JP2016201469A - 局所はんだ付けノズル及びそれを用いたはんだ噴流装置及び局所はんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板の板厚が厚い場合でも、挿入実装部品を高品質に局所はんだ付けできる局所はんだ付けノズル及びそれを用いたはんだ噴流装置及び局所はんだ付け方法を提供する。【解決手段】局所はんだ付けノズルであって、溶融したはんだが開口部から噴流するはんだ付けノズルと、はんだ付けノズルの内部にはんだ付けノズルの開口径よりも小さい開口径で溶融はんだを噴流するはんだ流路を備えるように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板に局所的に溶融はんだを噴流させてはんだ付けを行う局所はんだ付けノズル及びそれを用いたはんだ噴流装置及び局所はんだ付け方法に関する。

従来、はんだ槽内に溜めた溶融はんだをノズルを用いて上方に噴流し、プリント基板に設けられたスルーホールに局所的にはんだ付けを行う局所はんだ付け装置が用いられている。

本技術分野に関連する背景技術として、例えば、特開２００９−２６２２００号公報（特許文献１）、特開２０１０−２７４２８６号公報（特許文献２）、特開２０１１−３５０４４号公報（特許文献３）がある。

特許文献１には、局所はんだ付けノズルの上端よりも高い位置に開放端を有する受け皿を外周囲に設け、この受け皿に蓄えた溶融はんだを突き抜けるように、局所はんだ付けノズルから溶融はんだを噴流させ、受け皿に蓄えた溶融はんだによる表面張力により、噴流する溶融はんだの広がりを抑制する技術が開示されている。

また、特許文献２には、局所はんだ付けノズルの内部流路を先端側にて２つの円柱形状の流路に隔壁で分割し、複数点のはんだ付けを同時に良好に行うことができる技術が開示されている。

さらに、特許文献３には、局所はんだ付けノズルの内部にノズル口よりも小径のはんだ流通路を設け、噴流した溶融はんだを流通路に流入することで、不要な部分にはんだ付けされないようはんだの広がりを抑制する技術が開示されている。

特開２００９−２６２２００号公報 特開２０１０−２７４２８６号公報 特開２０１１−３５０４４号公報

局所はんだ付け方式では、プリント基板下面から溶融したはんだを接触して供給するため、はんだ付けする電極部分に予めフラックスが塗布されている。そして、溶融したはんだによる熱により、電極部分に塗布されたフラックスによって清浄化された電極表面にはんだが濡れ上がることで、はんだ付けを行う。

一方、プリント基板の高周波回路化や高集積回路化に伴い、プリント基板の層数が多くなり、プリント基板の板厚が厚くなってきている。それに伴いスルーホールの長さも長くなり、挿入実装部品を固定するために必要な溶融はんだの噴流量を増加させる必要があるが、特許文献１，２，３のいずれもこの点を考慮していない。

プリント基板の厚さが厚くなると、はんだが濡れ上がる前に溶融はんだによる熱により電極部分に塗布されたフラックスが飛散し、電極表面の清浄化が損なわれることがあり、プリント基板の上部まではんだが濡れ上がらなくなることが課題となる。

特に、局所はんだ付け方式では、隣接するスルーホール部にはんだを供給している際に、溶融はんだの熱で隣接したスルーホール内の電極部分に塗布されたフラックスが飛散し、はんだの濡れ上がりを阻害することが課題となる。

なお、溶融はんだの噴流量を増大させる方法として、溶融はんだの熱容量を増大させるために局所はんだ付けノズルのノズル開口径を大きくすることが考えられるが、高密度実装基板においては、リフローはんだ付けにて既に実装されている表面実装部品等の隣接部品に対しても不必要にはんだが付着してしまい、部品離脱等の不良発生の要因となり、プリント基板の設計に制約が生じてしまう。

また、溶融はんだの噴流速度を上げる方法も考えられるが、溶融はんだの噴流高さにばらつきが生じ、これも不必要な部分にはんだが付着することになり、高品質なはんだ付けが不可能となる。

さらに、溶融はんだの噴流時間を長くする方法も考えられるが、生産時間が長くなり、また、プリント基板への過加熱により食われが発生し、回路パターンを損傷させることになる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、局所はんだ付けノズルを用いて局所はんだ付けする際に、層数が多く板厚が厚いプリント基板のスルーホールへの溶融はんだのフローアップ性を促進させ、はんだ充填性を向上させる局所はんだ付けノズル及びそれを用いたはんだ噴流装置及び局所はんだ付け方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、局所はんだ付けノズルであって、溶融したはんだが開口部から噴流するはんだ付けノズルと、はんだ付けノズルの内部にはんだ付けノズルの開口径よりも小さい開口径で溶融はんだを噴流するはんだ流路を備えるように構成する。

