JP4024068B2 - 電子部品のはんだ付け方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品をプリント基板に表面実装するためのはんだ付け方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板などに搭載される表面実装用の電子部品としては、ＱＦＰ（Quad Flat Package) タイプやＳＯＰ(Small Outline Package) タイプなどのフラットパッケージＩＣ（以下ＦＰＩＣという）がある。
【０００３】
これらの電子部品のリード端子とプリント基板側の配線電極との接続は、はんだ付けなどの方法により行われる。通常、はんだ付けの方法としては、量産可能なリフロー炉による処理が主流を占めている。また、リフロー炉による処理のできない電子部品の場合は、後付け工程ではんだゴテ、光ビーム、熱風、あるいはレーザ光などによる方法が行われる。
【０００４】
また、はんだ付け部へのはんだ材の供給方法としては、予めプリント基板の配線パターン上にはんだペーストをスクリーン印刷しておく方法や、微小量の塗布が繰り返し可能なディスペンサーによる方法や、はんだワイヤを自動供給する方法などがある。
【０００５】
更に、はんだ付け時には、はんだ材とともにフラックスが使用される。はんだ接合のメカニズムは、加熱時にフラックスがまず先に溶解し、接合部表面の酸化膜を化学的に剥離する。そして、その表面上で溶けたはんだがぬれ広がり、電子部品のリード端子とプリント基板の配線電極とがはんだ材を介して接合されるのである。
【０００６】
一方、特開２００１−１５８９８５号、特開２００１−１５６４３６号、特開平９−２１４１２２号には、レーザ光の照射と、加熱された不活性ガスの吹き付けとを併用してはんだ付けを行う方法及び装置が開示されている。また、上記のうち特開２００１−１５８９８５号、特開２００１−１５６４３６号には、電子部品のリード端子等の表面に酸化被膜が形成されていても、レーザ光を照射すると共に、加熱された不活性ガスを吹き付けることにより、フラックスを用いなくても酸化被膜を除去できることが記載されている。
【０００７】
更に、特開２００１−１９８６７０号には、レーザビームの光軸に沿って高温のホット不活性ガスをはんだ付けポイントに向けて噴射しながら、このホット不活性ガスの噴流内においてレーザビームをはんだ付けポイントに投射することにより、ホット不活性ガスでレーザビームの温度低下防止と、はんだ付けポイントの補助加熱及びガスシールドを行いながらはんだ付けを行う方法が開示されている。
【０００８】
また、特開２００１−２５２７６２号には、上記特開２００１−１９８６７０号の方法において、ホット不活性ガスの代わりに、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いる方法が開示されている。
【０００９】
更に、特開平５−１０４２７９号には、キセノンランプ又はＹＡＧレーザ発振器などの発光部と、前記発光部の光の集光部を有する集光手段を備え、前記集光部の近傍に位置させたはんだ付け部などの被加熱物に集光した光を照射して、前記被加熱物を加熱、溶融する光加熱装置であって、前記被加熱物の周辺の雰囲気の酸素濃度を５％以下とする不活性ガスあるいは還元性ガスよりなるシールドガスの供給手段を備えた光加熱装置が開示されている。また、シールドガスのガスノズルを通して、集光手段によって集光されたレーザ光を照射する実施態様が示されている。また、ガス温度調整器を使用し、シールドガスを加熱して用いることにより、はんだ付け部を予熱することが記載されている。
【００１０】
更にまた、特開昭６１−２５３１７０号には、レーザ発生源と、該発生源から発生されるレーザ光をはんだと被加工物とで構成される被接合部位に照射するためのレーザ照射部とを少なくとも備え、該レーザ光の照射によって被接合部位から発生する光遮蔽物を除去するためのガス吐出手段を更に設けたことを特徴とするレーザはんだ付け装置が開示されている。また、レーザ光照射ノズルにガスを導入して、レーザ光の出射口と、ガス吐出口とを共用させた実施態様が記載されている。また、光遮蔽物を除去するためのガスとして、加熱空気を用いると、はんだ付け効率やはんだ品質の向上に有効であるとともに、不活性ガスを用いると、はんだ付け最中のはんだの酸化によるはんだ付け品質の劣化防止に有効であることが記載されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような電子部品のはんだ付け方法では、フラックスの溶融、蒸発時と、はんだ溶融時において、溶融したはんだの内部の気泡（ガス）が膨脹して破裂するために、その際はんだが微小粒子となって飛び散りやすい。このはんだボールが付着したプリント基板をそのまま使用すると、何らかの振動等によりはんだボールが落下、あるいは移動して、他の接続配線部に入り込み、短絡などの原因となり、プリント基板の信頼性を損なうことになる。
【００１２】
また、従来のリフロー炉による処理の場合は、はんだボールやフラックス残渣などは、次の洗浄工程で除去されてきた。しかし、最近では、フロンなどによる洗浄は環境問題を招くことが指摘され、洗浄工程を省略することが多くなってきた。このため、はんだボールの発生を効果的に抑制できるはんだ付け技術の開発が望まれていた。
【００１３】
更に、リフロー炉による処理ができない後付け部品のはんだ付けでは、例えば、はんだゴテ、光ビーム、熱風、レーザ光などにより局所加熱することが行われているが、はんだ付け部の温度急上昇などの影響で、はんだボールの発生がより多くなることもあった。
【００１４】
一方、前記特開２００１−１９８６７０号等には、レーザ光の照射と、加熱された不活性ガス等の吹き付けとを併用してはんだ付けを行う方法が提案されており、特に、特開平５−１０４２７９号では、不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスの吹き付けを併用することにより、はんだボールの発生を防止できることが示されているが、シールドガスの吹き付けによって電子部品のはんだ付け部を加熱するには、ある程度の時間がかかるため、複数本並んだ半導体のリード端子をはんだ付けするには、シールドガスの吹き付けによる加熱と、レーザ光の照射によるはんだ付けとを、リード端子１本毎に繰り返して行う必要があり、作業性が悪いという問題点があった。
【００１５】
本発明は、以上の問題点を鑑みなされたもので、電子部品のはんだ付け部周辺に付着するはんだボールの発生を抑え、かつ、ぬれ性良好なはんだ付け部を得ることができ、しかもはんだ付け作業を効率よく行えるようにした電子部品のはんだ付け方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電子部品のはんだ付け方法は、プリント基板の配線電極上に電子部品のリード端子を設置し、該リード端子の設置部分にレーザ光を照射すると共に、不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスを吹き付けてはんだ付けを行う電子部品のはんだ付け方法において、前記シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にすると共に、前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を設けて、その光軸を前記シールドガスの吹き出し口内に配置し、前記シールドガスをはんだ付けすべき箇所に吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させつつ、前記シールドガスの吹き出し口内を通過させて前記はんだ付けすべき箇所にパルス化して照射し、前記リード端子の配列方向に合わせて、前記シールドガスの吹き出し口を回転させると共に、前記レーザ光の線状ビームも該吹き出し口と一緒に回転させることを特徴とする。
【００１７】
本発明のはんだ付け方法によれば、はんだ接続部にレーザ光を照射する際、該接続部が不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスで覆われ無酸化雰囲気となっている。これにより、接続部表面の新たな酸化が抑制される。
【００１８】
また、加熱されたシールドガスの吹き付けの併用によって、接続部とその周辺が予熱又は余熱されるので、従来のレーザ光のみを用いたはんだ付けに比べて局所的急加熱が緩和される。これにより、はんだボールの飛び散りが抑制されるだけでなく、温度分布のばらつきを防ぐことができるので、はんだのぬれ性が向上する。
