(57)【要約】【課題】鉛汚染公害による鉛フリー半田の出現にて、従来方法では解決出来ない電子部品等と半田付け部分を酸化させず局所半田付けを気体熱流束方法を用いた半田付け装置を提供する。【解決手段】気体流入口、９、より供給なす熱源部、３、に形成される気体通路、１９、を介した気体は、高温気体熱流体となり気体熱流束通路、１３、を介して気体熱流束ノズル、１５、にて生成された気体熱流束を用いた半田付け装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に搭載された電子部品等に半田付けを行う部分に局所半田付けを間欠及び連続的に行う半田付け装置であって、
上記半田付け装置は、気体流入部より導入した気体を熱源部に形成される気体通路を介して高温気体熱流体となし、熱源部の下部、気体熱流束通路を介して、気体熱流束ノズルにて整成された気体熱流束となし半田付けを行う。その基板及び熱源部は、左右方向、前後方向と上下方向の動作は共に無段階なスピード選択と停止時間の選択を用い、間欠半田付けと連続半田付けの何れの動作選択も自由となし、又、混在動作も行え、その各々の動作は自由な組み合わせが行える半田付け条件のパラメータ設定をマイクロコンピュータ等で制御できる半田付け装置。
【請求項２】
請求項１の気体熱流束の熱量は、その半田付けを行うに必要な気体圧力を気体流入部より供給なし、気体流量の調節を行う。例えば、２種類以上のリットル／ｍｉｎの流量選定制御を行う事と、熱源部発熱体の設定温度調節及び、気体熱流束噴出口と、半田付けを行う非加熱部位との間隔調整を自在となす事で気体熱流束の熱量調節を自在となす。
【請求項３】
基板に搭載された電子部品等の部分に局所半田付けを行うに当り、その半田付け部位の径、面積に対応した気体熱流束の径、面積を得る気体熱流束径のノズル交換又は、気体熱流束径の異なる数個のノズルをターレット式等の回転盤等に配置し回転なす事で無段階な気体熱流束の径、面積を自在となす半田付け装置。
【請求項４】
前記請求項の半田付けは、垂直気体熱流束を用いたが、局所半田付けを行う近傍に熱破損しやすい部品等がある場合、熱流束ノズルで整成された垂直気体熱流束通路を、気体熱流束ノズルに構築され整成された傾斜角度を有する傾斜気体熱流束となし、その傾斜角度を回転自在となす事で、上部近傍の熱流を排除する。気体熱流束ノズルを用いた半田付け装置。
【請求項５】
半田付け部位の温度は、予め放射温度計に設定した所定の熱流束温度値を放射温度計が検知なし、その後の半田の溶融した半田付け部位は半田溶解表面の放射率放射温度値を検知した温度値と、上記熱流束温度値との温度変化差値により、その変化時点が半田が溶解し半田付けの完了確認信号として次の局所半田付け位置へと繰り返し移動を行う半田付け装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半田付け装置に関し、特に気体熱流束方法を用いた、部分局所半田付けに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子部品実装プリント配線基板等の半田接合に用いられていた半田材料は、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）との合金、即ちＳｎとＰｂ（６３／３７Ｗｔ％）の共晶半田が使用されていた。その共晶半田は、性質が優れた接合性のもとで生産性が確保され、半田付け方法も、面実装部品は半田ペーストにて、リフロー半田付け方法で略々確立されようとしているが。
【０００３】
従来、特に困難とされている端子部品、及び、コネクター等の該当基板と、他基板等を接続する接合部品等、所ゆる、後付け部品の微細な多数ピン等の局所半田付けにおいては、フロー半田付け方法、又は半田コテ半田付け方法が用いられているが、共にパターンピッチ、ランド間の短絡や、つらら現象、更にスルホール裏面ランドの未半田等は解決されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年ますます電子機器等の小型軽量化に伴い、ファインピッチ化の進むプリント配線基板等においては、従来から用いられていた、半田材料の鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）との合金、共晶半田の鉛は、その性質上、酸性の水に除々に溶けて、有害の可溶生鉛化合物となる事から、欧米では環境に対する鉛汚染の問題が揚げられ、鉛を使用した製品が規制対象とされ、鉛を使用しない半田材料への変更が実施される事となった。
【０００５】
しかしながら、鉛フリー半田の金属組成合金の現状は、各半田メーカー又は、使用ユーザーに依り様々な種類の金属組成比率の合金半田種類が報告されている。
【０００６】
