JP6785512B2 - はんだ付けシステム - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いたはんだ付けシステムに関する。

近年、電子デバイスの小型化に伴い、多くの電子回路部品には表面実装部品（ＳＭＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）が多用されている。ＳＭＤをプリント基板にはんだ付けする際には、リフロー方式が主流となっている。ＳＭＤが実装される基板は、銅箔で形成されるプリントパターンが表側に設けられ、そのプリントパターンの上にＳＭＤが載置される。そして、ＳＭＤとプリントパターンの接触部分にクリームはんだが塗布された上で、リフロー炉で加熱される。短時間にハンダが溶ける温度にまで温度が上昇することによって、クリームはんだが溶けることで、はんだ付けが完了する。

リフロー炉によるリフロー方式はんだ付けは、プリント基板の表面にＳＭＤが平面的に載置されるので、はんだ付けされる箇所も平面的である。よって、はんだは加熱されるとはんだ付けされる箇所に対して平面的に広がる。しかし、部品やモジュール等の形状によっては、はんだ付けされる箇所が平面的でないために、リフロー方式が使えない場合がある。

図１４は、携帯電話やスマートフォン等に組み込まれる、ＣＭＯＳイメージセンサ１４０１を概略的に示す外観斜視図である。
カメラモジュールとも呼ばれるＣＭＯＳイメージセンサ１４０１は、対物レンズ１４０２に図示しないボイスコイルモータが組み込まれており、ボイスコイルモータを駆動制御することで、フォーカス制御が行われる。ボイスコイルモータに印加される制御電流は、他の電子回路にとってノイズとなり、ＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）等の悪影響を及ぼす。このため、ボイスコイルモータを含むレンズ等の部品を金属製のカバー１４０３で覆い、カバー１４０３を接地ノードに接続する必要がある。

図１４に示すように、金属製のカバー１４０３は、フレキシブルプリント基板１４０４の接地ノード端子１４０５にはんだ付けされる。しかし、この金属製のカバー１４０３とフレキシブルプリント基板１４０４との接触部分は、凡そ９０°の角度が形成されており、立体的な位置関係を有する。また、カバー１４０３内部に形成される回路の信号端子１４０６とフレキシブルプリント基板１４０４の信号端子１４０７との間にも信号線を形成するためのはんだ付けが必要であり、このはんだ付けの箇所も凡そ９０°の角度が形成されている。
このように、はんだ付けされる部材同士に急峻な角度が形成され、立体的な位置関係を有する場合、溶融したはんだがはんだ付けの箇所に均等に広がらないので、リフロー炉を用いたはんだ付けがほぼ不可能である。また、ＣＭＯＳイメージセンサ１４０１のようにはんだ付けされる箇所が角度を有する場合でなくとも、はんだ付けしようとする部品やモジュール等の一部に、高温に弱い材料が使用されている場合、リフロー炉を用いるとその材料が高熱で破壊されてしまい、目的とする部品やモジュールを作成することができない。
こういった、リフロー方式を適用できない部品やモジュールのはんだ付けに、レーザはんだ付け装置が用いられる。

なお、本発明に近いと思われる技術が開示されている先行技術文献を、特許文献１及び特許文献２に示す。
特許文献１には、レーザを用いたはんだボール接合装置（レーザはんだ付け装置）の技術が開示されている。このはんだボール接合装置は、ほぼ垂直関係の位置にある二つのはんだ付け対象部材をはんだボール接合によって接合するため、先ずはんだボールを正確に位置決めし、ほぼ互いに垂直関係に位置するはんだ付け対象部材に安定した状態ではんだボールを載置する。しかる後レーザ照射によりはんだボールを溶融して、はんだ付けする。
特許文献２には、レーザ照射型はんだ接合装置（レーザはんだ付け装置）の技術が開示されている。このレーザ照射型はんだ接合装置は、はんだ供給装置からレーザビームの光路に糸はんだを供給し、溶融したはんだボールを形成する。そしてコンプレッサからヘッド内に圧縮ガスを供給し、小孔から溶融したはんだボールを吹き付ける。接合箇所に吹き付けたはんだボールに対し、小孔から出射したレーザビームを照射する。

特開２００２−４５９６２号公報 特開平０６−２３５３０号公報

しかしながら、この特許文献１記載の技術を極小な部品等に適用しようとしたところ、次に記すような現象が発生することが判明した。はんだボールをレーザで溶かすと、レーザによって溶融したはんだが、はんだ付け対象部材の空間部分に垂れたような状態で冷え固まってしまう。このため、はんだ付け対象部材へのはんだの供給が十分でなく、確実な接続に懸念が残る、という問題が生じる。
また、従来技術のレーザ溶接装置に使用されるＹＡＧレーザ等の固体レーザは、はんだに使用すると熱エネルギーが強すぎる。更に、固体レーザはパワー制御が極めて難しい。このため、微小なはんだ付けの対象物品である部品やプリント基板を損傷する可能性が高い。

本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、微小なはんだ付け対象物品を損傷せず、はんだ付けの箇所に均等に広がり、良好なはんだ付けを完遂できる、はんだ付けシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のはんだ付けシステムは、はんだ付け装置と制御装置とを有する。
はんだ付け装置は、はんだホルダと、はんだホルダにはんだボールを供給するはんだボール供給装置と、はんだ付け対象物にはんだホルダを所定の距離だけ離間して位置させる上下駆動機構と、上下駆動機構によってはんだボールをはんだ付け対象物から所定の距離だけ離間して位置された状態で、はんだボールに青色レーザ光を照射する半導体青色レーザ光源と、はんだホルダに対する、溶融したはんだボールをはんだホルダから射出するための圧力ガスの注入を制御するためのガスバルブと、はんだホルダにおける圧力ガスの圧力を検出する圧力センサとを具備する。
制御装置は、はんだ付け装置に対し、はんだボールがはんだホルダに到達した後、圧力センサからはんだ付け装置内部の圧力が所定の値に達したことを検出して、はんだボールを溶融させるために所定時間、第一の強度の青色レーザ光をはんだボールに複数回間欠的に照射すると共にガスバルブを閉じる制御を行い、溶融されたはんだボールがはんだホルダから射出された後、溶融されたはんだボールに第一の強度よりも弱い第二の強度の青色レーザ光を所定時間連続的に照射し、その後半導体青色レーザ光源をオフ制御すると共にガスバルブを開く制御を行う。

