JPH11320154A - プリント回路基板上のピン接合用のレ―ザ溶着方法 - Google Patents
プリント回路基板上のピン接合用のレ―ザ溶着方法Info
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- JPH11320154A JPH11320154A JP11066032A JP6603299A JPH11320154A JP H11320154 A JPH11320154 A JP H11320154A JP 11066032 A JP11066032 A JP 11066032A JP 6603299 A JP6603299 A JP 6603299A JP H11320154 A JPH11320154 A JP H11320154A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザビームの密度が光ビームの集中によっ
て得られるレーザ溶着方法を提供すること。 【解決手段】 同一または異種の金属冶金学的結合体を
形成する前に、レーザヘッドの前に正確に配置して、そ
の冶金学的結合体は、接合金属の直接溶融によって形成
される。それ故、何らのフィラー金属も用いる必要がな
い。
て得られるレーザ溶着方法を提供すること。 【解決手段】 同一または異種の金属冶金学的結合体を
形成する前に、レーザヘッドの前に正確に配置して、そ
の冶金学的結合体は、接合金属の直接溶融によって形成
される。それ故、何らのフィラー金属も用いる必要がな
い。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プリント回路基板
上のピン接合用のレーザ溶着方法に関し、特に４００ミ
クロンのプリント回路基板上の短いピンを接合するこ
と、すなわち、レーザビームによって発生されたエネル
ギによって取り付け金属の直接溶融による対応する冶金
学的接合を実行することに関する。
上のピン接合用のレーザ溶着方法に関し、特に４００ミ
クロンのプリント回路基板上の短いピンを接合するこ
と、すなわち、レーザビームによって発生されたエネル
ギによって取り付け金属の直接溶融による対応する冶金
学的接合を実行することに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、二つの金属元素を接合するた
めに、流動半田付が一般的に利用されている。この方法
では、溶接合わせ目の喪失、半田付けされない部品の存
在、隣接した合わせ目の架橋、線の微細な交差、微細な
半田玉の発生、プリント回路板に対する隣接した配線の
交差など様々な欠陥がある。これらの欠陥のために、シ
ステムの正常な動作を阻害する、短絡、連続性の欠如等
の電気的な故障が生じることがある。
めに、流動半田付が一般的に利用されている。この方法
では、溶接合わせ目の喪失、半田付けされない部品の存
在、隣接した合わせ目の架橋、線の微細な交差、微細な
半田玉の発生、プリント回路板に対する隣接した配線の
交差など様々な欠陥がある。これらの欠陥のために、シ
ステムの正常な動作を阻害する、短絡、連続性の欠如等
の電気的な故障が生じることがある。
【０００３】他方で、従来の半田付けでは、上記欠陥を
治癒させるために手動での検査（半田付け終了後）が必
要である。
治癒させるために手動での検査（半田付け終了後）が必
要である。
【０００４】上記欠陥およびおよびそれに付随したもの
は、プリント回路基板上の部品を微細溶着用のレーザ技
術を適用することによって解決できる。レーザ溶着は、
接合する元素の直接的な溶融によってフィラー金属が不
要になるからである。他方で、レーザ溶着プロセス自体
は、接合を形成すること以外に何らの作業も必要としな
い。
は、プリント回路基板上の部品を微細溶着用のレーザ技
術を適用することによって解決できる。レーザ溶着は、
