はんだ付け方法、装置、及びワーク処理装置
【課題】装置の大型化、複雑化、コストアップを抑制できる、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法を提供する。
【解決手段】ワークＷのはんだ被着面Ｗａに対してはんだ部材を溶融接着させるに際し、先ず被着面Ｗａを含む領域に対してプラズマ発生ノズル２０からプラズマ化されたガスであるプルームＰを照射して被着面Ｗａの表面改質を行う。次いで、表面改質された被着面Ｗａに固相状態のフラックスフリーの線状はんだ部材Ｈを供給する。そして、プルームＰが保有している熱により、線状はんだ部材Ｈを溶融させ、被着面Ｗａにはんだ部材Ｈを溶融接着させる。
【解決手段】ワークＷのはんだ被着面Ｗａに対してはんだ部材を溶融接着させるに際し、先ず被着面Ｗａを含む領域に対してプラズマ発生ノズル２０からプラズマ化されたガスであるプルームＰを照射して被着面Ｗａの表面改質を行う。次いで、表面改質された被着面Ｗａに固相状態のフラックスフリーの線状はんだ部材Ｈを供給する。そして、プルームＰが保有している熱により、線状はんだ部材Ｈを溶融させ、被着面Ｗａにはんだ部材Ｈを溶融接着させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板等のワークに対してフラックスフリーのはんだを溶融接着させるはんだ付け方法、装置、及びワーク処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の接合等の用途に汎用されているはんだ合金（Ｐｕ−Ｓｎ系合金）には、被着面の酸化物遊離、濡れ性改善等のために有機レジンであるフラックスが使用されている。そして、はんだ付けに当たっては、はんだコテの当接、熱風照射、レーザー照射等によりはんだ合金を加熱溶融させ、被着面に溶融接着させている。しかし、フラックスを使用すると、はんだ付け後にフロン等を用いた基板洗浄が必要となる場合があり、工程の増加を招来するばかりでなく、環境破壊の観点からも好ましくない。なお、洗浄を必要としない無洗浄フラックスも存在するが、概して高価であるため、汎用性に欠けるという問題がある。そもそも、フラックスとして利用される有機レジン自体も、その使用が規制させる趨勢にあり、可及的にフラックスを用いないフラックスフリーはんだの使用が望まれているところである。
【０００３】
ところで、はんだ付けが行われる被着面に対してプラズマを照射し、被着面の清浄化乃至は表面改質を行う技術が知られている。例えば特許文献１には、はんだ付け前にプラズマにより基板表面の不純物を除去することが開示されている。また、特許文献２には、はんだ付け前に高周波プラズマによって被処理物の表面を活性化処理し、フラックスフリーはんだにてはんだ付けを行う技術が開示されている。さらに、特許文献３には、フラックスフリーはんだによりはんだ接合する２つの部材に大気圧低温プラズマを照射して表面を清浄化すると共に、溶融はんだを供給して両者をはんだ付けする技術が開示されている。
【特許文献１】特開平３−１７４９７２号公報
【特許文献２】特開平８−２８１４２３号公報
【特許文献３】特開平９−２３５６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のはんだ付け方法乃至は装置にあっては、プラズマを、はんだ被着面の清浄化、表面改質に用いるのみであり、プラズマ処理工程とはんだ付け工程とは別ステージのものとして取り扱われている。上記特許文献２では、真空装置内でプラズマ処理を行った後、後段に配置された噴流式はんだ付け装置にてはんだ付けを行う旨が開示されている。また特許文献３では、プラズマ処理の後、その清浄化された部位に溶融はんだを供給するか、非溶融はんだを供給して溶融させる旨が開示されている。このため、被着面の清浄化乃至は表面改質を行うプラズマ発生装置と、はんだを溶融させて部材接合を行わせるための装置が別々に必要となり、装置の大型化、複雑化、コストアップを招く結果となっていた。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、装置の大型化、複雑化、コストアップを抑制できる、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法、装置、及びワーク処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係るはんだ付け方法は、所定の被着面に対してはんだ部材を溶融接着させるはんだ付け方法であって、前記被着面を含む領域に対してプラズマ化されたガスを照射して当該被着面の表面改質を行う第１の工程と、前記第１の工程により表面改質された部位に固相状態のフラックスフリーのはんだ部材を供給すると共に、前記はんだ部材の融点よりも高い温度を有するプラズマ化されたガスを前記はんだ部材に照射して、前記被着面にはんだ部材を溶融接着させる第２の工程とを具備することを特徴とする。
【０００７】
この方法によれば、第１の工程におけるプラズマ化されたガスの照射により、被着面の清浄化を含めた表面改質が行われる。続いて、第２の工程におけるプラズマ化されたガスの照射により、フラックスフリーのはんだ部材が溶融され、被着面にはんだ部材が溶融接着される。すなわち、プラズマ化されたガスの照射によって、被着面の清浄化乃至は表面改質だけでなく、はんだ部材の溶融接着までもが実行されるものである。
【０００８】
本発明の請求項２に係るはんだ付け装置は、電力エネルギーを発生するエネルギー発生手段と、前記電力エネルギーに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルと、所定の処理ガスを前記プラズマ発生ノズルに対して供給するガス供給手段と、所定のターゲット位置に対して前記プラズマ化したガスを照射可能なように、前記プラズマ発生ノズルの位置調整を行う位置調整手段と、前記ターゲット位置に対してフラックスフリーのはんだ部材を供給するはんだ供給手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、所定のターゲット位置に対して前記プラズマ化したガスを照射可能であると共に、そのターゲット位置に対してフラックスフリーのはんだ部材が供給される。従って、前記ターゲット位置にはんだ部材の被着面を位置させるようにすれば、プラズマ化されたガスの照射によって、その被着面の表面改質を行えると共に、はんだ部材の溶融接着も行えるようになる。
【００１０】
上記はんだ付け装置において、前記エネルギー発生手段が、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段からなる構成とすることができる（請求項３）。この構成によれば、上記プラズマ化したガスは、マイクロ波エネルギーに基づき生成されるようになる。
【００１１】
上記構成において、前記位置調整手段が、前記プラズマ発生ノズルを搭載すると共に、該前記プラズマ発生ノズルを二次元方向若しくは三次元方向に移動させることが可能なロボットハンドからなることが望ましい（請求項４）。この構成によれば、プラズマ発生ノズルがロボットハンドにより二次元方向若しくは三次元方向に移動可能となるので、プラズマ化されたガスを基板等のワークの各所へ自在に照射できるようになる。
【００１２】
この場合、前記エネルギー発生手段から発生される電力エネルギーを、前記ロボットハンドに搭載された前記プラズマ発生ノズルに給電する給電ケーブルを備える構成とすることができる（請求項５）。或いは、前記エネルギー発生手段が前記ロボットハンドに搭載され、当該エネルギー発生手段から前記プラズマ発生ノズルに直接電力エネルギーが供給される構成とすることができる（請求項６）。
【００１３】
本発明の請求項７に係るワーク処理装置は、請求項２〜６のいずれかに記載のはんだ付け装置と、前記ターゲット位置に対して、はんだ部材の被着面を有する所定のワークを連続供給するワーク供給手段とを具備することを特徴とする。この構成によれば、ワーク供給手段により、はんだ部材の被着面を有する所定のワークがターゲット位置に搬送され、当該位置におけるプラズマ化されたガスの照射によって、その被着面の表面改質、はんだ部材の溶融接着が行われるようになる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係るはんだ付け方法によれば、プラズマ化されたガスの照射によって、被着面の清浄化乃至は表面改質だけでなく、はんだ部材の溶融接着も行われるので、はんだ部材を溶融接着させるための工程を、表面改質のための工程に連続して実行させることができる。従って、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法の簡素化、高速化を図ることが出来る。
