WO1998030352A1

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Publication number: WO1998030352A1
Application number: PCT/JP1998/000021
Authority: WO
Inventors: Akio Mitumoto; Kensei Matubara
Original assignee: Kabushikigaisha Taiseikaken
Priority date: 1997-01-07
Filing date: 1998-01-07
Publication date: 1998-07-16
Also published as: JP2000000657A; WO1998030351A1

Description

明糸田

間欠的半田付けが可能な非接触型半田ごて

技術分野

この発明は、例えば電子部品の半田付けを非接触式でかつ間欠的に行えるようにした半田ごてに関する。

背景技術

例えば、電子機器を組立てる場合、半田ごてを用いて電子基板に各種電子部品や配線を半田付けすること力多い。

この種の半田ごてではヒー夕等で加熱した先端チップを電子基板のランドゃヮ ―クに接触させて半田を溶融させ、先端チップを離して半田を凝固させる方式が広く採用されている。

他方、図 1 0に示すように、半田ごて 1 0 0内にエアー通路を形成すとともに、加熱ヒ一夕 1 0 1を内蔵し、先端にステンレス鋼ゃ真錄製のノズル 1 0 2を取付け、高温エアーを吹き付けて半田付けするようにした非接触式の半田ごても提案されている。

しかし、従来の接触式の半田付け方法では、先端チップを半田付け部位に接触させる関係上、先端チップにヒートサイクルによる熱ストレスが作用するとともに、錫の拡散及びフラックスによる浸蝕が発生して先端チップの寿命が短く、半田付けの精度を確保するためには 4〜5万回程度で交換する必要があった。また、先端チップが電子基板や電子部品に直接接触するので、先端チップから電子基板や電子部品に洩れ電流、ノイズ、高調波、静電気等が伝わり、製品の電気特性が劣化することが懸念されていた。

他方、従来の非接触式の半田ごてでは、上述のような問題は生じないものの、高温エアーがワークに当たった後、周囲に飛散してしまい、熱を必要な箇所にスポット的に集中させることができず、半田付けに 4〜5秒もかかってしまって実用的でなく、半田付けされた電子部品の取外し（リワーク）に利用されているのが実情である。他方、特公平 7— 8 3 9 4 0号に開示の半田付け方法では、半田ごてを用い、ワークの半田付け部位に高温気体流を吹き付けてヮークを半田付けするにあたり、半田ごての先端から半田を溶融軟化させるのに十分な高温の主加熱気体流を噴出させるとともに、上記主加熱気体流よりも低温でかつ半田を予熱するのに十分な温度の予熱気体流を上記主加熟気体流を囲んで噴出させ、上記予熱気体流をヮークの半田付け部位に吹き付けて予熱しながら、上記主加熱気体流を予熱したヮークの半田付け部位に吹き付け、上記予熱気体流で囲まれた雰囲気中で半田付けを行なうようにしている。しかしながら、かかる方法では連続的に気体流を噴出させる場合は問題ないが、間欠的に行う場合には加熱ヒータを十分に高温に昇温させてから気体流を流通させる必要があり、迅速に高温気体流を生成噴出することが困難で、実用的でない。

そこで、本発明は、非接角 ί式半田ごてにおいて、間欠的半田付け作業に応答して高温気体流を迅速に発生させることができる半田ごてを提供することを課題とする。

発明の開示

本発明に係る半田ごては、第 1のノズルを先端に備える主加熱気体流を生成する第 1のチャンバ一、及び上記第 1のノズルの外側を覆って開放する第 2のノズルを先端に備え、上記第 1のチャンバ一を包囲し、予熱気体流を生成する第 2のチャンバ一を少なくとも備えるノズル手段と、上記中央の第 1のノズル近傍の第 1のチャンバ一内に内壁とクリアランスをおいて配置され、そのクリアランスを通って、ノズル口より噴出される不活性ガスを加熱する熱源を有する第 1のコア加熱手段、及び上記第 1のチヤンバーの少なくとも先端部を形成し、上記第 1のコア加熱手段の熱源を包囲して蓄熱し、上記第 1のチャンバ一と第 2のチヤンバ一との間を通過する、不活性ガスを加熱する第 2の加熱手段を少なくとも備える加熱手段と、上記第 1のチャンバ一に連通し、不活性ガスを供給するとともに、上記第 1のチヤンバーに供給する不活性ガスを第 2のチャンバ—に分岐して供給する不活性ガス供給手段とを備え、上記第 1のチヤンバーに供給される不活性ガスが上記クリアランスを通過する間に所定の加熱温度に昇温する一方、第 1のチャンバ一内で昇温膨張する不活性ガスをその背圧により上記第 2のチヤンバーに分岐供袷するようになしたことを特徴とする。

気体流は高濃度の不活性ガスが好ましい。半田付け品質に対するエアー中の 0 ₂ の影響を考慮すると、窒素ガス等の不活性ガスが好ましいからである。第 1のコア加熱手段は発熱するものであればよく、ニクロム線ヒータ、セラミックスヒ一夕、高周波ヒー夕、中周波ヒータ、低周波ヒータ、赤外線ヒー夕、プラズマ発熱体、超音波発熱体、エレマ発熱体等を用いることができるが、本発明の作用効果を奏する上で、第 1のコア加熱手段は第 1のチャンバ一内に内壁とクリアランスをおいて、内挿されたロッド状ヒー夕、特に A ^ ₂ 0 ₃ 製ロッド状ヒー夕力望ましい。

