JP6773331B2

JP6773331B2 - 半田接合装置

Info

Publication number: JP6773331B2
Application number: JP2017044127A
Authority: JP
Inventors: 田嶋　久容; 久容田嶋; 杉山　和弘; 和弘杉山
Original assignee: WONDER FUTURE CORPORATION
Current assignee: WONDER FUTURE CORPORATION
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2037-03-08
Also published as: WO2018164038A1; TWI759440B; TW201838750A; JP2018144093A

Description

本発明は、誘導加熱を利用して、基板上に形成された電極に電子部品を半田接合する半田接合装置に関する。

従来のリフロー方式による半田接合装置では、電子部品を実装した基板が、半田が溶融する温度まで加熱される。そのため、半田接合の対象となる領域以外にも過度な熱が加わり、電子部品や基板等に対する熱的負荷が大きくなる。

近年、電子機器の小型、軽量化に伴い、微小な電子部品を実装する基板として、フレキシブル基板が使用されているが、フレキシブル基板のコスト削減のために、従来のポリイミド樹脂に代えて、ポリエステルやポリエチレンなどの樹脂が使用されつつある。

しかしながら、ポリエステルなどの安価な樹脂は、ポリイミド樹脂よりも融点が低い。そのため、半田接合の際、フレキシブル基板が耐熱温度よりも高く加熱されると、基板が変形してしまうという問題がある。

このような問題に対して、特許文献１には、誘導加熱を利用して、半田接合の対象となる部位を局所的に加熱する方法が開示されている。この方法は、発熱体を基板に当接させた状態で、誘導加熱で加熱された発熱体の熱を、半田と当接している基板の電極を介して、半田に伝達することによって、半田を溶融させるものである。

特開２００９−９５８７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、誘導加熱で加熱された発熱体の熱を、熱伝導により、半田と当接している基板の電極に伝えるため、加熱効率が悪い。また、誘導加熱で加熱された発熱体は、半田と当接している基板の電極近傍の基板も、無用に加熱するため、基板が変形するおそれがある。また、微小な電子部品を基板に実装する場合、半田接合の対象となる部位が小さいため、発熱体を基板に当接する際、半田接合の対象となる部位に、正確に当接させることが難しくなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、誘導加熱を利用して、基板上に形成された電極に電子部品を半田接合する半田接合装置において、基板の加熱を抑制するとともに、微小な電子部品でも、容易に半田接合が可能な、加熱効率の高い半田接合装置を提供することにある。さらに、電子部品を搭載した基板を搬送しながら、基板上に形成された電極に、電子部品を半田接合する半田接合装置において、電子部品を生産性良く半田接合することができる半田接合装置を提供することにある。

本発明に係る半田接合装置は、電子部品を搭載した基板を搬送しながら、基板上に形成された電極に、電子部品を半田接合する半田接合装置であって、電子部品を搭載した基板を搬送する搬送手段と、電極と電子部品との間に介在させた半田を溶融させて、電極に電子部品を半田接合する加熱手段とを備え、加熱手段は、平面視において、内側に空間部を有するコイルと、コイルの空間部に、基板の搬送方向に沿って配列された複数のフェライトと、各フェライトと基板上に形成された電極との間隔を、独立に調整する調整機構と、コイルに交流電圧を印加して、基板上に形成された電極を誘導加熱する電源とを有している。

