JP2014188556A - エアカーテン機構付きはんだ付け用レーザーヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ付け時に発生するフラックス滓等の塵埃が光学レンズ等の光学部品に付着するのを防止することができる機構を備えた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Ｂをはんだ付け対象３に投射し、該はんだ付け対象３に供給されるはんだ５を溶融させてはんだ付けを行うはんだ付け用レーザーヘッド１において、光学部品を内蔵したハウジング２に、エアカーテン機構７を構成するエアノズル２１と集塵トレイ２２とを前記レーザービームＢの光軸Ｌを挟んで相対するように付設し、前記エアノズル２１は、前記光軸Ｌと直交する方向に細長く延在するエア噴射口２５を有し、該エア噴射口２５から前記集塵トレイ２２に向けて光軸Ｌを横切る方向にエアを噴射するように配設され、前記集塵トレイ２２は、前記エアノズル２１からのエアが流入するエア流入口３４と、該エア流入口３４にエアと共に流入した塵埃を捕集するフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃとを有する。
【選択図】図１

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ためのはんだ付け用レーザーヘッドに関するものであり、さらに詳しくは、光学レンズ等の光学部品にフラックス滓が付着するのを防止するための機構を備えた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、ハーフミラーや光学レンズあるいはレンズ保護ガラス等の光学部品を内蔵した筒状の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ビーム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、前記レーザービームによってはんだが溶融したとき、該はんだに内蔵されたフラックスが煙状あるいは微粒子状のフラックス滓となって飛散し、レーザーヘッドの先端部に設置された前記光学部品に付着し易い。光学部品に付着したフラックス滓は、レーザービームの投射効率を低下させるため、定期的に除去しなければならない。

このような場合、従来は、はんだ付け作業を一時中断し、光学部品に付着した汚れを拭き取ったあとはんだ付け作業を再開するようにしていたが、一回の清掃作業に少なくとも１０分程度の時間を必要とするため、一日３回の清掃作業を行うと仮定すると、合計で３０分間はんだ付け作業を中断しなければならず、作業効率が低下することが避けられなかった。

特開２００２−１５２１号公報

本発明の課題は、はんだ付け時に発生するフラックス滓等の塵埃が光学部品に付着するのを防止する機構を備えたはんだ付け用レーザーヘッドを提供することにある。

前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出力されるレーザービームをはんだ付け対象に投射し、該はんだ付け対象に供給されるはんだを溶融させてはんだ付けを行うはんだ付け用レーザーヘッドであってあって、前記レーザーヘッドは、筒状のハウジングと、該ハウジングの内部に前記レーザービームの光軸に沿って配設された光学部品と、前記ハウジングの前端に形成されたビーム投射口と、前記光学部品に塵埃が付着するのを防止するエアカーテン機構とを有し、前記エアカーテン機構は、前記光軸を挟んで相対するように配設されたエアノズルと集塵トレイとを有し、前記エアノズルは、前記光軸と直交する方向に細長く延在するエア噴射口を有し、該エア噴射口から前記集塵トレイに向けて前記光軸を横切る方向にエアを噴射するように配設され、前記集塵トレイは、前記エアノズルからのエアが流入するエア流入口と、該エア流入口にエアと共に流入した塵埃を捕集するフィルタとを有することを特徴とするエアカーテン機構付きはんだ付け用レーザーヘッドが提供される。

本発明において好ましくは、前記エアカーテン機構が前記ハウジングの外部において前記ビーム投射口の前方に配設されていることである。
また、本発明において、前記エアノズルにおける前記エア噴射口の長さは前記ビーム投射口の口径と少なくとも同じであり、前記集塵トレイにおける前記エア流入口の横幅は前記エア噴射口の長さと少なくとも同じであることが望ましい。

更に、本発明においては、前記集塵トレイが、前端部に開口する前記エア流入口と、後端部に開口するエア流出口と、前記前端部と後端部側との間に形成されたフィルタ取付部とを有し、該フィルタ取付部に前記フィルタが、前記エア流入口からエア流出口に至るエア流路を横切る姿勢で着脱自在に取り付けられていることが望ましい。
本発明において好ましくは、前記フィルタが、海綿状をした３次元骨格構造を有する金属多孔板からなっていて、複数のフィルタが前記エア流路に沿って並設されていることである。

