JP4541327B2 - 搬送治具及び加工装置 - Google Patents

Description

この発明は、プリント基板の搬送治具に係り、特に部品のはんだ付けに際し溶融はんだ噴流上にプリント基板を搬送するための搬送治具及びこれを用いてプリント基板を加工する加工装置に関するものである。

回路部品を実装したプリント基板ユニット（回路基板）の製造に際し、生産性や作業性を向上させるため、特にプリント基板上に配置された回路部品の電極やリードのはんだ付けに対して、はんだ付け装置が広く用いられている。

例えば、特許文献１では、回路部品を配置したプリント基板を、溶融させたはんだの噴流に搬送してはんだ付けする。なお、特許文献１のはんだ噴流槽は、噴流槽上部に設けたノズルから不活性ガスを噴出させて、はんだ噴流面を不活性ガス雰囲気にして酸化を抑制している。

従来のはんだ噴流槽において、プリント基板に形成したスルーホール内にはんだを充填してはんだ付けする場合、先ず静止噴流槽に浸漬させることでスルーホール内部にはんだを充填し、その後、傾斜噴流槽で斜めに噴流させた溶融はんだに接触させることで仕上げはんだ付けが行われる。

特開平７−１８５７９０号公報

従来のはんだ噴流槽では、溶融させたはんだの静止噴流に、回路部品を配置したプリント基板の裏面を浸漬させることにより、プリント基板への回路部品のはんだ付けを行っていた。このため、鉛フリーはんだのように材料自体のぬれ性が小さい場合、スルーホール内部にはんだが十分に充填できない（はんだ上がりが悪い）という課題があった。

例えば、プリント基板の板厚が厚い、層数が多い、熱容量の大きな電子部品が実装されている等のように、スルーホール内への良好なはんだ上がりを阻害する要因がある場合、従来のような静止噴流でのはんだ付けでは、スルーホール内に十分にはんだを充填できず、良好なはんだ付けが困難である。はんだ付け不良が発生した場合、その修正作業が必要であり、回路基板の製造を煩雑化させるばかりか、多大な費用を要する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、プリント基板を用いた回路基板の製造にあたり、特に溶融はんだ等の流動部材をプリント基板に形成したスルーホール内部へ充填する効率を飛躍的に向上させることができる搬送治具及びこれを用いてプリント基板を加工する加工装置を得ることを目的とする。

この発明に係る搬送治具は、プリント基板を流動部材上に搬送する搬送治具であって、プリント基板を一方の面側で支持し、プリント基板の一部を他方の面側の流動部材に露出する開口部を設けた支持板と、支持板の他方の面側に設けられ、プリント基板を流動部材上に搬送した際に、少なくとも流動部材の流動方向に対向して開口部を３方から囲む整流板とを備えるものである。

この発明によれば、上述の搬送治具において、流動部材の流動方向に整流板が対向するように流動部材に浸漬しながらプリント基板を搬送することで、溶融はんだ等の流動部材をプリント基板に形成したスルーホール内部へ充填する効率を飛躍的に向上させることができるという効果がある。これにより、本発明をはんだ付けに適用した場合、高信頼性の要求される製品群に実装する回路基板において良好なはんだ付状態を安定的に提供することができる。また、はんだ付け不良に対する修正作業を省略することができ、この作業に要する多大な費用の発生を抑制することが可能である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による搬送治具を示す図であり、整流板に垂直な方向に切った断面を示している。また、図２は、図１中の搬送治具を整流板を取り付けた面側から見た図であり、図３は、図１中の搬送治具の側面図である。図１に示すように、実施の形態１による搬送治具３は、プリント基板２を支持する支持板３ａと、支持板３ａに設けられた整流板４とから構成される。

プリント基板２は、電子部品１が実装されて回路基板を構成し、表裏面を貫通するスルーホールが形成されている。なお、この実施の形態１では、プリント基板２の一方の面に配置された電子部品１の電極端子が当該スルーホールに挿入され、他方の面から当該スルーホールに溶融はんだ（流動部材）７を充填してはんだ付けを行う処理を例に挙げて説明する。

支持板３ａは、図２に示すように、プリント基板２の形状に合わせた矩形状を有しており、プリント基板２に配置した電子部品１のはんだ付け部分を露出させるための貫通穴であるはんだ付け開口部（開口部）５が形成される。また、整流板４は、はんだ付け開口部５を囲むように支持板３ａの３方向に取り付けられる。特に、両側面を結ぶ一端に取り付けた整流板４が、溶融はんだ７の流動方向に位置するように配置される。

