(57)【要約】【課題】フラックスの飛散を防止するとともに、高品質なスルーホール孔の半田付けを行うための半田装置を提供する。【解決手段】半田付け装置として、配線基盤のスルーホール孔に端子銅線（ピン）を挿入し、ピンを半田鏝側に突き出した形で治具に固定する固定手段と、該治具が前後左右に移動可能な移動手段を有し、筒状半田鏝と半田供給装置、半田切断装置とが同じプレート（連結プレート）上に設置され、該プレートが昇降駆動機構とばね等による牽引機構を具備したフローテイング機構(上下摺動機構)を備えている、ことを特徴とするものを使用することにより、フラックスの飛散を防止するとともに、高品質なスルーホール孔の半田付けを行うことができる。【選択図】図５
2009200196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スルーホール用の半田付け装置であって、
配線基盤のスルーホール孔に端子銅線（ピン）が挿入され、半田鏝側にピンが突き出した形で治具に固定する固定手段と、
該治具が前後左右に移動可能な移動手段を有し、
筒状半田鏝と半田供給装置、半田切断装置とが同じプレート（連結プレート）上に設置され、
該プレートが昇降駆動機構と牽引機構を具備したフローテイング機構(上下摺動機構)を備えている、
ことを特徴とする、半田付け装置。
【請求項２】
牽引機構がバネである、請求項１に記載の半田付け装置。
【請求項３】
筒状半田鏝が軸方向に貫通孔を有する、請求項１又は２に記載の半田付け装置。
【請求項４】
筒状半田鏝が半田非濡れ性材料で作製されている、請求項１〜３のいずれか記載の半田付け装置。
【請求項５】
半田非濡れ性材料がセラミックである、請求項１〜４のいずれか記載の半田付け装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半田付け装置を用いて、電子機器を製造する方法であって、
連結プレートを降下させ、配線基板に筒状半田鏝を押し当てて、ピンとスルーホール孔部分を予備加熱する工程、
予備加熱終了後に、該半田鏝の後端部の貫通孔に半田片を投入する工程、
該半田鏝の先端部で半田片を溶融して、スルーホール孔に溶融半田を充填する工程、
溶融半田で充填後、該半田鏝は配線基板から離れる工程、
を有することを特徴とするものである半田付け電子機器の製造方法。
【請求項７】
該半田鏝の先端部の下端温度が３００〜４００℃であることを特徴とする、請求項６記載の製造方法。
【請求項８】
筒状半田鏝が半田非濡れ性材料で作製されている、請求項６又は７記載の製造方法。
【請求項９】
半田非濡れ性材料がセラミックである、請求項６〜８のいずれか記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スルーホールの半田付けが必要な半田付け装置に関するものであり、更には、筒状半田鏝を使用して、半田付け個所（電子部品の端子銅線と配線基板等）に必要な予熱処理等のことを行うことを特徴とする、スルーホールによる半田付け電子機器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品等のハンダ付けをスルーホールで行うためには、フロー半田付け方法（特許文献１）や、溶解した半田で過熱して半田付けする方法(特許文献２)が知られていた。共晶半田は温度が下がると固まり易いため、電子部品の端子銅線（ピン）と配線基板（ランド等）を予備加熱し、溶融半田がピンや配線基板に接触した際に固まることがなく、溶融半田がピンの設置された穴を通って、配線基板の裏側にまで充分溶融半田が廻ることが必要であった。
しかし、従来、プリント回路基板の部品実装には、鉛（Ｐｂ等）を混入した半田材（共晶半田）を使用してきたが、近年、環境汚染物質である鉛（Ｐｂ等）を含まない半田材（以下Ｐｂフリー半田と称す）が採用されつつある。そのため、プリント回路基板の部品実装には、鉛（Ｐｂ等）を混入した半田材（共晶半田）が多用されてきたが、近年、環境汚染物質である鉛（Ｐｂ等）を含まない半田材（以下Ｐｂフリー半田と称す）が採用されつつある。
【０００３】
一般に、半田に鉛（Ｐｂ等）を混入させない半田材は、共晶半田に比べて融点を高い。例えば共晶半田の融点は約１８３°Ｃであるのに対して、Ｐｂフリー半田の融点は約２２０°Ｃであり、約４０°Ｃ近い融点の温度差があり、その分、半田付けの時間（加熱時間）が長くかかることになる。このため、従来よりもプリント配線板の表面に形成した銅箔（Ｃｕ）やその上の実装部品に熱ストレスが多くかかり、部品の端子及びプリント配線板の銅箔の劣化を招き、接続信頼性が低下するという問題があった。
【０００４】
