リフローハンダ付け方法および装置
【課題】ヒータチップの加熱温度を適切に制御することによりハンダ付け処理時間を短縮し、装置の稼働率を高くする。
【解決手段】基台に対して昇降可能な昇降ヘッド１４に保持したヒータチップ３０を、ワーク５２に押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ヒータチップ３０をハンダ接合温度θ３より高い融解温度θ２にしてハンダを融解させた後、ヒータチップ３０をハンダ接合温度θ３に下げ、所定時間後にハンダを凝固させる。またヒータチップ３０をハンダ接合温度θ３に下げ、ヒータチップ３０を仕上がり位置にして所定時間後にハンダを凝固させる。
【解決手段】基台に対して昇降可能な昇降ヘッド１４に保持したヒータチップ３０を、ワーク５２に押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ヒータチップ３０をハンダ接合温度θ３より高い融解温度θ２にしてハンダを融解させた後、ヒータチップ３０をハンダ接合温度θ３に下げ、所定時間後にハンダを凝固させる。またヒータチップ３０をハンダ接合温度θ３に下げ、ヒータチップ３０を仕上がり位置にして所定時間後にハンダを凝固させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、予めクリームハンダやハンダめっきなどによってハンダを供給したハンダ付け部にヒータチップを押圧し、ヒータチップを発熱させることによりリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法と、この方法の実施に直接使用するリフローハンダ付け装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒータチップ（ツール）をワーク（ハンダ付け対象、以下ハンダ付け部ともいう）に押し付けてヒータチップに電流を流し、瞬時に発熱させてリフローハンダ付けする方法が公知である（瞬間加熱方式）。この場合、ヒータチップの温度（ヒータ温度）を熱電対により検出し、このヒータ温度と加熱時間とを所定の温度プロファイルに従って制御し、一定条件で通電を停止し、ヒータ温度が設定温度以下に冷えるのを待ってヒータチップを上昇させてハンダ付け工程を終了させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２１６５６０
【０００４】
特許文献１には、。昇降ヘッド（変位ユニット１６）にロッド（加圧力伝達シャフト５８）を上下動可能に保持し、このロッドにヒータチップ（加熱チップ１２）を固定する一方、このロッド（５８）を下向きに付勢し、昇降ヘッド（１６）を下降させることによってヒータチップ（１２）をワーク（９４，９０）に押圧するものが示されている。すなわち昇降ヘッド（１６）にロッド（５８）の位置（ヒータチップの位置）を検出するマイクロスイッチ（８８）および変位センサ（８０）を設け、ヒータチップ（１２）をワークに押し付けてロッド（５８）がマイクロスイッチ（８８）を作動させる位置まで昇降ヘッド（１６）を押下げてから昇降ヘッドを固定し、この状態でヒータヘッドをばね力によってワークに押圧したままヒータチップ（１２）に加熱電流を流してハンダ（半田）をリフロー（溶融）させるものである。そしてハンダの溶融に伴い被接合部の厚さＤが徐々に薄くなり、その厚さの変位量ΔＤが所定値になった時に加熱電流を停止してハンダ付けを完了するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように特許文献１に示されたものでは、ヒータチップ（１２）に加熱電流を流してヒータチップ（１２）をハンダ接合温度に加熱し、ハンダを溶融する。しかしこの場合にはヒータチップの加熱開始からハンダの溶融が始まるまでの時間が長くなり、処理時間が長く装置の稼働率が低くなるという問題があった。特に近年広く用いられている無鉛ハンダ（鉛フリーハンダ）では、従来の鉛ハンダの場合よりハンダ接合温度が高く、またハンダ接合状態を良くし信頼性を高めるためには接合温度を高くすることが必要であるため、処理時間がさらに長くなる。なおこの引用文献１には加熱電流を断続することは記されているが、ヒータチップの温度制御については全く説明されていない。
【０００６】
特許文献１に示されたものはヒータチップをワークに押圧した状態でハンダをリフローさせるので、溶融ハンダがヒータチップの下から外側へ押出されてしまう。すなわちハンダが溶融を開始すると瞬時に液状化し、最後までつぶれてしまうからである。このため溶融したハンダが被接合面間から押出され被接合面同士が直接接触することになり、特に被接合部材が板状である場合などにハンダ付け不良が発生するおそれが生じる。
【０００７】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ヒータチップの加熱温度を適切に制御することによりハンダ付け処理時間の短縮を可能にし、装置の稼働率を高くすることができ、無鉛ハンダのハンダ付けに好適であるリフローハンダ付け方法を提供することを第１の目的とする。またこの第１の目的に加えてハンダがリフローした時にヒータチップがワークから溶融ハンダを押出してハンダ付け不良を発生させるおそれを無くしてハンダ付けの信頼性を上げることができるリフローハンダ付け方法を提供することを第２の目的とする。またこの方法の実施に直接使用するリフローハンダ付け装置を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明者はヒータチップ温度とハンダの溶融過程とを仔細に観察した結果、ハンダの非溶融状態ではヒータチップとワークとの熱伝導性が悪い一方、ハンダ溶融開始後は熱伝導性が著しく大きくなることを知得した。その理由はハンダ非溶融状態ではヒータチップとワークとの接触が点接触に近い状態であり凝固ハンダの熱伝達も十分大きくない一方、ハンダ溶融後は溶融ハンダがヒータチップに面接触状態で密着すると共に溶融ハンダにより熱伝達が著しく向上するためであると考えられる。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【０００９】
この発明によれば第１の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、ことを特徴とするリフローハンダ付け方法、により達成される。
【００１０】
また第２の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、ｂ−１）所定時間後にヒータチップを仕上がり位置まで上昇させ、ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、ことを特徴とするリフローハンダ付け方法、により達成される。
【００１１】
この第２の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、ａ−１）このハンダの融解に伴って下降するヒータチップを仕上がり位置に保持し、ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、ことを特徴とするリフローハンダ付け方法、によっても達成される。
【００１２】