本発明の特徴の 1つは内側のノズルを囲んで外側のノズルを配置し、内側の気体流の昇温膨張を利用して外側の気体流を形成し、外側の気体流で予熱し、外側気体流で囲んだ棼囲気中において内側の気体流で半田付けを行なうようにした点にある。これにより、内側の気体流の熱が周囲に飛散してしまうことがなく、非接触式で短時間で半田付けが行なえ、製品に対する洩れ電流、ノイズ、高調波の影響を除去できる。また、所定のクリアランス内で不活性ガスを昇温させるようにしているので、コア加熱手段は単に不活性ガスを流通させる場合のような高温にしなくとも不活性ガスを迅速に所望の温度に昇温させることができ、連続的に半田付けを行う場合ばかりでなく、間欠的に半田付けを行う場合にも半田付け作業を迅速に行うことができる。但し、静電気については気体流の摩擦、特に気体流を高速で噴出する場合における摩擦によって気体流が帯電し、製品に対する電気的影響が依然として懸念されるので、これに対処することが必要である。そこで、主加熱気体流及び予熱気体流の噴出圧力を気体流の帯電が電気的影響の懸念されない程度となるような範囲、具体的には 1〜3 k g i c m ² · Gの圧力とするのが好ましレ、が、第 1のノズルからのガス圧が第 2のノズルからのガス圧より大きくするのがよい。また、かかる圧力範囲を選択することによってノズル下流側での保有エネルギーの低下を防止して半田付け時間を短縮できる。

また、第 2の加熱手段は第 1のチャンバ一の先端部に少なくとも形成され、上記第 1のコァ加熱手段からの伝熱を蓄熱機能を有する部材からなるのがよく、特に蓄熱機能を有するノズル部材であつて、ノズル口にノ、'ィブを挿入してノズル口径を調節可能とするのが好ましい。この第 2の加熱手段は銅又は銅合金製ノズル部材とするのが好ましい。

また、第 1のチヤンバーには第 2のチャンバ一と連通する気体流通口を有し、第 1のチャンバ一に供給される不活性ガスを第 1のコア加熱手段により加熱膨張されるとその背圧により、第 1のチャンバ一に供給される不活性ガスの一部力上記気体流通口を介して第 2のチヤンバーに供給されるように構成するのがよい。この場合、第 1のノズルの開口径が第 2のチヤンバ一^ ^の分岐供給口の開口径よりも大きく、第 1のノズル先端開口から加熱不活性ガスを噴射しつつ、第 1のノズル内の背圧により第 1のノズル内に供給された不活性ガスの一部を第 2のノズルに供給するのがよい。

緻密でかつ盛りのょレ、半田付けとする上で、付着した溶融半田をゆるやかな温度特性でもって緩冷却しうる雰囲気中で半田付けを行い、凝固開始直前から室温以下の雰囲気で急冷却するのが肝要である。本発明では気体流を内外二重とし、外側の予熱気体流でもって予熱し、内側の主加熱気体流で半田付けを行なった後、外側の予熱気体流で凝固開始直前まで緩冷却して室温以下の雰囲気に曝して急冷却することができる。本発明を電子部品の半田付けに適用する場合、第 1のノズルに供給される不活性ガスは第 1のコア加熱手段により 2 5 0〜1 0 0 0 °C、特に 3 0 0〜 6 0 (TCに加熱されるのがよく、第 2のノズルに供給される不活性ガスは 1 0 0〜3 0 0で、特に 1 5 0〜2 0 0 °Cに加熱されるのが好ましい。また、第 1のノズルから噴射される不活性ガス流量が 1〜3 ^ //分とするのが入熱両を大きくして半田付け時間を短縮する上で好ましい。

また、本発明の作用効果を奏する上で、クリアランスが非常に重要である。そこで、第 2の加熱手段をなす第 1のチャンバ一の先端部内径と、第 1のコア加熱手段をなす口ッド状ヒータの先端部外径とのクリアランスがそこを通過する不活性ガス力通過後所定の温度まで昇温可能に設定される寸法に設定する。例えば、クリアランスは 0 . 1〜0 . 1 5 mmを採用できる。第 1のノズル開口径は 0 . 2 〜 1 mm ?5、第 2のノズルの開口径は 2〜 3 mm øを採用できる。

また、本発明によれば、前方先端にノズル部を有する筒体であって、後方から供給される気体流を筒体内で所定の温度まで加熱してノズル部から噴出させる高温ガス噴射機構であつて、ノズル部近傍に筒体内壁と所定のクリアランスを介して筒体軸方向に延びるコア熱源と該コア熱源の外周を囲み、上記筒体の一部をなして軸方向に延びる蓄熱カバ一とからなる加熱手段を備え、上記クリアランスを該加熱手段上流に至る気体流がクリアランス通過後ノズル部から発射前に所定の噴射温度になるように設定してなる高温ガス噴射機構を提供できる。

筒体が筒体内背圧が所定以上になると筒体外に供給気体流を分流させる流通口を有するのがよい。また、コア熱源前方のノズル部手前に温度センサ一を備え、上記クリアランス通過後の気体流温度を検知し、上記コア熱源温度を制御する、のが好ましい。

また、本発明によれば、非接触式半田付け方法において、不活性ガスを半田ごてに供給して加熱噴射するにあたり、不活性ガスを第 1のチャンバーに供給し、第 1のチヤンバーの前方先端に設けられたノズル近傍にて軸方向に延びるコア熱源とそれを包囲する蓄熱カバ一とがなすクリアランスを通して所定の第】の温度に昇温する工程と、上記第 1のチャンバ一内で不活性ガスの昇温膨張によって生ずる背圧により第 1のチャンバ一を囲む第 2のチャンバ一に連通口を介して不活性ガスを供給し、上記第 2のチャンバ一の前方に位置する上記蓄熱カバーの外周を通過させることにより、所定の第 2の温度に昇温する工程とを備え、

第 1の温度のガスを中心とし、第 2の温度のガスが包囲するガス流を所定の半田付け部位に噴射する、非接触式半田付け方法を提供できる。第 1のチャンバ一内でのコア熱源と蓄熱カバーとがなすクリアランスを通過して不活性ガスを昇温する時間が半田付けの間欠的作業に迅速に応答する時間に設定されているのが好ましい。

溶融半田の凝固開始直前からの急冷却は大気に曝して行つてもょレ、が、溶融半田が凝固に際して潜熱を放出し、それと同時に大気中の 0₂、 H ₂、 C O等を溶解し、酸化及び気孔発生の原因となり、又凝固直前の半田の酸化はブリッジ、ッノ、ッララ発生の最大要因であるので、周囲を室温以下の低温窒素ガス雰囲気としてもよい。低温窒素ガス雰囲気は室温、具体的には 2 5 °C以下の温度とするが、急冷効果を確保することが好ましい。例えば、一 2 0 °C〜一 3 0 °Cとしてもよい。また、ワーク表面側を低温窒素ガス雰囲気に曝すと、溶融半田は表面側から急冷却されるが、ワーク裏面側に低温窒素ガスを吹き付けてワーク裏面側からも急冷却すると急冷効果を促進してより一層微細な急冷凝固組織が得られるので好ましい。

