JPWO2019065065A1 - Soldering system - Google Patents
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Abstract
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及びはんだ付け方法を提供する。溶融はんだがはんだ付け箇所に付着した後も、なお半導体レーザを溶融はんだに照射し続けることで、溶融はんだに対する加熱を継続する。この処理により、はんだ付け箇所と溶融はんだとの合金が形成され、溶融はんだがはんだ付け箇所へ十分に濡れて、毛細管現象で溶融はんだがはんだ付け箇所に流れる。Provided are a soldering system and a soldering method which can spread a fine soldering object evenly at a soldered portion without damaging the soldered article and can achieve good soldering. Even after the molten solder adheres to the soldering portion, the semiconductor laser is continuously irradiated to the molten solder, so that the heating of the molten solder is continued. By this processing, an alloy of the soldering portion and the molten solder is formed, the molten solder is sufficiently wetted at the soldering portion, and the molten solder flows to the soldering portion by a capillary phenomenon.
Description
本発明は、レーザを用いたはんだ付けシステム及びはんだ付け方法に関する。 The present invention relates to a soldering system and a soldering method using a laser.
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。 In recent years, with the miniaturization of electronic devices, surface mount components (SMDs) have been frequently used for many electronic circuit components. When soldering an SMD to a printed circuit board, a reflow method is mainly used. On the substrate on which the SMD is mounted, a printed pattern formed of copper foil is provided on the front side, and the SMD is mounted on the printed pattern. Then, after the cream solder is applied to the contact portion between the SMD and the print pattern, it is heated in a reflow furnace. When the temperature rises to a temperature at which the solder can be melted in a short time, the cream solder melts, thereby completing the soldering.
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。 In the reflow soldering using a reflow furnace, since the SMD is placed on the surface of the printed circuit board in a planar manner, the soldered portion is also planar. Therefore, when the solder is heated, it spreads two-dimensionally with respect to the portion to be soldered. However, depending on the shape of a component, a module, or the like, the reflow method may not be used because the portion to be soldered is not planar.
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。FIG. 14 is an external perspective view schematically showing a
In a
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。As shown in FIG. 14, the
As described above, when a steep angle is formed between members to be soldered, and when there is a three-dimensional positional relationship, since the molten solder does not spread evenly at the soldering position, soldering using a reflow furnace is not performed. Almost impossible. Further, even if the soldered portion does not have an angle as in the case of the
A laser soldering device is used for soldering such components and modules to which the reflow method cannot be applied.
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。Prior art documents that disclose techniques that are considered to be close to the present invention are disclosed in Patent Documents 1 and 2.
Patent Literature 1 discloses a technique of a solder ball bonding apparatus (laser soldering apparatus) using a laser. This solder ball joining device joins two soldering target members that are in a substantially vertical position by solder ball bonding. Place the solder ball in a stable state. Thereafter, the solder balls are melted by laser irradiation and soldered.
Patent Literature 2 discloses a technique of a laser irradiation type solder bonding apparatus (laser soldering apparatus). In this laser irradiation type solder bonding apparatus, thread solder is supplied from a solder supply apparatus to an optical path of a laser beam to form a molten solder ball. Then, a compressed gas is supplied from the compressor into the head, and the molten solder balls are sprayed from the small holes. A laser beam emitted from a small hole is applied to the solder ball sprayed on the joint.
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。However, when trying to apply the technology described in Patent Document 1 to extremely small parts and the like, it has been found that the following phenomenon occurs. When a solder ball is melted by a laser, the solder melted by the laser cools and solidifies in a state of dripping in the space of the member to be soldered. For this reason, there is a problem that the supply of the solder to the soldering target member is not sufficient, and there is a concern that reliable connection remains.
Further, a solid-state laser such as a YAG laser used in a conventional laser welding apparatus has too high thermal energy when used for soldering. Further, solid-state lasers are extremely difficult to control power. For this reason, there is a high possibility that components and printed circuit boards, which are objects to be finely soldered, are damaged.
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及びはんだ付け方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and does not damage a minute soldering target article, spreads evenly at a soldering location, and can complete a good soldering, a soldering system and a soldering method. The purpose is to provide.
