JP7371832B2 - レーザ支援式はんだ付け装置およびはんだ付着機 - Google Patents

Description

本開示はレーザ支援式はんだ付け装置（ｌａｓｅｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ）に関し、このはんだ付け装置は、レーザビームによって液化されるはんだ体（ｓｏｌｄｅｒ ｂｏｄｙ）を保持するためのはんだ体保持キャピラリ（細管）を有するはんだ噴射セクションと、レーザビームをレーザ支援式はんだ付け装置に結合するためのレーザ結合ユニットとを備える。さらに、本開示は、はんだ付着機（ｓｏｌｄｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）に関する。

はんだ体（ｓｏｌｄｅｒ ｂｏｄｙ）、すなわちはんだボールを付与するための装置が、従来技術から周知である。これに関連して、例えば、米国特許第１０，２８６，４７０号明細書が参照される。この文献は、はんだ材料付着物を別個に付与するための装置を開示している。このような装置では、通常、個々のはんだボールがキャピラリに充填されており、そこからはんだボールが溶融し、製造される対応する電子構成要素に個々に付与される。はんだボールは、通常、加圧ガスを用いてキャピラリ内に押し込まれる。

しかし、キャピラリ内のはんだ体の溶融中および液化したはんだ体の電子構成要素への付与中に、汚染流が、はんだ付けされる電子構成要素からそれぞれ離れて、レーザビームの供給方向に逆らってキャピラリの内部を流れる可能性があることが示されている。煙、はんだ飛散、および粒子状物質を含む汚染は、装置のレーザ通路の入口に設けられた窓のような、レーザ源に近い構成要素に付与し得る。これは、レーザビームによるはんだ体の加熱プロセスの効率に悪影響を及ぼす。

したがって、本開示の目的は、はんだ体を付与するためにレーザビームを使用する装置のメンテナンス労力を最小限に抑えることである。

本目的は、独立請求項１に記載のレーザ支援式はんだ付け装置および独立請求項１１に記載のはんだ付着機によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。

本開示は、レーザビームによって液化されるはんだ体を保持するためのはんだ体保持キャピラリを有するはんだ噴射セクションと、レーザビームをレーザ支援式はんだ付け装置に結合するためのレーザ結合ユニットとを備えるレーザ支援式はんだ付け装置を開示する。レーザ結合ユニットは、本体を備え、レーザ通路がレーザ入口からレーザ出口まで本体を通って長手方向に延びている。レーザ入口の側にはレーザビームを透過する光学窓が設けられ、レーザ支援式はんだ付け装置に締結される締結セクションが、レーザ出口の側に設けられる。（第１の）圧力ガス送給通路が、窓と締結セクションとの間に配置された接続点においてレーザ通路に接続される。レーザ結合ユニットのレーザ通路は、はんだ体保持キャピラリに接続され、位置合わせされる。この結果、設計がコンパクトで効率的に制御可能な装置が得られる。好ましくは、装置は、ロボット用の機械加工ヘッドとして設計される。

さらに、はんだ噴射セクションには、レーザ出口とはんだ体保持ピラリの噴射ノズルとの間に配置された接続点においてはんだ体保持キャピラリに接続された、（第２の）圧力ガス送給通路が設けられる。これにより、はんだ噴射セクションの具体的な制御が巧妙に向上する。

その結果、レーザ支援式はんだ付け装置内のレーザ結合ユニットを使用することによって、発生する汚染流に対して向けられた追加の圧力ガス流を生成するために、追加のガス圧力ポートが設けられる。これにより、レーザ動作およびはんだ付けプロセス中の窓上の残留物の付着が、回避される。窓の耐用年数が増加し、窓表面の汚染の増加による連続的に増加する光学損失が、回避されるか、または少なくとも著しく遅くなる。

装置に関する本開示の一態様によれば、レーザ結合ユニットの（第１の）圧力ガス送給通路およびはんだ噴射セクションの（第２の）圧力ガス送給通路は、共通の圧力ガスリザーバに接続される。これは、装置の複雑さをさらに低減するのに役立つ。

