JP4631656B2 - レーザはんだ付け方法 - Google Patents

Description

レーザを用いるはんだ付け方法に関し、特にはんだ付けの性能の向上および信頼性の向上を図ったレーザはんだ付け方法に関する。

従来から、プリント基板に形成したスルーホール（内面には導体がめっきされている）に電子部品のリードを挿入し、スルーホール周囲に設けられた導電性のランドと電子部品のリードとをはんだ付けすることで、プリント基板に電子部品を実装することが行われている。はんだ付け方法として、はんだ層に電子部品の電極を浸漬させるフローはんだ付けや、はんだごてによるはんだ付けが知られているが、近年、電子部品の小型化あるいは実装密度の増加等により、レーザ光を用いて非接触ではんだ付けを行なうレーザはんだ付け方法が採用されるようになっている（特許文献１参照）。このレーザはんだ付け方法は、鉛フリーはんだ材料を用いる場合にも適しているので注目されている。

しかしながら、レーザはんだ付け方法に特有のはんだ付けの性能や信頼性にいくつかの問題点がある。たとえば、レーザ光による糸はんだの受熱がうまくいかずはんだ付け不良となることや、レーザ光によるプリント基板の焼けやフラックスの焦げが発生するということである。

特開２００３−２０４１４９号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、はんだ付けの性能や信頼性を向上させたレーザはんだ付け方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、請求項１に記載のように、スルーホールに対するリードの挿入位置を検出して、リードとランドとの距離がより長い方向からはんだ材料を供給して、レーザはんだ付けを行う。このようにすると、レーザ出力を上げることなく、はんだ付け性を改善することができる。さらに、はんだ材料を供給する方向は、リードが挿入されているスルーホールの４分円を除く方向とするので、はんだ材料の供給方向の自由度が高くなる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
最初に、図１（ａ）〜（ｃ）を参照して、第１の実施形態のアイデアを説明する。図１（ａ）（ｂ）に示されているように、プリント基板を貫通して設けられたスルーホール１５の周囲にたとえば銅めっきにより設けられた導電性のランド１４と、リード１２とをはんだ付けする場合、スルーホール１５に電子部品のリード１２を下部から挿入して、プリント基板の上部に設けられたレーザ源からのレーザ光１１により糸はんだ１３を溶融させてはんだ付けする。ここで、はんだ１３は、はんだガイド２８にガイドされ、ロボット（図示せず）により供給角度θ＝４５°でレーザ光の照射域に繰り出される。

一般に、リード１２は、スルーホール１５の中央部を通るとは限らず、図１(ａ）（ｂ）に示すように、スルーホール１５の周辺部を通ることも多い。図１（ａ）では、スルーホール１５に挿入されたリード１２は、図の左方、すなわちはんだガイド２８に近い場所にある。これに対して、図１（ｂ）では、スルーホール１５に挿入されたリード１２は、図の右方、すなわちはんだガイド２８から遠い場所にある。図１（ｃ）は、図１（ａ）の上面図であり、リード１２とスルーホール１５との位置関係を示す。

レーザはんだ付けは、上述のように、糸はんだ１３にレーザ光により熱を与える。糸はんだの受熱するモードは２つあり、１つは加熱したリード１２と糸はんだ１３の接触による受熱であり、他の１つは糸はんだ１３がレーザ光１１の中を通るときの受熱である。

まず、リード１２と糸はんだ１３の接触による受熱させる場合を考えると、レーザ光１１のエネルギ密度はレーザ照射径の中心部が最も高いため、図１（ａ）（ｂ）のように、リード１２がスルーホール１５の中心になく、周辺に片寄っている場合は、リード１２はレーザ光１１を効率良く受熱できない。したがって、リード１２と糸はんだ１３が接触しても糸はんだ１３は十分に受熱できず、はんだ付け不良の原因となる。

この対策としてリード１２の位置が予め片寄っていることを見越した上でレーザ出力をアップする方法がある。この場合、スルーホール１５の内径寸法を１とするとリード１２の位置が０．７より外側となった場合、レーザの出力アップ分は約３０％程度必要であることが分かっている。しかしながらレーザ出力を上げてしまうと、スルーホール１５とランドの銅めっきの剥離率が３０％から６０％と悪化し、目標の５０％以下を達成できないことがわかった。

