JP2018187638A - レーザーはんだ付け方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板や周囲の弱熱部品の焦げや残渣等の発生を防ぐことができるレーザーはんだ付け技術の提供。【解決手段】レーザーはんだ付け装置と、Ｚ軸駆動装置と、レーザーはんだ付け装置およびＺ軸駆動装置の動作を制御する制御装置と、を備えた自動はんだ付け装置を用いた自動はんだ付け方法であって、制御装置が、レーザー光の照射径Ｄ１がはんだ滴Ｓの直径よりも大きい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる工程、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してフラックスの溶剤成分が揮発し、はんだ粉が溶融しない温度で加熱する工程、レーザー光の照射径Ｄ２がはんだ滴Ｓの直径よりも小さい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる工程、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してはんだ粉が溶融する温度で加熱してはんだ付けをする工程、を含むことを特徴とする自動はんだ付け方法およびその装置。【選択図】図５

Description

本発明は、配線基板の表面に実装される部品に対するはんだ付け作業を自動化するためのレーザーはんだ付け方法および装置に関する。

はんだ付け対象にレーザー光をスポット状に投射してはんだ付けを行うレーザーはんだ付け装置および方法が従来から知られている。レーザーはんだ付け装置および方法により、微細な部分へのはんだ付けを非接触で行うことが可能となった。他方で、レーザーはんだ付け方法では、急激な加熱が行われることからプリント基板に与える局所的な熱ストレスが大きく、配線基板を焼損したり、はんだボールが発生したり、はんだ付け領域外に飛び散った残渣が生じたりするという課題があった。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、レーザー照射域Ｌ３の直径をはんだ滴Ｓの直径よりも小さくした場合のはんだ滴Ｓおよびはんだ付け領域（ランドエリア）４５の状態を説明する平面図であり、図１１（ｄ）〜（ｆ）は、レーザー照射域Ｌ４の直径をはんだ付け領域４５よりも大きくした場合のはんだ滴Ｓおよびはんだ付け領域４５の状態を説明する平面図である。
図１１（ａ）では、はんだ付け領域４５である電極パッド（ランド）には、はんだ滴Ｓが形成されている。図１１（ｂ）では、レーザー照射域Ｌ３をはんだ滴Ｓの直径よりも充分に小さくなるように調整した状態を示している。図１１（ｃ）では、図１１（ｂ）の状態からレーザー光を照射した後の状態を示しており、はんだ付け領域４５の周辺には残渣４６が生じている。

図１１（ｄ）では、はんだ付け領域４５である電極パッド（ランド）には、はんだ滴Ｓが形成されている。図１１（ｅ）では、レーザー照射域Ｌ４をはんだ付け領域４５よりも充分に大きくなるように調整した状態を示している。図１１（ｆ）では、図１１（ｅ）の状態からレーザー光を照射した後の状態を示しており、はんだ付け領域４５の周辺には焦げ４７が生じている。

近年では、急激な加熱によるフラックスの突沸や基板焼損等の問題を防ぐために、はんだ粉が溶融せずフラックスの溶剤成分が気化するまで予備加熱を行い、その後、はんだ粉の溶融温度に本加熱することが行われている。この予備加熱はヒーター等で行われる場合もあれば、レーザー光の照射により行われる場合もある。
例えば、特許文献１では、はんだ付け用レーザーに加え予備加熱用レーザーを設け、照射径の大きい予備加熱用レーザーはんだ付け用レーザーを同時に照射してはんだ付けを行う装置が提案されている。

特公平８−１８１２５号公報

電極パッド（ランド）の表面にはんだ滴を塗布してレーザー光で加熱をする技術においては、ランドエリアの外側を含んでレーザー光を照射すると、基板や周囲の弱熱部品を焦がしてしまうという課題がある。他方で、ランドエリアに塗布されたはんだ滴の直径よりも充分に小さい領域にレーザー光を照射するとフラックスの突沸等によりランドエリア外（はんだ付け領域外）に残渣が飛び散ったり、未溶融のまま周囲に散らばったり、はんだボールになったりするという課題がある。

また、レーザーはんだ付け装置により配線基板等のワークに対し自動ではんだ付けを行う場合、同装置をＸＹＺロボットのロボットヘッドに搭載する必要がある。ここで、ロボットヘッドの重量が増すと駆動装置も大型化する必要があるため、ロボットヘッドに搭載するレーザーはんだ付け装置の軽量化を図ることが好ましい。他方で、ロボットヘッドにカメラを搭載して、はんだ付けの状況をチェックしたいとのニーズもある。

そこで、本発明は、基板や周囲の弱熱部品の焦げや残渣等の発生を防ぐことができるレーザーはんだ付け技術を提供することを目的とする。また、軽量化に適した構造を有するレーザーはんだ付け装置を提供することも目的とする。

