JPH10296434A - レーザー半田付装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、レーザービームを使って半田付け
するレーザー半田付装置に関し、適度な強さのレーザー
ビームで適度な時間だけ照射して当該レーザービームを
直接に照射した部分およびその近傍のみの半田を溶かし
て線材などを電極に良好な半田付けを実現することを目
的とする。 【解決手段】 レーザービームを所定径で半田付けしよ
うとする部分に照射する照射手段と、照射手段によって
半田付けしようとする部分の半田にレーザービームを照
射する当該レーザービームの強さと時間を、レーザービ
ームの照射する部分およびその近傍の半田が溶ける所定
値に設定する設定手段とを備え、設定手段によっ設定さ
れた強さのレーザービームを設定された時間だけ照射手
段が半田付け対象の部分の半田を照射して半田を溶かし
て半田付け対象の半田付けを行うように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザービームを
使って半田付けするレーザー半田付装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザービームを使った溶接は、
図４の（ａ）や（ｂ）に示すように溶接しようとする線
を接触させたり、突き合わせたりし溶接しようとする部
分にレーザービームの短く強力なパルスを照射して金属
を溶かして相互に溶接するようにしている。

【０００３】一方、線材をプリント回路基板上の半田メ
ッキした電極などに半田付けする場合、レーザービーム
を上記溶接するときと同じように強力なレーザービーム
を短時間照射し、半田付けしようとし、図２の（ａ）に
示すように、半田メッキした電極などの線材を載せた半
田の部分に照射すると瞬間的に半田がとけて飛び散って
しまい半田付けができない。このため、図２の（ｂ）に
示すように、弱いレーザービームを長時間、照射して周
囲の温度を半田が溶ける温度まで上げて半田を溶かして
線材と電極の間に溶着させて中継し半田付けするように
していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の半田ゴテを使う要領で弱いレーザービームを長時間、
線材を半田メッキした電極上に載せて照射し半田を溶か
して当該線材を半田付けを行うようにした場合、半田の
溶ける範囲が広範囲となってしまい、細い線材では余分
なところまで半田が溶けて良好に半田付けができないと
いう問題があった。一方、強いレーザービームを照射し
たのでは半田が飛び散ってしまい半田付けできないとい
う問題があった。

【０００５】このため、本願発明者が、レーザービーム
を照射して細い線材（例えば３０μｍΦ程度）を半田メ
ッキした電極に半田付けしようと種々試したが、上述し
た弱いレーザービームを長時間（例えば２０ｍｓ程度以
上）照射して上述した図２の（ｂ）に示すように半田ゴ
テで半田を溶かす要領で当該細い線材を電極に半田付け
しようとしても、半田が溶ける範囲が広範囲で当該細い
線材（〜３０μｍΦ）が埋まって良好に半田付けができ
なかった。この問題点を解決しようと、種々の条件を変
えて実験したところ、従来の線材を溶接する場合の強力
なレーザービームを図２の（ａ）に示すように短時間照
射して線材を溶かして相互を溶接する手法ではなく、更
に、上記半田ゴテを使った要領の弱いレーザービームを
図２の（ｂ）の長時間照射して半田付け対象の線材など
を加熱して半田を広範囲に溶かして線材を電極などに半
田付けする手法でもなく、極めて良好に細い線材を半田
付けできる現象を発見した。

【０００６】本発明は、これらの問題を解決するため、
適度な強さのレーザービームで適度な時間だけ照射して
当該レーザービームを直接に照射した部分およびその近
傍のみの半田などを溶かして線材などを電極に良好な半
田付けを実現することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図１を参照して課題を解
決するための手段を説明する。図１において、レーザー
発生手段２１は、レーザーを発生（発振）するものであ
って、フラッシュランプ２、ＹＡＧロッド３、全反射ミ
ラー４、半反射ミラー５から構成されるものである。

【０００８】レーザー電源１は、レーザー発生手段２１
に電源を供給するものであって、ここでは、設定手段１
２から構成されるものである。設定手段１２は、レーザ
ービームの強さと長さを設定するものである。