【００１５】
請求項２に係るはんだ付け装置、並びに請求項７に係るワーク処理装置によれば、ターゲット位置にはんだ部材の被着面を位置させてプラズマ発生ノズルからプラズマ化したガスを照射することによって、前記被着面の表面改質を行えると共に、はんだ部材の溶融接着も行える。従って、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法の簡素化、高速化を図ることが出来る。
【００１６】
請求項３に係るはんだ付け装置によれば、プラズマ化したガスをマイクロ波エネルギーに基づき生成するので、エネルギーソースとしてマグネトロンのような汎用品を用いて装置を構成することができる。
【００１７】
請求項４に係るはんだ付け装置によれば、ロボットハンドによりプラズマ発生ノズルの位置決めを二次元的、或いは三次元的に自在に行えることから、はんだ付け装置の機能性を一層向上させることができる。
【００１８】
請求項５に係るはんだ付け装置によれば、ロボットハンドに搭載されたプラズマ発生ノズルに給電ケーブルを通して電力エネルギーを供給するので、ロボットハンドを軽量化でき、機動性を向上させることができる。
【００１９】
請求項６に係るはんだ付け装置によれば、ロボットハンドにエネルギー発生手段を搭載してプラズマ発生ノズルに直接電力エネルギーを供給するので、導波管や給電ケーブル等の導波部材の使用を省けると共に、エネルギーの伝送ロスを最小限に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るはんだ付け方法を実施するためのはんだ付け装置Ｓ１の一例を示す構成図、図２ははんだ付け装置Ｓ１の要部拡大断面図である。このはんだ付け装置Ｓ１は、基台１００の上に載置されるロボットハンド１０（位置調整手段）、このロボットハンド１０に搭載されプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズル２０、プラズマ発生ノズル２０の先端部位に対してフラックスフリーの線状はんだ部材Ｈを供給するはんだ供給機構３０（はんだ供給手段）、マイクロ波エネルギー（電力エネルギーの一種）を発生するマイクロ波発生装置４０（エネルギー発生手段）、プラズマ発生ノズル２０に対して所定の処理ガスを供給する処理ガス供給装置５０（ガス供給手段）、当該はんだ付け装置Ｓ１の動作制御を行う制御部６０、及びはんだ部材の被着面を有する回路基板等のワークＷを搬送するワークキャリー１０１を備えて構成されている。
【００２１】
ロボットハンド１０は、基台１００上に載置固定されるロボット基体部１１と、このロボット基体部１１に取り付けられる５自由度を有する多関節アームとからなる。前記多関節アームは、ロボット基体部１１から順に、回転アーム１２、第１傾動アーム１３、第２傾動アーム１４及び回転傾動アーム１５が連結されて構成されている。
【００２２】
回転アーム１２は、ロボット基体部１１に対し、図中に示すａ軸回りに旋回可能に取り付けられている。第１傾動アーム１３の基端は、回転アーム１２の先端に、図中矢印ｃで示す方向に回動するように取り付けられている。第２傾動アーム１４の基端は、第１傾動アーム１３の先端に、図中矢印ｄで示す方向に回動するように取り付けられている。回転傾動アーム１５は、その基端部が第１傾動アーム１３の先端に、図中矢印ｅで示す方向に回動するように取り付けられていると共に、自身が図中に示すｂ軸回りに旋回可能な機構を備えている。また、回転傾動アーム１５の先端（下端面側）には、プラズマ発生ノズル２０が取り付けられている。このような多関節アームは、ロボット制御部６１の制御下において屈曲及び旋回駆動され、プラズマ発生ノズル２０の三次元的な位置決め、つまり所定のターゲット位置への位置決めを可能とするものである。
【００２３】
プラズマ発生ノズル２０は、マイクロ波発生装置４０により発生されるマイクロ波エネルギーに基づきプラズマ化されたガスを生成して放出するためのものである。プラズマ化されたガスは、ワークＷにおけるはんだ部材の被着面（ターゲット位置）の表面改質を行うため（第１の工程）、並びに第１の工程により表面改質された部位に供給されたフラックスフリーのはんだ部材を溶融させ前記被着面に接着させるため（第２の工程）に放射される。つまり、プラズマ発生ノズル２０は、被着面の表面改質のためにプラズマを照射させる機能と、はんだ部材を溶融接着させるはんだコテの機能とを担うものである。
【００２４】
図２に示すように、プラズマ発生ノズル２０は、中心導電体２１、ノズルホルダ２２、ノズル本体２３、保護管２４及び絶縁保持部材２５を含んで構成されている。なお、前記中心導電体２１及びノズル本体２３は、同心で配置され互いに絶縁された内部導体及び外部導体の関係とされている。
【００２５】
中心導電体２１は、良導電性の金属から構成された棒状部材からなり、その上端部２１１がノズルホルダ２２の内部空間２２１にまで突出している一方で、下端部２１２がノズル本体２３の下端縁２３Ｂと略面一になるように、上下方向に配置されている。この中心導電体２１の上端部２１１には、同軸ケーブル４１（給電ケーブル）を介してマイクロ波発生装置４０からマイクロ波エネルギー（マイクロ波電力；高周波エネルギー（高周波電力）であっても良い）が与えられるようになっている。当該中心導電体２１は、上端部２１１の付近で絶縁保持部材２５により保持されている。
【００２６】
ノズルホルダ２２は、ノズル本体２３を保持するもので、良導電性の金属から構成されている。ノズルホルダ２２は、その基端部がロボットハンド１０（回転傾動アーム１５）に絶縁支持される筒体部２２０と、この筒体部２２０の内部に形成されノズル本体２３及び絶縁保持部材２５を収容・保持する筒状の内部空間２２１と、筒体部２２０を貫通して形成され同軸ケーブル４１の終端部が接続されるコネクタ部２２２とを備えている。
【００２７】
ノズル本体２３は、同様に良導電性の金属から構成され、中心導電体２１を収納する筒状空間２３１を有する筒状体である。中心導電体２１は、所定の環状空間（絶縁間隔）が周囲に確保された状態で、この筒状空間２３１の中心軸上に配置されている。ノズル本体２３は、上下方向の略中央付近に穿孔されたガス供給孔２３２と、中央からやや上方の位置に突設されたフランジ部２３３とを備える。ガス供給孔２３２には、所定の処理ガスを供給する処理ガス供給装置５０から延出されるガス供給管５１の終端部を接続するための管継手等が取り付けられる。
【００２８】
ノズル本体２３は、その上端側がノズルホルダ２２の内部空間２２１へ入り込み、フランジ部２３３の上端面がノズルホルダ２２の下端縁と接触するようにノズルホルダ２２に嵌合されている。なお、ノズル本体２３は、例えばプランジャやセットビス等（図略）を用いて、ノズルホルダ２２に対して着脱自在な固定構造で装着されている。また、ノズル本体２３の上端側付近の外周上には凹溝２３４が刻設され、該凹溝２３４にガス漏れを抑止するためのガスシールリング２３５が介在されている。
【００２９】
保護管２４は、所定長さの石英ガラスパイプ等からなり、ノズル本体２３の筒状空間２３１の内径に略等しい外径を有する。この保護管２４は、ノズル本体２３の下端縁２３Ｂでの異常放電（アーキング）を防止して後述するプルームＰを正常に放射させる機能を有しており、その一部がノズル本体２３の下端縁２３Ｂから突出するように、前記筒状空間２３１に内挿されている。なお、保護管２４は、その先端部が前記下端縁２３Ｂと一致するように、或いは下端縁２３Ｂよりも内側へ入り込むように、その全体が筒状空間２３１に収納されていても良い。
【００３０】
絶縁保持部材２５は、テフロン（登録商標）等の耐熱性樹脂材料やセラミック等からなり、中心導電体２１を貫通させて固定的に保持する円板状の絶縁部材からなる。絶縁保持部材２５は、その下端縁がノズル本体２３の上端縁と当接して支持される態様で、ノズルホルダ２２の内部空間２２１内において支持されている。
【００３１】
