JP2004071785A - 噴流式はんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】めっきスルーホールを有するプリント配線板に鉛フリーはんだの第１の噴流波と第２の噴流波とを順に供給してはんだ付けする噴流式はんだ付け装置において、高融点鉛フリーはんだは融点が２２０℃程度と高いため、第１の噴流波と第２の噴流波との間でめっきスルーホールに供給された鉛フリーはんだが凝固して濡れが停止し、はんだ付け不良を生じる場合があった。
【解決手段】長孔５状の多数の透孔群６により形成されるはんだ吹き口の幅ａをプリント配線板４がはんだ温度にチャージされる幅となるように第１の噴流波１を設けるとともに、第２の噴流波１１までの間隔ｂをａ：ｂ＝１：３以下にして、めっきスルーホール内のはんだを凝固しないようにした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を搭載しめっきスルーホールを有するプリント配線板とはんだの噴流波を接触させてはんだ付けを行う際に使用する噴流式はんだ付け装置に関するものであり、特に鉛フリーはんだを使用してめっきスルーホールにはんだを十分に濡れ上がらせ、このめっきスルーホールに繋がるランドにはんだを濡れ広がらせることができる噴流式はんだ付け装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の電子部品をプリント配線板にはんだ付け実装する際に、噴流式はんだ付け装置が用いられている。すなわち、噴流式はんだ付け装置が形成する溶融状態のはんだの噴流波に、プリント配線板の被はんだ付け部が存在する面すなわち被はんだ付け面（通常は下方側の面）を接触させ、これによりその被はんだ付け部にはんだを供給してはんだ付けを行う装置である。また、めっきスルーホールを有するプリント配線板に対しては、このめっきスルーホールにはんだを濡れ上がらせ、このめっきスルーホールに繋がるランドにもはんだを濡れ広がらせる必要がある。
【０００３】
図４は、従来の噴流式はんだ付け装置の一例を説明するための図で、（ａ）はその要部をプリント配線板の搬送方向に対する縦断面で示した図、（ｂ）は被はんだ付けワークであるプリント配線板がはんだ付けの過程でどのような温度変化を示すかを説明するための温度プロファイルの例を示す図で、縦軸は温度を表し、横軸は経過時間を表している。
【０００４】
なお、噴流式はんだ付け装置では通常はプリント配線板４を定速搬送するので、図４（ｂ）の横軸は（ａ）に示す噴流式はんだ付け装置における搬送位置と一致するように描いてある。そして、実線はプリント配線板４の下方側の面の被はんだ付け部の温度を表し、点線はめっきスルーホール２１（図５参照）内の温度を表している。
【０００５】
すなわち、プリント配線板４を仰角φで矢印Ｘ方向に搬送する搬送コンベア２０に沿って、予備加熱ヒータ３５と溶融状態のはんだ８を噴流して形成される第１の噴流波３１および第２の噴流波１１が順に配設されている。
【０００６】
これらの噴流波３１，１１は、はんだ槽３２に収容され図示しないヒータにより加熱されて溶融状態のはんだ８を、ポンプ３３，３４により第１および第２の吹き口体２，１３に供給して形成される。図４に示した例は最も一般的に使用されているところの噴流式はんだ付け装置であり、第１の吹き口体２と第２の吹き口体１３とをプリント配線板４の搬送方向に沿って順に配設し、第１の噴流波３１と第２の噴流波１１とを順に配設した構成である。なお、はんだ８の温度は、図示しない温度センサおよび温度制御装置によりヒータに供給される電力を調節して目的とする値に制御されている。
【０００７】
また、前記のように図４（ｂ）は、プリント配線板４の被はんだ付け部すなわちめっきスルーホール２１やそれに繋がるランド２２（図５参照）に温度センサ（不図示）を取り付けて、このはんだ付け部の温度がはんだ付け作業に伴ってどのように変化するかを測定した温度プロファイルの例であり、実線はプリント配線板４の下方側の面のランド２２の温度を示し、点線はめっきスルーホール２１の内壁の温度を示している。これらの温度は、ランド２２やめっきスルーホール２１内壁に高温はんだ（融点３５０℃程度のはんだ）により、温度センサである熱電対をはんだ付けして測定したものである。
【０００８】
なお、従来はこの点線で示すめっきスルーホール２１内壁の温度を問題としていなかったので、この内壁の温度を示して解説・分析した文献例は無い。このめっきスルーホール２１の内壁の温度については、後に詳しく分析して説明し、本項では従来のように実線で示す被はんだ付け面のランド２２の温度を取り上げて説明する。
【０００９】
すなわち、図４（ｂ）において実線で示されるように、搬送コンベア２０で搬送されるプリント配線板４は予備加熱ヒータ３５で約１２０℃程度まで加熱され、続いて第１の噴流波３１および第２の噴流波１１にその被はんだ付け面（図の下方側の面）を順次に接液させてはんだ付けが行われる。なお、図４（ｂ）に示す例では、はんだ付けに使用するはんだ８として鉛フリーはんだを使用し、その温度を２５５℃に制御している。そのため、温度プロファイル中の期間Ａと期間Ｃの箇所において温度が２５５℃に到達している。
【００１０】
このように、プリント配線板４は予備加熱工程とはんだ付け工程とによりはんだ付けが行われ、はんだ付け工程では、一般的に第１の噴流波３１で被はんだ付け部にはんだ８を濡らし、第２の噴流波１１で被はんだ付け部のフィレット形状等を整えて仕上げを行うように構成されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
