JP2002001521A - レーザー式はんだ付け方法及び装置 - Google Patents
レーザー式はんだ付け方法及び装置Info
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Abstract
はんだ付けする際に、上記レーザービームの投射位置の
位置決めを短時間で簡単かつ精度良く行うことができる
と共に、精度良いはんだ付けを行うことができるように
する。 【解決手段】 レーザービームを投射するためのはんだ
付けヘッド13に、レーザービームと光軸Lを一致させ
てカメラ19を取り付け、このカメラ19ではんだ付け
対象14を撮像してその画像をモニター33の画面上に
映し出すと共に、このモニター画面上にレーザービーム
の光軸L上に位置する投射スポット34を表示し、この
モニター画面上ではんだ付け対象14と投射スポット3
4との位置関係を観察しながら、上記はんだ付けヘッド
13とはんだ付け対象14とを相対的に変移させて上記
投射スポット34の位置決めを行ったあと、上記はんだ
付けヘッド13からはんだ付け対象14にレーザービー
ムを投射してはんだ付けをする。
Description
使用してICやLSIなどの電子部品やその他のワーク
を精密にはんだ付けするための手段に関するものであ
る。
る技術は、例えば特開昭58−161396号公報や特
開平63−137576号公報等に開示されているよう
に既に公知である。これらの技術は、はんだ付けヘッド
からプリント基板等のはんだ付け対象に向けてレーザー
ビームを投射し、このレーザービームの熱ではんだを溶
融させてはんだ付けするもので、非接触ではんだ付けを
行うことができるという利点がある。
けにおいては、初めに、はんだ付け対象に対してレーザ
ービームを適正な位置関係を保って投射できるようにそ
れらの位置決めを行わなければならない。例えば図4
(A),(B)に示すように、プリント基板1の複数の
接続孔2の回りに印刷された金属パターン3と、各接続
孔2に挿入された電子部品4のコネクターピン5とをは
んだ付けする場合には、図5にその一つを拡大して示す
ように、第1番目の金属パターン3の位置で、該金属パ
ターン3とコネクターピン5との両方にレーザービーム
6が適正な割合で投射されるようにそれらの位置決めを
し、その後に糸状はんだ7を供給してはんだ付けを行う
ようにしている。
来では、レーザービームに可視光域がある場合にはその
レーザービームをはんだ付け対象に投射し、その投射部
分を肉眼で観察しながらはんだ付けヘッド又はワークを
変移させて位置決めを行っていた。また、レーザービー
ムに可視光域がない場合には、He−Neレーザー等で
可視光を作ってそれを疑似的に投射し、同様に肉眼で観
察しながら位置決めを行っていた。
い光線であると共に、はんだ付け対象も非常に小さいポ
イントであって、はんだ付けのための作業スペースも狭
いため、作業者がはんだ付け対象に顔を近づけてその部
分を正視することは困難で、斜め上方からしか覗き見る
ことができない。このため、はんだ付け対象を肉眼で観
察しながらレーザービームの位置決めを行うのは非常に
難しく、精度の良い位置決めを短時間で効率良く行うの
は殆ど不可能に近かった。
は、はんだ付け対象にレーザービームを投射してはんだ
付けするに当たり、上記レーザービームの投射位置の位
置決めを短時間で簡単かつ精度良く行うことができるよ
うにすると共に、その後のはんだ付けの精度をも高める
ことにある。
本発明によれば、はんだ付け用のレーザービームをはん
だ付け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッド
に、上記レーザービームと光軸を一致させて撮像用のカ
メラを取り付け、このカメラではんだ付け対象を撮像し
てその画像をモニター画面上に映し出すと共に、このモ
ニター画面上にレーザービームの光軸上に位置する投射
スポットを表示し、このモニター画面上ではんだ付け対
象と投射スポットとの位置関係を観察しながら、上記は
んだ付けヘッドとはんだ付け対象とを相対的に変移させ
て上記投射スポットの位置決めを行ったあと、上記はん
だ付けヘッドからはんだ付け対象にレーザービームを投
射してはんだ付けすることを特徴とするレーザー式はん
