JP2005111531A - レーザはんだ付け方法およびレーザはんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【目的】照射レーザ光の反射光によってレーザ照射箇所周辺の電子部品等に熱的損傷を与えることがないレーザはんだ付け方法およびレーザはんだ付け装置を提供する。
【構成】はんだ付け箇所である電子部品のリード21および基板１のランド電極11に照射されたレーザ光５の溶融はんだ４の表面からの反射光51を、はんだ付け箇所の周辺を囲み且つ内面に吸光処理面61を有する遮光ノズル６で遮蔽・吸収する。遮光ノズル６等の反射光遮蔽吸収部材は、吸収した反射光によって焼損されないために、耐熱性および伝熱性に優れた材料、例えばステンレス鋼で製作される。また、遮光ノズル６内に不活性ガスを供給すると、はんだの酸化防止に有効であり、フラックスレス化も可能となる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電子部品を基板に実装するためのレーザはんだ付け技術、特に、局部はんだ付け工法としてのレーザはんだ付け技術に関する。

電子部品は、通常、自動実装工程によって基板へ実装される。しかし、特殊な形状をしている電子部品や自動実装工程の温度に耐えられない耐熱温度の低い電子部品等は、自動実装工程では実装できないので、局部はんだ付け工法による後工程で実装される。局部はんだ付け工法の一つとして、レーザを用いるレーザ加熱工法があり、レーザ光照射のみで加熱する場合と、ホットエア等を併用して加熱する場合とがある。使用されるレーザとしては大きなエネルギー密度が得られて制御しやすいＹＡＧレーザやパルスレーザが用いられる。また、はんだ付けの雰囲気を不活性ガス雰囲気や還元性ガスを含んだ不活性ガス雰囲気にすることによってフラックスを用いなくしたレーザ加熱工法があり、特開昭62−144871号公報（特許文献１）や特開平６−77638号公報（特許文献２）に詳しく開示されている。

局部はんだ付け工法による後工程で実装することが必要な電子部品（後付け電子部品）の形態は様々であるが、それらの中で、表面実装部品（以下ではＳＭＤという）および挿入実装部品（以下ではＩＭＤという）に、上述したレーザ加熱工法が適応されている。これらの電子部品の中で、部品形状の大きいＩＭＤや高電圧・大電流用の端子（ピン）等は、はんだ付け箇所の熱容量が大きく、はんだの十分な濡れ性を確保するためには高いエネルギー密度のレーザ光の照射を必要とし、このような電子部品を短時間で実装するためには、当然のことながら、レーザの出力を高く設定することが必要となる。例えば、熱容量の大きい電流端子の場合には、100〜200Ｗ／cm²のレーザ光を５〜10秒間照射することが必要である。
しかし、レーザ出力を高く設定することには、以下に説明するような問題点がある。

図３は、従来技術によるレーザはんだ付け工法の問題点を説明するためのはんだ付け箇所近傍の概念図であり、図４は、図3の主要部拡大図である。
一般的に、レーザ光をはんだ付け箇所に照射すると、はんだ付け箇所がレーザ光を吸収して温度上昇し、そこに供給されたクリームはんだまたは糸はんだが溶融して基板のランド電極やスルーホール、電子部品のリード等に濡れ広がる。はんだが溶融して塗れ広がる過程で、はんだ表面は鏡面状となり、照射されているレーザ光を反射する。図3および図4においては、はんだ付けされる電子部品がＩＭＤ２であり、レーザ光５の照射で供給されたクリームはんだまたは糸はんだが溶融して、ＩＭＤ２のリード21および基板１のランド電極11に濡れ広がり、濡れ広がった溶融はんだ４の表面でレーザ光５が反射され、反射光51の一部が既に実装されているＳＭＤ３の側面に照射されている。図3および図4においては、ＳＭＤ３に照射されている反射光51だけが図示されているが、反射光は他の方向へも照射される。

レーザ光５のエネルギー密度が高い場合には、レーザ光照射部の周辺に既に実装されているＳＭＤ３等に反射光51が照射されると、そのエネルギーによってＳＭＤ３等が焼損されることがある。当然のことながら、反射光が人体に照射されると人体を損傷する可能性もある。
この問題は、従来技術で使用されていた錫鉛はんだを鉛フリーはんだに換える場合には、より深刻になる。何故なら、鉛フリーはんだの融点の方が錫鉛はんだの融点より高いので、はんだ付け時に必要とするエネルギー密度がより高くなるからである。
特開昭62−144871号公報 特開平６−77638号公報

この発明は、上記の反射レーザ光による問題点を解消するためのものであり、レーザはんだ付けするために高いエネルギー密度のレーザ光の照射を必要とする電子部品を基板に局部はんだ付けする際に、照射レーザ光の反射光によってレーザ光照射部周辺の電子部品等に熱的な損傷を与えることがないレーザはんだ付け方法およびレーザはんだ付け装置を提供することを課題とする。