さらに第３の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け装置において、昇降ヘッドの位置を指令する位置指令およびヒータチップの温度を指令する温度指令を出力する主コントローラと、前記位置指令に基づいて昇降ヘッドの位置を制御する位置制御部と、前記温度指令に基づいてヒータチップ温度を制御する温度制御部と、を備え、前記主コントローラは、ヒータチップをワークに押圧しながらハンダ接合温度より高い融解温度に加熱した後、ハンダの融解に伴う昇降ヘッドの沈み込み開始に基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げ、所定時間後にハンダを凝固させることを特徴とするリフローハンダ付け装置、により達成される。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明（第１の発明）によれば、ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させるのでハンダ溶融までの時間を短縮できる。ハンダの融解が始まったら直ちにヒータチップをハンダ接合温度に下げ、所定時間後にハンダを凝固させるのでハンダ接合部（プリント配線板やリードなど）やハンダやフラックスを過度に加熱することがない。このためハンダ付け処理時間を短縮でき、装置の稼働率を高くでき、さらにハンダ接合部に熱的障害を加えることがなく、ハンダやフラックスの酸化による劣化を防いでハンダ付け信頼性を高くすることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明（第２の発明）によれば、ヒータチップをハンダ接合温度に下げた後、所定時間後にヒータチップを仕上がり位置に上昇させた状態でハンダを凝固させるから、前記第１の発明と同様な効果と共に、溶融ハンダが被接合面間から押出されてハンダ付け不良が発生するのを防ぐことができる。請求項３に記載の発明によれば、ハンダが融解した時にヒータチップを仕上がり位置まで下降させて保持しながら凝固させるから、請求項２に記載の発明と同じ効果が得られる。
【００１５】
請求項１１に記載の発明（第３の発明）によれば、第１の発明の実施に直接使用する装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例の外観斜視図
【図２】同じく内部構造を示すブロック図
【図３】昇降ヘッド部の初期位置（待機位置ｑ１）を示す図
【図４】同じくヒータチップがワークに接触した接触検出位置（ｑ２）を示す図
【図５】同じく昇降ヘッドを（所定量）Ａだけ押し下げて固定した位置を示す図
【図６】同じくハンダ溶融時（ヒータチップの沈み込み時）を示す図
【図７】ヒータチップ温度およびヒータチップ位置の制御プロファイル図
【図８】動作流れ図
【図９】ヒータチップのハンダ付け動作を示す図
【図１０】他の実施例におけるヒータチップ温度およびヒータチップ位置の制御プロファイル図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
請求項１または２または３において、工程ａ）では、ハンダが融解したことをヒータチップの沈み込みにより検出し、工程ｂ）ではこの沈み込みに基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げることができる（請求項４）。ハンダの融解は他の方法で検出してもよい。例えばハンダ溶融によりハンダ表面の光反射状態が急変（鏡面反射様になる）することを光センサなどで検出してもよい。
【００１８】
請求項１または２または３において、工程ａ）では、ヒータチップを予め予備加熱しておいてワークに接触させてもよい。この場合はヒータチップを融解温度まで加熱する時間をさらに短縮でき本発明の効果は一層大きくなる（請求項５）。
【００１９】
ヒータチップがワークに接触したことを検出するためには、ヒータチップを昇降ヘッドに対して下向きに付勢しかつ昇降ヘッドに設けたストッパで下限位置を規制するように構成し、この昇降ヘッドを下降させヒータチップがストッパに当たった下限位置から所定量（ｘ）上昇したことから検出することができる（請求項６）。
【００２０】
請求項３において、ハンダが融解した時にヒータチップがストッパで規制される下限位置まで下降させる場合に、この下限位置が仕上がり位置になるようにストッパを設定しておいてもよい（請求項７）。
【００２１】
ハンダを凝固させる際には、ハンダ溶融中にヒータチップを仕上がり位置まで上昇させておくのがよい（請求項２の工程ｂ−１））。この場合、ハンダが接合部から押出されてハンダ接合面同士が直接接触してハンダ付けが不完全になるのを確実に防ぐことができる。このためには、工程ａ）でハンダの融解をヒータチップの沈み込みで検出し、仕上がり位置はこの沈み込み位置より僅かに高くして被接合部の厚さを所定のハンダ仕上がり厚さとすればよい。
【００２２】
請求項２において、工程ａ）でハンダの融解を検出した時点から予め設定した所定の接合温度保持時間（ｔ１）経過後にヒータチップを仕上がり位置に上昇させるようにすれば、この時間（ｔ１）の保持によりヒータチップの昇降に伴う振動が確実に消えるのを待って上昇させることになり、ヒータチップの位置決めが正確になる。またハンダの溶融がこの時間（ｔ１）内で確実に進行し、特に無鉛ハンダではハンダ接合強度を向上させ接合不良の発生を防ぐ効果が特に大きい（請求項８）。
【００２３】
この場合には、ヒータチップをこの仕上がり位置に上昇させた後さらに所定の仕上がり位置保持時間（ｔ２）この状態を保持してから冷却を開始するのがよい（請求項９）。この場合には、ヒータチップの仕上がり位置で溶融ハンダがワーク（被接合部）と十分になじむ（濡れる）から、ハンダ接合が一層良好になる。
【００２４】
ハンダの溶融によるヒータチップの沈み込みは、ヒータチップに下向きの付勢力を付与しておくことにより行えばよい。この場合の仕上がり位置は、昇降ヘッドをこの位置から上昇させる上昇量（ａ）と、ヒータチップがストッパに当たるまでの復帰量（ｂ）との差（ａ−ｂ）で設定することができる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１の発明の実施に直接使用する装置が得られる。この場合にヒータチップをハンダ接合温度に下げた後、所定時間後にヒータチップを仕上がり位置に上げてハンダを凝固させれば、接合面同士の間にハンダが入りハンダ接合を良好にすることができる。この装置は無鉛ハンダの接合に好適であり、その場合はハンダ融解温度（θ２）を約４００℃とし、ハンダ接合温度（θ３）を約２５０℃にするのがよい。
【実施例１】
【００２６】
図１はこの発明の一実施例を示す外観図、図２は、その制御系統を示すブロック図である。図３〜６は昇降ヘッドの動作説明図であり、図３は動作前の待機位置（ｑ１）、図４は昇降ヘッドを下降させてヒータチップがワークに接触した状態である接触検出位置（ｑ２）、図５は昇降ヘッドをさらに所定量（目標沈み込み量）Ａだけ下降させて固定した状態、図６はヒータチップを発熱させヒータチップをストッパによる限定位置に下降させた状態をそれぞれ示す。図７はヒータチップの温度プロファイル図であってヒータチップ位置を重ねて示したもの、図８は動作の流れ図、図９はハンダ付け部の拡大断面図である。図９（Ａ）はリフロー前を、（Ｂ）はこの発明による沈み込み時を、（Ｃ）は同じくハンダ付け終了状態を示している。
【００２７】
図１，２において符号１０は主コントローラ、１２は電源部、１４は溶接機である。主コントローラ１０は、制御部１０Ａ、モータドライバー１０Ｂ、電源スイッチ１６、表示パネル２０などを持つ。制御部１０ＡはＣＰＵで形成される。表示パネル２０は表面に透明なタッチセンサ（図示せず）からなる入力手段が設けられ、この入力手段から後記する種々の設定値が設定される。
【００２８】
溶接器１４は図３に詳細に示すように、基台２２と、この基台２２から垂直に起立する支柱２４と、この支柱２４に昇降可能に保持されモータ２５（図２）によって昇降される昇降ヘッド２６と、この昇降ヘッド２６に上下動可能に保持されて下方へ突出するロッド２８と、このロッド２８の下端に固定されたヒータチップ（ツール）３０とを持つ。このロッド２８は昇降ヘッド２６に固定された筒３２内に装填されたコイルばね３４によって下向きに付勢されている。モータ２５はステッピングモータやサーボモータであって、その回転量すなわち昇降ヘッド２６の位置をフィードバック制御できるものである。
【００２９】
