JP7123352B2 - はんだホルダおよび自動はんだ付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いたはんだ付け装置およびその装置に使用されるはんだホルダに関し、詳しくはレーザを用いてはんだホルダに保持されたボールはんだを溶融し、その溶融はんだを気圧により対象物に吹き付けてはんだ付けする自動はんだ付け装置およびその装置に使用されるはんだホルダに関する。

近年、電子機器が小型化して、電子的接続を行う部品間隔が狭くなっており、これに伴って接続に必要とされるはんだの量も少なくなっている。また、多くの電子機器には表面実装部品（ＳＭＤ：Surface Mount Device）が多用されているが、そのＳＭＤをプリント基板にはんだ付けする際の接続箇所の数はますます増大している。このため、自動はんだ付け装置の重要性が高まっている。
この自動はんだ付け装置では、はんだ接続場所の正確な位置決めがなされなければならない。しかし、最近のはんだ付けの対象物は互いに立体位置関係（例えば垂直関係）にある場合があり、このような場合にも確実に自動はんだ付けが行われるような装置が求められている。

特許文献１には、微小なはんだ付け対象部品を損傷せずに、良好な濡れ性をもってはんだ付けを行うことが可能なはんだ付け装置とはんだ付け方法が記載されている。
特許文献１に記載の技術は、溶融したはんだをはんだホルダから射出するために圧力ガスを用いて、この圧力ガスの圧力を圧力センサで検出する。そして、はんだ付け装置内部の圧力が所定の値に達すると、半導体レーザ光源をオン制御してやや強いレーザ光をはんだに照射する。このとき、ガスバルブを閉じる制御も同時に行い、はんだがホルダから射出された後に、はんだに弱いレーザ光を所定時間照射して、その後半導体レーザ光源をオフ制御している。

国際公開第２０１９／０６５０６５号公報

しかしながら、特許文献１の技術でも、未だ一回ごとのはんだ付けに要する時間にばらつきがあり、高速度で正確なはんだ付けをするには、さらなる改良が求められていた。この一回ごとのはんだ付けに要する時間のばらつきの原因は、ボールはんだがはんだホルダ先端部（溶融位置）までに到達する時間のばらつきが所定範囲を超えていることにある。
このボールはんだがはんだホルダ先端部までに到達する時間のばらつきは、はんだホルダの内部が円錐状に構成されているため、ボールはんだの供給装置からはんだホルダにボールはんだを供給する際に、ボールはんだがはんだホルダに落ち込む位置と方向の違いによるものと考えられる。

特に、はんだホルダの入り口に当たる円錐状の広い部分に、斜め方向からボールはんだが供給されると、ボールはんだは円錐状の穴の中をらせん形状に落ちてはんだホルダの先端部に達する。ここで、斜め方向とは、直線的に先端部に達する方向に対して所定角度で傾斜した方向をいう。このため、先端部に達するまでの走行距離が長くなるので、直線的に先端部に達する場合と比べると、先端部に達するまでの時間が長くなる。
これに対して、ボールはんだが鉛直線に近い状態で、はんだホルダ先端に向かう直線方向で供給される場合には、走行距離が短くなるので、極めて短時間で先端部に達することになる。
この時間差は、おおむね１．５～２倍程度、つまり、らせん状に落ちていく場合は直線状に落ちていく場合の１．５～２倍の時間を要する。

本発明は、ボールはんだがはんだホルダの先端部に達するまでのばらつきの時間を所定範囲内に収め、はんだ付けの正確性と生産スピードを上げることが可能なはんだホルダおよびこのはんだホルダを用いた自動はんだ付け装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のはんだホルダは、自動はんだ付け装置に適用されるはんだホルダであって、このはんだホルダは先端部に向かって内径が小さくなるように円錐状の孔を有するように構成されている。また、このはんだホルダの円錐状の孔を形成した壁面部には、底面部から先端部に向かって、直線状に伸びる所定高さのリブが少なくとも一つ設けられ、リブの高さは、底面部から先端部に向かって徐々に低くなるように構成されている。そして、この少なくとも一つ設けられたリブに沿って、ボールはんだをはんだホルダの底面部から先端部に向かって直線状に落下させるようにする。

本発明の自動はんだ付け装置は、はんだホルダと、はんだホルダにはんだを供給するはんだ供給装置と、はんだ付け対象物にはんだを溶融させるために、はんだに所定時間、レーザ光を照射する半導体レーザ光源と、溶融したはんだをはんだホルダから射出するための圧力ガスをはんだホルダに注入するためのガス導入口を具備する。
そして、本発明の自動はんだ付け装置におけるはんだ供給装置は、所定の径を有するボールはんだをはんだホルダに供給する。

