JP7459671B2 - レーザはんだ付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザはんだ付け方法に関する。

従来より、基板に電子部品を実装する際に、その基板のはんだ付け部に対し、レーザヘッドからレーザ光を照射してはんだ付けを行うレーザはんだ付け方法が採用されている（例えば特許文献１参照）。
具体的には例えば、基板におけるスルーホール周囲のランドと電子部品の端子とをはんだ付けするはんだ付部として、レーザ光の熱ではんだを溶融させてはんだ付けを行う。このレーザはんだ付け方法では、はんだごてを用いた方法では対応できないような極小箇所でも非接触ではんだ付けを行うことができ、又、はんだボールの発生を抑制しつつ基板への負荷の低減を図ることができる等の利点がある。

特開２０１１－２９６５９号公報

従来のレーザはんだ付け方法にあっては、レーザ光による基板の焼け焦げや、熱引き等に起因するはんだ付け不良といった不具合が生じうる。そこで、基板におけるランド径等に対応させて、レーザ出力等のはんだ付け条件をはんだ付部毎に設定する或いは切替ることが考えられる。
しかしながら、実際の製造工程では例えば、一の基板における十数箇所にわたってはんだ付けが行われ、各々の箇所に対応したはんだ付け条件の設定を、多数の基板について行うものとすれば、その条件の切替えだけで多くの時間を要することとなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、はんだ付部に対応したはんだ付け条件の設定に伴う時間の増大を抑制することができ、はんだ付けの信頼性を向上させることができるレーザはんだ付け方法を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、設定工程で個々のはんだ付け部に対応させたはんだ付け条件を設定することができるとともに、そのはんだ付け条件の設定とレーザヘッド（１０）の相対移動とを並行して行うことができ、はんだ付け条件の設定をレーザヘッドの相対移動後に行うものに比して時間の短縮を図ることができる。
また、はんだ付けを行う位置へのレーザヘッドの相対移動が完了したことを開始条件として含むため、レーザヘッドの相対移動中にレーザ光を照射するといった不具合を生じさせることなく、好適なタイミングではんだ付けを開始することができ、総じて信頼性の高い接続を行うことができる。

一実施形態におけるレーザはんだ付け方法を説明するための、装置全体の概略構成を示す模式図 本設備における主制御装置、供給制御装置及びレーザ制御装置の協働による処理の流れを示す図 はんだ付け条件の設定とレーザヘッドの相対移動のタイミングを示すタイムチャート 従来構成において、はんだ付けを開始する際の動作タイミングを説明するためのタイムチャート

以下、本開示の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に模式的に示すレーザはんだ付け装置１は、はんだ付けを行うためのレーザ光を照射するレーザヘッド１０と、そのはんだ付け対象となる基板２がセットされる基台１１とを備える。
前記基板２は、電子部品３が実装される矩形板状の回路基板であり、板厚方向に貫通する複数のスルーホール４、及びスルーホール４各々の周囲に設けられたランド５を有する。基板２のスルーホール４に挿通された電子部品３の端子３ａとランド５は、はんだを介して電気的に接続されるはんだ付部とされている。

図示は省略するが、１つの基板２には例えば１２箇所のはんだ付部が存するものとし、図１は便宜上、１箇所のはんだ付部を代表して示すものとする。以下では、同図のはんだ付部における電子部品３の端子３ａ先端側を上方とし、その反対側を下方とする。また、図１において上下方向となる基板２の板厚方向をＺ方向とする。更に、基板２周辺部のうちの一辺部に沿う同図の左右方向をＸ方向、同図の紙面と直交する方向をＹ方向とする。

レーザはんだ付け装置１において、レーザヘッド１０は、例えば図示しないロボットアームを移動手段として、基板２に対しＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向への相対移動が可能である。この場合、レーザヘッド１０は、多関節の前記ロボットアームの先端部に設けられ、各アームの駆動により、レーザ光の照射領域が、はんだ付けを行う端子３ａ及びランド５に合わさるように相対移動される（レーザ光の光軸Ｏ参照）。なお、係るレーザヘッド１０の移動工程において、基板２のセット部たる基台１１のセット面１１ａを、所謂ＸＹテーブルとして当該基板２ごと移動させるようにしてもよい。以下では、レーザヘッド１０の「相対移動」を単に「移動」とも称する。

