JP2007026478A - 磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法 - Google Patents

磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 フラックスを用いずに、簡易な設備及び工程で接合位置を精度良く規定できる磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法を得る。
【解決手段】 先ず、搬送路の送出端壁の周方向に均等な間隔で複数の切欠部を備えたキャピラリを準備する。次に、キャピラリを、スライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドとの接合面に向けて設置する。続いて、キャピラリの搬送路に金属ボールと不活性ガス流を導入して該金属ボールを接合面まで搬送し、接合面上の金属ボールを、複数の切欠部から放射状に噴出する不活性ガス流により位置決め及び保持する。そして、キャピラリの複数の切欠部を通して金属ボールにレーザー光を直接照射して溶融させ、該溶融金属によりスライダとフレキシブル配線基板の両電極パッドを接合する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、スライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドとを互いに直交する位置関係で接合する、磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法に関する。
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）で使用されるいわゆる磁気ヘッドアッセンブリは、磁気抵抗効果素子が組み込まれたスライダと、可撓性を有する金属薄板からなり、スライダを弾性的に支持するフレキシャと、このフレキシャ表面に接着され、スライダの磁気抵抗効果素子とこの磁気ヘッドアッセンブリが装着される装置の回路系とを導通接続するフレキシブル配線基板とを備えている。フレキシャは、例えばスポット溶接によりロードビームに固定されている。
この種の磁気ヘッドアッセンブリでは、従来一般に、互いに直交する位置関係でスライダの磁気抵抗効果素子用の電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドを金ボールボンディング方式により接合していたが、磁気ヘッドアッセンブリ及びスライダの小型化が進む近年では、ボンディング領域（電極パッドの大きさ及び電極パッド間隔）が狭くなってきていることから、金ボールボンディング方式に替わって、金ボールよりも小さい球径で形成可能な半田ボールを用いた半田ボールボンディング方式を採ることが提案されている。
半田ボールボンディング方式は、フラックスを用いてスライダの電極パッドまたはフレキシブル配線基板の電極パッドの上に半田ボールを固定し、この半田ボールを加熱することで、溶融した半田によりスライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドとを接合することができる。この半田ボールボンディングによれば、スライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドの接合を加熱により容易に解除できるから、出荷前に行なわれる静的及び動的な特性検査で特性不良と判断された場合にフレキシャを再利用しやすいという利点もある。
特開平５−２９４０４号公報 特開２０００−１２５９８号公報 特開２００２−２５０２５号公報 特開２００２−４５９６２号公報
しかしながら、上述の半田ボールボンディング方式では、接合面に搭載した半田ボールを固定するためにフラックスが必須であり、フラックスによって汚染されてしまう部品には適用することができなかった。最近ではフラックスを用いずに接合する方法も種々提案されているが、いずれの方法においても課題がある。
例えば、半田ボールを吸着ノズルで吸着して接合面に搭載し、この吸着ノズルにより半田ボールを機械的に位置決めした状態で半田ボールの一部をレーザー照射により溶融させて仮固定した後、半田ボールから吸着ノズルを開放し、再度レーザー照射して半田ボールを完全に溶融させて本固定する方法がある。この方法では、吸着ノズルで半田ボールを機械的に保持した状態でレーザー照射を行うため、レーザー光のパワーを一定以上に強くできず、１回のレーザー照射では半田ボールを完全に溶融できなかった。このため、仮固定と本固定の２回に分けて半田ボールを段階的に溶融せざるをえず、工程数が多くなってしまう。また、２回のレーザー照射により熱ダメージも増大してしまう。
上記吸着ノズルで半田ボールを接合面に搭載した後、吸着ノズルの替わりに窒素ガスを用い、この窒素ガスにより半田ボールを接合面に押圧しつつ１回のレーザー照射により半田ボールを溶融する方法もあるが、この方法では半田ボールを接合面に搭載した後に半田ボールが動いてしまうので、接合位置を正確に規定することが難しい。