鉛が自然生態系の特に人体に与える毒性の問題から、電子装置に使用されるプリント配線板のはんだ付けに、鉛を使用しない鉛フリーはんだが使用されるようになってきた。しかし、プリント配線板のめっきスルーホールにこの鉛フリーはんだが濡れ上がり難いという問題がある。
【００１２】
図５は、めっきスルーホールにおけるはんだ付けの状態の例を説明するための図で、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれプリント配線板４のめっきスルーホール２１部分の縦断面を示す図である。なお、これらの図において、プリント配線板４の下方側の面（被はんだ付け面）４ａおよびこの面に設けられたランド２２が噴流波に接液する面である。
【００１３】
はんだ付けを行って、図５（ａ）のようにはんだ８がめっきスルーホール２１内に濡れとどまっている状態ははんだ付け不良（×）、また、図５（ｂ）のようにはんだ８がめっきスルーホール２１内を濡れ上がっているがプリント配線板４の上方側のランド２２に濡れ広がらない状態もはんだ付け不良（×）である。これらは、プリント配線板４が使用される電子装置におけるストレスを受けて、めっきスルーホール２１とランド２２との断線を生じる可能性がある。そのため、不良として判断される。
【００１４】
他方、図５（ｃ）のようにはんだ８がめっきスルーホール２１内を濡れ上がりさらにプリント配線板４の上方側のランド２２に少し濡れ広がった状態は、好ましくはないが許容できる範囲の良い状態（△）、図５（ｄ）のようにはんだ８がめっきスルーホール２１内を濡れ上がりさらにプリント配線板４の上方側のランド２２に完全に濡れ広がった状態は、はんだ付けが大変に良い状態（○）である。これらは、プリント配線板４の下方側の面のランド２２と上方側の面のランド２２とがめっきスルーホール２１およびはんだ８により接続され、接続信頼性が極めて高い。
【００１５】
なお、極めて高い信頼性が必要とされる電子機器、例えば宇宙用電子機器、医療用電子機器、軍事用電子機器、公共設備用電子機器、車両用電子機器、等々においては図５（ｃ）に示すはんだ付け状態ははんだ付け不良（×）として取り扱われる。すなわち、プリント配線板が使用される機器の使用目的やメーカの基準により判断が異なる。
【００１６】
そして、前述したように、従来の錫−３７％鉛はんだでは図５（ｄ）に示すようなはんだ付け状態が得られたプリント配線板であっても、前述の鉛フリーはんだでは図５（ａ）や（ｂ）あるいは（ｃ）のようなはんだ付け状態になるという問題がある。
【００１７】
これは、鉛フリーはんだの融点が一般的に高く、濡れ性の指標となるメニスコグラフ法におけるゼロクロスタイムも大きいことに原因している。
【００１８】
すなわち、従来から最も広く使用されている錫−３７％鉛はんだ（その成分が錫６３重量％で鉛３７重量％のはんだを指し、以下同様に記載する）が融点約１８３℃であるのに対し、現在のところ鉛フリーはんだの有力候補に上げられ使用されている錫−銀−銅系鉛フリーはんだ（例：錫−３．５％銀−０．７５％銅はんだ）、錫−銅系鉛フリーはんだ（例：錫−０．７％銅はんだ）、錫−銅−ニッケル系鉛フリーはんだ（例：錫−０．６％銅−０．０５％ニッケルはんだ）では融点が約２２０℃前後の高融点鉛フリーはんだなのである。
【００１９】
また、濡れ性の指標となるメニスコグラフ法による濡れの測定におけるゼロクロスタイム（はんだ付けされる被試験片をはんだ内に浸漬開始してから、その後にこの被試験片がはんだから押し上げられる力が０に戻る迄に要する時間）を比較すると、温度２５５℃において錫−３７％鉛はんだでは約０．３３秒であるのに対し前述の鉛フリーはんだでは約１．１秒程度である。すなわち、鉛フリーはんだは従来の錫−３７％鉛はんだと比較して約３倍以上も濡れ性が悪いのである。なお、前述の鉛フリーはんだでもはんだ温度を高くするとゼロクロスタイムを更に小さくできるが、プリント配線板に搭載される電子部品の耐熱温度から、約２５５℃程度が限界となっている。
【００２０】
すなわち、図４（ｂ）の実線で示す温度プロファイルにおいて、期間Ａにおいてプリント配線板４が第１の噴流波３１に接液してめっきスルーホール２１に溶融はんだ８が供給され始め、このめっきスルーホール２１内にはんだ８が濡れ上がらない状態で第１の噴流波３１から離脱し、期間Ｂにおいてこのめっきスルーホール２１内のはんだ８が凝固し、続いてプリント配線板４が第２の噴流波１１に接液した際すなわち期間Ｃにおいて、このめっきスルーホール２１内の凝固したはんだ８が溶融しないままはんだ付けが終了してしまうため、めっきスルーホール２１にはんだ８が濡れ上がることが困難となり、したがって、このめっきスルーホール２１に繋がる上方側の面のランド２２にはんだ８が濡れ広がることも困難となるのである。
【００２１】
従来の錫−３７％鉛はんだでは融点が低いため、前記期間Ｂにおいてはんだが凝固しても前記期間Ｃにおいてはんだが容易に再溶融し、この期間Ｃにおいてすなわち第２の噴流波１１に接液している際にめっきスルーホール２１内のはんだが再溶融して更に濡れ上がり、プリント配線板４の上方側の面のランド２２にも濡れ広がらせることが可能だったのである。しかし、前述の鉛フリーはんだ８では、融点が高いために期間Ｃにおけるはんだ８の再溶融が困難になっている。
【００２２】
また、リフトオフ現象やランド剥離現象の原因として周知となっているはんだ８の凝固偏析により、前記期間Ｂにおいて凝固したはんだ８に一層融点が高い部分が発生し、これにより前記期間Ｃにおいて一層はんだ８が再溶融し難くなっている。さらには、凝固の際に引け巣を生じたりブローホールを生じたりすると、はんだ接液の際の熱伝導が悪くなり再溶融のための困難が一層増し、めっきスルーホール２１およびこのめっきスルーホール２１に繋がる上方側の面のランド２２におけるはんだ８の濡れ広がりが一層困難となる。
【００２３】
