JP2007289980A - レーザ半田付け装置、およびレーザ半田付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各接合部材の温度を上昇させることができ、安定した入熱によるレーザ半田付けが可能となるレーザ半田付け装置を提供する。
【解決手段】レーザ光１０の光路上に２個のプリズム４を配置して、１本のレーザ光１０を２本のレーザ光に分割して接合部材６と接合部材７の各々に照射することでクリーム半田８を溶融、固化して、接合部材同士を接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合部材にレーザ光を照射して、接合界面もしくはその近傍に供給された半田の温度を間接的に上昇させることで、半田を溶融、固化して接合部材同士を接合するレーザ半田付け装置、およびレーザ半田付け方法に関する。

近年、精密接合が要求される半田接合にレーザ半田付けが採用されている。例えば光ディスクドライブ装置の光ピックアップの製造において、光源を結合ベースに半田接合するのにレーザ半田付けが採用されている（例えば、特許文献１参照。）。

レーザ半田付けは、各接合部材を予め所定の位置に調節した後に半田を供給し、その後レーザ照射を行って半田を溶融、固化して、接合部材同士を接合する方法である。図１１に、従来のレーザ半田付け装置の模式図を示す。

図１１に示すように、従来のレーザ半田付け装置は、レーザ光源１と鏡筒２とを備える。また、鏡筒２は、レーザ光源１からのレーザ光を平行光化する第１の平凸レンズ３と、第１の平凸レンズ３からのレーザ光１０を集光する第２の平凸レンズ５を内包する。

従来は、図１１に示すように、接合部材６、７を予め所定の位置に調節した後に、接合界面近傍にクリーム半田８を塗布し、鏡筒２から出射されるレーザ光をクリーム半田８上に照射して、クリーム半田８を溶融、固化することで、接合部材６、７を接合していた。

しかしながら、このようにクリーム半田に直接レーザ光を照射すると、クリーム半田は一般的にレーザ光の吸収率が高いため、急激に温度が上昇して、ボール半田の発生や、突沸による半田の接合部外への流れ出し、フラックスの飛散などの問題を引き起すおそれがある。

そこで、接合部材にレーザ光を照射して、その入熱によりクリーム半田を溶融、固化するレーザ半田付けが提案されている。しかしながら、従来のレーザ半田付けでは、接合する部材のうちの一方にのみレーザ光を照射するため、各接合部材が均等に温まらず、温度に差異が発生する。そのため、クリーム半田の塗布状態によっては半田の濡れ性が悪くなり、未接合を引き起こすおそれがある。
特開２００５−３３９７６７号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、レーザ光を照射して半田を溶融させ第一の接合部材と第二の接合部材を接合するレーザ半田付けにおいて、１本のレーザ光を複数のレーザ光に分割して、各接合部材の所定の位置にレーザ照射することにより、各接合部材の温度を上昇させることができ、安定した入熱によるレーザ半田付けが可能となるレーザ半田付け装置、およびレーザ半田付け方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のレーザ半田付け装置は、レーザ光を照射して半田を溶融させ第一の部材と第二の部材とを接合するレーザ半田付け装置であって、１つのレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を複数のレーザ光に分割するレーザ光分割手段と、前記分割された複数のレーザ光を前記第一の部材と前記第二の部材の所定の位置にそれぞれ集光させる集光手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載のレーザ半田付け装置は、請求項１記載のレーザ半田付け装置であって、レーザ光分割手段は、複数のプリズムであることを特徴とする。
また、本発明の請求項３記載のレーザ半田付け装置は、請求項２記載のレーザ半田付け装置であって、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で前記プリズムを移動させる移動手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載のレーザ半田付け装置は、請求項２もしくは３のいずれかに記載のレーザ半田付け装置であって、プリズムに入射されるレーザ光の光軸に対する前記プリズムの入射面の角度を調整する角度調整手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載のレーザ半田付け装置は、請求項２ないし４のいずれかに記載のレーザ半田付け装置であって、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で、前記光軸を中心として前記プリズムを回転させる回転手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項６記載のレーザ半田付け方法は、レーザ光を照射して半田を溶融させ第一の部材と第二の部材とを接合するレーザ半田付け方法であって、１本のレーザ光を複数のレーザ光に分割し、前記分割されたレーザ光を前記第一の部材と前記第二の部材の所定の位置にそれぞれ集光させることを特徴とする。