図１に符号１２で示す糸状のはんだは、その供給源をはんだ供給装置１３とする糸はんだ１２である。はんだ供給装置１３は、前記ロボットアームの先端側に設けられたはんだガイド１３ａを含む。これにより、はんだ供給装置１３は、糸はんだ１２をはんだガイド１３ａでガイドしつつ、はんだ付部へ向けて所定方向から繰り出すように構成されている。なお、図１では説明の便宜上、はんだガイド１３ａとレーザヘッド１０を、互いに離間した位置に示しているが、はんだガイド１３ａは、ロボットアームによりレーザヘッド１０と共に移動されるものとする。

レーザはんだ付け装置１には、周辺の設備として例えば基板２を搬入・搬出するための搬入用ベルトや搬出用ベルト等が付設されており、係る周辺の設備を含む設備全体を、設備１５或いは本設備１５と称する。本設備１５では、搬入用ベルトを介してセット面１１ａへ基板２を搬入する搬入工程及び搬出用ベルトを介して設備外へ基板２を搬出する搬出工程の他、前記レーザヘッド１０の移動工程、後述するはんだ付け条件を設定する設定工程等を含む一連の工程が自動的に行われるようになっている（後述の図２参照）。

ここで、図１に示す設備１５全体の制御を司る主制御装置１６は、マイクロコンピュータを主体に構成されており、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる記憶部を有する。主制御装置１６には、前記ロボットアーム等における各種アクチュエータや図示しない操作入力部が接続されるとともに、レーザ制御装置１７、供給制御装置１８等が接続されている。主制御装置１６の記憶部には、制御プログラムが記憶されるとともに、基板２における個々のはんだ付部に対応する座標データ、当該はんだ付部に関連付けられたはんだ付け条件等が記憶されている。そして、主制御装置１６は、レーザ制御装置１７や供給制御装置１８との間で通信を行い、前記一連の工程に係る処理を各制御装置１７，１８と協働して実行する。

前記座標データは例えば、移動工程においてレーザヘッド１０の移動先となるレーザ照射位置をＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標で特定するものであって、レーザヘッド１０の待機位置からレーザ照射位置までのオフセット座標、或いは基板２における基準位置から個々のはんだ付部の位置に対応するオフセット座標として規定されている。具体的には、座標データは基板２の種類毎に記憶されており、又、例えば１つの基板２に１２箇所のはんだ付部が存する場合には第１はんだ付部、第２はんだ付部、…第１２はんだ付部の位置各々に対応させて、レーザヘッド１０を順次移動させる順序データと共に記憶されるものとする。これにより、主制御装置１６は、移動工程において座標データに基づき各種アクチュエータを制御し、レーザヘッド１０を、はんだ付けを行う位置つまりレーザ照射位置へ順次移動させる。

レーザ制御装置１７は、レーザ光を発生させる発振部（図示略）を制御するものであり、記憶部を有するマイクロコンピュータを主体に構成されている。発振部から出力されるレーザ光は、レーザヘッド１０から当該光軸Ｏに沿って基板２に向けて照射される。このレーザ光の照射に先立ち、レーザ制御装置１７は、主制御装置１６との間ではんだ付け条件に関する通信を行い、レーザ光の照射に係る制御パラメータを設定する。
レーザ光の照射に係る制御パラメータは、例えばレーザ光のレーザ出力（Ｗ）、照射時間（Ｓｅｃ）を含む。また、当該制御パラメータは、基板２の種類に応じて、はんだ付部毎のオフセット座標或いは前記順序データと関連付けて記憶されている。

供給制御装置１８は、はんだガイド１３ａ及びはんだ供給装置１３を制御するものであり、記憶部を有するマイクロコンピュータを主体に構成されている。レーザ光の照射に先立ち、供給制御装置１８は、主制御装置１６との間ではんだ付け条件に関する通信を行い、はんだ材料の供給に係る制御パラメータを設定する。
はんだ材料の供給に係る制御パラメータは、例えば糸はんだ１２と基板２表面（図１で上面）とのなす、はんだ供給角度θ、上面側から見たランド５周りにおけるはんだ供給方向、糸はんだ１２の供給速度を含む。また、当該制御パラメータは、基板２の種類に応じて、はんだ付部毎のオフセット座標或いは順序データと関連付けて記憶されている。

なお、はんだ付け条件は、例えばレーザ光がランド５からはみ出すことの無いよう、照射領域の大きさ或いはレーザ光の径寸法を設定する等の条件を追加してもよい。また、主制御装置１６、レーザ制御装置１７及び供給制御装置１８は、夫々図示しないタッチパネル等の操作入力部を有しており、予め夫々のティーチング或いははんだ付け条件に関する設定入力が可能である。

