JP2005144505A - レーザビーム照射によるハンダ接合方法及び電子部品 - Google Patents

Abstract

【目的】 接合に用いるレーザビームの波長における光反射率の互いに異なる金属部材同士をレーザビーム照射によるハンダ接合で反射を抑えつつ効率的且つ良好に導電接合するハンダ接合方法及び光反射率の異なる金属部材同士の信頼性の高いハンダ接合を備えるインダクタ等の電子部品を提供する。
【構成】 光反射率の異なる金属リードフレーム（リン青銅にハンダメッキ）７と導線（銅）６の絡げ部分との金属部材同士及びハンダにレーザビームを照射して加熱し、溶融した前記ハンダで導電接合するレーザビーム照射によるハンダ接合方法であり、前記レーザビームが楕円形の楕円ビーム１４からなり、一つの円形ビームのレーザビーム照射と比較して光反射率の低い金属部材の金属リードフレーム７側に多くの熱エネルギーが吸収されるようにレーザビーム照射領域を変形して照射するレーザビーム照射によるハンダ接合方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接合に用いるレーザビームの波長における光反射率の互いに異なる金属部材同士をレーザビーム照射によるハンダ接合によって導電接合する方法に関する。

電子部品に限らず、コイル部品等における銅素材の導線と金属リードフレーム或いは導線と電極といった金属部材同士を導電接合する手段として、前記金属部材同士を接して両者の融点まで加熱して互いに溶融させて接合する「溶接」、又は、融点の低いハンダ等のろう材を介して該ろう材とともに或る程度加熱された金属部材同士を溶融した前記ろう材によって接合する「ろう接」がある。所謂「ハンダ付け」も「ろう接」の一種である。

そして、前記コイル部品を典型とする電子部品における電子部品素子、例えばコアに巻回した絶縁被覆導線の端部と金属リードフレームとの「半田付け」による導電接合の加熱手段として、レーザビーム照射による瞬間的且つ局所的な加熱方法が公知技術として既に適用されている。

例えば、下記［特許文献１］には、図５の（ａ）の内部構造を示す側面一部断面図、及び（ｂ）の正面一部断面図に示されるような断面構造の面実装用のチップインダクタ２０が記載されている。

このチップインダクタ２０の構造は、両端部にリード線５を取り付けたアキシャルリード型のドラムコア１と、該ドラムコア１に巻回して前記ドラムコア両端のリード線５に両端末を各々絡げて巻線とした絶縁被覆導線６と、前記リード線５に嵌合してリード線５と前記絶縁被覆導線６にハンダ１９等で導電接合された接合部分８を有する板状の金属リードフレーム７と、前記金属リードフレーム７の外部端子部分を除いて前記ドラムコア１全体と前記導電接合された接合部分８を被覆するモールド樹脂１３と、から成っている。

前記板状の金属リードフレーム７の接合部分８は凹部形状であって、リード線５の受部となり、且つ絶縁被覆導線６のリード線５への絡げ部分との導電接合部分となる。

導電接合は、円形ビームのレーザビーム照射によって上記接合部分８の近傍に配した板状のハンダペレットまたはクリームハンダ等を溶融することで、前記リード線５とこれに絡げられた絶縁被覆導線６の両端末（絶縁被覆は熱で蒸発する。）と金属リードフレーム７とのハンダ付けによる導電接合（ハンダ接合）を同時に且つ短時間に施している。

また、下記［特許文献２］には、図６に示されるような金属リードフレーム７のＵ形形状の受部となる接合部分８に上記アキシャルリード型のドラムコア１のリード線５の絶縁被覆導線６を絡げた根元部分を載置し、図７に示されるような円形ビーム９のレーザビーム照射を行ってハンダ接合した構造のチップインダクタが記載されている。

さらに、下記［特許文献３］には、図８に示されるような金属リードフレーム７の垂設されたＵ形形状の受部にドラムコア１のリード線５を載置して、円形ビームのレーザビーム照射９で加熱して接合部分８をハンダ付けすることが記載されている。

特開２００１−３１９８１６号公報

特開２００１−２１０５３１号公報 特開平５−８２１７９号公報

しかしながら、以上のような従来のレーザビーム照射によるハンダ接合方法では、絶縁被覆導線６の渡り部分６ａをレーザビームの反射により断線させたり、ドラムコア１に熱ダメージを与える場合があった。

