KR20200002812A

KR20200002812A - 레이저 납땜 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20200002812A
Application number: KR1020197029708A
Authority: KR
Inventors: 가즈마사 이쿠시마
Original assignee: 무사시 엔지니어링 가부시키가이샤
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2020-01-08
Also published as: JP6913350B2; KR102490907B1; SG11201909904XA; US20200094336A1; TWI775845B; TW201842999A; EP3616819A1; CN110621432A; PH12019550234A1; EP3616819A4; JP2018187638A; EP3616819B1; US11453076B2; CN110621432B; WO2018199086A1

Abstract

본 발명은, 기판이나 주위의 약열 부품의 탄 부분이나 잔사 등의 발생을 방지할 수 있는 레이저 납땜 기술의 제공을 제공하기 위한 것이며, 레이저 납땜 장치(1)와, Z축 구동 장치(43)를 구비한 자동 납땜 장치(40)를 사용한 자동 납땜 방법으로서, 레이저광의 조사 직경 D1이 땜납 방울(S)의 직경보다 큰 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치(1)의 높이를 맞추는 단계, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 플럭스의 용제 성분이 휘발하여, 땜납분이 용융하지 않는 온도로 가열하는 단계, 레이저광의 조사 직경 D2이 땜납 방울(S)의 직경보다 작은 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 단계, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 땜납분이 용융되는 온도로 가열하여 납땜을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 납땜 방법 및 그 장치.

Description

레이저 납땜 방법 및 장치

본 발명은, 배선 기판의 표면에 실장(實裝)되는 부품에 대한 납땜 작업을 자동화하기 위한 레이저 납땜 방법 및 장치에 관한 것이다.

납땜 대상에 레이저광을 스폿형으로 투사하여 납땜을 행하는 레이저 납땜 장치 및 방법이 종래부터 알려져 있다. 레이저 납땜 장치 및 방법에 의해, 미세한 부분에 대한 납땜을 비접촉으로 행하는 것이 가능하게 되었다. 다른 한편, 레이저 납땜 방법에서는, 급격한 가열이 행해지므로, 프린트 기판에 주어지는 국소적인 열스트레스가 커서, 배선 기판이 소손(燒損)되거나, 땜납볼이 발생하거나, 납땜 영역 밖으로 흩날린 잔사(殘渣)가 생기거나 하는 문제점이 있었다.

도 11의 (a)∼(c)는, 레이저 조사역(照射域) L3의 직경을 땜납 방울(solder drop)(S)의 직경보다 작게 한 경우의 땜납 방울(S) 및 납땜 영역(랜드 영역)(45)의 상태를 설명하는 평면도이며, 도 11의 (d)∼(f)는, 레이저 조사역 L4의 직경을 납땜 영역(45)보다 크게 한 경우의 땜납 방울(S) 및 납땜 영역(45) 상태를 설명하는 평면도이다.

도 11의 (a)에서는, 납땜 영역(45)인 전극 패드(랜드)에는, 땜납 방울(S)이 형성되어 있다. 도 11의 (b)에서는, 레이저 조사역 L3을 땜납 방울(S)의 직경보다 충분히 작아지도록 조정한 상태를 나타내고 있다. 도 11의 (c)에서는, 도 11의 (b)의 상태로부터 레이저광을 조사한 후의 상태를 나타내고, 납땜 영역(45)의 주변에는 잔사(46)가 생기고 있다.

도 11의 (d)에서는, 납땜 영역(45)인 전극 패드(랜드)에는, 땜납 방울(S)이 형성되어 있다. 도 11의 (e)에서는, 레이저 조사역 L4을 납땜 영역(45)보다 충분히 커지도록 조정한 상태를 나타내고 있다. 도 11의 (f)에서는, 도 11의 (e)의 상태로부터 레이저광을 조사한 후 상태를 나타내고, 납땜 영역(45)의 주변에는 탄 부분(47)이 생기고 있다.

최근에는, 급격한 가열에 의한 플럭스의 돌비(突沸)나 기판 소손 등의 문제를 방지하기 위해, 땜납분(粉)이 용융하지 않고 플럭스의 용제 성분이 기화할 때까지 예비 가열을 행하고, 그 후, 땜납분의 용융 온도로 본 가열하는 것이 행해지고 있다. 이 예비 가열은 히터 등으로 행해지는 경우도 있으면, 레이저광의 조사에 의해 행해지는 경우도 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에서는, 납땜용 레이저에 더하여 예비 가열용 레이저를 설치하고, 조사 직경이 큰 예비 가열용 레이저 납땜용 레이저를 동시에 조사하여 납땜을 행하는 장치가 제안되어 있다.

일본 특공평 8-18125호 공보

전극 패드(랜드)의 표면에는 땜납 방울을 도포하여 레이저광으로 가열을 하는 기술에 있어서는, 랜드 영역의 외측을 포함하여 레이저광을 조사하면, 기판이나 주위의 약열(藥熱) 부품을 태워 버린다는 문제점이 있다. 다른 한편, 랜드 영역에 도포된 땜납 방울의 직경보다 충분히 작은 영역에 레이저광을 조사하면 플럭스의 돌비 등에 의해 랜드 영역 밖(납땜 영역 밖)에 잔사가 비산(飛散)하거나, 미용융인 채 주위로 흩어지거나, 땜납볼이 되거나 한다는 문제점이 있다.