さて、はんだ付け条件は、「解決しようとする課題」で述べた熱引き等を考慮して、基板２の種類毎に、ランド５の形状寸法等に対応して設定することにより、はんだ付けの品質や信頼性を向上させることができる。

しかしながら、はんだ付け条件は各種パラメータを含み、その設定・切替えについて、個々のはんだ付部に対応させて行うものとすれば、製造工程において多くの時間を要することとなり、基板２の生産効率の低下を招く問題がある。具体的には、図４のタイムチャートに示すように、はんだ付けを開始する際、レーザヘッドを待機位置からレーザ照射位置へ移動させた後、レーザスタートを指示することにより、はんだ付け条件が設定されるものと仮定する。この場合、同図のＴ１及びＴ２で示すように、はんだ供給制御装置及びレーザ制御装置は、設備の主制御装置側からはんだ付け条件を受付けて、夫々対応する制御パラメータに切替えるための時間Ｔ１，Ｔ２を要する。このため、制御パラメータの設定終了後、直ちにレーザ光の照射を開始しても、レーザスタートの指示からはんだ付けが完了するまでに時間（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）がかかり、基板２の生産効率を低下させる要因となる。

そこで、本設備１５では、図２、図３にて「条件切替」として示すように、個々のはんだ付部に対応する適正なはんだ付け条件を設定しながらも、これに伴う生産効率の低下を抑制するものとしている。係る構成について、同図２、図３を参照しながら詳述する。ここで、図２は、説明の便宜上、１つの基板２に１箇所のはんだ付部が存する場合における処理の流れを示すものとし、又、レーザヘッド１０の移動工程にて、はんだ材料の供給に係る制御パラメータを切替えるものとする。また、図２のＡ１～Ａ１１、Ｂ１～Ｂ５、Ｃ１～Ｃ３は各ステップを表すものとし、前記搬入用ベルトを含む搬入手段を「搬入装置」、前記搬出用ベルトを含む搬出手段を「搬出装置」と称して説明を簡単化する。

即ち先ず、設備１５の主制御装置１６は、図２の処理をスタートすると、搬入工程において、搬入装置により基板２を機内へ投入してセット面１１ａにセットする（Ａ１）。このとき、基板２において、図１に示すようにスルーホール４に挿通されて突出するように配置される電子部品３の端子３ａと、ランド５とをはんだ付部とする。

次いで、主制御装置１６は、当該基板２に対応付けられた座標データとはんだ付け条件を読み込んで、その座標データに基づきロボットアームを制御して、レーザヘッド１０を原位置たる待機位置から、はんだ付部に対応するレーザ照射位置へ移動させる（Ａ２，Ａ３）。

そして、主制御装置１６は、Ａ２，Ａ３の移動工程において、はんだ材料の供給に係る制御パラメータを設定するための処理を実行する（Ａ５～Ａ８）。この場合、主制御装置１６は、今回設定する当該基板２のはんだ付け条件を照合し、設定の切替えを要すると判定した場合（Ａ５）、当該はんだ付け条件をセットし（Ａ６）、供給制御装置１８へ出力する（Ａ７）。

これにより、供給制御装置１８において、はんだ付け条件の切替実行に係る情報を受付け（Ｂ１）、そのはんだ付け条件に切替える設定工程が行われる（Ｂ２）。設定工程では、はんだ材料の供給に係る制御パラメータとしての前記はんだ供給角度θ、はんだ供給方向、糸はんだ１２の供給速度等のうち少なくとも１つが切替えられ、設定される。こうして、供給制御装置１８は、条件切替が完了すると、その旨を示す条件切替完了信号を設備１５側の主制御装置１６へ出力する（Ｂ３）。

主制御装置１６は、供給制御装置１８より出力された条件切替完了信号を受付け（Ａ８）、且つレーザヘッド１０のレーザ照射位置への移動が完了した（Ａ４）と判定すると、レーザ光の照射を開始させるべくレーザ制御装置１７に係る制御パラメータを出力するとともに、そのレーザ光の照射に合わせて供給制御装置１８に糸はんだ１２を供給させるように指示する（Ａ９）。

これにより、レーザ制御装置１７において、レーザ光の照射に係る制御パラメータの指示を受付けると、その制御パラメータに切替える設定工程が行われる（Ｃ１）。この設定工程では、前記レーザ出力や照射時間といったレーザ光の照射に係る制御パラメータのうち少なくとも１つが切替えられ、設定される。

