JP6243653B2

JP6243653B2 - はんだ付システム

Info

Publication number: JP6243653B2
Application number: JP2013161103A
Authority: JP
Inventors: 真一山森; 関根　秀一; 秀一関根; 耕平嶋貫
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: JP2015030010A

Description

本発明は、スプレーフラクサーを用いてワークの一部にフラックスを塗布するフラックス塗布方法等に関する。

例えば、リフローはんだ付装置を用いてワークの両面に電子部品を実装した後、フローはんだ付装置を用いてそのワークの一部に追加の電子部品を実装する場合がある。そのような場合は、例えばスプレーフラクサーを用いてワークの所定の部分にのみフラックスを塗布し、その部分にのみはんだ付をすることになる。

特開２００５−１２９５７２号公報

しかしながら、スプレーフラクサーでは、ワークの所定の部分にのみ、隣接する部品にフラックスが広がらないようにフラックスを塗布することがかなり難しい。そのため、既に実装された隣接する部品にフラックスが広がってしまうことにより、フラックス残渣による絶縁不良等を引き起こすおそれがあった。最近では、電子機器の軽薄短小化に伴い、部品実装密度が向上し、隣接部品間の距離が狭まっていることから、フラックスが広がってしまう問題がますます懸念されている。

また、特許文献１には、スプレーフラクサーによってフラックスを塗布する前に、ワークを予備加熱しておくことにより、鉛フリーはんだのはんだ上がり性を改善する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１では、フラックスの広がりを抑制することについては何ら言及されていない。

そこで、本発明の目的は、スプレーフラクサーを用いてワークの一部にフラックスを塗布する際に、フラックスが必要以上に広がることを抑制し得る、フラックス塗布方法等を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決すべく実験と考察を重ねた結果、スプレーフラクサーによってフラックスが塗布された時のワークの温度と、その時にフラックスがワークに残る領域とに、密接な関係があることを見い出し、ワークの温度を適切に制御すれば、フラックスの不必要な広がりを抑えて、必要な領域にのみフラックスを塗布できることに思い至った。

すなわち、本発明に係るフラックス塗布方法は、
スプレーフラクサーを用いてワークの一部にフラックスを塗布するフラックス塗布方法において、
前記ワークを設定温度に加熱し、
前記設定温度に加熱されている前記ワークに前記スプレーフラクサーを用いて前記フラックスを塗布する、
ことを特徴とする。

本発明に係るフラックス塗布装置は、
スプレーフラクサーを用いてワークの一部にフラックスを塗布するフラックス塗布装置において、
設定された温度に前記ワークを加熱するプリヒーターと、
前記設定された温度に加熱されている前記ワークに前記フラックスを塗布する前記スプレーフラクサーと、
を備えたことを特徴とする。

本発明に係るはんだ付システムは、電子部品が実装されたワークに対して、スプレーフラクサーを用いて前記ワークの所定の部分にのみフラックスを塗布し、その部分にのみはんだ付をするはんだ付システムであって、
設定された温度に前記ワークを加熱するプリヒーターと、前記設定された温度に加熱されている前記ワークに前記フラックスを塗布する前記スプレーフラクサーと、を有するフラックス塗布装置と、
このフラックス塗布装置から送られてきた前記ワークの前記フラックスが塗布された部分に溶融はんだを当てる噴流ノズルを有するはんだ槽と、を備え、
前記フラックス塗布装置は、前記スプレーフラクサーによって前記フラックスが塗布された時の前記ワークの温度とその時に当該フラックスが当該ワークに残る領域とのワーク温度−塗布領域関係に基づいて、前記ワークの温度を設定する温度設定部を更に有する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、スプレーフラクサーによってフラックスが塗布された時のワークの温度とその時にフラックスがワークに残る領域との関係に基づき、ワークの温度を設定することにより、フラックスの不必要な広がりを抑えて、所望の領域にのみフラックスを塗布できる。

実施形態１のフラックス塗布装置及びはんだ付システムを示す概略構成図である。図２［Ａ］は図１におけるフラックスの塗布幅の時間変化を示すグラフであり、図２［Ｂ］は図１におけるスプレーフラクサーの一部を拡大して示す概略図である。実施形態１のフラックス塗布方法を示す工程図である。実施形態１におけるワーク温度−塗布幅関係の具体例を示す写真である。実施形態１におけるワーク温度−塗布幅関係の具体例を示すグラフである。実施形態２のフラックス塗布装置及びはんだ付システムを示す概略構成図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。