また、搬送路から接合面に落下した半田ボールを同搬送路から流出する窒素ガスで押圧し、この押圧状態で同搬送路からレーザー光を照射して半田ボールを溶融する方法もある。しかしながら、この方法では半田ボールとレーザー光の供給経路が同軸上にあるため、レーザー光の焦点距離を長く確保する必要があり、例えばＹＡＧレーザーのような高エネルギーのレーザー光を用いなければならない。また、レーザー光の導光路が複雑であるため、レーザー光の焦点が合いづらく、焦点調節が難しいという問題もある。
本発明は、上述の従来課題に鑑みてなされたもので、フラックスを用いずに、簡易な設備及び工程で接合位置を精度良く規定できる磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法を得ることを目的としている。
本発明は、不活性ガス流によって位置決めした状態の金属ボールを直接レーザー照射できれば、フラックスが不要で、且つ、１回のレーザー照射により金属ボールを固定できることに着目してなされたものである。
すなわち、本発明は、磁気抵抗効果素子が組み込まれたスライダの電極パッドと、磁気抵抗効果素子と外部回路とを接続するフレキシブル配線基板の電極パッドとを、互いに直交する位置関係で接合する方法であって、不活性ガス流により金属ボールを搬送するための搬送路と、この搬送路の送出端壁を周方向に均等な間隔で切り欠いて形成した複数の切欠部とを備えたキャピラリを準備する工程と、このキャピラリを、スライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドとの接合面に向けて設置する工程と、キャピラリの搬送路に金属ボールと不活性ガス流を導入して該金属ボールを接合面まで搬送し、この接合面上の金属ボールを、搬送路を通過して複数の切欠部から放射状に噴出する不活性ガス流により位置決め及び保持する工程と、キャピラリの複数の切欠部を通して金属ボールにレーザー光を直接照射して溶融させ、該溶融金属によりスライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドとを接合する工程とを有することを特徴としている。
キャピラリは、スライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドとの接合面にその送出端壁を向けて設置し、該接合面に搬送した金属ボールの位置を、該送出端壁で機械的に規制することが好ましい。両電極パッドの接合面とキャピラリの送出端壁との間は所定間隔あけておく。この態様によれば、より確実に金属ボールを位置決めすることができ、接合面上に搭載した金属ボールが逃げてしまうことがない。キャピラリは、レーザー光の照射を開始したら接合面から遠ざけることが実際的である。
具体的にキャピラリには、送出端壁の周方向に９０度間隔で十字型に形成した４つの切欠部を備えることができる。キャピラリに設ける切欠部の数は、２つでも３つでも５つ以上であってもよい。例えば、送出端壁の周方向に１８０度間隔で形成した一対の切欠部を備える場合には、この一対の切欠部を、スライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドの両方に対して直交する方向に向けて設置し、このスライダとフレキシブル配線基板の両電極パッド及び不活性ガス流の三方向によって金属ボールを保持する。
レーザー光は、不活性ガス流によって金属ボールが搬送された方向とは別の角度から照射することが好ましい。このように金属ボールが搬送された方向とは別の角度、すなわち、キャピラリの搬送路外からレーザー光を照射すれば、短焦点距離位置でレーザ光を精度良く金属ボールに照射することができる。よって、低エネルギーのレーザー光を用いても金属ボールを十分に溶融させることができ、ＹＡＧレーザーのような高エネルギーのレーザー光や高価且つ複雑な設備を用いなくて済む。低エネルギーのレーザー光を放射するレーザー源としては、半導体レーザーや赤外線レーザーを用いることが実際的である。
本発明によれば、フラックスを用いずに、簡易な設備及び工程で接合位置を精度良く規定できる磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法を得ることができる。
図１は、本発明の適用対象となる、ハードディスクドライブ用の磁気ヘッドアッセンブリ（完成状態）の一実施形態を示している。磁気ヘッドアッセンブリ１は、磁気抵抗効果素子（磁気ヘッド）１２が組み込まれたスライダ１１と、このスライダ１１の背面を例えば熱硬化性接着剤やＵＶ硬化性接着剤、導電性接着剤接着等で接着したフレキシャ２１を備えている。
フレキシャ２１は、板ばね状の可撓性を有する薄い金属板であって、ロードビームの先端部に、該ロードビームに対してスライダ１１を弾性的に浮遊支持した状態で装着している。フレキシャ２１の表面には、スライダ１１の磁気抵抗効果素子とこの磁気ヘッドアッセンブリが装着されるハードディスク装置の回路系とを導通接続するフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）２２が、接着剤による貼り付け等により固定されている。フレキシブル配線基板２２は、図２に拡大して示すように、フレキシャ２１の先端部に配置された複数の電極パッド２３から両側縁部に別れた後に両側縁部に沿って延び、フレキシャ２１の後端縁部からさらに引き出され、中継用フレキシブル配線基板２４を介して一つにまとめられている。中継用フレキシブル配線基板２４は、磁気ヘッドアッセンブリ１が搭載されるハードディスク装置の回路系に接続される。スライダ１１は、磁気抵抗効果素子１２に接続した複数の電極パッド１３をスライダ端面１１ａに有し、この電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３とが互いに直交する位置関係でフレキシャ２１上に装着されている。両電極パッド１３、２３の表面には、Ａｕメッキが施されている。