次に、糸はんだ１３がレーザ光１１の中を通るときに受熱させる場合について考察すると、図１（ａ）（ｂ）ともに、リード１２がスルーホール１５の周縁部に片寄っているが、（ｂ）は（ａ）と比べて、糸はんだ１３がレーザ光１１に入り始めてからリード１２に接触するまでに距離があるため、糸はんだ１３がレーザ光１１から直接受熱する時間が長い。また中心部を通るため、エネルギ密度の高いレーザ光を受けることができる。

本発明の第１の実施形態は、このような考察から得られたもので、スルーホール１５内のリード１２の位置を認識して、はんだの供給方向を制御するものである。たとえば、はんだ１３とリード１２との位置関係が図１（ａ）のようになっている場合には、図１（ｂ）のような位置関係になるように、はんだ１３を図１（ａ）に示す方向とは逆の方向、すなわちはんだ１３がレーザ光１１に入り始めてからリード１２に接触するまでに比較的長い距離を動く方向から供給するようにする。つまり、図１（ａ）のような位置関係を認識すると、はんだガイド２８を支持するロボットのアームを移動させて、図１（ｂ）のような位置関係を実現する。このようにすると、レーザ出力を大きくすることなく、はんだ付け性を向上させることができ、プリント基板のランドに悪影響を与えることがない。

図２は、第１の実施形態を実施するためのレーザはんだ付け装置である。プリント基板３１のスルーホール１５に電子部品１６のリード１を挿入して半田付けする。レーザ源２１からのレーザ光１１が、リード１２に向けて照射される。リード１２をプリント基板３１にはんだ付けするための糸はんだ１３は、はんだガイド２８を通して供給される。本実施形態では、撮像装置であるＣＣＤカメラ２３を備え、スルーホール１５を貫通するリード１２の画像を取得する。すなわち、リード１２あるいはプリント基板３１から反射される光線は、ハーフミラー２６により反射してＣＣＤカメラ２３に入射する。ＣＣＤカメラにより得られた画像は、たとえば図１（ｃ）のようなリード１２とスルーホール１５との関係を示す。この画像情報に基づいて制御装置２５は、リード１２とスルーホール１５の周囲のランド１４との距離が最も大きくなる方向から、糸はんだを供給するようにはんだ供給装置２７を制御する。すなわち、はんだガイド２８はリード１２の周囲を回り、最適な位置から糸はんだを供給する。なお、レーザ源２１とＣＣＤカメラ２３の位置を相互に入れ替えて、レーザ光をハーフミラー２６で反射するようにしてもよい。

リードの位置がスルーホール１５の中心から離れている場合、上述のように、はんだの供給方向によって受熱に関して顕著な差が生じる。はんだガイド２８がリード１２に最も遠い位置にあるように移動させて、はんだの供給方向を制御する方法を示したが、次のように制御することもできる。

図１（ｃ）に示すように、スルーホール１５を４分割して、それぞれが４分円である第１〜第４のエリア１〜４を設定する。図では、リード１２は第３エリア３にある。ここで、リード１２が存在するエリア３以外からリード１２に向かって糸はんだ１３を供給すれば、剥離率が低減できる。したがって、リード１２とランド１４との最大の距離となる位置から糸はんだを供給する代わりに、リード１２が存在するエリア３ではないエリア１、２、４のいずれかを通ってエリアから糸はんだを供給するようにしてもよい。

さらに、具体的な条件を見出すために各種条件を設定して実際にレーザはんだ付けを行った。図３（ａ）〜（ｃ）に示した結果は、スルーホール１５の中心とリード１２の中心との距離であるずれ量ｒとはんだ供給方向ｄとの関係で、レーザはんだ付けの良・不良を調べたものである。図３では、はんだの供給方向ｄを第３エリア（図には、参考のためにエリア番号を記した。）に固定して、リードを第１〜第４のエリアに配置して、レーザはんだ付けを行った。スルーホール１５の半径がＲで、プリント配線板に対するはんだの供給角度θが４５°である。

図３(ａ)では、ずれ量ｒがスルーホールの半径Ｒに対して、ｒ≧（１／２）Ｒの関係にあり、リード１２がスルーホール１５の中心より最も遠くにある。リード１２が第３エリアにあって、第３エリアを通過してはんだが供給されるときには、３０個のうち２５個の割合ではんだ付け不良が発生している。その他のエリアにリード１２があるときには、まったく不良は発生していない。

図３(ｂ)では、ずれ量ｒが、（１／４）Ｒ≦ｒ＜（１／２）Ｒにあり、(ａ)よりスルーホール１５中心に近い。この場合は、(ａ)より不良率は低いが、それでもリード１２が第３エリアにあって、第３エリアを通過してはんだが供給されると、３０個のうち１５個の割合ではんだ付け不良が発生している。その他のエリアにリード１２があるときには、まったく不良は発生していない。