本発明の自動はんだ付け方法は、レーザーはんだ付け装置と、レーザーはんだ付け装置を上下方向に駆動するＺ軸駆動装置と、演算装置および記憶装置を備え、レーザーはんだ付け装置およびＺ軸駆動装置の動作を制御する制御装置と、を備えた自動はんだ付け装置を用いた自動はんだ付け方法であって、前記レーザーはんだ付け装置が、下部開口および下部開口と連通する照射用孔を有する本体と、レーザー装置と、照射用孔にレーザー装置からのレーザー光を入射する光ファイバと、レーザー光を反射または透過して下部開口に導光するミラーと、を備え、前記制御装置が、前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ１がはんだ滴Ｓの直径よりも大きい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第一高さ合わせ工程、前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してフラックスの溶剤成分が揮発し、はんだ粉が溶融しない温度で加熱する予備加熱工程、前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ２がはんだ滴Ｓの直径よりも小さい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第二高さ合わせ工程、前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してはんだ粉が溶融する温度で加熱してはんだ付けをする本加熱工程、を含むことを特徴とする。

上記自動はんだ付け方法において、前記レーザー装置が、単一のレーザー装置により構成されることを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け方法において、前記第一高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ１を前記はんだ滴Ｓの直径の１．１倍〜２倍の範囲内に設定することを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け方法において、前記第二高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ２を前記はんだ滴Ｓの直径の０．１倍〜０．９倍の範囲内に設定することを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け方法において、前記本加熱工程において、前記予備加熱工程と比べ高出力でレーザー光を照射することを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け方法において、前記本体が、撮像用孔を備え、さらに、撮像用孔および前記ミラーを介してワークを撮像する撮像装置と、を備え、前記本加熱工程において、はんだ付け後のワークを撮像することを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け方法において、前記制御装置が、前記はんだ滴Ｓの直径、当該直径に対応する照射径Ｄ１およびＤ２の組み合わせ並びにレーザー光の出力を複数パターン記憶しており、選択された一のパターンに基づき前記第一高さ合わせ工程および前記第二高さ合わせ工程を実行することを特徴としてもよい。

本発明の自動はんだ付け装置は、レーザーはんだ付け装置と、レーザーはんだ付け装置を上下方向に駆動するＺ軸駆動装置と、演算装置および記憶装置を備え、レーザーはんだ付け装置およびＺ軸駆動装置の動作を制御する制御装置と、を備えた自動はんだ付け装置であって、前記レーザーはんだ付け装置が、下部開口および下部開口と連通する照射用孔を有する本体と、レーザー装置と、照射用孔にレーザー装置からのレーザー光を入射する光ファイバと、レーザー光を反射または透過して下部開口に導光するミラーと、を備え、前記制御装置が、前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ１がはんだ滴Ｓの直径よりも大きい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第一高さ合わせ工程、前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してフラックスの溶剤成分が揮発し、はんだ粉が溶融しない温度で加熱する予備加熱工程、前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ２がはんだ滴Ｓの直径よりも小さい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第二高さ合わせ工程、前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してはんだ粉が溶融する温度で加熱してはんだ付けをする本加熱工程、を実行することを特徴とする。
上記自動はんだ付け装置において、前記レーザー装置が、単一のレーザー装置により構成されることを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け装置において、前記第一高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ１を前記はんだ滴Ｓの直径の１．１倍〜２倍の範囲内に設定できることを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け装置において、前記第二高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ２を前記はんだ滴Ｓの直径の０．１倍〜０．９倍の範囲内に設定できることを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け装置において、前記本加熱工程において、前記予備加熱工程と比べ高出力でレーザー光を照射できることを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け装置において、前記本体が、撮像用孔を備え、さらに、撮像用孔および前記ミラーを介してワークを撮像する撮像装置と、を備えることを特徴としてもよい。
上記自動はんだ付け装置において、前記撮像用孔が垂直孔であり、前記撮像用孔の下側の端部開口である前記下部開口から前記レーザー光を照射すること、前記照射用孔が水平孔であり、前記撮像用孔と前記照射用孔の交点に前記ミラーが配置されることを特徴としてもよい。

本発明によれば、基板や周囲の弱熱部品を焦げや残渣等の発生を防ぐことができるレーザーはんだ付け技術を提供することが可能となる。
また、軽量化に適した構造を有するレーザーはんだ付け装置を提供することが可能となる。