上記概略構成の磁気ヘッドアッセンブリ１において、互いに直交する位置関係で設置されたスライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３は、金属ボールとして半田ボールを用いる、半田ボールボンディング（ＳＢＢ）により接合されている。
図３〜図６は、半田ボールボンディングで用いるキャピラリ３０を示している。図３はキャピラリ３０を全体的に示す模式図であり、図４はキャピラリ３０の送出口側を示す断面図であり、図５はキャピラリ３０の送出口側を示す側面図であり、図６はキャピラリ３０の送出口３１を示す平面図である。
キャピラリ３０は、球状の半田ボール４０を１つずつボンディングする単発用キャピラリである。このキャピラリ３０は、先細の送出端部３０ａを有する細長筒状をなしていて、送出端部３０ａの先端面中央に開口して半田ボール４０を送出する円形の送出口３１と、該キャピラリ３０の軸線方向に沿って延びて送出口３１まで半田ボール４０及び窒素ガス流Ｎ2を搬送するための搬送路３２とを備えている。図示されていないが、キャピラリ３０は、球状の半田ボール４０及び窒素ガス流Ｎ2を搬送路３２へ入れる導入口も備えている。
キャピラリ３０は、送出端部３０ａの先端端壁（送出端壁）を周方向に均等な間隔で形成した複数の切欠部３４を備えている。複数の切欠部３４は、送出口３１に連通しており、搬送路３２を通って送出口３１まで達した窒素ガス流Ｎ2を外部へ放出するための開口と、半田ボール４０の搬送方向とは別の方向から照射されたレーザー光を通過させるための開口とを兼用している。各切欠部３４の断面形状は、半田ボール４０にレーザー光を直接照射しやすいように、送出端部３０ａの先端側ほど拡がる断面台形状（図５）をなしている。本実施形態の複数の切欠部３４は、図６に示すように送出端部３０ａの先端端壁を９０度間隔で切り欠いた４つの切欠部で構成され、送出口３１から十字方向に窒素ガス流Ｎ2を放出させる。送出端部３０ａの先端端壁には、該送出端部３０ａの先端面に対して平行に研磨用の棒状体を押し当て、この研磨用の棒状体を送出口３１の径方向に扱くことにより、１８０度で対向する一対の切欠部を同時に形成できる。このとき形成される切欠部の断面形状は、使用する研磨用の棒状体の断面形状に略一致する。
具体的に本実施形態では、半田ボール４０の径を１３０μｍ、送出口３１及び搬送路３２の径を１５０μｍ、切欠部３４の深さを１２０μｍ、使用するレーザー光の有効スポット径を１００μｍとしてある。
次に、図７〜図１２を参照し、本発明の一実施形態による半田ボールボンディング方法について説明する。
先ず、上述した図３〜図６に示すキャピラリ３０を準備する。
次に、図７に示すように、スライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３との両方から約４５度傾けてキャピラリ３０を配置し、キャピラリ３０の送出端部３０ａを、スライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３の接合面から約２０μｍ離して位置決めする。これにより、スライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３とキャピラリ３０の送出端部３０ａ（送出口３１）との間には、半田ボール４０を搭載及び保持するための空間αが形成される。
続いて、図８に示すように、キャピラリ３０の搬送路３２に、球状の半田ボール４０を入れると共に窒素ガス流Ｎ2を流入する。搬送路３２に入れられた半田ボール４０は、同搬送路３２内を流れる窒素ガス流Ｎ2によって未溶融状態のまま送出口３１へ送られ、送出口３１からスライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３の間に自然落下する。半田ボール４０は、鉛を含まず錫を主成分とする半田材からなり、直径１３０μｍ程度の大きさである。半田ボール４０は窒素ガス流Ｎ2によって酸化防止される。
自然落下した半田ボール４０は、図９に示すように、送出端部３０ａの先端端壁に設けた複数の切欠部３４から放射状に噴出する窒素ガス流Ｎ2によって、スライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３の接合面上で位置決め及び保持される。半田ボール４０は、送出口３１から該送出口３１の中心位置の直下に自然落下することが理想的であるが、送出口３１の中心位置からずれてしまう場合もある。本実施形態では送出端部３０ａの先端端壁の周方向に９０度間隔で４つの切欠部３４が形成されているから、例えば図１０（Ａ）に示すように半田ボール４０が送出口３１の中心位置よりも図示右方向にずれると、半田ボール４０のずれた分だけ窒素ガス流Ｎ2の図示右側の流路が狭くなり、この図示右側の流路を流れる窒素ガス流Ｎ2からの反発力を受けて図示左方向に戻される。同様にして、図１０（Ｂ）に示すように半田ボール４０が送出口３１の中心位置から図示左方向にずれると、半田ボール４０のずれた分だけ窒素ガス流Ｎ2の図示左側の流路が狭くなり、窒素ガス流Ｎ2からの反発力を受けて図示右方向に戻される。この繰り返しにより、半田ボール４０は常に、送出口３１の中心位置で保持される。
