JP2010260093A

JP2010260093A - レーザはんだ付け装置及びレーザはんだ付け方法

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Publication number: JP2010260093A
Application number: JP2009114232A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shirase; 隆史白瀬; Sei Sugiura; 勢杉浦; Masaki Iwata; 政樹岩田; Tsuneo Hamaguchi; 恒夫濱口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-11
Also published as: JP5378874B2

Abstract

【課題】レーザ光の影響を受けることなくプリント基板の電極温度を正確に計測する。
【解決手段】温度計測に用いる赤外線センサと、加熱に用いるレーザ発振器と、前記レーザ発信器から出力されたレーザ光をはんだ付け対象物に集光するレーザ出射ヘッドと、前記赤外線センサの計測結果に基づいてレーザ発振器の出力を制御する制御装置とを備え、前記赤外線センサの波長は１．５〜２．５μｍであり、レーザ光の波長が１μｍ未満であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザを熱源とするはんだ付け装置及びはんだ付け方法に係り、特に、プリント基板に電子部品などの微小或いは熱ストレスに弱い部品をはんだ付けする場合に、適用されて安定したはんだ付けが実現出来る装置ならびに方法に関するものである。

レーザを熱源とするはんだ付けや溶接は、従来から行われており、これらを安定して行う方法や装置については、例えば、以下の特許文献１、特許文献２に記載されている。
これらの文献では、加熱手段としてのレーザ発振器と、赤外線による非接触式の温度センサ、及びこれらを制御するコントローラを持ち、接合部分の温度をリアルタイムで検知して最適な温度条件になるようにレーザの出力を制御することで、容易に、かつ高品質の接合が実現できるとしている。

ＷＯ２００６／０９３２６４号公報（第２頁、図１）特開２００７−１９０５７６号公報（第２頁、図１）

特許文献１では、加熱に用いるレーザ光の波長は１．６μｍ以下、温度計測に用いる赤外線の波長を１．２μｍ以上としているが、これら２つの波長に重なる部分があるため照射したレーザ光の反射光を赤外線センサが捕らえてしまい、加熱部分の温度を正確に計測することができないという問題がある。
特許文献２には波長に関する記述は特にないが、一般的に加熱手段として用いられるＹＡＧレーザ（波長１．０６４μｍ）や炭酸ガスレーザ（波長９〜１１μｍ）の場合も、使用する赤外線センサによっては同じ理由で加熱部分の温度を正確に計測することはできない。

また、特許文献１、特許文献２ともに赤外線センサの応答速度に関する記述がないが、例えば、電子部品などの熱容量が小さく、かつ、熱ストレスに弱い部品のはんだ付けではレーザ照射時間は数十ｍｓ〜数百ｍｓのパルスであり、電極温度を最適温度に保つためには、１０ｍｓ程度の時間間隔でレーザパワーを変化させる必要があり、応答速度の遅い赤外線センサではリアルタイムに温度計測をすることができない。
さらに、特許文献１、特許文献２ともに、加熱部分の温度を計測するためにはんだから放出される赤外線を用いているが、プリント基板のはんだ付けにおいて基板の炭化や電極剥離などの不良を防ぐためには、プリント基板の電極温度を測ることが重要であり、はんだの温度を測っても不良を防ぐことはできない。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、加熱手段として用いられるレーザの影響を受けることなく、プリント基板の電極温度を、速く、かつ正確に計測し、基板の炭化や電極剥離などの不良のないはんだ付け装置及びはんだ付け方法を実現するものである。

この発明に係るレーザはんだ付け装置は、加熱部分の温度計測に用いる赤外線の波長が１．５〜２．５μｍ、応答速度が１ｍｓ以下である赤外線センサと、加熱手段として用いるレーザ光の波長が１μｍ未満であるレーザ発振器を備えるようにしたものである。
また、この発明に係るレーザはんだ付け方法は、温度計測に用いる赤外線センサと、加熱に用いるレーザ発振器と、計測結果に基づいてレーザ発振器の出力を制御する制御装置とを備え、プリント基板上の電極温度を計測してレーザの出力などを制御するようにしたものである。

