JP5495574B2 - レーザはんだ付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品などとプリント配線板など（以下、被加工物という）にはんだ付けを行う際に、被加工物の一部を加熱するレーザはんだ付けにおける調整方法、および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６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を示す図である。

１０１は光ビームを出射する光源、１０２はハーフミラー、１０３は光ビームを整形して被加工物１０４に集光する光学手段、１０５は被加工物１０４の反射光を受光手段１０６に導くためのミラー、１０７は被加工物１０４と光学手段１０３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、１０８は糸はんだ供給装置、１０９は前記加工ヘッドを被加工物１０４に対して上下方向に移動させる第１の移動手段、１１０は糸はんだ供給装置１０８を被加工物１０４に対して上下方向に移動させる第２の移動手段、１１１は糸はんだ供給装置１０８を被加工物１０４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１０３により光ビームを整形し、光源１０１から出射する光ビームを、被加工物１０４に対して集光し、さらに、第１の移動手段１０９により被加工物１０４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）

前記従来の構成では、光学手段１０３と被加工物１０４との距離を第１の移動手段１０９によって変更しているだけであるため、被加工物１０４に集光されたビームの形状は一定の形状の変化となる。このため、被加工物の加工点一点ごとに、はんだ供給およびレーザ照射によるはんだ溶融を行うため、生産性を確保できない。

生産性を向上させるためには、自動コテはんだ付けロボットなどで用いられるような、被加工物としての基板を走査しながらのはんだ付け（以下、引きはんだという）が有効であり、レーザで引きはんだ付けを行うには場合、一点に集光したレーザ光ではなく、一方向に拡大したレーザ光を用いることが考えられる。このようにレーザ光を変形させるために、シリンドリカルレンズのような２つ以上の曲率を持つレンズを用いることが考えられる。

引きはんだを行う場合、最適なはんだの供給位置と一点ごとのはんだ付けを行う際に、最適なはんだの供給位置が違っているため、各々の加工に対してはんだの供給位置の調整が必要である。

しかしながら、引きはんだを行う場合、シリンドリカルレンズのような２つ以上の曲率を有するレンズを挿入しているため、同軸での観察およびはんだ供給位置の調整が困難であること、はんだの供給位置の三次元的調整およびはんだ供給の傾きなどの調整を行わなければならず、外部からの観察によるはんだ供給位置の調整が困難であること、さらに引きはんだを行う場合と一点ごとのはんだ付けを行う位置のオフセットの方向とは、一方向に拡大したレーザ光の向きと平行でなければならず、その位置調整もまた困難を要することなどの課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、一点ずつの断続的なはんだ加工だけではなく、スポットはんだ付けおよび引きはんだ付けに適したレーザ光の集光形状の切り換えを可能とし、被加工物を走査しつつ、はんだの供給とレーザ照射を続けることにより、連続的なはんだ加工を可能にしたレーザはんだ付け方法および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に、本発明のレーザはんだ付け方法は、レーザ光を用いて被加工物にはんだ付けを行うレーザはんだ付け方法において、光源から出射されたレーザ光を第１の光学系を用いて前記被加工物の加工点のランドにビームスポットとして集光し、該集光位置の前記ランドにはんだの先端が接触するようにはんだ供給手段を調整し、前記加工点と前記第１の光学系との間に、２つ以上の曲率を有する光学系と光軸に対して対称な光学系とを組合せた第２の光学系を挿入し、前記第２の光学系のシリンドリカルレンズにより前記第１の光学系で集光したビームスポットを一方に拡大したレーザ光の中心と前記はんだの供給位置を一致させ、前記レーザ光が前記ランドに照射し始めてから終わりまでの時間の２／３〜３／４経過した時間となる位置に前記はんだを供給するように前記第２光学系の前記シリンドリカルレンズを移動させることを特徴とする。

前記構成の本発明によって、スポットはんだ付けに適したレーザ集光形状と引きはんだ付けに適したレーザ集光形状を切り換えることができる。

本発明によれば、引きはんだ付けをするときと、一点ごとのはんだ付けとにおいて、はんだ供給位置を変更することなく、はんだ付けを可能とする。すなわち、同軸での観察が可能な一点ごとのはんだ付け位置において、はんだの供給位置を調整し、第２の光学系の挿入および第１の光学系が形成する光軸に対して、第２の光学系の母線方向に対して垂直な方向にオフセットすることによって、レーザ照射位置をずらすことができるため、はんだ供給位置を動かすことなく、引きはんだにおける最適なはんだの供給位置とすることができる。