従来のＳｎ−Ｐｂ共晶半田と、現在報告されている各々の鉛フリー半田を比較した場合、Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田の融点１８３℃に対して、鉛フリー半田の場合２２０℃〜２４０℃と非常に高い融点温度が報告され、又、半田のぬれ性、広がり性はＳｎ−Ｐｂ共晶半田を１００％とした場合、鉛フリー半田の場合は６５％〜７５％に止まると言われている事から、新たなプロセスが求められている。
【０００７】
従来、困難と言われる端子部品及びコネクター等の該当基板と他基板等を接続する接合部品等、所ゆる、後付け部品のピン配列も複列で、ピンの長さも長く、ピンピッチ間隔も１ｍｍ以下の微細な多数ピン、コネクター部品等の出現で、従来の技法で鉛フリー半田の半田付けを行えば、パターンピッチ、ランド間の短絡や、つらら現象、更にスルホール裏面ランドの未半田等、未解決のままで更に増幅される事となっている。鉛フリーの半田付けプロセスの新たな接合信頼性と生産性に依る低コスト化の求に答える事を課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題で特に困難とされている端子部品、及びコネクター等の該当基板と他基板等を接続する接合部品等、所ゆる、後付け部品と言われる微細な多数ピン等の局所半田付けを間欠及び連続的に行える、窒素熱流束方法を知見し、本発明を完成した。
【０００９】
熱流束とは、単位面積（単位；ｃｍ２）を流れるエネルギー（熱量）を示すもので、ｗ／ｃｍ２を単位とされます窒素熱流束は、熱の流れの量を示し、温度変化はこの熱エネルギー流束の結果に依るもので、窒素熱流束方法を用いる事に依って熱伝達の様子が良く分かり、温度の予測も可能とします。又、短時間の実験で熱流束を測定した場合に、その時間内の温度変化だけでなく、その後の温度の予測も可能です。熱流束が温度変化の過程を示した、図４から解かるように熱流束値は早い応答性を有しています。
【００１０】
本発明は、気体流入部より導入した窒素を熱源部（発熱体は、セラミックヒーター、ニクロム線ヒーター、ビーム熱線等何れも選ばない）を介して高温窒素流体となし、熱源部に形成した気体通路を介して、窒素熱流体噴出口と窒素熱流束ノズルより整成された窒素熱流束となす手段。
【００１１】
窒素熱流束熱量の調節は、非加熱体該当基板のパターン層が何層から成る基板であるかに依り異なり、同時に電子部品の半田付け部位の形状及び、ランド形状等により各々半田付けを行う個所ごとに熱容量は異なり、熱量調節が必要となる。熱源部発熱体の温度と窒素流入源の圧力は常に一定に調節された状態にしておき、ここでは窒素の流量をフローコントロール、２種類以上のリットル／ｍｉｎの流量を電磁弁等を用いて切り替える事と、時間差が少なく、デジタル的、定量的な応答性等を鑑みて、窒素熱流束口と該当基板の非加熱部位置との間隔をＺ軸ロボットを用い０ｍｍ〜無段階に設定できる手段で窒素熱流束の熱量調節と局所半田付けは、間欠半田付けと連続半田付け動作の何れの動作選択も自由となし、又、混在動作も行える。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は共に無段階なスピード選択と停止時間の選択及び、自由な組み合わせを用いる。半田付け条件のパラメータ設定をマイクロコンピュータ等で制御できる手段を用いる。
【００１２】
本発明に係わる熱流束は単位面積を流れる熱流の量で示される。依って該当基板の半田付け部の面積及び形状等を鑑みて窒素熱流束の面積を自在に選択できる手段と、熱流束の径の異なる数個の熱流束ノズルを用い、ノズルの交換又は回転盤等に配置した熱流束ノズルを自在に選択できる手段を用いる。
【００１３】
熱流束、熱量は熱流束口と非加熱部までの高さに依存し傾斜角には依存しない事から、該当基板の半田付け部近傍に熱破損しやすい部品等がある場合を考慮して、通常は垂直状態熱流束を、熱流束ノズルの流束通路変換に依り傾斜角をなす傾斜熱流束となし、その傾斜位置は垂直熱流束位置を中心として、傾斜角を３６０°回転自在となす事で、熱破損部分への熱量を逃がす手段を備えた。
【００１４】
【実施例】
以下の添付の図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００１５】
図１、窒素熱流束半田付け装置の熱源部、３、の発熱体、５、はセラミックヒーター又は、ニクロム線ヒーター、ビーム熱等何れをも選ばず、発熱体、５、に通電をなし、発熱を行う発熱体は、所定の温度に調節加熱される、熱源部、３、の内径部気体流入口、９、に所定圧力の窒素気体を供給し、熱源部、３、内気体通路を介し流通なした窒素気体は、高温窒素流体となり、窒素熱流束ノズルへと噴出される。
【００１６】