接合する元素の直接的な溶融によってフィラー金属が不
要になるからである。他方で、レーザ溶着プロセス自体
は、接合を形成すること以外に何らの作業も必要としな
い。
【０００５】プリント回路基板上の部品の流動半田付け
のために現在用いられている合金は、機械的、電気的お
よび熱的応力を受けるとき様々な制限がある。
のために現在用いられている合金は、機械的、電気的お
よび熱的応力を受けるとき様々な制限がある。
【０００６】これは、部品間の熱膨張率が異なること、
および溶着された結合体、すなわち結合要素（短いピ
ン、舌、雌チップ等）、プリント回路基板（銅および基
板）および半田付け合金、に異なった物質が介在するこ
とに起因する。
および溶着された結合体、すなわち結合要素（短いピ
ン、舌、雌チップ等）、プリント回路基板（銅および基
板）および半田付け合金、に異なった物質が介在するこ
とに起因する。
【０００７】それ故、溶着結合体が負荷および温度サイ
クルを受け、また、熱膨張率の差違のために、溶接は応
力または疲労（熱機械的疲労）を受ける。
クルを受け、また、熱膨張率の差違のために、溶接は応
力または疲労（熱機械的疲労）を受ける。
【０００８】上記疲労によって、また厳格な応力条件の
ために、結合体の電気的故障が生じる。
ために、結合体の電気的故障が生じる。
【０００９】熱的機械的疲労から生じる結果は、接合を
レーザ技術を用いて形成するときに最小にできる。
レーザ技術を用いて形成するときに最小にできる。
【００１０】これは、接合元素（通常、銅およびその合
金）とプリント回路板の銅の間の結合体が、相互接続さ
れる材料の直接溶融による銅の詰め物を生成するからで
ある。
金）とプリント回路板の銅の間の結合体が、相互接続さ
れる材料の直接溶融による銅の詰め物を生成するからで
ある。
【００１１】これによって、非常に均質な結合体が生成
され、結果として、熱応力が類似していて熱機械的疲労
の効果を最小になることを意味する。
され、結果として、熱応力が類似していて熱機械的疲労
の効果を最小になることを意味する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】周囲の環境の観点か
ら、微細溶着の性能に対するレーザ技術の利点は次の点
から正当化される。
ら、微細溶着の性能に対するレーザ技術の利点は次の点
から正当化される。
【００１３】レーザ溶着は、溶着される表面の化学的清
浄に対してフラックスその他の溶融剤を用いる必要がな
い（従来装置による半田付けの場合は必要）。
浄に対してフラックスその他の溶融剤を用いる必要がな
い（従来装置による半田付けの場合は必要）。
【００１４】レーザ溶着の過程において、フィラー金属
を用いる必要がない、すなわち、鉛を含む合金を用いる
必要がない（従来の流動半田付け過程の場合は必要）。
を用いる必要がない、すなわち、鉛を含む合金を用いる
必要がない（従来の流動半田付け過程の場合は必要）。
【００１５】提案された方法、すなわちレーザ溶着また
は溶接は、レーザビームの密度が光ビームの収束よって
得られる、自動エネルギ供給方法である。上記方法は、
二つの金属（類似または異種）を用い、冶金学的結合の
前に、それらをレーザヘッドの前方に十分な精度をもっ
て配置しなければならない。この冶金学的結合体は、接
合する金属の直接溶融によって形成されるので、何らフ
ィラー金属が必要ない。
は溶接は、レーザビームの密度が光ビームの収束よって
得られる、自動エネルギ供給方法である。上記方法は、
二つの金属（類似または異種）を用い、冶金学的結合の
前に、それらをレーザヘッドの前方に十分な精度をもっ
て配置しなければならない。この冶金学的結合体は、接
合する金属の直接溶融によって形成されるので、何らフ
ィラー金属が必要ない。
【００１６】接合する部品の表面において、光エネルギ