本発明によれば、はんだ付け用レーザーヘッドに、エアノズルと集塵トレイとからなるエアカーテン機構を設け、はんだ付け時に発生するフラックス滓等の塵埃を、前記エアノズルから集塵トレイに向けて噴射されるエアによって光学部品から遮断すると同時に、該塵埃を前記集塵トレイで捕集するように構成したので、光学部品に前記塵埃が付着するのを確実に防止することができる。

本発明に係るレーザーヘッドの断面図である。 図１の要部拡大図である。 エアノズルの平面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線での断面図である。 集塵トレイの斜視図である。

図１は、本発明に係るエアカーテン機構付きレーザーヘッド１の一実施形態を示すものである。このレーザーヘッド１は、例えば、はんだ付けロボットのアームに取り付けて使用されるもので、レーザービーム投射用と撮像用とに共用される光学部品が中心軸線Ｌに沿って内蔵された筒状のハウジング２を有し、該ハウジング２の先端にレーザービームＢをはんだ付け対象３に向けて投射するためのビーム投射口４が開口している。また、該レーザーヘッド１には、前記はんだ付け対象３に線状はんだ５を供給するためのはんだ供給ノズル６と、前記レーザービームＢで溶融された線状はんだ５から飛散するフラックス滓やその他の塵埃を捕集するためのエアカーテン機構７とが付設されている。

なお、前記ハウジング２の半透鏡１０が配置されている位置より先端部分では、該ハウジング２の中心軸線Ｌと前記レーザービームＢの光軸とは一致している。このため、便宜上、中心軸線と光軸の両方に共通の符号Ｌを付すこととする。

前記ハウジング２は、図２からも明らかなように、第１ハウジング部分２ａと、該第１ハウジング部分２ａの先端に連結された第２ハウジング部分２ｂとを有していて、該第１ハウジング部分２ａ及び第２ハウジング部分２ｂの内部に、前記光学部品として、前記ハウジング２の基端側（図の上端側）から先端側（図の下端側）に向けて順に、前記光軸Ｌに対して４５度傾斜する半透鏡１０と、第１及び第２の光学レンズ１１，１２と、第２の光学レンズ１２を外気から遮断して塵埃の付着を防止する防塵ガラス１３とが配設されている。前記半透鏡１０は、レーザービームＢは透過させないが可視光線は透過させる性質を有するものである。

前記半透鏡１０と第１及び第２の光学レンズ１１，１２とは、前記第１ハウジング部分２ａの内部に配設され、前記防塵ガラス１３は、リング状のガラス保持具１４に取り付けられ、該ガラス保持具１４が、前記第１ハウジング部分２ａと第２ハウジング部分２ｂとの間に形成された取付溝１５内に着脱自在なるように取り付けられている。該取付溝１５は、一端が前記ハウジング２の側面（紙面に垂直方向の側面）に開口していて、その開口部を通じて前記ガラス保持具１４を挿脱できるようになっている。

前記第１ハウジング部分２ａの側面の、前記半透鏡１０に対応する位置には、ファイバー接続部１８が形成され、このファイバー接続部１８に、図示しないレーザー発振器から延びる光ファイバー１９の先端部が、前記半透鏡１０に対して４５度の入射角でレーザービーム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、前記光ファイバー１９から投射されたレーザービームＢが前記半透鏡１０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１１，１２と防塵ガラス１３とを通って前記ビーム投射口４からはんだ付け対象３に投射され、前記はんだ供給ノズル６から供給される線状はんだ５を溶融させてはんだ付けを行うようになっている。

前記はんだ供給ノズル６は、前記ハウジング２の側面に適宜の支持機構を介して支持されていて、図示しないはんだ供給装置に接続され、このはんだ供給装置に設けられたはんだリールから繰り出される線状はんだ５を、前記はんだ付け対象３に向けて供給するものである。

また、前記第１ハウジング部分２ａの上端にはＣＣＤカメラ２０が取り付けられ、このＣＣＤカメラ２０で、前記半透鏡１０、光学レンズ１１，１２、防塵ガラス１３を通してはんだ付け対象３を正面から撮像できるようになっている。このＣＣＤカメラ２０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、前記レーザービームＢ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。