熱源部、３、の発熱体に形成する筒状気体通路は、窒素気体を窒素熱流体となす熱流通路であり、熱流束径を鑑みたその径の８倍程度を有する。筒状気体通路を形成する発熱体が望ましい。
【００１７】
熱流束ノズル、２ａ、の熱流束噴出口、２、までの流束通路、１８、は、その内径の少なくとも４〜５倍程度の長さを確保し、内壁面は出来得るだけの鏡面状仕上げが好ましく、鏡面状流通経路を介して得た熱流束の束面積は安定し、乱流が少ない。尚、熱流束ノズルは流束通路、内径の異なるノズルを何種類かを用意する。
【００１８】
窒素熱流束半田付けの熱流束熱量の調節その１、熱源部、３、の発熱体の温度は一定に設定した所定の温度とし、窒素流量値の設定をフローコントロール又は、ニードルバルブ等を用いて、例えば、２，４，６，１０リットル／ｍｉｎ程度の流量の選定制御を行う事で窒素熱流束の熱流量の選択を自在に行う。
【００１９】
窒素熱流束の熱量調節方法その２、Ｚ軸ロボット、図１、の、８、に取り付けた熱源部、３、の窒素熱流束口、２、と該当基板、１、に搭載された電子部品等の非加熱部との間隔を、Ｚ軸ロボット、８、を用いて、０ｍｍ〜無段階な選択を行う事により、窒素熱流束の熱量調節を自在に行う。
【００２０】
基板、１、の局所半田付けを行う非加熱部のランドパターン面積の大きい個所、又は、電子部品の取り付け金具等、非加熱容量の大きい個所は、基板、１、の裏面より予熱熱源、２０、の熱流束、２２、による所定の温度にて予熱を行う事で半田付け時間の短縮が図れる。
【００２１】基板、１、に搭載された電子部品等の各々半田付けを行う位置への移動は、放射温度計検出ヘッド、４、より放射される放射光を元に、Ｘ軸ロボット、６、とＹ軸ロボット、７、はＺ軸ロボット、８、に取り付けられた熱流束口、２、の直下へ自在に移動を行ない、Ｘ軸ロボット、６、及びＹ軸ロボット、７、の停止信号により、Ｚ軸ロボット、８、の熱流束口、２、は予め設定された所定の位置非加熱部の高さ位置へ移動し、加熱を行う。
【００２２】
非加熱部の温度は放射温度計に予め設定した所定の熱流束温度値を放射温度計が検知し、更に半田の溶解後放射温度値の変化を応用し、放射温度計の温度値変化を用いて半田の溶解を確認後、次の各局所半田付け位置へと繰り返し移動を行ない、半田付けを行う。勿論、加熱時間の設定制御を用いながら行う事と併用をもできる。勿論半田付けを行う半田種類は、半田ペースト、糸半田等の種類は選ばない。
【００２３】
基板、１、の非加熱部の近傍に熱破損しやすい部品等がある場合は、図３の熱流束ノズル、２ａ、の窒素熱流束通路、１３、の下部、第２熱流束ノズル、１５、の熱流束通路、１８、は傾斜レバー、１７、を図２のソレノイド、１６、による上下動作により第２熱流束ノズル、１５、は点線状垂直流束通路を線状傾斜流束通路、１８、となす事で熱破損しやすい部分への熱流を逃がす手段を用いる。
【００２４】
傾斜流束口、１８、の回転、図１の熱流束口、２、を中心としてどの方向に熱破損しやすい部品があっても、図２、の回転駆動モーター、１０、により回転ギヤー、１１、を介し、回転ベアリング、１４、を基に第１図の熱源部、３、が任意の回転角を自在となす事で、どの方向の熱破損部分への熱流をも逃がす手段を用いる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、請求項記載の発明の窒素熱流束方法により非加熱部の酸化を防止する。複雑な形状ワークであっても一様な加熱が可能である。熱流束面積の変更もノズル交換等で自在である。熱流束面積内の温度が均一である。局所半田付け面の加熱が非接触で自在に行える。温度調節が幾種類にも行え、極めて早い応答性と熱効率が高く、消費電力も小さい等の特徴、効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の正面図である。
【図２】本発明装置の右側図面である。
【図３】図１の熱源部と２ａの詳細図である。
【図４】熱流束、温度、測定表
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・窒素熱流束口
３・・・熱源部
４・・・放射温度計検出ヘッド
５・・・発熱体
６・・・Ｘ軸ロボット
７・・・Ｙ軸ロボット
８・・・Ｚ軸ロボット
９・・・窒素流入口
１０・・・回転駆動モーター
１１・・・回転駆動ギヤー
１２・・・熱源回転部
１３・・・気体熱流束通路
１４・・・回転ベアリング
１５・・・第２熱流束ノズル
１６・・・流束傾斜駆動ソレノイド
１７・・・流束傾斜レバー
１８・・・第２気体熱流束通路
１９・・・気体通路
２０・・・予熱熱源
２１・・・電子部取り付け金具
２２・・・予熱流束口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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