が集中され熱エネルギに変換される。表面での溶融は、
熱伝導の結合領域を通して進行する。
が集中され熱エネルギに変換される。表面での溶融は、
熱伝導の結合領域を通して進行する。
【００１７】溶接を行うためには、ビームのエネルギは
接合する材料の蒸発温度より低い温度に維持されなけれ
ばならない。相互的な金属の貫通の程度は基本的には、
誘起温度および材料の厚さに起因する。
接合する材料の蒸発温度より低い温度に維持されなけれ
ばならない。相互的な金属の貫通の程度は基本的には、
誘起温度および材料の厚さに起因する。
【００１８】本発明によって、熱によってほとんど影響
を受けない領域で、優れた冶金学的性質をもって溶接を
行うことができる。集中されたエネルギによって、熱に
よって実質的に影響を受ける前に、溶融および結合体が
生じる。
を受けない領域で、優れた冶金学的性質をもって溶接を
行うことができる。集中されたエネルギによって、熱に
よって実質的に影響を受ける前に、溶融および結合体が
生じる。
【００１９】全ての金属は、入射光に対して幾分かのビ
ームを反射する。金、銀、銅および白金などの金属は、
高反射率を有する溶着が困難である。そのため、 集中
エネルギ（超高ピークパワーを有するパルスによって与
えられる）や何らかの吸収材（黒鉛、ニッケルなど）で
の被覆を必要とする。
ームを反射する。金、銀、銅および白金などの金属は、
高反射率を有する溶着が困難である。そのため、 集中
エネルギ（超高ピークパワーを有するパルスによって与
えられる）や何らかの吸収材（黒鉛、ニッケルなど）で
の被覆を必要とする。
【００２０】レーザは、取扱いの融通性のために、自動
化され、ロボット化された方法に用いるのに理想的であ
る。他方で、光ファイバを用いると、レーザシステムが
より汎用性があり、融通性があるものとなる。
化され、ロボット化された方法に用いるのに理想的であ
る。他方で、光ファイバを用いると、レーザシステムが
より汎用性があり、融通性があるものとなる。
【００２１】最後に、レーザ溶着方法は、健康および衛
生を考慮すると共に、清潔な労働環境（光学系を保護す
るため）が必要である。
生を考慮すると共に、清潔な労働環境（光学系を保護す
るため）が必要である。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明によって、レーザ
ビームの密度が光の集中によって得られ、同種または異
種の冶金学的性質をもつ二つの金属を正確にレーザヘッ
ドの前に配置して、その後で接合する溶着または溶接方
法に利用される、高エネルギ処理を用いるプリント回路
板上のピン接合用のレーザ溶着方法において、レーザキ
ャビティ１１に電力を供給する電源１０を有し、該レー
ザキャビティ１１からミラー１３に入射するレーザビー
ム１２を発生し、該ミラー１３によって非収束レーザビ
ーム１４を反射し、さらに収束光学系１５に入射し、該
収束光学系１５によって収束レーザビーム１９をｘ、ｙ
およびｚ座標に移動可能な移動システムに配置された溶
接作業部１６上へ射出し、上記電力を半田付け用のピン
２１をそれに被覆される金属被覆および不活性雰囲気に
よって制御することを特徴とする前記溶着方法が提供さ
れる。
ビームの密度が光の集中によって得られ、同種または異
種の冶金学的性質をもつ二つの金属を正確にレーザヘッ
ドの前に配置して、その後で接合する溶着または溶接方
法に利用される、高エネルギ処理を用いるプリント回路
板上のピン接合用のレーザ溶着方法において、レーザキ
ャビティ１１に電力を供給する電源１０を有し、該レー
ザキャビティ１１からミラー１３に入射するレーザビー
ム１２を発生し、該ミラー１３によって非収束レーザビ
ーム１４を反射し、さらに収束光学系１５に入射し、該
収束光学系１５によって収束レーザビーム１９をｘ、ｙ
およびｚ座標に移動可能な移動システムに配置された溶
