レーザはんだ付け装置
【課題】正確に且つ短時間で、表面実装部品をプリント基板上の所望の位置に接合することができるレーザはんだ付け装置を提供する。
【解決手段】本レーザはんだ付け装置は、設置台１２を移動させる基板制御装置４、表面実装部品を搬送する搬送装置３、レーザヘッド１６及び１７を移動させる駆動制御部、レーザヘッド１６及び１７からの出力を制御する出力制御部を備える。基板制御装置４は、プリント基板１上の所定の搭載位置を基準位置に合わせる機能を、搬送装置３は、表面実装部品を基準位置まで搬送する機能を備えている。そして、出力制御部は、表面実装部品の各接合箇所に対してレーザヘッド１６及び１７からレーザ光を同時に出力させるとともに、レーザヘッド１６及び１７から出力されるレーザ光の出力を、はんだの突沸又は飛散を防止するように出力時間と出力量とを制御し、所定の勾配で上昇させる。
【解決手段】本レーザはんだ付け装置は、設置台１２を移動させる基板制御装置４、表面実装部品を搬送する搬送装置３、レーザヘッド１６及び１７を移動させる駆動制御部、レーザヘッド１６及び１７からの出力を制御する出力制御部を備える。基板制御装置４は、プリント基板１上の所定の搭載位置を基準位置に合わせる機能を、搬送装置３は、表面実装部品を基準位置まで搬送する機能を備えている。そして、出力制御部は、表面実装部品の各接合箇所に対してレーザヘッド１６及び１７からレーザ光を同時に出力させるとともに、レーザヘッド１６及び１７から出力されるレーザ光の出力を、はんだの突沸又は飛散を防止するように出力時間と出力量とを制御し、所定の勾配で上昇させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プリント基板に表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、プリント基板に表面実装部品（ＳＭＤ）を接合させるレーザはんだ付け装置の従来技術が開示されている。具体的に、特許文献１に記載のものでは、以下の手順によって表面実装部品のはんだ付けを行っている。
【０００３】
先ず、吸着ヘッド部によって表面実装部品を把持し、プリント基板の上方まで表面実装部品を搬送する。次に、カメラ画像に基づいて表面実装部品の位置を検出し、吸着ヘッド部を微小移動させて表面実装部品の位置調整を行う。表面実装部品の位置が決定したら、吸着ヘッド部を下降させて表面実装部品をプリント基板上に配置する。そして、吸着ヘッド部によって表面実装部品をプリント基板上に押し付けた状態でレーザ光を照射し、所望箇所のはんだを溶融させて表面実装部品をプリント基板に接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−２１９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のものでは、表面実装部品の搬送や位置調整、レーザ光照射時の固定を、全て吸着ヘッド部を用いて行っている。このため、表面実装部品の接合に必要な工程を一つずつ順番に実施しなければならず、作業性が悪いといった問題があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載のものでは、１つの表面実装部品について全ての接合工程が完了しなければ、吸着ヘッド部をその表面実装部品から離すことができない。例えば、表面実装部品に２つの端子が備えられている場合、一方の端子の接合が完了した際に装着ヘッド部を表面実装部品から離してしまうと、はんだの凝固に伴い、他方の端子の接合を行う前に表面実装部品に傾きが生じてしまう。このため、双方の端子の接合が完了するまでは装着ヘッド部を表面実装部品から離すことができず、かかる観点からも作業性を向上させることは困難であった。
【０００７】
特に、近年では、電子回路の高集積化に伴い、搭載される表面実装部品も小型化及び軽量化が進んでいる。このため、表面実装部品を外力で固定しないままはんだ付けが行われると、表面実装部品が一方の電極側で立ち上がったり（チップ立ち、マンハッタン現象）、表面実装部品が本来の搭載位置から大きく飛ばされたり（チップ飛び）して適切な導通状態が確保できなくなり、不良実装が発生することがあった。このような実装不良は、表面実装部品両端の電極部分においてはんだの溶融及び凝固のタイミングが僅かにずれ、はんだの表面張力にアンバランスが生じたり、はんだが突沸したりすることが主な原因とされている。はんだ付けの熱源としてレーザを採用した場合、一般的なリフロー方式の場合と比較すると接合箇所の加熱が急激に行われるため、上記はんだ表面張力のアンバランスやはんだの突沸が発生し易く、実装不良が多発してしまう。
【０００８】
従来のレーザはんだ付け装置では、表面実装部品を所定の搭載位置に運搬及び配置するロボットヘッドの動作により、このような極小ＳＭＤにおける実装不良を回避していた。即ち、従来のレーザはんだ付け装置では、上記ロボットヘッドに対し、表面実装部品をプリント基板上に配置した後も、レーザの照射及びはんだの凝固が完了するまでは、表面実装部品をプリント基板側に押し付けた状態を保持するルーチンを採用していた。
【０００９】
しかし、このような接合方法では、上記ロボットヘッドは、はんだが凝固して表面実装部品の接合が完了するまで、本来の役割である次の表面実装部品を搬送するプロセスに移行することができない。これは、レーザはんだ付け装置の性能課題であるタクトタイム（実装に要する表面実装部品１個当たりの時間）の短縮においては、不利になる。
【００１０】
加えて、はんだ付けの熱源としてレーザを採用した場合、リフロー方式の場合よりも短時間ではんだの溶融及び凝固が可能であるといった利点がある反面、はんだの突沸が生じ易く、はんだ片が周囲に飛散し易いといった解決すべき課題もある。即ち、はんだ付けの熱源としてレーザを採用すると、他の接合箇所や配線上、或いは実装済みの電子部品に、突沸によるはんだ片が飛散して電気的短絡を引き起こし、実装不良が発生する恐れがあった。
【００１１】
また、従来のレーザはんだ付け装置では、一般に、表面実装部品を吸着するためのノズルとレーザ光の出力部とを一体化して、上記ロボットヘッドを構成していた。即ち、ロボットヘッドは、表面実装部品の搬送のためにテープフィーダーからプリント基板上の搭載位置まで移動し、その表面実装部品の接合が完了した後に、次の表面実装部品を取りにテープフィーダーの位置まで戻るといった動作を繰り返し行っていた。しかし、このようなレーザはんだ付け装置では、レーザ発振器から上記出力部までの光伝送手段として光ファイバが採用されていると、ロボットヘッドを高速に動かすことができず、タクトタイムの短縮が困難になるといった問題があった。即ち、上記構成のレーザはんだ付け装置では、タクトタイム短縮のためにロボットヘッドを高速で動かすと、光ファイバーが高速で繰り返し湾曲され、光ファイバーが破損してしまう恐れがあった。
【００１２】
なお、上記以外にも、表面実装部品搭載済みのプリント基板がセットされたテーブルを接合位置まで移動させてはんだ付けを行うレーザはんだ付け装置も提案されている。しかし、このようなレーザはんだ付け装置では、リードインタイプの電子部品を予めプリント基板に挿入しておき、この電子部品が下に配置されるようにプリント基板をテーブルにセットして、テーブルを移動させるため、電子部品をプリント基板に配置してからはんだ付けを完了させるまでの一連の動作に時間が掛かり、タクトタイムを短縮させることはできなかった。
【００１３】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、正確に且つ短時間で、表面実装部品をプリント基板上の所望の位置に接合することができるレーザはんだ付け装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係るレーザはんだ付け装置は、プリント基板上の所定の搭載位置に表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置であって、レーザ光を出力する第１光出力部及び第２光出力部と、第１光出力部及び第２光出力部からのレーザ光の出力を制御する出力制御部と、プリント基板が設置される設置台を移動させ、プリント基板上の搭載位置を所定の基準位置に合わせて配置する基板制御装置と、表面実装部品を所定の供給位置から基準位置まで搬送し、プリント基板上に表面実装部品を載せる搬送装置と、第１光出力部及び第２光出力部を移動させ、第１光出力部及び第２出力部から出力されるレーザ光の照射位置を、基準位置に配置された表面実装部品の端子の接合箇所に合わせる駆動装置と、を備え、出力制御部は、表面実装部品の接合箇所からなる第１及び第２のはんだ付け部分に対して第１光出力部及び第２光出力部からレーザ光を同時に出力させるとともに、第１光出力部及び第２光出力部から出力されるレーザ光の出力を、はんだの突沸又は飛散を防止するように出力時間と出力量とを制御し、所定の勾配で上昇させるものである。
【００１５】