また、本発明の請求項７記載のレーザ半田付け方法は、請求項６記載のレーザ半田付け方法であって、少なくとも１つの部材のレーザ光を集光させる所定の位置に孔または溝が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項８記載のレーザ半田付け方法は、請求項７記載のレーザ半田付け方法であって、孔または溝の角度をθとした場合、レーザ光のＮＡに対してＮＡ＜１８０−２θの関係を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、第一および第二の部材にレーザ照射するので、接合する各部材の温度を上昇させることができ、安定した入熱によるレーザ半田付けが可能となる。また、レーザ発光点から加工点までの間に、複数のプリズムを挿入することで１つのレーザ光源に対して複数の集光点を得ることができる。

また、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で各プリズムの移動が可能な構成とすることで、レーザ光の分割比を任意に決定でき、分割後の各レーザ光の集光点でのエネルギ比を調整することができる。

また、プリズムに入射されるレーザ光の光軸に対する各プリズムのレーザ光の入射面の角度を調整可能な構成とすることで、レーザ光の各プリズムへの入射角を調整することができ、分割後の各レーザ光の集光点位置ないし集光点間の間隔を調節することができる。

また、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で、その光軸を中心として各プリズムの回転が可能な構成とすることで、分割後の各レーザ光の集光点位置を調節することができる。

このように、集光点位置や集光点間の間隔を調節することができるので、接合する部材の相対位置の変動によらず、適切な位置にレーザ光を照射することが可能となり、適切な半田接合が可能となる。

また、接合される部材のレーザ照射位置に孔または溝を設け、そこにレーザ光を照射して半田接合を行うことで、各部材の表面精度（表面粗さ）や素材によることなく、安定した入熱と半田の濡れ性を確保することが可能となり、適切な半田接合が可能となる。

また、孔または溝の角度をθとした場合、レーザ光のＮＡ（図８を参照）に対してＮＡ＜１８０−２θの関係を満たすことで、孔または溝内で反射したレーザ光が再び孔または溝内の部材表面に当たるため、実質２回以上のレーザ照射効果を得ることができる。よって、レーザ出力の変動や、部材の表面精度（表面粗さ）、部材表面の材質によることなく、より安定的に部材にレーザ光の熱量を吸収させることができるため、半田不良を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態におけるレーザ半田付け装置、およびレーザ半田付け方法について、図面を参照しながら説明する。図１は本実施の形態におけるレーザ半田付け装置の模式図である。また、図２は、図１に示すレーザ半田付け装置を側面から見た模式図である。

図１、２に示すように、当該レーザ半田付け装置は、レーザ光源１と鏡筒２とを備える。レーザ光源としては、例えばレーザチップ等を使用する。また、鏡筒２は、レーザ光源１からのレーザ光を平行光化する第１の平凸レンズ３と、第１の平凸レンズからのレーザ光１０を分割するための２個のプリズム４と、各プリズム４からのレーザ光（平行光）をそれぞれ集光する第２の平凸レンズ５を内包する。これらレーザ光源１および鏡筒２内の光学部品は、分割されたレーザ光が第一および第二の部材である接合部材６、７のそれぞれの所定の位置に照射されるように配置する。

このように、本実施の形態では、レーザ光源から出射されたレーザ光を複数のレーザ光に分割するレーザ光分割手段として２個のプリズム４を用いる。また、２個のプリズム４により分割された複数のレーザ光を接合部材６、７の所定の位置にそれぞれ集光させる集光手段として平凸レンズ５を用いる。