図１は、本実施形態１のフラックス塗布装置及びはんだ付システムを示す概略構成図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態１のフラックス塗布装置１０は、スプレーフラクサー３０を用いてワーク１１の一部にフラックス１２を塗布する装置であって、温度設定部１４、プリヒーター２０、スプレーフラクサー３０などを備えている。

本実施形態１では、ワーク温度−塗布領域関係としてワーク温度−塗布幅関係を用いる。ワーク温度−塗布幅関係とは、スプレーフラクサー３０によってフラックス１２が塗布された時のワーク１１の温度Ｔと、その時にフラックス１２がワーク１１に残る領域としての塗布幅Ｗとの関係であり、予め調べてある。温度設定部１４は、そのワーク温度−塗布幅関係に基づいて、ワーク１１の一部にのみフラックス１２が残るように、ワーク１１の温度Ｔを設定する。その設定された温度Ｔを設定温度Ｔｘとすると、プリヒーター２０は、設定温度Ｔｘにワーク１１を加熱する。スプレーフラクサー３０は、設定温度Ｔｘに加熱されているワーク１１にフラックス１２を塗布する。

本実施形態１のはんだ付システム４０は、フラックス塗布装置１０の他に、プリヒーター５０、はんだ槽６０、冷却部７０などを備えている。

次に、フラックス塗布装置１０及びはんだ付システム４０の構成について更に詳しく説明する。

プリヒーター２０は、発熱源としてのシーズヒーター２１、シーズヒーター２１で加熱された熱風２２をワーク１１へ送るファン２３、ワーク１１を搬送するチェーンコンベア２４などを有する。

スプレーフラクサー３０は、ワーク１１へフラックス１２を噴霧するスプレーノズル３１、ワーク１１を搬送するチェーンコンベア３２、スプレーノズル３１を後述する三軸方向へ移動する機構（図示せず）などを有する。

プリヒーター５０は、発熱源としてのシーズヒーター５１、シーズヒーター５１で加熱された熱風５２をワーク１１へ送るファン５３、ワーク１１を搬送するチェーンコンベア５４などを有する。

はんだ槽６０は、ワーク１１へ溶融はんだ６１を当てる噴流ノズル６２、ワーク１１を搬送するチェーンコンベア６３などを有する。

冷却部７０は、常温の冷風７１をワーク１１へ送るファン７２、ワーク１１を搬送するチェーンコンベア７３などを有する。

温度設定部１４は、例えば操作パネル、コンピュータ及びそのプログラム、電源などからなり、プリヒーター設定温度及びプリヒート時間を操作パネルから入力できるようになっており、プリヒーター設定温度に対応する電力Ｐをシーズヒーター２１へ供給するとともに、プリヒート時間に対応する制御信号Ｃをチェーンコンベア２４へ出力する。制御信号Ｃとは、チェーンコンベア２４の搬送速度を制御する信号（停止信号を含む。）である。

ワーク温度−塗布幅関係は、予め実験的に求められたものであり、例えば次の表１のように、フラックス１２の塗布幅Ｗ、塗布幅Ｗに対応するワーク１１の温度Ｔ、温度Ｔに対応するプリヒーター設定温度Ｔｐ及びプリヒート時間ｔなどからなる。ここで、フラックス１２の塗布幅をＷ３にするには、ワーク１１の温度をＴ３に設定すればよく、これによりプリヒーター設定温度及びプリヒート時間をそれぞれＴｐ３，ｔ３に設定する。例えば、プリヒーター設定温度Ｔｐになるように、シーズヒーター２１へ供給する電力Ｐを、温度センサを用いたオンオフ制御又はＰＩＤ制御などにより制御する。プリヒート時間ｔになるように、チェーンコンベア２４を停止、低速又は高速にすることにより制御する。

[表１]ワーク温度-塗布幅関係の一例
塗布幅ワーク温度プリヒーター設定温度プリヒート時間
Ｗ１Ｔ１Ｔｐ１ｔ１
Ｗ２Ｔ２Ｔｐ２ｔ２
Ｗ３Ｔ３Ｔｐ３ｔ３
・・・・
・・・・
・・・・
ＷｎＴｎＴｐｎｔｎ