また、この発明に係るレーザはんだ付け装置は、プリント基板上の所定の搭載位置に表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置であって、レーザ光を出力する第１光出力部及び第２光出力部と、第１光出力部及び第２光出力部からのレーザ光の出力を制御する出力制御部と、プリント基板が設置される設置台を移動させ、プリント基板上の搭載位置を所定の基準位置に合わせて配置する基板制御装置と、表面実装部品を所定の供給位置から基準位置まで搬送し、プリント基板上に表面実装部品を載せる搬送装置と、第１光出力部及び第２光出力部を移動させ、第１光出力部及び第２出力部から出力されるレーザ光の照射位置を、基準位置に配置された表面実装部品の端子の接合箇所に合わせる駆動装置と、を備え、基板制御装置によるプリント基板の移動制御、搬送装置による表面実装部品の搬送制御、駆動装置による第１光出力部及び第２光出力部の移動制御は、それぞれ独立して且つ同時に行うことができるように構成されたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係るレーザはんだ付け装置であれば、正確に且つ短時間で、表面実装部品をプリント基板上の所望の位置に接合することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す上面図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す正面図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す側面図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の要部拡大図である。
【図６】レーザ装置による位置調整機能を説明するための図である。
【図７】レーザ装置による位置調整機能を説明するための図である。
【図８】レーザ装置の出力特性を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
【００１９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す上面図、図２はその正面図、図３はその側面図である。また、図４はこの発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の構成を示すブロック図、図５はこの発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の要部拡大図である。
【００２０】
本レーザはんだ付け装置は、プリント基板１上の所望の位置（所定の搭載位置）に表面実装部品（ＳＭＤ）２を搭載するためのものである。表面実装部品２には、基本的に複数の端子が備えられている。本実施の形態では、表面実装部品２に一対の端子２ａ及び２ｂが設けられている場合を例に、具体的な説明を行う。
【００２１】
本レーザはんだ付け装置は、表面実装部品２を搬送する搬送装置３、プリント基板１の位置制御を行う基板制御装置４、表面実装部品２をプリント基板１にはんだ付けするためのレーザ装置５により、その要部が構成されている。
【００２２】
搬送装置３は、表面実装部品２をテープフィーダー６から所定の基準位置に搬送するためのものである。この搬送装置３には、吸着ノズル７及び８、駆動制御部９、カメラ１０が備えられている。なお、上記基準位置とは、はんだ付けを行う時の位置合わせ基準点のことである。即ち、搬送装置３及び基板制御装置４は、プリント基板１上の搭載位置と表面実装部品（ＳＭＤ）２の中心点とをこの基準位置に一致させるように動作する。例えば、搬送装置３は、テープフィーダー６から表面実装部品２を取り出して基準位置まで搬送し、この基準位置において表面実装部品２をプリント基板１上に載せるといった一連の動作を、必要に応じて繰り返し行う。
【００２３】
吸着ノズル７は、表面実装部品２をテープフィーダー６から所定の載置台１１まで搬送するため、吸着ノズル８は、表面実装部品２を載置台１１から上記基準位置まで搬送するためのものである。カメラ１０は、表面実装部品２の位置調整用として備えられたものであり、例えば、載置台１１の下方から表面実装部品２を撮影する。駆動制御部９は、予め登録されている情報やカメラ１０からの画像情報等に基づき、吸着ノズル７及び８の各動作を制御する。
【００２４】
具体的に、駆動制御部９は、先ず、吸着ノズル７をテープフィーダー６の部品供給位置まで移動させると、吸着ノズル７の下端部に表面実装部品２を吸着させ、吸着ノズル７に表面実装部品２を保持させる。次に、駆動制御部９は、表面実装部品２を吸着した状態のまま吸着ノズル７を移動させ、表面実装部品２を載置台１１の上方位置まで搬送する。
【００２５】
吸着ノズル７が載置台１１の上方位置に達すると、駆動制御部９は、カメラ１０によって表面実装部品２の位置を読み込ませる。駆動制御部９は、周知の画像処理技術等を用いることにより、カメラ１０によって撮影された画像に基づいて、表面実装部品２の位置を特定する。そして、駆動制御部９は、表面実装部品２が載置台１１に対して所定の位置で所定の方向を向くように、吸着ノズル７を変位させて位置調整を行い、表面実装部品２を載置台１１に載せる。
【００２６】
なお、駆動制御部９は、表面実装部品２が載置台１１に載せられると、吸着ノズル７を表面実装部品２から離し、次の部品の搬送を行うため、テープフィーダー６の部品供給位置に向けて吸着ノズル７の移動を開始させる。
【００２７】
載置台１１に表面実装部品２が置かれると、駆動制御部９は、吸着ノズル８を用いた表面実装部品２の搬送を開始する。即ち、駆動制御部９は、吸着ノズル８を載置台１１の上方位置まで移動させると、吸着ノズル８の下端部に表面実装部品２を吸着させ、吸着ノズル８に表面実装部品２を保持させる。次に、駆動制御部９は、表面実装部品２を吸着した状態のまま吸着ノズル８を移動させ、表面実装部品２を上記基準位置まで搬送する。例えば、駆動制御部９は、表面実装部品２の中心位置が基準位置に一致するように、表面実装部品２を配置する。
【００２８】
なお、詳細は後述するが、設置台１２に設置されたプリント基板１は、その搭載位置が基準位置に合わせて配置される。駆動制御部９は、吸着ノズル８（表面実装部品２）を基準位置まで移動させると、吸着ノズル８を下降させ、上記基準位置において表面実装部品２をプリント基板１上（の搭載位置）に載せる。そして、駆動制御部９は、表面実装部品２がプリント基板１に載せられた後に吸着ノズル８を表面実装部品２から離し、次の部品の搬送を行うため、載置台１１に向けて吸着ノズル８の移動を開始させる。
【００２９】
基板制御装置４は、設置台１２を移動させて、プリント基板１上の所定の搭載位置を基準位置に合わせて配置するためのものである。なお、設置台１２は、その上面にプリント基板１を設置するための台である。基板制御装置４には、設置台１２（即ち、設置台１２に固定されたプリント基板１）の位置制御を行うため、移動ステージ１３、駆動制御部１４、カメラ１５が備えられている。
【００３０】
移動ステージ１３は、設置台１２を移動自在に支持する。具体的に、移動ステージ１３は、直交する水平な２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）と、所定の軸を中心とした回転方向（θ方向）とに設置台１２を変位させるための所定の駆動機構を有している。カメラ１５は、プリント基板１に設けられたアライメントマーク（図示せず）の読み込みを行うために備えられたものである。駆動制御部１４は、予め登録されている情報やカメラ１５からの画像情報等に基づいて移動ステージ１３を駆動し、設置台１２の位置制御を行う。
【００３１】
具体的に、駆動制御部１４は、先ず、移動ステージ１３を駆動して、設置台１２（即ち、プリント基板１）をカメラ１５の下方位置に配置させる。そして、駆動制御部１４は、カメラ１５にプリント基板１のアライメントマークを読み込ませ、設置台１２に設置されているプリント基板１の正確な設置位置を特定する。なお、このアライメントマークの読み込み等の動作は、はんだ付けの初期工程として、他の動作に先駆けて行われる。
【００３２】
また、駆動制御部１４は、アライメントマークからプリント基板１の設置位置を特定すると、予め登録されている情報に基づき、プリント基板１上の各搭載位置を、はんだ付けを行う表面実装部品２に合わせて、順次基準位置に一致させるための制御を行う。即ち、駆動制御部１４は、移動ステージ１３を駆動して設置台１２を移動させることにより、吸着ノズル８が搬送している（次にはんだ付けを行う）表面実装部品２を搭載するための位置が上記基準位置に合うように、プリント基板１を配置させる。この時、駆動制御部１４は、例えば、上記搭載位置の中心位置が基準位置に一致するように、プリント基板１の位置調整を行う。
【００３３】
なお、駆動制御部１４は、プリント基板１の所定の搭載位置を基準位置に合わせた後にレーザ装置５からレーザ光が照射されると、次の表面実装部品２の搭載位置を基準位置に合わせるための動作を開始する。
【００３４】
レーザ装置５は、レーザ光を照射してプリント基板１上のはんだを溶融させ、表面実装部品２をプリント基板１に接合させる機能を有している。レーザ装置５は、例えば、レーザヘッド１６及び１７（光出力部）、移動ステージ１８及び１９、駆動制御部２０、出力制御部２１により、その要部が構成される。
【００３５】