そして、前述の鉛フリーはんだ８が前記期間Ｃにおいて再溶融が困難であることと相まって、ゼロクロスタイムが大きいことに原因してはんだ８が濡れ上がらずまた濡れ広がらない状態で期間Ｃを終了し、結果的に前述の鉛フリーはんだ８では、めっきスルーホール２１にはんだ８が濡れ上がり難くなって、さらにはこのめっきスルーホール２１に繋がる上方側の面のランド２２にはんだ８が濡れ広がり難くなってはんだ付け不良を生じ易いのである。
【００２４】
本発明の目的は、プリント配線板４のめっきスルーホール２１に鉛フリーはんだ８を十分に濡れ上がらせ、また、このめっきスルーホール２１に繋がる上方側の面のランド２２にもはんだ８を濡れ広がらせることができる噴流式はんだ付け装置を実現することによって、信頼性の高いプリント配線板４のはんだ付け実装を可能にすることにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の噴流式はんだ付け装置は、第１の噴流波と第２の噴流波との間すなわち図４（ｂ）に示す期間Ｂにおいてめっきスルーホール（被はんだ付け部）あるいはこのめっきスルーホールに繋がるランドに供給されたはんだを凝固させ難くするための加熱条件を満足する噴流波構成としたところに特徴がある。
【００２６】
（１）めっきスルーホールを有するプリント配線板を搬送手段で搬送しつつ鉛フリーはんだの噴流波によりはんだ付けする噴流式はんだ付け装置であって、次のように構成する。
【００２７】
すなわち、前記プリント配線板の搬送経路に沿って順に第１の噴流波と第２の噴流波とを配設する。そして、前記第１の噴流波はノズル体に設けられた長孔状の多数の透孔群から上方向きに前記鉛フリーはんだを噴流して形成されるとともに前記プリント配線板の搬送方向に前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅と前記プリント配線板が接触するところの第１の噴流波から第２の噴流波までの間隔との長さの比率が１対３（１：３）以下に構成される。
【００２８】
そして、さらに前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅は、前記第１の噴流波から前記プリント配線板が有するところの熱容量がはんだ温度にチャージされる幅に設けられるように構成した噴流式はんだ付け装置である。
【００２９】
このように、第１の噴流波を形成するはんだ吹き口の幅と第１の噴流波から第２の噴流波までの間隔との長さの比率を１対３以下にすることにより、第１の噴流波に接液してプリント配線板にチャージされた熱エネルギーが、第２の噴流波に接液するまでの期間に放出され尽くすことがなくなる。したがって、第１の噴流波によりプリント配線板のめっきスルーホールやこのめっきスルーホールに繋がるランドに供給されたはんだが、続いて第２の噴流波に接液するまでの期間において凝固し難くなる。
【００３０】
また、長孔状の多数の透孔群から上方向きにはんだを噴流して第１の噴流波を形成しているので、プリント配線板が第１の噴流波に接液している際に、噴流の動圧によりめっきスルーホール内をはんだが濡れ上がり易くなる。
【００３１】
したがって、プリント配線板のめっきスルーホールに鉛フリーはんだを濡れ上がらせ、このめっきスルーホールに繋がるランドにも鉛フリーはんだを濡れ広がらせることができるようになる。
【００３２】
さらに、本発明者は、プリント配線板が第１の噴流波に接液している期間においてプリント配線板が有する熱時定数の熱容量を十分にチャージすることにより、第２の噴流波に接液するまでの期間においてプリント配線板の温度低下を最小とすることが可能となり、プリント配線板ひいては被はんだ付け部であるめっきスルーホールとこのめっきスルーホールに繋がるランドに供給されたはんだを溶融状態に保持し易くなることを見いだした。
【００３３】
そして、このことは第１の噴流波を形成するはんだ吹き口の幅と第１の噴流波から第２の噴流波までの間隔との長さの比率を１対３以下にすることと相まることにより一層顕著に作用する。
【００３４】
したがって、プリント配線板が第１の噴流波に接液している際にプリント配線板の熱容量がはんだ温度にチャージ（ｃｈａｒｇｅ）される幅に透孔群により形成される吹き口の幅を設けることにより、プリント配線板のめっきスルーホールに鉛フリーはんだを容易に濡れ上がらせ、このめっきスルーホールに繋がるランドにも鉛フリーはんだを容易に濡れ広がらせることができるようになる。
【００３５】
（２）前記（１）の噴流式はんだ付け装置において、前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅は、前記プリント配線板が前記第１の噴流波に接液する時間が２秒以上になる幅に設けられた噴流式はんだ付け装置である。
【００３６】
プリント配線板が第１の噴流波に接液する時間を２秒以上にすることにより、プリント配線板の熱容量を十分にチャージできるようになる。したがって、プリント配線板が第１の噴流波に接液を開始して続いて第２の噴流波に接液し接液が完了するまでの期間に渡って、プリント配線板ひいては被はんだ付け部であるめっきスルーホールとこのめっきスルーホールに繋がるランドに供給されたはんだを溶融状態に保持し易くなって、めっきスルーホールに鉛フリーはんだを容易に濡れ上がらせ、このめっきスルーホールに繋がるランドにも鉛フリーはんだを容易に濡れ広がらせることができるようになる。
【００３７】
（３）前記（１）の噴流式はんだ付け装置において、前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅が３０ｍｍ以上になるように構成された噴流式はんだ付け装置である。
【００３８】
