CN101618481B

CN101618481B - 激光焊接方法和装置

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Publication number: CN101618481B
Application number: CN2009101484631A
Authority: CN
Inventors: 松下幸太郎
Original assignee: Japan Unix Co Ltd
Current assignee: Japan Unix Co Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: US8269140B2; US20090321394A1; DE102009030249B4; JP2010010589A; JP5043764B2; DE102009030249A1; CN101618481A

Abstract

本发明的目的在于提供一种激光焊接方法和装置，该方法是：从焊膏供给装置对环绕通孔的环状端子和所述嵌合在所述通孔内的杆状端子供给焊膏，并使该焊膏堵塞所述通孔，然后，从激光照射装置对该焊膏照射激光，在该焊膏开始熔融的同时，在该焊膏之上供给焊丝，由此，使该焊丝和所述焊膏熔合来对所述环状端子和杆状端子进行焊接。

Description

激光焊接方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过激光将IC或LSI等电子零部件焊接在印刷电路板上的技术。

背景技术

采用激光将IC或LSI等电子零部件焊接在印刷电路板上的技术为现有的公知技术，如下述专利文献1或专利文献2所公开的内容。这些技术是一种从焊接装置的焊接机头向印刷电路板照射激光并通过该激光的热量来使焊锡熔融的焊接技术，具有不接触焊锡就可焊接的优点。

然而，如图7所示，在将电子零部件4的杆状端子4a插入印刷电路板1上被环状端子2环绕的通孔3内并使用线状焊锡(焊丝)5来焊接该杆状端子4a和所述环状端子2的情况下，存在如下这样的问题：在通过激光6熔融该焊丝5而将其填入通孔3之前，该激光6会通过所述环状端子2和杆状端子4a之间的间隙3a照射到电子零部件4上，从而将该电子零部件4的局部烧损。此外，虽然所述焊丝5中心的中空部分内具有助焊剂，但就焊锡的构造而言，多数情况下助焊剂的含量约为3％(重量比)或更少，因此也存在如下这样的问题，即，由于焊锡熔融后存在润湿性不良的问题，因此，沿着所述环状端子2或杆状端子4a的熔融焊锡的扩散以及熔融焊锡朝所述通孔3内的流入等方面都容易花时间。

另一方面，若不采用所述焊丝5，而采用焊锡颗粒被做成糊状后的焊膏，并预先将该焊膏供给到所述环状端子2和杆状端子4a之间，并使该焊膏堵塞通孔3，然后用激光照射该位置来使焊膏熔融而进行焊接，这样的话，激光会被该焊膏遮住而不能通过所述通孔3，因此可避免所述电子零部件被烧损的问题。

但是，由于所述焊膏具有流动性，因此，若将用于所述环状端子和杆状端子的焊接所需量的焊膏以堆积的状态供给到该环状端子上，则该焊膏会在这之后到照射激光之前的这一段时间内扩散开，流到环状端子的外部。若在该状态下照射激光，则位于环状端子之外的焊膏会以未熔融状态残留下来，散落在环状端子周围，因此，这容易引起外观不良或导电不良等问题。此外，由于供给的焊膏量较多，因此，不仅需要花费一定时间才能通过激光将焊膏照射到熔融状态，而且预先流入通孔内的焊膏中的粒状焊锡不会完全熔融，而是以颗粒状态残留下来，经常引起焊接不良。

专利文献1：日本发明专利公开公报特开平4-52073号

专利文献2：日本发明专利公开公报特开2002-1521号

发明内容

因此，本发明的目的在于，在将电子零部件的杆状端子插入印刷电路板上被环状端子环绕的通孔内并使用焊丝来焊接该杆状端子和所述环状端子的情况下，能消除该激光对电子零部件的烧损问题，进行高质量的焊接。

为达到上述目的，本发明提供一种激光焊接方法：先将电子零部件的杆状端子插入印刷电路板上被环状端子环绕的通孔内，并对所述环状端子和该杆状端子供给焊膏，并使该焊膏堵塞所述通孔，然后，对该焊膏照射激光，并对所述环状端子和杆状端子供给焊丝，由此使该焊丝和所述焊膏熔合来焊接所述环状端子和杆状端子。