主加熱気体流生成チャンバ一は製造の簡単さの観点からは発熱体の周囲に形成するのがよいが、発熱体の内部に形成してもよい。ノズルの形状は特に限定されないが、気体流はより高速で噴射するのがよいことから、例えばダイバージ Xントノズルを使用するのが好ましい。また、予熱気体流は主加熱気体流を囲んで真直に噴出させてもよいが、予熱気体流生成チャンバ一の内面に螺旋状フィンゃ螺旋溝を形成し、予熱気体流を螺旋状に旋回させて予熱気体流で囲まれる空間内のエアーを吸い出し、その伏態で主加熱気体流を噴射させ、主加熱気体流の半田付け効率をアップさせることができる。第 1、第 2のノズルの先端の位置関係は第

1ノズルの先端よりも第 2ノズルの先端を突出させてもよく、逆の位置関係になつてもよレ、。後者はワークの素子が小さい、特に超ファインピッチの場合、例えば電子部品の半田付けを行う場合に好ましい。

ところで、上述のように主加熱気体流体及び予熱気体流体の噴出圧力を適切に設定しても気体流の帯電は依然として残ることがある。そこで、こて本体をァースし、主加熱気体流生成チャンバ一及び予熱気体流生成チャンバ一の内側にマイナス電荷を静電誘導させて主加熱気体流及び予熱気体流のブラス電荷を除去できるようにするのがよい。また、本発明ではワークの半田付け部位を予熱気体流で予熱しているので、先端チップを半田付け部位に接触させる方式であっても、先端チップの温度低下は小さく、しかも先端チップが予熱気体流で加熱されて迅速に昇温する結果、先端チップの熱ストレスを小さくできる。

即ち、本発明によれば、半田ごてを用いてワークの半田付け部位を半田付けするにあたり、半田ごての先端から上記先端チップよりも低温でかつ半田を予熱するのに十分な温度の予熱気体流を上記先端チップを囲んで噴出させ、該予熱気体流をワークの半田付け部位に吹き付けて予熱した後、該予熱したワークの半田付け部位を上記先端チップによつて上記予熱気体流で囲まれた雰囲気中で半田付けするようにしたことを特徵とする接触式の半田付け方法を提供できる。

この場合、予熱気体流は先端チップのヒートサイクルを小さくしかつ温度低下した先端チップを迅速に所定温度に復帰させる上で、上述の内外二重の気体流を形成する場合に比してより一層高温とするのが好ましい力半田付け部位近傍のワークや素子（例えば、電子素子）に対する熱影響が懸念される。そこで、半田ごての先端から予熱気体流の周囲を囲んで予熱気体流より低温の低温気体流を噴射させ、ワーク半田付け部位の予熱時及び半田付け時に半田付け部位近傍のヮ― ク及び素子を低温気体流で予熱気体流の熱から保護するようにしてもよい。また、本発明によれば上述の接触式の半田付け方法に使用する半田ごてを提供することができる。

即ち、本発明によれば、こて本体に内蔵された発熱体の発熱にて先端チップを加熱可能となした半田ごてにおいて、上記発熱体の周囲にはその先端側を先端チップの周囲に開放して予熱気体流生成チャンバ一が形成され、上記発熱体の発熱によって上記先端チップよりも低温でかつ半田を予熱するのに十分な温度の予熱気体流が生成されて上記先端チップの周囲に噴出されるようになしたことを特徴とする接角虫式の半田ごてを提供することができる。

この場合、予熱気体流生成チャンバ—の周囲には低溫気体流生成チャンバ一を形成してその先端側を予熱気体流の先端開放口部の周囲に開放させ、予熱気体流生成チャンバ一からの対流熱及び Z又は輻射熱による加熱によって予熱気体流よりも低温の低温気体流を生成して予熱気体流の周囲に噴出させる構造を採用してもよい。

また、上述の接触式の半田ごての構造を利用すれば、半田付ロボットゃ自動半田付機において半田付けする際に、その半田付け部位に高温の窒素ガス等、高温不活性ガスを吹き付け、半田付け部位を大気から保護するとともに予熱するのに適した不活性ガスパ一ジ器具を提供することができる。

即ち、本発明に係る不活性ガスパージ器具は、全体として半田ごて形状をなし、発熱体を内蔵し、該発熱体の先端部に保熱体が取付けられて上記発熱体の発熱 (こて上記保熱体を加熱可能となす一方、上記発熱体の周囲にはその先端側を上記保熱体の先端周囲に開放して予熱気体流生成チャンバ一が形成され、上記発熱体及び保熱体からの輻射熱によつて高温気体流が生成されて前方に噴出されるようになしたことを特徴とする。

図面の簡単な説明

第 1図は本発明に係る半田ごての第 1の実施形態を示す要部断面構成図である。第 2図は本発明に係る半田ごての第 2の実施形態を示す要部断面構成図である。第 3図はその I— I線断面図である。第 4図は上記半田ごてを用いた半田付け方法を説明するための図である。第 5図は上記半田ごての第 1の変形例を示す断面図である。第 6図は上記半田ごての第 2の変形例を示す断面図である。第 7 図は本発明に係る半田ごての第 3の実施形態を示す要部断面構成図である。第 8 図は本発明に係る半田ごての第 3の実施形態を示す要部断面構成図である。第 9 図は第 8図の半田ごてにおけるホルダ一 3 5を示す斜視図である。第 1 0図は従来の非接触式の半田ごてを示す構成図である。第 1 1図は本発明に係る不活性ガスパージ器具の好ましい実施形態を示す図である。第 1 2図は第 7図の変形例を示す図である。

