特許 7601429 加熱装置、それを用いたハンダ付け方法及び溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】加熱装置、それを用いたハンダ付け方法及び溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 1/005 20060101AFI20241210BHJP

   B23K 28/00 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

B23K1/005 B

B23K28/00 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023002066

(22)【出願日】2023-01-11

(65)【公開番号】P2024098531

(43)【公開日】2024-07-24

【審査請求日】2023-09-22

(73)【特許権者】

【識別番号】594067195

【氏名又は名称】株式会社九州日昌

(74)【代理人】

【識別番号】110002893

【氏名又は名称】弁理士法人ＫＥＮ知財総合事務所

(72)【発明者】

【氏名】森本 豊年

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０３３９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０５２５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３２０９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２５４２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８９９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１５１０８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ １／００５

Ｂ２３Ｋ ２８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハンダ付け又は溶接に用いる加熱装置であって、
加熱用ランプ及び集光光学系を含む一以上のスポットランプヒータと、
前記スポットランプヒータの位置及び方向を制御する多関節ロボットと、
を含み、
前記スポットランプヒータの前記加熱用ランプの射出光を前記集光光学系で所定のスポットサイズに集光して対象物に照射し加熱する、ことを特徴とする加熱装置であって、
前記集光光学系の焦点における前記スポットサイズが互いに異なる複数の前記スポットランプヒータを有し、加熱箇所に応じて異なる前記スポットランプヒータを使用できるようにした、加熱装置。

【請求項2】

前記加熱用ランプは、ハロゲンランプ又はキセノンランプである、請求項１に記載の加熱装置。

【請求項3】

前記スポットランプヒータからの射出光の光路を開閉するシャッターをさらに設け、当該シャッターの開閉により加熱箇所への露光時間を制御できるようにした、請求項１に記載の加熱装置。

【請求項4】

前記対象物を固定する固定台をさらに有し、当該固定台には前記対象物を予熱する予熱ヒータが設けられている、請求項１に記載の加熱装置。

【請求項5】

前記固定台に固定された前記対象物を密封するとともに透明窓を有するチャンバと、前記チャンバの内部を排気するための排気配管と、前記チャンバの内部にパージガスを導入するパージ配管とをさらに有し、前記スポットランプヒータからの射出光は、前記チャンバの前記透明窓を透過して前記対象物に照射されるとともに、前記チャンバの内部が排気可能に構成された、請求項４に記載の加熱装置。

【請求項6】

電子基板のランド部分に予めハンダを塗布し、電子部品を載置した後に、請求項１に記載の加熱装置を用いて前記ハンダを加熱し、リフローしてハンダ付けを行うハンダ付け方法。

【請求項7】

被溶接部材同士の突き合わせ部を、請求項１に記載の加熱装置を用いて加熱し、溶接する溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ハンダ付けや溶接、半導体プロセス等に用いる加熱装置および加熱方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、基板に電子部品を実装するハンダ付け方法として、基板のハンダ面に溶融ハンダを噴射してハンダ付けするフロー方式や、ハンダ付けする「ランド」部分に予め塗布しておいたクリームハンダを、リフロー炉内で溶融して接合するリフロー方式が用いられてきた。
近年、省エネ等の観点から、ロボットと組み合わせて、基板全体ではなくハンダ付けする部分のみを加熱する方式も導入されている。例えば、ハンダごてで加熱する方式（特許文献1）、レーザー加熱によりハンダ付けする部分のみをリフローさせる方式（特許文献2）などが知られている。これらの方式は、ロボットと組み合わせて、ハンダ付け対象の変更にも柔軟に対応でき、多品種生産に対応できるようになっている。

【0003】

一方、溶接方法としては、母材と溶接棒または電極との間にアークを発生させて溶接するアーク溶接（特許文献3）や、ガス炎の熱で行うガス溶接、母材を２つの電極で挟み、電流を流して局部的に加熱・加圧して溶接するスポット溶接（特許文献4）等が行われてきた。しかし、省エネ、省電力の観点から、レーザー照射による熱で溶接するレーザー溶接（特許文献5）も導入され、ロボットと組み合わせて自動化が図られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平8-18215号公報

