JP5874452B2 - 基板、ハンダ付け装置およびハンダ付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、端子をハンダ付け可能なスルーホールがランドに形成された基板、基板のランドに形成されたスルーホールに端子をハンダ付けするハンダ付け装置、及び、基板のランドに形成されたスルーホールに端子をハンダ付けするハンダ付け方法に関する。

この種のハンダ付け技術に関連する先行技術文献情報として下記に示す特許文献１がある。この特許文献１に記されたハンダ付け技術では、ハンダを溶融する熱源として用いるレーザ光が、スルーホールと端子の間を通して電子部品に投射され、電子部品に焼けが発生するという問題を解決する方法が提案されている。この方法では、第１段階として端子付近にスルーホールを塞ぐようにクリームハンダを供給し、次の第２段階として、スルーホールに供給されたクリームハンダをレーザ光で加熱しながら糸ハンダを供給することにより、糸ハンダとクリームハンダとを融合させてスルーホールの外周に位置する環状端子と棒状端子とがハンダ付けされる。

特開２０１０−１０５８９号公報（０００３段落、図４）

しかし、特許文献１に記された構成では、クリームハンダを供給する装置と糸ハンダを供給する装置との２系統のハンダ供給装置が必要となり、ハンダ付け装置が全体として複雑となるという問題、ハンダ付け方法も煩雑になり易いなどの問題があった。

そこで、本発明の目的は、上に例示した従来技術が与える課題に鑑み、より簡単な構成の装置や工程としながらも、ハンダを溶融する熱源として用いるレーザ光によって電子部品に焼けが発生する問題を解決可能なハンダ付け装置、ハンダ付け方法、及び、基板を提供することにある。

本発明による基板の特徴構成は、
端子をハンダ付けにて固定するスルーホールを含む第１ランドと、
前記第１ランドから延出した位置に設けられ、溶融したハンダを前記第１ランドに供給可能な第２ランドと、を備える点にある。

上記の特徴構成による基板では、第２ランドをレーザ光によって加熱して同第２ランドにハンダを供給する操作を行えば、レーザ光の照射範囲にスルーホールが含まれない安全な状態で第２ランドにてハンダを溶融させることができる。第２ランドで溶融し表面張力の小さなハンダは、第２ランドから第１ランドに向かって流れ、スルーホールがハンダによって閉塞された状態が得られる。そこで、次の操作として、第１ランドと端子とをレーザ光によって加熱しながらハンダを補充することで、スルーホールを抜けるレーザ光によって端子を含む部品などを損傷する虞のない状態で、スルーホールとハンダと端子とを基板の板厚方向の全長に亘って接合した良好な形状のフィレットを形成することができる。

本発明の他の特徴構成は、前記第１ランド及び前記第２ランドの外周が重複幅を０．１ｍｍ以上とするオーバーレジストによって被覆されている点にある。

本構成であれば、第１ランド及び第２ランドの外周をオーバーレジストによって基板本体に対して十分に支持されているため、通常のハンダよりも溶融温度が高く収縮率が大きいとされている鉛フリーハンダを用いる場合でも、ハンダの固化時などにランドが基板本体から剥離したり亀裂を生じたりする問題が生じ難くなる。

本発明によるハンダ付け装置の特徴構成は、
端子をハンダ付けにて固定するスルーホールを含む第１ランドと、前記第１ランドから延出した位置に設けられ、前記第１ランドに溶融ハンダを供給可能な第２ランドとを備える基板をハンダ付けの対象として含み、
前記第２ランドのみにレーザ光を照射する第１照射状態と、少なくとも前記第１ランドを含む領域にレーザ光を照射する第２照射状態との間で切り換え可能に構成されたレーザ光照射装置、及び
少なくとも前記第２ランドにハンダを供給可能なハンダ供給装置、
を有する点にある。