装置に関する本開示の別の態様によれば、レーザ結合ユニットの（第１の）圧力ガス送給通路は、はんだ噴射セクションの（第２の）圧力ガス送給通路とは異なる圧力ガスリザーバに接続される。これにより、装置の制御を向上させることができる。

装置に関する本開示の一態様によれば、レーザ結合ユニットの（第１の）圧力ガス送給通路に接続された第１の圧力ガスリザーバは、はんだ噴射セクションの（第２の）圧力ガス送給通路に接続された第２の圧力ガスリザーバと同じ圧力またはより高い圧力を有する。これは、レーザ結合ユニットの窓に向かう汚染流を回避するのにさらに役立つ。

本開示の一態様によれば、本体は管状である。結果として、レーザ結合ユニットは、省スペースで装置上に配置することができるコンパクトな形態を有する。

本開示のさらなる態様によれば、圧力ガス送給通路の出口は、レーザ出口に向けられている。これにより、よりコンパクトな設計が可能となる。

本開示の別の態様によれば、（第１の）圧力ガス送給通路は、レーザ通路に対して直線状かつ鋭角に延びる。これにより、圧力ガスリザーバに向かうそれぞれのパイプラインの場所を節約して固定することが可能になる。

本開示のさらなる態様によれば、（第１の）圧力ガス送給通路は、レーザ通路に対して直線状かつ垂直に延びる。これにより、本体の長手方向のコンパクトな設計が可能になる。

本開示のさらなる態様によれば、レーザ通路が完全に直線状／真っすぐに（本体全体を通って）延びれば、好適である。これは、本体の構造を可能な限り単純に保持するのに役立ち、したがって製造プロセスを単純化する。

本開示の一態様によれば、本体は、締結セクションが設けられた主本体部分を備え、窓を保持する窓本体部分を備える。好ましくは、窓本体部分は、締結セクションの反対側で主本体部分に（より好ましくは取外し可能に）取り付けられる。これにより、製造労力がさらに低減される。

これに関連して、本開示の別の態様は、窓本体部分がねじ接続を介して主本体部分に取り付けられることである。好ましくは、窓本体部分には、主本体部分（の雌ねじ部）に螺合されるねじ部が設けられる。これもまた、メンテナンス労力を低減する。

本開示の一態様によれば、本体は、（第１の）圧力ガス送給通路に圧力ガスを送給するための圧力ガス接続本体部分を備え、圧力ガス接続本体部分は、好ましくは取外し可能に本体に接合される。これは、圧力ガス源に向かうパイプラインへの接続を容易にする。

本開示の一態様によれば、締結セクションは、ねじ付きソケットとして形成される。これにより、レーザ支援式はんだ付け装置にレーザ結合ユニットを容易かつ迅速に設置することが可能になる。

さらに、本開示は、前述の態様のいずれかによるレーザ支援式はんだ付け装置と、レーザ通路内を伝わるレーザビームを生成するように配置および構成されたレーザ生成デバイスとを備える、はんだ付着機を開示する。

以下、本開示の好ましい実施形態をいくつかの図面を参照して説明する。

本開示による第１の実施形態のレーザ結合ユニットの長手方向断面図であり、（第１の）圧力ガス送給通路が、レーザ結合ユニットの管状本体のレーザ通路に対して直線状かつ鋭角に延びている。 図１のレーザ結合ユニットの斜視図である。 はんだ噴射セクションと図１および図２のレーザ結合ユニットとを備えるレーザ支援式はんだ付け装置の斜視図である。 本開示による第２の実施形態のレーザ結合ユニットの斜視図であり、（第１の）圧力ガス送給通路は、管状本体のレーザ通路に対して直線状かつ垂直に延びている。 図３の装置の断面図であり、はんだ噴射セクションを簡略化するが、はんだ付着機を形成する追加の要素を有する。

