JPH0790360B2 - 回路基板へのハンダ付け方法及びその装置 - Google Patents

回路基板へのハンダ付け方法及びその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ハンダ浴中に回路基板
を浸けることによって回路基板にハンダ付けを行なうこ
とに関する。
【０００２】
【従来の技術】典型的な回路基板は、銅の導電性線路パ
ターンをその面上に形成している基盤から構成されてい
る。その基盤は、プリント回路基板（ＰＣＢ）のような
堅いものもあるし、あるいは柔らかいもの（”回路基
板”という用語は双方の型について使用される）もあ
る。能動性および受動性の電子部品が、部品位置の周囲
に施された一式のパッドを介して、回路基板上にハンダ
付けされる。それぞれのパッドは、その部品への入出力
線を提供する導電性の銅線路の端子となっている。
【０００３】ＰＣＢの標準的な製造工程の一つでは、銅
パッドに薄いハンダ層を塗膜することによってその部品
を取り付ける前は、パッドは酸化から保護されている。
（線路自体は通常ポリイミドの被覆層で保護されてい
る）。パッドはまず、フラックス溶液で洗浄され、その
後溶融したハンダ浴中に浸漬される。フラックス溶液
は、酸性洗浄剤と溶媒の混合物で構成され、油を含むこ
ともある。浴から引き出した際、ハンダは、剥出しにな
っている銅パッドのみに付着し、ＰＣＢの他の部分には
付着しない。ハンダ付けを行なうための方法の一つが、
ＧＢ１４５７３２５号に記載されているような、熱空気
ハンダ水平化（ＨＡＳＬ）装置によるものであること
は、重要である。ＨＡＳＬ装置においては、ＰＣＢは、
ハンダ浴から引き上げられるとき、余分のハンダを吹き
飛ばすために傍にあるノズルから熱空気を噴射される。
ＧＢ１１８１４２１号においては、別の方法として、ハ
ンダ浴から回路基板を取り出した後に、余分のハンダを
除くために回路基板を揺らしたり振動させたりしてい
る。ＧＢ１１８１４２１号では、ハンダ浴はピーナッツ
油の薄い層で覆われている。
【０００４】ハンダ浴中に浸漬する替わりに、回路基板
をハンダで塗膜する方法として、ハンダ・ウェーブ工程
を利用することが可能である。他のわずかに異なるハン
ダ付け工程は、ＩＢＭ、Ｔｅｃｈｉｎｉｃａｌ Ｄｉｓ
ｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、１９９２年第２４
巻第１１Ａ号ｐ５７２６に記載されており、その中で
は、回路基板を下げるのではなく、タンク中のハンダの
液面を上昇させている。そのハンダは、酸化を防ぐため
にグリセリン溶液の薄い層で覆われており、ハンダの液
面が上昇すると溢れ出る。回路基板は、ハンダの中で振
動させられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ハンダ付け段階の後
に、シリコンチップのパッケージ等の電子部品がＰＣＢ
上に装着される。その部品は通常、パッドにハンダ付け
するためのリードの組をもっているか、あるいは部品上
の端子がパッドに直接結合できる（表面実装用受動部品
など）。どちらの場合においてもこの段階で、パッドに
対してハンダを追加することになる。典型的にはスクリ
ーニングによって行なわれる。このハンダは、その部品
をパッドに結合するために用いられる。このような回路
の電子部品は、その大きさが小型化しているので、その
周囲のパッドの間隔も小さくなっている。隣のパッドと
の距離が、０．１２ｍｍ以下しか離れていない場合もあ
る（およそパッド自体の幅に相当する）。ハンダのスク
リーニング技術は、現在のところそのような微細は間隔
のパターンにハンダを乗せることができない。
【０００６】ＩＢＭ、Ｔｅｃｈｉｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃ
ｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、１９７６年第１８巻
第１０号ｐ３１８２−３１８３には、回路基板にハンダ
付けする替わりに、部品にハンダ付けすることによって
この問題に対処しようとする方法が記載されている。部