【０００９】集光レンズ６は、レーザー発生手段１１に
よって発生されたレーザーを集光して試料７上に照射す
るものである。試料７は、半田付け対象（例えば細い金
線と、半田付けするプリント基板上の半田メッキした電
極）である。また、酸化し易い材料や、半田の付き難い
材料（線）の場合には予め半田メッキしておくとより良
好な半田付け結果が得られる。

【００１０】次に、半田付けの要領を説明する。レーザ
ー発生手段２１がレーザービームを発生し、集光レンズ
６が発生されたレーザービームを集光して試料７を照射
する。ここで、設定手段１２が試料７の半田付けしよう
とする部分の半田に照射するレーザービームの強さと時
間を半田が適度に溶ける所定値に設定し、この設定され
た強さのレーザービームを設定された時間だけ半田付け
対象の部分の半田を照射して半田を溶かして半田付け対
象の半田付けを行うようにしている。

【００１１】この際、レーザービームの強さと時間を、
レーザービームで照射した部分およびその近傍の半田が
溶ける所定値の範囲として、半田が溶けて飛び散るより
も強度が弱くかつ時間が長く、強度が弱くかつ時間が長
くて広範囲の半田が溶けるよりも強度が強くかつ時間が
短い範囲とするようにしている。

【００１２】また、半田として、半田付け対象よりも融
点が低い温度の金属を用いるようにしている。従って、
適当な強さのレーザービームで適当な時間だけ照射しレ
ーザービームを直接に照射した近傍のみの半田などを溶
かして線材などを電極に良好な半田付けすることが可能
となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、図１から図３を用いて本発
明の実施の形態および動作を順次詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明のシステム構成図を示す。
図１において、レーザ発生手段１１は、所定の強さで所
定時間継続するレーザーを発生（発振）するものであっ
て、フラッシュランプ２、ＹＡＧロッド３、全反射ミラ
ー４、半反射ミラー５から構成されるものである。

【００１５】レーザー電源１は、レーザー発生手段１１
に電源を供給するものであって、ここでは、設定手段１
２から構成されるものである。設定手段１２は、レーザ
ービームの強さと長さを設定するものであって、フラッ
シュランプ２を点灯を所定の定電流で所定時間を行い、
発生するレーザービームの強さで所定時間継続するよう
に設定するものである。

【００１６】フラッシュランプ２は、所定の定電流で所
定時間の間、点灯してレーザービームを発生させる励起
光を発生するものである。このフラッシュランプ２に供
給する電流を大きくして光の強さを強くする（励起光を
強くする）とＹＡＧロッド３によって発生（発振）され
るレーザービームの強さは強くなる（例えば３／２乗に
比例してレーザービームの強さが強くなる）。レーザー
ビームが発生（発振）する時間は、ほぼフラッシュラン
プ２に所定の定電流を供給して点灯した時間に対応す
る。

【００１７】ＹＡＧロッド３は、フラッシュランプ２か
ら発生して励起光によって所定の波長のレーザービーム
を発振させるものであって、発振したレーザービームは
上部の全反射ミラー４と下部の半反射ミラー５との間で
反射を繰り返していわば増幅（共振）して所定の強さの
レーザービームとなり、下側の半反射ミラー５の部分か
らわずかずつ下方に放射し、レーザービームとして取り
出す。

【００１８】全反射ミラー４は、ＹＡＧロッド３で発振
した所定波長のレーザービームを全部反射するミラーで
ある。半反射ミラー５は、全反射ミラー４との間で発振
した所定波長のレーザービームを相互に反射して共振さ
せると共に、その一部を下方に取り出すための半反射ミ
ラーである。

【００１９】集光レンズ６は、半反射ミラー５から取り
出されたレーザービームを集光し、試料７に所定径で照
射するものである。試料７は、半田付け対象の試料であ
って、例えばプリント回路基板上の半田メッキした電極
と、この電極に半田付けしようとする金線である。

【００２０】ステージ８は、試料７を移動して集光レン
ズ６で集光されて所定径のレーザービームを、試料７の
半田付けしようとする部分に移動する機構であって、Ｘ
軸方向、Ｙ軸方向の水平面に移動する機構と、高さ方向
のＺ軸方向に移動する機構とを持つものである。

