CN101011779A - 激光加工方法、激光焊接方法及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种构成简便，能有效实施的激光焊接方法和装置。所述方法包括：利用衍射光学元件4对1条激光光束2进行衍射，分成含有0次衍射次数激光光束的多条分支光束(2A)的分支工序；以0次激光光束为中心，旋转由多条分支光束(2A)形成的聚光点列，使其与安装在基板上的部件10的多个焊接点(21，22)列方向相一致的旋转工序；调节从衍射光学元件4列基板的距离，使聚光点列的点间距与多个焊接点(21，22)间距相吻合的工序；以及将确定了聚光点列方向和点间距的多条分支光束(2A)强度，增大到焊接所需要的强度，同时照射多个焊接点(21，22)，使基板与部件连接的工序。

Description

激光加工方法、激光焊接方法及激光加工装置

本案是2003年12月30日提交的申请号为200310124372.7且发明名称为“激光加工方法、激光焊接方法及激光加工装置”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明是涉及利用激光的加工方法，例如，涉及使用激光将电路部件软钎焊接在印刷线路基板上(尤其是无铅软钎焊接)，进行安装的方法等。

背景技术

使用激光进行软钎焊接，将各种部件(水晶振子、IC、电阻、电容器等)安装在印刷线路基板上的方法，广为人知，利用软钎焊接将这些不同的部件向印刷线路基板上连接时，各个部件虽然通过它们的连接端子连接，但该连接端子的配置，对于各个部件，其方向和间距却是各种各样的。为此，以前是向装满焊锡的接合部位照射一条激光光束，通过移动部件或使激光进行扫描，在多个接合处依次进行焊接，将各个部件连接在印刷线路基板上(例如，参照专利文献1-4)。

《专利文献1》特开2002-1521号公报

《专利文献2》特开平10-256717号公报

《专利文献3》特开平09-199845号公报

《专利文献4》特开08-279529号公报

然而，以前的方法存在如下问题。即，向所要加工(包括焊接)部位照射激光光束时，必须移动和旋转载置部件的台面。然而，在大量生产线中采用这种台面控制是不实际的。这是因为很难以极小节距加速或减速移动具有重量的台面与加工部位的方向和间距相一致。实际中，几乎使所有的安装部件和基板都是按一个方向流动地供给。

一方面，用检流镜(galvano mirror)扫描就可以回避上述问题。然而，这种情况下，除了要增加检流镜及其控制软件的费用外，还需要配置该镜的空间，这就成为阻碍大量生产装置简单化的原因。由于利用激光光束照射依次加热多个加工部位，同时与照射加热的情况比较，增加了加工所用的时间，这期间，由于产生放热，还存在所谓光利用效率降低的问题。

发明内容

本发明就是针对上述课题而进行的，其目的是提供一种在需要将各种电子部件向基板上安装时，所以简便的构成，更有效地实施这些部件的基板上连接的激光焊接方法和装置。对于被加工物的其他加工，例如，去除加工或改质加工等一般性加工，也应用了与该焊接方法相同的原理，其目的是提供一种进行这些加工时，能容易实施激光照射位置确定的激光加工方法和装置。

本发明的激光加工方法包括：利用衍射光学元件，将1条激光光束进行衍射从而分成 在端部含有0次衍射次数的激光光束的、由多束激光束所 构成的光束列的的分支工序；以上述0次的激光光束作为中心，旋转由上述光束列形成的聚光点列，使其与被加工物的多个加工点的列方向一致的方向设定工序；调节上述衍射光学元件到上述被加工物的距离，使上述聚光点列的点间距与上述多个加工点的间距相一致的间距设定工序；将上述确定了聚光点列方向和点间距的多条激光光束强度增大到加工所需要的强度，使该激光光束同时照射上述多个加工点，对上述被加工物进行加工的工序。使上述通过衍射光学元件的0次激光光束与上述加工点中的一个相一致后，再进行上述各设定工序。据此，在被加工物的焊接、去除或改质等加工中起到如下效果。

