TWI740428B - 雷射式焊接方法和其裝置 - Google Patents

Abstract

從印刷基板(40)之下方對焊盤(42)和引線(52)噴吹熱風(N)而予以預熱。於預熱開始或預熱開始後，邊對焊接點照射雷射光(L)，邊供給線焊料(15)直至與焊接點接觸的位置為止。以雷射光(L)熔融被供給的線焊料(15)。於焊接結束後，停止線焊料(15)之供給。停止雷射光(L)之照射而使熔融焊料(15m)凝固。

Description

雷射式焊接方法和其裝置

本發明係關於使用雷射光而進行焊接的雷射式焊接方法及用於該方法之實施的雷射式焊接裝置。

一般而言，電子零件之量產安裝大多使用回流方式的焊接。典型的回流方式之焊接係採用如在塗佈有膏狀之焊料的印刷基板之焊墊上配置電子零件之各引線之後，使通過回流爐內而熔化焊料，以焊接來接合電子零件之各引線和印刷基板上之各對應的焊墊的方法。

在如此之回流方式的焊接中，因印刷基板在回流爐內被加熱，故有產生熱應變或變形的問題。

於是，在最近將如此的回流方式置換成雷射焊接方式的系統受到注目。

在以往的雷射式焊接裝置中，於成為焊接對象的印刷基板之上面搭載電子零件，從被設置在印刷基板之上方的射出頭朝向露出於電子零件間的焊接點(焊盤和引線)照射雷射光。成為在上述焊接點被送入線焊料。至雷射照射區域的線焊料依序熔融，並且此滴下而附著於印刷基板之上面側的焊盤和引線，同時在該焊盤和引線之間 的間隙朝下方流動而繞流至印刷基板之下面側。而且，此凝固而在印刷基板之上下兩面以引線為中心而形成完整的圓錐形之焊料層。

雷射焊接係對微細部位聚光照射雷射光而能夠進行非接觸並且局部性的焊接，也可以迴避印刷基板之熱應變。再者，也有利於焊接作業的自動化。

但是，隨著印刷基板之更高的積體化，變成無法取得電子零件間的空間，無法如以往般從搭載有電子零件之印刷基板之上面側照射雷射光。

因此，如專利文獻1所示般，提案有上下翻轉印刷基板而使電子零件之搭載面成為下方，邊對從印刷基板之貫通孔朝上方露出的電子零件之引線，和貫通孔之焊盤供給線焊料，邊從印刷基板之上方照射雷射光而進行焊接。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2013-187411號公報

然而，當使印刷基板上下翻轉，在下面側配置電子零件時，因在該狀態下電子零件落下，故在反轉時需要將該被搭載的電子零件一面保持位置關係一面固定在 印刷基板的某種治具，有焊接作業成為複雜的問題。

再者，於焊接之前需要將焊接點亦即焊盤或引線事先預熱至焊料之熔融溫度附近。在焊盤或電子零件之引線不被預熱而處於冷的狀態下，當藉由雷射光熔融的焊料，與冷的狀態之引線或焊盤接觸時，立即凝固而附著力受損，產生焊料不良。

然而，為了上述預熱，當對焊料點照射雷射光時，由於接續於預熱之後，線焊料熔融，故當提高雷射光之輸出時，引線過熱而產生變色的「引線燒焦」。

於是，在專利文獻1中，將照射側之焊盤分成包含以焊接固定引線的貫通孔的第1焊盤，和被設置在從第1焊盤延伸的位置，使溶融焊料流入至第1焊盤的第2焊盤，將雷射光所致的照射狀態分成僅對第2焊盤照射雷射光的第1照射狀態，和對第1焊盤照射雷射光的第2照射狀態，構成能夠兩者的切換。

在該方法中，雖然需要設置從第1焊盤延伸出的第2焊盤的空間，但是在上述般之過密狀態的印刷基板中就算係下面側，也無法設置如第2焊盤般的空間。再者，如上述般，將照射狀態分成第1照射狀態和第2照射狀態並將此予以切換，或藉由第2焊墊使溶融焊料流入至第1焊盤的作業不僅複雜，為了焊接第1焊盤和引線，必須藉由雷射光在該時點進行預熱，結果增加了作業的產距時間。

於是，發明者們考慮朝向印刷基板之下面側 之焊接點(下面側之焊盤和從該焊盤突出的引線)，從下方朝斜上方供給線焊料，對該部分照射雷射光。但是，在該方式中，首先，可能會有在焊接之時產生的煙或焊料熔融時從其表面彈出的微細粒子(焊球)掉落，而附著於被設置在印刷基板之下方的射出頭之雷射射出窗所配置的保護玻璃上，急速地污染此的情形。

本發明係鑑於上述問題點而創作出者，以開發雷射式焊接方法和其裝置之發明為課題，該雷射式焊接方法和其裝置係第1，可以從在以往被認為不可能的印刷基板之下方進行焊接，第2，可以在被超高積體化的印刷基板中，盡量地縮短焊接作業的產距時間。

本發明係為了解決上述課題，成為雷射光L從印刷基板40之下側被射出。配合此也採用解除其問題的對策。射出角度使用朝向印刷基板40之下面40k而垂直射出之情況(圖1~圖8)，和傾斜射出的情況(圖11~圖12)之兩種方式。再者，被射出的雷射光L如圖9(a)所示般，使用在照射面中的橫剖面全面相同的輸出等級(以下，稱為均等輸出。將其雷射光稱為均等輸出雷射光)者，和如圖10(a)所示般，在中心部分和外周部分不同的出輸出等級(以下，稱為不均等輸出等級。將其雷射光稱為不均等輸出雷射光)者。並且，輸出順序也配合此採用各種方法。