好ましい実施形態の説明

以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図 1は本発明に係る非接触による半田ごての好ましい実施形態を示す。こて基部の先端にはこて本体 1 1の後端部が螺合ゃビス止め等の方法によって取付けられ、該こて本体 1 1は内外二重のステンレス筒 1 2、 1 3と中央のロッド状アルミナセラミック製の加熱ヒータ（コア加熱手段） 1 4とを含んて構成されている。

内側のステンレス筒 1 2の先端には開口径 2〜 3 mmの銅製の第 1のノズル（蓄熱カバーを兼用） 1 9が嵌合固定され、該第 1のノズル 1 9の内径面と加熱ヒ —夕 1 4の外径面との間には 0 . 1〜0 . 1 5 mmのクリアランスが形成されている。また、第 1のノズル 1 9の先端にはステンレス製パイプ 6 1が差し込まれてノズル径が 0 . 5〜1 . O mmに調整されている。

また、第 1のノズル 1 9及び内側ステンレス筒 1 3と力 Π熱ヒータ 1 4との間はヒータ加熱によつて半田を溶融軟化するのに十分な高温の主加熱気体流を生成する主加熱気体流生成チャンバ一（第 1のチャンバ一） 1 7、内外のステンレス筒体 1 2、 1 3の間は対流熱及び又は輻射熱による加熱によって主加熱気体流よりも低温でかつ半田を予熱するのに十分な温度の予熱気体流を生成する予熱気体流生成チャンバ一（第 2のチャンバ一） 1 8となっている。

また、外側ステンレス筒 1 2の先端には第 1のノズル 1 9の外側全周を覆うプリヒートノズル（第 2のノズル） 2 0が外嵌されている。

また、こて基部は中空状をなして内部が気体供給通路となっており、こて本体 1 1の後端部には第 1の気体流通口 2 2が形成されて主加熱気体流生成チャンバ一 1 7に不活性ガスを供給するようになっている。なお、気体供給通路はこて基部の外側に支持したホース等で構成することもできる。

さらに、内側ステンレス筒 1 3の基部側には気体流通口 2 5が形成され、主加熱気体生成チャンバ一 1 7内で昇温膨張した不活性ガスの一部がその背圧によつて予熱気体流生成チャンバ一 1 8に分岐供給されるようになっている。

また、加熱ヒータ 1 4の先端には主加熱気体流の温度を検知してコントロールを行なうためのセンサー 2 7が取付けられ、又図示していないが、ステンレス筒 1 2及び 1 3にはアースが接続されている。本例においては加熱ヒ一夕 1 4が表面温度 7 0 0〜9 0 0 °Cに加熱され、その輻射熱によって第 1のノズル 1 9が 3 0 0〜5 7 (TCに加熱されており、不活性ガスが内側ステンレス 1 2内に供給され、クリアランスに達すると、 3 0 0〜6 0 0 °Cに昇温されて 2〜 3倍に膨張し、主加熱気体流として第 1のノズル 1 9から瞬時に噴射されるが、同時に膨張した不活性ガスの一部はその背圧によって予熱気体流生成チャンバ一 1 8に案内され、そこで第 1のノズル 1 9の輻射熱及びガス自体の対流熱によって 1 5 0〜2 8 0 °Cに維持され、予熱気体流として主加熱気体流の周囲に噴射される。その結果、主加熱気体流は温度低下することなく、又酸素を巻き込むことなく半田付け部位に投与されることとなる。また、予熱気体流によって半田付け部位を予熱することもできる。

図 2及び図 3は本発明に係る非接触による半田ごての第 2の実施形態を示す。こて基部 1 0の先端にはこて本体 1 1の後端部が螺合ゃビス止め等の方法によつて取付けられ、該こて本体 1 1は内外二重のステンレス筒 1 2、 1 3と中央の棒状アルミナセラミック製の加熱ヒータ（発熱体） 1 4とを含み、内側ステンレス筒 1 3は外側ステンレス筒 1 2の内面にスぺ一サ片（図示せず）によって支持されている。

上記加熱ヒー夕 1 4は金属製のカバー 1 5によって内側ステンレス筒 1 3内面に支持され、上記カバー 1 5の後端には板状スぺ一サ部 1 6が形成されており、上記カバー 1 5と内側ステンレス筒 1 3との間はヒータ加熱によって半田を溶融軟化するのに十分な高温の主加熱気体流を生成する主加熱気体流生成チヤンバー

1 7、内外のステンレス筒体 1 2、 1 3の間は対流熱及びノ又は輻射熱による加熱によって主加熱気体流よりも低温でかつ半田を予熱するのに十分な温度の予熱気体流を生成する予熱気体流生成チャンバ一 1 8となっている。

また、内側のステンレス筒 1 3の先端にはモリプデン製の第 1のノズル 1 9が嵌合され、該第 1のノズル 1 9は外側ステンレス筒 1 2の先端壁の揷通穴から突設され、外側ステンレス筒 1 2の先端には第 1のノズル 1 9の外側全周を覆う第

2のノズル 2 0が外嵌されている。また、こて基部 1 0は中空状をなして内部が気体供給通路 2 1となっており、こて本体 1 1の後端部には第 1の気体流通口 2 2が、カバー 1 5の板伏スぺーサ部 1 6には第 2の気体流通口 2 3が、さらにカバー 1 5の先端部には第 3の気体流通口 2 4が形成されて主加熱気体流生成チヤンバー 1 7で生成された主加熱気体流が第 1のノズル 1 9に向けて案内されるようになっている。なお、気体供給通路 2 1はこて基部 1 0の外側に支持したホース等で構成することもできる。さらに、カバー 1 5より後方の内側ステンレス茼 1 3には第 4の気体流通口 2 5力外側ステンレス筒 1 2の先端には第 5の気体流通口 2 6が形成され、主加熱気体生成チャンバ— 1 7内で昇温膨張した不活性ガスの一部がその背圧によつて予熱気体流生成チャンバ一 1 8に分岐供給されるようになっている。

また、加熱ヒータ 1 4の先端には主加熱気体流 3 0の温度を検知してコント口ールを行なうためのセンサ一 2 7が取付けられ、又図示していないが、ステンレス茼 1 2及び 1 3にはアースが接続されている。