또한, 레이저 납땜 장치에 의해 배선 기판 등의 공작물에 대하여 자동으로 납땜을 행하는 경우, 동 장치를 XYZ 로봇의 로봇 헤드에 탑재할 필요가 있다. 여기서, 로봇 헤드의 중량이 증가되면 구동 장치도 대형화할 필요가 있으므로, 로봇 헤드에 탑재하는 레이저 납땜 장치의 경량화를 도모하는 것이 바람직하다. 다른 한편, 로봇 헤드에 카메라를 탑재하여, 납땜의 상황을 체크하려는 요구도 있다.

따라서, 본 발명은, 기판이나 주위의 약열 부품의 탄 부분이나 잔사 등의 발생을 방지할 수 있는 레이저 납땜 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 경량화에 적절한 구조를 가지는 레이저 납땜 장치를 제공하는 것도 목적으로 한다.

본 발명의 자동 납땜 방법은, 레이저 납땜 장치와, 레이저 납땜 장치를 상하 방향으로 구동하는 Z축 구동 장치를 구비한 자동 납땜 장치를 사용한 자동 납땜 방법으로서, 상기 레이저 납땜 장치가, 하부 개구 및 하부 개구와 연통되는 조사용(照射用) 구멍을 가지는 본체와, 레이저 장치와, 조사용 구멍에 레이저 장치로부터의 레이저광을 입사하는 광섬유(optical fiber)와, 레이저광을 반사 또는 투과하여 하부 개구로 도광(導光)하는 미러(mirror)를 구비하고, 상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사 직경 D1이 땜납 방울(S)의 직경보다 큰 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제1 높이 맞춤 단계, 상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 플럭스의 용제 성분이 휘발하여, 땜납분이 용융하지 않는 온도로 가열하는 예비 가열 단계, 상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사 직경 D2이 땜납 방울(S)의 직경보다 작은 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제2 높이 맞춤 단계, 상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 땜납분이 용융되는 온도로 가열하여 납땜을 행하는 본가열 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 자동 납땜 방법에 있어서, 상기 레이저 장치가, 단일의 레이저 장치에 의해 구성되는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 방법에 있어서, 상기 제1 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D1을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 1.1배∼2배의 범위 내로 설정하는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 방법에 있어서, 상기 제2 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D2을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 0.1배∼0.9배의 범위 내로 설정하는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 방법에 있어서, 상기 본가열 단계에서, 상기 예비 가열 단계과 비교하여 고출력으로 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 방법에 있어서, 상기 본체가, 촬상용(撮像用) 구멍을 포함하고, 또한 촬상용 구멍 및 상기 미러를 통해 공작물을 촬상하는 촬상 장치를 구비하고, 상기 본가열 단계에서, 납땜 후의 공작물을 촬상하는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 방법에 있어서, 상기 땜납 방울(S)의 직경, 상기 직경에 대응하는 조사 직경 D1 및 D2의 조합 및 레이저광의 출력을 복수 패턴 기억하고 있고, 선택된 하나의 패턴에 기초하여 상기 제1 높이 맞춤 단계 및 상기 제2 높이 맞춤 단계를 실행하는 것을 특징으로 해도 된다.

본 발명의 자동 납땜 장치는, 레이저 납땜 장치와, 레이저 납땜 장치를 상하 방향으로 구동하는 Z축 구동 장치와, 레이저 납땜 장치 및 Z축 구동 장치의 동작을 제어하는 제어 장치를 구비한 자동 납땜 장치로서, 상기 레이저 납땜 장치가, 하부 개구 및 하부 개구와 연통되는 조사용 구멍을 가지는 본체와, 레이저 장치와, 조사용 구멍에 레이저 장치로부터의 레이저광을 입사하는 광섬유와, 레이저광을 반사 또는 투과하여 하부 개구로 도광하는 미러를 구비하고, 상기 제어 장치가, 상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사 직경 D1이 땜납 방울(S)의 직경보다 큰 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제1 높이 맞춤 단계, 상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 플럭스의 용제 성분이 휘발하여, 땜납분이 용융하지 않는 온도로 가열하는 예비 가열 단계, 상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사 직경 D2이 땜납 방울(S)의 직경보다 작은 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제2 높이 맞춤 단계, 상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 땜납분이 용융되는 온도로 가열하여 납땜을 행하는 본가열 단계를 상대적으로 이동시키는 실행하는 것을 특징으로 한다.

상기 자동 납땜 장치에 있어서, 상기 레이저 장치가, 단일의 레이저 장치에 의해 구성되는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 장치에 있어서, 상기 제1 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D1을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 1.1배∼2배의 범위 내로 설정할 수 있는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 장치에 있어서, 상기 제2 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D2을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 0.1배∼0.9배의 범위 내로 설정할 수 있는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 장치에 있어서, 상기 본가열 단계에서, 상기 예비 가열 단계과 비교하여 고출력으로 레이저광을 조사할 수 있는 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 장치에 있어서, 상기 본체가, 촬상용 구멍을 포함하고, 또한 촬상용 구멍 및 상기 미러를 통해 공작물을 촬상하는 촬상 장치를 구비한 것을 특징으로 해도 된다.

상기 자동 납땜 장치에 있어서, 상기 촬상용 구멍이 수직 구멍이며, 상기 촬상용 구멍의 하측의 단부(端部) 개구인 상기 하부 개구로부터 상기 레이저광을 조사하는 것, 상기 조사용 구멍이 수평 구멍이며, 상기 촬상용 구멍과 상기 조사용 구멍의 교점(交点)에 상기 미러가 배치되는 것을 특징으로 해도 된다.

본 발명에 의하면, 기판이나 주위의 약열 부품을 탄 부분이나 잔사 등의 발생을 방지할 수 있는 레이저 납땜 기술을 제공하는 것이 가능해진다.