上記の特徴構成によるハンダ付け装置では、先ず、レーザ光照射装置を用いて第２ランドのみにレーザ光を照射しながら（第１照射状態）、ハンダ供給装置によって同第２ランドにハンダを供給する操作によって、第２ランドで溶融したハンダが第１ランドに向かって流れ、スルーホールがハンダによって閉塞された状態が得られる。そこで、次の操作として、第１ランドにレーザ光を照射（第２照射状態）しながらハンダを補充することで、スルーホールを抜けるレーザ光によって端子を含む部品などを損傷する虞のない状態で、スルーホールとハンダとを基板の板厚方向に亘って接合した良好な形状のフィレットを形成することができる。

本発明の他の特徴構成は、
前記レーザ光照射装置及び前記ハンダ供給装置を駆動制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記レーザ光照射装置による第１照射状態を所定の第１設定時間に亙って実施させ、引き続き、前記レーザ光照射装置による前記第２照射状態を所定の第２設定時間に亙って実施させるレーザ駆動部、及び
前記第１設定時間に亙る前記第１照射状態によって、前記第２ランドから供給される溶融ハンダによって前記第１ランドに位置するスルーホールと前記端子の間の間隙が封鎖され、前記第２設定時間に亙る前記第２照射状態によって、前記スルーホールに対応したフィレットが形成されるように、前記ハンダ供給装置によるハンダの供給を実施させるハンダ供給部を有する点にある。

本構成であれば、レーザ光照射装置による第１照射状態とそれに応じたハンダ供給装置によるハンダ供給によって、スルーホールがハンダによって閉塞された状態を得る操作と、レーザ光照射装置による第２照射状態とそれに応じたハンダ供給装置によるハンダの供給によって、スルーホールを抜けるレーザ光によって端子を含む部品などを損傷する虞のない状態で、スルーホールとハンダとを基板の板厚方向に亘って接合した良好な形状のフィレットを形成する操作とを、制御装置によって自動的に連続的に実施させることができる。

本発明によるハンダ付け方法の特徴構成は、
端子をハンダ付けにて固定するスルーホールを含む第１ランドと、前記第１ランドから延出した位置に設けられ、溶融ハンダを前記第１ランドに供給可能な第２ランドとを基板上に形成し、前記スルーホールに端子を挿通させる工程、
前記第２ランドにレーザ光を照射しつつ、同第２ランドにハンダを供給することにより、同第２ランドから供給される溶融ハンダによって前記スルーホールと前記端子の間の間隙を封鎖する工程、及び
前記第１ランドを含む領域にレーザ光を照射しつつ、前記第１ランドまたは前記第２ランドにハンダを供給することにより前記端子と前記スルーホールに対応したフィレットを形成する工程、を備えている点にある。

上記の特徴構成によるハンダ付け方法では、先ず、第２ランドにレーザ光を照射しつつ、同第２ランドにハンダを供給する工程によって、第２ランドで溶融したハンダがスルーホールに向かって流れ、スルーホールがハンダによって閉塞された状態が得られる。そこで、次の操作として、第１ランドにレーザ光を照射しつつハンダを供給することにより、スルーホールを抜けるレーザ光によって端子を含む部品などを損傷する虞のない状態で、スルーホールとハンダとを基板の板厚方向に亘って接合した良好な形状のフィレットを形成することができる。

本発明によるハンダ付け装置を示す説明図である。 本発明によるハンダ付け方法の第１工程を示す説明図である。 本発明によるハンダ付け方法の第２工程を示す説明図である。 本発明によるハンダ付け方法の第３工程を示す説明図である。

以下に本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による基板４及びハンダ付け装置１０を示している。
本発明によるハンダ付け装置１０は、対象物にレーザ光を照射して加熱するレーザ光照射装置１と、ハンダ３を供給するハンダ供給装置２と、レーザ駆動部１２ａ及びハンダ供給部１２ｂを含む制御装置１２とを備えている。

基板４は、樹脂板などの不導体からなる基板本体５と、基板本体５の一部に形成された銅箔製などのランド６を備えている。ランド６は、電子部品８の端子９を挿通可能なスルーホール６Ｈを備えている。スルーホール６Ｈの周縁部において、銅箔はスルーホール６Ｈの内周面を経て基板本体５の裏面側へと折り返された形態となっており、スルーホール６Ｈの周縁部はハンダによって端子９と接合される環状端子を構成している。

