JP2019517922A - レーザエネルギーによって半田材料堆積物を溶融するための方法およびレーザ構成 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザエネルギーによって半田材料堆積物を溶融するための方法に関し、当該方法において、第１のレーザ源から発せられるレーザ放射が、第１のレーザデバイス（１１）によって第１の適用フェーズにおいて半田材料堆積物に適用され、第２のレーザ源から発せられるレーザ放射が、第２のレーザデバイス（１２）によって第２の適用フェーズにおいて半田材料堆積物に適用され、第１のレーザ源は第２のレーザ源よりも低いレーザパワーを有しており、スイッチングデバイス（３０）によって第１の適用フェーズから第２の適用フェーズにスイッチングが行われ、スイッチングは温度センサによってトリガされ、温度センサによって半田材料堆積物の温度が少なくとも第１の適用フェーズ中に測定される。

Description

本発明は、レーザエネルギーによって半田材料堆積物を溶融するための方法に関し、当該方法において、第１のレーザ源から発せられるレーザ放射が、第１のレーザデバイスによって第１の適用フェーズにおいて半田材料堆積物に適用され、第２のレーザ源から発せられるレーザ放射が、第２のレーザデバイスによって第２の適用フェーズにおいて半田材料堆積物に適用され、第１のレーザ源は第２のレーザ源よりも低いレーザパワーを有しており、スイッチングデバイスによって第１の適用フェーズから第２の適用フェーズにスイッチングが行われ、スイッチングは温度センサによってトリガされ、温度センサによって半田材料堆積物の温度が少なくとも第１の適用フェーズ中に測定される。さらに、本発明は、上記方法を実行するためのレーザ構成に関する。

レーザデバイスが使用される、半田材料堆積物を溶融するための方法は十分に公知である。互いに接続されるべき２つのコンポーネント同士の間の接合部に適用されるとともに接続部を作り出すために溶融される特に半田ボールとして実現される半田材料堆積物を溶融するためには、レーザエネルギーが特に好適である。なぜならば、レーザ放射は高エネルギー密度を含んでおり、したがって、半田材料堆積物へのエネルギーの点状の適用は、非常に短時間で半田材料堆積物を溶融するために十分であるからである。半田材料は、放射の形態でレーザ源から発せられるレーザエネルギーの吸収により加熱される。半田材料堆積物または半田材料堆積物として使用される半田材料の吸収能力が良好であるほど、その加熱に寄与することなく反射放射として半田材料から反射されるレーザ放射の部分が小さくなる。実際、放射反射によって引き起こされるエネルギーの有意な損失は、溶融に必要である十分なエネルギー量を半田材料堆積物に吸収により入力するために受け入れられている。

本発明の目的は、より少ないレーザパワーを必要とする半田材料堆積物の溶融が可能になるような方法およびレーザ構成を提案することである。

この目的を達成するために、本発明に従った方法は請求項１の特徴を有する。
本発明に従うと、２つのレーザデバイスが半田材料堆積物を溶融するために使用される。これらのレーザデバイスは、半田材料堆積物を溶融するための方法を第１の適用フェーズおよび第２の適用フェーズに分割することを可能にする。第１のレーザ源から発せられるレーザエネルギーは、第１の適用フェーズにおいて半田材料堆積物に適用され、第２のレーザ源から発せられるレーザエネルギーは、第２の適用フェーズにおいて半田材料堆積物に適用される。この文脈において、第１のレーザ源は第２のレーザ源より低いレーザパワーを有しており、そのため、半田材料堆積物の溶融を可能にしないがより高い温度レベルまでの半田材料堆積物の加熱を介して半田材料堆積物の吸収能力を増加するようエネルギーが第１のレーザ源によって半田材料堆積物に入力される。これによって、第１のレーザ源より大きなレーザパワーを有する第２のレーザ源による第２の適用フェーズにスイッチングした後、第１の適用フェーズにおいて達した温度レベルからスタートして融解温度まで半田材料堆積物を加熱するのに十分なエネルギーのみが付加的に半田材料堆積物に入力されればよく、これにより、第１の適用フェーズの後に半田材料堆積物の増加した吸収能力に起因してレーザ放射の反射部分が低減され、その結果、放射有効性が増加されるということが有利に達成される。