【００２１】ガイド光９は、全反射ミラー４、ＹＡＧロ
ッド３、半反射ミラー５、集光レンズ６を介してレーザ
ービームを照射する位置にガイド光を照射するためのも
のであって、当該ガイド光９の照射された位置を、試料
７と一緒にＣＣＤカメラ１０で撮影してテレビモニタ１
１上に表示し、試料７上のいずれの位置にレーザービー
ムが照射されるかを調整するためのものである。

【００２２】ＣＣＤカメラ１０は、試料７およびガイド
光９を撮影してテレビモニタ１１上に表示させるもので
ある。ＣＣＤカメラ１０の先端には光学顕微鏡を装着し
拡大した像を撮影してテレビモニタ１１上に表示する。

【００２３】テレビモニタ１１は、ＣＣＤカメラ１０に
よって撮影した試料７およびガイド光９を拡大して表示
するものである。次に、図１の構成の装置を用いて溶
接、従来の半田付け、および本発明の半田付けを行った
ときの様子を詳細に説明する。

【００２４】図２は、レーザービームの照射時間と半田
付けの関係図を示す。図２の（ａ）は、通常のレーザー
溶接機の照射時間とその条件で半田付けを行ったときの
様子を示す。

【００２５】図２の（ａ−１）は、溶接時のレーザービ
ームの照射時間を示す。実験では１ｍｓで既述した図４
の（ａ）、（ｂ）の溶接を良好に行うことができたとき
の照射時間である。

【００２６】図２の（ａ−２）は、図２の（ａ−１）と
同じ照射時間でプリント基板上の半田メッキした電極上
の半田の部分を照射したときの半田の様子を示す。この
状態では、短時間レーザービーム照射により溶けた半田
がとびちり、球形となってしまい、半田付けできなかっ
た。

【００２７】図２の（ｂ）は、通常の半田付けレーザー
装置の場合の照射時間とその条件で半田付けを行ったと
きの様子を示す。図２の（ｂ−１）は、通常の半田付け
レーザー装置の場合のレーザービームの照射時間を示
す。実験では２０ｍｓ以上であって、溶接の場合に比し
て弱いレーザービームを長時間照射し、図示のようにで
広範囲に半田を溶かして半田付けするときの照射時間
（溶接の場合に比し約２０倍程度の長時間の照射時間）
である。

【００２８】図２の（ｂ−２）は、図２の（ｂ−１）と
同じ照射時間でプリント基板上の半田メッキした電極上
の半田の部分を照射したときの半田の様子を示す。この
状態では、長時間レーザービーム照射により広範囲に半
田が溶け、いわば半田ゴテで半田を溶かしたと同様にな
り、この溶けた半田の部分に半田付け対象の太い線材
（１〜数ｍｍ直径の線材）を接触させて半田付けができ
る。しかし、細い線材を半田付けしようとしても、半田
が溶ける範囲が非常に広範囲（例えば１〜数ｍｍ直径）
となってしまい、細い線材（例えば３０μｍ直径）を半
田付けしようとするとあまりにも広範囲（例えば１〜数
ｍｍ直径であって、半田付けしようとする線材の直径３
０μｍΦの数十倍程度以上もの広範囲）に半田が溶けて
しまい良好に半田付けができなかった。

【００２９】図２の（ｃ）は、本発明の半田付けレーザ
ー装置の場合の照射時間とその条件で半田付けを行った
ときの様子を示す。図２の（ｃ−１）は、本発明の場合
のレーザービームの照射時間を示す。実験では数ｍｓで
あって、図示のように適度な強さのレーザービームを適
度な時間だけ当てて狭い範囲（ほぼレーザービームの直
径と同程度、あるいは若干大きい直径の範囲）の半田の
みを溶かして半田付けするときの照射時間である。この
現象は、レーザービームで半田を照射したときに半田が
直接にレーザービームで加熱されて溶けるのと、溶けた
半田が周囲の半田に熱伝導および外側から冷却されるの
とが平衡した範囲の半田のみが溶けると考えられる。こ
のため、本願発明では、レーザービームの強さと照射時
間を適度に調整し、レーザービームを直接に照射した部
分の半田のみが溶け、当該溶けた半田が周囲の半田に熱
伝導して溶かすことが余りないような長くない時間だけ
照射するように、実験でレーザービームの径とそのとき
の強さと、照射時間（数ｍｓ）を設定したものである。