図２［Ａ］は図１におけるフラックスの塗布幅の時間変化を示すグラフであり、図２［Ｂ］は図１におけるスプレーフラクサーの一部を拡大して示す概略図である。なお、図２［Ａ］のグラフでは、わかりやすくするために、塗布厚を実際よりも厚く描いている。以下、この図面に基づき、フラックス塗布装置１０の基本原理について説明する。

図２において、ワーク１１の搬送方向をＸ軸方向、スプレーノズル３１の移動方向をＹ軸方向、フラックス１２の噴霧方向の中心をＺ軸方向とする。ここで、ワーク１１を一時的に停止させ、ワークの所定部分のみ選択的に、スプレーノズル３１からワーク１１の下面へフラックス１２を噴霧させつつ、スプレーノズル３１をＹ軸方向へ移動させる。すると、噴霧直後のワーク１１上のフラックス１２ａは、塗布厚が噴霧方向の中心で最も厚く周辺へ行くにつれて薄くなり、塗布幅Ｗａとなる。そして、噴霧から一定時間後のワーク１１上のフラックス１２ｂは、更に周辺へと広がり、塗布幅Ｗｂとなる。

フラックス１２がワーク１１上で噴霧後に広がることについて、その主な理由を説明する。フラックス１２は、ロジンや界面活性剤などのフラックス成分が、溶媒に分散した液体である。フラックス１２に含まれる界面活性剤は、溶融はんだの電極に対する濡れ性を増す役割を果たす。その結果、フラックス１２は、その界面活性剤によって表面張力が極めて小さくなっているため、ワーク１１上に容易に広がってしまうのである。なお、実際のフラックス１２の塗布厚の中心と周辺の差は、フラックス１２が広がろうとする力に対して重力の影響を無視できる程度である。

一方、ワーク１１の温度Ｔが高いほど、フラックス１２の溶媒が蒸発しやすくなるので、フラックス１２はワーク１１上に広がりにくくなる。つまり、ワーク１１上のフラックス１２は、その広がりの先端において溶媒が蒸発すると、それ以上は広がらない。すなわち、ワーク１１の温度Ｔが高くなるほど、フラックス１２の塗布幅Ｗは狭くなる。したがって、所望のフラックス１２の塗布幅Ｗを得るには、塗布幅Ｗに対応する温度Ｔにワーク１１を加熱すればよい。なお、溶媒としては、アルコール類例えばイソプロピルアルコール（以下「ＩＰＡ」という。）などの有機溶剤、又は水などが用いられる。

次に、フラックス塗布装置１０及びはんだ付システム４０の動作について、図１及び図２に基づき説明する。

ワーク１１は、チェーンコンベア２４，３２，５４，６３，７３を乗り移りながら進む。温度設定部１４には、所望の塗布幅Ｗに対応するプリヒーター設定温度Ｔｐ及びプリヒート時間ｔが予め入力されている。ワーク１１は、プリヒーター２０で設定温度Ｔｘに加熱され、スプレーフラクサー３０でフラックス１２が所望の塗布幅Ｗに塗布される。続いて、ワーク１１は、溶融はんだ６１による熱衝撃を和らげるためにプリヒーター５０で再び加熱され、はんだ槽６０でフラックス１２の塗布部分に溶融はんだ６１が当てられる。最後に、ワーク１１は、冷却部７０で強制的に冷却されることにより、はんだ付が完了する。

図３は、本実施形態１のフラックス塗布方法を示す工程図である。以下、本実施形態１のフラックス塗布方法について、図１乃至図３に基づき説明する。

本実施形態１のフラックス塗布方法は、スプレーフラクサー３０を用いてワーク１１の一部にフラックスを塗布する方法であり、次の工程を含む。各工程の詳細については、フラックス塗布装置１０について前述した内容と同じである。

<1>スプレーフラクサー３０によってフラックス１２が塗布された時のワーク１１の温度Ｔと、その時にフラックス１２がワーク１１に残る領域としての塗布幅Ｗとの、ワーク温度−塗布幅関係１５を予め調べておく工程（図３ステップＳ１）。
<2>ワーク１１の一部にのみフラックス１２が残るように、ワーク温度−塗布幅関係１５に基づいてワーク１１の設定温度Ｔｘを求める工程（図３ステップＳ２）。
<3>設定温度Ｔｘにワーク１１を加熱する工程（図３ステップＳ３）。
<4>設定温度Ｔｘに加熱されているワーク１１に、スプレーフラクサー３０を用いてフラックス１２を塗布する工程（図３ステップＳ４）。

