JPH0243578B2 - - Google Patents
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- JPH0243578B2 JPH0243578B2 JP58500980A JP50098083A JPH0243578B2 JP H0243578 B2 JPH0243578 B2 JP H0243578B2 JP 58500980 A JP58500980 A JP 58500980A JP 50098083 A JP50098083 A JP 50098083A JP H0243578 B2 JPH0243578 B2 JP H0243578B2
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景および在来技術の説明
レーダはんだ付けは今だ初歩的なものであり、
すなわちその可能性がわかつている程度のもので
あつた。この方法はハウジングの奥部に配置され
るような、近接し難いはんだ付け組立体に対して
はんだ付け可能にするものであるから、機械的は
んだ付け技術に対して有用であることが証明され
ている。レーザはんだ付けは、最初、マイクロチ
ツプ普通のプラスチツク（エポキシ含量フアイバ
グラス）板の上に装架するために用いられ、プラ
スチツク板の他の部分への熱伝導を阻止するもの
であつた。従来構成では、直径の非常に小さな電
線を、回路上の容易に接近し得る導体に設けた微
少はんだづけパツドに溶接していた。このような
初期の応用では出力の非常に小さなレーザービー
ム（７―50ワツト）が使用され、かつ溶解を行う
ために前記ビームははんだづけパツド上に微小直
径（．005―．010インチ）で集束させるものであ
つた。これらの初期の応用は以下の文献に記載さ
れている： (1) F.BurnsおよびC.Zyetz、“レーザマイクロは
んだづけ”、アポロレーザ会社、報告書。
すなわちその可能性がわかつている程度のもので
あつた。この方法はハウジングの奥部に配置され
るような、近接し難いはんだ付け組立体に対して
はんだ付け可能にするものであるから、機械的は
んだ付け技術に対して有用であることが証明され
ている。レーザはんだ付けは、最初、マイクロチ
ツプ普通のプラスチツク（エポキシ含量フアイバ
グラス）板の上に装架するために用いられ、プラ
スチツク板の他の部分への熱伝導を阻止するもの
であつた。従来構成では、直径の非常に小さな電
線を、回路上の容易に接近し得る導体に設けた微
少はんだづけパツドに溶接していた。このような
初期の応用では出力の非常に小さなレーザービー
ム（７―50ワツト）が使用され、かつ溶解を行う
ために前記ビームははんだづけパツド上に微小直
径（．005―．010インチ）で集束させるものであ
つた。これらの初期の応用は以下の文献に記載さ
れている： (1) F.BurnsおよびC.Zyetz、“レーザマイクロは
んだづけ”、アポロレーザ会社、報告書。
(2) E.R.Goodrich、“電子工学におけるレーザ”、
を用いてはんだ付けを行い、しかも厳格な制限
無しとして組立工が容易に作業し得るような方
法である。
を用いてはんだ付けを行い、しかも厳格な制限
無しとして組立工が容易に作業し得るような方
法である。
回路製作、昭和56年６日、第21巻、第７号。
(3) R.Saunders他、“レーザの操作、装置および
用途”、Coherent会社の技術スタツフの論文、
昭和55年McGraw―Hill刊行。
用途”、Coherent会社の技術スタツフの論文、
昭和55年McGraw―Hill刊行。
(4) T.Kujawa、“レーザはんだ付けブースター
の生産性”、レーザおよびその用途、昭和57年
９月。
の生産性”、レーザおよびその用途、昭和57年
９月。
残念ながらこような初期応用で使用した処理技
術では、自動車関係の応用における新設計の組立
体のはんだづけには適用できない。たとえば高感
度の電子要素の組立てには太い電気導線（太さ．
030インチ以上であり、かつ多くの場合偏平な、
すなわち矩形断面のものである）が使用されてお
り、この導線は路上走行車輌のエンジンコンパー
トメント内における変動的な熱膨張に耐えるため
に、大強度ではんだづけを行う必要がある。在来
使用されている低出力の、微少に集束されるレー
ザビームによつて、上記の如き新設計の組立体に
対して効果的にはんだづけするには障害がある。
ミクロン直径に制御されたレーザビームは太い平
らな電気導線の底面全体にわたつて十分はんだづ
けパツドを溶融してすみ肉を再流動させることが
できず、したがつて形成されるはんだづけ継ぎ目
は弱いものとなる。細い円形導線のまわりにおけ
るはんだの再流動は、円形面周囲の表面張力に起
因して比較的容易に行われる。もしレーザビーム
の界面直径を調節して拡張したとすれば、単位面
積当りのビームエネルギーがはんだを溶融しかつ
再流動継ぎ目を形成するには不十分となつてしま
う。
術では、自動車関係の応用における新設計の組立
体のはんだづけには適用できない。たとえば高感
度の電子要素の組立てには太い電気導線（太さ．
030インチ以上であり、かつ多くの場合偏平な、
すなわち矩形断面のものである）が使用されてお
り、この導線は路上走行車輌のエンジンコンパー
トメント内における変動的な熱膨張に耐えるため
に、大強度ではんだづけを行う必要がある。在来
使用されている低出力の、微少に集束されるレー
ザビームによつて、上記の如き新設計の組立体に
対して効果的にはんだづけするには障害がある。
ミクロン直径に制御されたレーザビームは太い平
らな電気導線の底面全体にわたつて十分はんだづ
けパツドを溶融してすみ肉を再流動させることが
できず、したがつて形成されるはんだづけ継ぎ目
は弱いものとなる。細い円形導線のまわりにおけ
るはんだの再流動は、円形面周囲の表面張力に起
因して比較的容易に行われる。もしレーザビーム
の界面直径を調節して拡張したとすれば、単位面
積当りのビームエネルギーがはんだを溶融しかつ
再流動継ぎ目を形成するには不十分となつてしま
う。
はんだづけすべき新型の自動車用電子ユニツ
ト、（たとえばエンジンンコンパートメント内に
装架された電子点火装置）においては、はんだづ
け継ぎ目は、セラミツク基板上に配置されてお