【文献】特開平2－92452号公報

【文献】特開2021-094581号公報

【文献】特開2022-100858号公報

【文献】特開2018-183799号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、ハンダ付けや溶接のためにロボットと組み合わせて局部的にレーザーを照射する方式では、柔軟性や多品種少量対応には優れるものの、レーザー光源等が高価であるという問題がある。

【0006】

本発明は、上記問題を解決し、ハンダ付け及び溶接対象の変更にも柔軟に対応でき、省エネで安価なハンダ付け及び溶接に用いられる加熱装置および加熱方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の加熱装置は、ハンダ付け又は溶接に用いる加熱装置であって、
加熱用ランプ及び集光光学系を含む一以上のスポットランプヒータと、
前記スポットランプヒータの位置及び方向を制御する多関節ロボットと、
を含み、
前記スポットランプヒータの前記加熱用ランプの射出光を前記集光光学系で所定のスポットサイズに集光して対象物に照射し加熱する、ことを特徴とする。

【0008】

前記加熱用ランプは、ハロゲンランプ又はキセノンランプである、ことが好ましい。

【0009】

前記加熱装置は、前記集光光学系の焦点における前記スポットサイズが互いに異なる複数の前記スポットランプヒータを有し、加熱箇所に応じて異なる前記スポットランプヒータを使用できるようにした、構成としてもよい。

【0010】

前記スポットランプヒータからの射出光の光路を開閉するシャッターをさらに設け、当該シャッターの開閉により加熱箇所への露光時間を制御できるようにした、構成としてもよい。

【0011】

前記対象物を固定する固定台をさらに有し、当該固定台には前記対象物を予熱する予熱ヒータが設けられている、構成としてもよい。

【0012】

前記固定台に固定された前記対象物を密封するとともに透明窓を有するチャンバと、前記チャンバの内部を排気するための排気配管と、前記チャンバの内部にパージガスを導入するパージ配管とをさらに有し、前記スポットランプヒータからの射出光は、前記チャンバの前記透明窓を透過して前記対象物に照射されるとともに、前記チャンバの内部が排気可能に構成されていてもよい。

【0013】

本発明のハンダ付け方法は、電子基板のランド部分に予めハンダを塗布し、電子部品を載置した後に、上記の加熱装置を用いて前記ハンダを加熱し、リフローしてハンダ付けを行う方法である。

【0014】

本発明の溶接方法は、被溶接部材同士の突き合わせ部を、上記の加熱装置を用いて加熱し、溶接する方法である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、安価な加熱用ランプを含むスポットランプヒータの採用により、スポット的にハンダ付け及び溶接が可能な高温を実現できるので、多関節ロボットと組み合わせて、ハンダ付け及び溶接対象の変更にも柔軟に対応でき、省エネで安価な加熱装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係る加熱装置を示す概念図である。

【図2】図１の加熱装置のスポットランプヒータを示す概念図である。

【図3】図１の加熱装置のシャッター部を示す概念図である。

【図4A】図１の加熱装置の初期状態を示す概念図である。

【図4B】図１の加熱装置が対象物を受け取った状態を示す概念図である。

【図4C】図１の加熱装置が対象物を固定した状態を示す概念図である。

【図4D】図１の加熱装置が対象物を密封した状態を示す概念図である。

【図4E】図１の加熱装置が射出光を対象物に照射する状態を示す概念図である。

【図4F】図１の加熱装置が射出光を対象物に照射する状態を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図１～図４Ｆに基づいて、本発明の実施形態である加熱装置１について説明する。図１に示すように、加熱装置１は、２つのスポットランプヒータ１０と、シャッター２０と、多関節ロボット３０と、固定台４０と、チャンバ５０と、排気配管６０と、パージ配管６５と、制御部７０と、を備えている。

