WO2022254807A1 - レーザーはんだ装置、制御装置及びレーザーはんだ付け方法 - Google Patents

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WO2022254807A1
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laser
laser light
solder
slm
sensor
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洋行 細野
大 杉山
啓司 實川
健太郎 澤田
大輔 茂手木
祐介 梶尾
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ソニーグループ株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005Soldering by means of radiant energy

Definitions

  • This technology relates to a laser soldering device, a control device, and a laser soldering method that perform soldering with a laser.
  • a lot of laser soldering equipment that melts solder by irradiating laser light and soldering is used.
  • the spot shape and spot size of the existing laser soldering equipment are fixed, and the spot shape is generally circular. It is
  • Patent Document 1 discloses a laser reflow device that has a plurality of masks and can change the spot shape by switching the mask on which the laser light is incident.
  • Patent Document 2 discloses an optical device that includes a pair of plate-like optical elements and can change the spot shape by changing the relative positions of the optical elements and making the laser beam incident thereon.
  • the purpose of this technology is to provide a laser soldering device, a control device, and a laser soldering method that enable high-quality soldering by laser irradiation.
  • a laser soldering apparatus includes a laser light source, an SLM (Spatial Light Modulator), and a controller.
  • the laser light source emits laser light.
  • the SLM modulates the laser light incident from the laser light source and irradiates at least one of the solder and the object to be soldered.
  • the controller controls the laser light source and the SLM, and adjusts the irradiation conditions of the laser light.
  • the above SLM may be LCOS-SLM (Liquid Crystal on Silicon-SLM).
  • the control unit may control the SLM to adjust at least one of the spot shape, spot size and intensity distribution of the laser beam.
  • the control unit may control the laser light source to adjust at least one of the output of the laser light, the irradiation time of the laser light, and the profile of the laser light.
  • the laser soldering device further comprises a sensor that senses at least one of the solder, the object to be soldered, and the spot of the laser beam,
  • the control unit may adjust the irradiation conditions based on sensing results from the sensor.
  • the control unit may identify the irradiation condition by comparing the sensing result of the sensor with a database.
  • the sensor is an image sensor, and may sense at least one of the position, shape and color of the solder or soldering object.
  • the sensor is a temperature sensor, and may sense the temperature of the solder or the soldering object.
  • the sensor is a photodetector and may sense the spot of the laser light.
  • the sensor performs sensing before and during irradiation with the laser light
  • the control unit may determine the irradiation condition based on the sensing result of the sensor before irradiation with the laser light, and correct the irradiation condition based on the sensing result of the sensor during irradiation with the laser light. good.
  • the control unit may perform preheating in which the laser beam does not melt the solder, and main heating in which the laser beam melts the solder.
  • a control device includes a control unit.
  • the control unit controls a laser light source that emits a laser and an SLM (Spatial Light Modulator) that modulates the laser light incident from the laser light source and irradiates at least one of the solder and the soldering object, The irradiation conditions of the laser light are adjusted.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • a laser soldering method emits laser light from a laser light source, modulates the laser light incident from the laser light source to an SLM (Spatial Light Modulator), and performs soldering. and at least one of the object to be soldered is controlled, the laser light source and the SLM are controlled, and the irradiation conditions of the laser light are adjusted.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser soldering device according to an embodiment of the present technology
  • FIG. 1 is a block diagram of a laser soldering apparatus according to embodiments of the present technology
  • FIG. It is a top view showing a spot of a laser beam emitted from a laser soldering device concerning an embodiment of this art.
  • It is a flow chart which shows operation of a laser soldering device concerning an embodiment of this art.
  • It is a mimetic diagram showing operation of a laser soldering device concerning an embodiment of this art.
  • 1 is a schematic diagram of a laser soldering device having a conventional structure; FIG. FIG.
  • FIG. 4 is a plan view showing spots of laser light emitted from a laser soldering device having a conventional structure
  • FIG. 4 is a plan view showing spots of laser light emitted from a laser soldering device having a conventional structure
  • FIG. 4 is a plan view showing spots of laser light emitted from a laser soldering device having a conventional structure
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the Manhattan phenomenon caused by a laser soldering device having a conventional structure
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a component having a plurality of component-side terminals
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a component having a plurality of component-side terminals soldered by a laser soldering device having a conventional structure; It is also a mimetic diagram showing three-dimensional mounting of parts by a laser soldering device concerning an embodiment of this art. It is a mimetic diagram showing the irradiation pattern of the laser beam by the laser soldering device concerning the embodiment of this art.
  • 6 is a graph showing changes in output of laser light in preheating and main heating by the laser soldering apparatus according to the embodiment of the present technology;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing solder and spots in preheating by a laser soldering apparatus according to an embodiment of the present technology;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing solder and spots in main heating by a laser soldering apparatus according to an embodiment of the present technology; It is a mimetic diagram showing other composition of a laser soldering device concerning an embodiment of this art. It is a mimetic diagram showing other composition of a laser soldering device concerning an embodiment of this art. It is a mimetic diagram showing laser beam irradiation by a laser soldering device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing irradiation of laser light by a laser soldering device having a conventional structure; 1 is a schematic diagram illustrating irradiation of laser light by a laser soldering apparatus with multiple SLMs according to embodiments of the present technology; FIG.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating irradiation of laser light by a laser soldering apparatus with one SLM, according to embodiments of the present technology
  • FIG. It is a block diagram showing the hardware constitutions of the control device with which the laser soldering device concerning the embodiment of this art is provided.
  • a laser soldering device according to an embodiment of the present technology will be described.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser soldering device 100 according to this embodiment
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the laser soldering device 100.
  • laser soldering apparatus 100 comprises laser light source 101 , SLM 102 , optical system 103 , controller 104 and sensor 105 .
  • solder 301 Also shown in FIG. 1 are solder 301 , component 302 and substrate 303 .
  • the board 303 has board-side terminals 304 , and the component 302 is joined to the board-side terminals 304 by solder 301 .
  • soldering object 305 the part 302 and the board 303 are collectively referred to as a soldering object 305 .
  • a laser light source 101 emits laser light.
  • the laser light emitted from the laser light source 101 is shown as laser light L.
  • the wavelength of the laser light L is not particularly limited, it is, for example, a near-infrared band of 800 nm or more and 980 nm or less.
  • Laser light source 101 can be a laser light source having a general configuration.
  • An SLM (Spatial Light Modulator) 102 modulates the spatial distribution of the laser light L incident from the laser light source 101 and emits it.
  • the spatial distribution includes the amplitude, phase and polarization of the laser light, and SLM 102 modulates at least one of these.
  • the SLM 102 can be an LCOS-SLM (Liquid Crystal on Silicon-SLM) in which liquid crystal is arranged on a silicon substrate.
  • An LCOS-SLM is a reflective SLM that modulates and reflects incident light.
  • SLM 102 may be an SLM other than an LCOS-SLM.
  • the SLM 102 irradiates at least one of the solder 301 and the soldering object 305 with the laser light L.
  • FIG. 1 shows a laser beam L applied to solder 301 .
  • FIG. 3 is a plan view showing a spot S, which is an irradiation spot of the laser beam L, and is a view of the solder 301 and the like from a direction perpendicular to the substrate 303.
  • the spot S may be circular as shown in FIG. 3, or other shapes such as rectangular.
  • the optical system 103 imparts a predetermined optical action to the laser light L.
  • the optical system 103 includes a lens 121 and a collimating lens 122 to expand the beam diameter of the laser light L and make it enter the SLM 102 .
  • the configuration of the optical system 103 is not limited to that shown here, and may include mirrors and body lenses, which will be described later.
  • the control device 104 (see FIG. 2) is an information processing device that controls the laser soldering device 100.
  • the controller 104 may be configured integrally with the laser soldering apparatus 100, or may be connected to the laser soldering apparatus 100 directly or via a network.
  • the control device 104 has a control section 131 and a database 132 .
  • the control unit 131 is a functional configuration based on cooperation between hardware and software, which will be described later.
  • the control unit 131 controls the laser light source 101 and the SLM 102. Specifically, the controller 131 controls the SLM 102 to adjust at least one of the shape of the spot S, the size of the spot S, and the intensity distribution of the laser light L within the spot S. In addition, the control unit 131 controls the laser light source 101 to adjust at least one of the output of the laser light L, the irradiation time of the laser light L, and the profile of the laser light L (change in gradient of the output with respect to time). .
  • the database 132 holds the relationship between the sensing result of the sensor 105 and the adjustment value.
  • the control unit 131 collates the sensing result of the sensor 105 with the database 132 and acquires the adjustment value corresponding to the sensing result.
  • the controller 131 can control the laser light source 101 and the SLM 102 as described above according to this adjustment value.