또한, 경량화에 적절한 구조를 가지는 레이저 납땜 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

도 1은 제1 실시형태에 관한 레이저 납땜 장치의 정면도이다.
도 2는 제1 실시형태에 관한 레이저 납땜 장치의 정면단면도(正面斷面圖)이다.
도 3은 장착 부재에 장착된 레이저 납땜 장치 및 토출(吐出) 장치의 정면도이다.
도 4는 제1 실시형태에 관한 자동 납땜 장치의 정면도이다.
도 5는 제1 실시형태에 관한 자동 납땜 방법의 처리 수순을 나타낸 플로우차트이다.
도 6은 (a) 자동 납땜 개시 전에 형성된 납땜 영역에 들어가는 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도, (b) STEP2에서의 땜납 방울(S)과 조사역 L1을 나타낸 평면도, (c) STEP3에서의 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도, (d) STEP4에서의 땜납 방울(S)과 조사역 L2를 나타낸 평면도, (d) STEP5를 거친 납땜 완료 상태를 나타낸 평면도이다.
도 7은 (a) 자동 납땜 개시 전에 형성된 납땜 영역에 들어가지 않는 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도, (b) STEP2에서의 땜납 방울(S)과 조사역 L1을 나타낸 평면도, (c) STEP3에서의 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도, (d) STEP4에서의 땜납 방울(S)과 조사역 L2를 나타낸 평면도, (d) STEP5를 거친 납땜 완료 상태를 나타낸 평면도이다.
도 8은 (a) STEP2에서의 땜납 방울(S)과 레이저 납땜 장치를 나타낸 측면도, (b) STEP4에서의 땜납 방울(S)과 레이저 납땜 장치를 나타낸 측면도이다.
도 9는 제2 실시형태에 관한 레이저 납땜 장치의 정면단면도이다.
도 10은 제3 실시형태에 관한 레이저 납땜 장치의 정면단면도이다.
도 11은 (a) 종래 기술에서의 자동 납땜 개시 전의 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도, (b) 레이저 조사 직전의 땜납 방울(S)과 조사역 L3을 나타낸 평면도, (c) 자동 납땜 완료 후의 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도, (d) 종래 기술에서의 자동 납땜 개시 전의 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도, (e) 레이저 조사 직전의 땜납 방울(S)과 조사역 L4을 나타낸 평면도, (f) 자동 납땜 완료 후의 땜납 방울(S)을 나타낸 평면도이다.

[제1 실시형태]

<구성>

제1 실시형태에 관한 레이저 납땜 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 납땜 장치 본체(2)와, 촬상 장치(3)와, 광 케이블(4)을 구비하여 구성된다.

납땜 장치 본체(2)는, 정면에서 볼 때 L자형이며, 내부에 원통형의 수직구멍인 촬상용 구멍(5) 및 원통형의 수평 구멍인 조사용 구멍(6)이 형성되어 있다(도 2 참조). 납땜 장치 본체(2)의 측단부에는, 광섬유[즉, 광섬유 코어(21) 및 클래드]를 피복하여 이루어지는 광 케이블(4)이 광학적으로 접속되어 있다.

촬상용 구멍(5)의 상부 개구 부분에는 촬상 장치(3)이 설치되어 있고, 촬상용 구멍(5)의 하부 개구(7)로부터 도포 영역을 촬상한다. 촬상 장치(3)는, 예를 들면, 컬러 CCD 카메라이며, 촬상 장치(3)의 촬상 중심과 레이저광의 광축은 일치하고 있다. 제1 실시형태에서는, Z 구동 장치(43)에 의해 공작물에 대하여 집광 렌즈(14)를 승강 가능하므로, 스폿 직경 조정용의 줌 렌즈는 불필요하다. 다른 한편, 예비 가열 시 또는 본가열 시의 높이로 초점이 맞도록 하면, 승강 동작 없이 촬상 장치(3)의 초점 맞춤이 가능하므로 바람직한 경우도 있다. 예비 가열 시 또는 본가열 시의 높이로 초점 맞춤을 가능하게 하기 위해, 촬상 장치(3)의 장치 본체(2)에 대한 물리적인 위치를 조절 가능하게 하는 촬상 위치 조절 기구(機構)(도시하지 않음)를 설치해도 된다. 이 촬상 위치 조절 기구는, 예를 들면, 볼나사와 전동 모터와의 조합에 의해 구성된다.

촬상 장치(3)는, 촬상한 화상을 소프트웨어로 처리할 수 있는 것이면 CCD 카메라 이외의 것을 채용하는 할 수도 있고, 필요에 따라 확대 렌즈나 조명을 구비해도 된다. 그리고, 본 실시형태에서는, 촬상 장치(3)를 집광 렌즈(14)의 바로 위에 배치하고 있으므로, 공작물의 방향과 촬상 화상의 방향이 일치한다[후술하는 제2 실시형태 및 제3 실시형태와 같이 촬상 화상의 방향이 반전(反轉)하지 않는 점에서 유리하다].

본 실시형태에서는, 촬상 장치(3)는 렌즈를 구비하고 있지 않고, 납땜 장치 본체(2)에 후술하는 촬상용 렌즈(12)와 집광 렌즈(14)를 설치하고 있다. 여기서, 렌즈 배율은, 「촬상용 렌즈(12)의 f값/집광 렌즈(14)의 f값」에 의해 종속적으로 결정된다. 중량 및 비용의 관점에서는, 렌즈 구성 개수가 적은 단(單)초점 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 공작물의 위치·치수를 고정밀도로 측정하기 위해서는, 비교적 배율이 높고 피사계 심도(深度)가 얕은 고배율의 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.