そして、窒素ガス流Ｎ2及び送出口３１により半田ボール４０を保持した状態のまま、図１１に示すように、キャピラリ３０の複数の切欠部３４を通して半田ボール４０にレーザー光を直接照射する。図１１ではレーザー照射位置を符号Ｒで示す。このレーザー照射は、キャピラリ３０とは別体のレーザー熱源により、キャピラリ３０の送出口３１が向いている方向（窒素ガス流Ｎ2によって半田ボール４０が搬送される方向）とは別の方向から行う。より具体的には例えば、スライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３との両方に対してはキャピラリ３０と同様に約４５度傾けた状態で、キャピラリ３０を時計回りまたは反時計回りに所定角度回転させた方向から、レーザー照射する。このときレーザー光のパワーは、半田ボール４０を完全に溶融させるため、レーザー有効スポット径が半田ボール４０より若干小さくなる程度のパワーに設定する。本実施形態では、直径１３０μｍ程度の半田ボール４０を用いるので、レーザー光の有効スポット径は１００μｍ程度とすることが好ましい。レーザー熱源には、低エネルギーのレーザー光を放射する半導体レーザーや赤外線レーザーを用いることができる。複数の切欠部３４はレーザー光を通過させやすいように送出端部３０ａの先端側ほど拡がる断面台形形状で形成してあるので、レーザー光の損失が少なく、レーザー光を半田ボール４０に効率よく与えることができる。
上記レーザー照射を開始したら、図１２に示すように、スライダ１１の電極パッド１３とフレキシブル配線基板２２の電極パッド２３との接合面からキャピラリ３０を遠ざけて、レーザー照射を所定時間継続して半田ボール４０を完全に溶融させる。この完全溶融後、再固化した半田４０’により、スライダ１１及びフレキシブル配線基板２２の両電極パッド１３、２３は接合される。
以上のように本実施形態では、キャピラリ３０の送出口３１から自然落下させた半田ボール４０を、該キャピラリ３０の送出端壁に設けた複数の切欠部３４を介して外方へ均等に（放射状に）噴出する窒素ガス流Ｎ2によって位置決めしつつ、この半田ボール４０に複数の切欠部３４を通してレーザー光を直接照射することで、スライダ１１及びフレキシブル配線基板２２の両電極パッド１３、２３を接合する。このように複数の切欠部３４から等方的に噴出する窒素ガス流Ｎ2によって半田ボール４０を位置決めすれば、半田ボール４０が送出口３１の中心位置から多少ずれそうになると、窒素ガス流Ｎ2によって押し戻されるので、フラックスを用いなくても、複数の切欠部３４から噴出する窒素ガス流Ｎ2だけで半田ボール４０を位置精度良く搭載することができる。これに対し、窒素ガス流を上方から吹き付け、この窒素ガス流で半田ボール全体を覆って位置決めする場合には、半田ボールが一度偏心してしまうと元の位置に戻すことができず、接合位置がばらついてしまう。
また本実施形態では、半田ボール４０は１回のレーザー照射で完全に溶融されるので、仮固定と本固定の２段階にわけてレーザー照射する必要がなくなり、工程数が減って製造容易になるとともにレーザー照射による熱ダメージも軽減される。
さらに本実施形態では、半田ボール４０及び窒素ガス流Ｎ2の搬送方向とは別方向から、すなわち、キャピラリ３０の搬送路３２の外部から半田ボール４０をレーザー照射するので、レーザー光の焦点距離を短くして焦点調節を容易にできるほか、低エネルギーのレーザー光で十分に半田ボール４０を溶融でき、ＹＡＧレーザーのような高エネルギーのレーザー光や複雑で高価な設備を用いなくて済む。
本実施形態では切欠部３４を十字型に４つ設けたが、キャピラリ３０の送出端壁に設ける切欠部３４は、図１３（Ａ）に示すように２つでも図１３（Ｂ）に示すように３つでもよく、また、５つ以上でもよい。図１３（Ａ）のように切欠部３４を送出口３１の周方向に１８０度間隔で一対で設ける場合は、スライダ１１とフレキシブル配線基板２２の両電極パッド１３、２３に対して直交する方向に切欠部３４が露出するように、キャピラリ３０を設置する。送出口３１から自然落下した半田ボール４０は、スライダ１１とフレキシブル配線基板２２の両電極パッド１３、２３の二方向に接した状態なので、一対の切欠部３４から噴出する窒素ガス流Ｎ2によって電極パッド１３、２３と直交する方向を位置規制すれば、半田ボール４０を位置決めできる。
また本実施形態では、半田ボール４０を搬送及び位置決めする際に窒素ガス流Ｎ2を用いているが、窒素ガス流Ｎ2以外にも、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ等の不活性ガス流を用いることができる。