第一実施形態に係るレーザーはんだ付け装置の正面図である。 第一実施形態に係るレーザーはんだ付け装置の正面断面図である。 取付部材に装着されたレーザーはんだ付け装置および吐出装置の正面図である。 第一実施形態に係る自動はんだ付け装置の正面図である。 第一実施形態に係る自動はんだ付け方法の処理手順を示すフローチャートである。 （ａ）自動はんだ付け開始前に形成されたはんだ付け領域に収まるはんだ滴Ｓを示す平面図、（ｂ）ＳＴＥＰ２におけるはんだ滴Ｓと照射域Ｌ１を示す平面図、（ｃ）ＳＴＥＰ３におけるはんだ滴Ｓを示す平面図、（ｄ）ＳＴＥＰ４におけるはんだ滴Ｓと照射域Ｌ２を示す平面図、（ｄ）ＳＴＥＰ５を経たはんだ付け完了状態を示す平面図である。 （ａ）自動はんだ付け開始前に形成されたはんだ付け領域に収まらないはんだ滴Ｓを示す平面図、（ｂ）ＳＴＥＰ２におけるはんだ滴Ｓと照射域Ｌ１を示す平面図、（ｃ）ＳＴＥＰ３におけるはんだ滴Ｓを示す平面図、（ｄ）ＳＴＥＰ４におけるはんだ滴Ｓと照射域Ｌ２を示す平面図、（ｄ）ＳＴＥＰ５を経たはんだ付け完了状態を示す平面図である。 （ａ）ＳＴＥＰ２におけるはんだ滴Ｓとレーザーはんだ付け装置を示す側面図、（ｂ）ＳＴＥＰ４におけるはんだ滴Ｓとレーザーはんだ付け装置を示す側面図である。 第二実施形態に係るレーザーはんだ付け装置の正面断面図である。 第三実施形態に係るレーザーはんだ付け装置の正面断面図である。 （ａ）従来技術における自動はんだ付け開始前のはんだ滴Ｓを示す平面図、（ｂ）レーザー照射直前のはんだ滴Ｓと照射域Ｌ３を示す平面図、（ｃ）自動はんだ付け完了後のはんだ滴Ｓを示す平面図、（ｄ）従来技術における自動はんだ付け開始前のはんだ滴Ｓを示す平面図、（ｅ）レーザー照射直前のはんだ滴Ｓと照射域Ｌ４を示す平面図、（ｆ）自動はんだ付け完了後のはんだ滴Ｓを示す平面図である。

［第一実施形態］
＜構成＞
第一実施形態に係るレーザーはんだ付け装置１は、図１に示すように、はんだ付け装置本体２と、撮像装置３と、光ケーブル４と、を備えて構成される。
はんだ付け装置本体２は、正面視Ｌ字形であり、内部に円筒状の垂直孔である撮像用孔５および円筒状の水平孔である照射用孔６が形成されている（図２参照）。はんだ付け装置本体２の側端部には、光ファイバ（すなわち、光ファイバコア２１およびクラッド）を被覆してなる光ケーブル４が光学的に接続されている。
撮像用孔５の上部開口部分には撮像装置３が設置されており、撮像用孔５の下部開口７から塗布領域を撮像する。撮像装置３は、例えばカラーＣＣＤカメラであり、撮像装置３の撮像中心とレーザー光の光軸は一致している。第一実施形態では、Ｚ駆動装置４３によりワークに対して集光レンズ１４を昇降できるので、スポット径調整用のズームレンズは不要である。他方で、予備加熱時または本加熱時の高さで焦点が合うようにすると、昇降動作無しに撮像装置３の焦点あわせができるので好ましい場合もある。予備加熱時または本加熱時の高さで焦点合わせを可能とすべく、撮像装置３の装置本体２に対する物理的な位置を調節可能とする撮像位置調節機構（図示せず）を設けてもよい。この撮像位置調節機構は、例えばボールネジと電動モータとの組み合わせにより構成される。

撮像装置３は、撮像した画像をソフトウェアで処理することができるものであればＣＣＤカメラ以外のものを採用することもでき、必要に応じて拡大レンズや照明を備えてもよい。なお、本実施形態では、撮像装置３を集光レンズ１４の真上に配置しているので、ワークの向きと撮像画像の向きが一致する（後述する第二実施形態および第三実施形態のように撮像画像の向きが反転しない点で有利である。）。
本実施形態では、撮像装置３はレンズを備えておらず、半田付け装置本体２に後述する撮像用レンズ１２と集光レンズ１４を設けている。ここで、レンズ倍率は、「撮像用レンズ１２のｆ値／集光レンズ１４のｆ値」により従属的に決定される。重量およびコストの観点からは、レンズ構成枚数が少ない単焦点レンズを用いることが好ましい。ワークの位置・寸法を高精度で測定するためには、比較的倍率が高く被写界深度が浅い高倍率のレンズを用いることが好ましい。