図は、本質的に単なる概略図であり、本開示を理解する目的のみを意図している。例えば、図５に関して、簡単にするために、レーザ支援式はんだ付け装置の同じ断面にあるものとしていくつかの「通路」が示されているが、そのような「通路」は、実際にはレーザ支援式はんだ付け装置の異なる断面にあってもよいことに留意されたい。さらに、同一要素には同一の参照符号を付している。

図３および図５には、回路基板のような電子構成要素２２をはんだ付けするためのレーザ支援式はんだ付け装置２０を見ることができる。装置２０は、機械加工ヘッド／結合ヘッドとして構築される。したがって、装置２０の好ましい適用分野は、図５に簡略化して示すように、はんだ付着機２１である。

はんだ付着機２１は、とりわけ、レーザビーム７を生成するように構成されたレーザ生成デバイス２３を含む。さらに、はんだ付着機２１は、装置２０を移動させ、動作中にレーザ生成デバイス２３によって生成されるレーザビーム７を制御するためのロボットシステムを含む。さらに、以下でより詳細に説明するように、圧力ガスリザーバ１９ａ、１９ｂが、装置２０の異なる（第１および第２の）圧力ガス送給通路１１、１８を加圧するために設けられる。

図５では、はんだ付けが施される電子構成要素２２も見える。この電子構成要素２２は、好ましくは、はんだ付けによってピンが固定される貫通孔デバイスを表す。

図５からさらに分かるように、装置２０は、はんだボールの形態のような、プリフォームとも呼ばれるはんだ体２７を使用して、電子構成要素２２をはんだ付けするように働く。このはんだ体２７は、装置２０のはんだ噴射セクション１０を用いて液化され噴射される。このため、はんだ噴射セクション１０は、これ以後、キャピラリ（細管）１７と略記するはんだ体保持キャピラリ１７を備える。このキャピラリ１７は、はんだ噴射セクション１０のハウジング９を通って（好ましくは）真っすぐに延びる主通路３５を有する。図３からも分かるように、ハウジング９は、本質的な板状の設計を有し、したがって、仮想延長面２４（図５）に沿って本質的に平坦に延びる。キャピラリ１７は、延長面２４に対して本質的に垂直にハウジング９を貫通する。

図５でさらに分かるように、キャピラリ１７は、構成要素２２の側でその開口部２６に向かって先細になる／勢い付ける。この目的のために、キャピラリ１７には、開口部２６を直接形成する噴射ノズル３４が設けられている。この噴射ノズル３４は、開口部２６に向かって先細になる／勢い付ける通路／孔を直接形成する。噴射ノズル３４は、ハウジング９に取り付けられる。このようにして、キャピラリ１７の開口部２６の直径は、液化したはんだ体を生成するために使用される固体はんだ体２７の（最小）直径よりも小さい。その結果、固体はんだ体２７は、キャピラリ１７の直径が固体はんだ体２７の直径に対応する位置に保持される。ボール形態の固体はんだ体２７の直径は、好ましくは、５００μｍ以上である。

はんだ付けされるべき構成要素２２上のスポットに向かって液化したはんだ体を噴射するために、圧力ガスが、圧力ガス装置２５によってキャピラリ１７に加えられる。好ましくは、窒素（Ｎ_２）のような不活性ガスが、この目的のために使用される。

圧力ガス装置２５は、好ましくは動作中に（第２の）圧力ガスリザーバ１９ｂに結合される（第２の）圧力ガス送給通路１８を備える。第２の圧力ガス送給通路１８は、キャピラリ１７に対して鋭角に通っている。第２の圧力ガス送給通路１８は、レーザ結合ユニット１（以下でより詳細に説明する）のレーザ出口５と噴射ノズル３４との間に配置された接続点３３においてキャピラリ１７に接続される。第１の端部では、第２の圧力ガス送給通路１８はハウジング９の周囲に向かって開くか、または動作中（第２の）圧力ガスリザーバ１９ｂまで通っているパイプライン３１ｂにそれぞれ結合される。第２の端部では、第２の圧力ガス送給通路１８は、キャピラリ１７／主通路３５に開口する／接続される。