り、車輛の通常運転時に生じるモジユールの熱を
このセラミツク基板で導出するようになつてい
る。これにより一時的な高電流によるプリント回
路およびはんだづけ継ぎ目の破壊が阻止されるよ
うになつている。しかしながらこのようなセラミ
ツク基板はヒートシンクとして働き、かつはんだ
づけが行われる時に熱の敏速な流出を容易にする
から、適する直径レーザの熱的制御を阻止すると
共に、適したはんだづけを行わんとする場合、低
出力レーザビームの使用は不可能である。レーザ
ビーム出力自体の増加は、所要の直径に集束され
た高出力ビームがはんだを過熱し、エラーを処理
するための余地を少なくし、したがつて隣接する
電子的部品を損傷することとなるから、前述のの
問題点に対する解答とはならない。
ト、（たとえばエンジンンコンパートメント内に
装架された電子点火装置）においては、はんだづ
け継ぎ目は、セラミツク基板上に配置されてお
り、車輛の通常運転時に生じるモジユールの熱を
このセラミツク基板で導出するようになつてい
る。これにより一時的な高電流によるプリント回
路およびはんだづけ継ぎ目の破壊が阻止されるよ
うになつている。しかしながらこのようなセラミ
ツク基板はヒートシンクとして働き、かつはんだ
づけが行われる時に熱の敏速な流出を容易にする
から、適する直径レーザの熱的制御を阻止すると
共に、適したはんだづけを行わんとする場合、低
出力レーザビームの使用は不可能である。レーザ
ビーム出力自体の増加は、所要の直径に集束され
た高出力ビームがはんだを過熱し、エラーを処理
するための余地を少なくし、したがつて隣接する
電子的部品を損傷することとなるから、前述のの
問題点に対する解答とはならない。
好ましい、レーザはんだづけ法は、セラミツク
基板上に支持され、かつ太い導体を使用した凹形
のはんだづけ組立体を強い継ぎ目によつて効果的
にはんだづけし得るようにし、かつ幅の広い処理
パラメータ内ではんだづけを行い、しかも厳格な
制限によらずして組立工が容易にプロセスを使用
し得るような方法である。
基板上に支持され、かつ太い導体を使用した凹形
のはんだづけ組立体を強い継ぎ目によつて効果的
にはんだづけし得るようにし、かつ幅の広い処理
パラメータ内ではんだづけを行い、しかも厳格な
制限によらずして組立工が容易にプロセスを使用
し得るような方法である。
好適な方式として本発明は内燃機の始動を制御
する場合に有用な肉厚フイルム点火装置に一体電
気導線をはんだづけする時に使用される。はんだ
づけすべき装置は特に第１図および第３図に示さ
れている。
する場合に有用な肉厚フイルム点火装置に一体電
気導線をはんだづけする時に使用される。はんだ
づけすべき装置は特に第１図および第３図に示さ
れている。
本質的にはマイクロエレクトロニクス装置１０
は環状リード枠１１を有し、該枠はプラスチツク
環状ハウジング１２内に埋設され、その一体の導
体線１３はハウジングの側部を通つて内方に突出
し、かつここから下向きに降下している。この装
置は、セラミツク基板１５上に支持されかつハウ
ジングの頂部開口下方の奥に配置されたプリント
電気回路１４にはんだづけする９本の内方に突出
した電気リード撚線を有している。基材材料とし
てはアルミナがあり、基板全体の75％を占め、又
ベリリアも使用される。セラミツクはヒートシン
クとして働く支持アルミニウム板１６に接着され
る。
は環状リード枠１１を有し、該枠はプラスチツク
環状ハウジング１２内に埋設され、その一体の導
体線１３はハウジングの側部を通つて内方に突出
し、かつここから下向きに降下している。この装
置は、セラミツク基板１５上に支持されかつハウ
ジングの頂部開口下方の奥に配置されたプリント
電気回路１４にはんだづけする９本の内方に突出
した電気リード撚線を有している。基材材料とし
てはアルミナがあり、基板全体の75％を占め、又
ベリリアも使用される。セラミツクはヒートシン
クとして働く支持アルミニウム板１６に接着され
る。
各電気導線は名目上は70％の銅と30％の亜鉛と
よりなる黄銅の導電帯片を有している。この導線
の突出部分は逆Ｕ字形17を呈し、その端部はプリ
ント回路１４の部分１４ａにはんだづけすべき足
１８を有している。電気導線のこの足は平らな断
面形を有し、この場合の寸法は幅が0.04インチで
あり、厚さが0.009インチである。隣接する多く
の高感度の電子工学部品ととしては抵抗器１９、
コンデンサ２０および電子工学的チツプ２１等が
ある。
よりなる黄銅の導電帯片を有している。この導線
の突出部分は逆Ｕ字形17を呈し、その端部はプリ
ント回路１４の部分１４ａにはんだづけすべき足
１８を有している。電気導線のこの足は平らな断
面形を有し、この場合の寸法は幅が0.04インチで
あり、厚さが0.009インチである。隣接する多く
の高感度の電子工学部品ととしては抵抗器１９、
コンデンサ２０および電子工学的チツプ２１等が
ある。
この装置においてはエンジンン始動時の点火装
置の作動に際しヒートシンクを維持する必要があ
るのでセラミツク基板が必要とされる。セラミツ
クは従来一般的に使用されていたプラスチツク
（エポキシ含浸フアイバグラス）基板に比べて電
気伝導度が高い。アルミナは名目上94％のAl2O3
よりなりかつほぼ．02インチ（．56ミリメート
ル）の厚さで使用され；ベリリア基板は名目上最
低99.5％のBeOよりなりかつその厚さはほぼ．02
インチである。アルミニウム支持板１６は
AA3003H14アルミニウム合金よりなりかつほ
ぼ．06インチの厚さで使用される。
置の作動に際しヒートシンクを維持する必要があ
るのでセラミツク基板が必要とされる。セラミツ
クは従来一般的に使用されていたプラスチツク
（エポキシ含浸フアイバグラス）基板に比べて電
気伝導度が高い。アルミナは名目上94％のAl2O3
よりなりかつほぼ．02インチ（．56ミリメート
ル）の厚さで使用され；ベリリア基板は名目上最
低99.5％のBeOよりなりかつその厚さはほぼ．02
インチである。アルミニウム支持板１６は
AA3003H14アルミニウム合金よりなりかつほ
ぼ．06インチの厚さで使用される。
電気導線は在来技術において普通に使用されて
いるものより寸法が大であり、幅２２は．03イン
チ以上で平らな矩形断面（すなわち．04インチ