【0018】

スポットランプヒータ１０は、図２に拡大して示すように、ハロゲンランプ（加熱用ランプ）１１及び集光ミラー（集光光学系）１２を含み、ハロゲンランプ１１の射出光を集光ミラー１２で所定のスポットサイズに集光して対象物８０（図１参照）に照射するための光源ユニットである。
ハロゲンランプ１１は、電球内部に不活性ガスに加えてハロゲンガスを微量導入して高出力化と長寿命化を図ったランプで、市販の例えば、１５０Ｗから２ｋＷ程度のものが使用できる。

【0019】

集光ミラー（集光光学系）１２は、略楕円球面状のミラーで、例えば金属を鏡面加工又はガラスに金属をコーティングして形成され、ハロゲンランプ１１の射出光を集光させるものである。楕円球面Ｅの一方の焦点ｆ０にハロゲンランプ１１のフィラメントを配置すると楕円球面Ｅの他方の焦点ｆ１に集光するようになっている。この焦点ｆ１付近では最高１５００℃程度の温度が得られ、ハンダ付けや溶接が可能である。スポットサイズは、例えば、焦点ｆ１付近でΦ５ｍｍ程度であり、この「焦点におけるスポットサイズ」はランプのフィラメントの大きさで決まると考えられる。スポットサイズは、光軸方向に焦点ｆ１から離れるほど大きくなので、スポットランプヒータ１０の光軸方向に位置を調整することにより、対象物８０におけるスポットサイズを調整できる。但し、対象物８０が焦点ｆ１付近になるようにスポットランプヒータ１０の位置を調整すると、スポットサイズが安定するメリットがある。

【0020】

本実施形態の加熱装置１は、集光ミラー（集光光学系）１２の焦点ｆ１におけるスポットサイズが互いに異なる２つのスポットランプヒータ１０ａ、１０ｂを有し、加熱箇所に応じて異なるスポットランプヒータ１０ａ、１０ｂを使用できるようにしている。
この構成により、適切なスポットサイズのスポットランプヒータを選択して使用することができるので、ハンダ付け及び溶接対象及び加熱箇所によって加熱箇所のサイズが異なる場合でも、柔軟に対応できる。
なお、本実施形態では集光光学系として集光ミラー１２を用いているが、集光レンズを用いてもよく、集光ミラーと集光レンズを組み合わせて構成してもよい。
これらのハロゲンランプ１１と集光ミラー１２を含むスポットランプヒータ１０は、市販のものを用いてもよい。

【0021】

シャッター２０は、図３に拡大して示すように、各スポットランプヒータ１０の射出側に取付けられ、射出光の光路を開閉するもので、このシャッター２０のＯＮ－ＯＦＦにより加熱箇所への露光時間を制御できるようになっている。本実施形態では、エア駆動式のロータリーアクチュエータ２１により、シャッター羽根２２の回転位置を移動させて、射出光の光路を閉塞・開放する。
この構成により、スポットランプヒータ１０のハロゲンランプ（加熱用ランプ）１１をＯＮ－ＯＦＦするより高速の制御が可能になり、必要な範囲だけを確実に加熱することができる。

【0022】

多関節ロボット３０は、スポットランプヒータ１０の位置及び方向を制御するロボットである。
本実施形態では、多関節ロボット３０は、図１に示すように、基台３１と、３つの曲げ関節Ｊ１～Ｊ３と３つの捻り軸Ｔ１～Ｔ３を有するロボットアーム３２を有し、６軸制御可能なロボットで、様々な動作が可能である。このロボットアーム３２の先端部３２ａに、２つのスポットランプヒータ１０ａ，１０ｂとそれぞれのシャッター２０が取付けられている。
この多関節ロボット３０は、市販のものでもよく、専用の制御ソフトを利用して動作をティーチングし、ティーチングした動作を繰り返し実行できるようになっている。この構成により、多関節ロボット３０はティーチング等により様々な動作が可能なので、ハンダ付け及び溶接対象の変更にも柔軟に対応できる。
但し、この多関節ロボット３０は、必ずしも６軸でなくてよく、２軸以上の任意の軸数であればよい。

