KR20220053039A - 레이저식 납땜 방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

랜드(42)와 리드(52)에 프린트 기판(40)의 하방으로부터 열풍(N)을 내뿜어 예열한다. 예열 개시, 혹은 예열 개시 후, 납땜 포인트에 레이저 광(L)을 조사하면서, 납땜 포인트에 접촉하는 위치까지 와이어 솔더(15)를 공급한다. 공급된 와이어 솔더(15)를 레이저 광(L)으로 용융한다. 납땜 종료 후, 와이어 솔더(15)의 공급을 정지한다. 레이저 광(L)의 조사를 정지하여 용융 솔더(15m)를 응고시킨다.

Description

레이저식 납땜 방법과 그 장치

본 발명은 레이저 광을 사용하여 납땜을 행하는 레이저식 납땜 방법 및 상기 방법의 실시에 사용하는 레이저식 납땜 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 부품의 양산 실장에는 리플로우 방식의 납땜이 많이 사용되고 있다. 전형적인 리플로우 방식의 납땜은, 페이스트 형상의 솔더를 도포한, 프린트 기판의 패드 위에 전자 부품의 각 리드를 배치한 후, 리플로우 로(reflow oven) 내를 통과시켜 솔더를 녹여, 전자 부품의 각 리드와 프린트 기판 위의 각 대응하는 패드를 납땜으로 접합하는 방법을 취한다.

이러한 리플로우 방식의 납땜에서는, 프린트 기판이 리플로우로 내에서 가열되기 때문에, 열변형이나 변형을 발생시킨다고 하는 문제가 있었다.

따라서, 최근에는 이러한 리플로우 방식을 레이저 솔더 방식으로 대체하는 시스템이 주목받고 있다.

종래의 레이저식 납땜 장치에서는, 납땜의 대상이 되는 프린트 기판의 상면에 전자 부품이 탑재되고, 프린트 기판의 상방에 설치된 출사 헤드로부터 전자 부품 사이에 노출되는 납땜 포인트(랜드와 리드)를 향해 레이저 광을 조사하도록 되어 있다. 상기 납땜 포인트에는 와이어 솔더가 보내지도록 되어 있다. 레이저 조사 영역에 이른 와이어 솔더는 순차 용융되고, 이것이 적하하여 프린트 기판의 상면 측의 랜드와 리드에 부착되는 동시에 이 랜드와 리드 사이의 틈을 통해 하방으로 흘러 프린트 기판의 하면 측으로 돌아서 들어간다. 그리고, 이것이 응고되어 프린트 기판의 상하 양면에서 리드를 중심으로 하여 깔끔한 원추형의 솔더층을 형성한다.

레이저 납땜은 미세한 개소에 레이저 광을 집광 조사하여 비접촉이며 국소적인 납땜을 가능하게 하고, 프린트 기판의 열 변형도 회피할 수 있다. 또한, 납땜 작업의 자동화에도 유리하다고 여겨지고 있다.

그러나, 프린트 기판의 추가적인 고집적화에 따라, 전자 부품간의 스페이스를 취할 수 없게 되어, 종래와 같이 전자 부품을 탑재한 프린트 기판의 상면 측으로부터의 레이저 광의 조사가 불가능해져 갔다.

그 때문에, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 프린트 기판을 위아래를 뒤집어 전자 부품의 탑재면을 아래로 하고, 프린트 기판의 스루홀로부터 상방으로 튀어나온 전자 부품의 리드와, 스루홀의 랜드에 와이어 솔더를 공급하면서 프린트 기판의 상방으로부터 레이저 광을 조사하여 납땜하는 것이 제안되었다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 특개2013-187411호

그러나, 프린트 기판을 위아래를 뒤집어, 하면 측에 전자 부품을 배치하도록 하면, 이 상태에서는 전자 부품이 낙하해 버리기 때문에, 반전시에 이 탑재된 전자 부품을 위치 관계를 유지하면서 프린트 기판에 고정하는 어떠한 지그를 필요로 하여, 납땜 작업이 복잡해진다는 문제가 있었다.

또한, 납땜에 앞서 납땜 포인트인 랜드나 리드를 솔더의 용융 온도 부근까지 예열해 둘 필요가 있다. 랜드나 전자 부품의 리드가 예열되지 않고 식은 상태에서는, 레이저 광에 의해 용융된 솔더가 식은 상태의 리드나 랜드에 접촉하면 즉시 응고되어 부착력이 손상되어, 솔더 불량을 일으킨다.

그러나, 상기 예열을 위해서 레이저 광을 납땜 포인트에 조사하면, 예열에 이어지는 와이어 솔더 용융을 위해 레이저 광의 출력을 높이면 리드가 과열되어 변색되는 「리드 버닝(lead burn)」이 발생한다.

따라서, 특허문헌 1에서는, 조사 측의 랜드를 납땜으로 리드를 고정하는 스루홀을 포함하는 제 1 랜드, 및 제 1 랜드로부터 연장되어 나온 위치에 설치되고 용융 솔더를 제 1 랜드에 흘려서 넣는 제 2 랜드로 나누고, 레이저 광에 의한 조사 상태를 제 2 랜드에만 레이저 광을 조사하는 제 1 조사 상태, 및 제 1 랜드에 레이저 광을 조사하는 제 2 조사 상태로 나누어, 양자의 전환을 가능하게 구성했다.

이 방법으로는, 제 1 랜드로부터 연장되어 나온 제 2 랜드를 제공할 스페이스가 필요해지지만, 상기와 같은 과밀 상태의 프린트 기판에서는 하면 측이라고 해도, 제 2 랜드와 같은 스페이스를 제공할 수 없다. 또한, 상기와 같이 조사 상태를 제 1 조사 상태와 제 2 조사 상태로 나누어 이것을 전환하는 것이나, 제 2 랜드에서 용융 솔더를 제 1 랜드에 흘려 넣는다고 하는 작업은 복잡할 뿐만 아니라, 제 1 랜드와 리드를 납땜을 위해 레이저 광으로 이 시점에서부터 예열해야 하여, 작업의 택트(takt) 시간을 길게 하는 것이 된다.

따라서 본 발명자들은 프린트 기판의 하면 측의 납땜 포인트(하면 측의 랜드와 상기 랜드로부터 돌출된 리드)를 향해, 아래에서 비스듬히 위로 와이어 솔더를 공급하고, 상기 부분에 레이저 광을 조사하는 것을 생각했다. 그러나 이 방식으로는, 우선, 납땜시에 발생하는 흄이나 솔더의 용융시에 그 표면으로부터 튕겨진 미세 입자(솔더 볼)가 낙하하여, 프린트 기판의 하방에 설치된 출사 헤드의 레이저 출사창에 제공된 보호 유리에 부착되어, 이를 급속도로 오염시키는 것을 생각할 수 있다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 첫째로는, 종래 불가능하다고 여겨지고 있던 프린트 기판의 아래로부터의 납땜을 행할 수 있도록 하는 것, 둘째로는, 초고집적화된 프린트 기판에 있어서, 납땜 작업의 택트 시간을 가능한 한 짧게 할 수 있는 레이저식 납땜 방법과 그 장치의 개발을 그 과제로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 레이저 광(L)이 프린트 기판(40)의 하측으로부터 출사되도록 되어 있다. 이에 맞추어 그 결점을 해소하는 대책도 채용했다. 출사 각도는 프린트 기판(40)의 하면(40k)을 향해 수직으로 출사하는 경우(도 1 내지 도 8)와, 비스듬히 출사하는 경우(도 11 내지 도 12)의 2가지를 사용했다. 또한, 출사되는 레이저 광(L)은 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 조사면에서의 횡단면 전면이 동일한 출력 레벨(이하, 균등 출력 레벨이라고 하고, 그 레이저 광을 균등 출력 레이저 광이라고 한다.)의 것과, 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 중심 부분과 외주 부분에서 상이한 출력 레벨(이하, 불균등 출력 레벨이라고 하고, 그 레이저 광을 불균등 출력 레이저 광이라고 한다.)의 것을 사용했다. 또한 이것에 맞추어 출력 순서도 다양한 방법을 채용했다.