この発明に係るレーザはんだ付け装置によれば、温度計測に用いる赤外線の波長が１．５〜２．５μｍであり、加熱手段として用いるレーザ光の波長が１μｍ未満であるため、照射したレーザ光の反射光を赤外線センサが捕らえることがなく、加熱部分の温度を正確に計測することができる。
また、温度計測に用いる赤外線センサの応答速度が１ｍｓ以下であるため、電子部品などの熱容量が小さく、かつ、熱ストレスに弱い部品をはんだ付けする場合でも、電極温度をリアルタイムで検知して最適な温度条件になるようにレーザの出力を制御することができ、電極の剥離や電子部品の破壊といった不良が発生しない。
さらに、この発明に係るレーザはんだ付け方法によれば、はんだの温度でなく、プリント基板の電極温度を計測するようにしているため、基板の炭化や電極剥離などの不良を防ぐことができる。

本発明の実施の形態１によるレーザはんだ付け装置を示す図である。本発明によるレーザはんだ付け装置におけるはんだ付け方法を説明する図で、初期のレーザパワーが大きい場合を示す。本発明によるレーザはんだ付け装置におけるはんだ付け方法を説明する図で、レーザパワーが一定の場合を示す。本発明によるレーザはんだ付け装置におけるはんだ付け方法を説明する図で、最適なレーザはんだ付け条件の場合を示す。本発明の実施の形態２によるレーザはんだ付け装置を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明のレーザはんだ付け装置の好ましい代表的な実施の形態を例示したものである。図１において、レーザ発振器１は、そのレーザ光源に半導体レーザを使用して波長は０．８０８μｍである。レーザ発振器１から出力されたレーザ光は光ファイバ２を通ってレーザ出射ヘッド３に導かれる。レーザ出射ヘッド３の内部のレンズによってプリント基板１１の電極１２に集光されたレーザ光は電子部品９が接続される電極１２を加熱する。
一方、糸はんだ７は、はんだ供給器８によって供給される。はんだ供給器８は制御装置６から、はんだの供給タイミングや供給速度の指令を受けて糸はんだ７をプリント基板１１の電極１２に供給する。
このとき電極１２から放射される赤外線は赤外線センサ５で捕らえる。赤外線センサ５には、例えば長波長タイプの電子冷却式型ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）を検出素子に用いる。この素子の実効波長は１．８〜２．５μｍ、応答速度は０．３ｍｓである。

また、電子部品９などのはんだ付け対象物の熱容量が小さく、かつ、熱ストレスに弱い部品をはんだ付けする場合、その電極サイズも小さいため、赤外線センサはスポット径の小さいものが望ましい。例えば、電極幅が０．８ｍｍの場合、スポット径はそれ以下、すなわち位置合わせのための余裕を考慮して、できれば直径（Φ）０．６ｍｍ程度のものが適当である。
赤外線センサ５で計測された温度は制御装置６に送られる。制御装置６の内部では、その対象物の最適温度と計測された温度に基づいて、レーザ発振器１の出力を制御するようにプログラムされている。

次に、レーザ光によって電極温度が上昇してはんだ付けが行われる時の温度計測の例を図２に示す。
電子部品などの熱容量が小さく、かつ、熱ストレスに弱い部品をはんだ付けする場合、レーザ照射時間は数十ｍｓ〜数百ｍｓのパルスであり、さらにその中で２個以上のブロックに分けてパワーを変化させる必要がある。これは、以下のような理由のためである。
はんだ付けの初期は供給される糸はんだが少なくレーザのパワーは電極にのみ集中するため、初期に大きなパワーを投入すると電極部分の温度が一気に上昇し、基板の炭化や電極剥離などの不良が発生する（図２）。

これに対して、中盤から後半にかけては糸はんだが供給されて熱容量が大きくなるのに加えて、はんだのぬれ広がりによって基板や電子部品に熱が伝わっていくため、レーザのパワーが初期から一定のままだと電極の温度が下がってしまい、いわゆる「いもはんだ」と言われるぬれ広がりが不十分な仕上がりになってしまう（図３）。

そこで、はんだ付けを行う電極温度をリアルタイム計測して最適温度を保つ、すなわち、はんだのぬれ広がりの状態に合わせて過不足のないようにレーザパワーを制御することで、良好なはんだ付けを行うことができる（図４）。
レーザ照射時間は数十ｍｓ〜数百ｍｓのパルスであり、電極温度を最適温度に保つためには１０ｍｓ程度の時間間隔でレーザパワーを変化させる必要があり、赤外線センサの応答速度は１ｍｓ以下である必要がある。
図４に示すように、照射の初期はレーザパワーを控え、中盤から後半にかけての熱容量が大きくなる時期にはレ−ザパワーを強くするとともに、１０ｍｓ程度の時間間隔でレーザパワーの強さを制御している。