同軸ケーブル４１は、内部導体４１１の上に順次、発泡絶縁層４１２、外部導体４１３及び外部絶縁ジャケット４１４が形成されてなる。そして、同軸ケーブル４１の一端は前記コネクタ部２２２に接続され、内部導体４１１が中心導電体２１の上端部２１１と電気的に接続され、外部導体４１３がノズルホルダ２２に対して電気的に接続される。なお、図２では、詳細な接続機構については図示省略している。一方、同軸ケーブル４１の他端は、マイクロ波発生装置４０に接続されている。これにより中心導電体２１には、同軸ケーブル４１を介して、マイクロ波発生装置４０により発生されるマイクロ波エネルギーが供給されるものである。なお、ノズル本体２３及びノズルホルダ２２は、アース電位とされる。
【００３２】
プラズマ発生ノズル２０は上記のように構成されている結果、中心導電体２１に同軸ケーブル４１を介してマイクロ波電力が給電されると、絶縁保持部材２５で支持されている中心導電体２１と、アース電位とされているノズル本体２３との間に電位差が生じるようになる。そして、中心導電体２１の下端部２１２及びノズル本体２３の下端縁２３Ｂの近傍に電界集中部が形成されるようになる。
【００３３】
かかる状態で、ガス供給孔２３２から例えば酸素ガスや空気のような酸素系の処理ガスがノズル本体２３の筒状空間２３１へ供給されると、前記マイクロ波電力により処理ガスが励起されて中心導電体２１の下端部２１２付近においてプラズマ（電離気体）が発生する。このプラズマは、電子温度が数万度であるものの、ガス温度は外界温度〜数百℃程度の反応性プラズマ（中性分子が示すガス温度に比較して、電子が示す電子温度が極めて高い状態のプラズマ）であって、常圧下で発生するプラズマである。
【００３４】
このようにしてプラズマ化された処理ガスは、ガス供給孔２３２から与えられるガス流によりプルームＰとしてノズル本体２３の下端縁２３Ｂ（保護管２４の下端縁）から放射される。このプルームＰにはラジカルが含まれ、例えば処理ガスとして酸素系ガスを使用すると酸素ラジカルが生成されることとなり、有機物の分解・除去作用、表面粗面化作用等の表面改質性能を有するプルームＰとすることができる。このプルームＰは、図２に示すように、ワークＷの被着面Ｗａに対して照射される。
【００３５】
はんだ供給機構３０は、前記プルームＰの照射位置（ターゲット位置）に対して、フラックスフリーの線状はんだ部材Ｈを供給するものである。はんだ供給機構３０は、はんだ付けの対象となるワークＷの被着面Ｗａに向けて線状はんだ部材Ｈを送り出すガイド部材３１と、ガイド部材３１を支持する支持部材３２と、支持部材３２に一端側が固定されると共に他端側がノズルホルダ２２の外周に固定されガイド部材３１をノズルホルダ２２の外周壁を利用して支持させるための支持アーム３３と、ボビンなどに巻かれた線状はんだ部材Ｈをガイド部材３１に向けて必要量ずつ繰り出すはんだ供給装置３４とを備えて構成されている。
【００３６】
図２に示すように、フラックスフリーの線状はんだ部材Ｈは、このようなはんだ供給機構３０により、プルームＰの照射エリア（図２において点線で示す領域）に適量が供給され、プルームＰが保有する熱により溶融される。一般に、Ｐｕ−Ｓｎ系のはんだ合金の融点は、２２０℃〜２３０℃程度であり、鉛フリーのはんだ合金でも３００℃程度である。一方、プルームＰは、発生プラズマ量や処理ガスの温度等を制御することで、前記のような温度領域を超えるように高温化（例えば５００℃程度）することが可能であり、その熱で線状はんだ部材Ｈを溶融させることができる。なお、ガイド部材３１にヒーターを設け、このヒーターで線状はんだ部材Ｈを予備加熱するように構成することが望ましい。
【００３７】
マイクロ波発生装置４０は、プラズマを発生させるためのマイクロ波エネルギーを発生するもので、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源にて発生されたマイクロ波の強度を所定の出力強度に調整するアンプとを具備するものを用いることができる。上述の通り、マイクロ波発生装置４０にて発生されるマイクロ波エネルギーは、同軸ケーブル４１によりプラズマ発生ノズル２０へ給電される。なお、このようなマイクロ波発生装置４０に代えて、例えば１３．６５ＭＨｚの高周波電力を発生する高周波電源を用いることができる。
【００３８】
処理ガス供給装置５０は、例えば酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガスのような、プラズマ発生ノズル２０へ供給する適宜な処理ガスを貯留するガスボンベと、ガス供給量を制御する流量制御弁などを備えてなる。処理ガス供給装置５０に備えられている処理ガスは、ガス供給管５１を介してノズル本体２３のガス供給孔２３２に向けて供給される。
【００３９】
ワークキャリー１０１（ワーク供給手段）は、はんだ付けを行うワークＷを、プラズマ発生ノズル２０の作業領域を経由する所定の搬送ルートで順次搬送するものである。なお、ワークキャリー１０１に代えて、作業ステージを配置し、該作業ステージに他のロボットハンドによりワークＷを順次供給させるようにしても良い。
【００４０】
制御部６０は、はんだ付け装置Ｓ１の動作制御を行うもので、ロボット制御部６１、全体制御部６２及び操作部６３を備えて構成されている。
【００４１】
ロボット制御部６１は、汎用ロボットコントローラ等からなり、全体制御部６２の制御下で、ロボットハンド１０の旋回、屈曲動作を制御することで、プラズマ発生ノズル２０の位置調整を行う。すなわちロボット制御部６１は、ロボットハンド１０を駆動させることで、その先端に装着されているプラズマ発生ノズル２０から放出されるプルームＰが、ワークＷの被着面Ｗａに対して所定の間隔を置いて照射されるよう、プラズマ発生ノズル２０の位置調整を行う制御をする。また、ロボット制御部６１は、はんだ供給装置３４の駆動を制御して、線状はんだ部材Ｈをガイド部材３１に向けて必要量ずつ繰り出させる制御も行う。
【００４２】
全体制御部６２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成され、前記ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより、はんだ付け装置Ｓ１の全体的な動作制御を行う。すなわち、全体制御部６２は、操作部６３より与えられるユーザの指示信号に応じて、ロボット制御部６１、マイクロ波発生装置４０、処理ガス供給装置５０及びワークキャリー１０１を制御して、プラズマ発生ノズル２０からプルームＰを放出させ、ワークＷの被着面Ｗａに対する表面改質、並びにはんだ付けを行わせるものである。
【００４３】
以上の通り構成されたはんだ付け装置Ｓ１（ワーク処理装置）により実行される回路基板（ワークＷ）に対するはんだ付け方法の一例について、図３に基づいて説明する。先ず全体制御部６２は、ワークＷが搭載されたワークキャリー１０１を移動させ、ロボットハンド１０の処理ステージ上にワークＷを位置決めさせる（図３（ａ））。
【００４４】
次に全体制御部６２は、ロボット制御部６１を介してロボットハンド１０を動作させ、プラズマ発生ノズル２０をワークＷのはんだ被着面に対向する所定位置に位置決めさせる（図３（ｂ））。続いて全体制御部６２は、マイクロ波発生装置４０及び処理ガス供給装置５０を動作させ、図３（ｃ）に示すように、プラズマ発生ノズル２０からプルームＰを放出させる（第１の工程）。
【００４５】
図４（ａ）は、プルームＰによるワークＷの表面改質状況を説明するための模式図である。回路基板のようなワークＷは、一般に絶縁基材７１上に回路パターンを構成する銅パターン層７２、この銅パターン層７２の表面を覆う金メッキ層７３を有してなる。はんだ部材は、金メッキ層７３の表面（被着面Ｗａ）に溶着されるのであるが、金メッキ層７３の表面に酸化膜層７４が存在したり、有機物からなる異物が付着していたりする場合がある。この場合に形成されるはんだ溶着層Ｈｏは、図４（ｂ）に一点鎖線で示すような球状となり、はんだの濡れ性、広がり係数が悪くなり、強固な溶着は望めない。
【００４６】
しかし、このような被着面ＷａにプルームＰが照射されることで、前記酸化膜層７４や有機物は分解される。さらに、金メッキ層７３の表面が微細に粗面化されることも相俟って、はんだ部材がフラックスフリーのものであっても、十分な濡れ性、広がり角を得ることが可能となる。すなわち図４（ｂ）に実線で示すように、プルームＰが照射により金メッキ層７３の表面改質が行われる結果、この場合のはんだ溶着層Ｈｃは小さい濡れ角となり、広がり係数も良好となる。従って、被着面Ｗａに対して良好な接着性を有する。
【００４７】
