JPS58161396A - Soldering method using laser beam - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプリント回路板の部品の実装方法に係り、特に
プリント回路基板と実装電子部品の接合に好適な半田付
は方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for mounting components on a printed circuit board, and particularly to a soldering method suitable for joining a printed circuit board and mounted electronic components.

従来のプリント回路板は、基板に電子部品を装着後、半
田ごて、半田浴への浸漬等によって半田付けされて実装
さｎていた。これらの方法は、例えば半田ごてでは能率
が悪く、また半田浴への浸漬では熱やフラツクスの影響
を受は易い電子部品へは適用できないなどの制約がめっ
た。Conventional printed circuit boards are mounted by mounting electronic components on the board and then soldering them using a soldering iron, dipping in a solder bath, or the like. These methods have many limitations, such as being inefficient when used with a soldering iron, and being unable to be applied to electronic components that are easily affected by heat and flux when immersed in a solder bath.

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、電
子部品に影＃を与えることなく簡単に半田付けが行える
方法を提供するにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method that eliminates the above-mentioned drawbacks of the prior art and allows easy soldering without casting a shadow on electronic components.

このため本発明は、局部を瞬間的に加熱できるレーザビ
ームを用いて基板および電子部品のＩＪ−ド線を加熱し
、半田として線状半田を用い、線状半田ヲレーザビーム
で予熱して半田付けを行うようにしたものである。For this reason, the present invention uses a laser beam that can instantaneously heat local parts to heat the IJ-wires of the board and electronic components, uses linear solder as the solder, and preheats the linear solder with the laser beam to perform soldering. This is what I decided to do.

第１図に本発明の原理図、第２図に半田付は過程の熱サ
イクルを示す。第１図において、プリント基板１のスル
ホール２に挿入された電子部品のリード線４の上部よシ
レーザピーム５（レーザビーム発生装置及び東光光学系
は図示せず）を照射し、被接合部が一定温度に達したと
ころで、被接合部より一定間隔ｔに保っておった線状半
田６を供給して（供給装置は図示せず）半田付けを行う
ものである。Fig. 1 shows the principle of the present invention, and Fig. 2 shows the thermal cycle of the soldering process. In FIG. 1, a laser beam 5 (laser beam generator and Toko optical system are not shown) is irradiated onto the top of a lead wire 4 of an electronic component inserted into a through hole 2 of a printed circuit board 1, and the part to be joined is kept at a constant temperature. When this is reached, soldering is performed by supplying linear solder 6 kept at a constant interval t from the parts to be joined (the supply device is not shown).

第２図は上述の半田付は過程の熱サイクルを模式的に示
したものである。レーザ照射によって被接合部は実線の
ように温度上昇する。レーザ照射と同時スタートした線
状半田は、レーザビームに進入すると点線のように温度
上昇して、半田の先端が溶融して被接合部に達すると、
被接合部が予熱されているため溶融半田は容易に周囲へ
広がる。FIG. 2 schematically shows the thermal cycle of the soldering process described above. As a result of laser irradiation, the temperature of the part to be joined increases as shown by the solid line. The linear solder, which started at the same time as the laser irradiation, rises in temperature as shown by the dotted line as it enters the laser beam, and when the tip of the solder melts and reaches the part to be joined,
Since the parts to be joined are preheated, the molten solder easily spreads to the surrounding area.

線状半田はさらにｔ２間送給され、その後すみやかに引
き戻され次の準備に入る。レーザビームは線状半田引戻
し開始後引続いて１８間照射し、被接合部への溶融半田
の浸透を確実にさせる。The linear solder is further fed for a period of t2, after which it is immediately pulled back to prepare for the next step. The laser beam is continuously irradiated for 18 hours after the start of linear solder pullback to ensure that the molten solder penetrates into the parts to be joined.

半田付は条件としては、ビーム出力（投入パワー）、照
射時間、集光レンズの焦点距離、ビームの焦点位置、供
給半田の線径、供給速度、供給量（供給時間）、予熱及
び後熱サイクルなど多くの因子がある。The conditions for soldering are beam output (input power), irradiation time, focal length of the condensing lens, focal position of the beam, wire diameter of supplied solder, supply speed, supply amount (supply time), preheating and post-heating cycles. There are many factors such as

ビーム出力及び照射時間は被接合部の形状、挿入部品の
寸法、材質などヒートマスによって決まるもので、個々
に適正条件を定めておく。集光レンズの焦点距離、ビー
ムの焦点位置は、接合部でのビームの拡が９に関係し、
線状半田の供給条件と密接に関連してくる。The beam output and irradiation time are determined by the heat mass, such as the shape of the part to be joined, the dimensions of the inserted parts, and the material, and appropriate conditions are determined individually. The focal length of the condensing lens and the focal position of the beam are related to the spread of the beam at the junction.
This is closely related to the supply conditions of linear solder.