촬상용 구멍(5)에는, 미러(11)와, 촬상용 렌즈(12)와, 집광 렌즈(14)가 배치되어 있다. 미러(11)는, 촬상용 구멍(5) 및 조사용 구멍(6)이 직교하는 위치에 배치되고, 가시광을 투과하고 레이저광을 반사하는 하프 미러이다. 미러(11)는, 광섬유 코어(21)로부터의 조사광(照射光)의 광축에 대해 45° 경사지게 배치되어 있고, 촬상 장치(3)에 대해서는 집광 렌즈(14)로부터의 광을 투과하고, 광섬유 코어(21)로부터의 조사광을 반사하여 집광 렌즈(14)에 입사한다.

촬상용 렌즈(12)는, 미러(11)로부터의 투과광을 촬상 장치(3)에 인도하는 렌즈이다. 집광 렌즈(14)는, 땜납 및 납땜 영역(45)으로부터의 반사광을 집광하고, 광섬유 코어(21)로부터의 레이저광을 납땜 영역(45)인 전극 패드(랜드)에 스폿형으로 조사하기 위한 평볼록 렌즈이다.

조사용 구멍(6)에는, 화이버용 렌즈(13)가 배치되어 있다. 화이버용 렌즈(13)은, 광섬유 코어(21)의 단부로부터 발해진 광을 평행광으로 하여 미러(11)에 입사하는 콜리메이트 렌즈이다. 조사용 구멍(6)의 미러(11)는 반대측의 단부에는 조사용 구멍(6)과 비교하여 대폭 가는 관통공에 광섬유 코어(21)의 단부가 삽통(揷通)되어 있다. 수평 방향으로 연장되는 광섬유 코어(21)의 미러(11)는 반대측에는, 연결부(22)가 설치되어 있다. 연결부(22)에는, 광 케이블(4)의 종단부(終端部)에 설치된 페룰(furrule)과 연결된 너트(23)가 연결된다. 그리고, 도 2에서는, 연결부(22) 및 너트(23)를 간략화하여 묘화(描畵)하고 있다.

광 케이블(4)는, 레이저 장치(도시하지 않음)에 접속되어 있고, 레이저 장치로부터 사출된 레이저광을 전송한다. 이 레이저 장치는, 예를 들면, 예비 가열 시에는 수백 mW∼30 W(또는 수백 mW∼20 W)의 레이저광을 몇초 간 조사하고, 본가열 시에는 수 W∼수십 W의 레이저광을 몇초 간 조사한다. 레이저광의 조사 출력을 어느 정도로 할 것인지는, 공작물의 종류와 도포 직경에 기초하여 설정된다.

레이저 납땜 장치(1)는, Z 구동 장치(43)와 연결된 장착 부재(8)에 장착되어 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 장착 부재(8)는, 대략 직사각형의 판형 부재에 의해 구성되어 있고, 레이저 납땜 장치(1) 및 토출 장치(30)가 동일 평면 상에 배치되어 있다. 장착 부재(8)가, 레이저 납땜 장치(1) 및 토출 장치(30)를 유지함으로써, XZ 구동 장치(41, 43)에 의해 레이저 납땜 장치(1) 및 토출 장치(30)를 동시로 이동할 수 있다. 장착 부재(8)에 의해, 레이저 납땜 장치(1)와 토출 장치(30)로, 별개의 구동 장치를 설치할 필요는 없어지지만, 장착 부재(8)에 장착된 기기(機器)의 총 중량이 증가하므로, 각각의 구동 장치의 부하는 높아진다. 그러므로, 장착 부재(8)에 탑재하는 레이저 납땜 장치(1) 및 토출 장치(30)는, 각각 경량화를 도모하는 것이 바람직하다.

토출 장치(30)는, 노즐(31)과, 저류(貯留) 용기(32)와, 용기 유지구(33)와, 고정 부재(34)와, 어댑터(35)와, 튜브(36)를 구비하고 있다.

노즐(31)은, 저류 용기(32)의 하부 개구에 착탈 가능하게 연결된 범용 노즐이며, 노즐 직경이 상이한 것으로 교환 가능하다.

저류 용기(32)는, 범용 시린지(syringe)로 이루어지고, 용기 유지구(33)에 삽입하여 유지된다. 저류 용기(32)에는 페이스트상 땜납(크림 땜납)이 충전되어 있다. 페이스트상 땜납은, 땜납 분말과, 액상(液狀) 또는 페이스트상[고점성(高粘性)]의 플럭스를 혼합한 것이다. 페이스트상의 플럭스는, 용제로 예를 들면, 수만∼수십만 mPa·s로 점도 조정된다. 땜납 분말은, 예를 들면, 주석(Sn)을 모체로 하여, 연(Pb), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 안티몬(Sb), 인듐(In), 비스무트(bismuth)(Bi) 중, 어느 하나 또는 2개 이상을 첨가재로서 포함한 합금에 의해 구성되어 있다.

고정 부재(34)는, 용기 유지구(33)가 가지는 나사홈에 삽입되고, 선단부와 맞닿음부(abutment portion)를 가지는 나사 부재이다. 고정 부재(34)를 정회전하여 맞닿음부로 압압(押壓)함으로써 저류 용기(32)를 고정시키거나, 역회전하여 고정을 해제하거나 할 수 있다.

저류 용기(32)의 상부 개구에는, 어댑터(35)가 착탈 가능하게 장착되어 있다. 어댑터(35)는, 튜브(36)와 연결되어 있고, 에어 공급원(도시하지 않음)으로부터의 가압 에어가 튜브(36)를 통해 저류 용기(32) 내의 상부 공간에 공급된다.