본 발명의 레이저식 납땜 방법(제 1 발명)은,

프린트 기판(40)의 스루홀(41)을 향해 공급된 와이어 솔더(15)를 레이저 광(L)으로 용융하고, 상기 프린트 기판(40)의 상면(40j) 측에 탑재되고 상기 스루홀(41)에 삽입(揷通; 삽입 통과)된 전자 부품(50)의 리드(52)를 상기 스루홀(41)에 제공된 랜드(42)에 납땜하는 레이저식 납땜 방법에 있어서,

상기 레이저 광(L)은 납땜 포인트(P)에서의 상기 랜드(42)에 대하여 하방으로부터 수직 또는 경사져서 조사하고,

상기 랜드(42)와 상기 스루홀(41)로부터 하방으로 돌출된 리드(52)에, 상기 프린트 기판(40)의 하방으로부터 열풍(N)을 내뿜어, 상기 랜드(42)와 상기 리드(52)를 예열하고,

상기 예열의 개시와 동시에, 혹은 상기 예열의 개시 후, 상기 프린트 기판(40)의 하방으로부터 상기 랜드(42)와 상기 리드(52)에 레이저 광(L)을 조사하면서, 상기 프린트 기판(40)의 하방으로부터 상기 랜드(42) 또는 상기 리드(52) 중 어느 한쪽에 접촉하는 위치까지 와이어 솔더(15)를 공급하고,

계속해서, 공급된 상기 와이어 솔더(15)를 레이저 광(L)으로 용융하고, 상기 용융된 솔더(15m)로 상기 랜드(42)와 상기 리드(52)를 접속하고,

그 후, 상기 와이어 솔더(15)의 공급을 정지하고, 상기 와이어 솔더(15)의 공급 정지와 동시에, 혹은 상기 정지 후, 레이저 광(L)의 조사를 정지하여 용융 솔더(15m)를 응고시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 2는, 상기 납땜 방법에 있어서, 도 9(b)에 나타내는 균등 출력의 레이저 광(L)이 사용되고, 제 1 출력 순서의 예열 (1)(2)(3) 및 솔더 공정 (4)가 채용된다.

청구항 1에 기재된 레이저식 납땜 방법에 있어서,

조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광(L)을 사용하여,

예열시의 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이하의 예열 레벨 (A)로 하고,

납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3은, 상기 납땜 방법에 있어서, 도 9(b)에 나타내는 균등 출력의 레이저 광(L)이 사용되고, 제 2 출력 순서의 예열 (10) 및 솔더 공정 (4)가 채용된다.

청구항 1에 기재된 레이저식 납땜 방법에 있어서,

조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광(L)을 사용하고,

예열시에는, 열풍(N)에만 의한 예열을 행하고,

납땜 개시시에 레이저 광(L)을 출사하고, 그 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4는, 상기 납땜 방법에 있어서, 도 9(b)에 나타내는 균등 출력의 레이저 광(L)이 사용되고, 제 3 출력 순서의 예열 (20) 및 솔더 공정 (4)가 채용된다.

청구항 1에 기재된 레이저식 납땜 방법에 있어서,

조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광(L)을 사용하고,

예열 개시시, 또는 예열 도중의 단계에서 레이저 광(L)을 출사하고, 그 출력 레벨을 0에서부터 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)까지 점증시키고,

납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5는, 상기 납땜 방법에 있어서, 도 10(b)에 나타내는 불균등 출력의 레이저 광(L)이 사용되고, 제 1 출력 순서의 예열 (1)(2)(3) 및 솔더 공정 (4)가 채용된다.

청구항 1에 기재된 레이저식 납땜 방법에 있어서,

조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 그의 중심 부분(L1)에서보다 그의 외주 부분(L2)에서 높은 레이저 광(L)을 사용하여,

상기 중심 부분(L1)의 출력 레벨 (A)가 와이어 솔더(15)의 용융 온도보다 낮고,

상기 외주 부분(L2)의 출력 레벨 (B)가 와이어 솔더(15)의 용융 온도보다 높고,

상기 중심 부분(L1)은 랜드(42)의 스루홀(41)의 내측을 조사하도록 설정되고,

예열시의 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이하의 예열 레벨 (A)로 하고,

납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 6은, 상기 납땜 방법에 있어서, 도 10(b)에 나타내는 불균등 출력의 레이저 광(L)이 사용되고, 제 2 출력 순서의 예열 (10) 및 솔더 공정 (4)가 채용된다.

청구항 1에 기재된 레이저식 납땜 방법에 있어서,

조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 그의 중심 부분(L1)에서보다 그의 외주 부분(L2)에서 높은 레이저 광(L)을 사용하여,

상기 중심 부분(L1)의 출력 레벨 (A)가 와이어 솔더(15)의 용융 온도보다 낮고,

상기 외주 부분(L2)의 출력 레벨 (B)가 와이어 솔더(15)의 용융 온도보다 높고,

상기 중심 부분(L1)은 랜드(42)의 스루홀(41)의 내측을 조사하도록 설정되고,

예열시에는, 열풍(N)에만 의한 예열을 행하고,

납땜 개시시에 레이저 광(L)을 출사하고, 그 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 7은, 상기 납땜 방법에 있어서, 도 10(b)에 나타내는 불균등 출력의 레이저 광(L)이 사용되고, 제 3 출력 순서의 예열 (20) 및 솔더 공정 (4)가 채용된다.

청구항 1에 기재된 레이저식 납땜 방법에 있어서,

조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 그의 중심 부분(L1)에서보다 그의 외주 부분(L2)에서 높은 레이저 광(L)을 사용하여,

상기 중심 부분(L1)의 출력 레벨 (A)가 와이어 솔더(15)의 용융 온도보다 낮고,

상기 외주 부분(L2)의 출력 레벨 (B)가 와이어 솔더(15)의 용융 온도보다 높고,

상기 중심 부분(L1)은 랜드(42)의 스루홀(41)의 내측을 조사하도록 설정되고,

예열 개시시, 또는 예열 도중의 단계에서 레이저 광(L)을 출사하고, 그 출력 레벨을 0에서부터 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)까지 점증시키고,

납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더(15)의 용융 온도 이상의 용융 레벨 (B)로 하는 것을 특징으로 한다.

청구항 8은, 청구항 1 내지 7에 기재된 납땜 방법을 실행하기 위한 장치이다.

전자 부품(50)의 리드(52)를 프린트 기판(40)의 랜드(42)에 레이저 광(L)으로 납땜하는 레이저식 납땜 장치(1)에 있어서,

상기 레이저식 납땜 장치(1)는,

상기 프린트 기판(40)의 상면(40j)에 상기 전자 부품(50)이 탑재되고, 상기 전자 부품(50)의 상기 리드(52)가 상기 프린트 기판(40)의 스루홀(41)로부터 하방으로 돌출되어 있는 프린트 기판(40)을 지지하는 지지대(2)와,

상기 프린트 기판(40)의 하방에서 상기 프린트 기판(40)에 대하여 수직으로 또는 경사지게 설치되고, 상기 랜드(42)를 향해 레이저 광(L)을 출사하는 출사 헤드(3)와,

납땜시에 상기 랜드(42) 또는 리드(52) 중 어느 하나에 접촉하는 위치까지 와이어 솔더(15)를 공급하는 와이어 솔더 공급부(11)와,

상기 출사 헤드(3)의 출사구(4)에 설치되고, 상기 출사구(4)로부터 상방의 프린트 기판(40)을 향해 연장되고, 상기 프린트 기판(40)에 대면하는 선단에 투공(pass hole)(22)이 제공된 중공의 보호 노즐(20)과,

상기 보호 노즐(20)에 제공되고, 상기 투공(22)으로부터 상기 프린트 기판(40)을 향해 열풍(N)이 분출되도록 상기 보호 노즐(20)에 가열 가스를 공급하는 가열 가스 공급관(26)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 9는, 보호 노즐(20)로부터 분출된 열풍(N)을 납땜시에 발생하는 비산 미세 생성물(C)과 함께 회수하는 배기 덕트(30)를 추가로 설치한 것으로,

청구항 8의 레이저식 납땜 장치(1)에 있어서, 보호 노즐(20)의 투공(22)에 면하는 위치에서 프린트 기판(40)의 하면(40k)에 대향하는 상면이 개구된 배기 덕트(30)가 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 10은, 청구항 8의 레이저 광(L)에 관한 것으로,

조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광(L), 또는

조사면의 횡단면에서의 중심 부분(L1)과 상기 중심 부분(L1)을 둘러싸는 외주 부분(L2)의 이중 링 구조이며, 중심 부분(L1)의 출력 레벨 (A)가 와이어 솔더 용융 온도 이하, 외주 부분(L2)의 출력 레벨 (B)가 와이어 솔더 용융 온도 이상으로 설정되어 있는 레이저 광(L)이 사용되는 것을 특징으로 한다.