レーザヘッド１６及び１７は、レーザ光を出力する部分である。光出力部としては、複数のレーザ発振器を備えても良いし、１台のレーザ発振器から導出された伝送ファイバを分岐して加工ヘッドを２系統にした光学系を用意しても良い。例えば、レーザヘッド１６及び１７には、光ファイバ２２が接続されており、光ファイバ２２内を伝播してきたレーザ光をコリメーター等で平行光に変換することにより、上記基準位置の方向に向かってレーザ光を照射する。なお、レーザヘッド１６は、表面実装部品２の一方の端子２ａのはんだ付けを行うため、レーザヘッド１７は他方の端子２ｂのはんだ付けを行うためのものである。表面実装部品２は、その両端部に端子を備えているものが多いため、レーザヘッド１６及び１７は、例えば、表面実装部品２に対してその両側からレーザ光を照射できるように、上記基準位置の両側に配置される。
【００３６】
移動ステージ１８及び１９は、レーザヘッド１６及び１７をそれぞれ移動自在に支持する。具体的に、移動ステージ１８は、直交する水平な２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）と、鉛直方向（Ｚ方向）とにレーザヘッド１６を変位させるための所定の駆動機構を有している。また、移動ステージ１９も同様に、レーザヘッド１７をＸＹＺの各方向に変位させるための所定の駆動機構を有している。駆動制御部２０は、既登録情報等に基づいて移動ステージ１８及び１９を駆動し、レーザヘッド１６及び１７の位置（レーザ光の照射位置）を制御する。即ち、駆動制御部２０は、レーザヘッド１６（第１光出力部）を移動させる第１駆動部の機能と、レーザヘッド１７（第２光出力部）を移動させる第２駆動部の機能との双方を備えている。
【００３７】
以下に、図６及び図７も参照し、レーザヘッド１６及び１７の位置調整機能について、具体的に説明する。図６及び図７は、レーザ装置による位置調整機能を説明するための図である。
【００３８】
レーザヘッド１６及び１７には、破損し易い光ファイバ２２が接続されているため、プリント基板１の搭載位置に合わせてレーザヘッド１６及び１７を大きく移動させることは好ましくない。このため、本レーザはんだ付け装置においては、表面実装部品２毎の搭載位置（中心位置）合わせを、上述の通り、重量が比較的軽いプリント基板１の移動によって実施し、レーザ装置５は、レーザ光の照射位置に関する微小な位置補正（例えば、表面実装部品２を搭載する位置や向きの変更、表面実装部品２のサイズ変更等に伴う位置補正）を実施する。
【００３９】
具体的に、駆動制御部２０は、レーザヘッド１６から出力されるレーザ光の照射位置が、上記基準位置においてプリント基板１に載せられた表面実装部品２の端子２ａの接合箇所に合うように、移動ステージ１８を駆動する。同様に、駆動制御部２０は、レーザヘッド１７から出力されるレーザ光の照射位置が表面実装部品２の端子２ｂの接合箇所に合うように、移動ステージ１９を駆動する。なお、駆動制御部２０による移動ステージ１８及び１９の駆動制御は、予め登録されている表面実装部品２の部品データ（例えば、中心位置、サイズ、端子位置等）に基づいて行われる。
【００４０】
例えば、図６に示すように、小型の表面実装部品２とそれよりも大型の表面実装部品２３とが、各中心位置を上記基準位置に合わせて配置されると、表面実装部品２及び２３の両側の端子２ａ及び２ｂと２３ａ及び２３ｂとは、当然のことながら互いに異なる位置に配置される。表面実装部品２の次に表面実装部品２３の接合を行う場合、駆動制御部２０は、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光が照射されて端子２ａ及び２ｂの接合が行われると、それらの部品データに基づいて移動ステージ１８及び１９を駆動し、レーザヘッド１６から出力されるレーザ光の照射位置が端子２３ａの接合箇所に、レーザヘッド１７から出力されるレーザ光の照射位置が端子２３ｂの接合箇所に合うように位置制御を行う。
【００４１】
なお、図７はレーザヘッド１７から出力されたレーザ光の照射範囲（スポット径）を変更する場合を示している。駆動制御部２０は、レーザ光の照射位置を補正する際に、例えば、表面実装部品２の側面（端子）、プリント基板１に形成されたランド、そのランド上のはんだが適切に加熱されるように、必要に応じてレーザ光の照射範囲も調整する。
【００４２】
また、出力制御部２１は、レーザヘッド１６及び１７からの各出力を制御する機能を有している。
搬送装置３の吸着ノズル８によって表面実装部品２をプリント基板１上に配置した後、吸着ノズル８によって表面実装部品２を押さえつけながらレーザ光を照射したのでは、作業の効率化を図ることはできない。そこで、搬送装置３の駆動制御部９は、表面実装部品２をプリント基板１上に載せると、レーザ光の照射が行われる前に、吸着ノズル８を表面実装部品２から離し、次の部品の搬送動作を開始させる。即ち、出力制御部２１は、表面実装部品２がプリント基板１に載せられ、吸着ノズル８が表面実装部品２から離れた後に、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を出力させる。
【００４３】
上記構成を有するレーザはんだ付け装置では、搬送装置３、基板制御装置４、レーザ装置５が、それぞれ独立して制御可能に構成されている。即ち、例えば、駆動制御部９による表面実装部品２の搬送制御により、駆動制御部１４によるプリント基板１の位置制御や、駆動制御部２０によるレーザヘッド１６及び１７の位置制御が影響を受けることはない。そして、本レーザはんだ付け装置では、搬送装置３（吸着ノズル７及び８）、設置台１２、レーザヘッド１６及び１７の３要素を、必要に応じて並行動作させて位置合わせを行い、接合箇所のはんだ付けを行う方式を採用している。
【００４４】
具体的に、搬送装置３は、テープフィーダー６から上記基準位置まで表面実装部品２を吸着搬送すると、基準位置において表面実装部品２をプリント基板１上に載置する。基板制御装置４は、搬送装置３が表面実装部品２を基準位置に搬送している間に、プリント基板１の所定の搭載位置が基準位置に一致するように設置台１２を移動させる。即ち、搬送装置３が基準位置において表面実装部品２を降下させる時にはプリント基板１の上記搭載位置が基準位置に合わせて配置されており、搬送装置３が表面実装部品２をプリント基板１上に載置することによって、表面実装部品２は、その搭載位置に適切に配置される。
【００４５】
表面実装部品２をプリント基板１の所定の搭載位置に配置すると、搬送装置３は、吸着ノズル８による表面実装部品２の吸着保持を直ちに解消し、次の表面実装部品２の搬送を行うため、吸着ノズル８を載置台１１の上方位置に向けて移動させる。
【００４６】
一方、レーザ装置５は、搬送装置３が表面実装部品２を基準位置に搬送している間に、レーザ光の照射位置が表面実装部品２の端子２ａ及び２ｂの各接合箇所に一致するように、レーザヘッド１６及び１７を移動させる。なお、このレーザヘッド１６及び１７の移動は、必要に応じてプリント基板１の移動とともに行われる。そして、レーザ装置５は、基準位置において表面実装部品２がプリント基板１上に載置され、且つ、レーザ光の照射位置が表面実装部品２の接合箇所に合わせて設定されると、即座にレーザヘッド１６及び１７からレーザ光を出力させて、はんだを溶融させる。
【００４７】
上述したように、レーザ光の照射時に、表面実装部品２を搬送装置３によって吸着保持しておく必要はない。このため、搬送装置３は、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光が出力される時には、既に次の表面実装部品２の搬送（或いは、搬送のための動作）を行っている。
【００４８】
一方、レーザ光の照射が完了するまでは、プリント基板１並びにレーザヘッド１６及び１７の移動を再開することはできない。このため、基板制御装置４は、レーザ光の照射が完了すると、次の表面実装部品２に対するプリント基板１の搭載位置が基準位置に一致するように、設置台１２の移動を開始する。同様に、レーザ装置５は、レーザ光の照射が完了すると、レーザ光の照射位置が次の表面実装部品２の接合箇所に一致するように、レーザヘッド１６及び１７の位置調整を開始する。
なお、このような並行動作は、具体的には駆動制御部９、１４、２０の機能によって実現される。
【００４９】
また、吸着ノズル８が表面実装部品２から離れた後に表面実装部品２の各端子２ａ及び２ｂに対して順番にレーザ光を照射したのでは、はんだの凝固に伴って表面実装部品２に傾きが生じ、適切な導通状態が確保できなくなる恐れがある。このため、出力制御部２１は、例えば、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を同時に出力させることにより、端子２ａ及び２ｂの接合を同時に行って、表面実装部品２に傾きが生じてしまうことを防止する。また、出力制御部２１は、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を照射させる際に、各レーザ光の出力値及び出力波形が同じになるようにその出力を調整し、端子２ａ側の接合箇所のはんだと端子２ｂ側の接合箇所のはんだとが、同じ状態で溶融及び凝固するようにする。
【００５０】