【0023】

固定台４０は、対象物８０を設置する治具で、例えば図１に示すように、台座４１と、対象物８０をクランプするクランプ機構４２と、対象物８０の搬出・搬入を容易化するために対象物８０をリフトするリフトピン４３を備え、ハンダ付け又は溶接の対象物８０を台座上に固定できるようになっている。但し、固定手段としては、図示した機械的なクランプ機構４２の代わりに真空吸着や磁気吸着を用いてもよい。また、対象物８０の搬送機構の構造や搬送方法（例えば手動）によっては、リフトピン４３は必ずしも設けなくてよい。また、対象物８０の下面部（台座４１と接する面）に凹凸がある場合は、直置き加熱では対象物８０に加熱ムラが発生するので、リフトピン４３を台座４１より対象物８０の下面の凹凸が台座４１に触れない程度（０．１～３．０ｍｍ）に突出させ、対象物８０を浮かせて加熱するプロキシミティ加熱方式に対応可能としてもよい。このときクランプ機構４２は使用しない。
本実施形態では、この固定台４０の台座４１内部には対象物８０を予熱する予熱ヒータ４４が設けられている。固定台４０の温度は、温度センサ（図示省略）によりモニーターされ、この温度が設定温度になるように予熱ヒータ４４の出力が調整されている。
この構成により、対象物８０を予め加熱しておくことができるので、スポットランプヒータ１０の少ない照射エネルギーでも迅速にハンダ付けや溶接を行うことができる。

【0024】

また、本実施形態では、後述するチャンバ５０と協働して対象物８０を密封するために、この固定台４０は、モータと送りねじからなる昇降機構４５に取付けられ、チャンバ５０と密着する上昇位置と、チャンバ５０から離間して手動又は外部の搬送ロボット（図示省略）により対象物８０の搬入・搬出を可能とする下降位置との間を移動できるようになっている。
但し、この構成に限られず、固定台４０を固定してチャンバ５０を昇降させる構造としても良く、固定台４０とチャンバ５０を固定して、チャンバ５０に搬出入用扉を設けて、この扉を通して対象物８０を搬出入してもよい。

【0025】

チャンバ５０は、固定台４０に設置された対象物８０を密封する容器で、加熱中の対象物８０を周囲の雰囲気から遮断するためのものである。図１に示すように、チャンバ５０は石英製の透明窓５１を有し、スポットランプヒータ１０からの射出光は、この透明窓５１を透過して対象物８０に照射できるようになっている。

【0026】

チャンバ５０には、外部の排気ポンプ（図示省略）に接続され、内部を排気するための排気配管６０と、外部のパージガス源（図示省略）に接続され、チャンバ５０の内部にパージガスを導入するパージ配管６５が設けられている。この「パージガス」とは、空気又はＮ_２等の不活性ガスである。排気配管６０とパージ配管６５には、それぞれ開閉バルブ６１，６６が設けられ、例えば、対象物８０の加熱中にパージガスをパージしながら排気して、ハンダ付けや溶接のアウトガスを除去するようになっている。
この構成により、ハンダ付けや溶接を真空中や不活性ガス雰囲気中で行うことができ、また、発生するアウトガスを排気することができるため、ハンダ付けや溶接の品質を高めることができる。

【0027】

制御部７０は、プロセッサ（図示省略）と各ユニットのドライバ回路（図示省略）を有し、２つのスポットランプヒータ１０ａ，１０ｂのＯＮ－ＯＦＦ制御、各シャッター２０の開閉制御、多関節ロボット３０の駆動制御、固定台４０のクランプ機構４２、リフトピン４３及び昇降機構４５の駆動制御、排気配管６０及びパージ配管６５の各開閉バルブ６１，６６の開閉制御とを行うとともに、外部の搬送ロボット（図示省略）と通信して対象物８０の搬出入を行うように構成されている。