また、プリズムの接合面９は、プリズム４に入射されるレーザ光の光軸に対して平行である。このように、本実施の形態では、２個のプリズムがレーザ光路上に配置されており、それらのプリズムによりレーザ光を２本のレーザ光に分割する。

なお、ここでは図２に示すように三角柱のプリズムを使用する場合を例に説明するが、無論、プリズムの形状は三角柱に限定されるものではなく、例えば、三角錐〜多角錘のプリズムなどを用いてもよい。また、２枚の平凸レンズを用いる場合について説明するが、これに限るものではない。

また、２個のプリズムを用いて１本のレーザ光を２本のレーザ光に分割し、２つの接合部材の各々に照射する場合について説明するが、接合部材が２つ以上ある場合や、１つの接合部材に対して複数本のレーザ光を照射するような場合には、２個以上のプリズムを設けて１本のレーザ光を２本以上のレーザ光に分割すればよい。

以下、当該レーザ半田付け装置を用いた半田接合について説明する。まず、接合部材６、７を予め所定の位置に調節した後に、接合界面近傍にクリーム半田８を塗布し、鏡筒２から出射される２本のレーザ光を各接合部材６、７の所定の位置に照射する（接合部材６と接合部材７とクリーム半田８の位置関係については、図５を参照。）。なお、部材を接合するための接合材としての半田はクリーム半田に限るものではない。

その際、レーザ光源１から出射されたレーザ光は鏡筒２内において、第１の平凸レンズ３により平行光１０となって各プリズム４に入射され、各プリズム４により２本の平行光に分割される。第２の平凸レンズ５は、この２本の平行光をそれぞれ集光して接合部材６、７の所定の位置に照射する。

このように、接合される部材の各々にレーザ光を集光することで、接合部材がそれぞれ加熱し、熱伝導により半田に熱が伝わって溶融、固化されて、接合部材６、７が接合される。なお、ここでは接合界面近傍にクリーム半田を供与する場合について説明したが、無論、接合界面にクリーム半田が供与されている場合も同様に実施できる。

以上のように、レーザ発光点から加工点までの間に、２個のプリズム４を挿入することで１つのレーザ光源１に対して複数の集光点を得ることができる。そして、接合部材６、７の各々に同時にレーザ照射するので、各接合部材６、７の温度を同時に上昇させることができ、安定した入熱によるレーザ半田付けが可能となる。

続いて、本実施の形態のレーザ半田付け装置におけるレーザ光の分割比の調整について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態のレーザ半田付け装置において、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で各プリズムを移動させた場合の模式図である。

当該レーザ半田付け装置は、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で各プリズムを移動させる機構（移動手段：図示せず）を備えており、該平面内で２個の三角柱プリズムを移動させることにより、それぞれのプリズムへのレーザ光の照射面積比を変えることができ、レーザ光の分割比を任意に決定できる。

図３に示すように、各プリズム４は一体となって、プリズム４に入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面上を平行移動できる。この平行移動により、プリズム４に入射されるレーザ光１０の光軸に対するプリズムの接合面９の位置を移動させることができ、レーザ光の分割比を調整できる。レーザ光の分割比はレーザ光のエネルギ比に対応するため、このプリズムの位置調節により、分割後の各レーザ光の集光点でのエネルギ比を調節することができる。

このようにレーザ光１０の光軸を法線とする平面内で各プリズムの移動が可能な構成とすることで、接合部材の熱容量を考慮してレーザ光の分割比を調節し、各接合部材の温度変化量または最高到達温度を同一もしくは略同一にすることができ、各接合部材への半田の濡れ性が同等もしくは略同等となり、半田不良を低減することができる。