【００１９】
また、シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列の全体を覆うようにして、加熱されたシールドガスが吹き付けられる。これにより、従来のレーザ光の照射によるはんだ付けの対象となっているリード端子の接続部とその周辺のみに、スポット的に加熱されたシールドガスを吹き付ける方法に比べて、各リード端子の周辺のより広い領域が予熱又は余熱される。したがって、各リード端子の接続部がより安定して予熱又は余熱されるとともに、各リード端子毎の予熱又は余熱の温度がより均一化される。
【００２０】
以上より、本発明のはんだ付け方法では、電子部品から突出する複数のリード端子の接続部に対して、はんだボールの飛び散りの抑制、及び、はんだのぬれ性の向上を、より安定に、ばらつきなく行うことができる。
【００２１】
また、一般にガスは目に見えないため、はんだ付け箇所に対するシールドガスの吹き付け具合の確認が難しく、位置調整に時間がかかるが、本発明では、レーザ加工ヘッドのレーザ光の光軸をシールドガスの吹き出し口内に配置したことによって、シールドガスの吹き付け位置が把握しやすくなり、位置調整が容易となる。また、ガス流が電子部品の影響を受けないように、例えば垂直等の角度からガスを吹き付けるようにすることができる。
【００２２】
更に、前記シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列に沿って一度にシールドガスを吹き付けて予熱又は余熱し、無酸化雰囲気を形成することができるので、その状態でレーザ光を照射して、複数のリード端子を短時間で効率よくはんだ付けすることができる。
【００２３】
また、前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させつつ、前記シールドガスの吹き出し口内を通過させて照射することで、電子部品から突出する複数のリード端子を同時に加熱してはんだ付けすることができるので、はんだ付けの作業性をより良好にすることができる。
また、前記シールドガスによりはんだ付けすべき箇所を、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を前記はんだ付けすべき箇所に照射してはんだ付けを行うことで、はんだ付けすべき箇所を比較的高温度に加熱しておき、その状態でレーザ光を照射することにより、必要以上に加熱することなく迅速にはんだを溶融させてはんだ付けを行うことができ、過熱によるはんだボールの発生を抑制すると共に、はんだ付け効率を高めることができる。
【００２４】
また、前記リード端子の配列方向に合わせて、前記シールドガスの吹き出し口を回転させると共に、前記レーザ光の線状ビームも該吹き出し口と一緒に回転させることで、リード端子が電子部品のチップの縦辺と横辺の両方から出ているような場合でも、電子部品等の設置方向を変更せずに、シールドガスの吹き出し口及びレーザ光の線状ビームを回転させるだけで、はんだ付け作業を行うことができる。
【００２５】
更に、前記レーザ光をパルス化して照射することで、レーザ光のパルスがＯＮのときは加熱、ＯＦＦのときは冷却というように、パルスの繰り返しによりはんだ付けを行うことができ、はんだの温度上昇が急激とならないようにコントロールでき、はんだボールの発生が抑えられる。
【００２７】
一方、本発明の電子部品のはんだ付け装置は、プリント基板の配線電極上に電子部品のリード端子を設置し、該リード端子の設置部分を加熱してはんだ付けする電子部品のはんだ付け装置において、レーザ光を集光して所定箇所に照射するレーザ光照射手段と、不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスを所定箇所に吹き付けるシールドガス吹き付け手段とを備え、前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口は、細長いスリット状をなし、前記レーザ光照射手段は、レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を有し、この集光手段によって形成される線状ビームの光軸が前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口内に配置され、前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口と、この吹き出し口内に光軸を有する前記線状ビームとを、一緒に回転させる回転装置を有し、前記シールドガスをはんだ付けすべき箇所に吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を前記はんだ付けすべき箇所にパルス化して照射するように構成されていることを特徴とする。
【００２８】
本発明のはんだ付け装置によれば、はんだ接続部にレーザ光を照射する際、該接続部が不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスで覆われ無酸化雰囲気となっている。これにより、接続部表面の新たな酸化が抑制される。
【００２９】
また、加熱されたシールドガスの吹き付けの併用によって、接続部とその周辺が予熱又は余熱されるので、従来のレーザ光のみを用いたはんだ付けに比べて局所的急加熱が緩和される。これにより、はんだボールの飛び散りが抑制されるだけでなく、温度分布のばらつきを防ぐことができるので、はんだのぬれ性が向上する。
【００３０】
また、シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列の全体を覆うようにして、加熱されたシールドガスが吹き付けられる。これにより、従来のレーザ光の照射によるはんだ付けの対象となっているリード端子の接続部とその周辺のみに、スポット的に加熱されたシールドガスを吹き付ける装置に比べて、各リード端子の周辺のより広い領域が予熱又は余熱される。したがって、各リード端子の接続部がより安定して予熱又は余熱されるとともに、各リード端子毎の予熱又は余熱の温度がより均一化される。
【００３１】
以上より、本発明のはんだ付け装置では、電子部品から突出する複数のリード端子の接続部に対して、はんだボールの飛び散りの抑制、及び、はんだのぬれ性の向上を、より安定に、ばらつきなく行うことができる。
【００３２】
また、本発明のはんだ付け装置によれば、レーザ光照射手段によって照射されるレーザ光の光軸と、シールドガス吹き付け手段による加熱されたシールドガスの吹き付け方向とを一致させることができるので、シールドガスの吹き付け位置が把握しやすくなり、位置調整が容易となり、ガス流が電子部品の影響を受けないように、例えば垂直等の角度からガスを吹き付けるようにすることができる。
【００３３】
また、前記シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列に沿って一度にシールドガスを吹き付けて予熱又は余熱し、無酸化雰囲気を形成することができるので、その状態でレーザ光を照射して、複数のリード端子を短時間で効率よくはんだ付けすることができる。
【００３４】
また、前記レーザ光照射手段が、レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を有し、この集光手段によって形成される線状ビームの光軸が前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口内に配置されていることにより、電子部品から突出する複数のリード端子を同時に加熱してはんだ付けすることができ、はんだ付けの作業性をより良好にすることができる。
【００３５】
また、前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口と、この吹き出し口内に光軸を有する前記線状ビームとを、一緒に回転させる回転手段を有することで、リード端子が電子部品のチップの縦辺と横辺の両方から出ているような場合でも、電子部品等の設置方向を変更せずに、シールドガスの吹き出し口及びレーザ光の線状ビームを回転させるだけで、はんだ付け作業を行うことができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１、２には、本発明のはんだ付け装置の一実施形態が示されている。
【００３７】
図１において、ＹＡＧレーザ等のレーザ発振器１は、光ファイバ２を介して集光ユニット３に接続されており、これらが本発明におけるレーザ光照射手段を構成している。レーザ発振器１で出力されたレーザ光４は、光ファイバ２を通して伝送され、集光ユニット３を通して集光される。