本發明之雷射式焊接方法(第1發明)係以雷射光L熔融朝向印刷基板40之貫通孔41被供給的線焊料15，將被搭載在上述印刷基板40之上面40j側，且被插通 於上述貫通孔41之電子零件50的引線52焊接於被設置在上述貫通孔41之焊盤42，該雷射式焊接方法之特徵在於：上述雷射光L係從下方垂直或傾斜地對在焊接點P中的上述焊盤42照射，對上述焊盤42和從上述貫通孔41突出至下方的引線52，從上述印刷基板40之下方噴吹螺旋流的熱風N，預熱上述焊盤42和上述引線52，與上述預熱之開始同時，或於上述預熱之開始後，邊從上述印刷基板40之下方對上述焊盤42和上述引線52照射雷射光L，邊從上述印刷基板40之下方供給線焊料15直至與上述焊盤42或上述引線52中之任一方接觸的位置，接著，以雷射光L熔融被供給的上述線焊料15，以上述熔融後的熔融焊料15m連接上述焊盤42和上述引線52，然後，停止上述線焊料15之供給，於與上述線焊料15之供給停止同時，或該停止後，停止雷射光L之照射而使熔融焊料15m凝固。

請求項2係在上述焊接方法中，使用圖9(b)所示之均等輸出之雷射光L，採用第1輸出順序的預熱(1)、(2)、(3)及焊接工程(4)。

請求項1記載之雷射式焊接方法中， 使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光L,預熱時之輸出等級設為線焊料15之熔融溫度以下之預熱等級(A)，將焊接時之輸出等級設為線焊料15之熔融溫 度以上之熔融等級(B)。

請求項3係在上述焊接方法中，使用圖9(b)所示之均等輸出之雷射光L，採用第2輸出順序的預熱工程(20)、焊接工程(4)及後加熱工程(21)。

請求項1記載之雷射式焊接方法中，使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光L,預熱時進行僅根據熱風N的預熱，於焊接開始時射出雷射光L，將其輸出等級設為線焊料15之溶融溫度以上的熔融等級(B)。

請求項4係在上述焊接方法中，使用圖9(b)所示之均等輸出之雷射光L，採用第3輸出順序的預熱(10)、焊接工程(4)及後加熱工程(5)。

請求項1記載之雷射式焊接方法中，使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光L,在預熱開始時，或預熱途中之階段，射出雷射光L，使其輸出等級從零急增至線焊料15之熔融溫度以上之熔融等級(B)，將焊接時之輸出等級設為線焊料15之熔融溫度以上之熔融等級(B)。

請求項5係在上述焊接方法中，使用圖10(b)所示之不均等輸出之雷射光L，採用第1輸出順序的預熱(1)、(2)、(3)及焊接工程(4)。

請求項1記載之雷射式焊接方法中，使用雷射光L，該雷射光L在照射面的橫剖面全面上的輸出等級係其外周部分L2中比其中心部分L1中還高，將低於上述線焊料15之熔融溫度的能夠預熱的輸出等級設為等級(A)，將高於上述線焊料15之熔融溫度的能夠焊接的輸出等級設為等級(B)，上述中心部分L1被設定成照射焊盤42之貫通孔41之內側，將預熱時之上述外周部分L2之輸出等級設為線焊料15之溶融溫度以下之預熱等級(A)，將焊接時之上述外周部分L2之輸出等級設為線焊料15之熔融溫度以上之熔融等級(B)。

請求項6係在上述焊接方法中，使用圖10(b)所示之不均等輸出之雷射光L，採用第2輸出順序的預熱(20)、焊接工程(4)及後加熱工程(21)。

請求項1記載之雷射式焊接方法中，使用雷射光L，該雷射光L在照射面的橫剖面全面上的輸出等級係其外周部分L2比其中心部分L1中還高，將低於上述線焊料15之熔融溫度的能夠預熱的輸出等級設為等級(A)，將高於上述線焊料15之熔融溫度的能夠焊接的輸出等級設為等級(B)，上述中心部分L1被設定成照射焊盤42之貫通孔41之內側， 預熱時進行僅根據熱風N的預熱，於焊接開始時射出雷射光L，將上述外周部分L2之輸出等級設為線焊料15之溶融溫度以上的熔融等級(B)。

請求項7係在上述焊接方法中，使用圖10(b)所示之不均等輸出之雷射光L，採用第3輸出順序的預熱(10)、焊接工程(4)及後加熱工程(5)。

請求項1記載之雷射式焊接方法中，使用雷射光L，該雷射光L在照射面的橫剖面全面上的輸出等級係其外周部分L2中比其中心部分L1中還高，將低於上述線焊料15之熔融溫度的能夠預熱的輸出等級設為等級(A)，將高於上述線焊料15之熔融溫度的能夠焊接的輸出等級設為等級(B)，上述中心部分L1被設定成照射焊盤42之貫通孔41之內側，在預熱開始時，或預熱途中之階段，射出雷射光L，使上述外周部分L2之輸出等級從零急增至線焊料15之熔融溫度以上之熔融等級(B)， 將焊接時之上述外周部分L2之輸出等級設為線焊料15之熔融溫度以上之熔融等級(B)。

請求項8係用以實行請求項1~7記載之焊接方法的裝置。

屬於以雷射光L將電子零件50之引線52焊接於印刷基 法的裝置。

屬於以雷射光L將電子零件50之引線52焊接於印刷基板40之焊盤42的雷射式焊接裝置1，其特徵在於，上述雷射式焊接裝置1具備：支持台2，其係在上述印刷基板40之上面40j搭載上述電子零件50，支持上述電子零件50之上述引線52從上述印刷基板40之貫通孔41突出至下方的印刷基板40；射出頭3，其係在上述印刷基板40之下方相對於上述印刷基板40被設置成垂直或傾斜，朝向上述焊盤42射出雷射光L；線焊料供給部11，其係在焊接時，供給線焊料15直至接觸於上述焊盤42或引線52中之任一者的位置；中空的保護噴嘴20，其係被設置在上述射出頭3之射出口4，從上述射出口4朝向上方的印刷基板40延伸，在與上述印刷基板40面對面的前端設置有穿透孔22；及加熱氣體供給管26，其係被設置在上述保護噴嘴20，以從上述穿透孔22朝向上述印刷基板40噴出螺旋流的熱風N之方式，被連接於上述保護噴嘴20之內周面之接線方向，而對上述保護噴嘴20供給加熱氣體。

請求項9進一步設置將從保護噴嘴20被噴出的熱風N與在焊接時產生的飛散微細生成物C一起回收的排氣導管30，在請求項8之雷射式焊接裝置1中，在面臨保護噴嘴20之穿透孔22的位置，進一步設置與印刷基板40之下面40k 相向的上面呈開口的排氣導管30。