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を供給するはんだ供給装置と、はんだ付け対象物に近接したはんだを溶融させるためにはんだに所定時間、第一の強度のレーザ光を間欠的に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対し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半導体レーザ光源をオン制御すると共にガスバルブを閉じる制御を行い、はんだがはんだホルダから射出された後、はんだに第一の強度よりも弱い第二の強度のレーザ光を所定時間連続して照射し、その後半導体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。In order to solve the above problems, a soldering system according to the present invention has a soldering device and a control device.
The soldering device includes a solder holder, a solder supply device that supplies the solder to the solder holder, and a laser beam of the first intensity intermittently applied to the solder for a predetermined time to melt the solder close to the soldering object. A semiconductor laser light source for irradiation, a gas valve for controlling injection of a pressure gas for injecting molten solder from the solder holder into the solder holder, and a pressure sensor for detecting a pressure of the pressure gas in the solder holder are provided. .
After the solder reaches the solder holder, the control device detects from the pressure sensor that the pressure inside the soldering device has reached a predetermined value, turns on the semiconductor laser light source, and performs control to close the gas valve and perform soldering. Is emitted from the solder holder, the solder is continuously irradiated with laser light having a second intensity lower than the first intensity for a predetermined time, and thereafter, the semiconductor laser light source is turned off and the gas valve is opened.
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、はんだ付け装置及びはんだ付け方法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。Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a soldering apparatus and a soldering method capable of completing soldering with good wettability without damaging a minute article to be soldered.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be apparent from the following description of the embodiments.
[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。[Appearance of laser soldering equipment]
FIG. 1 is a schematic front view of a
As shown in FIG. 1, the
The
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。At the end of the
The
The nitrogen gas is used to apply pressure for discharging the
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。
The
[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。[Structure of solder roller 113]
The
FIG. 2 is an enlarged view of the
The
[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。[Structure of solder holder 107]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the tip portion of the
Inside the
A
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。When the diameter of the
D1 <SR <D2
For this reason, the
[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。[Overall Configuration of
FIG. 4 is a block diagram showing an overall configuration of the
The
A
The
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。An
The
That is, the
The
[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。[Software Function of Control Device 402]
FIG. 5 is a block diagram illustrating functions of software of the
The logic signal output from the
The logic signal output from the
The D input terminal of the D-
That is, the D-
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。The logic signal output from the Q output terminal of the D-
The
The output signal of the AND
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。The
If the output signal of the
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。Data indicating the pressure of the
The output signal of the
The
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。The output signal of the
Further, since the output signal of the
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。The output signal of the
The
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。The
The
That is, the control signal output from the
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。
The software functional block diagram shown in FIG. 5 is an example. For example, instead of resetting the
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。FIG. 6 is a time chart showing various states of the
A waveform L601 in FIG. 6 is the rotation speed of the
A waveform L602 is a control signal of the stepping
A waveform L603 is a detection signal of the
A waveform L604 is a waveform indicating the flow rate of the nitrogen gas.
A waveform L605 is an output signal of the
A waveform L606 is a control signal for controlling on / off of the semiconductor
A waveform L607 is a control signal of the
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。At time T611, the
At time T612, in response to AND
At time T613, the
At time T614, the
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。At time T615, when the
At time T616, the
At time T617, when the
[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。[Soldering operation]
Hereinafter, the flow of the soldering operation in the
FIG. 7A is a schematic cross-sectional view in which the
The
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。FIG. 7B is a schematic cross-sectional view in which the
The
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。FIG. 8 shows a state where the irradiation of the laser beam B 701 to the
That is, the
If only the
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。The time for which the heating is continued varies depending on the type of the semiconductor laser, the output of the semiconductor laser, the size of the
In particular, experiments by the inventors have revealed that a blue semiconductor laser is preferable as the type of the semiconductor laser. Blue semiconductor lasers have higher heat absorption characteristics for solder than semiconductor lasers of other colors such as red. Therefore, good soldering can be realized.
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。The embodiments described above can be modified as described below.
