(57)【要約】      （修正有）【課題】基板の亀裂を回避しつつも、効率よく半田材を加熱することができる半田付け方法を提供する。【解決手段】電極が形成された基板にレーザー光を投射することで、電極に供給された半田材を溶融させ、半田付けを行う半田付け方法において、基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定めるステップＳ１３、第１方向と直交する第２方向を、レーザー光の走査方向として定めて、レーザー投射位置の走査を行わせるステップＳ１４を含む。【選択図】図４
2019161153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が形成された基板にレーザー光を投射することで、電極に供給された半田材を溶融させ、半田付けを行う半田付け方法であって、
基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定めるステップと、
前記第１方向と直交する第２方向を、レーザー光の走査方向として定めて、レーザー投射位置の走査を行わせるステップと
を含むことを特徴とする半田付け方法。
【請求項２】
前記第２方向の走査長は、前記電極の幅に相当する長さである
ことを特徴とする請求項１記載の半田付け方法。
【請求項３】
前記レーザー投射位置の走査は、ポリゴンミラーを回転することでなされ、
前記ポリゴンミラーの偏光角は、レーザー投射部の焦点距離と、前記電極の幅とに基づき設定される
ことを特徴とする請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項４】
前記レーザー投射位置の走査は、マイクロミラーを駆動することでなされ、
前記マイクロミラーの偏光角は、レーザー投射部の焦点距離と、前記電極の幅とに基づき設定される
ことを特徴とする請求項２に記載の半田付け方法。
【請求項５】
電極が形成された基板にレーザー光を投射することで、電極に供給された半田材を溶融させ、半田付けを行う半田付け方法であって、
基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定めるステップと、
前記レーザー投射位置として定められた離間位置に、スポットの形状が楕円形状となるレーザー光を投射するステップとを含み、
前記楕円形状は、第１方向と直交する第２方向に向けて長軸が延伸する
ことを特徴とする半田付け方法。
【請求項６】
前記楕円形状の長軸の長さは、前記電極の幅に相当する長さである
ことを特徴とする請求項５記載の半田付け方法。
【請求項７】
前記レーザー投射位置に投射されるレーザー光は、活性層と、クラッド層とで構成される半導体レーザー素子により発せられ、
前記活性層及びクラッド層における混晶率、前記活性層の厚み、クラッド層の屈折率は、前記楕円形状の長軸の長さが、電極の幅に相当する長さになるように設定されている
ことを特徴とする請求項６記載の半田付け方法。
【請求項８】
前記レーザー投射位置に投射されるレーザー光は、スポット径の長さが、前記電極の幅と等しいレーザー光を発振する半導体レーザー素子と、シリンドリカルレンズとにより生成され、
前記楕円形状は、半導体レーザー素子のスポットのうち、短軸方向の径をシリンドリカルレンズで縮小することで得られる
ことを特徴とする請求項６記載の半田付け方法。
【請求項９】
電極が形成された基板にレーザー光を投射することで、電極に供給された半田材を溶融させ、半田付けを行う半田付け装置であって、
基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定める位置決め部と、
前記第１方向と直交する第２方向を、レーザー光の走査方向として定めて、レーザー投射位置の走査を行わせる走査部と
を含むことを特徴とする半田付け装置。
【請求項１０】
電極が形成された基板にレーザー光を投射することで、電極に供給された半田材を溶融させ、半田付けを行う半田付け装置であって、
基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定める位置決め部と、
前記レーザー投射位置として定められた離間位置に、スポットの形状が楕円形状となるレーザー光を投射する投射部とを含み、
前記楕円形状は、第１方向と直交する第２方向に向けて長軸が延伸する
ことを特徴とする半田付け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光の投射により、電子部品の端子を、基板上の電極に半田付けする半田付け方法に関し、特に、半田材を溶融するためのレーザー光の投射技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
半田材の溶融にレーザー光を用いるレーザー式の半田付け装置は、半田ごてのこて先の摩耗を危惧する必要がない等の点でメンテナンス性に優れ、今日、多くの電子製品の製造現場に導入されている。
【０００３】
特許文献１は、多関節腕型ロボットとして構成され、アーム部の先端に取り付けられた半田付けヘッド内のレーザー機構により、レーザー光を基板に投射する半田付け装置を開示する。半田付けヘッドにはカメラが設けられていて、当該カメラは、レーザー光の投射口から入射されてくる可視光を受光して、基板の撮影画像をモニタ画面に表示させる。操作者は、モニタ画面上で、レーザー光の投射スポットと、半田付け対象との位置関係を観察しながら、アーム部を駆動するための操作を行うことで、半田付けヘッドの位置決めを行った上、レーザー光を半田付け対象に投射させる。
【０００４】
その他の従来技術として、特許文献２、３に記載されたものがある。特許文献２は、一対の偏光ミラーをサーボモーターで駆動して、電子部品の複数の端子が配置された状態の複数電極のそれぞれにレーザー光を投射するレーザー投射装置を開示する。特許文献３は、レーザー投射部の光軸を中心にして、集光部材を回転させることで、レーザー光のレーザースポットを、リング状に移動させるレーザー式加工装置を開示する。これらの特許文献２、３は何れも、基板の電極にレーザー光を投射する技術である。その他、電極の形成位置を避けて、基板面に直接レーザー光を投射して、電極に供給されたはんだ材を加熱する技術も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2002−1521号公報
