JP5007144B2 - レーザー式はんだ付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザービームを使用してＩＣやＬＳＩなどの電子部品やその他のワークを精密にはんだ付けするレーザー式はんだ付け装置に関するものである。

レーザービームを使用してはんだ付けを行う技術は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているように従来より公知である。これらの技術は、はんだ付けヘッドからプリント基板等のはんだ付け対象に向けてレーザービームを投射し、このレーザービームの熱ではんだを溶融させてはんだ付けするもので、非接触ではんだ付けを行うことができるという利点がある。

ところが、従来では、図５及び図６に示すように、はんだ付けヘッド１から円形のレーザービーム２をはんだ付け対象３に対してスポット状に投射していたため、このはんだ付け対象３が、基板４に設けられた環状端子４ａと、その内部に挿入された電子部品５の棒状端子５ａとであるような場合に、これらの環状端子４ａと棒状端子５ａとの間の隙間６を通して電子部品５にレーザービーム２が投射され、該電子部品５の一部に焼けが発生するという問題があった。

一方、特許文献３及び特許文献４には、リング状のレーザービームを使用して対象物を加熱又は加工する技術が開示されている。そこで、このようなリング状のレーザービームを使用して上記環状端子４ａと棒状端子５ａとのはんだ付けを行うようにすれば、上述した電子部品の焼けの問題は解消することができるものと考えられる。
特開平４−５２０７３号公報 特開２００２−１５２１号公報 特開２００５−２８４２８号公報 特開２００６−２２９０７５号公報

しかし、リング状のレーザービームは、環状端子４ａしか加熱するとができず、その中央に位置する棒状端子５ａは加熱することができない。このため、はんだ付けに時間がかかって作業効率が悪く、特に、はんだ付けロボットで多くのはんだ付けポイントを連続してはんだ付けするような場合に、全体の作業効率の悪さが顕著に現れることになる。

そこで本発明の目的は、はんだ付け対象が環状端子とその内部に挿入された棒状端子とであるような場合でも、その両方の端子を加熱することができる特殊な形をしたレーザービームを投射することにより、電子部品の焼けの問題を生じることなく効率良いはんだ付けを行うことができるようにした、簡単な構成のレーザー式はんだ付け装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、基板に形成された環状端子と該環状端子の端子孔内に挿入された電子部品の棒状端子とをはんだ付け対象とし、レーザービームの投射によりはんだを溶融させて上記環状端子と棒状端子とはんだ付けするはんだ付け装置であって、上記はんだ付け装置は、レーザー発振器から出力されたレーザービームが入射される入射部と、該入射部からのレーザービームを上記はんだ付け対象に向けて投射するための投射部とを有し、上記投射部が、円形のレーザービームをリング状に変換して出射するアキシコンレンズを有し、該アキシコンレンズは、平面からなる入射面と円錐面からなる出射面とを有すると共に、入射される円形のレーザービームより小径の中心孔を有していて、このアキシコンレンズで上記円形のレーザービームを、円環状をしたリング部と、該リング部の中心に位置する円形部とに変換し、上記リング部を上記環状端子に上記端子孔の周りを取り囲むように投射すると共に、上記円形部を上記棒状端子に投射するように構成されたことを特徴とするレーザー式はんだ付け装置が提供される。

本発明においては、はんだ付け対象を撮像するためのＣＣＤカメラを有し、該ＣＣＤカメラの撮像用光軸を上記投射部の光軸とを一致させることにより、上記アキシコンレンズの中心孔を通してはんだ付け対象を撮像するように構成することができる。

本発明において好ましくは、上記入射部と投射部とが互いの光軸を９０度交叉させて配設されていて、該投射部が、上記入射部からのレーザービームを該投射部の光軸に沿った向きに反射させるハーフミラーと、該ハーフミラーで反射された円形のレーザービームを所定のビーム径にして上記アキシコンレンズに入射させる光学レンズと、該投射部の先端部に配設された上記アキシコンレンズとを有することである。
また、本発明によれば、基板に形成された環状端子と、該環状端子の端子孔内に挿入された電子部品の棒状端子とを、レーザービームの投射によりはんだを溶融させてはんだ付けする方法であって、レーザー発振器から出力された円形のレーザービームを、アキシコンレンズで円環状をしたリング部と該リング部の中心に位置する円形部とに変換し、上記リング部を上記環状端子に上記端子孔の周りを取り囲むように投射すると共に、上記円形部を上記棒状端子に投射してはんだ付けを行うことを特徴とするレーザー式はんだ付け方法が提供される。

