JP5043764B2

JP5043764B2 - レーザー式はんだ付け方法及び装置

Info

Publication number: JP5043764B2
Application number: JP2008170935A
Authority: JP
Inventors: 幸太郎松下
Original assignee: 株式会社ジャパンユニックス
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: DE102009030249B4; DE102009030249A1; JP2010010589A; US20090321394A1; CN101618481A; US8269140B2; CN101618481B

Description

本発明は、レーザー光を使用してＩＣやＬＳＩなどの電子部品をプリント配線基板にはんだ付けするための技術に関するものである。

レーザー光を使用してＩＣやＬＳＩなどの電子部品をプリント配線基板にはんだ付けする技術は、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、はんだ付け装置のはんだ付けヘッドからプリント配線基板に向けてレーザー光を投射し、このレーザー光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、図７に示すように、プリント配線基板１の環状端子２で取り囲まれたスルーホール３内に電子部品４の棒状端子４ａを挿入し、この棒状端子４ａと上記環状端子２とを糸はんだ５を使用してはんだ付けする場合には、この糸はんだ５がレーザー光６により溶融してスルーホール３を埋める前に、該レーザー光６が上記環状端子２と棒状端子４ａとの間の隙間３ａを通して電子部品４に投射され、該電子部品４の一部に焼けが発生するという問題があった。また、上記糸はんだ５は、中心の空洞部内にフラックスを含有しているが、その構造上、フラックスの含有量が約３％（重量比）前後と少ないものが多く、このため、溶融後の濡れ性の問題により、上記環状端子２や棒状端子４ａに沿った溶融はんだの広がりや、上記スルーホール３内への溶融はんだの流れ込み等に時間がかかり易いという問題もある。

一方、上記糸はんだ５の代わりに、はんだ粒子をペースト状にしたクリームはんだを使用し、このクリームはんだを上記環状端子２と棒状端子４ａとにスルーホール３を塞ぐように予め供給しておき、そこにレーザー光を照射してクリームはんだを溶融させてはんだ付けするようにすれば、レーザー光がこのクリームはんだで遮断されて上記スルーホールを通過できないため、上記電子部品の焼けの問題は回避することができる。

しかし、上記クリームはんだは流動性があるため、上記環状端子と棒状端子とのはんだ付けに必要な量のクレームはんだを該環状端子の上に山積み状態で供給すると、そのあとレーザー光を照射するまでの間にこのクリームはんだが拡散して環状端子の外部まで流れ出てしまう。このような状態でレーザー光を照射すると、環状端子の外にあるクリームはんだは溶融しないまま残り、周囲に散らばるため、これが外観不良や導通不良等を起こす原因になり易い。また、供給するクリームはんだの量が多いため、レーザー光によって溶融するまでに時間がかかるだけでなく、予めスルーホールの内部に流入したクリームはんだ中の粒状はんだが完全には溶融しきれずに粒子のまま残り、はんだ不良を起こすことも多い。
特開平４−５２０７３号公報特開２００２−１５２１号公報

そこで本発明の目的は、プリント配線基板の環状端子で取り囲まれたスルーホール内に電子部品の棒状端子を挿入し、この棒状端子と上記環状端子とをレーザー光を用いてはんだ付けする場合に、該レーザー光による電子部品の焼けの問題をなくし、高品質のはんだ付けを行うことができるようにすることにある。

上記目的を達成するため本発明によれば、プリント配線基板の環状端子で取り囲まれたスルーホール内に電子部品の棒状端子を挿入した状態で、上記環状端子と該棒状端子とに上記スルーホール内の棒状端子の回りの隙間を塞ぐようにクリームはんだを供給したあと、このクリームはんだにレーザー光を照射すると共に、上記環状端子と棒状端子とにさらに糸はんだ供給装置から糸はんだを供給することにより、該糸はんだと上記クリームはんだとを融合させて上記環状端子と棒状端子とをはんだ付けする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。