本発明に従って半田材料堆積物を溶融するための方法を第１の適用フェーズおよび第２の適用フェーズに分割することによって得られる特に肯定的な効果は、第２の適用フェーズ中に使用されるレーザデバイスのレーザパワーが有意に低減され得るということである。一方では、レーザ源のパワーは一般的に、高パワー範囲においてよりも低パワー範囲においてより正確に制御することができるので、結果的にレーザパワーのより正確な制御が可能である。他方では、特に高パワー範囲において発生する熱的ダメージが防止され得る。第２のレーザデバイスのレーザ源の必要とされるレーザパワーは特に、スタートから低くセットされ得、これにより、一方ではデバイスコストの低減が可能になり、他方ではさらに、当該方法に使用されるレーザ構成の小型化が可能になる。

さらに少ないレーザパワーを使用して第２のレーザデバイスを動作することができるように、第１のレーザデバイスを使用するレーザ放射の適用に加えて、第２の適用フェーズにおいて第２のレーザデバイスを使用する半田材料堆積物へのレーザ放射の適用が行われる場合は、特に有利である。

本発明に従った方法において使用されスイッチングデバイスを介して第１の適用フェーズから第２の適用フェーズへのスイッチングをトリガする温度センサがさらに第２の適用フェーズ中に半田材料堆積物の温度を測定するために使用されるとともに第２の適用フェーズが半田材料堆積物の温度に依存して終了される場合、当該方法は、最小の技術的費用を使用して実行され得る。

好ましくは、スイッチング温度は半田材料堆積物の特性に依存して選択される。そのため、スイッチング温度を決定するために、各場合においてスイッチング温度を規定する際に、材料温度とともに変化する材料固有の吸収能力が考慮される。

第１のレーザデバイスが、規定されたデューティサイクルについてクロック制御されるスタンバイモードにおいてスイッチオンされ、温度センサによって測定される半田材料堆積物の現在温度に依存して、スイッチングデバイスによりオペレーティングモードにスイッチングされる場合は特に有利である。従って、第１の適用フェーズから第２の適用フェーズにスイッチングをトリガするためにまたは必要な場合には第２の適用フェーズを終了するためにだけでなく、半田材料堆積物を検出するためにも、温度センサを使用することが可能になる。なぜならば、半田材料堆積物の温度の測定は半田材料堆積物の存在を想定しているからである。したがって、温度センサは、第１のレーザデバイスのデューティサイクル中に温度センサによって半田材料堆積物の温度が測定され得る場合に上記方法をトリガすることを可能にする。これは、クロック制御される態様で繰り返され、その間は第１のレーザデバイスはオペレーティングモードにある。半田材料堆積物が存在する場合にのみ半田材料堆積物の温度が測定され得ることは明らかであるので、温度センサによって決定される温度値は半田材料堆積物の存在を示す。

本発明に従ったレーザ構成は請求項６の特徴を有する。
本発明によれば、レーザ構成は、第１のレーザ源を有する第１のレーザデバイスと、第２のレーザ源を有する第２のレーザデバイスとを含み、第１のレーザ源は第２のレーザ源より低いレーザパワーを発する。さらに、本発明に従ったレーザ構成は、第２のレーザ源をアクティベートするためのスイッチングデバイスを含んでおり、スイッチングデバイスは、スイッチングデバイスをトリガするための温度センサに接続される。

好ましくは、第１のレーザデバイスはレーザ源としてダイオードレーザを含み、第２のレーザデバイスはレーザ源としてパルスレーザを含むので、これらのレーザデバイスを選択する場合に本発明に従った方法を実行することにより得られる特別の利点は既に考慮に入れられ得る。すなわち、相対的に低パワーを有し、かつ、吸収能力の増加を可能にする温度レベルに半田材料堆積物をすることにのみ十分であればよいレーザ源が第１のレーザデバイスに使用され、第１のレーザデバイスと比較して第２のレーザデバイスは「パワーレーザ」として実現されるという事実である。

温度センサが半田材料堆積物の反射ビームのビーム経路において配される赤外線センサとして実現される場合、一方では、半田材料堆積物の温度が非接触の態様で測定され得、他方では、レーザエネルギーの適用により何らかの態様で得られる反射ビームが温度を測定するために使用され得る。

第１のレーザ源のレーザビーム経路および第２のレーザ源のレーザビーム経路が、少なくともセクションにおいて同時に延在するビームチャネルが反射ビームのビーム経路について実現される場合、すべてのビーム経路は、１つのビームチャネルのみを実現することにより環境から保護され得る。