撮像用孔５には、ミラー１１と、撮像用レンズ１２と、集光レンズ１４とが配置されている。ミラー１１は、撮像用孔５および照射用孔６が直交する位置に配置され、可視光を透過しレーザー光を反射するハーフミラーである。ミラー１１は、光ファイバコア２１からの照射光の光軸に対し４５度傾斜して配置されており、撮像装置３に対しては集光レンズ１４からの光を透過し、光ファイバコア２１からの照射光を反射して集光レンズ１４に入射する。
撮像用レンズ１２は、ミラー１１からの透過光を撮像装置３に導くレンズである。集光レンズ１４は、はんだおよびはんだ付け領域４５からの反射光を集光し、光ファイバコア２１からのレーザー光をはんだ付け領域４５である電極パッド（ランド）にスポット状に照射するための平凸レンズである。

照射用孔６には、ファイバ用レンズ１３が配置されている。ファイバ用レンズ１３は、光ファイバコア２１の端部から発せられた光を平行光にしてミラー１１に入射するコリメートレンズである。照射用孔６のミラー１１と反対側の端部には照射用孔６と比べ大幅に細い貫通孔に光ファイバコア２１の端部が挿通されている。水平方向に延びる光ファイバコア２１のミラー１１と反対側には、連結部２２が設けられている。連結部２２には、光ケーブル４の終端部に設けられたフェルールと連結されたナット２３が連結される。なお、図２では、連結部２２およびナット２３を簡略化して描画している。
光ケーブル４は、レーザー装置（図示せず）に接続されており、レーザー装置から射出されたレーザー光を伝送する。このレーザー装置は、例えば予備加熱時には数百ｍＷ〜３０Ｗ（または数百ｍＷ〜２０Ｗ）のレーザー光を数秒間照射し、本加熱時には数Ｗ〜数十Ｗのレーザー光を数秒間照射する。レーザー光の照射出力をどの程度とするかは、ワークの種類と塗布径に基づき設定される。

レーザーはんだ付け装置１は、Ｚ駆動装置４３と連結された取付部材８に装着されている。図３に示すように、取付部材８は、略矩形の板状部材により構成されており、レーザーはんだ付け装置１および吐出装置３０が同一平面上に配置されている。取付部材８が、レーザーはんだ付け装置１および吐出装置３０を保持することにより、ＸＺ駆動装置（４１，４３）によりレーザーはんだ付け装置１および吐出装置３０を同時に移動することができる。取付部材８により、レーザーはんだ付け装置１と吐出装置３０とで、別々の駆動装置を設ける必要はなくなるが、取付部材８に取り付けられた機器の総重量が増加するため、各駆動装置の負荷は高くなる。そのため、取付部材８に搭載するレーザーはんだ付け装置１および吐出装置３０は、それぞれ軽量化を図ることが好ましい。

吐出装置３０は、ノズル３１と、貯留容器３２と、容器保持具３３と、固定部材３４と、アダプタ３５と、チューブ３６とを備えている。
ノズル３１は、貯留容器３２の下部開口に着脱自在に連結された汎用ノズルであり、ノズル径の異なるものに交換可能である。
貯留容器３２は、汎用シリンジからなり、容器保持具３３に挿入して保持される。貯留容器３２にはペースト状はんだ（クリームはんだ）が充填されている。ペースト状はんだは、はんだ粉末と、液状またはペースト状（高粘性）のフラックスを混合したものである。ペースト状のフラックスは、溶剤で例えば数万〜数十万ｍＰａ・ｓに粘度調整される。はんだ粉末は、例えば、錫（Ｓｎ）を母体として、鉛（Ｐｂ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち、いずれか一つまたは二つ以上を添加材として含んだ合金にて構成されている。

固定部材３４は、容器保持具３３が有するねじ溝に挿入され、先端部に当接部を有するねじ部材である。固定部材３４を正回転して当接部で押圧することにより貯留容器３２を固定したり、逆回転して固定を解除したりすることができる。
貯留容器３２の上部開口には、アダプタ３５が着脱自在に装着されている。アダプタ３５は、チューブ３６と連結されており、エア供給源（図示せず）からの加圧エアがチューブ３６を介して貯留容器３２内の上部空間に供給される。
なお、吐出装置３０としては、例示のエア式ディスペンサに限定されず、ジェット式、プランジャ式、スクリュー式など任意の方式の吐出装置（ディスペンサ）を用いることができる。ジェット式吐出装置には、一つの液滴を形成する際にニードルの先端をバルブシートに当接させる着座タイプのジェット式吐出装置と一つの液滴を形成する際にニードルの先端をバルブシートに当接させない非着座タイプのジェット式吐出装置があるが、本発明はいずれにも適用可能である。