その後、全体制御部６２は、はんだ供給装置３４を動作させて線状はんだ部材Ｈを必要量だけ繰り出させる。これにより、先の工程により表面改質され、プルームＰが照射された状態にある被着面Ｗａに向けて、固相状態のフラックスフリーの線状はんだ部材Ｈが供給される（図３（ｄ））。そして、プルームＰの熱が線状はんだ部材Ｈに与えられ、この熱により線状はんだ部材Ｈが溶融される。この結果として、ワークＷの表面にはんだ溶着層Ｈｃが形成される（図３（ｅ）；第２の工程）。しかる後、全体制御部６２はワークキャリー１０１を処理ステージ外へ移動させ、はんだ付け済みのワークＷが取り出されるものである（図３（ｆ））。
【００４８】
以上の通り構成されたはんだ付け装置Ｓ１によれば、ワークＷの被着面をターゲット位置に位置させてプラズマ発生ノズル２０からプルームＰを照射することによって、被着面の清浄化乃至は表面改質を行えると共に、線状はんだ部材Ｈの溶融接着も行うことができる。従って、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法の簡素化、高速化を図ることが出来る。また、プラズマ化したガスをマイクロ波エネルギーに基づき生成するので、エネルギーソース（マイクロ波発生装置）としてマグネトロンのような汎用品を用いて装置を構成することができる。
【００４９】
さらに、ロボットハンド１０によりプラズマ発生ノズル２０の位置決めを三次元的に自在に行えることから、はんだ付け装置Ｓ１の機能性を一層向上させることができる。また、ロボットハンド１０に搭載されたプラズマ発生ノズル２０に同軸ケーブル４１を通してマイクロ波エネルギーを供給するので、ロボットハンド１０を軽量化でき、機動性を向上させることができるという利点もある。
【００５０】
以上、本発明の一実施形態に係るはんだ付け装置Ｓ１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記（１）〜（３）の変形実施形態を取ることができる。
【００５１】
（１）上記実施形態では、ロボットハンド１０にプラズマ発生ノズル２０を搭載した例を示したが、ロボットハンド１０以外の各種位置調整手段を本発明に適用することができる。また、同軸ケーブル４１を用いてマイクロ波エネルギーを伝送させる例を示したが、このような給電ケーブルの使用を省略するようにしても良い。図５は、これらの点に鑑みた、変形実施形態に係るはんだ付け装置Ｓ２を示す正面図である。
【００５２】
このはんだ付け装置Ｓ２は、プラズマ発生ノズル２００を二次元的に移動させるようにしたもので、基台フレーム８１と、この基台フレーム８１の上に立設された左右一対の縦フレーム８２と、縦フレーム８２間を上部において橋絡する横フレーム８３と、横フレーム８３に設けられたガイド溝を摺動する移動ヘッド８４とを備えて構成されている。横フレーム８３は、縦フレーム８２間において図中矢印ｈで示す上下方向に移動可能とされている。また移動ヘッド８４は、図中矢印ｇで示す左右方向に移動可能とされている。
【００５３】
移動ヘッド８４には、プラズマ発生ノズル２００とはんだ供給機構３００とが搭載されている。先の実施形態と同様に、プラズマ発生ノズル２００はプラズマ化されたガスを発生するもので、図略の内部導電体、ノズルホルダ２０２、ノズル本体２０３及び保護管２０４を備える。また、はんだ供給機構３００は、はんだ部材のガイド部材３０１とはんだ供給装置３０４などを備える。さらに移動ヘッド８４には、マグネトロン４２と、このマグネトロンのための電源装置４３とが搭載されている。
【００５４】
このようなはんだ付け装置Ｓ２によれば、ワークキャリー８０１に搭載されたワークＷに対して、縦フレーム８２を利用してプラズマ発生ノズル２００の高さ位置の調整を、横フレーム８３を利用して左右方向の位置調整を行うことができる。従って、ワークキャリー８０１でワークＷを移送しつつ、ワークＷの所定の部位に対してプラズマ発生ノズル２００からプルームＰを照射させることができ、上記はんだ付け装置Ｓ１と同様なはんだ付け処理を行うことができる。また、マグネトロン４２及びその電源装置４３を移動ヘッド８４に搭載してプラズマ発生ノズル２００に直接マイクロ波エネルギーを供給するので、同軸ケーブル等の使用を省けると共に、エネルギーの伝送ロスを最小限に抑制することができる。
【００５５】
（２）上記実施形態では、プラズマ発生ノズル２０を一つだけロボットハンド１０に搭載した例を示したが、２以上のプラズマ発生ノズルを搭載させるようにしても良い。また、保護管２４の先端形状を絞ってプルームＰの照射領域を狭くしたり、或いは先端を二股状にしたりしても良い。
【００５６】
（３）マイクロ波出力の検出センサ、処理ガスの流量センサを適所に取り付け、マイクロ波エネルギーの出力（若しくは高周波電力の出力）及び／又は処理ガスの流量を制御して、プラズマの発生量やプラズマ化されたガスの温度を全体制御部６２にて制御するように構成することが望ましい。かかる構成とすれば、使用するはんだ部材の融点、はんだ付けされる被着面の材質、はんだ付け面積等に応じて、最適なプルームＰを発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るはんだ付け方法を実施するためのはんだ付け装置Ｓ１の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示すはんだ付け装置Ｓ１の要部拡大断面図である。
【図３】はんだ付け装置Ｓ１により実行されるワークＷに対するはんだ付け方法の一例を示すフロー図である。
【図４】（ａ）は、プルームＰによるワークＷの表面改質状況を説明するための模式図、（ｂ）は、はんだ部材の溶着状態を説明するための模式図である。
【図５】変形実施形態に係るはんだ付け装置Ｓ２を示す正面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ ロボットハンド（位置調整手段）
１００ 基台
１０１ ワークキャリー（ワーク供給手段）
２０ プラズマ発生ノズル
２１ 中心導電体
２２ ノズルホルダ
２３ ノズル本体
２４ 保護管
２５ 絶縁保持部材
３０ はんだ供給機構（はんだ供給手段）
４０ マイクロ波発生装置（エネルギー発生手段）
４１ 同軸ケーブル（給電ケーブル）
４２ マグネトロン
４３ 電源装置
５０ 処理ガス供給装置（ガス供給手段）
６０ 制御部
６１ ロボット制御部
６２ 全体制御部
６３ 操作部
Ｓ１，Ｓ２ はんだ付け装置（ワーク処理装置）
Ｗ ワーク
Ｗａ 被着面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板等のワークに対してフラックスフリーのはんだを溶融接着させるはんだ付け方法、装置、及びワーク処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の接合等の用途に汎用されているはんだ合金（Ｐｕ−Ｓｎ系合金）には、被着面の酸化物遊離、濡れ性改善等のために有機レジンであるフラックスが使用されている。そして、はんだ付けに当たっては、はんだコテの当接、熱風照射、レーザー照射等によりはんだ合金を加熱溶融させ、被着面に溶融接着させている。しかし、フラックスを使用すると、はんだ付け後にフロン等を用いた基板洗浄が必要となる場合があり、工程の増加を招来するばかりでなく、環境破壊の観点からも好ましくない。なお、洗浄を必要としない無洗浄フラックスも存在するが、概して高価であるため、汎用性に欠けるという問題がある。そもそも、フラックスとして利用される有機レジン自体も、その使用が規制させる趨勢にあり、可及的にフラックスを用いないフラックスフリーはんだの使用が望まれているところである。
【０００３】
ところで、はんだ付けが行われる被着面に対してプラズマを照射し、被着面の清浄化乃至は表面改質を行う技術が知られている。例えば特許文献１には、はんだ付け前にプラズマにより基板表面の不純物を除去することが開示されている。また、特許文献２には、はんだ付け前に高周波プラズマによって被処理物の表面を活性化処理し、フラックスフリーはんだにてはんだ付けを行う技術が開示されている。さらに、特許文献３には、フラックスフリーはんだによりはんだ接合する２つの部材に大気圧低温プラズマを照射して表面を清浄化すると共に、溶融はんだを供給して両者をはんだ付けする技術が開示されている。
【特許文献１】特開平３−１７４９７２号公報
【特許文献２】特開平８−２８１４２３号公報