図３(ｃ)は、ずれ量ｒが（１／８）Ｒ≦ｒ＜（１／４）Ｒにあり、(ｂ)よりさらにスルーホール１５の中心に近い。この場合には、リード１２が第３エリアにあって、第３エリアを通過してはんだが供給されたとしても、不良は発生しなかった。さらに、ずれ量ｒがスルーホール中心に近づいた場合には、当然どの方向からはんだを供給しても不良は発生しないことがわかる。

したがって、ずれ量ｒ、すなわちスルーホール中心とリード中心との距離がスルーホール半径Ｒの１／４以上の場合は、リードが存在する４分円のエリアを除くエリアからはんだを供給する必要があることがわかる。したがって、ずれ量ｒの大きさに関係なく、リードが存在する４分円のエリアを除くエリアからはんだを供給すると、はんだ不良を発生させないレーザはんだ付け方法として十分である。

図４（ａ）〜（ｃ）は、スルーホール１５とリード１２とのずれ量ｒが、ｒ≧（１／２）Ｒの場合に、はんだの供給角度θ（図１(ａ)参照）を変化させてはんだ付けを行った結果を示す。

図４(ａ)は、はんだの供給角度θが５０°の場合で、リード１２が第３エリアにあって、第３エリアを通過してはんだが供給されるときには、３０個のうち１４個ではんだ付け不良が発生している。しかしながら、図３(ａ)と比較すると、供給角度４５°から５０°に上げたことにより、不良率の改善が見られることになる。その他のエリアにリード１２があるときには、まったく不良は発生していない。これは、図３(ａ)と同様である。

図４(ｂ)は、はんだの供給角度θが６０°の場合で、リード１２が第３エリアにあって、第３エリアを通過してはんだが供給される場合でも、不良の発生が見られない。その他のエリアにリード１２があるときには、まったく不良は発生していない。

図４(ｃ)は、さらにはんだの供給角度θを大きくした場合で７０°の角度ではんだを供給している。この場合も、リード１２が第３エリアにあって、第３エリアを通過してはんだが供給される場合でも、不良の発生が見られない。その他のエリアにリード１２があるときには(ａ)（ｂ）と同様、まったく不良は発生していない。

これらの結果によると、リード１２がスルーホール１５のどこを通過していても、はんだの供給角度を６０°以上とすることにより、はんだの供給方向によらず、レーザはんだ付け不良は発生しないことを示している。これは、はんだの供給角度を大きくしたことにより、はんだがレーザ照射域に入ってから、リードに到達するまでの距離が長くなり、十分な受熱が行われる時間を確保できたことに起因するものである。したがって、リードが存在する４分円のエリアを除くエリアからはんだを供給する前述のレーザはんだ付け方法に代えて、はんだの供給角度を６０°以上としてはんだを供給するようにしてもよい。

このように４分割したエリアのうちリードが存在しないエリアからはんだを供給するようにすると、はんだの供給位置の自由度が大きくなり、はんだ付け時間を短縮することができる。また、はんだの供給角度を６０°以上とする場合には、はんだの供給位置を固定できるので、さらにはんだ付け時間を短縮することができる。

本実施形態は、使用するはんだ材料として、通常の鉛入りはんだを用いる場合も有効であるが、より大きな入熱量を必要とする鉛フリーはんだ材料を用いる場合に特に有効である。以下は、すべての実施形態および参考例に共通する例であるが、レーザ源としては半導体レーザを使用し、鉛入りはんだ材料は、６３％Ｓｎの共晶はんだを用い、また鉛フリーはんだ材料は、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを用いている。さらに、レーザの波長を限定する参考例４を除き、半導体レーザに代えてＹＡＧレーザを用いても、同様な効果があることを確認している。

なお、本実施形態では、リード１２をプリント基板の下方から挿入し、レーザ光をプリント基板の上方から照射しているが、これに代えてリード１２をプリント基板の下方から挿入し、レーザ光をプリント基板の下方から照射するようにしてもよい。
（参考例１）
一般的なレーザはんだ付けは、図５（ａ）に示すように、たとえばエポキシ系材料にモールドされた部品１６から突き出しているリード１２を、プリント基板３１のスルーホール１５に挿通し、次に、図５（ｂ）に示すように、糸はんだ（図示せず）を供給しながら、レーザ光１１をプリント基板上方から照射しリード１２あるいは糸はんだを加熱するものである。