請求項１の発明は、既実装の電子部品を有する基板に後工程で後付け電子部品を局部はんだ付けするためのレーザはんだ付け方法であって、照射されたレーザ光のはんだ付け箇所からの反射光を、少なくともはんだ付け箇所と既実装の電子部品との中間部を含むはんだ付け箇所の周辺部で遮蔽・吸収させる。
前記反射光を少なくともはんだ付け箇所と既実装の電子部品との中間部を含むはんだ付け箇所の周辺部で遮蔽・吸収させるので、少なくとも既実装の電子部品に反射光が照射されることはない。
請求項２の発明は、既実装の電子部品を有する基板に後工程で後付け電子部品を局部はんだ付けするためのレーザはんだ付け装置であって、少なくともはんだ付け箇所と既実装の電子部品との中間部を含むはんだ付け箇所の周辺部を囲って、照射されたレーザ光のはんだ付け箇所からの反射光の一部または全部を遮蔽・吸収する反射光遮蔽吸収部材を備えている。

このような反射光遮蔽吸収部材を備えているので、少なくとも既実装の電子部品に反射光が照射されることはない。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記反射光遮蔽吸収部材が金属製の筒状体であり、その内面には反射光を高い吸収率で吸収する吸光処理が施されている。
反射光遮蔽吸収部材を金属製とすることによって、反射光遮蔽吸収部材は、高いエネルギー密度のレーザ光の反射光のエネルギーを吸収するのに耐える耐熱性とそのエネルギーを急速に放散させる熱伝導性とを兼ね備えることができる。また、その内面に吸光処理を施すことによって、反射光遮蔽吸収部材は、高いエネルギー密度のレーザ光の反射光を高い吸収率で吸収し、十分な遮蔽効果を発揮する。

請求項１の発明においては、はんだ付け箇所からのレーザ光の反射光を、少なくともはんだ付け箇所と既実装の電子部品との中間部を含むはんだ付け箇所の周辺部で遮蔽・吸収するので、少なくとも既実装の電子部品に反射光が照射されることはない。したがって、この発明によれば、レーザはんだ付けするために高いエネルギー密度のレーザ光の照射を必要とする電子部品を基板に局部はんだ付けする際に、照射レーザ光の反射光によってレーザ光照射部周辺の電子部品等に熱的な損傷を与えることがないレーザはんだ付け方法を提供することができる。
請求項２の発明においては、少なくともはんだ付け箇所と既実装の電子部品との中間部を含むはんだ付け箇所の周辺部を囲って、照射されたレーザ光のはんだ付け箇所からの反射光の一部または全部を遮蔽・吸収する反射光遮蔽吸収部材を備えているので、少なくとも既実装の電子部品に反射光が照射されることはない。したがって、この発明によれば、レーザはんだ付けするために高いエネルギー密度のレーザ光の照射を必要とする電子部品を基板に局部はんだ付けする際に、照射レーザ光の反射光によってレーザ光照射部周辺の電子部品等に熱的な損傷を与えることがないレーザはんだ付け装置を提供することができる。

請求項３の発明においては、反射光遮蔽吸収部材を金属製とし、その内面に吸光処理を施しているので、この発明によれば、高いエネルギー密度のレーザ光の反射光を確実に遮蔽・吸収することができる。

この発明は、既実装の電子部品を有する基板に後工程で後付け電子部品をレーザ加熱によって局部はんだ付けする際に、加熱されて溶融した半田表面から反射されるレーザ光が周辺に及ぼす諸問題を解消するために、反射レーザ光を遮蔽・吸収させるものであるから、十分な遮蔽効果が得られることは必要条件ではあるが、反射光遮蔽吸収部材が局部はんだ付け作業の障害にならないことも重要である。すなわち、反射光遮蔽吸収部材で照射されるレーザ光の光路を遮らないことが必要であり、更に、反射光遮蔽吸収部材の占めるスペースを小さくすることも必要である。後者のためには、反射光遮蔽吸収部材を耐熱性および熱伝導性に優れた材料で作成することが有効である。
以下において、この発明の実施の形態について実施例を用いて説明する。
なお、「背景技術」の項で説明したのと同じ機能の部分には同じ符号を付ける。

