JP5294916B2

JP5294916B2 - レーザはんだ付け装置

Info

Publication number: JP5294916B2
Application number: JP2009033773A
Authority: JP
Inventors: 出中井; 正裕森; 幸男西川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: US8525072B2; JP2010192570A; CN101804511A; US20100206854A1

Description

本発明は、電子部品などとプリント配線板などの基板（以下、被加工物という）に対してはんだ付けを行う際に、被加工物の一部を加熱してはんだ付けを行うレーザはんだ付け装置に関するものである。

従来のレーザはんだ付け装置として、光学系と被加工物間の距離を変化させることにより、被加工物上に形成されたレーザ光のビームスポットのスポット径を変化させ、被加工物に適したスポット形状にするものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１０は特許文献１に記載された従来のレーザはんだ付け装置の概略構成図である。

１は光ビームを出射する光源、２はレーザ光の第１の光路、３はハーフミラー、４は光ビームを整形して被加工物６に集光する光学手段、５は保護ガラス、７は被加工物６の反射光を受光手段８に導くためのミラー、９はレーザ光の第２の光路、１０は被加工物６と光学手段４との相対位置を変えるための駆動手段を示し、これらにより加工ヘッドを構成している。

さらに、１１は糸はんだ供給手段、１２は前記加工ヘッドを被加工物６に対して上下方向に移動させる第１の移動手段、１３は糸はんだ供給手段１１を被加工物６に対して上下方向に移動させる第２の移動手段、１４は糸はんだ供給手段１１を被加工物６に対して左右方向に移動させる第３の移動手段を示している。

図６において、光学手段４により光ビームを整形し、光源１から出射する光ビームを、被加工物６に対して集光し、さらに、第１の移動手段１２により被加工物６に応じたビーム径になるように調整している。
特開２００４−３３７８９４号公報（第１１頁、図１）

しかしながら、前記従来の構成では、被加工物６に対して垂直方向からレーザ光Ｌを照射する構成になっているため、例えば、被加工物６としてのプリント配線板に電子部品のリードなどを挿入する孔が設けられている場合には、その孔を通してレーザ光が、プリント配線板裏面の電子部品を照射し、その電子部品にダメージを与えることがあった。

また、被加工物６の法線方向と光源１から出射するレーザ光の第１の光路２とに角度を設けて、前記孔を透過するレーザ光を少なくしようとすると、孔を通して電子部品のリード部の付け根を観察することができなくなり、ダメージの有無の確認ができなくなってしまうという課題を有していた。

また、前記従来の構成では、光学手段４と被加工物６の間の距離を、第１の移動手段１２によって変更しているだけであるため、被加工物６上に集光されたレーザ光のビームスポットにおいては一意の形状変化しか生じない。したがって、スポット的なはんだ付けと引きはんだのような、複数部位の連続はんだ付けを両立することができるようなレーザ光の集光形状にはなっていない。よって、加工点一点ごとに、はんだ供給およびレーザ照射によるはんだ溶融を行う必要があるため、生産性を向上させることが困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の技術の課題を解消し、被加工物に開口した孔を透過したレーザ光により、はんだされる各種部品などへのダメージを防ぎ、また、被加工物の法線方向からの観察を行うことを可能にして、ダメージ発生の有無を同時に判断することができるようにし、また、各種はんだ付けに適したレーザ光のスポット形状の切り替えを可能にするレーザはんだ付け装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、基板に開口された孔部分に対して部品を挿入し、レーザ光を用いて前記部品を前記基板にはんだ付けを行うレーザはんだ付け装置において、光源から出射されたレーザ光を反射する第１のミラーと、前記第１のミラーからのレーザ光を受けて前記孔部分へ反射する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置されてレーザ光を集光する光学系とを備え、前記レーザ光が前記基板の鉛直方向に対して１１°〜７４°の角度を有し、かつ前記孔部分を楕円または線状にて照射することを可能にし、はんだ付け部分を観察する観察手段を、該観察手段の光軸が前記出射鏡筒の光軸と同軸になるように配設し、前記第１のミラーは、前記出射鏡筒からのレーザ光を反射し、前記はんだ付け部分からの光を透過することを特徴とする。

本発明の前記構成によって、レーザ光が基板に開口した孔から基板の反対側に透過し難くなり、基板の反対側に配された部品などにダメージを与えることを防ぐことができ、多様な基板，部品に対して各種はんだ加工を行うことが可能になり、基板の法線方向からの観察を行うことが可能になり、ダメージ発生の有無を判断することができるようになる。