これにより、従来では調整が困難であった一点ごとのはんだの供給位置と、引きはんだ付け時のはんだ供給位置との調整を、一点ごとのはんだ供給位置に調整するだけで行うことができて、調整の精度の向上を図ることができると共に、調整時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を説明するためのレーザはんだ付け装置の概略構成図であり、１はレーザ光を出射する光源である光エネルギ出力手段、２は、筒状のパイプの中に糸状のはんだが挿入され、このはんだを加工点に供給する糸はんだ供給手段、３は被加工物、４は光エネルギ出力手段１から出射したレーザ光を鏡筒５に導く光ファイバ、６は鏡筒５から出射するレーザ光を集光させる第１の光学系、７は第１の光学系６を被加工物３に対して上下方向に移動させる第１の移動手段、８は糸はんだ供給手段２を被加工物３に対して上下方向に移動させる第２の移動手段、９は糸はんだ供給手段２を被加工物３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。

また、１０は第１の光学系６から出射して被加工物３に向かうレーザ光Ｌの光軸中に出入り可能に設けられた第２の光学系、１１は第２の光学系１０をレーザ光Ｌの光軸挿入方向（矢印Ａ方向）へ移動させる第２の駆動手段を示している。

さらに、１２は前記各手段および各光学系などを移動させる第１の駆動手段を示している。

図１において、光ファイバ４により光エネルギ出力手段１を出射したレーザ光を鏡筒５に導き、鏡筒５から出射するレーザ光を、第１の光学系６によって任意の集光形状に整形し、被加工物３にビームスポットとして集光する構成となっている。

第１の駆動手段１２により、糸はんだ供給手段２、鏡筒５、第１の光学系６、第２の光学系８、および第２の駆動手段１１を移動させ、被加工物３上の任意の位置にレーザ光Ｌを照射／集光することができるような構成となっている。

また、第１の移動手段７により、糸はんだ供給手段２、鏡筒５、第１の光学系６、第２の光学系８、および第２の駆動手段１１を移動させ、被加工物３との距離を任意に設定することができる構成となっている。

前記構成によれば、第１の光学系６による被加工物３へのレーザ光Ｌの集光形状と、第２の光学系１０を挿入したときの被加工物３へのレーザ光Ｌの集光形状を変更することができ、糸はんだ供給手段２から供給される糸はんだを溶融することによって、スポットはんだ付けと、引きはんだ付けとを容易に単一の装置で切り換えて加工することが可能となる。

次に、本実施の形態における第１の光学系６と第２の光学系１０との構成および動作について説明する。

図２（ａ），（ｂ）は実施の形態１における光学系部分の構成図であって、光エネルギ出力手段１として、半導体レーザ発振器を用いており、波長９４０ｎｍの光を発生させている。

図２（ａ）は第２の光学系１０をレーザ光Ｌの光軸中に挿入していないときの状態を示している。図２（ａ）において、第１の光学系６は焦点距離５０ｍｍの平凸レンズからなるコリメートレンズ６ａと焦点距離６５ｍｍの集光レンズ６ｂとから構成されている。本例では、コア径が直径０．６ｍｍの光ファイバ４から出射するレーザ光が、コリメートレンズ６ａで平行光となり、集光レンズ６ｂによって被加工物３の上に光ファイバ４の出射端面を結像させた直径０．７８ｍｍの円形スポットＳａとなるようにしている。この円形スポットＳａを移動させ、かつ被加工物３の任意の位置に照射／集光させることによって、スポットはんだ付けを行うことができる。

本実施の形態において、穴あきのランドが存在するプリント配線板および該プリント配線板に実装する電子部品を被加工物３として、直径０．８ｍｍの穴あきランドと該ランドを貫通した電子部品のリードとの間のはんだ付けを行うことができる。

また、第１の移動手段７によって、レーザ光Ｌを結像位置からデフォーカスさせた状態にして、レーザ光Ｌの集光形状を大きくし、直径１．５ｍｍのランドに対するはんだ付けも行うことができる。

図２（ｂ）は、第２の光学系１０をレーザ光Ｌの光軸中に挿入した状態を示している。

本実施の形態において、第２の光学系１０はシリンドリカルレンズ１０ａから構成されている。シリンドリカルレンズ１０ａをレーザ光Ｌの光軸中に挿入する際、シリンドリカルレンズ１０ａを該シリンドリカルレンズ１０ａの母線方向Ｂから挿入する。