그리고, 토출 장치(30)로서는, 예시한 에어식 디스펜서로 한정되지 않고, 제트식, 플런저식(plunger type), 스크루식 등 임의의 방식의 토출 장치(디스펜서)를 사용할 수 있다. 제트식 토출 장치에는, 1개의 액적(液適; droplet)을 형성할 때 니들(niddle)의 선단을 밸브 시트(valve seat)와 맞닿게 하는 착석(着座) 타입의 제트식 토출 장치와 1개의 액적을 형성할 때 니들의 선단을 밸브 시트와 맞닿게 하지 않는 비착석 타입의 제트식 토출 장치가 있지만, 본 발명은 양쪽 모두에 적용할 수 있다.

도 4에 나타낸 자동 납땜 장치(40)는, 레이저 납땜 장치(1), 토출 장치(30)와, X 구동 장치(41)와, Y 구동 장치(42)와, Z 구동 장치(43)와, 스테이지(44)와, 자동 납땜 장치 본체(50)와, 각각의 구동 장치(41, 42, 43)의 동작을 제어하는 제어 장치(도시하지 않음)로 주로 구성된다.

스테이지(44)는, Y 구동 장치(42)와 연결된 판형 부재로 이루어지고, 스테이지(44) 상에는 공작물(예를 들면, 표면에 배선 패턴이 형성되고, 반도체 소자가 실장되는 기판)이 탑재된다. 제1 실시형태의 공작물에는 얼라인먼트 마크가 부여되어 있고, 얼라인먼트 마크를 기준으로 하여 전술한 촬상 장치(3)의 초점 조절 및 얼라인먼트가 행해진다. 그리고, 반도체칩의 각(角) 등을 얼라인먼트 마크로서 이용해도 된다.

레이저 납땜 장치(1) 및 토출 장치(30)는, 장착 부재(8)를 통해 Z 구동 장치(43)에 탑재되고, 상하 방향(즉 Z방향)(52)으로 이동 가능하게 되어 있다. Z 구동 장치(43)를 구비하는 로봇 헤드는, X 구동 장치(41)에 탑재되고, 좌우 방향(즉 X방향)(51)으로 이동 가능하게 되어 있다. 레이저 납땜 장치(1) 및 토출 장치(30)는, Y 구동 장치(42)와 연결된 스테이지(44)에 대하여, XYZ 방향으로 상대(相對) 이동할 수 있다.

각각의 구동 장치(41, 42, 43)는, 미소(微小) 거리 간격(예를 들면, 0.1㎜ 이하의 정밀도)과 연속하여 위치 결정을 할 수 있고, 예를 들면, 볼나사와 전동 모터와의 조합이나, 리니어 모터를 사용하여 구성된다.

제어 장치(도시하지 않음)는, 연산 장치, 기억 장치, 표시 장치 및 입력 장치를 구비한 컴퓨터이며, 접속 케이블(도시하지 않음)을 통해 자동 납땜 장치(40)와 접속된다. 제어 장치는, 도포 좌표[=납땜 영역(45)의 중심 좌표=땜납 방울(S)의 중심 좌표], 도포 좌표와 대응하는 땜납 방울(S)의 직경, 및 땜납 방울(S)의 직경에 대응하는 레이저 조사 직경 D1 및 D2 및 레이저광의 출력을 기억 장치에 기억하고 있다.

조사 직경 D1는, 예비 가열 전방의 땜납 방울(S)의 직경보다 항상 크고, 예를 들면, 땜납 방울(S)의 직경의 1.1배∼2배의 범위 내에서 설정된다. 예비 가열 시는, 레이저의 파워 밀도가 낮게 부품이나 기판을 태우는 리스크는 작지만, 조사 직경 D1를, 납땜 영역(45)인 전극 패드(랜드) 내에 들어가도록 해도 된다.

조사 직경 D2는, 예비 가열 전방의 땜납 방울(S)의 직경의 예를 들면, 0.1배∼0.9배의 범위 내에서 설정된다.

예비 가열 전방의 땜납 방울(S)의 직경은, 도 6에 예시된 바와 같이 납땜 영역(45)의 범위 내에 들어가는 크기인 경우도 있으면, 도 7에 예시된 바와 같이 납땜 영역(45)의 범위 내에 들어가지 않는 크기인 경우[납 방울(S)의 직경이 납땜 영역(45)의 단변보다 클 경우]도 있다. 다른 한편, 조사 직경 D2는, 납땜 영역(45)의 범위 내에 들어가도록 설정되고, 예를 들면, 납땜 영역(45)인 전극 패드(랜드)의 단변(短邊) 또는 직경의 50∼95%이다.

땜납 방울(S)의 직경에 대응하는 레이저 조사 직경 D1 및 D2는, 사전의 실험에 의해 결정된다. 납땜 영역(45)마다 형성하는 땜납 방울(S)의 직경이 상이한 경우에는, 대응하는 레이저 조사 직경 D1 및 D2도 상이한 것으로 된다. 땜납 방울(S)의 직경의 변경 범위에 임계값을 설정하고, 임계값을 넘는 직경 변경이 있었을 경우에 조사 직경 D1 및 D2를 변경하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 1개의 배선 기판에 대하여 다수의 상이한 직경의 땜납 방울(S)을 형성하는 경우라도, 직경 변경이 임계값 내에서 행해지는 경우에는, 조사 직경 D1 및 D2를 변경할 필요는 없다.

땜납 방울(S)의 직경과 대응하는 레이저 조사 직경 D1 및 D2 및 레이저광의 출력의 관계를 미리 복수 패턴 준비하고, 기억 장치에 기억하고, 도포 작업에 따라 선택된 하나의 패턴을 실행하는 것이 바람직하다.