×．009インチ）を有している。このような電気
導線は、その足およびその縁のまわりの界面（下
面）全体にわたつて完全な固形はんだ継ぎ目が生
じるようにするためには異なるそれぞれ処理技術
を必要とする。
いるものより寸法が大であり、幅２２は．03イン
チ以上で平らな矩形断面（すなわち．04インチ
×．009インチ）を有している。このような電気
導線は、その足およびその縁のまわりの界面（下
面）全体にわたつて完全な固形はんだ継ぎ目が生
じるようにするためには異なるそれぞれ処理技術
を必要とする。
この方法はこの場合本質的につの段階よりなつ
ている： １ プリント電気回路通路１４はセラミツク基板
１５上に配置されかつ少なくとも一つのはんだ
づけパツド２４がこのプリント電気通路の１部
分１４ａに装着される。前記はんだづけパツド
は常態ではシルクスクリーン印刷を含む普通の
技術によつて沈着させることができる。この場
合のパツドは錫10％、鉛88％および銀２％より
なるはんだ成分である。前記パツドは幅が電気
導線の幅よりは大きな、全体が平らな界面２５
（表面張力に起因する湾曲部分以外は）を有す
るように形成される。この場合の各パツドは
幅．08インチ、長さ．１インチおよび高さ．
006インチの矩形を呈している。
ている： １ プリント電気回路通路１４はセラミツク基板
１５上に配置されかつ少なくとも一つのはんだ
づけパツド２４がこのプリント電気通路の１部
分１４ａに装着される。前記はんだづけパツド
は常態ではシルクスクリーン印刷を含む普通の
技術によつて沈着させることができる。この場
合のパツドは錫10％、鉛88％および銀２％より
なるはんだ成分である。前記パツドは幅が電気
導線の幅よりは大きな、全体が平らな界面２５
（表面張力に起因する湾曲部分以外は）を有す
るように形成される。この場合の各パツドは
幅．08インチ、長さ．１インチおよび高さ．
006インチの矩形を呈している。
２ 電気リードの表面部分２３は50―150グラム
の係合力ではんだづけパツド（表面２５に対し
て！と完全に係合せしめられる。前記パツド２
４は電気導線の幅７２より大なる幅２６を有し
かつ電気導線の係合表面部分．03インチより大
なる幅２２を有していることが重要である。電
気導線によつてパツドに力を加えるために、該
電気導線は第２図および３図に示される如く一
定の半径を有するようにまたはＵ字形を呈する
ように湾曲せしめられ、これによつて導線はパ
ツドの頂面２５に対してばね偏倚力を加えるこ
とができる。パツドの端部は湾曲足部分１８を
有し、係合平面２３―２５の組合わせを可能に
するようになつている。
の係合力ではんだづけパツド（表面２５に対し
て！と完全に係合せしめられる。前記パツド２
４は電気導線の幅７２より大なる幅２６を有し
かつ電気導線の係合表面部分．03インチより大
なる幅２２を有していることが重要である。電
気導線によつてパツドに力を加えるために、該
電気導線は第２図および３図に示される如く一
定の半径を有するようにまたはＵ字形を呈する
ように湾曲せしめられ、これによつて導線はパ
ツドの頂面２５に対してばね偏倚力を加えるこ
とができる。パツドの端部は湾曲足部分１８を
有し、係合平面２３―２５の組合わせを可能に
するようになつている。
３ 非集束レーザビームははんだづけ組立体の上
に指向され、この時レーザビームは少なくとも
100ワツトのビーム入力を有し、電気導線の幅
２２より大きな、しかもパツド幅２６より小さ
なスポツト径２７およびはんだづけパツドの所
定の部分だけをリフロウせしめ、かつ該パツド
と電気導線部分との間に、少なくとも400グラ
ムの強さを有するはんだづけ継ぎ目を形成する
ためのビーム持続時間を有している。
に指向され、この時レーザビームは少なくとも
100ワツトのビーム入力を有し、電気導線の幅
２２より大きな、しかもパツド幅２６より小さ
なスポツト径２７およびはんだづけパツドの所
定の部分だけをリフロウせしめ、かつ該パツド
と電気導線部分との間に、少なくとも400グラ
ムの強さを有するはんだづけ継ぎ目を形成する
ためのビーム持続時間を有している。
この時使用されたレーザビーム２８は370ワ
ツトCO2レーザ装置によつて発生させ、かつは
んだづけ組立体上方の距離30（．４イン）にあ
る点２９に集束せしめられた。このビームは足
１８およびはんだづけパツド２４との組立体上
に入射せしめられた。レーザビームの中心軸線
は電気導線と質量３１の中心と、その係合部分
において整合し、かつはんだづけパツドの中心
３２と整合するようにした。はんだづけを行う
前にはんだづけ面の間の区域に少量のはんだづ
けフラツクスを加えた。このフラツクス典型的
には非活性ロジンマイクロフラツクスである。
ツトCO2レーザ装置によつて発生させ、かつは
んだづけ組立体上方の距離30（．４イン）にあ
る点２９に集束せしめられた。このビームは足
１８およびはんだづけパツド２４との組立体上
に入射せしめられた。レーザビームの中心軸線
は電気導線と質量３１の中心と、その係合部分
において整合し、かつはんだづけパツドの中心
３２と整合するようにした。はんだづけを行う
前にはんだづけ面の間の区域に少量のはんだづ
けフラツクスを加えた。このフラツクス典型的
には非活性ロジンマイクロフラツクスである。
はんだ付け組立体は所要電力を少なくし、か
つ熱衝撃の危険をなくするために150℃まで予
熱した。窒素ガスの同軸流れを使用し、(a)はん
だづけ部分が酸化されるのを阻止し、はんだづ
け継ぎ目が黒色付着物によつて被覆されるのを
保護すると共に、(b)焦点レンズが煙でくもるも
のを保護するようにした。ビーム自体は発生装
置の出射時にほぼ．６インチの直径を有し、か
つはんだづけ組立体のわずか上方において焦点
がぼかされ、はんだづけ組立体上におけるスポ
ツト直径が0.030―0.080インチとなるようにさ
れた。最良の結果はスポツト直径が0.050―
0.060インチなる時に得られた。如何にすれば
十分な強度を有する、満足すべきはんだづけ継
ぎ目が得られるかを知るために、ビームの強さ
および持続時間をいろいろに変えて種々のはん
だづけ作業を行つた。2000グラムまたはそれ以
上の強さを有するはんだづけ継ぎ目は電力の変
化が少なくとも100ワツトから500ワツトまで、