次に、半田付け方法について説明する。本例の半田ごてを用いて非接触で半田付けを行う場合、まず加熱ヒー夕 1 4に通電するとともに、こて基部 1 0内の気体供給通路 2 1に窒素ガスを供給する。この窒素ガスは予め所定温度、例えば 4 0〜5 0 °Cに予熱してもよし、。すると、窒素ガスは気体流通口 2 2、 2 3を介して主加熱気体流生成チャンバ一 1 7に案内され、加熱ヒー夕 1 4によって 2 5 0 〜6 0 0 °Cに加熱されて主加熱気体流 3 0が生成され、主加熱気体流 3 0は気体流通口 2 4を経て第 1のノズル 1 9から噴出される。この主加熱気体流 3 0の噴出量は 0 . 5〜2 . 0リットル Z分に、噴出圧力は 0 . 1〜2 . 0 k g f / c m ² · Gに設定される。

同時に、主加熱気体流生成チャンバ一 1 7内で昇温膨張した窒素ガスの一部はその背圧によって気体流通口 2 5を介して予熱気体流生成チャンバ一 1 8に案内され、主加熱気体流生成チャンバ一 1 7における高温窒素ガスの対流及び加熱ヒ一夕 1 4からの輻射熱によって 1 0 0〜2 0 0 ^aCに加熱されて予熱気体流 3 1が生成され、気体流通口 2 6を経て第 2のノズル 2 0から主加熱気体流 3 0の周囲を覆って噴出される。この予熱気体流 3 1の噴出量は 0 . 5〜2 . 0リットル Z 分に、噴出圧力は 0 . 1〜2 . O k g f / c m ² · Gに設定される。

こうして準備が済むと、まず基板の半田付け部位 Wに予熱気体流 3 1を吹き付けて半田付け部位 Wを予熱した後、主加熱気体流 3 0を吹き付けるが、高温の主加熱気体流 3 0は図 3に示すように予熱気体流 3 1で周囲を覆われた状態で半田付け部位 Wに吹き付けられ、従来のように周囲にそのまま飛散することがないので、半田がすぐに溶融する。その後、溶融半田は予熱気体流 3 1で凝固開始直前まで緩冷却され、大気に曝されて急冷される。

本件発明者らの実験によれば、従来の非接触式の半田ごてでは半田付けが完了するまでに 4〜 5秒必要であつたが、本例の非接触式の半田ごてでは 1秒程度で半田付けを完了させることができることが確認された。従って、従来の半田付口ボットゃ自動半田付機における半田付けに代え、本例の非接触式の半田付けを実用的に採用できる。

また、溶融半田の熱が周囲に急激に吸熱されると、溶融半田は全体として急冷却され、微細な急冷晶、微細な柱状晶、微細な自由晶が形成されるが、柱状晶は結晶柱に平行に不純物やガスを含む粒界が発生しやすく、又自由晶はフラックスガスや不純物ガスが含みやすい。これに対し、溶融した半田には適切な圧力の主加熱気体流 3 0及び予熱気体流 3 1の吹き付けられるので、半田やフラックスが半田付け部位 Wの外方に流れ出ることなく、溶融半田力加圧され、ガスを放出させ、気泡やガス穴をなくすことができる。また、かかる加圧によって樹枝状晶間を溶融半田の融液で加 E充満させることができ、ミクロポロシティ一やマクロポ口シティ一（気孔）を防ぎ、緻密な結晶構造となる。

従って、溶融半田の全体が急冷されて溶融半田の液相線と固相線の間隔が実質的に小さくなるとともに、加圧効果が発揮され、マクロ的偏析（P b、 S n等）及びミクロ的偏析の樹枝伏晶、層状組織、有核組織等を減少して不純物やガスの少なし、微細な結晶組織の凝固半田が得られる。

また、主加熱気体流 3 0及び予熱気体流 3 1の噴出圧力を適切に設定しているので、気体摩擦による帯電が起こり難く、しかもこて本体 1 1をアースしているので、たとえ気体流 3 0、 3 1がブラスに帯電しても主加熱気体流生成チャンバ一 1 7及び予熱気体流生成チャンバ一 1 8の内側にマイナス電荷を静電誘導させて主加熱気体流 3 0及び予熱気体流 3 1のプラス電荷を除去することができる結果、半田付け部位 Wにおける静電破壊のおそれを確実に解消できる。

図 5は上記実施形態の第 1の変形例を示す。本例では第 2のノズル 2 0の先端が第 1のノズル 1 9の先端より前方に突設され、又内側ステンレス筒 1 3がベリリウム銅、クロム銅又はその他の熱伝導性のよい合金の筒に変更され、該内側の合金筒 1 3と第 1のノズル 1 9とが一体に形成され、又第 2のノズル 2 0と外側ステンレス筒 1 2とが一体に形成されている。第 1のノズル 1 9には内面が断面円弧伏に脹らんだダイバージェントノズル構造が採用されている。また、寸法的には第 1のノズル 1 9の先端内径は 0 . 1〜0 . 5 mmに、第 2のノズル 2 0の内径は 0 . 5〜4 . 0 mmに設定され、又第 2のノズル 2 0の先端部位内面には 1〜2 mmの平坦面 2 0 aが形成されて予熱気体流が安定化されている。

本例では第 1のノズル 1 9にダイパージェントノズルを採用しているので、その構造によって高速の主加熱気体流が得られ、しかも第 2のノズル 2 0の先端を第 1のノズル 1 9のそれよりも突設させているので、予熱気体流と高速の主加熱気体流とが相互に加速し合い、より一層高速の主加熱気体流と高速の予熱気体流が得られる。その結果、第 1、第 2のノズル 1 9、 2 0の先端とワーク半田付け部位との間に一定の距離をおいても、第 1、第 2のノズル 1 9、 2 0を出てからワーク半田付け部位に達するまでの主加熱気体流及び予熱気体流の熱減衰が少なく、窒素ガス（又はエア一）の消費量を抑制することができる。