請求項10係關於請求項8之雷射光L，使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光L，或使用在照射面之橫剖面上的中心部分L1，和包圍上述中心部分L1的外周部分L2的雙層環構造，中心部分L1之輸出等級(A)被設定成線焊料熔融溫度以下，外周部分L2之輸出等級(B)被設定成線焊接熔融溫度以上的雷射光L。

請求項11係關於請求項8之保護噴嘴20，保護噴嘴20被形成朝向穿透孔22縮徑，在保護噴嘴20之內部沿著保護噴嘴20內周面設置有熱風導引用的導引壁24。

因本發明具有上述般之構成，故能進行以往不可能的從印刷基板40之下方的焊接。並且，本發明係以熱風N預熱焊接點P，並且，因雷射光L不移動而對印刷基板40垂直地或從斜下方朝斜上方傾斜照射，故在被超高積體化的印刷基板40中，可以盡可能地縮短焊接作業之產距時間。並且，藉由對輸出順序或雷射光L加以設計，亦可以迴避電子零件50之引線燒焦。

1:焊接裝置

2:支持台

3:射出頭

4:射出口

5:雷射導入筒部

6:光學系統

6a:半鏡

6b:光學零件

7:保護玻璃

7a:中心部分輸出限制玻璃

8:光纖

9:CCD攝影機

10:螢幕

11:線焊料供給部

12:導引噴嘴

13:加壓輥

15:線焊料

15h:凝固焊料

15m:熔融焊料

16a,16b:平面部分

20:保護噴嘴

21:噴嘴口

22:穿透孔

24:導引壁

26:加熱氣體供給管

30:排氣導管

30a:上緣

31:開口部

32:排氣筒部

33:排氣管

40:印刷基板

40a:基板本體

40j:上面

40k:下面

41:貫通孔

42:焊盤

42j:焊盤上面部分

42k:焊盤下面部分

42n:內緣

43:導通部分

50:電子零件

52:引線

C:微細生成物

G:導引流路

L:雷射光

L1:中心部分

L2:外周部分

N:熱風

S:間隙

[圖1]為表示本發明所涉及之垂直照射中的雷射式焊接裝置之一實施形態的剖面圖。

[圖2]為圖1之保護噴嘴部分的放大剖面圖。

[圖3]為從下方觀看圖1的放大部分剖面斜視圖。

[圖4]為圖2之X-X剖面圖。

[圖5]為本發明之焊接開始時的斜視圖。

[圖6]為本發明之焊接時的斜視圖。

[圖7]為在圖6中的焊接狀態之放大剖面圖。

[圖8]為本發明之焊接完成後之後加熱的斜視圖。

[圖9]為在本發明之第1方法中的雷射光之輸出控制圖。

[圖10]為在本發明之第2方法中的雷射光之輸出控制圖。

[圖11]為在本發明所涉及之傾斜照射中的部分放大剖面圖。

[圖12]係表示在圖11中之焊接點的照射狀態，從印刷基板之下面側觀看到的放大圖。

以下，針對本發明使用圖面進行說明。圖1表示焊接裝置1之第1實施形態(垂直照射)，圖11表示第2實施形態(傾斜照射)。在第2實施形態之說明中，以與第1實施形態不同之部分為中心予以說明，針對相同的部分，將第1實施形態之說明援用於第2實施形態之說明，針對其 部分的說明予以省略。

該焊接裝置1具有輸出雷射光L的半導體雷射或雷射振盪器(無圖示)、設置印刷基板40的支持台2、被設置在印刷基板40之下方，對被設置在印刷基板40之下面40k的焊接點(在本發明中，為印刷基板40之焊盤42之下面側的部分，將該部分設為焊盤下面部分42k)照射從半導體雷射等被輸出的雷射光L的射出頭3、用以控制上述半導體雷射等之雷射控制器(無圖示)、用以對上述焊接點供給線焊料15的線焊料供給部11、顯示焊接之狀態的螢幕10，及依照所設定的程式自動性地控制該焊接裝置1全體的控制裝置(無圖示)。

印刷基板40係用以搭載多數並且多種類的電子零件50的基板。在印刷基板40不限定於1層，雖然也有多層，但是在此以1層作為其代表例予以說明。

在印刷基板40之基板本體(絕緣基板)40a，多數貫穿設置從其上面40j貫通至下面40k的貫通孔。在其貫通孔之內周面，和在基板本體40a之表背上的上述貫通孔之開口的邊緣，存在於蝕刻處理殘餘的鍍銅層。該鍍銅層之部分為焊盤42，貫通該焊盤42的孔為貫通孔41。

將該焊盤42之開口邊緣的環狀之鍍銅層設為焊盤上面部分42j及焊盤下面部42k，將貫通孔之內周面之鍍銅層設為導通部分43，以連接該表背之焊盤上、下面部分42j、42k。

在印刷基板40之上面40j，搭載多數且多種 電子零件50，該些引線52被插入至貫通孔41。被插入的引線52貫通貫通孔41而些許突出於下面40k。被插入的引線52在後述方法中被焊接於印刷基板40之焊盤42全體。另外，配合各式各樣的電子零件50，引線52有剖面圓形或剖面四角形等之各種。

在本發明之情況，雷射光L在被插入的引線52突出的印刷基板40之下面40k側，照射突出的引線52和焊盤下面部分42k，熔融被供給至該部分的線焊料15而焊接引線52和焊盤42(圖8)。

焊盤42之內周部分亦即鍍銅層(導通部分43)和電子零件50之引線52之關係，係引線52之直徑相對於導通部分43之內徑稍微細一些，導通部分43和引線52之間的間隙S很小(例如，0.1mm前後)，如後述般，為熔化的熔融焊料15m以毛細管現象可以浸透的間隔(圖3)。

焊接裝置1之射出頭3被設置在設置於焊接裝置1之支持台2的印刷基板40之下方。印刷基板40之下面40k的焊接點亦即焊盤下面部分42k係從支持台2之開口部分露出至下方。