レーザ制御装置１７は、はんだ付け条件の設定を終えた時点で、はんだ付けの開始条件が成立したものとして、前記発振部でレーザ光を発生させてレーザヘッド１０から照射させる（Ｃ２）。このはんだ付け工程において、レーザ光は、はんだ付部におけるランド５と端子３ａの双方を照射領域として設定された出力で所定時間照射されるとともに、糸はんだ１２は、はんだガイド１３ａでガイドされつつ設定された供給角度θ或いは供給方向から所定速度で当該照射領域に繰り出されて（Ｂ４）、はんだ付けが行われる。

こうして、レーザ制御装置１７によりレーザ光の照射が完了すると、その照射完了信号を主制御装置１６へ出力するとともに（Ｃ３）、供給制御装置１８により糸はんだ１２の供給が完了すると、その供給完了信号を主制御装置１６へ出力する（Ｂ５）。
主制御装置１６は、レーザ制御装置１７からの照射完了信号と、供給制御装置１８からの供給完了信号とを受付けると（Ａ１０）、ロボットアームによりレーザヘッド１０を原位置へ移動させるとともに（Ａ１１）、搬出装置により基板２をセット面１１ａから機外へ搬出する（Ａ１２）。こうして、主制御装置１６は、上記したＡ１～Ａ１２、Ｂ１～Ｂ５、Ｃ１～Ｃ３を１サイクルとする処理を完了すると（Ａ１３）、図２の「スタート」へリターンすることにより、他の基板２についても連続して処理を行うことができる。

上記したＡ２～Ａ４の移動工程中に、Ｂ２及びＣ１の双方の条件切替を行うように構成してもよい。この具体的な構成について、図３のタイムチャートを参照しながら説明する。ここで、図３のｔ１～ｔ４は、レーザヘッド１０の移動開始～移動完了の時点を表し、ｔ２～ｔ３は、供給制御装置１８での制御パラメータの設定及びレーザ制御装置１７での制御パラメータの設定の所要時間を表し、ｔ４～ｔ５は、はんだ付けの所要時間を表すものとする。

即ち、主制御装置１６は、搬入工程から処理をスタートして、投入された基板２をセット面１１ａにセットし（図２のＡ１）、その後の移動工程の開始時つまり図３のｔ１の時点で、基板２に対応付けられた座標データに基づき、レーザヘッド１０を原位置からレーザ照射位置へ移動させる（Ａ２，Ａ３）。

この移動工程中に、主制御装置１６は、はんだ付け条件の設定工程（Ａ５～Ａ９、Ｂ１～Ｂ３、Ｃ１）を並行して行うべく、はんだ材料の供給に係る制御パラメータを供給制御装置１８へ出力するとともに（図３のｔ２）、レーザ光の照射に係る制御パラメータをレーザ制御装置１７へ出力する（同ｔ２）。これにより、移動工程中から供給制御装置１８において受付けた制御パラメータに切替える設定工程と、レーザ制御装置１７において受付けた制御パラメータに切替える設定工程とを行うことができる。

この後、供給制御装置１８において設定工程を終えることに伴い条件切替完了信号を主制御装置１６へ出力し、レーザ制御装置１７において設定工程を終えることに伴い条件切替完了信号を主制御装置１６へ出力する。

ここで、主制御装置１６は、供給制御装置１８及びレーザ制御装置１７の双方から条件切替完了信号を受付けたｔ３の時点で、条件切替が完了したものとして判定する。また、図３に例示するように、主制御装置１６は、ｔ３以降の時点であって且つレーザヘッド１０のレーザ照射位置への移動が完了したｔ４の時点で、前記開始条件が成立したものとして、レーザスタートつまりはレーザ制御装置１７にレーザ光の照射開始を指示するとともに、供給制御装置１８に糸はんだ１２の供給開始を指示して、はんだ付け工程を行わしめる。

この後、主制御装置１６は、はんだ付け工程が完了し、レーザ制御装置１７からの照射完了信号と、供給制御装置１８からの供給完了信号とを受付けたｔ５の時点で、レーザヘッド１０を原位置へ移動させるとともに、基板２をセット面１１ａから機外へ搬出して、この処理を終了する。

なお、図２や図３では、１つの基板２に１箇所のはんだ付部が存する場合を例に説明したが、１つの基板２に複数箇所のはんだ付部が存する場合にも、同様のレーザはんだ付け方法で処理を行うことが可能である。具体的には例えば、１つの基板２に前記第１はんだ付部、第２はんだ付部、…第１２はんだ付部が存し、個々のはんだ付部ではんだ付け条件が異なっていても、図２のＡ１～Ａ１０、Ｂ１～Ｂ５、Ｃ１～Ｃ３の処理或いは図３のｔ１～ｔ５のタイムチャートで説明した処理を、前記順序データに従い、はんだ付部毎に実行することができる。