続いて、本実施の形態のレーザ半田付け装置における分割後の各レーザ光の集光点の位置ないし各集光点間の間隔の調整について説明する。接合部材にレーザ光を照射して接合部材同士を接合するレーザ半田付けでは、接合部材を所定の位置に調節する精度や接合部材の仕上がり精度に起因して、レーザ照射位置がばらつき、半田が十分な熱量を吸収することができず、半田の未溶融を引き起すおそれがある。

例えば、光ディスクドライブ装置の光ピックアップの製造において光源を結合ベースに半田接合する場合、各接合部材の仕上がり精度、特にＬＤ素子の貼り付け位置精度が低いと、ＬＤ素子の発光位置を適切な位置に調節した場合に、結合ベースに対する光源の仮固定位置にばらつきが発生し、半田を溶融させるためのレーザ光を最適な位置に照射することができず、半田不良を引き起こすおそれがある。

そこで、この問題を解決するために、本実施の形態におけるレーザ半田付け装置では、分割後の各レーザ光の集光点の位置ないし集光点間の間隔を調整可能とすることで、接合部材の相対位置が変動しても、容易に適切な位置にレーザ光を照射することができるようにする。

まず、プリズム４に入射されるレーザ光の光軸に対する各プリズム４のレーザ光の入射面の角度を調整する場合について、図４、５を用いて説明する。図４は、本実施の形態のレーザ半田付け装置において、プリズムに入射されるレーザ光の光軸に対する各プリズムのレーザ光の入射面の角度を調整した場合の模式図である。また、図５は各プリズムのレーザ光の入射面の角度を調整することによる分割後の各レーザ光の集光点の移動を示す模式図であり、レーザ照射面を上方から見ている。

当該レーザ半田付け装置は、プリズムに入射されるレーザ光の光軸に対する各プリズムのレーザ光の入射面の角度を調整する機構（角度調整手段：図示せず）を備えており、レーザ光の各プリズムへの入射角を調整することができ、分割後の各レーザ光の集光点の位置ないし集光点間の間隔を調節することができる。

図４に示すように、プリズム４の各々は、接合面９に対して垂直な軸１１を中心として回転することができ、レーザ光１０の光軸に対する各プリズム４の入射面の角度（倒れ角）を調整することで、各プリズム４から出射される２本のレーザ光の平凸レンズ５への入射角を調節することができる。平凸レンズ５への入射角は、平凸レンズ５射出後のレーザ光の集光点の位置を決定するため、各プリズム４の倒れ角を調整することで、図５に示すように、接合面９に平行な方向１３に対して各レーザ光の集光点１２の位置を調節することができる。また、各レーザ光の集光点１２の位置を調節することで、集光点１２間の間隔を調節することができる。

このようにレーザ光１０の光軸に対する各プリズムのレーザ光の入射面の角度を調整可能な構成とすることで、レーザ光の各プリズムへの入射角を調整することができ、分割後の各レーザ光の集光点の位置ないし集光点間の間隔を調節することができる。

続いて、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で、その光軸を中心として各プリズムを回転させる場合について、図６、７を用いて説明する。図６は、本実施の形態のレーザ半田付け装置において、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を中心として各プリズムを一体に回転させた場合の模式図であり、プリズムを上方から見ている。また、図７はプリズムに入射されるレーザ光の光軸を中心として各プリズムを一体に回転させることによる分割後の各レーザ光の集光点の移動を示す模式図であり、レーザ照射面を上方から見ている。

当該レーザ半田付け装置は、プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で、その光軸を中心として各プリズムを回転させる機構（回転手段：図示せず）を備えており、分割後の各レーザ光の集光点の位置を調節することができる。

図６に示すように、各プリズム４は一体となって、レーザ光１０の光軸１４を中心として回転方向１５へ回転することができる。そのプリズムの回転量を調節することで、各プリズム４へのレーザ光１０の入射位置が変化し、平凸レンズ５への分割後の各レーザ光の入射位置が変化し、レーザ光の曲がり位置が変化する。よって、図７に示すように、分割後の各レーザ光の集光点１２は、プリズムの回転量に応じて、レーザ光１０の光軸１４を中心として方向１６へ移動する。