射出頭3如圖1所示般，被設置成垂直於印刷基板40，射出頭3之射出口4有被設置成朝向印刷基板40之下面40k之情況(第1實施形態)，和如圖11般被設置成傾斜於印刷基板40的情況(第2實施形態)。

射出頭3具有略圓筒或角筒形狀之外形，雷射導入筒部5從其側面直角地突出。被構成在該雷射導入 筒部5，連接通往半導體雷射率的光纖8，從半導體雷射等被輸出的雷射光L通過該光纖8被引導至射出頭3之內部。在射出頭3之內部，直至射出口4為的光路徑途中，內置改變被導入的雷射光L之方向的半鏡6a，和使雷射光L在焊接點亦即焊盤下面部分42k聚光成特定直徑的光學透鏡等之光學零件6b。

如上述般，在射出頭3之上端部設置射出口4，被朝向印刷基板40之下面40k。射入至射出頭3的雷射光L通過內部之光學系統6而從射出口4朝向焊接點P亦即焊盤下面部分42k被射出。在該射出口4設置有全體為透明的保護玻璃7，及如後述般因應所需被設置的中心部分輸出限制玻璃7a。

從射出口4朝向焊接點P亦即焊盤下面部分42k被射出的雷射光L有2種。第1，在照射面亦即焊盤下面部分42k上，其橫剖面全體為相同輸出等級之情況(圖1、圖9(b))，第2，中心部分L1，和在其周圍被設置成同心圓狀，圍繞上述中心部分L1的外周部分L2的雙層環構造之情況(圖2、圖10(b))。在此情況，後者之情況，外周部分L2之輸出等級被設置成較中心部分L1大。

另外，在圖2中，表示後者的雙層環構造之雷射光L，以淺黑表示中心部分L1。

在圖10中，雖然表示傾斜被設置的均等輸出之雷射光L，但是不限定於此，雖然無圖示，但也使用不均等輸出的雷射光。

在雷射光L為前者般的均等輸出之情況，因不對光學系統6施予減弱雷射光L之中心部分L1之輸出等級的措施，故射入至射出頭3的雷射光L原樣地通過射出頭3之光學系統6及保護玻璃7，如上述般成為在照射面上橫剖面全體相同的輸出等級。以圖9(b)表示此情況的輸出等級之示意圖。再者，均等輸出雷射光L之照射範圍即使在垂直或傾斜狀態下照射的任一情況，皆如後述般被設定成為焊盤下面部分42k。

因當該均等輸出等級強的(線焊料熔融溫度以上之輸出等級(B))雷射光L被垂直設置，在預熱期間中連續照射於引線52之突出端時，有該突出端過熱而產生被稱為引線燒焦之變色的情形，故雷射光L之輸出如後述般被進行不產生「引線燒焦」的控制。

另外，當上述均等輸出等級強的雷射光L被傾斜設置，雷射光L對焊接點P傾斜照射時，如圖12所示般，照射面擴散成橢圓形，比起輸出等級為垂直之情況稍微下降。在此情況，也因應所需進行不產生「引線燒焦」的輸出控制。

對此，將雷射光L設為後者之不均等輸出的雷射光L之情況，係在射出頭3之光學系統6中之任一部分，設置限制雷射光L之中心部分L1之輸出等級之構件(無圖示)，或如圖2所示般，使具有限制雷射光L之中心部分之輸出等級的輸出限制區域7b的中心部分輸出限制玻璃7a沿著保護玻璃7上設置。在此情況，將外周部分L2之輸出 等級設為100之情況，中心部分L1之輸出等級縮降至40~60。輸出等級之變更係藉由將中心部分輸出限制玻璃7a替換成具有各種規制值者而進行。

另外，不均等輸出之雷射光L之中心部分L1之直徑最大為貫通孔41之內徑。依此，因被照射至插通於貫通孔41之引線52之突出端的中心部分L1之輸出等級比其周圍之外周部分L2弱很多，故即使在預熱工程中，連續性地接受弱中心部分L1之雷射光的照射，亦不會產生「引線燒焦」。

有該不均等輸出之雷射光L也被垂直設置之情況，和傾斜設置之情況。

在不均等輸出之雷射光L中，垂直配置之情況，其外周部分L2係從覆蓋焊接點P亦即焊盤下面部分42k的雷射光L之照射範圍扣除位於其中心部分的中心部分L1之環狀的區域。印刷基板40之焊盤下面部分42k為圓形之情況，雷射光L成為照射該焊盤下面部分42k全體，成為最大徑且直至該焊盤下面部分42k的外緣。(印刷基板40之焊盤下面部分42k之形狀不限制於僅有圓形，有各式各樣的形狀。例如，在長圓之情況，其該範圍成為短邊寬，使得雷射光L不施加到作為絕緣體的基板本體40a上)。

在不均等輸出的雷射光L中，在傾斜配置之情況，因如圖12所示般，其照射面成為橢圓形，故在其長軸側不突出焊盤下面部分42k的範圍下被照射。

在保護玻璃7(或是，中心部分輸出限制玻璃7a)之上方，在射出頭3之射出口4安裝保護噴嘴20。保護 噴嘴20具有從射出口4朝上方延伸的中空圓錐狀之形狀，筒狀之噴嘴口21被嵌入至其前端部分。該噴嘴口21係由例如陶瓷般的耐熱素材形成。在該噴嘴口21形成被縮細的雷射光L通過的穿透孔22。該穿透孔22略大於通過該部分的雷射光L之直徑。

在接近於射出頭3之射出口4的保護噴嘴20之基部，連接加熱氣體供給管26，隨時內部被供給高溫氣體。高溫氣體即使為通常的空氣亦可，即使為氮氣般的惰性氣體亦可。線焊料15係其熔點依據其組成有各種，在無鉛焊料之情況為220℃左右。被供給至保護噴嘴20之高溫氣體的溫度係可以進行貫通孔41和其周邊或被供給至該部分的線焊料15之預熱的程度(例如，110℃~150℃)，其溫度最高不超越將成為線焊料15之熔點之前的溫度。而且，該高溫氣體成為熱風N而從穿透孔22朝上方噴出。保護噴嘴20內係藉由被供給的高溫氣體，隨時被保持正壓。因此，異物(微細生成物)C不會從穿透孔22進入至保護噴嘴20內。

