JP2005254299A - はんだ付け用レーザーヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだ煙やはんだボール等による汚れが光学レンズに付着するのを防塵ガラスによって防止できると共に、この防塵ガラスに付着した汚れの除去も容易なはんだ付け用レーザーヘッドを得る。
【解決手段】 レーザービームをはんだ付け対象１０に投射してはんだ付けを行うレーザーヘッドにおいて、ハウジング１に内蔵された光学レンズ２ｂと該ハウジング１の先端の投射口４との間の位置に、防塵ガラス３を保持するガラス保持枠２７を装着し、このガラス保持枠２７を介して上記防塵ガラス３をハウジング１に対して側面方向に着脱自在とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザービームを使用して半導体チップ等の電子部品をはんだ付けするレーザーはんだ付け装置における、上記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レーザーヘッドに関するものである。

レーザービームを使用して電子部品等をはんだ付けする技術は、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように既に公知である。これらの技術に用いられるはんだ付け装置は、一般に、光学レンズやハーフミラーなどの光学系を内蔵したレーザーヘッドを有していて、レーザー発振器から出力されるレーザービームを、このレーザーヘッドの先端に形成された投射口を通じてはんだ付け対象に投射し、はんだを加熱、溶融させてはんだ付けするように構成されている。

ところが、上記レーザービームによってはんだが溶融したとき、フラックスによるはんだ煙が発生し、このはんだ煙が上記投射口からレーザーヘッドの内部に進入して光学レンズに接触し、煤状の汚れが付着し易い。また、溶けたはんだがはんだボールとなって飛散し、これが上記光学レンズに付着して汚れとなることもある。このようにして光学レンズに付着した汚れは、レーザービームの投射効率を著しく低下させるため、除去しなければならない。

このような場合、従来では、上記投射口を有するノズル部分をレーザーヘッドから取り外し、その状態で光学レンズに付着した汚れを除去したあと、再び上記ノズル部分を取り付けるようにしていた。しかしながら、上記ノズル部分は、ねじなどの固定手段でレーザーヘッドに取り付けられており、しかも、このノズル部分やその周辺には、通常、不活性ガスを供給するための配管や、糸状はんだを供給するための供給装置、はんだ付けポイントを照らすための照明装置等が取り付けられているため、それらの着脱や位置変更等も同時に行わなければならず、上記清掃作業は非常に面倒である。

上記光学レンズの前方に防塵ガラスを取り付けることにより、光学レンズにはんだ煙やはんだボール等による汚れが付着するのを防止することもできるが、その代わりにこの防塵ガラスに汚れが付着するため、その汚れを除去するには、レーザーヘッドの該防塵ガラスが取り付けられている部分を分解して清掃しなけらばならず、清掃作業に多くの手数を要することに変わりはない。
特開昭５８−１６１３９６号公報 特開平６３−１３７５７６号公報

本発明の課題は、防塵ガラスの介在によってはんだ煙やはんだボール等による汚れが光学レンズに付着するのを確実に防止することができると共に、これらの汚れが付着した防塵ガラスの浄化も簡単に行うことができる、はんだ付け用レーザーヘッドを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のレーザーヘッドは、レーザー発振器からの光ファイバーを接続可能なハウジングと、このハウジングに内蔵された光学レンズと、上記ハウジングの先端部に形成されたレーザービーム用投射口と、この投射口と上記光学レンズとの間に介設されて該光学レンズに汚れが付着するのを防止する防塵ガラスとを有し、この防塵ガラスが、上記ハウジングの側面に開口する挿脱口を通じて着脱自在であることを特徴とするものである。

本発明の具体的な構成態様によれば、上記防塵ガラスがガラス保持枠に取り付けられていて、このガラス保持枠を介してハウジングに着脱自在に装着されており、また、このガラス保持枠には、上記挿脱口から外部に突出する着脱操作用のハンドル部が設けられている。

また、本発明によれば、上記ハウジングが、上記光学系を内蔵する第１ハウジング部分と、この第１ハウジング部分に結合されて上記防塵ガラスを着脱自在に保持する第２ハウジング部分と、この第２ハウジング部分に結合されて先端に上記投射口を有する第３ハウジング部分とを有している。

ここで、上記第２ハウジング部分は、上記第１及び第３ハウジング部分のうち少なくとも第１ハウジング部分に対し、上記ハウジングの中心軸線の回りに取付方向を変更可能であることが望ましい。

また、本発明の好ましい構成態様によれば、上記第３ハウジング部分が、気体源に接続するためのポートを有し、このポートから供給される気体を上記投射口からはんだ付け対象に向けて噴射可能なるように構成されていることである。