本発明により、微小なはんだ付け対象物品を損傷せず、良好な濡れ性を以てはんだ付けを完遂できる、はんだ付けシステムを提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る、レーザはんだ付け装置の概略的な正面図である。 はんだローラの拡大図である。 はんだホルダの先端部分の構造を示す模式断面図である。 はんだ付けシステムの全体構成と、レーザはんだ付け装置を制御する制御装置のハードウェアの構成を示すブロック図である。 制御装置のソフトウェアの機能を示すブロック図である。 制御装置によって制御されるレーザはんだ付け装置の、種々の状態を示すタイムチャートである。 はんだボールに半導体レーザが照射された直後の状態と、はんだボールが半導体レーザによって溶融し、吐出口から吐出された直後の状態を示す、はんだホルダとはんだ付け対象物の一部を拡大した模式断面図である。 溶融はんだに対して半導体レーザの照射が継続され、溶融はんだがはんだ付け対象物のはんだ付け箇所に対して充分に濡れた状態を示す、はんだホルダとはんだ付け対象物の一部を拡大した模式断面図である。 本発明の変形例に係るレーザはんだ付け装置を用いて、はんだボールに半導体レーザが照射された直後の状態と、はんだボールが半導体レーザによって溶融して溶融はんだに変化した直後の状態を示す、はんだホルダとはんだ付け対象物の一部を拡大した模式断面図である。 溶融はんだに対して半導体レーザの照射が継続され、溶融はんだがはんだ付け対象物のはんだ付け箇所に対して充分に濡れた状態を示す、はんだホルダとはんだ付け対象物の一部を拡大した模式断面図である。 本発明の第二の変形例に係るレーザはんだ付け装置の、制御装置に追加される機能ブロックを示すブロック図である。 本発明の第二の変形例に係るレーザはんだ付け装置の、ゲート制御部及びレーザ駆動部のブロック図及び回路図である。 レーザ制御部が出力する制御信号と、ゲート制御部が出力する参照電圧切替信号のタイムチャートと、ゲート制御信号の電圧波形と、半導体レーザ光源に流れる電流の波形を示す図である。 携帯電話やスマートフォン等に組み込まれる、ＣＭＯＳイメージセンサを概略的に示す外観斜視図である。

［レーザはんだ付け装置の外観］
図１は、本発明の実施形態に係る、レーザはんだ付け装置１０１の概略的な正面図である。
図１に示すように、レーザはんだ付け装置１０１には、半導体レーザ光源１０２が取り付けられたレーザ鏡筒１０３を有する。レーザ鏡筒１０３の先端には第一反射鏡１０４がレーザ鏡筒１０３の長手方向に対して４５°の傾きで内蔵されている。更に、本体部１０５には第二反射鏡１０６が第一反射鏡１０４と同じ傾きで内蔵されており、第一反射鏡１０４によって反射されたレーザ光を本体部１０５の先端にあるはんだホルダ１０７が保持するはんだボール２０１（図２参照）に照射するように構成されている。レーザはんだ付け装置１０１は、はんだ付け対象物４１５（図４参照）に均一な量のはんだを与えるために、粒径が均一なはんだボール２０１を採用する。
本発明の実施形態に係るレーザはんだ付け装置１０１は、従来技術の高出力な固体レーザに代えて、より出力が低くはんだ付けに適した、５００ｎｍ以下の波長の可視光を発光する青色半導体レーザを採用している。

レーザはんだ付け装置１０１の本体部１０５の先端には、略円錐形状のはんだホルダ１０７が設けられている。はんだホルダ１０７は中空形状であり、その先端は溶融したはんだボール２０１を吐出するための穴を有する。はんだホルダ１０７の詳細については図３以降で詳述する。
はんだホルダ１０７はホルダ保持部１０８に取り付けられる。ホルダ保持部１０８もまた略円錐形状であり、はんだ供給装置１０９から延びる導管１１０が接続されている。また、圧縮された窒素ガス（圧力ガス）が供給されるガス導入口１１１が設けられ、図示しない圧縮ガス導入機構が窒素ガスバルブ（図４参照）を通じて接続される。更に、はんだホルダ１０７には図示しない圧力センサ４１２（図４参照）が封入されており、窒素ガスの気圧を計測して、窒素ガスの気圧を示すデジタルデータを出力する。
窒素ガスは、溶融したはんだボール２０１をはんだホルダ１０７から吐出するための圧力を与えると共に、溶融したはんだの酸化を防ぐために用いられる。

なお、レーザはんだ付け装置１０１には、図示しない上下駆動機構が設けられている。上下駆動機構は、図７以降で後述するはんだ付け工程において、図示しないベルトコンベア等の移送機構によってはんだ付け対象物４１５の、はんだ付け箇所４１５ａ（図７参照）がはんだホルダ１０７の直下に到達したら、レーザはんだ付け装置１０１を下方向に駆動して、はんだホルダ１０７をはんだ付け対象物４１５のはんだ付け対象箇所に近接させる。そして、はんだ付けの処理が完遂したらレーザはんだ付け装置１０１を上方向に駆動して、はんだホルダ１０７をはんだ付け対象物４１５から離間させる。

［はんだローラ１１３の構造］
はんだ供給装置１０９は、はんだボールタンク１１２と、はんだローラ１１３と、導管１１０を有する。また、導管１１０の途中には金属検出センサで構成されるはんだ通過センサ１１４が設置されており、はんだ通過センサ１１４ははんだボール２０１が導管１１０を通過したことを検出する。
図２は、はんだローラ１１３の拡大図である。なお、参考のためにはんだボール２０１も図示している。
はんだローラ１１３は、円盤の円周にはんだボール２０１の大きさより僅かに大きい窪み１１３ａが、９０°ずつ４箇所に設けられている。はんだローラ１１３は図示しないステッピングモータによって回転駆動される。すると、窪み１１３ａにはんだボール２０１が１個嵌まり込み、窪み１１３ａが真下に到達すると、はんだボール２０１が落ちて導管１１０へ導かれる。なお、はんだローラ１１３に設けられる窪み１１３ａの数は必ずしも４箇所である必要はなく、任意である。