  • the sensor 105 senses at least one of the solder 301, the soldering object 305, and the spot S, and outputs the sensing result to the control unit 131.
  • Sensor 105 includes image sensor 141 , temperature sensor 142 and photodetector 143 .
  • the image sensor 141 has a camera and an image processing unit, and senses at least one of the position, shape and color of the solder 301 and soldering object 305 . Specifically, the image sensor 141 detects the positions, shapes, colors, dirt, and deposits of conductors (including board-side terminals 304) and insulator patterns on the board 303, and the positions, shapes, colors, and dirt of the terminals of the component 302. , the state of adherents, and the position, shape, color, and molten state of the solder 301 are sensed. The molten state of the solder 301 can be sensed using changes in graininess and glossiness of the solder 301 .
  • the temperature sensor 142 senses the temperature of the conductor and insulator pattern of the substrate 303, the temperature of the terminal of the component 302, the temperature of the solder 301, and the like.
  • a photodetector 143 senses the shape and size of the spot S.
  • the sensor 105 may include a sensor capable of sensing at least one of the solder 301 , the soldering object 305 and the spot S in addition to or instead of the image sensor 141 , the temperature sensor 142 and the photodetector 143 .
  • FIG. 4 is a flow chart showing the operation of the laser soldering apparatus 100.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the operation of the laser soldering apparatus 100.
  • the sensor 105 when soldering is started, the sensor 105 performs pre-irradiation sensing before irradiation with the laser light L (St101).
  • the image sensor 141 detects the positions, shapes, colors, dirt and deposits of the conductor and insulator patterns on the substrate 303, the positions, shapes, colors, dirt and deposits of the terminals of the component 302, and the solder.
  • the 301st place, shape, color, etc. are sensed.
  • the temperature sensor 142 senses the temperature of the conductor and insulator pattern of the substrate 303, the temperature of the terminal of the component 302, the temperature of the solder 301, and the like.
  • the image sensor 141 and the temperature sensor 142 output these sensing results to the controller 131 .
  • the control unit 131 calculates irradiation conditions for the laser light L according to these sensing results (St102). Specifically, the control unit 131 collates the sensing result with the database 132 and specifies an adjustment value corresponding to the sensing result of each sensor. The control unit 131 acquires the size of the spot S, the shape of the spot S, the intensity distribution of the laser light L in the spot S, the output of the laser light L, the irradiation time of the laser light L, and the profile of the laser light L as adjustment values. .
  • the control unit 131 controls the laser light source 101 and the SLM 102 according to the acquired adjustment values, and starts irradiation of the laser light L (St103). Even after the irradiation of the laser light L is started, the sensor 105 performs sensing during irradiation (St104). During irradiation sensing, the image sensor 141 detects the position, shape, color, dirt and deposits of the conductor and insulator patterns on the substrate 303, the position, shape, color, dirt and deposits of the terminals of the component 302, and the solder. 301 position, shape, color, melting state, etc. are sensed.
  • the temperature sensor 142 senses the temperature of the conductor and insulator pattern of the substrate 303, the temperature of the terminal of the component 302, the temperature of the solder 301, and the like.
  • a photodetector 143 senses the shape and size of the spot S.
  • the image sensor 141 , the temperature sensor 142 and the photodetector 143 output these sensing results to the controller 131 .
  • the control unit 131 corrects the irradiation conditions of the laser light L according to these sensing results (St105). Specifically, the control unit 131 collates the sensing result with the database 132 and acquires an adjustment value corresponding to the sensing result of each sensor. The control unit 131 acquires the size of the spot S, the shape of the spot S, the intensity distribution of the laser light L in the spot S, the output of the laser light L, the irradiation time of the laser light L, and the profile of the laser light L as adjustment values. .
  • the control unit 131 controls the laser light source 101 and the SLM 102 according to the acquired adjustment values, corrects the irradiation conditions of the laser light L, and continues the irradiation of the laser light L (St103). Thereafter, the control unit 131 repeatedly executes irradiation of the laser light L (St103), sensing during irradiation (St104), and correction of irradiation conditions (St105). The control unit 131 completes the irradiation of the laser light L when the sensing result of the sensor 105 satisfies a predetermined completion condition (St106).
  • the laser beam L is emitted from the laser soldering device 100 as described above.
  • the solder 301 is heated by the laser light L (see FIG. 1) and melted, joining the component 302 and the board-side terminal 304 together.
  • the component 302 is thereby soldered to the board 303 .
  • the laser light source 101 and the SLM 102 are controlled according to the sensing result of the sensor 105, and the irradiation conditions of the laser light L are adjusted.
  • the controller 131 switches the reflection angle of the SLM 102 as shown in FIG. It can be heated. If the SLM 102 is an LCOS-SLM, the switching time is about 20 msec, and high-speed switching is possible.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the laser beam L irradiated to the terminal.
  • the component 302 may have component-side terminals 306
  • solder 301 may be arranged between the component-side terminals 306 and board-side terminals 304 .
  • the component-side terminals 306 are irradiated with the laser light L, and the solder 301 is melted through the component-side terminals 306 .
  • the description that the solder 301 is irradiated with the laser light L can be replaced with the description that the laser light L is irradiated onto the component-side terminals 306 .
  • the laser light L may irradiate at least one of the solder joint terminal provided on the object 305 to be soldered and the solder 301 .
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a conventional laser soldering device 200.
  • the laser soldering apparatus 200 comprises a laser light source 201, a lens 202, a collimating lens 203 and an object lens 204.
  • FIG. A laser beam M emitted from a laser light source 201 is incident on solder 301 via a lens 202 , a collimating lens 203 and an object lens 204 .
  • FIG. 8 is a plan view showing a spot R, which is an irradiation spot of the laser beam M, and is a view of the solder 301 and the like from a direction perpendicular to the substrate 303.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a conventional laser soldering device 200.
  • the laser soldering apparatus 200 comprises a laser light source 201, a lens 202, a collimating lens 203 and an object lens 204.
  • FIG. 8 is a plan view showing a spot R, which is an irradiation spot of the
  • the laser soldering device 200 has a fixed shape and size of the spot R, and generally irradiates only one circular point. Although there are some devices in which the shape and size of the spot R are variable, they only change the diameter of the spot R, and the switching time is as slow as 1 second or longer, making real-time correction difficult.
  • the parts irradiated with the laser beam M during soldering include conductor patterns and insulating patterns (solder resist, etc.) on the substrate 303, components of parts 302 such as terminals, and solder 301.
  • Their shapes, sizes and relative positions are not uniform depending on the parts to be soldered. Also, the shapes, sizes and relative positions of these components vary within a certain range for each operation.
  • FIG. 9 and 10 are schematic diagrams showing a conductor pattern 307 having a rectangular shape and spots R.
  • FIG. 9 when the laser beam M is irradiated so that the spot R becomes the inscribed circle of the conductor pattern 307 having a square shape, it takes time to heat the corner portion of the conductor pattern 307 which is not irradiated with the laser beam M. Since the solder is wet and spreads poorly, problems such as unmelted solder tend to occur. On the other hand, as shown in FIG.
  • the insulator portion around the conductor pattern 307 is irradiated with the laser beam M.
  • the substrate 303 may be damaged, such as burning occurring in this portion.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing soldering of a component 302, which is a small chip component. If all the terminals of a small chip component (mainly two terminals) are not uniformly heated, a phenomenon (Manhattan phenomenon) occurs in which the chip stands up as shown in FIG. In the laser soldering apparatus 200, since one beam of the laser light M is used, when a plurality of terminals are heated simultaneously, not only the terminals but also the entire component 302 is heated. damage to substrate materials, etc., is unavoidable.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a component 302 having a plurality of component-side terminals 306
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing soldering of this component 302.
  • soldering a component 302 having a plurality of component-side terminals 306 if the component-side terminals 306 are heated one by one, the component-side terminals 306 melted by heating and the unheated component-side terminals 306 Since the heights of the solder 301 are different, the solder 301 may not reach either the component-side terminal 306 or the substrate-side terminal 304 as shown in FIG. 13, resulting in connection failure. This is particularly noticeable in parts with poor coplanarity (uniformity of terminal shape).
  • preheating may be performed in advance in order to ensure stable soldering in general. However, since preheating cannot be performed only by the laser soldering device 200, a separate preheating device must be prepared.
  • thermometer temperature sensing using a radiation thermometer is common for sensing the state of soldering using a laser beam, but there is also the problem that accurate temperature measurement is difficult with a radiation thermometer.
  • a radiation thermometer With a radiation thermometer, the correlation coefficient between the actual temperature and the output value of the thermometer changes depending on the emissivity of the object to be measured. etc. are close to each other, and it is difficult to measure only a specific portion among them.