接作業部１６上へ射出し、上記電力を半田付け用のピン
２１をそれに被覆される金属被覆および不活性雰囲気に
よって制御することを特徴とする前記溶着方法が提供さ
れる。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の詳細および特徴は、以下
の説明から明らかになるだろう。図面を通じて、同一の
参照番号は、同一の部材を指すものとする。また、説明
は例示的なもので、説明した実施例に限定されるべきで
はない。本発明において提案された方法は、図１に示さ
れた溶接システムを用いる。図１において、電源１０は
レーザキャビティ１１に電力を送る。レーザキャビティ
１１は、レーザビーム１２を射出する。射出ビーム１２
はミラー１３に入射する。ミラー１３は、非収束レーザ
ビーム１４を反射し、そのレーザビーム１４は収束光学
系１５に入射し、そこから出て、移動システム１７に載
っている作業部１６に向けられる。作業部１６は、Ｘ、
Ｙ、Ｚ座標の各軸方向に移動可能な複数の軸を備えてお
り、その作業部１６は、溶着システムに協同して所望の
方向に移動可能になっている。
の説明から明らかになるだろう。図面を通じて、同一の
参照番号は、同一の部材を指すものとする。また、説明
は例示的なもので、説明した実施例に限定されるべきで
はない。本発明において提案された方法は、図１に示さ
れた溶接システムを用いる。図１において、電源１０は
レーザキャビティ１１に電力を送る。レーザキャビティ
１１は、レーザビーム１２を射出する。射出ビーム１２
はミラー１３に入射する。ミラー１３は、非収束レーザ
ビーム１４を反射し、そのレーザビーム１４は収束光学
系１５に入射し、そこから出て、移動システム１７に載
っている作業部１６に向けられる。作業部１６は、Ｘ、
Ｙ、Ｚ座標の各軸方向に移動可能な複数の軸を備えてお
り、その作業部１６は、溶着システムに協同して所望の
方向に移動可能になっている。
【００２４】図１の局部拡大図である図２には、特定の
レンズ１８を用いて収束光学系１５が溶接部２０に入射
するように収束レーザビーム１９を発生する態様を示し
ている。収束ビームは、貫通距離ｄｐで特定された貫通
パワーを有している。
レンズ１８を用いて収束光学系１５が溶接部２０に入射
するように収束レーザビーム１９を発生する態様を示し
ている。収束ビームは、貫通距離ｄｐで特定された貫通
パワーを有している。
【００２５】本発明のよる方法によって実施可能な溶着
形式は、図３に示されているように、溶接材料の厚さが
異なる場合（図３Ａ）、溶接材料の種類が異なる場合
（図３Ｂ）、及び溶接端子の近傍の場合（図３Ｃ）によ
って異なる。
形式は、図３に示されているように、溶接材料の厚さが
異なる場合（図３Ａ）、溶接材料の種類が異なる場合
（図３Ｂ）、及び溶接端子の近傍の場合（図３Ｃ）によ
って異なる。
【００２６】本発明による方法は、実際には、作業部１
６でのレーザ溶接を、図４にその概略が示されているよ
うに、プリント回路基板２６上の短ピン２１について実
施する。図４において、プリント回路基板２６は両面が
銅の導電性トラックを被覆された基板２４および穴２３
を覆うピン近傍の銅製のリング２２からなり、該ピンが
穴を挿通している。
６でのレーザ溶接を、図４にその概略が示されているよ
うに、プリント回路基板２６上の短ピン２１について実
施する。図４において、プリント回路基板２６は両面が
銅の導電性トラックを被覆された基板２４および穴２３
を覆うピン近傍の銅製のリング２２からなり、該ピンが
穴を挿通している。
【００２７】レーザ溶着の前に、従来と同様に、図４に
示されるように、上記ピン挿入用の一連の孔をプリント
回路板２６に開ける。それに続いて、提案された本発明
のレーザ溶着方法によって、ピン２１の材料および銅製
リング２２を溶融し、結合体２５を形成する。