청구항 11은, 청구항 8의 보호 노즐(20)에 관한 것으로,

보호 노즐(20)은 투공(22)을 향하여 직경이 감소(縮徑)되도록 형성되고,

보호 노즐(20)의 내부에는, 보호 노즐(20)의 내주면을 따라 열풍 가이드용의 가이드 벽(24)이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 갖기 때문에, 종래 불가능하다고 생각되고 있던 프린트 기판(40)의 아래로부터의 납땜을 행할 수 있게 되었다. 또한, 본 발명은 열풍(N)으로 납땜 포인트(P)를 예열하도록 되어 있고, 또한 레이저 광(L)은 이동하지 않고 프린트 기판(40)에 대하여 수직으로 또는 비스듬히 아래로부터 비스듬히 위를 향해서 경사져서 조사되도록 되어 있기 때문에, 초고집적화된 프린트 기판(40)에 있어서, 납땜 작업의 택트 시간을 가능한 한 짧게 할 수 있게 되었다. 또한, 출력 순서 또는 레이저 광(L)을 연구함으로써, 전자 부품(50)의 리드 버닝도 회피할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 수직 조사에서의 레이저식 납땜 장치의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 보호 노즐 부분의 확대 단면도이다.
도 3은 도 1을 하방에서 본 확대 부분 단면 사시도이다.
도 4는 도 2의 X-X 단면도이다.
도 5는 본 발명의 납땜 개시시의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 납땜시의 사시도이다.
도 7은 도 6에서의 납땜 상태의 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 납땜 완료 후의 후 가열시의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제 1 방법에서의 레이저 광의 출력 제어도이다.
도 10은 본 발명의 제 2 방법에서의 레이저 광의 출력 제어도이다.
도 11은 본 발명에 따른 경사 조사에서의 부분 확대 단면도이다.
도 12는 도 11에서의 납땜 포인트에서의 조사 상태를 나타내는, 프린트 기판의 하면 측에서 본 확대도이다.

이하에, 본 발명에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은 납땜 장치(1)의 제 1 실시형태(수직 조사)를 나타내고, 도 11은 제 2 실시형태(경사 조사)를 나타낸다. 제 2 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 상이한 부분을 중심으로 설명하고, 동일한 부분에 대해서는 제 1 실시형태의 설명을 제 2 실시형태의 설명에 원용하여 그 부분의 설명에 대해서는 생략한다.

이 납땜 장치(1)는, 레이저 광(L)을 출력하는 반도체 레이저 혹은 레이저 발진기(도시하지 않음), 프린트 기판(40)이 세트되는 지지대(2), 프린트 기판(40)의 하방에 설치되고, 반도체 레이저 등으로부터 출력된 레이저 광(L)을 프린트 기판(40)의 하면(40k)에 제공한 납땜 포인트(본 발명에서는, 프린트 기판(40)의 랜드(42)의 하면 측의 부분, 이 부분을 랜드 하면 부분(42k)으로 한다)에 조사하는 출사 헤드(3)와, 상기 반도체 레이저 등을 제어하기 위한 레이저 컨트롤러(도시하지 않음)와, 상기 납땜 포인트에 와이어 솔더(15)를 공급하기 위한 와이어 솔더 공급부(11)와, 솔더의 상태를 표시하는 모니터(10), 및 이 솔더 장치(1) 전체를 설정된 프로그램에 따라 자동적으로 제어하는 제어 장치(도시하지 않음)를 갖고 있다.

프린트 기판(40)은 다수 또한 다종류의 전자 부품(50)을 탑재하기 위한 기판이다. 프린트 기판(40)으로는 1층으로 한정되지 않고, 다층의 것도 있지만, 여기서는 1층의 것을 그 대표예로서 설명한다.

프린트 기판(40)의 기판 본체(절연 기판)(40a)에는 그 상면(40j)으로부터 하면(40k)으로 관통하는 관통 구멍이 다수 천설되어 있다. 그 관통 구멍의 내주면과, 기판 본체(40a)의 표리(表裏)에서의 상기 관통 구멍의 개구의 둘레 가장자리에는 에칭 처리로 남겨진 구리 도금층이 존재한다. 이 구리 도금층의 부분이 랜드(42)이고, 이 랜드(42)를 관통하는 구멍이 스루홀(41)이다.

이 랜드(42)의 개구 둘레 가장자리의 링 형상의 구리 도금층을 랜드 상면 부분(42j) 및 랜드 하면 부분(42k)으로 하고, 이 표리의 랜드 상·하면 부분(42j·42k)을 연결하는, 관통 구멍의 내주면의 구리 도금층을 도통 부분(43)으로 한다.

프린트 기판(40)의 상면(40j)에는 다수 또한 다종의 전자 부품(50)이 탑재되고, 그들의 리드(52)가 스루홀(41)에 삽입되어 있다. 삽입된 리드(52)는 스루홀(41)을 관통하여 하면(40k)으로 약간 돌출되어 있다. 삽입된 리드(52)는 후술하는 방법으로 프린트 기판(40)의 랜드(42) 전체에 납땜되게 된다. 또한, 리드(52)에는, 다종 다양한 전자 부품(50)에 맞추어, 단면 원형의 것이나, 단면 사각형의 것 등 다양한 것이 있다.

본 발명의 경우, 레이저 광(L)은, 삽입된 리드(52)가 돌출되어 있는 프린트 기판(40)의 하면(40k) 측에서, 돌출된 리드(52)와 랜드 하면 부분(42k)을 조사하여, 상기 부분에 공급된 와이어 솔더(15)를 녹여 리드(52)와 랜드(42)를 납땜하도록 되어 있다(도 8).

랜드(42)의 내주 부분인 구리 도금층(도통 부분(43))과 전자 부품(50)의 리드(52)의 관계는 도통 부분(43)의 내경에 대하여 리드(52)의 직경은 약간 가늘고, 도통 부분(43)과 리드(52) 사이의 틈(S)은 아주 작고(예를 들면, 0.1mm 전후), 후술하는 바와 같이 녹은 솔더(15m)가 모세관 현상으로 침투할 수 있는 간격이다(도 3).

납땜 장치(1)의 출사 헤드(3)는 납땜 장치(1)의 지지대(2)에 설치된 프린트 기판(40)의 하방에 설치되어 있다. 프린트 기판(40)의 하면(40k)의 납땜 포인트인 랜드 하면 부분(42k)은 지지대(2)의 개구 부분으로부터 하방으로 노출되어 있다.

출사 헤드(3)는, 도 1에 나타내는 바와 같이 프린트 기판(40)에 대하여 수직으로 설치되고, 출사 헤드(3)의 출사구(4)는 프린트 기판(40)의 하면(40k)을 향해 설치되는 경우(제 1 실시형태)와, 도 11과 같이 프린트 기판(40)에 대하여 경사져서 설치되는 경우(제 2 실시형태)가 있다.

출사 헤드(3)는 대략 원통, 혹은 각통 형상의 외형을 갖고, 그 측면으로부터 직각으로 레이저 도입 통부(5)가 돌출되어 있다. 이 레이저 도입 통부(5)에는 반도체 레이저 등에 이어지는 광 파이버(8)가 접속되어, 반도체 레이저 등으로부터 출력된 레이저 광(L)이 상기 광 파이버(8)를 통과하여 출사 헤드(3)의 내부로 유도되도록 구성되어 있다. 출사 헤드(3)의 내부에는 도입된 레이저 광(L)의 방향을 바꾸는 하프 미러(6a)나, 레이저 광(L)을 납땜 포인트인 랜드 하면 부분(42k)에서 소정의 직경으로 집광시키는 광학 렌즈 등의 광학 부품(6b)이 출사구(4)까지의 광로 도중에 내장되어 있다.

상기와 같이 출사 헤드(3)의 상단부에는 출사구(4)가 제공되어 있고, 프린트 기판(40)의 하면(40k)을 향해져 있다. 출사 헤드(3)에 입사한 레이저 광(L)은 내부의 광학계(6)를 통과하여 출사구(4)로부터 납땜 포인트(P)인 랜드 하면 부분(42k)을 향해 출사된다. 이 출사구(4)에는 전체가 투명한 보호 유리(7), 및 후술하는 바와 같이 필요에 따라 제공되는 중심 부분 출력 제한 유리(7a)가 설치되어 있다.