【００３８】
集光ユニット３のレーザ光出射面には、ガスノズル１１が取付けられている。この場合、加熱されたシールドガスの熱が、集光ユニット３側に伝導して熱くならないように、接続境界部にはエアギャップが設けられ、更に断熱材、例えば「デュロストーン」（商品名、ロッシェリンググループ製）が介装されて、熱絶縁がなされている。ガスノズル１１の集光ユニット３側の端面は、レーザ光を透過する透明なパネルで覆われ、ガスノズル１１の反対側の端面には、シールドガスの吹き出し口を有するノズルチップ１６が取付けられている。
【００３９】
図２に示すように、ノズルチップ１６は、その横断面形状が扁平な板状をなし、その中央にスリット状の吹き出し口１９が形成されている。そして、上記吹き出し口１９の中央をレーザ光４の光軸が通るようになっている。
【００４０】
上記吹き出し口１９の大きさは、はんだ付けすべき電子部品の大きさ、形状によって適宜選択すればよいが、通常は、図２（ｂ）における内径の幅ａ（ｍｍ）及び長さｂ（ｍｍ）は、例えばＦＰＩＣの片側１辺のサイズを幅α（ｍｍ）、長さをβ（ｍｍ）とすれば、ａ≧α＋２、ｂ≧β＋２であることが好ましい。例えば、はんだ付けすべきＦＰＩＣであるＳＯＰ (Small Outline Package) のリードの片側１辺のサイズが幅３（ｍｍ）×長さ１８（ｍｍ）であるとき、上記吹き出し口１９のサイズを幅５（ｍｍ）×長さ２０（ｍｍ）とすることにより、ＳＯＰの片側１辺の幅及び長さに対応させることができる。
【００４１】
ガスノズル１１の周面の１箇所には、窒素ガス等のシールドガス１４を導入する導入口１３が形成されている。また、ガスノズル１１の内部には、電気ヒータ１２と加熱温度を検出し制御するための熱電対とが配置されており、上記導入口１３から導入されたシールドガス１４を加熱して高温シールドガス１５とし、この高温シールドガス１５をノズルチップ１６の上記吹き出し口１９から噴出するようになっている。
【００４２】
また、前記集光ユニット３を通して集光されたレーザ光は、その光軸が上記ガスノズル１１のノズルチップ１６の吹き出し口１９内を通って出力されるようになっている。
【００４３】
一方、プリント基板８の表面には配線電極９が形成されており、例えばＦＰＩＣ（フラットパッケージＩＣ）などの電子部品５のリード端子６が、上記配線電極９の対応する部分に当接するように設置されている。配線電極９のはんだ付け部分には、はんだペーストをスクリーン印刷してなるはんだ層７が予め形成されている。そして、リード端子６と、はんだ層７と、配線電極９とが上下に当接し合った部分が、はんだ付けすべき接合箇所１０をなしている。
【００４４】
次に、上記はんだ付け装置を用いた本発明によるはんだ付け方法の一実施形態を説明する。
【００４５】
電子部品５の両側から延出する複数本のリード端子６を、プリント基板８の配線電極９の対応する部分に当接するように位置決めして、電子部品５をプリント基板８上に載置しておく。なお、配線電極９のはんだ付けすべき箇所には前記はんだ層７が形成されており、リード端子６は、このはんだ層７を介して配線電極９上に載置される。また、はんだ層７のはんだ材としては、通常使用される共晶はんだ（Ｐｂ−Ｓｎ）や、鉛フリーはんだなど、電子部品用のはんだ材が用いられる。
【００４６】
この状態で、導入口１３から窒素ガス等のシールドガス１４をガスノズル１１内に導入する。シールドガス１４は、ガスノズル１１内に配置された電気ヒータ１２によって好ましくは５０〜３００℃、より好ましくは１５０〜２５０℃に加熱される。そして、ノズルチップ１６の吹き出し口１９から上記温度の高温シールドガス１５が噴出し、上記接合箇所１０に吹き付けられる。なお、このときの高温シールドガス１５の噴出圧は０．０１〜０．５ＭＰａ、流速は０．５〜１０ＮＬ（リットル）／分（ワークの大きさによる）が好ましい。こうして接合箇所１０を比較的均一に予熱又は余熱した後、レーザ発振器１からのレーザ照射を行う。
【００４７】
すなわち、レーザ発振器１で出力されるレーザ光４は、光ファイバ２を通して集光ユニット３に導入され、集光ユニット３内に配置されたレンズによって集光されて、ガスノズル１１の内部を通り、ノズルチップ１６の吹き出し口１９から出射して、接合箇所１０、特にはリード端子６に局所的に照射される。
【００４８】
その結果、レーザ光４が照射された部分を中心としてはんだ層７が溶融してぬれ広がり、リード端子６と配線電極９とをはんだ付けする。なお、リード端子６及び配線電極９の表面の酸化膜は、高温シールドガス１５の吹き付けとレーザ光４の照射とフラックスとによって、はんだ付け前に焼失、除去される。また、レーザ光４が照射される部分は、高温シールドガス１５が吹き付けられる領域となっているので、加熱部分が常に窒素ガス等のシールドガスでシールドされ、酸化等が防止される。
【００４９】
また、本発明においては、ノズルチップ１６の吹き出し口１９から吹き出す高温シールドガス１５が、細長いガス吹き付け領域２２を形成し、ＳＯＰのリード端子の１辺分をガスシールドすることができる。この状態でレーザ光４を移動させながらリード端子に順次照射して、はんだ付けを行うことができる。
【００５０】
なお、レーザ光４を移動させるに伴ってガス吹き付け領域２２も移動するので、ガス吹き付け領域２２が１辺のリード端子の全てを常にガスシールドするわけではないが、実際上はこれで十分である。なお、ガス吹き出し口１９の長さをもっと長くしてレーザ光４の移動に対して常に完全ガスシールドできるようにしてもかまわない。
【００５１】
更に、レーザ光４の光軸が高温シールドガス１５のノズルチップ１６の吹き出し口１９内に配置されているので、レーザ光４によって高温シールドガス１５の吹き付け方向を目視で確認することができ、位置調整がしやすい。また、高温シールドガス１５の吹き付け方向とレーザ光４の光軸とが同じになるので、高温シールドガス１５のガス流が電子部品５によって影響を受けない角度、例えば垂直方向等から吹き付けることができる。
【００５２】
なお、上記レーザ光４の出力は特に限定されないが、通常１〜４０Ｗ（ワークの種類、大きさによる）が好ましい。
【００５３】
また、ＹＡＧレーザ等を用いたレーザ発振は、通常、連続発振（ＣＷ）で行われているが、図４に示すように、レーザ出力をパルス化することもできる。このように、レーザ出力をパルス化すると、レーザ光がＯＮのときに溶融、ＯＦＦのときに冷却となる。また、このパルスの繰り返し周波数（Ｈｚ）、あるいはパルスＯＮ時間の設定により、はんだの溶融温度が制御しやすくなるため、急激な温度上昇が抑えられ、はんだボールが発生するのを抑制して、はんだ付け部の品質を向上させることができる。
【００５４】
なお、レーザ出力をパルス化するための内部シャッターとしては、メカシャッターでＯＮ、ＯＦＦするもの、電気的シャッターでＯＮ、ＯＦＦするものなどがある。
【００５５】
図３には、本発明のはんだ付け装置の更に他の実施形態が示されている。
このはんだ付け装置は、集光手段としてシリンドリカルレンズ２５を用い、集光ユニット２３で、コリメートされた円形断面のレーザ光２４を、シリンドリカルレンズ２５により集光して横断面が線状のレーザ光２６にしている。また、ガスノズル２７のノズルチップ２８を細長の長方形状のガス吹き出し口２９にし、高温シールドガス３０を上記ガス吹き出し口２９から吹き出すようにしている。そして、上記線状のレーザ光２６が、上記ガス吹き出し口２９の中央を通って高温シールドガス３０の吹き出し領域３１内に照射されるようになっている。なお、上記の集光手段はシリンドリカルレンズに限定されるものではなく、レーザ光の横断面が線状となるように集光させるものであればよい。
【００５６】
このはんだ付け装置を用いてはんだ付けする場合には、線状のレーザ光２６を照射することにより、例えばＦＰＩＣの多数のリード端子の片側１辺を１度にはんだ付けすることができる。また、高温シールドガス３０のガス吹き付け領域３１内にレーザ光２６が照射されるので、無酸化雰囲気にて、かつ、予熱又は余熱された状態で、高速、高効率に、しかも高品質のはんだ付けが可能となる。
【００５７】
なお、本発明においては、高温シールドガスの出力（熱エネルギー）を、レーザ光の出力（熱エネルギー）よりも大きくし、はんだ付け部分を高温シールドガスによって主として加熱し、レーザ光の照射による加熱を補助的に用いてはんだ付けを行うことができる。
【００５８】