本発明による基板４の最大の特徴は、ランド６が、端子をハンダ付けにて固定するスルーホール６Ｈを含む第１ランド６Ａと、第１ランド６Ａから一側方に延出した位置に設けられ、溶融ハンダ３Ａを第１ランド６Ａに供給可能な第２ランド６Ｂとを備えている点である。その結果、図２（ｂ）に例示するように、ランド６は概してスルーホール６Ｈの中心と第２ランド６Ｂの中心を結ぶ直線に沿って横に伸びた楕円状を呈している。

また、基板本体５の原則的にランド６を除く部位はレジスト層７によって被覆されており、レジスト層７の一部はランド６の外周部位と０．１ｍｍ以上の幅で重複するオーバーレジスト層７Ａを構成している。

制御装置１２のレーザ駆動部１２ａは、レーザ光照射装置１からのレーザ光照射を制御し、同時に、搬送装置（不図示）を介して、レーザ光照射装置１を、第２ランド６Ｂと対向した第１位置（図２及び図３に示す）と、スルーホール６Ｈに挿通された端子９を含む第１ランド６Ａと対向した第２位置（図４に示す）との間で移動させる制御も行う。
制御装置１２のハンダ供給部１２ｂは、レーザ駆動部１２ａによる制御に応じてハンダ供給装置２からのハンダ３の供給速度などを制御する。

図２から図４は本発明によるハンダ付け方法を示している。
実際には、図２の前にハンダ付けの準備工程があり、ここでは、端子をハンダ付けにて固定するスルーホール６Ｈを含む第１ランド６Ａと、第１ランド６Ａから一側方に延出した位置に設けられ、溶融ハンダ３Ａを第１ランド６Ａに供給可能な第２ランド６Ｂとを備えるランド６を基板本体５上に形成し、さらに、スルーホール６Ｈに電子部品８の端子９を下方から挿通させる。

準備工程に続く第１接合工程では、第１位置に配置されたレーザ光照射装置１によって第２ランド６Ｂのみ（すなわちスルーホール６Ｈを含まない領域）にレーザ光を照射（第１照射状態）しつつ、ハンダ供給装置２によって第２ランド６Ｂにハンダを供給する操作を行う。この操作を予め設定された第１設定時間に亙って継続することにより、第２ランド６Ｂから流れる（供給される）溶融ハンダ３Ａによってスルーホール６Ｈと端子９の間の間隙が十分に、言い換えれば、レーザ光の下方への通過を全く許さない程度に封鎖される。

図２は第１接合工程の初期段階を示し、ここでは、レーザ光照射装置１によって第２ランド６Ｂのみにレーザ光を照射（第１照射状態）しつつ、ハンダ供給装置２によって第２ランド６Ｂにハンダを供給することにより、第２ランド６Ｂでのハンダの溶融が開始される。ごく初期の段階では溶融ハンダ３Ａの存在範囲は第２ランド６Ｂに留まっている。図２〜図４では、レーザ光照射装置１によるレーザ光の照射範囲が一点鎖線の円によって示されている。

このように、第１照射状態の下でハンダ供給装置２によって第２ランド６Ｂにハンダを継続的に供給することにより、第２ランド６Ｂで形成される溶融ハンダ３Ａの量が増加し、第２ランド６Ｂから流出するフラックスによってランド６上の酸化膜が除去される現象を伴いながら、次第に溶融ハンダ３Ａの領域がスルーホール６Ｈのある第１ランド６Ａに向かって拡張される。

図３は第１接合工程の終了段階の直前を示し、ここでは、未だ第１照射状態が継続されており、溶融ハンダ３Ａの領域が広がった結果、第２ランド６Ｂから供給された溶融ハンダ３Ａが第１ランド６Ａのあるスルーホール６Ｈの全体をカバーし、スルーホール６Ｈと端子９の間の間隙が溶融ハンダ３Ａによって完全に封鎖されている。しかし、溶融ハンダ３Ａの進入範囲はスルーホール６Ｈの内周面の上部に留まっている。