また、図 6は第 2の変形例を示す。本例では加熱ヒータ 1 4として中空のセラミックスヒータが使用され、加熱ヒータ 1 4の内部に主加熱気体流生成チャンバ一 1 7が形成されている。この加熱ヒータ 1 4内にはモリブデン系合金又はタングステン系合金からコイル形状材 1 7 aが収容され、主加熱気体流に旋回を付与して主加熱気体流の熱ムラを低減するようになっている。なお、第 2のノズル 2 0及び Z又は外側筒 1 2内面、及び第 1のノズル 1 9及び Z又は内側茼 1 3外面の少なくとも一方に螺旋フィン又は螺旋溝を形成し、予熱気体流に旋回を付与するようにしてもよい。

図 7は本発明の第 3の実施形態を示す。図において、半田ごてはこて本体 3 0 とグリップ部（こて基部） 3 1 と力、らなり、こて本体 3 0には加熱ヒー夕（例えば、丸棒伏の窒化アルミナヒ一夕） 3 2が内蔵され、加熱ヒータ 3 2の先端部はチップホルダー 3 3の穴内に挿入され、チップホルダ一 3 3の先端にはチップ 3 4が固定され、加熱ヒ一夕 3 2の発熱が先端チップ 3 4に伝達されて先端チップ 3 4が加熱されるようになっている。

また、加熱ヒータ 3 2の後端部はグリップ部 3 0の先端に内蔵されたホルダ一 3 5の中央穴に揷入して保持され、又加熱ヒー夕 3 2には温度センサ一（図示せず）が取付けられている。なお、予熱気体流を温度調節するための補助ヒー夕を設置してもよい。このホルダー 3 5には複数の窒素ガス供給穴が環状に形成され、ホルダ一 3 5にはグリッブ部 3 0内に挿通された窒素ガス供給パイプ 3 6の先端が接続され、加熱ヒータ 3 2の後端から電源線 3 2 aが窒素ガス供給パイブ 3 6内を後方に延設されている。

また、グリップ部 3 0の先端には第 1の保護カバ一 3 7が固定され、第 1の保護カバー 3 7は加熱ヒー夕 3 2の周囲を覆うとともに、チップホルダ一 3 3との間に所定の隙間、例えば l mmの隙間をあけて先端側に延び、その先端は先端チッブ 3 4の周囲に開放され、こうして予熱気体流生成チャンバ一 3 8が構成されている。この第 1の保護カバー 3 7の先端は半田付け時にワークと当たらない程度で、可能な限り先端チップ 3 4近傍まで延設するのがよい。

次に、使用方法について説明する。本例の半田ごてを用いて半田付けを行う場合、まず加熱ヒータ 3 2に通電して先端チップ 3 4を 2 8 0で〜 3 8 (TCに加熱する一方、半田ごての窒素ガス供給パイプ 3 6には圧力 1 . 0〜5 . 0 k g/ c m² 、流量 4リットル Zm i n、純度 9 9〜9 9 . 9 %の窒素ガスを供給する。窒素ガスの供給は連続供給でもよく、間欠供給でもよい。すると、予熱気体流生成チヤンバー 3 8を通過する窒素ガスは加熱ヒータ 3 2の発熱による先端チップ 3 4の輻射熱により 2 0 0 'C〜2 5 O 'Cに加熱され、体積が増大し、そのまま前方に放出される。なお、窒素ガスの流量及び圧力はホルダ一 3 5の窒素ガス供給穴の内径や数の設定によって調整できる。また、外部の圧力調整器や流量調整器によっても可能である。

こうして準備が済むと、まず基板の半田付け部位に 2〜 5秒間、予熱気体流を吹き付けて半田付け部位の予熱（プリヒート）を行い、これにより半田付け部位の低残渣フラックスを活性化できる。また、予熱気体流を吹き付けると同時に、先端チップ 3 4を半田付け部位に接触させてもよい。また、 0₂ 濃度 5 p p m以下の場合はフラッタスレス半田付けを可能である。

次に、約 0 . 3〜 8秒で、先端チップ 3 4を半田付け部位に接触して加熱して低残渣フラックス入りの糸半田を供給し、予熱気体流の雰囲気中で半田付け部位に溶融半田の盛りを形成させる。次に、半田付け部位から先端チップ 3 4を離し、溶融半田を予熱気体流の雰囲気に曝す一方、基板の裏面から室温の窒素ガスを吹き付けて急冷却する。

すると、溶融半田の熱が周囲に急激に吸熱されて溶融半田は全体として急冷却され、微細な急冷晶、微細な柱状晶、微細な自由晶が形成される。柱状晶は結晶柱に平行に不純物やガスを含む粒界が発生しやすく、又自由晶のフラックスガスや不純物ガスに対し高温窒素ガス 6 5の圧力 1 . 0〜5 . 0 k g / c ^z によつて溶融半田を加圧し、ガスを放出させ、気泡やガス穴をなくすことができる。また、加圧された高温窒素ガス 6 5により樹技伏晶間を溶融半田の融液で加圧充満させることができ、ミクロ 'マクロポロシティ一（気孔）を防ぎ、緻密な結晶構造となる。

従って、溶融半田の全体が急冷されて溶融半田の液相線と固相線の間隔が実質的に小さくなるとともに、加圧効果が発揮され、マクロ的偏析（P b、 S n等）及びミクロ的偏析の樹技伏晶、層状組織、有核組織等を減少して不純物やガスの少ない微細な結晶組織の凝固半田が得られる。また、半田フラックスを予熱してフラックスの活性化及びフラックスゃ半田ボ —ルの飛散防止を図って円滑で良好な半田付け作業を行うことができ、又高温の半田ごて 3 4のチップが電子基板に接触する前に電子基板を予熱し、電子基板の局部的で急激な温度上昇（ヒートショック）を緩和して電子部品の熱破壊を防止でき、さらにはフラックス、電子基板及び供給される半田線をも予熱できる結果、半田層の熱間脆性を予防できる。

また、半田及びフラックスを高温窒素ガスで予熱できる結果、半田ごてのチップの蓄熱量は少なくて済み、チップ先端を極細にしても十分な熱量による半田付けができ、結果的には低温半田付けが達成できることとなる。さらに、半田ごてのチップが無酸化雰囲気内にあるので、チップの酸化が防止されて溶融半田の濡れ性を向上でき、又チップクリーニングがほとんど不要となり、チップ寿命を大に向上できる。