［はんだホルダ１０７の構造］
図３は、はんだホルダ１０７の先端部分の構造を示す模式断面図である。はんだホルダ１０７はアルミニウム合金、ステンレス、ニッケル、黄銅、真鍮、またはクロムメッキされた金属等、あるいはセラミック等、はんだ濡れ性が低く、はんだが付着しにくく、また溶融したはんだの高温にも耐えうる物質で形成される。
略円錐形状のはんだホルダ１０７の内部には、先端に向かって細くなるテーパ状空間１０７ａが形成されている。この空間のテーパ状空間１０７ａの内壁は、はんだボール２０１を確実にはんだホルダ１０７の先端へ導く。
テーパ状空間１０７ａの先端は一定の太さになる円筒状空間１０７ｂが形成されている。更に円筒状空間１０７ｂの先端ははんだボール２０１に当接するはんだ係止部１０７ｃが形成される。はんだ係止部１０７ｃには円筒状の穴である吐出口１０７ｄが開けられており、この吐出口１０７ｄから溶融したはんだが吐出される。

はんだボール２０１の直径をＳＲ、吐出口１０７ｄの直径をＤ１、円筒状空間１０７ｂの直径をＤ２とすると、以下の不等式に示す関係を有する。
Ｄ１＜ＳＲ＜Ｄ２
このため、導管１１０を通じてはんだホルダ１０７に落とし込まれたはんだボール２０１は、はんだホルダ１０７内のテーパ状空間１０７ａにおいて、その内壁に滑り込むように円筒状空間１０７ｂに嵌まり込み、はんだ係止部１０７ｃではんだホルダ１０７に留め置かれる。はんだボール２０１がはんだ係止部１０７ｃに到達すると、吐出口１０７ｄははんだボール２０１によって塞がれる。

［はんだ付けシステム４０１の全体構成及び制御装置のハードウェア構成］
図４は、はんだ付けシステム４０１の全体構成と、レーザはんだ付け装置１０１を制御する制御装置４０２のハードウェアの構成を示すブロック図である。
はんだ付けシステム４０１は、レーザはんだ付け装置１０１と制御装置４０２で構成される。
周知のマイコンである制御装置４０２は、バス４０３に接続された、ＣＰＵ４０４、ＲＯＭ４０５、ＲＡＭ４０６、電気的に書き換え可能なフラッシュメモリ等の不揮発性ストレージ４０７、入力ポート４０８、出力ポート４０９、そしてタイマ４１０を備える。不揮発性ストレージ４０７にはマイコンを制御装置４０２として稼働させるための制御プログラムが格納されている。なお、フラッシュメモリを用いてＲＯＭ４０５と不揮発性ストレージ４０７を兼用してもよい。
また、制御装置４０２はマイコンに限らず、適切なインターフェースを設けたパソコンでもよい。

入力ポート４０８には、レーザはんだ付け装置１０１の近傍に設けられ、フォトインタラプタ等で構成される対象物センサ４１１と、はんだボール２０１が導管１１０を通過したことを検出するはんだ通過センサ１１４と、レーザはんだ付け装置１０１内部の窒素ガスの圧力を測定する圧力センサ４１２が接続される。
出力ポート４０９には、はんだローラ１１３を回転駆動するステッピングモータ４１３と、レーザはんだ付け装置１０１内部に窒素ガスの注入を制御する窒素ガスバルブ４１４（ガスバルブ）と、レーザ鏡筒１０３に組み込まれている半導体レーザ光源１０２が接続される。
すなわち制御装置４０２は、対象物センサ４１１ではんだ付け対象物４１５の存在を検出して、はんだ通過センサ１１４ではんだボール２０１の正常な供給を検出して、圧力センサ４１２で窒素ガスの圧力を測定する。
また制御装置４０２は、ステッピングモータ４１３を回転駆動してはんだボール２０１をはんだホルダ１０７へ供給し、窒素ガスバルブ４１４を制御して適切なタイミングでレーザはんだ付け装置１０１に窒素ガスを注入し、半導体レーザ光源１０２を制御して適切なタイミングではんだボール２０１を溶融させる。

［制御装置４０２のソフトウェア機能］
図５は、制御装置４０２のソフトウェアの機能を示すブロック図である。
対象物センサ４１１が出力する論理信号は、Ｄフリップフロップ（以下「Ｄ−ＦＦ」と略、図５の表記も同じ）５０１のＣｐ入力端子に供給される。
はんだ通過センサ１１４が出力する論理信号は、Ｄ−ＦＦ５０１のＲ入力端子に供給される。
Ｄ−ＦＦ５０１のＤ入力端子は論理の真を示す論理信号ノードに接続されており、常に論理の真の状態である。
すなわち、Ｄ−ＦＦ５０１は対象物センサ４１１の出力信号のアップエッジを論理の真の論理信号に変換して出力し、はんだ通過センサ１１４が論理の真の論理信号を出力したことによって論理の偽の論理信号を出力する。対象物センサ４１１の出力信号のアップエッジとは、新たなはんだ付け対象物４１５の到着を対象物センサ４１１が検出したことを示す。

Ｄ−ＦＦ５０１のＱ出力端子から出力される論理信号は、タイマ４１０の論理信号と共にＡＮＤゲート５０２の入力に接続される。
タイマ４１０は後述するコンパレータ５０３の出力信号から計時を始め、所定時間を計時すると後述するレーザ制御部５０４をオフ制御する論理信号を出力する。したがって、ＡＮＤゲート５０２の出力信号は、半導体レーザ光源１０２がオフ制御されている状態において、新たなはんだ付け対象物４１５がはんだホルダ１０７の直下に到着したことを対象物センサ４１１が検出した時に、論理の真を示す信号を出力する。
ＡＮＤゲート５０２の出力信号は、はんだ通過センサ１１４が出力する論理信号と共にモータ制御部５０５に入力される。