출사구(4)로부터 납땜 포인트(P)인 랜드 하면 부분(42k)을 향해 출사되는 레이저 광(L)에는 2가지가 있다. 하나는 조사면인 랜드 하면 부분(42k)에서의 그 횡단면 전체가 동일한 출력 레벨인 경우(도 1, 도 9(b)), 두번째는 중심 부분(L1)과, 그 주위에 동심원 형상으로 제공되어 상기 중심 부분(L1)을 둘러싼 외주 부분(L2)의 이중 링 구조의 경우(도 2, 도 10(b))이다. 이 경우, 후자의 경우, 외주 부분(L2)은 중심 부분(L1)보다 출력 레벨이 커지도록 설정된다.

또한, 도 2에서는 후자의 이중 링 구조의 레이저 광(L)을 나타내고, 중심 부분(L1)을 음영으로 나타낸다.

도 10에서는 경사져서 설치된 균등 출력의 레이저 광(L)이 나타나져 있지만, 이것에 한정되지 않고, 도시하고 있지 않지만, 불균등 출력의 레이저 광도 사용된다.

레이저 광(L)이 전자와 같은 균등 출력의 경우, 광학계(6)에 레이저 광(L)의 중심 부분(L1)의 출력 레벨을 약화시키는 처치를 실시하고 있지 않기 때문에, 출사 헤드(3)에 입광한 레이저 광(L)은 출사 헤드(3)의 광학계(6) 및 보호 유리(7)를 그대로 통과하고, 상기와 같이 조사면에서 횡단면 전체에 있어서 동일한 출력 레벨이 된다. 그 경우의 출력 레벨의 모식도를 도 9(b)에 나타낸다. 또한, 균등 출력 레이저 광(L)의 조사 범위는, 수직 또는 경사 상태로 조사하는 어느 경우에서도, 후술하는 바와 같이 랜드 하면 부분(42k)이 되도록 설정된다.

이 균등 출력 레벨이 강한(와이어 솔더 용융 온도 이상의 출력 레벨 (B)) 레이저 광(L)이 수직으로 설치되고, 예열 기간 중에 연속해서 리드(52)의 돌출단에 닿으면, 상기 돌출단이 과열되어 리드 버닝이라고 불리는 변색을 발생시키는 경우가 있으므로, 레이저 광(L)의 출력은 후술하는 바와 같이 「리드 버닝」을 발생시키지 않는 제어가 이루어진다.

또한, 상기 균등 출력 레벨이 강한 레이저 광(L)이 경사져서 설치되고, 납땜 포인트(P)에 대하여 비스듬하게 레이저 광(L)이 조사되면, 도 12에 나타내는 바와 같이 조사면이 타원형으로 퍼져, 출력 레벨이 수직인 경우에 비해 약간 저하된다. 이 경우에도, 필요에 따라 「리드 버닝」이 발생하지 않도록 출력 제어가 이루어진다.

이것에 대하여, 레이저 광(L)을 후자의 불균등 출력의 레이저 광(L)으로 하는 경우에는, 출사 헤드(3)의 광학계(6)의 어느 부분에 레이저 광(L)의 중심 부분(L1)의 출력 레벨을 제한하는 부재(도시하지 않음)를 설치하거나, 도 2에 나타내는 바와 같이, 레이저 광(L)의 중심 부분의 출력 레벨을 제한하는 출력 제한 영역(7b)을 갖는 중심 부분 출력 제한 유리(7a)를 보호 유리(7) 위를 따르게 하여 설치하게 된다. 이 경우, 외주 부분(L2)의 출력 레벨을 100으로 한 경우, 중심 부분(L1)의 출력 레벨은 40 내지 60으로 좁혀진다. 출력 레벨의 변경은 중심 부분 출력 제한 유리(7a)를 다양한 규제값을 갖는 것으로 교환함으로써 행해진다.

또한, 불균등 출력의 레이저 광(L)의 중심 부분(L1)의 직경은 최대로는 스루홀(41)의 내경이다. 이로써 스루홀(41)에 삽입된 리드(52)의 돌출단에 조사되는 중심 부분(L1)의 출력 레벨은 그 주위의 외주 부분(L2)보다도 상당히 약해지므로, 예열 공정 중, 약한 중심 부분(L1)의 레이저 광의 조사를 연속적으로 받아도 「리드 버닝」이 발생하지 않는다.

이 불균등 출력의 레이저 광(L)도 수직으로 설치되는 경우와, 경사져서 설치되는 경우가 있다.

불균등 출력의 레이저 광(L)으로는, 수직 배치의 경우, 그 외주 부분(L2)은 납땜 포인트(P)인 랜드 하면 부분(42k)을 커버하는 레이저 광(L)의 조사 범위에서 그 중심 부분에 위치하는 중심 부분(L1)를 뺀 링 형상의 영역이다. 프린트 기판(40)의 랜드 하면 부분(42k)이 원형인 경우, 레이저 광(L)은 상기 랜드 하면 부분(42k) 전체를 조사하게 되고, 최대 직경으로 상기 랜드 하면 부분(42k)의 바깥 가장자리까지가 된다. (프린트 기판(40)의 랜드 하면 부분(42k)의 형상은 원형에만 한정되지 않고 여러가지 형상의 것이 있다. 예를 들면, 장원(長円)의 경우에는 절연체인 기판 본체(40a)에 레이저 광(L)이 걸리지 않도록 그 범위는 짧은 변 폭이 된다.)

불균등 출력의 레이저 광(L)으로는, 경사 배치의 경우는, 도 12와 같이, 그 조사면은 타원형이 되기 때문에, 그 장축 측이 랜드 하면 부분(42k)을 비어져 나오지 않는 범위에서 조사되게 된다.

보호 유리(7)(혹은, 중심 부분 출력 제한 유리(7a))의 상방에서, 출사 헤드(3)의 출사구(4)에 보호 노즐(20)이 장착되어 있다. 보호 노즐(20)은 출사구(4)로부터 상방으로 연장된 중공 원추 형상의 형태를 가지며, 그 선단 부분에 통 형상의 노즐구(21)가 끼워 넣어져 있다. 상기 노즐구(21)는, 예를 들면, 세라믹과 같은 내열 소재로 형성되어 있다. 상기 노즐구(21)에는 가늘게 좁혀진 레이저 광(L)이 통과하는 투공(22)이 형성되어 있다. 이 투공(22)은 이 부분을 통과하는 레이저 광(L)의 직경보다 약간 크다.

출사 헤드(3)의 출사구(4)에 가까운 보호 노즐(20)의 베이스부에는 가열 가스 공급관(26)이 접속되어, 상시, 내부에 고온 가스가 공급되고 있다. 고온 가스는 통상의 공기라도 좋고, 질소 가스와 같은 불활성 가스라도 좋다. 와이어 솔더(15)는 그 조성에 따라 그 융점은 다양하지만, 납 프리 솔더의 경우는 220℃ 정도이다. 보호 노즐(20)에 공급되는 고온 가스의 온도는 스루홀(41)과 그 주변이나 이 부분에 공급된 와이어 솔더(15)의 예열이 가능한 정도(예를 들면, 110℃ 내지 150℃)로, 최고로는 와이어 솔더(15)의 융점 직전의 온도를 넘지 않는 온도이다. 그리고, 이 고온 가스가 열풍(N)이 되어 투공(22)으로부터 상방으로 분출된다. 보호 노즐(20) 내부는 공급되고 있는 고온 가스에 의해, 상시, 정압으로 유지되고 있다. 따라서, 이물(미세 생성물)(C)이 투공(22)으로부터 보호 노즐(20) 내로 들어가는 일은 없다.

보호 노즐(20)은 단순히 원추 형상의 중공 통체(도시하지 않음)라도 좋지만, 도 2 및 도 3에서는, 보호 노즐(20)의 내주면을 따라 원추 형상의 가이드벽(24)이 제공되어 있는 예를 나타낸다.

이 가이드 벽(24)은 보호 노즐(20)의 내주면과 가이드 벽(24) 사이에 열풍(N)의 흐름을 가이드 하는 가이드 유로(G)를 형성하게 된다. 내주면과 가이드 벽(24)의 간극을 투공(22)을 향해 서서히 좁게 하면, 가이드 유로(G)를 흐르는 열풍(N)의 유속을 빠르게 할 수 있다. 또한, 가이드 벽(24)은 보호 유리(7)(혹은 중심 부분 출력 제한 유리(7a))의 상면을 덮기 때문에, 보호 노즐(20) 내로 취입된 고온 가스가 보호 유리(혹은 중심 부분 출력 제한 유리(7a))에 접촉하는 것을 방지한다.