好ましくは、ビームチャネルは、第１の適用フェーズおよび第２の適用フェーズ中に半田材料堆積物を受け入れるための半田材料堆積物受け部を含み、ビーム経路は、レーザビーム経路または反射ビーム経路を保護するために機能するだけでなく、接合部において半田材料堆積物の規定された配置のためにも機能する。

以下において、本発明に従った方法の好ましい実施形態と、当該方法を実行するのに好適なレーザ構成とを図面によりさらに説明する。

図１は、第１のレーザデバイス１１および第２のレーザデバイス１２を有するレーザ構成１０を示しており、レーザデバイス１１は、ダイオードレーザ１３として実現されるレーザ源を含み、レーザデバイス１２は、パルスレーザ１４として実現されるレーザ源を含む。本例において適用カニューレ１７として実現されるビームチャネルにおいて、ダイオードレーザ１３のレーザビーム経路１５とパルスレーザ１４のレーザビーム経路１６とを偏向するために、２つの半透過性の光学ミラー１８および１９を含むビームデフレクタデバイス２０が設けられている。光学ミラー１８および１９は、ダイオードレーザ１３のレーザビーム経路１５が光学軸２１上の第１のミラー１８を透過し、第２のミラー１９が適用カニューレ１７中へダイオードレーザ１３のレーザビーム経路１５を偏向するような態様で、ダイオードレーザ１３の光学軸２１上で列状に配されている。そのため、適用カニューレ１７に沿ったレーザビーム経路１５は、半田材料堆積物受け部２３に向かうよう方向付けされている。半田材料堆積物受け部２３は、適用カニューレ１７の下端上に形成されており、適用開口部２２が設けられている。

パルスレーザ１４のレーザビーム経路１６は、ビームデフレクタデバイス２０の第１のミラー１８によってパルスレーザ１４の光学軸２４からダイオードレーザ１３の光学軸２１の方向に偏向され、その後さらに、ビームデフレクタデバイス２０の第２のミラー１９から適用カニューレ１７の下端上に形成される半田材料堆積物受け部２３に方向付けられる。

さらに、レーザ構成１０は、示された例示的な実施形態において、赤外線センサ２５として実現されるセンサデバイス２９の温度センサ２５を含んでおり、温度センサ２５は、適用カニューレ１７内に形成される光学軸２６上に配され、第１の信号線２７を介してレーザデバイス１１に接続され、かつ、第２の信号線２８を介してレーザデバイス１２に接続されている。

温度センサ２５に加えて、センサデバイス２９はさらに、信号線２７および２８を別々にまたは同時にアクティベートすることが可能であるスイッチングデバイス３０を含む。「信号線」という用語は、この例において、信号が信号線を介して非接触の態様でも送信され得るように単独で機能的なものであると理解されるべきである。

この例において半田ボール３１として形成される半田材料堆積物を溶融するための方法を実行するために、レーザ構成１０は、アクティベートされ、適用カニューレ１７の半田材料堆積物受け部２３中への半田材料堆積物の配置から開始する。互いに接続されるべき２つのコンポーネント間の接合部（この例ではさらに示されない）に半田ボール３１を適用するための適用方法の実施形態に依存して、適用開口部２２は、半田ボール３１より直径が大きくまたは小さくなるように寸法を取られ得る。半田ボール３１が溶融される前に半田ボール３１が適用される場合、半田ボールレセプタクル２３の適用開口部は、半田ボールの直径より大きくなるように寸法を取られ、半田ボール３１が少なくとも部分的に溶融された後で半田ボール３１が適用される場合、適用開口部２２は、半田ボール３１の直径よりも直径が若干小さくなるように寸法を取られる。

示される例示的な実施形態の場合には、レーザ源としてダイオードレーザ１３が設けられる第１のレーザデバイス１１は、ダイオードレーザ１３が、規定されたデューティサイクルについて一定の時間間隔でスイッチオンされレーザビーム３２が発せられるような態様でクロック制御されるスタンバイモードにおいて動作される。

半田ボール３１が適用カニューレ１７の半田材料堆積物受け部２３に存在する場合、レーザビーム３２は反射され、反射ビーム３３は少なくとも部分的にビーム経路軸２６に沿うことになり、反射ビーム３３の赤外線部分は、赤外線センサ２５として実現されるセンサデバイス２９の温度センサによって検出される。この場合、レーザデバイス１１は、規定されたスイッチング温度に対応する半田ボール３１の温度がセンサデバイス２９の赤外線センサ２５によって測定され、かつ、レーザデバイス１２が信号デバイス３０によって信号線２８を介してオペレーティングモードにスイッチングされるまで、レーザデバイス１１がデューティサイクルを超えて十分に長い間オペレーティングモードのままとなるように、信号線２７を介してスタンバイモードからオペレーティングモードにスイッチングされる。したがって、パルスレーザ１４は、ビーム経路１６に沿ってレーザビーム３２を発することによりアクティベートされ、この場合において、半田材料堆積物受け部２３に配される半田ボール３１は、ダイオードレーザ１３のレーザパワーに晒されることに加えて、その後パルスレーザ１４のより高いレーザパワーに晒される。