モータ制御部５０５は、ＡＮＤゲート５０２の出力信号が論理の真になったことを受けて、ステッピングモータ４１３を９０°回転させるステッピングパルスを出力する。そして、モータ制御部５０５に内蔵されているタイマが規定する時間内にはんだ通過センサ１１４の出力信号が論理の真になったら、動作を停止する。
もし、モータ制御部５０５に内蔵されているタイマが規定する時間内にはんだ通過センサ１１４の出力信号が論理の真にならなかった場合、それははんだローラ１１３がはんだボール２０１の投入に失敗したことを示す。そこで、再度、ステッピングモータ４１３を９０°回転させるステッピングパルスを出力する。

圧力センサ４１２の圧力を示すデータは、圧力閾値を示すデータと共にデジタルのコンパレータ５０３に入力される。コンパレータ５０３は、圧力センサ４１２が検出する窒素ガスの圧力が圧力閾値５０６を越えた時に、論理の真を出力する。
タイマ４１０の出力信号は、コンパレータ５０３が出力する論理信号と共にバルブ制御部５０７に入力される。
バルブ制御部５０７は、タイマ４１０の出力信号が論理の真になったことを受けて、窒素ガスバルブ４１４を開ける制御信号を出力する。そして、コンパレータ５０３の出力信号が論理の真になったことを受けて、窒素ガスバルブ４１４を閉じる制御信号を出力する。

コンパレータ５０３の出力信号は、タイマ４１０に供給される。タイマ４１０は、コンパレータ５０３の出力信号が論理の真になったことを受けて、所定の時間の計時を開始する。そして、所定の時間が経過したら、論理の真を示す出力信号を出力する。
また、はんだ通過センサ１１４の出力信号はタイマ４１０のリセット端子に供給されるので、タイマ４１０は所定時間を計時した後、はんだ通過センサ１１４の出力信号が論理の真になったら、リセットされる。

コンパレータ５０３の出力信号は、タイマ４１０が出力する論理信号と共にレーザ制御部５０４に入力される。
レーザ制御部５０４は、コンパレータ５０３の出力信号が論理の真になったことを受けて、半導体レーザ光源１０２をオン制御する制御信号を出力する。そして、タイマ４１０の出力信号が論理の真になったことを受けて、半導体レーザ光源１０２をオフ制御する制御信号を出力する。

バルブ制御部５０７は、タイマ４１０の出力信号が論理の真になると窒素ガスバルブ４１４を開けて、コンパレータ５０３の出力信号が論理の真になると窒素ガスバルブ４１４を閉じる。
レーザ制御部５０４は、コンパレータ５０３の出力信号が論理の真になると半導体レーザ光源１０２をオン制御し、タイマ４１０の出力信号が論理の真になると半導体レーザ光源１０２をオフ制御する。
すなわち、バルブ制御部５０７が窒素ガスバルブ４１４へ出力する制御信号と、レーザ制御部５０４が半導体レーザ光源１０２へ出力する制御信号とは、論理が逆の関係にある。

なお、図５に示すソフトウェア機能ブロック図は一例であり、例えばタイマ４１０のリセットをはんだボール２０１検出センサで行う代わりに、タイマ４１０自身の出力信号を用いて、ＡＮＤゲート５０２の入力やタイマ４１０の出力等にラッチ機能を用いる等の、様々なバリエーションが考えられる。

図６は、制御装置４０２によって制御されるレーザはんだ付け装置１０１の、種々の状態を示すタイムチャートである。発明者らがレーザはんだ付け装置１０１で実験を行い、良好なはんだ付けが実現できた際の、タイムチャートを記録したものである。この実験において使用したはんだボール２０１の直径は０．５ｍｍ、青色半導体レーザの出力は６．８Ｗである。
図６の波形Ｌ６０１は、はんだローラ１１３の回転速度である。
波形Ｌ６０２は、はんだローラ１１３を回転させるステッピングモータ４１３の制御信号である。
波形Ｌ６０３は、はんだ通過センサ１１４の検出信号である。
波形Ｌ６０４は、窒素ガスの流量を示す波形である。
波形Ｌ６０５は、窒素ガスの圧力を示す圧力センサ４１２の出力信号である。
波形Ｌ６０６は、半導体レーザ光源１０２をオン・オフ制御する制御信号である。
波形Ｌ６０７は、窒素ガスの注入を開閉制御する、窒素ガスバルブ４１４の制御信号である。

時刻Ｔ６１１において、窒素ガスバルブ４１４は開いており、半導体レーザ光源１０２はオフ制御されている。
時刻Ｔ６１２において、ＡＮＤゲート５０２が論理の真を出力したことに呼応して、ステッピングモータ４１３が回転駆動され、はんだローラ１１３が回転する。
時刻Ｔ６１３において、はんだ通過センサ１１４がはんだボール２０１が導管１１０を通過したことを検出する。
時刻Ｔ６１４において、はんだボール２０１がはんだホルダ１０７のはんだ係止部１０７ｃに嵌まり込み、窒素ガスは吐出口１０７ｄから漏れ出なくなる。すると、レーザはんだ付け装置１０１内部の窒素ガスの圧力が上昇を始める。この時、窒素ガスの流量は吐出口１０７ｄがはんだボール２０１によって塞がれたために、時刻Ｔ６１４以前と比べると僅かに少なくなる。

時刻Ｔ６１５において、レーザはんだ付け装置１０１内部の窒素ガスの圧力が圧力閾値５０６を超えたことをコンパレータ５０３が検出すると、バルブ制御部５０７は窒素ガスバルブ４１４を閉じる制御を行う。すると、レーザはんだ付け装置１０１内部への窒素ガスの注入は停止される。また、これと同時に、レーザ制御部５０４は半導体レーザ光源１０２をオン制御する。この時刻Ｔ６１５において、タイマ４１０は起動し、所定時間を計時する。
時刻Ｔ６１６において、半導体レーザ光源１０２が照射するレーザ光によってはんだボール２０１は溶融する。すると、レーザはんだ付け装置１０１内部の窒素ガスの圧力によって、溶融したはんだは吐出口１０７ｄから吐出される。その瞬間に、レーザはんだ付け装置１０１内部の窒素ガスの圧力は急激に減少する。しかし、この時刻Ｔ６１６においても半導体レーザは照射し続けられる。
時刻Ｔ６１７において、タイマ４１０が所定時間の経過を検出すると、レーザ制御部５０４はタイマ４１０の出力信号に呼応して、半導体レーザ光源１０２をオフ制御する。そして、半導体レーザ光源１０２のオフ制御と同時にバルブ制御部５０７は窒素ガスバルブ４１４を開ける制御を行う。