  • the emissivity changes before and after the solder 301 melts accurate temperature measurement cannot be performed.
  • the controller 131 controls the laser light source 101 and the SLM 102 to control the size of the spot S (see FIG. 3), the shape of the spot S, and the laser beam L in the spot S. , the output of the laser light L, the irradiation time of the laser light L, and the profile of the laser light L are adjusted.
  • the laser soldering apparatus 100 can irradiate the laser light L under appropriate irradiation conditions, and high-quality soldering is possible.
  • the control unit 131 adjusts the irradiation conditions based on the sensing result of the sensor 105, so that the conductor pattern and the insulation pattern on the substrate 303 (see FIG.
  • the control unit 131 can correct the irradiation conditions of the laser light L according to the sensing result even during the irradiation of the laser light L, and it is possible to set appropriate irradiation conditions according to the state of each part.
  • the laser soldering apparatus 100 can simultaneously heat the terminals on both sides when soldering a small chip component (see FIG. 11). This can prevent the occurrence of a phenomenon (Manhattan phenomenon) in which the component 302 stands upright. Further, when soldering a component 302 (see FIG. 12) having a plurality of component-side terminals 306 such as an IC, the laser soldering apparatus 100 can heat all the terminals at the same time. As a result, the solder 301 of all the terminals melts at the same time, and the component 302 sinks at the same time. Therefore, even parts with poor coplanarity can be suitably soldered.
  • the laser soldering apparatus 100 can irradiate the laser light L aiming at a place where the solder 301 (see FIG. 1) exists. Thereby, bumping of the solder 301 can be suppressed. In addition, it is possible to suppress the defect that a part of the solder 301 remains unmelted.
  • the solder 301 is cream solder, the solder 301 is crushed when a component is placed on the solder 301, but the way of crushing is different each time.
  • the laser soldering apparatus 100 can recognize the collapsed shape, match the shape and size of the spot S, and prevent the solder 301 from remaining unmelted.
  • the laser soldering apparatus 100 it is possible to irradiate a spot-shaped laser beam L suitable for a place to be heated. As a result, damage to surrounding members can be reduced, and application to low heat-resistant substrates is possible.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing three-dimensional mounting by the laser soldering apparatus 100.
  • the SLM 102 can change the focus of the laser beam L in real time, and as shown in FIG. 14, locations with different heights can be heated simultaneously. Thereby, it is possible to mount a plurality of components 302 three-dimensionally.
  • Some laser soldering equipment uses a galvano mirror to scan the laser beam, but with this method, it is difficult to change the focus in real time, so it is not possible to heat places with different heights at the same time.
  • the output of the laser light L can be increased. Since the galvano method scans with a laser beam, it is not possible to apply a large amount of heat in a short period of time. Further, in the laser soldering apparatus 100, the in-plane uniformity of the laser light L can be improved. Since the intensity distribution of the laser beam irradiation surface can be arbitrarily set by using the SLM, it is possible to correct the in-plane uniformity for this reason.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing the irradiation pattern of the laser light L, and shows the intensity distribution of the laser light L in the spot S by shading. As shown in FIG. 15, the laser soldering apparatus 100 can uniformly heat the processing surface by switching between a plurality of irradiation patterns at high speed.
  • the laser soldering apparatus 100 senses not only the temperature but also the state of soldering using the image sensor 141 (see FIG. 2). As a result, it is possible to capture the moment when the solder 301 melts (the graininess of the solder paste disappears), capture the moment when the solder 301 spreads out, capture the moment when the solder 301 melts and the part 302 sinks, and capture the component 302 by heating. It is possible to capture the discoloration and change in gloss of the film. Therefore, soldering can be performed more efficiently while suppressing damage to the member.
  • FIG. 16 is a graph showing changes in output of the laser light L during preheating and main heating.
  • the control unit 131 causes the laser light source 101 to emit a laser beam L with the output P1, thereby performing preheating.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing solder 301 and spots S during preheating. As shown in the figure, the controller 131 controls the SLM 102 so that the spot S covers a wide range including the periphery of the solder 301 .
  • the output P1 is an output for heating the solder 301 to a temperature that does not melt it.
  • FIG. 16 the control unit 131 causes the laser light source 101 to emit a laser beam L with the output P2, thereby performing main heating.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing solder 301 and spots S in the main heating. As shown in the figure, the controller 131 controls the SLM 102 so that the spot S is narrower than the solder 301 .
  • the output P2 is the output for heating the solder 301 to a melting temperature.
  • the laser soldering apparatus 100 can switch between preheating and main heating depending on the output of the laser light source 101 and the range of the spot S. Since preheating can be performed only by the laser soldering apparatus 100, it is possible to reduce equipment costs.
  • FIG. 19 and 20 are schematic diagrams showing other configurations of the laser soldering apparatus 100.
  • the optical system 103 may include a body lens 123 into which the laser beam L emitted from the SLM 102 is incident.
  • the optical system 103 may include a plurality of mirrors 124 for reflecting the laser light L.
  • the laser soldering apparatus 100 may include an optical system 103 having various configurations.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the irradiation direction of the laser beam L by the laser soldering device 100. As shown in FIG. As shown in the figure, the laser soldering apparatus 100 uses the SLM 102 to irradiate the solder 301 with the laser light L from an oblique direction while keeping the optical axis D1 of the laser light L perpendicular to the main surface of the substrate 303. can do.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing the irradiation direction of the laser light M by the conventional laser soldering device 200 (see FIG. 7).
  • the optical axis D2 of the laser beam M is perpendicular to the main surface of the substrate 303, and the general laser soldering device is similar.
  • the laser beam M interferes with the tall component 302 and the laser beam M does not sufficiently hit the solder 301 .
  • the laser soldering apparatus 100 can irradiate the laser beam L at an angle that avoids interference with the component 302 .
  • the laser beam L can avoid damage to the component 302 due to the irradiation of the laser beam L, and it is possible to irradiate the solder 301 adjacent to the component 302 with the laser beam L, so that reliable soldering can be realized.
  • Laser soldering apparatus 100 may include multiple SLMs 102 .
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing irradiation of laser light L by laser soldering apparatus 100 having a plurality of SLMs 102. As shown in FIG. As shown in the figure, the laser soldering apparatus 100 includes two SLMs 102 and can irradiate solder 301 with laser light L emitted from each SLM 102 . Note that the number of SLMs 102 provided in the laser soldering apparatus 100 is not limited to two, and may be three or more.
  • the laser soldering apparatus 100 may include a plurality of laser light sources 101 for making the laser light L incident on each SLM 102, respectively, or may include one laser light source 101 for making the laser light L incident on the plurality of SLMs 102. can be anything.
  • FIG. 24 is a schematic diagram showing irradiation of laser light L by a laser soldering apparatus 100 having one SLM 102.
  • FIG. 24 As shown in the figure, when a tall component 302 is soldered by the laser soldering apparatus 100, the component 302 is exposed to the laser beam L, and the temperature exceeds the heat resistance temperature of the component 302. There may arise a problem that the solder does not melt properly, resulting in poor soldering.
  • the laser soldering apparatus 100 is provided with a plurality of SLMs 102, thereby making it possible to irradiate the solder 301 beam with the laser light L from each SLM 102 while avoiding interference with the component 302. .
  • the shape of the spot S can be manipulated even when the laser soldering apparatus 100 includes one SLM 102, there is a limit to the irradiation angle of the laser light L that can be controlled.
  • the laser soldering apparatus 100 comprises a plurality of SLMs 102, the irradiation angle limitation can be avoided.
  • the laser soldering apparatus 100 When the laser soldering apparatus 100 is equipped with a plurality of SLMs 102 in this way, it is possible to improve soldering quality and reliability. Specifically, it is possible to irradiate the laser beam L at an angle that avoids interference with the component 302, and the component 302 can be prevented from being scorched. In addition, it becomes possible to irradiate the working surface of the soldering with the laser beam L having effective energy, thereby reducing soldering defects. Furthermore, when the laser soldering apparatus 100 has one laser light source 101, the laser light L is split and used, so the thermal load per SLM 102 is reduced, and the life of the SLM 102 can be extended. Further, when the laser soldering apparatus 100 has a plurality of laser light sources 101, the total output of the laser light L becomes high, and productivity is improved.
  • FIG. 25 is a schematic diagram showing this hardware configuration.
  • control device 104 incorporates a CPU (Central Processing Unit) 1001 and a GPU (Graphics Processing Unit) 1002 .
  • An input/output interface 1006 is connected to the CPU 1001 and GPU 1002 via a bus 1005 .
  • a ROM (Read Only Memory) 1003 and a RAM (Random Access Memory) 1004 are connected to the bus 1005 .