本発明によれば、レーザービームの投射口と光学レンズとの間に防塵ガラスを介設したことにより、この防塵ガラスで光学レンズにはんだ煙やはんだボール等による汚れが付着するのを確実に防止することができる。しかもこの防塵ガラスは、ハウジングに対して着脱自在であるため、それに上述した汚れが付着したときには、この防塵ガラスをハウジングから取り外し、汚れを除去したあと再装着するか、別の新たな防塵ガラスと交換すれば良く、ハウジングを分解して再び組み立てるといったような面倒な作業を一切行う必要がないため、浄化のために中断したはんだ付け作業を速やかに再開することができる。

以下、本発明に係るレーザーヘッドの好ましい代表的な実施形態について説明する。図１及び図２に示すレーザーヘッドは、例えば、旋回自在かつ屈伸自在の多関節アームを有するはんだ付けロボットの上記多関節アームに取り付けて使用されるもので、筒状のハウジング１を有している。このハウジング１は、レーザービーム投射用と撮像用とに共用される光学系２を内蔵した第１ハウジング部分１ａと、この第１ハウジング部分１ａの前端部（下端部）に同軸状に結合されて防塵ガラス３を担持する第２ハウジング部分１ｂと、この第２ハウジング部分１ｂの前端部（下端部）に同軸状に結合されて先端にレーザービームを投射するための投射口４を有する第３ハウジング部分１ｃとを有している。なお、上記光学系２の光軸Ｌとハウジング１の軸線とは一致している。従って、以下の説明においては、ハウジング１の軸線も符号「Ｌ」で表すものとする。

上記第１ハウジング部分１ａは、円筒形をした前筒部６ａと角筒形をした後筒部６ｂとを相互に接続することにより構成されたもので、上記前筒部６ａの内部には、上記レーザービームの光軸Ｌに沿って一対の光学レンズ２ａ，２ｂが内蔵され、上記後筒部６ｂの内部には、上記光軸Ｌに対して４５度傾斜するハーフミラー２ｃが内蔵されている。

また、上記後筒部６ｂの上端にはカメラ用取付部８が形成され、この取付部８にＣＣＤカメラ９が取り付けられており、このＣＣＤカメラ９で上記ハーフミラー２ｃ及び光学レンズ２ａ，２ｂを通してはんだ付け対象１０を正面から撮像できるようになっている。このＣＣＤカメラ９で撮像された画像は、図示しないモニター画面に映し出され、上記レーザービームの投射スポットとはんだ付けポイントとの位置決めに利用される。

更に、上記後筒部６ｂの側面の上記ハーフミラー２ｃに対応する位置には、ファイバー接続部１２が形成され、このファイバー接続部１２に、図示しないレーザー発振器から延びる光ファイバー１３の先端部が、上記ハーフミラー２ｃに対して４５度の入射角でレーザービーム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、上記光ファイバー１３から投射されたレーザービームが上記ハーフミラー２ｃで光軸Ｌに沿って９０度屈折されたあと、２つの光学レンズ２ａ，２ｂを通って上記投射口４からはんだ付け対象１０に投射されるようになっている。従って、これらのレーザービームとＣＣＤカメラ９とは、上記ハーフミラー２ｃから２つの光学レンズ２ａ，２ｂを通ってはんだ付け対象１０に至る光学路において一つの光軸Ｌを共有している。

上記前筒部６ａの外周の軸線Ｌ方向の異なる位置に形成された円周溝内には、第１及び第２の２つのホルダーリング１５，１６が、該前筒部６ａの回りに回動させることによって向きを調節できるように取り付けられている。このうち第１ホルダーリング１５は、はんだ付け対象１０を照らす照明装置１７を保持するためのものであり、また、第２ホルダーリング１６は、糸状はんだ１９を供給するはんだ供給装置１８を保持するためのものである。これらのホルダーリング１５，１６は、図３に示すように、側方に延出する保持アーム２０をそれぞれ有している。この保持アーム２０は、スリット２０ｂにより２つの挟持部片２０ａ，２０ａに分かれていて、これらの挟持部片２０ａ，２０ａ間に上記照明装置１７又ははんだ供給装置１８の支持ロッド１７ａ，１８ａを挿入し、ねじ２０ｃで両部片２０ａ，２０ａを締め付けることによってこの支持ロッド１７ａ，１８ａを挟持するものである。また、上記各ホルダーリング１５，１６は、一部に固定用のねじ２２を有し、適宜の回動位置でこのねじ２２を締め込んで上記前筒部６ａに係止させることにより、上記保持アーム２０を必要な方向に向けて固定できるようになっている。
かくして上記２つのホルダーリング１５，１６の向きを調節自在とすることにより、上記照明装置１７とはんだ供給装置１８とを、それらが互いに位置競合したり、他の部材との間で位置競合したりすることのないように取り付けることができる。

