JP7198583B2

JP7198583B2 - レーザはんだ付け方法及びレーザはんだ付け装置

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Publication number: JP7198583B2
Application number: JP2018017073A
Authority: JP
Inventors: 康男澤井; 純平加瀬
Original assignee: Amada Co Ltd; Amada Weld Tech Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd; Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2023-01-04
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Description

特許法第３０条第２項適用一般社団法人日本溶接協会誌、溶接技術、第６５巻、第１１号，第７５～７９頁、産報出版株式会社、平成２９年１１月１日発行

本発明は、表面実装型の電子部品をプリント配線板上に実装するためのレーザはんだ付け方法および装置に関する。

今日、プリント回路板の多くは表面実装型の電子部品を用いている。表面実装型の電子部品は、プリント配線板のスルーホールまたはランドにリード端子を挿入して取り付けられる電子部品とは異なり、プリント配線板の表面のパッドの上に端子に載せて取り付けられる。

一般的に、表面実装型の電子部品の量産実装には、リフロー方式のはんだ付けが多く用いられている。典型的なリフロー方式のはんだ付けは、プリント配線板のパッドにペースト状のはんだを印刷または塗布し、次いで表面実装型の電子部品をその各端子が各対応するパッドの上に載るようにしてプリント配線板上の所定位置に搭載し、次いでリフロー炉の中で加熱してはんだを溶かし、電子部品の各端子とプリント配線板上の各対応するパッドとをはんだ付けで接合する。

最近、このようなリフロー方式のはんだ付けにおいて、リフロー炉をレーザはんだ付け装置に置き換えるシステムが注目されている。レーザはんだ付けは、微細な箇所にレーザ光を集光照射して非接触かつ局所的なはんだ付けを可能とし、プリント回路板の熱ひずみや変形を回避することができる。また、自動化にも有利であり、タクトタイムの短縮化によりリフロー炉によるバッチ処理と同等の生産性を達成することも可能である。

レーザはんだ付け装置において、電子部品を２箇所ではんだ付けする際に２つのレーザ光線を同一の強度で同時処理することが知られている。（特許文献１，非特許文献１）

特開昭６２－１４４８７５号公報

R.Crafer, PeterJ. Oakley著「Laser Processing in Manufacturing」、Springer Netherlands発行、1993年、108頁

表面実装型の電子部品の中には、多数のリードまたはバンプを有するＩＣパッケージのほかに、チップ抵抗やチップコンデンサのような相対向する一対の側面端子を有する角型（直方体形状）の電子部品いわゆるチップ部品がある。従来より、チップ部品の実装にリフロー方式のはんだ付けを用いると、はんだ付けの最中にプリント配線板上でチップ部品が重力に逆らって立ち上がることがあり、そのようなチップ立ちの現象はマンハッタン現象（もしくはツームストーン現象）と称されている。

マンハッタン現象は、プリント配線板上でチップ部品の左右一対の側面端子に作用する溶融はんだの流動性や表面張力がアンバランスであるときに発生する。通常は、チップ部品の左右両側のはんだ量あるいは端子搭載位置に誤差（ばらつき）がある場合に、左右両側ではんだの溶融状態が相違し、それぞれの溶融はんだの流動性や表面張力にアンバランスが生じる。また、一方のはんだ形状が基板に対して平坦に付着している場合と厚さ方向に長く付着している場合、又は一方が尖端形状になっている場合等、付着はんだ形状が左右で異なる場合には、はんだの質量がほぼ同一であっても、はんだに対するレーザー照射点とレーザ光の加工焦点の関係で付着はんだ表面が受けるレーザエネルギーに左右で経時的アンバランスが生じる。

この問題に対しては、はんだ付け工程に先立って行われる印刷工程およびチップ搭載工程の精度を上げる工夫が行われているが、それによってはんだ印刷機やチップマウンタのコストが高くついている。また、リフロー炉を用いるリフローでは、はんだ付け工程の前に予熱の工程を取り入れることによりリフロー炉内の熱容量ないし温度を安定化させることも行われている。しかしながら、レーザはんだ付け法は、局所加熱および高速加熱の特性上、技術的にも効率性の面でもそのような予熱の工程を取り入れるのは難しい。

従来、電子部品を２箇所でレーザはんだ付けする際に２つのレーザ光線を同一の強度で同時処理することでチップ部品の実装時のマンハッタン現象は回避できると考えられていた。しかしながら、溶融はんだの経時的アンバランスを考慮しない従来手法では、近年の小型化及び軽量化されたチップ部品をレーザはんだ付けする際に、マンハッタン現象が発生してしまうという問題があった。とりわけ、長辺が2ｍｍを下回る小型のチップ部品では、加工歩留りが悪いという問題があった。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するものであり、リフロー方式における電子部品の表面実装を安定確実に行えるレーザはんだ付け方法およびレーザはんだ付け装置を提供する。