本発明において、上記糸はんだの供給は、レーザー光の照射と同時か又は該レーザー光の照射によってクリームはんだが溶け始めるのに合わせて行われることが望ましい。

また、本発明においては、上記クリームはんだの供給量が、上記環状端子と棒状端子とを該クリームはんだ単独ではんだ付けする場合に必要な量より少ないが、上記スルーホールを完全に塞ぐことができる量であり、このクリームはんだの上から上記糸はんだを重ねるように供給してはんだ付けが行われる。

本発明において好ましくは、上記クリームはんだのフラックス含有量を、上記糸はんだのフラックス含有量より多くすることである。

また、本発明のはんだ付け装置は、環状端子で取り囲まれたスルーホール内に電子部品の棒状端子を挿入した状態のプリント配線基板を支持する基板支持テーブル、上記プリント配線基板の環状端子と棒状端子とに、上記スルーホール内の棒状端子の回りの隙間を塞ぐようにクリームはんだを供給するクリームはんだ供給装置、クリームはんだが供給された上記環状端子と棒状端子とに対して糸はんだノズルから糸はんだを供給する糸はんだ供給装置、上記環状端子と棒状端子とを上記クリームはんだと糸はんだとを融合させてはんだ付けするため、これらの環状端子と棒状端子とに向けてレーザー光を照射するレーザー光照射装置を有することを特徴とする。

上記糸はんだ供給装置は、上記糸はんだを、上記レーザー光の照射と同時か又は該レーザー光の照射によってクリームはんだが溶け始めるのに合わせて該クリームはんだの上から供給するように構成されていることが望ましい。

また、本発明において好ましくは、上記基板支持テーブルに対して相対的に変位自在のはんだ付けヘッドを有し、このはんだ付けヘッドに、上記クリームはんだ供給装置とレーザー光照射装置と糸はんだ供給装置とが装着されていることである。

本発明によれば、環状端子と棒状端子とに予めクリームはんだを供給してスルーホールを塞いでおくことにより、はんだ付け時にレーザー光がこのクリームはんだで遮断されて上記スルーホールを通過できないため、電子部品の焼けの問題を解消することができる。また、上記クリームはんだの他にさらに糸はんだを供給してはんだ付けすることにより、これらのクリームはんだと糸はんだとが融合して互いの欠点を補い合うため、高品質のはんだ付けを行うことが可能になる。

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示すものである。このはんだ付け装置は、設定されたプログラムに従ってはんだ付けを自動的に行うもので、平面視形状が矩形をなす基台１０と、この基台１０の左右両端に設けられた一対の支持柱１１と、これらの支持柱１１の上端部間に水平に掛け渡されたガイドレール１２と、このガイドレール１２に沿って横方向（Ｘ方向）に移動自在のはんだ付けヘッド１３と、はんだ付け対象であるプリント配線基板１５を載置するため上記基台１０上に配設された基板支持テーブル１４とを有している。この基板支持テーブル１４は、操作によって上記基台１０の前後方向（Ｙ方向）に移動可能である。

上記基台１０の内部には、装置全体の動作を制御する制御装置１６が内蔵され、左右何れか一方の支持柱１１の側面には、スイッチ１８や表示ランプ１９等を備えた操作盤１７が配設され、この操作盤１７によって自動運転のための各種設定や操作あるいは運転状態の表示等が行われるようになっている。

上記プリント配線基板１５は、図３から分かるように、環状端子２１で取り囲まれたスルーホール２２を１つ以上有するもので、このスルーホール２２内に電子部品２３の棒状端子２３ａを挿入した状態の該プリント配線基板１５が、上記基板支持テーブル１４上に載置されている。
上記環状端子２１は、基板の表裏両面において上記スルーホール２２を取り囲む円環状のパッド部２１ａと、上記スルーホール２２を貫通してこれらのパッド部２１ａを相互に導通させる円筒部２１ｂとからなるもので、上記パッド部２１ａが基板１５上の印刷配線によって他の端子や電子部品等に接続されている。

上記はんだ付けヘッド１３は、上記ガイドレール１２に支持されたヘッド基盤２６に、上記プリント配線基板１５の環状端子２１と棒状端子２３ａとに対してクリームはんだ２８（図３参照）を供給するクリームはんだ供給装置２７と、上記環状端子２１と棒状端子２３ａとに糸はんだ３０（図４参照）を供給する糸はんだ供給装置２９と、レーザー光３２（図４参照）を照射することによって上記クリームはんだ２８と糸はんだ３０とを融合させてはんだ付けを行うレーザー光照射装置３１とを取り付けたものである。