このようにシリンドリカルレンズ１０ａを挿入することによって、図２（ａ）において円形（円形スポットＳａ）であったレーザ光Ｌの集光形状（集光スポットＳ）は、シリンドリカルレンズ１０ａの母線方向Ｂに引き延ばされた形（集光スポットＳｂ）となる。例えば、焦点距離１００ｍｍのシリンドリカルレンズを用いたところ、０．７８ｍｍ×８ｍｍ程度のレーザ光の集光形状を得ることができた。

母線方向Ｂに対して、シリンドリカルレンズ１０ａは曲率を持たない。このため、母線方向Ｂからのシリンドリカルレンズ１０ａの挿入を行うことによって、シリンドリカルレンズ１０ａの挿入時の位置決め精度の変動により生じる集光スポットＳｂにおける照射位置の変動に対する影響をなくすことができる。

図２（ｂ）に示す集光スポットＳｂの集光形状を用いることにより、被加工物３上に直線状に並んだ約１．５ｍｍピッチの複数のランドに挿入されたリードの引きはんだ付けを行うことが可能となる。具体的には、前記集光スポットＳの長手方向と直線状ランドの方向を一致させ、直線状ランドの端から順番にレーザ光を走査することによって、引きはんだ付けを行うことが可能となる。

図３（ａ），（ｂ）は実施の形態１における第２の光学系の変形例を示す構成図である。

図３（ａ）に示す構成例では、焦点距離２００ｍｍのシリンドリカルレンズ１０ａと焦点距離３００ｍｍのレンズ１０ｂからなる構成の第２の光学系１０を用いている。

この構成によれば、被加工物３上でのレーザ光Ｌの集光形状Ｓ１は２ｍｍ×７．６ｍｍとなり、適度なエネルギ密度をもった照射形状を得ることが可能となり、引きはんだ付けを行う際のレーザ照射の条件範囲を広く設定することが可能となる。

また、第２の光学系１０の全体をＺ軸方向（矢印Ｃ）に駆動する手段（図示せず）によって、被加工物３との距離を変化させることにより、レーザ光Ｌの照射形状を変化させ、より多くの加工条件に対応することが可能になる。

図３（ｂ）に示す構成例では、焦点距離２００ｍｍのシリンドリカルレンズ１０ａと焦点距離１５０ｍｍのシリンドリカルレンズ１０ｃからなる構成の第２の光学系１０を用いている。

このときシリンドリカルレンズ１０ａの母線とシリンドリカルレンズ１０ｃの母線が直交するように配置する。第２の光学系１０の全体をＺ軸方向（矢印Ｃ）に駆動する手段（図示せず）によって、被加工物３との距離を変化させることにより、レーザ光Ｌの照射形状を変化させ、なおかつシリンドリカルレンズ１０ａとシリンドリカルレンズ１０ｃとの間隔（矢印Ｄ方向）を変化させる駆動手段（図示せず）を設けることにより、被加工物３上のレーザ光の照射形状Ｓ２は、１〜１０ｍｍ（ｘ方向）×１〜１０ｍｍ（ｙ方向）の大きさに変化させることができ、被加工物３の形状や熱容量に合わせた、レーザ光の照射形状にすることを可能にした。

なお、前記実施の形態の構成において、第２の光学系１０として一方向のみに曲率をもつシリンドリカルレンズ１０ａを用いたが、トーリックレンズなどの２つの曲率を持つレンズを用いることができる。

また、光エネルギ出力手段１として半導体レーザを用いたが、ＹＡＧレーザなどの他のレーザ光発振装置を用いてもよい。光エネルギ出力手段１から鏡筒５への光伝達に光ファイバ４を用いたが、光ファイバ４を用いずに光エネルギ出力手段１から出射されるレーザ光を鏡筒５に直接入射することも考えられる。

次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、本実施の形態における各構成要素の調整方法について説明する。なお、図４（ａ）〜（ｃ）における下の図は集光されたレーザ光Ｌと糸はんだ先端部２ａとを示す説明図である。

図４（ａ）は、第１の光学系６のみを使用して、一点ごとのスポットはんだ付けを行う場合の各部の状態を示している。

図４（ａ）において、集光レンズ６ｂで集光されたレーザ光Ｌを、被加工物３上の一点のランドに照射する。このランド部分に糸はんだ供給手段２から糸はんだ２ａを約５ｍｍ程度出し、この糸はんだ２ａの先端がランドに接触するように、糸はんだ供給手段２の位置を調整する。このとき、鏡筒５に設けられた観察用の同軸カメラ（図示せず）を用いることにより、糸はんだ供給手段２の位置の調整が容易となる。