図４に示す自動はんだ付け装置４０は、レーザーはんだ付け装置１、吐出装置３０と、Ｘ駆動装置４１と、Ｙ駆動装置４２と、Ｚ駆動装置４３と、ステージ４４と、自動はんだ付け装置本体５０と、各駆動装置（４１，４２，４３）の動作を制御する制御装置（図示せず）と、から主に構成される。
ステージ４４は、Ｙ駆動装置４２と連結された板状部材からなり、ステージ４４上にはワーク（例えば、表面に配線パターンが形成され、半導体素子が実装される基板）が載置される。第一実施形態のワークにはアライメントマークが付されており、アライメントマークを基準として上述の撮像装置３の焦点調節およびアライメントが行われる。なお、半導体チップの角などをアライメントマークとして利用してもよい。

レーザーはんだ付け装置１および吐出装置３０は、取付部材８を介してＺ駆動装置４３に搭載され、上下方向（すなわちＺ方向）５２に移動可能とされている。Ｚ駆動装置４３を備えるロボットヘッドは、Ｘ駆動装置４１に搭載され、左右方向（すなわちＸ方向）５１に移動可能とされている。レーザーはんだ付け装置１および吐出装置３０は、Ｙ駆動装置４２と連結されたステージ４４に対し、ＸＹＺ方向に相対移動することが可能である。
各駆動装置（４１，４２，４３）は、微小距離間隔（例えば０．１ｍｍ以下の精度）で連続的に位置決めをすることができ、例えばボールネジと電動モータとの組み合わせや、リニアモータを用いて構成される。

制御装置（図示せず）は、演算装置、記憶装置、表示装置および入力装置を備えたコンピュータであり、接続ケーブル（図示せず）を介して自動はんだ付け装置４０と接続される。制御装置は、塗布座標（＝はんだ付け領域４５の中心座標＝はんだ滴Ｓの中心座標）、塗布座標と対応するはんだ滴Ｓの直径、および、はんだ滴Ｓの直径に対応するレーザー照射径Ｄ１およびＤ２並びにレーザー光の出力を記憶装置に記憶している。
照射径Ｄ１は、予備加熱前のはんだ滴Ｓの直径よりも常に大きく、例えばはんだ滴Ｓの直径の１．１倍〜２倍の範囲内で設定される。予備加熱時は、レーザーのパワー密度が低く部品や基板を焦がすリスクは小さいが、照射径Ｄ１を、はんだ付け領域４５である電極パッド（ランド）内に収まるようにしてもよい。
照射径Ｄ２は、予備加熱前のはんだ滴Ｓの直径の例えば０．１倍〜０．９倍の範囲内で設定される。
予備加熱前のはんだ滴Ｓの直径は、図６に例示されるようにはんだ付け領域４５の範囲内に収まる大きさである場合もあれば、図７に例示されるようにはんだ付け領域４５の範囲内に収まらない大きさである場合（はんだ滴Ｓの直径がはんだ付け領域４５の短辺よりも大きい場合）もある。他方で、照射径Ｄ２は、はんだ付け領域４５の範囲内に収まるように設定され、例えばはんだ付け領域４５である電極パッド（ランド）の短辺または直径の５０〜９５％である。

はんだ滴Ｓの直径に対応するレーザー照射径Ｄ１およびＤ２は、事前の実験により決定される。はんだ付け領域４５毎に形成するはんだ滴Ｓの直径が異なる場合には、対応するレーザー照射径Ｄ１およびＤ２も異なるものとなる。はんだ滴Ｓの直径の変更範囲に閾値を設け、閾値を超える直径変更があった場合に照射径Ｄ１およびＤ２を変更することが好ましい。例えば、一枚の配線基板に対して多数の異なる直径のはんだ滴Ｓを形成する場合でも、直径変更が閾値内で行われる場合には、照射径Ｄ１およびＤ２を変更する必要はない。
はんだ滴Ｓの直径と対応するレーザー照射径Ｄ１およびＤ２並びにレーザー光の出力の関係を予め複数パターン準備し、記憶装置に記憶し、塗布作業に応じて選択された一のパターンを実行することが好ましい。

自動はんだ付け装置本体５０は、卓上型の架台により構成され、内部にはＹ駆動装置４２などが内蔵されている。
なお、本実施形態では、Ｘ駆動装置４１、Ｙ駆動装置４２およびＺ駆動装置４３を備える態様を開示したが、本発明の自動はんだ付け方法を実現するための自動はんだ付け装置は、少なくともＺ駆動装置４３を備えていれば足りる。例えば、ワークを搬送する公知のコンベア装置とＺ駆動装置４３のみを備える自動はんだ付け装置を組み合わせることによっても、本発明の自動はんだ付け方法を実現することは可能である。