本発明によれば、はんだ付け装置から投射されるレーザービームが、リング部と、該リング部の中心に位置する円形部とで構成されているため、はんだ付け対象が環状端子とその内部に挿入された棒状端子とからなる場合であっても、このレーザービームで両方の端子を加熱することにより、電子部品の焼けの問題を生じることなく効率の良いはんだ付けを行うことができる。また、上記レーザービームは、中心孔を有するアキシコンレンズを投射部に配置するという簡単な技術手段によって発生させることができるため、装置の構成が簡単である。

図１は本発明に係るレーザー式はんだ付け装置の一実施形態を模式的に示すもので、図中の符号１０は、図示しないはんだ付けロボットの多関節アームに取り付けられるはんだ付けヘッド、１１はレーザービームＢ１を出力するレーザー発振器、１２はこのレーザー発振器１１からのレーザービームＢ１を上記はんだ付けヘッド１０に導く光ファイバーを示している。また、１３はプリント配線が施された基板、１４は該基板１３にはんだ付けされる電子部品を示していて、上記基板１３に形成された環状端子１３ａ内に電子部品１４の棒状端子１４ａが挿入された状態ではんだ付けされる。従って、これらの環状端子１３ａと棒状端子１４ａとがはんだ付け対象１５である。

上記はんだ付けヘッド１０は、上記レーザー発振器１１から出力されたレーザービームＢ１が光ファイバー１２を通じて入射される入射部１７と、入射されたレーザービームＢ１をはんだ付け対象１５に向けて投射する投射部１８と、上記はんだ付け対象１５を撮像するためのＣＣＤカメラ１９とを有している。
上記入射部１７と投射部１８とは、それらの光軸即ち入射部光軸Ｌ１と投射部光軸Ｌ２とを互いに９０度交叉させた状態で筒状のハウジング２０の内部に設けられ、このハウジング２０の上端部に上記ＣＣＤカメラ１９が、撮像用の光軸Ｌ３を上記投射部光軸Ｌ２と一致させて配設されている。

上記投射部１８は、上記投射部光軸Ｌ２に沿って順次配設されたハーフミラー２１、凸形をした一対の光学レンズ２２，２３、及び該投射部１８の先端部に出射面をはんだ付け対象１５に対向させて配設された一つのアキシコンレンズ２４を有している。
上記ハーフミラー２１は、レーザー発振器１１からのレーザービームＢ１は透過させることなく反射するが、その他の光（可視光）は透過させる性質を有するもので、上記入射部光軸Ｌ１及び投射部光軸Ｌ２に対してそれぞれ４５度傾斜させて配設され、上記入射部１７から入射された円形の上記レーザービームＢ１を、上記投射部光軸Ｌ２に沿った方向に反射させる。

上記ハーフミラー２１で反射されたレーザービームＢ２は、次第にビーム径が拡大する拡大ビームとして第１光学レンズ２２に入射され、この第１光学レンズ２２で平行なレーザービームＢ３にされたあと、後段の第２光学レンズ２３に入射される。そして、この第２光学レンズ２３で収束されることによってビーム径が次第に減少するレーザービームＢ４とされ、上記アキシコンレンズ２４に入射される。

上記アキシコンレンズ２４の原理的機能を、図２に示す通常のアキシコンレンズ２４ａによって説明すると、このアキシコンレンズ２４ａは、平面からなる入射面２５と、円錐面状をした出射面２６とを有していて、上記入射面２５から入射された円形のレーザービームＢｉを、出射面２６から出射する際に、円錐面２６ａと該円錐面２６ａの頂点２６ｂとにおいて異なる角度に屈折させることにより、リング状のレーザービームＢｏに変換するものである。出射されたレーザービームＢｏをＡ面に投射した場合、そのパターンは図３に示すようなリング状をしている。