本発明によれば、層数が多い厚板・高集積のプリント基板においても高品質に局所はんだ付けが可能となる。

実施例１における局所はんだ付けノズルの断面図である。 実施例１における局所はんだ付けノズルを用いたはんだ噴流装置の全体構成図である。 実施例１における局所はんだ付けノズルと挿入実装部品の局所はんだ付け状態のプリント基板の部分断面図である。 実施例２におけるプリント基板の製造プロセスを示す図である。 従来例を説明するための局所はんだ付けノズルと挿入実装部品の局所はんだ付け状態のプリント基板の部分断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

まず、本実施例を説明する前に、前提となる従来技術について説明する。図５は従来の局所はんだ付けノズルと、挿入実装部品の局所はんだ付け状態のプリント基板の部分断面図を模式的に示した図である。図５において、２０は局所はんだ付けノズル、６ははんだ槽、５は溶融はんだ、１５は噴流される溶融はんだ、１０はプリント基板、９はプリント基板の基材、７はソルダレジスト、８はランド、１２は挿入実装部品、１１は挿入実装部品のリード端子、１３はプリント基板のスルーホールである。図５に示すように、はんだ槽６内に溜めた溶融はんだ５を局所はんだ付けノズル２０を用いて上方に噴流し、噴流される溶融はんだ１５でプリント基板１０に設けられたスルーホール１３に局所的にはんだ付けを行う。

図５は、プリント基板１０の板厚が厚くない場合を示しており、例えば内層総数４層で板厚が１．６ｍｍ程度のため、プリント基板１０に損傷を与えることなく、かつ生産時間を長くすることなく、リード端子１１をスルーホール１３に固定するために必要なはんだ充填量を噴流する局所はんだ付けノズル２０の噴流条件を見出すことができた。しかし、プリント基板の高周波回路化や高集積回路化により、プリント基板１０の総数が多くなり、全体として板厚が厚くなると、それに伴いスルーホール１３の高さが高くなり、体積も大きくなるため、リード端子１１をスルーホール１３に固定するための充填はんだ量を多くする必要がある。

なお、プリント基板１０の板厚が厚くなると、リード端子１１がスルーホール１３より短く、スルーホール１３の下端からリード端子１１の先端が突出しない場合があるが、プリント基板の１０の板厚が厚くなっても、挿入実装部品１２の種類によっては、リード端子１１の長さがスルーホール１３の長さより長いこともあり、図５に示すように、リード端子１１の先端がスルーホール１３の下端から突出する場合があることは言うまでもない。

充填はんだ量を多くするための方法として、噴流量を増大する、溶融はんだの噴流速度を上げる、噴流時間を長くする等の方法では、前記の事由の通り、不必要な部分にはんだが付着したり、過加熱によるプリント基板の食われ等の問題があり、プリント基板の板厚が厚くなるに連れて高品質なプリント基板の製造が困難になる。

よって、これらを解決するための本実施例について以下説明する。図１は、本実施例における局所はんだ付けノズルの断面図である。図１に示すように、本実施例の局所はんだ付けノズル１００は、第１のはんだ流路２を備えたはんだ付けノズル１と、第２のはんだ流路４を備えた例えばニードルのような、第２のはんだ付けノズルであるはんだ噴射装置３を具備している。はんだ付けノズル１およびはんだ噴射装置３は、はんだ槽６から上方に向けて垂直に設置される円筒状の金属部材であり、はんだ流路２ははんだ付けノズル１の内部経路、はんだ流路４ははんだ噴射装置３の内部経路である。すなわち、局所はんだ付けノズル１００は、はんだ付けノズル１の内部にはんだ噴射装置３を内包した２重構造となっている。また、はんだ付けノズル１の開口部１ａの開口径は、はんだ噴射装置３の開口部３ａの開口径よりも大きく、例えば７．６ｍｍ大きく、かつ、開口部１ａは開口部３ａよりも高い位置、例えば２ｍｍ上方にある。

図２に、本実施例の局所はんだ付けノズル１００を用いたはんだ噴流装置２００の全体構成図の模式図を示す。溶融はんだ５は、はんだ槽６に貯留され、図示していない熱源により加熱されており、圧送装置２１０により加圧され、圧送部２２０から、はんだ槽６からの溶融はんだ５が、はんだ流路２および４を上方に向かって通過して噴流される。