ビームの持続時間が50―500ミリセカンド（．
005―．25秒）なる時に得られることがわかつ
た。大型の電気導線およびはんだづけパツドに
対するビームの強さおよび持続時間間の前記組
合わせは第４図にプロツトしてある（この場合
のスポツト直径は0.060インチ）。第４図の陰影
を施した部分は製造範囲を示し、この範囲内に
おけるパラメータの組合せではんだづけパツド
全体または基材を、融解せしめることなく、継
ぎ目のまわり全体に十分なすみ肉３３（第２
図）が形成できる。
つ熱衝撃の危険をなくするために150℃まで予
熱した。窒素ガスの同軸流れを使用し、(a)はん
だづけ部分が酸化されるのを阻止し、はんだづ
け継ぎ目が黒色付着物によつて被覆されるのを
保護すると共に、(b)焦点レンズが煙でくもるも
のを保護するようにした。ビーム自体は発生装
置の出射時にほぼ．６インチの直径を有し、か
つはんだづけ組立体のわずか上方において焦点
がぼかされ、はんだづけ組立体上におけるスポ
ツト直径が0.030―0.080インチとなるようにさ
れた。最良の結果はスポツト直径が0.050―
0.060インチなる時に得られた。如何にすれば
十分な強度を有する、満足すべきはんだづけ継
ぎ目が得られるかを知るために、ビームの強さ
および持続時間をいろいろに変えて種々のはん
だづけ作業を行つた。2000グラムまたはそれ以
上の強さを有するはんだづけ継ぎ目は電力の変
化が少なくとも100ワツトから500ワツトまで、
ビームの持続時間が50―500ミリセカンド（．
005―．25秒）なる時に得られることがわかつ
た。大型の電気導線およびはんだづけパツドに
対するビームの強さおよび持続時間間の前記組
合わせは第４図にプロツトしてある（この場合
のスポツト直径は0.060インチ）。第４図の陰影
を施した部分は製造範囲を示し、この範囲内に
おけるパラメータの組合せではんだづけパツド
全体または基材を、融解せしめることなく、継
ぎ目のまわり全体に十分なすみ肉３３（第２
図）が形成できる。
予熱をしない室温の試料は、予熱をした試料
より長い時間でビームを持続させる必要があ
り、あるいはより高い電力レベルが必要となつ
た。室温の試料は同じビーム持続時間に対し
て、150℃まで予熱した試料よりも50―75％大
なる電力を必要とした。したがつて少なくとも
100℃まで予熱した室温はんだづけ組立体を使
用することが望ましい。150℃温度においては
所要電力は室温（20℃）の試料に比して電力を
20％少なくすることができる（第８図）。
より長い時間でビームを持続させる必要があ
り、あるいはより高い電力レベルが必要となつ
た。室温の試料は同じビーム持続時間に対し
て、150℃まで予熱した試料よりも50―75％大
なる電力を必要とした。したがつて少なくとも
100℃まで予熱した室温はんだづけ組立体を使
用することが望ましい。150℃温度においては
所要電力は室温（20℃）の試料に比して電力を
20％少なくすることができる（第８図）。
レーザビームの所要エネルギーまたは電力レ
ベルははんだづけ導線の表面吸収力を増加させ
ることによつて少なくすることができる。この
電力レベルはたとえば導線の足に黒色の被覆を
かぶせることによりまたは窒素ガス遮蔽を行わ
ないことにより400ワツトから200ワツトに減ら
すことができる。
ベルははんだづけ導線の表面吸収力を増加させ
ることによつて少なくすることができる。この
電力レベルはたとえば導線の足に黒色の被覆を
かぶせることによりまたは窒素ガス遮蔽を行わ
ないことにより400ワツトから200ワツトに減ら
すことができる。
ビームの照射時間とビームスポツトとの関係
は、十分なすみ肉を形成するための最少時間が
ビームスポツト直径が増加するに連れて漸次減
少するようになつている。満足な継ぎ目を得る
のに最も範囲の広い時間範囲は、ビームスポツ
トの直径がほぼ．05インチ（1.27ミリメート
ル）の場合である。長いビーム照射時間が長い
と（たとえば．３秒）と、スポツト直径が、大
きい場合（たとえば．085インチ）、ビーム反射
の問題が生じることがある。このようなビーム
反射が生じると抵抗器またはコンデンサの如き
隣接構成部材に熱損傷を発生させる。このビー
ム反射の問題は、適当な非集束ビーム（適当な
スポツト直径）を使用し、焦点がはんだづけ組
立体の上方にあるようにすることによつて軽減
すことができる。遮蔽ガスの流れは所要電力を
増加させるが、この遮蔽ガスがなければフラツ
クスの燃焼によつて黒い残留物が生じる。この
黒色残留物は除去が困難であるから、遮蔽ガス
を使用することが望ましい。窒素ガスを静かに
吹つけることがフラツクスの燃焼または炭化を
阻止するに好適である。
は、十分なすみ肉を形成するための最少時間が
ビームスポツト直径が増加するに連れて漸次減
少するようになつている。満足な継ぎ目を得る
のに最も範囲の広い時間範囲は、ビームスポツ
トの直径がほぼ．05インチ（1.27ミリメート
ル）の場合である。長いビーム照射時間が長い
と（たとえば．３秒）と、スポツト直径が、大
きい場合（たとえば．085インチ）、ビーム反射
の問題が生じることがある。このようなビーム
反射が生じると抵抗器またはコンデンサの如き
隣接構成部材に熱損傷を発生させる。このビー
ム反射の問題は、適当な非集束ビーム（適当な
スポツト直径）を使用し、焦点がはんだづけ組
立体の上方にあるようにすることによつて軽減
すことができる。遮蔽ガスの流れは所要電力を
増加させるが、この遮蔽ガスがなければフラツ
クスの燃焼によつて黒い残留物が生じる。この
黒色残留物は除去が困難であるから、遮蔽ガス
を使用することが望ましい。窒素ガスを静かに
吹つけることがフラツクスの燃焼または炭化を
阻止するに好適である。
臨界的熱半径
レーザ熱処理においてはビームスポツト直径
は、加工物に対するビームの大きさを決定する目
安となつている。しかしながらこのビーム直径自
体から、なされた熱仕事の大きさを予測しうるも
のでない。たとえばガラスの如き種々の材料にレ
ーザビームによつて孔をあける場合に、形成され
た孔は、ガラス材料上のビームスポツト直径とは
通常異つている。
は、加工物に対するビームの大きさを決定する目
安となつている。しかしながらこのビーム直径自
体から、なされた熱仕事の大きさを予測しうるも