第３図はビームの焦点位置を模式的に３つの状態で示し
たものであるが、（Ａ）は被接合部光面より内部（矢印
方向にレーザビームが照射され、プリント基板１よシ下
）で、（Ｂ）は表面Ｃ１（Ｃ）は上部で、それぞれ集光
されていることを示している。この３つの状態の中では
、被接合部全体を加熱し、しかも供給半田の予熱も兼用
できるという点で、（Ｃ）の状態が好ましい。（Ａ）の
状態でも極端に焦点位ｆＩ！、を下げれば（Ｃ）と同じ
効果が期待できるが、基板の下にある挿入部品へ損Ｓｋ
与える危険がある。（Ｃ）の方法で焦点位置をどこにと
るかは、ビーム出力及び照射時間と同じく被接合部の状
態によって決まる個有の条件である。Figure 3 schematically shows the focal position of the beam in three states. (A) shows the position inside the optical surface of the part to be joined (the laser beam is irradiated in the direction of the arrow, and the position is below the printed circuit board 1). ), and (B) shows that the surface C1 (C) is the upper part and the light is focused respectively. Among these three states, state (C) is preferable in that it can heat the entire part to be joined and also preheat the supplied solder. Even in state (A), the focal position fI is extremely high! The same effect as (C) can be expected by lowering , but the loss to the inserted parts under the board will be
There is a danger of giving. Where to place the focal point in the method (C) is a unique condition determined by the state of the parts to be joined, as well as the beam output and irradiation time.

半田の供給条件は、半田の予熱、溶融過程に関連する。The solder supply conditions are related to solder preheating and melting process.

第４図において、（Ａ）は線状半田６がレーザビームで
加熱される範囲に入る直前（点線より右側がレーザビー
ムによる加熱域）を示し、（Ｂ）は線状半田がレーザビ
ームを通過中に加熱され、被接合部に接触する直前では
先端部が半溶融状態になっていることを示している。即
ち線状半田の供給速度は（Ａ）の位置を起点にして（Ｂ
）の状態になる速度を目標に選定される。また線状半田
の供給時間は被接合部を埋めつくすのに必要な半田量か
ら決められる。In FIG. 4, (A) shows the linear solder 6 just before entering the range where it is heated by the laser beam (the area to the right of the dotted line is the area heated by the laser beam), and (B) shows the linear solder 6 passing through the laser beam. This shows that the tip is heated inside and is in a semi-molten state just before contacting the part to be joined. In other words, the supply speed of linear solder is from position (A) as the starting point to position (B).
) is selected based on the target speed. Further, the supply time of the linear solder is determined based on the amount of solder required to completely fill the parts to be joined.

第５図および第６図は具体的な装置構成を示す図である
。基本構成は、レーザビームを発生させるレーザ発振器
１２．レーザビームを半田付は部まで導く加工光学ユニ
ット１３．あるいはファイバーユニット１９．半田を自
動供給する半田自動供給装置１４．プリント基板５を移
動させるＸＹｚステージ１６．あるいはレーザビームを
移動させるロボット２０．レーザビームの出力、照射時
間などを制御するレーザ制御盤１０．ＸＹＺステージを
制御するＮｅｔｔｔｔ＋ａ盤１７．あるいはロボットを
制御するロボット制御盤２１．全体を制御するシーケン
サ１８で構成されている。FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams showing a specific device configuration. The basic configuration consists of a laser oscillator 12 that generates a laser beam. Processing optical unit 13 that guides the laser beam to the soldering part. Or fiber unit 19. Automatic solder supply device that automatically supplies solder 14. XYz stage 16 for moving the printed circuit board 5. Or a robot that moves the laser beam 20. Laser control panel 10 that controls laser beam output, irradiation time, etc. Netttt+a board that controls the XYZ stage 17. Or a robot control panel 21 that controls the robot. It is composed of a sequencer 18 that controls the entire system.