本発明によれば、誘導加熱を利用して、基板上に形成された電極に電子部品を半田接合する半田接合装置において、基板の加熱を抑制するとともに、微小な電子部品でも、容易に半田接合が可能な、加熱効率の高い半田接合装置を提供することができる。さらに、電子部品を搭載した基板を搬送しながら、基板上に形成された電極に、電子部品を半田接合する半田接合装置において、電子部品を生産性良く半田接合することができる半田接合装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における半田接合装置の構成を模式的に示した図である。誘導加熱を利用して、基板上に形成された電極に電子部品を半田接合する方法を説明した図である。（ａ）、（ｂ）は、フェライトと基板上の電極との間隔と、誘導加熱によって加熱される電極の温度との関係を示した図である。（ａ）〜（ｅ）は、複数の電子部品を搭載した基板を、基板の搬送方向に沿って配列された複数のフェライトの下方に搬送する途中の状態を時系列で示した図である。搬送方向の先頭にある電子部品を半田接合する電極の温度の時間変化を、模式的に示したグラフである。（ａ）、（ｂ）は、本発明の変形例における電子部品の配列とコイルの配置を示した図である。本発明の変形例における電子部品の配列とコイルの配置を示した図である。

本願出願人は、基板の半田接合対象部位（電極）の上方にコイルを配置するとともに、コイルの内側に、半田接合対象部位に近接するフェライトを配置し、コイルに電流を供給して、半田接合対象部位を誘導加熱することによって、半田接合する半田接合装置を、ＰＣＴ／ＪＰ２０１６／０７６３３２の出願明細書に開示している。

上記出願明細書に開示した半田接合装置によれば、コイルの内側に発生する磁束を、フェライトを介して、減衰することなく、半田接合対象部位に集束するように伝えることができる。そのため、効率よく半田接合を行うことができる。また、フェライトの先端を、半田接合対象部位の大きさに合わせることによって、誘導加熱する範囲を、半田接合対象部位に限定することができる。これにより、微小な電子部品でも、容易に半田接合が可能となる。また、半田接合対象部位（電極）を、発熱体からの熱伝導でなく、誘導加熱により、直接加熱するため、基板の加熱を抑制することができる。これにより、耐熱性の低いフレキシブル基板を用いても、基板の熱変形を抑制することができる。

本願発明者等は、上記の半田接合装置について、さらに検討を加えた結果、電子部品を搭載した基板を搬送しながら、基板上に形成された電極に、電子部品を半田接合する、生産性に優れた半田接合装置を見出し、本発明を想到するに至った。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における半田接合装置の構成を模式的に示した図である。なお、本実施形態における半田接合装置は、電子部品を搭載した基板を搬送しながら、基板上に形成された電極に、電子部品を半田接合する半田接合装置である。

図１に示すように、本実施形態における半田接合装置１０は、電子部品Ｃを搭載した基板１１を搬送する搬送手段１２と、電極（不図示）と電子部品Ｃとの間に介在させた半田（不図示）を溶融させて、電極に電子部品Ｃを半田接合する加熱手段とを備えている。

加熱手段は、平面視（ｚ方向）において、内側に空間部２１を有するコイル２０と、コイル２０の空間部２１に、基板１１の搬送方向Ａに沿って配列された複数のフェライト３０とを有している。ここで、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔は、調整機構４０によって、独立に調整される。当該間隔の調整は、例えば、各フェライト３０毎に設けられたアクチュエータ（例えば、ロボットシリンダ、リニアスライダー等）４１を用いて行うことができる。基板１１は、搬送手段１２により、矢印Ａの方向（ｘ方向）に搬送されて、コイル２０及びフェライト３０の下を通過する。コイル２０の両端部は、配線５１を介して電源５０に接続されており、コイル２０に交流電圧を印加することによって、フェライト３０の下方に位置する基板１１上に形成された電極が誘導加熱される。

図２は、本実施形態において、誘導加熱を利用して、基板１１上に形成された電極に電子部品を半田接合する方法を説明した図である。ここでは、基板１１上に形成された電極１３に半田１４を供給し、その上に、端子（不図示）を有する電子部品（例えば、チップコンデンサ、チップ抵抗等）Ｃを半田接合する例を示している。