だ付け方法が提供される。
たモニター画面上ではんだ付け対象とレーザービームの
投射スポットとの位置関係を確認しながらそれらの位置
決めを行うことにより、微細なはんだ付けポイントを斜
め上方から肉眼で観察しながら位置決めする従来方法に
比べ、位置決め作業を短時間で非常に精度良く行うこと
ができ、この結果、そのあとのはんだ付けの精度も向上
するだけでなく、はんだ付け作業全体に要する時間も大
幅に短縮されて作業効率が向上する。
けヘッドに設けたガス噴射口から、所要の温度に予備加
熱されたホット不活性ガスをレーザービームの光軸に沿
って噴射しながらはんだ付けすることである。これによ
り、はんだの酸化や不良はんだ等が確実に防止され、は
んだ付け精度が一層向上する。
れば、はんだ付け用のレーザービームをはんだ付け対象
に向けて投射するためのはんだ付けヘッドと、このはん
だ付けヘッドに接続されたレーザー機構と、上記はんだ
付けヘッドにレーザービームと光軸を一致させて取り付
けられた撮像用のカメラと、このカメラが撮像したはん
だ付け対象の画像を画面上に映し出すと共に、この画面
上にレーザービームの投射スポットを表示するためのモ
ニターと、上記はんだ付け対象とはんだ付けヘッドとを
相対的に変移させるための制御装置と、を有することを
特徴とするレーザー式はんだ付け装置が提供される。こ
の場合、上記はんだ付けヘッドを可動アームに支持さ
せ、この可動アームを制御装置で制御するようにしても
良い。
だ付けヘッドに撮像用のカメラをレーザービームと光軸
を共有させて取り付けることにより、該はんだ付けヘッ
ドをレーザービームの投射用とカメラによる撮像用とに
共用しているため、その構造が簡単かつ合理的で、はん
だ付け対象に対するレーザービーム投射スポットの位置
決めを簡単かつ精度良く行うことができるだけでなく、
位置決めが完了したあとそのまま直ちにレーザービーム
によるはんだ付け作業に移行することができ、位置決め
後にカメラを別の非使用位置に移動させたりする必要が
ない。
レーザービーム用投射口を先端に有する筒状のケーシン
グと、該ケーシングの内部に配設された光学レンズと、
該光学レンズよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸
に対して45度傾斜させて配設されたハーフミラーとを
有していて、該ケーシングの基端部に上記カメラが、こ
れらのハーフミラー及び光学レンズを通して上記投射口
からはんだ付け対象を撮像可能なるように取り付けられ
ると共に、ケーシングの側面の上記ハーフミラーに対応
する位置に形成されたファイバー接続部に、上記レーザ
ー機構からのレーザービームをハーフミラーに向けて出
力するための光ファイバーが接続されている。
接続部には、光ファイバーから出力されるレーザービー
ムのビーム径を切り換えるための切換手段を設けること
ができる。
ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射するためのガ
ス噴射口を設け、このガス噴射口に、予備加熱されたホ
ット不活性ガスを供給するためのガス供給機構を接続で
きるようにすることが望ましい。
置の好ましい代表的な実施形態を例示するもので、この
はんだ付け装置は、5軸(5自由度)の多関節型ロボッ
トとして構成されている。図中10は作業用の基台、1
1は該基台10上に設置されたロボット本体、12は該
ロボット本体11から前方に延出する5自由度を持った
旋回及び屈伸自在の多関節可動アーム、13は該可動ア
ーム12の先端に取り付けられたはんだ付けヘッド、1
4は上記基台10上にセットされた例えば図4に示すプ
リント基板1のようなはんだ付け対象、15は上記可動
アーム12を制御するための制御装置を示している。
かるように、円筒形をしたケーシング17を有してい
る。このケーシング17は、その先端部にレーザービー
ムBを投射するための投射口18を有し、内部には、レ
ーザービームBの光軸Lに沿って、レーザービームBの
投射用とカメラ19による撮像用とに共用される一対の
光学レンズ20a,20bと、これらの光学レンズ20
a,20bよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸L
