JP2008296265A - はんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質なはんだ付けが可能なはんだ付け装置を提供する。
【解決手段】本発明のはんだ付け装置１は、はんだを溶融する加熱溶融部５と、加熱溶融部５から供給された溶融状態のはんだに振動を印加する先端部材８とを有する。加熱溶融部５と先端部材８とは互いに接触することなく近接配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被はんだ付け部に点状や線状、帯状にはんだを付着させるはんだ付け装置に関する。

難はんだ付け材であるセラミックスやガラスなどにはんだ付けを行う方法として、溶融したはんだに超音波を作用させる方法が提案されている。

特許文献１及び特許文献２には、超音波を印加したはんだコテ先に貫通した孔を持ちこの孔を通して溶解したはんだを供給して超音波を作用させてはんだ付けを行う装置が開示されている。

また、特許文献３には、基板上に線状の半田を押接してはんだを予め点状または線状にこの基板上に溶解付着させ、基板を加熱して溶融したはんだに超音波を印加して基板上にはんだを点状もしくは線状に溶解付着させるはんだ方法が開示されている。

一方、特許文献４には、超音波振動を付与した加熱されたコテを固形ろう材に押接して、この押接面側に溶解ろう材を保持させて基材の表面に供給する溶解ろう材の供給方法が開示されている。
特許第１５０６２４０号明細書 実開昭５７−１９１０４５号公報 特許第３２０５４２３号明細書 特許第２６９１６８５号明細書

本発明は高品質なはんだ付けが可能なはんだ付け装置もしくははんだ付け方法を提供することを目的とする。

従来における具体的な課題の例を以下で説明する。

特許文献１及び特許文献２に開示された発明の場合、貫通孔中の溶解したはんだにも超音波が作用する。このため、超音波の振動の強度や振動周波数がわずかに変動すると、溶融はんだがこの貫通孔中で滞留したり、勢い良く吐出されたりするなどの現象が発生し、安定してはんだが供給できない場合がある。すなわち、溶融したはんだの供給量と超音波振動の振幅及び周波数が独立ではないために供給量を制御できず、はんだの過不足によりはんだ付けの品質を低下させる事態が発生する場合がある。

また、特許文献３に開示された発明の場合、はんだを溶解した状態に維持するために例えば１９０℃以上の温度で被はんだ付け基板を加熱して超音波を印加する必要がある。このため、点状もしくは線状に予め溶解付着させたはんだ全部に亘って超音波を印加して完了するまでの間、基板上にはんだが溶解状態で維持されるため、はんだが酸化して溶接不良が発生する場合がある。さらに、被はんだ基板に形成されたパターンや部品なども高い温度に長時間曝されるために深刻な熱劣化障害を受ける場合がある。

また、予め被はんだ付け基板上に点状もしくは線状に溶解したはんだを付着させた後に、同じ軌跡に沿って超音波を印加する必要がある。例えばお互いに直交して稼動するＸ−Ｙ−Ｚ軸をもつ稼動装置を用い、そのＸ−Ｙ稼動軸を基板上に平行とし、Ｚ軸にはんだを予備溶解付着させる手段と超音波を印加する手段を離れた状態で取り付けた場合を考える。この場合、曲率あるいは折り曲がりのある軌跡で予め被はんだ付け基板上に点状もしくは線状の溶解したはんだを付着させると、これと同じ軌跡に沿って超音波を印加する手段を移動させることは困難となる。

従って、Ｘ−Ｙ−Ｚの３軸駆動装置を使用する場合には、はんだを予備溶解させて付着させる工程と、このはんだへの超音波に印加する工程とを別工程で行わざるをえなくなってしまう。すわなち、まず、Ｚ軸に取り付けたはんだを予備溶解付着させる手段で予め被はんだ付け基板上に点状もしくは線状の溶解したはんだを付着させる。次いで同じＺ軸に超音波印加手段を付け替えて、付着させたはんだの軌道に沿ってＸ−Ｙ軸を移動させて溶融している基板上のはんだに超音波を印加する必要がある。そうすると、はんだを基板上で溶融させている時間が長くなり、はんだの酸化による溶接不良や基板上のパターンや部品の熱障害といった重大な品質劣化を招く技術的な問題が発生する場合がある。

また、特許文献４に開示された発明の場合、連続した点状のはんだ付けや線状もしくは帯状にはんだを基板に付着させる場合には、加熱しているコテの温度がはんだの溶解熱として奪われるためにコテの温度が低下してしまう。このため、はんだ付け不良が発生して連続したはんだ付けができないといった課題がある。