実施の形態１による搬送治具３は、後述するように、整流板４によりはんだ付け開口部５を囲む部分における溶融はんだの流動方向を変化させてプリント基板２に設けたスルーホール内へのはんだ上がりを向上させる。図２に示す整流板４の幅ａが３００ｍｍ以内であり、整流板４から最も遠いはんだ付け開口部５までの距離ｂが１５０ｍｍ以内、側面の整流板４の長手方向の寸法ｃが少なくとも距離ｂより大きく、溶融はんだに浸漬される整流板４の縦方向の寸法ｄが５〜２０ｍｍである場合、良好なはんだ上がりが得られることが確認されている。なお、整流板４の板厚は、はんだ上がり効果に特に影響を与えない。

図４は、実施の形態１による搬送治具を用いた加工装置を示す図であり、図４（ａ）は図１中の搬送治具でプリント基板を静止フローはんだ槽に浸漬させた状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中の静止フローはんだ槽内でのはんだの流動方向を示す図である。図４に示す加工装置６は、例えば鉛フリーはんだの溶融はんだ７で満たされた静止フローはんだ槽（噴流槽）８を備える。

静止フローはんだ槽８は、内部槽９が設けられた二重構造を有している。溶融はんだ７は、図４（ｂ）に示すように、プロペラ１０の回転により内部槽９内を図中の矢印方向に流動し、内部槽９からあふれるとその外側に溜まり、内部槽９の下部に設けた流入穴１１を経由して内部槽９内に循環する。このため、内部槽９からあふれる溶融はんだ７は、図４（ｂ）中に矢印で示すように溶融はんだ７の表面層に水平な方向に流動している。

図４に示す加工装置６ではんだ付けを行う場合、電子部品１が配置されたはんだ付け対象部分がはんだ付け開口部５に位置するようにプリント基板２を支持板３ａ上に設置し、整流板４を取り付けた面側から溶融はんだ７に浸漬させる。

なお、浸漬させる方向としては、静止フローはんだ槽８における溶融はんだ７の表面層に対して垂直に浸漬させる他、整流板４で囲まれた部分で溶融はんだ７の流動方向が変化するように、溶融はんだ７の表面層に対して水平方向に移動させながら浸漬しても良い。また、溶融はんだ７に浸漬した際、プリント基板２が支持板３ａから浮き上がらないように、プリント基板２の一部を支持板３ａに固定してもよい。

次に実施の形態１による搬送治具を用いたはんだ付けの概要について説明する。
図５は、整流板のない従来の搬送治具を溶融はんだに浸漬させた状態を示す断面図である。図５に示すように、従来の搬送治具３Ａは、電子部品１を配置したプリント基板２を支持する平板の支持板３ｂのみである。このため、従来の搬送治具３Ａでは、上述した静止フローはんだ槽８のように溶融はんだ７が水平方向（図５中に矢印で示す方向）に流動している場合、プリント基板２に形成したスルーホール内部に溶融はんだ７が上がる方向への流動が発生しない。

従って、プリント基板２の板厚が厚い、層数が多い、熱容量の大きな電子部品が実装されている、というような良好なはんだ上がりを阻害する条件が重なると、スルーホール内部に溶融はんだ７が十分に充填されず、はんだ上がり不良が発生する。

これに対し、実施の形態１による搬送治具３では、図６に示すように、水平方向に流動する溶融はんだ７が、流動方向に対向する整流板４によって遮られ、溶融はんだ７が逆方向に折り返す流動に変化する。また、同時に、両側面に取り付けられた整流板４によって、折り返した溶融はんだ７の流れが遮られる。

これにより、整流板４に囲まれた空間内では渦状に溶融はんだ７が流動し、図６中に矢印で示すように水平方向からプリント基板２側へ向かう垂直方向に溶融はんだ７の流動方向が局所的に変化する。このとき、整流板４に囲まれた空間内における溶融はんだ７の圧力が一時的に上昇するため、スルーホール内部への溶融はんだ７の充填が促進される。

図７は、はんだ上がりの評価結果を示す図であり、図７（ａ）はスルーホール内部へのはんだの充填度合を示しており、図７（ｂ）はプリント基板の各基板仕様における従来の搬送治具及び本発明の搬送治具でのはんだ上がり評価結果を示している。図７（ａ）では、スルーホール内部へのはんだの充填度合をＡ，Ｂ，Ｃの３つのレベルで示しており、スルーホールの開口部付近までしかはんだが充填されていないレベルＣは、はんだ上がり不良であり、スルーホール内部にはんだが十分に充填されているレベルＡ，Ｂがはんだ上がり良品として評価される。