品はハンダ浴を通過しながら旋回させられ、浴から取り
出される際に、余分のハンダを取り除くために、ばね止
めを用いて振動させられる。回路基板でなく部品にハン
ダ付けする場合においては、しばしば部品が型を付ける
必要のあるリードを有していることがあり、ハンダ付け
された後ではそれが困難になるという欠点がある。ま
た、信頼性のある結合を形成する点でも問題が生じてい
る。その原因はリードとハンダの結合における冶金学的
な問題が原因と考えられている。
【０００７】回路基板上に、非常に小さいパッド間隔の
高度な部品を装着することができるように、回路基板へ
十分かつ制御された量のハンダを乗せるための信頼性の
ある方法は、従来技術では得られていない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】従って、本発明は、油の
層で覆われている溶融したハンダの浴中に回路基板を漬
けることによって、回路基板にハンダ付けする方法を提
供している。この方法は、回路基板と実質的に同一面内
の経路に沿って、回路基板が回転しながらハンダ浴中を
通過するように、ハンダに漬けることを特徴とする。
【０００９】特に、この方法では、パッド上に非常に均
一な高さのハンダが形成されることが明らかになった
（従って、ハンダの高さは、ハンダの量を容易に測定す
るためのパラメータとして利用できる）。このような均
一性は重要である。なぜなら、非常に少量のハンダで
は、結合不良を生じ、また一方過剰なハンダでは、隣の
パッドとの短絡につながるからである。本発明によっ
て、均一なハンダの高さが得られるのは、温度勾配が大
きくなりすぎることを防ぐ滑らかな回転運動と油の層に
よるものと考えられている。このことによって、ハンダ
を正しい形状で均等にパッド上に乗せることができ、引
き出された痕跡を残さない。この均等化の工程によっ
て、パッド上に乗せるハンダの正確な量も保証される。
このことは、一定の量のハンダを単にパッド上に積み上
げるハンダのスクリーニングや、またハンダの量が空気
の噴流によって決定されるＨＡＳＬとはたいそう違う。
【００１０】浴を通過する回路基板の経路は、最も簡便
なものとしては、円弧があるが、特にハンダ浴の大きさ
を小さくする必要がある場合は、他の適当な曲線また
は、例えばサイクロイド等の弧形状でも良い。しかしそ
の場合、駆動機構がより複雑になる。好ましいのは、回
路基板がハンダ浴から出る角度が、３５から５５度の間
である。この角度は、鉛直方向と回路基板の主軸との間
を測ったものである。さらに、ほとんどの長方形のパッ
ドはこの主軸に沿っているために、それらのパッドの対
角線は、ハンダ浴から出るときにほぼ鉛直になる。浴か
ら出るときの長方形のパッドの向きが、均一なハンダの
高さを得るために重要であることが判明した。
【００１１】他の重要なパラメータは、回路基板がハン
ダ浴を通過する角速度である。好ましい回路基板の回転
率は、１から４ｒｐｍである。より遅い回転率でも、許
容できるハンダの高さ分布が得られるが、装置の処理効
率が非常に下がる。適用する回転率によってハンダの高
さを調整できると共に、ハンダ浴を通過中に回転率を変
えることによって、パッド上に乗せるハンダの量をある
程度制御できることが明らかになった。より速い回転率
においては、それぞれのパッドにハンダが余分に残るこ
とになるだけでなく、ハンダの高さの均一性もなくな
る。
【００１２】回路基板が溶融したハンダ中にあるとき、
回路基板を振動させることは有益である。しかも回転す
る経路の面に垂直な方向への振動が好ましい。このこと
は、周囲の被覆層の開口部が比較的小さいところにおい
て、良質のハンダ塗膜を形成するのに有用である。振動
周波数は約１００Ｈｚが用いられた。振動は、ハンダの
高さ分布に対しては、逆効果の可能性があることが判明
したので、回路基板をハンダ浴に入れた最初の間のみ振
動させ、浴から出す間は振動させないのが望ましい。
【００１３】本発明はまた、ハンダ浴、回路基板を支持
するための受け具、回路基板をハンダ浴に漬けるために
受け具を動かす駆動手段からなる、回路基板にハンダ付
けするための装置を提供する。その駆動手段は、実質的
に回路基板と同一面内の経路に沿って回路基板を回転さ
