JPH0714106B2 - 部品の半田付け方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は部品の半田付け方法及びその装置に関する。

［従来技術］ 効果的に半田接続部を形成できない場合は、生産コスト
や信頼性の問題となるため、回路やデバイスの製造にお
いて、部品の半田付けは非常に重要な作業である。この
問題はアレー領域の半田接続の際に特に顕著となる。例
えば高性能コネクターでは、可撓性のあるプリント回路
が接続エレメントと剛性のあるプリント回路基板とを電
気的接続するために用いられる。高密度化のために、可
撓性プリント回路はプリント回路基板上の対応する端子
に電気接続されるアレー領域で終わっている。接合技術
の１つに、可撓性のある回路と回路基板の対応する端子
の孔に導電性ピンを使用するものがある（例えば、米国
特許4,806,107号を参照）。しかし可撓性のある回路を
回路基板に直接半田付けすれば、回路の電気的性能を向
上させると共に、余計な部品を省略するため、上記の方
法より望ましい。

可撓性のある回路と剛性プリント基板の半田付けは、通
常両者の端子に半田メッキし、加熱ラムでメッキをとか
して対応する線を接続するのが普通である。しかしこの
半田接続は、時として信頼性を欠き、その誤作業が部品
の下に隠れて、そのデバイスの最終テストまで検出でき
ないという重大な問題がある。

従って、本発明の第１の目的は、容易に検査、修理可能
な部品の半田付け方法を提供することにある。

部品の半田付けにおけるもう１つの問題は、効率的な半
田付けのために、パッド・アレーに正しい半田量を与え
ることができる。半田量が不適当であると、高生産性、
高信頼性を損ね、かつ過剰な半田は隣接導体間の半田橋
絡を起こし修理が必要となる。メッキは、しばしば適切
な半田量を与えない場合がある。半田堆積により、部品
上に大量の半田被膜を与えることができるが、半田量の
調整が出来ないため組立て量の問題を生じさせる組立て
工程の調整ができない。表面取付け部品にしばしば用い
られる他の方法は、ステンシルの孔を通してペースト状
の半田を堆積することである。堆積した半田の調整は、
孔の幅とステンシルの厚さの比に依存する問題となる。
これは半田が回路基板への堆積よりむしろステンシルに
へばりつくため、粘着物が孔の壁に付着して半田堆積を
妨げるためである。

従って、本発明の第２の目的は、所定の位置に良く調整
された量の半田を堆積させる部品の半田付け方法とその
装置を提供することにある。

［発明の概要］ 上記の目的は、第１の部品を第２の部品に接着するため
の方法である本願の第１の特徴によって達成される。金
属化された孔が、第２の部品の対応パッド領域に接着す
る第１の部品のパッド領域に設けられている。調整され
た半田量が、第２の部品の対応パッド領域に堆積され
る。第１の部品は、その孔が対応パッド領域と位置が合
うように、第２の部品上の半田と接触する。これらの部
品は半田を溶かすために加熱され、半田はその孔を通っ
て広がりフィレツト（半田小片）を形成し、そのフィレ
ットが観察可能となる。

本願の第２の発明は、半田付けされる対抗面上にパッド
領域を夫々有する第１及び第２の部品を有する装置であ
る。これらの部品の少なくとも一方、半田付けされるパ
ッド領域に金属化された孔を有している。半田フィレッ
トは対抗面の両パッド領域間に形成され、上記一方の部
品の対抗面と反対の面の関連パッド領域へ、孔を通って
広がり、そのフィレットが検査可能になる。

［実施例］ 第１図は本発明により接着される２つの部品を示す。部
品10は、一般的にはポリアミドのような絶縁材料で作ら
れ、一般的には銅の複数の導電路11を有する可撓性のあ
るプリント回路である。ここでは説明の都合上３本の導
電路だけが示されている。各導電路は、対応する内部パ
ッド領域（第10図に示す。）と接続するために導電路を
貫通して形成された金属化された孔13を有する外部導電
パッド領域12で終わっている。パッドと孔は第１図に示
すように可撓性のある回路内にアレー領域を形成してい
る。各々の金属化された孔とその孔に接続されたパッド
は、標準的プリント回路基板である第２の部品14上に形
成された対応する導電パッド領域15と接続される。その
基板は通常、エポキシ・ガラス材料で作られ、導電パッ
ドは銅である。プリント回路基板は通常、第２図乃至第
10図において符号16に示すような半田マスク材料を有す
る（第１図では明確化のために省略している。）。この
半田マスク材料は、半田付けされるパッド部以外のプリ
ント回路基板のほぼ全体を覆っている。同様に、可撓性
のある回路10は第10図において層17、18として示される
カバー層をその両面に有する（第１図では明確化のため
に省略している。）。半田マスクとカバー層は、２つの
部品の半田濡れする領域を制御する役目をしている。