［はんだ付けの動作］
これより、本発明の実施形態に係るレーザはんだ付け装置１０１における、はんだ付けの動作の流れを説明する。
図７Ａは、はんだボール２０１にレーザ光Ｂ７０１が照射された直後の状態を示す、はんだホルダ１０７とはんだ付け対象物４１５の一部を拡大した模式断面図である。図６の時刻Ｔ６１５における、はんだホルダ１０７とはんだ付け対象物４１５の状態である。
はんだホルダ１０７は図示しない上下駆動機構によって、はんだ付け対象物４１５のはんだ付け箇所４１５ａから所定の距離だけ僅かに離れた状態で近接しており、はんだホルダ１０７の先端ははんだ付け対象物４１５とは接触していない。はんだホルダ１０７とはんだ付け対象物４１５のはんだ付け箇所４１５ａとの離間距離は例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度である。

図７Ｂは、はんだボール２０１がレーザ光Ｂ７０１によって溶融し、吐出口１０７ｄから吐出された直後の状態を示す、はんだホルダ１０７とはんだ付け対象物４１５の一部を拡大した模式断面図である。図６の時刻Ｔ６１６における、はんだホルダ１０７とはんだ付け対象物４１５の状態である。
はんだボール２０１は溶融して溶融はんだ７０２となり、はんだ付け対象物４１５のはんだ付け箇所４１５ａに付着している。しかし、この状態では溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａの金属と接触しているだけであり、溶融はんだ７０２が金属の表面と合金を形成する（濡れる）状態には至っていない。

図８は、溶融はんだ７０２に対してレーザ光Ｂ７０１の照射が継続され、溶融はんだ７０２がはんだ付け対象物４１５のはんだ付け箇所４１５ａに対して充分に濡れた状態を示す、はんだホルダ１０７とはんだ付け対象物４１５の一部を拡大した模式断面図である。図６の時刻Ｔ６１７における、はんだホルダ１０７とはんだ付け対象物４１５の状態である。
すなわち、本発明の実施形態に係るレーザはんだ付け装置１０１と制御装置４０２は、溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａに付着した後も、なおレーザ光Ｂ７０１を照射し続ける。この動作は、はんだごてを用いてはんだ付けを行う際、はんだがはんだ付けをしたい箇所によく馴染む様に、はんだが溶けた後もなおはんだごてで加熱し続ける作業工程に等しい。
はんだボール２０１を溶融させるだけなら、図６の時刻Ｔ６１５からＴ６１６の間だけでも可能である。しかし、溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａに付着しても、はんだ付け箇所４１５ａと溶融はんだ７０２との合金は形成されない。はんだ付け箇所４１５ａと溶融はんだ７０２との合金が形成され、溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａへ十分に濡れて、毛細管現象で溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａに流れることで電気的特性が安定するためには、溶融はんだ７０２とはんだ付け箇所４１５ａを所定時間、所定の温度以上加熱し続ける必要がある。この加熱の継続が、時刻Ｔ６１６からＴ６１７の期間である。

加熱を継続する時間は、半導体レーザの種類、半導体レーザの出力、はんだボール２０１の大きさ、はんだ付け箇所４１５ａの大きさ等で変化するので、はんだ付け対象物４１５に応じて適宜調整される。一方、従来の固体レーザは加熱の出力が強すぎるため、本発明の実施形態に係るはんだ付けシステム４０１には適さない。特に、加熱の継続が困難である。
特に、半導体レーザの種類は青色半導体レーザが好適であることが、発明者らの実験によって判明した。青色半導体レーザは、赤色等の他の色の半導体レーザよりもはんだに対する熱吸収特性が高い。このため、良好なはんだ付けが実現できる。

以上説明した実施形態には、以下に記す変形例が可能である。
（１）以上に説明した本発明の実施形態に係るレーザはんだ付け装置１０１では、はんだボール２０１を内部に保持するはんだホルダ１０７を使用していた。吐出口１０７ｄの直径ははんだボール２０１より小さいため、はんだボール２０１が溶融しない限りははんだボール２０１ははんだホルダ１０７から出られない。
上述のはんだホルダ１０７に対し、より簡素な構造のはんだホルダを用いても、半導体レーザを用いたはんだ付けは実現可能である。
図９Ａは、本発明の第一の変形例に係るレーザはんだ付け装置１０１を用いて、はんだボール２０１にレーザ光Ｂ７０１が照射された直後の状態を示す、はんだホルダ９０１とはんだ付け対象物４１５の一部を拡大した模式断面図である。図６の時刻Ｔ６１５における、はんだホルダとはんだ付け対象物４１５の状態であり、図７Ａに対応する。

第一の変形例に係るレーザはんだ付け装置１０１は、図１から図８にかけて説明した実施形態に係るレーザはんだ付け装置１０１と、はんだホルダ９０１の構造のみ異なり、それ以外の部品、機構部分、機能ブロック等は全て実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。
図９Ａ、図９Ｂ及び図１０に示すはんだホルダ９０１は、円筒状空間１０７ｂがそのまま吐出口１０７ｄとなっており、故にはんだボール２０１が係止される部位が存在しない。つまり、先端部分に何もあてがわなければ、導管１１０を通じてはんだホルダ９０１に導かれたはんだボール２０１は、先端部分の吐出口１０７ｄからそのまま外に飛び出てしまう。
そこで、図９Ａに示すように、はんだホルダ９０１をはんだ付け対象物４１５のはんだ付け箇所４１５ａに当接させる。すると、はんだボール２０１ははんだホルダ９０１の吐出口１０７ｄとはんだ付け箇所４１５ａに囲まれるように固定される。