(1)以简便的光学体系可同时加工一个加工列的多个部位。

(2)只调节衍射光学元件的旋转和高度，很容易与由多个不同的加工点方向和间距形成的各加工列相对应。

(3)可排除热对加工部位周围安装部件的影响。

(4)可简化大量生产用的加工装置。

本发明的激光焊接方法包括如下工序，即，利用衍射光学元件对1条激光光束进行衍射，从而分成 在端部含有0次衍射次数的激光光束的、由 多束激光束所构成的光束列的分支工序；以上述0次的激光光束作为中心，旋转由上述光束列形成的聚光点列，使其与在基板上安装了部件的上述基板的多个焊接点列方向相一致的方向设定工序、调节上述衍射光学元件到上述基板的距离，使上述聚光点列的点间距与上述多个焊接点的间距相一致的间距设定工序、将上述确定了聚光点列方向和点间距的多个激光光束强度，增大到焊接所需要的强度，使该激光光束同时照射上述多个焊接点，将上述基板与上述部件连接的工序。使上述通过衍射光学元件的0次激光光束与上述加工点中的一个相一致后，再进行上述各设定工序。由此，将部件向基板上安装时，也能获得与上述(1)～(4)一样的效果。

在上述方法中，最好是使上述通过衍射光学元件的0次激光光束与上述加工点中的一个相一致后，再进行上述各设定工序。据此，由于可连接设定聚光点列的方向及其点间距离，立刻进行部件的加工和焊接，从而提高了作业性和准确性。焊接也可以使焊锡，特别是无沿的焊锡，进行软钎焊接。

本发明的激光加工装置包括以下部分，即，激光发射器；将由上述激光发射器发出的1条激光光束，分成 在端部含有0次衍射次数的激光光束 的、由多束激光束所构成的光束列的衍射光学元件；以其光轴为中心，将上述衍射光学元件旋转要求角度的旋转装置；以及使上述衍射光学元件在其光轴方向上移动要求距离的移动装置。据此，激光加工装置可简便构成，而且，多个加工点以一定的间距存在于一定的方向上时，这些加工点可同时加工。这些方向和间距不同的其他加工列的加工，只调节衍射光学元件的旋转角度和高度，就能很容易对应。

另外，也可以具有光轴位置确定装置，使入射到衍射光学元件上的激光光束与该衍射光学元件一起，在相对于它们的光轴方向成直角的方向上移动。据此，由衍射光学元件分成的0次激光光束可与任意的加工点相一致，所以加工的基准定位很容易，因此，很容易移动到被加工物的不同区域内的加工列上，进行加工。

进而，也可以具有焊锡分配器，将焊锡分配到被加工物的激光照射部位上。从而提高了软钎焊接的作业效率。

附图说明

图1是本发明实施形态中激光加工装置的基本构成图。

图2是表示利用衍射光学元件4分成的分支光束衍射次数与光强度的关系图。

图3是以其光轴为中心旋转衍射光学元件的说明图。

图4是在光轴方向上改变衍射光学元件位置的说明图。

图5是利用衍射光学元件分成多条激光光束的照射位置调整说明图。

图6是具有2个连接端子的水晶振子向基板焊接的说明图。

图7是表示利用衍射光学元件4A分成的分支光束衍射次数与光强度的关系图。

图8是单侧具有7个连接端子的IC向基板焊接的说明图。

图中，1-激光发射器、2-激光光束、2A-分支光束、3-聚光透镜、4，4A-衍射光学元件、5-旋转装置、6-移动装置、7-被加工物、7A-加工面、8-光轴定位装置、9-焊锡分配器、11，12-水晶振子接线引脚、21，22-基板的水晶振子用接线端、30-IC、31～37-IC的接线引脚、41～47-基板的IC用接线端