通常の噴流式はんだ付け装置では、透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅が３０ｍｍ以上になるように構成することによって、プリント配線板の熱容量を十分にチャージできるようになる。
【００３９】
したがって、プリント配線板が第１の噴流波に接液を開始して続いて第２の噴流波に接液し接液が完了するまでの期間に渡って、プリント配線板ひいては被はんだ付け部であるめっきスルーホールとこのめっきスルーホールに繋がるランドに供給されたはんだを溶融状態に保持し易くなって、めっきスルーホールに鉛フリーはんだを容易に濡れ上がらせ、このめっきスルーホールに繋がるランドにも鉛フリーはんだを容易に濡れ広がらせることができるようになる。
【００４０】
（４）前記（１）ないし（３）の噴流式はんだ付け装置において、前記鉛フリーはんだが、錫−銀−銅系の鉛フリーはんだ、錫−銅系の鉛フリーはんだまたは錫−銅−ニッケル系の鉛フリーはんだである噴流式はんだ付け装置である。
【００４１】
鉛フリーはんだの中でも、錫−銀−銅系の鉛フリーはんだ、錫−銅系の鉛フリーはんだまたは錫−銅−ニッケル（Ｎｉ）系の鉛フリーはんだはその融点が約２２０℃前後の高融点鉛フリーはんだであり、プリント配線板のはんだ付けに使用される鉛フリーはんだの中においては相対的に高い温度である。はんだ付け温度を２５０℃〜２５５℃程度とすると、融点との温度差は約２０℃〜３５℃程度しかない。
【００４２】
しかし、噴流波によるプリント配線板の加熱条件を前記（１）ないし（４）を満足する噴流波構成とすることにより、プリント配線板が第１の噴流波に接液を開始して続いて第２の噴流波に接液し接液が完了するまでの期間に渡って、めっきスルーホール内やランドに供給されたはんだを溶融状態に保持できるようになり、めっきスルーホールとそれに繋がるランドに良好なはんだ付けを行うことができるようになる。
【００４３】
（５）前記（１）ないし（４）の噴流式はんだ付け装置において、前記ノズル体が、前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅方向に前記プリント配線板の搬送方向に倣って階段状の段部を有する噴流式はんだ付け装置である。
【００４４】
このように構成することにより、長孔状の透孔から噴流したはんだが段部において相互に落差を得ることができるようになり、一方の透孔から噴流したはんだの流れが他方の透孔から噴流しようとするはんだの噴流力を損なうことなく幅方向にプリント配線板の搬送方向に倣って傾斜した噴流波の波面を得ることができるようになる。すなわち、図４（ａ）に例示する仰角φに合わせた噴流波の波面を形成することができるようになる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明の噴流式はんだ付け装置は、次のような実施形態例において実現することができる。
【００４６】
（１）構成例
図１は、本発明の噴流式はんだ付け装置を説明するための図で、（ａ）は第１の噴流波と第２の噴流波の構成部分を抜粋して縦断面で示した図、（ｂ）は（ａ）に合わせて描いた温度プロファイルを示し、その横軸は時間を表すがプリント配線板は通常は定速搬送されるのでプリント配線板の位置（被はんだ付け部ひいてはめっきスルーホールの位置）も表している。そして、図１（ａ）における搬送コンベア上の搬送位置と図１（ｂ）の横軸の位置が一致するように描いてある。また、図１（ｂ）の縦軸は温度を表している。
【００４７】
すなわち、第１の噴流波１は第１の吹き口体２により形成され、この吹き口体２の先端に設けられたノズル体３に、搬送コンベア（搬送手段）２０で搬送されるめっきスルーホール２１およびランド２２（図２参照）を有するプリント配線板４の搬送方向Ｘと交差する方向に４列に設けられた上方を向いた透孔であって長孔５（孔の直径よりも長さが長い透孔）状の透孔群６の吹き口９からはんだ（鉛フリーはんだ）８を噴流して形成されている。また、この例では、ノズル体３の中程に段部７が長孔５の列方向に設けられている（図３（ａ），（ｂ）参照）。
【００４８】
そして、この透孔群６により形成されるはんだ８の吹き口の幅はａでその長さは例えばａ＝５０ｍｍである。また、吹き口の幅ａは概ね第１の噴流波１の幅（プリント配線板４と接液する幅）と一致する。なお、後述するが、吹き口の幅ａは通常の噴流式はんだ付け装置では３０ｍｍ以上に構成すればよい。
【００４９】
続いて設けられる第２の噴流波１１は、図４（ａ）と同様のトレイ部１２を有する第２の吹き口体１３の吹き口１７から噴流するはんだ８によって構成される。案内板１４ははんだ８の流下を案内して第２の噴流波１１の形状を整える部材、トレイ部１２は第２の噴流波１１の流れを安定化させる手段、越流案内板１５はねじ１６により図の上下方向に移動調節可能に設けられ、トレイ部１２上のはんだ８の深さを調節して第２の噴流波１１の流速を調節する手段である。
【００５０】
そして、第１の噴流波１から第２の噴流波１１までの間隔はｂである。図１（ａ）の例では吹き口の幅ａと間隔ｂの長さの比率をａ：ｂ≒１：１程度に構成している。そして、この長さの比率ａ：ｂは１：３以下に好ましくは１：２以下に構成する。なお、間隔ｂは５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００５１】
すなわち、ｂ＝５０ｍｍ以下では第１の噴流波１と第２の噴流波１１とがはんだ槽３２（図４参照）のはんだ液面８ａ上で接触してそれらの流れに干渉を生じるようになって、噴流波（第１の噴流波と第２の噴流波の総称）１，１１の形状が不規則に乱れてはんだ付け品質が不安定に変動したり、噴流波１，１１表面に形成されるはんだ８の酸化膜が噴流波１，１１上に滞留し易くなって、このはんだ８の酸化膜が被はんだ付けワークであるプリント配線板４に付着してはんだ付け不良を生じ易いからである。
