JP6263943B2 - 半田付け装置および半田付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種電子機器における多層基板等のランドにピン状端子を挿入して半田付けする半田付け装置および半田付け方法に関する。

従来、この種の半田付け方法として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された半田付け方法では、中心部に貫通孔を有する筒状半田鏝を使用し、ランドのスルーホールにピン状端子（端子ピンまたはリードピン）を挿入した上でランドに筒状半田鏝を押し当てるとともに、貫通孔に不活性気体を流すことで加熱気体を被半田付け部分に供給して予備加熱し、次いで筒状半田鏝の貫通孔の上部から糸半田片を投入してスルーホールとピン状端子との半田付けを行うようになっている。

特開２０１０−２５８０００号公報

例えばパワーモジュール半導体素子の信号端子（ピン状端子）はコネクタ仕様にも対応させる必要があるため、端子の長さが大きく、必然的に基板（プリント基板）からの突出長も大きくなるため、特許文献１に記載されているような筒状半田鏝を用いたとしても半田付けがしにくい傾向にある。

より詳しくは、いわゆるスルーホール半田付けの場合、前もってランドのスルーホールにピン状端子を挿入する必要があるため、ピン状端子の挿入性を考慮するとスルーホールの径の縮小化にもおのずと限界があり、スルーホールの範囲内でピン状端子の位置が微妙にばらつくことがある。そのため、筒状半田鏝の貫通孔の上部から糸半田片を投入しても、糸半田片の落ちる位置を正確にコントロールできないだけでなく、ピン状端子の長さが大きいために糸半田片の直径と切断長さによっては糸半田片が落下途中で停滞したままとなり、半田接合部分に糸半田片を供給できないことがある。

また、特許文献１に記載された半田付け方法では、ランドは筒状半田鏝による直接加熱であるのに対して、ピン状端子は輻射熱による加熱となるので、これらの加熱方式の違いのためにランドとピン状端子の熱バランスが悪く、ピン状端子が昇温しにくい傾向にある。そのため、溶融した半田がスルーホールに供給される前に固まってしまい、スルーホールに半田を十分に供給することができずに半田付け不良が発生しやすくなる。

本発明はこのような課題に着目してなされたもので、上記のような筒状半田鏝の使用の下に正確にいわゆるスルーホール半田付けを行って、半田付けによる接合品質の向上とその安定化を図った半田付け装置および半田付け方法を提供するものである。

本発明は、基板のスルーホールに挿入されたピン状端子をスルーホールおよびその周囲のランドに半田付けする装置として、先端部を上記ランドに接触させた状態で半田付けを司る半田鏝が、内部に収容したピン状端子の外周面と接触して上記ランドとともにピン状端子を加熱する端子収容部と、この収容部の外側で上記ピン状端子の根元部に半田を供給する半田供給部と、を備えているものとした。
その上で、上記半田鏝は筒状のものであり、上記端子収容部は半田鏝の軸心に対して傾斜して形成されているものとした。

また、他の発明は、基板のスルーホールに挿入されたピン状端子をスルーホールおよびその周囲のランドに半田付けする方法として、先端部を上記ランドに接触させた状態で半田付けを司る半田鏝が、内部に収容したピン状端子の外周面と接触して上記ランドとともにピン状端子を加熱する端子収容部と、この収容部の外側で上記ピン状端子の根元部に半田を供給する半田供給部と、を備えているものとした。
その上で、根元部から略くの字状に折り曲げられたピン状端子を上記端子収容部で保持した状態で、上記半田供給部からピン状端子の折り曲げ部の外隅部に相当する位置に供給される半田をもって半田付けを施すようにした。

本発明によれば、ピン状端子の根元部に半田を正確に且つ安定して供給することができるので、半田付けによる接合品質が向上する。また、スルーホールを含むランドとピン状端子とを同時に且つ同じ温度で加熱することになるので、加熱バランスが良くなり、加熱が十分になさされることで半田の濡れ性も向上し、これによってもまた半田付けによる接合品質が向上する。

本発明に係る半田付け装置の第１の実施の形態を示す装置全体の概略構成説明図。 図１の半田付け装置による半田付け進捗状況を示す工程説明図。 図２の変形例を示す工程説明図。 本発明に係る半田付け装置の第２の実施の形態を示す図で、半田付け進捗状況を示す工程説明図。

図１〜３は本発明に係る半田付け装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示し、特に図１は半田付け装置全体の概略構成を示している。また、図２は上記半田付け装置による半田付け進捗状況を数段階に分けて拡大して示している。

図１において、１は多層基板（例えばガラスエポキシ多層基板）あるいはスルーホール基板等のプリント配線が施された基板、２ａ，２ｂはスルーホール３を形成しつつ基板１の表裏両面に露出しているランド、４はスルーホール３に挿入されて半田付けの対象となるピン状端子である。そして、スルーホール３を含むランド２ａ，２ｂへのピン状端子４の半田付けを半田付け装置５が司っている。