半田ボール３１の規定された融解温度が赤外線センサ２５により反射ビーム３３を介して達成されれば、パルスレーザ１４はスイッチングデバイス３０を介してスイッチオフされる。その後、半田ボール３１は半田材料堆積物受け部２３から除去される。この除去は、適用開口部２２と半田ボール３１との間の直径比に依存して、好ましくは空気圧によってか、または、熔融した半田ボール３１に接続される基板から適用カニューレ１７を取り除くことによって、適用開口部２２から熔融した半田ボール３１を取り出すことにより行なわれ得る。

２つのレーザデバイスと、信号線を介してレーザデバイスに接続されるスイ ッチングデバイスとを備えるレーザ構成を示す図である。

Claims (10)

1. レーザエネルギーによって半田材料堆積物を溶融するための方法であって、第１のレーザ源から発せられるレーザ放射が、第１のレーザデバイス（１１）によって第１の適用フェーズにおいて前記半田材料堆積物に適用され、第２のレーザ源から発せられるレーザ放射が、第２のレーザデバイス（１２）によって第２の適用フェーズにおいて前記半田材料堆積物に適用され、前記第１のレーザ源は前記第２のレーザ源よりも低いレーザパワーを有しており、スイッチングデバイス（３０）によって前記第１の適用フェーズから前記第２の適用フェーズにスイッチングが行われ、前記スイッチングは温度センサによってトリガされ、前記温度センサによって前記半田材料堆積物の温度が少なくとも前記第１の適用フェーズ中に測定される、方法。
2. 前記第２の適用フェーズにおいて、前記半田材料堆積物へのレーザ放射の前記適用は、前記第１のレーザデバイス（１１）を使用することに加えて、前記第２のレーザデバイス（１２）を使用して行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の適用フェーズの間、前記半田材料堆積物の温度は前記温度センサによって測定され、前記第２の適用フェーズは前記半田材料堆積物の温度に依存して終了されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記半田材料堆積物の特性に依存してスイッチング温度が選択されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１のレーザデバイス（１１）は、規定されるデューティサイクルについてクロック制御されるスタンバイモードにおいてスイッチオンされ、前記温度センサによって測定される前記半田材料堆積物の現在温度に依存して、前記スイッチングデバイス（３０）によってオペレーティングモードにスイッチングされることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
6. 特に半田ボール（３１）として形成される半田材料堆積物にレーザエネルギーを適用するためのレーザ構成（１０）であって、前記レーザ構成は、第１のレーザ源を有する第１のレーザデバイス（１１）と、第２のレーザ源を有する第２のレーザデバイス（１２）とを含み、前記第１のレーザ源は前記第２のレーザ源より低いレーザパワーを発し、前記レーザ構成（１０）は、前記第２のレーザ源をアクティベートするためのスイッチングデバイス（３０）を有しており、前記スイッチングデバイスは、前記スイッチングデバイス（３０）をトリガするための温度センサに接続される、レーザ構成。
7. 前記第１のレーザデバイス（１１）はダイオードレーザ（１３）を含み、前記第２のレーザデバイス（１２）はパルスレーザ（１４）を含むことを特徴とする、請求項６に記載のレーザ構成。
8. 前記温度センサは、前記半田材料堆積物の反射ビーム（３３）のビーム経路に配される赤外線センサ（２５）として実現されることを特徴とする、請求項６または７に記載のレーザ構成。
9. ビームチャネルは前記反射ビーム（３３）の前記ビーム経路のために実現されており、前記第１のレーザ源のビーム経路（１５）および前記第２のレーザ源のビーム経路（１６）は、少なくともセクションにおいて、前記ビームチャネルにおいて同時に延在することを特徴とする、請求項８に記載のレーザ構成。
10. 前記ビームチャネルは、前記第１の適用フェーズおよび前記第２の適用フェーズ中に前記半田材料堆積物を受け入れるための半田材料堆積物受け部（２３）を含むことを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項に記載のレーザ構成。

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