せながら、ハンダ浴を通過させる操作が可能なことを特
徴とする。
【００１４】好ましくは、該装置はさらに、前記経路の
面に対して垂直な方向に受け具を振動させるための手段
を含む。
【００１５】
【実施例】図１および図２は、本発明によるハンダ浸漬
装置を示している。ハンダ浴１には、溶融したハンダ３
が入れられている。このハンダは通常、約２２０℃にお
ける６３％の錫と３７％の鉛の共融物であるが、他の組
成および温度を用いても良い。ハンダの上には、ポリオ
キシアルキレングリコールエーテル等の油の層５があ
る。この油の層は、溶融したハンダの酸化および溶融金
属屑の形成を防止する。さらにこの油の層は、以下に述
べる別の重要な目的のために供される。塗膜されるべき
回路基板７は、チタンの受け具９上に装着される。（チ
タンはハンダに濡れない理由で、用いられる）。この受
け具は、順に軸１１によって支持される。軸１１はモー
タ１３によって回転することができる。軸の高さは調整
でき、モータ速度、即ち軸の回転率も制御可能である。
【００１６】図３は、銅ポリイミド積層体から作られる
柔軟な基盤をもった回路基板の概略図である。本発明
は、本来はそのような柔軟な回路基板について開発され
てきたものであるが、堅い基盤を有す回路基板に対して
も適用できる。前者については、受け具は少なくとも支
持しようとする回路基板と同一の面積を有していなけれ
ばならない。しかし、堅い基盤については、受け具は回
路基板を軸に取り付けるための器具であればよく、それ
自体がハンダ中に入る必要はない。回路基板は、一連の
銅パッド２２に囲まれた２つの部品位置２０を備えてい
る。それぞれのパッドは、銅線路２９（全てを図示して
いない）の端子となっている。銅線路の酸化を防ぐ被覆
層の境は、部品位置を囲む境界２６によって印されてい
る。境界２６の内側は、ハンダで塗膜されるべき剥出し
のパッド（および線路の一部）である。穴３０は、回路
基板を受け具９に固定するために設けられている。
【００１７】ハンダ付けの前に回路基板はまず、パッド
から酸化物を除去するために、フラックス、酸性洗浄
剤、および油の混合物中で洗浄され、あるいは’フラッ
クス’される。回路基板はその後、回転速度約２ｒｐｍ
（調整可能）で弧に沿って回転しながらハンダ浴中を通
過する。図３には最も深く浸漬したときの線３２を示し
てある。ハンダ中を通過する弧全体の長さは、約９０度
であり、入浴および出浴の角度は約４５度（この角度
は、入浴または出浴の際の、鉛直方向と図３中において
鉛直方向で示されている銅線路の主軸との間の角度を表
す）になる。
【００１８】この技術は、パッド間隔がわずか０．１５
ｍｍの回路基板にハンダ付けをするために用いられた。
この場合、ハンダの高さの仕様は、５から５０ミクロン
の間である。もしもハンダがより少ない場合は導通不良
になり、一方過多の場合は、隣り合ったパッド同志が短
絡してしまう。もし、パッド上のハンダが適切に均等化
されている（つまり、表面張力で決められる最小のエネ
ルギーをもつ形状に形成されている）ならば、ハンダの
高さは、ハンダの量を有効に示す唯一のものである。本
発明の重要な態様は、ハンダの上の油の層が、出浴の際
の温度勾配を少なくして、ハンダがこの均等化された形
状になるように流れるための時間が確保できるようにし
ていることである。それによって、引き出された痕跡が
生じるのを防ぐことができる。
【００１９】図４は、多数のボードについてパッドのハ
ンダの高さを測定した結果の分布を示す試験データであ
る。これらの結果は、ハンダの高さの均一性を顕わして
おり、標準偏差が２ミクロン以下の規格適合度である。
この結果は明らかに、上記した工程の仕様を十分に満足
する（この特別な試験では、回路基板上の他の場所のハ
ンダ塗膜要求に合わせるために、その平均値について
は、仕様範囲の最低限度に意図的にずらしたが、これは
本発明の特徴ではない）。付着されたハンダの高さの平
均値は、回路基板がハンダ中を通過する速度を調整する
ことによって、ある程度（およそ二つの要素の範囲内
で）制御できる。より速い回転率では、ハンダ塗膜は厚
くなるが、その高さの均一性は悪くなる。
【００２０】ハンダに対する濡れの悪さについてのいく