本発明によれば、基板に対して斜め方向からレーザ光を照射することによって、基板に開口した孔からレーザ光が透過することを防止することができ、透過したレーザ光によるはんだ付け部のダメージの発生を防止することができる。

また、基板に対して斜め方向からレーザ光を照射することによって、基板の垂直方向からの画像観察を行うことが可能になり、基板の裏面にダメージを与える可能性の有無を画像で判断することができる。

また、第１のミラーと第２のミラー間の光学系の移動および挿入を行うこと、あるいは第１のミラーと第２のミラーおよびそれらの間に配置する光学系を一体のユニット体として回転させることにより、スポット形状を変化させたり、レーザ光の照射方向を切り換えたりすることが容易に行えるため、スポットはんだ付けと引きはんだ付けなどの各種はんだ付けを同一の装置で実現することが可能となる。

これらの結果、小型かつスポットはんだ付けと引きはんだ付けなどを切り換えることが可能な装置が実現し、様々な電子部品をプリント配線板などに高速かつ高品質ではんだ付けすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、既に前に説明した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を付して詳しい説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略構成図である。

図１において、１は光源である光エネルギー出力手段、６はプリント基板６１と挿入部品６２とからなる被加工物、１０は被加工物６と反射光学ユニット１００との相対位置を変えるための駆動手段、１１は糸はんだ１１１を加工部に供給する糸はんだ供給手段、１２は反射光学ユニット１００を被加工物６に対して上下方向に移動させる第１の移動手段、１３は糸はんだ供給手段１１を被加工物６に対して上下方向に移動させる第２の移動手段、１４は糸はんだ供給手段１１を被加工物６に対して左右方向に移動させる第３の移動手段、２０はレーザ光、２１は光ファイバー、２２はレーザ光２０を出射する鏡筒、２３は加工部観察手段としての観察カメラである。

鏡筒２２には、光エネルギー出力手段１から光ファイバー２１を通してレーザ光２０が伝えられ、また、鏡筒２２の上部に鏡筒２２と光軸が同軸となるように観察カメラ２３が配置されている。

レーザ光２０は、後述するように、その光軸が鏡筒２２の中で観察カメラ２３の光軸と同軸になるようにして反射光学ユニット１００に入射し、反射光学ユニット１００から出射して被加工物６上を斜め方向から照射する。

挿入部品６２のリード部分は、プリント基板６１に貫通して開口された孔６１ａに挿入されており、その孔部分に糸はんだ１１１を供給してはんだ付けを行う。本例では挿入部品６２として樹脂などの弱耐熱性の材料を用いている。

図２は実施の形態１における反射光学ユニット１００を主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図であり、１０１は第１のミラー、１０２は第２のミラー、１０３は集光レンズである。

図２において、レーザ光２０は、光ファイバー２１を伝送して、鏡筒２２の中でハーフミラー２２ａによって観察カメラ２３の光軸方向と同軸になるように光軸が設定され、反射光学ユニット１００内の第１のミラー１０１によって反射される。さらに、レーザ光２０は、反射光学ユニット１００内に設けられた集光レンズ１０３によって集光され、かつ第２のミラー１０２によって光軸方向が偏向されて、被加工物６上へ斜めに照射される。

例えば、プリント基板６１に開口された孔６１ａに挿入部品６２を挿入したときの隙間の間隔は０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲にあり、また、そのときのプリント基板６１の基板厚さは０．５ｍｍと１．０ｍｍのものを用いる。この場合、レーザ光２０が前記隙間の間隔からプリント基板６１の裏面に透過しないようにしたときの光軸方向と被加工物６の法線とのなす角度は１１度〜７４度の間となる。

観察カメラ２３は、鏡筒２２の中のハーフミラー２２ａと、レーザ光２０の波長だけを反射して観察カメラ２３の感度波長域を透過するコーティングを施した第１のミラー１０１を透過した光によって、はんだ付け部分の挿入部品６２を被加工物６の法線方向から観察することができる。

本実施の形態１によれば、被加工物６へ斜めにレーザ光２０を照射する構成とすることにより、プリント基板６１の孔６１ａを通過するレーザ光２０を少なくすることになり、プリント基板６１の裏面側に配された挿入部品６２の弱耐熱性部分へのダメージを防ぐことができる。