자동 납땜 장치 본체(50)는, 탁상형의 가대(mount cradle)에 의해 구성되고, 내부에는 Y 구동 장치(42) 등이 내장되어 있다.

그리고, 본 실시형태에서는, X 구동 장치(41), Y 구동 장치(42) 및 Z 구동 장치(43)를 구비하는 태양(態樣)을 개시했지만, 본 발명의 자동 납땜 방법을 실현하기 위한 자동 납땜 장치는, 적어도 Z 구동 장치(43)를 구비하고 있으면 된다. 예를 들면, 공작물을 반송(搬送; transport)하는 공지의 컨베이어 장치와 Z 구동 장치(43)만을 구비하는 자동 납땜 장치를 조합함으로써도, 본 발명의 자동 납땜 방법을 실현하는 것은 가능하다.

<동작>

도 5∼도 8을 참조하면서, 자동 납땜 장치(40)에 의한 납땜 동작을 설명한다. 납땜 영역(45)인 전극 패드(랜드)에는, 땜납 방울(S)이 형성된 상태에 있다[도 6의 (a) 및 도 7의 (a) 참조].

STEP1: 제어 장치는, X 구동 장치(41) 및 Y 구동 장치(42)를 구동하여, 하부 개구(7)의 중심 바로 아래에 땜납 방울(S)의 중심이 위치하도록 로봇 헤드(Z 구동 장치)(43)의 수평 위치맞춤을 행한다.

STEP2: 제어 장치는, 로봇 헤드(Z 구동 장치)(43)를 상승 또는 하강 이동시켜, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사역 L1이 땜납 방울(S)의 직경보다 큰 미리 설정된 크기로 되는 위치에 높이 맞댐을 행한다[제1 높이 맞춤 단계. 도 6의 (b) 및 도 7의 (b) 참조]. 땜납 방울(S)의 직경 및 조사역 L1(=조사 직경 D1)을 실현하기 위한 로봇 헤드(Z 구동 장치)(43)의 높이 좌표는, 미리 제어 장치에 입력되어 있다.

STEP3: 제어 장치는, 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 하부 개구(7)로부터 땜납 방울(S)에 레이저광을 몇초 간 조사하여 예비 가열한다. 이로써, 땜납 방울(S)이 함유하는 플럭스의 용제 성분이 휘발하여, 땜납분이 용융하지 않는 온도(예를 들면, 100∼170℃)에서 땜납 방울(S)이 가열되고, 휘발 성분 중 적어도 일부가 증발하여 반고형(半固形) 상태로 된다[도 6의 (c) 및 도 7의 (c) 참조]. 그리고, 예비 가열 중, 레이저광의 조사 출력은 일정한 것으로 하면 되지만, 조사 출력을 변경시켜도 된다.

STEP4: 제어 장치는, 로봇 헤드(Z 구동 장치)(43)를 상승 또는 하강 이동시켜, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사역 L2이 땜납 방울(S)의 직경보다 작은 미리 설정된 크기로 되는 위치에 높이 맞댐을 행한다[제2 높이 맞춤 단계. 도 6의 (d), 도 7의 (d) 및 도 8의 (b) 참조]. 조사역 L2(=조사 직경 D2)을 실현하기 위한 로봇 헤드(Z 구동 장치)(43)의 높이 좌표는, 미리 제어 장치에 입력되어 있다.

STEP5: 제어 장치는, 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 하부 개구(7)로부터 땜납 방울(S)에 예비 가열보다 고출력의 레이저광을 몇초 간 조사하여 본 가열한다. 이로써, 땜납분이 용융하고, 도포 영역으로의 납땜 작업이 완료된다[도 6의 (e) 및 도 7의 (e) 참조]. 레이저광의 조사가 정지되면, 용융한 땜납은 급속히 고화(固化)한다. 그리고, 본가열 중, 레이저광의 조사 출력을 변경시켜도 된다. 예를 들면, 먼저 수 W로 0.1∼2초 간 조사하고, 이어서 1∼4초 간에 걸쳐 출력을 수십 W까지 점차 증대시키고나서 출력을 정지해도 된다(합계 2∼6초 간의 조사).

상기한 STEP2 및 STEP4에 있어서, 레이저광의 조사역 L1 및 L2의 크기[초점과 집광 렌즈(14)와의 거리]를 조절하여, 플럭스의 용제 성분의 휘발 상태 및 땜납분의 용융 상태를 조절해도 된다. 기본적으로는, 레이저광의 광량의 조절은 불필요하였으나, 상기한 STEP5에 있어서 조사하는 레이저광의 강도를 강하게 하는 등의 조정을 행해도 된다.

상기한 각 STEP에 있어서, 촬상 장치(3)에 의해 땜납 방울(S) 상태를 촬상하여, 표시 장치에 표시시켜도 된다. 여기서, 촬상 장치(3)이 줌 기능을 구비하고 있지 않은 경우에는, STEP2 또는 STEP4의 높이 맞댐 완료시에 초점이 맞도록 조절해도 된다. 특히 STEP4에 있어서 초점이 맞도록 조절하여 두고 납땜 작업 완료 후(STEP5 완료 후)의 상태를 촬상하여, 납땜 작업의 양호 또는 불량을 판정하는 것이 가능해진다. 그리고, 렌즈(12)의 상하 방향 위치를 조절하는 위치 조절 기구를 설치해도 된다.