【特許文献２】特開2015−133404号公報
【特許文献３】特開2011−143420号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電極の形成位置を避けて、基板面に直接レーザー光を投射する場合、セラミック基板のうち、そのレーザー光の投射を受けている部分に、亀裂が生じるという問題がある。図１２（ａ）に示すように、基板４０１の電極４０２に電子部品４０３の端子４０４を重ね合わせ、電極４０２と、端子４０４とに半田材を供給して半田付けを行う場合を考える。基板４０１のうち、電極４０２の形成箇所を避けてレーザー光を投射する場合、つまり、基板面４０１ｐ上に直接、レーザースポット４０５を投射した場合、投射を受けている基板部分のエネルギー密度が局所的に高くなって、レーザー光の投射を受けている部分と、受けていない部分との温度差が急激となる。セラミック基板では、電極と、基板との境界部分に、温度差による熱応力が集中するので、当該境界部分において、図１２（ｂ）に示すような亀裂４０６、４０７を生じさせることがある。
【０００７】
その一方、電極４０２にレーザースポットを投射する場合、図１２（ｃ）に示すように、半田供給ノズル４１０からの半田材４１０ｍが、半田付けヘッドが発するレーザー光の光路を遮ってしまう。この場合、半田付けヘッドからの直接光と、半田材の反射による反射光とが干渉することで、レーザー光のエネルギー効率が低下し、半田材が効率よく溶融しないという問題が生じる。
【０００８】
本発明の目的は、基板の亀裂を回避しつつも、効率よく半田材を加熱することができる半田付け方法、及び、半田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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る半田付け方法は、電極が形成された基板にレーザー光を投射することで、電極に供給された半田材を溶融させ、半田付けを行うものであり、基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定めるステップと、前記第１方向と直交する第２方向を、レーザー光の走査方向として定めて、レーザー投射位置の走査を行わせるステップとを含むことを特徴としている。
【００１０】
ここで、第２方向の走査長は、前記電極の幅に相当する長さすることが望ましい。
【００１１】
前記レーザー投射位置の走査は、ポリゴンミラーを回転することでなされ、
前記ポリゴンミラーの偏光角は、レーザー投射部の焦点距離と、前記電極の幅とに基づき設定することが望ましい。
【００１２】
前記レーザー投射位置の走査は、マイクロミラーを駆動することでなされ、前記マイクロミラーの偏光角は、レーザー投射部の焦点距離と、前記電極の幅とに基づき設定されることが望ましい。
【００１３】
上記課題は、レーザー光の走査を必須としない半田付け方法によっても解決することができる。具体的にいうと、基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定めるステップと、前記レーザー投射位置として定められた離間位置に、スポットの形状が楕円形状となるレーザー光を投射するステップとを含み、前記楕円形状は、第１方向と直交する第２方向に向けて長軸が延伸することを特徴としている。
【００１４】
前記楕円形状の長軸の長さは、前記電極の幅に相当する長さとすることが望ましい。
【００１５】
前記レーザー投射位置に投射されるレーザー光は、活性層と、クラッド層とで構成される半導体レーザー素子により発せられ、前記活性層及びクラッド層における混晶率、前記活性層の厚み、クラッド層の屈折率は、前記楕円形状の長軸の長さが、電極の幅に相当する長さになるように設定されることが望ましい。
【００１６】
前記レーザー投射位置に投射されるレーザー光は、スポット径の長さが、前記電極の幅と等しいレーザー光を発振する半導体レーザー素子と、シリンドリカルレンズとにより生成され、前記楕円形状は、半導体レーザー素子のスポットのうち、短軸方向の径をシリンドリカルレンズで縮小することで得てもよい。
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明に係る半田付け装置は、電極が形成された基板にレーザー光を投射することで、電極に供給された半田材を溶融させ、半田付けを行うものであり、基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定める位置決め部と、前記第１方向と直交する第２方向を、レーザー光の走査方向として定めて、レーザー投射位置の走査を行わせる走査部とを含むことを特徴としている。
【００１８】
また上記課題は、レーザー光の走査を必須としない半田付け装置によっても解決することができる。具体的にいうと、基板平面の電極位置から第１方向に離間した位置を、基板におけるレーザー投射位置として定める位置決め部と、前記レーザー投射位置として定められた離間位置に、スポットの形状が楕円形状となるレーザー光を投射する投射部とを含み、前記楕円形状は、第１方向と直交する第２方向に向けて長軸が延伸することを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、電極から離間した位置を、レーザー投射位置として定めるので、投射されたレーザー光が、電極に供給される半田材と干渉することはない。
【００２０】