図１に示すように、半田付け装置５は半田鏝６を主要素とし、この半田鏝６に半田投入手段としての半田定量投入装置７および押し込みロッド８を含むかたちで構成されている。半田付け装置５は例えば産業用ロボットその他の図示外の自動化機器に保持され、その姿勢および向きの調整が可能であるとともに、予めティーチングされた所定の軌跡に沿って動かされることになる。

半田鏝６は円筒状の鏝本体部９とこの鏝本体部９を囲繞しているヒータ１０とから構成され、ヒータ１０への通電制御により特に鏝本体部９の先端部側での温度が所定の温度となるように管理される。鏝本体部９の先端部にはピン状端子４のうち基板１からの突出長を受容するための端子収容部として端子受容孔１１が形成されているとともに、端子受容孔１１に近接するかたちで半田供給部として半田供給孔１２が形成されている。端子受容孔１１は鏝本体部９の軸心に対して所定角度傾斜した円形の非貫通孔として形成されているとともに、鏝本体部９の先端面９ａに開口している。また、半田供給孔１２は鏝本体部９の軸心方向と並行に円形の貫通孔として形成されている。そして、図２に拡大して示すように、端子受容孔１１の開口端部に上記鏝本体部９の先端面９ａに向かって末広がり形状のテーパ部１３を形成してある。

半田鏝６の上部に配置された半田定量投入装置７は、自動繰り出し機能を備えたリール１４に糸半田１５が巻回されており、所定量ずつ定量繰り出しされた糸半田１５がカッタ１６にて切断されて、切断後の糸半田片１５ａが半田供給孔１２の上端から自動投入される。半田供給孔１２の孔径は糸半田片１５ａの直径よりもわずかに大きく形成されており、半田供給孔１２の上端から投入された糸半田片１５ａは半田供給孔１２内を自重落下して、後述するようにピン状端子４の根元部に供給される。ここで、糸半田片１５ａが半田供給孔１２の途中で詰まって自重落下しないことが検出された場合には、必要に応じて押し込みロッド８が作動して糸半田片１５ａを強制的に押し込むことになる。

図２は上記半田付け装置５による半田付け進捗状況を数段階に分けて拡大して示している。

図１および図２の（Ａ）に示すように、半田付け装置５による半田付けに先立って、基板１のスルーホール３に上方からピン状端子４が直立姿勢にて挿入される。ピン状端子４の挿入深さは下方の台座１６によって規制される。

続いて、図２の（Ｂ）に示すように、先にスルーホール３に挿入されているピン状端子４に対し図１に示した半田付け装置５が上方から接近し（アプローチ動作）、鏝本体部９側の端子受容孔１１にてピン状端子４を受容しながら、その鏝本体部９の先端面９ａをランド２ａに押し付ける。これにより、両者の相対位置決めがなされて、スルーホール３の軸心と鏝本体部９の軸心とは相互に一致することになる。

この場合において、ピン状端子４に接近する半田鏝６の動きの軌跡を制御し、テーパ部１３にてピン状端子４の先端を案内しながら、基板１から上側のピン状端子４の突出長を端子受容孔１１にてフルに受容した上で、スルーホール３の軸心と鏝本体部９の軸心とが相互に一致するようにして、鏝本体部９の先端面９ａをランド２ａに押し付ける。これにより、ピン状端子４は必然的に端子受容孔１１の角度に倣うようにして、基板１に対する根元部から略くの字状に折り曲げられることになる。このように、テーパ部１３があることによってピン状端子４の上端を確実に捕捉して、端子受容孔１１にてスムーズにピン状端子４を受容することができる。

そして、ピン状端子４が略くの字状に折り曲げられたとしても、多かれ少なかれピン状端子４自体の自己弾性力による復元力が作用することから、ピン状端子４の少なくとも外周面の一部は端子受容孔１１の内周面に接触するかたちとなる。さらに、この時点では予め鏝本体部９が所定温度となるように加熱されているので、ランド２ａとピン状端子４はほぼ同時に両者が接触している鏝本体部９により直接加熱されて昇温し始める。

こうしてランド２ａとピン状端子４とが所定温度まで昇温したところで、予め図１の半田定量投入装置７側にて定量的に切り出されている糸半田片１５ａが半田供給孔１２の上端から投入される。ここで、図２の（Ｃ）に示すように、基板１側のランド２ａと半田鏝６との相対位置決めがなされている状態では、略くの字状に折り曲げられたピン状端子４の屈曲部の外隅部に半田供給孔１２の下端が一致していることから、先に述べたように半田供給孔１２に投入された糸半田片１５ａは直ちにピン状端子４の根元部、すなわち略くの字状に折り曲げられたピン状端子４の屈曲部の外隅部に直接供給されることになる。