本发明中，作为优选，所述焊丝的供给是在照射所述激光的同时、或者在随着焊膏被该激光照射而开始熔融时来进行。

此外，本发明中，所述焊膏的供给量比只单独用该焊膏来焊接所述环状端子和杆状端子时所需要的量少，但为可完全堵塞住所述通孔的量，以将所述焊丝重叠在该焊膏之上的方式来供给焊丝而进行焊接。

本发明中，作为优选，所述焊膏的助焊剂含量比所述焊丝的助焊剂含量多。

本发明的激光焊接装置包括：基板支承台，用于对印刷电路板进行支承，该印刷电路板的状态为，在其被环状端子环绕的通孔内插入有电子零部件的杆状端子；焊膏供给装置，用于对所述印刷电路板上的环状端子和杆状端子供给焊膏，并使该焊膏堵塞所述通孔；焊丝供给装置，用于对供给有焊膏的所述环状端子和杆状端子供给焊丝；激光照射装置，为了使所述焊膏和焊丝熔合来焊接所述环状端子和杆状端子而对这些环状端子和杆状端子照射激光。

作为优选，所述焊丝供给装置这样形成：在照射所述激光的同时、或者随着焊膏被该激光照射而开始熔融时，从该焊膏之上来供给焊丝。

本发明中，作为优选，该激光焊接装置具有可相对于所述基板支承台位移的焊机机头，在该焊机机头上，设置有所述焊膏供给装置、激光照射装置以及焊丝供给装置。

通过采用本发明，预先向环状端子和杆状端子供给焊膏，将通孔堵住，这样，焊接时激光被该焊膏遮住而不能通过所述通孔，因此，可消除激光对电子零部件的烧损问题。除了供给所述焊膏之外，还供给焊丝，这样，使这些焊膏和焊丝熔合而弥补各自的缺点，因此，可进行高质量的焊接。

附图说明

图1是表示本发明激光焊接装置的一实施方式的主视图。

图2是焊膏供给装置的要部的侧视图。

图3是局部剖视图，表示对印刷电路板中的一个环状端子和杆状端子涂敷有焊膏的状态。

图4是局部剖视图，表示对图3所示部分上照射了激光的状态。

图5是局部剖视图，表示在图4所示部分上供给有焊丝的状态。

图6是表示焊接完成状态的局部剖视图。

图7是表示现有技术中的焊接方法的局部剖视图。

具体实施方式

图1是表示本发明激光焊接装置的一实施方式的图。该激光焊接装置按照设定的程序自动进行焊接，包括：俯视图形状呈矩形的焊台10；设置在该焊台10左右两端的一对支承柱11；水平横跨在该支承柱11上端之间的导轨12；可沿该导轨12横向(X方向)移动的焊接机头13；设置在用于承载作为焊接对象的印刷电路板15的所述焊台10上的基板支承台14。该基板支承台14可通过操作沿所述焊台10的前后方向(Y方向)移动。

所述焊台10的内部，内置有控制整个装置的动作的控制装置16，在左方或右方的支承柱11的侧面设置有操作板17，该操作板17包括开关18和指示灯19等，通过该操作板17，进行用于自动运行的各种设定、操作或对运转状态进行显示等。

由图3可知，所述印刷电路板15具有一个以上的被环状端子21环绕的通孔22，在该通孔22内插有电子零部件23的杆状端子23a的状态下，将该印刷电路板15设置到所述基板支承台14上。

所述环状端子21包括：位于基板的正面和背面两个表面上并环绕所述通孔22的圆环状锡垫(pad)部21a；穿过所述通孔22而使这些锡垫部21a相互电导通的圆筒部21b。所述锡垫部21a通过印刷电路板15上的印刷电路与其他端子和电子零部件等相连接。

所述焊接机头13中，在由所述导轨12支承的机头底座26上安装有：对所述印刷电路板15的环状端子21和杆状端子23a供给焊膏28(参照图3)的焊膏供给装置27；对所述环状端子21和杆状端子23a供给焊丝30(参照图4)的焊丝供给装置29；通过照射激光32(参照图4)使所述焊膏28和焊丝30熔合来进行焊接的激光照射装置31。