また、電極から離間した位置において、レーザー投射位置の走査を行うので、エネルギー密度の一点集中を回避することができる。レーザー光の投射を受ける部分と、受けていない部分との温度差が小さくなるので、基板の亀裂発生を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】基板３０１の電子部品の実装面を示す。
【図２】実施形態１に係る多関節腕型ロボット１０００の構成を示す。
【図３】半田付けヘッド１０３の構成を示す。
【図４】実施形態１に係る半田付け方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）は、基板３０１のうち、角形電極３０２が配置される部分の平面図であり、図５（ｂ）は、基板３０１の断面図、図５（ｃ）は、レーザースポットと、角形電極３０２との位置関係を示す。図５（ｄ）は、半田付け作業の結果を示す。
【図６】図６（ａ）は、基板３０１のうち、円形電極３０５が配置される部分の平面図であり、図６（ｂ）は、基板３０１の断面図、図６（ｃ）は、レーザースポット３０９と、円形電極３０５との位置関係を示す。図６（ｄ）は、半田付け作業の結果を示す。
【図７】実施形態２に係る半田付けヘッド１１３の構成を示す。
【図８】マイクロミラー９の斜視図である。
【図９】図９（ａ）は、実施形態３に係る半田付けヘッド１２３の内部構成を示す。図９（ｂ）は、半導体レーザー素子２１の構成を示す。
【図１０】図１０（ａ）は、楕円形状のファーフィールドパターン３１０と、角形電極３０２との位置関係を示す。図１０（ｂ）は、楕円形状のファーフィールドパターン３１０と、円形電極３０５との位置関係を示す。図１０（ｃ）は、半導体レーザー素子２１を用いて半田付けがなされた角形電極３０２を示す。図１０（ｄ）は、半導体レーザー素子２１を用いて半田付けがなされた円形電極３０５を示す。
【図１１】実施形態４に係る半田付けヘッド１３３の構成を示す。
【図１２】図１２（ａ）は、半田付け作業の対象となる基板４０１の上面図、図１２（ｂ）は、基板４０１の上面図であり、特に、レーザー光の投射で基板３０１に生じ得る亀裂４０６、４０７を示す。図１２（ｃ）は、基板４０１の上面図であり、半田供給ノズル４１０からの半田材４１０ｍが、半田付けヘッドが発するレーザー光の光路を遮った状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施形態１）
実施形態１に係る半田付け方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。はじめに、実施形態１の半田付け方法の作業対象となる基板について説明する。
【００２３】
１．１  作業対象となる基板
図１は、基板３０１のうち、電子部品が実装される面（当該実装面を表面とする）を示す。基板の表面には、電子部品２０１、２０２、２０３、３０３が配置されている。また、基板３０１には、角形電極３０２、円形電極３０５を含む、複数の電極が形成される。角形電極３０２には、電子部品の端子３０４が載置される。円形電極３０５は、その中央に貫通孔３０５ｈが形成され、リード線３０８が挿入される。これらの角形電極３０２、円形電極３０５が、半田付けの対象となる。尚、説明の簡略化のため、これら半田付の対象となる角形電極３０２の幅と、円形電極３０５の径とは同じ長さであるものとする（以下、同一長Ｗと呼ぶ。）。
【００２４】
１．２  本発明の半田付け方法の実施に使用される装置
実施形態１では、本発明に係る半田付け方法の実施に、図２に示すような多関節腕型ロボット１０００を用いる。多関節腕型ロボット１０００は、半田ごての代わりにレーザー光源を用いて半田付け作業を行う人間の腕の動きを再現する。こうした半田付け作業の再現のため、多関節腕型ロボット１０００の動作モードには、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの駆動パラメータを作成するティーチングモードと、作成された駆動パラメータを用いて、自動的に多関節アーム部１０２を動作させるオートモードとが設けられている。ティーチングモードで作成される一連の駆動パラメータは、ティーチングデータと呼ばれ、多関節アーム部１０２の先端に取り付けられた半田付けヘッド１０３を、基板３０１上の所望の目的位置に移動させ、所望の姿勢にするよう、各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの制御量が規定される。実施形態１に特有の処理として、多関節腕型ロボット１０００は、基板３０１の角形電極３０２や円形電極３０５から所定の間隔だけ離間した位置に半田付けヘッド１０３を移動させ、その離間方向と直交する方向で、レーザー光の走査を行わせる内容の駆動パラメータを作成する。この離間方向と直交する方向を「１次方向」と呼び、レーザー光の走査は、この１次方向で実行するものとする。
【００２５】
以上の過程を経て、半田付け作業を行うべく、実施形態１に係る多関節腕型ロボット１０００（以下、半田付け装置１０００と呼ぶ）は、載置台１０１、多関節アーム部１０２（関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを含む）、ボタン１０２ｂ、モニタ１０２ｍ、レバー１０２ｒ、半田付けヘッド１０３、半田材ノズル１０４、ティーチングデータ記憶部１０５及び制御部１０６を備える。
【００２６】
（１）載置台１０１
載置台１０１は、電子部品３０３が載置された状態の基板３０１が載置される。
【００２７】
（２）多関節アーム部１０２
多関節アーム部１０２は、５軸の自由度を持った多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを有する多関節可動体であり、その先端に、半田付けヘッド１０３と、半田材ノズル１０４とが取り付けられている。
【００２８】