具体实施方式

本发明中，在由衍射光学元件分成的多条激光光束(分支光束)的聚光点形成的列(聚光点列)中，必定含有0次光速。0次光速与分支光束列的方向和长度无关，由于会聚在光轴上，所以，即使旋转该衍射光学元件，或改变其高度，也总是位于加工面上的相同部位。利用这一特性，将其0次光束的位置作为基准，很容易调节由衍射光学元件产生的分支光束列方向和长度。本发明的完成就是着眼于此点。在本发明中，可以将0次光束与任意的高次光束组合，以下对本发明就其实施形态进行详细说明。

图1是本发明实施形态的激光加工装置基本构成图。该激光加工装置包括以下部分，即，发射激光的激光发射器1；作为聚光装置，将由激光发射器1发出的激光光束2进行聚光的聚光透镜3；对由聚光透镜3聚光成1条激光光束2进行衍射，生成多条分支光束2A的相位光栅等衍射光学元件4；以光轴为中心，在与光轴直交面内，旋转衍射光学元件4的旋转装置5；以及使衍射光学元件4在其光轴方向上移动(此外为上下移动)的移动装置6。此外，作为旋转装置5，使用θ台面，作为移动装置6，使用乙台面，等已知的装置。

进而，激光加工装置最好具有确定光轴位置的装置8，使从激光发射器1或配置在其后段的激光照射头(未图示)到衍射光学元件4的光学体系，在相对于它们光轴方向的直角方向上移动。根据需要，还具有焊锡分配器9，向激光照射部位上供给焊锡。另外，上述聚光装置并不限于透镜，也可以由能对激光进行聚光的其他元件构成。

以下对上述加工装置的作用进行说明。此处设有使加工用的2条分支光束预先设定为具有图2所示衍射次数和光强度的衍射光学元件4。由激光发射器1射出的激光光束2，由聚光透镜3聚光，进入衍射光学元件4。射入衍射光学元件4的1条激光光束分成图2所示的多条分支光束，并射出，这些多条分支光束形成由聚光点组成的聚光点列。

到此为止，由衍射光学元件4形成的聚光点列，与被加工物上预定的由多个加工点形成的方向还不一致，而且聚光点列的点间距也与这些加工点的间距也不一致。因此，接着进行如下调节。

首先，进行基准定位，使通过衍射光学元件4的0次激光光束，与被加工物7上预定的多个加工点形成列(加工点列)中的一个加工点相吻合。接着，如图3所示，利用在与光轴成直交的面内，以其光轴为中心旋转衍射光学元件4，使聚光点列进行旋转，利用旋转装置5，在其面内以光轴为中心旋转衍射光学元件4，使聚光点列与被加工物7中加工点列的方向一致。例如，以其光轴为中心，将衍射光学元件4旋转θ角度时，聚光点列也旋转θ角度。根据此操作，由+1次的分支光束形成的聚光点，按照图5中箭头A的指向进行移动。

接着，如图4所示，利用移动装置6，改变从衍射光学元件4到被加工物7的加工面(或焊接面)7A之间的距离，使分支光束列的聚光点间距与加工点列的间距相一致。根据此操作，由+1次的分支光束形成的聚光点，按图5中箭头B指向进行移动。通过以上图3和图4说明的调节，由衍射光学元件4分成的多条分支光束形成的聚光点列方向和间距，与由多个加工点形成的加工点列方向和间距相一致。

关于衍射光学元件4，通过进行上述各种调节，可以使由衍射光学元件4分成的分支光束的聚光点列的各点，与被加工物7中并列状的多个加工点中各点相一致。另外，首先使聚光点列的方向和间距与各加工点的方向和间距相对应，随后，以0次或其他次数的聚光点作为基准，也可使各聚光点与各加工点相一致。然而，从以后的作业性和加工准确性方向考虑，最好是先使通过衍射光学元件4的0次激光光束形成的聚光点与加工点中的一个相一致，随后使聚光点列的方向和间距与加工点列的方向和间距相一致。