所述焊膏供给装置27具有以可自由升降的方式安装在所述机头底座26上的供给头35，该供给头35被所述控制装置16进行升降控制。由图2可知，该供给头35上安装有圆筒形焊锡容器36，该焊锡容器36可更换，内部装有焊膏28，该供给头35上还设置有焊锡喷嘴37，该焊锡喷嘴37不断将从该焊锡容器36送出的焊膏28以规定量分别供给到所述环状端子21和杆状端子23a上。所述焊锡容器36上连接有空气导管38，该空气导管38与压缩空气源相连通，在经由该空气导管38供给的空气的压力作用下，将该焊锡容器36内的焊膏28送向所述焊锡喷嘴37。

所述焊膏28的助焊剂含量优选为5～20％(重量比)左右。该助焊剂具有如下特性：可增强熔融后的焊锡的表面张力，防止氧化物的产生，可提高焊锡的润湿性和扩散性。

所述焊锡喷嘴37从所述供给头35朝下延伸，该焊锡喷嘴37的下端具有焊锡喷出口37a。所述控制装置16控制该焊锡喷嘴37的升降动作和焊膏28的喷出动作，由此，如图3所示，将规定量的焊膏28从该焊锡喷嘴37以点的方式依次供给到所述印刷电路板15上的多个环状端子21和杆状端子23a上，用以堵塞所述通孔22。

此时，从该焊锡喷嘴37供给到环状端子21和杆状端子23a上的焊膏28的量比只单独用该焊膏28来焊接该环状端子21和杆状端子23a时所需要的量少，但为可完全堵塞住所述通孔22的量。

所述激光照射装置31具有照射头40，该照射头40以可升降的方式安装在与所述机头底座26上的所述供给头35相邻的位置。该照射头40的升降由所述控制装置16控制。该照射头40的侧面与光纤41的顶端相连接，该光纤41用于导入激光源所产生的激光32，该照射头40的内部，内置有改变导入的激光32的方向的半透镜和改变光之直径的光学透镜等光学部件，该照射头40的顶端设置有照射口40a，该照射口40a用于将从所述光学部件输出的激光32朝焊接对象照射。图中省略了所述光学部件的图示。从所述照射头40照射出的激光32呈圆形。

此外，所述照射头40的上端安装有CCD摄像机42，该CCD摄像机42可经由所述照射口40a对焊接对象进行摄像。该CCD摄像机42拍摄到的焊接对象的图像显示在未图示的监视器中，从而可边看监视器中显示的图像，边确定焊接对象上用于激光照射的位置或进行调试、教学(teaching)等。图1中的附图标记43为用于将所述CCD摄像机42的图像信号发送到控制装置16的导线。

所述焊丝供给装置29具有：对所述环状端子21和杆状端子23a供给焊丝30的细长杆状的焊锡喷嘴45；从卷轴47放出该焊锡喷嘴45所需量的焊丝30而进行供给的焊丝供给部46。该焊丝供给部46和所述焊锡喷嘴45通过焊锡输送管48相连接。

所述焊锡喷嘴45被所述激光照射装置31的照射头40支承，并可与该照射头40一起升降。即，在该照射头40上设置有支承部件50，该支承部件50上安装有其位置可沿铅直方向(上下方向)进行调节的支承杆51，该支承杆51的下端安装有可以轴52a为中心进行摆动的摆动部件52，焊锡喷嘴45以其位置可沿自身的轴线方向进行调节的方式支承在该摆动部件52上。因此，既可调节该焊锡喷嘴45相对于所述环状端子21和杆状端子23a而言的上下方向和左右方向的距离，又可调节该焊锡喷嘴45相对于所述环状端子21和杆状端子23a而言的倾斜角度。

此外，所述焊丝供给部46安装在所述机头底座26的侧面，具有：供焊丝30卷绕的所述卷轴47；驱动该卷轴47的驱动机构(未图示)。本实施方式中所使用的焊丝30的助焊剂含量比所述焊膏28的助焊剂含量少，为0～4％(重量比)左右。当然，也可使用助焊剂含量比该含量多的焊丝。