本発明のレーザはんだ付け方法は、相対向する第１および第２の端子を有する表面実装型の電子部品をプリント配線板上に実装するためのレーザはんだ付け方法であって、前記はんだの融点より高い基準温度を設定し、はんだ付け用の第１および第２のレーザ光をそれぞれ発振出力するための第１および第２のレーザ発振器に対して可変制御可能な励起用の電力をそれぞれ個別に供給する電源回路として構成されている第１および第２のレーザ電源に対する制御を通じて、前記電子部品の前記第１および第２の端子と前記プリント配線板上の対応する第１および第２のパッドの間にそれぞれ介在しているはんだに対して、前記第１および第２のレーザ光の照射時間を同一に設定し、前記第１および第２のレーザ光を同時に照射して、前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記第１および第２の端子付近のはんだの温度を非接触式で測定し、前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記第１および第２の端子付近のはんだのそれぞれの測定温度が前記基準温度に一致または近似するように、前記第１および第２のレーザ光のそれぞれのレーザ出力を独立に制御して、前記第１および第２の端子を第１および第２のパッドにそれぞれはんだ付けする。

本発明のレーザはんだ付け装置は、相対向する第１および第２の側面端子を有する表面実装型の電子部品をプリント配線板上に実装するためのレーザはんだ付け装置であって、はんだ付け用の第１および第２のレーザ光をそれぞれ発振出力するための第１および第２のレーザ発振器と、前記第１および第２のレーザ発振器に対して可変制御可能な励起用の電力をそれぞれ個別に供給する電源回路として構成されている第１および第２のレーザ電源と、前記第１および第２の端子付近のはんだに対して前記第１および第２のレーザ光をそれぞれ個別に集光照射するための第１および第２の加工ヘッドと、前記第１よび第２のレーザ発振器より発振出力された前記第１および第２のレーザ光を前記第１および第２の加工ヘッドにそれぞれ伝送するための第１および第２のレーザ伝送系と、前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記第１および第２の端子付近のはんだの温度を非接触式で測定する温度測定部と、前記第１および第２のレーザ電源を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記はんだの融点より高い基準温度を設定し、前記第１および第２の端子付近のはんだに対する前記第１および第２のレーザ光の照射時間を同一に設定し、前記第１及び第２のレーザ光の照射を同時に行うとともに、前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記温度測定部より得られる前記第１および第２の端子付近のはんだの測定温度が前記基準温度にそれぞれ一致または近似するように、前記第１および第２のレーザ光のそれぞれのレーザ出力を独立に制御する。

上記構成のレーザはんだ付け方法またはレーザはんだ付け装置においては、プリント配線板上に搭載されている表面実装型の電子部品の両側で第１および第２の側面端子と第１および第２のパッドとの間に介在しているはんだの物理的属性（たとえばはんだ量）や端子搭載位置等に違いがあっても、それらのはんだに照射される第１および第２のレーザ光のレーザ出力を同時かつ独立に制御することにより、電子部品の片側が浮いてしまうマンハッタン現象を確実に回避できるとともに、良好なセルフアライメント効果を得ることができる。

本発明のレーザはんだ付け方法またはレーザはんだ付け装置によれば、上記のような構成および作用により、リフロー方式における電子部品の表面実装を安定確実に行うことができる。

本発明の一実施形態におけるリフロー方式のレーザはんだ付け装置の全体構成を示すブロック図である。上記レーザはんだ付け装置における加工ヘッドの構成を示す断面図である。上記レーザはんだ付け装置における制御部の機能的な構成を示すブロック図である。上記実施形態における第１の制御方式によるレーザはんだ付けの作用を説明するための各部の信号の波形を示す波形図である。上記レーザはんだ付けの各段階を示す断面図である。上記レーザはんだ付けの第２の制御方式を説明するための各部の信号の波形を示す波形図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
［装置全体の構成］

図１に、本発明の一実施形態におけるレーザはんだ付け装置の全体の構成を示す。このレーザはんだ付け装置は、たとえばリフロー方式において、相対向する一対（第１および第２）の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)を有する表面実装型の電子部品ＥＰをプリント配線板ＢＤ上に実装するためのレーザはんだ付け装置として構成されている。

このレーザはんだ付け装置は、２系統のレーザ照射部１０(1)，１０(2)と、２系統の温度モニタ部１２(1)，１２(2)と、２系統の撮像モニタ部１３(1)，１３(2)と、単一または共通の制御部１４および操作パネル１６とを備えている。

第１のレーザ照射部１０(1)は、第１のレーザ電源２０(1)、第１のレーザ発振器２２(1)、第１の光ファイバケーブル２４(1)および第１の加工ヘッド２６(1)を有している。一方、第２のレーザ照射部１０(2)は、第２のレーザ電源２０(2)、第２のレーザ発振器２２(2)、第２の光ファイバケーブル２４(2)および第２の加工ヘッド２６(2)を有している。第１および第２のレーザ照射部１０(1)，１０(2)の構成は、異なっていてもよいが、通常は同じであるのが好ましい。

より詳細には、第１および第２のレーザ発振器２２(1)，２２(2)は、はんだ付け用の第１および第２のレーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)をそれぞれ生成するのに適した任意のレーザ装置たとえばファイバカップリング方式の半導体レーザで構成されている。

第１および第２のレーザ電源２０(1)、２０(2)は、第１および第２のレーザ発振器２２(1)，２２(2)に対して、可変制御可能（特にフィードバック制御可能）な励起電流を供給する電源回路として構成されている。第１および第２の加工ヘッド２６(1)，２６(2)の構成は、第１および第２の温度モニタ部１２(1)，１２(2)と併せて図２を参照して後述する。第１および第２の光ファイバケーブル２４(1)，２４(2)は、たとえばステップインデックス型の光ファイバからなり、第１および第２のレーザ発振器２２(1)，２２(2)より発振出力されたレーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)を第１および第２の加工ヘッド２６(1)，２６(2)にそれぞれ伝送する。