また、観察カメラ２３によって、被加工物６を法線方向から観察することができるため、プリント基板６１上の孔６１ａと挿入部品６２のリード線の隙間から、挿入部品６２の弱耐熱性の樹脂製部分を観察することができる。このためダメージを与えるか否かの判断をすることができる。しかしながら、観察カメラ２３によるレーザ光２０と同じ斜め方向からの観察では、プリント基板６１の孔６１ａを通した映像を観察することができない。

次に、実施の形態１におけるはんだ供給の方法について説明する。

図３（ａ）〜（ｅ）は実施の形態１におけるはんだ付けプロセスを示す模式図であり、観察カメラにて観察した映像を模式的に表したものであって、図３（ａ）〜（ｅ）を参照してはんだ付けプロセスのフローを説明する。

図３（ａ）はプリント基板６１上の孔６１ａのスルーホールランド６１１に、裏面から挿入部品６２のリードである扁平型挿入ピン６２１が挿入されているはんだ付け前の状態を示している。はんだ付けの最初には、図３（ｂ）に示すように、糸はんだ供給手段１１から糸はんだ１１１が、スルーホールランド６１１と扁平型挿入ピン６２１との隙間を遮蔽するような位置に挿入されて停止する。

次に、図３（ｃ）に示すように、レーザ光２０が斜めから照射される。このとき、糸はんだ１１１は、レーサ光２０の照射位置と孔６１ａとの間に供給され、レーザ光２０が、糸はんだ１１１の遮蔽効果と斜め照射による遮蔽効果によってプリント基板６１の裏面側には透過しない。

さらにレーザ光２０の照射を続け、図３（ｄ）に示すように、レーザ光２０により糸はんだ１１１の先端の溶融が始まるまで、糸はんだ１１１の供給を停止する。糸はんだ１１１の先端が溶融が始まるタイミングで、図３（ｅ）に示すように、はんだ供給を再開し、必要量のはんだを供給し終わるまで続ける。

以上のようなはんだ供給を行うことによって、スルーホールランド６１１と扁平型挿入ピン６２１の隙間は、常にレーザ光２０が遮蔽された状態となり、弱耐熱性の挿入部品６２における樹脂部分へのダメージを防止することができる。

また、プリント基板６１の法線方向から観察カメラ２３で見ることにより、はんだ供給不足時のプリント配線板６１の下面の状態を観察し、その不良の判定、あるいはプリント配線板６１におけるレーザ光照射側とは反対側へのはんだ回り込み状態の観察を行うことが可能になる。

図４は実施の形態１における反射光学ユニットの動作状況を示す斜視図である。

反射光学ユニット１００は、反射光学ユニットの回転駆動手段２１０によって、はんだ付け加工部分と鏡筒２２との光軸を結んだ軸を回転中心として回転し、常にレーザ光２０の照射位置の中心が一定の場所に位置するように配置されている。反射光学ユニット１００を回転させることによって、様々な被加工物６に対して最適な方向からレーザ光２０を照射することが可能となっている。

第２のミラー１０２の仰角を変化させることによって、レーザ光２０における被加工物６に対する法線方向となす角度を変更することも可能である。従来例との比較として、図１０に示す構成の場合は、斜めからの照射と回転を行おうとすると、構成要素のほとんどを斜めにしたり、回転させたりしなければならず、非常に大きな駆動機構が必要となる。

また、観察用カメラ２３を単独でプリント基板６１の法線方向に設置し、レーザ光２０を出射する鏡筒２２を斜めにする構成も考えられるが、この構成にすると、鏡筒２２に電源ケーブルまたは光ファイバーケーブルが連結されているために、鏡筒２２を回転させる際には、それらのケーブルの処理が必要となる。しかし、本実施の形態の構成の場合は、反射光学ユニット１００のみを回転させるだけでよく、コンパクトな構成となる。

また、観察カメラ２３による映像が回転しないため、同一の画面でレーザ光２０の照射方向を確認することができる。

図５は実施の形態１における反射光学ユニットの回転によるレーザ照射方向の変更について示す模式図である。図３に示す場合と比較すると、図５では偏平形挿入ピン６２１が９０度回転している場合を示している。

図５に示す場合には、反射光学ユニット１００を９０度回転させて、はんだ付けをより行いやすいレーザ光２０の照射状態にすることが可能である。その際に、糸はんだ供給手段１１も反射光学ユニット１００の回転中心と同じ位置を回転中心として回転して配置し、糸はんだ１１１を供給するようにする。