圧力ガス装置２５は、第２の圧力ガス送給通路１８にガスを導入することにより、固体はんだ体２７をキャピラリ１７内に押し込む働きをする。はんだ体２７を外部から第２の圧力ガス送給通路１８内に移動させるために、摺動板またはピンまたは回転可能なディスクのような可動要素２８がそれに応じて、固体はんだ体２７が第２の圧力ガス送給通路１８に到達するように移動される。

さらに、はんだ噴射セクション１０は、レーザ生成デバイス２３で通常通りに生成されたレーザビーム７と相互作用する。レーザビーム７は、液化したはんだ体を生成するために、固体はんだ体２７に供給される。固体はんだ体２７が液化すると、液化したはんだ体は、キャピラリ１７を出ることができるように変形し、キャピラリ１７内の圧力により、キャピラリ１７から構成要素２２に向かって噴射される。

キャピラリ１７を制御および移動させ、レーザビーム７、すなわちレーザビーム７の出力および持続時間、ならびに圧力ガス装置２５を制御するために、装置２０／はんだ付着機２１は、制御および駆動手段（図示せず）を備える。制御手段は、ＣＰＵ、メモリおよび入力／出力手段を含むコンピュータによって実装される。メモリは、ＣＰＵによって実行される制御プログラムを記憶してもよい。駆動手段は、キャピラリ１７を駆動するための電気機械駆動部、および装置２０の他の手段、例えば電子構成要素２２を保持するための保持手段（図示せず）によって実施される。

本開示によれば、レーザ結合ユニット１が設けられ、装置２０の動作中、はんだ噴射セクション１０のハウジング９上に取り付けられる。したがって、レーザ結合ユニット１は、ハウジング９に取り付けられ、そのレーザ通路３とキャピラリ１７とを接続するように機能する。

図１および図２では、このレーザ結合ユニット１の第１の実施形態を詳細に示す。レーザ結合ユニット１は、管状の本体２を備える。本体２は、長手方向の延長部を有する。本体２には、本体２全体を通って（長手方向延長部に沿って）真っすぐに延びるレーザ通路３が、設けられる。

本体２／レーザ通路３には、第１の端部にレーザ入口４が設けられ、第２の端部にレーザ出口５が設けられている。レーザ入口４には、光学窓６が設けられている。この窓６は、レーザ生成デバイス２３によって生成されたレーザビーム７に対して半透過性であり、ガラスまたはプラスチック材料で作製することができる材料からなる。

レーザ出口５において、本体２には締結セクション８が設けられる。この締結セクション８は、ねじ付きソケットとして形成されている。したがって、締結セクション８は、雄ねじ部２９を備えることが好ましい。締結セクション８／雄ねじ部２９は、装置２０の組み立て状態においてハウジング９の雌ねじ部３０に螺合される。締結セクション８は、装置２０の組み立てられた状態においてレーザ通路３がキャピラリ１７と同心に配置されるように配置される。

本開示によれば、レーザ結合ユニット１内にさらなる（第１の）圧力ガス送給通路１１が、設けられる。この第１の圧力ガス送給通路１１は、図５に見ることができるように、動作中、さらなる（第１の）圧力ガスリザーバ１９ａに結合される。第１の圧力ガスリザーバ１９ａは、第２の圧力ガスリザーバ１９ｂとは別個／独立している。しかし、これに関して、さらなる実施形態では、２つの圧力ガス送給通路１１および１８を同じ圧力ガスリザーバに結合することもできることに留意されたい。ただし、第１の圧力ガス送給通路１１は、第２の圧力ガス送給通路１８と比較して、同程度のガス圧力またはより高いガス圧力を有することが好ましい。