在此，以图4为基础，说明从衍射光学元件4到被加工物7上加工面7A为止的光轴上的距离Z，与从由0次的分支光束形成的聚光点列到由+1次的分支光束形成的聚光点为止的间距Δ的关系。距离Z与间距Δ的关系，可付与以下近似式。

Δ＝(Z/Zmax)Δmax   ……(1)

其中，Zmax是Z的最大值，Δmax是Δ的最大值。例如，Zmax＝90mm、Δmax＝1.1mm时，使Z在0-90mm范围内变动，Δ在0～1.1mm之间变化。这样，在使用该加工装置向基板上进行软钎焊接部件时(“焊锡”中包括“无沿焊锡”，以下记载相同)，实际上，使Z在45～90mm范围内变化，较为适宜。这时，聚光点的间距Δ可以0.55变化到1.1mm。大致在该幅度内调节，在向基板上软钎焊接部件的用途中就很充分。进而，想要扩大聚光点的间距Δ时，可加长从衍射光学元件4到加工面7A的间距Zmax。反之，想要缩小聚光点的间距Δ时，可缩短Zmax。

在本实施形态中使用的衍射光学元件4，其断面是锯齿状的1维起伏型光栅。这通过光致抗蚀膜曝光和干蚀刻，在相对于使用波长充分透明的石英基板上形成。这种光栅的周期d，由下式求出。

d＝λZmax/Δmax  ……(2)

此处，例如，λ＝0.808μm，Zmax＝90mm，Δmax＝1.1mn时，则d＝66.1μm。进而，该光栅的每个衍射次数的光束强度，由下式给出。

Io＝sin²(φ/2)/(φ/2)²   ……(3-1)

Im＝sin²[(2πm-φ)/2]/[(2πm-φ)/2]²……(3-2)

其中，Io和Im为0次光束的强度和m次光束的强度。φ为光栅的相位变调深度，φ＝2πh(n-1)/λ。n为材料的衍射率、h为光栅的深度。例如，如图1所示，利用大致相等强度的2条分支光束进行加工时，其条件，由式(3-1)、(3-2)导出φ＝π。这时，衍射光束的强度求出如下。

Io＝(2/π)²   ……(4-1)

Im＝[2/(2m-1)π]²    ……(4-2)

使用式(3-1)、(3-2)计算出的衍射光束次数与强度的关系，如图2所示。根据图2，0次与+1的强度相等，为0.405。其他的强度，-1次与+2次相等，为0.045、-2次与+3次相等，为0.016。由此，软钎焊接中光的利用效率达到81％，该值在实用中足已。在软钎焊接中使用的0次和+1次2条光束与其他光束的强度比，为0.405/0.045＝9.0，当考虑软钎焊接所要的光束强度时，0次和+1次以外的衍射光束对接合部位周围不会造成损伤。

光栅设计中所需光栅的深度，由下式求出。

h＝πλ/[2π(n-1)]    ……(5)