図３は、本実施例における局所はんだ付けノズルと、挿入実装部品の局所はんだ付け状態のプリント基板の部分断面図を模式的に示した図である。

図３に示すように、噴流された溶融はんだは、被はんだ付け体であるプリント基板１０のはんだ付け部であるスルーホール１３の下部に到達し、リード端子１１をスルーホール１３に固定する。溶融はんだがはんだ槽６から圧送される時、はんだ付けノズル１とはんだ噴射装置３にかかる単位面積当たりの圧力は同じであるから、開口部１ａと開口部３ａの開口径の違いから、はんだ流路４を通過する溶融はんだの流速は、はんだ流路２を通過する溶融はんだの流速よりも大きくなる。そのため、はんだ付けノズル１の開口径の大きい開口部１ａからは、噴流面積が大きく、図示した波高Ｃの噴流高さが低い溶融はんだが噴流され、一方、はんだ噴射装置３の開口径の小さい開口部３ａからは、噴流面積が小さく、図示した波高Ｄの噴流高さが高い溶融はんだが噴流される。したがって、開口径の小さい開口部３ａから噴流される溶融はんだにより、局所はんだ付けノズル全体から噴流される溶融はんだの噴流高さは、従来の局所はんだ付けノズルから噴流される溶融はんだの噴流高さよりも高くなり、板厚が厚いプリント基板のスルーホールのはんだ充填を促進する。さらに、開口部１ａから噴流される溶融はんだは、その噴流面積の大きさにより熱容量が確保され、高品質なはんだ付けが可能となる。すなわち、はんだ付けノズル１とはんだ噴射装置３から噴流される溶融はんだにより、異なる噴流高さの溶融はんだを同時に噴流し、被はんだ付け体の同一のはんだ付け部をはんだ付けすることで、高品質にはんだ付けが可能となる。

以上のように、本実施例は、局所はんだ付けノズルにおいて、溶融はんだを上端から噴流するノズルが、このノズルの開口径よりも小さい開口径を有するはんだ流路を内包し、二つのはんだ噴流経路を備えるものである。

また、溶融はんだが貯留されたはんだ槽から溶融はんだが噴流される際、内包された開口径の小さいはんだ流路の噴流速度は、開口径の大きいはんだ付けノズルの噴流速度よりも大きくなり、二つのはんだ噴流経路から異なる噴流速度の溶融はんだが同時に噴流される。

また、開口径の小さいはんだ流路から噴流される溶融はんだは噴流速度が大きいため、その噴流高さは、開口径の大きいはんだ付けノズルから噴流される溶融はんだの噴流高さよりも高くなり、異なる噴流高さの溶融はんだを同時に所定のはんだ付け箇所へ噴流することができる。

また、内包された開口径の小さいはんだ流路の上端が、開口径の大きいはんだ付けノズルの上端よりも低い位置にあるため、開口径の大きいはんだ付けノズルにおいて溶融はんだの熱容量を確保でき、かつ、不要な部分にはんだ付けが行われることなく、高品質な局所はんだ付けが可能となる。

よって、本実施例における局所はんだ付けノズルおよび局所はんだ付け方法は、開口径が大きく安定した噴流高さを維持できるはんだ経路と、これよりも噴流高さを増大させたはんだ流路から同時に溶融はんだを噴流することにより、所定のはんだ付け箇所への噴流高さを安定して増大できるため、層数が多い厚板のプリント基板のスルーホールにおいても所定量のはんだ充填を可能とするものである。

例えば、板厚が３．２ｍｍのプリント基板のスルーホール（例えばスルーホール径：１．２ｍｍ）にリード端子（例えばリード端子径：０．８ｍｍ）を固定させる場合、図３における局所はんだ付け時の噴流高さは、例えば７ｍｍであり、従来の局所はんだ付けノズルの噴流高さよりも例えば４ｍｍ高くなり、前記スルーホールにはんだを充填することができる。よって、本実施例の局所はんだ付けノズルによって高品質にはんだ付けされた被はんだ付け体を備えたプリント基板を提供できる。

開口部１ａの面積を、隣接部品に付着しない範囲で大きくしてさらに熱容量を増大させ、かつ、開口部３ａの面積を小さくして、はんだ流路４を通過する溶融はんだの流速を上昇させることにより、さらに板厚の厚いプリント基板のスルーホールでも挿入実装部品のリード端子を高品質にはんだ付けできる。