このように、温度計測に用いる赤外線の波長が１．５〜２．５μｍである赤外線センサと、加熱手段として用いるレーザ光の波長が１μｍ未満であるレーザ発振器を備えることによって、照射したレーザ光の反射光を赤外線センサが捕らえることなく、電極温度を正確、かつ、リアルタイムで検知して最適な温度条件になるようにレーザの出力を制御することができ、容易に、かつ高品質の接合が実現できる。
なお、レーザ発振器は、その波長が１μｍ未満であればよく、レーザ光源は半導体レーザに限る必要はなく、他のレーザ光源も使用できる。同様に、赤外線センサは、その波長が１．５〜２．５μｍで応答速度が１ｍｓ以下であればよく、検出素子をＩｎＧａＡｓに限定するものではない。

実施の形態２．
図５は本発明のレーザはんだ付け装置の別の実施の形態を例示したものである。なお、図１において説明した構成要素については同じ符号で示して説明を省略する。
図５に示す装置と図１に示す装置との相違点は、赤外線センサ５の前にフィルタ４を設けた点にある。すなわち、電極１２から放射される赤外線はフィルタ４を透過して赤外線センサ５で捕らえるようにしている。このフィルタ４は、例えば１．５μｍ未満の赤外線は遮断し、１．５μｍ以上の赤外線を透過するものである。
このフィルタを使用すれば、赤外線センサが１．５μｍより短い波長の赤外線に対しても感度が有る場合でも１．５μｍ未満の赤外線は赤外線センサには到達しないので、実施の形態１と同様にレーザ光の影響を排除することができる。これによって得られる効果もまた、実施の形態１と同様である。

１レーザ発振器、２光ファイバ、３レーザ出射ヘッド、４フィルタ、５赤外線センサ、６制御装置、７糸はんだ、８はんだ供給器、９電子部品、１１プリント基板、１２電極。

Claims

温度計測に用いる赤外線センサと、加熱に用いるレーザ発振器と、前記レーザ発信器から出力されたレーザ光をはんだ付け対象物に集光するレーザ出射ヘッドと、前記赤外線センサの計測結果に基づいてレーザ発振器の出力を制御する制御装置とを備え、前記赤外線センサの実効波長は１．５〜２．５μm、応答速度が１ｍｓ以下であり、かつ、レーザ光の波長が１．０μｍ未満であることを特徴とするレーザはんだ付け装置。
温度計測に用いる赤外線センサと、前記赤外線センサの直前に設けられ、１．５μｍ未満の赤外線は遮断し、１．５μｍ以上の赤外線を透過するフィルタと、加熱に用いるレーザ発振器と、前記レーザ発信器から出力されたレーザ光をはんだ付け対象物に集光するレーザ出射ヘッドと、前記赤外線センサの計測結果に基づいてレーザ発振器の出力を制御する制御装置とを備え、レーザ光の波長が１．０μｍ未満であることを特徴とするレーザはんだ付け装置。
温度計測に用いる赤外線センサと、加熱に用いるレーザ発振器と、前記レーザ発信器から出力されたレーザ光をプリント基板の電極に集光するレーザ出射ヘッドと、前記赤外線センサの計測結果に基づいてレーザ発振器の出力を制御する制御装置とを備え、プリント基板上の電極温度を前記赤外線センサで計測してレーザの出力を制御することを特徴とするレーザはんだ付け方法。
赤外線センサの実効波長は１．５〜２．５μｍ、応答速度が１ｍｓ以下であり、かつ、レーザ発信器のレーザ光の波長が１．０μｍ未満であることを特徴とする請求項３記載のレーザはんだ付け方法。
レーザ照射時間は数十〜数百ｍｓとし、照射の初期はレーザパワーを控え、中盤から後半にかけての熱容量が大きくなる時期にはレーザパワーを強くするとともに、１０ｍｓ程度の時間間隔でレーザパワーを制御するようししたことを特徴とする請求項３または請求項４記載のレーザはんだ付け方法。