制御部１４は、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、このＣＰＵないし本装置の動作に必要な制御プログラムを格納する制御メモリ、設定値・測定値・演算結果等のデータを格納するデータメモリおよび各種インタフェース回路等を含んで構成されている。この制御部１４の機能的な構成は、図３を参照して後に説明する。

操作パネル１６は、たとえば、液晶ディスプレイからなる表示部１６ａと、キーボード式あるいはタッチパネル式の入力部１６ｂとを含んでおり、制御部１４の表示制御の下でユーザに種々の設定画面やモニタ画面を提供する。

［加工ヘッドの構成］

図２に、この実施形態における第１の加工ヘッド２６(1)の構成を示す。第２の加工ヘッド２６(2)の構成もこれと同じであってよい。

加工ヘッド２６(1)は、同一面内（図２では垂直面内）に並んで一体結合された４つの円筒部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄからなる筐状体３０を有している。図面上で右側の円筒部３０ａにはレーザ入射部３２が設けられている。このレーザ入射部３２は、円筒部３０ａの先端（上端）部にレーザ発振器２２(1)からの光ファイバケーブル２４(1)の終端部を取り付けるためのコネクタ３４と、光ファイバケーブル２４(1)の終端面から放射されるレーザ光ＬＢ(1)をコリメートして中央下部円筒部３０ｂ側に案内するための光学系（コリメートレンズ３６、折返しミラー３８）とを含んでいる。

中央下部円筒部３０ｂは、その中間部にて右側円筒部３０ａの下端部に結合されている。中央下部円筒部３０ｂの中には、光学系としてダイクロイックミラー４０、集光レンズ４２および保護ガラス４４が配置されている。ダイクロイックミラー４０は、たとえば４５°斜めに傾けて配置され、レーザ入射部３２側からのレーザ光ＬＢを下方つまり被加工物Ｗ側に反射するとともに、被加工物Ｗ側からの放射光（被測定光）および可視光を上方へ通す誘電体多層膜がコーティングされている。

中央下部円筒部３０ｂの上部には光軸調整用のジョイント部５０を介して中央上部円筒部３０ｃが結合されている。中央上部円筒部３０ｃには、温度モニタ部１２(1)の光学系である光センサ４４、波長フィルタ４６および集光レンズ４８が設けられている。ジョイント部５０を介して中央上部円筒部３０ｃの向きまたは角度を調整して、光センサ４４の光軸を被加工物Ｗ上のレーザ照射位置に正確に合わせられるようになっている。なお、図示省略するが、被加工物Ｗの加工点Ｐ付近に可視光のガイド光を照射する光学系を加工ヘッド２６(1)に組み込むことも可能である。

波長フィルタ４６は、被加工物Ｗ側よりダイクロイックミラー４０，５６等を通り抜けて波長フィルタ４６に入射した光のうち、はんだの温度を表す所定の波長帯域の赤外線のみを選択的して通すバンド・パス・フィルタによって構成されている。光センサ４４は、受光した光（赤外線）を光電変換するフォトダイオードを有し、さらにフォトダイオードの出力信号（光センサ出力信号）を増幅する増幅器等を有している。

左側の円筒部３０ｄには、撮像光学系であるＣＣＤカメラ５２および折返しミラー５４が設けられている。ＣＣＤカメラ５２の手前に集光レンズ（図示）が配置されてもよい。中央下部円筒部３０ｂにおいて、左側円筒部３０ｄの入口ないし折返しミラー５４と対向する位置に、ダイクロイックミラー５６がたとえば４５°斜めに傾けて配置されている。このダイクロイックミラー５６は、被加工物Ｗ側から入射する光のうち、放射光（被測定光）を上部円筒部３０ｃの温度モニタ系側に通し、可視光を左側円筒部３０ｄの撮像光学系側に反射する誘電体多層膜がコーティングされている。

レーザはんだ付けの加工時には、光ファイバケーブル２４(1)の中を伝搬してきたレーザ光ＬＢ(1)が、右側円筒部３０ａのレーザ入射部３２において光ファイバケーブル２４(1)の終端面より一定の広がり角で下方に出て、コリメートレンズ３６を通り抜けて平行光となり、折り返しミラー３８で光路を水平に折り曲げられ、中央下部円筒部３０ｂ内でダイクロイックミラー４０、集光レンズ４２および保護ガラス４４を通って出射され、被加工物Ｗの加工点に集光照射される。

一方で、レーザ光ＬＢ(1)を照射される被加工物Ｗの加工点付近から一定帯域の波長を有する光（電磁波）が放射される。この放射光の中で上方に向かうものの一部が、加工ヘッド２６(1)の中央下部円筒部３０ｂの中に入って、この円筒部３０ｂ内の集光レンズ４２、ダイクロイックミラー４０，５６をまっすぐ上方に通り抜け、円筒部３０ｃの中で光学レンズ４８、波長フィルタ４６を通って光センサ４４の受光面に集光入射する。光センサ４４は、受光した光（赤外線）を光電変換して電気信号つまりセンサ出力信号ＣＳ(1)を出力する。このセンサ出力信号ＳＣ(1)は、電気ケーブル６０(1)を介して図１の温度測定回路６２(1)に送られる。