図 8は本発明の第 4の実施形態を示す。本例ではグリッブ部 3 0の先端には第 1の保護カバー 3 7の外側にて第 2の保護カバ一 3 9が固定され、第 2の保護力バー 3 9は第 1の保護カバ— 3 7の周囲を所定の隙間、例えば mmの隙間をあけて気密的に覆って先端側に延び、その先端は第 1の保護カバー 3 7の先端部近傍に開放され、こうして低温気体流生成チャンバ一 4 0が構成されている。なお、図 8に示されるように、ホルダ一 3 5には低温気体流生成チャンバ一 4 0にも窒素ガスが供給されるように窒素ガス供給穴を内外二重の環伏に形成する。本例においては上記第 2の実施形態とほぼ同様の方法にて半田付けを行うが、予熱時及び半田付け時においては半田付け部位の周囲の基板や電子部品は低温気体流生成チャンバ一 4 0で生成された低温、例えば室温の窒素ガスの雰囲気中に曝されるので、周囲の基板や！:子部品が熱影礬を受けるのを防止できる。

図 1 1は本発明の考え方を応用した不活性ガスパージ器具の好ましい実施形態を示す。不活性ガスパージ器具は本体部 3 0とグリップ部 3 1とからなり、本体部 3 0には加熱ヒータ（例えば、丸棒伏の窒化アルミナヒー夕） 3 2が内蔵され、加熱ヒータ 3 2の先端部は熱伝導性の良好な銅系合金からなる保熱部材（保熱体） 3 3の穴内に挿入され、加熱ヒータ 3 2の発熱が保熱部材 3 3に伝達されて保熱部材 3 3が加熱されるようになっている。

また、加熱ヒータ 3 2の後端部はグリップ部 3 0の先端に内蔵されたホルダー 3 5の中央穴に挿入して保持され、又加熱ヒータ 3 2には温度センサー 3 9が取付けられている。このホルダ一 3 5には複数の窒素ガス供給穴が環状に形成され、ホルダ一 3 5にはグリップ部 3 0内に揷通された窒素ガス供給パイブ 3 6の先端が接続され、加熱ヒータ 3 2の後端から電源線 3 2 a力、'窒素ガス供給パイプ 3 6内を後方に延設されている。

また、グリッブ部 3 0の先端には第 1の保護カバ一 3 7が固定され、第 1の保護カバ一 3 7は加熱ヒータ 3 2の周囲を覆うとともに、保熱部材 3 3との間に所定の隙間、例えば l mmの隙間をあけて先端側に延び、その先端は保熱部材 3 3 の先端を囲んで開放され、こうして高温気体流生成チャンバ一 3 8が構成されている。

本例の不活性ガスパージ器具は半田付口ボットゃ自動半田付機におし、て半田付けする際に、その半田付け部位に高温不活性ガスを吹き付け、半田付け部位を大気から保護するとともに予熱するのに最適である。

第 1 2図は第 7図に示す実施形態の変形例で、既存の半田ごてにその加熱ヒ一夕 3 3の部分を覆ってカバー 3 7を後付けにて取付け、カバー 3 7には気体供給ホース 6 2を接続して第 7図と同様の作用効果を奏するようにしている。

産業上の利用可能性

本発明によれば、半田ごての先端から噴出される内外二重の気体流のうち、内側の気体流を所定のクリアランス内で昇温させ、その膨張を利用して外側の気体流を生成するようにしたので、加熱手段をそれほど高温にしなくとも気体流を所定の温度まで昇温でき、連続的半田付けばかりでなく、間欠的半田付けをも短時間で行える。また、外側の予熱気体流で予熱した後、外側の予熱気体流で囲まれた雰囲気中において内側の主加熱気体流で半田付けを行なうようにしたので、ヮーク半田付け部位に吹き付けられた主加熱気体流の熱が周囲に飛散することがなく、効率よくワークの半田付け部位に伝えられ、短時間の内に非接触で、即ち先端チップを用いることなく半田付けができる。

その結果、先端チッブの接触に起因する製品の電気的特性の劣化を防止でき、又主加熱気体流及び予熱気体流の噴出圧力を適切に設定し、こて本体をアースすると、気体流の帯電を確実に防止でき、これによつて電子部品の静電破壊を防止して製品の電気的特性を保証できる。

また、溶融半田が緩冷却される雰囲気中で半田付けを行うことができるので、溶融半田はその表面張力にて好ましレ、盛り上がり状態であるほぼ半球状を呈する。また、溶融半田の凝固開始直前に室温以下の雰囲気中で急冷却され、溶融半田にその液相線と固相線間の間隔が実質的に小さくなった措向性凝固を与えることができ、これにより半田を微細凝固組織とできる。

その結果、半田ボール、ブリッジあるいは半田の飛び散りがなく、しかも緻密で P b、 S nの偏析ゃ気孔が極めて少なくて耐ヒートショック性に優れ、しかも盛りのよい高品質の無酸化、無洗浄の半田付けを行うことができる。

また、本発明によれば、先端チップの周囲に予熱気体流を噴射させ、必要に応じてその周囲に低温気体流を噴射させ、予熱気体流で半田付け部位を予熱し、その状態で先端チッブで半田付けを行うようにしたので、半田付け部位への接触に起因する先端チップの温度変化が少なく、しかも予熱気体流によって先端チップが加熱される結果、先端チップの熱ストレスがほとんど発生せず、先端チップの寿命を大幅に向上できることとなる。

Claims

言青求の範囲

1 . 第 1のノズルを先端に備える主加熱気体流を生成する第 1のチヤンバー、及び上記第 1のノズルの外側を覆って開放する第 2のノズルを先端に備え、上記第 1のチヤンバーを包囲し、予熱気体流を生成する第 2のチヤンバーを少なくとも備えるノズル手段と、