  • the input/output interface 1006 includes an input unit 1007 including input devices such as a keyboard and a mouse for the user to input operation commands, an output unit 1008 for outputting a processing operation screen and images of processing results to a display device, and programs and various data.
  • a database 132 (see FIG. 2) is stored in the storage unit 1009 .
  • the CPU 1001 reads a program stored in the ROM 1003 or a removable storage medium 1012 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory, is installed in the storage unit 1009, and is loaded from the storage unit 1009 to the RAM 1004. Various processes are executed according to the program.
  • the RAM 1004 also stores data necessary for the CPU 1001 to execute various types of processing.
  • the GPU 1002 receives control from the CPU 1001 and executes calculation processing necessary for image drawing.
  • the CPU 1001 loads, for example, a program stored in the storage unit 1009 into the RAM 1004 via the input/output interface 1006 and the bus 1005 and executes the above-described program. A series of processes are performed.
  • the program executed by the control device 104 can be provided by being recorded on a removable storage medium 1012 such as a package medium, for example. Also, the program can be provided via a wired or wireless transmission medium such as a local area network, the Internet, or digital satellite broadcasting.
  • the program can be installed in the storage unit 1009 via the input/output interface 1006 by loading the removable storage medium 1012 into the drive 1011 . Also, the program can be received by the communication unit 1010 and installed in the storage unit 1009 via a wired or wireless transmission medium. In addition, programs can be installed in the ROM 1003 and the storage unit 1009 in advance.
  • the program executed by the control device 104 may be a program in which processing is performed in chronological order according to the order described in the present disclosure, or may be performed in parallel or at a necessary timing such as when a call is made. It may be a program in which processing is performed in
  • control device 104 may not be entirely mounted on one device, and the control device 104 may be configured by a plurality of devices. It may also be installed in a plurality of devices connected via a part of the hardware configuration of the control device 104 or a network.
  • the present technology can also have the following configuration.
  • a laser light source that emits laser light
  • an SLM Surface Light Modulator
  • a laser soldering apparatus comprising: a controller that controls the laser light source and the SLM and adjusts irradiation conditions of the laser light.
  • the SLM is LCOS-SLM (Liquid Crystal on Silicon-SLM). Laser soldering equipment.
  • the controller controls the SLM and adjusts at least one of a spot shape, a spot size and an intensity distribution of the laser beam.
  • the laser soldering device controls the laser light source and adjusts at least one of an output of the laser light, an irradiation time of the laser light, and a profile of the laser light.
  • the laser soldering device according to any one of (1) to (4) above, further comprising a sensor for sensing at least one of the solder, the soldering object, and the laser beam spot; The laser soldering apparatus, wherein the controller adjusts the irradiation conditions based on sensing results from the sensor.
  • the laser soldering device according to (5) above, The laser soldering device, wherein the control unit collates the sensing result of the sensor with a database to specify the irradiation conditions.
  • the laser soldering device is an image sensor and senses at least one of the position, shape and color of the solder or the object to be soldered.
  • the laser soldering device is a temperature sensor, and senses the temperature of the solder or the object to be soldered. Laser soldering apparatus.
  • the laser soldering device is a photodetector and senses the spot of the laser light. Laser soldering device.
  • the laser soldering device according to any one of (5) to (9) above, The sensor performs sensing before and during irradiation with the laser light, The control unit determines the irradiation condition based on the sensing result of the sensor before irradiation with the laser beam, and corrects the irradiation condition based on the sensing result of the sensor during irradiation with the laser beam Laser soldering Device.
  • the controller performs preheating in which the solder is not melted by the laser beam, and main heating in which the solder is melted by the laser beam.
  • SYMBOLS 100 Laser soldering apparatus 101... Laser light source 102... SLM DESCRIPTION OF SYMBOLS 103... Optical system 104... Control apparatus 105... Sensor 131... Control part 132... Database 141... Image sensor 142... Temperature sensor 143... Photodetector 301... Solder 302... Component 303... Board 304... Board side terminal 305... Soldering object 306 ...Component side terminal

Landscapes

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  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