のでない。たとえばガラスの如き種々の材料にレ
ーザビームによつて孔をあける場合に、形成され
た孔は、ガラス材料上のビームスポツト直径とは
通常異つている。
本発明の臨界的熱スポツト半径とは加工物上で
所要の熱効果を与えることができる区域の半径を
言う。すなわちこの半径はレーザはんだづけを行
つた時の溶融区域の半径である。
所要の熱効果を与えることができる区域の半径を
言う。すなわちこの半径はレーザはんだづけを行
つた時の溶融区域の半径である。
正確な臨界的熱スポツト半径を与える数式を得
るためには、入力熱分布の解析が必要である。こ
の解析に際して、一次元加熱の簡単な熱モデル
と、あるガウスビーム形状を仮定した。レーザビ
ームを金属吸収面に衝当させると、レーザビーム
は電子との相互作用によつて吸収される。光学エ
ネルギーの量子は電子によつて吸収され、該電子
はさらに格子フオノンおよび他の電子と衝突する
ことによつてそのエネルギーを消散させる。衝突
電子の平均滞留時間は10-12から10-13秒までの程
度であるから光学エネルギーはほぼ瞬間的に熱に
変換されるものと考えることができる。本発明の
好適な型において使用されるような良好な導体内
への光領域の透過深さは10-6センチメートルまた
は10―100アトミツクレヤーの範囲内にある。し
たがつてレーザはんだ付けの場合、レーザ吸収は
加工表面に起こるものと考えられる。
るためには、入力熱分布の解析が必要である。こ
の解析に際して、一次元加熱の簡単な熱モデル
と、あるガウスビーム形状を仮定した。レーザビ
ームを金属吸収面に衝当させると、レーザビーム
は電子との相互作用によつて吸収される。光学エ
ネルギーの量子は電子によつて吸収され、該電子
はさらに格子フオノンおよび他の電子と衝突する
ことによつてそのエネルギーを消散させる。衝突
電子の平均滞留時間は10-12から10-13秒までの程
度であるから光学エネルギーはほぼ瞬間的に熱に
変換されるものと考えることができる。本発明の
好適な型において使用されるような良好な導体内
への光領域の透過深さは10-6センチメートルまた
は10―100アトミツクレヤーの範囲内にある。し
たがつてレーザはんだ付けの場合、レーザ吸収は
加工表面に起こるものと考えられる。
熱流れシステムの解析を簡単にするために、さ
らに他の仮定を導入した。すなわち：(a)材料の熱
特性および熱抵抗は温度にしたがつて変化せず、
(b)対流および輻射損失は無視し得る程度であり、
(c)熱流れは一次元的であると考えることができ、
(d)はんだづけパツドはその厚さが全体にわたつて
均一であり、かつ(e)アルミニウム基板はヒートシ
ンクと考え得るものと仮定した。このように仮定
すれば第５図に示される如く、この熱流れシステ
ムは二つの成分となる熱流れ：すなわち集積熱お
よび伝導熱とに比例する。熱入力ｑは部分的には
んだづけパツドq5およびアルミナ基板qAの中に集
積され、かつ残余の熱はヒートシンクのq3（アル
ミニウム基板））に伝導される。第５図に示され
る如く、T2はアルミナ基板の厚さ方向の平均温
度であり、もしアルミナ基質内の温度プロフイル
を放物線と仮定すれば、基板を通しての平均温度
T2はこのT2がT1/3に等しいと言う式によつて与
えられる。第６図に示された熱流れシステムのエ
ネルギーバランスは一次微分式で与える： ｑ＝q5＋qA＋q3 ｑ＝（C1＋C2／３）dT1／dt＋T1／Ｒ 式中： C1＝はんだづけパツドの熱容量 C2＝セラミツク基質の熱容量。
らに他の仮定を導入した。すなわち：(a)材料の熱
特性および熱抵抗は温度にしたがつて変化せず、
(b)対流および輻射損失は無視し得る程度であり、
(c)熱流れは一次元的であると考えることができ、
(d)はんだづけパツドはその厚さが全体にわたつて
均一であり、かつ(e)アルミニウム基板はヒートシ
ンクと考え得るものと仮定した。このように仮定
すれば第５図に示される如く、この熱流れシステ
ムは二つの成分となる熱流れ：すなわち集積熱お
よび伝導熱とに比例する。熱入力ｑは部分的には
んだづけパツドq5およびアルミナ基板qAの中に集
積され、かつ残余の熱はヒートシンクのq3（アル
ミニウム基板））に伝導される。第５図に示され
る如く、T2はアルミナ基板の厚さ方向の平均温
度であり、もしアルミナ基質内の温度プロフイル
を放物線と仮定すれば、基板を通しての平均温度
T2はこのT2がT1/3に等しいと言う式によつて与
えられる。第６図に示された熱流れシステムのエ
ネルギーバランスは一次微分式で与える： ｑ＝q5＋qA＋q3 ｑ＝（C1＋C2／３）dT1／dt＋T1／Ｒ 式中： C1＝はんだづけパツドの熱容量 C2＝セラミツク基質の熱容量。
この式からT1の価を求めることができ、かつ
もしTc秒内においてはんだづけ温度をT1かから
Tnとするための単位面積当りの熱流れを速度と
してqcなる別の量を画定すれば次の式が得られ
る： qc＝Tn／Ｒ［１−exp（−tc／RC）］ はんだがTnに達した後はこのはんだを溶融す
るためには追加エネルが必要とされ、この追加エ
ネルギーは前に示した時間tcよりほぼ３％長い持
続時間を有する延長ビームによつて供給される。
もしTc秒内においてはんだづけ温度をT1かから
Tnとするための単位面積当りの熱流れを速度と
してqcなる別の量を画定すれば次の式が得られ
る： qc＝Tn／Ｒ［１−exp（−tc／RC）］ はんだがTnに達した後はこのはんだを溶融す
るためには追加エネルが必要とされ、この追加エ
ネルギーは前に示した時間tcよりほぼ３％長い持
続時間を有する延長ビームによつて供給される。
残余のガウスビームは典型的には、強度がその
ピーク値の１／e2に落ちる時の半径（全ビームエ
ネルギーの86.5％がこの半径の面積内に含まれて
いる）によつて画定される。ガウスビームの強度
プロフイルは第６図に示されている。ガウスビー
ムが第６図に示される如くはんだづけパツド上に
おける半径ｃのスポツトを溶融した時には、この
溶融スポツトの縁におけるビーム強度は次の式に
よつて与えられる： Pc＝2P／πa2exp（−２γ2／ａ） この半径ｃは臨界的熱スポツト半径として選択
される。その理由はこの熱半径は所要の熱効果が
得られる面積を画定するからである。前に得られ
た式を使用すれば、半径ｃ（臨界的熱半径）は次