以上説明したように、本実施形態のレーザはんだ付け方法は、はんだ付けを行う位置へレーザヘッド１０を基板２に対して相対移動させる移動工程と、当該移動工程での移動先となる個々のはんだ付部に対応するはんだ付けの条件であってレーザ光によるはんだ付けに関するはんだ付け条件を設定する設定工程と、はんだ付部に対応するはんだ付け条件が設定されている場合に、はんだ付けを開始する開始条件が成立したものとして、レーザ光を照射してはんだ付けを行うはんだ付け工程と、を備え、前記移動工程中からはんだ付け条件を設定することにより、当該移動工程と当該設定工程とを並行して行い、はんだ付けを行う位置への相対移動が完了したことを前記開始条件として含む。

これによれば、設定工程で個々のはんだ付け部に対応させたはんだ付け条件を設定することができるとともに、そのはんだ付け条件の設定とレーザヘッド１０の相対移動とを並行して行うことができ、はんだ付け条件の設定をレーザヘッド１０の相対移動後に行うものに比して時間の短縮を図ることができる。
また、はんだ付けを行う位置へのレーザヘッド１０の相対移動が完了したことを開始条件として含むため、レーザヘッド１０の相対移動中にレーザ光を照射するといった不具合を生じさせることなく、好適なタイミングではんだ付けを開始することができ、総じて信頼性の高い接続を行うことができる。

本設備１５では、はんだ付けを行う位置へのレーザヘッド１０の相対移動が完了し、且つはんだ付け条件の設定を終えた時点で、レーザ光を照射してはんだ付けを開始するように構成されている。このため、例えば図３のｔ１～ｔ４の移動工程時間に対する、ｔ２～ｔ３の設定工程時間の長短にかかわりなく、極力時間短縮を図ることができる。

前記はんだ付け条件は、レーザ光の照射に係る制御パラメータと、はんだ付部へのはんだ材料の供給に係る制御パラメータとを含む。このため、各制御パラメータについて移動工程中から設定可能となり、図４で説明した時間Ｔ１，Ｔ２の短縮を図ることが可能となる。

また、一の基板２における複数のはんだ付部に対応させて複数のはんだ付け条件の設定を行うときには、係る基板２の製造工程において、大幅な時間短縮が可能となり、生産効率を高めることができる。

本開示は、実施例（実施形態）に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、更には、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
例えば、基板２におけるはんだ付部の個数やはんだ付け条件等は、上記した個数や制御パラメータに限らず、適宜変更して実施しうるものである。

図面中、１はレーザはんだ付け装置、２は基板、３ａは端子（はんだ付部）、５はランド（はんだ付部）、１０はレーザヘッド、を示す。

Claims (4)

1. はんだ付け対象となる基板（２）のはんだ付部に対し、レーザヘッド（１０）からレーザ光を照射してはんだ付けを行うレーザはんだ付け方法であって、
   はんだ付けを行う位置へ前記レーザヘッドを前記基板に対して相対移動させる移動工程と、
   前記移動工程での移動先となる個々の前記はんだ付部に対応するはんだ付けの条件であって、前記レーザ光によるはんだ付けに関するはんだ付け条件として、当該移動先でのレーザ光の照射に係る制御パラメータと、当該はんだ付部へのはんだ材料の供給に係る制御パラメータと、の少なくとも一方を設定する設定工程と、
   前記はんだ付部に対応する前記はんだ付け条件が設定されている場合に、はんだ付けを開始する開始条件が成立したものとして、前記レーザ光を照射してはんだ付けを行うはんだ付け工程と、を備え、
   前記移動工程中から前記移動先のはんだ付部に対応した前記はんだ付け条件を設定することにより、当該移動工程と当該設定工程とを並行して行い、前記はんだ付けを行う位置への前記相対移動が完了したことを前記開始条件として含むレーザはんだ付け方法。
2. 前記はんだ付けを行う位置への前記レーザヘッドの相対移動が完了し、且つ前記はんだ付け条件の設定を終えた時点で、前記レーザ光を照射してはんだ付けを開始する請求項１記載のレーザはんだ付け方法。
3. 前記はんだ付け条件は、前記レーザ光の照射に係る制御パラメータと、前記はんだ付部へのはんだ材料の供給に係る制御パラメータと、を含む請求項１又は２記載のレーザはんだ付け方法。
4. 一の前記基板における複数の前記はんだ付部に対応させて複数の前記はんだ付け条件の設定を行う請求項１から３の何れか一項記載のレーザはんだ付け方法。

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