上記クリームはんだ供給装置２７は、上記ヘッド基盤２６に昇降自在なるように取り付けられて上記制御装置１６で昇降制御される供給ヘッド３５を有している。この供給ヘッド３５には、図２からも分かるように、クリームはんだ２８が収容された円筒形のはんだ容器３６が交換可能に取り付けられると共に、該はんだ容器３６から送られるクリームはんだ２８を上記環状端子２１と棒状端子２３ａとに一定量ずつ供給するはんだ吐出ノズル３７が設けられている。上記はんだ容器３６には、圧力エア源に通じるエアチューブ３８が接続され、このエアチューブ３８を通じて供給されるエアの圧力によって該はんだ容器３６内のクリームはんだ２８が上記吐出ノズル３７へ送られるようになっている。

上記クリームはんだ２８のフラックス含有量は、５〜２０％（重量比）程度であることが望ましい。このフラックスは、溶融したはんだの表面張力を強めたり、酸化物の生成を防いではんだの濡れ性や拡散性を高めたりする性質を有するものである。

上記はんだ吐出ノズル３７は、上記供給ヘッド３５から下向きに延出していて、下端にはんだ吐出口３７ａを有している。このはんだ吐出ノズル３７の昇降動作とクリームはんだ２８の吐出動作とは、上記制御装置１６によって制御され、それによって該はんだ吐出ノズル３７から、上記プリント配線基板１５上の複数の環状端子２１と棒状端子２３ａとに、図３に示すように、決められた量のクリームはんだ２８が、上記スルーホール２２を塞ぐように順次ポイント式に供給される。
このとき上記はんだ吐出ノズル３７から各環状端子２１と棒状端子２３ａとに供給されるクリームはんだ２８の量は、該環状端子２１と棒状端子２３ａとをこのクリームはんだ２８単独ではんだ付けする場合に必要な量より少ないが、上記スルーホール２２を完全に塞ぐことができる量である。

上記レーザー光照射装置３１は、上記ヘッド基盤２６の上記供給ヘッド３５と隣接する位置に昇降自在に取り付けられた照射ヘッド４０を有している。この照射ヘッド４０の昇降は、上記制御装置１６で制御される。この照射ヘッド４０の側面には、レーザー源で発生したレーザー光３２を導入するための光ファイバー４１の先端部が接続され、該照射ヘッド４０の内部には、導入されたレーザー光３２の向きを変える半透鏡やビーム径を変える光学レンズ等の光学部材が内蔵され、該照射ヘッド４０の先端には、上記光学部材から出力されるレーザー光３２をはんだ付け対象に向けて照射するための照射口４０ａが設けられている。しかし、上記光学部材の図示は省略されている。上記照射ヘッド４０から照射されるレーザー光３２は円形である。

また、上記照射ヘッド４０の上端部にはＣＣＤカメラ４２が取り付けられ、上記照射口４０ａを通じてはんだ付け対象を撮像できるようになっている。このＣＣＤカメラ４２で撮像したはんだ付け対象の画像は、図示しないモニターに表示され、表示された画像を見ながら、はんだ付け対象に対するレーザー光照射のための位置決めやティーチング等を行うことができるように構成されている。図中４３は、上記ＣＣＤカメラ４２からの画像信号を制御装置１６に送るためのリード線である。

上記糸はんだ供給装置２９は、上記環状端子２１と棒状端子２３ａとに対して糸はんだ３０を供給する細長い棒状の糸はんだノズル４５と、この糸はんだノズル４５に必要量の糸はんだ３０をリール４７から繰り出して供給する糸はんだ供給部４６とを有し、この糸はんだ供給部４６と上記糸はんだノズル４５とが、はんだ送りチューブ４８によって相互に連結されている。