【００５２】
この酸化膜の存在は、例えば特開平９−４７８６５号公報において説明されているように、高温で溶融状態のはんだが噴流するとこの噴流波面においてはんだが著しく酸化し、目視で確認できる程度の白色系の酸化膜がはんだ噴流の流れと合わせ流れている。この酸化膜がはんだ槽のはんだ液面に集積して堆積するとドロスを形成する。酸化膜自体は固い層を成していて、噴流波上に流れる酸化膜に棒状の部材を触れて固定すると、この酸化膜がはんだ噴流の流れの上で固定して保持され、この酸化膜の下をはんだ噴流が流れる程の性質を有している。
【００５３】
そのため、第１の噴流波１と第２の噴流波１１とを過度に接近させると、この酸化膜が噴流波１，１１上をこの噴流の流れと併せて流れ難くなって、噴流波１，１１上に滞留し易くなるのである。
【００５４】
なお、仕上げ用噴流波である第２の噴流波１１には公知の噴流波形成技術を使用することが可能であり、その他の例としては、特公平４−６９５０９号公報の技術、特許第２９３８３２８号公報の技術、特許第３２０２８７０号公報の技術、等々を使用することができる。また、第２の噴流波１１とプリント配線板４とが接液する期間は前記の技術に開示されているように可変可能であり、本発明においてはその接液期間を従来よりも短くすることが可能である。
【００５５】
さらに、第１の噴流波１を形成する技術として、特公昭６２−３５８５７号公報の技術のように、ノズル体を往復動させながらプリント配線板に接液させてもよい。この場合、プリント配線板に搭載されているチップ部品等の陰となる部分にめっきスルーホールが設けられていても、往復動の動圧によりこの部分にも容易にはんだを供給することができるようになる。
【００５６】
（２）作動
プリント配線板４が第１の噴流波１に接液している時間ひいては吹き口の幅ａの期間すなわち期間ａと、その後第２の噴流波１１に接液を開始するまでの時間ひいては間隔ｂの期間すなわち期間ｂとの比率、そして期間ａにおいてプリント配線板４に付与される熱エネルギーの量すなわちプリント配線板４の熱容量にチャージされる熱エネルギーの量との関係は極めて重要である。
【００５７】
図４（ｂ）に示す従来のプリント配線板の温度プロファイルは、すでに説明したように、実線はプリント配線板４が噴流波３１，１１に接液する面（被はんだ付け面）４ａのめっきスルーホール２１に繋がるランド２２（図２参照）の温度プロファイルであり、点線はめっきスルーホール２１内の温度プロファイルである。
【００５８】
これらの温度測定は、温度センサである熱電対を高温はんだ（融点３５０℃程度のはんだ）を使用して固定して測定したもので、プリント配線板４が噴流波３１，１１に接液してもめっきスルーホール２１内の温度は直ちには噴流波３１，１１の温度（２５５℃）まで昇温しないことがわかる。これは、プリント配線板４が有する熱容量が熱エネルギーでチャージされるまでに熱時定数で決まる時間を要するからである。そして、このことは、融点の高い鉛フリーはんだでは致命的な問題となる。すなわち、めっきスルーホール２１内のはんだ８が融点近傍の温度に低下して濡れ上がり難くなるのである。
【００５９】
そのため、プリント配線板４が噴流波３１，１１から離脱すると、噴流波３１，１１に接液した被はんだ付け面４ａのランド２２の温度とめっきスルーホール２１内の温度は概ね一致するように急速に低下する。
【００６０】
しかし、本発明の技術によれば、この温度低下を少なくして、鉛フリーはんだの融点を下回り難くすることができるようになる。
【００６１】
図１（ｂ）に示す本実施形態例の温度プロファイルに示す▲１▼▲２▼▲３▼の温度プロファイルは、プリント配線板４と第１の噴流波１との接液時間ａひいては接液期間▲１▼▲２▼▲３▼により、温度プロファイルがどのように変わるかを示した図である。吹き口の幅ａひいては第１の噴流波１とプリント配線板４との接液の長さが５０ｍｍの場合が▲１▼、３０ｍｍの場合が▲２▼、１５ｍｍの場合が▲３▼である。なお、この試験は、吹き口の幅ａが異なるノズル体３を交換して行い、期間ｂの長さが変わらないようにして行った。
【００６２】
そして、▲１▼の場合の期間ｂにおける低下温度は約２３５℃、▲２▼の場合は約２１５℃、▲３▼の場合は約１７０℃である。すなわち、プリント配線板４と第１の噴流波１との接液時間を十分に長くすることによりこのプリント配線板４の熱容量が十分にチャージされていることがわかる。
【００６３】
したがって、▲２▼に示すように、第１の噴流波１を形成する吹き口の幅ａとして３０ｍｍ以上あれば、期間ｂにおいてめっきスルーホール２１およびそれに繋がるランド２２に供給されたはんだ８を凝固し難い状態に維持することができることがわかる。もちろん、▲１▼のように吹き口の幅ａを５０ｍｍにすれば、期間ｂの距離も２倍以上にしてａ：ｂ＝１：２にすることができることもわかる（図１（ｂ）の※印箇所の温度プロファイル参照）。
【００６４】
なお、この試験は、最も標準的な厚さ１．６ｍｍのＦＲ−４材のプリント配線板４を使用して行った。またプリント配線板４の搬送速度は０．９ｍ／分である。したがって、期間ａの幅を５０ｍｍとして搬送速度を１．３５ｍ／分にすれば、期間ｂの間隔をさらに長くすることが可能であり、ａ：ｂ＝１：３程度にすることもできる。ちなみに、プリント配線板４の搬送速度としては、０．８ｍ／分〜１．４ｍ／分の範囲が通常使用されている搬送速度である。
【００６５】
このように、融点が２２０℃前後の高融点鉛フリーはんだ８、すなわち錫−銀−銅系鉛フリーはんだ（例：錫−３．５％銀−０．７５％銅はんだ）、錫−銅系鉛フリーはんだ（例：錫−０．７％銅はんだ）、錫−銅−ニッケル系鉛フリーはんだ（例：錫−０．６％銅−０．０５％ニッケルはんだ）を使用しても、期間ｂにおいてもめっきスルーホール２１内やこのめっきスルーホール２１に繋がるランド２２に供給された鉛フリーはんだ８を凝固し難い状態に維持することができるようになる。