図１に関して、第１の圧力ガス送給通路１１が、レーザ通路３に対して真っすぐ／直線状に、かつ鋭角に通っていることにも留意されたい。本体２の周囲に開口する第１の圧力ガス送給通路１１の第１の端部は、本質的にレーザ入口４の方に面している。この第１の端部は、動作中、（第１の）圧力ガスリザーバ１９ａまで通る別のパイプライン３１ａに結合される。

これに関連して、第１の圧力ガス送給通路１１が、接続スピゴットとして設けられた圧力ガス接続本体部分１６を備えることも分かる。圧力ガス接続本体部分１６は、第１の圧力ガス送給通路１１の第１端部を形成し、本体２の主本体部分１３に（ねじ接続を介して）取り付けられている。

第１の圧力ガス送給通路１１は（その第２の端部において）、締結セクション８と窓６との間に配置された接続点１２において、レーザ通路３に結合され／開口する。言い換えれば、第１の圧力ガス送給通路１１の第２の端部は、レーザ出口５の方を向いた第１の圧力ガス送給通路１１の出口を形成する。

さらに分かるように、本体２はいくつかの部分を有する。本体２の主本体部分１３には、締結セクション８が直接設けられており、レーザ通路３の少なくとも一部を形成する。この主本体部分１３内には、第１の圧力ガス送給通路１１のうち、圧力ガス接続本体部分１６のセクションに続くセクションが、設けられている。

主本体部分１３には、締結セクション８とは反対側に、本体２の窓本体部分１４が取り付けられる。窓本体部分１４は、ねじ接続部１５によって主本体部分１３に接続される。窓本体部分１４は、レーザ入口４を形成し、窓６を保持する。窓本体部分１４は、ソケットとして設計され、主本体部分１３に螺合される。言い換えれば、窓部分１４には、主本体部分１３（雌ねじ部）に螺合されるねじ部３２（雄ねじ部）が設けられる。

本開示の第２の好ましい実施形態による図４でさらに分かるように、第１の圧力ガス送給通路１１はまた、レーザ通路３に対して垂直に配向することができる。この第２の実施形態のさらなる構造および機能は、第１の実施形態に対応する。

したがって、レーザ結合ユニット１は、開口部２６／はんだ付けされる電子構成要素２２から外方に向けられる側に向かってハウジング９のキャピラリ１７を伸長させるように働く。その結果、窓６は、開口部２６から、したがって製造される電子構成要素２２からさらに離れて配置される。レーザ結合ユニット１内に設けられる第１の圧力ガス送給通路１１により、窓６が汚染を免れるようにレーザビーム７に対する汚染流を回避するのに役立つさらなるガス圧力入口が、設けられる。したがって、レーザビーム７を使用する固体はんだ体２７の液化プロセス中、第１の圧力ガス送給通路１１には、はんだ体２７が電子構成要素２２上に噴射されるときにガスを開口部２６に向かって押し出すのに役立つ特定のガス圧力が、供給される。

１ レーザ結合ユニット
２ 本体
３ レーザ通路
４ レーザ入口
５ レーザ出口
６ 窓
７ レーザビーム
８ 締結セクション
９ ハウジング
１０ はんだ噴射セクション
１１ 第１の圧力ガス送給通路
１２ 第１の圧力ガス送給通路の接続点
１３ 主本体部分
１４ 窓本体部分
１５ ねじ接続部
１６ 圧力ガス接続本体部分
１７ はんだ体保持キャピラリ
１８ 第２の圧力ガス送給通路
１９ａ 第１の圧力ガスリザーバ
１９ｂ 第２の圧力ガスリザーバ
２０ レーザ支援式はんだ付け装置
２１ はんだ付着機
２２ 電子構成要素
２３ レーザ生成デバイス
２４ 延長面
２５ 圧力ガス装置
２６ 開口部
２７ 固形はんだ体
２８ 可動要素
２９ 雄ねじ部
３０ 雌ねじ部
３１ａ パイプライン
３１ｂ パイプライン
３２ ねじ部
３３ 第２の圧力ガス送給通路の接続点
３４ 噴射ノズル
３５ 主通路