コイルばね３４の上端は、筒３２の上端に螺合されたばね力調節手段となるキャップ３６に支持されている。ロッド２８には下限位置設定部材となるストッパとしての板３８が固定され、この板３８はロッド２８の下降時に昇降ヘッド２６の内底壁に当接して位置決めされる（図３，６の位置）。この板３８の位置すなわち昇降ヘッド２６に対する相対位置は、昇降ヘッド２６に内装した変位計４０によって検出される。このこの変位計４０は例えば公知の差動トランスで形成することができる。この場合は、板３８にロッド２８と平行に固定した鉄心４２を、一次コイルおよび２組の二次コイルを組合せたコイル４４の中で移動させ、２組の二次コイルの出力差に基づいて鉄心４２の変位を検出する。
【００３０】
ヒータチップ３０は上方に開くスリットを形成して略Ｕ字状とした抵抗金属で作られ、両端間に電流を流すことによって瞬時に発熱するものである。このヒータチップ３０はウェルドケーブル４６によって、電源部１２に収容された溶接トランス１２Ａの二次側に接続されている。
【００３１】
また電源部１２は電流制御部１２Ｂを備える。電流制御部１２Ｂは主コントローラ１０の制御部１０Ａが出力する温度指令Ｐ１に基づいてヒータチップ３０の温度を制御する。すなわちこの電流制御部１２Ｂにはヒータチップ３０の先端付近に固定した熱電対４８が検出するヒータチップ温度θがフィードバックされ、このヒータチップ温度θを温度指令Ｐ１に一致させるようにパルス幅制御したパルス電流Ｐ２を溶接トランス１２Ａに送る。溶接トランス１２Ａはこのパルス電流Ｐ２を昇圧してヒータチップ３０に送り発熱させる。
【００３２】
モータドライバー１０Ｂは制御部１０Ａが出力する位置指令Ｑ１に基づいてモータ２５を制御する。すなわちモータドライバー１０Ｂは、この位置指令Ｑ１が示す回転量だけモータ２５を回転させる。ここにモータ２５はステッピングモータあるいはサーボモータでありその回転量は正確に制御される。
【００３３】
５２は被ハンダ付け対象となるワークである。このワーク５２は、図９に示すように、回路基板５４の電極５６にリード線５８を乗せたものであり、ここに電極５４の表面には無鉛ハンダなどのハンダ６０が予め供給されている。このハンダ６０は、予めフュージング（加熱処理によりクリームハンダを溶融し、均質合金化する処理）したクリームハンダ、ハンダめっき、あるいは他の手段で予め供給される。図９の（Ａ）はリフロー前の状態を示している。
【００３４】
主コントローラ１０の制御部１０Ａは、図７に示す制御特性に従って、ヒータチップ３０の温度を指示する温度指令Ｐ１と、昇降ヘッド２６の位置（高さ）を指示する位置指令Ｑ１とを出力する。ここに変位計４０は昇降ヘッド２６に対するロッド２８の変位すなわちヒータチップ３０の変位を検出する。主コントローラ１０はこの変位計４０の出力を用いてモータ２５を制御する。
【００３５】
図２において、６２は表示部、６４は設定部である。表示部６２は前記表示パネル２０に対応する。設定部６４はこの表示パネル２０の表面に設けたタッチセンサで形成される。
【００３６】
次に図７を用いて動作を説明する。主コントローラ１０の電源スイッチ１６をオンにすると、ＣＰＵが起動し表示パネル２０にメニュー画面が表示される。オペレータはメニュー画面で「データ設定」を選択し、種々のデータ（設定値）を設定する。
【００３７】
ここで設定するデータは、主として図７の制御特性に対応するデータである。すなわち図７に示す、予備加熱温度θ１、融解温度θ２、接合温度θ３、凝固温度θ４などの温度データと、ヒータチップ３０の位置を設定するための位置データ、接合温度保持時間（ｔ１）、仕上がり位置保持時間（ｔ２）などである。位置データは、昇降ヘッドの復帰（待機）位置ｑ１、接触検出位置ｑ２、沈み込み検出位置ｑ３、仕上がり位置ｑ４、などである。
【００３８】
またこの実施例では、接触検出位置ｑ２はヒータチップ３０がワーク５２に接触してヒータチップ３０と一体化した板３８が昇降ヘッド２６の内底壁から微少な上昇量ｘだけ上昇したことにより検出するから、この上昇量ｘもデータとして設定する。さらにこの接触検出した時には昇降ヘッド２６を目標沈み込み量である所定量Ａだけ下降させて、ワーク５２に対してヒータチップ３０を下向きに付勢する（図５）。従ってこの所定量Ａもデータとして設定しておく。なおこの実施例では、この所定量Ａはヒータチップのワーク５２に対する適正な沈み込み量（仕上がり位置ｑ４）より大きく設定しておく。
【００３９】
データの設定が終わると、主コントローラ１０のＣＰＵからなる制御部１０は図３の状態で変位計４０の出力をゼロにセットする（図８のステップＳ１００）。この時はロッド２８は板３８が昇降ヘッド２６の内底壁に当接することによってストッパとして機能することにより下限位置に係止される。すなわち機械的ストップ状態である。オペレータが表示パネル２０に表示されたスタートスイッチ（図示せず）を押す（触れる）ことにより、制御部１０Ａはハンダ付け動作を開始する。まずモータ２５を駆動させて昇降ヘッド２６を下降させると共に、ヒータチップ２０を予備加熱温度θ１に加熱する（ステップＳ１０２、図７の(1)）。
【００４０】
ヒータチップ３０がワーク５２に当接すると変位計４０の出力が変化を開始する。すなわち出力値が増加する。この出力が前記の接触検出用の上昇量ｘに到達すると主コントローラ１０の制御部１０Ａはヒータチップ３０がワーク５２に接触したと判定する（ステップＳ１０４）。図４はこの状態を示している。この時点から制御部１０Ａはモータ２５をフィードバック制御に切換える。すなわち主コントローラ１０が内蔵するモータドライバ１０Ｂは、制御部１０Ａが出力する指令値に基づいて変位計４０の出力をこの指令値に一致させるようにモータ２５をフィードバック制御する。
【００４１】
制御部１０Ａは指令値として目標沈み込み量である所定量Ａを出力するので、昇降ヘッド２６は図４の位置（ヒータチップ３０がワーク５２に接触しさらに上昇量ｘだけ下降した位置）から、さらに下降させ変位計４０の出力がこの所定量Ａとなるまで下降させて停止する（ステップＳ１０４、図７の(2)）。図５はこの状態を示している。この時にはロッド２８およびヒータチップ３０はコイルばね３４の復元力によって下向きに付勢されている。
【００４２】
制御部１０Ａはこの状態で電源部１２に温度指令Ｐ１を送り、ヒータチップ３０を融解温度θ２に加熱させる（ステップＳ１０６、図７の(3)）。この加熱は、電源部１２がヒータチップ３０に温度指令Ｐ１に対応する電流を供給することにより行われる。ヒータチップ３０の発熱によりワーク５２が融解温度θ２に加熱されると、ハンダが速やかに融解する。この温度θ２は接合温度θ３（無鉛ハンダでは約２５０℃）より高温であり、例えば約４００℃に設定される。このためヒータチップ３０からワーク５２のプリント基板やリード線への伝熱に対してワーク５２のハンダは極めて短時間で融解する。従ってプリント基板やリード線に熱的悪影響が及ばない。
【００４３】
ハンダが融解するとヒータチップ３０は沈み込み始める。検出器４０がこの沈み込みを検出すると主コントローラ１０の制御部１０Ａはヒータチップ３０の温度θを接合温度θ３にするための温度指令Ｐ１を電源部１２に送る（ステップＳ１１０、図７の(4)、(5)）。また制御部１０Ａは、この沈み込み検出から接合温度保持時間ｔ１の計時を開始する（図７の(6)）。
【００４４】
ハンダの融解によるヒータチップ３０の最大下降量Ｂは、ワーク５２を押し潰した状態すなわちプリント基板の電極とリードが直接接触している状態、が最大となる。ステップＳ１０４（図７の(2)）における昇降ヘッド２６の下降量（所定量Ａ）がこの最大下降量Ｂより大きければヒータチップ３０はこの最大下降量Ｂまで下降する。図６はこの場合を示している。この時には板３８が昇降ヘッド２６の内底壁との間に僅かな間隙（Ａ−Ｂ）をあけ停止している。
【００４５】