このように、部品や銅箔（Ｃｕ）への熱ストレスを低減させるためには、使用する半田の融点を下げるか、プリント配線全体を加熱して、過加熱した半田を使わないようにすることである。それ故、半田付けの際の熱ストレスを低減する従来の技術としては、例えば部品の下の基板面に、熱伝導性の良い銅箔層を広い範囲に形成し、プリント配線板をリフロー炉に入れた際に基盤全体を一気に暖めることでプリント配線板内の温度分布を均一化する技術が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００５】
しかしながら、これらの改良方法では、リフローやフロー等のように、プリント配線板を広い範囲で加熱するときには良好な結果がでるものの、マルチポイント実装等のように、プリント配線板を部分的に過熱して半田付けする実装方法では、基板や広い範囲に形成した銅箔が半田の熱を奪ってしまうことから、特にスルーホールの部分には、熱が回らずに半田の吸い込みが不十分になり、半田付けが不完全になるという問題が起こり、品質のよい製品は得られ難い状況であった。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３５１０６４号
【特許文献２】特開２００６−１３２５１号
【特許文献３】特開２００３−３７３３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、スルーホール部における半田付け品質を向上することのできる配線基板の半田付け方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、以下の工程を行うことにより、より確実なスルーホール半田付けが出来ることを見出した。即ち、半田非濡れ性の材質で作製された筒状半田鏝を使用し、ピンを含めて配線基板に該半田鏝の先端部を接触させて、半田付け該当個所を予熱する。予熱後に、半田片を筒状半田鏝の後端部より投入して、先端部で半田片を溶融する。そうすることで、溶融半田は、スルーホール部に充分充填され、ピンとのなじみもよく、充分な接合強度が得られた。
一方、配線基板には微小なゆがみや、凹凸があるため、該半田鏝を適切に接触させ予熱するには、一定の接触圧をかける必要がある。そこで、更に予熱の効果を上げるために本発明者らは、図１に示すように、筒状半田鏝と半田供給装置、半田切断装置を一つのプレート（連結プレート）にセットし、このプレートにフローテイング機構(上下摺動機構)を装着させ、半田鏝と配線基盤の間に一定の接触圧を与えるようにした。その結果、配線基盤に良好な予熱処理を行うことができ、筒状半田鏝を用いてスルーホールの有効な半田付けが出来るようになった。
【０００９】
本発明のスルーホール半田付け装置とは、
配線基盤のスルーホール孔に端子銅線（ピン）を挿入し、ピンを半田鏝側に突き出した形で治具に固定する固定手段と、該治具が前後左右に移動可能な移動手段を有し、
筒状半田鏝と半田供給装置、半田切断装置を同じプレート（連結プレート）上に設置し、該プレートがフローテイング機構(上下摺動機構)を備えている、
該フローテイング機構は、昇降駆動機構とばね等による牽引機構を具備している、
ことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のスルーホール半田付け方法とは、
連結プレートを降下させ、配線基板に筒状半田鏝を押し当てて、ピンとスルーホール孔部分を予備加熱する工程、
予備加熱終了後に、該半田鏝の後端部の貫通孔に半田片を投入する工程、
該半田鏝の先端部で半田片を溶融して、スルーホール孔に溶融半田を充填する工程、
溶融半田で充填後、該半田鏝は配線基板から離れる工程、
を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
このように本発明の半田付け装置によれば、ポイント半田付けにもかかわらず、半田付けを行う配線基板の微小な凹凸やゆがみに影響されることがなく、一定の接触圧で半田鏝を配線基板に押し付けることが出来る。そのため、予備加熱が安定して行え、品質の良いスルーホール半田付けが可能になった。また、一定の接触圧をかけるためのフローテイング機構は、上下の昇降移動手段に、バネのような牽引手段で上下動自在に吊支しているため、複雑な制御を行う必要がなく、該鏝先が上下動する際の前後方向への振れ幅を非常に小さくすることができるため、半田付け不良を生じることなく精度の良いハンダ付けを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る一つの実施の形態である半田付け装置の外観構成を示す斜視図である。