の数式に変形することができる： 式中： ｃは臨界的熱スポツト半径 ａは１／e2点におけるガウス半径 loは対数 Tnははんだの溶融温度から試料温度を引いた温
度 Ｐはレーザビーム電力 Ａは10.6ミクロンにおけるはんだの表面吸収性 Ｒはシステムの単位面積当り熱抵抗 tcははんだをTnにするための臨界的時間 ｃはシステムの熱容量。
ピーク値の１／e2に落ちる時の半径（全ビームエ
ネルギーの86.5％がこの半径の面積内に含まれて
いる）によつて画定される。ガウスビームの強度
プロフイルは第６図に示されている。ガウスビー
ムが第６図に示される如くはんだづけパツド上に
おける半径ｃのスポツトを溶融した時には、この
溶融スポツトの縁におけるビーム強度は次の式に
よつて与えられる： Pc＝2P／πa2exp（−２γ2／ａ） この半径ｃは臨界的熱スポツト半径として選択
される。その理由はこの熱半径は所要の熱効果が
得られる面積を画定するからである。前に得られ
た式を使用すれば、半径ｃ（臨界的熱半径）は次
の数式に変形することができる： 式中： ｃは臨界的熱スポツト半径 ａは１／e2点におけるガウス半径 loは対数 Tnははんだの溶融温度から試料温度を引いた温
度 Ｐはレーザビーム電力 Ａは10.6ミクロンにおけるはんだの表面吸収性 Ｒはシステムの単位面積当り熱抵抗 tcははんだをTnにするための臨界的時間 ｃはシステムの熱容量。
所定温度T1ににおいてはんだを溶融するため
の最少電力は前式においてｃ＝０と置くことによ
つて得られる。
の最少電力は前式においてｃ＝０と置くことによ
つて得られる。
第７図はビームスポツト直径が0.060インチな
る時におけるビーム持続時間の関数としての理論
的ｃ半径を示す。プロツトは臨界的熱スポツト半
径の式に助変数および材料特性の適当な値を代入
することによつて行つたものである。
る時におけるビーム持続時間の関数としての理論
的ｃ半径を示す。プロツトは臨界的熱スポツト半
径の式に助変数および材料特性の適当な値を代入
することによつて行つたものである。
第１図は本発明の方法によつてはんだづけされ
たいくつかの継ぎ目を有するマイクロエレクトロ
ニクス装置を示す写真である。第２図は本発明に
よつて工合良くはんだづけされた第１図の電気導
線のいくつかを例示する拡大写真を示す図。第３
図は第１図の装置の一部分の断面立面図で、一つ
のはんだづけ継ぎ目および挿入部材（第３ａ図
は、はんだづけ継ぎ目の平面図を表わす）を示す
図。第４図は種々の組合わせにおけるビーム持続
時間とビーム出力との変化を表わす図表的表示を
示す図（横陰影部分は有用な許容製造組合わせを
示す）。第５図は第２図のはんだづけ組立体を形
成する種々の材料の間における熱の流れ線図を示
す図。第６図ははんだづけパツドを通るガウスエ
ネルギービーム分布を表わす略線図を示す図。第
７図は種々の出力レベルにおけるビーム持続時間
の関数として変化する臨界的熱半径の図表的表示
を示す図。第８図は種々の予熱温度T0における
はんだづけ組立体の関数としてのビーム出力の図
表的表示を示す図。 １３…導線、１４ａ…導電路、１５…セラミツ
ク基板、２４…パツド、２８…レーザビーム。
たいくつかの継ぎ目を有するマイクロエレクトロ
ニクス装置を示す写真である。第２図は本発明に
よつて工合良くはんだづけされた第１図の電気導
線のいくつかを例示する拡大写真を示す図。第３
図は第１図の装置の一部分の断面立面図で、一つ
のはんだづけ継ぎ目および挿入部材（第３ａ図
は、はんだづけ継ぎ目の平面図を表わす）を示す
図。第４図は種々の組合わせにおけるビーム持続
時間とビーム出力との変化を表わす図表的表示を
示す図（横陰影部分は有用な許容製造組合わせを
示す）。第５図は第２図のはんだづけ組立体を形
成する種々の材料の間における熱の流れ線図を示
す図。第６図ははんだづけパツドを通るガウスエ
ネルギービーム分布を表わす略線図を示す図。第
７図は種々の出力レベルにおけるビーム持続時間
の関数として変化する臨界的熱半径の図表的表示
を示す図。第８図は種々の予熱温度T0における
はんだづけ組立体の関数としてのビーム出力の図
表的表示を示す図。 １３…導線、１４ａ…導電路、１５…セラミツ
ク基板、２４…パツド、２８…レーザビーム。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 単数または複数の電気導線をプリント導電路
にはんだ付けする方法において： (a) 前記導電路をセラミツク基板上に配置し、か
つ少なくとも一つのはんだ付けパツドを前記導
電路の１部上に配置する段階と、 (b) 前記電気導線の表面部分を前記パツドに押し
つけ、はんだ付けに際して相互間の熱伝導を高
めるべく十分な係合力を該導線および該パツド
に与え、前記パツドが前記導線の幅より大きな
幅を有すると共に、前記導線の相互係合表面部
分が．03インチ以上の幅を有するようにし、該
導線の部分およびパツドがはんだ付け手段を構
成するようになつている段階と、 (c) 前記はんだ付け手段に非集束レーザビームを
指向し、この時前記ビームの出力を少なくとも
100ワツトとし、該はんだ付け手段上の該ビー
ムのスポツト直径を前記導線の幅よりは小さく
はなく、かつ前記パツドの幅よりは大きくはな
い大きさとし、また前記はんだ付け手段上に前
記ビームムにより制御された半径の加熱スポツ
トを作用せしめ、前記パツド上の特定部分だけ
をリフロウさせ、前記パツドおよび前記導線部
分間にはんだ継ぎ目を形成させるように前記ビ
ームを所定のビーム照射時間照射し、これによ
り形成された前記継ぎ目が少なくとも400グラ
ムの強度を有するようにする段階と、 を有している方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
前記伝導線が平らな係合面を有し、かつ前記パツ
ドが組合わせ式の、全体が平らな係合面を有して
いる方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
前記レーザービームが段階(c)において0.03―0.08
インチの直径にぼかされ、すなわち焦点距離がが
５インチのレンズを使用して、前記ビームの焦点
を0.2―0.8インチの距離だけ係合面から離すよう