主コントローラ１０の制御部１０Ａは接合温度保持時間ｔ１の経過に基づいて（ステップＳ１１２）、昇降ヘッド２６を仕上がり位置ｑ４に上昇させる（ステップＳ１１４、図７の(7)）。この仕上がり位置ｑ４は、ワーク５２の電極とリード線との間から外へ押出された溶融ハンダを吸い戻して電極とリード線との間にハンダを流入させハンダ付け状態を向上させる位置である。
【００４６】
この仕上がり位置ｑ４にするための昇降ヘッド２６の上昇量（移動量）ａは、次のように設定すればよい。すなわちこの上昇中にヒータチップ３０が板（ストッパ）３８に当たるまでの復帰量ｂとの差（ａ−ｂ）が、ヒータヘッドの下限位置（沈み込み位置）を基準とした仕上がり位置ｑ４の高さとなるようにａを設定すればよい。
【００４７】
主コントローラ１０の制御部１０Ａはこの時点から仕上がり位置保持時間ｔ２の計時を開始する（ステップＳ１１４、(7)、(8)）。この時間ｔ２の経過により、ヒータチップ３０の加熱を終了し、冷却を開始する（ステップＳ１１６、１１８、(8)、(9)）。この冷却には自然冷却、空冷、液冷など適宜の方式が用いられる。
【００４８】
主コントローラ１０の制御部１０Ａはヒータチップ３０がハンダ凝固温度θ４になると（ステップＳ１２０、(10)）、昇降ヘッド２６を上昇させて図３に示す初期位置に戻す（ステップＳ１２２、(11)）。そしてワーク５２を入れ替えて以上の動作を繰り返す。
【００４９】
次に図９を用いてハンダ付け動作を説明する。予備加熱したヒータチップ３０がワーク５２に接触し昇降ヘッド２６をさらに所定量Ａ下降した時（図４）、すなわち図８に示すステップＳ１００〜Ｓ１０４の動作を終了した時には、ハンダは未だ溶融していないのでヒータチップ３０はワーク５２に進入しない。図９の（Ａ）はこの状態を示している。ヒータチップ３０が融解温度θ２に発熱してハンダ６０が溶融すると、図９の（Ｂ）に示すように溶融ハンダ６０Ａの一部がリード線５８と電極５６との間から側方へ流出し、ヒータチップ３０がコイルばね３４の復元力により下向きに押されて下降する（ステップＳ１０６、１０８）。
【００５０】
ヒータヘッド３０の下降開始を変位計４０で検出すると、接合温度θ３に下げて一定時間ｔ１保持する（ステップＳ１１０、１１２）。この時間ｔ１の保持によってハンダとワーク５２とのハンダのなじみが促進しハンダ付け性能の向上が図れる。時間ｔ１の経過後にヒータヘッド３０を仕上がり位置ｑ４に上昇させ、ワーク５２からはみ出したハンダをハンダ接合面間に吸い戻し、被接合面間に適切な量のハンダを流入させる（ステップＳ１１４）。図９（Ｃ）はこの状態を示している。
【００５１】
この状態に時間ｔ２保持することにより、ハンダ接合面間へのハンダ流入を確実に行わせる（ステップＳ１１６）。そしてこの時間経過後に冷却を開始し、ハンダ凝固したら昇降ヘッド２６を上方へ復帰させる（ステップＳ１１８〜１２２）。
【実施例２】
【００５２】
図１０は他の実施例のヒータチップの温度と位置を示す制御プロファイル図である。この実施例は、ハンダの融解に伴って下降するヒータチップ３０の下限位置を仕上がり位置ｑ４として保持し、凝固させるものである。
【００５３】
すなわちヒータチップ３０の沈み込みを検出して（図１０の(4)）、ヒータチップ温度θを接合温度θ３に下降させると共に（図１０の(5)）、接合温度保持時間（ｔ１）の計時を開始する（図１０の(6)）。そして仕上がり位置ｑ４（下限位置）に下降したら（図１０の(7)）、保持時間（ｔ１）経過してヒータチップ温度θが接合温度θ３になっていることを確認して、さらに仕上がり位置保持時間（ｔ２）の計時を行い（図１０の(8)）、時間（ｔ２）経過すると冷却を開始するものである（図１０の(9)）。
【００５４】
その後はハンダが凝固温度θ４になると昇降ヘッド１４を上昇させて次のワーク５２に入れ替えて以上の動作を繰り返すものである。この実施例では時間ｔ１とｔ２を別々に設定しているが、これらの合計時間（ｔ１＋ｔ２）を設定しておいてもよい。なおこの図１０では図７と対応する位置には同一符号を付したので、その説明は繰り返さない。
【符号の説明】
【００５５】
１０ コントローラ
１２ 電源部
１４ 溶接器
２０ 表示パネル（設定値入力手段）
２２ 基台
２６ 昇降ヘッド
２８ ロッド
３０ ヒータチップ
３６ キャップ（ばね力調節手段）
３８ 板（下限位置設定部材、ストッパ）
４０ 変位計
Ａ 所定量（目標沈み込み量）
θ１ 予備加熱温度
θ２ 融解温度
θ３ 接合温度
【技術分野】
【０００１】
この発明は、予めクリームハンダやハンダめっきなどによってハンダを供給したハンダ付け部にヒータチップを押圧し、ヒータチップを発熱させることによりリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法と、この方法の実施に直接使用するリフローハンダ付け装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒータチップ（ツール）をワーク（ハンダ付け対象、以下ハンダ付け部ともいう）に押し付けてヒータチップに電流を流し、瞬時に発熱させてリフローハンダ付けする方法が公知である（瞬間加熱方式）。この場合、ヒータチップの温度（ヒータ温度）を熱電対により検出し、このヒータ温度と加熱時間とを所定の温度プロファイルに従って制御し、一定条件で通電を停止し、ヒータ温度が設定温度以下に冷えるのを待ってヒータチップを上昇させてハンダ付け工程を終了させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２１６５６０
【０００４】
特許文献１には、。昇降ヘッド（変位ユニット１６）にロッド（加圧力伝達シャフト５８）を上下動可能に保持し、このロッドにヒータチップ（加熱チップ１２）を固定する一方、このロッド（５８）を下向きに付勢し、昇降ヘッド（１６）を下降させることによってヒータチップ（１２）をワーク（９４，９０）に押圧するものが示されている。すなわち昇降ヘッド（１６）にロッド（５８）の位置（ヒータチップの位置）を検出するマイクロスイッチ（８８）および変位センサ（８０）を設け、ヒータチップ（１２）をワークに押し付けてロッド（５８）がマイクロスイッチ（８８）を作動させる位置まで昇降ヘッド（１６）を押下げてから昇降ヘッドを固定し、この状態でヒータヘッドをばね力によってワークに押圧したままヒータチップ（１２）に加熱電流を流してハンダ（半田）をリフロー（溶融）させるものである。そしてハンダの溶融に伴い被接合部の厚さＤが徐々に薄くなり、その厚さの変位量ΔＤが所定値になった時に加熱電流を停止してハンダ付けを完了するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように特許文献１に示されたものでは、ヒータチップ（１２）に加熱電流を流してヒータチップ（１２）をハンダ接合温度に加熱し、ハンダを溶融する。しかしこの場合にはヒータチップの加熱開始からハンダの溶融が始まるまでの時間が長くなり、処理時間が長く装置の稼働率が低くなるという問題があった。特に近年広く用いられている無鉛ハンダ（鉛フリーハンダ）では、従来の鉛ハンダの場合よりハンダ接合温度が高く、またハンダ接合状態を良くし信頼性を高めるためには接合温度を高くすることが必要であるため、処理時間がさらに長くなる。なおこの引用文献１には加熱電流を断続することは記されているが、ヒータチップの温度制御については全く説明されていない。
【０００６】
特許文献１に示されたものはヒータチップをワークに押圧した状態でハンダをリフローさせるので、溶融ハンダがヒータチップの下から外側へ押出されてしまう。すなわちハンダが溶融を開始すると瞬時に液状化し、最後までつぶれてしまうからである。このため溶融したハンダが被接合面間から押出され被接合面同士が直接接触することになり、特に被接合部材が板状である場合などにハンダ付け不良が発生するおそれが生じる。