また、被加工物Ｗの加工点付近から上方に向かう可視光の一部は、加工ヘッド２６(1)の中央下部円筒部３０ｂの中に入り、この円筒部３０ｂ内の集光レンズ４２、ダイクロイックミラー４０を通り抜けてダイクロイックミラー５６で反射し、左側円筒部３０ｄ内で折り返しミラー５４を介してＣＣＤカメラ５２の撮像面に入射する。ＣＣＤカメラ５２の出力信号（映像信号）は電気ケーブル６４(1)を介して第１のディスプレイ装置６６(1)に送られる。この実施形態では、ＣＣＤカメラ５２と第１のディスプレイ装置６６(1)とによって第１の撮像モニタ部１３(1)が構成されている。

［温度モニタ部及び制御部の構成］

図３に、この実施形態における温度モニタ部１２(1)，１２(1)および制御部１４の構成を示す。

第１の光センサ４４(1)および第１の温度測定回路６２(1)によって第１の温度モニタ部１２(1)が構成され、第２の光センサ４４(2)および第２の温度測定回路６２(2)によって第２の温度モニタ部１２(2)が構成されている。

レーザはんだ付けの加工時に、第１の温度測定回路６２(1)は、第１の光センサ４４(1)より送られてくるセンサ出力信号ＣＳ(1)から所要の演算処理または信号処理によって被測定物（はんだＨ(1)）の温度Ｔ(1)を表す第１の測定温度信号ＭＳ(1)を生成するようになっている。一方、第２の温度測定回路６２(2)は、第２の光センサ４４(2)より送られてくるセンサ出力信号ＣＳ(2)から所要の演算処理または信号処理によって被測定物（はんだＨ(2)）の温度Ｔ(2)を表す第２の測定温度信号ＭＳ(2)を生成するようになっている。

制御部１４は、上記のようにハードウェア的にはＣＰＵ、制御メモリ、データメモリ、各種インタフェース回路等を含んで構成され、機能的には、設定部７０、温度表示・制御部７２、第１および第２の比較部７４(1)，７４(2)、第１および第２のレーザ出力制御部７６(1)，７６(2)およびタイミング制御部７８を有している。

設定部７０は、操作パネル１６を通じてユーザが設定入力した各種設定値を保持し、制御部１４内の各部に与える。特に、設定部７０は、被加工物として与えられる電子部品ＥＰの第１および第２の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)について、はんだ付けの基準温度Ｔ_Ｓの設定値（たとえば、１５０℃＜Ｔ_Ｓ＜４００℃）を入力し、その基準温度Ｔ_Ｓに対応する基準値ＡＴ_Ｓを両比較部７４(1)，７４(2)に与える。また、設定部７０は、はんだ付けのレーザ出力についてピーク値Ｐ_Ｈの設定値（たとえば、２０Ｗ＜Ｐ_Ｈ＜１２０Ｗ）をレーザ出力制御部７６(1)，７６(2)に与える。さらに、はんだ付けの所要時間についてその設定値（設定時間）をタイミング制御部７８に与える。

第１の比較部７４(1)は、レーザはんだ付けの加工時に、第１の温度測定回路６２(1)からの第１の測定温度信号ＭＳ(1)を基準値ＡＴ_Ｓと比較し、その比較結果を表す二値（Ｈレベル／Ｌレベル）の比較判定信号Ｅ(1)を発生するようになっている。一方、第２の比較部７４(2)は、第２の温度測定回路６２(2)からの第２の測定温度信号ＭＳ(2)を基準値ＡＴ_Ｓと比較し、その比較結果を表す二値（Ｈレベル／Ｌレベル）の比較判定信号Ｅ(2)を発生するようになっている。

第１のレーザ出力制御部７６(1)は、第１の比較部７４(1)からの比較判定信号Ｅ(1)に基づいて、第１のレーザ電源２０(1)より第１のレーザ発振器２２(1)に供給される励起電力を制御し、ひいてはこのレーザ発振器２２(1)より生成される第１のレーザ光ＬＢ(1)のレーザ出力Ｐ(1)を制御するようになっている。一方、第２のレーザ出力制御部７６(2)は、第２の比較部７４(2)からの比較判定信号Ｅ(2)に基づいて、第２のレーザ電源２０(2)より第２のレーザ発振器２２(2)に供給される励起電力を制御し、ひいてはこのレーザ発振器２２(2)より生成される第２のレーザ光ＬＢ(2)のレーザ出力Ｐ(2)を制御するようになっている。

温度表示制御部７２は、第１および第２の温度測定回路６２(1)，６２(2)からの第１および第２の測定温度信号ＭＳ(1)，ＭＳ(2)に基づいて、被測定物（はんだＨ(1)，Ｈ(2)）の温度Ｔ(1)，Ｔ(2)を表す測定温度値または測定温度波形を操作パネル１６の表示部１６ａを通じて表示出力するようになっている。

タイミング制御部７８は、操作パネル１６または他の外部装置（図示せず）より与えられる起動信号に応答し、第１および第２のレーザ電源２０(1)，２０(2)に対する制御を通じて、第１および第２のレーザ発振器２２(1)，２２(2)を同時にかつ同一のはんだ付け処理時間にわたって発振動作させるようになっている。