図１は、この発明によるレーザはんだ付け方法およびレーザはんだ付け装置の実施例１を説明するためのはんだ付け箇所近傍の概念図である。
反射光遮蔽吸収部材である遮光ノズル６を除くと、「背景技術」の項で説明した図4と同じ構成であり、遮光ノズル６がはんだ付け箇所の周囲を囲むように配置されている。
図1には、熱容量の大きなＩＭＤのリード21を基板１のランド電極11にはんだ付けしている状態が示されている。はんだ付け箇所であるリード21およびランド電極11にレーザ光５が照射されていて、はんだ付け箇所に供給されたはんだが加熱されて溶融し、溶融はんだ４の表面でレーザ光5が反射されている。図においては、横方向の反射光51だけが示されているが、実際には、溶融はんだ４の表面は曲面となるから、反射光51は他の方向にも反射される。遮光ノズル６はステンレス鋼製の筒状体であり、先端部の内径は、例えばΦ６mmに絞ってあるが、上方ではΦ25のレンズで集光されたレーザ光５を通過させるのに必要な大きさの内径をもっており、レーザ光５の光路を完全に内包している。遮光ノズル６の肉厚は１〜２mmである。遮光ノズル６の内面は、反射光をよく吸収するように吸光処理を施された吸光処理面61になっている。反射光51が外部に漏れないようにするため、レーザ光５が照射される状態においては、遮光ノズル６の先端は基板１の上面に接触するか僅かに離された位置に位置決めされている。

レーザ光照射時にはんだ付け箇所を囲む遮光ノズル６は、耐熱性に優れたステンレス鋼製であって、１〜２mmの肉厚を有しているので、大きなエネルギー密度の反射光51を吸収できるだけの熱容量を有し、且つ上方への熱の放散性にも優れている。このため、この遮光ノズル６を上記のような高いエネルギー密度のレーザ光５の照射を必要とする電子部品の局部はんだ付け作業に繰り返し使用しても、反射光51を確実に遮蔽・吸収することができ、且つ遮光ノズル６が損傷されることはなかった。
なお、上記のリード21を更に熱容量の大きな電流端子（リードの断面積が、例えば、0.8×３mm^２）に換えて、同様の方法ではんだ付けしても、確実に反射光51を遮蔽・吸収することができ、遮光ノズル６が損傷されることはなかった。

図２は、実施例２を説明するためのはんだ付け箇所近傍の概念図である。
この実施例は、実施例１に、はんだ付け雰囲気を不活性ガス雰囲気とするための不活性ガス７の導入を追加したものである。不活性ガス７は、遮光ノズル６の上方から遮光ノズル６の内部に供給され、遮光ノズル６の先端と基板１との隙間から外部へ放出される。はんだ付け雰囲気を不活性雰囲気にすることによって、はんだの酸化が抑制されるので、より良いはんだ付け状態が得られ、フラックスレスのはんだ付けも可能となる。
上記の実施例の反射光遮蔽吸収部材である遮光ノズル６はレーザ光５の光路全体を完全に内包するものであるが、反射光遮蔽吸収部材としては、はんだ付け箇所に近い部分だけを囲む、より短い構造のものにすることもできる。この場合には、上方が開放状態となるので、上方の開放部の大きさをレーザ光５の光路を妨げない範囲でできるだけ小さくし、反射光の外部への照射を少なくすればよい。

また、上記の実施例の遮光ノズル６はステンレス鋼製であるが、反射光遮蔽吸収部材はステンレス鋼製に限定されるものではなく、レーザ光の反射光を吸収しても焼損されることがない耐熱性および熱伝導性に優れた他の材料で製作することができる。
更に、上記の実施例の遮光ノズル６は筒状体であるが、反射光遮蔽吸収部材は筒状体に限定されるものではなく、箱形等にすることもできる。

この発明によるレーザはんだ付け方法およびレーザはんだ付け装置の実施例１を説明するためのはんだ付け箇所近傍の概念図 実施例２を説明するためのはんだ付け箇所近傍の概念図 従来技術によるレーザはんだ付け工法の問題点を説明するためのはんだ付け箇所近傍の概念図 図3の主要部拡大図

符号の説明

１ 基板 11 ランド電極
２ ＩＭＤ 21 リード
３ ＳＭＤ
４ 溶融はんだ
５ レーザ光 51 反射光
６ 遮光ノズル 61 吸光処理面
７ 不活性ガス

Claims (3)

1. 既実装の電子部品を有する基板に後工程で後付け電子部品を局部はんだ付けするためのレーザはんだ付け方法であって、
   照射されたレーザ光のはんだ付け箇所からの反射光を、少なくともはんだ付け箇所と既実装の電子部品との中間部を含むはんだ付け箇所の周辺部で遮蔽・吸収させる、
   ことを特徴とするレーザはんだ付け方法。
2. 既実装の電子部品を有する基板に後工程で後付け電子部品を局部はんだ付けするためのレーザはんだ付け装置であって、
   少なくともはんだ付け箇所と既実装の電子部品との中間部を含むはんだ付け箇所の周辺部を囲って、照射されたレーザ光のはんだ付け箇所からの反射光の一部または全部を遮蔽・吸収する反射光遮蔽吸収部材を備えている、
   ことを特徴とするレーザはんだ付け装置。
3. 前記反射光遮蔽吸収部材が金属製の筒状体であり、
   その内面には反射光を高い吸収率で吸収する吸光処理が施されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザはんだ付け装置。

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