この課題を解決するためには、予めコテをはんだの融点よりもはるかに高い例えば４５０℃以上に加熱する方法や、コテの熱伝導を大きくし加熱ヒータなどの熱源と近接するなどの方法がある。しかし、前者の場合、はんだが酸化して溶接不良が発生する場合がある。また、後者の場合、コテ全体が大きく重量も重くなる。このため、所望の超音波振動を得るのに大電力を要する、さらにはコテの形状が複雑化すると近接した周波数で複数の発振（共振）周波数が現れ、加熱によるコテなどの形状変形で発振が不安定になるなどの問題も発生しうる。

高品質なはんだ付けを達成するため、本発明のはんだ付け装置は、溶融されていないはんだを、はんだが溶融する温度以上の温度に加熱して溶融する溶融部と、はんだを振動させる振動部と、を有しており、
前記振動部は、はんだを付与する対象物に対して、はんだを振動させた状態で付与するものであり、
前記溶融部と前記振動部とは互いに接触しないようにして一体に配置されており、
前記溶融部から溶融したはんだが前記振動部に対して付与されることを特徴とする。

本発明によれば、高品質なはんだ付けが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のはんだ付け装置の模式的な外観図であり、図２は図１中のＡ部を拡大した一部拡大図である。

なお本願においてはんだ付け装置とは、はんだを対象物に付与する装置のことをいう。従って、付与したはんだによって接着されるべき複数の部材（この複数の部材のうちの少なくとも一つははんだを付与する対象物となる）を接着させる機能をも持つ装置である形態も含み得るが、その機能は必須ではない。

はんだ付け装置１は、はんだ供給装置３と、予備加熱部４と、加熱溶融部５と、超音波発生部６と、超音波ホーン７と、先端部材８と、加熱盤１０と、制御部２０とを有する。

はんだ２は、糸状や帯状の実質的に連続したはんだでありコイル状に巻かれている。はんだ２は、例えば無鉛のスズを主成分とした組成：Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２１７℃〜２１９℃）とする。

本願においてはんだとは、複数の部材を接着する接着剤として機能するものであって、金属を含むものをいう。特には合金を好適に採用できる。

はんだ供給装置３は、コイル状に巻かれたはんだ２を予備加熱部４へと送出する。

予備加熱部４は、はんだ２が固体状を維持可能な程度に加熱するための部材である。予備加熱部４は、例えば円筒状のステンレス製管の周りにヒータ線を巻いた構造を有し、はんだ供給装置３から円筒内に供給されたはんだ２をヒータ線で加熱して予備的に加熱する。

はんだを溶融させる溶融手段である加熱溶融部５は、予備加熱部４の先端に取り付けられており、予備加熱部４によって予備加熱されたはんだ２を溶融するものである。加熱溶融部５も、例えば、予備加熱部４と同様にステンレス製管の周りにヒータ線を巻いた構造を有するものであってもよい。この場合ステンレス製の管は中空になっており、その管の中がはんだ経路となる。この経路内ではんだは加熱されて溶融する。なお、予備加熱部４及び加熱溶融部５の材質は、ステンレスに限らず他の金属であってもよく、良好な熱伝導特性を有する材質であればどのようなものであってもよい。加熱用溶融部５は本発明における溶融部に該当するものであり、溶融されていないはんだが予備加熱部４から供給され、供給されたはんだをはんだが溶融する温度以上の温度に加熱することではんだを溶融する。溶融する温度とは融点のことを指す。

超音波発生部６は、溶融したはんだ２に超音波を作用させるための超音波を発生するためのものである。超音波ホーン７は超音波発生部６で発生した超音波を超音波ホーン７の先端に取り付けた先端部材８に伝達するためのものである。

先端部８は本発明における振動部に該当するものである。先端部材８は、溶融したはんだ２に超音波を印加するためのものであり、加熱溶融部５に互いに接触することなく近接配置されている。すわなち、先端部材８と加熱溶融部５とは接触しておらず、互いに離れて配置されているで加熱溶融部５の溶解したはんだに超音波が直接作用することがない。つまり、加熱溶融部５は、超音波の振動の強度や振動周波数が変動してもこの影響を受けることがない。よって、加熱溶融部５は、溶融したはんだが加熱溶融部５内で滞留したり、あるいは勢い良く吐出されたりすることなく、安定して一定量の溶融したはんだを吐出することができる。