【０００７】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ヒータチップの加熱温度を適切に制御することによりハンダ付け処理時間の短縮を可能にし、装置の稼働率を高くすることができ、無鉛ハンダのハンダ付けに好適であるリフローハンダ付け方法を提供することを第１の目的とする。またこの第１の目的に加えてハンダがリフローした時にヒータチップがワークから溶融ハンダを押出してハンダ付け不良を発生させるおそれを無くしてハンダ付けの信頼性を上げることができるリフローハンダ付け方法を提供することを第２の目的とする。またこの方法の実施に直接使用するリフローハンダ付け装置を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の発明者はヒータチップ温度とハンダの溶融過程とを仔細に観察した結果、ハンダの非溶融状態ではヒータチップとワークとの熱伝導性が悪い一方、ハンダ溶融開始後は熱伝導性が著しく大きくなることを知得した。その理由はハンダ非溶融状態ではヒータチップとワークとの接触が点接触に近い状態であり凝固ハンダの熱伝達も十分大きくない一方、ハンダ溶融後は溶融ハンダがヒータチップに面接触状態で密着すると共に溶融ハンダにより熱伝達が著しく向上するためであると考えられる。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【０００９】
この発明によれば第１の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、ことを特徴とするリフローハンダ付け方法、により達成される。
【００１０】
また第２の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、ｂ−１）所定時間後にヒータチップを仕上がり位置まで上昇させ、ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、ことを特徴とするリフローハンダ付け方法、により達成される。
【００１１】
この第２の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、ａ−１）このハンダの融解に伴って下降するヒータチップを仕上がり位置に保持し、ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、ことを特徴とするリフローハンダ付け方法、によっても達成される。
【００１２】
さらに第３の目的は、基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け装置において、昇降ヘッドの位置を指令する位置指令およびヒータチップの温度を指令する温度指令を出力する主コントローラと、前記位置指令に基づいて昇降ヘッドの位置を制御する位置制御部と、前記温度指令に基づいてヒータチップ温度を制御する温度制御部と、を備え、前記主コントローラは、ヒータチップをワークに押圧しながらハンダ接合温度より高い融解温度に加熱した後、ハンダの融解に伴う昇降ヘッドの沈み込み開始に基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げ、所定時間後にハンダを凝固させることを特徴とするリフローハンダ付け装置、により達成される。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明（第１の発明）によれば、ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させるのでハンダ溶融までの時間を短縮できる。ハンダの融解が始まったら直ちにヒータチップをハンダ接合温度に下げ、所定時間後にハンダを凝固させるのでハンダ接合部（プリント配線板やリードなど）やハンダやフラックスを過度に加熱することがない。このためハンダ付け処理時間を短縮でき、装置の稼働率を高くでき、さらにハンダ接合部に熱的障害を加えることがなく、ハンダやフラックスの酸化による劣化を防いでハンダ付け信頼性を高くすることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明（第２の発明）によれば、ヒータチップをハンダ接合温度に下げた後、所定時間後にヒータチップを仕上がり位置に上昇させた状態でハンダを凝固させるから、前記第１の発明と同様な効果と共に、溶融ハンダが被接合面間から押出されてハンダ付け不良が発生するのを防ぐことができる。請求項３に記載の発明によれば、ハンダが融解した時にヒータチップを仕上がり位置まで下降させて保持しながら凝固させるから、請求項２に記載の発明と同じ効果が得られる。
【００１５】
請求項１１に記載の発明（第３の発明）によれば、第１の発明の実施に直接使用する装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例の外観斜視図
【図２】同じく内部構造を示すブロック図
【図３】昇降ヘッド部の初期位置（待機位置ｑ１）を示す図
【図４】同じくヒータチップがワークに接触した接触検出位置（ｑ２）を示す図
【図５】同じく昇降ヘッドを（所定量）Ａだけ押し下げて固定した位置を示す図
【図６】同じくハンダ溶融時（ヒータチップの沈み込み時）を示す図
【図７】ヒータチップ温度およびヒータチップ位置の制御プロファイル図
【図８】動作流れ図
【図９】ヒータチップのハンダ付け動作を示す図
【図１０】他の実施例におけるヒータチップ温度およびヒータチップ位置の制御プロファイル図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
請求項１または２または３において、工程ａ）では、ハンダが融解したことをヒータチップの沈み込みにより検出し、工程ｂ）ではこの沈み込みに基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げることができる（請求項４）。ハンダの融解は他の方法で検出してもよい。例えばハンダ溶融によりハンダ表面の光反射状態が急変（鏡面反射様になる）することを光センサなどで検出してもよい。
【００１８】
請求項１または２または３において、工程ａ）では、ヒータチップを予め予備加熱しておいてワークに接触させてもよい。この場合はヒータチップを融解温度まで加熱する時間をさらに短縮でき本発明の効果は一層大きくなる（請求項５）。
【００１９】
ヒータチップがワークに接触したことを検出するためには、ヒータチップを昇降ヘッドに対して下向きに付勢しかつ昇降ヘッドに設けたストッパで下限位置を規制するように構成し、この昇降ヘッドを下降させヒータチップがストッパに当たった下限位置から所定量（ｘ）上昇したことから検出することができる（請求項６）。
【００２０】
請求項３において、ハンダが融解した時にヒータチップがストッパで規制される下限位置まで下降させる場合に、この下限位置が仕上がり位置になるようにストッパを設定しておいてもよい（請求項７）。
【００２１】
ハンダを凝固させる際には、ハンダ溶融中にヒータチップを仕上がり位置まで上昇させておくのがよい（請求項２の工程ｂ−１））。この場合、ハンダが接合部から押出されてハンダ接合面同士が直接接触してハンダ付けが不完全になるのを確実に防ぐことができる。このためには、工程ａ）でハンダの融解をヒータチップの沈み込みで検出し、仕上がり位置はこの沈み込み位置より僅かに高くして被接合部の厚さを所定のハンダ仕上がり厚さとすればよい。
【００２２】
請求項２において、工程ａ）でハンダの融解を検出した時点から予め設定した所定の接合温度保持時間（ｔ１）経過後にヒータチップを仕上がり位置に上昇させるようにすれば、この時間（ｔ１）の保持によりヒータチップの昇降に伴う振動が確実に消えるのを待って上昇させることになり、ヒータチップの位置決めが正確になる。またハンダの溶融がこの時間（ｔ１）内で確実に進行し、特に無鉛ハンダではハンダ接合強度を向上させ接合不良の発生を防ぐ効果が特に大きい（請求項８）。
【００２３】