にされている方法。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の方法において、
前記レーザービームが前記はんだ付け手段の係合
面の上方の一点でぼかされている方法。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
前記熱スポツトの半径が前記はんだ付け手段の少
なくとも１部分をエネルギー吸収材料によつて被
覆することにより増加せしめられるようになつて
いる方法。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の方法において前
記熱スポツトの半径がはんだ付け手段を前記段階
(c)の前に少なくとも100度Ｃに予熱することによ
つて増加せしめられるようになつている方法。 ７ 特許請求範囲第１項記載の方法において、前
記段階(a)のセラミツク基板がアルミナおよびベリ
リアよりなる群から選だ一つまたは二つの材料製
として、前記セラミツク基板が少なくとも．05イ
ンチの厚さを有している方法。 ８ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
前記段階(c)において使用されるビーム持続時間が
50―200ミリセカンド（．05―2.0秒）の範囲内に
ある方法。 ９ 特許請求の範囲第１項載の方法において、段
階(c)において使用されるビームスポツト直径が．
03―．08インチの範囲内にある方法。 １０ 特許請求の範囲第１項記載の方法におい
て、前記導線の前記表面部分の質量中心が、係合
時に前記パツドの中心と整合せしめられるように
なつている方法。 １１ 特許請求の範囲第１項記載の方法におい
て、ビーム出力のパラメータ、ビームスポツト直
径およびビーム持続時間が次式によつて最適に相
関されており： 式中 ｃは臨界的熱スポツト半径 ａは１／e2におけるガウス半径 loは対数 Tnははんだの溶融温度から試料温度を引いた温
度 Ｐはワツトで表わしたレーザービーム出力 Ａは10.6ミクロンにおけるはんだの表面吸収性 Ｒはシステムの単位面積当り熱抵抗 tcははんだ温度Tnにするための臨界的時間 Ｃはシステムの熱容量 である方法。 １２ 特許請求の範囲第１項記載の方法におい
て、前記導線が錫またははんだによつて被覆され
た黄銅よりなり、前記パツドが錫／鉛／銀または
錫／鉛合金よりなり、かつ前記プリント導電路が
パラジウム／銀成分よりなつている方法。 １３ 特許請求の範囲第１項記載の方法におい
て、前記熱スポツト半径が前記パツドの部分を溶
融し、前記導線の前記表面部分と前記パツドとの
間に囲繞すみ肉を形成するようになつている方
法。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/US1983/000112 WO1984002867A1 (en) | 1983-01-24 | 1983-01-24 | Method of laser soldering |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60500204A JPS60500204A (ja) | 1985-02-21 |
| JPH0243578B2 true JPH0243578B2 (ja) | 1990-09-28 |
Family
ID=22174819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58500980A Granted JPS60500204A (ja) | 1983-01-24 | 1983-01-24 | レ−ザはんだ付け法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60500204A (ja) |
| DE (1) | DE3390451C2 (ja) |
| GB (1) | GB2143759B (ja) |
| WO (1) | WO1984002867A1 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0218069A1 (de) * | 1985-09-19 | 1987-04-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Verschweissen mittels Laserlicht |
| JP2534590B2 (ja) * | 1991-04-11 | 1996-09-18 | ティーディーケイ株式会社 | レ―ザ光による電子部品のはんだ付け方法 |
| US5148962A (en) * | 1991-05-20 | 1992-09-22 | General Electric Company | Holder for soldering a flexible circuit board to a substrate |
| EP1082884B1 (de) * | 1998-06-02 | 2002-01-16 | Siemens S.A. | Verfahren zur herstellung von verdrahtungen mit lothöckern |
| JP4522752B2 (ja) * | 2004-06-10 | 2010-08-11 | 三菱電機株式会社 | 半田付けによる端子接合方法 |
| WO2012132969A1 (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-04 | 富士フイルム株式会社 | 基板搬送用キャリア |
| DE102021204346A1 (de) * | 2021-04-30 | 2022-11-03 | Vitesco Technologies Germany Gmbh | Leiterplatte, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung eines Drahts mit einer Leiterplatte |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3614832A (en) * | 1966-03-09 | 1971-10-26 | Ibm | Decal connectors and methods of forming decal connections to solid state devices |