＜動作＞
図５〜図８を参照しながら、自動はんだ付け装置４０によるはんだ付け動作を説明する。はんだ付け領域４５である電極パッド（ランド）には、はんだ滴Ｓが形成された状態にある（図６（ａ）および図７（ａ）参照）。
ＳＴＥＰ１： 制御装置は、Ｘ駆動装置４１およびＹ駆動装置４２を駆動して、下部開口７の中心直下にはんだ滴Ｓの中心が位置するようにロボットヘッド（Ｚ駆動装置）４３の水平位置合わせを行う。
ＳＴＥＰ２： 制御装置は、ロボットヘッド（Ｚ駆動装置）４３を上昇または下降移動させて、上方から見た場合にレーザー光の照射域Ｌ１がはんだ滴Ｓの直径よりも大きい予め設定された大きさとなる位置に高さ合わせをする（第一高さ合わせ工程。図６（ｂ）および図７（ｂ）参照）。はんだ滴Ｓの直径および照射域Ｌ１（＝照射径Ｄ１）を実現するためのロボットヘッド（Ｚ駆動装置）４３の高さ座標は、予め制御装置に入力されている。

ＳＴＥＰ３： 制御装置は、レーザー装置に照射指令を送信し、下部開口７からはんだ滴Ｓにレーザー光を数秒間照射して予備加熱する。これによりはんだ滴Ｓが含有するフラックスの溶剤成分が揮発し、はんだ粉が溶融しない温度（例えば、１００〜１７０℃）ではんだ滴Ｓが加熱され、揮発成分の少なくとも一部が蒸発して半固形状となる（図６（ｃ）および図７（ｃ）参照）。なお、予備加熱中、レーザー光の照射出力は一定とすればよいが、照射出力を変更してもよい。
ＳＴＥＰ４： 制御装置は、ロボットヘッド（Ｚ駆動装置）４３を上昇または下降移動させて、上方から見た場合にレーザー光の照射域Ｌ２がはんだ滴Ｓの直径よりも小さい予め設定された大きさとなる位置に高さ合わせをする（第二高さ合わせ工程。図６（ｄ）、図７（ｄ）および図８（ｂ）参照）。照射域Ｌ２（＝照射径Ｄ２）を実現するためのロボットヘッド（Ｚ駆動装置）４３の高さ座標は、予め制御装置に入力されている。
ＳＴＥＰ５： 制御装置は、レーザー装置に照射指令を送信し、下部開口７からはんだ滴Ｓに予備加熱よりも高出力のレーザー光を数秒間照射して本加熱する。これによりはんだ粉が溶融し、塗布領域へのはんだ付け作業が完了する（図６（ｅ）および図７（ｅ）参照）。レーザー光の照射が停止されると、溶融したはんだは急速に固化する。なお、本加熱中、レーザー光の照射出力を変更してもよい。例えば、最初に数Ｗで０．１〜２秒間照射し、続いて１〜４秒間かけて出力を数十Ｗまで漸次増大させてから出力を停止してもよい（計２〜６秒間の照射）。

上記のＳＴＥＰ２および４において、レーザー光の照射域Ｌ１およびＬ２の大きさ（焦点と集光レンズ１４との距離）を調節して、フラックスの溶剤成分の揮発具合およびはんだ粉の溶融具合を調節してもよい。基本的には、レーザー光の光量の調節は不要であるが、上記のＳＴＥＰ５において照射するレーザー光の強度を強めるなどの調整を行っても良い。
上記の各ＳＴＥＰにおいて、撮像装置３によりはんだ滴Ｓの状態を撮像し、表示装置に表示させてもよい。ここで、撮像装置３がズーム機能を備えていない場合には、ＳＴＥＰ２またはＳＴＥＰ４の高さ合わせ完了時に焦点が合うように調節してもよい。特にＳＴＥＰ４において焦点が合うように調節しておくとはんだ付け作業完了後（ＳＴＥＰ５完了後）の状態を撮像し、はんだ付け作業の良否を判定することが可能となる。なお、レンズ１２の上下方向位置を調節する位置調節機構を設けてもよい。

以上に説明した第一実施形態のレーザーはんだ付け装置１によれば、予備加熱と本加熱を行うことで、基板や周囲の弱熱部品を焦げや残渣等の発生を防ぐことができるレーザーはんだ付け装置を提供することが可能となる。また、レーザー装置（光源）を一つとし、光学部品の数を最小限とすることで、レーザーはんだ付け装置の軽量化を図ることを可能としている。