図９Ｂは、はんだボール２０１がレーザ光Ｂ７０１によって溶融して溶融はんだ７０２に変化した直後の状態を示す、はんだホルダ９０１とはんだ付け対象物４１５の一部を拡大した模式断面図である。図６の時刻Ｔ６１６における、はんだホルダ９０１とはんだ付け対象物４１５の状態であり、図７Ｂに対応する。
図９Ａにおいて、はんだボール２０１ははんだホルダ９０１の吐出口１０７ｄとはんだ付け箇所４１５ａに囲まれるように固定されていた。その状態で、はんだボール２０１にレーザ光Ｂ７０１を照射すると、はんだボール２０１は溶融して溶融はんだ７０２に変化し、はんだ付け箇所４１５ａに付着する。この時、溶融したはんだは自重によってはんだ付け箇所４１５ａに付着するので、窒素ガスで圧力を与える必要はない。

図１０は、溶融はんだ７０２に対してレーザ光Ｂ７０１の照射が継続され、溶融はんだ７０２がはんだ付け対象物４１５のはんだ付け箇所４１５ａに対して充分に濡れた状態を示す、はんだホルダ９０１とはんだ付け対象物４１５の一部を拡大した模式断面図である。図６の時刻Ｔ６１６から時刻Ｔ６１７に至る途中における、はんだホルダ９０１とはんだ付け対象物４１５の状態である。
図９Ｂにおいて、はんだボール２０１にレーザ光Ｂ７０１を照射したことによってはんだボール２０１は溶融して溶融はんだ７０２に変化し、はんだ付け箇所４１５ａに付着した。はんだボール２０１が溶融したらすぐにレーザはんだ付け装置１０１を引き上げ、はんだホルダ９０１をはんだ付け箇所４１５ａから離間させる。その間、レーザ光Ｂ７０１ははんだ付け箇所４１５ａに付着した溶融はんだ７０２に照射し続ける。
以上説明したように、はんだホルダ９０１をはんだ付け箇所４１５ａに当接する構成であっても、本発明に掛かるレーザはんだ付け装置１０１を実現することが可能である。

（２）前述のはんだホルダ９０１がはんだボール２０１を素通しする構成のレーザはんだ付け装置１０１では、はんだボール２０１に代えて、糸はんだを細かく切断したはんだチップを用いてもよい。はんだボール２０１を素通しする構成のはんだホルダ９０１を使用する場合、はんだホルダ９０１がはんだボール２０１によって吐出口１０７ｄが塞がれないので、必ずしもはんだボール２０１のように均一な形状のはんだを使用しなくてもよい。

（３）理想的には、はんだボール２０１を溶融させる工程（図６の時刻Ｔ６１５から時刻Ｔ６１６の間）と、溶融したはんだボール２０１がはんだ付け箇所４１５ａに付着した後に加熱する工程（図６の時刻Ｔ６１６から時刻Ｔ６１７の間）とで、はんだボール２０１及びはんだ付け箇所４１５ａに対する加熱の熱量は異なっていることが望ましい。はんだごてではそのような制御は不可能だが、レーザはんだ付け装置１０１なら、半導体レーザ光源１０２に投入する電力を制御することで、容易にはんだボール２０１及びはんだ付け箇所４１５ａに対する加熱の制御を実現できる。

図１１は、本発明の第二の変形例に係るレーザはんだ付け装置１０１の、制御装置４０２に追加される機能ブロックを示すブロック図である。
図５では、レーザ制御部５０４が半導体レーザ光源１０２へ出力する制御信号は、単純なレーザ光Ｂ７０１のオン・オフ制御であった。
図１１では、レーザ制御部５０４が出力する制御信号に対し、ゲート制御部１１０１とレーザ駆動部１１０２が追加されている。
ゲート制御部１１０１は、レーザ制御部５０４の制御信号と、圧力センサ４１２の出力信号を受けて、レーザ駆動部１１０２を制御する。
レーザ駆動部１１０２は、半導体レーザ光源１０２に対し、定電流制御による駆動制御を行う。

図１２は、本発明の第二の変形例に係るレーザはんだ付け装置１０１の、ゲート制御部１１０１及びレーザ駆動部１１０２のブロック図及び回路図である。
ゲート制御部１１０１は一般的なマイコンである制御装置４０２のソフトウェア機能として実現されるので、ハードウェア構成については記載を省略する。
圧力センサ４１２の出力信号は微分演算部１２０１に入力される。微分演算部１２０１は圧力センサ４１２の出力信号に微分演算を行うことで、図６の時刻Ｔ６１６に生じる、信号の急峻な減少をパルス信号に変換して出力する。
レーザ制御部５０４の制御信号はシーケンサ１２０２に入力される。シーケンサ１２０２は微分演算部１２０１から出力されるパルス信号も受けて、後述するレーザ駆動部１１０２に含まれるＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３のゲート制御信号を生成する。
レーザ制御部５０４の制御信号はラッチ１２０４にも入力される。ラッチ１２０４は微分演算部１２０１から出力されるパルス信号も受けて、後述するレーザ駆動部１１０２に含まれる切替スイッチ１２０５の制御信号を生成する。