なお、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を出力する時間は、表面実装部品２のサイズ等の条件により異なるが、１箇所の接合において０．１乃至２．０秒程度が必要となる。タクトタイムを短縮させるためにはレーザ光の高出力化が望ましいが、レーザ光の出力があまりにも高いと、入熱量が大きすぎて、レーザ光が照射された瞬間に接合箇所周辺が焼け焦げてしまう。一方、レーザ光の出力が低すぎると、はんだは溶融するが入熱量が小さいため、接合完了までの時間が掛かり過ぎて実用的ではない。また、レーザ光の出力を所定の設定値まで上昇させるまでの時間が短すぎると（レーザ光の出力の上昇勾配が大き過ぎると）、はんだの温度が急激に上昇し、はんだの突沸（はんだ内のフラックスの突沸も含む）が生じてしまう。そして、はんだの突沸が生じた場合は、その衝撃によって表面実装部品２が動いたり、飛散してしまう恐れや、又は、はんだそのものが飛散し、他の接合箇所に付着して短絡（ショート）を起こすことがある等、品質的な問題が生じてしまう。
【００５１】
出力制御部２１は、はんだの突沸を防止した上で効率的な作業を行うため、例えば、図８に示すように、レーザ光の出力値が所定の上昇勾配内で上昇するように、レーザヘッド１６及び１７からの出力を制御する。これにより、出力制御部２１は、はんだの急激な温度上昇を防止するとともに、表面実装部品２の側面、ランド、はんだの迅速な加熱を実現する。
【００５２】
具体的に、出願人は、１００５サイズ（長辺１．０ｍｍ、短辺０．５ｍｍ）の抵抗チップ（表面実装部品２）であれば、６０ｍｓ以上の時間を掛けて、レーザ光の出力を２乃至５Ｗ程度まで一定の上昇勾配で上昇させた場合に、安定した接合品質が得られることを確認している。即ち、上記条件であれば、吸着ノズル８で表面実装部品２をプリント基板１上に押し付けていなくても、レーザヘッド１６及び１７からのレーザ光により、チップ飛びやはんだ片の飛散を伴うことなく、短時間で接合を完了させることができる。更に、出願人は、上記条件において、１６０８サイズ（長辺１．６ｍｍ、短辺０．８ｍｍ）の抵抗チップでも安定した接合品質が得られることを確認している。このような結果に基づけば、抵抗やコンデンサ・インダクタを有するチップであれば、長辺が０．４乃至５．７ｍｍ、短辺が０．２乃至５．０ｍｍのサイズまで安定した接合品質を得ることができ、端子を多数備えたＩＣ等の表面実装部品２も、良好な品質で接合することができる。
【００５３】
この発明の実施の形態１によれば、レーザはんだ付け装置において、正確且つ短時間で、表面実装部品２をプリント基板１上の所望の搭載位置に接合することができるようになる。
即ち、搬送装置３、基板制御装置４、レーザ装置５は、所定の基準位置を基準にしてそれぞれの動作を行うため、各動作を並行して行うことができ、作業の高速化及び高効率化が可能となる。例えば、所定の表面実装部品２をプリント基板１上の所定の搭載位置に接合する場合、搬送装置３による表面実装部品２の搬送、基板制御装置４によるプリント基板１の位置合わせ、レーザ装置５によるレーザ光照射位置の調整といった各動作を、同時進行的に行うことができる。
【００５４】
具体的に、本レーザはんだ付け装置では、レーザヘッド１６及び１７と搬送装置３とを分け、更に、プリント基板１上の搭載位置間の移動動作を、搬送装置３ではなく基板制御装置４に担当させている。このため、表面実装部品２の搬送及び設置とはんだ付けとを同じ装置で一度に行う方式を実現したまま、レーザヘッド１６及び１７の移動範囲を、上記基準位置付近の数ｍｍ角程度の微小範囲に抑えることが可能となった。この結果、光ファイバ２２の湾曲量も小さく抑えることができ、レーザヘッド１６及び１７を高速で動作させても、光ファイバ２２が破損する恐れはない。
【００５５】
加えて、搬送装置３をレーザヘッド１６及び１７やその照射位置の制御機構から独立させ、更にプリント基板１上の搭載位置間の移動及びその位置合わせの動作を基板制御装置４に分担させたため、搬送装置３の構造を簡略化することができる。その結果、搬送装置３が軽量化されてその慣性が大幅に小さくなり、位置合わせが容易になるとともに、搬送装置３の高速動作化によってタクトタイムの短縮を図ることが可能となる。
【００５６】
更に、本レーザはんだ付け装置であれば、従来方式においてリードタイム中の大きな割合を占めていたテープフィーダーから接合箇所までの表面実装部品の搬送・設置動作を、レーザ光の照射中に行うことができるため、タクトタイムを大幅に短縮させることができる（図９参照）。
【００５７】
本発明の導入効果によるタクトタイム短縮の一例として、１００５サイズ（長辺１．０ｍｍ、短辺０．５ｍｍ）の抵抗チップをはんだ付けする場合、ロボットヘッドによってレーザ光の照射中に表面実装部品２をプリント基板１側に押さえ付けておく従来方式では約３秒のタクトタイムを要したのに対し、本発明の方式では約２秒となり、タクトタイムが約１秒短縮できることを確認している。これを１日当たりの生産数に換算すると、従来技術ベースの方式では約２９０００個なのに対し、本発明の方式では約４３０００個となり、装置１台当たりの生産効力を約５０％向上させることができる。即ち、本発明の方式であれば、大きな効率化、生産能力の向上が期待できる。
【００５８】
また、本レーザはんだ付け装置には、２つ（複数）のレーザヘッド１６及び１７が用意されており、レーザヘッド１６及び１７から照射される各レーザ光が、同じ出力値及び出力波形を有するように、且つ、その出力が一定の上昇勾配で設定値まで上昇するように、適切に制御される。このため、各接合箇所におけるはんだの溶融及び凝固を最適化させることができ、各接合箇所のはんだ表面張力にアンバランスが生じたり、はんだの突沸が生じたりすることを確実に防止することができる。即ち、本レーザはんだ付け装置であれば、レーザ装置５によるレーザ光の照射時に、搬送装置３によって表面実装部品２を押さえつけておかなくても、チップ立ちやチップ飛びの発生を確実に防止することができる。このため、搬送装置３を、表面実装部品２をプリント基板１に載せた直後から次の部品の搬送工程に移行させることができ、多数の表面実装部品２をプリント基板１に搭載する場合には、作業時間を大幅に短縮させることが可能となる。更に、本レーザはんだ付け装置であれば、はんだ片の飛散も防止できるため、高品質な製品を提供することが可能となる。
【００５９】
なお、本レーザはんだ付け装置は、予め登録されている部品データ等に基づいて、表面実装部品２毎にレーザ光の照射位置や照射範囲等が適切に調整されるため、サイズや耐熱特性等が異なる複数種類の表面実装部品２が混在する場合であっても、正確且つ迅速に、各表面実装部品２をプリント基板１に接合することができる。
【００６０】
したがって、本レーザはんだ付け装置は、多品種少量生産の製品や、搭載される表面実装部品２が製品毎に変化するカスタムメイド的な製品、短期間で開発や設計変更が行われる製品、搭載される表面実装部品２が少ない製品（例えば、補聴器等）の製造において、特に有効な手段となり得る。
【符号の説明】
【００６１】
１ プリント基板
２、２３ 表面実装部品（ＳＭＤ）
２ａ、２ｂ、２３ａ、２３ｂ 端子
３ 搬送装置
４ 基板制御装置
５ レーザ装置
６ テープフィーダー
７、８ 吸着ノズル
９、１４、２０ 駆動制御部
１０、１５ カメラ
１１ 載置台
１２ 設置台
１３、１８、１９ 移動ステージ
１６、１７ レーザヘッド
２１ 出力制御部
２２ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プリント基板に表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、プリント基板に表面実装部品（ＳＭＤ）を接合させるレーザはんだ付け装置の従来技術が開示されている。具体的に、特許文献１に記載のものでは、以下の手順によって表面実装部品のはんだ付けを行っている。
【０００３】
先ず、吸着ヘッド部によって表面実装部品を把持し、プリント基板の上方まで表面実装部品を搬送する。次に、カメラ画像に基づいて表面実装部品の位置を検出し、吸着ヘッド部を微小移動させて表面実装部品の位置調整を行う。表面実装部品の位置が決定したら、吸着ヘッド部を下降させて表面実装部品をプリント基板上に配置する。そして、吸着ヘッド部によって表面実装部品をプリント基板上に押し付けた状態でレーザ光を照射し、所望箇所のはんだを溶融させて表面実装部品をプリント基板に接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−２１９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のものでは、表面実装部品の搬送や位置調整、レーザ光照射時の固定を、全て吸着ヘッド部を用いて行っている。このため、表面実装部品の接合に必要な工程を一つずつ順番に実施しなければならず、作業性が悪いといった問題があった。
【０００６】
また、特許文献１に記載のものでは、１つの表面実装部品について全ての接合工程が完了しなければ、吸着ヘッド部をその表面実装部品から離すことができない。例えば、表面実装部品に２つの端子が備えられている場合、一方の端子の接合が完了した際に装着ヘッド部を表面実装部品から離してしまうと、はんだの凝固に伴い、他方の端子の接合を行う前に表面実装部品に傾きが生じてしまう。このため、双方の端子の接合が完了するまでは装着ヘッド部を表面実装部品から離すことができず、かかる観点からも作業性を向上させることは困難であった。
【０００７】