図７（ｂ）は、プリント基板２として、板厚ｔ＝１．６ｍｍの４層のガラスエポキシ基板、板厚ｔ＝１．６ｍｍの６層のガラスエポキシ基板、板厚ｔ＝２．４ｍｍの１２層のガラスエポキシ基板、板厚ｔ＝２．４ｍｍの２４層のガラスエポキシ基板を用いた場合を示している。これら各仕様のプリント基板２を用い、図４に示す静止フローはんだ槽８において、図５に示した従来の搬送治具３Ａと図６に示した実施の形態１による搬送治具３で搬送して同様の条件ではんだ付け処理を行った。

板厚ｔ＝１．６ｍｍで積層数が４層、６層と少ない場合、従来の搬送治具３Ａであっても、はんだ付けした総数のうち、レベルＡのはんだ上がり状態となったものが８０％を超えていた。一方、実施の形態１による搬送治具３の場合は、１００％の割合でレベルＡの状態ではんだ付けができている。

さらにスルーホール内への良好なはんだ上がりを阻害する条件として、板厚をｔ＝２．４ｍｍとし、積層数を１２層、２４層と増やした場合、従来の搬送治具３Ａでは、レベルＡのはんだ上がり状態となったものが極端に減り、全体の２８％、１２％になっている。また、最も条件の過酷な板厚ｔ＝２．４ｍｍで積層数が２４層の場合に至っては、はんだ上がり不良であるレベルＣとなったものが、全体の６０％に達している。

これに対して、実施の形態１による搬送治具３では、板厚ｔ＝２．４ｍｍで積層数が１２層の場合は依然として１００％の割合でレベルＡの状態ではんだ付けができており、最も条件の過酷な板厚ｔ＝２．４ｍｍで積層数が２４層の場合であっても、８０％を超える割合でレベルＡの状態でのはんだ付けができている。

以上のように、この実施の形態１によれば、搬送治具３に整流板４を設け、整流板４により溶融はんだ７の流れ方向を局部的に変化させることで、整流板４に囲まれた空間内における溶融はんだ７の圧力が一時的に上昇する。これにより、スルーホール部へのはんだ上がり状態を飛躍的に向上させることができる。従って、高信頼性の要求される製品群に用いる実装基板において、良好なはんだ付状態を安定的に提供することができる。また、修正作業等による多大な費用発生の抑制が可能である。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による加工装置を示す図であり、内部構造が視認できるように断面を示している。実施の形態２による加工装置６Ａは、鉛フリーはんだ等の溶融はんだ（流動部材）７で満たされた傾斜フローはんだ槽（噴流槽）８Ａ及び搬送治具３を溶融はんだ７上に搬送する搬送レール１２を備える。

傾斜フローはんだ槽８Ａは、内部槽９が設けられた二重構造を有しており、内部槽９には開口径と高さが異なる２つのノズル１３ａ，１３ｂが設けられている。溶融はんだ７は、図８に示すように、プロペラ１０の回転により内部槽９内を図中の矢印方向に流動し、高さの高い大口径のノズル１３ａと高さの低い小口径のノズル１３ｂからそれぞれ噴出する。

内部槽９からあふれた溶融はんだ７は内部槽９の外側に溜まり、内部槽９の下部に設けた流入穴１１を経由して内部槽９内に循環する。なお、内部槽９からあふれた溶融はんだ７は、図８中に矢印で示すように溶融はんだ７の表面層に水平な方向に流動する。

また、小口径のノズル１３ｂでは、溶融はんだ７の噴出する圧力がノズル１３ａより高いが、噴出した溶融はんだ７により形成される表面層の面積は小さい。一方、大口径のノズル１３ａでは、溶融はんだ７の噴出する圧力はノズル１３ｂより小さいが、噴出した溶融はんだ７により形成される表面層の面積はノズル１３ｂより大きい。

搬送レール１２は、ノズル１３ａ，１３ｂから噴出する溶融はんだ７に搬送治具３の下部が接するように適切な傾斜角度で設けられ、搬送治具３がノズル１３ｂからノズル１３ａに向かう方向（図中の白抜き矢印で示す方向）に搬送される。

図８に示す加工装置６Ａではんだ付けを行う場合、電子部品１の電極端子を挿入したスルーホールがはんだ付け開口部５に位置するようにプリント基板２を支持板３ａに取り付け、整流板４の取り付け面を下にして搬送レール１２に設置する。このとき、図８に示すように、搬送レール１２での搬送方向とは反対側に整流板４が位置するように設置する。

この後、搬送レール１２上に搬送治具３を移動させて、ノズル１３ａ，１３ｂから噴出する溶融はんだ７の表面に接するように搬送治具３の下部を浸漬させる。図９は、図８中の加工装置で搬送治具を溶融はんだに浸漬させた状態を示す断面図である。搬送レール１２上で搬送治具３をノズル１３ｂからノズル１３ａに向かう方向（図９中の白抜き矢印で示す方向）に移動させると、その搬送方向とは逆方向でかつ水平方向に流動する溶融はんだ７の流れが発生する。