このようにレーザ光１０の光軸を法線とする平面内で、レーザ光１０の光軸を中心として各プリズムの回転が可能な構成とすることで、分割後の各レーザ光の集光点位置を調節することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、分割後の各レーザ光の集光点の位置ないし集光点間の間隔を調節することができるので、接合部材の相対位置の変動によらず、適切な位置にレーザ光を照射することが可能となり、適切な半田接合が可能となる。したがって、接合部材の相互位置を調節した後に半田接合する場合であっても、常に最適な位置にレーザ光を照射することが可能となり、半田不良を低減することができる。

続いて、接合部材の所定のレーザ照射位置に孔または溝を設けて、その孔または溝へレーザ光を照射する場合について説明する。図８は、本実施の形態における接合部材の接合断面の模式図である。

図８に示すように、接合部材６のレーザ照射位置に孔または溝１７を設け、接合部材表面に対して垂直にレーザ光を照射する。孔または溝１７を設けることにより、その孔または溝１７内に照射されたレーザ光は奥方向へ反射されていき、その孔または溝１７内で多重反射するので、接合部材の表面状態ないし材質に関係なく、接合部材６に一定の割合でレーザ光を吸収させることができ、半田溶融時の加熱不足や加熱のしすぎを防ぐことが可能となり、半田不良を低減することができる。

なお、孔を設けるのか、溝を設けるのかの選択は、使用するレーザ光のスポット形状によって決定すればよい。例えば、スポット形状が長方形であれば、孔形状よりも溝形状の方が利得が高くなり、好適である。また、孔または溝の大きさは、孔または溝内でレーザ光を多重反射させることを考慮すると、レーザ光のスポット径に対して同等または小さくしたほうが好適である。また、溝の方向は、溝内にレーザ光が照射されるように、スポット形状に合わせる。

また、孔または溝の形状を三角形状にする場合には、図８に示すように、孔または溝１７の角度をθとすると、レーザ光のＮＡに対してＮＡ＜１８０−２θの関係を満たすことが好適である。なお、本発明では、図８に示すように、平凸レンズ５により集光されたレーザ光の集光する角度をＮＡとする。

ＮＡ＜１８０−２θの関係を満たすことで、孔または溝内に照射されたレーザ光は奥方向へ反射されていき、孔または溝内で反射したレーザ光が孔または溝内の異なる部材表面領域に当たっていくため、実質２回以上のレーザ照射効果を得ることができる。例えば、図９に示すように、ＮＡ＝１８０−θの場合、反射したレーザ光は、異なる部材表面領域に当たることなく孔または溝１７の外部へと導かれてしまう。

複数回のレーザ光の反射（複数回のレーザ光の吸収）により、レーザ出力の変動や、部材の表面精度（表面粗さ）、部材表面の材質によることなく、より安定的に部材にレーザ光の熱量を吸収させることができるため、半田不良を低減することができる。なお、ＮＡに対するθの角度がより小さいほうが、奥方向へレーザ光が反射されるため、吸収効率を上げることが可能となる。

また、レーザ照射位置に孔または溝を設けることで、半田溶着部付近の非常に局所的な加熱が可能となり、熱ひずみや熱変形の影響を低減することが可能となり、高精度の半田接合をすることができる。

また、レーザ照射位置に孔または溝を設けることで、接合部材のレーザ光の吸収率が上昇し、孔または溝を設けない場合と比較して、低いエネルギでの半田溶融が可能となる。よって、レーザ光源として使用するレーザチップなどの経年劣化を最小限にすることができる。

以上のように、接合される部材の所定のレーザ照射位置に孔または溝を設け、そこにレーザ光を照射して半田接合を行うことで、各接合部材の表面精度（表面粗さ）や素材によることなく、安定した入熱と半田の濡れ性を確保することが可能となり、適切な半田接合が可能となる。