示されるように、上記ピン挿入用の一連の孔をプリント
回路板２６に開ける。それに続いて、提案された本発明
のレーザ溶着方法によって、ピン２１の材料および銅製
リング２２を溶融し、結合体２５を形成する。
【００２８】上記結合体２５は、図５に示されているよ
うに、種々の態様で形成される。すなわち、角結合体を
呼ばれる頂点の一つ（図５（ａ））、横結合体と呼ばれ
るピン基部の一つ（図５（ｂ））、中央結合体と呼ばれ
る該基部の中央（図５（ｃ））に形成される。
うに、種々の態様で形成される。すなわち、角結合体を
呼ばれる頂点の一つ（図５（ａ））、横結合体と呼ばれ
るピン基部の一つ（図５（ｂ））、中央結合体と呼ばれ
る該基部の中央（図５（ｃ））に形成される。
【００２９】収束レーザビーム１９の方向およびトリガ
点が図６に示されている。提案された溶着ために、基板
２４と銅製の輪またはリングとによって形成されたプリ
ント回路基板２６が用意され、ピン２１がそれを横切っ
ている。収束レーザビーム１９が３０- ４０度の入射角
αで印加される。 図６に示された距離ｄは、短ピン２
１の溶融量を調節するためのものである。短ピン２１の
溶融領域は、結合体２５が温度変化によって損傷するの
を避けるためには、プリント回路板２６の銅製輪または
リング２２の溶融領域より優れていることが適当であ
る。上記距離ｄの変化の範囲は実験的に０〜５mmの範囲
で設定される。
点が図６に示されている。提案された溶着ために、基板
２４と銅製の輪またはリングとによって形成されたプリ
ント回路基板２６が用意され、ピン２１がそれを横切っ
ている。収束レーザビーム１９が３０- ４０度の入射角
αで印加される。 図６に示された距離ｄは、短ピン２
１の溶融量を調節するためのものである。短ピン２１の
溶融領域は、結合体２５が温度変化によって損傷するの
を避けるためには、プリント回路板２６の銅製輪または
リング２２の溶融領域より優れていることが適当であ
る。上記距離ｄの変化の範囲は実験的に０〜５mmの範囲
で設定される。
【００３０】通常、提案されたレーザ溶着方法では、溶
着中の酸化をさけるためには、短ピン２１のような溶着
部の雰囲気として保護ガスを用いられる。
着中の酸化をさけるためには、短ピン２１のような溶着
部の雰囲気として保護ガスを用いられる。
【００３１】結合体２５を形成する印加レーザビームの
パラメータとしては、パルスが３５００〜４０００ジュ
ールの範囲であり、ピーク電力が、３５００〜４０００
ワットの範囲である。
パラメータとしては、パルスが３５００〜４０００ジュ
ールの範囲であり、ピーク電力が、３５００〜４０００
ワットの範囲である。
【００３２】各ピン２１毎の溶接点２５の数は、ピンの
表面で２〜４個である。プリント回路板２６の各表面で
溶接点が４個の場合に好適な電気的動作が得られた。
表面で２〜４個である。プリント回路板２６の各表面で
溶接点が４個の場合に好適な電気的動作が得られた。
【００３３】図面を参照して、本発明を説明したが、本
発明の精神が逸脱することなく任意の変形例が考えられ
ることはもちろんである。
発明の精神が逸脱することなく任意の変形例が考えられ
ることはもちろんである。
【００３４】
【発明の効果】同一または異種の金属冶金学的結合体を
形成する前に、レーザヘッドの前に正確に配置して、そ
の冶金学的結合体は、接合金属の直接溶融によって形成
される。それ故、何らのフィラー金属も用いる必要がな
い。
形成する前に、レーザヘッドの前に正確に配置して、そ
の冶金学的結合体は、接合金属の直接溶融によって形成
される。それ故、何らのフィラー金属も用いる必要がな
い。
【図１】本発明による溶着方法の概略図である。
【図２】溶着領域に付加されたレーザ装置の概略図であ
る。
る。
【図３】溶着の種々の形式の概略図である。
【図４】プリント回路板２６に挿入された短ピン２１の
図である。
図である。