可撓性のある回路は通常約0.2mmの厚さで、導電路は0.2
mmの幅、0.05mmの厚さであり、導電パッド領域は、普通
直径0.8mm、孔13は直径0.5mmである。プリント回路基板
14は、普通1.5mmの厚さであり、そのパッド15は直径約
0.8mmであり、約0.05mmの厚さである。

勿論、他の種類の部品もここに述べる技術で組み立てる
ことができる。

可撓性のある回路をプリント回路基板に接着するため
に、正確な所定の半田量が、最初、プリント回路基板の
各パッド上に置かれなければならない。これを達成する
１つの方法は、各半田球を各パッド上に置き、半田を溶
かすためにそれを加熱し、そして球を各パッドに接着す
ることである。その様なプロセスは単調で、ミスの出や
すい傾向にある。

本発明では、それに代わって、シャトル・エレメントと
呼ばれる第２図において符号20で示れるエレメントが考
案された。このシャトル・エレメントは、半田に濡れ
ず、熱伝導性が良く、高温と清潔作業が両立できるモリ
ブデン鋼、チタニューム、アルミニュームなどの材料で
出来ている。このシャトル・エレメントは又、エレメン
トの少なくとも１つの主表面に21のような凹部のアレー
を有している。その凹部のアレーはプリント回路基板の
パッドのアレーと位置が一致している。このエレメント
は、ドリルで孔をあけられ、一面を裏打ちテープで覆っ
た簡単な薄い板材である。そのような構造は、テープを
剥がして、孔を容易に掃除できるために都合がよい。こ
の例では、凹部は直径1mm、深さ0.2mmで、そこに半田ペ
ースト約0.1mm³が満たされる。その半田ペーストは、表
面に置かれた後、ゴムローラを使って凹部に入れられ
る。

凹部が半田ペーストで満たされ、乾燥された後、シャト
ル20は第２図に示すように、各凹部がプリント回路基板
の対応するパッド上に位置決めされる。位置決めには標
準の工具ピン（図示せず）が使われる。シャトル・エレ
メント凹部内の半田26は、室温では粘着性のため凹部に
とどまっている。位置決めされたシャトルとプリント回
路基板は、高温ラム22とばね荷重の押下げエレメント23
を有する半田付けヘッドの下におかれる。高温ラムは半
田表面を所望温度にするためのヒータ・エレメント24を
有している。高温ラムは一般的にニッケルメッキの銅ブ
ロックにより形成され、ヒータ・エレメントは従来の電
気抵抗エレメントである。押下げエレメントは一般的に
はモリブデン鋼であり、高温ラムと半田面間のインター
フェイスとして働き、ステンシル、即ち可撓性のある回
路とプリント回路基板を押さえて圧力をかける。この装
置は更に、半田が流れた後、組立品の面を冷やして、半
田の溶融点以下にする冷却システムを備えている。冷風
が押下げエレメントの表面に向かってノズル40から供給
される。この高温ラム半田付け装置は一般に市販されて
いる利用可能な機械である。

次に第２図の装置の動作について述べる。半田付けヘッ
ドは押下げエレメント23が、第３図に示すようにシャト
ル20と接触するまで降下する。押下げエレメントは高温
ラムにより約100℃に熱せられる。十分な熱量が半田ペ
ーストを熱するためにシャトルに送られ、ペーストの融
剤を活性化する。半田付けヘッドは更に360℃に保たれ
ている高温ラムが第４図に示すように押下げエレメント
と物理的に接触するまで降下する。これにより十分な熱
が押下げエレメント、シャトル、回路基板組立へ伝わ
り、シャトル凹部の半田26が流れ出して回路基板上のパ
ッドを濡らす。その後、高温ラムは上へ動いて押下げエ
レメントから離れるが、押下げエレメントは第３図に示
す前の状態でシャトルへ圧力を掛け続ける。この時点で
ノズル40からの空気が押下げエレメントの上に吹き出し
て組立物を冷し、半田26を回路基板パッドに固着させ
る。半田付けヘッドとシャトルは、その後、プリント回
路基板から完全に離れる。この作業によって半田26は、
第５図に示すように、全ての回路基板ヘッドの上に30の
ような均一な半田蒸着を残す。この半田蒸着及びリフロ
ー作業の時間は通常約30秒である。