この溶融はんだ７の流れは、上記実施の形態１と同様に、溶融はんだ７の流動方向に対向する整流板４によって遮られ、溶融はんだ７が逆方向に折り返す流動に変化する。また、同時に、両側面に取り付けられた整流板４によって、折り返した溶融はんだ７の搬送治具３両側の流れが遮られる。

これにより、整流板４に囲まれた空間内では渦状に溶融はんだ７が流動し、図９中に矢印で示すように水平方向からプリント基板２側へ向かう垂直方向に溶融はんだ７の流動方向が局所的に変化する。このとき、整流板４に囲まれた空間内における溶融はんだ７の圧力が一時的に上昇するため、スルーホール内部への溶融はんだ７の充填が促進されることになる。

なお、実施の形態２による加工装置６Ａでは、プロペラ１０の回転により生じる溶融はんだ７の流動のみならず、搬送レール１２上を搬送させることにより溶融はんだ７に流動を生じさせる。このため、実施の形態２による加工装置６Ａの場合、搬送レール１２上での搬送方向の力を制御すれば、整流板４に囲まれた空間内における溶融はんだ７の圧力をより大きく上昇させることができる。

これにより、上記実施の形態１では、図３で示した整流板４の深さ方向の寸法ａが５〜２０ｍｍである場合が好ましかったが、実施の形態２による加工装置６Ａでは、整流板４の深さ方向の寸法ａが２〜１０ｍｍ程度であっても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

以上のように、この実施の形態２によれば、搬送レール１２を用いて、整流板４が溶融はんだ７の流動方向に対向するように搬送治具３を移動させることで、整流板４に囲まれた空間内における溶融はんだ７の圧力が一時的に上昇する。これにより、スルーホール部へのはんだ上がり状態を飛躍的に向上させることができる。従って、高信頼性の要求される製品群に用いる実装基板において、良好なはんだ付状態を安定的に提供することができる。また、修正作業等による多大な費用発生の抑制が可能である。

なお、上記実施の形態１及び上記実施の形態２では、溶融はんだとして鉛フリーはんだを用いる場合を示したが共晶はんだであっても良く、同等の効果が得られる。

また、上記実施の形態１及び上記実施の形態２では、溶融はんだをスルーホール内部に充填して電子部品１を固定する処理を示したが、流動性のある樹脂をスルーホールに充填して穴埋めする処理にも適用することができ、同等の効果を得ることができる。

さらに、上記実施の形態２において、搬送レール１２上での搬送治具３の搬送を制御してスルーホールへ導入する流動部材の量を適切に調整することで、様々な加工を実行できる。例えば、金属の流動部材を用い、スルーホールへ導入する流動部材の量を調節して、いわゆる溶融めっきでスルーホール内壁面をコーティングすることもできる。

この発明の実施の形態１による搬送治具を示す図である。 図１中の搬送治具を整流板を取り付けた面側から見た図である。 図１中の搬送治具の側面図である。 実施の形態１による搬送治具を用いた加工装置を示す図である。 従来の搬送治具を溶融はんだに浸漬させた状態を示す断面図である。 図１中の搬送治具を溶融はんだに浸漬させた状態を示す断面図である。 はんだ上がりの評価結果を示す図である。 この発明の実施の形態２による加工装置を示す図である。 図８中の加工装置で搬送治具を溶融はんだに浸漬させた状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 電子部品、２ プリント基板、３，３Ａ 搬送治具、３ａ，３ｂ 支持板、４ 整流板、５ はんだ付け開口部（開口部）、６，６Ａ 加工装置、７ 溶融はんだ（流動部材）、８ 静止フローはんだ槽（噴流槽）、８Ａ 傾斜フローはんだ槽（噴流槽）、９ 内部槽、１０ プロペラ、１１ 流入穴、１２ 搬送レール、１３ａ，１３ｂ ノズル。

Claims (3)

1. プリント基板を流動部材上に搬送する搬送治具であって、
   前記プリント基板を一方の面側で支持し、前記プリント基板の一部を他方の面側の前記流動部材に露出する開口部を設けた支持板と、
   前記支持板の他方の面側に設けられ、前記プリント基板を前記流動部材上に搬送した際に、少なくとも前記流動部材の流動方向に対向して前記開口部を３方から囲む整流板とを備えた搬送治具。
2. 流動部材が流動する噴流槽を備え、搬送治具にのせたプリント基板を前記噴流槽の流動部材に接触させて加工する加工装置において、
   前記搬送治具は、請求項１記載の搬送治具であることを特徴とする加工装置。
3. 噴流槽上に設けられた搬送レールを備えたことを特徴とする請求項２記載の加工装置。

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