半田付は位置の移動方法に関しては、第５図ではレーザ
ビームを固定として、プリント基板を移動させ、半田付
けを行う方法である。又、第６図は逆にプリント基板を
固定して、レーザビームを移動させ、半田付けを行う方
法である。Regarding the method of moving the position of soldering, as shown in FIG. 5, the laser beam is fixed and the printed circuit board is moved to perform soldering. Moreover, FIG. 6 shows a method in which the printed circuit board is fixed and the laser beam is moved to perform soldering.

次にレーザビームの照射方法は、第５図では上から下方
向に照射する。第６図では、ファイバーを使用している
のでフレキシブルであシレーザビームを任意の位置に導
く事が容易である。この事から第７図（Ａ）に示すよう
に横方向から照射が可能である。同じく第７図（Ｂ）の
ように下方向から、あるいは第７図（Ｃ）のように斜め
方向からと多方向からの照射が可能である。Next, as for the method of irradiating the laser beam, in FIG. 5, the laser beam is irradiated from top to bottom. In FIG. 6, since a fiber is used, it is flexible and it is easy to guide the laser beam to any desired position. From this, it is possible to irradiate from the side as shown in FIG. 7(A). Similarly, irradiation can be performed from multiple directions, such as from below as shown in FIG. 7(B) or from an oblique direction as shown in FIG. 7(C).

実験の結果、どの方向からレーザビームを照射しても半
田付けが良好に行い得ることは確認済みである。これか
ら言えることは、現状のこて半田作業のように後付は部
品をプリント基板に挿入後、後付は部品がｆ＃ｒちない
ようにピンの一部を曲げてプリント基板に仮固定し裏返
して半田付けを行うことがなくなる。後付は部品をプリ
ント基板に上から挿入したままの状態で下から半田付け
が可能となるので、後付は部品を自動挿入機で挿入後、
その状態のまま半田付けが可能となり、自動化が容易と
なる利点がある。As a result of experiments, it has been confirmed that soldering can be performed well no matter which direction the laser beam is irradiated. What I can say from this is that, like the current soldering work with a soldering iron, in retrofitting, after inserting the component into the printed circuit board, in retrofitting, part of the pin is bent and temporarily fixed to the printed circuit board to prevent the component from f#r. There is no need to turn it over and solder. Retrofitting allows parts to be inserted into the printed circuit board from above and soldered from below, so after inserting the parts with an automatic insertion machine,
Soldering can be performed in that state, which has the advantage of facilitating automation.

ファイバーを使用できる他の利点として、第７図（Ｄ）
に示すようにファイバーを多数個差べて同時に多点の半
田付けが可能となる。又第７図（Ｂ）のようにファイバ
ーをスキャンさせて半田付けを行う事も可能である。Another advantage of using fibers is as shown in Figure 7 (D).
As shown in Figure 2, it is possible to solder multiple points at the same time by connecting multiple fibers. It is also possible to perform soldering by scanning the fiber as shown in FIG. 7(B).

次に半田自動供給装置の送り部を第８図、半田供給の先
端部を第９図に一例として示す。第８図の動作としては
、線状半田３１は矯正ローラ３２の間を通ることによっ
て、反り９曲シを矯正される。次に線状半田３１は外周
にローレット加工した送如ローラ３３によって前方に送
られガイドチューブ３５に送υ出される。線状半田３１
は軟かいため曲シやすく、ガイドチューブ３５の入口で
まるまってつまる現象が実験段階で発生し、これを予知
する手段として絶縁物３６を介してチューブセットネジ
３４と線状半田３１が短絡した時の信号を利用するよう
にしたものである。Next, the feed section of the automatic solder supply device is shown in FIG. 8, and the tip of the solder supply is shown in FIG. 9 as an example. In the operation shown in FIG. 8, the linear solder 31 passes between the correction rollers 32 to correct nine warps. Next, the linear solder 31 is sent forward by a delivery roller 33 whose outer periphery is knurled and delivered to a guide tube 35. Linear solder 31
Because it is soft, it bends easily, and a phenomenon in which the guide tube 35 curled up and got stuck at the entrance of the guide tube 35 occurred during the experimental stage.As a means of predicting this, the tube set screw 34 and the linear solder 31 were short-circuited through the insulator 36. It is designed to use time signals.