【課題】レーザー照射により高品質のはんだ付けが可能なレーザーはんだ装置、制御装置及びレーザーはんだ付け方法を提供すること。 【解決手段】本技術に係るレーザーはんだ装置は、レーザー光源と、SLM(Spatial Light Modulator)と、制御部とを具備する。上記レーザー光源は、レーザー光を出射する。上記SLMは、上記レーザー光源から入射したレーザー光を変調し、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射する。上記制御部は、上記レーザー光源及び上記SLMを制御し、上記レーザー光の照射条件を調整する。

Description

レーザーはんだ装置、制御装置及びレーザーはんだ付け方法
 本技術は、レーザーによりはんだ付けを行うレーザーはんだ装置、制御装置及びレーザーはんだ付け方法に関する。
 レーザー光照射によりはんだを溶融させ、はんだ付けを行うレーザーはんだ装置は多く用いられている。既存のレーザーはんだ装置は、レーザー光のスポット形状及びスポットサイズが固定であり、スポット形状は円形のものが一般的であるが、一部、スポット形状及び照射スポットサイズが可変のレーザーはんだ装置も開発されている。
 例えば、特許文献1には複数のマスクを備え、レーザー光が入射するマスクを切り替えることでスポット形状を変更可能なレーザーリフロー装置が開示されている。また、特許文献2には、一組のプレート状光学素子を備え、その相対位置を変位させてレーザー光を入射させることによりスポット形状を変更可能な光学デバイスが開示されている。
特開2010-010196号公報 特開2015-200732号公報
 しかしながら、特許文献1及び2に記載のような装置では、スポット形状の切り替えに1秒以上を要する。一般にはんだ付けでは、はんだの溶融状態等に応じてはんだの加熱条件の調整を行うことにより、高品質のはんだ付けが可能となるが、レーザーはんだ装置ではスポット形状の切り替えに時間を要し、このような調整をリアルタイムに行うことは困難であった。
 以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、レーザー照射により高品質のはんだ付けが可能なレーザーはんだ装置、制御装置及びレーザーはんだ付け方法を提供することにある。
 上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るレーザーはんだ装置は、レーザー光源と、SLM(Spatial Light Modulator)と、制御部とを具備する。
 上記レーザー光源は、レーザー光を出射する。
 上記SLMは、上記レーザー光源から入射したレーザー光を変調し、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射する。
 上記制御部は、上記レーザー光源及び上記SLMを制御し、上記レーザー光の照射条件を調整する。
 上記SLMはLCOS-SLM(Liquid Crystal on Silicon-SLM)であってもよい。
 上記制御部は、上記SLMを制御し、上記レーザー光のスポット形状、スポットサイズ及び強度分布の少なくともいずれか1つを調整してもよい。
 上記制御部は、上記レーザー光源を制御し、上記レーザー光の出力、上記レーザー光の照射時間及び上記レーザー光のプロファイルの少なくともいずれか1つを調整してもよい。
 上記レーザーはんだ装置は、上記はんだ、上記はんだ付け対象物及び上記レーザー光のスポットの少なくともいずれか1つをセンシングするセンサをさらに具備し、
 上記制御部は、上記センサによるセンシング結果に基づいて上記照射条件を調整してもよい。
 上記制御部は、上記センサによるセンシング結果をデータベースと照合し、上記照射条件を特定してもよい。
 上記センサは画像センサであり、上記はんだ又は上記はんだ付け対象物の位置、形状及び色の少なくともいずれか1つをセンシングしてもよい。
 上記センサは温度センサであり、上記はんだ又は上記はんだ付け対象物の温度をセンシングしてもよい。
 上記センサはフォトディテクタであり、上記レーザー光のスポットをセンシングしてもよい。
 上記センサは、上記レーザー光の照射前及び上記レーザーの照射中にセンシングを行い、
 上記制御部は、上記レーザー光の照射前の上記センサによるセンシング結果に基づいて上記照射条件を決定し、上記レーザー光の照射中の上記センサによるセンシング結果に基づいて上記照射条件を補正してもよい。
 上記制御部は、上記レーザー光により上記はんだを溶融させない予備加熱と、上記レーザー光により上記はんだを溶融させる加熱する本加熱とを実行してもよい。
 上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る制御装置は、制御部を具備する。
 上記制御部は、レーザーを出射するレーザー光源と、上記レーザー光源から入射したレーザー光を変調し、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射するSLM(Spatial Light Modulator)とを制御し、上記レーザー光の照射条件を調整する。
 上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るレーザーはんだ付け方法は、レーザー光源からレーザー光を出射させ、SLM(Spatial Light Modulator)に、上記レーザー光源から入射したレーザー光を変調させ、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射させ、上記レーザー光源及び上記SLMを制御し、上記レーザー光の照射条件を調整する。
本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置の模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置のブロック図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置から出射されるレーザー光のスポットを示す平面図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置の動作を示すフローチャートである。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置の動作を示す模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置の動作を示す模式図である。 従来構造を有するレーザーはんだ装置の模式図である。 従来構造を有するレーザーはんだ装置から出射されるレーザー光のスポットを示す平面図である。 従来構造を有するレーザーはんだ装置から出射されるレーザー光のスポットを示す平面図である。 従来構造を有するレーザーはんだ装置から出射されるレーザー光のスポットを示す平面図である。 従来構造を有するレーザーはんだ装置によるマンハッタン現象を示す模式図である。 複数の部品側端子を有する部品の模式図である。 従来構造を有するレーザーはんだ装置によりはんだ付けされた、複数の部品側端子を有する部品の模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置による部品の三次元実装を示すも模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置によるレーザー光の照射パターンを示す模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置による、予備加熱と本加熱におけるレーザー光の出力の推移を示すグラフである。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置による、予備加熱におけるはんだとスポットを示す模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置による、本加熱におけるはんだとスポットを示す模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置の他の構成を示す模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置の他の構成を示す模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置によるレーザー光の照射を示す模式図である。 従来構造を有するレーザーはんだ装置によるレーザー光の照射を示す模式図である。 本技術の実施形態に係る、複数のSLMを備えるレーザーはんだ装置によるレーザー光の照射を示す模式図である。 本技術の実施形態に係る、1つのSLMを備えるレーザーはんだ装置によるレーザー光の照射を示す模式図である。 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置が備える制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
 本技術の実施形態に係るレーザーはんだ装置について説明する。
 [レーザーはんだ装置の構成]
 図1は本実施形態に係るレーザーはんだ装置100の構成を示す模式図であり、図2はレーザーはんだ装置100の構成を示すブロック図である。図1及び図2に示すように、レーザーはんだ装置100はレーザー光源101、SLM102、光学系103、制御装置104及びセンサ105を具備する。また、図1において、はんだ301、部品302及び基板303示す。基板303は基板側端子304を備え、部品302ははんだ301により基板側端子304と接合される。以下、部品302と基板303を併せてはんだ付け対象物305とする。
 レーザー光源101はレーザー光を出射する。図1において、レーザー光源101から出射されるレーザー光をレーザー光Lとして示す。レーザー光Lの波長は特に限定されないが、例えば800nm以上980nm以下の近赤外光帯域である。レーザー光源101は一般的構成を有するレーザー光源とすることができる。
 SLM(Spatial Light Modulator:空間光変調器)102は、レーザー光源101から入射したレーザー光Lの空間的な分布を変調し、出射する。空間的な分布にはレーザー光の振幅、位相及び偏光が含まれ、SLM102はこれらの少なくともいずれかを変調する。SLM102はシリコン基板上に液晶を配置したLCOS-SLM(Liquid Crystal on Silicon-SLM)とすることができる。LCOS-SLMは入射光を変調し、反射する反射型のSLMである。また、SLM102はLCOS-SLM以外のSLMであってもよい。
 SLM102は、レーザー光Lをはんだ301及びはんだ付け対象物305の少なくともいずれか一方に照射する。図1でははんだ301に照射されたレーザー光Lを示す。図3は、レーザー光Lの照射スポットであるスポットSを示す平面図であり、基板303に垂直な方向からはんだ301等を見た図である。スポットSは図3に示すように円形であってもよく、矩形等の他の形状であってもよい。
 光学系103はレーザー光Lに所定の光学的作用を付与する。光学系103は図1に示すように、レンズ121及びコリメートレンズ122を含み、レーザー光Lのビーム径を拡大してSLM102に入射させる。光学系103の構成はここに示すものに限られず、後述するミラーや体物レンズを含むものであってもよい。
 制御装置104(図2参照)は、レーザーはんだ装置100を制御する情報処理装置である。制御装置104はレーザーはんだ装置100と一体的に構成されていてもよく、直接又はネットワークを介してレーザーはんだ装置100と接続されていてもよい。図2に示すように制御装置104は制御部131とデータベース132を備える。なお、制御部131は、後述するハードウェアとソフトウェアの協働による機能的構成である。