この時点で、プリント回路基板のパッド上の半田フィレ
ットは、良い半田濡れ性と半田容積を確保するために検
査される。この時点で、半田がパッド全体を濡らし、か
つ半田マスクの面より十分突き出ていることは、半田フ
ィレットの次の作業を確実にするために望ましいことで
ある。

プリント回路基板14は、これで可撓性のある回路10を半
田付けのために受け入れる準備ができたことになる。可
撓性のある回路は通常、全ての孔に融剤が塗られ、次に
融剤中の揮発物を除去するため乾燥される。第６図は、
第２図の装置の中に可撓性のある回路10をプリント回路
基板14に半田付けするために置いた状態を示している。
可撓性のある回路は、再び標準工具ピン（図示せず。）
を用いて基板上に正しく置かれ、孔13が基板上の対応す
るパッド15の上に正しく位置合わせされる。シャトル・
エレメント20はカバー板としてこの作業でも使うことが
でき、この時は凹部21は空で、対応する孔13とパッド15
は正しく位置合わせされる。カバー板を使うことによっ
て、半田は外部パッドを通り、孔の中に流れ、円形半田
フィレットを作り、半田フィレットの品質が検査できる
ようになる。上述したように、押下げエレメント23は半
田面を予備加熱する間（第７図に示す。）シャトルと、
それ（及び可撓性のある回路）を所定の位置に保持する
ために接触する。この時点で、貫通孔13は半田蒸着30と
接触する。高温ラム22が押下げエレメント23を押し、シ
ャトル、可撓性のある回路、プリント回路基板よりなる
組立物を加熱する。これで、前記の蒸着半田は溶けてメ
ッキされた貫通孔13を経て上に流れ、パッド12を覆って
半田フィレット31を形成し、回路基板14上の回路10と層
16間の間隙をなくす（第８図に示す。）。次に加熱ラム
は半田が冷える間、シャトルと可撓性のある回路を保持
する位置にある押下げエレメントから離れる。第９図に
示すように、半田接続部を冷して固化させるために、空
気が押下げエレメントの表面に吹き出す。次にカバー板
（シャトル）が完成した組立物から離れる。

本発明により形成された半田接続部のうちの１つの断面
図が第10図に示されている。この図は、カバー層17、18
及びプリント基板上のパッド15に接着された接地板50を
有する可撓性のある回路10を詳細に示している。各々パ
ッドに対する適切な半田量を選んだ結果として、半田は
孔13を通って可撓性のある回路のプリント回路と反対側
の面まて広がっている。孔を通過して浸透した半田は、
反対側の面の導電部12上に十分なフィレット31を形成す
る。その結果、組立物の上からの簡単な目視検査で、半
田接続部の欠陥や要修理部を確認することができる。
又、カバー層17、18及び半田マスク16が隣接パッドと半
田が橋絡するのを防止する半田せきとなっていることも
確認できる。

高生産性の半田組立作業を実施し、一貫して信頼できる
半田接続部を生産するには、幾つかの設計上の制約に注
目することが望ましい。これら“製造性のための設計”
のガイドラインは、接合されるエレメントの設計で注意
すべき寸法的関係を述べている。例えば、可撓性のある
回路の孔径は経済的に製造可能な限り小さいほうが良
く、又可撓性のある回路と剛性のある回路基板上の濡れ
性に優れたパッド領域の直径は可撓性のある回路の孔の
最小２倍以上が有益である。更に、接合後の、可撓性の
ある回路とプリント・ワイヤ基板の接続されたパッド領
域の間隔は非常に小さい方が（パッド直径の1/10以下）
有益である。これら寸法的関係により、接合部を形成す
るために選ばれた半田量が、剛性のあるプリント基板の
パッド上に最初に作られた半田フィレットがそのパッド
上に完全に行き渡っていると共にプリント基板のパッド
の濡れ性を示す濡れ角度を形成していること、更にプリ
ント基板のパッド上に最初に作られた半田フィレット
は、半田のリフロー操作中に半田の組立となる可撓性の
ある回路の接続されるパッドと孔に良い熱的接触と濡れ
性を与えるための半田マスク上の十分な出っ張りを有す
ること、などの条件に適合することを保証するものであ
る。