이상에서 설명한 제1 실시형태의 레이저 납땜 장치(1)에 의하면, 예비 가열과 본가열을 행함으로써, 기판이나 주위의 약열 부품을 탄 부분이나 잔사 등의 발생을 방지할 수 있는 레이저 납땜 장치를 제공하는 것이 가능해진다. 또한, 레이저 장치(광원)를 1개로 하고, 광학 부품의 수를 최소한으로 함으로써, 레이저 납땜 장치의 경량화를 도모하는 것을 가능하게 하고 있다.

[제2 실시형태]

도 9는, 제2 실시형태에 관한 레이저 납땜 장치(60)의 정면단면도이다. 제2 실시형태는, 촬상 장치(3)이 납땜 장치 본체(2)의 측방에 배치되고, 광 케이블(4)이 납땜 장치 본체(2)의 위쪽에 배치되는 점에서 제1 실시형태와 주로 상위(相違)하다.

납땜 장치 본체(2)는, 정면에서 볼 때 L자형이며, 내부에 원통형의 수평 구멍인 촬상용 구멍(5) 및 원통형의 수직구멍인 조사용 구멍(6)이 형성되어 있다. 조사용 구멍(6)의 단부에 형성된 하부 개구(7)에는, 집광 렌즈(14)가 장착되어 있다. 촬상 장치(3) 및 광 케이블(4)은, 제1 실시형태와 마찬가지이다.

미러(11)는 하프 미러이며, 광 케이블의 단부로부터 조사된 레이저광은 미러(11)를 투과하여 전극 패드(랜드)에 조사된다. 집광 렌즈(14)에 입사된 가시광은 미러(11)에 의해 반사되고 촬상 장치(3)에 입사한다. 촬상용 렌즈(12), 화이버용 렌즈(13) 및 집광 렌즈(14)는, 제1 실시형태와 마찬가지이다.

이상에서 설명한 제2 실시형태의 레이저 납땜 장치(60)에 의하면, 예비 가열과 본가열을 행함으로써, 기판이나 주위의 약열 부품을 탄 부분이나 잔사 등의 발생을 방지할 수 있는 레이저 납땜 장치를 제공하는 것이 가능해진다. 또한, 레이저 장치(광원)를 1개로 하고, 광학 부품의 수를 최소한으로 함으로써, 레이저 납땜 장치의 경량화를 도모하는 것을 가능하게 하고 있다.

그리고, 제2 실시형태에서는, 촬상 장치(3)에 의한 촬상 화상의 방향이 공작물의 방향과 반전하기 위해, 소프트웨어에 의해 화상 처리 하거나, 촬상 화상을 재반전시키기 위한 미러를 설치하는 것이 필요하다(이 점에서는, 제1 실시형태의 쪽이 유리하다).

[제3 실시형태]

도 10은, 제3 실시형태에 관한 레이저 납땜 장치(70)의 정면단면도이다. 제3 실시형태는, 촬상 장치(3) 및 광 케이블(4)의 양쪽이 납땜 장치 본체(2)의 위쪽에 배치되는 점에서 제1 실시형태와 주로 상위하다.

납땜 장치 본체(2)는, 정면에서 볼 때 ㄷ자형이며, 내부에 원통형의 수직구멍인 촬상용 구멍(5)이 형성된 제1 통과, 내부에 원통형의 수직구멍인 조사용 구멍(6)이 형성된 제2 통을 구비하고 있다. 조사용 구멍(6)의 단부에 형성된 하부 개구(7)에는, 집광 렌즈(14)가 장착되어 있다. 촬상 장치(3) 및 광 케이블(4)는, 제1 실시형태와 마찬가지이다.

미러(11a)는 하프 미러이며, 광 케이블의 단부로부터 조사된 레이저광은 미러(11a)를 투과하여 전극 패드(랜드)에 조사된다. 집광 렌즈(14)에 입사된 가시광은 미러(11a)에 의해 반사되어 미러(11b)에 입사하고, 미러(11b)에 반사되어 촬상 장치(3)에 입사한다. 미러(11b)는 일반적인 거울에 의해 구성할 수 있다. 촬상용 렌즈(12), 화이버용 렌즈(13) 및 집광 렌즈(14)는, 제1 실시형태와 마찬가지이다.

이상에서 설명한 제3 실시형태의 레이저 납땜 장치(60)에 의하면, 예비 가열과 본가열을 행함으로써, 기판이나 주위의 약열 부품을 탄 부분이나 잔사 등의 발생을 방지할 수 있는 레이저 납땜 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

그리고, 제3 실시형태에서는, 2개의 미러를 가지므로, 촬상 화상의 반전은 생기지 않지만, 광학 부품이 증가하고, 납땜 장치 본체(2)도 커지므로, 경량화의 점에서는 제1 실시형태의 쪽이 유리하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시형태예의 기재에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태예에는 다양한 변경·개량을 가하는 것이 가능하며, 그와 같은 변경 또는 개량을 부가한 형태의 것도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

1: 레이저 납땜 장치(제1 실시형태)
2: 납땜 장치 본체
3: 촬상 장치
4: 광 케이블
5: 촬상용 구멍
6: 조사용 구멍
7: 하부 개구
8: 장착 부재
11: 미러
12: 촬상용 렌즈
13: 화이버용 렌즈
14: 집광 렌즈
21: 광섬유 코어
22: 연결부
23: 너트
30: 토출 장치
31: 노즐
32: 저류 용기
33: 용기 유지구
34: 고정 부재
35: 어댑터
36: 튜브
40: 자동 납땜 장치
41X: 구동 장치
42Y: 구동 장치
43Z: 구동 장치(로봇 헤드)
44: 스테이지
45: 납땜 영역(랜드 영역)
46: 잔사
47: 탄 부분
50: 자동 납땜 장치 본체
51: X방향
52: Z방향
60: 레이저 납땜 장치(제2 실시형태)
70: 레이저 납땜 장치(제3 실시형태)
S: 땜납 방울
D1, D2: 레이저 조사 직경
L1, L2: 레이저 조사역