多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅのうち、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄは、基板３０１における任意の基板位置の上方に、半田付けヘッド１０３を移動させる役割をもつ。一方、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ｅは、多関節アーム部１０２の軸周りに、半田付けヘッド１０３を回転させ、半田付けヘッド１０３の姿勢を定める役割をもつ。ティーチングモードの過程で作成された駆動パラメータに基づき、上記関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを駆動することで、基板３０１上の所望の位置に、所望の姿勢で、半田付けヘッド１０３を対向させる。
【００２９】
（３）半田付けヘッド１０３
半田付けヘッド１０３は、投射口１０３ｈが載置台１０１に載置される基板３０１と対向するよう、多関節アーム部１０２の先端に取り付けられる。半田付けヘッド１０３は、図３の内部構成図に示すように、半導体レーザー素子１が発したレーザー光を、ポリゴンミラー２が反射して、ｆθレンズ４に供する構成になっている。ｆθレンズ４に供給されたレーザー光ｒ１は、平行光Ｐ１に変換されて、半田付けヘッド１０３下端の投射口１０３ｈを通じて、載置台１０１上の基板面３０１ｐに出射される。ポリゴンミラー２は、ポリゴンミラー駆動モーター３から回転駆動力を受けて回転する。この回転駆動により、投射口１０３ｈから出射されるレーザー光による走査が可能になる。
【００３０】
ポリゴンミラー２の偏光角、偏光点数は、半田付けの対象となる電極を過不足なく加熱できるよう、その値が設定されている。ここでポリゴンミラー２の偏光角をφ、ｆθレンズ４の焦点距離をｆとした場合、ポリゴンミラー２による走査長は、ｆ・φとなる。１次方向における電極の幅をＷとした場合、ポリゴンミラーの偏光角φ及びレーザー光のスポット径Ｓは、以下の式１の関係を満たすように調整される。
【００３１】
式１
ｆ・φ＜  Ｗ  ≦ｆ・φ＋Ｓ
【００３２】
また、ポリゴンミラーの偏光点数Ｎは、以下の式２を満たす。
【００３３】
式２
Ｎ＝ｆ・φ／Ｓ
【００３４】
つまり、角形電極３０２の端縁の幅Ｗが、ポリゴンミラーによる走査距離ｆ・φと、レーザー光のスポット径Ｓとの和以下になり、ポリゴンミラーによる走査距離ｆ・φを上回るように、ポリゴンミラーは偏光点数Ｎが設定されている。基板における電極の幅が異なる場合、それぞれの幅が、式１、式２を満たすよう、レーザースポットの径、偏光角を調整する必要がある。
【００３５】
半田付けヘッド１０３における角度センサー１０は、ポリゴンミラー２の回転軸の方向を基準軸とした半田付けヘッド１０３の回転角を出力する。制御部１０６は、角度センサー１０の検出値に基づき、ポリゴンミラー２の回転軸が、上記離間方向になるように、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ｅの回転を行わせ、半田付けヘッド１０３の姿勢を制御することで、ポリゴンミラー２による走査方向を、上記１次方向に一致させる。
【００３６】
（４）半田材ノズル１０４
半田材ノズル１０４は、半田送りチューブ１０４ｔと接続され、半田付けヘッド１０３が、ティーチングモードで設定されたレーザー投射位置に到達した際、半田送りチューブを通じて送り込まれた線状の半田材１０４ｍの一部を先端から突出させる。半田付けヘッド１０３からのレーザー光の投射により、半田材１０４ｍの一部が溶融すると、その溶融による不足を補う長さの半田材１０４ｍを突出させる。
【００３７】
（５）ティーチングデータ記憶部１０５
ティーチングデータ記憶部１０５は、ティーチングモードの過程で、一個の基板３０１の各電極について生成されたティーチングデータ１０５ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ・・・を記憶する。ティーチングデータ１０５ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ・・・・のそれぞれは、レーザー投射位置と、レーザー走査方向と、駆動パラメータとで構成される。ティーチングデータにおける駆動パラメータは、基板３０１の角形電極３０２や円形電極３０５から所定の間隔だけ離間した位置に半田付けヘッド１０３を移動させる内容のものである。
【００３８】
（６）制御部１０６
制御部１０６は、ＣＰＵ１０６ｃ、ＲＯＭ１０６ｒ、ＲＡＭ１０６ｍからなるマイクロコンピュータシステムであり、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの駆動や、半田付けヘッド１０３からのレーザー光の投射、半田材ノズル１０４からの半田材の突出等、実施形態１に係る半田付け方法を実施するための全般的な制御を行う。
【００３９】
実施形態１に係る半田付け方法は、プログラムコードの形態で、制御部１０６のマイクロコンピュータシステムにおけるＲＯＭ１０６ｒに記録されている。このプログラムコードの形態の半田付け方法の手順を表したのが、図４のフローチャートである。以下、図４のフローチャートを参照しながら、実施形態１に係る半田付け方法の処理手順について説明する。本フローチャートにおける「i」は、半田付けの対象となる基板上の電極のそれぞれを示す変数である。また、フローチャートにおける「ｎ」は、対象となる基板に存在する電極の総数を示す。
【００４０】
本フローチャートのステップＳ1、ステップＳ２からなるループは、半田付け装置１０００の動作モードが、ティーチングモードに設定されたか、オートモードに設定されたかの判定である。ティーチングモードに設定された場合（ステップＳ１でＹｅｓ）、ステップＳ１１で変数iを初期化してから、ステップＳ１２において、基板の撮影画像から、ｉ番目の半田付け対象となる電極の位置を特定する。半田付け装置１０００は、半田付けヘッド１０３の上端１０３ｕに取り付けられた撮像素子１１０を用いて、基板３０１の表面の撮影を行い、基板面３０１ｐの画像をモニタ１０２ｍに表示させつつ、半田付けの対象となる電極を特定する操作を操作者に行わせる。このステップＳ１２により、図５（ａ）における角形電極の中心座標（Ｘｐ、Ｙｐ）、図６（ａ）における円形電極の中心座標（Ｘｃ、Ｙｃ）が取得される。