【００６６】
すなわち、プリント配線板４が第１の噴流波１に接液してから第２の噴流波１１を離脱するまでの期間に渡ってプリント配線板４のめっきスルーホール２１に供給されたはんだ８が凝固し難くなって、このめっきスルーホール２１をはんだ８が濡れ上がり易くなるとともにこのめっきスルーホール２１に繋がるランド２２に濡れ広がり易くなり、良好なはんだ付け（図５（ｄ）に例示）を行うことができるようになる。もちろん、プリント配線板４が第１の噴流波１に接液してから第２の噴流波１１を離脱するまでの時間は、ゼロクロスタイムよりも遙に大きい。
【００６７】
また、第１の噴流波１が上方を向いた透孔であって長孔５状の透孔群６により形成されているため、この透孔群６から上方に噴流するはんだ８によりプリント配線板４の板面に垂直に設けられているめっきスルーホール２１に噴流の動圧がそのまま加わり、はんだ８が一層濡れ上がり易いように作用する。
【００６８】
もちろん、これらの作動からもわかるように、融点が低くてもゼロクロスタイムの大きい鉛フリーはんだ８に対しても、本発明の作用が有効に作用する。すなわち、プリント配線板４が第１の噴流波１に接液してから第２の噴流波１１を離脱するまでの期間（はんだ付け工程）において、プリント配線板４に供給されたはんだ８が溶融状態に保持されるので、実質的に極めて長い時間に渡って溶融はんだ８が被はんだ付け部に供給されていることになり、前記期間をはんだ８の接液時間と見ることができるようになり、前記期間に渡ってはんだ８が濡れ広がることが可能となるからである。
【００６９】
（３）はんだ付け工程におけるプリント配線板の加熱作用の詳細説明
図２は、プリント配線板のめっきスルーホール近傍の熱要素を説明するための図で、（ａ）はプリント配線板のめっきスルーホール部分の縦断面に熱要素（熱抵抗、熱容量）を併記した図、（ｂ）は（ａ）を集中定数回路で等価的に表した図、（ｃ）は（ｂ）の熱時定数回路の充放熱の様子を説明するための図で、縦軸は温度を表し横軸は時間ひいては搬送されるプリント配線板の位置を表している。
【００７０】
すなわち、プリント配線板４が噴流波１，１１に接液している状態では、その接液部分からプリント配線板４へ熱エネルギーが移動して加熱されるが、これを熱回路で考えると、プリント配線板４の表面からこのプリント配線板４の材質と体積とで決まる熱抵抗θ_ｂを介して熱容量Ｃ_ｂに熱エネルギーがチャージされて加熱され、プリント配線板４の温度が上昇する。また、プリント配線板４の表面からは周辺雰囲気（大気雰囲気や不活性ガス雰囲気）へ熱抵抗θ_ａを介して放熱が行われる。
【００７１】
なお、熱抵抗θ_ｉはプリント配線板４が接液する噴流波１，１１すなわちはんだ８の熱抵抗であり、電源Ｅは加熱源としてのはんだ８（温度が例えば２５５℃）を表している（以降、加熱源Ｅと記載する）。また、スイッチ２３はプリント配線板４が噴流波１，１１に接液した際にＯＮ（閉）となり、離脱するとＯＦＦ（開）となる。
【００７２】
これらの熱素子である熱抵抗θ_ｂやθ_ａ、熱容量Ｃ_ｂは、プリント配線板４に分布して存在するのであるが、図２（ｂ）では集中定数回路で等価的に表している。また、熱抵抗θ_ｉや加熱源Ｅもプリント配線板４との接液部分に分布して存在するのであるが、図２（ｂ）では集中定数回路で等価的に表している。なお、図２（ｂ）において熱容量Ｃ_ｉは、プリント配線板４の被はんだ付け部すなわちめっきスルーホール２１とそれに繋がるランド２２とが噴流波１，１１から離脱した後において、このプリント配線板４のめっきスルーホール２１やランド２２に濡れて付着しているはんだ８の熱容量を表している。
【００７３】
また、熱抵抗θ_ａはθ_ｂと比較して極めて大きく、さらにθ_ｉはθ_ｂと比較して極めて小さい。そのため、これらの熱抵抗の関係はθ_ａ≫θ_ｂ≫θ_ｉとなる。また、プリント配線板４の体積はめっきスルーホール２１の体積よりも極めて大きいので、熱容量Ｃ_ｂは熱容量Ｃ_ｉよりも大きく、これらの熱容量の関係はＣ_ｂ＞Ｃ_ｉとなる。
【００７４】
そして、はんだ付けするべき被はんだ付け部すなわちめっきスルーホール２１およびそれに繋がるランド２２は、図２（ｂ）の等価回路においては点線で囲んだ部分となる。すなわち、はんだ付けにおけるこの部分の温度の挙動が重要であり、それを示した図が図２（ｃ）である。
【００７５】
次に、プリント配線板４が第１の噴流波１に接液してその後離脱する過程で、プリント配線板４がどのように加熱され前記点線で囲まれた被はんだ付け部の温度がどのような挙動を示すかを図２（ｂ）（ｃ）を用いて説明する。
【００７６】
すなわち、プリント配線板４が第１の噴流波１に接液するとスイッチ２３がＯＮとなり、プリント配線板４は熱時定数τ_ｃ＝（θ_ｉ＋θ_ｂ）Ｃ_ｂ≒θ_ｂ・Ｃ_ｂで加熱される。図２（ｃ）に示すように、噴流波４に接液している部分の温度は接液と同時にはんだ８の温度２５５℃まで上昇するが、プリント配線板４内やめっきスルーホール２１内の温度は充熱曲線τ_ｃで示すように熱時定数τ_ｃで上昇する。
【００７７】
続いて、例えば時間Ｔ_３の時点でプリント配線板４ひいてはその被はんだ付け部が第１の噴流波１から離脱すると、すなわち図１（ｂ）の期間▲３▼に相当する間において第１の噴流波１に接液して離脱したとすると、図２（ｂ）のスイッチ２３がＯＦＦとなって、プリント配線板４は熱時定数τ_ｄ≒θ_ａ（Ｃ_ｂ＋Ｃ_ｉ）で放熱し温度低下する（θ_ａ≫θ_ｂのため）。
【００７８】