特に、近年では、電子回路の高集積化に伴い、搭載される表面実装部品も小型化及び軽量化が進んでいる。このため、表面実装部品を外力で固定しないままはんだ付けが行われると、表面実装部品が一方の電極側で立ち上がったり（チップ立ち、マンハッタン現象）、表面実装部品が本来の搭載位置から大きく飛ばされたり（チップ飛び）して適切な導通状態が確保できなくなり、不良実装が発生することがあった。このような実装不良は、表面実装部品両端の電極部分においてはんだの溶融及び凝固のタイミングが僅かにずれ、はんだの表面張力にアンバランスが生じたり、はんだが突沸したりすることが主な原因とされている。はんだ付けの熱源としてレーザを採用した場合、一般的なリフロー方式の場合と比較すると接合箇所の加熱が急激に行われるため、上記はんだ表面張力のアンバランスやはんだの突沸が発生し易く、実装不良が多発してしまう。
【０００８】
従来のレーザはんだ付け装置では、表面実装部品を所定の搭載位置に運搬及び配置するロボットヘッドの動作により、このような極小ＳＭＤにおける実装不良を回避していた。即ち、従来のレーザはんだ付け装置では、上記ロボットヘッドに対し、表面実装部品をプリント基板上に配置した後も、レーザの照射及びはんだの凝固が完了するまでは、表面実装部品をプリント基板側に押し付けた状態を保持するルーチンを採用していた。
【０００９】
しかし、このような接合方法では、上記ロボットヘッドは、はんだが凝固して表面実装部品の接合が完了するまで、本来の役割である次の表面実装部品を搬送するプロセスに移行することができない。これは、レーザはんだ付け装置の性能課題であるタクトタイム（実装に要する表面実装部品１個当たりの時間）の短縮においては、不利になる。
【００１０】
加えて、はんだ付けの熱源としてレーザを採用した場合、リフロー方式の場合よりも短時間ではんだの溶融及び凝固が可能であるといった利点がある反面、はんだの突沸が生じ易く、はんだ片が周囲に飛散し易いといった解決すべき課題もある。即ち、はんだ付けの熱源としてレーザを採用すると、他の接合箇所や配線上、或いは実装済みの電子部品に、突沸によるはんだ片が飛散して電気的短絡を引き起こし、実装不良が発生する恐れがあった。
【００１１】
また、従来のレーザはんだ付け装置では、一般に、表面実装部品を吸着するためのノズルとレーザ光の出力部とを一体化して、上記ロボットヘッドを構成していた。即ち、ロボットヘッドは、表面実装部品の搬送のためにテープフィーダーからプリント基板上の搭載位置まで移動し、その表面実装部品の接合が完了した後に、次の表面実装部品を取りにテープフィーダーの位置まで戻るといった動作を繰り返し行っていた。しかし、このようなレーザはんだ付け装置では、レーザ発振器から上記出力部までの光伝送手段として光ファイバが採用されていると、ロボットヘッドを高速に動かすことができず、タクトタイムの短縮が困難になるといった問題があった。即ち、上記構成のレーザはんだ付け装置では、タクトタイム短縮のためにロボットヘッドを高速で動かすと、光ファイバーが高速で繰り返し湾曲され、光ファイバーが破損してしまう恐れがあった。
【００１２】
なお、上記以外にも、表面実装部品搭載済みのプリント基板がセットされたテーブルを接合位置まで移動させてはんだ付けを行うレーザはんだ付け装置も提案されている。しかし、このようなレーザはんだ付け装置では、リードインタイプの電子部品を予めプリント基板に挿入しておき、この電子部品が下に配置されるようにプリント基板をテーブルにセットして、テーブルを移動させるため、電子部品をプリント基板に配置してからはんだ付けを完了させるまでの一連の動作に時間が掛かり、タクトタイムを短縮させることはできなかった。
【００１３】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、正確に且つ短時間で、表面実装部品をプリント基板上の所望の位置に接合することができるレーザはんだ付け装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係るレーザはんだ付け装置は、プリント基板上の所定の搭載位置に表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置であって、レーザ光を出力する第１光出力部及び第２光出力部と、第１光出力部及び第２光出力部からのレーザ光の出力を制御する出力制御部と、プリント基板が設置される設置台を移動させ、プリント基板上の搭載位置を所定の基準位置に合わせて配置する基板制御装置と、表面実装部品を所定の供給位置から基準位置まで搬送し、プリント基板上に表面実装部品を載せる搬送装置と、第１光出力部及び第２光出力部を移動させ、第１光出力部及び第２出力部から出力されるレーザ光の照射位置を、基準位置に配置された表面実装部品の端子の接合箇所に合わせる駆動装置と、を備え、出力制御部は、表面実装部品の接合箇所からなる第１及び第２のはんだ付け部分に対して第１光出力部及び第２光出力部からレーザ光を同時に出力させるとともに、第１光出力部及び第２光出力部から出力されるレーザ光の出力を、はんだの突沸又は飛散を防止するように出力時間と出力量とを制御し、所定の勾配で上昇させるものである。
【００１５】
また、この発明に係るレーザはんだ付け装置は、プリント基板上の所定の搭載位置に表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置であって、レーザ光を出力する第１光出力部及び第２光出力部と、第１光出力部及び第２光出力部からのレーザ光の出力を制御する出力制御部と、プリント基板が設置される設置台を移動させ、プリント基板上の搭載位置を所定の基準位置に合わせて配置する基板制御装置と、表面実装部品を所定の供給位置から基準位置まで搬送し、プリント基板上に表面実装部品を載せる搬送装置と、第１光出力部及び第２光出力部を移動させ、第１光出力部及び第２出力部から出力されるレーザ光の照射位置を、基準位置に配置された表面実装部品の端子の接合箇所に合わせる駆動装置と、を備え、基板制御装置によるプリント基板の移動制御、搬送装置による表面実装部品の搬送制御、駆動装置による第１光出力部及び第２光出力部の移動制御は、それぞれ独立して且つ同時に行うことができるように構成されたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係るレーザはんだ付け装置であれば、正確に且つ短時間で、表面実装部品をプリント基板上の所望の位置に接合することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す上面図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す正面図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す側面図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の要部拡大図である。
【図６】レーザ装置による位置調整機能を説明するための図である。
【図７】レーザ装置による位置調整機能を説明するための図である。
【図８】レーザ装置の出力特性を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
【００１９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の概略を示す上面図、図２はその正面図、図３はその側面図である。また、図４はこの発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の構成を示すブロック図、図５はこの発明の実施の形態１におけるレーザはんだ付け装置の要部拡大図である。
【００２０】
本レーザはんだ付け装置は、プリント基板１上の所望の位置（所定の搭載位置）に表面実装部品（ＳＭＤ）２を搭載するためのものである。表面実装部品２には、基本的に複数の端子が備えられている。本実施の形態では、表面実装部品２に一対の端子２ａ及び２ｂが設けられている場合を例に、具体的な説明を行う。
【００２１】
本レーザはんだ付け装置は、表面実装部品２を搬送する搬送装置３、プリント基板１の位置制御を行う基板制御装置４、表面実装部品２をプリント基板１にはんだ付けするためのレーザ装置５により、その要部が構成されている。
【００２２】
搬送装置３は、表面実装部品２をテープフィーダー６から所定の基準位置に搬送するためのものである。この搬送装置３には、吸着ノズル７及び８、駆動制御部９、カメラ１０が備えられている。なお、上記基準位置とは、はんだ付けを行う時の位置合わせ基準点のことである。即ち、搬送装置３及び基板制御装置４は、プリント基板１上の搭載位置と表面実装部品（ＳＭＤ）２の中心点とをこの基準位置に一致させるように動作する。例えば、搬送装置３は、テープフィーダー６から表面実装部品２を取り出して基準位置まで搬送し、この基準位置において表面実装部品２をプリント基板１上に載せるといった一連の動作を、必要に応じて繰り返し行う。
【００２３】
吸着ノズル７は、表面実装部品２をテープフィーダー６から所定の載置台１１まで搬送するため、吸着ノズル８は、表面実装部品２を載置台１１から上記基準位置まで搬送するためのものである。カメラ１０は、表面実装部品２の位置調整用として備えられたものであり、例えば、載置台１１の下方から表面実装部品２を撮影する。駆動制御部９は、予め登録されている情報やカメラ１０からの画像情報等に基づき、吸着ノズル７及び８の各動作を制御する。