【００４１】
ステップＳ１３では、レーザー投射位置の設定を行う。当該設定は、基板３０１の角形電極３０２や円形電極３０５の中心座標から所定の間隔だけ離間した位置をレーザー投射位置として定め、係るレーザー投射位置の上方に、半田付けヘッド１０３を移動させる内容の駆動パラメータを作成することでなされる。ステップＳ１３において制御部１０６は、図１の角形電極３０２や円形電極３０５の中心座標から、ＸＹ座標系の一方向に、所定の間隔（以下、間隔Ｃという）だけ離間した位置をレーザースポット投射位置として設定する。
【００４２】
離間方向は、電子部品３０３や引出線３０７が存在する方向とは反対の方向に定める。ここで図５（ｂ）に示すように、角形電極３０２のＸ軸正方向に電子部品３０３が存在する場合、その反対方向（Ｘ軸負方向）を、離間方向３０２ｄとする。
【００４３】
離間にあたっては、基板平面における電極の中心座標と、レーザースポットの中心座標との間に間隔（以下、間隔Ｃという）を確保する。角形電極３０２については、図５（ｂ）の角形電極の中心座標（Ｘｐ、Ｙｐ）から角形電極３０２の端縁３０２ｅまでの長さと、レーザースポットの半径（半径ｒとする）との和を上回る長さを間隔Ｃとして用いる。こうした間隔Ｃを用いることで、角形電極３０２の中心座標（Ｘｐ、Ｙｐ）から離間方向３０２ｄ（Ｘ軸負方向）に向けて間隔Ｃだけ離間した位置（Ｘｐ―Ｃ、Ｙｐ）を、レーザー投射位置３０２Ｐとして設定する。
【００４４】
また、図６（ａ）に示すように、円形電極３０５のＹ軸正方向に引出線３０７が存在する場合、図６（ｂ）に示すように、引出線３０７が存在する方向の反対方向（Ｙ軸負方向）を、離間方向３０５ｄとする。円形電極３０５については、円形電極３０５の半径Ｗ／２と、レーザースポットの半径ｒとの和を上回る長さを間隔Ｃとして設定する。
【００４５】
こうした間隔Ｃを用いて、図６（ｂ）に示すように、電極の中心座標（Ｘｃ、Ｙｃ）から離間方向（Ｙ軸負方向）に向けて間隔Ｃだけ離間した位置（Ｘｃ、Ｙｃ―Ｃ）を、レーザー投射位置３０５ｐとして設定する。
【００４６】
レーザー投射位置をこのように設定することで、レーザー光の投射による温度差の発生場所は、角形電極３０２、円形電極３０５から離間する。これにより、基板３０１にレーザー光を投射することによる角形電極３０２、円形電極３０５と、基板との境界における熱応力の集中を回避することができる。
【００４７】
ステップＳ１４では、走査方向の設定を行う。当該設定は、上記の離間方向と直交する方向を１次方向として定め、ポリゴンミラー２の走査方向が、当該１次方向と同じになるよう、半田付けヘッド１０３の姿勢を制御する駆動パラメータを作成することでなされる。こうしてレーザー投射位置、走査方向が設定されれば、ステップＳ１５では、以上の過程を経て生成された駆動パラメータを、レーザー投射位置、レーザー走査方向と対応付けて、ティーチングデータとしてティーチングデータ記憶部１０５に記憶させる。
【００４８】
ステップＳ１６は、ステップＳ１２からＳ１５までの処理を継続するかどうかの継続要件の判定である。ここでの継続要件は、変数ｉが基板における電極数ｎを下回ることである。当該継続要件が真であれば（ステップＳ１６でＹｅｓ）、ステップＳ１７で、変数ｉをインクリメントして、ステップＳ１２に戻る。基板３０１において、半田付け作業の対象として設定されている全ての電極について、上記レーザー投射位置、レーザー走査方向が設定されるまで、ステップＳ１２〜ステップＳ１６の処理を繰り返す。
【００４９】
基板３０１に設けられた全ての電極について、レーザー投射位置、レーザー走査方向が設定されれば変数ｉがｎになり、継続要件が偽であると判定されるので（ステップＳ１６でＮｏ）、ステップＳ１、Ｓ２のループに戻る。
【００５０】
ステップＳ１、ステップＳ２のループにおいて、操作者がオートモードを選択したとする。この場合、ステップＳ２１に移行する。
【００５１】
ステップＳ２１では、レーザー投射位置の上方に、半田付けヘッド１０３が到達するよう、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを駆動する。具体的にいうと、電極のレーザー投射位置から、ｆθレンズ４の焦点ｆに相当する高さ位置に半田付けヘッド１０３が到達するよう、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを駆動する。角形電極３０２については、半田付けヘッド１０３における投射口１０３ｈが、３次元座標（Ｘｐ―Ｃ、Ｙｐ、ｆ）になるよう、円形電極３０５についても、半田付けヘッド１０３における投射口１０３ｈが、３次元座標（Ｘｃ、Ｙｃ―Ｃ、ｆ）になるよう、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを駆動する。続くステップＳ２２において、半田材ノズル１０４の先端から半田材１４ｍを突出させ、ステップＳ２３において、ポリゴンミラー２の回転を開始させる。
【００５２】
ステップＳ２４で半田付けヘッド１０３において半導体レーザー素子１の励起を開始させ、レーザー光の投射を開始させる。ポリゴンミラー２の回転を開始したことで、レーザースポット３０９は、図５（ｃ）に示すように、Ｙ軸方向においてｆ・φの範囲で往復動作３０９ｕ、３０９ｄを行う。角形電極３０２の幅Ｗは、走査長ｆ・φを上回り、ｆ・φ＋Ｓ以下の値であるから、角形電極３０２の端縁３０２ｅが一様に加熱され、半田材ノズル１０４から角形電極３０２に向けて供給される半田材１０４ｍを溶融させる。
【００５３】
円形電極３０５の径Ｗも、走査長ｆ・φを上回り、ｆ・φ＋Ｓ以下の値であるから、レーザースポット３０９は、図６（ｃ）に示すように、Ｙ軸方向においてｆ・φの範囲で往復動作３０９ｌ、３０９ｒを行う。係る往復動作により、円形電極３０５の周縁が一様に加熱され、半田材ノズル１０４から円形電極３０５に向けて供給される半田材１０４ｍを溶融させる。