【特許文献３】特開平９−２３５６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のはんだ付け方法乃至は装置にあっては、プラズマを、はんだ被着面の清浄化、表面改質に用いるのみであり、プラズマ処理工程とはんだ付け工程とは別ステージのものとして取り扱われている。上記特許文献２では、真空装置内でプラズマ処理を行った後、後段に配置された噴流式はんだ付け装置にてはんだ付けを行う旨が開示されている。また特許文献３では、プラズマ処理の後、その清浄化された部位に溶融はんだを供給するか、非溶融はんだを供給して溶融させる旨が開示されている。このため、被着面の清浄化乃至は表面改質を行うプラズマ発生装置と、はんだを溶融させて部材接合を行わせるための装置が別々に必要となり、装置の大型化、複雑化、コストアップを招く結果となっていた。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、装置の大型化、複雑化、コストアップを抑制できる、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法、装置、及びワーク処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係るはんだ付け方法は、所定の被着面に対してはんだ部材を溶融接着させるはんだ付け方法であって、前記被着面を含む領域に対してプラズマ化されたガスを照射して当該被着面の表面改質を行う第１の工程と、前記第１の工程により表面改質された部位に固相状態のフラックスフリーのはんだ部材を供給すると共に、前記はんだ部材の融点よりも高い温度を有するプラズマ化されたガスを前記はんだ部材に照射して、前記被着面にはんだ部材を溶融接着させる第２の工程とを具備することを特徴とする。
【０００７】
この方法によれば、第１の工程におけるプラズマ化されたガスの照射により、被着面の清浄化を含めた表面改質が行われる。続いて、第２の工程におけるプラズマ化されたガスの照射により、フラックスフリーのはんだ部材が溶融され、被着面にはんだ部材が溶融接着される。すなわち、プラズマ化されたガスの照射によって、被着面の清浄化乃至は表面改質だけでなく、はんだ部材の溶融接着までもが実行されるものである。
【０００８】
本発明の請求項２に係るはんだ付け装置は、電力エネルギーを発生するエネルギー発生手段と、前記電力エネルギーに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルと、所定の処理ガスを前記プラズマ発生ノズルに対して供給するガス供給手段と、所定のターゲット位置に対して前記プラズマ化したガスを照射可能なように、前記プラズマ発生ノズルの位置調整を行う位置調整手段と、前記ターゲット位置に対してフラックスフリーのはんだ部材を供給するはんだ供給手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、所定のターゲット位置に対して前記プラズマ化したガスを照射可能であると共に、そのターゲット位置に対してフラックスフリーのはんだ部材が供給される。従って、前記ターゲット位置にはんだ部材の被着面を位置させるようにすれば、プラズマ化されたガスの照射によって、その被着面の表面改質を行えると共に、はんだ部材の溶融接着も行えるようになる。
【００１０】
上記はんだ付け装置において、前記エネルギー発生手段が、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段からなる構成とすることができる（請求項３）。この構成によれば、上記プラズマ化したガスは、マイクロ波エネルギーに基づき生成されるようになる。
【００１１】
上記構成において、前記位置調整手段が、前記プラズマ発生ノズルを搭載すると共に、該前記プラズマ発生ノズルを二次元方向若しくは三次元方向に移動させることが可能なロボットハンドからなることが望ましい（請求項４）。この構成によれば、プラズマ発生ノズルがロボットハンドにより二次元方向若しくは三次元方向に移動可能となるので、プラズマ化されたガスを基板等のワークの各所へ自在に照射できるようになる。
【００１２】
この場合、前記エネルギー発生手段から発生される電力エネルギーを、前記ロボットハンドに搭載された前記プラズマ発生ノズルに給電する給電ケーブルを備える構成とすることができる（請求項５）。或いは、前記エネルギー発生手段が前記ロボットハンドに搭載され、当該エネルギー発生手段から前記プラズマ発生ノズルに直接電力エネルギーが供給される構成とすることができる（請求項６）。
【００１３】
本発明の請求項７に係るワーク処理装置は、請求項２〜６のいずれかに記載のはんだ付け装置と、前記ターゲット位置に対して、はんだ部材の被着面を有する所定のワークを連続供給するワーク供給手段とを具備することを特徴とする。この構成によれば、ワーク供給手段により、はんだ部材の被着面を有する所定のワークがターゲット位置に搬送され、当該位置におけるプラズマ化されたガスの照射によって、その被着面の表面改質、はんだ部材の溶融接着が行われるようになる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係るはんだ付け方法によれば、プラズマ化されたガスの照射によって、被着面の清浄化乃至は表面改質だけでなく、はんだ部材の溶融接着も行われるので、はんだ部材を溶融接着させるための工程を、表面改質のための工程に連続して実行させることができる。従って、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法の簡素化、高速化を図ることが出来る。
【００１５】
請求項２に係るはんだ付け装置、並びに請求項７に係るワーク処理装置によれば、ターゲット位置にはんだ部材の被着面を位置させてプラズマ発生ノズルからプラズマ化したガスを照射することによって、前記被着面の表面改質を行えると共に、はんだ部材の溶融接着も行える。従って、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法の簡素化、高速化を図ることが出来る。
【００１６】
請求項３に係るはんだ付け装置によれば、プラズマ化したガスをマイクロ波エネルギーに基づき生成するので、エネルギーソースとしてマグネトロンのような汎用品を用いて装置を構成することができる。
【００１７】
請求項４に係るはんだ付け装置によれば、ロボットハンドによりプラズマ発生ノズルの位置決めを二次元的、或いは三次元的に自在に行えることから、はんだ付け装置の機能性を一層向上させることができる。
【００１８】
請求項５に係るはんだ付け装置によれば、ロボットハンドに搭載されたプラズマ発生ノズルに給電ケーブルを通して電力エネルギーを供給するので、ロボットハンドを軽量化でき、機動性を向上させることができる。
【００１９】
請求項６に係るはんだ付け装置によれば、ロボットハンドにエネルギー発生手段を搭載してプラズマ発生ノズルに直接電力エネルギーを供給するので、導波管や給電ケーブル等の導波部材の使用を省けると共に、エネルギーの伝送ロスを最小限に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るはんだ付け方法を実施するためのはんだ付け装置Ｓ１の一例を示す構成図、図２ははんだ付け装置Ｓ１の要部拡大断面図である。このはんだ付け装置Ｓ１は、基台１００の上に載置されるロボットハンド１０（位置調整手段）、このロボットハンド１０に搭載されプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズル２０、プラズマ発生ノズル２０の先端部位に対してフラックスフリーの線状はんだ部材Ｈを供給するはんだ供給機構３０（はんだ供給手段）、マイクロ波エネルギー（電力エネルギーの一種）を発生するマイクロ波発生装置４０（エネルギー発生手段）、プラズマ発生ノズル２０に対して所定の処理ガスを供給する処理ガス供給装置５０（ガス供給手段）、当該はんだ付け装置Ｓ１の動作制御を行う制御部６０、及びはんだ部材の被着面を有する回路基板等のワークＷを搬送するワークキャリー１０１を備えて構成されている。
【００２１】
ロボットハンド１０は、基台１００上に載置固定されるロボット基体部１１と、このロボット基体部１１に取り付けられる５自由度を有する多関節アームとからなる。前記多関節アームは、ロボット基体部１１から順に、回転アーム１２、第１傾動アーム１３、第２傾動アーム１４及び回転傾動アーム１５が連結されて構成されている。
【００２２】