つかの問題が、回路基板上のプローブ位置２７（図３参
照）において観察された。これらは、試験工程のために
設けられた円形のパッドである。その問題点は、パッド
の大きさや形状に直接的に起因するものではなく、むし
ろ被覆層の開口部３６の直径が小さい（あるいは、より
正確には、深さに対する幅の比が相対的に小さい）こと
による（プローブ位置２７および被覆層の開口部３６
は、わかりやすいように図３では拡大されている）。部
品のパッドは列に並んでおり、かつ被覆層に開いたただ
一つの穴によって囲まれているが、一方、プローブ位置
は散らばっていて、しかもそれぞれがそれ自身に対する
小さい被覆層の穴の中にある。これらの穴は、ハンダ浴
のなかに入ったときに油によって満たされてしまう傾向
があり、従って、その油の表面張力のために、そのよう
な小さい開口の中の油をハンダが取り除くことは困難に
なる。結果的にハンダは、この場所では適切に塗布され
ないことになる。
【００２１】この問題を解決するために、受け具に振動
装置が装着される。振動は、被覆層の開口部から油を取
り除くことによって、ハンダへの濡れの悪さを防止する
ことに有効であることがわかった。しかし、それはま
た、ハンダの高さの均一性を害なう傾向もある。従っ
て、この欠点を避けるために、全てのパッドをハンダで
確実に濡らすことが重要であるときは、回路基板をハン
ダ中に通す最初の部分の間のみ振動させる。この振動装
置はその後、電源を切り、ハンダ浴から出る際に、ハン
ダが適切に均等化されるようにする。柔軟な回路基板に
ついては、回路基板を受け具に数箇所で確実に固定する
ことによって、振動が回路基板に結合される。例えば、
ハンダ中に浸漬できる、ピンあるいはクリップなどによ
ってである。それに対し、回路基板が堅いＰＣＢである
場合、振動は回路基板の浸漬されない部分から浸漬され
る部分へと回路基板自体を介して伝達される。振動装置
を直接にＰＣＢ自体に取り付けることも可能である。し
かしその場合おそらく、製造の面では不便になるであろ
う。使用された振動の周波数は、１００Ｈｚであるが、
この操作においては非常に広い範囲の周波数（超音波も
含めて）が、適用可能である。
【００２２】いくつかの条件下においては、振動によっ
て、プローブ位置や他の類似の大きさの形状におけるハ
ンダの濡れの悪さを、完全には防ぐことができないこと
もある。この場合、後処理段階において、スクリーニン
グによってプローブ位置に追加のハンダを乗せることが
できる。このことは、プローブ位置が孤立しているため
に可能であり、したがって、乗せられるハンダの偏りや
量は、厳密ではない。まさに、それらが孤立しているこ
とが、被覆層の開口径の問題が生じる唯一の原因であ
る。このように、プローブ位置上のスクリーニングを分
離して行なう必要がないという理由から、振動の利用は
望ましくはあるが、ハンダの濡れの悪さを完全に防ぐた
めに、振動のみが唯一の方法ではない。
【００２３】他の問題点は、回路基板を接地するために
アース・ピンが挿入される回路基板中にある円筒形の貫
通した穴（スルー・ホール）についてである。回路基板
の上面のこれらの穴の縁は、環状の銅の領域からなって
いるが、穴の内面は導体ではない。この問題は、その穴
の領域の上に環状にハンダが塗膜される替わりに、半球
状のハンダの皮が穴を遮るように形成されやすいためで
ある。これに対する有効な解決法は、開口を通過するよ
うに延びているチタン製のピンを使用することである。
それによって、適切にハンダが塗膜される。
【００２４】従来技術と比較して、本発明の潜在的な欠
点として挙げられるのは、より大きなハンダ浴が必要な
ことである。必要であれば、この点は、ハンダを通過す
る回路基板の経路を調整することによって改善すること
ができる。例えば、軸１１および受け具９は、時計周り
に回転すると同時に、左から右へ横方向に移動できる。
これは、図５に示されている。図５は、ハンダ浴へ入る
とき３２とハンダ浴から出るとき３０（破線）の受け具
の位置を示している。この動きは、実質的に図１と同じ
回転と出浴角度を与えることができ、従って図１の装置
と同様に均一なハンダの高さが得られる。やや駆動機構