すなわち、例えば図１において、プリント基板８上へＦＰＩＣ等の電子部品５のはんだ付けする場合、高温シールドガス１５を接合箇所１０に直接吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度、より好ましくは７０〜２０℃低い温度まで加熱しておき、その状態で補助的にレーザ光を照射してはんだを溶融させ、はんだ付けを行うことができる。このようなはんだ付けを行うと、高温シールドガスによって均一に加熱された領域のうち、接合箇所の中心部にレーザ光を照射することによって局所的に迅速に高温となるため、より速いはんだ付けが可能となり、熱エネルギーが無駄なく効率よく利用される。また、接合箇所１０を過度に加熱してしまうことが防止され、はんだボールの発生を抑制し、はんだのぬれ性も向上させることができる。
【００５９】
また、レーザ発振器としては、ＹＡＧレーザに限らず、熱エネルギー加工が可能であれば、他のレーザを使用することもできる。また、通常のＣＷ・ＹＡＧレーザであってもよいが、パルス出力させる場合には市販のノーマルパルスＹＡＧレーザを使用することもできる。ノーマルパルスＹＡＧレーザは、ピーク出力が高いため、はんだ付けに使用されたことはなかったが、レーザの出力（平均出力、パワー密度、エネルギー密度）を極めて低く抑えることによって、はんだ付け用レーザへの転用が可能である。
【００６０】
更に、前記実施形態では、レーザ光の伝送手段として光ファイバを用いたが、伝送手段はこれに限るものではなく、例えば空中伝送（例えばミラーによる反射の伝送）などの手段を用いることもできる。
【００６１】
更にまた、シールドガスとしては、不活性ガスあるいは還元性ガスのいずれでもよい。また、シールドガスとして用いる不活性ガスは、上述の窒素ガスに限らず、無酸化ガスであるヘリウムガス、アルゴンガスでもよい。また、シールドガスとして用いる還元性ガスは、例えば水素ガスでもよく、また、上記のような窒素ガス等の不活性ガスと水素ガス等の還元性ガスとの混合ガスでもよい。
【００６２】
更にまた、プリント基板にはんだ付けする電子部品としては、ＦＰＩＣに限らず、その他のＩＣ、チップ抵抗器、電解コンデンサなどに適用することも可能である。
【００６３】
図５（ａ）、（ｂ）には、本発明のはんだ付け装置の更に他の実施形態が示されている。同図（ａ）に示すように、このはんだ付け装置は、図３に示したはんだ付け装置の構成において、集光ユニット２３とガスノズル２７とを一体化して、レンズ・ガスノズル・ユニット３２を構成し、図示しない駆動機構によって、このレンズ・ガスノズル・ユニット３２を、レーザ光軸３３を中心として回転可能な構造としたものである。
【００６４】
すなわち、シリンドリカルレンズ２５が、光軸３３を中心に任意の方向に回転することができ、そのときにガスノズル２７も一体となって同一方向に回転するようになっている。また、円形のレーザ光２４は、シリンドリカルレンズ２５で集光されてレーザ光２６となり、最後に線状ビーム３４となって照射されるが、この線状ビーム３４も、シリンドリカルレンズ２５の回転により、同一方向に回転する。
【００６５】
したがって、同図（ｂ）に示すように、電子部品、例えばＦＰＩＣ３５の各辺からリード線が出ている場合でも、各辺の方向に合わせてレンズ・ガスノズル・ユニット３２を回転させることにより、細長の長方形状のガス吹き出し口２９及びレーザ光２６の線状ビーム３４を、各辺のリード線の配列方向に一致させることができる。
【００６６】
すなわち、ＦＰＩＣ３５の１つの辺から突出する複数のリード線３６の配列方向３７に沿うように、ガス吹き出し口２９及び線状ビーム３４を配置してはんだ付けを行った後、それと直角方向の他の辺から突出する複数のリード線３８の配列方向３９に沿うように、ガス吹き出し口２９及び線状ビーム３４を配置し直してはんだ付けすることができ、この作業を繰り返すことによって、ＦＰＩＣ３５の配置等を変えずに、全てのリード線を効率よくはんだ付けすることができる。
【００６７】
【実施例】
図１に示したはんだ付け装置を用い、プリント基板８の配線電極９上に載置されたＦＰＩＣからなる電子部品５のリード端子６を、配線電極９上に予め形成されたはんだ層７を介してはんだ付けした。なお、この実施例では、はんだ層７のはんだ材は、電子部品用のはんだ材のうち、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだとした。このはんだ材の溶融温度は２２０〜２２１℃程度である。
【００６８】
シールドガス１４としては、窒素ガスを用い、この窒素ガスを電気ヒータ１２で２５０℃に加熱し、ノズルチップ１６の吹き出し口から、圧力０．２ＭＰａ、流速１．５ＮＬ／分の条件で吹き付けた。
【００６９】
一方、レーザ発振器１としては、ＹＡＧレーザを用い、１０Ｗの出力のレーザ光を、０．３秒（リード端子当り）の条件で照射した。
【００７０】
はんだ付けに際しては、まず、上記シールドガス１４を吹き付けて、はんだ付けすべき箇所を上記はんだ層７の溶融温度よりも３０℃低い温度に加熱し、その状態で上記レーザ光をはんだ付けすべき箇所の中心にスポット的に照射してはんだを溶融させ、はんだ付けを行った。
【００７１】
その結果、はんだ付けの速度は１リード端子当り０．３秒で行うことが可能であり、はんだ付けしたプリント基板８上に、はんだボールの存在は皆無であった。
【００７２】
また、シールドガス１４の吹き付け方向と、レーザ光４の光軸とが一致しているので、加熱スポットを位置決めすることが容易であった。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子部品のはんだ付けに際し、レーザ光と高温シールドガスとを併用し、レーザ光の光軸を高温シールドガスのガスノズルの吹き出し口内に配置すると共に、シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にすることによって、電子部品から突出する複数のリード端子の列に沿って一度にシールドガスを吹き付けて予熱又は余熱し、無酸化雰囲気を形成することができるので、その状態でレーザ光を照射して、複数のリード端子を短時間で効率よくはんだ付けすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるはんだ付け装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】 本発明によるはんだ付け装置の他の実施形態を示し、（ａ）はガスノズル近傍の部分拡大図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢示線に沿った断面図である。
【図３】 本発明によるはんだ付け装置の更に他の実施形態を示す集光ユニット近傍の部分拡大斜視図である。
【図４】 本発明におけるレーザ光のパルス出力の一例を示す図表である。
【図５】 本発明によるはんだ付け装置の更に他の実施形態を示し、（ａ）は集光ユニット近傍の部分拡大斜視図、（ｂ）は電子部品の斜視図である。
【符号の説明】
１：レーザ発振器
２：光ファイバー
３、２３：集光ユニット
４、２４、２６：レーザ光
５：電子部品
６：リード端子
７：はんだ層
８：プリント基板
９：配線電極
１０：接合箇所
１１、２７：ガスノズル
１２：電気ヒータ
１３：導入口
１４：シールドガス
１５：高温シールドガス
１６、２８：ノズルチップ
１９、２９：ガス吹き出し口
２５：シリンドリカルレンズ
３２：レンズ・ガスノズルユニット
３３：光軸
３４：線状ビーム
３５：ＦＰＩＣ
３６、３８：リード線
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品をプリント基板に表面実装するためのはんだ付け方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板などに搭載される表面実装用の電子部品としては、ＱＦＰ（Quad Flat Package) タイプやＳＯＰ(Small Outline Package) タイプなどのフラットパッケージＩＣ（以下ＦＰＩＣという）がある。
【０００３】
これらの電子部品のリード端子とプリント基板側の配線電極との接続は、はんだ付けなどの方法により行われる。通常、はんだ付けの方法としては、量産可能なリフロー炉による処理が主流を占めている。また、リフロー炉による処理のできない電子部品の場合は、後付け工程ではんだゴテ、光ビーム、熱風、あるいはレーザ光などによる方法が行われる。
【０００４】
また、はんだ付け部へのはんだ材の供給方法としては、予めプリント基板の配線パターン上にはんだペーストをスクリーン印刷しておく方法や、微小量の塗布が繰り返し可能なディスペンサーによる方法や、はんだワイヤを自動供給する方法などがある。
【０００５】