リード１２をスルーホール１５に確実に挿入するためには、スルーホール１５にある大きさのクリアランスが必要である。しかしながら、図５（ｂ）からわかるように、レーザ光１１を照射しリード１２を加熱すると、スルーホール１５のクリアランスからレーザ光１１が通過しモールド部に到達する。多くの場合、これにより部品１６のモールド部にモールド焼け１７−１が発生していた。

参考例１では、この対策として、図５（ｃ）に示すように、リード１２に遮蔽板１８を組み付け、基板３１のスルーホール１５を通過するレーザ光１１を遮蔽するようにする。このような遮蔽板を設けることにより、スルーホール１５からのレーザ光をある程度遮蔽することができる。しかしながら、遮蔽板１８をリード１２に組み付けるための貫通孔１８１にもクリアランスが必要なためにやはり通過光が生じ、程度は減るもののモールド焼け１７−２が生じる。

完全にレーザ光を遮断するためには、図６に示すように、リード１２を湾曲させて、リード１２に湾曲部１９を有するようにし、この湾曲部１９に遮蔽板１８の貫通孔１８１を通すようにして、リード１２をプリント基板３１に組み付ける。図６から明らかなように、湾曲部１９を有する遮蔽板１８を用いると、遮蔽板１８の貫通孔１８１にクリアランスを持たせても、レーザ光１１の光路を外すようにできる。

図６では、部品１６とプリント基板３１との距離は１３ｍｍで、部品１６から５．５ｍｍすなわちプリント基板から７．５ｍｍに湾曲部１９があり、遮蔽板が組み付けられている。具体的な挿入部品としては、たとえば１列５本のリードピンが２列に並んでいるインバータがあるが、この場合１０本のピンのすべてに湾曲部を設けて、対応する貫通孔を有する一枚の遮蔽板を組み付けている。

このような遮蔽板１８を用いると、レーザ光１１は、遮蔽板１５により遮蔽されてモールド部１６に到達できない。したがって、部品のモールド焼けを完全に防止することができる。
（参考例２）
上述のように、レーザ光は、ランド１４にも直接照射される。現在、プリント配線板に搭載する部品の端子の狭ピッチ化にともないランドの面積も減少する傾向にある。ランド面積が減少するとその分はんだのフィレットも小さくなり信頼性も低下する。したがって、スルーホール部品では、円形のランドに代えて、図７に示すように、オーバル型のランドを採用するのが一般的になっている。すなわち、狭ピッチ方向ではランド幅を減少させて、他の方向ではランド幅を大きくとるようにしている。

参考例２は、オーバル型ランドに最適なレーザ照射方法を採用して、レーザはんだ付けの性能向上と基板焼けの発生を防ぐものである。

次に、図８を参照して、参考例２を説明する。図８の上半部には、円形ランドへ円形のレーザを照射する照射態様Ｃを参考例として、オーバル型ランドへレーザ照射する照射態様Ｓ１〜Ｓ４を示す。このうち、参考例２は、照射態様Ｓ３である。図８の下半部には、各照射態様（Ｃ、Ｓ１〜Ｓ４）に対応するレーザはんだ付け後のはんだ付け不良率と焼け発生率のグラフを示す。各照射態様に対応するグラフにおいて、左側の棒グラフが半田付不良率を示し、右側の斜線の棒グラフが焼け発生率を示す。

図８の上半部の各照射態様において、実線で示したのがランド外周の形状であり、破線で示したのがレーザビーム形状である。照射態様Ｃにおいては、円形ランドの直径φａ＝２．００ｍｍ、レーザビームの直径φａ１＝１．８ｍｍである。照射態様Ｓ１〜Ｓ４におけるオーバル型ランドの短径ａ＝２．０ｍｍ，長径ｂ＝２．５ｍｍであり、レーザビームの短径ａ1＝１．８ｍｍ，長径ｂ1＝２．３ｍｍである。態様Ｓ４における傾き角度α＝４５°である。

さらに、各態様に対応するグラフは、約８１０ｎｍの波長の半導体レーザにて、図９の照射条件で、はんだ付けした時のはんだ付け不良と焼けの発生率を示す。図９の照射条件によると、まず、３０Ｗの出力で０．５〜１．５秒間レーザ光を照射して、あらかじめリードとランドとを加熱する。ここで、０．５〜１．５秒と加熱時間に幅をもたせているのは、加熱時間が長すぎるとスルーホールあるいはランドの銅メッキが剥離することがあり、また短すぎるとはんだ付けがうまくいかなくなるので、加熱時間の調整可能とするためである。加熱が終了すれば、はんだを供給しながら、１９Ｗの出力のレーザ光を１．９秒間照射してはんだ付けを行う。