即ち、絶縁被覆導線６の線材として多用されている銅は、図９の吸収率と波長との関係を示す図９から判るように、一般に適用されているＹＡＧレーザの波長（１．０６μｍ）では吸収率が０．１未満と低い（換言すれば、光反射率が高い。）ので、レーザビーム照射の円形ビームの中央に位置する導線６の絡げ部分に当たったレーザビームの大半が反射して周囲に悪影響を与えているのである。これでは接合部分８に熱エネルギーが十分に吸収されずに拡散してしまい、エネルギー効率の点でも好ましくない。

特に、周囲が銅よりも吸収率が高い（換言すれば、光反射率が低い。）リン青銅にハンダメッキした前記金属リードフレーム７のような異なる光反射率の金属部材同士が接合対象である場合には、吸収率の良い金属リードフレーム７側にレーザビーム照射が十分に為されることが望ましい。

この点、前記［特許文献１］では、レーザビームの反射の影響を回避するための金属リードフレーム７の構造的な工夫が施されているが、根本的に光反射率の高い銅線等の金属部材からの反射のエネルギーを抑えることが望まれる。

さらに、図１０に示される円形ビーム９によるレーザビーム照射に場合には、リード線５を両脇から挟む金属リードフレーム７の接合部分８にかかる面積が小さく且つ円形ビーム９の場合の円周側はエネルギー密度が急激に下がっているので、金属リードフレーム７と導線６の絡げ部分とのハンダ接合強度の安定を欠く場合がある。一方、円形ビーム９の中心側はエネルギー密度が急峻に高くなっているので（図４及び後述の図４の説明参照）、前記絶縁被覆導線６の絡げ部分を断線させる場合もある。

本発明は上記事情を考察してなされたものであり、異なる光反射率の金属部材同士をレーザビーム照射によってハンダ接合する際に、反射を抑えて近傍への反射による悪影響を防止し、効率的にハンダ接合する方法を提供するとともに、接合強度を高めて接合信頼性を向上した電子部品を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、
（１）接合に用いるレーザビームの波長における光反射率の互いに異なる金属部材同士及びハンダにレーザビームを照射して加熱し、溶融した前記ハンダで前記光反射率の異なる金属部材同士を導電接合するレーザビーム照射によるハンダ接合方法であって、前記レーザビームが楕円形の楕円ビーム又は複数の近接する円形ビームの組み合わせビームからなり、一つの円形ビームのレーザビーム照射と比較して光反射率の低い金属部材側に多くの熱エネルギーが吸収されるようにレーザビーム照射領域を変形して照射することを特徴とするレーザビーム照射によるハンダ接合方法を提供する。
（２）また、上記（１）に記載のレーザビーム照射によるハンダ接合方法によって光反射率の異なる金属からなるリードフレームと電子部品素子から導出された導線とがハンダ接合されていることを特徴とする電子部品を提供する。

本発明に係るレーザビーム照射によるハンダ接合方法及び電子部品は下記の優れた効果を有する。
（１）一つの円形ビームのレーザビーム照射と比較して、接合に用いるレーザビームの波長における光反射率の低い金属部材側に多くの熱エネルギーが吸収されるようにレーザビーム照射領域を変形して照射しているので、互いに異なる光反射率の金属部材同士をハンダ接合に必要な温度に加熱しつつ効率的にハンダ接合することができる。
（２）また、光反射率の高い金属部材からの反射が抑えられるので、周囲への熱ダメージの影響が低減される。
（３）また、光反射率の異なる金属からなる金属リードフレームと電子部品素子から導出された導線とが本発明のハンダ接合方法で接合されている電子部品は、断線の虞れがなく、且つ接合のばらつきがない良好な導電接合状態が得られ、接合信頼性の高い電子部品となる。

本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。なお、本発明に係るレーザビーム照射によるハンダ接合方法は、接合に用いるレーザビームの波長における光反射率の互いに異なる金属部材同士及びハンダにレーザビームを照射して加熱し、溶融した前記ハンダで前記光反射率の異なる金属部材同士を導電接合する場合の全てに適用され得るものであって、典型的にはコイル部品等の電子部品の製造過程における導電接合工程が想定されるが、適用対象は電子部品に限定されるものではない。

以下、典型例として、移動体通信機、電源その他の電子機器に用いられる前述のチップインダクタ２０におけるリン青銅にハンダメッキした金属リードフレーム７と線材として銅を用いた絶縁被覆導線６の接合に用いるレーザビームの波長における光反射率の互いに異なる金属部材同士をレーザビーム照射によるハンダ接合によってハンダ接合する場合を説明する。