【0028】

次に、このように構成された本発明の加熱装置１の動作の一例について、図４Ａ～図４Ｆを参照して説明する。本例では、加熱装置１は、リフローハンダ付け装置として構成されており、第１の加熱エネルギーが必要な第１のハンダ付け箇所Ｐ１と第２の加熱エネルギーが必要な第２のハンダ付け箇所Ｐ２を含む複数のハンダ付け箇所を、それぞれハンダ付けするように構成されている。

【0029】

初期状態では、図４Ａに示すように、固定台４０は、チャンバ５０から下方向に離間した下降位置にあり、固定台４０のリフトピン４３は上昇位置にあり、クランプ機構４２はリリース状態で、固定台４０の上には対象物８０は、載置されていない。但し、固定台４０の温度安定化のために予熱ヒータ４４は、事前に継続的にＯＮにしている。
制御部７０は、外部の搬送ロボット（図示省略）と通信し、搬送ロボットが対象物８０を搬入し、図４Ｂに示すように、リフトピン４３の上に載置する。この対象物８０は、ハンダ付けする回路基板８１に電子部品８２ａ，８２ｂを載置したものである。回路基板８１の各ランド（図示省略）にはクリームハンダが予め塗布してある。

【0030】

制御部７０は、この対象物８０がリフトピン４３に載置されたことをセンサ（図示省略）によって確認すると、図４Ｃに示すように、リフトピン４３を下降させ、クランプ機構４２を作動させて対象物８０をクランプする。
次いで、制御部７０は昇降機構４５を駆動し、図４Ｄに示すように、固定台４０を上昇させてチャンバ５０の下面に密着させ、対象物８０を密封する。
さらに、制御部７０は、排気配管６０の開閉バルブ６１とパージ配管６５の開閉バルブ６６を開き、チャンバ５０内部にパージガスをパージしながら排気する。

【0031】

次に、制御部７０は、多関節ロボット３０を駆動して、予めこの多関節ロボット３０にティーチングしておいた動作を実行させる。
具体的には、まず、第１のスポットランプヒータ１０ａが対象物８０の第１のハンダ付け箇所Ｐ１を照射できるような位置及び向きになるように、多関節ロボット３０のロボットアーム３２を調整する。この位置決めが完了したとの報告を多関節ロボット３０から受け取ると、制御部７０は、図４Ｅに示すように、第１のスポットランプヒータ１０ａを通電して点灯し、さらにこの第１のスポットランプヒータ１０ａ用のシャッター２０を開放して、射出光を、透明窓５１を通して第１のハンダ付け箇所Ｐ１に照射する。これにより、回路基板８１のランドに塗布されたクリームハンダが溶融し、回路基板８１に電子部品８２ａがハンダ付けされる。所定時間経過後にシャッター２０を閉じ、第１のスポットランプヒータ１０ａの通電をＯＦＦにして消灯する。
次いで、第２のスポットランプヒータ１０ｂが対象物８０の第２のハンダ付け箇所Ｐ２を照射できるような位置及び向きになるように、多関節ロボット３０のロボットアーム３２を調整する。この位置決めが完了したとの報告を多関節ロボット３０から受け取ると、制御部７０は、図４Ｆに示すように、第２のスポットランプヒータ１０ｂを通電して点灯し、さらにこの第２のスポットランプヒータ１０ｂ用のシャッター２０を開放して、射出光を、透明窓５１を通して第２のハンダ付け箇所Ｐ２に照射する。これにより、回路基板８１のランドに塗布されたクリームハンダが溶融し、回路基板８１に電子部品８２ｂがハンダ付けされる。所定時間経過後にシャッター２０を閉じ、第２のスポットランプヒータ１０ｂの通電をＯＦＦにして消灯する。