照射態様Ｃに示すように、ランド直径φａをもつ円形ランドに対しては、基板にレーザ光が直接当たらないようにランド径ａより若干小さいφａ１（ａ＞ａ１）の径のレーザ光を当てている。この場合は、はんだ付け不良および基板の焼けともにほとんど発生していない。ここで、レーザ光の径とは、「ガウシアンプロファイルにおける１／ｅ^２（１３．５％）レベルのビーム半径」より求めた直径を言う。

照射態様Ｓ１〜Ｓ４を通じて、オーバル型ランドは同一形状で、短径はａ、長径はｂ（ｂ＞ａ）である。照射態様Ｓ１は、オーバル型のランドに参考例Ｃと同じ照射径ａ１の円形レーザ光を当てる場合を示す。照射径ａ１の円形レーザ光では、図から明らかように、レーザ光の当たらない部分が多くなり、加熱不足によりはんだの濡れ不良が発生し、はんだ付け不良の発生率が高くなっている（図８の照射態様Ｓ１に対応するグラフ参照）。

照射態様Ｓ２は、オーバル型のランドに十分レーザ光を当てるために、レーザ光の径を大きくして、長径ｂより若干小さいｂ１（ｂ＞ｂ１）の径のレーザ光を照射する場合である。ｂ１は短径ａ１より大きくなるので、短径の両端部分でレーザ光がランドからはみ出す。そのような部分では、レーザ光が直接プリント基板の基材である樹脂部分やソルダーレジストに当たりその部分が焼けるといった不具合が発生する。照射態様Ｓ２のグラフに示されているように、はんだ付け不良の発生率は少ないが、焼け発生率が高くなっている。

照射態様Ｓ３は、参考例２であり、ランドの短径ａよりわずかに小さい短径ａ1、ランドの長径ｂよりわずかに小さい長径ｂ1をもつオーバル型のレーザ光を用いている。図に示す照射態様Ｓ３に対応するグラフで明らかなように、はんだ付け不良も焼けもほとんど発生していない。参考例２では、オーバル型のレーザ光の形状は、それぞれレーザ光の径をａとする２台のレーザ源を用いて、一部を重ね合わせるように照射して、短径ａ、長径ｂをもつレーザ光を生成している。これに代えて、適当なレンズを用いてオーバル型のレーザ光を得るようにしてもよい。

照射態様Ｓ４は、オーバル型のレーザ光を用いているにも関わらず、ランドの長軸とレーザ光の長軸が角度αだけ傾いている場合で、このような場合レーザ光がランドではない基板を照射して焼けが発生することになる。照射態様Ｓ４に対応するグラフに見られるように、高率で焼けが発生していることがわかる。ランドの長軸とレーザ光の長軸が傾いてしまわないようにするには、ランドの長軸とレーザ光の長軸とが一致するようにレーザ光の角度を調整しておくようにする。さらには、ある程度傾いてもはみでないようにレーザ光の形状を小さくすることも対策の一つである。
オーバル型ランドに対して、これよりわずかに小さなオーバル型レーザ光を決定するには、実際のはんだ付けが始まる前に例えばビームプロファイラによりビーム形状を確認して決定する。このときには、形状のみならず傾きも調整することはいうまでもない。