上記糸はんだノズル４５は、上記レーザー光照射装置３１の照射ヘッド４０に支持されていて、この照射ヘッド４０と一緒に昇降自在である。即ち、この照射ヘッド４０に設けられた支持部材５０には、鉛直方向（上下方向）に位置調節自在なるように支持棒５１が取り付けられ、該支持棒５１の下端には、軸５２ａを中心にして回動自在なるように揺動部材５２が取り付けられ、この揺動部材５２に糸はんだノズル４５が、自身の軸線方向に位置調節自在なるように支持されている。従って、この糸はんだノズル４５は、上記環状端子２１と棒状端子２３ａとに対し、上下方向及び左右方向の距離を調節自在であると共に、傾斜角度も調節自在である。

また、上記糸はんだ供給部４６は、上記ヘッド基盤２６の側面に取り付けられていて、糸はんだ３０が巻かれた上記リール４７と、このリール４７を駆動する駆動機構（図示せず）とを有している。ここで使用される糸はんだ３０のフラックス含有量は、上記クリームはんだ２８のフラックス含有量より少なく、０〜４％（重量比）程度である。しかし、それよりフラックス含有量の多い糸はんだを使用することも勿論可能である。

図中５３はケーブルで、上記ヘッド基盤２６、操作盤１７、ガイドレール１２の内部に設けられているヘッド基盤用駆動装置、基台１０の内部の制御装置１６等を相互に電気接続するためのものである。

上記構成を有するはんだ付け装置で、基板支持テーブル１４上に置かれたプリント配線基板１５の環状端子２１と棒状端子２３ａとをはんだ付けする場合、先ず、上記クリームはんだ供給装置２７により、各環状端子２１と棒状端子２３ａとにクリームはんだ２８が供給、塗布される。即ち、図３に一つの環状端子２１と棒状端子２３ａとについて代表的に示すように、プリント配線基板１５上に移動した上記クリームはんだ供給装置２７のはんだ吐出ノズル３７から、環状端子２１のパッド部２１ａ上に、設定された量のクリームはんだ２８が、該パッド部２１ａの周囲にはみ出ださない状態で、スルーホール２２内の上記棒状端子２３ａの回りの隙間２２ａを塞ぐように供給される。

このときのクリームはんだ２８の供給量は、このクリームはんだ２８のみで上記環状端子２１と棒状端子２３ａとをはんだ付けする場合に必要な量より少ないが、上記隙間２２ａは完全に塞ぐことができる量である。従って、上記クリームはんだ２８の塗布量は少ないため、その後のレーザー光３２の照射までの間に該クリームはんだ２８が環状端子２１の外部まで流れ出る心配はない。なお、上記クリームはんだ２８によってスルーホール２２の内部全体が完全に埋められている必要はない。
上記クリームはんだ２８のフラックス含有量は、５〜２０％（重量比）の範囲に調整されている。

全ての環状端子２１と棒状端子２３ａとに対する上記クリームはんだ２８の塗布が完了すると、今度は、上記レーザー光照射装置３１がプリント配線基板１５上に移動し、図４に示すように、クリームはんだ２８が塗布された上記環状端子２１と棒状端子２３ａとに対して照射ヘッド４０からレーザー光３２が照射される。このとき、糸はんだ供給装置２９から糸はんだ３０はまだ供給されていない。

上記レーザー光３２が照射されると、上記クリームはんだ２８は加熱されてすぐに溶け始める。そこで、レーザー光３２を照射したあとこのクリームはんだ２８が溶け始めるのに合わせて、具体的には、上記クリームはんだ２８が溶け始めるのとほぼ同時か、又は溶け始める直前あるいは溶け始めた直後に、図５に示すように、上記糸はんだ供給装置２９の糸はんだノズル４５から、設定された長さ（量）の糸はんだ３０が送り出され、上記クリームはんだ２８の上から環状端子２１と棒状端子２３ａとに供給される。
上記レーザー光３２の照射からクリームはんだ２８が溶け始めるまでの時間差は、該クレームはんだ２８の塗布量やレーザー光３２の熱容量等によっても異なるが、通常は０．１−０．５秒程度である。従って、上記のようにレーザー光３２の照射が開示されてから糸はんだ３０が供給されるまでの時間差も、実際にはごく僅かである。
上記糸はんだ３０としては、上記クリームはんだ２８よりフラックス含有量の少ないものが使用され、そのフラックス含有量は０〜４％（重量比）に調整されている。