なお、本実施の形態１において、弱耐熱性な挿入部品６２として樹脂製のものを挙げたが、通常のはんだの溶融温度（約２２０℃）よりも耐熱性に劣る材料を用いた場合に有効である。

また、反射光学ユニット１００と糸はんだ供給手段１１の回転は同期していてもよいし、反射光学ユニット１００と糸はんだ供給手段１１とに個別に回転駆動手段を設ける構成にしてもよい。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における反射光学ユニット１００を主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図である。

図６において、集光レンズ１０３を光軸方向への移動させるレンズ駆動手段２２０を備え、反射光学ユニット１００内にて集光レンズ１０３を光軸方向へ移動させることが可能な構成となっている。

このように、集光レンズ１０３の位置が変わることによって、プリント基板６１と挿入部品６２とに照射されるレーザ光２０のスポット形状２０１を円形のままで変化させることが可能になり、焦点の位置から集光レンズ１０３がずれるに従ってスポット形状２０１は拡大する。

このとき得られたスポット形状２０１は、例えば、直径が０．５ｍｍ〜１０ｍｍである。このようにすることによって、プリント基板６１上のランド形状などに合わせて最適な形態のスポット形状２０１を得ることが可能となる。

（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３における反射光学ユニット１００を主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図である。

図７において、反射光学ユニット１００の第１のミラー１０１と第２のミラー１０２との間に、光学的に軸対称でないレンズ、例えばシリンドリカルレンズ１０４をさらに設け、挿入駆動手段２３０にてシリンドリカルレンズ１０４を反射光学ユニット１００の光軸に対して出し入れできる構成となっている。

図７ではシリンドリカルレンズ１０４は、集光レンズ１０３の後方に位置しているが、前方に位置してもよい。シリンドリカルレンズ１０４を光軸に挿入することによって、被加工物６上の集光スポットの形状は、Ｘ方向に拡大したスポット形状２０２となる。

この構成によって、ライン状のスポット形状２０２を得ることができ、被加工物６上に並んだ直線状の挿入部品６２のピン部分に対して、連続的に引きはんだ付けすることが可能となる。

このとき得られたライン状のスポット形状２０２における長手方向の長さは、例えば１ｍｍ〜１５ｍｍの範囲であり、スポット形状の短手方向は０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である。

（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４における反射光学ユニット１００を主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図である。

図８において、光軸中心を回転中心としたレンズ回転駆動手段２４０を設けてシリンドリカルレンズ１０４を回転可能とした構成であって、図７に示す構成に対してシリンドリカルレンズ１０４を９０度回転させる構成になっている。この構成によって、被加工物６上のレーザ光２０のスポット形状をＹ方向に拡大したスポット形状２０３とすることができる。

本例では、シリンドリカルレンズ１０４の回転角度を９０度としているが、特に９０度ごとに回転するということではなく、任意の回転角度に設定することが可能である。

このように、被加工物６上へのレーザ光２０のスポット形状２０３の向きは、被加工物６上において任意の角度で設定することが可能となり、被加工物６上に直線状に並んでいるはんだ付け部分がある場合には、はんだ付け部分がどのような角度になっていようが、引きはんだ付けの加工法を適用することが可能である。

（実施の形態５）
図９は本発明の実施の形態５における反射光学ユニット１００を主体とした光学系部分の温度制御システムの概略構成を示す斜視図である。

図９において、温度センサ２４は、被加工物６上のはんだ付け加工を行っているはんだ付け部分から放射されている放射赤外線３０を検知し、はんだ付け部分の温度を演算ユニット２５にて算出する構成のものである。演算ユニット２５と光エネルギー出力手段１は制御可能に連結しており、演算ユニット２５の演算結果によって、光エネルギー出力手段１の出力を変更することが可能な構成となっている。

また、第２のミラー１０２は、例えば、レーザ光２０の波長（８００ｎｍ〜１１００ｎｍ）を反射し、放射赤外光３０の波長（１３００ｎｍ〜２６００ｎｍ）を透過するような構成である。

この構成によって、被加工物６上のはんだ付け部分の温度を検出することにより、温度が上がり過ぎた場合に、光エネルギー出力手段１に指令信号を送り、レーザ光２０の出力が適切になるようにコントロールを行うことが可能となる。例えば、はんだ付け部分の最高温度が２５０℃〜３００℃の間になるように、レーザ光２０の出力をコントロールすることによって、はんだ付け部分の温度をコントロールすることが可能となり、ぬれ不足による、所謂、いもはんだや、過熱による酸化やダメージ発生などを防止することができる。