なお、本実施例では、２重構造の局所はんだ付けノズルとしたが、３重等の複数構造としてもよい。また、異なる噴流高さの溶融はんだを噴流すればよいので、上記説明した、はんだ付けノズル１に内包した、ニードルのような第２のはんだ付けノズルをもつ局所はんだ付けノズルの代わりに、例えば、はんだ付けノズル１の開口部近傍に複数の突起を設け、はんだ付けノズル１からの噴流を一部遮るようにして、第１、第２のはんだ付けノズルからの噴流高さを異ならせるようにしても良い。

以上を言い換えると、本実施例は、局所はんだ付けノズルであって、溶融したはんだが開口部から噴流するはんだ付けノズルと、はんだ付けノズルの内部にはんだ付けノズルの開口径よりも小さい開口径で溶融はんだを噴流するはんだ流路を備えるように構成する。

また、溶融したはんだが開口部から噴流する局所はんだ付けノズルであって、２つのはんだ噴流経路を備え、それぞれの噴流経路から異なる噴流高さのはんだを噴流するように構成する。

また、はんだ噴流装置であって、上記局所はんだ付けノズルを有し、さらに、溶融はんだが貯留されたはんだ槽と、加圧する圧送装置と、圧送装置からの圧力により溶融はんだを圧送する圧送部とを有し、圧送部によって溶融はんだを局所はんだ付けノズルを通過して噴流させる構成とする。

また、被はんだ付け体のはんだ付け部を局所的にはんだ付けする局所はんだ付け方法であって、噴流された溶融はんだを被はんだ付け体のはんだ付け部の下部に到達させて行うに際し、噴流する溶融はんだの噴流高さが異なる２つの噴流で、被はんだ付け体のはんだ付け部をはんだ付けするように構成する。

以上のように、本実施例によれば、層数が多い厚板・高集積のプリント基板においても高品質に局所はんだ付けが可能となる。

図４は、本実施例における表面実装部品と挿入実装部品を実装したプリント基板を製造するプロセスである。ステップ１０１から１０４までが、表面実装部品のはんだ付け工程を示し、ステップ１０５以降が挿入実装部品のはんだ付け工程を示している。

プリント基板には、スルーホールとランドが形成されており、銅電極配線にはソルダーレジスト等の絶縁層により保護されている。そのため、ランド、銅電極配線、ソルダーレジストによる段差が生じている。プリント基板中のガラスエポキシの凹凸、銅電極のめっき厚ばらつき、ソルダーレジストの塗布厚ばらつきなどもプリント基板の表面凹凸の原因である。

図４において、ステップ１０１で、印刷機において、このプリント基板にメタルマスクを接触させ、スキージを用いてはんだペーストをメタルマスクの開口部からプリント基板の表面実装部品を搭載する位置に形成されたランドに転写する。メタルマスクは、プリント基板上のランド、銅電極配線、ソルダーレジストによる段差を吸収できる有機層を有しているため、プリント基板とメタルマスクとが密着できる。そのためプリント基板とメタルマスクとの隙間にはんだペーストが滲み出すことがない。ステップ１０２で、ブリッジ（はんだショート）やはんだボールなどの不良を起こしていないことを印刷検査機で確認する。

ステップ１０３で、プリント基板のランドにはんだペーストを転写した位置に合わせて、表面実装部品をマウンタ装置で搭載する。ステップ１０４で、このプリント基板をリフロー炉に通すことにより、表面実装部品をプリント基板のランドに固定する。こうして、表面実装部品をリフロー方式ではんだ付けすることができる。

続いて、ステップ１０５で、挿入実装部品のリード端子をプリント基板のスルーホールに挿入し、フラクサーでフラックスをスルーホールおよびリード端子に塗布する。ステップ１０６で、プリヒータを用いて挿入実装部品が搭載されたプリント基板を加熱し、ステップ１０７で、実施例１で説明した、局所はんだ付け装置によってスルーホールに挿入されたリード端子をそれぞれはんだ付けする。ステップ１０８で、プリント基板全体を検査機で確認する。以上のように、本実施例に係る局所はんだ付け方法は、プリント基板の製造時間を長くすることなく、厚板のプリント基板においても所定量のはんだ充填を可能とできる。

なお、本製造プロセスを、プリント基板の板厚３．２ｍｍで実施した場合、温度サイクル等の信頼性試験（実用化試験）に十分耐えることができた。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