【００５４】
ステップＳ２５において、半田材１０４ｍの溶融時間が経過するのを待つ。ここでの溶融時間は、半田材ノズル１０４からの半田材１０４ｍの突出部分を溶融するのに足りる時間である。こうした加熱により半田材１０４ｍを流動化させ、端子３０４と、角形電極３０２の端縁３０２ｅとの隙間に入り込むようにする。係る溶融時間が経過すれば、ステップＳ２６において、半導体レーザー素子１の励起を停止させる。相応の時間が経過して、溶融した半田材が冷却することで、半田材は、端子３０４と、角形電極３０２の端縁３０２ｅとの隙間に入り込んだ状態で固形化する。こうした固形化で、角形電極３０２上の端子３０４の周辺は、図５（ｄ）に示すように、固形化した半田材１０４ｍで覆われる。同様に、図６（ａ）に示す円形電極３０５の中心における貫通孔３０５ｈも、図６（ｄ）に示すように、固形化した半田材１０４ｍで覆われる。以上の処理を全ての電極について実行して、本フローチャートの処理を終了する。
【００５５】
１．３  まとめ
以上のように、実施形態１に係る半田付け方法では、基板３０１の角形電極３０２、円形電極３０５から、間隔Ｃだけ離間した位置を、レーザー投射位置として定めるので、投射されたレーザーが、半田材ノズル１０４から供給される半田材１０４ｍと干渉することはない。
【００５６】
また、基板３０１において角形電極３０２、円形電極３０５から離間した位置において、半田付けヘッド１０３は１次方向においてレーザー投射位置の走査を行うので、エネルギー密度の一点集中を回避することができる。レーザー光の投射を受ける部分と、受けていない部分との温度差が小さくなるので、基板３０１の亀裂発生を回避することができる。
【００５７】
ここで、当業者が一般に思いつき得るセラミック基板の亀裂発生の回避策として、電極の昇温速度を低下させるというものがある。この回避策と比較した場合、実施形態１には以下の効果がある。即ち、電極の昇温速度を低下させると、半田材の溶融までのレーザー光の投射時間が長くなる。そうした溶融時間の長期化は、一個の電極に対する半田材の供給から、半田材溶融、冷却による硬化という一連の作業のスループット低下を招く。これに対し、実施形態１では、レーザースポットの走査により、基板上の１箇所へのエネルギー密度の集中を回避するので、レーザー光による昇温速度を低下させる必要はなくなる。速度低下が不要となる分、上記スループットの向上が可能になる。
【００５８】
（実施形態２）
２．１  概要
実施形態１では、ポリゴンミラー２の回転により、レーザースポットの走査を実現している。これに対し実施形態２では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を半田付けヘッドに設けて、係るＭＥＭＳ５により、レーザースポットの走査を実現する。
【００５９】
２．２  実施形態２に係る半田付けヘッド１１３の構成
図７は、実施形態２に係る半田付けヘッド１１３の構成を示す。本図に示すように、実施形態２の半田付けヘッド１１３では、ポリゴンミラー２に代えて、ＭＥＭＳ５が設けられている。
【００６０】
ＭＥＭＳ５は、永久磁石のＮ極７、Ｓ極８、電磁誘導式のマイクロミラー９と、図外の通電回路とで構成される。マイクロミラー９が、半導体レーザー素子１からのレーザー光を反射して、基板と対向する半田付けヘッド１１３の投射口１１３ｈに向かわせる。
【００６１】
図８は、マイクロミラー９の斜視図である。マイクロミラー９は、トーションバー１２、１３により枠体１４により支持されており、マイクロミラー９の周縁には、コイル１１が形成されている。マイクロミラー９の周縁に形成されたコイル１１が通電されると、コイル１１に生じるローレンツ力によりマイクロミラー９のねじり運動９ｓ、９ｔを行わせる。コイル１１に通電される電流の向き及び大きさを周期的に変化させることで、制御部１０６の制御により、マイクロミラー９の周縁に形成されたコイル１１に作用するローレンツ力の向きを変化させ、ポリゴンミラー２と同様のレーザー光の走査を行わせる。ＭＥＭＳ５の偏光角φは、実施形態１と同様、偏光角φと、ｆθレンズ４の焦点距離ｆとの積ｆ・φが、式１、式２を満たすように定められる。実施形態２では、ＭＥＭＳ５のマイクロミラー９による走査が可能になる方向（走査方向）が、上記１次方向になるよう、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ｅを駆動することで、半田付けヘッド１１３の姿勢を制御する。
【００６２】
以下、実施形態２に係る半田付け方法について説明する。実施形態２では、図４のステップＳ２２で半田材を半田材ノズル１０４から突出させた後、ステップＳ２３においてポリゴンミラー２の回転を開始する代わりに、マイクロミラー９にねじり運動９ｓ、９ｔを行わせ、ステップＳ２４において、半導体レーザー素子１を励起させて、半田付けヘッド１１３からのレーザー光の投射を開始させる。またステップＳ２５において、半田材溶融期間が経過して半田付けヘッド１１３によるレーザー光の投射が停止すれば、ステップＳ２６においてマイクロミラー９のねじり運動９ｓ、９ｔを停止させる。
【００６３】
２．３  まとめ
ＭＥＭＳ５における偏光角は、マイクロミラー９のコイル１１に通電する通電量によって変化するから、半田付け作業の対象となる基板の、電極幅に応じて偏光角を変更するという調整が可能になる。基板に形成された電極の幅がそれぞれ異なる場合でも、それらの電極幅に応じた、適切な走査長で、レーザースポットを投射することができるので、電極幅が異なる、様々な基板を作業対象とすることができ、半田付け作業の適応範囲を拡大することができる。
【００６４】
（実施形態３）
３．１  概要
実施形態１、２では、ポリゴンミラー２、ＭＥＭＳ５に、レーザースポットの走査を行わせている。これに対し実施形態３では、ファーフィールドパターンの大きさが調整された半導体レーザー素子を光源として用いる。
【００６５】
３．２  構成