本発明は、プリント基板や挿入部品にダメージを与えず、なおかつ、ぬれ不足などの不良も発生させることなく、高品質のスポットはんだ付けや引きはんだ付けなどの多様なはんだ付けを行うことができ、プリント基板への挿入部品のはんだ付け実装など、小型で量産性の高い加工が必要とされる工程に適用される。

本発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略構成図実施の形態１における反射光学ユニットを主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図（ａ）〜（ｅ）は実施の形態１におけるはんだ付けプロセスを示す模式図実施の形態１における反射光学ユニットの動作状況を示す斜視図実施の形態１における反射光学ユニットの回転によるレーザ照射方向変更について示す模式図本発明の実施の形態２における反射光学ユニットを主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図本発明の実施の形態３における反射光学ユニットを主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図本発明の実施の形態４における反射光学ユニットを主体とした光学系部分の概略構成を示す斜視図本発明の実施の形態５における反射光学ユニットを主体とした光学系部分の温度制御システムの概略構成を示す斜視図従来のレーザはんだ付け装置の概略構成図

１光エネルギー出力手段
２第１の光路
６被加工物
１０駆動手段
１１糸はんだ供給手段
１２第１の移動手段
１３第２の移動手段
１４第３の移動手段
２０レーザ光
２１光ファイバー
２２鏡筒
２３観察カメラ
２４温度センサ
２５演算ユニット
３０放射赤外線
６１プリント基板
６１ａ孔
６２挿入部品
１００反射光学ユニット
１０１第１のミラー
１０２第２のミラー
１０３集光レンズ
１０４シリンドリカルレンズ
１１１糸はんだ
２０１スポット形状
２０２Ｘ方向に拡大したスポット形状
２０３Ｙ方向に拡大したスポット形状
２１０回転駆動手段
２２０レンズ駆動手段
２３０挿入駆動手段
２４０レンズ回転駆動手段
６１１スルーホールランド
６２１偏平形挿入ピン

Claims

基板に開口された孔部分に対して部品を挿入し、レーザ光を用いて前記部品を前記基板にはんだ付けを行うレーザはんだ付け装置において、
レーザ光の出射鏡筒から出射されたレーザ光を反射する第１のミラーと、
前記第１のミラーからのレーザ光を受けて前記孔部分へ反射する第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置されてレーザ光を集光する光学系とを備え、
前記レーザ光が前記基板の鉛直方向に対して１１°〜７４°の角度を有し、かつ前記孔部分を楕円または線状にて照射することを可能にし、
はんだ付け部分を観察する観察手段を、該観察手段の光軸が前記出射鏡筒の光軸と同軸になるように配設し、
前記第１のミラーは、前記出射鏡筒からのレーザ光を反射し、前記はんだ付け部分からの光を透過することを特徴とする
レーザはんだ付け装置。
前記第１のミラーと前記第２のミラーと前記光学系とからユニット体を構成し、前記ユニット体に、前記第１のミラーに入射するレーザ光の光軸と、該レーザ光が前記基板を照射する位置とを結んだ軸を回転中心として前記ユニット体を回転させる回転駆動手段を備えたことを特徴とする
請求項１記載のレーザはんだ付け装置。
前記光学系を該光学系の光軸方向に移動可能に設け、前記基板の照射位置における前記レーザ光の照射スポットの大きさを変化可能にしたことを特徴とする
請求項１または２記載のレーザはんだ付け装置。
前記光学系の光軸上の前または後に、光学的に軸対称ではないレンズを配置し、前記基板の照射位置における前記レーザ光の照射スポットの形状を楕円または線状にすることを特徴とする
請求項１，２または３記載のレーザはんだ付け装置。
前記基板上を照射するレーザ光と前記基板の前記孔部分との間にはんだを供給することを特徴とする請求項１記載のレーザはんだ付け装置。
前記基板上のはんだ付けを行う部分の温度測定を行う赤外線放射式の温度センサを備え、測定結果によって前記光源のレーザ出力を制御することを特徴とする
請求項１記載のレーザはんだ付け装置。
前記第２のミラーに、前記レーザ光の波長を反射し、かつ温度測定に必要な赤外線を選択的に透過させるコーティングを施し、前記第２のミラーの背面に前記基板上から放射される赤外線を受けて温度信号へと変換する温度センサを配置したことを特徴とする
請求項１記載のレーザはんだ付け装置。