に対して45度傾斜させて配設されたハーフミラー21
とが設けられている。
は、上記光軸L上の位置にカメラ用取付部22が形成さ
れ、この取付部22に上記カメラ19が、上記ハーフミ
ラー21及び光学レンズ20a,20bを通してはんだ
付け対象14を正面から撮像可能なるように取り付けら
れている。また、該ケーシング17の側面の上記ハーフ
ミラー21に対応する位置には、ファイバー接続部23
が形成され、この接続部23に、レーザー機構25から
延びる光ファイバー26の先端部が、ハーフミラー21
に対して45度の入力角度でレーザービームBを投射可
能なるように接続されている。そして、はんだ付け作業
時にこの光ファイバー26から出力されたレーザービー
ムBが、上記ハーフミラー21で光軸Lに沿って90度
屈折されたあと、光学レンズ20a,20bを通って投
射口18からはんだ付け対象14に投射されるようにな
っている。従って上記レーザービームBとカメラ19と
は、ハーフミラー21から一対の光学レンズ20a,2
0bを通ってはんだ付け対象14に至る光学路におい
て、一つの光軸Lを共有している。
ードの励起によってレーザービームBを発生させる発振
部27と、この発振部27をコントロールするための制
御部28と、上記発振部27から出力されるレーザービ
ームBをはんだ付けヘッド13に導くための上記光ファ
イバー26とを有し、上記制御部28は制御装置15に
内蔵されている。
ファイバー接続部23には、光ファイバー26の端部か
らハーフミラー21に向けて投射されるレーザービーム
Bのビーム径をはんだ付け条件に応じて大小に切り換え
るための、シャッター30が設けられている。このシャ
ッター30は、大小径の異なる複数の導光孔31を備え
ていて、ケーシング17内の上記光ファイバー26の先
端に近接する位置に変移自在なるように取り付けられて
おり、それを変移させて光ファイバー26に対面する導
光孔31を切り換えることにより、該光ファイバー26
から出力されるレーザービームBのビーム径を大小に切
り換えるものである。この場合に上記シャッター30
は、複数の導光孔31を一列に並べて形成し、該シャッ
ター30を直線的にスライドさせて上記導光孔31を切
り換えるように構成しても、複数の導光孔31を円弧状
に並べて形成し、円弧の中心を支点として該シャッター
30を回動させることにより上記導光孔31を切り換え
るように構成しても良い。なお、このシャッター30の
無孔の部分を利用してレーザービームBを遮断できるよ
うにしておくことが望ましい。
だ付け対象14の画像を画面上に拡大して映し出すため
のモニター33が接続されている。このモニター33
は、図3からも分かるように、レーザービームBの光軸
L上に位置する投射スポット34を、縦横それぞれ2本
ずつの罫線35a,35a及び35b,35bで囲まれ
た部分によって表示できるようになっている。そして、
この画面上で上記はんだ付け対象14と上記投射スポッ
ト34との位置関係を観察しながら、可動アーム12を
操作してはんだ付けヘッド13の位置を微調整すること
により、上記はんだ付け対象14と投射スポット34と
をはんだ付けのための適正な位置関係となるように位置
決めするものである。即ち、位置決め前の画像である図
3(A)に示すように、投射スポット34がプリント基
板1上の金属パターン3と電子部品4のコネクターピン
5の両方に正しい割合で重なっていない状態から、この
画像を見ながらはんだ付けヘッド13の位置を微調整し
て投射スポット34を変移させることにより、同図
(B)に示すように、上記投射スポット34が金属パタ
ーン3とコネクターピン5の両方に適正な割合で重なる
ようにその位置決めを行うものである。
った後にはんだ付けヘッド13からレーザービームBを
投射してはんだ付けすると、該レーザービームBは上記
投射スポット34の位置に投射されるため、上記金属パ
ターン3とコネクターピン5とが非常に高い精度で確実
にはんだ付けされることになる。
決めを行う場合、上記投射スポット34は罫線35a,
35a及び35b,35bのみによって表示され、その
部分に実際にレーザービームBは投射されない。しか
し、必要に応じてレーザービームBを出力を落とした状
態で投射しても良い。また、上記投射スポット34の大
きさは罫線の間隔を調整することによって変更すること