更に、はんだ付け時には、はんだ材とともにフラックスが使用される。はんだ接合のメカニズムは、加熱時にフラックスがまず先に溶解し、接合部表面の酸化膜を化学的に剥離する。そして、その表面上で溶けたはんだがぬれ広がり、電子部品のリード端子とプリント基板の配線電極とがはんだ材を介して接合されるのである。
【０００６】
一方、特開２００１−１５８９８５号、特開２００１−１５６４３６号、特開平９−２１４１２２号には、レーザ光の照射と、加熱された不活性ガスの吹き付けとを併用してはんだ付けを行う方法及び装置が開示されている。また、上記のうち特開２００１−１５８９８５号、特開２００１−１５６４３６号には、電子部品のリード端子等の表面に酸化被膜が形成されていても、レーザ光を照射すると共に、加熱された不活性ガスを吹き付けることにより、フラックスを用いなくても酸化被膜を除去できることが記載されている。
【０００７】
更に、特開２００１−１９８６７０号には、レーザビームの光軸に沿って高温のホット不活性ガスをはんだ付けポイントに向けて噴射しながら、このホット不活性ガスの噴流内においてレーザビームをはんだ付けポイントに投射することにより、ホット不活性ガスでレーザビームの温度低下防止と、はんだ付けポイントの補助加熱及びガスシールドを行いながらはんだ付けを行う方法が開示されている。
【０００８】
また、特開２００１−２５２７６２号には、上記特開２００１−１９８６７０号の方法において、ホット不活性ガスの代わりに、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いる方法が開示されている。
【０００９】
更に、特開平５−１０４２７９号には、キセノンランプ又はＹＡＧレーザ発振器などの発光部と、前記発光部の光の集光部を有する集光手段を備え、前記集光部の近傍に位置させたはんだ付け部などの被加熱物に集光した光を照射して、前記被加熱物を加熱、溶融する光加熱装置であって、前記被加熱物の周辺の雰囲気の酸素濃度を５％以下とする不活性ガスあるいは還元性ガスよりなるシールドガスの供給手段を備えた光加熱装置が開示されている。また、シールドガスのガスノズルを通して、集光手段によって集光されたレーザ光を照射する実施態様が示されている。また、ガス温度調整器を使用し、シールドガスを加熱して用いることにより、はんだ付け部を予熱することが記載されている。
【００１０】
更にまた、特開昭６１−２５３１７０号には、レーザ発生源と、該発生源から発生されるレーザ光をはんだと被加工物とで構成される被接合部位に照射するためのレーザ照射部とを少なくとも備え、該レーザ光の照射によって被接合部位から発生する光遮蔽物を除去するためのガス吐出手段を更に設けたことを特徴とするレーザはんだ付け装置が開示されている。また、レーザ光照射ノズルにガスを導入して、レーザ光の出射口と、ガス吐出口とを共用させた実施態様が記載されている。また、光遮蔽物を除去するためのガスとして、加熱空気を用いると、はんだ付け効率やはんだ品質の向上に有効であるとともに、不活性ガスを用いると、はんだ付け最中のはんだの酸化によるはんだ付け品質の劣化防止に有効であることが記載されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような電子部品のはんだ付け方法では、フラックスの溶融、蒸発時と、はんだ溶融時において、溶融したはんだの内部の気泡（ガス）が膨脹して破裂するために、その際はんだが微小粒子となって飛び散りやすい。このはんだボールが付着したプリント基板をそのまま使用すると、何らかの振動等によりはんだボールが落下、あるいは移動して、他の接続配線部に入り込み、短絡などの原因となり、プリント基板の信頼性を損なうことになる。
【００１２】
また、従来のリフロー炉による処理の場合は、はんだボールやフラックス残渣などは、次の洗浄工程で除去されてきた。しかし、最近では、フロンなどによる洗浄は環境問題を招くことが指摘され、洗浄工程を省略することが多くなってきた。このため、はんだボールの発生を効果的に抑制できるはんだ付け技術の開発が望まれていた。
【００１３】
更に、リフロー炉による処理ができない後付け部品のはんだ付けでは、例えば、はんだゴテ、光ビーム、熱風、レーザ光などにより局所加熱することが行われているが、はんだ付け部の温度急上昇などの影響で、はんだボールの発生がより多くなることもあった。
【００１４】
一方、前記特開２００１−１９８６７０号等には、レーザ光の照射と、加熱された不活性ガス等の吹き付けとを併用してはんだ付けを行う方法が提案されており、特に、特開平５−１０４２７９号では、不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスの吹き付けを併用することにより、はんだボールの発生を防止できることが示されているが、シールドガスの吹き付けによって電子部品のはんだ付け部を加熱するには、ある程度の時間がかかるため、複数本並んだ半導体のリード端子をはんだ付けするには、シールドガスの吹き付けによる加熱と、レーザ光の照射によるはんだ付けとを、リード端子１本毎に繰り返して行う必要があり、作業性が悪いという問題点があった。
【００１５】
本発明は、以上の問題点を鑑みなされたもので、電子部品のはんだ付け部周辺に付着するはんだボールの発生を抑え、かつ、ぬれ性良好なはんだ付け部を得ることができ、しかもはんだ付け作業を効率よく行えるようにした電子部品のはんだ付け方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電子部品のはんだ付け方法は、プリント基板の配線電極上に電子部品のリード端子を設置し、該リード端子の設置部分にレーザ光を照射すると共に、不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスを吹き付けてはんだ付けを行う電子部品のはんだ付け方法において、前記シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にすると共に、前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を設けて、その光軸を前記シールドガスの吹き出し口内に配置し、前記シールドガスをはんだ付けすべき箇所に吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させつつ、前記シールドガスの吹き出し口内を通過させて前記はんだ付けすべき箇所にパルス化して照射し、前記リード端子の配列方向に合わせて、前記シールドガスの吹き出し口を回転させると共に、前記レーザ光の線状ビームも該吹き出し口と一緒に回転させることを特徴とする。
【００１７】
本発明のはんだ付け方法によれば、はんだ接続部にレーザ光を照射する際、該接続部が不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスで覆われ無酸化雰囲気となっている。これにより、接続部表面の新たな酸化が抑制される。
【００１８】
また、加熱されたシールドガスの吹き付けの併用によって、接続部とその周辺が予熱又は余熱されるので、従来のレーザ光のみを用いたはんだ付けに比べて局所的急加熱が緩和される。これにより、はんだボールの飛び散りが抑制されるだけでなく、温度分布のばらつきを防ぐことができるので、はんだのぬれ性が向上する。
【００１９】
また、シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列の全体を覆うようにして、加熱されたシールドガスが吹き付けられる。これにより、従来のレーザ光の照射によるはんだ付けの対象となっているリード端子の接続部とその周辺のみに、スポット的に加熱されたシールドガスを吹き付ける方法に比べて、各リード端子の周辺のより広い領域が予熱又は余熱される。したがって、各リード端子の接続部がより安定して予熱又は余熱されるとともに、各リード端子毎の予熱又は余熱の温度がより均一化される。
【００２０】
以上より、本発明のはんだ付け方法では、電子部品から突出する複数のリード端子の接続部に対して、はんだボールの飛び散りの抑制、及び、はんだのぬれ性の向上を、より安定に、ばらつきなく行うことができる。
【００２１】
また、一般にガスは目に見えないため、はんだ付け箇所に対するシールドガスの吹き付け具合の確認が難しく、位置調整に時間がかかるが、本発明では、レーザ加工ヘッドのレーザ光の光軸をシールドガスの吹き出し口内に配置したことによって、シールドガスの吹き付け位置が把握しやすくなり、位置調整が容易となる。また、ガス流が電子部品の影響を受けないように、例えば垂直等の角度からガスを吹き付けるようにすることができる。