回転アーム１２は、ロボット基体部１１に対し、図中に示すａ軸回りに旋回可能に取り付けられている。第１傾動アーム１３の基端は、回転アーム１２の先端に、図中矢印ｃで示す方向に回動するように取り付けられている。第２傾動アーム１４の基端は、第１傾動アーム１３の先端に、図中矢印ｄで示す方向に回動するように取り付けられている。回転傾動アーム１５は、その基端部が第１傾動アーム１３の先端に、図中矢印ｅで示す方向に回動するように取り付けられていると共に、自身が図中に示すｂ軸回りに旋回可能な機構を備えている。また、回転傾動アーム１５の先端（下端面側）には、プラズマ発生ノズル２０が取り付けられている。このような多関節アームは、ロボット制御部６１の制御下において屈曲及び旋回駆動され、プラズマ発生ノズル２０の三次元的な位置決め、つまり所定のターゲット位置への位置決めを可能とするものである。
【００２３】
プラズマ発生ノズル２０は、マイクロ波発生装置４０により発生されるマイクロ波エネルギーに基づきプラズマ化されたガスを生成して放出するためのものである。プラズマ化されたガスは、ワークＷにおけるはんだ部材の被着面（ターゲット位置）の表面改質を行うため（第１の工程）、並びに第１の工程により表面改質された部位に供給されたフラックスフリーのはんだ部材を溶融させ前記被着面に接着させるため（第２の工程）に放射される。つまり、プラズマ発生ノズル２０は、被着面の表面改質のためにプラズマを照射させる機能と、はんだ部材を溶融接着させるはんだコテの機能とを担うものである。
【００２４】
図２に示すように、プラズマ発生ノズル２０は、中心導電体２１、ノズルホルダ２２、ノズル本体２３、保護管２４及び絶縁保持部材２５を含んで構成されている。なお、前記中心導電体２１及びノズル本体２３は、同心で配置され互いに絶縁された内部導体及び外部導体の関係とされている。
【００２５】
中心導電体２１は、良導電性の金属から構成された棒状部材からなり、その上端部２１１がノズルホルダ２２の内部空間２２１にまで突出している一方で、下端部２１２がノズル本体２３の下端縁２３Ｂと略面一になるように、上下方向に配置されている。この中心導電体２１の上端部２１１には、同軸ケーブル４１（給電ケーブル）を介してマイクロ波発生装置４０からマイクロ波エネルギー（マイクロ波電力；高周波エネルギー（高周波電力）であっても良い）が与えられるようになっている。当該中心導電体２１は、上端部２１１の付近で絶縁保持部材２５により保持されている。
【００２６】
ノズルホルダ２２は、ノズル本体２３を保持するもので、良導電性の金属から構成されている。ノズルホルダ２２は、その基端部がロボットハンド１０（回転傾動アーム１５）に絶縁支持される筒体部２２０と、この筒体部２２０の内部に形成されノズル本体２３及び絶縁保持部材２５を収容・保持する筒状の内部空間２２１と、筒体部２２０を貫通して形成され同軸ケーブル４１の終端部が接続されるコネクタ部２２２とを備えている。
【００２７】
ノズル本体２３は、同様に良導電性の金属から構成され、中心導電体２１を収納する筒状空間２３１を有する筒状体である。中心導電体２１は、所定の環状空間（絶縁間隔）が周囲に確保された状態で、この筒状空間２３１の中心軸上に配置されている。ノズル本体２３は、上下方向の略中央付近に穿孔されたガス供給孔２３２と、中央からやや上方の位置に突設されたフランジ部２３３とを備える。ガス供給孔２３２には、所定の処理ガスを供給する処理ガス供給装置５０から延出されるガス供給管５１の終端部を接続するための管継手等が取り付けられる。
【００２８】
ノズル本体２３は、その上端側がノズルホルダ２２の内部空間２２１へ入り込み、フランジ部２３３の上端面がノズルホルダ２２の下端縁と接触するようにノズルホルダ２２に嵌合されている。なお、ノズル本体２３は、例えばプランジャやセットビス等（図略）を用いて、ノズルホルダ２２に対して着脱自在な固定構造で装着されている。また、ノズル本体２３の上端側付近の外周上には凹溝２３４が刻設され、該凹溝２３４にガス漏れを抑止するためのガスシールリング２３５が介在されている。
【００２９】
保護管２４は、所定長さの石英ガラスパイプ等からなり、ノズル本体２３の筒状空間２３１の内径に略等しい外径を有する。この保護管２４は、ノズル本体２３の下端縁２３Ｂでの異常放電（アーキング）を防止して後述するプルームＰを正常に放射させる機能を有しており、その一部がノズル本体２３の下端縁２３Ｂから突出するように、前記筒状空間２３１に内挿されている。なお、保護管２４は、その先端部が前記下端縁２３Ｂと一致するように、或いは下端縁２３Ｂよりも内側へ入り込むように、その全体が筒状空間２３１に収納されていても良い。
【００３０】
絶縁保持部材２５は、テフロン（登録商標）等の耐熱性樹脂材料やセラミック等からなり、中心導電体２１を貫通させて固定的に保持する円板状の絶縁部材からなる。絶縁保持部材２５は、その下端縁がノズル本体２３の上端縁と当接して支持される態様で、ノズルホルダ２２の内部空間２２１内において支持されている。
【００３１】
同軸ケーブル４１は、内部導体４１１の上に順次、発泡絶縁層４１２、外部導体４１３及び外部絶縁ジャケット４１４が形成されてなる。そして、同軸ケーブル４１の一端は前記コネクタ部２２２に接続され、内部導体４１１が中心導電体２１の上端部２１１と電気的に接続され、外部導体４１３がノズルホルダ２２に対して電気的に接続される。なお、図２では、詳細な接続機構については図示省略している。一方、同軸ケーブル４１の他端は、マイクロ波発生装置４０に接続されている。これにより中心導電体２１には、同軸ケーブル４１を介して、マイクロ波発生装置４０により発生されるマイクロ波エネルギーが供給されるものである。なお、ノズル本体２３及びノズルホルダ２２は、アース電位とされる。
【００３２】
プラズマ発生ノズル２０は上記のように構成されている結果、中心導電体２１に同軸ケーブル４１を介してマイクロ波電力が給電されると、絶縁保持部材２５で支持されている中心導電体２１と、アース電位とされているノズル本体２３との間に電位差が生じるようになる。そして、中心導電体２１の下端部２１２及びノズル本体２３の下端縁２３Ｂの近傍に電界集中部が形成されるようになる。
【００３３】
かかる状態で、ガス供給孔２３２から例えば酸素ガスや空気のような酸素系の処理ガスがノズル本体２３の筒状空間２３１へ供給されると、前記マイクロ波電力により処理ガスが励起されて中心導電体２１の下端部２１２付近においてプラズマ（電離気体）が発生する。このプラズマは、電子温度が数万度であるものの、ガス温度は外界温度〜数百℃程度の反応性プラズマ（中性分子が示すガス温度に比較して、電子が示す電子温度が極めて高い状態のプラズマ）であって、常圧下で発生するプラズマである。
【００３４】
このようにしてプラズマ化された処理ガスは、ガス供給孔２３２から与えられるガス流によりプルームＰとしてノズル本体２３の下端縁２３Ｂ（保護管２４の下端縁）から放射される。このプルームＰにはラジカルが含まれ、例えば処理ガスとして酸素系ガスを使用すると酸素ラジカルが生成されることとなり、有機物の分解・除去作用、表面粗面化作用等の表面改質性能を有するプルームＰとすることができる。このプルームＰは、図２に示すように、ワークＷの被着面Ｗａに対して照射される。
【００３５】
はんだ供給機構３０は、前記プルームＰの照射位置（ターゲット位置）に対して、フラックスフリーの線状はんだ部材Ｈを供給するものである。はんだ供給機構３０は、はんだ付けの対象となるワークＷの被着面Ｗａに向けて線状はんだ部材Ｈを送り出すガイド部材３１と、ガイド部材３１を支持する支持部材３２と、支持部材３２に一端側が固定されると共に他端側がノズルホルダ２２の外周に固定されガイド部材３１をノズルホルダ２２の外周壁を利用して支持させるための支持アーム３３と、ボビンなどに巻かれた線状はんだ部材Ｈをガイド部材３１に向けて必要量ずつ繰り出すはんだ供給装置３４とを備えて構成されている。
【００３６】
図２に示すように、フラックスフリーの線状はんだ部材Ｈは、このようなはんだ供給機構３０により、プルームＰの照射エリア（図２において点線で示す領域）に適量が供給され、プルームＰが保有する熱により溶融される。一般に、Ｐｕ−Ｓｎ系のはんだ合金の融点は、２２０℃〜２３０℃程度であり、鉛フリーのはんだ合金でも３００℃程度である。一方、プルームＰは、発生プラズマ量や処理ガスの温度等を制御することで、前記のような温度領域を超えるように高温化（例えば５００℃程度）することが可能であり、その熱で線状はんだ部材Ｈを溶融させることができる。なお、ガイド部材３１にヒーターを設け、このヒーターで線状はんだ部材Ｈを予備加熱するように構成することが望ましい。
【００３７】