가열 가스 공급관(26)은 보호 노즐(20)의 베이스부에 직각으로 접속해도 좋지만, 도 4와 같이 보호 노즐(20)의 내주면의 접선 방향으로 접속하고, 취입된 고온 가스가 보호 노즐(20) 내에서 내주면(혹은 가이드 유로(G))을 따라 나선류를 형성하여, 투공(22)으로부터 좁은 나선류의 열풍(N)으로서 분출하도록 해도 좋다. 열풍(N)을 나선류로 함으로써 분출 방향의 방향성이 높아져, 납땜시에 투공(22)에 근접하여 배치된 리드(52)나 랜드(42)를 집중적으로 예열할 수 있다.

또한, 여기에서는 프린트 기판(40)의 하방으로부터의 열풍(N)에 의한 예열을 개시했지만, 이것에 더하여 프린트 기판(40)의 상방으로부터의 열풍(N)에 의한 예열도 추가할 수 있다.

본 실시예에서는, 보호 노즐(20)의 투공(22)의 주위를 둘러싸도록 배기 덕트(30)가 제공되어 있다. 이 배기 덕트(30)는 필요에 따라 제공되는 것으로, 필수적인 것은 아니다. 여기에서는 배기 덕트(30)를 제공한 예를 나타낸다.

배기 덕트(30)는 접시 형상의 부재이며, 중앙에 개구부(31)가 있고, 이 개구부(31)에 보호 노즐(20)의 상단 부분(노즐구(21))이 삽입되어 있다. 그리고, 배기 덕트(30)의 상부 가장자리(30a) 및 보호 노즐(20)의 노즐구(21)의 상단은 상방에 위치하는 프린트 기판(40)의 하면(40k)보다 하방에 위치하고, 그 사이에 틈이 형성되어 있다.

상기 틈은 프린트 기판(40)의 하면(40k)으로부터의 리드(52)의 돌출된 부분을 넘는 폭으로 형성되어 있다. 이로써, 납땜 종료시에서의 프린트 기판(40)에 대하여 출사 헤드(3)가 배기 덕트(30)와 함께 상대적으로 이동했다고 해도, 배기 덕트(30)의 상부 가장자리(30a)와 노즐구(21)의 상단이 솔더된 리드(52)의 돌출단에 접촉하지 않는다.

상기 배기 덕트(30)의 측벽에는 배기 통부(32)가 제공되고, 이 배기 통부(32)에 배기관(33)이 접속되어 있다. 배기관(33)은 상시 배기 덕트(30) 내의 공기를 흡인 배출하고 있다.

보호 노즐(20)의 노즐구(21)의 투공(22)으로부터 분출된 열풍(N)은 프린트 기판(40)의 하면(40k)(납땜시에는, 리드(52)와 스루홀(41) 및 그 주변)에 충돌하여 충돌 부분을 예열한 후, 배기 덕트(30) 내로 흐른다. 그리고, 그 열풍(N)의 대부분 또는 그 전부가 배기관(33)으로 흐른다.

이로써 배기 덕트(30) 내의 공기나, 납땜시에 발생하여 상기 공기 중으로 비산한 흄이나 솔더 볼 등의 미세 생성물(C)의 대부분 혹은 그 전부가 배기관(33)으로부터 배출된다.

보호 노즐(20)의 몸통부 외주에는 링 형상의 냉각관(35)이 설치되어 있고, 이 냉각관(35)에 냉각수 공급관(36)과 냉각수 배수관(37)이 부착되어 있다. 냉각수 공급관(36)으로부터 냉각수가 공급되고, 냉각관(35)을 주회하여 냉각수 배수관(37)으로 되돌아가, 여기서 배출을 한다. 보호 노즐(20)은 이로써 냉각수로 냉각된다.

와이어 솔더 공급부(11)는, 예를 들어, 풀리(도시하지 않음)에 감긴 와이어 솔더(15)를 필요시에 소요량씩 납땜 포인트인 랜드(42)의 랜드 하면 부분(42k)을 향해 보내기 위한 것이다. 이 와이어 솔더 공급부(11)는 납땜 포인트인 랜드 하면 부분(42k)의 근방까지 연장되는 가이드 노즐(12)을 갖는다. 와이어 솔더 공급부(11)는, 납땜 작업시에, 제어 장치로부터 와이어 솔더(15)의 공급 타이밍이나 그 공급량 등의 제어 지령을 받고, 그 제어 지령에 따라 가이드 노즐(12)로부터 와이어 솔더(15)를 풀어낸다. 풀어진 와이어 솔더(15)는 납땜 포인트인 리드(52) 또는 랜드 하면 부분(42k)에 접촉하는 위치, 혹은 양자에 접촉하는 위치까지 공급된다. 이때, 풀어진 와이어 솔더(15)의 선단 부분은 후술하는 바와 같이, 열풍(N)에만 노출되거나, 혹은 열풍(N)과 레이저 광(L)에 노출되어 예열되지만, 열풍(N)의 가열 온도나, 레이저 광(L)의 출력 레벨이 낮아 이 시점에서는 용융에는 도달하지 않는다.

또한, 와이어 솔더(15)의 단면 형상은 일반적으로는 원형이지만, 도 1 및 도 3과 같이 가이드 노즐(12)에의 삽입 전에 상하 한 쌍의 프레스 롤러(13)로 편평하게 눌러 찌부러뜨려, 와이어 솔더(15)의 표리에 평면 부분(16a, 16b)을 제공하도록 해도 좋다. 이러한 경우, 가이드 노즐(12)도 와이어 솔더(15)에 맞추어 가이드 구멍의 형상은 편평한 장원형으로, 편평 와이어 솔더(15)의 한쪽의 평면 부분(16a)을 프린트 기판(40)의 하면(40k)을 따르도록 공급한다. 이로써 이 반대 측의 평면 부분(16b)에 레이저 광(L)이 닿게 되고, 레이저 광(L)의 산란이 줄어, 편평 와이어 솔더(15)에 흡수되기 쉬워진다.

납땜시, 혹은 예열 및 납땜시에는 레이저 컨트롤러로부터 발진 제어 지령이 발해지고, 이를 받은 반도체 레이저 등이 소정의 출력 및 조사 시간에 레이저 광(L)을 출사하고, 출사 헤드(3)가 납땜 포인트인 랜드 하면 부분(42k)을 향해 아래로부터 수직 또는 비스듬히 위를 향해 출사한다. 그리고 거기에 와이어 솔더(15)가 공급된다.

와이어 솔더(15)의 공급은, 어느 경우에도 원칙적으로, 출력 레벨 (B)의 레이저 광(균등·불균등 출력)(L)의 출사 전에 완료되어 있다.

이로써, 납땜시, 상기 와이어 솔더(15)가 레이저 광(L)에 의해 가열 용융되어 납땜이 행해지게 된다.

출사 헤드(3)의 하단에는 CCD 카메라(9)가 레이저 광(L)과 광축을 일치시켜 부착되어 있고, 이 CCD 카메라(9)로 상기 출사구(4)를 통해 납땜 포인트를 촬상할 수 있도록 되어 있다. CCD 카메라(9)로 촬상한 납땜 포인트의 화상은 제어 장치를 통해 모니터(10)에 표시된다.

또한, 납땜 전에는, 모니터(10)에 표시된 화상을 보면서, 납땜 포인트에서의 랜드 하면 부분(42k)에 대한 레이저 광(L)의 조준 조정을 행하는 것에 사용하거나, 납땜 작업시에는, 납땜 포인트의 납땜 작업의 상태를 관찰할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 납땜 장치(1)의 작용에 대하여 설명한다. 본 발명에 의한 레이저 납땜 방법에는 제 1 실시형태(도 1 내지 도 8: 수직 배치)와 제 2 실시형태(도 11: 경사 배치)가 있다.

제 1 실시형태는 출사 헤드(3)가 프린트 기판(40)의 하면(40k)에 수직으로 설치된 경우이며, 제 2 실시형태는 프린트 기판(40)의 하면(40k)에 대한 수직선에 대하여 경사 각도 θ로 경사져서 설치된 경우이다. 경사 각도 θ는 50°±10°이다.

또한, 레이저 광(L)은 전술한 바와 같이 균등 출력 레벨로 출사되는 경우와, 불균등 출력 레벨로 출사되는 경우의 2가지가 있다.