ができる。従って、金属パターン3やコネクターピン5
の形状や大きさなどの条件に応じて最適な投射スポット
34の径を選択することができ、それに基づいてレーザ
ービームBのビーム径が上記シャッター30により大小
に切り換えられる。
対象14を照らすため、観察用照明機構40が設けられ
ている。この観察用照明機構40は、光源41からの光
を光ファイバー42ではんだ付け対象14の近くに設置
されている光学ヘッド43まで導き、この光学ヘッド4
3から上記プリント基板1等のはんだ付け対象14に向
けて照射するものである。しかし、通常のランプで直接
はんだ付け対象14を照らすようにしても良い。
だ付け部分に糸状はんだ46を供給するためのはんだ供
給機構45と、窒素ガス等の不活性ガスを噴射するため
のガス供給機構47とが付設され、上記制御装置15で
それらの動作が制御されるようになっている。
た糸状はんだを必要量ずつ繰り出す供給部49と、該供
給部49からの糸状はんだ46をはんだ付け対象14に
向けて送り込むためのはんだガイド50とを含み、この
はんだガイド50で供給される糸状はんだ46を上記レ
ーザービームBで溶融させてはんだ付けするものであ
る。この場合、上記はんだガイド50にヒーターを設
け、このヒーターで糸状はんだ46を予備加熱するよう
に構成することが望ましい。また、上記糸状はんだ46
としては、鉛成分を含まない鉛フリーはんだを使用する
ことが望ましい。
等の不活性ガスを配管51を通じて供給するためのガス
供給源52と、このガス供給源52からの不活性ガスを
予備加熱するためのヒーター53とを有し、このヒータ
ー53で予備加熱された高温のホット不活性ガスをガス
噴射口54からはんだ付け対象14に向けて噴射するも
のである。
13におけるケーシング17の先端に設けられていて、
レーザービームBを投射するための上記投射口18によ
って兼用されている。また、上記ケーシング17の先端
部側面には、上記配管51を接続するためのポート55
が設けられ、このポート55が通孔56によって上記投
射口18に連通している。そして、この投射口18即ち
ガス噴射口54を通じてホット不活性ガスを、レーザー
ビームBの光軸Lに沿ってはんだ付け対象14に噴射で
きるようになっている。しかし、上記ガス噴射口54は
投射口18とは別に設けても良く、この場合、投射口1
8の回りを取り囲むように形成することが望ましい。
はんだ付けを行うことにより、レーザービームBがホッ
ト不活性ガスで回りを完全に包み込まれて冷気との接触
による温度低下が防止されると共に、このホット不活性
ガスではんだ付け対象14の補助加熱が行われるため、
レーザービームBのエネルギーを有効に利用して効率良
くはんだ付けすることができる。しかも、不活性ガス雰
囲気中において大気からシールドした状態ではんだ付け
を行うことができるため、はんだの酸化や不良はんだが
防止されるだけでなく、フラックスの飛散や残渣が減少
し、はんだ付け精度が向上する。この不活性ガス中に
は、水素ガスのような還元性ガスを混合することができ
る。
図4(A),(B)に示すようなプリント基板1のはん
だ付けを行う場合は、先ず、第1番目のはんだ付けポイ
ントにおいて、レーザービームBが金属パターン3とコ
ネクターピン5の両方に適正な割合で投射されるよう
に、それらの位置決めを行う。この位置決めは、はんだ
付けヘッド13に取り付けられたカメラ19で上記第1
番目の金属パターン3とコネクターピン5とを撮像し、
図3(A)に示すようにその画像をモニター33の画面
上に映し出し、この画面を見ながら、制御装置15によ
り可動アーム12を動かしてはんだ付けヘッド13の位
置を微調整することにより、図3(B)に示すように、
画面上に罫線35a,35a及び35b,35bで表示
された投射スポット34が金属パターン3とコネクター
ピン5の両方に適正な割合で重なるように調整すること
により行う。
御装置15のはんだ付け開始ボタンを押すと、はんだ付
けヘッド13からレーザービームBが投射されると共
に、はんだガイド50から糸状はんだ46が必要量ずつ
自動的に供給され、さらに、はんだ付けヘッド13の先
端のガス噴射口54から高温のホット不活性ガスがはん
だ付け対象14に向けて噴射され、この不活性ガスの雰