図１に示すように、半田付け装置は、電子機器の配線基板Ｓ上のランドに金属ピンを挿入した状態でランドとピンを糸半田Ｗで接合するもので、平坦な台２ａ及び台２ａに垂直に固定された壁２ｂからなる本体２を備えている。台２ａ上にはＸ方向に延びるレール２ｘが敷かれ、そのレール２ｘ上にＹ方向に延びるレール２ｙがレール２ｘに沿って移動可能に固定されている。レール２ｙ上には配線基板Ｓを載せるジグ２ｅがＸＹ方向に移動可能に固定されている。また、壁２ｂにはＺ方向に延びるレール２ｚが取り付けられている。レール２ｚには連結プレートベースがレール２ｚに沿って移動可能に固定されている。各移動は、モータなどの図示しない駆動源によりなされる。
【００１３】
連結プレート２ｃには、平面視コの字のブラケット２ｄを介して半田リール３、送りローラ４、カッターユニット５、センサ６及びガイド管７が上から順に取り付けられている。
カッターユニット５は、図２（ａ）に示すように互いに平行な上下面で挟まれる凹部５１ａを有する受け刃５１、凹部５１ａに摺動可能に嵌合する切り刃５２及び切り刃５２を駆動する流体圧シリンダ５３からなる。シリンダ５３は流体圧によりその出力ロッドが前進、後退するものである。
【００１４】
受け刃５１の上部には上面から凹部５１ａまで貫通した供給孔５１ｂ及び導入孔５１ｃが形成されている。供給孔５１ｂは、送りローラ４の直下に位置し、糸半田Ｗが抵抗無く通過可能な内径を有する。導入孔５１ｃは、供給孔５１ｂよりもシリンダ５３から遠い位置にあって、供給孔５１ｂとほぼ同じ内径を有する。受け刃５１の下部には水平方向位置を導入孔５１ｃと同じくし、供給孔５１ｂとほぼ同じ内径の排出孔５１ｄが形成されている。切り刃５２は、上下方向に貫通し供給孔５１ｂとほぼ同じ内径の保持孔５２ａを有する。切り刃５２の長さ及びシリンダ５３のストロークは、保持孔５２ａの位置が切り刃５２の後退時には供給孔５１ｂと一致し、前進時には導入孔５１ｃ及び排出孔５１ｄと一致するように設計されている。ガイド管７は、排出孔５１ｄの直下に位置する。センサ６は、ガイド管７を間にして一方の側に設けられた発光素子６ａ、及び他方の側に設けられた受光素子６ｂからなる。ガイド管７は、透明材料からなるか又は少なくともセンサ６の高さに透明窓を有する。
【００１５】
また、連結プレート２ｃには、ブラケット２ｄよりも下方に銅などの高熱伝導性材料からなる加熱ブロック８が取り付けられている。加熱ブロック８は、図３に示すように固定端側の薄肉部８ａとこれに連なる自由端側の厚肉部８ｂとからなり、薄肉部８ａには連結プレート２ｃと厚肉部８ｂとの間を断熱するために多数の孔が形成されている。厚肉部８ｂにはヒータ８ｃ及び筒９が埋め込まれている。筒９は、保持孔５２ａとほぼ同じ内径を有し、上下に貫通していて加熱ブロック８よりも下方に突出しており、周辺部品との干渉を避けるため下端部外径はテーパになっている。筒９は、６００℃程度の温度に耐えることができて少なくとも下端部内周面が半田に対して濡れにくい性質を有するものであればよく、単一材料からなっていても複数部材の組み合わせであってもよい。単一材料からなる場合は、セラミック、またはステンレス、チタンなどの非半田濡れ性金属が望ましい。また、セラミックの場合は窒化アルミニウム、炭化ケイ素などの高熱伝導性セラミックが特に望ましい。
【００１６】
糸半田Ｗの直径、保持孔５２ａ及び筒９の寸法は、一回の半田付けに必要な半田の量に応じて適宜定めればよいが、例えばピンの外径が１ｍｍであるとき、糸半田Ｗの直径を１．２ｍｍ、保持孔５２ａ及び筒９の内径を３ｍｍ、糸半田Ｗの切断片（半田片）の長さを６ｍｍ、保持孔５２ａの長さを７ｍｍに設定することで、半田片が筒９内でピンに隣接しながら起立した状態となり、半田片全体が速やかに均等に加熱される。従って、糸半田Ｗが無鉛半田であっても、筒９の下端温度を３５０℃とすれば、良好に半田付けをすることができる。
【００１７】
連結プレートベースは、引っ張りバネの牽引手段で連結プレートを上下動自在に吊支している。このように、連結プレートのフローテイング機構（上下摺動機構）は以下のようになっている。まず、連結プレートの一面にアリ溝を有する。そして、このアリ溝にはアリを有する連結プレートベースが嵌合しており、連結プレートベースと連結プレートは摺動（上下）する。図１では、摺動機構としてアリ溝とアリを用いたが、リニアベアリングを用いることができる。また、連結プレートベースの下部には、連結プレートが抜け落ちないようにストッパーが設けられている。
以上のことから、半田対象箇所に対する半田鏝の接触圧は、連結ベースに取り付けられた機器の重量からバネの引っ張り力を差し引いた大きさとなる。
【００１８】
本発明の半田付け装置を用いて半田付けをする方法は次の通りである。
配線基板ＳのランドＰに金属ピンを挿入し、配線基板Ｓをジグ２ｅに載せる。そして、ランドが筒９の真下に位置するようにジグ２ｅを配線基板Ｓとともに移動させる。図４に示すように、レール２ｚに取り付けられた連結プレート２ｃを下降させ、筒９の下端面がランド（被半田箇所）に押し当てる。