(1) In the
Even if a solder holder having a simpler structure is used for the above-described
FIG. 9A shows a state immediately after the laser ball B701 is irradiated on the
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。The
In the
Therefore, as shown in FIG. 9A, the
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。FIG. 9B is a schematic cross-sectional view in which the
In FIG. 9A, the
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。FIG. 10 shows a state where the laser beam B 701 is continuously irradiated to the
In FIG. 9B, when the
As described above, the
(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。
(2) In the
(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。
(3) Ideally, a step of melting solder ball 201 (between time T615 and time T616 in FIG. 6) and a step of heating after
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。FIG. 11 is a block diagram showing functional blocks added to the
In FIG. 5, the control signal output from the
In FIG. 11, a
The
The
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。FIG. 12 is a block diagram and a circuit diagram of the
Since the
An output signal of the
A control signal of the
The control signal of the
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。The
The
A high-side switch of a
A shunt resistor R1210 for detecting a current flowing through the semiconductor
The connection point between the cathode of the semiconductor
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。The terminal voltage of the shunt resistor R1210 is proportional to the current flowing through the semiconductor
When the voltage of the shunt resistor R1210 becomes lower than the voltage of the first reference voltage source V1212, the open collector of the
When the voltage of the shunt resistor R1210 becomes higher than the voltage of the first reference voltage source V1212, the open collector of the
This intermittent flow of current due to turning on / off of the high side switch is smoothed (restricted) by the choke coil L1209 and the diode D1208. Therefore, constant current control of the semiconductor
By increasing the reference voltage, the current flowing through the semiconductor
If a switch is provided on the output side of the choke coil L1209, on / off control of the current flowing to the semiconductor
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。FIG. 13 shows a control signal output by the
FIG. 13A shows a control signal output by the
FIG. 13B illustrates a reference voltage switching signal output by the
FIG. 13C illustrates a gate control signal output by the
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。FIG. 13D is a waveform diagram of a current flowing through the semiconductor
By switching the reference voltage and generating the gate control signal of the
When the
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。
When the
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。In the step of melting the solder ball 201 (between time T615 and time T616), it is necessary to give the solder ball 201 a necessary amount of heat until the
The pulse interval, the number of pulses, and the intensity of the pulsed laser light are merely examples, and may be changed according to various conditions such as the material properties of the solder to be used, the flying distance of the molten solder, and the laser to be used. For example, the irradiation time T1302 can be narrowed to increase the number of pulses, or the number of pulses can be reduced to increase the irradiation time T1302, and the pulse time interval T1303 can be changed accordingly or independently. is there.
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。
In the step of heating after the molten solder adheres to the
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。In the present embodiment, the
The
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。 As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modified examples and applications may be made without departing from the gist of the present invention described in the claims. Including examples.
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
DESCRIPTION OF
【0004】
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。
発明の効果
[0011]
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、はんだ付け装置及びはんだ付け方法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。
図面の簡単な説明
[0012]
[図1]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。
[図2]はんだローラの拡大図である。
[図3]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。
[図4]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。
[図5]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。
[図6]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[0004]
It has a device and a control device.
The soldering device includes a solder holder, a solder ball supply device that supplies solder balls to the solder holder, a vertical drive mechanism that positions the solder holder at a predetermined distance from the object to be soldered, and a vertical drive mechanism. A semiconductor blue laser light source that irradiates a soldering ball with a blue laser beam while the ball is positioned at a predetermined distance from the soldering object, and a molten solder ball for the solder holder is ejected from the solder holder. And a pressure sensor for detecting the pressure of the pressure gas in the solder holder.
After the solder ball reaches the solder holder, the controller detects from the pressure sensor that the pressure inside the soldering device has reached a predetermined value, and the control device determines the pressure to melt the solder ball. Time, the laser beam is intermittently irradiated with the first intensity blue laser light a plurality of times and the gas valve is controlled to be closed, and after the molten solder ball is ejected from the solder holder, the molten solder ball is irradiated with the second laser beam. Blue laser light having a second intensity lower than one intensity is continuously irradiated for a predetermined time, and thereafter, the semiconductor blue laser light source is turned off and the gas valve is opened.