囲気中ではんだ付けが行われる。この場合、上記金属パ
ターン3の配置や配列間隔、数などの、自動運転に必要
な諸条件を予めティーチングによって制御装置15に設
定しておくことにより、第1番目のはんだ付けポイント
上で上記位置決めを行うことで、その位置関係を保った
まま各はんだ付けポイントが次々と自動的にはんだ付け
されることになる。
示されたはんだ付け対象14とレーザービームBの投射
スポット34との位置関係を確認しながら、それらの位
置決めを行うことにより、微細なはんだ付けポイントを
斜め上方から肉眼で観察しながら位置決めする従来方法
に比べ、位置決め作業を短時間で非常に精度良く行うこ
とができ、この結果、そのあとのはんだ付けの精度も向
上するだけでなく、はんだ付け作業全体に要する時間も
大幅に短縮されて作業効率が向上する。
メラ19をレーザービームBと光軸Lを共有させて取り
付けることにより、該はんだ付けヘッド13をレーザー
ビームBの投射用とカメラ19による撮像用とに共用し
ているため、その構造が簡単かつ合理的で、はんだ付け
対象14とレーザービームBの投射スポット34との位
置決めを簡単かつ精度良く行うことができるだけでな
く、位置決めが完了したあとそのまま直ちにレーザービ
ームBによるはんだ付け作業に移行することができ、位
置決め後にカメラ19を別の非使用位置に移動させる必
要がない。
ービームBを投射する必要がないため、レーザービーム
Bに可視光域がない場合でも、He−Neレーザー等で
わざわざ可視光を作ってそれを疑似的に投射する必要が
なく、位置決め作業を簡単かつ安全に行うことができ
る。
使用する例が示されているが、溶融状態にあるクリーム
状はんだをノズル状のはんだガイドから供給、塗布しな
がらはんだ付けするように構成することもできる。ある
いは、はんだ付けポイントに予め塗布してあるクリーム
状はんだをレーザービームで溶融させてはんだ付けする
ように構成することもできる。
を基台10上に固定的にセットし、ロボットの可動アー
ム12に取り付けたはんだ付けヘッド13を動かしてレ
ーザービームBの位置決めとはんだ付けとを行うように
しているが、はんだ付け対象14をY−Yテーブル上に
載置すると共に、はんだ付けヘッド13をZ方向に移動
可能とし、レーザービームBの位置決め時には上記Y−
Yテーブルによりはんだ付け対象14を変移させ、はん
だ付け時にはY−Yテーブルとはんだ付けヘッド13と
を動かすようにしても良い。
だ付けヘッド13又ははんだ付け対象14を変移させる
ことによってレーザービームBの位置決め行うようにし
ているが、カメラ19が撮像した画像を制御装置15に
内蔵した画像処理装置に取り込み、この画像処理装置で
金属パターン3及びコネクターピン5と投射スポット3
4とが適正な位置関係となるように画像処理を施すと共
に、それに応じてはんだ付けヘッド13とはんだ付け対
象14とを自動的に相対変移させることによって位置決
めするように構成することもできる。
対象にレーザービームを投射してはんだ付けするに当た
り、上記レーザービームの投射位置の位置決めを短時間
で簡単かつ精度良く行うことができると共に、その後の
はんだ付けの精度を高めることができる。
す側面図である。
た位置決め前の画像と位置決め後の画像を示す正面図で
ある。
平面図である。
面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】はんだ付け用のレーザービームをはんだ付
け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッドに、上
記レーザービームと光軸を一致させて撮像用のカメラを
取り付け、このカメラではんだ付け対象を撮像してその
画像をモニター画面上に映し出すと共に、このモニター
画面上にレーザービームの光軸上に位置する投射スポッ
トを表示し、このモニター画面上ではんだ付け対象と投
射スポットとの位置関係を観察しながら、上記はんだ付
けヘッドとはんだ付け対象とを相対的に変移させて上記
投射スポットの位置決めを行ったあと、上記はんだ付け
ヘッドからはんだ付け対象にレーザービームを投射して
はんだ付けすることを特徴とするレーザー式はんだ付け
方法。 - 【請求項2】請求項1に記載のはんだ付け方法におい