図２に示すように、各フェライト３０の端部３０ａは、半田接合対象部位である電極１３の大きさに合わせて、先細りの形状になっている。コイル２０に交流電圧が印加されると、コイル２０の周りに磁束Φが発生する。そして、コイル２０の内側に発生した磁束Φは、コイル２０の内側に配置されたフェライト３０を伝わって、フェライト３０の端部３０ａから、基板１１上に形成された電極１３に対して垂直（ｚ方向）に照射される。これにより、電極１３が誘導加熱される。電極１３から、誘導加熱により加熱された熱が半田１４に伝達されることによって、半田１４が溶融し、これにより、電子部品Ｃの端子１５が電極１３に半田接合される。

本実施形態における半田接合装置によれば、コイル２０の内側に発生する磁束Φを、フェライト３０を介して、減衰することなく、電極（半田接合対象部位）１３へ集束するように伝えることができるため、効率よく半田接合を行うことができる。また、フェライト３０の端部３０ａを、電極１３の大きさに合わせることによって、誘導加熱する範囲を、電極１３に限定することができる。これにより、微小な電子部品Ｃでも、容易に半田接合が可能となる。また、電極１３を、誘導加熱によって直接加熱するため、基板１１の加熱を抑制することができる。これにより、耐熱性の低いフレキシブル基板を用いても、基板１１の熱変形を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、コイル２０の空間部２１に、基板１１の搬送方向Ａに沿って複数のフェライト３０が配置されているため、複数の電子部品Ｃを搭載した基板１１を、複数のフェライト３０の下方に搬送させることによって、基板１１上に形成された電極に、複数の電子部品Ｃを連続的に半田接合することができる。これにより、基板１１上に形成された電極に、電子部品Ｃを生産性良く半田接合することができる。

本実施形態における半田接合装置においては、基板１１を連続的に搬送させながら、電子部品Ｃを局所的に半田接合するため、半田の加熱時間を、従来のリフロー方式（通常、分単位の時間）に比べて、非常に短く（通常、秒単位の時間）することができる。

本実施形態における半田接合装置は、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔を、コイル２０の内側に配置された複数の電極に対して、誘導加熱によって加熱される各電極の温度が、搬送方向Ａに沿って、所定の温度プロファイルをもつよう、予め調整する調整機構４０を備えている。

図３（ａ）、（ｂ）は、フェライト３０の端部３０ａと、基板１１上の電極１３との間隔Ｄを変えたときに、誘導加熱によって加熱される電極１３の温度変化を示した図である。図２に示したように、フェライト３０の端部３０ａから、電極１３に照射される磁束Φは、フェライト３０の端部３０ａと、基板１１上の電極１３との間隔Ｄの２乗に比例して減衰する。従って、誘導加熱によって加熱される電極１３の加熱量は、磁束Φに比例するため、電極１３の温度は、図３（ｂ）に示すように、フェライト３０の端部３０ａと、基板１１上の電極１３との間隔Ｄの２乗にほぼ反比例して変化する。従って、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極１３との間隔Ｄを調整することによって、誘導加熱によって加熱される各電極１３の温度を、搬送方向Ａに沿って、精度良く設定することができる。

図４（ａ）〜（ｅ）は、複数の電子部品Ｃを搭載した基板１１を、基板１１の搬送方向Ａに沿って配列された複数のフェライト３０の下方に搬送する途中の、時刻ｔ＝ｔ_０〜ｔ_４の状態を時系列で示した図である。なお、ここでは、電子部品Ｃは、２つの端子を有し、２つの端子が、基板１１の搬送方向Ａに並んでいるとする。

図５は、搬送方向Ａの先頭にある電子部品Ｃ_１において、搬送方向Ａ側の電極の温度の時間変化を、模式的に示したグラフである。図５に例示したグラフでは、電極の温度変化が、時刻ｔ＝ｔ_０から温度が上昇し始め、Ｐ_１で示した期間、一定の温度Ｔ_１が維持され、その後、再び温度が上昇して、Ｐ_２で示した期間、一定の温度Ｔ_２が維持され、その後、温度が降下している。すなわち、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔は、電極の温度変化が、図５に示したような温度変化になるように、予め調整されている。