【００３０】図２の（ｃ−３）は、図２の（ｃ−１）と
同じ照射時間でプリント基板上の半田メッキした電極上
の半田の部分を照射したときの半田の様子を示す。この
状態では、適度な時間のレーザービーム照射によりレー
ザービームの直径とほぼ同じ範囲の半田を溶かし、この
溶かした半田の部分に半田付け対象の細い金線（約３０
μｍΦ）が接触することにより表面張力によって後述す
る図３の（ｃ）に示すように良好に半田付けできた。こ
の際、図２の（ｃ−２）に示すように、電流と時間を制
御して、初めに弱く加熱して半田を溶かし最後に強く加
熱すると半田が非常に綺麗に半田付け材料に濡れて半田
付けできた。

【００３１】以上のように、図２の（ａ）に示すよう
に、実験では通常のレーザー溶接機が使用する強いレー
ザービームを短時間（実験では１ｍｓ）、半田に照射し
たのでは半田が溶けて飛び散ってしまい良好に半田がで
きなく、一方、図２の（ｂ）に示すように、従来の半田
レーザー装置のように弱いレーザービームを長時間（実
験では２０ｍｓ以上）、半田に照射したのでは半田が極
めて広範囲（１〜数ｍｍ程度）にも溶けてしまい細い線
材（例えば３０μｍ直径）を良好に半田付けできなかっ
たが、本願発明では図２の（ｃ）に示すように、適度な
強さのレーザービームを適度な時間照射（実験では約数
ｍｓで、従来の半田付けレーザー装置に比して数分の１
から十数分の１の時間だけ照射）し、レーザービームを
直接に照射した範囲内の半田のみを溶かしてこの溶けた
半田に接触させた細い金線（約３０μｍΦ）を極めて良
好に半田づけできた。

【００３２】図３は、本発明のレーザービーム半田付け
説明図を示す。図３の（ａ）は、半田面に金線を配置し
た様子を示す。これは、既述した図１のステージ８上の
試料７の例であって、半田面（例えばプリント回路基板
の半田メッキした電極の面、あるいは半田パウダを印刷
した電極の面）に金線（約３０μｍΦ）を図示のように
配置したものである。

【００３３】図３の（ｂ）は、レーザービームで金線を
覆って照射した様子を示す。ここでは、金線の約３０μ
ｍΦよりも若干広いレーザービームを図示のように照射
した。

【００３４】図３の（ｃ）は、レーザ照射範囲と金線の
半田付けの様子を示す。これは、図３の（ｂ）で適度な
強さのレーザービームを適度な時間だけ照射したときに
既述した図２の（ｃ−３）に示すようにレーザービーム
の径とほぼ同じ面積の半田のみが溶けるので、この状態
になるようにレーザービームの強さと照射時間（例えば
本例では既述した図２の（ｃ−１）、（ｃ−２）の数ｍ
ｓ）を実験によって決める。この実験によって決めた所
定の強さのレーザービームを所定の時間だけ半田面に照
射して当該レーザービームを直接に照射した部分のみ半
田を溶かし、この溶かした半田に金線（約３０μｍΦ）
が触れると半田の表面張力により図示のように半田が流
動して半田付けされた。尚、この実験では、半田付けし
ようとする金線（約３０μｍΦ）よりも数倍〜約１０倍
程度のサイズのレーザービームの面積で数ｍｓの間、照
射した。この照射時間３ｍｓは、既述したように、図２
の（ａ−１）のレーザ溶接機の場合の１ｍｓに比して数
倍長く、かつ、図２の（ｂ−１）の従来の半田付けレー
ザー装置の半田ゴテの原理による熱伝導により金線およ
びその周囲の半田を溶かして半田付けする場合の時間の
２０ｍｓ以上に比して数分の１から十数分の１程度の時
間でないと、図３の（ｃ）のように良好に半田付けがで
きなかった。これらの実験から半田付けが良好にできる
条件は、第１に、レーザービームを直接に半田面に照射
して瞬間的に蒸発して飛び散らない程度で直接に照射し
た部分の半田を溶かすに充分な程度の強さ（熱量）のレ
ーザービームで照射し、第２に、余り長い時間照射する
と溶けた半田が、レーザービームの直接に照射していな
い周囲の半田に熱伝導して溶かしてしまうので（半田の
熱抵抗と半田が溶ける時の溶解熱と外側から冷却される
熱量に依存して溶かしてしまうので）、周囲の半田が余
り多く溶けない短い時間だけレーザービームを照射し、
第３に、適度に溶けた半田が金線に接触して表面張力に
より半田付けされるに充分な時間だけ半田が溶解状態に
あるということと考えられる。