 制御部131は、レーザー光源101及びSLM102制御する。具体的には制御部131は、SLM102を制御し、スポットSの形状、スポットSのサイズ及びスポットS内のレーザー光Lの強度分布の少なくともいずれか1つを調整する。また、制御部131は、レーザー光源101を制御し、レーザー光Lの出力、レーザー光Lの照射時間及びレーザー光Lのプロファイル(時間に対する出力の勾配の変化)の少なくともいずれか1つを調整する。
 データベース132は、センサ105のセンシング結果と調整値の関係を保持する。制御部131は、センサ105のセンシング結果をデータベース132と照合し、センシング結果に対応する調整値を取得する。制御部131はこの調整値に応じて上記のようにレーザー光源101及びSLM102を制御することができる。
 センサ105(図2参照)は、はんだ301、はんだ付け対象物305及びスポットSの少なくともいずれか1つをセンシングし、センシング結果を制御部131に出力する。センサ105は、画像センサ141、温度センサ142及びフォトディテクタ143を含む。
 画像センサ141はカメラと画像処理ユニットを備え、はんだ301及びはんだ付け対象物305の位置、形状及び色の少なくともいずれか1つをセンシングする。具体的には画像センサ141は基板303の導体(基板側端子304を含む)及び絶縁体パターンの位置、形状、色、汚れや付着物の状態、部品302の端子の位置、形状、色、汚れや付着物の状態、はんだ301の位置、形状、色及び溶融状態等をセンシングする。はんだ301の溶融状態は、はんだ301の粒感の変化や光沢の変化を利用してセンシング可能である。温度センサ142は、基板303の導体及び絶縁体パターンの温度、部品302の端子の温度及びはんだ301の温度等をセンシングする。フォトディテクタ143は、スポットSの形状及びサイズをセンシングする。センサ105は画像センサ141、温度センサ142及びフォトディテクタ143に加え、又はこれらに替えてはんだ301、はんだ付け対象物305及びスポットSの少なくともいずれか1つをセンシング可能なセンサを備えてもよい。
 [レーザーはんだ装置の動作]
 レーザーはんだ装置100の動作について説明する。図4はレーザーはんだ装置100による動作を示すフローチャートである。図5はレーザーはんだ装置100の動作を示す模式図である。
 図4に示すように、はんだ付けが開始されると、レーザー光Lの照射前にセンサ105は照射前センシングを行う(St101)。照射前センシングでは、画像センサ141は基板303の導体及び絶縁体パターンの位置、形状、色、汚れや付着物の状態、部品302の端子の位置、形状、色、汚れや付着物の状態、はんだ301の位、形状及び色等をセンシングする。温度センサ142は、基板303の導体及び絶縁体パターンの温度、部品302の端子の温度及びはんだ301の温度等をセンシングする。画像センサ141及び温度センサ142はこれらのセンシング結果を制御部131に出力する。
 制御部131はこれらのセンシング結果に応じてレーザー光Lの照射条件を算出する(St102)。具体的には制御部131は、上記センシング結果をデータベース132と照合し、各センサのセンシング結果に対応する調整値を特定する。制御部131は、調整値としてスポットSのサイズ、スポットSの形状、スポットS内のレーザー光Lの強度分布、レーザー光Lの出力、レーザー光Lの照射時間及びレーザー光Lのプロファイルを取得する。
 制御部131は取得した調整値に合わせてレーザー光源101及びSLM102を制御し、レーザー光Lの照射を開始する(St103)。レーザー光Lの照射開始後も、センサ105は照射中センシングを行う(St104)。照射中センシングでは、画像センサ141は基板303の導体及び絶縁体パターンの位置、形状、色、汚れや付着物の状態、部品302の端子の位置、形状、色、汚れや付着物の状態、はんだ301の位、形状、色及び溶融状態等をセンシングする。温度センサ142は、基板303の導体及び絶縁体パターンの温度、部品302の端子の温度及びはんだ301の温度等をセンシングする。フォトディテクタ143は、スポットSの形状及びサイズをセンシングする。画像センサ141、温度センサ142及びフォトディテクタ143はこれらのセンシング結果を制御部131に出力する。
 制御部131はこれらのセンシング結果に応じてレーザー光Lの照射条件を補正する(St105)。具体的には制御部131は、上記センシング結果をデータベース132と照合し、各センサのセンシング結果に対応する調整値を取得する。制御部131は、調整値としてスポットSのサイズ、スポットSの形状、スポットS内のレーザー光Lの強度分布、レーザー光Lの出力、レーザー光Lの照射時間及びレーザー光Lのプロファイルを取得する。
 制御部131は取得した調整値に合わせてレーザー光源101及びSLM102を制御し、レーザー光Lの照射条件を補正した上でレーザー光Lの照射を継続する(St103)。以降、制御部131は、レーザー光Lの照射(St103)、照射中センシング(St104)及び照射条件の補正(St105)を繰り返し実行する。制御部131は、センサ105のセンシング結果が所定の完了条件を満たすとレーザー光Lの照射を完了するSt106)。
 以上のようにしてレーザーはんだ装置100からレーザー光Lが照射される。はんだ301はレーザー光L(図1参照)により加熱されて溶融し、部品302と基板側端子304を接合する。これにより部品302が基板303にはんだ付けされる。また、センサ105によるセンシング結果に応じてレーザー光源101及びSLM102が制御され、レーザー光Lの照射条件が調整される。なお、はんだ付け箇所が複数ある場合、図5に示すように制御部131はSLM102の反射角度を切り替え、複数のはんだ付け箇所に同時にレーザー光Lを照射させ、複数のビームにより複数の301を同時に加熱することが可能である。SLM102がLCOS-SLMの場合、切り替え時間は20msec程度であり、高速の切り替えが可能である。
 なお、上記説明においては、レーザー光Lがはんだ301に照射されるものして説明したが、これに限られない。図6は、端子に照射されるレーザー光Lを示す模式図である。同図に示すように部品302は部品側端子306を備え、部品側端子306と基板側端子304の間にははんだ301が配置される場合もある。この場合、レーザー光Lは部品側端子306に照射され、部品側端子306を介してはんだ301を溶融させる。本開示においてレーザー光Lがはんだ301に照射されるという記載は、レーザー光Lが部品側端子306に照射されると置き換えることができる。この他にもレーザー光Lは、はんだ付け対象物305が備えるはんだ接合用端子とはんだ301の少なくとも一方に照射されるものであればよい。
 [レーザーはんだ装置による効果]
 レーザーはんだ装置100による効果を、従来のレーザーはんだ装置との比較の上で説明する。図7は従来のレーザーはんだ装置200を示す模式図である。同図に示すようにレーザーはんだ装置200はレーザー光源201、レンズ202、コリメートレンズ203及び体物レンズ204を備える。レーザー光源201から出射されたレーザー光Mは、レンズ202、コリメートレンズ203及び体物レンズ204を介してはんだ301に入射する。図8は、レーザー光Mの照射スポットであるスポットRを示す平面図であり、基板303に垂直な方向からはんだ301等を見た図である。
 レーザーはんだ装置200は、スポットRの形状及びサイズが固定であり、一般的には円形の1点のみの照射である。一部、スポットRの形状及びサイズが可変の装置もあるが、スポットRの径が変わる程度であり、その切り替え時間は速いものでも1秒以上と遅く、リアルタイムに補正することは困難である。
 また、はんだ付けにおいてレーザー光Mが照射される部位には、基板303上の導体パターン及び絶縁パターン(ソルダーレジストなど)、端子等の部品302の構成要素、はんだ301が含まれる。これらの形状、サイズ及び相対位置は、はんだ付けの対象部品などによって一様ではない。また、これらの形状、サイズ及び相対位置は、作業毎にある範囲でばらつくものである。
 例えば、レーザーはんだ装置200により四角形形状を有する導体パターンに円形のスポットRを有するレーザー光を照射する場合を考える。図9及び図10は、四角形形状を有する導体パターン307とスポットRを示す模式図である。図9に示すようにスポットRが、四角形形状を有する導体パターン307の内接円となるようにレーザー光Mを照射するとレーザー光Mが照射されない導体パターン307の角部分が加熱されるまでに時間がかかり、はんだの濡れ広がりが悪くなるので、はんだ未溶融などの問題が発生しやすい。一方、図10に示すようにスポットRが、四角形形状を有する導体パターン307の外接円となるようにレーザー光Mを照射すると導体パターン307の周囲の絶縁体部分にレーザー光Mが照射されることになり、この部分に焦げが生じる等、基板303を損傷させるおそれがある。
 また、レーザーはんだ装置200により小型のチップ部品をはんだ付けする場合、以下のような問題が生じる。図11は小型のチップ部品である部品302のはんだ付けを示す模式図である。小型のチップ部品(主に2端子)はすべての端子を均一に加熱しないと、図11に示すようにチップが立つという現象(マンハッタン現象)が発生する。レーザーはんだ装置200では、レーザー光Mのビームが1つであるので、複数端子を同時加熱する場合には、端子だけでなく部品302の全体を加熱することになり、部品302へのダメージや周辺の基板材料等へのダメージが避けられない。
 さらに、レーザーはんだ装置200によりIC(Integrated Circuit)等の複数の端子を有する部品をはんだ付けする場合も、以下のような問題が生じる。図12は複数の部品側端子306を有する部品302を示す模式図であり、図13はこの部品302のはんだ付けを示す模式図である。複数の部品側端子306を有する部品302をはんだ付けする場合、部品側端子306を1つずつ加熱すると、加熱してはんだ301が溶融した部品側端子306と、未加熱の部品側端子306とではんだ301による高さが異なるため、図13に示すようにはんだ301が部品側端子306と基板側端子304のいずれかに届かず、接続に失敗するというおそれがある。特にコプラナリティ(端子形状の均一性)の悪い部品では顕著である。
 さらに、レーザーはんだ装置200によるはんだ付けでははんだ301は温度が急激に上がるために、はんだ材料の突沸が発生しやすく、これによりはんだボール(溶けた小さなはんだが周辺に飛んで付着すること)の発生などの品質問題を起こしやすい。また、はんだ付け全般に、安定してはんだ付けをするため、事前に予備加熱を実施することがある。しかし、レーザーはんだ装置200のみでの予備加熱はできないので、別途、予備加熱する装置を準備する必要がある。
 また、レーザー光によるはんだ付け中の状態センシングとしては、放射温度計による温度センシングが一般的であるが、放射温度計では正確な温度測定が難しいという問題もある。放射温度計は測定対象物の放射率によって実際の温度と温度計の出力値の相関係数が変わるが、はんだ付けの場合、基板303上の導体パターンや絶縁パターン、部品302の端子及びはんだ301等が近接しており、この中の特定の部位のみを測定対象とすることは困難である。また、はんだ301が溶ける前後で放射率が変化するために、正確な温度測定ができない。
 これに対し、本実施形態に係るレーザーはんだ装置100では、制御部131がレーザー光源101及びSLM102を制御し、スポットS(図3参照)のサイズ、スポットSの形状、スポットS内のレーザー光Lの強度分布、レーザー光Lの出力、レーザー光Lの照射時間及びレーザー光Lのプロファイルを調整する。これにより、レーザーはんだ装置100はレーザー光Lを適切な照射条件で照射することができ、高品質のはんだ付けが可能である。また、制御部131がセンサ105によるセンシング結果に基づいて照射条件を調整することで、基板303(図1参照)上の導体パターン及び絶縁パターン、部品側端子306及びはんだ301の配置、これらの温度やスポットSの形状等に応じてレーザー光Lの照射条件を調整することが可能となる。さらに、制御部131はレーザー光Lの照射中もセンシング結果に応じてレーザー光Lの照射条件を補正することができ、各部位の状態に応じて適切な照射条件とすることが可能である。