［実施形態におけるレーザはんだ付けの作用］

以下、図１、図４および図５を参照してこの実施形態における第１の制御方式によるレーザはんだ付けの作用を説明する。

図１において、処理対象の電子部品ＥＰは、はんだ付け工程に先立ち、チップマウンタ（図示せず）によりプリント配線板ＢＤ上の所定の実装位置に搭載されている。プリント配線板ＢＤは可動ステージ８０に支持されている。可動ステージ８０を作動させて、第１および第２の加工ヘッド２６(1)，２６(2)のレーザ出射口の中心軸が当該電子部品ＥＰの第１および第２の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)の下端付近に一定の斜めの角度（たとえば垂直線に対して２５～３０度）で当たるように、位置合わせが行われる。この位置合わせにおいて、ユーザは、撮像モニタ部１３(1)，１３(2)を通じて、第１および第２の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)付近に設定されたレーザ照射位置を目視で確認することができる。その際、ガイド光を利用することもできる。

図５の（ａ）に示すように、プリント配線板ＢＤ上の表面には、電子部品ＥＰの第１および第２の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)とそれぞれ対向する第１および第２のパッドＲ(1)，Ｒ(2)が形成されている。そして、両パッドＲ(1)，Ｒ(2)の表面には、チップ搭載工程に先立ち、はんだ印刷機（図示せず）によりペースト状またはクリーム状のはんだＨ(1)，Ｈ(2)が塗布されている。もっとも、電子部品ＥＰの左右両側で、はんだＨ(1)，Ｈ(2)の塗布量または塗布位置がずれることや、第１および第２の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)の一方または双方が搭載位置から少しずれることがある。また、一方のはんだ形状が基板に対して平坦に付着している場合と厚さ方向に長く付着している場合、又は一方が尖端形状になっている場合等、付着はんだ形状が左右で異なる場合には、はんだの質量がほぼ同一であっても、レーザー照射光とレーザ光を受けた箇所のはんだ形状との間でレーザ光の加工焦点ずれが生じる関係により、付着はんだ表面が受けるレーザエネルギーに左右で経時的アンバランスが生じる。

操作パネル１６または他の外部装置より制御部１４に起動信号が与えられると、制御部１４内のタイミング制御部７８が作動して、同一のタイミング（図４の時点ｔ_ｓ）で第１および第２のレーザ電源２０(1)，２０(2)をオンし、第１および第２のレーザ発振器２２(1)，２２(2)のレーザ発振を同時に開始させる。

第１レーザ発振器２２(1)より発振出力される第１のレーザ光ＬＢ(1)は、光ファイバケーブル２４(1)の中を伝搬して第１の加工ヘッド２６(1)に送られる。レーザ光ＬＢ(1)は、第１の加工ヘッド２６(1)内でレーザ入射部３２のコリメートレンズ３６、折り返しミラー３８、および中央下部円筒部３０ｂ内のダイクロイックミラー４０および集光レンズ４２を通って保護ガラス４の外に出射され、電気部品ＥＰの第１（左側）の側面端子Ｊ(1)付近のはんだＨ(1)に集光入射する。

一方、第２のレーザ発振器２２(2)より発振出力される第２のレーザ光ＬＢ(2)は、光ファイバケーブル２４(2)の中を伝搬して第２の加工ヘッド２６(2)に送られる。レーザ光ＬＢ(2)は、第２の加工ヘッド２６(2)内でレーザ入射部３２のコリメートレンズ３６、折り返しミラー３８、および中央下部円筒部３０ｂ内のダイクロイックミラー４０および集光レンズ４２を通って保護ガラス４の外へ出射され、電気部品ＥＰの第２（右側）の側面端子Ｊ(2)付近のはんだＨ(2)に集光入射する。

第１および第２のレーザ出力制御部７６(1)，７６(2)は、第１および第２のレーザ電源２０(1)，２０(2)を通じて、図４に示すように、レーザ発振の開始直後は、両レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)のレーザ出力ＬＰ(1)，ＬＰ(2)をＨレベルつまり設定ピーク値Ｐ_Ｈに制御する。これにより、レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)の高密度のレーザエネルギーが左右両側のはんだＨ(1)，Ｈ(2)に持続的に供給されて、両はんだＨ(1)，Ｈ(2) の温度Ｔ(1)，Ｔ(2)が速やかに上昇して、両はんだＨ(1)，Ｈ(2)が溶け始める。もっとも、両はんだＨ(1)，Ｈ(2)の温度変化（立ち上がり速度）は独立している。上記のようにはんだＨ(1)，Ｈ(2)の塗布量または塗布位置のずれや、第１および第２の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)の一方または双方の搭載位置のずれ等に起因して、図４に示すように両はんだＨ(1)，Ｈ(2)の温度変化（立ち上がり速度）にずれがある。

両はんだＨ(1)，Ｈ(2)の温度Ｔ(1)，Ｔ(2)は、第１および第２の温度モニタ部１２(1)，１２(2)によってそれぞれ測定される。より詳しくは、両はんだＨ(1)，Ｈ(2)から放射される赤外線の一部が、第１および第２の加工ヘッド２６(1)，２６(2)のレーザ出射口の中に入り、集光レンズ４２、ダイクロイックミラー４０，５６、光学レンズ４８、波長フィルタ４６を通って光センサ４４(1)，４４(2)に受光され、そこで光電変換される。第１および第２の温度モニタ部１２(1)，１２(1)において、光センサ４４(1)，４４(2)よりそれぞれ出力されるセンサ出力信号ＣＳ(1)，ＣＳ(2)は独立しており、したがって第１および第２の温度測定回路６２(1)，６２(2)より出力される第１および第２の測定温度信号ＭＳ(1)，ＭＳ(2)も独立している。すなわち、第１および第２の測定温度信号ＭＳ(1)，ＭＳ(2)の示す測定温度は独立している。