Effect of the Invention [0011]
Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a soldering apparatus and a soldering method capable of completing soldering with good wettability without damaging a minute article to be soldered.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be apparent from the following description of the embodiments.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [0012]
FIG. 1 is a schematic front view of a laser soldering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a solder roller.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of a tip portion of a solder holder.
FIG. 4 is a block diagram showing an overall configuration of a soldering system and a hardware configuration of a control device for controlling a laser soldering device.
FIG. 5 is a block diagram showing functions of software of the control device.
FIG. 6 shows various states of the laser soldering apparatus controlled by the controller.
【0001】
技術分野
[0001]
本発明は、レーザを用いたはんだ付けシステムに関する。
背景技術
[0002]
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。
[0003]
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。
[0004]
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[0001]
Technical field [0001]
The present invention relates to a soldering system using a laser.
BACKGROUND ART [0002]
In recent years, with the miniaturization of electronic devices, surface mount components (SMDs) have been frequently used in many electronic circuit components. When soldering an SMD to a printed circuit board, a reflow method is mainly used. On the substrate on which the SMD is mounted, a printed pattern formed of copper foil is provided on the front side, and the SMD is mounted on the printed pattern. Then, after the cream solder is applied to the contact portion between the SMD and the print pattern, it is heated in a reflow furnace. When the temperature rises to a temperature at which the solder can be melted in a short time, the cream solder melts, thereby completing the soldering.
[0003]
In the reflow soldering using a reflow furnace, since the SMD is placed on the surface of the printed circuit board in a planar manner, the soldered portion is also planar. Therefore, when the solder is heated, it spreads two-dimensionally with respect to the portion to be soldered. However, depending on the shape of a component, a module, or the like, the reflow method may not be used because the portion to be soldered is not planar.
[0004]
FIG. 14 is an external perspective view schematically showing a
In a
【0003】
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。
先行技術文献
特許文献
[0007]
[特許文献1]特開2002−45962号公報
[特許文献2]特開平06−23530号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0008]
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。
[0009]
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。
課題を解決するための手段
[0010]
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[0003]
Is disclosed. In this laser irradiation type solder bonding apparatus, thread solder is supplied from a solder supply apparatus to an optical path of a laser beam to form a molten solder ball. Then, a compressed gas is supplied from the compressor into the head, and the molten solder balls are sprayed from the small holes. A laser beam emitted from a small hole is applied to the solder ball sprayed on the joint.
Prior art document Patent document [0007]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-45962 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-23530 Summary of the Invention Problems to be Solved by the Invention [0008]
However, when trying to apply the technology described in Patent Document 1 to extremely small parts and the like, it has been found that the following phenomenon occurs. When a solder ball is melted by a laser, the solder melted by the laser cools and solidifies in a state of dripping in the space of the member to be soldered. For this reason, there is a problem that the supply of the solder to the soldering target member is not sufficient, and there is a concern that reliable connection remains.
Further, a solid-state laser such as a YAG laser used in a conventional laser welding apparatus has too high thermal energy when used for soldering. Further, solid-state lasers are extremely difficult to control power. For this reason, there is a high possibility that components and printed circuit boards, which are objects to be finely soldered, are damaged.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a soldering system that does not damage minute soldering target articles, spreads evenly at soldering locations, and can complete good soldering. Aim.
Means for solving the problem [0010]
In order to solve the above problems, the soldering system of the present invention
【0004】
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。
発明の効果
[0011]
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。
図面の簡単な説明
[0012]
[図1]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。
[図2]はんだローラの拡大図である。
[図3]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。
[図4]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。
[図5]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。
[図6]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[0004]
It has a device and a control device.
The soldering device includes a solder holder, a solder ball supply device that supplies solder balls to the solder holder, a vertical drive mechanism that positions the solder holder at a predetermined distance from the object to be soldered, and a vertical drive mechanism. A semiconductor blue laser light source that irradiates a soldering ball with a blue laser beam while the ball is positioned at a predetermined distance from the soldering object, and a molten solder ball for the solder holder is ejected from the solder holder. And a pressure sensor for detecting the pressure of the pressure gas in the solder holder.