なお、図８のグラフの具体的な不良発生率は、各パラメータとレーザの照射条件により異なってくるとはもちろんである。

参考例２によると、オーバル型ランドに対して、オーバル型レーザビームを照射するので、ランドのほぼ全面に効率よくレーザ光が当たり、はんだ付け不良と焼けのないレーザはんだ付けが可能となる。オーバル型レーザビームを２本の円形レーザビームを用いると容易に形成できるので、簡単な構成によりオーバル型レーザビームを形成することができる。
（参考例３）
参考例２で説明したように、レーザ光がプリント基板のランドをはずれて、プリント基板自体を照射した場合には基板焼けが起こる。ところが、レーザ光が直接プリント基板のランド外の部分に当たっていなくても焼けが発生する場合がある。これは、リードの側面でレーザ光が反射してランド外の基板を照射する場合である。まっすぐなリードに対して真上からすなわちリードに平行にレーザ光が照射される場合は、レーザ光がリードに反射することはないが、現実にはこのようなことは少なく、リードの位置、傾きあるいは曲げによってリードの側面でレーザ光が反射し、場合によってはランド外の基板を照射することになる。レーザ光の反射光がランド外を照射するか否かは、端子の長さ、傾き、ランド寸法、レーザの照射角度等の条件により決る。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、ガラスエポキシのようなプリント配線板のスルーホールに下方からリード線を挿入し、上方よりレーザ光を照射した時にリードの側面にてレーザ光が反射する様子を模式的に示したものである。反射による焼けは、リードがスルーホールの壁面に接し、接した側面にレーザ光が照射されて反射する位置関係の場合に最も発生しやすいことは容易に想像できるので、図は、そのような場合を想定している。（ａ）では、リードには傾きおよび曲げがなく、リードはスルーホールの壁面に接している。（ｂ）では、リード自体に曲げはないが、傾いており、リードはスルーホールの下端に接している。（ｃ）では、リード自体が曲がっていて、リードはスルーホールの上端まで接していて、上端からスルーホール内側に曲がっている。

ここで、Ｘを反射光の到達距離、Ｙをランド寸法とすると、反射光の到達距離Ｘが、ランド寸法Ｙより小さければ、すなわちＸ＜Ｙであれば、基板の焼けは発生しないということができる。

（ａ）のリードの傾きや曲げがない場合には、入射角αのレーザ光が、プリント基板からＬだけ離れたリード側面で反射した場合の反射光の到達距離Ｘは、
Ｘ＝Ｌ・ｔａｎα ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
で与えられる。

（ｂ）のリードが角度βだけ傾いている場合には、レーザ光はリード側面に角度（α＋β）で入射し同じ角度で反射する。その際の反射光の到達距離Ｘはおおよそ、
Ｘ＝（Ｌ・ｔａｎ（α＋β）−Ｔ・ｔａｎβ）／ｃｏｓβ ・・・（２）
で与えられる。なお、Ｔは基板の厚さである。

同様にして、リードが角度γだけ曲がっている（ｃ）の場合の反射光の到達距離はおおよそ、
Ｘ＝（Ｌ・ｔａｎ（α＋γ）−Ｌ・ｔａｎγ）／ｃｏｓγ ・・・（３）
（３）で与えられる。

いずれの場合も、反射光の到達距離Ｘが、ランド寸法Ｙより小さければ基板の焼けは発生しない。すなわち、Ｘ＜Ｙとなるようなα、β、γ、Ｙ，Ｔ、Ｌであればよい。

図１１は、図１０において反射角α＝１０°、基板の厚さＴ＝１．６ｍｍとし、傾き角度β＝０〜１０°、曲げ角度γ＝０〜１０°の範囲で反射位置Ｌと反射光の到達距離Ｘを計算した結果である。具体的には、傾きも曲げもない場合（β＝γ＝０°）、曲げなし（曲げ角度γ＝０°）で傾き角度β＝２°、４°、６°、８°、１０°とした場合、傾きなし（β＝０°）で曲げ角度γ＝２°、４°、６°、８°、１０°とした時の反射位置Ｌと反射光の到達距離Ｘをプロットしてある。この図から、たとえばランド寸法Ｙが与えられた時の基板焼けが発生しない（ランドの外側に反射光が到達しない）リードの突き出し長さＬが計算できる。すなわち、Ｙ＝Ｘとした時のＬの値を求め、実際にリードの長さがＬより小さければランドの外側に反射光は到達せず、基板焼けも発生しない。

たとえば、ランド寸法Ｙ＝０．２５ｍｍとして、Ｘ＝０．２５ｍｍとなるＬは、約１．６７ｍｍとなる。つまり、α＝１０°、Ｔ＝１．６ｍｍ、β＝０〜１０°、γ＝０〜１０、Ｘ＝Ｙ＝０．２５ｍｍの条件では、Ｌ≒１．６７となる。これによれば、リードの基板からの突き出しが、１，７ｍｍ以下、傾きが１０度以下であり、基板厚みが１．６ｍｍ及びランド寸法が０．２５ｍｍ以上であれば、基板焼けは発生しないということができる。