また、先端部材８と加熱溶融部５とは互いに近接配置されているため、溶融したはんだを先端部材８の側面１１に吐出することができる。先端部材８の側面１１に吐出された溶融したはんだは、側面１１を伝って底部１２と基板９との間に流れ込む。すわなち、加熱溶融部５から吐出された溶融状態のはんだは、先端部材８の実質的に同軸上に流れ込むこととなる。また加熱溶融部５と先端部８は一体になっている。はんだを付与する対象物である基板と、加熱溶融部５と先端部８の一体構造とは相対的に移動可能である。はんだを付与する位置を変更する際には、加熱溶融部５と先端部８の一体構造と、基板９のどちらを動かしてもよい。これにより、曲率あるいは折り曲がりのある軌跡で点状もしくは線状の溶解したはんだを付着させつつ、これと同じ軌跡に沿って先端部材８により超音波を印加することができる。このため、基板９上ではんだを溶解状態にて維持する必要がなくはんだが酸化して溶接不良が発生することがない。また、基板９のパターンや部品なども高い温度に長時間曝されて深刻な熱劣化障害を受けるといったこともない。

また、加熱溶融部５と先端部材８とが互いに近接配置されていることで、溶融状態のはんだが先端部材８に供給されることとなる。このため、先端部材８の温度低下が極めて少なくすることが可能となる。この結果、先端部材８の温度低下を防止するための機構が不要となることから超音波ホーン７と先端部材８を軽量で単純な円筒や角柱などの棒状とすることで装置の簡略化が可能となる。そして、超音波ホーン７と先端部材８を軽量で単純な円筒や角柱などの棒状とすることで発振周波数や振幅の安定した超音波を作用させることが可能となり、高品質のはんだ付けが可能となる。

さらには、先端部材８と加熱溶融部５とを互いに接触することなく近接配置することで短時間ではんだ付けが可能となるので基板９上の回路パターンや部品に熱劣化させてしまうのを防止できる。すわなち、上述したように加熱溶融部５は溶融状態のはんだを先端部材８の実質的に同軸上に流し込むことが可能である。このため、基板９上ではんだを溶解状態にて維持する必要がなくはんだが酸化して溶接不良が発生することがないとともに、基板９のパターンや部品なども高い温度に長時間曝されて深刻な熱劣化障害を受けるといったこともない。

加熱盤１０は、はんだ付けされる基板９を載置し、かつ加熱するためのものである。

制御部２０は、はんだ付け装置１の各部を制御する。すわなち、制御部２０は、予備加熱部４、加熱溶融部５、先端部材８及び加熱盤１０の温度制御を行う。基板９の温度制御は、加熱盤１０を温度制御することによりなされる。また、制御部２０は、はんだ供給装置３によるはんだの供給速度の制御、超音波発生部６の超音波振動の振幅及び周波数の制御、加熱部１０の駆動制御を行う。

制御部２０による各部の温度制御は以下のように制御するのが好ましい。

予備加熱部４の温度は、はんだの融点以下の温度となるように制御するのが好ましい。これにより、はんだ２を固体状態で保ち、はんだ供給装置３によるはんだの送り、停止、または戻し操作を感度良く行えることができる。

加熱盤１０は、基板９の温度をはんだ２の溶融温度以下となるように加熱できる温度となるように制御するのが好ましい。これにより、基板９上のはんだは固体に戻るため、はんだが基板９上で酸化するのを低減できる。

加熱溶融部５と超音波ホーン７の先端部材８との温度は、はんだの溶融温度以上となるように制御するのが好ましい。これにより、溶融したはんだを先端部材８の底部１２と基板９の狭い部分に供給可能となるとともに、はんだの溶融状態を維持することで超音波を効率よくはんだに作用させることが可能となる。なお、加熱溶融部５の温度が超音波ホーン７の先端部材８の温度よりも高温に設定しておくことで、はんだ付け中に基板９に熱伝導で奪われる熱量を加熱溶融部５が補填することができる。これにより、先端部材８の温度低下を抑制し、一定の温度を維持しながら安定して超音波をはんだに作用させることが可能となる。

加熱溶融部５を高温にする程、はんだ付け中に基板９に熱伝導で奪われる熱量を補填して、先端部材８の温度低下を効果的に抑制できる。しかしながら、加熱溶融部５及び予備加熱部４を、例えば、同一のステンレス製管にヒータを巻いて温度を異ならせて構成した場合、熱伝導で予備加熱部４の温度が上昇し、予備加熱部４の管内ではんだが溶融してしまう。そうすると、はんだの送り・停止・戻りの操作が緩慢となる場合がある。そこで、加熱溶融部５と予備加熱部４を分離してこの間に断熱材などを配置する構成としてもよい。