第９図の構成はガイドチューブ３５の外側に導電チュー
ブ（Ｃｕメッキされたパイプ）を設け、その外周に半田
突出し長さ制御センサー３７を設けだものである。前述
した通シ、半田は半田付は部に確実に常に一定量供給さ
れ、又レーザビームとタイミング良く供給、引戻しされ
、次の供給時は、第１図のｔが常に一定の位置にあるこ
とが重要である。第９図は第１図のｔの位ｆｉｌｌ全一
定にするための位置センサーの例である。線状半田３１
は供給送りされ、半田終了後、Ｂの位置まで引き戻され
、再びＡの位置まで送られる。この時点で線状半田３１
と導電チューブ３８が短絡した時の信号によって位置紫
一定に制御できる例である。In the configuration shown in FIG. 9, a conductive tube (Cu-plated pipe) is provided on the outside of the guide tube 35, and a solder protrusion length control sensor 37 is provided on the outer periphery of the conductive tube. As mentioned above, the solder must always be supplied in a constant amount to the soldering part, and be supplied and pulled back in good timing with the laser beam, so that when the next supply is made, t in Figure 1 is always at a constant position. is important. FIG. 9 is an example of a position sensor for keeping the position t in FIG. 1 completely constant. Linear solder 31
is supplied and fed, and after soldering is completed, it is pulled back to position B, and then sent to position A again. At this point, the linear solder 31
This is an example in which the position can be controlled to be constant in purple by a signal when the conductive tube 38 is short-circuited.

線状半田３１の送り速度、送り量、送給開始。Feed speed, feed amount, and feed start of linear solder 31.

停止及びレーザビームとの同期等の制御はプログラムで
自由に制御することができる。位置センサーの方式は、
なるべく半田付は部に近づけられることが理想であるの
で、小形で軽筐、レーザビームの熱影響の受けない方式
であれば望ましい。空気マイクロメータ式、＠いリミッ
ト式、差動トランス式、光（レーザ）遮断式などが考え
られる。Controls such as stopping and synchronization with the laser beam can be freely controlled by a program. The position sensor method is
Ideally, the soldering should be done as close to the parts as possible, so it is desirable to use a method that is small, has a light casing, and is not affected by the heat of the laser beam. Possible options include air micrometer type, @limit type, differential transformer type, and light (laser) blocking type.

次にレーザの焦点位置は第５図ではＸＹＺステージの調
整で可能であり、第６図ではロボットの位置制御で自由
に制御可能である。Next, the focal position of the laser can be freely controlled by adjusting the XYZ stage in FIG. 5, and by controlling the position of the robot in FIG. 6.

第１０図はプリント回路板に装着されているコネクター
７のピン（リード端子）４をプリント基板１へ半田付け
する例を示しである。本芙施例では、（Ａ）に示す各部
品を装着している面を裏にして、（Ｂ）に示す裏面側を
上にして半田付けしている。（Ｃ）は（Ｂ）のＡ−Ａ’
断面で実施状況を示しているが、プリント基板は一般に
用いられている板厚１．６諺のエポキシ系樹脂で、スル
ホールは穴径１．０簡で半田メッキ８されている。コネ
クターのピン４の直径は０．８　ｍで、基板面より３＋
ｍ（ｈｏ）突き出ている。熱源としてはＹＡＧレーザ（
波長１．０６μｍ）を用い、次の条件で接合することに
よって、（Ｄ）に示すように、基板とピンが半田９で良
くぬれ、良好な結果が得られている。FIG. 10 shows an example of soldering the pins (lead terminals) 4 of the connector 7 mounted on the printed circuit board to the printed circuit board 1. In this embodiment, soldering is performed with the side shown in (A) on which each component is mounted facing down, and the back side shown in (B) facing up. (C) is AA' of (B)
As shown in the cross section, the printed circuit board is made of a commonly used epoxy resin with a thickness of 1.6 mm, and the through holes have a diameter of 1.0 mm and are plated with solder. The diameter of pin 4 of the connector is 0.8 m, and it is 3+ from the board surface.
m(ho) protrudes. YAG laser (
By using a wavelength of 1.06 μm) and bonding under the following conditions, the substrate and pins were well wetted with the solder 9, as shown in (D), and a good result was obtained.