この場合、被はんだ付け部の温度は前記のようにθ_ａ≫θ_ｂ，Ｃ_ｂ＞Ｃ_ｉのため、この被はんだ付け部が第１の噴流波１から離脱した直後にこの被はんだ付け部の温度は熱容量Ｃ_ｂにチャージされていた温度すなわち図２（ｃ）の（ハ）の点まで急速に温度低下した後、放熱曲線▲３▼で示すように熱時定数τ_ｄで温度低下する。すなわち、この温度の挙動が図１（ｂ）において示した▲３▼で示される温度プロファイルの挙動である。
【００７９】
同様に、図２（ｃ）の▲２▼で示す期間に渡って被はんだ付け部を第１の噴流波１に接液して時間Ｔ_２の時点で被はんだ付け部を離脱すると、第１の噴流波１に接液していた被はんだ付け部の温度は（ロ）の点まで急速に温度低下した後、放熱曲線▲２▼で示すように熱時定数τ_ｄで温度低下する。すなわち、この温度の挙動が図１（ｂ）において示した▲２▼で示される温度プロファイルの挙動である。
【００８０】
さらに、図２（ｃ）の▲１▼で示す期間に渡って被はんだ付け部を第１の噴流波１に接液して時間Ｔ_１の時点で被はんだ付け部を離脱すると、第１の噴流波１に接液していた被はんだ付け部の温度は（イ）から放熱曲線▲１▼で示すように熱時定数τ_ｄで温度低下する。すなわち、この温度の挙動が図１（ｂ）において示した▲１▼で示される温度プロファイルの挙動である。
【００８１】
このように、プリント配線板４の熱容量へ十分に熱エネルギーをチャージしてはんだ８の温度すなわち第１の噴流波１の温度にチャージすることにより、図１（ｂ）に示す期間ｂにおける被はんだ付け部の温度低下を最小にすることができるようになる。なお、Ｃ_ｂ＞Ｃ_ｉであるので、若干ではあるがτ_ｄ＞τ_ｃとなる。さらに、図１（ａ）に示すように、第１の噴流波１と第２の噴流１１との間の期間ｂは、２５５℃のはんだに加熱された高温（１２０℃〜１５０℃程度）の雰囲気の中にプリント配線板４が在るので、噴流式はんだ付け装置が置かれプリント配線板４が搬入される周辺雰囲気の温度すなわち常温と比較して、見かけ上のτ_ｄが大きくなる。ちなみに、これらによりτ_ｄが大きくなる程度は２〜３倍程度である。
【００８２】
最も一般的なプリント配線板４として厚さ１．６ｍｍのＦＲ−４材では第１の噴流波１とプリント配線板４との接液時間を２秒以上とすれば、このプリント配線板４の熱容量を概ねはんだ温度にチャージすることができるが、厚さが大きくなるとそれに比例して熱容量も大きくなるので、その場合は、熱容量チャージ時間である接液時間をそれに比例して大きくしてやるとよい。したがって、第１の噴流波１を形成する吹き口の幅ａをそれに比例して大きくしてやるとよい。
【００８３】
このように、第１の噴流波１でチャージされたプリント配線板４の熱エネルギーをひいては温度を第２の噴流波１１に接液するまでの期間に放出され尽くすことがないようにして、第１の噴流波１により被はんだ付け部に供給されたはんだ８を凝固し難くするためには、第１の噴流波１を形成する透孔群の幅すなわち吹き口の幅ａと第１の噴流波１から第２の噴流波１１までの間隔ｂとの長さの比率を１対３以下また好ましくは１：２以下にすればよい。
【００８４】
また、図２（ｃ）に示すように、プリント配線板４の熱容量Ｃ_ｂへの熱エネルギーのチャージは、当初は急速に進み次第にはんだ温度（２５５℃）に漸近する。図４（ｂ）に例示するように、プリント配線板４の予備加熱温度を１２０℃とすると、はんだ温度２５５℃との差は１３５℃であり、この温度差を熱時定数τ_ｃでチャージすることになる。
【００８５】
そして、プリント配線板４の熱時定数へのチャージの大きさは、はんだ８すなわち高融点鉛フリーはんだの融点以上であることが必要であるので、本発明において第１の噴流波１によりプリント配線板４の熱容量Ｃ_ｂをはんだ温度にチャージするとは、少なくとも鉛フリーはんだ８の融点以上の温度にチャージされていなければならないことを意味する。すなわち、図２（ｃ）において、プリント配線板４が噴流波１，１１から離脱する（イ）（ロ）（ハ）の点における温度が融点以上の温度であることを意味する。
【００８６】
これにより、図１（ｂ）の温度プロファイルに示す第２の噴流波１１との接液に際して被はんだ付け部の温度を鉛フリーはんだ８の融点以上あるいは近傍の温度に保持することができるようになり、被はんだ付け部が第２の噴流波１１に接液すると直ちにこの被はんだ付け部へ供給されていたはんだ８が溶融状態を続行あるいは溶融状態へ移行し、この第２の噴流波１１から新たなはんだ８が供給されて濡れ上がりあるいは濡れ広がって行く。
【００８７】
（４）多数の透孔群を構成するノズル体の構成例
図３は、第１の噴流波を形成するノズル体の構成例を説明するための図で、（ａ）はノズル体の横断面を示す図、（ｂ）は（ａ）に示すノズル体の平面図である。そして、これら（ａ）（ｂ）は段部が１つのノズル体の例を示している。また、図３（ｃ）は別のノズル体の横断面を示す図、（ｄ）は（ｃ）に示すノズル体の平面図である。そして、これら（ｃ）（ｄ）は段部が２つのノズル体の例を示している。
【００８８】
このように、列状に設けられた長孔５状の透孔群を、この列を基準としてプリント配線板の搬送方向に倣って段部７を設けて配列することで、プリント配線板４の搬送仰角φ（図４参照）に沿った第１の噴流波１の波面を形成し、プリント配線板４の板面方向すなわちめっきスルーホール２１の孔方向に向かう噴流の動圧を弱めることが少なくなって、めっきスルーホール２１へのはんだ８の濡れ上がりを付勢することができるようになる。
【００８９】
すなわち、第１の噴流波１は、プリント配線板４が接液した際にそのめっきスルーホール２１にはんだ供給を行い易くする為に、上方すなわちプリント配線板４の板面方向を向いて噴流していた方が良いのであり、これにより、噴流の動圧をめっきスルーホール２１の孔方向へ与えることができるようになるのである。そこで、本発明では長孔５状の多数の透孔群によりはんだ８の吹き口の幅を構成して第１の噴流波１を形成している。