本実施形態では、金属ボールとして鉛を含まない半田ボール４０を用いているが、鉛と錫を主成分とする半田を使用してもよく、また、半田以外の低融点金属を使用してもよい。
本発明方法の適用対象である、磁気ヘッドアッセンブリ（完成状態）の一実施形態を示す模式構成図である。 図１のスライダの電極パッドとフレキシブル配線基板の電極パッドとの接合部を拡大して示す模式図である。 本発明の一実施形態による半田ボールボンディング方法で用いるキャピラリを全体的に示す模式図である。 図３のキャピラリの送出端部を一部破断して示す断面図ある。 図３のキャピラリの送出端部を示す側面図である。 図３のキャピラリの送出端部の先端面を示す平面図である。 本発明の一実施形態による半田ボールボンディング方法の一工程を説明する模式断面図である。 図７に示す工程の次工程を説明する模式断面図である。 図８に示す工程の次工程を説明する模式断面図である。 （Ａ）（Ｂ）窒素ガス流による半田ボールの位置決め態様を説明する模式図である。 図９に示す工程の次工程を説明する模式断面図である。 図１１に示す工程の次工程を説明する模式断面図である。 （Ａ）２つの切欠部を設けた場合のキャピラリの送出口を示す平面図である。（Ｂ）３つの切欠部を設けた場合のキャピラリの送出口を示す平面図である。
符号の説明
１ 磁気ヘッドアッセンブリ
１１ スライダ
１２ 磁気抵抗効果素子
１３ 電極パッド
２１ フレキシャ
２２ フレキシブル配線基板
２３ 電極パッド
２４ 中継用フレキシブル配線基板
３０ キャピラリ
３１ 送出口
３２ 搬送路
３４ 切欠部
４０ 半田ボール

Claims (7)

  1. 磁気抵抗効果素子が組み込まれたスライダの電極パッドと、前記磁気抵抗効果素子と外部回路とを接続するフレキシブル配線基板の電極パッドとを、互いに直交する位置関係で接合する方法であって、
    不活性ガス流により金属ボールを搬送するための搬送路と、この搬送路の送出端壁を周方向に均等な間隔で切り欠いて形成した複数の切欠部とを備えたキャピラリを準備する工程と、
    このキャピラリを、前記スライダの電極パッドと前記フレキシブル配線基板の電極パッドとの接合面に向けて設置する工程と、
    前記キャピラリの搬送路に金属ボールと不活性ガス流を導入して該金属ボールを前記接合面まで搬送し、この接合面上の金属ボールを、前記搬送路を通過して前記複数の切欠部から放射状に噴出する不活性ガス流により位置決め及び保持する工程と、
    前記キャピラリの複数の切欠部を通して前記金属ボールにレーザー光を直接照射して溶融させ、該溶融金属により前記スライダの電極パッドと前記フレキシブル配線基板の電極パッドとを接合する工程と、
    を有することを特徴とする磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法。
  2. 請求項１記載の磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法において、前記キャピラリは、前記スライダの電極パッドと前記フレキシブル配線基板の電極パッドとの接合面に前記送出端壁を向けて設置し、該接合面に搬送した金属ボールの位置を、該送出端壁で機械的に規制する磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法。
  3. 請求項２記載の磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法において、前記レーザー光の照射を開始したら、前記キャピラリを前記接合面から遠ざける磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法。
  4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法において、前記キャピラリは、前記送出端壁の周方向に９０度間隔で十字型に形成した４つの切欠部を有する磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法。
  5. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法において、前記キャピラリは、前記送出端壁の周方向に１８０度間隔で形成した一対の切欠部を有し、この一対の切欠部を、前記スライダの電極パッドと前記フレキシブル配線基板の電極パッドの両方に対して直交する方向に向けて設置する磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法において、前記レーザー光は、前記金属ボールが不活性ガス流によって搬送された方向とは別の角度から照射する磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法。
  7. 請求項６記載の磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法において、前記レーザー光は、半導体レーザーまたは赤外線レーザーから放射される磁気ヘッドアッセンブリの金属ボール接合方法。
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