［第二実施形態］
図９は、第二実施形態に係るレーザーはんだ付け装置６０の正面断面図である。第二実施形態は、撮像装置３がはんだ付け装置本体２の側方に配置され、光ケーブル４がはんだ付け装置本体２の上方に配置される点で第一実施形態と主に相違する。
はんだ付け装置本体２は、正面視Ｌ字形であり、内部に円筒状の水平孔である撮像用孔５および円筒状の垂直孔である照射用孔６が形成されている。照射用孔６の端部に設けられた下部開口７には、集光レンズ１４が装着されている。撮像装置３および光ケーブル４は、第一実施形態と同様である。
ミラー１１はハーフミラーであり、光ケーブルの端部から照射されたレーザー光はミラー１１を透過して電極パッド（ランド）に照射される。集光レンズ１４に入射された可視光はミラー１１により反射され撮像装置３に入射する。撮像用レンズ１２、ファイバ用レンズ１３および集光レンズ１４は、第一実施形態と同様である。

以上に説明した第二実施形態のレーザーはんだ付け装置６０によれば、予備加熱と本加熱を行うことで、基板や周囲の弱熱部品を焦げや残渣等の発生を防ぐことができるレーザーはんだ付け装置を提供することが可能となる。また、レーザー装置（光源）を一つとし、光学部品の数を最小限とすることで、レーザーはんだ付け装置の軽量化を図ることを可能としている。
なお、第二実施形態では、撮像装置３による撮像画像の向きがワークの向きと反転するため、ソフトウェアにより画像処理するか、撮像画像を再反転させるためのミラーを設けることが必要である（この点では、第一実施形態の方が有利である。）。

［第三実施形態］
図１０は、第三実施形態に係るレーザーはんだ付け装置７０の正面断面図である。第三実施形態は、撮像装置３および光ケーブル４の双方がはんだ付け装置本体２の上方に配置される点で第一実施形態と主に相違する。
はんだ付け装置本体２は、正面視コの字形であり、内部に円筒状の垂直孔である撮像用孔５が形成された第一の筒と、内部に円筒状の垂直孔である照射用孔６が形成された第二の筒とを備えている。照射用孔６の端部に設けられた下部開口７には、集光レンズ１４が装着されている。撮像装置３および光ケーブル４は、第一実施形態と同様である。
ミラー１１ａはハーフミラーであり、光ケーブルの端部から照射されたレーザー光はミラー１１ａを透過して電極パッド（ランド）に照射される。集光レンズ１４に入射された可視光はミラー１１ａにより反射されてミラー１１ｂに入射し、ミラー１１ｂに反射されて撮像装置３に入射する。ミラー１１ｂは一般的な鏡により構成することができる。撮像用レンズ１２、ファイバ用レンズ１３および集光レンズ１４は、第一実施形態と同様である。

以上に説明した第三実施形態のレーザーはんだ付け装置６０によれば、予備加熱と本加熱を行うことで、基板や周囲の弱熱部品を焦げや残渣等の発生を防ぐことができるレーザーはんだ付け装置を提供することが可能となる。
なお、第三実施形態では、二枚のミラーを有するため撮像画像の反転は生じないが、光学部品が増え、はんだ付け装置本体２も大きくなるため軽量化の点では第一実施形態の方が有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態例の記載に限定されるものではない。上記実施形態例には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。

１ レーザーはんだ付け装置（第一実施形態）
２ はんだ付け装置本体
３ 撮像装置
４ 光ケーブル
５ 撮像用孔
６ 照射用孔
７ 下部開口
８ 取付部材
１１ ミラー
１２ 撮像用レンズ
１３ ファイバ用レンズ
１４ 集光レンズ
２１ 光ファイバコア
２２ 連結部
２３ ナット
３０ 吐出装置
３１ ノズル
３２ 貯留容器
３３ 容器保持具
３４ 固定部材
３５ アダプタ
３６ チューブ
４０ 自動はんだ付け装置
４１ Ｘ駆動装置
４２ Ｙ駆動装置
４３ Ｚ駆動装置（ロボットヘッド）
４４ ステージ
４５ はんだ付け領域（ランドエリア）
４６ 残渣
４７ 焦げ
５０ 自動はんだ付け装置本体
５１ Ｘ方向
５２ Ｚ方向
６０ レーザーはんだ付け装置（第二実施形態）
７０ レーザーはんだ付け装置（第三実施形態）
Ｓ はんだ滴
Ｄ１，Ｄ２ レーザー照射径
Ｌ１，Ｌ２ レーザー照射域

Claims (14)