【００３５】尚、本実施例では、電極上に半田メッキし
た部分あるいは半田パウダを印刷した電極について適度
の強さのレーザービームを適度な時間照射して線材など
の半田付けを行ったが、半田（Ｓｎ−Ｐｂなどの合金）
以外にも、ロー付け（半田付け）しようとする対象の材
料よりも低い融点を持つ金属、例えば銀、真鍮などのい
わゆるロー付け材料についても同様に適度の強さのレー
ザービームを適度な時間照射して直接にレーザービーム
を照射した部分のみ溶かして表面張力により線材などに
ロー付け（半田付け）できるものである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
適度の強さのレーザービームで適度な時間だけ照射しレ
ーザービームを直接に照射した部分およびその近傍のみ
の半田を溶かして線材などを電極に良好に半田付けでき
るようになった。これにより、 （１） 従来、非常に細い線材（例えば３０μｍΦ）を
半田メッキした電極に半田付けしようとしても良好にで
きなかったが本発明により非常に容易に狭い範囲のみの
半田を溶解して半田付けが可能となった。

【００３７】（２） レーザービームによって直接に照
射する面積、強さおよび照射時間を適度に設定すること
により、マイクロマシンのようなミクロンオーダの世界
で直接にレーザービームをミクロンオーダの面積で照射
した部分のみの半田を溶かして線材などを半田付するこ
とが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステム構成図である。

【図２】レーザービームの照射時間と半田付けの関係図
である。

【図３】本発明のレーザービーム半田付け説明図であ
る。

【図４】溶接の説明図である。

【符号の説明】

１：レーザー電源 ２：フラッシュランプ ３：ＹＡＧロッド ４：全反射ミラー ５：半反射ミラー ６：集光レンズ ７：試料 ８：ステージ ９：ガイド光 １０：ＣＣＤカメラ １１：テレビモニタ １２：設定手段 ２１：レーザー発生手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザービームを使って半田付けする装置
   において、 レーザービームを所定径で半田付けしようとする部分に
   照射する照射手段と、 上記照射手段によって半田付けしようとする部分の半田
   にレーザービームを照射するレーザービームの強さと時
   間を、当該レーザービームで直接に照射する部分および
   その近傍の半田が溶ける所定値に設定する設定手段とを
   備え、 当該設定手段によっ設定された強さのレーザービームを
   設定された時間だけ上記照射手段が半田付け対象の部分
   の半田を照射して半田を溶かして半田付け対象の半田付
   けを行うことを特徴とするレーザー半田付装置。
2. 【請求項２】上記所定値の範囲として、半田が溶けて飛
   び散るよりも強度が弱くかつ時間が長く、強度が弱くか
   つ時間が長くて広範囲の半田が溶けるよりも強度が強く
   かつ時間が短い範囲としたことを特徴とする請求項１記
   載のレーザー半田付装置。
3. 【請求項３】上記半田として、半田付け対象よりも融点
   が低い温度の金属としたことを特徴とする請求項１ある
   いは請求項２記載のレーザー半田付装置。