これに対し、図１の実施形態におけるアキシコンレンズ２４は、上記通常のアキシコンレンズ２４ａと同様に平面状の入射面２５と円錐面２６ａからなる出射面２６とを有する他に、レンズの中心に、該アキシコンレンズ２４を軸線方向に貫通する中心孔２７を有するもので、この中心孔２７が上記投射部光軸Ｌ２上に位置している。この中心孔２７は、入射される円形のレーザービームＢ４の外径より小径で、このレーザービームＢ４の一部を透過させることにより、小径の円形ビームとして出射するものである。また、上記中心孔２７の出射面２６側の孔縁２７ａが、上記通常のアキシコンレンズ２４ａの頂点２６ｂに相当する。
従って、上記アキシコンレンズ２４から出射されるレーザービームＢ５は、図４からも分かるように、上記円錐面２６ａから出射されるリング部Ｂｒと、上記中心孔２７から出射される円形部Ｂｃとを有し、リング部Ｂｒの中心に円形部Ｂｃが位置することになる。

そして、上記リング部Ｂｒが、環状端子１３ａ上にその端子孔１３ｂの回りを取り囲むように投射されて該環状端子１３ａを加熱すると共に、上記円形部Ｂｃが、棒状端子１４ａ上にスポット状に投射されて該棒状端子１４ａを加熱し、その状態で該レーザービームＢ５によって糸はんだ（図示せず）が溶融されて上記両端子１３ａ，１４ａのはんだ付けが行われる。この結果、電子部品１４の焼けの問題を生じることなく、上記リング部Ｂｒと円形部Ｂｃとによって環状端子１３ａと棒状端子１４ａの両方を加熱しながら、短時間で迅速かつ効率良くはんだ付けを行うことができる。

図示の例では、第２光学レンズ２３から収束された状態のレーザービームＢ４がアキシコンレンズ２４に入射されているため、上記中心孔２７を通る円形ビーム（円形部Ｂｃ）も収束された状態にあり、そのビーム径は次第に減少している。従って、上記アキシコンレンズ２４と第２光学レンズ２３又ははんだ付け対象１５との間の距離を変更することにより、はんだ付け対象１５に投射される上記円形部Ｂｃの径と、リング部Ｂｒの径及びリング幅とを、はんだ付け対象１５に合わせて調整することができる。
一方、上記アキシコンレンズ２４には平行なレーザービームを入射させることもできるが、その場合には、上記中心孔２７を通る円形ビーム即ち円形部Ｂｃも平行光となり、そのビーム径は中心孔２７の孔径とほぼ同じである。従ってこの場合には、上記アキシコンレンズ２４とはんだ付け対象１５との間の距離を変更することにより、リング部Ｂｒの径及びリング幅だけが調整されることになる。

上記ＣＣＤカメラ１９は、撮像用の光軸Ｌ３を投射部光軸Ｌ２と一致させて配設されていて、上記アキシコンレンズ２４の中心孔２７を通じてはんだ付け対象１５を撮像するようになっている。このＣＣＤカメラ１９で撮像されたはんだ付け対象１５の画像は、モニター２９に表示され、例えば、はんだ付けを行う前のティーチングの段階で、この画像を見ながらはんだ付け対象１５に対するレーザービームＢ７の投射位置の位置決めを行うのに使用されたり、はんだ付け時にそのはんだ付けが正常に行われているか否かといったようなことを監視するのに使用されるが、このような技術は特開２００２−１５２１号公報によって既に公知であり、本発明の要旨とも直接関係がないため、これ以上の詳細な説明は省略する。