【００９０】
一般的に、噴流式はんだ付け装置におけるプリント配線板４の搬送は、隣合う被はんだ付け部間におけるはんだブリッジを解消する目的やフィレット形状を整える目的から、仰角搬送を行うように構成している。そのため、噴流波１，１１の波面もこの仰角すなわちプリント配線板４の板面に沿って傾斜していることが望ましい。
【００９１】
この際、高位の透孔から噴流したはんだ８が低位の透孔方向へ向かって流れ、この低位の透孔から噴流しているはんだ８を押し潰し、噴流波１，１１の波面が水平化し易くなって、全体として透孔群から上方へ向かって噴流する動圧が弱まり易い。
【００９２】
しかし、図３に例示するように、この透孔群を列状に配設し、さらにこの列に沿ってかつプリント配線板の搬送方向に倣って段部７を設けてノズル体３を構成することにより、この段部７により第１の噴流波１の波面が強調され、第１の噴流波１の波面に段部７の落差に相当する傾斜を付与することが容易となり、低位の噴流も押し潰され難くなる。
【００９３】
もちろん、本発明の実施に際しては、前記段部７の無いノズル体を使用することもできる。しかし、その場合においては、めっきスルーホール２１の孔方向に向かう噴流の動圧が弱くなる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明の噴流式はんだ付け装置によれば、鉛フリーはんだを使用してもプリント配線板のめっきスルーホールにはんだを濡れ上がらせ、さらにこのめっきスルーホールに繋がるランドにはんだを濡れ広がらせることが可能となり、はんだ付け品質の優れたプリント配線板のはんだ付け実装を行うことができるようになる。
【００９５】
特に、錫−銀−銅系の鉛フリーはんだや錫−銅系の鉛フリーはんだ、錫−銅−ニッケル系の鉛フリーはんだのような高融点鉛フリーはんだはめっきスルーホールにはんだが濡れ上がり難いのであるが、本発明の噴流式はんだ付け装置によれば、第１の噴流波と第２の噴流波との間においてはんだが凝固し難くなって、プリント配線板が第２の噴流波に接液した際に、そのめっきスルーホールおよびランドに濡れて付着しているはんだを確実に溶融状態に移行させ、第１の噴流波に接液を開始した時点から連続したはんだの濡れ上がりおよび濡れ広がりを行わせることができるようになる。
【００９６】
その結果、はんだ付け品質と信頼性に優れたプリント配線板の生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の噴流式はんだ付け装置を説明するための図である。
【図２】プリント配線板のめっきスルーホール近傍の熱要素を説明するための図である。
【図３】第１の噴流波を形成するノズル体の構成例を説明するための図である。
【図４】従来の噴流式はんだ付け装置の一例を説明するための図である。
【図５】めっきスルーホールにおけるはんだ付け状態の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１　第１の噴流波
２　第１の吹き口体
３　ノズル体
４　プリント配線板
４ａ　被はんだ付け面
５　長孔
６　透孔群
７　段部
８　はんだ（鉛フリーはんだ）
８ａ　はんだ液面
９　第２の吹き口
１１　第２の噴流波
１２　トレイ部
１３　吹き口体
１４　案内板
１５　越流案内板
１６　ねじ
１７　吹き口
２０　搬送コンベア（搬送手段）
２１　めっきスルーホール
２２　ランド
２３　スイッチ

Claims (5)

1. めっきスルーホールを有するプリント配線板を搬送手段で搬送しつつ鉛フリーはんだの噴流波によりはんだ付けする噴流式はんだ付け装置であって、
   前記プリント配線板の搬送経路に沿って順に第１の噴流波と第２の噴流波とを配設し、
   前記第１の噴流波はノズル体に設けられた長孔状の多数の透孔群から上方向きに前記鉛フリーはんだを噴流して形成されるとともに前記プリント配線板の搬送方向に前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅と前記プリント配線板が接触するところの第１の噴流波から第２の噴流波までの間隔との長さの比率が１対３（１：３）以下に構成され、かつ前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅は、前記第１の噴流波から前記プリント配線板が有するところの熱容量がはんだ温度にチャージされる幅に設けられたことを特徴とする噴流式はんだ付け装置。
2. 前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅は、前記プリント配線板が前記第１の噴流波に接液する時間が２秒以上になる幅に設けられたことを特徴とする請求項１記載の噴流式はんだ付け装置。
3. 前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅が３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の噴流式はんだ付け装置。
4. 前記鉛フリーはんだが、錫−銀−銅系の鉛フリーはんだ、錫−銅系の鉛フリーはんだまたは錫−銅−ニッケル系の鉛フリーはんだであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の噴流式はんだ付け装置。
5. 前記ノズル体が、前記透孔群により形成されたはんだ吹き口の幅方向に前記プリント配線板の搬送方向に倣って階段状の段部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の噴流式はんだ付け装置。

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