次に、本実施形態１の作用及び効果について説明する。

本実施形態１によれば、スプレーフラクサー３０によってフラックス１２が塗布された時のワーク１１の温度Ｔと、その時にフラックス１２がワーク１１に残る領域としての塗布幅Ｗとの関係に基づき、ワーク１１の温度Ｔを設定することにより、フラックス１２の不必要な広がりを抑えて、所望の領域にのみフラックス１２を塗布できる。

また、設定温度Ｔｘは常温以上かつフラックス１２の溶媒の沸点以下であることが望ましい。その理由は、常温未満では塗布幅の変化が少なく、溶媒の沸点を超えると塗布されたフラックス１２に気泡が発生することにより均一な塗布が困難になるからである。

図４は、実施形態１におけるワーク温度−塗布幅関係の具体例を示す写真である。図５は、実施形態１におけるワーク温度−塗布幅関係の具体例を示すグラフである。以下、図４及び図５に基づき、ワーク温度−塗布幅関係の具体例について説明する。

前述したように、ワークを一時的に停止させ、スプレーノズルからワークの下面へフラックスを噴霧させつつ、スプレーノズルを移動させた。使用したフラックスの溶媒はＩＰＡである。その他の塗布条件は、次の表２のとおりである。

［表２］塗布条件
スプレーノズル：扶桑精機株式会社製「ＳＴ−６ＳＫ」
霧化圧：０．０１［ＭＰａ］
タンク圧：０．０１［ＭＰａ］
ニードル目盛：４
スプレーノズル先端からワークまでの距離：２０［ｍｍ］
スプレーノズルの移動速度：５０［ｍｍ／ｓ］

ワーク温度−塗布幅関係を示す塗布結果は、次の表３並びに図４及び図５のとおりである。

［表３］塗布結果
No. ワーク温度［℃］塗布幅［ｍｍ］
[1] ２５（常温）９．１６
[2] ４０７．７３
[3] ５０５．７４
[4] ６０５．７２
[5] ７０５．７７
[6] ８０５．７７
[7] ９０５．２３
[8] １００４．３９

以上の塗布結果から、フラックスの溶媒がＩＰＡであるとき、ワークの設定温度は４０［℃］以上かつ６０［℃］以下であることが望ましい。その理由は、ワーク温度が４０［℃］程度から効果が見られ始め、ワーク温度が６０［℃］程度までは、フラックスが必要以上に広がらなくかつ均一な塗布が可能であるためである。また、ワーク温度が６０［℃］を超えると、塗布されたフラックスにワークの温度上昇とともに部分的に気泡が発生するため均一な塗布が困難になる。なお、ＩＰＡの沸点は８２．４［℃］である。

図６は、本実施形態２のフラックス塗布装置及びはんだ付システムを示す概略構成図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態２のフラックス塗布装置８０は、スプレーフラクサー３０を用いてワーク１１の一部にフラックス１２を塗布する装置であって、記憶部８３、温度設定部８４、プリヒーター２０、スプレーフラクサー３０などを備えている。

記憶部８３は、スプレーフラクサー３０によってフラックス１２が塗布された時のワーク１１の温度Ｔと、その時にフラックス１２がワーク１１に残る領域としての塗布幅Ｗとの、ワーク温度−塗布幅関係８５を予め記憶する。温度設定部８４は、ワーク１１の一部にのみフラックス１２が残るように、記憶部８３に記憶されたワーク温度−塗布幅関係８５に基づいてワーク１１の温度Ｔを設定する。設定された温度Ｔを設定温度Ｔｘとすると、プリヒーター２０は、設定温度Ｔｘにワーク１１を加熱する。スプレーフラクサー３０は、設定温度Ｔｘに加熱されているワーク１１にフラックス１２を塗布する。