Claims

레이저 납땜 장치; 및 상기 레이저 납땜 장치를 상하 방향으로 구동하는 Z축 구동 장치;를 포함하는 자동 납땜 장치를 사용한 자동 납땜 방법으로서,
상기 레이저 납땜 장치가,
하부 개구 및 상기 하부 개구와 연통되는 조사용(照射用) 구멍을 가지는 본체;
레이저 장치;
상기 조사용 구멍에 레이저 장치로부터의 레이저광을 입사하는 광섬유(optical fiber);
상기 레이저광을 반사 또는 투과하여 하부 개구로 도광(導光)하는 미러(mirror);를 구비하고,
상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 상기 레이저광의 조사(照射) 직경 D1이 땜납 방울(solder drop)(S)의 직경보다 큰 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 상기 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제1 높이 맞춤 단계;
상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 상기 레이저광을 조사하여 플럭스의 용제 성분이 휘발하여, 땜납분(粉)이 용융하지 않는 온도로 가열하는 예비 가열 단계;
상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 상기 레이저광의 조사 직경 D2이 땜납 방울(S)의 직경보다 작은 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 상기 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제2 높이 맞춤 단계; 및
상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 상기 레이저광을 조사하여 상기 땜납분이 용융되는 온도로 가열하여 납땜을 행하는 본가열 단계;
를 포함하는, 자동 납땜 방법.
제1항에 있어서,
상기 레이저 장치가, 단일의 레이저 장치에 의해 구성되는, 자동 납땜 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D1을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 1.1배∼2배의 범위 내로 설정하는, 자동 납땜 방법.
제3항에 있어서,
상기 제2 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D2을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 0.1배∼0.9배의 범위 내로 설정하는, 자동 납땜 방법.
제4항에 있어서,
상기 본가열 단계에서, 상기 예비 가열 단계와 비교하여 고출력으로 레이저광을 조사하는, 자동 납땜 방법.
제5항에 있어서,
상기 본체가, 촬상용(撮像用) 구멍; 및
상기 촬상용 구멍 및 상기 미러를 통해 공작물을 촬상(撮像)하는 촬상 장치;를 구비하고,
상기 본가열 단계에서, 납땜 후의 공작물을 촬상하는, 자동 납땜 방법.
제5항에 있어서,
상기 땜납 방울(S)의 직경, 상기 직경에 대응하는 조사 직경 D1 및 D2의 조합 및 레이저광의 출력을 복수 패턴 기억하고 있고, 선택된 하나의 패턴에 기초하여 상기 제1 높이 맞춤 단계 및 상기 제2 높이 맞춤 단계를 실행하는, 자동 납땜 방법.
레이저 납땜 장치; 상기 레이저 납땜 장치를 상하 방향으로 구동하는 Z축 구동 장치; 및 상기 레이저 납땜 장치 및 상기 Z축 구동 장치의 동작을 제어하는 제어 장치;를 포함하는 자동 납땜 장치로서,
상기 레이저 납땜 장치가,
하부 개구 및 상기 하부 개구와 연통되는 조사용 구멍을 가지는 본체;
레이저 장치;
상기 조사용 구멍에 레이저 장치로부터의 레이저광을 입사하는 광섬유; 및
상기 레이저광을 반사 또는 투과하여 하부 개구로 도광하는 미러;를 구비하고,
상기 제어 장치가,
상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사 직경 D1이 땜납 방울(S)의 직경보다 큰 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제1 높이 맞춤 단계;
상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 플럭스의 용제 성분이 휘발하여, 땜납분이 용융하지 않는 온도로 가열하는 예비 가열 단계;
상기 Z축 구동 장치에 의해, 위쪽으로부터 본 경우에 레이저광의 조사 직경 D2이 땜납 방울(S)의 직경보다 작은 미리 설정된 크기로 되는 위치에, 레이저 납땜 장치의 높이를 맞추는 제2 높이 맞춤 단계; 및
상기 레이저 장치에 조사 지령을 송신하고, 땜납 방울(S)에 레이저광을 조사하여 땜납분이 용융되는 온도로 가열하여 납땜을 행하는 본가열 단계;
를 실행하는, 자동 납땜 장치.
제8항에 있어서,
상기 레이저 장치가, 단일의 레이저 장치에 의해 구성되는, 자동 납땜 장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D1을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 1.1배∼2배의 범위 내로 설정할 수 있는, 자동 납땜 장치.
제10항에 있어서,
상기 제2 높이 맞춤 단계에서, 상기 조사 직경 D2을 상기 땜납 방울(S)의 직경의 0.1배∼0.9배의 범위 내로 설정할 수 있는, 자동 납땜 장치.
제11항에 있어서,
상기 본가열 단계에서, 상기 예비 가열 단계와 비교하여 고출력으로 레이저광을 조사할 수 있는, 자동 납땜 장치.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본체가, 촬상용 구멍;
상기 촬상용 구멍 및 상기 미러를 통해 공작물을 촬상하는 촬상 장치;를 구비하는, 자동 납땜 장치.
제13항에 있어서,
상기 촬상용 구멍이 수직 구멍이며, 상기 촬상용 구멍의 하측의 단부(端部) 개구인 상기 하부 개구로부터 상기 레이저광을 조사하고,
상기 조사용 구멍이 수평 구멍이며, 상기 촬상용 구멍과 상기 조사용 구멍의 교점(交点)에 상기 미러가 배치되는, 자동 납땜 장치.