が複雑になる難点があるが、より小さなハンダ浴で済
む。他の適切な動きの形態および適当な装置は、技術者
にとっては容易に考えられることであろう。
【発明の効果】本発明によって、回路基板のパッド上に
非常に均一な高さのハンダが形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるハンダ浸漬装置の、概略的な正面
図である。
【図２】本発明によるハンダ浸漬装置の、概略的な平面
図である。
【図３】ハンダ付けをする回路基板の概略図である。
【図４】本発明によって得られた、ハンダの高さの分布
を示したグラフである。
【図５】より小さいハンダ浴を使用できるよう図１の装
置を変形した装置である。
【符号の説明】
１ 浴 ３ 溶融ハンダ ５ 油の層 ７ 回路基板 １１ 軸 １３ モータ ２２ パッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイリアム・エム・モーガン イギリス国、エス・オー・５ ３・デー・ アール、ハンプシャー、チャンドラース・ フォード、ケーブル・クローズ ７ (56)参考文献 特開 昭63−165066（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−5867（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−135165（ＪＰ，Ｕ) 実公 平３−4436（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回路基板（７）を、溶融したハンダ（３）
    の浴（１）の中へ漬けることによって、回路基板（７）
    にハンダ付けする方法であって、 上記溶融したハンダは油の層（５）で覆われており、 上記回路基板を、上記回路基板と実質的に同一平面内に
    ある経路に沿って回転させながら上記ハンダ浴中を通過
    させ、上記回路基板が上記ハンダ浴から出るときの鉛直
    方向と回路基板の主軸とがなす角度を３５から５５度の
    間にすることを特徴とする、回路基板へのハンダ付法。
  2. 【請求項２】上記回路基板を１から４ｒｐｍの回転率で
    回転させながら上記ハンダ浴中を通過させることを特徴
    とする請求項１に記載のハンダ付け方法。
  3. 【請求項３】上記回路基板が上記溶融したハンダの中に
    ある間に、上記回路基板を、上記回転経路の面に対して
    垂直に振動させ、上記回路基板が上記ハンダ浴から出る
    間は、上記回路基板の振動を停止させることを特徴とす
    る請求項１または２に記載のハンダ付け方法。
  4. 【請求項４】ハンダ浴（１）と、回路基板を支持するた
    めの受け具（９）と、上記回路基板を上記ハンダ浴中に
    漬けるために上記受け具を動かす駆動手段（１１）とか
    らなる、回路基板にハンダ付けする装置であって、 上記駆動手段は、上記回路基板を、上記回路基板と実質
    的に同一平面内にある経路に沿って回転させながら上記
    ハンダ浴中を通過させ、上記回路基板が上記ハンダ浴か
    ら出るときの鉛直方向と回路基板の主軸とがなす角度を
    ３５から５５度の間にするように動作することを特徴と
    する、回路基板にハンダ付けする装置。
  5. 【請求項５】上記駆動手段は、上記回路基板を１から４
    ｒｐｍの回転率で回転させながら上記ハンダ浴中を通過
    させることを特徴とする請求項４に記載のハンダ付け装
    置。
  6. 【請求項６】上記回路基板が上記溶融したハンダの中に
    ある間に、上記回路基板を、上記回転経路の面に対して
    垂直に振動させ、上記回路基板が上記ハンダ浴から出る
    間は、上記回路基板の振動を停止させる振動手段を有す
    る、請求項４または５に記載のハンダ付け装置。
JP5005667A 1992-03-18 1993-01-18 回路基板へのハンダ付け方法及びその装置 Expired - Lifetime JPH0790360B2 (ja)

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