【００２４】
具体的に、駆動制御部９は、先ず、吸着ノズル７をテープフィーダー６の部品供給位置まで移動させると、吸着ノズル７の下端部に表面実装部品２を吸着させ、吸着ノズル７に表面実装部品２を保持させる。次に、駆動制御部９は、表面実装部品２を吸着した状態のまま吸着ノズル７を移動させ、表面実装部品２を載置台１１の上方位置まで搬送する。
【００２５】
吸着ノズル７が載置台１１の上方位置に達すると、駆動制御部９は、カメラ１０によって表面実装部品２の位置を読み込ませる。駆動制御部９は、周知の画像処理技術等を用いることにより、カメラ１０によって撮影された画像に基づいて、表面実装部品２の位置を特定する。そして、駆動制御部９は、表面実装部品２が載置台１１に対して所定の位置で所定の方向を向くように、吸着ノズル７を変位させて位置調整を行い、表面実装部品２を載置台１１に載せる。
【００２６】
なお、駆動制御部９は、表面実装部品２が載置台１１に載せられると、吸着ノズル７を表面実装部品２から離し、次の部品の搬送を行うため、テープフィーダー６の部品供給位置に向けて吸着ノズル７の移動を開始させる。
【００２７】
載置台１１に表面実装部品２が置かれると、駆動制御部９は、吸着ノズル８を用いた表面実装部品２の搬送を開始する。即ち、駆動制御部９は、吸着ノズル８を載置台１１の上方位置まで移動させると、吸着ノズル８の下端部に表面実装部品２を吸着させ、吸着ノズル８に表面実装部品２を保持させる。次に、駆動制御部９は、表面実装部品２を吸着した状態のまま吸着ノズル８を移動させ、表面実装部品２を上記基準位置まで搬送する。例えば、駆動制御部９は、表面実装部品２の中心位置が基準位置に一致するように、表面実装部品２を配置する。
【００２８】
なお、詳細は後述するが、設置台１２に設置されたプリント基板１は、その搭載位置が基準位置に合わせて配置される。駆動制御部９は、吸着ノズル８（表面実装部品２）を基準位置まで移動させると、吸着ノズル８を下降させ、上記基準位置において表面実装部品２をプリント基板１上（の搭載位置）に載せる。そして、駆動制御部９は、表面実装部品２がプリント基板１に載せられた後に吸着ノズル８を表面実装部品２から離し、次の部品の搬送を行うため、載置台１１に向けて吸着ノズル８の移動を開始させる。
【００２９】
基板制御装置４は、設置台１２を移動させて、プリント基板１上の所定の搭載位置を基準位置に合わせて配置するためのものである。なお、設置台１２は、その上面にプリント基板１を設置するための台である。基板制御装置４には、設置台１２（即ち、設置台１２に固定されたプリント基板１）の位置制御を行うため、移動ステージ１３、駆動制御部１４、カメラ１５が備えられている。
【００３０】
移動ステージ１３は、設置台１２を移動自在に支持する。具体的に、移動ステージ１３は、直交する水平な２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）と、所定の軸を中心とした回転方向（θ方向）とに設置台１２を変位させるための所定の駆動機構を有している。カメラ１５は、プリント基板１に設けられたアライメントマーク（図示せず）の読み込みを行うために備えられたものである。駆動制御部１４は、予め登録されている情報やカメラ１５からの画像情報等に基づいて移動ステージ１３を駆動し、設置台１２の位置制御を行う。
【００３１】
具体的に、駆動制御部１４は、先ず、移動ステージ１３を駆動して、設置台１２（即ち、プリント基板１）をカメラ１５の下方位置に配置させる。そして、駆動制御部１４は、カメラ１５にプリント基板１のアライメントマークを読み込ませ、設置台１２に設置されているプリント基板１の正確な設置位置を特定する。なお、このアライメントマークの読み込み等の動作は、はんだ付けの初期工程として、他の動作に先駆けて行われる。
【００３２】
また、駆動制御部１４は、アライメントマークからプリント基板１の設置位置を特定すると、予め登録されている情報に基づき、プリント基板１上の各搭載位置を、はんだ付けを行う表面実装部品２に合わせて、順次基準位置に一致させるための制御を行う。即ち、駆動制御部１４は、移動ステージ１３を駆動して設置台１２を移動させることにより、吸着ノズル８が搬送している（次にはんだ付けを行う）表面実装部品２を搭載するための位置が上記基準位置に合うように、プリント基板１を配置させる。この時、駆動制御部１４は、例えば、上記搭載位置の中心位置が基準位置に一致するように、プリント基板１の位置調整を行う。
【００３３】
なお、駆動制御部１４は、プリント基板１の所定の搭載位置を基準位置に合わせた後にレーザ装置５からレーザ光が照射されると、次の表面実装部品２の搭載位置を基準位置に合わせるための動作を開始する。
【００３４】
レーザ装置５は、レーザ光を照射してプリント基板１上のはんだを溶融させ、表面実装部品２をプリント基板１に接合させる機能を有している。レーザ装置５は、例えば、レーザヘッド１６及び１７（光出力部）、移動ステージ１８及び１９、駆動制御部２０、出力制御部２１により、その要部が構成される。
【００３５】
レーザヘッド１６及び１７は、レーザ光を出力する部分である。光出力部としては、複数のレーザ発振器を備えても良いし、１台のレーザ発振器から導出された伝送ファイバを分岐して加工ヘッドを２系統にした光学系を用意しても良い。例えば、レーザヘッド１６及び１７には、光ファイバ２２が接続されており、光ファイバ２２内を伝播してきたレーザ光をコリメーター等で平行光に変換することにより、上記基準位置の方向に向かってレーザ光を照射する。なお、レーザヘッド１６は、表面実装部品２の一方の端子２ａのはんだ付けを行うため、レーザヘッド１７は他方の端子２ｂのはんだ付けを行うためのものである。表面実装部品２は、その両端部に端子を備えているものが多いため、レーザヘッド１６及び１７は、例えば、表面実装部品２に対してその両側からレーザ光を照射できるように、上記基準位置の両側に配置される。
【００３６】
移動ステージ１８及び１９は、レーザヘッド１６及び１７をそれぞれ移動自在に支持する。具体的に、移動ステージ１８は、直交する水平な２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）と、鉛直方向（Ｚ方向）とにレーザヘッド１６を変位させるための所定の駆動機構を有している。また、移動ステージ１９も同様に、レーザヘッド１７をＸＹＺの各方向に変位させるための所定の駆動機構を有している。駆動制御部２０は、既登録情報等に基づいて移動ステージ１８及び１９を駆動し、レーザヘッド１６及び１７の位置（レーザ光の照射位置）を制御する。即ち、駆動制御部２０は、レーザヘッド１６（第１光出力部）を移動させる第１駆動部の機能と、レーザヘッド１７（第２光出力部）を移動させる第２駆動部の機能との双方を備えている。
【００３７】
以下に、図６及び図７も参照し、レーザヘッド１６及び１７の位置調整機能について、具体的に説明する。図６及び図７は、レーザ装置による位置調整機能を説明するための図である。
【００３８】
レーザヘッド１６及び１７には、破損し易い光ファイバ２２が接続されているため、プリント基板１の搭載位置に合わせてレーザヘッド１６及び１７を大きく移動させることは好ましくない。このため、本レーザはんだ付け装置においては、表面実装部品２毎の搭載位置（中心位置）合わせを、上述の通り、重量が比較的軽いプリント基板１の移動によって実施し、レーザ装置５は、レーザ光の照射位置に関する微小な位置補正（例えば、表面実装部品２を搭載する位置や向きの変更、表面実装部品２のサイズ変更等に伴う位置補正）を実施する。
【００３９】
具体的に、駆動制御部２０は、レーザヘッド１６から出力されるレーザ光の照射位置が、上記基準位置においてプリント基板１に載せられた表面実装部品２の端子２ａの接合箇所に合うように、移動ステージ１８を駆動する。同様に、駆動制御部２０は、レーザヘッド１７から出力されるレーザ光の照射位置が表面実装部品２の端子２ｂの接合箇所に合うように、移動ステージ１９を駆動する。なお、駆動制御部２０による移動ステージ１８及び１９の駆動制御は、予め登録されている表面実装部品２の部品データ（例えば、中心位置、サイズ、端子位置等）に基づいて行われる。
【００４０】
例えば、図６に示すように、小型の表面実装部品２とそれよりも大型の表面実装部品２３とが、各中心位置を上記基準位置に合わせて配置されると、表面実装部品２及び２３の両側の端子２ａ及び２ｂと２３ａ及び２３ｂとは、当然のことながら互いに異なる位置に配置される。表面実装部品２の次に表面実装部品２３の接合を行う場合、駆動制御部２０は、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光が照射されて端子２ａ及び２ｂの接合が行われると、それらの部品データに基づいて移動ステージ１８及び１９を駆動し、レーザヘッド１６から出力されるレーザ光の照射位置が端子２３ａの接合箇所に、レーザヘッド１７から出力されるレーザ光の照射位置が端子２３ｂの接合箇所に合うように位置制御を行う。
【００４１】