即使保護噴嘴20僅為圓錐狀之中空筒體(無圖示)亦可，但是在圖2及圖3中，表示沿著保護噴嘴20之內周面而設置有圓錐狀之導引壁24的例。

該導引壁24係在保護噴嘴20之內周面和導引壁24之間形成導引熱風N之氣流的導引流路G。若使內周面和導引壁24之間的間隙朝向穿透孔22逐漸縮窄時，可以加快在導引流路G流動的熱風N之流速。另外，因導引壁24覆蓋保 護玻璃7(或中心部分輸出限制玻璃7a)之上面，故防止被吹入至保護噴嘴20內之高溫氣體與保護玻璃(或中心部分輸出限制玻璃7a)之情形。

雖然即使加熱氣體供給管26與保護噴嘴20之基部直角連接亦可，但是即使如圖4般，與保護噴嘴20之內周面之接線方向連接，被噴吹的高溫氣體在保護噴嘴20內沿著內周面(或導引流路G)而形成螺旋流，作為細的螺旋流之熱風N從穿透孔22噴出亦可。藉由將熱風N設為螺旋流，噴出方向之方向性變高，可以將在焊接時接近於穿透孔22而被設置的引線52或焊盤42集中性地預熱。

另外，在此，揭示藉由來自印刷基板40之下方的熱風N之預熱，但是除此之外，亦可以加上藉由來自印刷基板40之上方的熱風N之預熱。

在本實施例中，以包圍保護噴嘴20之穿透孔22之周圍之方式，設置有排氣導管30。該排氣導管30係因應所需而被設置者，並非必要者。在此，表示設置有排氣導管30的例。

排氣導管30為盤狀的構件，在中央具有開口部31，在該開口部31被插入保護噴嘴20之上端部分(噴嘴口21)。而且，排氣導管30之上緣30a及保護噴嘴20之噴嘴口21之上端係位於較位於上方的印刷基板40之下面40k更下方，在之間形成間隙。

該間隙被形成超過引線52從印刷基板40之下面40k的突出量的寬度。依此，即使在焊接結束時射出頭3與排氣 導管30一起對印刷基板40相對性移動，亦不會有排氣導管30之上緣30a和噴嘴口21之上端與焊接完的引線52之突出端接觸之情形。

在上述排氣導管30之側壁設置排氣筒部32，在該排氣筒部32連接有排氣管33。排氣管33隨時吸引排出排氣導管30內之空氣。

從保護噴嘴20之噴嘴口21之穿透孔22噴出的熱風N衝突至印刷基板40之下面40k(焊接時，引線52和貫通孔41及其周邊)而預熱衝突部之後，流至排氣導管30內。而且，其熱風N之大部分或其全部流至排氣管33。

依此，排氣導管30內之空氣，或在焊接時產生，在該空氣中飛散的煙霧或焊球等之微細生成物C之大部分或其全部從排氣管33被排出。

在保護噴嘴20之主體部外周，設置環狀之冷卻管35，在該冷卻管35安裝有冷卻水供給管36和冷卻水排水管37。冷卻水從冷卻供給管36被供給，圍繞冷卻管35而返回至冷卻水排水管37，自此被排出。保護噴嘴20藉此被冷卻水冷卻。

線焊料供給部11係用以將捲繞在例如滑輪(無圖示)之線焊料15在必要時每次以所需量朝向焊接點亦即焊盤42之焊盤下面部分42k輸送者。該線焊料供給部11具有延伸至焊接點亦即焊盤下面部分42k的附近之導引噴嘴12。線焊接供給部11係於焊接作業時，從控制裝置接受線焊接15之供給時序或其供給量等之控制指令，因應其控 制指令，從導引噴嘴12撒出線焊料15。被撒出的線焊料15被供給至與焊接點亦即引線52或焊盤下面部分42k接觸的位置，或與兩者接觸的位置。此時，雖然被撒出的線焊料15之前端部分如後述般，僅曝露於熱風N，或曝露於熱風N和雷射光L而被預熱，但是熱風N之加熱溫度，或雷射光L之輸出等級低，在此時點，未到達熔融。

另外，雖然線焊料15之剖面形狀一般為圓形，但是即使如圖1及圖3般於插入至導引噴嘴12之前，以上下一對加壓輥13壓成扁平，在線焊料15之表背設置平面部分16a、16b亦可。在如此的情況，導引噴嘴12也配合線焊料15，導引孔之形狀為扁平的長圓形，以沿著印刷基板40之下面40k之方式供給扁平線焊料15之一方的平面部分16a。依此，對該相反側之平面部分16b照射雷射光L，雷射光L之散射減少，成為容易被扁平線焊料15吸收。

於焊接時，或預熱及焊接時，從雷射控制器發出振盪控制指令，接受到此的半導體雷射等，在特定輸出及照射時間，射出雷射光L，射出頭3從下方朝向焊接點亦即焊盤下面部分42k垂直或朝斜上方射出。而且，在此供給線焊料15。

線焊料15之供給即使在任何的情況，原則上在輸出等級(B)之雷射光(均等、不均等輸出)L之射出前完成。

依此，在焊接時，該線焊料15藉由雷射光L被加熱熔融而進行焊接。

在射出頭3之下端，CCD攝影機9被安裝成使 雷射光L和光軸一致，藉由該CCD攝影機9可以通過上述射出口4攝影焊接點。以CCD攝影機9攝影到的焊接點之畫像經由控制裝置而被顯示於螢幕10。

另外，於焊接前，可以使用於一面觀看被顯示於螢幕10之畫像，一面進行在焊點上雷射光L對焊盤下面部分42k的照準調整，或於焊接作業時，觀察焊接點之焊接作業的狀態。

接著，針對本發明所涉及的焊接裝置1之作用予以說明。根據本發明的雷射焊接方法，有第1實施形態(圖1~圖8：垂直配置)和第2實施形態(圖11：傾斜配置)。

第1實施形態係射出頭3垂直地被設置在印刷基板40之下面40k的情況，第2實施形態係相對於印刷基板40之下面40k的垂直線以傾斜角度θ傾斜配置的情況。傾斜角度θ為50°±10°。