供給された上記糸はんだ３０は、レーザー光３２の熱とクリームはんだ２８からの熱とによって溶融され、先に溶融を始めた該クリームはんだ２８と融合しながらこのクリームはんだ２８と一緒にスルーホール２２の内部へと浸透し、プリント配線基板１５の裏面にまで達して環状端子２１の裏面側のパッド部２１ａに沿っても拡散する。この場合、上述したようにフラックス含有量の多いクリームはんだ２８を先に塗布しておき、このクリームはんだ２８がレーザー光３２の照射で溶融及び拡散を始めたところに上記糸はんだ３０が供給されるため、この糸はんだ３０自身の単位体積当たりのフラックス含有量は上記クリームはんだ２８より少なくても、上記クリームはんだ２８に多く含まれるフラックスの作用により、はんだ全体の上記環状端子２１及び棒状端子２３ａに対する濡れ性や拡散性あるいはスルーホール２２内への浸透性は非常に良好になる。

この結果、図６に示すように、上記環状端子２１と棒状端子２３ａとが、上記クレームはんだ２８と糸はんだ３０とが融合したはんだ融合体３３により、広くかつ厚く包み込まれた状態で精度良くはんだ付けされることになる。
なお、供給する上記糸はんだ３０の長さ（量）を調整することにより、最終的なはんだの盛り量、即ち上記はんだ融合体３３としてのはんだの盛り量を、はんだ付け対象に合わせて最適な量となるように調整することができるのは勿論のこと、必要に応じて多めにしたり少なめにするなどの調整も自由に行うことができる。

上記レーザー光３２の照射時には、図４に示すように、スルーホール２２内にある上記棒状端子２３ａの回りの隙間２２ａがクリームはんだ２８によって完全に塞がれているため、照射されたレーザー光３２はこのクリームはんだ２８に遮られて上記スルーホール２２を通過できない。このため、該レーザー光３２による電子部品２３の焼けの問題は完全に解消される。

また、上記レーザー光３２の照射で加熱された状態あるいは溶け始めた状態のクリームはんだ２８の上から糸はんだ３０を供給すると、該糸はんだ３０はレーザー光３２とクリームはんだ２８の両方で加熱されるため、単独の使用では溶けにくい該糸はんだ３０の溶融速度が非常に早くなり、該糸はんだ３０を単独で使用する場合よりははんだ付けに要する時間が短縮される。

しかも、上記糸はんだ３０の供給時に、上記クリームはんだ２８に含まれるフラックスが、該クリームはんだ２８の加熱、溶融と共に蒸散してこの糸はんだ３０の外面に付着するため、１つのポイント即ち１組の環状端子２１と棒状端子２３ａとのはんだ付けが終了したとき、レーザー光３２によって溶断された上記糸はんだ３０の先端部は、図４に実線で示すように、付着したフラックスの作用によってほぼ線径のまま途切れており、次のポイントをはんだ付けする際の該糸はんだ３０の供給量に誤差を生じない。
因みに、フラックス含有量がゼロか又は通常より少ない糸はんだ３０を単独で使用した場合、レーザー光で溶断された該糸はんだ３０の先端は、図４に鎖線で示すように、太い球３０ａが付着したような状態になることが知られており、このような状態になると、次のポイントをはんだ付けする際の該糸はんだ３０の供給量に誤差を生じ易いだけでなく、該糸はんだが溶けにくいという問題が生じる。