例えば、”チップ立ち”を防止するために、搬送方向Ａ側の電極の温度と、もう一方の電極の温度とが、それぞれ、図５に示したような温度変化をもつように、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔を、予め調整しておくのが好ましい。この場合、温度Ｔ_１は、フラックスの活性化温度に設定され、温度Ｔ_２は、半田を融点する加熱温度に設定される。また、搬送方向Ａ側の電極の温度がＴ_２に上昇したとき、一方の電極の温度は、Ｔ_１に上昇していることが好ましい。

なお、図５に示したグラフは、搬送方向Ａの先頭にある電子部品Ｃ_１の電極の温度の時間変化を示しているが、ある時刻における基板１１上の各電極の温度は、搬送方向Ａに沿って、図５に示した温度変化に相似した温度プロファイルを有している。

以上、説明したように、本発明における半田接合装置は、コイル２０の内側に発生する磁束を、フェライト３０を介して、減衰することなく、基板１１上の電極１３に伝えることができるため、効率よく半田接合を行うことができる。また、フェライト３０の先端を、電極１３の大きさに合わせることによって、誘導加熱する範囲を、電極１３に限定することができる。これにより、微小な電子部品でも、容易に半田接合が可能となる。また、電極１３を、発熱体からの熱伝導でなく、誘導加熱により、直接加熱するため、基板１１の加熱を抑制することができる。これにより、耐熱性の低いフレキシブル基板を用いても、基板１１の熱変形を抑制することができる。

さらに、複数の電子部品Ｃを搭載した基板１１を、基板１１の搬送方向Ａに沿って配列された複数のフェライト３０の下方に搬送させることによって、基板１１上に形成された電極１３に、複数の電子部品Ｃを連続的に半田接合することができる。これにより、基板１１上に形成された電極１３に、電子部品Ｃを生産性良く半田接合することができる。加えて、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極１３との間隔を、独立に調整することによって、コイル２０の内側に配置された複数の電極１３に対して、誘導加熱によって加熱される各電極１３の温度を、搬送方向Ａに沿って、所定の温度プロファイルをもつように調整することができる。これにより、例えば、電子部品の２つの端子の半田が溶ける時間差に起因して発生する”チップ立ち”を防止することができる。

本実施形態において、フェライト３０は、コイル２０の内側に発生する磁束を、減衰することなく、半田接合対象部位（電極）に集束するように伝えることができる透磁率の高いものであればよい。例えば、フェライト３０として、ソフトフェライトを用いることができる。ソフトフェライトは、酸化鉄を主成分とする軟質磁性材料で、電気抵抗が大きく、電流をほとんど通さない。そのため、誘導加熱の際にソフトフェライトにおいて渦電流が発生しにくい。その結果、誘導加熱を行う際に、ソフトフェライト自体が発熱することを回避できるため、ソフトフェライトが半田接合対象部位（電極）に近接していても、基板１１が受ける熱の影響を小さくできる。

また、本実施形態において、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔を、独立に調整する調整機構４０は、図１に示したように、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔が、所定の値に設定されたデータを記憶した記憶部４３、及び記憶部４３に記憶されたデータに基づいて、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極１３との間隔を、自動で調整する制御部４２をさらに有していてもよい。

記憶部４３は、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極１３との間隔が、誘導加熱によって加熱される各電極１３の温度が、搬送方向Ａに沿って、所定の温度プロファイルをもつように設定されたデータを記憶している。そして、制御部４２は、記憶部４３に記憶されたデータに基づいて、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極１３との間隔を自動で調整する。

最適な温度プロファイルは、使用する半田の種類や、電子部品Ｃの種類、配列等の条件によって変わる。そのため、各条件に合った最適な温度プロファイルを予め取得しておき、最適な温度プロファイルをもつように設定された各フェライト３０と基板１１上に形成された電極１３との間隔のデータを、記憶部４３に記憶しておくことによって、自動化された半田接合を実現することができる。