再者，雷射光L有如先前已述般以均等射出等級被射出之情況，和以不均等輸出等級被射出之情況的兩種。

在焊接順序，如圖9(a)、圖10(a)所示般，有階段性地變更雷射輸出之情況：第1輸出順序((1)(2)(3)(4)(5)(6)(7))，連續性地變更：第2輸出順序((20)(4)(21))，矩形性地輸出之情況：第3輸出順序((10)(4)(5))。

在第1輸出順序之圖中，雖然將輸出設為等級(A)和等級(B)之兩階段，但是不限定於此，即使設為多階段亦可。另外，此情況，在等級(A)中，雖然能夠預熱，但是 不產生「引線燒焦」之等級的輸出(被照射部分之溫度被升溫至110℃~150℃左右的程度之輸出)，等級(B)係能夠「焊接」之等級(焊料熔融溫度以上)的輸出。

第1~3輸出順序係依焊料對象物之條件而被決定，其切換時序根據被輸入至控制器的軟體之情況，或是藉由放射溫度計(無圖示)檢測焊接點之測量溫度而被切換。

關於焊接點P之預熱，有僅以根據熱風N的預熱，不藉由雷射光L進行預熱之情況，和根據熱風N和雷射光L的合作進行預熱之情況的兩種。

(第1實施形態(垂直)的焊接作業)

以下，針對使用均等輸出之雷射光L，或使用不均等輸出之雷射光L的第1實施形態(垂直)之焊接作業予以說明(圖1、圖2~圖8、圖9、圖10)。

使射出頭3之光軸對準被設置在焊接裝置1之支持台2上之印刷基板40之焊接對象之貫通孔41之中心。射出頭3係在印刷基板40之下方相對於印刷基板40被垂直設置。上述光軸對準係以畫像處理自動性，或經由螢幕10以手動調整來進行。

在光軸對準完成前，從穿透孔22噴出的熱風N被噴吹至焊接點P之焊盤下面部分42k之附近，加熱該部分。在該時點，雷射光L不被射出。

第1輸出順序(圖9(a)、圖10(a)：(1)~(7))

預熱工程(根據熱風N和雷射光L的合作預熱)

當如上述般光軸對準結束時，穿透孔22位於焊接點P之焊盤下面部分42k之正下方。在此時點，從該穿透孔22噴出的熱風N預熱該貫通孔41和其周圍，及被插通於該貫通孔41的引線52。而且，與該光軸對準完成時同時，或光軸對準之完成後，朝向焊接點之焊盤下面部分42k和引線52，射出均等或不均等輸出的雷射光L(圖9(a)、圖10(a)中，以(1)表示)。

均等輸出之雷射光L之情況，因其輸出等級越高，引線52過熱而產生被照射部分變熱的「引線燒焦」現象，故在該時點，降至不產生「引線燒焦」現象之程度的輸出(以等級(A)表示)。在該輸出等級(A)中，根據熱風N和雷射輸出的預熱溫度係低於所使用的線焊料15之熔點的溫度(例如，110~150℃)。

不均等輸出之雷射光L之情況，係使外周部分L2之輸出等級成為(B)，使被送入至焊接點P之線焊料15不熔融。因中心部分L1之輸出等級比起外周部分L2之輸出等級為較低的(A)，故足以管理外周部分L2之輸出等級。

熱風N並非螺旋流，從穿透孔22朝向該貫通孔41垂直噴出之情況，如上述般，預熱以焊盤下面部分42k為中心的其周邊、貫通孔41之內周面、被插通於貫通孔41之引線52，進一步通過貫通孔41而繞流至印刷基板40之上面40j側的熱風N，變成預熱焊盤上面部分42j和其附近。此點在後述的焊接順序係共通。

熱風N旋渦成螺旋狀而朝向該貫通孔41被噴出之情況，比起上述般僅噴出之情況，提高其噴出之方向性而被吹入至貫通孔41，存在於貫通孔41之中心的引線52主要被預熱。衝突至包含該引線52之貫通孔41的熱風N的相當一部分原樣地流至周圍，預熱焊盤下面部分42k。通過貫通孔41之殘餘預熱焊盤上面部分42j和其附近。此點在後述的焊接順序也係共通。該預熱時間係藉由使用從光軸對準結束時刻起的時間設定，或放射溫度計，測量預熱部分之溫度來決定。

焊接工程

當如上述般進行預熱時，與預熱工程結束之同時，切換至焊接工程，在均等輸出之雷射光L中，其輸出被切換成等級(B)。在不均等輸出之雷射光L中，其外圍部分L2之輸出被切換成等級(B)。

供給線焊料15係在雷射光L(或外周部分L2)之輸出在等級(B)切換之前被進行。

當線焊料15接觸於引線52(或焊盤下面部分42k)時，等級(B)之雷射光L(或外周部分L2)被輸出，線焊料15從包含接觸部分的被照射部分急速熔融。而且，在線焊料15從固相變化成液相之情況，為了需要潛熱，熔融焊料15m之溫度稍微下降，但是藉由來自雷射光L之熱保持液相狀態。線焊料15係直至焊接將要結束之前，連續地被供給焊接點P，連續地被熔融。

熔融焊料15m係在焊接工程之期間，如上述般，藉由線焊料15之供給，增加其量，當在引線52和焊盤下面部分42k擴散而連接兩者之同時，以「毛細管現象」通過兩者的間隙S而朝印刷基板40之上面40j方向爬升，以熔融焊料15m填滿印刷基板40之焊盤上面部分42j和引線52，及該些間隙S。

如上述般，因預熱貫通孔41全體和引線52，故熔融焊料15m不會凝固以保持液相之原樣，呈現上述「毛細管現象」(圖6)。

再者，線焊料15係在其剖面為圓形之情況，雖然雷射光L照射其外面時，散射至周圍而能量吸收效率變差，但是在線焊料供給前，以加壓輥13將線焊料15壓成扁平之情況，當雷射光L垂直地照射在一方的平面部分16b時，散射在周圍的量減少，線焊料15之熔融比圓形之線焊料15更快。