납땜 순서로는 도 9(a), 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 레이저 출력을 단계적으로 변경하는 경우: 제 1 출력 순서((1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)), 연속적으로 변경하는 경우: 제 2 출력 순서((20)(4)(21)), 직사각형적으로 출력하는 경우: 제 3 출력 순서((10)(4)(5))가 있다.

제 1 출력 순서의 도면에서는 출력을 레벨 (A)와 레벨 (B)의 2단계로 했지만, 이것에 한정되지 않고 다단계로 해도 좋다. 또한, 이 경우, 레벨 (A)로는 예열은 가능하지만, 「리드 버닝」이 발생하지 않는 레벨의 출력(피조사 부분의 온도가 110℃ 내지 150℃ 정도로 승온되는 정도의 출력), 레벨 (B)는「납땜」이 가능한 레벨(솔더 용융 온도 이상)의 출력이다.

제 1 내지 3 출력 순서는 솔더 대상물의 조건에 따라 결정되며, 그 전환 타이밍은 제어기에 인풋되어 있는 소프트에 의한 경우, 혹은 방사 온도계(도시하지 않음)에 의해 납땜 포인트의 측정 온도를 검출하여 전환된다.

납땜 포인트(P)의 예열에 관해서는, 열풍(N)에 의한 예열만으로 레이저 광(L)에 의해 예열을 행하지 않는 경우와, 열풍(N)과 레이저 광(L)의 협동에 의한 예열을 행하는 경우의 2가지가 있다.

(제 1 실시형태(수직)의 납땜 작업)

이하, 균등 출력의 레이저 광(L), 또는 불균등 출력의 레이저 광(L)을 사용한 제 1 실시형태(수직)의 납땜 작업에 대하여 설명한다(도 1, 도 2 내지 도 8, 도 9, 도 10).

납땜 장치(1)의 지지대(2) 위에 설치된 프린트 기판(40)의 납땜 대상의 스루홀(41)의 중심에 출사 헤드(3)의 광축을 맞춘다. 출사 헤드(3)는 프린트 기판(40)의 하방에서 프린트 기판(40)에 대하여 수직으로 제공되어 있다. 상기 광축 맞춤은 화상 처리에 의해 자동적으로, 혹은 모니터(10)를 통해 수동 조정에 의해 행해진다.

광축 맞춤 완료 전에는, 투공(22)으로부터 분출된 열풍(N)이 납땜 포인트(P)의 랜드 하면 부분(42k) 근방에 분사되어, 상기 부분을 가열하고 있다. 이 시점에서는 레이저 광(L)은 출사되고 있지 않다.

제 1 출력 순서(도 9(a), 도 10(a): (1) 내지 (7))

예열 공정(열풍(N)과 레이저 광(L)에 의한 협동 예열)

상기와 같이 광축 맞춤이 종료되면, 납땜 포인트(P)의 랜드 하면 부분(42k)의 바로 아래에 투공(22)이 위치하게 된다. 이 시점에서는, 상기 투공(22)으로부터 분출된 열풍(N)이 상기 스루홀(41)과 그 주위, 및 상기 스루홀(41)에 삽입된 리드(51)를 예열하고 있다. 그리고 이 광축 맞춤의 완료와 동시에, 혹은 광축 맞춤 완료 후에, 납땜 포인트의 랜드 하면 부분(42k)과 리드(52)를 향해 균등, 또는 불균등 출력의 레이저 광(L)이 출사된다(도 9(a), 도 10(a) 중, (1)로 나타낸다.).

균등 출력의 레이저 광(L)의 경우, 그 출력 레벨이 높으면, 리드(52)가 과열되어 피조사 부분이 변색되는 「리드 버닝」 현상이 발생하기 때문에, 이 시점에서는, 「리드 버닝」 현상이 발생하지 않을 정도의 출력(레벨 (A)로 나타낸다.)으로 좁혀진다. 이 출력 레벨 (A)에서는, 열풍(N)과 레이저 출력에 의한 예열 온도는 사용하는 와이어 솔더(15)의 융점을 밑도는 온도(예를 들면, 110 내지 150℃)이다.

불균등 출력의 레이저 광(L)의 경우에는, 외주 부분(L2)의 출력 레벨을 (A)로 하여, 납땜 포인트(P)로 보내져 온 와이어 솔더(15)가 용융되지 않도록 한다. 중심 부분(L1)은 외주 부분(L2)보다 출력 레벨이 (B)로 낮기 때문에, 외주 부분(L2)의 출력 레벨을 관리하면 충분하다.

열풍(N)이 나선류가 아니고, 투공(22)으로부터 상기 스루홀(41)을 향해 수직으로 분출되고 있는 경우에는, 상기와 같이 랜드 하면 부분(42k)을 중심으로 한 그 주변, 스루홀(41)의 내주면, 스루홀(41)에 삽입된 리드(52)를 예열하고, 추가로 스루홀(41)을 지나 프린트 기판(40)의 상면(40j) 측으로 돌아 들어간 열풍(N)이 랜드 상면 부분(42j)과 그 근방을 예열하게 된다. 이 점은 후술하는 납땜 순서에 있어서 공통된다.

열풍(N)이 나선 형상으로 소용돌이 쳐 상기 스루홀(41)을 향해 분출되고 있는 경우에는, 상기와 같이 단순히 분출되고 있는 경우에 비해 그 분출의 방향성이 높아져 스루홀(41)에 취입되어, 스루홀(41)의 중심에 존재하는 리드(52)가 주로 예열되게 된다. 이 리드(52)를 포함하는 스루홀(41)에 충돌한 열풍(N)의 상당한 부분은 그대로 주위로 흘러, 랜드 하면 부분(42k)을 예열한다. 스루홀(41)을 빠져나간 나머지는 랜드 상면 부분(42j)과 그 근변을 예열하게 된다. 이 점도 후술하는 납땜 순서에 있어서 공통된다. 이 예열 시간은 광축 맞춤 종료 시각으로부터의 시간 설정, 혹은 방사 온도계를 사용하여, 예열 부분의 온도를 측정함으로써 결정된다.

납땜 공정

상기와 같이 예열이 행해지면, 예열 공정 종료와 동시에 납땜 공정으로 전환되고, 균등 출력의 레이저 광(L)에서는 그 출력이 레벨 (B)로 전환된다. 불균등 출력의 레이저 광(L)에서는 그 외주 부분(L2)의 출력이 레벨 (B)로 전환된다.

와이어 솔더(15)의 공급은 레이저 광(L)(또는, 외주 부분(L2))의 출력이 레벨 (B)로 전환되기 이전에 행해진다.

와이어 솔더(15)가 리드(52)(혹은, 랜드 하면 부분(42k))에 접촉하면, 레벨 (B)의 레이저 광(L)(또는, 외주 부분(L2))이 출력되고, 와이어 솔더(15)는 접촉 부분을 포함한 피조사 부분부터 급속하게 용융된다. 그리고 와이어 솔더(15)가 고상에서 액상으로 변화하는 경우, 잠열을 필요로 하기 때문에 용융 솔더(15m)의 온도가 약간 내려가지만, 레이저 광(L)으로부터의 열에 의해 액상 상태를 유지한다. 와이어 솔더(15)는 솔더 종료 직전까지 연속적으로 납땜 포인트(P)에 공급되고, 연속적으로 용융된다.

용융 솔더(15m)는, 납땜 공정동안, 상기와 같이 와이어 솔더(15)의 공급에 의해 그 양을 늘려, 리드(52)와 랜드 하면 부분(42k)으로 퍼져 양자를 접속하는 동시에 「모세관 현상」으로 예열된 양자의 틈(S)을 통과하여 프린트 기판(40)의 상면(40j) 방향으로 올라가, 프린트 기판(40)의 랜드 상면 부분(42j)과 리드(52), 및 이들의 틈(S)을 용융 솔더(15m)로 채운다.

상기와 같이 스루홀(41) 전체와 리드(52)를 예열하고 있기 때문에, 용융 솔더(15m)가 응고되지 않고 액상을 유지한 채로 상기의 「모세관 현상」을 현출한다(도 6).

또한, 와이어 솔더(15)는 그 단면이 원형인 경우, 레이저 광(L)이 그 외면을 조사하면, 주위로 산란하여 에너지 흡수 효율이 나빠지지만, 와이어 솔더 공급 전에 와이어 솔더(15)를 프레스 롤러(13)로 편평하게 눌려 찌부러뜨리고 있는 경우, 한쪽의 평면 부분(16b)에 레이저 광(L)을 수직으로 닿게 하면 주위로 산란하는 양이 줄어, 와이어 솔더(15)의 용융이 원형의 와이어 솔더(15)에 비해 빨라진다.