これにより、糸半田片１５ａはランド２ａやピン状端子４からの熱を受けて溶融してスルーホール３側にも溶け込み、同図（Ｄ）に示すように、上面のランド２ａだけでなく下面のランド２ｂにもフィレット（溶融した半田の盛り上がり）Ｆができるまで加熱する。

こうして所定時間加熱したならば半田鏝６は上昇してピン状端子４を解放し、スルーホール３を含む上下のランド２ａ，２ｂに対してピン状端子４がフィレットＦをもっていわゆるスルーホール半田付けのかたちで半田付け接合される。

この場合において、半田鏝６が上昇する際の動きの軌跡を制御し、図２の（Ｄ）に示すように、端子受容孔１１の軸線に沿って半田鏝６を上昇させれば、先に略くの字状に折り曲げられたピン状端子４はそのままの姿勢となる。

その一方、図３に示すように、半田鏝６を鏝本体部９の軸線に沿って真っ直ぐに上昇させれば、端子受容孔１１とピン状端子４との相対移動に基づいてピン状端子４にはしごき力が加えられ、ピン状端子４は真直状態に矯正されることになる。

このように本実施に形態によれば、図２の（Ｂ），（Ｃ）に示したように、半田付けに先立ってピン状端子４を曲げることにより、そのピン状端子４の屈曲部の外隅部に半田供給スペースができるので、上方から糸半田片１５ａを自重落下させてピン状端子４の根元部に直接的に糸半田片１５ａを供給することができる。そのため、スルーホール３を含むランド２ａとピン状端子４とを正確に且つ安定して半田付けすることができ、その半田付けによる接合品質が向上することになる。

そして、パワーモジュール半導体素子のピン状端子のように、コネクタ仕様にも対応させるべく端子の長さが大きい場合であっても、その半田付けに無理なく対応することができるようになる。

また、先に述べたように、半田付けに先立ってピン状端子４を曲げることにより、端子受容孔１１にてピン状端子４を受容する際に両者の接触面が確保されて、そのピン状端子４をランド２ａとともに鏝本体部９にて直接加熱することができるようになる。そのため、ピン状端子４も十分に加熱することができて、溶融した半田の濡れ性が向上し、これによってもまた半田付けによる接合品質が向上することになる。

さらに、先に述べたように、半田付けに先立ってピン状端子４を予め曲げたとしても、図３に示すように、半田鏝６が上昇する際の移動軌跡を制御すればピン状端子４を元の真直状態に矯正することができるから、ピン状端子４を曲げたことによる二次的不具合が発生することもない。

その上、上記第１の実施の形態では、半田鏝６の上部に付帯機器である半田定量投入装置７を設けてあるので、半田定量投入装置７が基板１上の実装部品と干渉することがなく、半田鏝６の動きの自由度を大きく確保できる利点がある。

図４は本発明に係る半田付け装置のより具体的な第２の実施の形態を示す図で、第１の実施の形態である図２と共通する部分には同一符号を付してある。

図４に示す第２の実施の形態では、同図（Ｂ）に示すように、半田鏝６における円筒状の鏝本体部１９の軸線上に端子収容部として非貫通孔タイプの円形の端子受容孔２１を形成してある。この端子受容孔２１は鏝本体部１９の先端面１９ａに開口しているとともに、端子受容孔２１の開口端部に上記鏝本体部１９の先端面１９ａに向かって末広がり形状のテーパ部２３を形成してある。

また、鏝本体部１９の先端部には半田供給部として鏝本体部１９の軸線に対して所定角度傾斜する貫通孔タイプの円形の半田供給孔２２を形成してある。この半田供給孔２２は鏝本体部１９の先端面１９ａに対し比較的近い位置にあり、半田供給孔２２の下端は端子受容孔２１と交差するようにテーパ部２３に開口している。つまり、後述する図４の（Ｃ）に示すように、半田供給孔２２から真直な糸半田２５を挿入・供給した時にその糸半田２５の先端がピン状端子４の根元に当接するように半田供給孔２２の傾きが設定されている。

したがって、この第２の実施の形態では、図４の（Ａ）に示すように、基板１のスルーホール３にピン状端子４を直立姿勢にて挿入した上で、半田鏝６を下降させ、テーパ部２３にて案内しながら端子受容孔２１にてピン状端子４を受容するとともに、鏝本体部１９の先端面１９ａを上側のランド２ａに押し付ける。

これにより、基板１側のスルーホール３と鏝本体部１９とは軸線が一致することになり、例えばピン状端子４が曲がっていたような場合、あるいはピン状端子４がスルーホール３に対して芯ずれしているような場合でも、ピン状端子４がセンタリングされて、結果として鏝本体部１９の先端面１９ａが上側のランド２ａに接触するともに、ピン状端子４の外周面の少なくとも一部が鏝本体部１９側の端子受容孔２１の内周面と接触することになる。