図１２は、波長が約８１０ｎｍの半導体レーザにて、図１０（ｂ）のような傾いたリードに対して、その傾き角度βとリードがレーザ光を反射する位置すなわち突き出し長さＬを変えて、実際にはんだ付けを行い、基板焼けの発生をみたものである。横軸に突き出し量Ｌを、縦軸にリードの傾き角度βをとり、リードピン１００ピン当たり４ピン以上で基板焼けが発生したものを×とし、１〜３ピンが基板焼けが発生したものを△とし、基板焼けが発生しなかったものを○として、プロットしたものである。図に示したように、傾き角度βが１０°以下で、かつリードの突き出し長さＬが１．６ｍｍ以下では、基板焼けは発生していない。

さらに、リードは、断面形状が矩形のものを用いているが、断面形状が円形又は楕円形状のリードを用いると、リード側面で反射するレーザ光が減少するのでさらに有効である。
（参考例４）
参考例３では、基板焼けを防止するためにレーザ光が基板に入射しないような条件を求めたが、そもそも基板焼けが発生するのは、基板がレーザ光を吸収するからである。そこで、どのような条件で基板がレーザ光を吸収しやすくなるか調査した。吸収のしやすさは、
吸収率≒１００−（透過率＋反射率） ・・・（４）
で表される吸収率により評価した。式（４）における透過率および反射率は、分光光度計により測定した。分光光度計によると、プリズムにより分光した種々の波長の光をサンプルに照射し、その時の各々の波長における吸収率と反射率を測定することができる。

図１３に、測定したサンプルの構成の概要を示す。

（ｋ１）プリント配線板の基材自体である１．６ｍｍ厚のガラスエポキシ基板。

（ｋ２）（ｋ１）に、アクリレート系樹脂が主成分のレジスト樹脂により、７０μｍの厚さのソルダレジストを形成したもの、すなわちガラスエポキシ基板＋レジスト（７０μｍ）。

（ｋ３）（ｋ１）に、酸化チタンを含むエポキシ樹脂を主成分とするシルクスクリーンインクを１０μｍのシルクスクリーン印刷を施したもの、すなわちガラスエポキシ基板＋シルク（１０μｍ）。

（ｋ４）（ｋ２）に（ｋ３）のシルクスクリーン印刷を施したもの、すなわちガラスエポキシ基板＋レジスト（７０μｍ）＋シルク（１０μｍ）。

（ｋ５）（ｋ１）に０．０６ｍｍ厚の銅ランドを形成したもの、すなわちガラスエポキシ基板＋Ｃｕランド（０．０６ｍｍｔ）。

（ｋ６）０．５ｍｍ厚の銅リードにＮｉ−Ｐめっき（約６μｍ）を施し、さらにその上に鉛フリーはんだめっき（約１０μｍ）を施したもの。

図１４に図１３に示す構成（ｋ１）〜（ｋ６）の吸収率を示す。横軸は、波長（ｎｍ）、縦軸は吸収率（％）である。図１４からプリント配線板が吸収しにくいレーザの波長は、１９５０ｎｍ付近と５００ｎｍ付近に存在することがわかる。参考までに、ＹＡＧレーザ（２倍変調）、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザ及びＹＡＧレーザの波長を記載したが、これでわかるように、１９５０ｎｍ及び５００ｎｍ付近には実質的に使用可能なレーザ光は存在しない。たとえば１９５０ｎｍ付近の波長をもつレーザ光は存在しない。また、５００ｎｍ付近には存在するものの、実用的な出力のレーザ光を発生させるには、莫大なコストを要するので実用的でない。実用上使用可能な波長は、約８００ｎｍから約９６０ｎｍに存在する半導体レーザと約１０６４ｎｍに存在するＹＡＧレーザである。

参考例２のグラフ（図８）及び参考例３のグラフ（図１２）は、約８１０ｎｍの波長の半導体レーザにより、図１３の（ｋ４）の構成のプリント配線板をはんだ付けしたものである。参考例３で説明したように、基板焼けの発生状況は、図１２に示す通りである。そこで、図１３の（ｋ４）の構成（ガラスエポキシ基板上に酸化チタンを含むエポキシ樹脂を主成分とするシルクスクリーンインクでスクリーン印刷し、さらにアクリレート系樹脂が主成分のレジスト樹脂によりソルダレジストを形成した）のプリント回路板に対しては、図１４のグラフで（ｋ４）の吸収率のピークが出ていない波長を選ぶようにすればよいことがわかる。例えば、８５０ｎｍ以上で１１００ｎｍ以下の波長範囲から選択して用いることができる。図１５は、波長８１０ｎｍの半導体レーザを用いて図１２の結果を得たのと同一の条件で、波長９４０ｎｍの半導体レーザを用いてはんだ付けした結果である。図１５によれば、どのような場合でも基板焼けは発生していないことがわかる。