其中，φ＝π，n＝1.45时，h＝0.898μm。

虽然以上记述了使用等强度的2条分支光束进行软钎焊接的实例，但，分支光束间的强度比是设计衍射光学元件的事项，根据需要，也可以变更。

图6是向电路基板上安装水晶振子的方法示例图。其中，水晶振子10上有2个接线引脚11，12，将这些引脚11，12插入在基板上的接线端21，22，利用软钎焊接将两者连接的例。实验中使用的接线端21，22间距为0.80mm，各配线21A、22A的宽度为0.30mm。将水晶振子10向基板上连接，首先，由激光发射器1发射低强度的激光光束，对基板及其基板上安装的部件不造成损伤。这样利用光轴定位装置8等，使通过衍射光学元件4的0次激光光束形成的聚光点，与接线端21，22中的任何一个相一致。接着，按已说明的方法，使由衍射光学元件4生成的分支光束2A形成的聚光点列方向和间距与接线端21，22的列方向和间距相一致。接着，利用并设在加工装置中的焊锡分配器9，向各个接线端21，22的连接部位供给焊锡。接着，调节激光发射器1的输出，使上述形成的聚光点列位置、方向和间距与接线端21，22列的位置、方向和间距一致的2条分支光束2A强度，增大到可按要求加工的强度。此处是将这此分支光束2A增大到可熔融焊锡的强度。这样，将其强度增大的2条分支光束同时照射连接部位，直到焊锡熔融，将接线引脚11，12与接线端21，22进行焊接连接。由此，水晶振子10连接在基板上。根据此方法，在2个独立部位同时加热焊锡，当焊锡熔融时，不会产生凝集的问题。尤其是，如该实例，靠近软钎焊接部位的情况下，每次用1条光束照射加热1个部位时，与光束加热侧焊锡相对侧的焊锡进行熔融合并，有时配线形成短路。在用光束扫描交替照射加热焊锡时，由于扫描速度有限，也会引起这种现象。但根据本实施形态，可避免这种现象。

另外，向基板上安装不同的多个水晶振子、电阻、电容器等时，这些连接接线端的方向和间距在基板上是不一样的。在这种情况下，各个水晶振子、电容、电容器等的每个安装部位，需要进行确定上述聚光点列的位置。而且，即使是同种类安装部件，也存在引脚间距不同的情况，所以必须调节衍射光学元件与安装基板的距离，和调节聚光点列的点间距。

以上是利用衍射光学元件的光分支作用，产生加工用2条激光光束的实例，也可以通过衍射光学元件的设计，产生所要求条数的加工用激光光束。例如，图7是利用另一种衍射光学元件4A产生分支光束的衍射次数与光强度关系的示意图。这种衍射光学元件4A将1条激光光束以等间距分成从0次到+6次7条加工用激光光束，并发射出去。这时，由7条分支光束产生的光利用率约为85％，这些光束的分支均匀性达到0.99，成为可充分实际应用的值。另外，激光光束的分支数在3条以上时，衍射光学元件的形状不一定形成锯齿状，可根据所要求激光光束的分支数及分支激光光束的强度分布，适当设计衍射光学元件的形状。因此，通过设计该元件的形状，除了可用包括0次在内的正负任何一方的高次光束之外，还可以进一步提高光的利用效率。

图8是使用图7所示衍射光学元件4A加工被加工物时的示例图。此处是将单侧具有7个接线引脚31～37的IC30。插入基板上相对应的接线端41～47，利用软钎焊接连接的示例。图中，41A～47A表示基板上向各接线端的配线。在这种情况下，也是首先从激光发射器1发射低强度的激光光束，对基板及基板上安装的部件不造成损伤。这样，利用确定光轴位置的装置8等，使通过衍射光学元件4A的0次激光光束形成的聚光点，与构成接线端列中的一个接线端41(此处是左端的接线端)相一致。接着，以其光轴为中心旋转衍射光学元件4A，使由衍射光学元件4A产生的7条分支光束2A形成的聚光点列，与接线端41～47的列方向相一致。进而，沿着光轴方向移动衍射光学元件4A，使上述聚光点列的间距与各接线端41～47的间距相一致。接着向各个接线端41～47的连接部位供给焊锡，接着调节激光发射器1的输出，将上述形成的聚光点列位置、方向和间距与接线端41～47列的位置、方向和间距相一致的7条分支光束2A强度，增大到可进行软钎焊接的强度。这样，将增大了强度的7条分支光束2A同时照射连接部位，直到焊锡熔融，将位于IC30单侧的7个接线引脚31～37和接线端41～47形成焊接连接。IC30的另一侧的引脚列也同样地连接在基板上。这样可非常有效地实施14处的焊接，而且对周围的部件不会产生热影响。