図９（ａ）は、実施形態３に係る半田付けヘッド１２３の内部構成を示す。図９（ａ）に示すように、実施形態３では、半導体レーザー素子２１の発振で得られたレーザー光を直接、半田付けヘッド１２３の投射口１２３ｈを通じて、基板３０１に投射するようにしている。
【００６６】
図９（ｂ）は、半導体レーザー素子２１の構成を示す。本図に示すように、半導体レーザー素子２１は、厚さ「ｄ」の活性層２２を、Ｎ型クラッド層２３と、Ｐ型クラッド層２４とで挟み込む構造になっている。活性層２２は、混晶率１−ｙのガリウム（Ｇａ）、混晶率ｙのアルミニュウム（Ａｌ）、砒素（Ａｓ）から組成される（Ｇａ１−ｙＡｌｙＡｓとあらわす）。Ｎ型クラッド層２３、Ｐ型クラッド層２４は、混晶率１−ｘのガリウム（Ｇａ）、混晶率ｘ（ｘ＞ｙ）のアルミニュウム（Ａｌ）、砒素（Ａｓ）から組成される（Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓとあらわす）。
【００６７】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、半導体レーザー素子２１のファーフィールドパターン３１０は楕円形状をなし、楕円形状の長軸は、活性層２２に対して垂直になり、短軸は活性層２２と平行になる。ファーフィールドパターンの長軸の長さは、活性層の厚みｄ、活性層におけるガリウム（Ｇａ）、アルミニュウム（Ａｌ）の混晶率ｘ、クラッド層におけるガリウム（Ｇａ）、アルミニュウム（Ａｌ）の混晶率ｙ、クラッド層の屈折率ｎに応じた値（図１０（ａ）のＶ（ｘ、ｙ、ｄ、ｎ）を参照）になる。
【００６８】
このファーフィールドパターンの楕円形状の長軸の長さＶ（ｘ、ｙ、ｄ、ｎ）は、角形電極３０２、円形電極３０５の幅Ｗに等しくなるよう、活性層の厚みｄ、活性層におけるガリウム（Ｇａ）、アルミニュウム（Ａｌ）の混晶率ｘ、クラッド層におけるガリウム（Ｇａ）、アルミニュウム（Ａｌ）の混晶率ｙ、クラッド層の屈折率ｎが調整されている。尚、活性層２２については、アルニミュウムを含まず、ガリウム、砒素のみで構成されることがある。このようなタイプの活性層２２については、アルミニュウムの混晶率は０となり、ファーフィールドパターンの楕円形状の長軸の長さを、活性層２２の厚さ、Ｎ型クラッド層２３、Ｐ型クラッド層２４の混晶率、Ｎ型クラッド層２３、Ｐ型クラッド層２４の屈折率で調整するものとする。
【００６９】
実施形態３では、半導体レーザー素子２１のファーフィールドパターンの延伸方向が、上記１次方向になるよう、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ｅの駆動による半田付けヘッド１０３の姿勢を制御する。
【００７０】
以下、実施形態３に係る半田付け方法について説明する。実施形態３では、図４のステップＳ２２で半田材１０４ｍを半田材ノズル１０４から突出させた後、ポリゴンミラー２の回転等を行わず、ステップＳ２４においてレーザー光の投射を開始する。またステップＳ２５において、半田材溶融期間が経過して半田付けヘッド１２３によるレーザー光の投射が停止すれば、半田材の冷却を待つ。冷却が完了すれば、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように半田付け作業が完了する。
【００７１】
３．３  まとめ
実施形態３に係る半田付け装置１０００では、ポリゴンミラー２や、ポリゴンミラー駆動モーター３が不要になるから、半田付けヘッド１２３の部品点数を大きく削減することができ、半田付け装置１０００の運用コストの低廉化が可能になる。また、半田付けヘッド１２３の構成が、半導体レーザー素子２１のみになるので、半田付けヘッド１２３の軽量化、小型化が可能になる。半田付けヘッド１２３の位置決め動作の高速化が可能になるので、半田付け作業の一層の高速化が可能になる。
【００７２】
また、当業者が一般に思いつき得るセラミック基板の亀裂発生の回避策として、レーザースポットの径を大きくして、レーザー光が投射される範囲のエネルギー密度を低下させるという手法がある。この回避策と比較した場合、実施形態３には以下の効果がある。即ち、このようにレーザースポットの径を大きくすると、半田材供給部材である半田材ノズル１０４にレーザー光が照射される。そうした照射により、半田材ノズル１０４の動作が支障をきたす恐れがある。これに対し実施形態３では、レーザースポットの長軸の長さが、電極の幅と同じ長さになるよう設定しつつも、楕円形状の短軸の長さを切り詰めるので、半田材供給部材である半田材ノズル１０４へのレーザー光の照射を回避することができる。こうした回避により、半田材ノズル１０４の動作を安定させることが可能になり、半田付け装置１０００の動作効率を高めることができる。
【００７３】
（実施形態４）
４．１  概要
実施形態４は、実施形態３における半田付けヘッド１３３の改良である。具体的にいうと、実施形態３では、楕円形状における長軸の長さを調整することで、電極に供給された半田材の加熱を実現しようとした。これに対し実施形態４は、楕円形状の短軸の長さを調整する。
【００７４】
４．２  構成
実施形態４に係る半田付けヘッドの構成を図１１に示す。実施形態３の図９（ａ）に示した半導体レーザー素子２１は、図１１の半田付けヘッド１３３に示すように、電極端縁の幅Ｗと同じスポット径のレーザー光を発振する半導体レーザー素子３１と、当該レーザー光の短軸方向の長さを縮小するシリンドリカルレンズ３２とに置き換えられている。シリンドリカルレンズ３２を通過するレーザー光は、短軸方向の長さが縮小されているので、ハーフミラーに出射されるレーザー光は、長軸の長さＶが角形電極３０２、円形電極３０５の幅Ｗに等しく、短軸方向の長さＵがシリンドリカルレンズ３２により縮小された楕円形状となる。実施形態４では、電極の中心座標から、上述した間隔Ｃだけ離間した位置に、当該楕円形状のレーザースポットを投射することで、角形電極３０２、円形電極３０５に供給された半田材を加熱する。実施形態４では、半導体レーザー素子３１のファーフィールドパターンの延伸方向が、上記１次方向になるよう、多関節アーム部１０２の各関節部１０２ｅを駆動することで、半田付けヘッド１３３の姿勢を制御する。