レーザ駆動部１１０２は、半導体レーザ光源１０２に電力を供給する直流電源Ｖ１２０６に、定電流制御を行う周知のバックコンバータで構成される。
ＰＮＰのトランジスタ１２０７はバックコンバータのハイサイドスイッチである。トランジスタ１２０７とダイオードＤ１２０８とチョークコイルＬ１２０９は、バックコンバータを構成する。
チョークコイルＬ１２０９の出力端子側と半導体レーザ光源１０２との間にはＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３のハイサイドスイッチが接続されている。なお、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３のゲートドライブ回路については記載を省略している。
半導体レーザ光源１０２のカソードと接地ノードとの間には半導体レーザ光源１０２に流れる電流を検出するためのシャント抵抗Ｒ１２１０が接続されている。
半導体レーザ光源１０２のカソードとシャント抵抗Ｒ１２１０との接続点はコンパレータ１２１１のプラス側端子に接続される。一方、コンパレータ１２１１のマイナス側端子には、切替スイッチ１２０５を介して第一参照電圧源Ｖ１２１２と第二参照電圧源Ｖ１２１３が選択的に接続される。第一参照電圧源Ｖ１２１２は第二参照電圧源Ｖ１２１３より高い電圧を出力する。コンパレータ１２１１の出力はオープンコレクタであり、ベース抵抗Ｒ１２１４を介してトランジスタ１２０７のベースに接続されている。なお、抵抗Ｒ１２１５はトランジスタ１２０７のスイッチングを確実にするための抵抗である。すなわち、コンパレータ１２１１のオープンコレクタがオフ状態になるとトランジスタ１２０７はオフになり、コンパレータ１２１１のオープンコレクタがオン状態になるとトランジスタ１２０７はオンになる。

シャント抵抗Ｒ１２１０の端子間電圧は、半導体レーザ光源１０２に流れる電流に比例する。
シャント抵抗Ｒ１２１０の電圧が、第一参照電圧源Ｖ１２１２の電圧より低くなると、コンパレータ１２１１のオープンコレクタはオン状態になり、トランジスタ１２０７はオンになる。
シャント抵抗Ｒ１２１０の電圧が、第一参照電圧源Ｖ１２１２の電圧より高くなると、コンパレータ１２１１のオープンコレクタはオフ状態になり、トランジスタ１２０７はオフになる。
この、ハイサイドスイッチのオンオフによる電流の間欠的な流れは、チョークコイルＬ１２０９とダイオードＤ１２０８によって平滑（制限）される。したがって、半導体レーザ光源１０２は定電流制御される。
参照電圧を大きくすれば、半導体レーザ光源１０２に流れる電流を大きくすることができる。このため、参照電圧源を２個設け、切替スイッチ１２０５によって選択的にコンパレータ１２１１に供給している。
チョークコイルＬ１２０９の出力側にスイッチを設ければ、半導体レーザ光源１０２に流す電流のオン・オフ制御を実現できる。このため、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３のハイサイドスイッチが設けられている。

図１３は、レーザ制御部５０４が出力する制御信号と、ゲート制御部１１０１が出力する参照電圧切替信号のタイムチャートと、ゲート制御信号の電圧波形と、半導体レーザ光源１０２に流れる電流の波形を示す図である。横軸は時間であり、縦軸は（ａ）及び（ｂ）が論理値、（ｃ）がゲート電圧、（ｄ）が電流である。
図１３の（ａ）は、レーザ制御部５０４が出力する制御信号である。時刻Ｔ６１５で論理の真になり、時刻Ｔ６１７で論理の偽に戻る。
図１３の（ｂ）は、ゲート制御部１１０１のラッチ１２０４が出力する参照電圧切替信号である。微分演算部１２０１が圧力センサ４１２の出力信号の変化をパルス信号に変換することで、ラッチ１２０４からは時刻Ｔ６１５で論理の真になり、時刻Ｔ６１６で論理の偽に戻る制御信号が切替スイッチ１２０５へ出力される。
図１３の（ｃ）は、ゲート制御部１１０１のシーケンサ１２０２が出力するゲート制御信号である。ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３はゲート電圧が下がるとソース−ドレイン間がオンになるので、このような波形になる。なお、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３のゲート−ソース間電圧の制約により、ゲート電圧が低い時の電圧は必ずしも０Ｖではない。時刻Ｔ６１５から微分演算部１２０１が出力するパルス信号が入力される時刻Ｔ６１６までは、オン時間（照射時間Ｔ１３０２）の短いゲート制御信号をＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３へ繰り返し出力する。時刻Ｔ６１６から、レーザ制御部５０４が出力する制御信号が論理の偽に戻る時刻Ｔ６１７までは、レーザ光休止間隔Ｔ１３０４を経て、連続したゲート制御信号（照射時間Ｔ１３０５）をＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３へ出力する。

図１３の（ｄ）は、半導体レーザ光源１０２に流れる電流の波形図である。また、この波形図は半導体レーザ光源１０２に投入される電力の波形図でもある。
参照電圧の切替とＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３のゲート制御信号を生成することで、図１３の（ｄ）に示すように、半導体レーザ光源１０２には時刻Ｔ６１５から時刻Ｔ６１６までは、半導体レーザ光源１０２には電流Ｉ１３０１が流れ、強いレーザ光がパルス状にはんだボール２０１に照射される。
はんだボール２０１が溶融すると、レーザはんだ付け装置１０１内部の窒素ガスの圧力によって、溶融したはんだは吐出口１０７ｄから吐出される。その瞬間、すなわち時刻Ｔ６１６に、レーザはんだ付け装置１０１内部の窒素ガスの圧力は急激に減少する。

ゲート制御部１１０１は、窒素ガスの圧力の変化を圧力センサ４１２の信号から微分演算部１２０１で検出すると、切替スイッチ１２０５を制御して、コンパレータ１２１１のマイナス側端子に接続する参照電圧源を、第一参照電圧源Ｖ１２１２から第二参照電圧源Ｖ１２１３に切り替える。シーケンサ１２０２は、時刻Ｔ６１６において微分演算部１２０１から入力されるパルス信号を受けて、断続的なゲート制御信号から連続的なゲート制御信号に、ゲート制御信号を切り替える。このため、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ１２０３には連続的なゲート制御信号が与えられる。この結果、時刻Ｔ６１６以降になると、半導体レーザ光源１０２には時刻Ｔ６１５から時刻Ｔ６１６までに流れた電流Ｉ１３０１よりも少ない電流Ｉ１３０６が流れ、溶融したはんだとはんだ付け箇所４１５ａが加熱される。