在上述焊接工程中，因從印刷基板40之下方實行焊接，故雖然有在線焊料15熔融時產生的煙霧或線焊料15熔融時彈飛的微細焊球般的微細生成物C飛散至焊接部分之周圍之情形，但是該些被從保護噴嘴20之穿透孔22噴出的熱風N吹飛，不進入至保護噴嘴20內。依此，即使從印刷基板40之下方進行焊接，亦不會污損射出頭3之保護玻璃7。(另外，若熱風N合適，上述微細生成物C被吹飛至周圍，不附著於射出頭3之保護玻璃7。因此，在此情況，即使無保護噴嘴20亦可)。

而且，被熱風N吹飛的煙霧其他微細生成物C，被設置成在保護噴嘴20之周圍環繞，內部被保持成負壓狀態的排氣導管30接取，藉由排氣管33被排出外部。排氣導管30內，藉由根據該排氣管33的排氣，如上述般，隨時被維持負壓，外氣從印刷基板40和排氣導管30之上緣之間的間隙，朝向內側流入，大幅度地抑制上述焊接作業所致的微細生成物C朝排氣導管30外的漏出。依此，藉由從印刷基板40之下方的焊接，不會有周圍環境被污染之情形。

另外，在以往的雷射光L從印刷基板40之上方進行的焊接中，朝上方飛揚的上述微細生成物C，隨著時間經過，有可能落下至印刷基板40上，但是在本發明般的從下方進行的焊接中，也不會有如此的情形。

在上述焊接工程中，雖然高輸出等級(B)之均等輸出的雷射光L持續照射引線52之前端部，但是藉由雷射光L被供給至引線52之熱被連續性地熔融的熔融焊料15m吸收而升溫被抑制，不產生「引線燒焦」。

對此，在不均等輸出之雷射光L之情況，因在該時點的中心部分L1之輸出等級係線焊料15不溶解之程度的低等級(A)，故即使如上述般持續性地照射引線52之前端部，亦不會產生「引線燒焦」。

後加熱工程

當貫通孔41和引線52之焊接結束時，原樣地遮斷雷射 光L(順序(5))。而且，使射出頭3移動至下一個焊接點P，在移動目的地進行上述預熱及焊接作業。

如上述般，焊接結束之後，立即遮斷雷射光L(順序(5))之情況，移動至下一個焊接點P之期間，邊接受熱風N之加溫，邊進行凝固的凝固焊料15h藉由雷射光L之遮斷，急速被凝固。因此，有在焊料附著部分產生急冷所致的歪斜(或剝離)之虞。因此，以從焊接結束時點階段性地降低雷射光L之輸出等級為佳(順序(6)、(7))。於階段性地降低輸出之情況，雖然在圖中為2階段，但是即使設為多階段亦可。

其結果，理想上在印刷基板40之表背形成圖8所示的圓錐型之凝固焊料15h。

第2輸出順序(圖9(a)、圖10(a)：以一點細鏈線表示：(20)(4)(21))

(預熱工程：熱風和雷射光併用)

在預熱工程中，熱風N之加熱，和均等輸出或不均等輸出之雷射光L所致的加熱在焊接點P被實行。雷射光L在光軸對準完成後，直至焊接開始時點連續性地增加。焊接開始時點之均等輸出之雷射光L，或不均等輸出之雷射光L之外周部分L2之輸出等級為(B)。上述以外援用第1輸出順序之記載。

(焊接工程)

因與第1輸出順序相同，供給線焊料15，實行焊接，故援用第1輸出順序。

(後加熱工程)

與焊接結束之同時，逐漸減少雷射光L之輸出。依此，可以迴避熔融焊料15m之急冷，緩和凝固焊料15h之歪斜。上述以外援用第1輸出順序之記載。

第3輸出順序(圖9(a)、圖10(a)：虛線箭頭(10)(4)(5)/(6)(7))

(預熱工程：熱風單獨預熱)

在預熱工程中，雷射光L不被射出，熱風N之單獨加熱所致的加熱在焊接點P被實行。在此情況，於前端對準結束後，經過指定時間之預熱時間之後(或是，藉由放射溫度計，焊接點P之測量溫度到達至焊接開始溫度之時)，移至焊接開始。

(焊接工程)

因與第1輸出順序相同，供給線焊料15，實行焊接，故援用第1輸出順序。

(後加熱工程)

與第1輸出順序相同，焊接結束之同時，遮斷雷射光L。或是，階段性地降低輸出。在此，因也係與第1輸出順序相同，故援用第1輸出順序。(當然即使使用第2輸出順 序之後工程亦即徐冷亦可)上述以外援用第1輸出之記載。

接著，針對第2實施形態之焊接作業予以說明。第2實施形態如先前所述般射出頭3相對於印刷基板40之垂直線被傾斜設置。因此，在此情況下，射出頭3之光軸與從貫通孔41突出之引線52之突出基部對準光軸。在第2實施形態中，將該狀態視為「光軸對準」。

線焊料15之供給方向係不會成為引線52之陰影的方向，以從不干擾到保護噴嘴20之前端的方向被供給為佳。以淺黑表示陰影部分(圖12)。在圖12中，雖然成為線焊料15以相對於雷射光L之光軸呈140°之角度被供給，但是當然不限定於此。

當雷射光L相對於印刷基板40之垂直線呈傾斜而射入至焊接點P時，照射面描繪橢圓形(圖12)。雷射光L為均等輸出之情況，嚴格來說，如圖9(b)所示般，照射面的全面並不係輸出均等，從光學性理由來看中心部強，外緣部分較中心部分些稍弱。

如上述般，當光軸對準引線52之突出基部照射焊接點P時，線焊料15急速熔融，流至引線52和焊盤下面部分42k，覆蓋該些。

雖然在雷射光L之射出開始後，上述覆蓋前的微小時間，引線52之突出部分接受強的等級(B)之雷射光L之照射，但是因如上述般即使為均等輸出雷射光L，其外緣部分的輸出等級也下降，故若為覆蓋前之微小時間的被曝時，則不會產生「引線燒焦」。

對此，在雷射光L不均等輸出之情況，如上述般中心部分L1之輸出等級較外周部分L2低。因引線52之突出部分接受該輸出等級低的中心部分L1之被曝，故當然不會產生「引線燒焦」。線焊接15接受輸出等級高的外周部分L2之被曝而熔融。