图1中的如图标记53为电缆，用于让所述机头底座26、操作板17、设置在导轨12内的机头底座用驱动装置、焊台10内的控制装置16等相互电连接。

在通过上述结构的焊接装置来焊接设置在基板支承台14上的印刷电路板15的环状端子21和杆状端子23a时，首先，通过所述焊膏供给装置27对环状端子21和杆状端子23a供给和涂敷焊膏28。即，如图3中的针对一个环状端子21和杆状端子23a的代表性示例所示，从移动到印刷电路板15之上的所述焊膏供给装置27的焊锡喷嘴37，将设定量的焊膏28以不溢到该锡垫部21a周围的状态供给到环状端子21的锡垫部21a上，并将通孔22内的所述杆状端子23a的周围的间隙22a堵塞住。

此时的焊膏28的供给量比只通过该焊膏28来焊接所述环状端子21和杆状端子23a时所需要的量少，但为可完全堵塞住所述通孔22的量。因此，由于所述焊膏28的涂敷量较少，因此，不用担心焊膏28会在这之后到照射激光之前的这一段时间内流到环状端子21的外部。此外，通过所述焊膏28，也不需要完全填充通孔22的整个内部。

所述焊膏28的助焊剂含量可在5～20％(重量比)的范围内调整。

当用所述焊膏28涂敷完所有的环状端子21和杆状端子23a时，接下来，如图4所示，所述激光照射装置31移动到印刷电路板15上方，从照射头40对涂敷好焊膏28的所述环状端子21和杆状端子23a照射激光32。此时，还未从焊丝供给装置29供给焊丝30。

当照射所述激光32时，所述焊膏28被加热而立即开始熔融。因此，当照射激光32后，该焊膏28开始熔融，与该时间点相配合，具体而言，在所述焊膏28开始熔融的大致同时，或者即将开始熔融之前或刚开始熔融之后，如图5所示，从所述焊丝供给装置29的焊锡喷嘴45喷出设定长度(量)的焊丝30，并从所述焊膏28的上方供给到环状端子21和杆状端子23a上。

随着该焊膏28的涂敷量和激光32的热容量等的不同，从照射所述激光32到焊膏28开始熔融的时间差也会不同，但通常为0.1～0.5秒左右。因此，从开始照射激光32到供给焊丝30之间的时间差也像上述那样实际上是非常小的。

作为所述焊丝30，采用的是助焊剂含量比所述焊膏28的助焊剂含量少的焊丝，其助焊剂含量可在0～4％(重量比)的范围内调整。

供给的所述焊丝30被激光32的热量和焊膏28的热量熔融，与先开始熔融的该焊膏28熔合在一起，并且，与该焊膏28一起浸透通孔22内部，并到达该印刷电路板15的背面，沿环状端子21中位于印刷电路板15背面的锡垫部21a扩散。该情况下，如上所述，由于是先涂敷助焊剂含量较多的焊膏28，在该焊膏28受激光32照射而开始熔融、扩散时供给所述焊丝30，因此，即使该焊丝30自身每单位体积的助焊剂含量比焊膏28少，也会通过所述焊膏28中所含的较多助焊剂的作用，使整个焊锡相对于所述环状端子21和杆状端子23a的润湿性、扩散性或向通孔22内的浸透性变得非常良好。

因此，如图6所示，所述环状端子21和杆状端子23a呈被所述焊膏28和焊丝30熔合而成的焊锡熔合体33全面且厚厚地包住的状态，焊接精度良好。

此外，不言而喻，可通过调整供给的所述焊丝30的长度(量)来调整最终的焊锡的堆积量，即作为所述焊锡熔合体33的焊锡的堆积量，使其为适于焊接对象的最适当的量。此外，也可根据需要使所述焊丝30的量多些或少些等。

如图4所示，在用所述激光32照射时，位于通孔22内的所述杆状端子23a周围的间隙22a被焊膏28完全塞住，因此，照射过来的激光32被该焊膏28遮住而不能通过所述通孔22。因此，该激光32对电子零部件23的烧损问题得到彻底消除。

此外，通过所述激光32的照射，会使焊膏28为被加热的状态或开始熔融的状态，当从处于该状态的焊膏28的上方供给焊丝30时，该焊丝30会被激光32和焊膏28二者加热，因此，单独使用时难以熔融的该焊丝30此时的熔融速度变得非常快，与单独使用该焊丝30的情况相比，焊接所需的时间得到缩短。