かくして、中心孔２７を有するアキシコンレンズ２４を投射部１８に１つ配設するという簡単な構成により、このアキシコンレンズ２４でリング部Ｂｒと円形部Ｂｃとを有するレーザービームＢ５を発生させ、このレーザービームＢ５によって、はんだ付け対象１５が環状端子１３ａとその内部に嵌合する棒状端子１４ａとからなる場合であっても、これらの環状端子１３ａと棒状端子１４ａの両方を同時に加熱しながら効率良くかつ迅速にはんだ付けすることができるものである。
しかも、上記中心孔２７を利用してはんだ付け対象１５を観察することができるため、投射部１８にアキシコンレンズ２４を有する構造でありながらＣＣＤカメラ１９の設置が可能となる。
因みに、図２に示すような中心孔を持たない通常のアキシコンレンズ２４ａを用いた場合には、光の屈折の関係で像が歪むため、ＣＣＤカメラ１９によるはんだ付け対象の撮像は困難である。
なお、上記ＣＣＤカメラ１９が設けられていない場合でも、本発明の所期の目的は達成することができる。

本発明に係るレーザー式はんだ付け装置の一実施形態を模式的に示す構成図である。 通常のアキシコンレンズの機能説明図である。 図２のアキシコンレンズから出射されるレーザービームのパターンを示す平面図である。 図１のはんだ付け装置から投射されるレーザービームの投射パターンを示す要部平面図である。 従来のはんだ付け装置の要部側面図である。 従来のはんだ付け装置から投射されるレーザービームの投射パターンを示す要部平面図である。

符号の説明

１１ レーザー発振器
１５ はんだ付け対象
１７ 入射部
１８ 投射部
１９ ＣＣＤカメラ
２１ ハーフミラー
２２，２３ 光学レンズ
２４ アキシコンレンズ
２５ 入射面
２６ 出射面
２６ａ 円錐面
２７ 中心孔
Ｌ１ 入射部光軸
Ｌ２ 投射部光軸
Ｌ３ 撮像用光軸
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５ レーザービーム
Ｂｒ リング部
Ｂｃ 円形部

Claims (4)

1. 基板に形成された環状端子と、該環状端子の端子孔内に挿入された電子部品の棒状端子とをはんだ付け対象とし、レーザービームの投射によりはんだを溶融させて上記環状端子と棒状端子とはんだ付けするはんだ付け装置であって、
   上記はんだ付け装置は、レーザー発振器から出力されたレーザービームが入射される入射部と、該入射部からのレーザービームを上記はんだ付け対象に向けて投射するための投射部とを有し、
   上記投射部が、円形のレーザービームをリング状に変換して出射するアキシコンレンズを有し、該アキシコンレンズは、平面からなる入射面と円錐面からなる出射面とを有すると共に、入射される円形のレーザービームより小径の中心孔を有していて、このアキシコンレンズで上記円形のレーザービームを、円環状をしたリング部と、該リング部の中心に位置する円形部とに変換し、上記リング部を上記環状端子に上記端子孔の周りを取り囲むように投射すると共に、上記円形部を上記棒状端子に投射するように構成されたことを特徴とするレーザー式はんだ付け装置。
2. はんだ付け対象を撮像するためのＣＣＤカメラを有し、該ＣＣＤカメラの撮像用光軸を上記投射部の光軸とを一致させることにより、上記アキシコンレンズの中心孔を通してはんだ付け対象を撮像するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け装置。
3. 上記入射部と投射部とが互いの光軸を９０度交叉させて配設され、投射部は、上記入射部からのレーザービームを該投射部の光軸に沿った向きに反射させるハーフミラーと、該ハーフミラーで反射された円形のレーザービームを所定のビーム径にして上記アキシコンレンズに入射させる光学レンズと、該投射部の先端部に配設された上記アキシコンレンズとを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のはんだ付け装置。
4. 基板に形成された環状端子と、該環状端子の端子孔内に挿入された電子部品の棒状端子とを、レーザービームの投射によりはんだを溶融させてはんだ付けする方法であって、
   レーザー発振器から出力された円形のレーザービームを、アキシコンレンズで円環状をしたリング部と該リング部の中心に位置する円形部とに変換し、上記リング部を上記環状端子に上記端子孔の周りを取り囲むように投射すると共に、上記円形部を上記棒状端子に投射してはんだ付けを行うことを特徴とするレーザー式はんだ付け方法。

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