なお、図７はレーザヘッド１７から出力されたレーザ光の照射範囲（スポット径）を変更する場合を示している。駆動制御部２０は、レーザ光の照射位置を補正する際に、例えば、表面実装部品２の側面（端子）、プリント基板１に形成されたランド、そのランド上のはんだが適切に加熱されるように、必要に応じてレーザ光の照射範囲も調整する。
【００４２】
また、出力制御部２１は、レーザヘッド１６及び１７からの各出力を制御する機能を有している。
搬送装置３の吸着ノズル８によって表面実装部品２をプリント基板１上に配置した後、吸着ノズル８によって表面実装部品２を押さえつけながらレーザ光を照射したのでは、作業の効率化を図ることはできない。そこで、搬送装置３の駆動制御部９は、表面実装部品２をプリント基板１上に載せると、レーザ光の照射が行われる前に、吸着ノズル８を表面実装部品２から離し、次の部品の搬送動作を開始させる。即ち、出力制御部２１は、表面実装部品２がプリント基板１に載せられ、吸着ノズル８が表面実装部品２から離れた後に、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を出力させる。
【００４３】
上記構成を有するレーザはんだ付け装置では、搬送装置３、基板制御装置４、レーザ装置５が、それぞれ独立して制御可能に構成されている。即ち、例えば、駆動制御部９による表面実装部品２の搬送制御により、駆動制御部１４によるプリント基板１の位置制御や、駆動制御部２０によるレーザヘッド１６及び１７の位置制御が影響を受けることはない。そして、本レーザはんだ付け装置では、搬送装置３（吸着ノズル７及び８）、設置台１２、レーザヘッド１６及び１７の３要素を、必要に応じて並行動作させて位置合わせを行い、接合箇所のはんだ付けを行う方式を採用している。
【００４４】
具体的に、搬送装置３は、テープフィーダー６から上記基準位置まで表面実装部品２を吸着搬送すると、基準位置において表面実装部品２をプリント基板１上に載置する。基板制御装置４は、搬送装置３が表面実装部品２を基準位置に搬送している間に、プリント基板１の所定の搭載位置が基準位置に一致するように設置台１２を移動させる。即ち、搬送装置３が基準位置において表面実装部品２を降下させる時にはプリント基板１の上記搭載位置が基準位置に合わせて配置されており、搬送装置３が表面実装部品２をプリント基板１上に載置することによって、表面実装部品２は、その搭載位置に適切に配置される。
【００４５】
表面実装部品２をプリント基板１の所定の搭載位置に配置すると、搬送装置３は、吸着ノズル８による表面実装部品２の吸着保持を直ちに解消し、次の表面実装部品２の搬送を行うため、吸着ノズル８を載置台１１の上方位置に向けて移動させる。
【００４６】
一方、レーザ装置５は、搬送装置３が表面実装部品２を基準位置に搬送している間に、レーザ光の照射位置が表面実装部品２の端子２ａ及び２ｂの各接合箇所に一致するように、レーザヘッド１６及び１７を移動させる。なお、このレーザヘッド１６及び１７の移動は、必要に応じてプリント基板１の移動とともに行われる。そして、レーザ装置５は、基準位置において表面実装部品２がプリント基板１上に載置され、且つ、レーザ光の照射位置が表面実装部品２の接合箇所に合わせて設定されると、即座にレーザヘッド１６及び１７からレーザ光を出力させて、はんだを溶融させる。
【００４７】
上述したように、レーザ光の照射時に、表面実装部品２を搬送装置３によって吸着保持しておく必要はない。このため、搬送装置３は、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光が出力される時には、既に次の表面実装部品２の搬送（或いは、搬送のための動作）を行っている。
【００４８】
一方、レーザ光の照射が完了するまでは、プリント基板１並びにレーザヘッド１６及び１７の移動を再開することはできない。このため、基板制御装置４は、レーザ光の照射が完了すると、次の表面実装部品２に対するプリント基板１の搭載位置が基準位置に一致するように、設置台１２の移動を開始する。同様に、レーザ装置５は、レーザ光の照射が完了すると、レーザ光の照射位置が次の表面実装部品２の接合箇所に一致するように、レーザヘッド１６及び１７の位置調整を開始する。
なお、このような並行動作は、具体的には駆動制御部９、１４、２０の機能によって実現される。
【００４９】
また、吸着ノズル８が表面実装部品２から離れた後に表面実装部品２の各端子２ａ及び２ｂに対して順番にレーザ光を照射したのでは、はんだの凝固に伴って表面実装部品２に傾きが生じ、適切な導通状態が確保できなくなる恐れがある。このため、出力制御部２１は、例えば、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を同時に出力させることにより、端子２ａ及び２ｂの接合を同時に行って、表面実装部品２に傾きが生じてしまうことを防止する。また、出力制御部２１は、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を照射させる際に、各レーザ光の出力値及び出力波形が同じになるようにその出力を調整し、端子２ａ側の接合箇所のはんだと端子２ｂ側の接合箇所のはんだとが、同じ状態で溶融及び凝固するようにする。
【００５０】
なお、レーザヘッド１６及び１７からレーザ光を出力する時間は、表面実装部品２のサイズ等の条件により異なるが、１箇所の接合において０．１乃至２．０秒程度が必要となる。タクトタイムを短縮させるためにはレーザ光の高出力化が望ましいが、レーザ光の出力があまりにも高いと、入熱量が大きすぎて、レーザ光が照射された瞬間に接合箇所周辺が焼け焦げてしまう。一方、レーザ光の出力が低すぎると、はんだは溶融するが入熱量が小さいため、接合完了までの時間が掛かり過ぎて実用的ではない。また、レーザ光の出力を所定の設定値まで上昇させるまでの時間が短すぎると（レーザ光の出力の上昇勾配が大き過ぎると）、はんだの温度が急激に上昇し、はんだの突沸（はんだ内のフラックスの突沸も含む）が生じてしまう。そして、はんだの突沸が生じた場合は、その衝撃によって表面実装部品２が動いたり、飛散してしまう恐れや、又は、はんだそのものが飛散し、他の接合箇所に付着して短絡（ショート）を起こすことがある等、品質的な問題が生じてしまう。
【００５１】
出力制御部２１は、はんだの突沸を防止した上で効率的な作業を行うため、例えば、図８に示すように、レーザ光の出力値が所定の上昇勾配内で上昇するように、レーザヘッド１６及び１７からの出力を制御する。これにより、出力制御部２１は、はんだの急激な温度上昇を防止するとともに、表面実装部品２の側面、ランド、はんだの迅速な加熱を実現する。
【００５２】
具体的に、出願人は、１００５サイズ（長辺１．０ｍｍ、短辺０．５ｍｍ）の抵抗チップ（表面実装部品２）であれば、６０ｍｓ以上の時間を掛けて、レーザ光の出力を２乃至５Ｗ程度まで一定の上昇勾配で上昇させた場合に、安定した接合品質が得られることを確認している。即ち、上記条件であれば、吸着ノズル８で表面実装部品２をプリント基板１上に押し付けていなくても、レーザヘッド１６及び１７からのレーザ光により、チップ飛びやはんだ片の飛散を伴うことなく、短時間で接合を完了させることができる。更に、出願人は、上記条件において、１６０８サイズ（長辺１．６ｍｍ、短辺０．８ｍｍ）の抵抗チップでも安定した接合品質が得られることを確認している。このような結果に基づけば、抵抗やコンデンサ・インダクタを有するチップであれば、長辺が０．４乃至５．７ｍｍ、短辺が０．２乃至５．０ｍｍのサイズまで安定した接合品質を得ることができ、端子を多数備えたＩＣ等の表面実装部品２も、良好な品質で接合することができる。
【００５３】
この発明の実施の形態１によれば、レーザはんだ付け装置において、正確且つ短時間で、表面実装部品２をプリント基板１上の所望の搭載位置に接合することができるようになる。
即ち、搬送装置３、基板制御装置４、レーザ装置５は、所定の基準位置を基準にしてそれぞれの動作を行うため、各動作を並行して行うことができ、作業の高速化及び高効率化が可能となる。例えば、所定の表面実装部品２をプリント基板１上の所定の搭載位置に接合する場合、搬送装置３による表面実装部品２の搬送、基板制御装置４によるプリント基板１の位置合わせ、レーザ装置５によるレーザ光照射位置の調整といった各動作を、同時進行的に行うことができる。
【００５４】
具体的に、本レーザはんだ付け装置では、レーザヘッド１６及び１７と搬送装置３とを分け、更に、プリント基板１上の搭載位置間の移動動作を、搬送装置３ではなく基板制御装置４に担当させている。このため、表面実装部品２の搬送及び設置とはんだ付けとを同じ装置で一度に行う方式を実現したまま、レーザヘッド１６及び１７の移動範囲を、上記基準位置付近の数ｍｍ角程度の微小範囲に抑えることが可能となった。この結果、光ファイバ２２の湾曲量も小さく抑えることができ、レーザヘッド１６及び１７を高速で動作させても、光ファイバ２２が破損する恐れはない。
【００５５】
加えて、搬送装置３をレーザヘッド１６及び１７やその照射位置の制御機構から独立させ、更にプリント基板１上の搭載位置間の移動及びその位置合わせの動作を基板制御装置４に分担させたため、搬送装置３の構造を簡略化することができる。その結果、搬送装置３が軽量化されてその慣性が大幅に小さくなり、位置合わせが容易になるとともに、搬送装置３の高速動作化によってタクトタイムの短縮を図ることが可能となる。