て、上記はんだ付けヘッドに設けたガス噴射口から、所
要の温度に予備加熱されたホット不活性ガスをレーザー
ビームの光軸に沿って噴射しながらはんだ付けすること
を特徴とするもの。 - 【請求項3】はんだ付け用のレーザービームをはんだ付
け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッド、 上記はんだ付けヘッドに接続されたレーザー機構、 上記はんだ付けヘッドにレーザービームと光軸を一致さ
せて取り付けられた撮像用のカメラ、 上記カメラが撮像したはんだ付け対象の画像を画面上に
映し出すと共に、この画面上にレーザービームの光軸上
に位置する投射スポットを表示するためのモニター、 上記はんだ付け対象とはんだ付けヘッドとを相対的に変
移させるための制御装置、を有することを特徴とするレ
ーザー式はんだ付け装置。 - 【請求項4】はんだ付け用のレーザービームをはんだ付
け対象に向けて投射するためのはんだ付けヘッド、 上記はんだ付けヘッドに接続されたレーザー機構、 上記はんだ付けヘッドをはんだ付け対象に沿って変移自
在なるように支持する可動アーム、 上記はんだ付けヘッドにレーザービームと光軸を一致さ
せて取り付けられた撮像用のカメラ、 上記カメラが撮像したはんだ付け対象の画像を画面上に
映し出すと共に、この画面上にレーザービームの光軸上
に位置する投射スポットを表示するためのモニター、 上記可動アームを制御するための制御装置、を有するこ
とを特徴とするレーザー式はんだ付け装置。 - 【請求項5】請求項3又は4に記載のはんだ付け装置に
おいて、上記はんだ付けヘッドが、レーザービーム用投
射口を先端に有する筒状のケーシングと、該ケーシング
の内部に配設された光学レンズと、該光学レンズよりも
ケーシング基端部寄りの位置に光軸に対して45度傾斜
させて配設されたハーフミラーとを有していて、該ケー
シングの基端部に上記カメラが、これらのハーフミラー
及び光学レンズを通して上記投射口からはんだ付け対象
を撮像可能なるように取り付けられると共に、ケーシン
グの側面の上記ハーフミラーに対応する位置に形成され
たファイバー接続部に、上記レーザー機構からのレーザ
ービームをハーフミラーに向けて出力するための光ファ
イバーが接続されていることを特徴とするもの。 - 【請求項6】請求項5に記載のはんだ付け装置におい
て、上記はんだ付けヘッドにおけるファイバー接続部
に、光ファイバーから出力されるレーザービームのビー
ム径を切り換えるための切換手段を有することを特徴と
するもの。 - 【請求項7】請求項3から6までの何れかに記載のはん
だ付け装置において、上記はんだ付けヘッドが、不活性
ガスをレーザービームの光軸に沿って噴射するためのガ
ス噴射口を有していて、このガス噴射口に、予備加熱さ
れたホット不活性ガスを供給するためのガス供給機構が
接続されていることを特徴とするもの。 - 【請求項8】はんだ付け対象に向けてレーザービームを
投射するための投射口を先端に有する筒状のケーシング
と、 上記ケーシングの内部に配設された光学レンズ、及びこ
の光学レンズよりもケーシング基端部寄りの位置に光軸
に対して45度傾斜させて配設されたハーフミラーと、 上記ケーシングの基端部に、上記ハーフミラー及び光学
レンズを通して投射口からはんだ付け対象を撮像可能な
るように取り付けられたカメラと、 上記ケーシングの側面の上記ハーフミラーに対応する位
置に、レーザー機構からの光ファイバーをハーフミラー
に対して45度の入力角度で接続可能なるように形成さ
れたファイバー接続部と、を有することを特徴とするは
んだ付けヘッド。 - 【請求項9】請求項8に記載のはんだ付けヘッドにおい
て、上記ファイバー接続部が、光ファイバーから出力さ
れるレーザービームのビーム径を切り換えるための切換
手段を有することを特徴とするもの。 - 【請求項10】請求項8又は9に記載のはんだ付けヘッ
ドにおいて、上記ケーシングが、不活性ガスをレーザー
ビームの光軸に沿って噴射するためのガス噴射口と、ガ
ス供給機構から予備加熱されたホット不活性ガスを導入
するための配管接続用ポートとを有することを特徴とす
るもの。
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