1. レーザーはんだ付け装置と、レーザーはんだ付け装置を上下方向に駆動するＺ軸駆動装置と、演算装置および記憶装置を備え、レーザーはんだ付け装置およびＺ軸駆動装置の動作を制御する制御装置と、を備えた自動はんだ付け装置を用いた自動はんだ付け方法であって、
   前記レーザーはんだ付け装置が、
   下部開口および下部開口と連通する照射用孔を有する本体と、
   レーザー装置と、
   照射用孔にレーザー装置からのレーザー光を入射する光ファイバと、
   レーザー光を反射または透過して下部開口に導光するミラーと、を備え、
   前記制御装置が、
   前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ１がはんだ滴Ｓの直径よりも大きい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第一高さ合わせ工程、
   前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してフラックスの溶剤成分が揮発し、はんだ粉が溶融しない温度で加熱する予備加熱工程、
   前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ２がはんだ滴Ｓの直径よりも小さい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第二高さ合わせ工程、
   前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してはんだ粉が溶融する温度で加熱してはんだ付けをする本加熱工程、
   を含むことを特徴とする自動はんだ付け方法。
2. 前記レーザー装置が、単一のレーザー装置により構成されることを特徴とする請求項１に記載の自動はんだ付け方法。
3. 前記第一高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ１を前記はんだ滴Ｓの直径の１．１倍〜２倍の範囲内に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の自動はんだ付け方法。
4. 前記第二高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ２を前記はんだ滴Ｓの直径の０．１倍〜０．９倍の範囲内に設定することを特徴とする請求項３に記載の自動はんだ付け方法。
5. 前記本加熱工程において、前記予備加熱工程と比べ高出力でレーザー光を照射することを特徴とする請求項４に記載の自動はんだ付け方法。
6. 前記本体が、撮像用孔を備え、
   さらに、撮像用孔および前記ミラーを介してワークを撮像する撮像装置と、を備え、
   前記本加熱工程において、はんだ付け後のワークを撮像することを特徴とする請求項５に記載の自動はんだ付け方法。
7. 前記制御装置が、前記はんだ滴Ｓの直径、当該直径に対応する照射径Ｄ１およびＬ２の組み合わせ並びにレーザー光の出力を複数パターン記憶しており、選択された一のパターンに基づき前記第一高さ合わせ工程および前記第二高さ合わせ工程を実行することを特徴とする請求項５に記載の自動はんだ付け方法。
8. レーザーはんだ付け装置と、レーザーはんだ付け装置を上下方向に駆動するＺ軸駆動装置と、演算装置および記憶装置を備え、レーザーはんだ付け装置およびＺ軸駆動装置の動作を制御する制御装置と、を備えた自動はんだ付け装置であって、
   前記レーザーはんだ付け装置が、
   下部開口および下部開口と連通する照射用孔を有する本体と、
   レーザー装置と、
   照射用孔にレーザー装置からのレーザー光を入射する光ファイバと、
   レーザー光を反射または透過して下部開口に導光するミラーと、を備え、
   前記制御装置が、
   前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ１がはんだ滴Ｓの直径よりも大きい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第一高さ合わせ工程、
   前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してフラックスの溶剤成分が揮発し、はんだ粉が溶融しない温度で加熱する予備加熱工程、
   前記Ｚ軸駆動装置により、上方から見た場合にレーザー光の照射径Ｄ２がはんだ滴Ｓの直径よりも小さい予め設定された大きさとなる位置に、レーザーはんだ付け装置の高さを合わせる第二高さ合わせ工程、
   前記レーザー装置に照射指令を送信し、はんだ滴Ｓにレーザー光を照射してはんだ粉が溶融する温度で加熱してはんだ付けをする本加熱工程、
   を実行することを特徴とする自動はんだ付け装置。
9. 前記レーザー装置が、単一のレーザー装置により構成されることを特徴とする請求項８に記載の自動はんだ付け装置。
10. 前記第一高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ１を前記はんだ滴Ｓの直径の１．１倍〜２倍の範囲内に設定できることを特徴とする請求項９に記載の自動はんだ付け装置。
11. 前記第二高さ合わせ工程において、前記照射径Ｄ２を前記はんだ滴Ｓの直径の０．１倍〜０．９倍の範囲内に設定できることを特徴とする請求項１０に記載の自動はんだ付け装置。
12. 前記本加熱工程において、前記予備加熱工程と比べ高出力でレーザー光を照射できることを特徴とする請求項１１に記載の自動はんだ付け装置。
13. 前記本体が、撮像用孔を備え、
    さらに、撮像用孔および前記ミラーを介してワークを撮像する撮像装置と、を備えることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載の自動はんだ付け装置。
14. 前記撮像用孔が垂直孔であり、前記撮像用孔の下側の端部開口である前記下部開口から前記レーザー光を照射すること、
    前記照射用孔が水平孔であり、前記撮像用孔と前記照射用孔の交点に前記ミラーが配置されることを特徴とする請求項１３に記載の自動はんだ付け装置。