前記エアカーテン機構７は、前記ハウジング２の外部における前記ビーム投射口４より前方位置に、前記光軸Ｌを挟んで相対するように配設されたエアノズル２１と集塵トレイ２２とを有している。

前記エアノズル２１は、図３及び図４からも明らかなように、円筒状をした基端側の配管接続部２３と、該配管接続部２３の先端に連設されたノズルヘッド２４とを有し、該ノズルヘッド２４は、横幅（光軸Ｌと直交する方向の幅）が広くかつ高さが低い扁平な形をしていて、先端に横に細長く延在するエア噴射口２５を有し、該エア噴射口２５から前記集塵トレイ２２に向けて、前記光軸Ｌを横切る方向にエアを噴射するように構成されている。

前記エア噴射口２５は、図４に示すように、一定の間隔をおいて横一列に配設された複数の小孔２５ａにより形成され、該エア噴射口２５の長さＸは、噴射するエアで前記ビーム投射口４をはんだ付け対象３から完全に遮断することができるように、前記ビーム投射口４の口径Ｄと同等か又はそれ以上に形成されている。しかし、前記エア噴射口２５は、横に細長い１つの長孔であっても良い。

前記ノズルヘッド２４の上面には、ノズル取付ブラケット２８が該ノズルヘッド２４を横向きに横断するように取り付けられ、該ノズル取付ブラケット２８から立ち上がった取付部２８ａに、前記光軸Ｌと平行に延びるシャフト２９の一端がシャフト取付部材２７を介して連結され、該シャフト２９の他端部は、前記ハウジング２に取り付けられた支持金具３０に光軸Ｌと平行する方向に位置調節自在に支持されている。

前記シャフト取付部材２７は、前記エアノズル２１を前記シャフト２９に対して傾動自在に連結するための部材で、円柱状をした大径の頭部２７ａと、該頭部２７ａより小径の軸部２７ｂとを有し、該軸部２７ｂが、前記取付部２８ａに形成された軸孔２８ｂ内に、前記光軸Ｌと直交する軸線Ｌ１を中心に相対的に回動自在に挿入され、前記頭部２７ａに前記シャフト２９の一端が連結されている。また、前記取付部２８ａの側面には固定用ねじ２６が螺着され、前記該固定用ねじ２６を締め込んでねじ部２６ａの先端を前記軸部２７ｂに当接させて係止させることにより、前記エアノズル２１を前記シャフト２９（従って光軸Ｌ）に対して任意の傾斜角度に固定することができるようになっている。

前記集塵トレイ２２は、図１及び図５から明らかなように、横に細長くかつ平らな底壁２２ａと、該底壁２２ａの長手方向の両端部から上向きに立ち上がった左右の側壁２２ｂと、前記底壁２２ａの短手方向の後端部から上向きに立ち上がった後壁２２ｃと、前記左右の側壁２２ｂの上端部間に掛け渡された取付用の支持桟２２ｄとで形成されたもので、該支持桟２２ｄにＬ字形をしたトレイ取付ブラケット３１の下端が固定され、該トレイ取付ブラケット３１の上端部は、該上端部に形成された上下方向に細長い取付孔３１ａと取付ねじ３２とにより、前記支持金具３０に、スペーサ３３を介して、前記取付孔３１ａの長さの範囲内で上下方向（光軸Ｌと平行する方向）に位置調節自在なるように取り付けられている。

前記集塵トレイ２２は、前記エアノズル２１側を向く前端部が、前記エアノズル２１からのエアが流入するエア流入口３４として開放し、前記後壁２２ｃに、該エア流入口３４から流入したエアを外部に流出させためのエア流出口３５を有している。前記エア流入口３４の横幅Ｙは、前記エアノズル２１のエア噴射口２５からやや先広がり状をなしながら噴射されるエアを完全に受け入れることができるように、該エア噴射口２５の長さＸと同じかそれより長く形成されていることが望ましく、より望ましくは前記エア噴射口２５の長さＸの２−３倍程度に形成されていることであり、図示した実施例では約２．６倍程度に形成されている。