After the solder ball reaches the solder holder, the controller detects from the pressure sensor that the pressure inside the soldering device has reached a predetermined value, and the control device determines the pressure to melt the solder ball. Time, the laser beam is intermittently irradiated with the first intensity blue laser light a plurality of times and the gas valve is controlled to be closed, and after the molten solder ball is ejected from the solder holder, the molten solder ball is irradiated with the second laser beam. Blue laser light having a second intensity lower than one intensity is continuously irradiated for a predetermined time, and thereafter, the semiconductor blue laser light source is turned off and the gas valve is opened.
Effect of the Invention [0011]
According to the present invention, it is possible to provide a soldering system capable of completing soldering with good wettability without damaging a minute article to be soldered.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be apparent from the following description of the embodiments.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [0012]
FIG. 1 is a schematic front view of a laser soldering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a solder roller.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of a tip portion of a solder holder.
FIG. 4 is a block diagram showing an overall configuration of a soldering system and a hardware configuration of a control device that controls a laser soldering device.
FIG. 5 is a block diagram showing functions of software of the control device.
FIG. 6 shows various states of the laser soldering apparatus controlled by the controller.
Claims (6)
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所定の距離だけ離間している前記はんだホルダに保持されたはんだを溶融させるために前記はんだに所定時間、第一の強度のレーザ光を間欠的に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対し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半導体レーザ光源をオン制御すると共に前記ガスバルブを閉じる制御を行い、前記はんだが前記はんだホルダから射出された後、前記はんだに前記第一の強度よりも弱い第二の強度のレーザ光を所定時間連続して照射し、その後前記半導体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。A solder holder,
A solder supply device for supplying solder to the solder holder,
A semiconductor laser light source for intermittently irradiating a laser beam of a first intensity to the solder for a predetermined time to melt the solder held in the solder holder that is separated by a predetermined distance from the soldering object,
A gas valve for controlling injection of pressure gas for injecting the molten solder from the solder holder into the solder holder,
A soldering device including a pressure sensor that detects the pressure of the pressure gas in the solder holder,
After the solder reaches the solder holder, the pressure sensor detects from the pressure sensor that the pressure inside the soldering apparatus has reached a predetermined value, turns on the semiconductor laser light source, and performs control to close the gas valve. After the solder is ejected from the solder holder, the solder is continuously irradiated with laser light of a second intensity weaker than the first intensity for a predetermined time, and then the semiconductor laser light source is turned off. A soldering system having a control device for controlling the opening of the gas valve.
請求項1に記載のはんだ付けシステム。The semiconductor laser light source emits a blue laser,
The soldering system according to claim 1.
請求項2に記載のはんだ付けシステム。The solder is a solder ball;
The soldering system according to claim 2.
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対し注入するステップと、
前記はんだに対し、半導体レーザ光源から所定時間、第一の強度のレーザ光を間欠的に照射して前記はんだを溶融して溶融はんだに変化させることで、前記はんだホルダから前記溶融はんだを吐出してはんだ付け対象物に付着させるステップと、
前記はんだ付け対象物に付着した前記溶融はんだに対し、前記半導体レーザ光源から前記第一の強度よりも弱い第二の強度のレーザ光を所定時間連続して照射するステップと
からなる、はんだ付け方法。Supplying solder to the solder holder;
Injecting a pressure gas into the solder holder for injecting the molten solder from the solder holder;
For the solder, for a predetermined time from the semiconductor laser light source, by intermittently irradiating the laser light of the first intensity to melt the solder and change it into molten solder, the molten solder is discharged from the solder holder. Attaching to the object to be soldered by
Irradiating a laser beam of a second intensity lower than the first intensity from the semiconductor laser light source to the molten solder attached to the soldering object for a predetermined time continuously. .
請求項4に記載のはんだ付け方法。The semiconductor laser is a blue laser,
The soldering method according to claim 4.
請求項5に記載のはんだ付け方法。The solder is a solder ball;
The soldering method according to claim 5.
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JP2017501880A (en) * | 2013-12-19 | 2017-01-19 | パック テック−パッケージング テクノロジーズ ゲーエムベーハー | Equipment for the separate application of solder material deposits |
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- 2018-08-30 JP JP2019544458A patent/JP6785512B2/en active Active
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