また、はんだホルダは、先端部に向かって内径が小さくなる円錐状に構成されており、はんだホルダの壁面部には、はんだホルダの底面部からはんだホルダの先端部に形成された孔に向かって、直線状に伸びる所定高さのリブが少なくとも一つ設けられ、リブの高さは、底面部から先端部に向かって徐々に低くなるように構成されている。そして、ボールはんだは、この設けられたリブに沿って、はんだホルダの底面部からはんだホルダの先端部に向かって落下させるようにしている。

本発明によれば、ボールはんだがはんだホルダの先端部に達するまでのばらつきの時間を所定範囲内に収めることにより、はんだ付けの正確性と生産スピードを上げることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第一の実施形態に係るはんだホルダの構造を示す模式図である。 本発明の第一の実施形態に係るはんだホルダの断面図である。 本発明の第二の実施形態に係るはんだホルダの構造を示す模式図である。 本発明の自動はんだ付け装置の全体構成の概略を示す図である。 従来のはんだホルダの構造を示す模式図とその断面図である。 従来のはんだホルダの先端部の詳細を示す拡大断面図である。

＜本発明の自動はんだ付け装置の全体構成＞
以下、図１～図６を参照して、従来例と比較しつつ、本発明の第一および第二の実施の形態例であるはんだホルダおよび自動はんだ付け装置について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態例のはんだホルダの構造を模式的に示した図である。
図２は、図１に示す第一の実施形態のはんだホルダを直線Ｘ－Ｘ’で切断したときの断面図である。また図３は、本発明の第二の実施形態であるはんだホルダの構造を模式的に示した図である。

図４は、本発明に係る自動はんだ付け装置の全体構成である。図４に示す構成は、はんだホルダ１６を除くと、特許文献１に記載されたものと変わらない。図５は、比較のために示した従来のはんだホルダ１６の構造である。また図６は、従来のはんだホルダ１６の先端部の詳細を示す拡大断面図である。

図４は、本出願人が特許文献１に開示した自動はんだ付け装置の全体構成を示す図であり、本例の自動はんだ付け装置１０もこの構成を備えている。
この自動はんだ付け装置１０の構成と動作は特許文献１に開示されているので、詳細な説明は省くが、以下、図４の装置は、本発明のベースとなる装置なので、簡単にその構成と動作を説明しておく。

図４に示すように、本例の自動はんだ付け装置１０は、半導体レーザ光源１１、レーザ鏡筒１２、本体部１３に内蔵された第一反射鏡１４および第二の反射鏡１５を備える。
また、本体部１３の先端には、はんだホルダ１６が設けられ、このはんだホルダ１６に半導体レーザ光源１１からのレーザ光が供給される。

また、はんだホルダ１６を保持するホルダ保持部１７が設けられ、このホルダ保持部１７に、はんだ供給装置１８から導管１９を通してボールはんだ３０（図６参照）が供給される。すなわち、このはんだ付け装置１０は、不図示のはんだ付け対象物に均一な量のはんだを与えるために、粒径が均一なボールはんだ３０がはんだホルダ１６に供給されるように構成されている。

はんだ供給装置１８には、はんだホルダタンク２１と、はんだローラ２２が設けられている。また、導管１９の途中にはボールはんだ３０が通過したことを検出するはんだ通過センサ２３が設けられている。
さらに、略円錐形状のホルダ保持部１７には、圧縮された窒素ガス（圧力ガス）が供給されるガス導入口２０が設けられている。そして、このガス導入口２０からは、圧縮窒素ガスが導入され、レーザ光によって溶融したボールはんだ３０をはんだホルダ１６から吐出させる。

＜従来のはんだホルダの構造＞
図５は、図４のはんだホルダ１６の従来型の構造を示した図である。図５に示すように、はんだホルダ１６は底面部１６ａと先端部１６ｂを持ち、その内部には円錐状の孔が形成されている。そして、その孔が形成されたはんだホルダ１６の内壁１６ｃは滑らかな円錐状の曲面になっている。