レーザ照射位置と糸はんだ２ａとの供給位置が一致した状態で、図４（ｂ）に示すように、集光レンズ６ｂから５ｍｍ離れた位置にシリンドリカルレンズ１０ａを挿入する。このとき、被加工物３を走査する方向とシリンドリカルレンズ１０ａの母線の方向を一致させる。このように集光レンズ６ｂとシリンドリカルレンズ１０ａとを平行に、かつ中心を一致させた場合、シリンドリカルレンズ１０ａにより、一方向に拡大されたレーザ光Ｌの中心とはんだ供給位置が一致する。

引きはんだ付けを行う際の直線状に並んだ各ランド部分の温度プロファイルを検討すると、１つのランドに対して糸はんだ２ａの供給に適した温度になっているのは、レーザ光Ｌが照射し初めてから終わりまでの時間の約２／３〜３／４経過した時間になる。そのような部位に糸はんだ２ａを供給することで、本実施の形態ではシリンドリカルレンズ１０ａを＋ｘ方向に約２ｍｍ変位（オフセットｘ）させることにより、一点ごとのスポットはんだ付け時と引きはんだ付け時とのそれぞれのはんだ供給位置調整を省いて、一点ごとのスポットはんだ付け時の糸はんだ供給手段２の位置調整のみを行えばよく、調整を容易にすることができる。また、一点ごとのスポットはんだ付けと引きはんだ付けを切り換えたときに発生する糸はんだ供給手段２の位置変動を省くことができ、はんだ付け時のはんだ量の変動などを低減することができる。

また、図３（ｂ）に示す第２の光学系１０の全体をＺ軸方向（矢印Ｃ）に駆動する手段と、シリンドリカルレンズ１０ａとシリンドリカルレンズ１０ｃとの間隔（矢印Ｄ方向）を変化させる駆動手段とにより、スポット形状や大きさを変化させた場合においても、温度プロファイルは距離に対して比例的に変わる。このため、スポット形状・大きさの変化に合わせて糸はんだ供給手段２の位置を調整する必要がなく、常に適した温度のランドにはんだを供給することができる。

また、はんだを溶融させた場合にはフラックスなどのダストが発生する。その発生したダストによる光学系の汚染を防ぐために、一般的に気体を噴き付けや吸引を行うことによりダストを除去する。このとき、気体の噴き付けや吸引手段（図示せず）位置は、加工点に対して最適な位置に配置しなければならない。

本実施の形態によれば、一点ごとのスポットはんだ付け時と引きはんだ付け時で、気体の噴き付けおよび吸引手段の位置を変える必要がなくなり、余分な機能や動作を省くことができ、簡易な装置構成を実現することができる。

また、第２の光学系１０を変位させることにより、加工部や溶融したはんだで反射したレーザ光が、発信器および半導体レーザの発光面に戻ることを防ぎ、レーザ発信器および半導体レーザへのダメージを低減することが可能となる。

なお、本実施の形態ではシリンドリカルレンズを用いたが、レンズの挿入方向とその直交方向で曲率が違うレンズを用いて、レーザビーム形状を調整してもよい。本実施の形態では、シリンドリカルレンズを一方向に固定しているが、シリンドリカルレンズは回転させてもよく、シリンドリカルレンズを回転させる場合、集光レンズの光軸を中心として回転するように調整することで、シリンドリカルレンズを回転させた場合においても、最適な温度の位置にはんだを供給することができ、方向の違う引きはんだ付けが可能となる。

シリンドリカルレンズのオフセット量を調整することで、はんだを供給するまでの時間を調整することができ、加工点のサイズや形状，材質の違い対して、最適な温度の位置にはんだを供給することができる。

また、本実施の形態では、シリンドリカルレンズを１つ用いて、ビームスポット形状の調整を行っているが、２つ以上の曲率を持つ光学系を２つ以上用いてもよい。また、２つ以上の曲率を持つ光学系と対称な光学系を組み合わせて、ビームスポット形状の調整を行ってもよい。

なお、本実施の形態において、第２の光学系１０を、シリンドリカルレンズのみならず、複数枚からなるレンズ群構成として、第２の光学系１０全体をオフセットするようにしてもよい。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における光学系およびはんだ供給部分について説明するための構成図である。なお、図５において、図１〜図４にて説明した構成要素に対応する構成要素については同一符号を用いて、その説明を省略する。

実施の形態２では、第２の光学系１０を、光軸と平行な軸線を中心として回転（矢印Ｅ方向）させる駆動手段（図示せず）を備えている。このようにしたことにより、第２の光学系１０によって形成される引きはんだ付けに適した集光形状Ｓを被加工物３上で回転することができ、直線的に並んだ被加工物３のプリント配線板上のランドに対して適切な方向とすることができる。