前記集塵トレイ２２の前後方向の中央より後端部寄りの位置には、前記左右の側壁２２ｂの内側面に縦向きに設けられた複数のリブ３６と前記後壁２２ｃとにより、縦溝状をした複数のフィルタ取付部３７が、該集塵トレイ２２の前端部側から後端部側に向けて順次隣接するように形成され、各フィルタ取付部３７に、矩形のフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの側端部を上方から嵌合させることにより、複数の該フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃが、前記エア流入口３４からエア流出口３５に至るエア流路を横切る姿勢で個別に着脱自在なるように取り付けられている。図示した例では、第１−第３の３つのフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃが設けられている。

前記フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、海綿状をした３次元骨格構造を有する硬質又は半硬質の金属多孔板からなるもので、塵埃を捕集するために必要な面積の２倍以上の面積を有するように形成され、前記集塵トレイ２２から上半部が上方に突出するように取り付けられている。
このようにフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの一部を集塵トレイ２２から上方に突出させた状態で取り付けることにより、前記エア流入口３４から集塵トレイ２２内に流入したエアの一部が各フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの内部を伝って上向きに流れ、集塵トレイ２２の上方から流出する場合でも、この上向きのエア流によって運ばれるフラックス滓等の塵埃を、該フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの前記集塵トレイ２２から上方に突出する部分によって確実に捕集することができる。また、この上方に突出する部分によってフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの交換を簡単に行うことができる。

前記第１−第３のフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃは、孔径や多孔率等が互いに異なっていて、最も孔径が大きくかつ孔数の少ない第１のフィルタ３８ａが集塵トレイ２２の最も前端部側に配置され、最も孔径が小さくかつ孔数の多い第３のフィルタ３８ｃが集塵トレイ２２の最も後端部側に配置され、中間の孔径及び孔数を有する第２のフィルタ３８ｂが、前記第１のフィルタ３８ａと第３のフィルタ３８ｃとの間に配置されている。

前記構成を有するレーザーヘッド１を使用してはんだ付けを行うときは、ビーム投射口４からレーザービームＢをはんだ付け対象３に投射し、はんだ供給ノズル６から供給される線状はんだ５を溶融させてはんだ付けを行い、同時に、前記エアカーテン機構７におけるエアノズル２１から集塵トレイ２２のエア流入口３４に向けて光軸Ｌと直交する方向にエアを噴射する。このとき該エアノズル２１のエア噴射口２５から噴射されるエアは、該エア噴射口２５が横に細長く延びているため、横に幅広く広がった状態で噴射され、前記ビーム投射口４とはんだ付け対象３との間を完全に遮断した状態になる。

前記はんだ付け時に、前記線状はんだ５がレーザービームＢで溶融されると、該線状はんだ５に内蔵されたフラックスが煙状あるいは微粒子状のフラックス滓となって飛散するが、前記ビーム投射口４に向かうフラックス滓は、前記エアノズル２１から集塵トレイ２２に向かうエア流に遮られて前記防塵ガラス１３まで到達することができず、該防塵ガラス１３に付着するのが防止されるだけでなく、前記エア流に運ばれて前記集塵トレイ２２内にエア流入口３４から流入し、前記フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃで捕集される。このとき、最も粒径の大きいフラックス滓は第１のフィルタ３８ａで捕集され、中間の粒径のフラックス滓は第２のフィルタ３８ｂで捕集され、最も粒径の小さいフラックス滓は第３のフィルタ３８ｃで捕集される。

前記フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃを通過したエアは、フラックス滓が分離された浄化エアとなり、その大部分は集塵トレイ２２の後部のエア流出口３５から外部に流出するが、エアの一部は、前記フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの内部を伝って上向きに流れ、集塵トレイ２２の上方からも流出する。このとき、この上向きに分流したエア流によって運ばれるフラックス滓は、前記フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの前記集塵トレイ２２から上方に突出する部分によって捕集される。