はんだボール２０１を溶融させる工程（時刻Ｔ６１５から時刻Ｔ６１６の間）では、室温に冷えたはんだボール２０１が液状になるまでに必要な熱量をはんだボール２０１に与える必要がある。しかし、強いレーザ光を連続的にはんだボール２０１へ照射すると、熱の伝達にムラが生じてしまい、はんだボール２０１の一部は溶融しているが一部は溶融していない、という状態が生じうる。そこで、はんだボール２０１の全体にレーザ光の熱が万遍なく伝達するように、パルス状の強いレーザ光を断続的（間欠的）にはんだボール２０１へ照射する。例えば、パルス状レーザ光の照射時間Ｔ１３０２は１０−５０ｍｍｓｅｃ、パルスとパルスの時間間隔Ｔ１３０３は１０−２０ｍｍｓｅｃ、パルス状レーザ光の強度は１５−２５Ｗに設定する。
なお、上記のパルス間隔、パルスの数、パルス状レーザ光の強度は一例であって、使用するはんだの物質的特性や溶融したはんだの飛ぶ距離、使用するレーザ等様々の条件によって変更し得る。例えば照射時間Ｔ１３０２を狭くしてパルス数を増加させることや、あるいはパルス数を減らして照射時間Ｔ１３０２を広くすること、またそれに応じてあるいは独立してパルスの時間間隔Ｔ１３０３を変更することも可能である。

溶融したはんだがはんだ付け箇所４１５ａに付着した後に加熱する工程（時刻Ｔ６１６から時刻Ｔ６１７の間）では、はんだ付け箇所４１５ａと溶融したはんだとの合金が形成され、溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａへ十分に濡れて、毛細管現象で溶融したはんだがはんだ付け箇所４１５ａに流れることで電気的特性が安定するために、溶融はんだ７０２とはんだ付け箇所４１５ａを所定時間、所定の温度以上加熱し続ける必要がある。しかし、溶融したはんだは既に相応の熱量を有している。このため、はんだボール２０１を溶融させる工程で用いた、強力なレーザ光のままで溶融したはんだとはんだ付け箇所４１５ａを熱すると、加熱し過ぎてしまい、プリント基板のプリントパターンを損傷する虞がある。はんだ付け箇所４１５ａと溶融したはんだとの合金を形成するのであるならば、はんだボール２０１を溶融させる工程の時よりも弱くしたレーザ光を連続的に照射することが望ましい。

本実施形態では、レーザはんだ付け装置１０１と制御装置４０２からなるはんだ付けシステム４０１を開示した。
本発明の実施形態に係るはんだ付けシステム４０１は、溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａに付着した後も、なおレーザ光Ｂ７０１を溶融はんだ７０２に照射し続けることで、溶融はんだ７０２に対する加熱を継続する。この処理により、はんだ付け箇所４１５ａと溶融はんだ７０２との合金が形成され、溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａへ十分に濡れて、毛細管現象で溶融はんだ７０２がはんだ付け箇所４１５ａに流れる。そして強固かつ安定したなはんだ付けが完遂する。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…レーザはんだ付け装置、１０２…半導体レーザ光源、１０３…レーザ鏡筒、１０４…第一反射鏡、１０５…本体部、１０６…第二反射鏡、１０７…はんだホルダ、１０８…ホルダ保持部、１０９…はんだ供給装置、１１０…導管、１１１…ガス導入口、１１２…はんだボールタンク、１１３…はんだローラ、１１４…はんだ通過センサ、２０１…はんだボール、４０１…はんだ付けシステム、４０２…制御装置、４０３…バス、４０４…ＣＰＵ、４０５…ＲＯＭ、４０６…ＲＡＭ、４０７…不揮発性ストレージ、４０８…入力ポート、４０９…出力ポート、４１０…タイマ、４１１…対象物センサ、４１２…圧力センサ、４１３…ステッピングモータ、４１４…窒素ガスバルブ、４１５…はんだ付け対象物、４１５ａ…はんだ付け箇所、５０１…Ｄフリップフロップ、５０２…ＡＮＤゲート、５０３…コンパレータ、５０４…レーザ制御部、５０５…モータ制御部、５０６…圧力閾値、５０７…バルブ制御部、９０１…はんだホルダ、１１０１…ゲート制御部、１１０２…レーザ駆動部、１２０１…微分演算部、１２０２…シーケンサ、１２０３…ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ、１２０４…ラッチ、１２０５…切替スイッチ、１２０７…トランジスタ、１２１１…コンパレータ、Ｄ１２０８…ダイオード、Ｌ１２０９…チョークコイル、Ｒ１２１０…シャント抵抗、Ｒ１２１４…ベース抵抗、Ｒ１２１５…抵抗、Ｖ１２０６…直流電源、Ｖ１２１２…第一参照電圧源、Ｖ１２１３…第二参照電圧源、１４０１…ＣＭＯＳイメージセンサ、１４０２…対物レンズ、１４０３…カバー、１４０４…フレキシブルプリント基板、１４０５…接地ノード端子、１４０６…信号端子、１４０７…信号端子

Claims (1)

1. はんだホルダと、
   前記はんだホルダにはんだボールを供給するはんだボール供給装置と、
   はんだ付け対象物に前記はんだホルダを所定の距離だけ離間して位置させる上下駆動機構と、
   前記上下駆動機構によって前記はんだボールを前記はんだ付け対象物から所定の距離だけ離間して位置された状態で、前記はんだボールに青色レーザ光を照射する半導体青色レーザ光源と、
   前記はんだホルダに対する、溶融した前記はんだボールを前記はんだホルダから射出するための圧力ガスの注入を制御するためのガスバルブと、
   前記はんだホルダにおける前記圧力ガスの圧力を検出する圧力センサと
   を具備するはんだ付け装置と、
   前記はんだ付け装置に対し、前記はんだボールが前記はんだホルダに到達した後、前記圧力センサから前記はんだ付け装置内部の圧力が所定の値に達したことを検出して、前記はんだボールを溶融させるために所定時間、第一の強度の青色レーザ光を前記はんだボールに複数回間欠的に照射すると共に前記ガスバルブを閉じる制御を行い、溶融された前記はんだボールが前記はんだホルダから射出された後、溶融された前記はんだボールに前記第一の強度よりも弱い第二の強度の青色レーザ光を所定時間連続的に照射し、その後前記半導体青色レーザ光源をオフ制御すると共に前記ガスバルブを開く制御を行う、制御装置と
   を有するはんだ付けシステム。

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