ヒータチップ２１を下降させたことに伴う減少したヒータチップ２１と被覆線３１との間に適当な量の溶融されている半田が回り込むようにする。

その後、再度前述したような手順で半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）を設定時間（ｔｓ３）設定量（Ｄｓ２）だけ下降させる（図３（ｆ））。こうすることで、ヒータチップ２１を上昇させることに伴い再度少し離れた被覆線３１と半田付けパッド４１ａとの間の距離を少なくし、安定した半田付けとなるようにする。

半田付け作業の間中、ヒータチップ２１の温度は温度検出部２４で検出されているので、入出力制御部１４は、２回のヒータチップ２１の微小距離の上下動の後に温度差異算出部１７からの算出値からヒータチップ２１の温度が半田の溶融温度より一定温度低下するまで待ち、荷重差異算出部１５への設定値Ｐｓ１を０にすることで半田付けヘッド２（ヒータチップ２１）を完全に上昇させる（図３（ｇ））。
そして、この完全な上昇を確認した後、荷重許可指令を解除する。
このようにして、被覆線３１を包み込むように半田フィレットが形成されて信頼性の高い半田付け作業が完了する。

本発明を実施するための最良の形態を示す半田付け装置の概略構成図 図１の半田付け装置を使用して被覆線を半田付けパッドに半田付け作業をするとき半田付け部近傍の概略図熱 図１の半田付け装置を使用した半田付け作業の説明のためのタイミングチャートとヒータチップの温度変位とヒータチップの位置変位を示す図

符号の説明

１ 制御部、２ 半田付けヘッド、３ 昇降駆動部、４ ベース部
１１ 操作部、１２ 表示部１２、１３ データ処理部、１４ 入出力制御部、
１５ 荷重差異算出部、１６ 変位差異算出部、１７ 温度差異算出部１７、
１８ 半田付けヘッド駆動部、１９ 半田付け温度制御部
２１ ヒータチップ、２４ 温度検出部、２５ 変位検出部、２６ 荷重検出部
３１ 被覆線、４１ プリント配線板、４１ａ 半田付けパッド、５１ 半田

Claims (2)

1. 予め半田が供給されている部位に被覆線を載置し、ヒータチップにより加圧し加熱することで半田付けする被覆線の半田付け方法であって、
   前記被複線を前記部位に載置し、ヒータチップを所定の時間所定の荷重で加圧すると共に所定の温度で加熱することで前記半田を溶融して前記被複線を前記部位に接続する工程と、
   前記加熱時間終了後前記半田が溶融している時間内に所定の時間間隔で前記ヒータチップを少なくとも２回所定の微小距離上下させる工程と、
   を備えることを特徴とする被覆線の半田付け方法。
2. 予め半田が供給されている部位に被覆線を載置し、ヒータチップにより加圧し加熱することで半田付けする被覆線の半田付け装置であって、
   前記ヒータチップで前記被複線を前記部位に所定の荷重で加圧する加圧手段と、
   前記ヒータチップに電流を流して所定の温度に保ち半田を溶融するために加熱する加熱手段と、
   前記加熱終了後半田が溶融している間に所定の時間間隔で前記ヒータチップを少なくとも２回所定の微小距離上下動させる昇降手段と、
   を備えたことを特徴とする被覆線の半田付け装置。

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