因其他點與第1實施形態相同，故援用第1實施形態之說明。

1:焊接裝置

2:支持台

3:射出頭

4:射出口

5:雷射導入筒部

6:光學系統

6a:半鏡

6b:光學零件

7:保護玻璃

8:光纖

9:CCD攝影機

10:螢幕

11:線焊料供給部

12:導引噴嘴

13:加壓輥

15:線焊料

20:保護噴嘴

26:加熱氣體供給管

30:排氣導管

35:冷卻管

40:印刷基板

50:電子零件

L:雷射光

Claims (11)

1. 一種雷射式焊接方法，其係以雷射光熔融朝向印刷基板之貫通孔被供給的線焊料，將被搭載於上述印刷基板之上面側，且被插通於上述貫通孔的電子零件之引線，焊接於被設置在上述貫通孔之焊盤，其特徵在於，上述雷射光係從下方垂直或傾斜地對在焊接點中的上述焊盤照射，對上述焊盤和從上述貫通孔突出至下方的引線，從上述印刷基板之下方噴吹螺旋流的熱風，預熱上述焊盤和上述引線，與上述預熱之開始同時，或於上述預熱之開始後，邊從上述印刷基板之下方對上述焊盤和上述引線照射雷射光，邊從上述印刷基板之下方供給線焊料直至與上述焊盤或上述引線中之任一方接觸的位置，接著，以雷射光熔融被供給的上述線焊料，以上述熔融後的焊料連接上述焊料和上述引線，然後，停止上述線焊料之供給，與上述線焊料之供給停止同時，或該停止後，停止雷射光之照射而使熔融焊料凝固。
2. 如請求項1記載之雷射式焊接方法，其中使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光，將預熱時之輸出等級設為線焊料之溶融溫度以下之預 熱等級，將焊接時之輸出等級設為線焊料之熔融溫度以上的熔融等級。
3. 如請求項1記載之雷射式焊接方法，其中使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光，預熱時進行僅根據熱風的預熱，於焊接開始時射出雷射光，將其輸出等級設為線焊料之熔融溫度以上的熔融等級。
4. 如請求項1記載之雷射式焊接方法，其中使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光，在預熱開始時，或預熱途中之階段，射出雷射光，使其輸出等級從零漸增至線焊料之熔融溫度以上之熔融等級，將焊接時之輸出等級設為線焊料之熔融溫度以上的熔融等級。
5. 如請求項1記載之雷射式焊接方法，其中使用雷射光，該雷射光在照射面的橫剖面上的輸出等級係其外周部分比其中心部分還高，將低於上述線焊料之熔融溫度的能夠預熱的輸出等級設為等級(A)，將高於上述線焊料之熔融溫度的能夠焊接的輸出等級設為等級(B)， 上述中心部分被設定成照射焊盤之貫通孔之內側，將預熱時之上述外周部分之輸出等級設為線焊料之溶融溫度以下之預熱等級(A)，將焊接時之上述外周部分之輸出等級設為線焊料之熔融溫度以上的熔融等級(B)。
6. 如請求項1記載之雷射式焊接方法，其中使用雷射光，該雷射光在照射面的橫剖面上的輸出等級係其外周部分比其中心部分還高，將低於上述線焊料之熔融溫度的能夠預熱的輸出等級設為等級(A)，將高於上述線焊料之熔融溫度的能夠焊接的輸出等級設為等級(B)，上述中心部分被設定成照射焊盤之貫通孔之內側，預熱時進行僅根據熱風的預熱，於焊接開始時射出雷射光，將上述外周部分之輸出等級設為線焊料之熔融溫度以上的熔融等級(B)。
7. 如請求項1記載之雷射式焊接方法，其中使用雷射光，該雷射光在照射面的橫剖面上的輸出等級係其外周部分比其中心部分還高，將低於上述線焊料之熔融溫度的能夠預熱的輸出等級設為等級(A)，將高於上述線焊料之熔融溫度的能夠焊接的輸出等級設為等級(B)，上述中心部分被設定成照射焊盤之貫通孔之內側， 在預熱開始時，或預熱途中之階段，射出雷射光，使上述外周部分之輸出等級從零漸增至線焊料之熔融溫度以上之熔融等級(B)，將焊接時之上述外周部分之輸出等級設為線焊料之熔融溫度以上的熔融等級(B)。
8. 一種雷射式焊接裝置，其係將電子零件之引線以雷射光焊接於印刷基板之焊盤，其特徵在於，上述雷射式焊接裝置具備：支持台，其係在上述印刷基板之上面搭載上述電子零件，支持上述電子零件之上述引線從上述印刷基板之貫通孔朝下方突出的印刷基板；射出頭，其係在上述印刷基板之下方相對於上述印刷基板被設置成垂直或傾斜，朝向上述焊盤垂直或傾斜地射出雷射光；線焊料供給部，其係在焊接時，供給線焊料直至接觸於上述焊盤或引線中之任一者的位置；中空的保護噴嘴，其係被設置在上述射出頭之射出口，從上述射出口朝向上方的印刷基板延伸，在與上述印刷基板面對面的前端設置有穿透孔；及加熱氣體供給管，其係被設置在上述保護噴嘴，以從上述穿透孔朝向上述印刷基板噴出螺旋流的熱風之方式，被連接於上述保護噴嘴之內周面之接線方向，而對上述保護噴嘴供給加熱氣體。
9. 如請求項8記載之雷射式焊接裝置，其中 在面臨保護噴嘴之穿透孔的位置，進一步設置與印刷基板之下面相向的上面呈開口的排氣導管。
10. 如請求項8記載之雷射式焊接裝置，其中使用在照射面之橫剖面全面上的輸出等級相等的雷射光，或使用在照射面之橫剖面上的中心部分，和包圍上述中心部分的外周部分的雙層環構造，中心部分之輸出等級被設定成線焊料熔融溫度以下，外周部分之輸出等級被設定成線焊接熔融溫度以上的雷射光。
11. 如請求項8記載之雷射式焊接裝置，其中保護噴嘴被形成朝向穿透孔縮徑，在保護噴嘴之內部沿著保護噴嘴內周面設置有熱風導引用的導引壁。

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