【００２２】
更に、前記シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列に沿って一度にシールドガスを吹き付けて予熱又は余熱し、無酸化雰囲気を形成することができるので、その状態でレーザ光を照射して、複数のリード端子を短時間で効率よくはんだ付けすることができる。
【００２３】
また、前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させつつ、前記シールドガスの吹き出し口内を通過させて照射することで、電子部品から突出する複数のリード端子を同時に加熱してはんだ付けすることができるので、はんだ付けの作業性をより良好にすることができる。
また、前記シールドガスによりはんだ付けすべき箇所を、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を前記はんだ付けすべき箇所に照射してはんだ付けを行うことで、はんだ付けすべき箇所を比較的高温度に加熱しておき、その状態でレーザ光を照射することにより、必要以上に加熱することなく迅速にはんだを溶融させてはんだ付けを行うことができ、過熱によるはんだボールの発生を抑制すると共に、はんだ付け効率を高めることができる。
【００２４】
また、前記リード端子の配列方向に合わせて、前記シールドガスの吹き出し口を回転させると共に、前記レーザ光の線状ビームも該吹き出し口と一緒に回転させることで、リード端子が電子部品のチップの縦辺と横辺の両方から出ているような場合でも、電子部品等の設置方向を変更せずに、シールドガスの吹き出し口及びレーザ光の線状ビームを回転させるだけで、はんだ付け作業を行うことができる。
【００２５】
更に、前記レーザ光をパルス化して照射することで、レーザ光のパルスがＯＮのときは加熱、ＯＦＦのときは冷却というように、パルスの繰り返しによりはんだ付けを行うことができ、はんだの温度上昇が急激とならないようにコントロールでき、はんだボールの発生が抑えられる。
【００２７】
一方、本発明の電子部品のはんだ付け装置は、プリント基板の配線電極上に電子部品のリード端子を設置し、該リード端子の設置部分を加熱してはんだ付けする電子部品のはんだ付け装置において、レーザ光を集光して所定箇所に照射するレーザ光照射手段と、不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスを所定箇所に吹き付けるシールドガス吹き付け手段とを備え、前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口は、細長いスリット状をなし、前記レーザ光照射手段は、レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を有し、この集光手段によって形成される線状ビームの光軸が前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口内に配置され、前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口と、この吹き出し口内に光軸を有する前記線状ビームとを、一緒に回転させる回転装置を有し、前記シールドガスをはんだ付けすべき箇所に吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を前記はんだ付けすべき箇所にパルス化して照射するように構成されていることを特徴とする。
【００２８】
本発明のはんだ付け装置によれば、はんだ接続部にレーザ光を照射する際、該接続部が不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスで覆われ無酸化雰囲気となっている。これにより、接続部表面の新たな酸化が抑制される。
【００２９】
また、加熱されたシールドガスの吹き付けの併用によって、接続部とその周辺が予熱又は余熱されるので、従来のレーザ光のみを用いたはんだ付けに比べて局所的急加熱が緩和される。これにより、はんだボールの飛び散りが抑制されるだけでなく、温度分布のばらつきを防ぐことができるので、はんだのぬれ性が向上する。
【００３０】
また、シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列の全体を覆うようにして、加熱されたシールドガスが吹き付けられる。これにより、従来のレーザ光の照射によるはんだ付けの対象となっているリード端子の接続部とその周辺のみに、スポット的に加熱されたシールドガスを吹き付ける装置に比べて、各リード端子の周辺のより広い領域が予熱又は余熱される。したがって、各リード端子の接続部がより安定して予熱又は余熱されるとともに、各リード端子毎の予熱又は余熱の温度がより均一化される。
【００３１】
以上より、本発明のはんだ付け装置では、電子部品から突出する複数のリード端子の接続部に対して、はんだボールの飛び散りの抑制、及び、はんだのぬれ性の向上を、より安定に、ばらつきなく行うことができる。
【００３２】
また、本発明のはんだ付け装置によれば、レーザ光照射手段によって照射されるレーザ光の光軸と、シールドガス吹き付け手段による加熱されたシールドガスの吹き付け方向とを一致させることができるので、シールドガスの吹き付け位置が把握しやすくなり、位置調整が容易となり、ガス流が電子部品の影響を受けないように、例えば垂直等の角度からガスを吹き付けるようにすることができる。
【００３３】
また、前記シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にしたことにより、電子部品から突出する複数のリード端子の列に沿って一度にシールドガスを吹き付けて予熱又は余熱し、無酸化雰囲気を形成することができるので、その状態でレーザ光を照射して、複数のリード端子を短時間で効率よくはんだ付けすることができる。
【００３４】
また、前記レーザ光照射手段が、レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を有し、この集光手段によって形成される線状ビームの光軸が前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口内に配置されていることにより、電子部品から突出する複数のリード端子を同時に加熱してはんだ付けすることができ、はんだ付けの作業性をより良好にすることができる。
【００３５】
また、前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口と、この吹き出し口内に光軸を有する前記線状ビームとを、一緒に回転させる回転手段を有することで、リード端子が電子部品のチップの縦辺と横辺の両方から出ているような場合でも、電子部品等の設置方向を変更せずに、シールドガスの吹き出し口及びレーザ光の線状ビームを回転させるだけで、はんだ付け作業を行うことができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１、２には、本発明のはんだ付け装置の一実施形態が示されている。
【００３７】
図１において、ＹＡＧレーザ等のレーザ発振器１は、光ファイバ２を介して集光ユニット３に接続されており、これらが本発明におけるレーザ光照射手段を構成している。レーザ発振器１で出力されたレーザ光４は、光ファイバ２を通して伝送され、集光ユニット３を通して集光される。
【００３８】
集光ユニット３のレーザ光出射面には、ガスノズル１１が取付けられている。この場合、加熱されたシールドガスの熱が、集光ユニット３側に伝導して熱くならないように、接続境界部にはエアギャップが設けられ、更に断熱材、例えば「デュロストーン」（商品名、ロッシェリンググループ製）が介装されて、熱絶縁がなされている。ガスノズル１１の集光ユニット３側の端面は、レーザ光を透過する透明なパネルで覆われ、ガスノズル１１の反対側の端面には、シールドガスの吹き出し口を有するノズルチップ１６が取付けられている。
【００３９】
図２に示すように、ノズルチップ１６は、その横断面形状が扁平な板状をなし、その中央にスリット状の吹き出し口１９が形成されている。そして、上記吹き出し口１９の中央をレーザ光４の光軸が通るようになっている。
【００４０】
上記吹き出し口１９の大きさは、はんだ付けすべき電子部品の大きさ、形状によって適宜選択すればよいが、通常は、図２（ｂ）における内径の幅ａ（ｍｍ）及び長さｂ（ｍｍ）は、例えばＦＰＩＣの片側１辺のサイズを幅α（ｍｍ）、長さをβ（ｍｍ）とすれば、ａ≧α＋２、ｂ≧β＋２であることが好ましい。例えば、はんだ付けすべきＦＰＩＣであるＳＯＰ (Small Outline Package) のリードの片側１辺のサイズが幅３（ｍｍ）×長さ１８（ｍｍ）であるとき、上記吹き出し口１９のサイズを幅５（ｍｍ）×長さ２０（ｍｍ）とすることにより、ＳＯＰの片側１辺の幅及び長さに対応させることができる。