本実施形態のはんだ付け装置１においては、例えば、予備加熱部４と、加熱盤１０によって加熱された基板９との温度ははんだ２の溶融温度以下の例えば２００℃以下となるようにとなるように制御する。そして、加熱溶融部５と超音波ホーン７の先端部材８の温度をはんだの溶融温度以上の例えばそれぞれの温度を３５０℃と２５０℃となるようにとなるように制御する。

次に、本実施形態のはんだ付け装置１によるはんだ付けの方法について説明する。

はんだ供給装置３が、コイル状に巻かれたはんだ２を連続的または間欠的に予備加熱部４へと送出する。予備加熱部４に供給されたはんだ２は、予備加熱部４によって固体状を維持可能な程度に加熱される。

予備加熱部４により加熱されたはんだ２は加熱溶融部５にて溶融状態となり吐出される。溶融状態のはんだは、加熱溶融部５に互いに接触することなく近接配置された先端部材８の側面１１に供給される。

溶融したはんだは、側面１１に沿って先端部材８の底部１２と基板９方向に流れ込む。先端部材８の底部１２と基板９方向に流れ込んだ溶融したはんだは、先端部材８から超音波を印加されて基板９上に点状もしくは線状にはんだ付けされる。なお、はんだ付け装置１と加熱盤１０は例えば不図示のＸ−Ｙ−Ｚ軸からなる稼動軸に取り付けていずれか一方または両方が移動されるものであってもよい。

以上、先端部材８と加熱溶融部５とを互いに接触することなく近接配置させた本実施形態のはんだ付け装置１によれば、以下の効果を得ることができる。
１．加熱溶融部５と先端部材８とが非接触であることから予備加熱部４及び加熱溶融部５が超音波の影響を受けない。これにより、溶解状態のはんだを先端部材８に一定量供給することができ、定量のはんだ付けが可能である。
２．加熱溶融部５と先端部材８とが互いに近接配置されていることで予めはんだを溶解した状態で基板９上に保持する必要が無い。これにより、はんだの酸化と基板上のパターンや回路部品の熱劣化を防止して信頼性の高いはんだ付けが可能となる。
３．加熱溶融部５と先端部材８とが互いに近接配置されていることで、溶融状態のはんだが先端部材８に供給されることとなり、先端部材８の温度低下を防止できる。これにより、溶融はんだに安定して超音波を作用させることが可能となり、高品質のはんだ付けが可能となる。
４．先端部材８の温度低下を防止できる。これにより、先端部材８の温度低下を防止するための機構が不要となることから超音波ホーン７と先端部材８を軽量で単純な円筒や角柱などの棒状とすることで装置の簡略化が可能となる。
５．超音波ホーン７と先端部材８を軽量で単純な円筒や角柱などの棒状とすることができる。これにより、発振周波数や振幅の安定した超音波を作用させることが可能となり、高品質のはんだ付けが可能となる。
（第２の実施形態）
図３は、本実施形態のはんだ付け装置の模式的な外観図であり、図４は図３中のＢ部を拡大した一部拡大図である。

第１の実施形態では溶融手段として加熱溶融部５が予備加熱部４の先端部分に設けられていた。これに対して本実施形態のはんだ付け装置１００の溶融手段は、はんだコテ５１を備えている。これ以外の基本的な構成、温度設定及びは第１の実施形態のはんだ付け装置１と同様であるので詳細な説明は省略する。また、第１の実施形態と同じ構成要素に関しては第１の実施形態で用いた符号を用いて説明する。

加熱溶融部５は、第１の実施形態と同様に先端部材８には接触しない位置に配置されている。このため、超音波の影響を受けないので、溶解状態のはんだを先端部材８に一定量供給することができ、定量のはんだ付けが可能である。

はんだコテ５１は、先端部材８に互いに接触することなく近接配置されており、加熱溶融部５から供給されたはんだ２を溶融状態にして先端部材８の側面１１に供給する。すわなち、はんだコテ５１は溶融状態のはんだを先端部材８の実質的に同軸上に流し込むことが可能な位置に配置されている。