 また、レーザーはんだ装置100では小型のチップ部品(図11参照)をはんだ付けする際、両側の端子を同時に加熱することができる。これにより、部品302が立ってしまう現象(マンハッタン現象)の発生を防止することができる。また、レーザーはんだ装置100ではIC等の複数の部品側端子306を有する部品302(図12参照)をはんだ付けする際、全端子を同時に加熱することができる。これにより、全端子のはんだ301が同時に溶けて、同時に部品302が沈み込むことになり、はんだ301が部品側端子306に届かないという不良を抑制できる。このため、コプラナリティが悪い部品であっても好適にはんだ付けすることが可能である。
 さらに、レーザーはんだ装置100でははんだ301(図1参照)がある場所を狙ってレーザー光Lを照射することができる。これにより、はんだ301の突沸を抑えることが可能である。また、はんだ301の一部が未溶融で残るという不良を抑制することもできる。はんだ301がクリームはんだである場合、はんだ301上に部品が載るとはんだ301がつぶれるが、そのつぶれ方は毎回違うものとなる。レーザーはんだ装置100ではそのつぶれた形状を認識して、スポットSの形状及びサイズそれに合わせることができ、はんだ301の溶け残りを防止することができる。
 また、レーザーはんだ装置100で複数部品又は複数端子を同時にはんだ付けする(図5参照)ことができ、生産性を向上させることができる。また、レーザー光Lの複数ビームのそれぞれのレーザー強度を任意に設定できるため、複数部品の同時加熱時にはんだ付けにかかる時間を揃えることが可能であり、これによる生産性の向上も可能である。
 さらに、レーザーはんだ装置100では、加熱したい場所にその場所にあったスポット形状のレーザー光Lを照射することができる。これにより、周囲の部材へのダメージを小さくできるため、低耐熱基板への適用が可能となる。
 また、レーザーはんだ装置100では、三次元実装に対応可能である。図14はレーザーはんだ装置100による三次元実装を示す模式図である。レーザーはんだ装置100ではSLM102によりレーザー光Lのフォーカスをリアルタイムに変更することが可能であり、図14に示すように高さが異なる箇所を同時に加熱することができる。これにより、複数の部品302を三次元的に実装することが可能である。レーザーはんだ装置にはガルバノミラーによりレーザー光のスキャンを行うガルバノ方式のものがあるが、この方式ではリアルタイムにフォーカスを変えることが困難なため、高さの違う箇所を同時に加熱することができない。
 また、レーザーはんだ装置100では、レーザー光Lの高出力化が可能である。ガルバノ方式ではレーザー光をスキャンしているので、短時間に高い熱量を与えることができないが、SLM102は一括照射が可能であり、レーザー光Lの高出力化が可能である。また、レーザーはんだ装置100では、レーザー光Lの面内均一性を向上させることができる。SLMを使うとレーザー光照射面の強度分布を任意に設定できるので、これを理由することで、面内均一性を補正することが可能である。図15はレーザー光Lの照射パターンを示す模式図であり、スポットSにおけるレーザー光Lの強度分布を濃淡で示す。レーザーはんだ装置100では、図15に示すように複数の照射パターンを高速で切り替えることで、加工面内を均一に加熱することが可能である。
 また、レーザーはんだ装置100では温度だけでなく、画像センサ141(図2参照)を用いてはんだ付けの状態をセンシングする。これにより、はんだ301が溶けた(はんだペーストの粒感がなくなった)瞬間を捉える、はんだ301が濡れ広がった瞬間を捉える、はんだ301が溶けて部品302が沈み込んだ瞬間を捉える、加熱による部材の変色や光沢の変化を捉える等が可能となる。このため、より効率よく、部材へのダメージを抑制したはんだ付けができる。
 [予備加熱について]
 レーザーはんだ装置100では、はんだ301(図1参照)を溶融させる本加熱の前に、はんだ301を溶融させない予備加熱を行うことが可能である。図16は予備加熱と本加熱におけるレーザー光Lの出力の推移を示すグラフである。同図に示すように、制御部131は、レーザー光源101の出力を出力P1としてレーザー光Lを出射させ、予備加熱を行う。図17は予備加熱におけるはんだ301とスポットSを示す模式図である。同図に示すように、制御部131は、スポットSがはんだ301の周囲を含む広い範囲となるようにSLM102を制御する。出力P1ははんだ301を溶融しない温度に加熱する出力である。
 さらに図16に示すように制御部131は、レーザー光源101の出力を出力P2としてレーザー光Lを出射させ、本加熱を行う。図18は本加熱におけるはんだ301とスポットSを示す模式図である。同図に示すように、制御部131は、スポットSがはんだ301より狭い範囲となるようにSLM102を制御する。出力P2ははんだ301を溶融する温度に加熱する出力である。
 このように、レーザーはんだ装置100ではレーザー光源101の出力とスポットSの範囲により、予備加熱及び本加熱の切り替えが可能である。レーザーはんだ装置100のみで予備加熱が可能であるため、設備コストの抑制が可能である。
 [レーザーはんだ装置の他の構成]
 レーザーはんだ装置100の他の構成について説明する。図19及び図20はレーザーはんだ装置100の他の構成を示す模式図である。図19に示すように光学系103はSLM102から出射されたレーザー光Lが入射する体物レンズ123を備えるものであってもよい。また、図20に示すように光学系103は、レーザー光Lを反射する複数のミラー124を備えるものであってもよい。この他にもレーザーはんだ装置100は、各種構成を有する光学系103を備えるものであってもよい。
 [レーザー光の照射方向について]
 レーザーはんだ装置100はSLM102を備えることにより、レーザー光Lの照射方向を次のようにすることができる。図21は、レーザーはんだ装置100によるレーザー光Lの照射方向を示す模式図である。同図に示すようにレーザーはんだ装置100では、SLM102を利用することにより、レーザー光Lの光軸D1を基板303の主面と垂直にしたままで、斜め方向からはんだ301にレーザー光Lを照射することができる。
 一方、図22は、従来のレーザーはんだ装置200(図7参照)によるレーザー光Mの照射方向を示す模式図である。同図に示すように、レーザーはんだ装置200はレーザー光Mの光軸D2が基板303の主面と垂直であり、一般的なレーザーはんだ装置も同様である。この場合、背の高い部品302にレーザー光Mが干渉する、はんだ301にレーザー光Mが十分に当たらないといった問題がある。
 これに対し、レーザーはんだ装置100では、部品302との干渉を回避する角度でレーザー光Lを照射可能である。これにより、レーザー光Lの照射による部品302の損傷を回避でき、部品302に近接するはんだ301にもレーザー光Lの照射が可能なため、確実なはんだ付けが実現できる。
 [複数のSLMを備えるレーザーはんだ装置について]
 レーザーはんだ装置100は複数のSLM102を備えるものであってもよい。図23は、複数のSLM102を備えるレーザーはんだ装置100によるレーザー光Lの照射を示す模式図である。同図に示すようにレーザーはんだ装置100は、2つのSLM102を備え、それぞれのSLM102から出射されたレーザー光Lをはんだ301に照射することができる。なお、レーザーはんだ装置100が備えるSLM102の数は2つに限られず、3つ以上であってよい。また、このレーザーはんだ装置100は、各SLM102にそれぞれレーザー光Lを入射させる複数のレーザー光源101を備えるものであってもよく、複数のSLM102にレーザー光Lを入射させる1つのレーザー光源101を備えるものであってもよい。
 図24は、1つのSLM102を備えるレーザーはんだ装置100によるレーザー光Lの照射を示す模式図である。同図に示すように背が高い部品302をレーザーはんだ装置100によりはんだ付けする場合、部品302にレーザー光Lが当たり、部品302の耐熱温度を超える、部品302に焦げが生じる、はんだ301が十分に溶融せず、はんだ付け不良となるといった問題が生じ得る。
 これに対し、図23に示すようにレーザーはんだ装置100が複数のSLM102を備えることにより、それぞれのSLM102から部品302との干渉を避けてレーザー光Lをはんだ301ビームを照射することが可能となる。レーザーはんだ装置100が1つのSLM102を備える場合でもスポットSの形状は操作可能であるが、制御できるレーザー光Lの照射角度には限界がある。ここで、レーザーはんだ装置100が複数のSLM102を備える場合、照射角度の限界を回避することができる。
 このようにレーザーはんだ装置100が複数のSLM102を備える場合、はんだ付けの品質及び信頼性の向上が可能となる。具体的には、部品302との干渉を回避する角度でレーザー光Lの照射が可能となり、部品302の焦げ発生を回避できる。また、はんだ付けの作業面に対して有効なエネルギーを有するレーザー光Lの照射が可能になり、はんだ付け不良が低減する。さらに、レーザーはんだ装置100が備えるレーザー光源101が1つの場合、レーザー光Lを分岐させて使用するので、SLM102の1つあたり熱容負荷が低減し、SLM102寿命を延ばすことができる。また、レーザーはんだ装置100が備えるレーザー光源101が複数の場合、レーザー光Lの合計の出力が高出力となり、生産性が向上する。
 [制御装置のハードウェア構成]
 制御装置104の機能的構成を実現することが可能なハードウェア構成について説明する。図25はこのハードウェア構成を示す模式図である。
 同図に示すように、制御装置104は、CPU(Central Processing Unit)1001及びGPU(Graphics Processing Unit)1002を内蔵している。CPU1001及びGPU1002にはバス1005を介して、入出力インターフェース1006が接続されている。バス1005には、ROM(Read Only Memory)1003及びRAM(Random Access Memory)1004が接続されている。
 入出力インターフェース1006には、ユーザが操作コマンドを入力するキーボード、マウスなどの入力デバイスよりなる入力部1007、処理操作画面や処理結果の画像を表示デバイスに出力する出力部1008、プログラムや各種データを格納するハードディスクドライブなどよりなる記憶部1009、LAN(Local Area Network)アダプタなどよりなり、インターネットに代表されるネットワークを介した通信処理を実行する通信部1010が接続されている。また、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどのリムーバブル記憶媒体1012に対してデータを読み書きするドライブ1011が接続されている。データベース132(図2参照)は記憶部1009に格納されている。
 CPU1001は、ROM1003に記憶されているプログラム、又は磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、若しくは半導体メモリ等のリムーバブル記憶媒体1012ら読み出されて記憶部1009にインストールされ、記憶部1009からRAM1004にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。RAM1004にはまた、CPU1001が各種の処理を実行する上において必要なデータなども適宜記憶される。GPU1002はCPU1001による制御を受けて、画像描画に必要な計算処理を実行する。
 以上のように構成される制御装置104では、CPU1001が、例えば、記憶部1009に記憶されているプログラムを、入出力インターフェース1006及びバス1005を介して、RAM1004にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。