【００４１】
ガスノズル１１の周面の１箇所には、窒素ガス等のシールドガス１４を導入する導入口１３が形成されている。また、ガスノズル１１の内部には、電気ヒータ１２と加熱温度を検出し制御するための熱電対とが配置されており、上記導入口１３から導入されたシールドガス１４を加熱して高温シールドガス１５とし、この高温シールドガス１５をノズルチップ１６の上記吹き出し口１９から噴出するようになっている。
【００４２】
また、前記集光ユニット３を通して集光されたレーザ光は、その光軸が上記ガスノズル１１のノズルチップ１６の吹き出し口１９内を通って出力されるようになっている。
【００４３】
一方、プリント基板８の表面には配線電極９が形成されており、例えばＦＰＩＣ（フラットパッケージＩＣ）などの電子部品５のリード端子６が、上記配線電極９の対応する部分に当接するように設置されている。配線電極９のはんだ付け部分には、はんだペーストをスクリーン印刷してなるはんだ層７が予め形成されている。そして、リード端子６と、はんだ層７と、配線電極９とが上下に当接し合った部分が、はんだ付けすべき接合箇所１０をなしている。
【００４４】
次に、上記はんだ付け装置を用いた本発明によるはんだ付け方法の一実施形態を説明する。
【００４５】
電子部品５の両側から延出する複数本のリード端子６を、プリント基板８の配線電極９の対応する部分に当接するように位置決めして、電子部品５をプリント基板８上に載置しておく。なお、配線電極９のはんだ付けすべき箇所には前記はんだ層７が形成されており、リード端子６は、このはんだ層７を介して配線電極９上に載置される。また、はんだ層７のはんだ材としては、通常使用される共晶はんだ（Ｐｂ−Ｓｎ）や、鉛フリーはんだなど、電子部品用のはんだ材が用いられる。
【００４６】
この状態で、導入口１３から窒素ガス等のシールドガス１４をガスノズル１１内に導入する。シールドガス１４は、ガスノズル１１内に配置された電気ヒータ１２によって好ましくは５０〜３００℃、より好ましくは１５０〜２５０℃に加熱される。そして、ノズルチップ１６の吹き出し口１９から上記温度の高温シールドガス１５が噴出し、上記接合箇所１０に吹き付けられる。なお、このときの高温シールドガス１５の噴出圧は０．０１〜０．５ＭＰａ、流速は０．５〜１０ＮＬ（リットル）／分（ワークの大きさによる）が好ましい。こうして接合箇所１０を比較的均一に予熱又は余熱した後、レーザ発振器１からのレーザ照射を行う。
【００４７】
すなわち、レーザ発振器１で出力されるレーザ光４は、光ファイバ２を通して集光ユニット３に導入され、集光ユニット３内に配置されたレンズによって集光されて、ガスノズル１１の内部を通り、ノズルチップ１６の吹き出し口１９から出射して、接合箇所１０、特にはリード端子６に局所的に照射される。
【００４８】
その結果、レーザ光４が照射された部分を中心としてはんだ層７が溶融してぬれ広がり、リード端子６と配線電極９とをはんだ付けする。なお、リード端子６及び配線電極９の表面の酸化膜は、高温シールドガス１５の吹き付けとレーザ光４の照射とフラックスとによって、はんだ付け前に焼失、除去される。また、レーザ光４が照射される部分は、高温シールドガス１５が吹き付けられる領域となっているので、加熱部分が常に窒素ガス等のシールドガスでシールドされ、酸化等が防止される。
【００４９】
また、本発明においては、ノズルチップ１６の吹き出し口１９から吹き出す高温シールドガス１５が、細長いガス吹き付け領域２２を形成し、ＳＯＰのリード端子の１辺分をガスシールドすることができる。この状態でレーザ光４を移動させながらリード端子に順次照射して、はんだ付けを行うことができる。
【００５０】
なお、レーザ光４を移動させるに伴ってガス吹き付け領域２２も移動するので、ガス吹き付け領域２２が１辺のリード端子の全てを常にガスシールドするわけではないが、実際上はこれで十分である。なお、ガス吹き出し口１９の長さをもっと長くしてレーザ光４の移動に対して常に完全ガスシールドできるようにしてもかまわない。
【００５１】
更に、レーザ光４の光軸が高温シールドガス１５のノズルチップ１６の吹き出し口１９内に配置されているので、レーザ光４によって高温シールドガス１５の吹き付け方向を目視で確認することができ、位置調整がしやすい。また、高温シールドガス１５の吹き付け方向とレーザ光４の光軸とが同じになるので、高温シールドガス１５のガス流が電子部品５によって影響を受けない角度、例えば垂直方向等から吹き付けることができる。
【００５２】
なお、上記レーザ光４の出力は特に限定されないが、通常１〜４０Ｗ（ワークの種類、大きさによる）が好ましい。
【００５３】
また、ＹＡＧレーザ等を用いたレーザ発振は、通常、連続発振（ＣＷ）で行われているが、図４に示すように、レーザ出力をパルス化することもできる。このように、レーザ出力をパルス化すると、レーザ光がＯＮのときに溶融、ＯＦＦのときに冷却となる。また、このパルスの繰り返し周波数（Ｈｚ）、あるいはパルスＯＮ時間の設定により、はんだの溶融温度が制御しやすくなるため、急激な温度上昇が抑えられ、はんだボールが発生するのを抑制して、はんだ付け部の品質を向上させることができる。
【００５４】
なお、レーザ出力をパルス化するための内部シャッターとしては、メカシャッターでＯＮ、ＯＦＦするもの、電気的シャッターでＯＮ、ＯＦＦするものなどがある。
【００５５】
図３には、本発明のはんだ付け装置の更に他の実施形態が示されている。
このはんだ付け装置は、集光手段としてシリンドリカルレンズ２５を用い、集光ユニット２３で、コリメートされた円形断面のレーザ光２４を、シリンドリカルレンズ２５により集光して横断面が線状のレーザ光２６にしている。また、ガスノズル２７のノズルチップ２８を細長の長方形状のガス吹き出し口２９にし、高温シールドガス３０を上記ガス吹き出し口２９から吹き出すようにしている。そして、上記線状のレーザ光２６が、上記ガス吹き出し口２９の中央を通って高温シールドガス３０の吹き出し領域３１内に照射されるようになっている。なお、上記の集光手段はシリンドリカルレンズに限定されるものではなく、レーザ光の横断面が線状となるように集光させるものであればよい。
【００５６】
このはんだ付け装置を用いてはんだ付けする場合には、線状のレーザ光２６を照射することにより、例えばＦＰＩＣの多数のリード端子の片側１辺を１度にはんだ付けすることができる。また、高温シールドガス３０のガス吹き付け領域３１内にレーザ光２６が照射されるので、無酸化雰囲気にて、かつ、予熱又は余熱された状態で、高速、高効率に、しかも高品質のはんだ付けが可能となる。
【００５７】
なお、本発明においては、高温シールドガスの出力（熱エネルギー）を、レーザ光の出力（熱エネルギー）よりも大きくし、はんだ付け部分を高温シールドガスによって主として加熱し、レーザ光の照射による加熱を補助的に用いてはんだ付けを行うことができる。
【００５８】
すなわち、例えば図１において、プリント基板８上へＦＰＩＣ等の電子部品５のはんだ付けする場合、高温シールドガス１５を接合箇所１０に直接吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度、より好ましくは７０〜２０℃低い温度まで加熱しておき、その状態で補助的にレーザ光を照射してはんだを溶融させ、はんだ付けを行うことができる。このようなはんだ付けを行うと、高温シールドガスによって均一に加熱された領域のうち、接合箇所の中心部にレーザ光を照射することによって局所的に迅速に高温となるため、より速いはんだ付けが可能となり、熱エネルギーが無駄なく効率よく利用される。また、接合箇所１０を過度に加熱してしまうことが防止され、はんだボールの発生を抑制し、はんだのぬれ性も向上させることができる。
【００５９】
また、レーザ発振器としては、ＹＡＧレーザに限らず、熱エネルギー加工が可能であれば、他のレーザを使用することもできる。また、通常のＣＷ・ＹＡＧレーザであってもよいが、パルス出力させる場合には市販のノーマルパルスＹＡＧレーザを使用することもできる。ノーマルパルスＹＡＧレーザは、ピーク出力が高いため、はんだ付けに使用されたことはなかったが、レーザの出力（平均出力、パワー密度、エネルギー密度）を極めて低く抑えることによって、はんだ付け用レーザへの転用が可能である。
【００６０】