ボールはんだ３０が図５に示すはんだホルダ１の底面部１６ａに供給されると、ボールはんだ３０は、はんだホルダ１６の先端部１６ｂに向かって落下する。しかし、このとき、導管１９からのボールはんだ３０の落下方向がはんだホルダ１６の先端部１６ｂに向かっていない場合、つまりボールはんだ３０がはんだホルダ１６の鉛直方向に対して所定角度で交差して供給された場合には、円錐形状に形成された内壁１６ｃ上をらせん状に回転しながらはんだホルダ１の先端部に向かって落下する。

ボールはんだ３０がはんだホルダ１６の底面部１６ａから先端部１６ｂに向かってらせん状に落下すると、先端部１６ｂ達するまでに通過する経路が長くなり、その分先端部４に到達する時間が長くなる。

そこで、発明者らは、仮に導管１９からのボールはんだ３０の落下方向がはんだホルダ１６の先端部に向かっていない場合、つまり鉛直方向に対して所定角度で交差して供給された場合であっても、ボールはんだ３０がらせん状に落下せずに、直線的に最短距離で落下するように工夫した。

図６は、はんだホルダ１６の先端部分の構造を示す拡大断面図である。はんだホルダ１６は、はんだ濡れ性が低く、はんだが付着しにくい材料で形成する必要がある。また、溶融したはんだの温度（高温）にも耐えうる材料で形成する必要がある。
略円錐形状のはんだホルダ１６の内部には、先端に向かって細くなるテーパ状空間が形成されている。このテーパ状空間１６ｅの内壁は、ボールはんだ３０を確実にはんだホルダ１６の先端へ導く。なお、このはんだホルダ１６の先端部の構造は本発明においても同じ構成となっている。

すなわち、テーパ状空間１６ｅの先端は一定の太さになる円筒状空間１６ｆが形成されている。更に円筒状空間１６ｆの先端には、ボールはんだ３０に当接するはんだ係止部１６ｇが形成される。そして、はんだ係止部１６ｇには、円筒状の穴である吐出口１６ｈが開けられており、この吐出口１６ｈから溶融したはんだが吐出される。

ボールはんだ３０の直径をＳＲ、吐出口１６ｈの直径をＤ１、円筒状空間１６ｆ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１９を通じてはんだホルダ１６に落とし込まれたボールはんだ３０は、はんだホルダ１６内のテーパ状空間１６ｅにおいて、その内壁１６ｃに滑り込むように円筒状空間１６ｆに嵌まり込み、はんだ係止部１６ｇではんだホルダ１６に留め置かれる。ボールはんだ３０がはんだ係止部１６ｇに到達すると、吐出口１６ｈは、ボールはんだ３０によって塞がれる。

＜本発明の第一の実施形態例のはんだホルダの構造＞
図１は、本発明の第一の実施形態例のはんだホルダの構造を示した模式図である。図１に示すはんだホルダ２６は、その内部構造以外は、図５に示した従来のはんだホルダ１６と同じものである。図２は、図１（Ｂ）に示すはんだホルダ２６の直線Ｘ－Ｘ’における断面図である。
図１に示すように、はんだホルダ２６は、円周の底面部２６ａから先端部２６ｂに向かって、内径が徐々に小さくなっている。そして、内径が小さくなる円錐状の壁面部２６ｃに円周の底面部２６ａから先端部２６ｂに向かって直線状に伸びた３本のリブ２６ｄが形成されている。このリブ２６ｄは、ボールはんだ３０がリブ２６ｄに対して斜め方向に入ってきたときにこれを直線方向に戻す機能を持っている。

このリブ２６ｄは、所定の高さ「ｔ」を持つように形成されるが、この高さ「ｔ」は、図２に示すように、円周の底面部２６ａから先端部２６ｂに行くに従って次第に減少するように形成される。この高さ「ｔ」は、上述したように、リブ２６ｄに対して斜め方向に入ってきたボールはんだ３０を直線方向に戻すためのものであり、ボールはんだが越えられない程度の高さがあればよい。

リブ２６ｄの高さ「ｔ」があまり高いとレーザ光の照射路に近接している関係上、レーザ光によって損傷を受けることが考えられるので、例えば、底面部２６ａの近傍で、ボールはんだ３０の半径と同程度または半径の２．０倍くらいの高さがあれば十分である。

図２に示すように、リブ２６ｄは、はんだホルダ２６の底面２６aから先端部２６ｂに向かって深さｄまで伸びており、そのリブ２６ｄの高さ「ｔ」は先端に向かって徐々に低くなっている。高さ「ｔ」の一番低いところでは、その高さ「ｔ」はレーザ光に損傷されないように、そしてボールはんだ３０の落下に支障がない程度の高さに選定される。また、その深さ「ｄ」はリブ２６ｄによりボールはんだ３０の落下方向を鉛直方向に修正するという機能に影響がない範囲で、ホルダの製造工程の容易性を考慮して決定すればよい。