なお、図示した例では、前記エアノズル２１が光軸Ｌと直角をなすように角度調節されていて、該光軸Ｌと直角にエアを噴射するようになっているが、実際の使用状況に応じて前記エアノズル２１の傾斜角度を上下方向に調節することにより、該エアノズル２１から斜め上向きあるいは斜め下向きにエアを噴射することもできる。例えば、噴射されたあと次第に上下方向に拡散するエア流に乗ってフラックス滓がはんだ付け対象に向かうのを防止する必要がある場合には、前記エアノズル２１を斜め上向きにすることにより、エアを光軸に対して斜め上向きに噴射し、噴射されたエアが前記集塵トレイ２２のエア流入口３４内に確実に流入するようにすることが望ましい。

また、図示した実施形態では、前記複数のフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの孔径及びセル数が互いに異なっているが、該フィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの孔径及びセル数は互いに同じであっても良い。また、前記フィルタを必ずしも３枚使用する必要はなく、該フィルタの数は２枚であっても、４枚以上であっても、あるいは１枚であっても良い。
更に、図示した実施形態では、ハウジング２の先端のビーム投射口４に最も近い位置に防塵ガラス１３が設けられているが、このような防塵ガラス１３を設けることなく、光学レンズの一つがビーム投射口４に直接臨むように配置されているレーザーヘッドにも本発明は適用することができる。

前記レーザーヘッド１は、はんだ付け対象に応じて図１に示す場合とは上下逆向きに使用することもできる。このような向きで使用するレーザーヘッドにおいては、集塵トレイ２２の該レーザーヘッドに対する取り付け姿勢を図１の場合とは上下逆向きにし、底壁２２ａ側をトレイ取付ブラケット３１に連結する。これにより、前記レーザーヘッドを図１に示す場合と上下逆向きにしても、前記集塵トレイ２２及びフィルタ３８ａ，３８ｂ，３８ｃは図１の場合と同じ上下方向の姿勢を保つことになる。

１ レーザーヘッド
２ ハウジング
３ はんだ付け対象
４ ビーム投射口
５ 線状はんだ
７ エアカーテン機構
２１ エアノズル
２２ 集塵トレイ
２５ エア噴射口
３４ エア流入口
３５ エア流出口
３７ フィルタ取付部
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ フィルタ
Ｂ レーザービーム
Ｌ 光軸
Ｄ ビーム投射口の口径
Ｘ エア噴射口の長さ
Ｙ エア流入口の横幅

Claims (6)

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投射し、該はんだ付け対象に供給されるはんだを溶融させてはんだ付けを行うはんだ付け用レーザーヘッドであってあって、
   前記レーザーヘッドは、筒状のハウジングと、該ハウジングの内部に前記レーザービームの光軸に沿って配設された光学部品と、前記ハウジングの前端に形成されたビーム投射口と、前記光学部品に塵埃が付着するのを防止するエアカーテン機構とを有し、
   前記エアカーテン機構は、前記光軸を挟んで相対するように配設されたエアノズルと集塵トレイとを有し、
   前記エアノズルは、前記光軸と直交する方向に細長く延在するエア噴射口を有し、該エア噴射口から前記集塵トレイに向けて前記光軸を横切る方向にエアを噴射するように配設され、
   前記集塵トレイは、前記エアノズルからのエアが流入するエア流入口と、該エア流入口にエアと共に流入した塵埃を捕集するフィルタとを有する、
   ことを特徴とするエアカーテン機構付きはんだ付け用レーザーヘッド。
2. 前記エアカーテン機構は、前記ハウジングの外部において前記ビーム投射口の前方に配設さ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. 前記エアノズルにおける前記エア噴射口の長さは前記ビーム投射口の口径と少なくとも同じであり、前記集塵トレイにおける前記エア流入口の横幅は前記エア噴射口の長さと少なくとも同じであ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. 前記集塵トレイは、前端部に開口する前記エア流入口と、後端部に開口するエア流出口と、前記前端部と後端部側との間に形成されたフィルタ取付部とを有し、該フィルタ取付部に前記フィルタが、前記エア流入口からエア流出口に至るエア流路を横切る姿勢で着脱自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のレーザーヘッド。
5. 複数のフィルタが前記エア流路に沿って並設されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザーヘッド。
6. 前記フィルタは、海綿状をした３次元骨格構造を有する金属多孔板からなることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のレーザーヘッド。

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