更に、前記実施形態では、レーザ光の伝送手段として光ファイバを用いたが、伝送手段はこれに限るものではなく、例えば空中伝送（例えばミラーによる反射の伝送）などの手段を用いることもできる。
【００６１】
更にまた、シールドガスとしては、不活性ガスあるいは還元性ガスのいずれでもよい。また、シールドガスとして用いる不活性ガスは、上述の窒素ガスに限らず、無酸化ガスであるヘリウムガス、アルゴンガスでもよい。また、シールドガスとして用いる還元性ガスは、例えば水素ガスでもよく、また、上記のような窒素ガス等の不活性ガスと水素ガス等の還元性ガスとの混合ガスでもよい。
【００６２】
更にまた、プリント基板にはんだ付けする電子部品としては、ＦＰＩＣに限らず、その他のＩＣ、チップ抵抗器、電解コンデンサなどに適用することも可能である。
【００６３】
図５（ａ）、（ｂ）には、本発明のはんだ付け装置の更に他の実施形態が示されている。同図（ａ）に示すように、このはんだ付け装置は、図３に示したはんだ付け装置の構成において、集光ユニット２３とガスノズル２７とを一体化して、レンズ・ガスノズル・ユニット３２を構成し、図示しない駆動機構によって、このレンズ・ガスノズル・ユニット３２を、レーザ光軸３３を中心として回転可能な構造としたものである。
【００６４】
すなわち、シリンドリカルレンズ２５が、光軸３３を中心に任意の方向に回転することができ、そのときにガスノズル２７も一体となって同一方向に回転するようになっている。また、円形のレーザ光２４は、シリンドリカルレンズ２５で集光されてレーザ光２６となり、最後に線状ビーム３４となって照射されるが、この線状ビーム３４も、シリンドリカルレンズ２５の回転により、同一方向に回転する。
【００６５】
したがって、同図（ｂ）に示すように、電子部品、例えばＦＰＩＣ３５の各辺からリード線が出ている場合でも、各辺の方向に合わせてレンズ・ガスノズル・ユニット３２を回転させることにより、細長の長方形状のガス吹き出し口２９及びレーザ光２６の線状ビーム３４を、各辺のリード線の配列方向に一致させることができる。
【００６６】
すなわち、ＦＰＩＣ３５の１つの辺から突出する複数のリード線３６の配列方向３７に沿うように、ガス吹き出し口２９及び線状ビーム３４を配置してはんだ付けを行った後、それと直角方向の他の辺から突出する複数のリード線３８の配列方向３９に沿うように、ガス吹き出し口２９及び線状ビーム３４を配置し直してはんだ付けすることができ、この作業を繰り返すことによって、ＦＰＩＣ３５の配置等を変えずに、全てのリード線を効率よくはんだ付けすることができる。
【００６７】
【実施例】
図１に示したはんだ付け装置を用い、プリント基板８の配線電極９上に載置されたＦＰＩＣからなる電子部品５のリード端子６を、配線電極９上に予め形成されたはんだ層７を介してはんだ付けした。なお、この実施例では、はんだ層７のはんだ材は、電子部品用のはんだ材のうち、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだとした。このはんだ材の溶融温度は２２０〜２２１℃程度である。
【００６８】
シールドガス１４としては、窒素ガスを用い、この窒素ガスを電気ヒータ１２で２５０℃に加熱し、ノズルチップ１６の吹き出し口から、圧力０．２ＭＰａ、流速１．５ＮＬ／分の条件で吹き付けた。
【００６９】
一方、レーザ発振器１としては、ＹＡＧレーザを用い、１０Ｗの出力のレーザ光を、０．３秒（リード端子当り）の条件で照射した。
【００７０】
はんだ付けに際しては、まず、上記シールドガス１４を吹き付けて、はんだ付けすべき箇所を上記はんだ層７の溶融温度よりも３０℃低い温度に加熱し、その状態で上記レーザ光をはんだ付けすべき箇所の中心にスポット的に照射してはんだを溶融させ、はんだ付けを行った。
【００７１】
その結果、はんだ付けの速度は１リード端子当り０．３秒で行うことが可能であり、はんだ付けしたプリント基板８上に、はんだボールの存在は皆無であった。
【００７２】
また、シールドガス１４の吹き付け方向と、レーザ光４の光軸とが一致しているので、加熱スポットを位置決めすることが容易であった。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子部品のはんだ付けに際し、レーザ光と高温シールドガスとを併用し、レーザ光の光軸を高温シールドガスのガスノズルの吹き出し口内に配置すると共に、シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にすることによって、電子部品から突出する複数のリード端子の列に沿って一度にシールドガスを吹き付けて予熱又は余熱し、無酸化雰囲気を形成することができるので、その状態でレーザ光を照射して、複数のリード端子を短時間で効率よくはんだ付けすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるはんだ付け装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】 本発明によるはんだ付け装置の他の実施形態を示し、（ａ）はガスノズル近傍の部分拡大図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢示線に沿った断面図である。
【図３】 本発明によるはんだ付け装置の更に他の実施形態を示す集光ユニット近傍の部分拡大斜視図である。
【図４】 本発明におけるレーザ光のパルス出力の一例を示す図表である。
【図５】 本発明によるはんだ付け装置の更に他の実施形態を示し、（ａ）は集光ユニット近傍の部分拡大斜視図、（ｂ）は電子部品の斜視図である。
【符号の説明】
１：レーザ発振器
２：光ファイバー
３、２３：集光ユニット
４、２４、２６：レーザ光
５：電子部品
６：リード端子
７：はんだ層
８：プリント基板
９：配線電極
１０：接合箇所
１１、２７：ガスノズル
１２：電気ヒータ
１３：導入口
１４：シールドガス
１５：高温シールドガス
１６、２８：ノズルチップ
１９、２９：ガス吹き出し口
２５：シリンドリカルレンズ
３２：レンズ・ガスノズルユニット
３３：光軸
３４：線状ビーム
３５：ＦＰＩＣ
３６、３８：リード線
Claims (2)
- プリント基板の配線電極上に電子部品のリード端子を設置し、該リード端子の設置部分にレーザ光を照射すると共に、不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスを吹き付けてはんだ付けを行う電子部品のはんだ付け方法において、
前記シールドガスの吹き出し口の形状を細長いスリット状にすると共に、前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を設けて、その光軸を前記シールドガスの吹き出し口内に配置し、
前記シールドガスをはんだ付けすべき箇所に吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を線状ビームとなるように集光させつつ、前記シールドガスの吹き出し口内を通過させて前記はんだ付けすべき箇所にパルス化して照射し、
前記リード端子の配列方向に合わせて、前記シールドガスの吹き出し口を回転させると共に、前記レーザ光の線状ビームも該吹き出し口と一緒に回転させることを特徴とする電子部品のはんだ付け方法。 - プリント基板の配線電極上に電子部品のリード端子を設置し、該リード端子の設置部分を加熱してはんだ付けする電子部品のはんだ付け装置において、
レーザ光を集光して所定箇所に照射するレーザ光照射手段と、
不活性ガスあるいは還元性ガスよりなる加熱されたシールドガスを所定箇所に吹き付けるシールドガス吹き付け手段とを備え、
前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口が細長いスリット状をなし、
前記レーザ光照射手段は、レーザ光を線状ビームとなるように集光させる集光手段を有し、この集光手段によって形成される線状ビームの光軸が前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口内に配置され、
前記シールドガス吹き付け手段の吹き出し口と、この吹き出し口内に光軸を有する前記線状ビームとを、一緒に回転させる回転装置を有し、
前記シールドガスをはんだ付けすべき箇所に吹き付けて、はんだの溶融温度よりも１００〜１０℃低い温度まで加熱し、その状態で前記レーザ光を前記はんだ付けすべき箇所にパルス化して照射するように構成されていることを特徴とする電子部品のはんだ付け装置。
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