これらの寸法的関係は又、接合されるパッド間空気容
積、可撓性のある回路孔の容積、及びフィレットが外部
パッドの濡れ性と接合部の品質を示す外部パッドへの濡
れ角度を形成するように外部パッド領域に広がる容積、
などの全体容積を満たすための十分な最終的接合部の半
田容積を有することを保証するものである。更に、可撓
性のある回路の内部パッドとプリント回路基板パッドを
囲む半田マスク材料とカバー層材料の孔は、組立プロセ
スの完了時に残る残留融剤を収納するため十分大きい自
由空間を残すために、パッド寸法に比し十分大きい（一
般的には50％もしくはそれ以上大きい）方が有利であ
る。

本発明の方法は、シャトル、押下げエレメント、加熱ラ
ムを、基板の下側にも設けることにより、プリント回路
基板の両端に同時に適用することができる。基板の下の
半田は、溶けてシャトル凹部から出ると表面張力で球を
形成しようとする傾向があるため、パッドを濡らすこと
ができる。更に本発明は、上述の通り可撓性のある回路
をプリント回路基板に接着するために最も有利である
が、２つの部品の半田付けが望まれるところならどこで
も適用可能であり、特に一方の部品が可撓性で他方の部
品が剛性のあるときに有利である。シャトル・エレメン
トをリールで供給すれば、連続したエレメントを自動的
に夫々の基板に位置合わせすることができる。

尚、特許請求の範囲の構成要素の参照番号は、発明の容
易なる理解のためで、その技術的範囲を制限するよう解
釈されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例により組立てられる部品の
部分透視図、 第２図は、本発明の一実施例により部品を組立てるため
の装置の断面図、 第３図乃至第５図は、本発明の実施例による工程の各段
階を示す図、 第６図は、工程の後段で用いられる第２図の装置を示す
図、 第７図乃至第９図は、本発明の実施例による後段工程の
各段階を示す断面図、 第10図は、本発明の実施例により組立てられた部品の一
部を示す断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウォルター ペローシ アメリカ合衆国，07869 ニュージャージ ィ ランドルフ，サンドラ レーン 16 (56)参考文献 特開 昭50−16863（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−121297（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−11800（ＪＰ，Ｂ２) ＩＢＭ 、ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＳ ＣＬＯＳＵＲＥ ＢＵＬＬＥＴＩＮ，Ｖｏ ｌ．29，Ｎｏ．４ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ 1986，Ｐ．1612−1613

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の部品（10）のパッド領域（12）に形
   成した金属化孔（13）と、第２の部品（14）の対応する
   パッド領域（15）とを電気的に接続する為に、 （Ａ）前記第２の部品（14）の対応するパッド領域上に
   半田（30）を堆積するステップ（図５）と、 （Ｂ）前記各金属化孔（13）が対応するパッド領域（1
   5）に位置決めされるように第１の部品を第２の部品上
   の半田に接触させるステップ（図７）と、 （Ｃ）半田を溶かすと共にその半田が金属化孔（13）を
   経て広がるフィレット（31）を形成するよう、前記第１
   の部品および第２の部品を加熱するステップ（図８、
   ９）と、 からなる部品の半田付け方法において、 前記（Ａ）ステップにおいて、第２の部品の上記対応す
   るパッド領域に対応する凹部（21）を有するシャトル・
   エレメント（20）を用意し、前記凹部（21）内に半田
   （26）を堆積し（図２）、 前記凹部（21）を第２の部品（14）の領域に位置決め
   し、その後、加熱することにより、前記半田を第２の部
   品（14）のパッド領域（15）上に堆積する（図３、４） ことを特徴とする部品の半田付け方法。
2. 【請求項２】第１の部品（10）のパッド領域（12）に形
   成した金属化孔（13）と、第２の部品（14）の対応する
   パッド領域（15）とを電気的に接続する為に、 （Ａ）前記第２の部品（14）の対応するパッド領域上に
   半田（30）を堆積するステップ（図５）と、 （Ｂ）前記各金属化孔（13）が対応するパッド領域（1
   5）に位置決めされるように第１の部品を第２の部品上
   の半田に接触させるステップ（図７）と、 （Ｃ）半田を溶かすと共にその半田が金属化孔（13）を
   経て広がるフィレット（31）を形成するよう、前記第１
   の部品および第２の部品を加熱するステップ（図7,8）
   と、 からなる部品の半田付け方法において、 前記（Ｃ）ステップにおいて、第１の部品の金属化孔
   （13）と同位置に、自由表面フィレットを形成できる十
   分な深さを有する凹部（21）を有するカバー板（20）を
   用意し、 前記カバー板（20）を前記第１の部品（10）の上に配置
   して加熱する（図6,7,8,9） ことを特徴とする部品の半田付け方法。