この場合には、ヒータチップをこの仕上がり位置に上昇させた後さらに所定の仕上がり位置保持時間（ｔ２）この状態を保持してから冷却を開始するのがよい（請求項９）。この場合には、ヒータチップの仕上がり位置で溶融ハンダがワーク（被接合部）と十分になじむ（濡れる）から、ハンダ接合が一層良好になる。
【００２４】
ハンダの溶融によるヒータチップの沈み込みは、ヒータチップに下向きの付勢力を付与しておくことにより行えばよい。この場合の仕上がり位置は、昇降ヘッドをこの位置から上昇させる上昇量（ａ）と、ヒータチップがストッパに当たるまでの復帰量（ｂ）との差（ａ−ｂ）で設定することができる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１の発明の実施に直接使用する装置が得られる。この場合にヒータチップをハンダ接合温度に下げた後、所定時間後にヒータチップを仕上がり位置に上げてハンダを凝固させれば、接合面同士の間にハンダが入りハンダ接合を良好にすることができる。この装置は無鉛ハンダの接合に好適であり、その場合はハンダ融解温度（θ２）を約４００℃とし、ハンダ接合温度（θ３）を約２５０℃にするのがよい。
【実施例１】
【００２６】
図１はこの発明の一実施例を示す外観図、図２は、その制御系統を示すブロック図である。図３〜６は昇降ヘッドの動作説明図であり、図３は動作前の待機位置（ｑ１）、図４は昇降ヘッドを下降させてヒータチップがワークに接触した状態である接触検出位置（ｑ２）、図５は昇降ヘッドをさらに所定量（目標沈み込み量）Ａだけ下降させて固定した状態、図６はヒータチップを発熱させヒータチップをストッパによる限定位置に下降させた状態をそれぞれ示す。図７はヒータチップの温度プロファイル図であってヒータチップ位置を重ねて示したもの、図８は動作の流れ図、図９はハンダ付け部の拡大断面図である。図９（Ａ）はリフロー前を、（Ｂ）はこの発明による沈み込み時を、（Ｃ）は同じくハンダ付け終了状態を示している。
【００２７】
図１，２において符号１０は主コントローラ、１２は電源部、１４は溶接機である。主コントローラ１０は、制御部１０Ａ、モータドライバー１０Ｂ、電源スイッチ１６、表示パネル２０などを持つ。制御部１０ＡはＣＰＵで形成される。表示パネル２０は表面に透明なタッチセンサ（図示せず）からなる入力手段が設けられ、この入力手段から後記する種々の設定値が設定される。
【００２８】
溶接器１４は図３に詳細に示すように、基台２２と、この基台２２から垂直に起立する支柱２４と、この支柱２４に昇降可能に保持されモータ２５（図２）によって昇降される昇降ヘッド２６と、この昇降ヘッド２６に上下動可能に保持されて下方へ突出するロッド２８と、このロッド２８の下端に固定されたヒータチップ（ツール）３０とを持つ。このロッド２８は昇降ヘッド２６に固定された筒３２内に装填されたコイルばね３４によって下向きに付勢されている。モータ２５はステッピングモータやサーボモータであって、その回転量すなわち昇降ヘッド２６の位置をフィードバック制御できるものである。
【００２９】
コイルばね３４の上端は、筒３２の上端に螺合されたばね力調節手段となるキャップ３６に支持されている。ロッド２８には下限位置設定部材となるストッパとしての板３８が固定され、この板３８はロッド２８の下降時に昇降ヘッド２６の内底壁に当接して位置決めされる（図３，６の位置）。この板３８の位置すなわち昇降ヘッド２６に対する相対位置は、昇降ヘッド２６に内装した変位計４０によって検出される。このこの変位計４０は例えば公知の差動トランスで形成することができる。この場合は、板３８にロッド２８と平行に固定した鉄心４２を、一次コイルおよび２組の二次コイルを組合せたコイル４４の中で移動させ、２組の二次コイルの出力差に基づいて鉄心４２の変位を検出する。
【００３０】
ヒータチップ３０は上方に開くスリットを形成して略Ｕ字状とした抵抗金属で作られ、両端間に電流を流すことによって瞬時に発熱するものである。このヒータチップ３０はウェルドケーブル４６によって、電源部１２に収容された溶接トランス１２Ａの二次側に接続されている。
【００３１】
また電源部１２は電流制御部１２Ｂを備える。電流制御部１２Ｂは主コントローラ１０の制御部１０Ａが出力する温度指令Ｐ１に基づいてヒータチップ３０の温度を制御する。すなわちこの電流制御部１２Ｂにはヒータチップ３０の先端付近に固定した熱電対４８が検出するヒータチップ温度θがフィードバックされ、このヒータチップ温度θを温度指令Ｐ１に一致させるようにパルス幅制御したパルス電流Ｐ２を溶接トランス１２Ａに送る。溶接トランス１２Ａはこのパルス電流Ｐ２を昇圧してヒータチップ３０に送り発熱させる。
【００３２】
モータドライバー１０Ｂは制御部１０Ａが出力する位置指令Ｑ１に基づいてモータ２５を制御する。すなわちモータドライバー１０Ｂは、この位置指令Ｑ１が示す回転量だけモータ２５を回転させる。ここにモータ２５はステッピングモータあるいはサーボモータでありその回転量は正確に制御される。
【００３３】
５２は被ハンダ付け対象となるワークである。このワーク５２は、図９に示すように、回路基板５４の電極５６にリード線５８を乗せたものであり、ここに電極５４の表面には無鉛ハンダなどのハンダ６０が予め供給されている。このハンダ６０は、予めフュージング（加熱処理によりクリームハンダを溶融し、均質合金化する処理）したクリームハンダ、ハンダめっき、あるいは他の手段で予め供給される。図９の（Ａ）はリフロー前の状態を示している。
【００３４】
主コントローラ１０の制御部１０Ａは、図７に示す制御特性に従って、ヒータチップ３０の温度を指示する温度指令Ｐ１と、昇降ヘッド２６の位置（高さ）を指示する位置指令Ｑ１とを出力する。ここに変位計４０は昇降ヘッド２６に対するロッド２８の変位すなわちヒータチップ３０の変位を検出する。主コントローラ１０はこの変位計４０の出力を用いてモータ２５を制御する。
【００３５】
図２において、６２は表示部、６４は設定部である。表示部６２は前記表示パネル２０に対応する。設定部６４はこの表示パネル２０の表面に設けたタッチセンサで形成される。
【００３６】
次に図７を用いて動作を説明する。主コントローラ１０の電源スイッチ１６をオンにすると、ＣＰＵが起動し表示パネル２０にメニュー画面が表示される。オペレータはメニュー画面で「データ設定」を選択し、種々のデータ（設定値）を設定する。
【００３７】
ここで設定するデータは、主として図７の制御特性に対応するデータである。すなわち図７に示す、予備加熱温度θ１、融解温度θ２、接合温度θ３、凝固温度θ４などの温度データと、ヒータチップ３０の位置を設定するための位置データ、接合温度保持時間（ｔ１）、仕上がり位置保持時間（ｔ２）などである。位置データは、昇降ヘッドの復帰（待機）位置ｑ１、接触検出位置ｑ２、沈み込み検出位置ｑ３、仕上がり位置ｑ４、などである。
【００３８】
またこの実施例では、接触検出位置ｑ２はヒータチップ３０がワーク５２に接触してヒータチップ３０と一体化した板３８が昇降ヘッド２６の内底壁から微少な上昇量ｘだけ上昇したことにより検出するから、この上昇量ｘもデータとして設定する。さらにこの接触検出した時には昇降ヘッド２６を目標沈み込み量である所定量Ａだけ下降させて、ワーク５２に対してヒータチップ３０を下向きに付勢する（図５）。従ってこの所定量Ａもデータとして設定しておく。なおこの実施例では、この所定量Ａはヒータチップのワーク５２に対する適正な沈み込み量（仕上がり位置ｑ４）より大きく設定しておく。
【００３９】
データの設定が終わると、主コントローラ１０のＣＰＵからなる制御部１０は図３の状態で変位計４０の出力をゼロにセットする（図８のステップＳ１００）。この時はロッド２８は板３８が昇降ヘッド２６の内底壁に当接することによってストッパとして機能することにより下限位置に係止される。すなわち機械的ストップ状態である。オペレータが表示パネル２０に表示されたスタートスイッチ（図示せず）を押す（触れる）ことにより、制御部１０Ａはハンダ付け動作を開始する。まずモータ２５を駆動させて昇降ヘッド２６を下降させると共に、ヒータチップ２０を予備加熱温度θ１に加熱する（ステップＳ１０２、図７の(1)）。