【００７５】
４．３  まとめ
実施形態４に係る半田付け装置では、活性層２２、Ｎ型クラッド層２３、Ｐ型クラッド層２４の混晶率の調整や、Ｎ型クラッド層２３、Ｐ型クラッド層２４の屈折率の調整等の手間を払うことなく半田材の供給先となる電極を効率よく加熱することができるので、半田付けヘッド１３３の設計を容易なものにすることができるという効果がある。
【００７６】
５．その他の変形例
本発明は、上記の実施形態に限定されない。以下に示すようにしてもよい。
【００７７】
（１）実施形態１〜４は、光源として半導体レーザー素子を用いたが、レーザー光発振装置を半田付けヘッド１０３、１１３、１２３、１３３の外部に設け、光ファイバーにより半田付けヘッド１０３、１１３、１２３、１３３と接続して、半導体レーザー素子１が発したレーザー光を、半導体レーザー素子１内部のポリゴンミラー２やＭＥＭＳ５にまで導いてもよい。
【００７８】
また、半田付けヘッド１０３、１１３、１２３、１３３の投射口１０３ｈから入射される可視光を、半田付けヘッド１０３の上方に取り付けられた撮像素子１１０に導くため、半田付けヘッド１０３の内部にハーフミラーを設けることが望ましい。係るハーフミラーは、半導体レーザー素子１から発せられるレーザー光を反射してポリゴンミラー２に導き、可視光を透過することで、レーザー光の投射と、撮像素子１１０への可視光の導光とを併せて実行する。
【００７９】
（２）半田材ノズル１０４から供給される線状半田材を半田付け作業の対象としたがこれに限らない。角形電極３０２、円形電極３０５に予め塗布されたクリーム半田、ボール半田を対象として、半田付け装置１０００が半田付け作業を実行してもよい。
【００８０】
（３）各電極についてレーザー投射位置を設定する処理や、レーザー走査方向を設定する処理は、いわゆる操作者によるマニュアル操作で実行してもよい。つまり、半田付けヘッド１０３、１１３、１２３、１３３の撮像素子１１０で撮影された基板画像をモニタ１０２ｍに表示させて、係る基板画像に基づき、レバー１０２ｒ、ボタン１０２ｂに対してなされる操作者の操作に基づき、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示したレーザー投射位置を設定する。また、図５（ｃ）、図６（ｃ）に示したレーザー走査方向を設定する。また、基板画像に対して画像認識を実行して、電極の位置を検出し、制御部１０６が自動的に図５（ｂ）、図６（ｂ）に示したレーザー投射位置や、図５（ｃ）、図６（ｃ）に示したレーザー走査方向を設定してもよい。加えて、電極からレーザー投射位置を離間させる際の間隔は、レーザー光の強度から自動的に調整してもよい。
【００８１】
（４）電極を略平行に配置するとしたが、電極の端縁との間で、ある程度の間隔を確保できるのであればよい。つまり、走査方向を傾斜させて、レーザースポットの往復を行わせてもよい。また、実施形態１〜４では、半田付けヘッド１０３を多関節アーム部１０２の先端に取り付けて基板３０１上の任意の位置に、半田付けヘッド１０３を移動させたが、これに限らない。Ｘ軸方向に延伸する螺子軸、Ｙ軸方向に延伸する螺子軸を載置台１０１の上方に設け、これらの螺子軸と螺合するナット部を半田付けヘッド１０３に設けて、駆動モーターで半田付けヘッド１０３を駆動することで、半田付けヘッド１０３の移動を行わせてもよい。
【００８２】
（５）上記実施形態では、ティーチングモードを経て作成したティーチングデータに基づき、多関節アーム部１０２に自動的な半田付け作業を行わせたが、これに限らない。多関節腕型ロボット１０００の半田付けヘッド１０３、１１３、１２３、１３３のみをハンドヘルド型機器とし、作業者に、レーザー投射位置の位置決めを行わせて、半田付けを実行してもよい。この際、適切なレーザー投射位置や走査方向になるようなガイド表示をハンドヘルド型機器に行わせることが望ましい。
【００８３】
（６）上記実施形態、各実施例及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。
【００８４】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、セラミック基板の半田付けが組み込まれた、様々な電子部品の実装工程に使用されるので、電子機器をはじめ、あらゆる電気製品の製造分野で利用される可能性を有する。また、本発明に係る半田付け方法は、半田付け作業を自動的に実行する工業ロボットの１つの応用として使用されるので、工業ロボットの産業分野で利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００８６】
１    半導体レーザー素子
２    ポリゴンミラー
３    ポリゴンミラー駆動モーター
４    ｆθレンズ
５    ＭＥＭＳ
９    マイクロミラー
２１    半導体レーザー素子
２２    活性層
２３    Ｎ型クラッド層
２４    Ｐ型クラッド層
３１    半導体レーザー素子
３２    シリンドリカルレンズ
１０１    載置台
１０２    多関節アーム部
１０３、１１３、１２３、１３３    半田付けヘッド
１０４    半田材ノズル
１０５    ティーチングデータ記憶部
１０６    制御部
１１０    撮像素子
２０１、２０２、２０３    電子部品
３０１    基板
３０２    角形電極
３０３    電子部品
３０４    端子
３０５    円形電極
３０７    引出線
３０８    リード線
３１０    ファーフィールドパターン
４００    レーザースポット
１０００    多関節腕型ロボット
【図１】
2019161153.tif 000003
【図２】
2019161153.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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