在本发明的激光焊接技术中，作为激光发射器，例如可使用YAG激光器(波长1.064μm)和高功率半导体激光器(波长0.808μm，0.940μm)等。在其他加工中，根据其加工特性，可利用各种型式的激光发射器。在上述实施形态中，通过变更激光发射器1的输出，可变更分支光束2A的强度，但也可以采用其他变更光束强度的方法，将激光发射器1的输出固定，在发射器1的外部配置增益控制器等，也可变更分支光束2A的强度。再有，上述实施形态所说明的，虽然是利用1维分支光束进行加工的示例，但本发明也可适用利用2维分支光束的加工。

本发明的激光加工技术，着眼于由衍射光学元件分成0次光束和高次光束的组合，是大量生产时的大课题，很容易使分支光束与加工点的位置相吻合，本发明对于每个加工列中加工点及方向，间距不同的情况，仍可广泛使用。因此，上述实施形态中采用的安装部件软钎焊接，仅是本发明的一个应用实例，对于与其不同的各种加工，例如，除软钎焊接外的焊接加工、去除加工(开孔、切槽)、改质加工(形成合金、高分子聚合、调变衍射率)，也可适用本发明。这时，使确定了聚光点列位置、方向和间距的多条分支光束，同时照射加工点的激光功率和照射时间，可根据加工的种类适当确定。

Claims (8)

1.一种激光加工方法，其特征在于包括：

利用衍射光学元件对1条激光光束进行衍射，从而分路为，在端部含有0次衍射次数的激光光束的、由多束激光束所构成的光束列的，分支工序；

以上述0次激光光束为中心，旋转由上述光束列形成的聚光点列，使其与被加工物上多个加工点列方向一致的方向设定工序；

调节从上述衍射光学元件到上述被加工物的距离，使上述聚光点列的点间距与上述多个加工点的间距相吻合的间距设定工序；以及

将上述确定了聚光点列方向和点间距的多条激光光束强度增大到加工所需要的强度，使该光束同时照射上述多个加工点，对上述被加工物进行加工的工序，

在通过上述衍射光学元件后的0次激光光束与上述加工点中的一个点相一致后，进行上述各设定工序。

2.一种激光焊接方法，其特征在于包括：

利用衍射光学元件对1条激光光束进行衍射，从而分路为，在端部含有0次衍射次数的激光光束的、由多束激光束所构成的光束列的，的分支工序；

以上述0次激光光束为中心，旋转由上述光束列形成的聚光点列，使其与在基板上安装了部件的上述基板的多个焊接点列方向相一致的方向设定工序；

调节从上述衍射光学元件到上述基板的距离，使上述聚光点列的点间距与上述多个焊接点的间距相吻合的间距设定工序；以及

将上述确定了聚光点列方向和点间距的上述多条激光光束强度增大到焊接所需要的强度，使该光束同时照射上述多个焊接点，将上述基板与上述部件连接的工序，

在使通过上述衍射光学元件的0次激光光束与上述焊接点中的一个点相一致后，再进行上述各设定工序。

3.根据权利要求3或4所述的激光焊接方法，其特征在于，上述连接是使用焊锡的焊接。

4.一种激光加工装置，其特征在于是包括：

激光发射器；

将由上述激光发射器射出的1条激光光束分成，在端部含有0次衍射次数的激光光束的、由多束激光束所构成的光束列的，衍射光学元件；

以其光轴为中心，将上述衍射光学元件旋转要求角度的旋转装置；以及使上述衍射光学元件在其光轴方向上移动要求距离的移动装置。

5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，具有将向上述衍射光学元件入射的光束进行聚光的聚光装置。

6.根据权利要求4或5所述的激光加工装置，其特征在于是具有使射入上述衍射光学元件中的激光光束与该衍射光学元件一起，在相对于其光轴方向成直角方向上移动的光轴定位装置。

7.根据权利要求4或5所述的激光加工装置，其特征在于是具有向被加工物上激光照射点供给焊锡的、软钎粉分配器。

8.根据权利要求6所述的激光加工装置，其特征在于是具有向被加工物上激光照射点供给焊锡的、软钎粉分配器。

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