なお、ここでは接合部材６にのみ孔または溝を設ける場合について説明したが、いずれの接合部材に孔または溝を設けるかは、使用する接合部材の材質やクリーム半田の塗布位置等の条件によって任意に決定することができ、少なくとも１つ以上の接合部材に孔または溝を設ければよい。

また、ここでは三角形状の孔または溝を例に説明したが、三角形状に限るものではなく、四角、多角、Ｕ字型などの形状でもよく、孔または溝の内部でレーザ光が多重反射する形状であればよい。例えば、図１０に、四角形状の孔または溝を設けた場合の接合断面を示す。

本発明にかかるレーザ半田付け装置、およびレーザ半田付け方法によれば、安定した入熱によるレーザ半田付けが可能となり、例えば光ディスクドライブ装置の光ピックアップの製造において光源を結合ベースに半田接合する場合など、精密接合が要求される半田接合に有用である。

本発明の実施の形態におけるレーザ半田付け装置の模式図 本発明の実施の形態におけるレーザ半田付け装置の側面の模式図 本発明の実施の形態におけるプリズムの平行移動を説明するための模式図 本発明の実施の形態におけるプリズムの入射面の角度調整を説明するための模式図 本発明の実施の形態におけるプリズムの入射面の角度調整によるレーザ光の集光点移動を説明するための模式図 本発明の実施の形態におけるプリズムの回転を説明するための模式図 本発明の実施の形態におけるプリズムの回転によるレーザ光の集光点移動を説明するための模式図 本実施の形態における接合部材の接合断面の模式図 本実施の形態における接合部材の接合断面の模式図 本実施の形態における接合部材の接合断面の模式図 従来のレーザ半田付け装置の模式図

符号の説明

１ レーザ光源
２ 鏡筒
３、５ 平凸レンズ
４ プリズム
６、７ 接合部材
８ クリーム半田
９ 接合面
１０ 分割前のレーザ光（平行光）
１１ 回転軸
１２ 集光点
１３、１６ 集光点の移動方向
１４ 分割前のレーザ光の光軸
１５ 回転方向
１７ 孔または溝

Claims (8)

1. レーザ光を照射して半田を溶融させ第一の部材と第二の部材とを接合するレーザ半田付け装置であって、１つのレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を複数のレーザ光に分割するレーザ光分割手段と、前記分割された複数のレーザ光を前記第一の部材と前記第二の部材の所定の位置にそれぞれ集光させる集光手段とを備えたことを特徴とするレーザ半田付け装置。
2. レーザ光分割手段は、複数のプリズムであることを特徴とする請求項１記載のレーザ半田付け装置。
3. プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で前記プリズムを移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項２記載のレーザ半田付け装置。
4. プリズムに入射されるレーザ光の光軸に対する前記プリズムの入射面の角度を調整する角度調整手段を備えたことを特徴とする請求項２もしくは３のいずれかに記載のレーザ半田付け装置。
5. プリズムに入射されるレーザ光の光軸を法線とする平面内で、前記光軸を中心として前記プリズムを回転させる回転手段を備えたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のレーザ半田付け装置。
6. レーザ光を照射して半田を溶融させ第一の部材と第二の部材とを接合するレーザ半田付け方法であって、１本のレーザ光を複数のレーザ光に分割し、前記分割されたレーザ光を前記第一の部材と前記第二の部材の所定の位置にそれぞれ集光させることを特徴とするレーザ半田付け方法。
7. 少なくとも１つの部材のレーザ光を集光させる所定の位置に孔または溝が設けられていることを特徴とする請求項６記載のレーザ半田付け方法。
8. 孔または溝の角度をθとした場合、レーザ光のＮＡに対してＮＡ＜１８０−２θの関係を満たすことを特徴とする請求項７記載のレーザ半田付け方法。
   
   

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