こうして、両測定温度信号ＭＳ(1)，ＭＳ(2)の示す測定温度は、それぞれ独立したタイミング（時点ｔ₁，ｔ₂）で設定基準温度Ｔ_Ｓに到達する。たとえば、図５に示すように、電気部品ＥＰの左右両側で相対的に左側のはんだＨ(1)が右側のはんだＨ(2)より少ない場合は、左側のはんだＨ(1)の温度Ｔ(1)の方が右側のはんだＨ(2)の温度Ｔ(2)よりも立ち上がりの速度が大きくより早く設定基準温度Ｔ_Ｓに到達し、左側のはんだＨ(1)の方が右側のはんだＨ(2)よりも早く溶ける。

この実施形態においては、左側のはんだＨ(1)の温度Ｔ(1)が時点ｔ₁で基準温度Ｔ_Ｓに到達してこれを超えると、制御部１４内では、第１の比較部７４(1)より出力される比較判定信号Ｅ(1)がそれまでのレベル（たとえばＨレベル）から逆論理のレベル（Ｌレベル）に変わる。そうすると、第１のレーザ出力制御部７６(1)が第１のレーザ電源２０(1)を通じて第１のレーザ電源２２(1)のレーザ発振をいったん停止させ、第１のレーザ光ＬＢ(1)のレーザ出力Ｐ(1)をＬレベル（０Ｗ）に落とす。これによって、基準温度Ｔ_Ｓをいったん超えたはんだＨ(1)の温度Ｔ(1)はまもなく基準温度Ｔ_Ｓを割る。そうすると、第１の比較部７４(1)の比較判定信号Ｅ(1)がＬレベルからＨレベルに変わり、これに応答して第１のレーザ出力制御部７６(1)が第１のレーザ電源２２(1)のレーザ発振を再開させて第１のレーザ光ＬＢ(1)のレーザ出力Ｐ(1)をＨレベル（Ｐ_Ｓ）に戻す。以後、はんだ付けの設定時間が終了する時点ｔ_ｅまで、上記のような温度フィードバック制御により第１のレーザ光ＬＢ(1)のレーザ出力Ｐ(1)を基準温度Ｔ_Ｓに一致または近似させる二値制御が行われる。これによって、図４に示すように、左側のはんだＨ(1)の温度Ｔ(1)が基準温度Ｔ_Ｓ付近に安定に保持される。

一方、右側のはんだＨ(2)においても、第２の温度モニタ部１２(2)、制御部１４内の第２の比較部７４(2)、レーザ出力制御部７６(2)、レーザ電源２０(2)およびレーザ発振器２２(2)により、はんだＨ(2)の温度Ｔ(2)が時点ｔ₂で基準温度Ｔ_Ｓに到達した後は、上記と同様に第２のレーザ光ＬＢ(2)の発振出力をいったん停止してからそのレーザ出力を基準温度Ｔ_Ｓに一致または近似させる二値制御が行われる。これによって、図４に示すように、右側のはんだＨ(2)の温度Ｔ(2)も設定時間が終了する時点ｔ_ｅまで基準温度Ｔ_Ｓ付近に安定に保持される。

このように、この実施形態のレーザはんだ付けにおいては、プリント配線板ＢＤ上の電子部品ＥＰの左右両側で第１および第２の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)と第１および第２のパッドＲ(1)，Ｒ(2)との間に介在するはんだＨ(1)，Ｈ(2) にそれぞれ照射される第１および第２のレーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)のレーザ出力を同時かつ独立に制御することにより、それらのはんだＨ(1)，Ｈ(2)の物理的属性（たとえばはんだ量）や端子搭載位置等に違いがあっても、電子部品ＥＰの左右両側で溶けたはんだＨ(1)，Ｈ(2)が側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)にそれぞれ及ぼす表面張力の作用を均衡させることができ、電子部品ＥＰの片側が浮いてしまうマンハッタン現象を確実に回避できるとともに、良好なセルフアライメント効果を得ることができる。

特に、この実施形態は、左右両側のはんだＨ(1)，Ｈ(2)の温度Ｔ(1)，Ｔ(2)を同一の基準温度Ｔ_Ｓに立ち上げ、その後もその基準温度Ｔ_Ｓ付近に安定に保持して、同一の時点ｔ_ｅでレーザ出力を停止する制御により、マンハッタン現象防止効果およびセルフアライメント効果を一層高めることができる。

なお、電子部品ＥＰの左右両側ではんだＨ(1)，Ｈ(2)は、レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)の照射を受けて溶けると、図５の（ｂ）に示すように表面張力によっていったんボール状になり、次いで図５の（ｃ）に示すように両側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)とパッドＲ(1)，Ｒ(2)との間でチップ長手方向にスロープ状に延びて凝固する。本発明者等の行った多数回の実験によれば、溶けたはんだＨ(1)，Ｈ(2)の変形する形状や大きさに多少の違いがあっても、上記のようにそれらの温度Ｔ(1)，Ｔ(2)がそれぞれ基準温度Ｔ_Ｓに正確かつ安定に制御される限り、左右両側の表面張力が均衡して、マンハッタン現象が発生しないことが確認されている。