上記中央の第 1のノズル近傍の第 1のチヤンバ一内に内壁とクリアランスをおいて配置され、そのクリアランスを通って、ノズル口より噴出される不活性ガスを加熱する熱源を有する第 1のコア加熱手段、及び上記第 1のチャンバ一の少なくとも先端部を形成し、上記第 1のコア加熱手段の熱源を包囲して蓄熱し、上記第 1のチヤンバーと第 2のチャンバ一との間を通過する、不活性ガスを加熱する第 2の加熱手段を少なくとも備える加熱手段と、

上記第 1のチャンバ一に連通し、不活性ガスを供給するとともに、上記第 1のチャンバ一に供給する不活性ガスを第 2のチヤンバーに分岐して供袷する不活性ガス供給手段とを備え、

上記第 1のチャンバ一に供給される不活性ガスが上記クリアランスを通過する間に所定の加熱温度に昇温する一方、第 1のチヤンバ—内で昇温膨張する不活性ガスをその背圧により上記第 2のチャンバ一に分岐洪給するようになした非接触式の半田ごて。

2 . 上記第 1のコア加熱手段力第 1のチャンバ一内に内壁とクリアランスをおいて、内挿されたロッド伏ヒー夕である、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

3 . 上記第 1のコア加熱手段が A ^ ₂ 0₃ 製ロッド状ヒ一夕である、請求項 2 記載の非接触式の半田ごて。

4 . 上記第 2の加熱手段が第 1のチヤンバーの先端部に少なくとも形成され、上記第 1のコア加熱手段からの伝熱を蓄熱機能を有する部材からなる、請求項 1 記載の非接触式の半田ごて。

5 . 上記第 2の加熱手段が蓄熱機能を有するノズル部材であって、ノズル口にノ、'ィプを挿入してノズル口怪を調節可能である、請求項 1又は 4記載の非接触式の半田ごて。

6 . 上記第 2の加熱手段が銅又は銅合金製ノズル部材である、請求項 5記載の非接触式の半田ごて。

7 . 上記第 1のチャンバ一が第 2のチャンバ一と連通する気体流通口を有し、上記第 1のチヤンバーに供給される不活性ガスが上記第 1のコア加熱手段により加熱膨張されるとその背圧により、第 1のチャンバ一に供給される不活性ガスの一部が上記気体流通口を介して第 2のチャンバ一に供給される、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

8 . 上記第 1のノズルの開口径が第 2のチヤンバ一""^ ^の分岐供給口の開口径よりも大きく、第 1のノズル先端開口から加熱不活性ガスを噴射しつつ、第 1のノズル内の背圧により第 1のノズル内に供給された不活 :1生ガスの一部を第 2のノズルに供給する、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

9 . 上記第 1のノズルに供給される不活性ガスが第 1のコア加熱手段により 2 5 0 ~ 1 0 0 0 °C、特に 3 0 0〜 6 0 0 °Cに加熱される、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

1 0 . 上記第 2のノズルに供給される不活性ガスが 1 0 0〜3 0 0 °C、特に 1 5 0〜2 0 0 °Cに加熱される、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

1 1 . 上記第 2の加熱手段をなす第 1のチャンバ一の先端部内径と、第 1のコァ加熱手段をなす σッド伏ヒータの先端部外径とのクリアランスがそこを通過する不活性ガスが通過後所定の温度まで昇温可能に設定されている、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

1 2 . 上記クリアランスが 0 . 1 ~ 0 . 1 5 mmである請求項 1 1記載の非接触式の半田ごて。

1 3 . 第 1のノズル及び第 2のノズルからの不活性ガス圧力が、 1〜 3 k g ί / c m ² · Gで、第 1のノズルからのガス圧が第 2のノズルからのガス圧より大きレ、、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

1 4 . 第 1のノズルから噴射される不活性ガス流量が 1〜3 ^ 分である、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

1 5 . 第 1のノズル開口径が 0 . 2〜 l mm øである、請求項 1記載の非接触式の半田ごて。

1 6 . 第 2のノズルの開口径が 2 ~ 3 mm øである、請求項 1 5記載の非接触式の半田ごて。

1 7 . 前方先端にノズル部を有する筒体であって、後方から供給される気体流を筒体内で所定の温度まで加熱してノズル部から噴出させる高温ガス噴射機構であって、ノズル部近傍に筒体内壁と所定のクリアランスを介して筒体軸方向に延びるコア熱源と該コア熱源の外周を囲み、上記筒体の一部をなして軸方向に延びる蓄熱カバーとからなる加熱手段を備え、上記クリアランスを該加熱手段上流に至る気体流がクリアランス通過後ノズル部から発射前に所定の噴射温度になるように設定してなる、高温ガス噴射機構。

1 8 . 上記筒体が筒体内背圧が所定以上になると筒体外に供袷気体流を分流させる流通口を有する、請求項 1 7記載の高温ガス噴射機構。

1 9 . 上記コア熱源方のノズル部手前に温度センサーを備え、上記クリァランス通過後の気体流温度を検知し、上記コア熱源温度を制御する、請求項 1 8記載の高温ガス噴射機構。

2 0 . 非接触式半田付け方法において、不活性ガスを半田ごてに供給して加熱噴射するにあたり、

不活性ガスを第 1のチヤンバーに供給し、第 1のチヤンバーの前方先端に設けられたノズル近傍にて軸方向に延びるコア熱源とそれを包囲する蓄熱カバーとがなすクリアランスを通して所定の第 Iの温度に昇温する工程と、

上記だ 1いのチャンバ一内で不活性ガスの昇温膨張によって生ずる背圧により第 1のチャンバ一を囲む第 2のチヤンバーに連通口を介して不活性ガスを供袷し、上記第 2のチャンバ一の前方に位置する上記蓄熱カバーの外周を通過させることにより、所定の第 2の温度に昇温する工程とを備え、

第 1の温度のガスを中心とし、第 2の温度のガスが包囲するガス流を所定の半田付け部位に噴射する、非接触式半田付け方法。

2 1 . 上記第 1のチャンバ一内でのコア熱源と蓄熱カバ一とがなすクリ了ランスを通過して不活性ガスを昇温する時間が半田付けの間欠的作業に迅速に応答する時間に設定されている、請求項 2 0記載の非接触式半田付け方法。