상기 납땜 공정에서는, 프린트 기판(40)의 하방으로부터 납땜을 실행하기 위해, 와이어 솔더(15)가 용융되었을 때 발생하는 흄, 혹은 와이어 솔더(15)가 녹을 때 튀어 날아간 미세한 솔더 볼과 같은 미세 생성물(C)이 납땜 부분의 주위로 비산되는 경우가 있지만, 이들은 보호 노즐(20)의 투공(22)으로부터 분출되는 열풍(N)으로 날아가, 보호 노즐(20) 내에 들어가는 일이 없다. 이로써 프린트 기판(40)의 하방으로부터 납땜이라도, 출사 헤드(3)의 보호 유리(7)가 오손되지 않는다. (또한, 열풍(N)이 적절하다면, 상기 미세 생성물(C)은 주위로 날아가서, 출사 헤드(3)의 보호 유리(7)에 부착되지 않는다. 따라서, 이 경우에는, 보호 노즐(20) 없이도 좋다.)

그리고, 열풍(N)으로 날아간 흄 및 기타 미세 생성물(C)은 보호 노즐(20)의 주위를 둘러싸도록 제공되고, 내부가 부압 상태로 유지된 배기 덕트(30)에 수취되어, 배기관(33)에 의해 외부로 배출된다. 배기 덕트(30) 내부는 이 배기관(33)에 의한 배기로, 상기와 같이 상시, 부압으로 유지되고, 프린트 기판(40)과 배기 덕트(30)의 상부 가장자리 사이의 틈으로부터 내측을 향해 외기가 흘러 들어가기 때문에, 상기 솔더 작업에 의한 미세 생성물(C)의 배기 덕트(30) 밖으로의 누출은 대폭 억제된다. 이로써, 프린트 기판(40)의 하방으로부터의 납땜에 의해 주위 환경이 오염되지 않는다.

또한, 종래와 같은 프린트 기판(40)의 상방으로부터의 레이저 광(L)에 의한 납땜에서는, 상방으로 날아 오른 상기 미세 생성물(C)은 시간의 경과와 함께 프린트 기판(40) 위로 낙하할 가능성이 있지만, 본 발명과 같은 아래로부터의 납땜에서는 이러한 일도 없다.

상기의 납땜 공정에서, 고출력 레벨 (B)의 균등 출력의 레이저 광(L)이 리드(51)의 선단부를 계속해서 조사하고 있지만, 레이저 광(L)에 의해 리드(51)에 부여된 열은 연속적으로 용융하고 있는 와이어 솔더(15m)에 흡수되어 승온이 억제되어, 「리드 버닝」을 발생시키지 않는다.

이것에 대하여, 불균등 출력의 레이저 광(L)의 경우에는, 이 시점에서의 중심 부분(L1)의 출력 레벨은 와이어 솔더(15)가 용해되지 않을 정도의 저레벨 (A)이므로, 상기와 같이 리드(51)의 선단부를 연속적으로 계속해서 조사하고 있어도 「리드 버닝」을 발생시키지 않는다.

후가열 공정

스루홀(41)과 리드(52)의 납땜이 종료되면, 그대로 레이저 광(L)을 차단한다(순서 (5)). 그리고, 출사 헤드(3)를 다음 납땜 포인트(P)로 이동시켜, 상기한 예열 및 납땜 작업을 이동한 곳에서 행한다.

상기와 같이 납땜이 종료된 후, 즉시 레이저 광(L)을 차단하는(순서 (5)) 경우, 다음 납땜 포인트(P)로 이동까지의 사이에, 열풍(N)의 가온을 받으면서도, 응고되고 있는 솔더(15h)가 레이저 광(L)의 차단에 의해 급속하게 응고되게 된다. 그 때문에, 솔더 부착 부분에 급냉에 의한 변형(혹은 박리)이 발생할 우려가 있다. 그러므로, 솔더 종료 시점부터 레이저 광(L)의 출력 레벨을 단계적으로 낮추는 것이 바람직하다(순서 (6)(7)). 단계적으로 출력을 좁히는 경우, 도면에서는 2단계이지만, 다단계로 해도 좋다.

그 결과, 이상적으로는 도 8에 나타내는 바와 같은 원추형의 응고 솔더(15h)가 프린트 기판(40)의 표리에 형성된다.

제 2 출력 순서(도 9(a), 도 10(a) 일점 가는 쇄선(細鎖線) 화살표로 표시: (20)(4)(21))

(예열 공정: 열풍과 레이저 광 병용)

예열 공정에서는, 열풍(N)의 가열과 균등 출력 또는 불균등 출력의 레이저 광(L)에 의한 가열이 납땜 포인트(P)에서 실행된다. 레이저 광(L)은 광축 맞춤 완료 후, 솔더 개시 시점까지 연속적으로 증가한다. 솔더 개시 시점의 균등 출력의 레이저 광(L), 또는 불균등 출력의 레이저 광(L)의 외주 부분(L2)의 출력 레벨은 (B)이다. 상기 이외에는 제 1 출력 순서의 기재를 원용한다.

(납땜 공정)

제 1 출력 순서와 마찬가지로, 와이어 솔더(15)가 공급되고, 납땜이 실행되기 때문에, 제 1 출력 순서를 원용한다.

(후가열 공정)

납땜 종료와 동시에 레이저 광(L)의 출력을 점감시킨다. 이로써, 용융 솔더(15m)의 급냉을 회피할 수 있고, 응고 솔더(15h)의 변형이 완화된다. 상기 이외에는 제 1 출력 순서의 기재를 원용한다.

제 3 출력 순서(도 9(a), 도 10(a): 파선 화살표 (10)(4)(5)/(6)(7))

(예열 공정: 열풍 단독 예열)

예열 공정에서는, 레이저 광(L)은 출사되지 않고, 열풍(N)의 단독 가열에 의한 가열이 납땜 포인트(P)에 실행된다. 이 경우, 선단 맞춤 종료 후, 지정 시간의 예열 시간이 경과한 후(혹은, 방사 온도계에 의해 납땜 포인트(P)의 측정 온도가 납땜 개시 온도에 도달했을 때), 납땜 개시로 이행한다.

(납땜 공정)

제 1 출력 순서와 마찬가지로, 와이어 솔더(15)가 공급되고, 납땜이 실행되기 때문에, 제 1 출력 순서를 원용한다.

(후가열 공정)

제 1 출력 순서와 마찬가지로, 납땜 종료와 동시에 레이저 광(L)을 차단한다. 혹은, 단계적으로 출력을 낮춘다. 여기에서도 제 1 출력 순서와 동일하기 때문에, 제 1 출력 순서를 원용한다. (물론, 제 2 출력 순서의 후공정인 서냉을 사용해도 좋다.) 상기 이외에는 제 1 출력 순서의 기재를 원용한다.

다음으로, 제 2 실시형태의 납땜 작업에 대하여 설명한다. 제 2 실시형태는, 전술한 바와 같이 출사 헤드(3)가 프린트 기판(40)의 수직선에 대하여 경사지게 제공되어 있다. 그러므로, 이 경우에서는 출사 헤드(3)의 광축이 스루홀(41)로부터 돌출되어 있는 리드(51)의 돌출 베이스부에 광축을 맞추게 된다. 제 2 실시형태에서는, 이 상태를 「광축 맞춤」이라고 한다.

와이어 솔더(15)의 공급 방향은, 리드(52)로 가려지지 않는 방향으로, 보호 노즐(20)의 선단과 간섭하지 않는 방향으로부터 공급되는 것이 바람직하다. 가려지는 부분을 음영으로 나타낸다(도 12). 도 12에서는 레이저 광(L)의 광축에 대하여 140°의 각도로 와이어 솔더(15)가 공급되도록 되어 있지만, 물론, 이것에 한정되지 않는다.

레이저 광(L)이 프린트 기판(40)의 수직선에 대하여 경사져서 납땜 포인트(P)에 입사하면, 조사면은 타원형을 그린다(도 12). 레이저 광(L)이 균등 출력의 경우, 엄밀히 말하면, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 조사면에서의 전면이 출력 균등이 아니고, 광학적 이유에서 중심부가 강하고, 바깥 가장자리 부분은 약간 중심 부분보다 약하다.