上記のように、この実施形態のレーザはんだ付け装置によれば、プリント配線板上に搭載されている表面実装型電子部品ＥＰの左右一対（第１および第２）の側面端子Ｊ(1)，Ｊ(2)回りで、はんだＨ(1)，Ｈ(2)の物理的属性（たとえばはんだ量やはんだ形状）や端子搭載位置等にばらつきがあってはんだ溶融に経時的アンバランスが生じる場合にも、レーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)の照射によって溶けるはんだＨ(1)，Ｈ(2)の双方の温度Ｔ(1)，Ｔ(2)を同一の基準温度に到達するように立ち上げ、しかも所定の基準温度Ｔ_Ｓに正確かつ安定に保持した上でレーザ出力を同時に停止する制御をするので、マンハッタン現象の発生を防止し、さらにはリフローのセルフアライメント効果も良好に得られ、レーザ光によるリフローはんだ付けの歩留りを大きく向上させることができる。
［他の実施形態又は変形例］

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、上述した第１の制御方式によれば、電子部品ＥＰの左右両側で第１および第２のレーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)を照射されるはんだＨ(1)，Ｈ(2)の温度Ｔ(1)，Ｔ(2)を高速に立ち上げられる反面、基準温度Ｔ_Ｓに到達した直後にオーバーシュートを起こすこともある。

そこで、第２の制御方式は、図６に示すように、第１および第２のレーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)のレーザ出力Ｐ(1)，Ｐ(2)をレーザ照射の開始から一定のレートで増大させる。そして、図６の（ａ）に示すように、第１の測定温度信号ＭＳ(1)が基準温度Ｔ_Ｓに対応する基準値ＡＴ_Ｓに到達した時以後は、その到達時のレーザ出力値Ｐ_Ａまたはその付近に保持されるように第１のレーザ光ＬＢ(1)のレーザ出力Ｐ(1)を制御する。一方で、図６の（ｂ）に示すように、第２の測定温度信号ＭＳ(2)が基準値ＡＴ_Ｓに到達した時以後は、その到達時のレーザ出力値Ｐ_Ｂまたはその付近に保持されるように、第２のレーザ光ＬＢ(2)のレーザ出力Ｐ(2)を制御する。これにより、電子部品ＥＰの左右両側で第１および第２のレーザ光ＬＢ(1)，ＬＢ(2)を照射されるはんだＨ(1)，Ｈ(2)の温度Ｔ(1)，Ｔ(2)を比較的緩やかに立ち上げ、オーバーシュートを起こさずに基準温度Ｔ_Ｓに制御することが可能であり、上述した第１の制御方式と同様の効果が得られる。

なお、第２の制御方式のため、制御部１４において、第１のレーザ出力制御部７６(1)は、第１のレーザ光ＬＢ(1)のレーザ出力Ｐ(1)をレーザ照射の開始から一定のレートで増大させ、第１の測定温度信号ＭＳ(1)が基準温度Ｔ_Ｓに対応する基準値ＡＴ_Ｓに到達した時（ｔ₁）以後は第１の比較判定信号Ｅ(1)に応じてその到達時のレーザ出力値Ｐ_Ａまたはその付近に保持されるように第１のレーザ光(1)のレーザ出力Ｐ(1)を図示の固定制御方式（または二値制御方式）で制御する。一方、第２のレーザ出力制御部７６(2)は、第２のレーザ光ＬＢ(2)のレーザ出力Ｐ(2)をレーザ照射の開始から上記一定のレートで増大させ、第２の測定温度信号ＭＳ(2)が基準温度Ｔ_Ｓに対応する基準値ＡＴ_Ｓに到達した時（ｔ₂）以後は第２の比較判定信号Ｅ(2)に応じてその到達時のレーザ出力値Ｐ_Ｂまたはその付近に保持されるように第２のレーザ光(2)のレーザ出力Ｐ(2)を図示の固定制御方式（または二値制御方式）で制御する。

上記実施形態では、レーザ発振器２２(1)，２２(2)と加工ヘッド２６(1)，２６(2)とをそれぞれ光ファイバケーブル２４(1)，２４(2)によって光学的に接続した。しかし、折り返しミラー等のレーザ伝送光学系を用いることも可能である。

１０(1)，１０(2) レーザ照射部
１２(1)，１２(2) 温度モニタ部
１４制御部
２０(1)，２０(2) レーザ電源
２２(1)，２２(2) レーザ発振器
２６(1)，２６(2) 加工ヘッド
４４(1)，４４(2) 光センサ
６２(1)，６２(2) 温度測定回路
７０設定部
７４(1)，７４(2) 比較部
７６(1)，７６(2) レーザ出力制御部
７８タイミング制御部