本実施形態１のはんだ付システム９０は、フラックス塗布装置８０の他に、プリヒーター５０、はんだ槽６０、冷却部７０などを備えている。

記憶部８３は、例えば半導体メモリやハードディスクドライブなどからなる。ワーク温度−塗布幅関係８５は、予め実験的に求められ、テーブル化されたものである。そのテーブルは、例えば次の表４のように、フラックス１２の塗布幅Ｗ、塗布幅Ｗに対応するワーク１１の温度Ｔ、温度Ｔに対応するシーズヒーター２１の電力Ｐなどからなる。ここで、フラックス１２の塗布幅をＷ３にするには、ワーク１１の温度をＴ３に設定すればよく、これによりシーズヒーター２１の電力をＰ３に設定する。

［表４］ワーク温度−塗布幅関係の一例
塗布幅温度電力
Ｗ１Ｔ１Ｐ１
Ｗ２Ｔ２Ｐ２
Ｗ３Ｔ３Ｐ３
・・・
・・・
・・・
ＷｎＴｎＰｎ

温度設定部８４は、例えば操作パネル、コンピュータ及びそのプログラム、電源などからなり、塗布幅Ｗを操作パネルから入力し、記憶部８３のワーク温度−塗布幅関係８５から塗布幅Ｗに対応する設定温度Ｔｘを求め、設定温度Ｔｘに対応する電力Ｐをシーズヒーター２１へ供給する。なお、温度設定部８４は、ワーク温度−塗布幅関係８５から塗布幅Ｗに対応する設定温度Ｔｘを求めるとともに、ワーク１１の温度Ｔを温度センサで測定し、ワーク１１の温度Ｔが設定温度Ｔｘになるように、電力Ｐをフィードバック制御してもよい。

本実施形態２のその他の構成は、実施形態１の構成と同様である。本実施形態２の作用及び効果も、実施形態１の作用及び効果と同様である。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は、上記実施形態の構成や動作にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得ることが可能な各種変形及び修正を含むことはもちろんである。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

１０フラックス塗布装置
１１ワーク
１２，１２ａ，１２ｂフラックス
１４温度設定部
２０プリヒーター
２１シーズヒーター
２２熱風
２３ファン
２４チェーンコンベア
３０スプレーフラクサー
３１スプレーノズル
３２チェーンコンベア
４０はんだ付システム
５０プリヒーター
５１シーズヒーター
５２熱風
５３ファン
５４チェーンコンベア
６０はんだ槽
６１溶融はんだ
６２噴流ノズル
６３チェーンコンベア
７０冷却部
７１冷風
７２ファン
７３チェーンコンベア
Ｗ，Ｗａ，Ｗｂ塗布幅
Ｐ電力
Ｔｐプリヒーター設定温度
ｔプリヒート時間

８０フラックス塗布装置
８３記憶部
８４温度設定部
８５ワーク温度−塗布幅関係（ワーク温度−塗布領域関係）
９０はんだ付システム

Claims

電子部品が実装されたワークに対して、スプレーフラクサーを用いて前記ワークの所定の部分にのみフラックスを塗布し、その部分にのみはんだ付をするはんだ付システムであって、
設定された温度に前記ワークを加熱するプリヒーターと、前記設定された温度に加熱されている前記ワークに前記フラックスを塗布する前記スプレーフラクサーと、を有するフラックス塗布装置と、
このフラックス塗布装置から送られてきた前記ワークの前記フラックスが塗布された部分に溶融はんだを当てる噴流ノズルを有するはんだ槽と、を備え、
前記フラックス塗布装置は、前記スプレーフラクサーによって前記フラックスが塗布された時の前記ワークの温度とその時に当該フラックスが当該ワークに残る領域とのワーク温度−塗布領域関係に基づいて、前記ワークの温度を設定する温度設定部を更に有する、
ことを特徴とするはんだ付システム。
前記フラックス塗布装置は、前記ワーク温度−塗布領域関係を予め記憶する記憶部を更に備え、
前記温度設定部は、前記記憶部に記憶された前記ワーク温度−塗布領域関係に基づいて前記ワークの温度を設定する、
請求項１記載のはんだ付システム。
前記設定された温度は常温以上かつ前記フラックスの溶媒の沸点以下である、
請求項１又は２記載のはんだ付システム。
前記溶媒はイソプロピルアルコールであり、
前記設定された温度は４０［℃］以上かつ６０［℃］以下である、
請求項３記載のはんだ付システム。