Claims (11)

1. ハウジング（９）と、レーザビーム（７）によって液化されるはんだ体（２７）を保持するためのはんだ体保持キャピラリ（１７）とを有するはんだ噴射セクション（１０）であって、前記はんだ体保持キャピラリ（１７）は、前記はんだ噴射セクション（１０）の前記ハウジング（９）を通って延びる主通路（３５）と、前記ハウジング（９）に取り付けられ、前記はんだ体（２７）を保持するように構成された噴射ノズル（３４）とを有する、はんだ噴射セクション（１０）と、
   本体（２）を備えるレーザ結合ユニット（１）であって、前記本体がレーザ入口（４）からレーザ出口（５）まで前記本体（２）を通って長手方向に延びるレーザ通路（３）を有する、レーザ結合ユニットと
   を備える、レーザ支援式はんだ付け装置（２０）であって、
   前記レーザ結合ユニット（１）が、前記レーザ入口（４）の側に設けられ、前記レーザビーム（７）を透過する光学窓（６）と、前記レーザ出口（５）の側に設けられ、前記ハウジング（９）に締結される締結セクション（８）とを有し、
   圧力ガス送給通路（１１）が、前記光学窓（６）と前記締結セクション（８）との間に配置された接続点（１２）において前記レーザ通路（３）に接続され、
   前記レーザ通路（３）が、前記はんだ体保持キャピラリ（１７）の前記主通路（３５）に接続され位置合わせされ、
   前記はんだ噴射セクション（１０）には、前記レーザ出口（５）と前記はんだ体保持キャピラリ（１７）の前記噴射ノズル（３４）との間に配置された接続点（３３）において前記はんだ体保持キャピラリ（１７）の前記主通路（３５）に接続された圧力ガス送給通路（１８）が、設けられている、レーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
2. 前記レーザ結合ユニット（１）の前記圧力ガス送給通路（１１）および前記はんだ噴射セクション（１０）の前記圧力ガス送給通路（１８）が、共通の圧力ガスリザーバに接続されている、請求項１に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
3. 前記レーザ結合ユニット（１）の前記圧力ガス送給通路（１１）が、前記はんだ噴射セクション（１０）の前記圧力ガス送給通路（１８）とは異なる圧力ガスリザーバ（１９ａ、１９ｂ）に接続されている、請求項１に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
4. 前記レーザ結合ユニット（１）の前記圧力ガス送給通路（１１）に接続された第１の圧力ガスリザーバ（１９ａ）が、前記はんだ噴射セクション（１０）の前記圧力ガス送給通路（１８）に接続された第２の圧力ガスリザーバ（１９ｂ）と同じ圧力またはより高い圧力を有する、請求項３に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
5. 前記本体（２）が管状である、請求項１に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
6. 前記圧力ガス送給通路（１１）の出口が、前記レーザ出口（５）に向けられる、請求項１～５のいずれか一項に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
7. 前記圧力ガス送給通路（１１）が、直線状かつ前記レーザ通路（３）に対して鋭角に延びている、請求項６に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
8. 前記圧力ガス送給通路（１１）が、直線状かつ前記レーザ通路（３）に対して垂直に延びている、請求項１～５のいずれか一項に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
9. 前記本体（２）が、前記締結セクション（８）が設けられた主本体部分（１３）を備え、前記窓（６）を保持する窓本体部分（１４）を備える、請求項１または５に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
10. 前記本体（２）が、前記圧力ガス送給通路（１１）に圧力ガスを送給するための圧力ガス接続本体部分（１６）を備え、前記圧力ガス接続本体部分（１６）が、前記主本体部分（１３）に取り付けられている、請求項９に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）。
11. 請求項１に記載のレーザ支援式はんだ付け装置（２０）と、
    レーザ通路（３）内を伝わるレーザビーム（７）を生成するように配置および構成されたレーザ生成デバイス（２３）と
    を備える、はんだ付着機（２１）。
    

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