Claims

相対向する第１および第２の端子を有する表面実装型の電子部品をプリント配線板上に実装するためのレーザはんだ付け方法であって、
前記はんだの融点より高い基準温度を設定し、
はんだ付け用の第１および第２のレーザ光をそれぞれ発振出力するための第１および第２のレーザ発振器に対して可変制御可能な励起用の電力をそれぞれ個別に供給する電源回路として構成されている第１および第２のレーザ電源に対する制御を通じて、前記電子部品の前記第１および第２の端子と前記プリント配線板上の対応する第１および第２のパッドとの間にそれぞれ介在しているはんだに対して、前記第１および第２のレーザ光の照射時間を同一に設定し、前記第１および第２のレーザ光を同時に照射して、
前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記第１および第２の端子付近のはんだの温度を非接触式で測定し、
前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記第１および第２の端子付近のはんだのそれぞれの測定温度が前記基準温度に一致または近似するように、前記第１および第２のレーザ光のそれぞれのレーザ出力を独立に制御して、前記第１および第２の端子を前記第１および第２のパッドにそれぞれはんだ付けするレーザはんだ付け方法。
前記温度測定工程は、前記第１および第２のレーザ光の照射中に前記第１および第２の端子付近のはんだよりそれぞれ発生する赤外線を受光して光電変換によりそれらのはんだの温度を表す第１および第２の測定温度信号を生成し、
前記レーザ出力制御工程は、前記第１および第２の測定温度信号を前記基準温度と比較し、それぞれの比較結果に応じて前記第１および第２のレーザ光のレーザ出力を独立に二値制御する、
請求項１に記載のレーザはんだ付け方法。
前記レーザ出力制御工程は、前記第１および第２のレーザ光のレーザ出力をレーザ照射の開始から一定のレートで増大させ、前記第１の測定温度信号が前記基準温度に到達した時以後はその到達時のレーザ出力値またはその付近に保持されるように前記第１のレーザ光のレーザ出力を制御し、前記第２の測定温度信号が前記基準温度に到達した時以後はその到達時のレーザ出力値またはその付近に保持されるように前記第２のレーザ光のレーザ出力を制御する、請求項２に記載のレーザはんだ付け方法。
相対向する第１および第２の端子を有する表面実装型の電子部品をプリント配線板上に実装するためのレーザはんだ付け装置であって、
はんだ付け用の第１および第２のレーザ光をそれぞれ発振出力するための第１および第２のレーザ発振器と、
前記第１および第２のレーザ発振器に対して可変制御可能な励起用の電力をそれぞれ個別に供給する電源回路として構成されている第１および第２のレーザ電源と、
前記第１および第２の端子付近のはんだに対して前記第１および第２のレーザ光をそれぞれ個別に集光照射するための第１および第２の加工ヘッドと、
前記第１および第２のレーザ発振器より発振出力された前記第１および第２のレーザ光を前記第１および第２の加工ヘッドにそれぞれ伝送するための第１および第２のレーザ伝送系と、
前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記第１および第２の端子付近のはんだの温度を非接触式で測定する温度測定部と、
前記第１および第２のレーザ電源を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記はんだの融点より高い基準温度を設定し、
前記第１および第２の端子付近のはんだに対する前記第１および第２のレーザ光の照射時間を同一に設定し、前記第１及び第２のレーザ光の照射を同時に行うとともに、前記第１および第２のレーザ光の照射中に、前記温度測定部より得られる前記第１および第２の端子付近のはんだの測定温度が前記基準温度にそれぞれ一致または近似するように、前記第１および第２のレーザ光のそれぞれのレーザ出力を独立に制御する
レーザはんだ付け装置。
前記制御部は、前記第１および第２端子付近のはんだの測定温度が前記基準温度にそれぞれ一致または近似するように保持した後、前記第１および第２のレーザ光のレーザ出力を同時に停止する制御をする、請求項４に記載のレーザはんだ付け装置。
前記温度測定部は、
前記レーザ光を照射される前記第１および第２の端子付近のはんだよりそれぞれ発生する赤外線の一部を前記加工ヘッドの中またはその近傍で受光して光電変換する第１および第２の光センサと、
前記第１および第２の光センサの出力信号から前記第１および第２の端子付近のはんだの温度を表す第１および第２の測定温度信号を生成する第１および第２の温度測定回路と
を有し、
前記制御部は、
前記第１および第２の測定温度信号を前記基準温度に対応する基準値と比較し、比較結果を表す第１および第２の比較判定信号を出力する第１および第２の比較部と、
前記第１および第２の比較判定信号に応じて前記第１および第２のレーザ光のレーザ出力をそれぞれ二値制御する第１および第２のレーザ出力制御部と
を有する、
請求項４に記載のレーザはんだ付け装置。
前記温度測定部は、
前記レーザ光を照射される前記第１および第２の端子付近のはんだよりそれぞれ発生する赤外線の一部を前記加工ヘッドの中またはその近傍で受光して光電変換する第１および第２の光センサと、
前記第１および第２の光センサの出力信号から前記第１および第２の端子付近のはんだの温度を表す第１および第２の測定温度信号を生成する第１および第２の温度測定回路と
を有し、
前記制御部は、
前記第１および第２の測定温度信号を前記基準温度に対応する基準値と比較し、比較結果を表す第１および第２の比較判定信号を出力する第１および第２の比較部と、
前記第１のレーザ光のレーザ出力をレーザ照射の開始から一定のレートで増大させ、前記第１の測定温度信号が前記基準温度に対応する基準値に到達した時以後は前記第１の比較判定信号に応じてその到達時のレーザ出力値またはその付近に保持されるように前記第１のレーザ光のレーザ出力を制御する第１のレーザ出力制御部と、
前記第２のレーザ光のレーザ出力をレーザ照射の開始から一定のレートで増大させ、前記第２の測定温度信号が前記基準値に到達した時以後は前記第２の比較判定信号に応じてその到達時のレーザ出力値またはその付近に保持されるように前記第２のレーザ光のレーザ出力を制御する第２のレーザ出力制御部と
を有する、
請求項４に記載のレーザはんだ付け装置。