상기와 같이 리드(51)의 돌출 베이스부에 광축을 맞추어 납땜 포인트(P)를 조사하면, 와이어 솔더(15)는 급속히 용융되어, 리드(52)와 랜드 하면 부분(42k)으로 흘러, 이들을 피복한다.

레이저 광(L)의 출사 개시 후, 상기 피복 전의 아주 짧은 시간, 리드(52)의 돌출 부분은 강한 레벨 (B)의 레이저 광(L)의 조사를 받지만, 상기와 같이 균등 출력 레이저 광(L)이라도, 그 바깥 가장자리 부분은 출력 레벨이 떨어져 있기 때문에, 피복 전의 아주 짧은 시간에서의 피폭이면 「리드 버닝」을 발생시키지 않는다.

이것에 대하여, 레이저 광(L)이 불균등 출력의 경우, 상기와 같이 외주 부분(L2)에 비해 중심 부분(L1)의 출력 레벨은 낮다. 리드(52)의 돌출 부분은 이 출력 레벨이 낮은 중심 부분(L1)의 피폭을 받기 때문에, 당연히, 「리드 버닝」을 발생시키지 않는다. 와이어 솔더(15)는 출력 레벨이 높은 외주 부분(L2)의 피폭을 받아 용융하게 된다.

기타 점은 제 1 실시형태와 동일하기 때문에, 제 1 실시형태의 설명을 원용한다.

1: 납땜 장치, 2: 지지대, 3: 출사 헤드, 4: 출사구, 5: 레이저 도입 통부, 6: 광학계, 6a: 하프 미러, 6b: 광학 부품, 7: 보호 유리, 7a: 중심 부분 출력 제한 유리, 8: 광 파이버, 9: CCD 카메라, 10: 모니터, 11: 와이어 솔더 공급부, 12: 가이드 노즐, 13: 프레스 롤러, 15: 와이어 솔더, 15h: 응고된 솔더, 15m: 용융 솔더, 16a·16b: 평면 부분, 20: 보호 노즐, 21: 노즐구, 22: 투공, 24: 가이드 벽, 26: 가열 가스 공급관, 30: 배기 덕트, 30a: 상부 가장자리, 31: 개구부, 32: 배기 통부, 33: 배기관, 40: 프린트 기판, 40a: 기판 본체, 40j: 상면, 40k: 하면, 41: 스루홀, 42: 랜드, 42j: 랜드 상면 부분, 42k: 랜드 하면 부분 , 42n: 내부 가장자리, 43: 도통 부분, 50: 전자 부품, 51: 리드, C: 미세 생성물, G: 가이드 유로, L: 레이저 광, L1: 중심 부분, L2: 외주 부분, N: 열풍, S: 틈

Claims (11)

1. 프린트 기판의 스루홀을 향해 공급된 와이어 솔더를 레이저 광으로 용융하고, 상기 프린트 기판의 상면 측에 탑재되고 상기 스루홀에 삽입된 전자 부품의 리드를 상기 스루홀에 제공된 랜드에 납땜하는 레이저식 납땜 방법에 있어서,
   상기 레이저 광은 납땜 포인트에서의 상기 랜드에 대하여 하방으로부터 수직 또는 경사져서 조사하고,
   상기 랜드와 상기 스루홀로부터 하방으로 돌출된 리드에 상기 프린트 기판의 하방으로부터 열풍을 내뿜어, 상기 랜드와 상기 리드를 예열하고,
   상기 예열의 개시와 동시에, 혹은 상기 예열의 개시 후, 상기 프린트 기판의 하방으로부터 상기 랜드와 상기 리드에 레이저 광을 조사하면서, 상기 프린트 기판의 하방으로부터 상기 랜드 또는 상기 리드 중 어느 한쪽에 접촉하는 위치까지 와이어 솔더를 공급하고,
   계속해서, 공급된 상기 와이어 솔더를 레이저 광으로 용융하고, 상기 용융된 솔더로 상기 랜드와 상기 리드를 접속하고,
   그 후, 상기 와이어 솔더의 공급을 정지하고, 상기 와이어 솔더의 공급 정지와 동시에, 혹은 상기 정지 후, 레이저 광의 조사를 정지하여 용융 솔더를 응고시키는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광을 사용하여,
   예열시의 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이하의 예열 레벨로 하고,
   납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨로 하는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광을 사용하여,
   예열시에는 열풍에만 의한 예열을 행하고,
   납땜 개시시에 레이저 광을 출사하고, 그 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨로 하는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광을 사용하고,
   예열 개시시, 또는 예열 도중의 단계에서 레이저 광을 출사하고, 그 출력 레벨을 0에서부터 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨까지 점증을 시키고,
   납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨로 하는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 조사면의 횡단면에서의 출력 레벨이 그의 중심 부분에서보다 그의 외주 부분에서 높은 레이저 광을 사용하여,
   상기 중심 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더의 용융 온도보다 낮고,
   상기 외주 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더의 용융 온도보다 높고,
   상기 중심 부분은 랜드의 스루홀의 내측을 조사하도록 설정되고,
   예열시의 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이하의 예열 레벨로 하고,
   납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨로 하는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 조사면의 횡단면에서의 출력 레벨이 그의 중심 부분에서보다 그의 외주 부분에서 높은 레이저 광을 사용하여,
   상기 중심 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더의 용융 온도보다 낮고,
   상기 외주 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더의 용융 온도보다 높고,
   상기 중심 부분은 랜드의 스루홀의 내측을 조사하도록 설정되고,
   예열시는, 열풍에만 의한 예열을 행하고,
   납땜 개시시에 레이저 광을 출사하고, 그 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨로 하는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 조사면의 횡단면에서의 출력 레벨이 그의 중심 부분에서보다 그의 외주 부분에서 높은 레이저 광을 사용하여,
   상기 중심 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더의 용융 온도보다 낮고,
   상기 외주 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더의 용융 온도보다 높고,
   상기 중심 부분은 랜드의 스루홀의 내측을 조사하도록 설정되고,
   예열 개시시, 또는 예열 도중의 단계에서 레이저 광을 출사하고, 그 출력 레벨을 0에서부터 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨까지 점증을 시키고,
   납땜시의 출력 레벨을 와이어 솔더의 용융 온도 이상의 용융 레벨로 하는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 방법.
8. 전자 부품의 리드를 프린트 기판의 랜드에 레이저 광으로 납땜하는 레이저식 납땜 장치에 있어서,
   상기 레이저식 납땜 장치는,
   상기 프린트 기판의 상면에 상기 전자 부품이 탑재되고, 상기 전자 부품의 상기 리드가 상기 프린트 기판의 스루홀로부터 하방으로 돌출되어 있는 프린트 기판을 지지하는 지지대와,
   상기 프린트 기판의 하방에서 상기 프린트 기판에 대하여 수직으로 또는 경사지게 설치되고, 상기 랜드를 향해 수직으로 또는 경사지게 레이저 광을 출사하는 출사 헤드와,
   납땜시에, 상기 랜드 또는 리드 중 어느 하나에 접촉하는 위치까지 와이어 솔더를 공급하는 와이어 솔더 공급부와,
   상기 출사 헤드의 출사구에 설치되고, 상기 출사구로부터 상방의 프린트 기판을 향해 연장되고, 상기 프린트 기판에 대면하는 선단에 투공(pass hole)이 제공된 중공의 보호 노즐과,
   상기 보호 노즐에 제공되고, 상기 투공으로부터 상기 프린트 기판을 향해 열풍이 분출되도록 상기 보호 노즐에 가열 가스를 공급하는 가열 가스 공급관을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 보호 노즐의 투공에 면하는 위치에서, 프린트 기판의 하면에 대향하는 상면이 개구된 배기 덕트가 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 조사면의 횡단면 전면에서의 출력 레벨이 동일한 레이저 광, 또는
    조사면의 횡단면에서의 중심 부분과 상기 중심 부분을 둘러싸는 외주 부분의 이중 링 구조이며, 중심 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더 용융 온도 이하, 외주 부분의 출력 레벨이 와이어 솔더 용융 온도 이상으로 설정되어 있는 레이저 광이 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 장치.
11. 제 8 항에 있어서, 보호 노즐은 투공을 향해 직경이 감소되도록 형성되고,
    보호 노즐의 내부에는 보호 노즐의 내주면을 따라 열풍 가이드용의 가이드 벽이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저식 납땜 장치.

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