図３の状態の直後に第２接合工程が開始される。第２接合工程では、第２位置に配置されたレーザ光照射装置１によって第１ランド６Ａにレーザ光を照射（第２照射状態）しつつ、ハンダ供給装置２によって第２ランド６Ｂにハンダを供給する操作を行う。この操作を予め設定された第２設定時間に亙って継続することにより、十分に加熱された端子９に沿って溶融ハンダ３Ａがスルーホール６Ｈ内に流れ込み、最終的に、図４に例示するような、端子９とスルーホール６Ｈに対応した適切な形状のフィレットが形成される。

第２ランド６Ｂで形成される溶融ハンダ３Ａの領域がスルーホール６Ｈ寄りの部位に向かって広がっていく現象は、第１接合工程の初期段階から第２接合工程の終了段階まで連続的に行われるので、フィレットの内部に酸化膜が介在した状態になる虞は少ない。

特に、ランド６を３５μｍの厚さの銅箔と同銅箔を被覆する２３μｍの厚さの銅メッキ層とで構成し、このような形態のランド６の外周に前述した０．１ｍｍ以上の幅で重複するオーバーレジスト層を設けておけば、凝固時の収縮率の高い鉛フリーハンダをハンダとして用いた場合もランド６の周縁部剥離や亀裂といった問題を抑制することができる。

〔別実施形態〕
〈１〉第２接合工程でのハンダ供給装置２によるハンダの供給位置は必ずしも第２ランド６Ｂでなくてもよく、第２接合工程の全工程で、或いは、第２接合工程の途中段階から、より第１ランド６Ａに近接した位置に供給位置を変更する形態で実施してもよい。

〈２〉ランド６や第２ランド６Ｂの形状次第で有利と考えられれば、第２接合工程において、ランド６上の複数の箇所を複数のレーザ光照射装置１によって同時に照射、加熱する形態で実施してもよい。この場合の複数の箇所には第２ランド６Ｂが含まれてもよく、含まれなくてもよい。

〈３〉レーザ光照射装置１を第２ランド６Ｂと対向する位置から第１ランド６Ａと対向する位置へと移動させる機構の代わりに、レーザ光照射装置１の全体またはビーム出射部の角度を第２ランド６Ｂと対向する角度から第１ランド６Ａと対向する角度対向へと（但し溶融ハンダ３Ａなどの表面で反射したレーザ光が電子部品その他を損傷する虞のない角度範囲で）変更する機構を設けてもよい。また、前記ビーム出射部としてレーザ光をランド６の所望位置に向けて反射するミラーやプリズムを用いてもよい。更に、レーザ光照射装置１を移動もしくは角度変更することに代えて、基板４を動かすことでレーザ光の照射位置を移動させてもよい。

〈４〉第２ランド６Ｂを含むランド６の形状は、第２ランド６Ｂが第１ランドから延出した位置に設けられ、溶融したハンダを第１ランド６Ａに供給可能で、且つ、スルーホール６Ｈ自体を部分的にも含まない形態であればよい。したがって、ランド６の形状は楕円状に限らず、スルーホール６Ｈを全周から取り囲む環状のハンダ溶融領域６Ａが設けられた例などをも含む種々の形状で実施することができる。

〈５〉複数の第１ランド６Ａから概して等距離の位置に第２ランド６Ｂを設けておき、第１接合工程の第１照射状態によって第２ランド６Ｂから溶融ハンダ３Ａが概して同時に複数の第１ランド６Ａに向けて流れる（供給される）形態で実施することも可能である。この場合は、続く第２接合工程では、複数のスルーホール６Ｈ及び端子９に対してレーザ光照射装置１を順に移動することで第２照射状態を実現することができる。尚、複数のレーザ光照射装置１を用いることで、複数のスルーホール６Ｈ及び端子９に対して同時に第２照射状態を実現してもよい。