マイクロ波発生装置４０は、プラズマを発生させるためのマイクロ波エネルギーを発生するもので、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波発生源と、このマイクロ波発生源にて発生されたマイクロ波の強度を所定の出力強度に調整するアンプとを具備するものを用いることができる。上述の通り、マイクロ波発生装置４０にて発生されるマイクロ波エネルギーは、同軸ケーブル４１によりプラズマ発生ノズル２０へ給電される。なお、このようなマイクロ波発生装置４０に代えて、例えば１３．６５ＭＨｚの高周波電力を発生する高周波電源を用いることができる。
【００３８】
処理ガス供給装置５０は、例えば酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガスのような、プラズマ発生ノズル２０へ供給する適宜な処理ガスを貯留するガスボンベと、ガス供給量を制御する流量制御弁などを備えてなる。処理ガス供給装置５０に備えられている処理ガスは、ガス供給管５１を介してノズル本体２３のガス供給孔２３２に向けて供給される。
【００３９】
ワークキャリー１０１（ワーク供給手段）は、はんだ付けを行うワークＷを、プラズマ発生ノズル２０の作業領域を経由する所定の搬送ルートで順次搬送するものである。なお、ワークキャリー１０１に代えて、作業ステージを配置し、該作業ステージに他のロボットハンドによりワークＷを順次供給させるようにしても良い。
【００４０】
制御部６０は、はんだ付け装置Ｓ１の動作制御を行うもので、ロボット制御部６１、全体制御部６２及び操作部６３を備えて構成されている。
【００４１】
ロボット制御部６１は、汎用ロボットコントローラ等からなり、全体制御部６２の制御下で、ロボットハンド１０の旋回、屈曲動作を制御することで、プラズマ発生ノズル２０の位置調整を行う。すなわちロボット制御部６１は、ロボットハンド１０を駆動させることで、その先端に装着されているプラズマ発生ノズル２０から放出されるプルームＰが、ワークＷの被着面Ｗａに対して所定の間隔を置いて照射されるよう、プラズマ発生ノズル２０の位置調整を行う制御をする。また、ロボット制御部６１は、はんだ供給装置３４の駆動を制御して、線状はんだ部材Ｈをガイド部材３１に向けて必要量ずつ繰り出させる制御も行う。
【００４２】
全体制御部６２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成され、前記ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより、はんだ付け装置Ｓ１の全体的な動作制御を行う。すなわち、全体制御部６２は、操作部６３より与えられるユーザの指示信号に応じて、ロボット制御部６１、マイクロ波発生装置４０、処理ガス供給装置５０及びワークキャリー１０１を制御して、プラズマ発生ノズル２０からプルームＰを放出させ、ワークＷの被着面Ｗａに対する表面改質、並びにはんだ付けを行わせるものである。
【００４３】
以上の通り構成されたはんだ付け装置Ｓ１（ワーク処理装置）により実行される回路基板（ワークＷ）に対するはんだ付け方法の一例について、図３に基づいて説明する。先ず全体制御部６２は、ワークＷが搭載されたワークキャリー１０１を移動させ、ロボットハンド１０の処理ステージ上にワークＷを位置決めさせる（図３（ａ））。
【００４４】
次に全体制御部６２は、ロボット制御部６１を介してロボットハンド１０を動作させ、プラズマ発生ノズル２０をワークＷのはんだ被着面に対向する所定位置に位置決めさせる（図３（ｂ））。続いて全体制御部６２は、マイクロ波発生装置４０及び処理ガス供給装置５０を動作させ、図３（ｃ）に示すように、プラズマ発生ノズル２０からプルームＰを放出させる（第１の工程）。
【００４５】
図４（ａ）は、プルームＰによるワークＷの表面改質状況を説明するための模式図である。回路基板のようなワークＷは、一般に絶縁基材７１上に回路パターンを構成する銅パターン層７２、この銅パターン層７２の表面を覆う金メッキ層７３を有してなる。はんだ部材は、金メッキ層７３の表面（被着面Ｗａ）に溶着されるのであるが、金メッキ層７３の表面に酸化膜層７４が存在したり、有機物からなる異物が付着していたりする場合がある。この場合に形成されるはんだ溶着層Ｈｏは、図４（ｂ）に一点鎖線で示すような球状となり、はんだの濡れ性、広がり係数が悪くなり、強固な溶着は望めない。
【００４６】
しかし、このような被着面ＷａにプルームＰが照射されることで、前記酸化膜層７４や有機物は分解される。さらに、金メッキ層７３の表面が微細に粗面化されることも相俟って、はんだ部材がフラックスフリーのものであっても、十分な濡れ性、広がり角を得ることが可能となる。すなわち図４（ｂ）に実線で示すように、プルームＰが照射により金メッキ層７３の表面改質が行われる結果、この場合のはんだ溶着層Ｈｃは小さい濡れ角となり、広がり係数も良好となる。従って、被着面Ｗａに対して良好な接着性を有する。
【００４７】
その後、全体制御部６２は、はんだ供給装置３４を動作させて線状はんだ部材Ｈを必要量だけ繰り出させる。これにより、先の工程により表面改質され、プルームＰが照射された状態にある被着面Ｗａに向けて、固相状態のフラックスフリーの線状はんだ部材Ｈが供給される（図３（ｄ））。そして、プルームＰの熱が線状はんだ部材Ｈに与えられ、この熱により線状はんだ部材Ｈが溶融される。この結果として、ワークＷの表面にはんだ溶着層Ｈｃが形成される（図３（ｅ）；第２の工程）。しかる後、全体制御部６２はワークキャリー１０１を処理ステージ外へ移動させ、はんだ付け済みのワークＷが取り出されるものである（図３（ｆ））。
【００４８】
以上の通り構成されたはんだ付け装置Ｓ１によれば、ワークＷの被着面をターゲット位置に位置させてプラズマ発生ノズル２０からプルームＰを照射することによって、被着面の清浄化乃至は表面改質を行えると共に、線状はんだ部材Ｈの溶融接着も行うことができる。従って、フラックスフリーはんだを用いたはんだ付け方法の簡素化、高速化を図ることが出来る。また、プラズマ化したガスをマイクロ波エネルギーに基づき生成するので、エネルギーソース（マイクロ波発生装置）としてマグネトロンのような汎用品を用いて装置を構成することができる。
【００４９】
さらに、ロボットハンド１０によりプラズマ発生ノズル２０の位置決めを三次元的に自在に行えることから、はんだ付け装置Ｓ１の機能性を一層向上させることができる。また、ロボットハンド１０に搭載されたプラズマ発生ノズル２０に同軸ケーブル４１を通してマイクロ波エネルギーを供給するので、ロボットハンド１０を軽量化でき、機動性を向上させることができるという利点もある。
【００５０】
以上、本発明の一実施形態に係るはんだ付け装置Ｓ１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記（１）〜（３）の変形実施形態を取ることができる。
【００５１】
（１）上記実施形態では、ロボットハンド１０にプラズマ発生ノズル２０を搭載した例を示したが、ロボットハンド１０以外の各種位置調整手段を本発明に適用することができる。また、同軸ケーブル４１を用いてマイクロ波エネルギーを伝送させる例を示したが、このような給電ケーブルの使用を省略するようにしても良い。図５は、これらの点に鑑みた、変形実施形態に係るはんだ付け装置Ｓ２を示す正面図である。
【００５２】
このはんだ付け装置Ｓ２は、プラズマ発生ノズル２００を二次元的に移動させるようにしたもので、基台フレーム８１と、この基台フレーム８１の上に立設された左右一対の縦フレーム８２と、縦フレーム８２間を上部において橋絡する横フレーム８３と、横フレーム８３に設けられたガイド溝を摺動する移動ヘッド８４とを備えて構成されている。横フレーム８３は、縦フレーム８２間において図中矢印ｈで示す上下方向に移動可能とされている。また移動ヘッド８４は、図中矢印ｇで示す左右方向に移動可能とされている。
【００５３】
移動ヘッド８４には、プラズマ発生ノズル２００とはんだ供給機構３００とが搭載されている。先の実施形態と同様に、プラズマ発生ノズル２００はプラズマ化されたガスを発生するもので、図略の内部導電体、ノズルホルダ２０２、ノズル本体２０３及び保護管２０４を備える。また、はんだ供給機構３００は、はんだ部材のガイド部材３０１とはんだ供給装置３０４などを備える。さらに移動ヘッド８４には、マグネトロン４２と、このマグネトロンのための電源装置４３とが搭載されている。
【００５４】