 制御装置104が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブル記憶媒体1012に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線又は無線の伝送媒体を介して提供することができる。
 制御装置104では、プログラムは、リムーバブル記憶媒体1012をドライブ1011に装着することにより、入出力インターフェース1006を介して、記憶部1009にインストールすることができる。また、プログラムは、有線又は無線の伝送媒体を介して、通信部1010で受信し、記憶部1009にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM1003や記憶部1009に、あらかじめインストールしておくことができる。
 なお、制御装置104が実行するプログラムは、本開示で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
 また、制御装置104のハードウェア構成はすべてが一つの装置に搭載されていなくてもよく、複数の装置によって制御装置104が構成されていてもよい。また制御装置104のハードウェア構成の一部又はネットワークを介して接続されている複数の装置に搭載されていてもよい。
 (本開示について)
 本開示中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。上記の複数の効果の記載は、それらの効果が必ずしも同時に発揮されるということを意味しているのではない。条件等により、少なくとも上記した効果のいずれかが得られることを意味しており、本開示中に記載されていない効果が発揮される可能性もある。また、本開示において説明した特徴部分のうち、少なくとも2つの特徴部分を任意に組み合わせることも可能である。
 なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
 (1)
 レーザー光を出射するレーザー光源と、
 上記レーザー光源から入射したレーザー光を変調し、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射するSLM(Spatial Light Modulator)と、
 上記レーザー光源及び上記SLMを制御し、上記レーザー光の照射条件を調整する制御部と
 を具備するレーザーはんだ装置。
 (2)
 上記(1)に記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記SLMはLCOS-SLM(Liquid Crystal on Silicon-SLM)である
 レーザーはんだ装置。
 (3)
 上記(1)又は(2)に記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記制御部は、上記SLMを制御し、上記レーザー光のスポット形状、スポットサイズ及び強度分布の少なくともいずれか1つを調整する
 レーザーはんだ装置。
 (4)
 上記(1)から(3)のうちいずれか1つに記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記制御部は、上記レーザー光源を制御し、上記レーザー光の出力、上記レーザー光の照射時間及び上記レーザー光のプロファイルの少なくともいずれか1つを調整する
 レーザーはんだ装置。
 (5)
 上記(1)から(4)のうちいずれか1つに記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記はんだ、上記はんだ付け対象物及び上記レーザー光のスポットの少なくともいずれか1つをセンシングするセンサをさらに具備し、
 上記制御部は、上記センサによるセンシング結果に基づいて上記照射条件を調整する
 レーザーはんだ装置。
 (6)
 上記(5)に記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記制御部は、上記センサによるセンシング結果をデータベースと照合し、上記照射条件を特定する
 レーザーはんだ装置。
 (7)
 上記(5)又は(6)に記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記センサは画像センサであり、上記はんだ又は上記はんだ付け対象物の位置、形状及び色の少なくともいずれか1つをセンシングする
 レーザーはんだ装置。
 (8)
 上記(5)又は(6)に記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記センサは温度センサであり、上記はんだ又は上記はんだ付け対象物の温度をセンシングする
 レーザーはんだ装置。
 (9)
 上記(5)又は(6)に記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記センサはフォトディテクタであり、上記レーザー光のスポットをセンシングする
 レーザーはんだ装置。
 (10)
 上記(5)から(9)のうちいずれか1つに記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記センサは、上記レーザー光の照射前及び上記レーザーの照射中にセンシングを行い、
 上記制御部は、上記レーザー光の照射前の上記センサによるセンシング結果に基づいて上記照射条件を決定し、上記レーザー光の照射中の上記センサによるセンシング結果に基づいて上記照射条件を補正する
 レーザーはんだ装置。
 (11)
 上記(1)から(10)のうちいずれか1つに記載のレーザーはんだ装置であって、
 上記制御部は、上記レーザー光により上記はんだを溶融させない予備加熱と、上記レーザー光により上記はんだを溶融させる加熱する本加熱とを実行する
 レーザーはんだ装置。
 (12)
 レーザーを出射するレーザー光源と、上記レーザー光源から入射したレーザー光を変調し、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射するSLM(Spatial Light Modulator)とを制御し、上記レーザー光の照射条件を調整する制御部
 を具備する制御装置。
 (13)
 レーザー光源からレーザー光を出射させ、
 SLM(Spatial Light Modulator)に、上記レーザー光源から入射したレーザー光を変調させ、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射させ、
 上記レーザー光源及び上記SLMを制御し、上記レーザー光の照射条件を調整する
 レーザーはんだ付け方法。
 100…レーザーはんだ装置
 101…レーザー光源
 102…SLM
 103…光学系
 104…制御装置
 105…センサ
 131…制御部
 132…データベース
 141…画像センサ
 142…温度センサ
 143…フォトディテクタ
 301…はんだ
 302…部品
 303…基板
 304…基板側端子
 305…はんだ付け対象物
 306…部品側端子

Claims (13)

  1.  レーザー光を出射するレーザー光源と、
     前記レーザー光源から入射したレーザー光を変調し、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射するSLM(Spatial Light Modulator)と、
     前記レーザー光源及び前記SLMを制御し、前記レーザー光の照射条件を調整する制御部と
     を具備するレーザーはんだ装置。
  2.  請求項1に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記SLMはLCOS-SLM(Liquid Crystal on Silicon-SLM)である
     レーザーはんだ装置。
  3.  請求項1に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記制御部は、前記SLMを制御し、前記レーザー光のスポット形状、スポットサイズ及び強度分布の少なくともいずれか1つを調整する
     レーザーはんだ装置。
  4.  請求項1に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記制御部は、前記レーザー光源を制御し、前記レーザー光の出力、前記レーザー光の照射時間及び前記レーザー光のプロファイルの少なくともいずれか1つを調整する
     レーザーはんだ装置。
  5.  請求項1に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記はんだ、前記はんだ付け対象物及び前記レーザー光のスポットの少なくともいずれか1つをセンシングするセンサをさらに具備し、
     前記制御部は、前記センサによるセンシング結果に基づいて前記照射条件を調整する
     レーザーはんだ装置。
  6.  請求項5に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記制御部は、前記センサによるセンシング結果をデータベースと照合し、前記照射条件を特定する
     レーザーはんだ装置。
  7.  請求項5に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記センサは画像センサであり、前記はんだ又は前記はんだ付け対象物の位置、形状及び色の少なくともいずれか1つをセンシングする
     レーザーはんだ装置。
  8.  請求項5に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記センサは温度センサであり、前記はんだ又は前記はんだ付け対象物の温度をセンシングする
     レーザーはんだ装置。
  9.  請求項5に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記センサはフォトディテクタであり、前記レーザー光のスポットをセンシングする
     レーザーはんだ装置。
  10.  請求項5に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記センサは、前記レーザー光の照射前及び前記レーザーの照射中にセンシングを行い、
     前記制御部は、前記レーザー光の照射前の前記センサによるセンシング結果に基づいて前記照射条件を決定し、前記レーザー光の照射中の前記センサによるセンシング結果に基づいて前記照射条件を補正する
     レーザーはんだ装置。
  11.  請求項1に記載のレーザーはんだ装置であって、
     前記制御部は、前記レーザー光により前記はんだを溶融させない予備加熱と、前記レーザー光により前記はんだを溶融させる加熱する本加熱とを実行する
     レーザーはんだ装置。
  12.  レーザーを出射するレーザー光源と、前記レーザー光源から入射したレーザー光を変調し、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射するSLM(Spatial Light Modulator)とを制御し、前記レーザー光の照射条件を調整する制御部
     を具備する制御装置。
  13.  レーザー光源からレーザー光を出射させ、
     SLM(Spatial Light Modulator)に、前記レーザー光源から入射したレーザー光を変調させ、はんだ及びはんだ付け対象物の少なくともいずれか一方に照射させ、
     前記レーザー光源及び前記SLMを制御し、前記レーザー光の照射条件を調整する
     レーザーはんだ付け方法。
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