以上の構成の本実施形態のはんだ付け装置１００は、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
（溶融手段及び先端部材の形状）
第１及び第２の実施形態における溶融手段及び先端部材８は溶融したはんだを滞りなく一定量だけ先端部材８の底部１２と基板９との間に流れ込ませ易い形状とするのが好適である。そこで、このような溶融手段及び先端部材の形状例について図５〜図７を用いて説明する。

図５は加熱溶融部の一例の先端部分の外観斜視図である。加熱溶融部５を円筒形状とし、さらに先端部分を斜めにカットした形状としておくことで、後述する先端部材８の側面１１に形成された側面溝８ａにはんだを流し込み易くすることができる。

図６ははんだコテの先端部分の一例の外観斜視図である。はんだコテ５１の上面５２に誘導溝５１ａを形成しておくことで溶融状態のはんだを先端部材８の側面１１に形成された側面溝８ａに誘導しやすくなる。

図７は先端部材８の外観斜視図である。側面１１に、加熱盤１０に対面する底部１２までつながる溝１１ａを形成しておくことで加熱溶融部５あるいははんだコテ５１から供給された溶融状態のはんだを先端部材８の底部１２と基板９との間に誘導することができる。

なお、側面溝８ａ、誘導溝５１ａの断面形状は特に限定されるものではなく、図示するようにＶ字形状や、半円形状であってもよい。

本発明の第１の実施形態におけるはんだ付け装置の模式的な外観図である。 図１中のＡ部を拡大した一部拡大図である。 本発明の第２の実施形態におけるはんだ付け装置の模式的な外観図である。 図３中のＢ部を拡大した一部拡大図である。 本発明の加熱溶融部の先端部分の一例の外観斜視図である。 本発明のはんだコテの先端部分の一例の外観斜視図である。 本発明の先端部材の一例の外観斜視図である。

符号の説明

１ はんだ付け装置
２ はんだ
４ 予備加熱部
５ 加熱溶融部
６ 超音波発生部
８ 先端部材
９ 基板
１０ 加熱盤

Claims (11)

1. 溶融されていないはんだを、はんだが溶融する温度以上の温度に加熱して溶融する溶融部と、
   はんだを振動させる振動部と、
   を有しており、
   前記振動部は、はんだを付与する対象物に対して、はんだを振動させた状態で付与するものであり、
   前記溶融部と前記振動部とは互いに接触しないようにして一体に配置されており、
   前記溶融部から溶融したはんだが前記振動部に対して付与されることを特徴とするはんだ付け装置。
2. 前記溶融部は、前記振動部の前記対象物に相対する面の側面に溶融したはんだを供給する位置に配置されている請求項１に記載のはんだ付け装置。
3. 前記溶融部は、中空のはんだ経路を備えており、該中空のはんだ経路内ではんだを加熱して溶融する請求項１または２に記載のはんだ付け装置。
4. 前記溶融部には溶融したはんだを前記振動部に向けて誘導する誘導溝が形成されている請求項１もしくは２に記載のはんだ付け装置。
5. 前記振動部の前記側面には、前記溶融部から供給されたはんだを前記対象物に相対する面に誘導する側面溝が形成されている請求項２に記載のはんだ付け装置。
6. 溶融されていないはんだをはんだが溶融される温度よりも低い温度まで加熱する予備加熱部を更に有しており、該予備加熱部から前記溶融部にはんだを供給する請求項１ないし５のいずれかに記載のはんだ付け装置。
7. 更に超音波を発生させる超音波発生部と、該超音波発生部で発生した超音波を前記振動部に伝達する超音波ホーンとを有する請求項１ないし６のいずれかに記載のはんだ付け装置。
8. 前記溶融部の温度が前記振動部の温度よりも高いことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のはんだ付け装置。
9. はんだが溶融する温度以上の温度にはんだを加熱する溶融部ではんだを溶融し、前記溶融部での加熱によって溶融したはんだに対して振動部で振動を与えながらはんだを対象物に付与するはんだ付け方法であって、
   前記溶融部と前記振動部とは互いに接触しないようにした状態で、前記溶融部と前記振動部とを一体で前記対象物に対して相対的に移動しながらはんだの付与を行うことを特徴とするはんだ付け方法。
10. 前記対象物を前記はんだが溶融する温度よりも低い温度に加熱しながらはんだの付与を行う請求項９に記載のはんだ付け方法。
11. 前記溶融部の温度が前記振動部の温度よりも高いことを特徴とする請求項９もしくは１０に記載のはんだ付け方法。

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