また、本実施形態において、図１に示したように、基板１１に対して、コイル２０が配置される側と反対側であって、複数のフェライト３０と対向する位置に、基板１１と平行なフェライト板３１を設けておいてもよい。これにより、コイル２０側のフェライト３０を伝った磁束は、基板１１を抜けてフェライト板３１に伝わるため、コイル２０で発生した磁束を、より確実に、半田接合対象部位（電極）に照射することができる。その結果、電子部品Ｃの半田接合をより確実に行うことができる。なお、フェライト板３１の代わりに、棒状のフェライトを、フェライト３０に対向する位置に配置してもよい。

また、本実施形態において、基板１１は、絶縁性の材料で構成されていればよく、その種類は特に限定されない。例えば、基板１１として、表面に回路配線が形成された回路基板や、両面に電極パッドが形成されたインターポーザ等を用いることができる。また、電子部品Ｃは、端子を有する部品であればよく、その種類は特に限定されない。例えば、電子部品として、チップコンデンサ、チップ抵抗、ＬＥＤ素子、半導体素子、ＬＳＩ等を用いることができる。

また、本実施形態において、半田接合対象部位である電極１３は、誘導加熱によって局所的に加熱可能な面積を有していることが好ましい。電極１３の面積は、好ましくは、０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ以上である。また、電極１３の面積が小さい場合には、電極１３に隣接して、補助加熱用の金属パッドを設けてもよい。

また、本実施形態において、コイル２０は、平面視において、基板１１に平行で、内側に空間部を有するものであればよく、その形状等は特に限定されない。また、コイル２０をパイプ状にして、内部を冷媒で循環させるようにしてもよい。

（変形例）
本発明において、複数のフェライト３０は、基板１１の搬送方向Ａに沿って配列されるが、その配列は、基板１１に搭載される電子部品Ｃの配列に揃えられる。例えば、図１では、基板１１上に、一列に配列された電子部品Ｃに揃えて、一列に配列されたフェライト３０を例示している。この場合、フェライト３０の端部の大きさは、電子部品Ｃの半田接合対象部位（電極）を含む大きさに合わせられる。

しかしながら、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、電子部品Ｃが接近（例えば、間隔が２〜３ｍｍ以内）して２列に配列している場合には、フェライト３０の大きさを、並列した２個の電子部品の半田接合対象部位（電極）を含む大きさに合わせてもよい。このとき、フェライト３０は、図６（ａ）に示すように、基板１１の搬送方向Ａに対して垂直方向（ｙ方向）に延びる、帯状の形状となる。また、この場合、並列した２個の電子部品Ｃに対して、同時に誘導加熱による半田接合が行われる。なお、図６（ｂ）では、フェライト３０を省略している。

また、図７は、基板１１上に、電子部品Ｃが、基板１１の搬送方向に沿って複数列（図７では、４列）に配列した例を示している。この場合、並列する電子部品Ｃａを含む列、及び並列する電子部品Ｃｂを含む列に対して、それぞれ、コイル２０Ａ、２０Ｂを配してもよい。なお、図７では、フェライトを省略しているが、その形状は、図６（ａ）に示したような形状にすればよい。

勿論、本実施形態において、フェライト３０の形状や配列の仕方は、図１、図６（ａ）、（ｂ）、及び図７に示したものに限定されず、基板１１上に搭載される電子部品Ｃの種類や大きさ、配列の仕方等に応じて、適宜、変更することができる。

なお、フェライト３０の長さは、３０〜４０ｍｍの範囲にあることが好ましい。また、フェライト３０は、コイル２０の内寸にできるだけ接近した形状が好ましい。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、フェライト３０を、基板１１側の端部３０ａにおいて先細りの形状にしたが、その形状は特に限定されない。例えば、フェライト３０の端部３０ａを、二面取り、若しくは四面取りにすることができる。また、基板１１側の端部３０ａを、必ずしも先細りの形状にしなくてもよい。