図１はチップインダクタの製造工程におけるハンダ接合部分へのＹＡＧレーザビーム照射領域を示す第１の実施の形態（楕円ビーム）の平面図である。

図２はチップインダクタの製造工程におけるハンダ接合部分へのＹＡＧレーザビーム照射領域を示す第２の実施の形態（２つの円形ビームの組み合わせビーム）の平面図である。

図３は同一エネルギーの円形ビームと楕円ビームのレーザビームを各々ステンレス板に垂直照射した時の溶け込み状態を表す図である。

図４は上記同一エネルギー値の円形ビームと楕円ビームのレーザビームを各々ステンレス板に垂直照射した時の溶け込み深さの分布を示す図である。

図１から判るように、チップインダクタ２０の製造工程におけるドラムコア１のリード線（銅線）５に絡げられた絶縁被覆導線６の絡げ部分と金属リードフレーム７の接合部分８は中央に接合対象である絡げ部分の銅が中央にあり、それを挟むように両脇に接合対象である金属リードフレーム７の受部が位置している。この金属リードフレーム７は一般にＹＡＧレーザの波長（１．０６μｍ）で光反射率が銅に比して低い（換言すれば、吸収率が高い。）リン青銅にハンダメッキしたもの等の金属部材からできている。

上記のような位置関係に接合対象である異なる金属部材同士が配置されている場合に、図１のようにレーザビーム照射のビーム形状を楕円形の楕円ビーム１４とすると、図３の（ａ）の円形ビームの場合のステンレス板１７の溶け込み状態と（ｂ）の楕円ビームの場合のステンレス板１７の溶け込み状態を表す図及び図４の溶け込み深さの分布図から判るように、そのエネルギー分布は円形ビーム９の場合（実線）と比較して緩やかに拡がっており（破線）、中心部と周辺部とのエネルギー密度の差が小さいブロード分布となっている。そして上記絶縁被覆導線６の絡げ部分（銅部材）に照射した時の反射光は円形ビームの１／２以下に減少する。

即ち、図３及び図４において、同じエネルギー値のレーザビームをステンレス板１７に照射した場合の円形ビーム９と楕円ビーム１４を比較すると、円形ビーム９ではエネルギー分布が中心に向かって急峻な立ち上がりを示し、楕円ビーム１４ではエネルギー分布が中心をデフォーカスしているためブロードな形を示しており、楕円形ビームの反射光は円形ビームに比較して少なくなる。また、構成上、金属リードフレーム７にかかるレーザビームの面積が楕円ビーム１４の方が大きくなる。

したがって、上記楕円ビーム１４の場合は、同一エネルギーにあってはより多くのエネルギーが楕円ビーム１４内の周辺領域にある比較的吸収率の高い金属リードフレーム７の接合部分８側に照射されることになり、効率的にハンダ接合がなされることになる。換言すれば、光反射率の高い中央の導線６の絡げ部分（銅材）とリード線５（銅材）への照射エネルギーを円形ビーム９の場合よりも下げて、周辺側へ振り向けたのである。

結果として、反射量が減って周辺部への悪影響が回避される。例えば、導線６の渡り部分６ａへの反射光を小さくして断線を防ぎ、ドラムコア１への熱ダメージが低減されるのである。また、絶縁被覆導線６の絡げ部分に当たるエネルギーは楕円ビーム１４の方が円形ビーム９よりも小さいので、熱ダメージが小さくなって絡げ部分の断線が防止できる。

上記楕円ビーム１４の形成方法は、例えばレーザ光源からのレーザビームをレンズで偏光させて元の円形ビームを楕円形に変形させたり、３〜５個程度の複数の小さな円形ビームを近接して重なるように並べて全体として楕円形になるように配置することで実現される。

次に、第２の実施の形態として図２に示されるレーザビーム照射によるハンダ接合方法は、レーザビームが２つの小さな円形ビーム１５ａ、１５ｂからなるマルチビーム１５であり、各々がリード線５を両脇から挟む金属リードフレーム７の接合部分８であるＵ形形状の両サイドの接触部分に中心が位置するように同時に照射される。

上記マルチビーム１５によるハンダ接合においても、第１の実施の形態の楕円ビームと同様に光反射率の高い中央の導線６の絡げ部分（銅材）とリード線５（銅材）への照射エネルギーが一つの大きな円形ビームの場合よりも比較的小さく、金属リードフレーム７側へのエネルギー照射量が大きくなるので、金属リードフレーム７とハンダへの効率的な熱エネルギーの吸収が行われて迅速なハンダ接合がなされる。

上記マルチビーム１５の形成方法は、一つの大きな円形ビームを複数のレンズで各々集光させて複数の小さな円形ビームを形成することで実現される。

なお、ハンダ接合の場合は良好な接合状態を形成するために、接合対象である異なる金属部材同士の接合部分を或る程度加熱する必要があるが、上記楕円ビーム１４やマルチビーム１５で導線６の絡げ部分（銅材）とリード線５（銅材）が加熱される程度で十分である。