【００５６】
更に、本レーザはんだ付け装置であれば、従来方式においてリードタイム中の大きな割合を占めていたテープフィーダーから接合箇所までの表面実装部品の搬送・設置動作を、レーザ光の照射中に行うことができるため、タクトタイムを大幅に短縮させることができる（図９参照）。
【００５７】
本発明の導入効果によるタクトタイム短縮の一例として、１００５サイズ（長辺１．０ｍｍ、短辺０．５ｍｍ）の抵抗チップをはんだ付けする場合、ロボットヘッドによってレーザ光の照射中に表面実装部品２をプリント基板１側に押さえ付けておく従来方式では約３秒のタクトタイムを要したのに対し、本発明の方式では約２秒となり、タクトタイムが約１秒短縮できることを確認している。これを１日当たりの生産数に換算すると、従来技術ベースの方式では約２９０００個なのに対し、本発明の方式では約４３０００個となり、装置１台当たりの生産効力を約５０％向上させることができる。即ち、本発明の方式であれば、大きな効率化、生産能力の向上が期待できる。
【００５８】
また、本レーザはんだ付け装置には、２つ（複数）のレーザヘッド１６及び１７が用意されており、レーザヘッド１６及び１７から照射される各レーザ光が、同じ出力値及び出力波形を有するように、且つ、その出力が一定の上昇勾配で設定値まで上昇するように、適切に制御される。このため、各接合箇所におけるはんだの溶融及び凝固を最適化させることができ、各接合箇所のはんだ表面張力にアンバランスが生じたり、はんだの突沸が生じたりすることを確実に防止することができる。即ち、本レーザはんだ付け装置であれば、レーザ装置５によるレーザ光の照射時に、搬送装置３によって表面実装部品２を押さえつけておかなくても、チップ立ちやチップ飛びの発生を確実に防止することができる。このため、搬送装置３を、表面実装部品２をプリント基板１に載せた直後から次の部品の搬送工程に移行させることができ、多数の表面実装部品２をプリント基板１に搭載する場合には、作業時間を大幅に短縮させることが可能となる。更に、本レーザはんだ付け装置であれば、はんだ片の飛散も防止できるため、高品質な製品を提供することが可能となる。
【００５９】
なお、本レーザはんだ付け装置は、予め登録されている部品データ等に基づいて、表面実装部品２毎にレーザ光の照射位置や照射範囲等が適切に調整されるため、サイズや耐熱特性等が異なる複数種類の表面実装部品２が混在する場合であっても、正確且つ迅速に、各表面実装部品２をプリント基板１に接合することができる。
【００６０】
したがって、本レーザはんだ付け装置は、多品種少量生産の製品や、搭載される表面実装部品２が製品毎に変化するカスタムメイド的な製品、短期間で開発や設計変更が行われる製品、搭載される表面実装部品２が少ない製品（例えば、補聴器等）の製造において、特に有効な手段となり得る。
【符号の説明】
【００６１】
１ プリント基板
２、２３ 表面実装部品（ＳＭＤ）
２ａ、２ｂ、２３ａ、２３ｂ 端子
３ 搬送装置
４ 基板制御装置
５ レーザ装置
６ テープフィーダー
７、８ 吸着ノズル
９、１４、２０ 駆動制御部
１０、１５ カメラ
１１ 載置台
１２ 設置台
１３、１８、１９ 移動ステージ
１６、１７ レーザヘッド
２１ 出力制御部
２２ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント基板上の所定の搭載位置に、第１端子及び第２端子を有する表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置であって、
前記プリント基板が設置される設置台を移動させ、前記プリント基板上の前記搭載位置を所定の基準位置に合わせて配置する基板制御装置と、
前記表面実装部品を所定の供給位置から前記基準位置まで搬送し、前記プリント基板上に前記表面実装部品を載せる搬送装置と、
レーザ光を出力する第１光出力部及び第２光出力部と、
前記第１光出力部及び前記第２光出力部を移動させ、前記第１光出力部及び前記第２光出力部から出力されるレーザ光の照射位置を、前記基準位置に配置された前記表面実装部品の前記第１端子及び前記第２端子の各接合箇所に合わせる駆動装置と、
前記第１光出力部及び前記第２光出力部からのレーザ光の出力を制御する出力制御部と、
を備え、
前記基板制御装置による前記プリント基板の移動制御、前記搬送装置による前記表面実装部品の搬送制御、前記駆動装置による前記第１光出力部及び前記第２光出力部の移動制御は、それぞれ他の２つの制御から独立し、且つ、同時に行うことができるように構成されたことを特徴とするレーザはんだ付け装置。
【請求項２】
前記出力制御部は、前記搬送装置によって前記表面実装部品が前記プリント基板上に載せられ、前記搬送装置から前記表面実装部品が離れた後に、前記第１光出力部及び前記第２光出力部からレーザ光を出力させ、
前記搬送装置は、前記表面実装部品を離した後、前記第１光出力部及び前記第２光出力部からレーザ光が出力されている間、次に接合する表面実装部品を搬送するために前記供給位置に向けて移動する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザはんだ付け装置。
【請求項３】
前記出力制御部は、はんだの突沸及び前記表面実装部品の実装不良を防止するため、前記第１光出力部及び前記第２光出力部から同時にレーザ光を出力し、この出力されるレーザ光の各出力値を所定の上昇勾配内で上昇させ、且つ、前記第１光出力部及び前記第２光出力部から出力されるレーザ光の出力が同じになるように制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザはんだ付け装置。
【請求項１】
プリント基板上の所定の搭載位置に、第１端子及び第２端子を有する表面実装部品を搭載するためのレーザはんだ付け装置であって、
前記プリント基板が設置される設置台を移動させ、前記プリント基板上の前記搭載位置を所定の基準位置に合わせて配置する基板制御装置と、
前記表面実装部品を所定の供給位置から前記基準位置まで搬送し、前記プリント基板上に前記表面実装部品を載せる搬送装置と、
レーザ光を出力する第１光出力部及び第２光出力部と、
前記第１光出力部及び前記第２光出力部を移動させ、前記第１光出力部及び前記第２光出力部から出力されるレーザ光の照射位置を、前記基準位置に配置された前記表面実装部品の前記第１端子及び前記第２端子の各接合箇所に合わせる駆動装置と、
前記第１光出力部及び前記第２光出力部からのレーザ光の出力を制御する出力制御部と、
を備え、
前記基板制御装置による前記プリント基板の移動制御、前記搬送装置による前記表面実装部品の搬送制御、前記駆動装置による前記第１光出力部及び前記第２光出力部の移動制御は、それぞれ他の２つの制御から独立し、且つ、同時に行うことができるように構成されたことを特徴とするレーザはんだ付け装置。
【請求項２】
前記出力制御部は、前記搬送装置によって前記表面実装部品が前記プリント基板上に載せられ、前記搬送装置から前記表面実装部品が離れた後に、前記第１光出力部及び前記第２光出力部からレーザ光を出力させ、
前記搬送装置は、前記表面実装部品を離した後、前記第１光出力部及び前記第２光出力部からレーザ光が出力されている間、次に接合する表面実装部品を搬送するために前記供給位置に向けて移動する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザはんだ付け装置。
【請求項３】
前記出力制御部は、はんだの突沸及び前記表面実装部品の実装不良を防止するため、前記第１光出力部及び前記第２光出力部から同時にレーザ光を出力し、この出力されるレーザ光の各出力値を所定の上昇勾配内で上昇させ、且つ、前記第１光出力部及び前記第２光出力部から出力されるレーザ光の出力が同じになるように制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザはんだ付け装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１５４７７（Ｐ２０１２−１５４７７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５２７８８（Ｐ２０１０−２５２７８８）
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９〜２１年度、経済産業省東北経済産業局（戦略的基盤技術高度化支援事業）「超小型部品の鉛フリー実装技術における細密溶接技術の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５９３０９７２３６）東成エレクトロビーム株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９〜２１年度、経済産業省東北経済産業局（戦略的基盤技術高度化支援事業）「超小型部品の鉛フリー実装技術における細密溶接技術の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５９３０９７２３６）東成エレクトロビーム株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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