このように、レーザの波長を約８１０ｎｍから約９４０ｎｍに変更しただけで基板焼けは発生しなくなった。このように、基板焼けは、前述した端子（リード）の長さ、傾き、曲げ、ランド寸法、レーザの照射角度以外にも、プリント配線板の構成、レーザ光の波長にも大きく影響されている。参考例４では、プリント配線板の構成に応じて基板焼けの発生しにくいレーザ光の波長を選択するようにしたので、プリント配線板のランドから外れた部分にレーザが照射しても、基板焼けの発生が抑えられる。
（参考例５）
通常のレーザはんだ付けが終了後、はんだ部分に黒い焦げが残ることがあった。この黒い焦げは、ハンダ材料とともに使用されるフラックスによるものであることが分かった。参考例５では、フレックスの材料を選択して、上述の焦げの発生を防ぐものである。

一般に、レーザはんだ付けに用いるはんだには、はんだ材料と共にフラックスも含まれており、フラックスとしては、一般に松ヤニと呼ばれるロジンを使用する。一般的なロジンは、熱重量分析（Thermal Gravimetry: ＴＧ）法によって温度と質量変化を調査すると、はんだ付けを行う温度で、茶色に変色し、さらに温度を上昇させると、蒸発しきれない成分が炭化し、タール状に黒色化したものが残留することがわかった。したがって、こうした材料を用いて、何も対策を施さない状況でレーザはんだ付を行うと、前述のようにヤニの焦げが発生することになる。

一方、蒸留精製したロジンや合成樹脂系のフラックスの場合、ＴＧ法によって測定すると、残留分の変色が少なく、炭化し難いことが分かった。そこで、本実施形態では、このような材料を使用してレーザ半田付けを行う。その結果、残留フラックス自身の焦げが低減できる。

なお、このような精製蒸留品は、約４００℃のフラックス材料のＴＧ法により測定した重量減少率である熱重量パーセント（ＴＧ）が、１５％以下であった。

以上、本発明の実施形態および参考例を説明したが、実施形態および参考例は単独に用いることもできるが、組み合わせて用いることもできる。はんだ付けの性能や信頼性を向上させるためには、組み合わせて用いるとさらに有効である。

（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態のレーザはんだ付け方法を説明する図である。 第１の実施形態を実施するためのレーザはんだ付け装置を示す図である。 （ａ)〜（ｃ）は、スルーホールにおけるリードの位置とレーザはんだ付け不良率との関係を示す図である。 （ａ)〜（ｃ）は、はんだ供給角とレーザはんだ付け不良率との関係を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態のレーザはんだ付け方法を説明する図である。 参考例１の他の例であるレーザはんだ付け方法を示す図である。 スルーホール周囲のオーバル型のランドを示す図である。 参考例２のレーザはんだ付け方法と比較例及びこれらの作用効果を示す図である。 参考例２に使用するレーザの照射条件の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、リードによる反射光がランド内に入射する条件を考慮した参考例３のレーザはんだ付け方法を模式的に示す図である。 参考例３によるリードの反射位置Ｌと反射光の到達距離Ｘとの関係を示す図である。 参考例３の作用効果を示す図であって、基板焼けが発生したものと、基板焼けが発生しなかったものとをプロットして示した図である。 参考例４を適用する回路基板の構成を説明する図である。 図１３に示す回路基板の構成別のレーザ吸収率を示す図である。 参考例４の一例である約９４０ｎｍの半導体レーザを用いてはんだ付けした結果を示す図である。

１１ レーザ光
１２ リード
１３ はんだ
１４ ランド
１５ スルーホール
１６ 電子部品
１８ 遮蔽板
２１ レーザ源
２３ ＣＣＤカメラ
２５ 制御部
２６ ハーフミラー
２７ はんだ供給部
２８ はんだガイド
３１ 回路基板

Claims (1)

1. 電子部品のリードと回路基板のスルーホール周囲に設けられたランドとをレーザ照射によりはんだ付けするレーザはんだ付け方法において、
   前記リードを前記スルーホールに挿入して突出させるステップと、
   前記リードの挿入位置を検出するステップと、
   前記リードの突出側からレーザ光を照射するステップと
   前記リードと前記ランドとの距離がより長い方向から、はんだ材料を供給するステップと、を備え、
   前記はんだ材料を供給する方向は、リードが挿入されている前記スルーホールの４分円を除く方向とするレーザはんだ付け方法。

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