| JPS4940261A (ja) * | 1972-08-25 | 1974-04-15 | ||
| JPS57111089A (en) * | 1980-12-27 | 1982-07-10 | Omron Tateisi Electronics Co | Method of sodering chip part |
| US4341942A (en) * | 1978-10-31 | 1982-07-27 | International Business Machines Corporation | Method of bonding wires to passivated chip microcircuit conductors |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3402460A (en) * | 1965-05-26 | 1968-09-24 | Westinghouse Electric Corp | Attachment of leads to semiconductors |
| US3520055A (en) * | 1967-04-26 | 1970-07-14 | Western Electric Co | Method for holding workpieces for radiant energy bonding |
| US3597579A (en) * | 1970-06-25 | 1971-08-03 | Western Electric Co | Method of trimming capacitors |
| US3889272A (en) * | 1974-05-30 | 1975-06-10 | Bell Telephone Labor Inc | Metal film recording media for laser writing |
| DE2735231A1 (de) * | 1977-08-04 | 1979-02-15 | Siemens Ag | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von loetverbindungen mittels energiestrahlung |
| US4179310A (en) * | 1978-07-03 | 1979-12-18 | National Semiconductor Corporation | Laser trim protection process |
| JPS5562680A (en) * | 1978-10-31 | 1980-05-12 | Ibm | Wire bonding method |
| US4230930A (en) * | 1979-01-25 | 1980-10-28 | Ford Motor Company | Laser welding method for electrical wire connection to a terminal pin of an exhaust gas sensor |
| US4320281A (en) * | 1980-07-31 | 1982-03-16 | Western Electric Company, Inc. | Laser bonding technique and article formed thereby |
-
1983
- 1983-01-24 DE DE19833390451 patent/DE3390451C2/de not_active Expired
- 1983-01-24 JP JP58500980A patent/JPS60500204A/ja active Granted
- 1983-01-24 WO PCT/US1983/000112 patent/WO1984002867A1/en active Application Filing
- 1983-01-24 GB GB08423754A patent/GB2143759B/en not_active Expired
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3294951A (en) * | 1963-04-30 | 1966-12-27 | United Aircraft Corp | Micro-soldering |
| US3614832A (en) * | 1966-03-09 | 1971-10-26 | Ibm | Decal connectors and methods of forming decal connections to solid state devices |
| JPS4940261A (ja) * | 1972-08-25 | 1974-04-15 | ||
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| JPS57111089A (en) * | 1980-12-27 | 1982-07-10 | Omron Tateisi Electronics Co | Method of sodering chip part |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3390451C2 (de) | 1989-05-11 |
| GB8423754D0 (en) | 1984-10-24 |
| GB2143759B (en) | 1986-12-10 |
| GB2143759A (en) | 1985-02-20 |
| JPS60500204A (ja) | 1985-02-21 |
| DE3390451T1 (de) | 1986-02-20 |
| WO1984002867A1 (en) | 1984-08-02 |
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