また、上記実施形態では、記憶部４３に記憶されたデータに基づいて、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔を自動で調整するようにしたが、予め、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔を調整したユニットを用意しておき、基板１１上に搭載される電子部品Ｃの大きさや配列の仕方に応じて、ユニット毎交換するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、電子部品の２つの端子の半田が溶ける時間差に起因して発生する”チップ立ち”を防止するために、各フェライト３０と基板１１上に形成された電極との間隔を、誘導加熱によって加熱される各電極の温度が、所定の温度プロファイルをもつように調整したが、本発明は、このような目的に限定されるものではない。例えば、従来のリフロー方式における温度プロファイルに類似した温度プロファイルをもつように調整してもよい。

１０半田接合装置
１１基板
１２搬送手段
１３電極
１４半田
１５端子
２０コイル
２１空間部
３０フェライト
３１フェライト板
４０調整機構
４２制御部
４３記憶部
５０電源
５１配線

Claims

電子部品を搭載した基板を搬送しながら、前記基板上に形成された電極に、前記電子部品を半田接合する半田接合装置であって、
前記電子部品を搭載した前記基板を搬送する搬送手段と、
前記電極と前記電子部品との間に介在させた半田を溶融させて、前記電極に前記電子部品を半田接合する加熱手段と
を備え、
前記加熱手段は、
平面視において、内側に空間部を有するコイルと、
前記コイルの空間部に、前記基板の搬送方向に沿って配列された複数のフェライトと、
前記各フェライトと前記基板上に形成された電極との間隔を、独立に調整する調整機構と、
前記コイルに交流電圧を印加して、基板上に形成された前記電極を誘導加熱する電源と
を有している、半田接合装置。
前記フェライトは、ソフトフェライトで構成されている、請求項１に記載の半田接合装置。
前記各フェライトと前記基板上に形成された電極との間隔は、前記コイルに交流電圧を印加したとき、前記コイルの内側に配置された複数の電極に対して、誘導加熱によって加熱される前記各電極の温度が、搬送方向に沿って、所定の温度プロファイルをもつよう、前記調整機構によって予め調整される、請求項１または２に記載の半田接合装置。
前記各フェライトと前記基板上に形成された電極との間隔は、前記基板の搬送方向側に位置する電極の温度が、搬送方向と反対側に位置する電極の温度よりも高くなるよう、予め調整される、請求項１〜３の何れかに記載の半田接合装置。
前記調整機構は、
前記各フェライトと前記基板上に形成された電極との間隔が、所定の値に設定されたデータを記憶した記憶部と、
前記記憶部に記憶されたデータに基づいて、前記各フェライトと前記基板上に形成された電極との間隔を、自動で調整する制御部と
をさらに有している、請求項１〜４の何れかに記載の半田接合装置。
前記記憶部は、前記各フェライトと前記基板上に形成された電極との間隔が、誘導加熱によって加熱される前記各電極の温度が、搬送方向に沿って、所定の温度プロファイルをもつように設定されたデータを記憶しており、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記データに基づいて、前記各フェライトと前記基板上に形成された電極との間隔を、自動で調整する、請求項５に記載の半田接合装置。
前記基板は絶縁性の材料で構成されており、
前記電極は、誘導加熱によって局所的に加熱可能な面積を有している、請求項１〜６の何れかに記載の半田接合装置。
前記フェライトは、前記基板側の端部において先細りの形状になっている、請求項１に記載の半田接合装置。
前記加熱手段は、前記基板に対して、前記コイルが配置される側と反対側であって、前記複数のフェライトと対向する位置に配置された、前記基板と平行なフェライト板をさらに有する、請求項１に記載の半田接合装置。