上記実施形態においては、上記環状端子２１と棒状端子２３ａとに対する糸はんだ３０の供給を、レーザー光３２の照射開始後、上記クリームはんだ２８が溶け始めるのに合わせて行うようにしているが、レーザー光３２の照射開始からクリームはんだ２８が溶け始めるまでの時間差は非常に短く、特に、クリームはんだ２８の塗布量が少ない場合や、レーザー光３２の熱容量が大きい場合などにはその時間差が一層短いため、レーザー光３２の照射とほぼ同時に糸はんだ３０を供給するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、はんだ付け装置のはんだ付けヘッド１３に、クリームはんだ供給装置２７と糸はんだ供給装置２９とレーザー光照射装置３１とが一緒に設けられているが、上記クリームはんだ供給装置２７は、上記はんだ付けヘッド１３から切り離して独立する装置として構成することができる。この場合に本発明のはんだ付け装置は、上記クリームはんだ供給装置２７と、上記レーザー光照射装置３１及び糸はんだ供給装置２９と、これらの装置間を結ぶ図示しない基板用搬送ラインとによって構成される。
そして、上記クリームはんだ供給装置２７でクリームはんだ２８を塗布されたプリント配線基板１５が、上記基板用搬送ラインによって上記レーザー光照射装置３１及び糸はんだ供給装置２９の位置まで搬送され、レーザー光３２の照射と糸はんだ３０の供給とを受けることによってはんだ付けが行われる。
なお、上記環状端子２１はプリント配線基板１５の片面パッド部２１ａを備えたものであっても良い。

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示す正面図である。クリームはんだ供給装置の要部の側面図である。プリント配線基板における１つの環状端子と棒状端子とについてクリームはんだが塗布された状態を示す部分断面図である。図３のものにレーザー光が照射された状態を示す部分断面図である。図４のものに糸はんだが供給された状態を示す部分断面図である。はんだ付けが完了した状態を示す部分断面図である。従来のはんだ付け方法を示す部分断面図である。

符号の説明

１３はんだ付けヘッド
１４基板支持テーブル
１５プリント配線基板
２１環状端子
２２スルーホール
２３電子部品
２３ａ棒状端子
２７クリームはんだ供給装置
２８クリームはんだ
２９糸はんだ供給装置
３０糸はんだ
３１レーザー光照射装置
３２レーザー光

Claims

プリント配線基板の環状端子で取り囲まれたスルーホール内に電子部品の棒状端子を挿入した状態で、上記環状端子と該棒状端子とに上記スルーホール内の棒状端子の回りの隙間を塞ぐようにクリームはんだを供給したあと、このクリームはんだにレーザー光を照射すると共に、上記環状端子と棒状端子とにさらに糸はんだ供給装置から糸はんだを供給することにより、該糸はんだと上記クリームはんだとを融合させて上記環状端子と棒状端子とをはんだ付けすることを特徴とするレーザー式はんだ付け方法。
上記糸はんだの供給は、上記レーザー光の照射と同時か又は該レーザー光の照射によってクリームはんだが溶け始めるのに合わせて行うことを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
上記クリームはんだの供給量は、上記環状端子と棒状端子とを該クリームはんだ単独ではんだ付けする場合に必要な量より少ないが、上記スルーホールを完全に塞ぐことができる量であり、このクリームはんだの上から上記糸はんだを重ねるように供給してはんだ付け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方法。
上記クリームはんだのフラックス含有量を、上記糸はんだのフラックス含有量より多くすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のはんだ付け方法。
環状端子で取り囲まれたスルーホール内に電子部品の棒状端子を挿入した状態のプリント配線基板を支持する基板支持テーブル、
上記プリント配線基板の環状端子と棒状端子とに、上記スルーホール内の棒状端子の回りの隙間を塞ぐようにクリームはんだを供給するクリームはんだ供給装置、
クリームはんだが供給された上記環状端子と棒状端子とに対して糸はんだノズルから糸はんだを供給する糸はんだ供給装置、
上記環状端子と棒状端子とを上記クリームはんだと糸はんだとを融合させてはんだ付けするため、これらの環状端子と棒状端子とに向けてレーザー光を照射するレーザー光照射装置、
を有することを特徴とするレーザー式はんだ付け装置。
上記糸はんだ供給装置は、上記糸はんだを、上記レーザー光の照射と同時か又は該レーザー光の照射によってクリームはんだが溶け始めるのに合わせて該クリームはんだの上から供給するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のはんだ付け装置。
上記基板支持テーブルに対して相対的に変位自在のはんだ付けヘッドを有し、このはんだ付けヘッドに、上記クリームはんだ供給装置とレーザー光照射装置と糸はんだ供給装置とが取り付けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載のはんだ付け装置。