さらに、この時点では予め鏝本体部１９が所定温度となるように加熱されているので、ランド２ａとピン状端子４はほぼ同時に両者が接触している鏝本体部１９により直接加熱されて昇温し始める。

この状態で、図４の（Ｃ）に示すように、半田供給孔２２から糸半田２５を供給すると、その糸半田２５の先端はピン状端子４の根元部に当接し、結果として半田付けをしたい部位に糸半田２５が直接的に供給されることになる。そして、ピン状端子４やランド２ａからの熱を受けて位置半田２５が溶融してスルーホール３側にも溶け込み、同図（Ｄ）に示すように、上面のランド２ａだけでなく下面のランド２ｂにもフィレット（溶融した半田の盛り上がり）Ｆができるまで加熱する。なお、ここでは、半田供給孔２２から長尺な糸半田２５を挿入・供給するようにしているが、先の第１の実施の形態と同様に、定量切り出しされた糸半田片を半田供給孔２２から供給するようにしても良い。

こうして所定時間加熱したならば、同図の（Ｄ）に示すように、半田鏝６を鏝本体部１９の軸線に沿って真っ直ぐに上昇させてピン状端子４を解放し、スルーホール３を含む上下のランド２ａ，２ｂに対してピン状端子４がフィレットＦをもっていわゆるスルーホール半田付けのかたちで半田付け接合される。

この第２の実施の形態によれば、先の第１の実施の形態と同様の効果が得られるほか、予めスルーホール３に挿入されたピン状端子４が曲がっていたり、あるいはスルーホール３との間に芯ずれが生じているような場合でも、テーパ部２３で案内しながら端子受容孔２１がピン状端子４を受容することで、そのピン状端子４をセンタリグしつつピン状端子４の曲がりをある程度矯正することができる。

１…基板
２ａ，２ｂ…ランド
３…スルーホール
４…ピン状端子
５…半田付け装置
６…半田鏝
７…半田投入手段としての半田定量投入装置
９…鏝本体部
１０…ヒータ
１１…端子収容部としての端子受容孔
１２…半田供給部としての半田供給孔
１３…テーパ部
１５ａ…糸半田片
１９…鏝本体部
２１…端子収容部としての端子受容孔
２２…半田供給部としての半田供給孔
２３…テーパ部
２５…糸半田

Claims (6)

1. 基板のスルーホールに挿入されたピン状端子をスルーホールおよびその周囲のランドに半田付けする装置であって、
   先端部を上記ランドに接触させた状態で半田付けを司る半田鏝が、内部に収容したピン状端子の外周面と接触して上記ランドとともにピン状端子を加熱する端子収容部と、この収容部の外側で上記ピン状端子の根元部に半田を供給する半田供給部と、を備えていて、
   上記半田鏝は筒状のものであり、上記端子収容部は半田鏝の軸心に対して傾斜して形成されていることを特徴とする半田付け装置。
2. 上記半田鏝の先端面に上記端子収容部が開口していて、この端子収容部の開口端部に上記半田鏝の先端面に向かって末広がり形状のテーパ部を形成してあることを特徴とする請求項１に記載の半田付け装置。
3. 上記半田供給部は半田鏝の軸心方向に沿って形成された半田供給孔であり、
   この半田供給孔は上記ピン状端子の根元部に開口しているとともに、半田供給孔の長手方向の反開口側には当該半田供給孔に対して半田を投入する半田投入手段を設けてあることを特徴とする請求項２に記載の半田付け装置。
4. 上記半田鏝は筒状のものであり、上記端子収容部は半田鏝の軸心方向に沿って形成されている一方、上記半田供給部はピン状端子の根元部で端子収容部と交差するように半田鏝の軸心に対して傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半田付け装置。
5. 基板のスルーホールに挿入されたピン状端子をスルーホールおよびその周囲のランドに半田付けする方法であって、
   先端部を上記ランドに接触させた状態で半田付けを司る半田鏝が、内部に収容したピン状端子の外周面と接触して上記ランドとともにピン状端子を加熱する端子収容部と、この収容部の外側で上記ピン状端子の根元部に半田を供給する半田供給部と、を備えていて、
   根元部から略くの字状に折り曲げられたピン状端子を上記端子収容部で保持した状態で、上記半田供給部からピン状端子の折り曲げ部の外隅部に相当する位置に供給される半田をもって半田付けを施すことを特徴とする半田付け方法。
6. 半田付けされたピン状端子を上記端子収容部が解放する際に、当該端子収容部はピン状端子を略真直状態に矯正しながら解放することを特徴とする請求項５に記載の半田付け方法。

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