此外，在供给所述焊丝30时，由于所述焊膏28中所含的助焊剂会在该焊膏28的加热、熔融的同时蒸发，附着在该焊丝30的外表面，因此，当一个点即一组环状端子21和杆状端子23a的焊接结束时，如图4的实线所示，通过附着的助焊剂的作用，被激光32熔断的所述焊丝30的顶端的直径大致等于焊丝的直径，在焊接下一个点时该焊丝30的供给量不会出现误差。

其原因在于，众所周知，在单独使用其助焊剂含量为零或比通常的少的焊丝30的情况下，如图4的点划线所示，通过激光32熔断的该焊丝30的顶端会变成附着上圆球30a的状态，当变成这种状态时，不仅在焊接下一个点时该焊丝30的供给量容易出现误差，而且会产生该焊丝30难以熔融这样的问题。

所述实施方式中，是在激光32的照射开始后，与所述焊膏28开始熔融的时间点相配合，对所述环状端子21和杆状端子23a供给焊丝30，但是，由于从激光32的照射开始到焊膏28开始熔融的时间差非常短，尤其是在焊膏28的涂敷量较少或激光32的热容量较大等情况下，该时间差更短，因此，也可在照射激光32的大致同时供给焊丝30。

此外，所述实施方式中，焊膏供给装置27、焊丝供给装置29以及激光照射装置31一起设置在焊接装置的焊接机头13上，但所述焊膏供给装置27也可从所述焊接机头13上分开而作为一个独立的装置。此时，本发明的焊接装置由所述焊膏供给装置27、所述激光照射装置31和焊丝供给装置29、对这些装置之间进行连接的未图示的基板用传送线构成。

接下来，通过所述焊膏供给装置27对印刷电路板15涂敷焊膏28，然后，通过所述基板用传送线将该印刷电路板15传送到所述激光照射装置31和焊丝供给装置29的位置，并对其照射激光32和供给焊丝30，由此来进行焊接。

此外，所述环状端子21也可为只在印刷电路板15的一个表面上设置有锡垫部21a的结构。

Claims

1.一种激光焊接方法，其特征在于，先将电子零部件的杆状端子插入印刷电路板上被环状端子环绕的通孔内，并对所述环状端子和该杆状端子供给焊膏，并使该焊膏堵塞所述通孔，然后，对该焊膏照射激光，并对所述环状端子和杆状端子供给焊丝，由此使该焊丝和所述焊膏熔合来焊接所述环状端子和杆状端子。

2.如权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊丝的供给是在照射所述激光的同时、或者是随着焊膏被该激光照射而开始熔融时来进行。

3.如权利要求1或2所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊膏的供给量比只单独用该焊膏来焊接所述环状端子和杆状端子时所需要的量少，但为可完全堵塞住所述通孔的量，以将所述焊丝重叠在该焊膏之上的方式来供给焊丝而进行焊接。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述焊膏的助焊剂含量比所述焊丝的助焊剂含量多。

5.一种激光焊接装置，其特征在于，包括：

基板支承台，用于对印刷电路板进行支承，该印刷电路板的状态为，在其被环状端子环绕的通孔内插入有电子零部件的杆状端子；

焊膏供给装置，用于对所述印刷电路板上的环状端子和杆状端子供给焊膏，并使该焊膏堵塞所述通孔；

焊丝供给装置，用于对供给有焊膏的所述环状端子和杆状端子供给焊丝；

激光照射装置，为了使所述焊膏和焊丝熔合来焊接所述环状端子和杆状端子而对这些环状端子和杆状端子照射激光。

6.如权利要求5所述的激光焊接装置，其特征在于，在照射所述激光的同时、或者随着焊膏被该激光照射而开始熔融时，所述焊丝供给装置从该焊膏之上来供给焊丝。

7.如权利要求5或6所述的激光焊接装置，其特征在于，该激光焊接装置具有可相对于所述基板支承台位移的焊机机头，在该焊机机头上，设置有所述焊膏供给装置、激光照射装置以及焊丝供给装置。