第２の光学系１０の回転中心は、第１の光学系６のみで集光されるレーザ光Ｌの照射位置の中心Ｏと一致するように設定し、さらに、被加工物３であるプリント配線板のｘ，ｙ軸から約４５度をなす方向に糸はんだ供給手段２の糸はんだ２ａを配置する。

一般的に引きはんだ付けを適用できる電子部品は、図５（ａ）に示すレーザ光Ｌの集光形状Ｓのように、被加工物３であるプリント配線板のｘ方向に並んでいるか、図５（ｂ）に示すレーザ光Ｌの集光形状Ｓのように、プリント配線板のｙ方向に並んでいる。

そのような場合には、第２の光学系１０の回転を停止させてはんだ付けを行う位置は、プリント配線板のｘ軸方向とｙ軸方向となる。よって、糸はんだ供給手段２をプリント配線板のｘ軸方向とｙ軸方向に対して４５度をなすようにすることにより、引きはんだ付けを実施する際に、糸はんだ供給手段２の位置を調整する必要がなくなる。

なお、本実施の形態において、糸はんだ供給手段２の位置として、ｘ軸方向とｙ軸方向の中間角度として４５度の位置に配置したが、プリント配線板上の引きはんだ付けの適用部分の配置によっては、引きはんだ適用可能部位の少なくとも１つ以上のランド並びからなる直線間がなす角度のうち、最も広い角度を有する直線間の中間位置にあたる角度に糸はんだ供給手段２を配置してもよい。

本発明は、被加工物の一部を加熱する部分加熱によるスポットはんだ付けと引きはんだ付けとに容易に切り換えることができる機能を具備することから、リフローはんだ付けにおいて難しかったプリント配線板への異形部品，弱耐熱部品，多ピン部品などの高速かつ高信頼性のはんだ付けにも適用することができる。

本発明の実施の形態１を説明するためのレーザはんだ付け装置の概略構成図 （ａ），（ｂ）は実施の形態１における光学系部分の構成図 （ａ），（ｂ）は実施の形態１における第２の光学系の変形例を示す構成図 （ａ）〜（ｃ）は本実施の形態における各構成要素の調整方法の説明図 （ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態２における光学系およびはんだ供給部分について説明するための構成図 従来のレーザはんだ付け装置の説明図

１ 光エネルギ出力手段
２ 糸はんだ供給手段
３ 被加工物
４ 光ファイバ
５ 鏡筒
６ 第１の光学系
７ 第１の移動手段
８ 第２の移動手段
９ 第３の移動手段
１０ 第２の光学系
１１ 第２の駆動手段
１２ 第１の駆動手段
Ｌ レーザ光

Claims (5)

1. レーザ光を用いて被加工物にはんだ付けを行うレーザはんだ付け方法において、
   光源から出射されたレーザ光を第１の光学系を用いて前記被加工物の加工点のランドにビームスポットとして集光し、
   該集光位置の前記ランドにはんだの先端が接触するようにはんだ供給手段を調整し、
   前記加工点と前記第１の光学系との間に、２つ以上の曲率を有する光学系と光軸に対して対称な光学系とを組合せた第２の光学系を挿入し、前記第２の光学系のシリンドリカルレンズにより前記第１の光学系で集光したビームスポットを一方に拡大したレーザ光の中心と前記はんだの供給位置を一致させ、前記レーザ光が前記ランドに照射し始めてから終わりまでの時間の２／３〜３／４経過した時間となる位置に前記はんだを供給するように前記第２光学系の前記シリンドリカルレンズを移動させる
   レーザはんだ付け方法。
2. 前記第２の光学系として、該第２の光学系の挿入方向とその直交する方向とで曲率の異なる光学系を用いて、スポット形状を変化させることを特徴とする
   請求項１記載のレーザはんだ付け方法。
3. 前記第２の光学系を挿入する際に、前記曲率の異なる光学系を母線方向から挿入することを特徴とする
   請求項１または２記載のレーザはんだ付け方法。
4. 前記第１の光学系を通過するレーザ光の光軸を中心として、前記第２の光学系を回転させることにより、前記集光位置を制御することを特徴とする
   請求項１〜３いずれか１項記載のレーザはんだ付け方法。
5. 前記第２の光学系の変位量を調整することにより、前記集光位置を制御することを特徴とする
   請求項１〜４いずれか１項記載のレーザはんだ付け方法。