本発明の局所はんだ付けノズルは、開口部の開口径が大きいはんだ付けノズルが、開口径の小さいはんだ噴射経路を内包していればよく、それぞれの開口径や形状は図の構成に限定されるものではなく、また、使用するはんだ材及び被はんだ付け部材である挿入実装部品およびプリント基板の構成は任意である。

１…はんだ付けノズル、１ａ、３ａ…開口部、２…第１のはんだ流路、３…はんだ噴射装置、４…第２のはんだ流路、５…溶融はんだ、６…はんだ槽、７…ソルダレジスト、８…ランド、９…基材、１０…プリント基板、１１…リード端子、１２…挿入実装部品、１３…スルーホール、１５…噴流される溶融はんだ、２０、１００…局所はんだ付けノズル、２００…はんだ噴流装置、２１０…圧送装置、２２０…圧送部

Claims (12)

1. 溶融したはんだが開口部から噴流するはんだ付けノズルと、
   前記はんだ付けノズルの内部に前記はんだ付けノズルの開口径よりも小さい開口径で溶融はんだを噴流するはんだ流路を備えることを特徴とする局所はんだ付けノズル。
2. 請求項１に記載の局所はんだ付けノズルであって、
   前記はんだ流路は、前記はんだ付けノズルに内包する第２のはんだ付けノズルで構成されることを特徴とする局所はんだ付けノズル。
3. 請求項２に記載の局所はんだ付けノズルであって、
   前記はんだ付けノズルの開口部が、前記第２のはんだ付けノズルの開口部より高い位置にあることを特徴とする局所はんだ付けノズル。
4. 請求項３に記載の局所はんだ付けノズルであって、
   前記はんだ付けノズルから噴流する溶融はんだと前記第２のはんだ付けノズルから噴流する溶融はんだとで、被はんだ付け体の同一のはんだ付け部をはんだ付けすることを特徴とする局所はんだ付けノズル。
5. 溶融したはんだが開口部から噴流する局所はんだ付けノズルであって、２つのはんだ噴流経路を備え、それぞれの噴流経路から異なる噴流高さのはんだを噴流することを特徴とする局所はんだ付けノズル。
6. 請求項５に記載の局所はんだ付けノズルであって、
   前記２つのはんだ噴流経路は、それぞれ第１のはんだ付けノズルと前記第１のはんだ付けノズルに内包する第２のはんだ付けノズルで構成されるはんだ噴流経路であることを特徴とする局所はんだ付けノズル。
7. 請求項６に記載の局所はんだ付けノズルであって、
   前記第２のはんだ付けノズルの開口径は前記第１のはんだ付けノズルよりも小さく、
   前記第２のはんだ付けノズルの開口部から噴流する溶融はんだの噴流高さが前記第１のはんだ付けノズルの開口部から噴流する溶融はんだの噴流高さより高いことを特徴とする局所はんだ付けノズル。
8. 請求項７に記載の局所はんだ付けノズルであって、
   前記第１のはんだ付けノズルの開口部が、前記第２のはんだ付けノズルの開口部より高い位置にあることを特徴とする局所はんだ付けノズル。
9. 請求項８に記載の局所はんだ付けノズルであって、
   異なる噴流高さのはんだを同時に噴流することを特徴とする局所はんだ付けノズル。
10. 請求項１に記載の局所はんだ付けノズルを有し、
    溶融はんだが貯留されたはんだ槽と、
    加圧する圧送装置と、
    前記圧送装置からの圧力により前記溶融はんだを圧送する圧送部と、を有し
    前記圧送部によって前記溶融はんだを前記局所はんだ付けノズルの前記はんだ付けノズルと前記はんだ流路を通過して噴流させることを特徴とするはんだ噴流装置。
11. 請求項５に記載の局所はんだ付けノズルを有し、
    溶融はんだが貯留されたはんだ槽と、
    加圧する圧送装置と、
    前記圧送装置からの圧力により前記溶融はんだを圧送する圧送部と、を有し
    前記圧送部によって前記溶融はんだを前記局所はんだ付けノズルの前記２つのはんだ噴流経路を通過して噴流させることを特徴とするはんだ噴流装置。
12. 被はんだ付け体のはんだ付け部を局所的にはんだ付けする局所はんだ付け方法であって、
    噴流された溶融はんだを前記被はんだ付け体のはんだ付け部の下部に到達させて行うに際し、前記噴流する溶融はんだの噴流高さが異なる２つの噴流で、前記被はんだ付け体のはんだ付け部をはんだ付けすることを特徴とする局所はんだ付け方法。

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