本発明に係るレーザビーム照射は、上記実施の形態のようにＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネットの略称）結晶を用いた最も微細加工等に汎用されている固体レーザのＹＡＧレーザを利用して行うのが好ましいが、他にルビーレーザやＣＯ_２レーザを用いてもよい。

また、接合材としてのハンダは、板状のハンダペレット、クリームハンダ、パウダーハンダ（例えば粒径７５μｍ程度のＳｎＡｇ合金）等を接合部分８に別途配置するか、或いは、前記金属リードフレーム７の接合部分８の少なくとも内周面に電気メッキで施したハンダメッキをそのまま接合材として利用してもよい。この場合はハンダメッキ厚は接合強度を確保する観点から１０μｍ以上、好適には１５μｍ程にメッキすることが望ましい。

また、上記ハンダの種類は、一般的な錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）ハンダ以外に、低融点の軟ろう、例えば錫（Ｓｎ）のみ、錫と銅の合金（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫と銀の合金（Ｓｎ−Ａｇ）、錫と亜鉛の合金（Ｓｎ−Ｚｎ）、亜鉛とアルミニウムの合金（Ｚｎ−Ａｌ）等の軟ろうも本発明にいうハンダとして適用できる。

以上のように本発明に係るハンダ接合方法は、ハンダ接合対象である異なる光反射率の金属部材同士の接合部分に照射する照射領域を、レーザビーム照射のビーム形状を円形でなく楕円形の楕円ビーム或いは複数の小さな円形ビームからなるマルチビームにして変形しているので、光反射率の高い金属部材よりも光反射率の低い（吸収率の高い）金属部材側に多くの熱エネルギーが吸収され、反射による周囲への悪影響が抑えられ、異なる金属部材同士のレーザビーム照射によるハンダ接合の品質が向上し、接合信頼性の高いインダクタ等の電子部品が製造できるのである。

チップインダクタの製造工程におけるハンダ接合部分へのＹＡＧレーザビーム照射領域を示す第１の実施の形態（楕円ビーム）の平面図である。 チップインダクタの製造工程におけるハンダ接合部分へのＹＡＧレーザビーム照射領域を示す第２の実施の形態（２つの円形ビームの組み合わせビーム）の平面図である。 同一エネルギーの円形ビームと楕円ビームのレーザビームを各々ステンレス板に垂直照射した時の溶け込み状態を表す図である。 上記同一エネルギー値の円形ビームと楕円ビームのレーザビームを各々ステンレス板に垂直照射した時の溶け込み深さの分布を示す図である。 公知のチップインダクタの（ａ）内部構造を示す側面一部断面図、及び（ｂ）正面一部断面図である。 公知のチップインダクタのレーザビーム照射によるハンダ接合前の工程を示す斜視図である。 公知の金属リードフレームとドラムコアの導線とのレーザビーム照射（円形ビーム）によるハンダ接合の様子を示す平面図である。 公知のインダクタに関するレーザビーム照射によるハンダ接合の状態を示す斜視図である。 金属に対するレーザビーム照射の吸収率と波長との関係を示す図である。 従来のインダクタのレーザビーム照射（円形ビーム）の状態を示す平面図である。

符号の説明

１ ドラムコア
５ リード線
６ 絶縁被覆導線（巻線）
６ａ 渡り部分
７ 金属リードフレーム
８ 接合部分
９ 円形ビーム
１３ モールド樹脂
１４ 楕円ビーム
１５ マルチビーム
１５ａ、１５ｂ マルチビームを形成する小さな円形ビーム
１７ ステンレス板
１９ ハンダ
２０ チップインダクタ

Claims (2)

1. 接合に用いるレーザビームの波長における光反射率の互いに異なる金属部材同士及びハンダにレーザビームを照射して加熱し、溶融した前記ハンダで前記光反射率の異なる金属部材同士を導電接合するレーザビーム照射によるハンダ接合方法であって、
   前記レーザビームが楕円形の楕円ビーム又は複数の近接する円形ビームの組み合わせビームからなり、一つの円形ビームのレーザビーム照射と比較して光反射率の低い金属部材側に多くの熱エネルギーが吸収されるようにレーザビーム照射領域を変形して照射することを特徴とするレーザビーム照射によるハンダ接合方法。
2. 請求項１に記載のレーザビーム照射によるハンダ接合方法によって光反射率の異なる金属からなるリードフレームと電子部品素子から導出された導線とがハンダ接合されていることを特徴とする電子部品。
   

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