このようなはんだ付け装置Ｓ２によれば、ワークキャリー８０１に搭載されたワークＷに対して、縦フレーム８２を利用してプラズマ発生ノズル２００の高さ位置の調整を、横フレーム８３を利用して左右方向の位置調整を行うことができる。従って、ワークキャリー８０１でワークＷを移送しつつ、ワークＷの所定の部位に対してプラズマ発生ノズル２００からプルームＰを照射させることができ、上記はんだ付け装置Ｓ１と同様なはんだ付け処理を行うことができる。また、マグネトロン４２及びその電源装置４３を移動ヘッド８４に搭載してプラズマ発生ノズル２００に直接マイクロ波エネルギーを供給するので、同軸ケーブル等の使用を省けると共に、エネルギーの伝送ロスを最小限に抑制することができる。
【００５５】
（２）上記実施形態では、プラズマ発生ノズル２０を一つだけロボットハンド１０に搭載した例を示したが、２以上のプラズマ発生ノズルを搭載させるようにしても良い。また、保護管２４の先端形状を絞ってプルームＰの照射領域を狭くしたり、或いは先端を二股状にしたりしても良い。
【００５６】
（３）マイクロ波出力の検出センサ、処理ガスの流量センサを適所に取り付け、マイクロ波エネルギーの出力（若しくは高周波電力の出力）及び／又は処理ガスの流量を制御して、プラズマの発生量やプラズマ化されたガスの温度を全体制御部６２にて制御するように構成することが望ましい。かかる構成とすれば、使用するはんだ部材の融点、はんだ付けされる被着面の材質、はんだ付け面積等に応じて、最適なプルームＰを発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るはんだ付け方法を実施するためのはんだ付け装置Ｓ１の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示すはんだ付け装置Ｓ１の要部拡大断面図である。
【図３】はんだ付け装置Ｓ１により実行されるワークＷに対するはんだ付け方法の一例を示すフロー図である。
【図４】（ａ）は、プルームＰによるワークＷの表面改質状況を説明するための模式図、（ｂ）は、はんだ部材の溶着状態を説明するための模式図である。
【図５】変形実施形態に係るはんだ付け装置Ｓ２を示す正面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ ロボットハンド（位置調整手段）
１００ 基台
１０１ ワークキャリー（ワーク供給手段）
２０ プラズマ発生ノズル
２１ 中心導電体
２２ ノズルホルダ
２３ ノズル本体
２４ 保護管
２５ 絶縁保持部材
３０ はんだ供給機構（はんだ供給手段）
４０ マイクロ波発生装置（エネルギー発生手段）
４１ 同軸ケーブル（給電ケーブル）
４２ マグネトロン
４３ 電源装置
５０ 処理ガス供給装置（ガス供給手段）
６０ 制御部
６１ ロボット制御部
６２ 全体制御部
６３ 操作部
Ｓ１，Ｓ２ はんだ付け装置（ワーク処理装置）
Ｗ ワーク
Ｗａ 被着面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の被着面に対してはんだ部材を溶融接着させるはんだ付け方法であって、
前記被着面を含む領域に対してプラズマ化されたガスを照射して当該被着面の表面改質を行う第１の工程と、
前記第１の工程により表面改質された部位に固相状態のフラックスフリーのはんだ部材を供給すると共に、前記はんだ部材の融点よりも高い温度を有するプラズマ化されたガスを前記はんだ部材に照射して、前記被着面にはんだ部材を溶融接着させる第２の工程とを具備することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
電力エネルギーを発生するエネルギー発生手段と、
前記電力エネルギーに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルと、
所定の処理ガスを前記プラズマ発生ノズルに対して供給するガス供給手段と、
所定のターゲット位置に対して前記プラズマ化したガスを照射可能なように、前記プラズマ発生ノズルの位置調整を行う位置調整手段と、
前記ターゲット位置に対してフラックスフリーのはんだ部材を供給するはんだ供給手段とを具備することを特徴とするはんだ付け装置。
【請求項３】
前記エネルギー発生手段が、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段からなることを特徴とする請求項２に記載のはんだ付け装置。
【請求項４】
前記位置調整手段が、前記プラズマ発生ノズルを搭載すると共に、該前記プラズマ発生ノズルを二次元方向若しくは三次元方向に移動させることが可能なロボットハンドからなることを特徴とする請求項２又は３に記載のはんだ付け装置。
【請求項５】
前記エネルギー発生手段から発生される電力エネルギーを、前記ロボットハンドに搭載された前記プラズマ発生ノズルに給電する給電ケーブルを備えることを特徴とする請求項４に記載のはんだ付け装置。
【請求項６】
前記エネルギー発生手段が前記ロボットハンドに搭載され、当該エネルギー発生手段から前記プラズマ発生ノズルに直接電力エネルギーが供給されることを特徴とする請求項４に記載のはんだ付け装置。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれかに記載のはんだ付け装置と、
前記ターゲット位置に対して、はんだ部材の被着面を有する所定のワークを連続供給するワーク供給手段とを具備することを特徴とするワーク処理装置。
【請求項１】
所定の被着面に対してはんだ部材を溶融接着させるはんだ付け方法であって、
前記被着面を含む領域に対してプラズマ化されたガスを照射して当該被着面の表面改質を行う第１の工程と、
前記第１の工程により表面改質された部位に固相状態のフラックスフリーのはんだ部材を供給すると共に、前記はんだ部材の融点よりも高い温度を有するプラズマ化されたガスを前記はんだ部材に照射して、前記被着面にはんだ部材を溶融接着させる第２の工程とを具備することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
電力エネルギーを発生するエネルギー発生手段と、
前記電力エネルギーに基づきプラズマ化したガスを生成して放出するプラズマ発生ノズルと、
所定の処理ガスを前記プラズマ発生ノズルに対して供給するガス供給手段と、
所定のターゲット位置に対して前記プラズマ化したガスを照射可能なように、前記プラズマ発生ノズルの位置調整を行う位置調整手段と、
前記ターゲット位置に対してフラックスフリーのはんだ部材を供給するはんだ供給手段とを具備することを特徴とするはんだ付け装置。
【請求項３】
前記エネルギー発生手段が、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段からなることを特徴とする請求項２に記載のはんだ付け装置。
【請求項４】
前記位置調整手段が、前記プラズマ発生ノズルを搭載すると共に、該前記プラズマ発生ノズルを二次元方向若しくは三次元方向に移動させることが可能なロボットハンドからなることを特徴とする請求項２又は３に記載のはんだ付け装置。
【請求項５】
前記エネルギー発生手段から発生される電力エネルギーを、前記ロボットハンドに搭載された前記プラズマ発生ノズルに給電する給電ケーブルを備えることを特徴とする請求項４に記載のはんだ付け装置。
【請求項６】
前記エネルギー発生手段が前記ロボットハンドに搭載され、当該エネルギー発生手段から前記プラズマ発生ノズルに直接電力エネルギーが供給されることを特徴とする請求項４に記載のはんだ付け装置。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれかに記載のはんだ付け装置と、
前記ターゲット位置に対して、はんだ部材の被着面を有する所定のワークを連続供給するワーク供給手段とを具備することを特徴とするワーク処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２６０７０６（Ｐ２００７−２６０７０６Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８６８６５（Ｐ２００６−８６８６５）
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（０００１３５３１３）ノーリツ鋼機株式会社 (1,824)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（０００１３５３１３）ノーリツ鋼機株式会社 (1,824)
【Ｆターム（参考）】
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