＜本発明の第二の実施形態例のはんだホルダの構造＞
図１では、リブ２６ｄは３本になっているが、必ずしも３本に限定されない。リブ２６ｄは、あくまでもボールはんだ３０が斜め方向に入ってきたときにこれを直線方向に戻すためのものであるから、その数は３本以外の複数本にしてもよいし、図３で後述するように１本にしてもよい。すなわち、リブ２６ｄの数は、設計者が任意に設定することができるものである。

図３は本発明の第二の実施形態例のはんだホルダの構造を示すもので、図３では、リブ２６ｄが１本だけ形成されている。基本的には、リブ２６ｄが１本であっても、十分その機能を果たすことができる。したがって、はんだホルダ２６のバランスや強度および製造の容易さ等に問題がなければ、リブ２６ｄは１本でもよい。一方で、リブ２６ｄを増やせば、それに応じて同じ数だけ溝も増えるから、リブと溝のバランスを考えてリブ２６ｄの幅と数を設定すればよい。

本発明の第一の実施形態例および第二の実施形態例に示されるように、はんだホルダ２６に、リブ２６ｄを形成すると、はんだ供給装置１８（図４参照）から供給されるボールはんだ３０は、どのような方向（または角度）からこのはんだホルダ２６に供給されても、ボールはんだ３０はリブ２６ｄに遮られて、らせん状に回転することがなくなる。そして、比較的短い経路を通って、はんだホルダ２６の先端部２６ｂに到達する。これにより、レーザ照射までの待ち時間が短縮されるので、はんだ付けに係る時間が全体的に短縮されることになる。

以上、本発明の第一および第二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、特許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。

１０…レーザはんだ付け装置、１１…半導体レーザ光源、１２…レーザ鏡筒、１３…本体部、１４…第一反射鏡、１５…第二反射鏡、１６、２６…はんだホルダ、１６ａ、２６ａ…はんだホルダの底面部、１６ｂ、２６ｂ…はんだホルダの先端部、１６ｃ、２６ｃ…はんだホルダの壁面部（内壁）、２６ｄ…はんだホルダのリブ、１７…ホルダ保持部、１８…はんだ供給装置、１９…導管、２０…ガス導入口、２１…ボールはんだタンク、２２…はんだローラ、２４…はんだ通過センサ、３０…ボールはんだ

Claims (3)

1. 自動はんだ付け装置に適用されるはんだホルダであって、
   先端に向かって内径が小さくなるように円錐状の孔を有するように構成され、
   前記円錐状の孔を形成した壁面部には、底面部から先端部に向かって、直線状に伸びる所定高さのリブが少なくとも一つ設けられ、
   前記リブの高さは、前記底面部から前記先端部に向かって徐々に低くなるように構成されており、
   前記リブに沿って、ボールはんだを前記底面部から前記先端部に向かって直線状に落下させる、はんだホルダ。
2. 前記リブの高さは、前記底面部においてボールはんだの半径以上で、かつボールはんだの半径の２．０倍以内である、
   請求項１に記載のはんだホルダ。
3. はんだホルダと、
   前記はんだホルダにはんだを供給するはんだ供給装置と、
   はんだ付け対象物にはんだを溶融させるために、前記はんだに所定時間、レーザ光を照射する半導体レーザ光源と、
   溶融したはんだを前記はんだホルダから射出するための圧力ガスを前記はんだホルダに注入するためのガス導入口を具備する自動はんだ付け装置であって、
   前記はんだ供給装置は、所定の径を有するボールはんだをはんだホルダに供給し、
   前記はんだホルダは、
   先端に向かって内径が小さくなるように円錐状の孔を有するように構成され、
   前記円錐状の孔を形成するはんだホルダの壁面部には、前記はんだホルダの底面部から前記はんだホルダの先端部に向かって、直線状に伸びる所定高さのリブが少なくとも一つ設けられ、
   前記リブの高さは、前記底面部から前記先端部に向かって徐々に低くなるように構成されており、
   前記ボールはんだは、前記リブに沿って、前記はんだホルダの前記底面部から前記はんだホルダの前記先端部に向かって落下する、
   自動はんだ付け装置。

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