なお、上記照明装置１７は、上記支持ロッド１７ａの下端に回動アーム１７ｂを介して角度調整自在に取り付けられた照明ヘッド１７ｃを有し、光源からの光を光ファイバー１７ｄでこの照明ヘッド１７ｃに導き、上記ＣＣＤカメラ９による撮像時に、この照明ヘッド１７ｃではんだ付け対象１０を照らすものである。しかし、通常のランプで直接はんだ付け対象１０を照らすようにしても良い。

また、上記はんだ供給装置１８は、上記支持ロッド１８ａの下端に回動アーム１８ｂを介して角度調整自在に取り付けられたニップルホルダー１８ｃと、このニップルホルダー１８ｃの先端に取り付けられたニップル１８ｄとを有し、図示しない供給源から送られてくる糸状はんだ１９を、上記ニップルホルダー１８ｃからニップル１８ｄを通じてはんだ付け部位に送り込むものである。

上記第２ハウジング部分１ｂは短円筒形をしていて、上記第１ハウジング１における前筒部６ａの下端面（前端面）に、シール部材２４を介して複数の固定用のねじ２５で着脱自在に取り付けられている。この第２ハウジング部分１ｂには、図４及び図５からも分かるように、その側面に開口する挿脱口２６ａに連通する装着孔２６が形成され、この装着孔２６内に、ガラス保持枠２７に保持された上記防塵ガラス３が、このガラス保持枠２７を介して着脱自在なるように取り付けられている。換言すれば、上記防塵ガラス３を保持するガラス保持枠２７が、上記装着孔２６内に挿脱口２６ａを通じて着脱自在なるように装着されている。上記装着孔２６は、ハウジング１の軸線Ｌ方向の寸法である孔高Ｈよりも、軸線Ｌと直交する方向の寸法である孔幅Ｗが大きい扁平な形をしていて、ほぼ一定の孔幅を保ったまま上記挿脱口２６ａに通じている。従って、挿脱口２６ａの幅と上記装着孔２６の孔幅とは同じである。また、上記装着孔２６の奥端部は半円状をしている。

上記防塵ガラス３は、光軸Ｌの前方側に位置する光学レンズ２ｂと投射口４との間に介在してこの光学レンズ２ｂを外気から遮断し、外気中の異物がこの光学レンズ２ｂに付着するのを防止するためのもので、特に、はんだ付け時に発生するはんだ煙や、はんだが溶けたときに飛散するはんだボール等が光学レンズ２ｂに接触するのを防止し、該光学レンズ２ｂに煤状の汚れやはんだ屑による汚れが付着するのを防ぐものである。

上記ガラス保持枠２７は、上記装着孔２６に合わせて、高さよりも横幅が広いフラットでやや細長い形のプレート状をなすと共に、その先端は半円状をなし、かつ、上記装着孔２６にほぼぴったりと嵌合できる寸法に形成されており、この先端寄りの位置に設けられた円形の保持孔２７ａ内に円形の上記防塵ガラス３が取り付けられている。また、このガラス保持枠２７の基端部には、着脱操作用のハンドル部２７ｂが形成されていて、このハンドル部２７ｂが上記装着孔２６の挿脱口２６ａを通じてハウジング１の側面に突出しており、このハンドル部２７ｂを持って上記ガラス保持枠２７を、ハウジング１の側面方向即ち該ハウジング１の軸線Ｌと交叉する方向に着脱できるようになっている。
図中２８は、上記ガラス保持枠２７と第２ハウジング部分１ｂとの間の気密を保つためのシール部材である。

上記ガラス保持枠２７を装着孔２６内に装着したときこのガラス保持枠２７が簡単には抜け出さないようにするため、上記第２ハウジング部分１ｂには、このガラス保持枠２７に弾力的に係止する２つの係止機構３０，３０が設けられている。この係止機構３０は、上記装着孔２６の両側の孔壁部分の相対する位置に形成された収容孔３０ａ内に、一部が該収容孔３０ａから上記装着孔２６内に突出するように収容された突子３０ｂと、この突子３０ｂを収容孔３０ａから突出する方向に向けて弾発するばね３０ｃとで構成されており、これに対して上記ガラス保持枠２７の両側面には、上記突子３０ｂが係合する２つの凹部２７ｃが形成されている。そして、上記ガラス保持枠２７が装着孔２６内に完全に差し込まれると、上記突子３０ｂがばね３０ｃの力で凹部２７ｃに嵌合して係止するようになっている。上記ガラス保持枠２７を装着孔２６内に差し込んだり引き出したりする途中の過程では、このガラス保持枠２７の側面により上記突子３０ｂが収容孔３０ａに押し込まれ、該ガラス保持枠２７の移動は円滑に行われる。
なお、図示した実施例では、上記突子３０ｂがボールで形成されているが、この突子３０ｂは、ピンやその他の適宜部材で形成されていても良い。