【0032】

このような動作を繰り返して、各ハンダ付け箇所のハンダ付けが終了すると、制御部７０は、排気配管６０の開閉バルブ６１を閉じ、チャンバ５０内の圧力が大気圧になったことを圧力センサ（図示省略）で確認してパージ配管６５の開閉バルブ６６を閉じ、図４Ｃに示すように、固定台４０を下降させる。
制御部７０は、次いで図４Ｂに示すように、クランプ機構４２を解除しリフトピン４３を上昇させ、外部の搬送ロボット（図示省略）と通信し、搬送ロボットが対象物８０を搬出する。

【0033】

なお、加熱装置１で溶接を実施する場合も、加熱箇所がハンダ付け箇所の代わりに被溶接部材同士の突き合わせ部である点が異なり、与える照射エネルギーも異なるもの、上記ハンダ付けと同様の動作を実行する。

【0034】

本実施形態によれば、安価な加熱用ランプ１１を含むスポットランプヒータ１０の採用により、スポット的にハンダ付け及び溶接が可能な高温を実現できるので、多関節ロボット３０と組み合わせて、ハンダ付け及び溶接の対象物８０の変更にも柔軟に対応でき、省エネで安価な加熱装置が提供できる。

【0035】

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0036】

例えば、上記実施形態では加熱用ランプ１１としてハロゲンランプを用いたが、例えば、キセノンランプを用いてもよい。

【0037】

また、上記実施形態の加熱装置１は、前記集光光学系１２の焦点ｆ１（図２参照）における前記スポットサイズが互いに異なる２つの前記スポットランプヒータ１０ａ，１０ｂを有するが、３以上のスポットランプヒータ１０を有してもよく、１つのスポットランプヒータ１０のみを有してもよい。

【0038】

また、上記実施形態の加熱装置１は、各スポットランプヒータ１０からの射出光を遮断及び開放するシャッター２０を備えるが、加熱の際に要求される応答時間によっては、シャッター２０は備えなくてもよい。

【0039】

また、上記実施形態の加熱装置１は、予熱ヒータ４４が設けられ固定台４０を備えるが、予熱ヒータ４４のない固定台４０を備えてもよく、固定台４０以外の固定機構を備えてもよい。

【0040】

また、上記実施形態の加熱装置１は、対象物８０を密封するチャンバ５０であって、射出光が透過する透明窓５１を有するともに、内部が排気可能に構成されたチャンバ５０を備えるが、対象物８０や加熱条件によっては、このチャンバ５０を備えなくてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明に係る加熱装置は、ハンダ付け及び溶接を行う産業分野において広く利用することができる。

【符号の説明】

【0042】

１ ：加熱装置
１０ ：スポットランプヒータ
１０ａ ：第１のスポットランプヒータ
１０ｂ ：第２のスポットランプヒータ
１１ ：ハロゲンランプ（加熱用ランプ）
１２ ：集光ミラー（集光光学系）
２０ ：シャッター
２１ ：ロータリーアクチュエータ
２２ ：シャッター羽根
３０ ：多関節ロボット
３１ ：基台
３２ ：ロボットアーム
３２ａ ：先端部
４０ ：固定台
４１ ：台座
４２ ：クランプ機構
４３ ：リフトピン
４４ ：予熱ヒータ
４５ ：昇降機構
５０ ：チャンバ
５１ ：透明窓
６０ ：排気配管
６１ ：開閉バルブ
６５ ：パージ配管
６６ ：開閉バルブ
７０ ：制御部
８０ ：対象物
８１ ：回路基板
８２ａ，８２ｂ ：電子部品
Ｅ ：楕円球面
Ｊ１～Ｊ３ ：曲げ関節
Ｐ１ ：第１のハンダ付け箇所
Ｐ２ ：第２のハンダ付け箇所
Ｔ１～Ｔ３ ：軸
ｆ０，ｆ１ ：焦点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】