〈６〉レーザ光照射装置１によって第１照射状態を継続する第１設定時間及び第２照射状態を継続する第２設定時間の長さは、ハンダの組成、ランド６全体や第２ランド６Ｂの形状と面積、スルーホール６Ｈの大きさ、基板の厚さなどのパラメータの組合せ毎に実験に基づいて取得した数値データから予め決定しておくことが可能である。しかし、これらのパラメータの入力に基づいて適切な第１設定時間と第２設定時間を自動的に算出し、制御装置１２によって第１接合工程及び第２接合工程を実行させるプログラムを用いてもよい。この場合、ランド６や第２ランド６Ｂを撮像するカメラを用い、同カメラによる撮像イメージから得られる溶融ハンダ３Ａの流れ速度などによって第１設定時間と第２設定時間を補正する形態で実施してもよい。

ランドに端子をハンダ付け可能なスルーホールが形成されている基板、同基板のスルーホールに端子をハンダ付けするハンダ付け装置、及び、同基板のスルーホールに端子をハンダ付けするハンダ方法の技術として利用できる。

１ レーザ光照射装置
２ ハンダ供給装置
３ ハンダ
４ 基板
６ ランド
６Ａ 第１ランド
６Ｂ 第２ランド
６Ｈ スルーホール
７Ａ オーバーレジスト層
９ 端子
１０ ハンダ付け装置
１２ 制御装置
１２ａ レーザ駆動部
１２ｂ ハンダ供給部

Claims (5)

1. 端子をハンダ付けにて固定するスルーホールを含む第１ランドと、
   前記第１ランドから延出した位置に設けられ、溶融したハンダを前記第１ランドに供給可能な第２ランドと、を備える基板。
2. 前記第１ランド及び前記第２ランドの外周が重複幅を０．１ｍｍ以上とするオーバーレジスト層によって被覆されている請求項１に記載の基板。
3. 端子をハンダ付けにて固定するスルーホールを含む第１ランドと、前記第１ランドから延出した位置に設けられ、前記第１ランドに溶融ハンダを供給可能な第２ランドとを備える基板をハンダ付けの対象として含み、
   前記第２ランドのみにレーザ光を照射する第１照射状態と、少なくとも前記第１ランドを含む領域にレーザ光を照射する第２照射状態との間で切り換え可能に構成されたレーザ光照射装置、及び
   少なくとも前記第２ランドにハンダを供給可能なハンダ供給装置、
   を有するハンダ付け装置。
4. 前記レーザ光照射装置及び前記ハンダ供給装置を駆動制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記レーザ光照射装置による第１照射状態を所定の第１設定時間に亙って実施させ、引き続き、前記レーザ光照射装置による前記第２照射状態を所定の第２設定時間に亙って実施させるレーザ駆動部、及び
   前記第１設定時間に亙る前記第１照射状態によって、前記第２ランドから供給される溶融ハンダによって前記第１ランドに位置するスルーホールと前記端子の間の間隙が封鎖され、前記第２設定時間に亙る前記第２照射状態によって、前記スルーホールに対応したフィレットが形成されるように、前記ハンダ供給装置によるハンダの供給を実施させるハンダ供給部を有する請求項３に記載のハンダ付け装置。
5. 端子をハンダ付けにて固定するスルーホールを含む第１ランドと、前記第１ランドから延出した位置に設けられ、溶融ハンダを前記第１ランドに供給可能な第２ランドとを基板上に形成し、前記スルーホールに端子を挿通させる工程、
   前記第２ランドにレーザ光を照射しつつ、同第２ランドにハンダを供給することにより、同第２ランドから供給される溶融ハンダによって前記スルーホールと前記端子の間の間隙を封鎖する工程、及び
   前記第１ランドを含む領域にレーザ光を照射しつつ、前記第１ランドまたは前記第２ランドにハンダを供給することにより前記端子と前記スルーホールに対応したフィレットを形成する工程、を備えたハンダ付け方法。

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