図５に示されるように、押し当てた筒９の下端面でランド（被半田箇所）を予備加熱する。配線基板の高さのバラツキはフローテイングで吸収される。その際のストッパーと連結プレートとの距離ｓは、すべての被半田箇所に対して、ｓの値が０以上になるように調整する。予備加熱終了後、半田片を落下させる。
なお、半田片は、図２に示すように作製される。まず、図２（ａ）に示すように切り刃５２を保持孔５２ａが供給孔５１ｂと一致するところまで後退させておき、ヒータ８ｃに通電しておく。ランドＰとピンＴはこの輻射熱で予熱される。送りローラ４を回転させて半田リール３より糸半田Ｗを引き出して供給孔５１ｂに通す。糸半田Ｗが保持孔５２ａに入り、所定の長さ送られた時点で送りローラ４を停止させる。糸半田Ｗの送り量は、送りローラ４の回転数によって制御される。この状態でシリンダ５３を駆動して切り刃５２を前進させる。
【００１９】
すると図２（ｂ）に示すように、切り刃５２と受け刃５１との間に剪断力が働いて糸半田Ｗが所定の長さに切断され、半田片Ｆとなって保持孔５２ａとともに排出孔５１ｄ上に移動する。ここで導入孔５１ｃに接続されたホース５１ｅを介して空気を保持孔５２ａに吹き付ける。半田片Ｆは、排出孔５１ｄよりガイド管７内に落下し、図４（ａ）に示すように筒９に入ってランドＰ上に向かう。途中、センサ６が半田片Ｆの通過を検知し、その信号に基づいて、保持孔５２ａが供給孔５１ｂと一致するところまで切り刃５２を後退させた所で送りローラ４が再度回転し、後続の糸半田Ｗを保持孔５１ｂに供給する。ランドＰに達した半田片Ｆは、図５に示すように加熱ブロックのヒータの熱により溶融半田となってスルーホール孔を充填し、ランドとピンを接合する。溶融半田は筒９で囲まれているので、周囲に飛散することはない。また、筒９の下端部内周面が半田に濡れにくい材料からなっているので、半田片Ｆの全量がスルーホール孔の充填に使用され、金属ピンとランドとの接合に消費されることになる。そのため、接合後の外観もきれいに仕上がる。溶融中にフラックスの燃焼により発生する煙は、吸引管８ｄより吸引される。その後、連結プレート２ｃが上昇し、筒９が配線基板Ｓから遠ざかる。そして、ジグ２ｅが配線基板Ｓを伴ってＸ方向又はＺＹ方向に移動し、次のランドと金属ピンとの接合工程を開始する。
【００２０】
加熱手段としては、筒９と別体のヒータ８ｃに代えて筒９自体を抵抗体あるいは発熱体を埋め込んだセラミックで成形し、筒９に直接通電してもよい。また、筒９を磁性体で成形し、外周にコイルを巻いて高周波電源より高周波電力を印加することにより筒９を加熱しても良い。あるいは、コイルに代えてシーズヒータを巻いてもよい。いずれの場合も筒９を直接加熱するので立ち上がりが早く効率が良い。
【００２１】
尚、図１に示すように、ジグ２ｅの一方の側には筒９の内径よりも小さい外径を有する管状のクリーナー２ｆが先端を上向きにして取り付けられている。そして、筒９の内面が汚れた場合にクリーナー２ｆが筒９の直下に位置するようにジグ２ｅを移動して筒９にクリーナー２ｆを挿入し、吸引することにより筒９内面を掃除すると好ましい。クリーナー２ｆの外周面にブラシ２ｇが植毛されていると好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態１にかかわる半田付け装置を示す斜視図である。
【図２】同装置に用いられるカッターユニットを示す鉛直方向断面図であり、（ａ）は切り刃の後退時、（ｂ）は前進時である。
【図３】同装置に用いられる半田鏝と配線基板を示す斜視図である。
【図４】半田鏝を配線基板に押し当てる前の半田付け装置の要部断面図である。
【図５】配線基板を予熱した後の半田片を投入する際の状態を示した半田付け装置の要部断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１，１１  半田付け電子機器製造装置
２  本体
２ａ  台
２ｂ  壁
２ｃ  連結プレート
２ｄ  ブラケット
２ｅ  ジグ
２ｘ，２ｙ，２ｚ  レール
３  半田リール
４  送りローラ
５  カッターユニット
６  センサ
７  ガイド管
８，１８，２８  加熱ブロック
９，１９，２９，３９，４９  筒
４２  定量間欠送り装置
５１  受け刃
５２  切り刃
５１ａ  凹部
５１ｂ  半田供給孔
５１ｃ  気体導入孔
５１ｄ  半田排出孔
５２ａ  半田保持孔
Ｆ，Ｊ  半田片
【図１】
2009200196.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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