接合条件 １、　レーザビーム （１）　　ビーム出カニ４０Ｗ（連続押力）（２）　　
ビームの集魚位置 （９） ｈ、ニア５關（集光レンズの焦点距離）ｈ、：３０ｍ （３）照射時間：１．０秒（第２図のＴ）２．１１１ｉ
ｌ状半田の供給 （１）材質：６０％Ｓｎ、４０％Ｐｂ　（７ラソクス入
り） （２）線径：０．８關 （３）送給速度：　１０　ｇ／５ｅｃ （４）レーザビームとの同期（第２図の各記号ン’＋＝
ｔ／半田の送給速度−Ｑ、　４５ｅｃｔ　、　＝　０．
５　ｓｅｃ　、　　ｔ　３：　０．１　ｓｅｃ’ｒ　＝
　ｔ、　十ｔ、　＋ｔ、　＝　ｉ、　ｏｓｅｃＬ＝４ｔ
ｎ 本発明は、上述のスルホールのあるプリント基板以外に
、例えばハイブリッド集積回路板への部品の而づけにも
適用でき、またレーザビームの種類、照射方向によって
制限されるものでない。さらに上述の接合条件は、被接
合部の形態によって決まる固有のもので、基板の材質、
装着部品の種類、接合部の形状及びサイズ等によって変
わる。Bonding conditions 1, laser beam (1) beam output 40W (continuous pushing force) (2)
Fish gathering position of the beam (9) h, near 5 (focal length of the condensing lens) h, : 30m (3) Irradiation time: 1.0 seconds (T in Figure 2) 2.111i
Supply of L-shaped solder (1) Material: 60% Sn, 40% Pb (7 lasox included) (2) Wire diameter: 0.8 mm (3) Feeding speed: 10 g/5ec (4) Connection with laser beam Synchronization (each symbol in Figure 2)
t/solder feeding speed-Q, 45ect, = 0.
5 sec, t3: 0.1 sec'r =
t, 10t, +t, = i, osecL=4t
n The present invention is applicable not only to the above-mentioned printed circuit board with through holes, but also to mounting components on, for example, a hybrid integrated circuit board, and is not limited by the type of laser beam or the direction of irradiation. Furthermore, the above-mentioned bonding conditions are unique and determined by the form of the parts to be bonded, such as the material of the substrate,
It varies depending on the type of parts to be installed, the shape and size of the joint, etc.

（１０） しかし個々に適正条件を求めておけば、全てのプリント
回路板に対し再現性良く半田付けすることができる。(10) However, if appropriate conditions are determined for each individual, it is possible to solder all printed circuit boards with good reproducibility.

以上本発明によれば、局部を瞬間的に半田付けできるの
で、広範囲のプリント回路板に適用可能で、従来のとて
半田に比べて数分の−の短時間で半田付けを行うことが
できる。As described above, according to the present invention, local parts can be soldered instantly, so it can be applied to a wide range of printed circuit boards, and soldering can be performed in a short time of several minutes compared to conventional soldering. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は本発明になる半田付は方法を示す原理図、第２
図は熱サイクルを示す図、第３図はレーザビームの焦点
位置と基板との関係を示す図、第４図はレーザビームと
線状半田との関係を示す図、第５図および第６図は半田
付は装置の概略構成図、第７図はファイバーユニットと
基板との関係を示す図、第８図は線状半田自動供給装置
を示す図、第９図はｍ状半田の先端部を示す断面図、第
１０図はプリント基板への電子部品の半田付けを示す図
である。 １・・・プリント基板、２・・・スルホーク、４・・・
リート第２図 戻り 第４図　゛ （７３） 、ニー、＃”　　ニニ馴叶” ／ ／ ｌ８　　　　　２１ （Ｃ）Figure 1 is a principle diagram showing the soldering method according to the present invention;
The figure shows the thermal cycle, Figure 3 shows the relationship between the focal position of the laser beam and the substrate, Figure 4 shows the relationship between the laser beam and linear solder, and Figures 5 and 6. 7 is a diagram showing the relationship between the fiber unit and the board, FIG. 8 is a diagram showing the automatic linear solder supply device, and FIG. 9 is a diagram showing the tip of m-shaped solder. The sectional view shown in FIG. 10 is a diagram showing soldering of electronic components to a printed circuit board. 1...Printed circuit board, 2...Thulhawk, 4...
Return to Figure 2 of Lit Figure 4 ゛(73), Knee, #”Nini familiar” / / l8 21 (C)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １、基板に電子部品を装着し、この電子部品のリード線
を前記基板に半田付けする方法において、前記基板およ
びリード線をレーザビームで加熱し、加熱状態で線状半
田を供給して前記レーザビームで予熱して半田付けを行
うようにしたことを特徴とするレーザビームを用い友半
田付は方法。1. In the method of mounting an electronic component on a board and soldering the lead wire of the electronic component to the board, the board and the lead wire are heated with a laser beam, and linear solder is supplied in the heated state to solder the lead wire of the electronic component to the board. Friend soldering is a method using a laser beam, which is characterized in that the soldering is performed by preheating the beam.