【００４０】
ヒータチップ３０がワーク５２に当接すると変位計４０の出力が変化を開始する。すなわち出力値が増加する。この出力が前記の接触検出用の上昇量ｘに到達すると主コントローラ１０の制御部１０Ａはヒータチップ３０がワーク５２に接触したと判定する（ステップＳ１０４）。図４はこの状態を示している。この時点から制御部１０Ａはモータ２５をフィードバック制御に切換える。すなわち主コントローラ１０が内蔵するモータドライバ１０Ｂは、制御部１０Ａが出力する指令値に基づいて変位計４０の出力をこの指令値に一致させるようにモータ２５をフィードバック制御する。
【００４１】
制御部１０Ａは指令値として目標沈み込み量である所定量Ａを出力するので、昇降ヘッド２６は図４の位置（ヒータチップ３０がワーク５２に接触しさらに上昇量ｘだけ下降した位置）から、さらに下降させ変位計４０の出力がこの所定量Ａとなるまで下降させて停止する（ステップＳ１０４、図７の(2)）。図５はこの状態を示している。この時にはロッド２８およびヒータチップ３０はコイルばね３４の復元力によって下向きに付勢されている。
【００４２】
制御部１０Ａはこの状態で電源部１２に温度指令Ｐ１を送り、ヒータチップ３０を融解温度θ２に加熱させる（ステップＳ１０６、図７の(3)）。この加熱は、電源部１２がヒータチップ３０に温度指令Ｐ１に対応する電流を供給することにより行われる。ヒータチップ３０の発熱によりワーク５２が融解温度θ２に加熱されると、ハンダが速やかに融解する。この温度θ２は接合温度θ３（無鉛ハンダでは約２５０℃）より高温であり、例えば約４００℃に設定される。このためヒータチップ３０からワーク５２のプリント基板やリード線への伝熱に対してワーク５２のハンダは極めて短時間で融解する。従ってプリント基板やリード線に熱的悪影響が及ばない。
【００４３】
ハンダが融解するとヒータチップ３０は沈み込み始める。検出器４０がこの沈み込みを検出すると主コントローラ１０の制御部１０Ａはヒータチップ３０の温度θを接合温度θ３にするための温度指令Ｐ１を電源部１２に送る（ステップＳ１１０、図７の(4)、(5)）。また制御部１０Ａは、この沈み込み検出から接合温度保持時間ｔ１の計時を開始する（図７の(6)）。
【００４４】
ハンダの融解によるヒータチップ３０の最大下降量Ｂは、ワーク５２を押し潰した状態すなわちプリント基板の電極とリードが直接接触している状態、が最大となる。ステップＳ１０４（図７の(2)）における昇降ヘッド２６の下降量（所定量Ａ）がこの最大下降量Ｂより大きければヒータチップ３０はこの最大下降量Ｂまで下降する。図６はこの場合を示している。この時には板３８が昇降ヘッド２６の内底壁との間に僅かな間隙（Ａ−Ｂ）をあけ停止している。
【００４５】
主コントローラ１０の制御部１０Ａは接合温度保持時間ｔ１の経過に基づいて（ステップＳ１１２）、昇降ヘッド２６を仕上がり位置ｑ４に上昇させる（ステップＳ１１４、図７の(7)）。この仕上がり位置ｑ４は、ワーク５２の電極とリード線との間から外へ押出された溶融ハンダを吸い戻して電極とリード線との間にハンダを流入させハンダ付け状態を向上させる位置である。
【００４６】
この仕上がり位置ｑ４にするための昇降ヘッド２６の上昇量（移動量）ａは、次のように設定すればよい。すなわちこの上昇中にヒータチップ３０が板（ストッパ）３８に当たるまでの復帰量ｂとの差（ａ−ｂ）が、ヒータヘッドの下限位置（沈み込み位置）を基準とした仕上がり位置ｑ４の高さとなるようにａを設定すればよい。
【００４７】
主コントローラ１０の制御部１０Ａはこの時点から仕上がり位置保持時間ｔ２の計時を開始する（ステップＳ１１４、(7)、(8)）。この時間ｔ２の経過により、ヒータチップ３０の加熱を終了し、冷却を開始する（ステップＳ１１６、１１８、(8)、(9)）。この冷却には自然冷却、空冷、液冷など適宜の方式が用いられる。
【００４８】
主コントローラ１０の制御部１０Ａはヒータチップ３０がハンダ凝固温度θ４になると（ステップＳ１２０、(10)）、昇降ヘッド２６を上昇させて図３に示す初期位置に戻す（ステップＳ１２２、(11)）。そしてワーク５２を入れ替えて以上の動作を繰り返す。
【００４９】
次に図９を用いてハンダ付け動作を説明する。予備加熱したヒータチップ３０がワーク５２に接触し昇降ヘッド２６をさらに所定量Ａ下降した時（図４）、すなわち図８に示すステップＳ１００〜Ｓ１０４の動作を終了した時には、ハンダは未だ溶融していないのでヒータチップ３０はワーク５２に進入しない。図９の（Ａ）はこの状態を示している。ヒータチップ３０が融解温度θ２に発熱してハンダ６０が溶融すると、図９の（Ｂ）に示すように溶融ハンダ６０Ａの一部がリード線５８と電極５６との間から側方へ流出し、ヒータチップ３０がコイルばね３４の復元力により下向きに押されて下降する（ステップＳ１０６、１０８）。
【００５０】
ヒータヘッド３０の下降開始を変位計４０で検出すると、接合温度θ３に下げて一定時間ｔ１保持する（ステップＳ１１０、１１２）。この時間ｔ１の保持によってハンダとワーク５２とのハンダのなじみが促進しハンダ付け性能の向上が図れる。時間ｔ１の経過後にヒータヘッド３０を仕上がり位置ｑ４に上昇させ、ワーク５２からはみ出したハンダをハンダ接合面間に吸い戻し、被接合面間に適切な量のハンダを流入させる（ステップＳ１１４）。図９（Ｃ）はこの状態を示している。
【００５１】
この状態に時間ｔ２保持することにより、ハンダ接合面間へのハンダ流入を確実に行わせる（ステップＳ１１６）。そしてこの時間経過後に冷却を開始し、ハンダ凝固したら昇降ヘッド２６を上方へ復帰させる（ステップＳ１１８〜１２２）。
【実施例２】
【００５２】
図１０は他の実施例のヒータチップの温度と位置を示す制御プロファイル図である。この実施例は、ハンダの融解に伴って下降するヒータチップ３０の下限位置を仕上がり位置ｑ４として保持し、凝固させるものである。
【００５３】
すなわちヒータチップ３０の沈み込みを検出して（図１０の(4)）、ヒータチップ温度θを接合温度θ３に下降させると共に（図１０の(5)）、接合温度保持時間（ｔ１）の計時を開始する（図１０の(6)）。そして仕上がり位置ｑ４（下限位置）に下降したら（図１０の(7)）、保持時間（ｔ１）経過してヒータチップ温度θが接合温度θ３になっていることを確認して、さらに仕上がり位置保持時間（ｔ２）の計時を行い（図１０の(8)）、時間（ｔ２）経過すると冷却を開始するものである（図１０の(9)）。
【００５４】
その後はハンダが凝固温度θ４になると昇降ヘッド１４を上昇させて次のワーク５２に入れ替えて以上の動作を繰り返すものである。この実施例では時間ｔ１とｔ２を別々に設定しているが、これらの合計時間（ｔ１＋ｔ２）を設定しておいてもよい。なおこの図１０では図７と対応する位置には同一符号を付したので、その説明は繰り返さない。
【符号の説明】
【００５５】
１０ コントローラ
１２ 電源部
１４ 溶接器
２０ 表示パネル（設定値入力手段）
２２ 基台
２６ 昇降ヘッド
２８ ロッド
３０ ヒータチップ
３６ キャップ（ばね力調節手段）
３８ 板（下限位置設定部材、ストッパ）
４０ 変位計
Ａ 所定量（目標沈み込み量）
θ１ 予備加熱温度
θ２ 融解温度
θ３ 接合温度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、
ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、
ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、
ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、
ことを特徴とするリフローハンダ付け方法。
【請求項２】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、
ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、
ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、
ｂ−１）所定時間後にヒータチップを仕上がり位置まで上昇させ、
ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、
ことを特徴とするリフローハンダ付け方法。
【請求項３】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、
ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、
ａ−１）このハンダの融解に伴って下降するヒータチップを仕上がり位置に保持し、
ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、
ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、
ことを特徴とするリフローハンダ付け方法。
【請求項４】
工程ａ）ではハンダが融解したことをヒータチップの沈み込みにより検出し、工程ｂ）ではこの沈み込みに基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げる請求項１または２または３のリフローハンダ付け方法。
【請求項５】
工程ａ）では、予め予備加熱したヒータチップがワークに接触したことを検出してヒータチップを融解温度に加熱する請求項１または２または３のリフローハンダ付け方法。
【請求項６】
ヒータチップは昇降ヘッドに対して下向きに付勢されかつストッパで下限位置が規制され、ヒータチップが昇降ヘッドに対して前記下限位置から所定量だけ上昇したことから前記ヒータチップがワークに接触したことを検出する請求項１または２または３のリフローハンダ付け方法。
【請求項７】
ヒータチップは昇降ヘッドに対して下向きに付勢されかつストッパでその下限位置が規制され、ヒータチップの仕上がり位置を前記下限位置とした請求項３のリフローハンダ付け方法。
【請求項８】
工程ａ）でハンダの融解を検出した時点から所定の接合温度保持時間（ｔ１）経過後にヒータチップを仕上がり位置へ上昇させる請求項２のリフローハンダ付け方法。
【請求項９】
ヒータチップを仕上がり位置に上昇させた後、さらに所定の仕上がり位置保持時間（ｔ２）経過後に冷却開始する請求項２のリフローハンダ付け方法。
【請求項１０】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け装置において、
昇降ヘッドの位置を指令する位置指令およびヒータチップの温度を指令する温度指令を出力する主コントローラと、
前記位置指令に基づいて昇降ヘッドの位置を制御する位置制御部と、
前記温度指令に基づいてヒータチップ温度を制御する温度制御部と、を備え、
前記主コントローラは、ヒータチップをワークに押圧しながらハンダ接合温度より高い融解温度に加熱した後、ハンダの融解に伴う昇降ヘッドの沈み込み開始に基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げ、所定時間後にハンダを凝固させることを特徴とするリフローハンダ付け装置。
【請求項１】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、
ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、
ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、
ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、
ことを特徴とするリフローハンダ付け方法。
【請求項２】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、
ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、
ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、
ｂ−１）所定時間後にヒータチップを仕上がり位置まで上昇させ、
ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、
ことを特徴とするリフローハンダ付け方法。
【請求項３】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け方法において、
ａ）ヒータチップをハンダ接合温度より高い融解温度にしてハンダを融解させた後、
ａ−１）このハンダの融解に伴って下降するヒータチップを仕上がり位置に保持し、
ｂ）ヒータチップをハンダ接合温度に下げ、
ｃ）所定時間後にハンダを凝固させる、
ことを特徴とするリフローハンダ付け方法。
【請求項４】
工程ａ）ではハンダが融解したことをヒータチップの沈み込みにより検出し、工程ｂ）ではこの沈み込みに基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げる請求項１または２または３のリフローハンダ付け方法。
【請求項５】
工程ａ）では、予め予備加熱したヒータチップがワークに接触したことを検出してヒータチップを融解温度に加熱する請求項１または２または３のリフローハンダ付け方法。
【請求項６】
ヒータチップは昇降ヘッドに対して下向きに付勢されかつストッパで下限位置が規制され、ヒータチップが昇降ヘッドに対して前記下限位置から所定量だけ上昇したことから前記ヒータチップがワークに接触したことを検出する請求項１または２または３のリフローハンダ付け方法。
【請求項７】
ヒータチップは昇降ヘッドに対して下向きに付勢されかつストッパでその下限位置が規制され、ヒータチップの仕上がり位置を前記下限位置とした請求項３のリフローハンダ付け方法。
【請求項８】
工程ａ）でハンダの融解を検出した時点から所定の接合温度保持時間（ｔ１）経過後にヒータチップを仕上がり位置へ上昇させる請求項２のリフローハンダ付け方法。
【請求項９】
ヒータチップを仕上がり位置に上昇させた後、さらに所定の仕上がり位置保持時間（ｔ２）経過後に冷却開始する請求項２のリフローハンダ付け方法。
【請求項１０】
基台に対して昇降可能な昇降ヘッドに保持したヒータチップを、ワークに押圧しながらリフローハンダ付けするリフローハンダ付け装置において、
昇降ヘッドの位置を指令する位置指令およびヒータチップの温度を指令する温度指令を出力する主コントローラと、
前記位置指令に基づいて昇降ヘッドの位置を制御する位置制御部と、
前記温度指令に基づいてヒータチップ温度を制御する温度制御部と、を備え、
前記主コントローラは、ヒータチップをワークに押圧しながらハンダ接合温度より高い融解温度に加熱した後、ハンダの融解に伴う昇降ヘッドの沈み込み開始に基づいてヒータチップをハンダ接合温度に下げ、所定時間後にハンダを凝固させることを特徴とするリフローハンダ付け装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１６７４５０（Ｐ２０１０−１６７４５０Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２１６０（Ｐ２００９−１２１６０）
【出願日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【出願人】（０００２２７８３６）日本アビオニクス株式会社 (197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【出願人】（０００２２７８３６）日本アビオニクス株式会社 (197)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]