かくして、上記防塵ガラス３を光学レンズ２ｂと投射口４との間に設けることにより、外気中の異物、特に、はんだ付け時に発生するはんだ煙や飛散するはんだボール等が上記光学レンズ２ｂに接触して煤状の汚れやはんだ屑となって付着するのを確実に防止することができる。しかも、上記防塵ガラス３をハウジング１に対して着脱自在としたことにより、該防塵ガラス３が異物の付着で汚れた場合には、上記ガラス保持枠２７をハウジング１から抜き取り、防塵ガラス３に付着した汚れを拭き取ったり洗浄したりして浄化したあとこのガラス保持枠２７をハウジング１に再装着するか、あるいは、別のガラス保持枠２７と交換するだけで、ハウジング１を分解するといったような面倒な作業を一切行うことなく、汚れの浄化作業を終了し、レーザーヘッドを短時間で使用可能状態に復帰させることができる。

なお、上記ガラス保持枠２７の着脱方向を変更できるようにするため、上記第２ハウジング部分１ｂは、上記第１ハウジング部分１ａに対する取付位置を円周方向に変更できるようになっていることが望ましい。このため図示した実施例では、第１ハウジング部分１ａにおける前筒部６ａの下端面に、複数の固定用のねじ孔２５ｂを等しい中心角（例えば３０度）で円周状に形成し、これらのねじ孔２５ｂを選択的に使用することで第２ハウジング部分１ｂの向きを変えることができるようにしている。しかし、これ以外の機構を採用することもできる。

また、上記第３ハウジング部分１ｃは、上記第２ハウジング部分１ｂより小径の円筒状をした基端部３２と、この基端部３２から次第に先細り状をなすように延びて先端に上記投射口４を有する円錐部３３とを有している。上記基端部３２には、気体源に接続するためのポート３４が設けられ、このポート３４から供給される気体を、上記投射口４からはんだ付け対象１０に向けて噴射可能なるように構成されている。上記気体としては、窒素ガス等の不活性ガスや、窒素ガスなどの不活性ガスと水素ガスなどの還元ガスとを混合した混合ガス等がある。これらのガスは、ヒーターで加熱することにより所定の温度まで昇温させた状態で噴射することが望ましい。
なお、上記第３ハウジング部分１ｃは、上記ポート３４の向きを変更できるようにするため、第２ハウジング部分１ｂに対して円周方向の向きを調節自在なるように取り付けられていることが望ましい。

本発明に係るレーザーヘッドの正面図である。 図１の断面図である。 ホルダーリングの平面図である。 図２のＡ−Ａ線での断面図である。 図４においてガラス保持枠を取り外した状態の図である。

符号の説明

１ ハウジング
１ａ 第１ハウジング部分
１ｂ 第２ハウジング部分
１ｃ 第３ハウジング部分
２ｂ 光学レンズ
３ 防塵ガラス
４ 投射口
１０ はんだ付け対象
１３ 光ファイバー
２６ 装着孔
２６ａ 挿脱口
２７ ガラス保持枠
２７ｂ ハンドル部
３４ ポート
Ｌ 光軸（軸線）

Claims (5)

1. レーザー発振器から出力される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レーザーヘッドであって、
   上記レーザー発振器からの光ファイバーを接続可能なハウジングと、このハウジングに内蔵された光学レンズと、上記ハウジングの先端部に形成されたレーザービーム用投射口と、この投射口と上記光学レンズとの間に介設されて該光学レンズに汚れが付着するのを防止する防塵ガラスとを有し、この防塵ガラスが、上記ハウジングの側面に開口する挿脱口を通じて着脱自在である、
   ことを特徴とするはんだ付け用レーザーヘッド。
2. 上記防塵ガラスがガラス保持枠に取り付けられていて、このガラス保持枠を介してハウジングに着脱自在に装着されており、このガラス保持枠には、上記挿脱口から外部に突出する着脱操作用のハンドル部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザーヘッド。
3. 上記ハウジングが、上記光学系を内蔵する第１ハウジング部分と、この第１ハウジング部分に結合されて上記防塵ガラスを着脱自在に保持する第２ハウジング部分と、この第２ハウジング部分に結合されて先端に上記投射口を有する第３ハウジング部分とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザーヘッド。
4. 上記第２ハウジング部分が、上記第１及び第３ハウジング部分のうち少なくとも第１ハウジング部分に対し、上記ハウジングの中心軸線の回りに取付方向を変更可能であることを特徴とする請求項３に記載のレーザーヘッド。
5. 上記第３ハウジング部分が、気体源に接続するためのポートを有し、このポートから供給される気体を上記投射口からはんだ付け対象に向けて噴射可能なるように構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のレーザーヘッド。
   

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