【図５】短ピン２１とプリント回路板２６の間の結合を
実施する形態を示す図である。
実施する形態を示す図である。
【図６】短ピン２１上のレーザビーム１９の方向と点弧
（トリガ）点を示す図である。
（トリガ）点を示す図である。
１０ 電源、 １１ レーザキャビティ １２ 射出レーザビーム １３ ミラー １４ 非収束レーザビーム １５ 収束光学系 １６ 作業部 １７ 移動システム １８ レンズ １９ 収束レーザビーム ２０ 溶接 ２１ 短ピン ２２ 銅リング ２３ 孔 ２４ 基板 ２５ 結合体 ２６ プリント回路基板
Claims (13)
- 【請求項１】 レーザビームの密度が光の集中によって
得られ、同種または異種の冶金学的性質をもつ二つの金
属を正確にレーザヘッドの前に配置して、その後で接合
する溶着または溶接方法に利用される、高エネルギ処理
を用いるプリント回路板上のピン接合用のレーザ溶着方
法において、レーザキャビティ１１に電力を供給する電
源１０を有し、該レーザキャビティ１１からミラー１３
に入射するレーザビーム１２を発生し、該ミラー１３に
よって非収束レーザビーム１４を反射し、さらに収束光
学系１５に入射し、該収束光学系１５によって収束レー
ザビーム１９をｘ、ｙおよびｚ座標に移動可能な移動シ
ステムに配置された溶接作業部１６上へ射出し、上記電
力を半田付け用のピン２１をそれに被覆される金属被覆
および不活性雰囲気によって制御することを特徴とする
前記溶着方法。 - 【請求項２】 溶接作業部１６は、プリント回路板２６
に配置された短ピン２１であり、該プリント回路基板２
６は、両面において銅製の配線を有する基板２４、およ
び前記短ピン２１の近傍で該プリント基板に機械的手段
よる前記短ピン２１の挿入の前に形成された孔２３を覆
う一定の銅製リング２２からなり、機械的手段によっ
て、前記銅製リング２２と前記短ピンの一側面を同時に
溶融して前記銅製リング２２と前記短ピンの間に結合体
が形成されることを特徴とする請求項１に記載の溶着方
法。 - 【請求項３】 前記結合体２５は前記短ピンの頂部に形
成されることを特徴とする請求項２に記載の溶着方法。 - 【請求項４】 前記結合体２５は前記短ピンの頂部の近
傍に形成されることを特徴とする請求項２に記載の溶着
方法。 - 【請求項５】 前記結合体２５は、前記短ピン２１の基
辺の一つの中間領域に形成される請求項２に記載の溶着
方法。 - 【請求項６】 レーザ溶着または溶接は、異なった厚さ
の金属間で実行されることを特徴とする請求項１に記載
の溶着方法。 - 【請求項７】 レーザ溶着は溶接は、異種類の金属間で
実行されることを特徴とする請求項１に記載の溶着方
法。 - 【請求項８】 レーザ溶着は、溶接端子の近傍で実行さ
れることを特徴とする請求項１に記載の溶着方法。 - 【請求項９】 レーザ溶着または溶接の前に、５ -１０
ミクロンの厚さのニッケル被覆を付け、反射率を減少さ
せることを特徴とする請求項１に記載の溶着方法。 - 【請求項１０】 前記短ピン２１および前記銅製リング
２２上のレーザビーム１９の方向およびトリガ点は、３
０〜３５度の角度および０〜 0. ５の距離で設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の溶着方法。 - 【請求項１１】 溶接中の酸化を避けるための保護ガス
を用いて作業環境を不活性化することを特徴とする請求
項１に記載の溶着方法。 - 【請求項１２】 １６〜４６ジュールのパルスエネルギ
と３５００〜４０００ワットのピーク電力を用いること
を特徴とする請求項１に記載の溶着方法。 - 【請求項１３】 溶着または溶接点の数は、各面につい
て２〜4個であることを特徴とする請求項１〜請求項３
のいずれかに記載の溶着方法。
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