JP2007030044A - 保持基板上の小型部品の高精度の固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保持基板上に小型化された、特にマイクロ光学素子を有する小型部品のはんだ接合を介して行われる固定方法を提供する。
【解決手段】固定部分（３）を取り囲み、少なくとも１つの接続部（９）によって橋絡される凹部（１０）を有する保持基板（４）において、はんだ材料（８）を固定部分（３）の上側面に塗布する。固定方法は、はんだ材料（８）および小型部品（１）のベース部（７）が接触しないで中間空間を形成するよう配列し、固定部分（３）の下側面（６）へ電磁放射線（１２）を供給し、はんだ材料（８）を溶解して滴形状とし、中間空間を溶融したはんだ材料（８）で満たし、溶融したはんだ材料（８）の再固化により固定するまで待機する工程を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ接合による保持基板の所定の固定部分への小型部品の高精度の固定方法に関する。

はんだ接合による小型部品の様々な固定方法は、先行技術から公知である。

特許文献１に、例えば、サファイア板またはパイレックス（登録商標）板、石英板またはゼロジュル板によって形成される平面基板上の小型部品のはんだ固定方法が記載されている。基板は、少なくとも部分的に、格子状の金属パターンもしくは金属構造で被覆される。特許文献１によれば、前記パターン構造は、平面素子からなる格子あるいは好ましくは直角に交差する、格子またはその他の、金属の領域と含まない領域の一様な入れ替りを特徴とする構造を形成するストライプの列から構成されている。前記平面素子は、長方形、正方形、円形あるいは本方法に使用されることに適している形状とすることができる。パターンステップ幅は、ここで小型部品の固定されていない側の寸法より少なくとも一桁小さくするべきである。はんだ材料は、小型部品の金属からなる固定されていない側に、特に凸側に塗布される。小型部品は基板の上方に配置され、小型部品の平面金属パターンとはんだ材料層は、接触しないで垂直方向に離間した対向位置にある。そして、熱エネルギー、特にレーザー光は、平面基板の被覆されていない側から小型部品が配置されている被覆側に、はんだ材料層のはんだ材料を溶融するために、はんだ材料の滴が形成されるまで供給され、それによって、はんだ材料滴が小型部品と基板との間を互いに固定するために中間空間を満たす。金属のパターン領域は、はんだ材料のための固定部を提供し、他方、金属のない領域は、はんだ材料を直接溶融させるために充分なエネルギー量が基板を通して通過できることを可能にする。従って、熱エネルギーが供給されるときエネルギーの一部が金属パターンの被覆されていない領域を通過する。金属で被覆された金属パターンの領域に到達する部分は、金属層を加熱するかまたは反射される。エネルギーは、好ましくはレーザー光で調達される。基板上の金属パターンの格子構造のために、金属層の好適な光吸収係数の選択は、一方で基板が過熱されてはならず、他方では処理工程を実施するために一定の最低温度が必要になるので特に重要である。通常、特許文献１に記載された方法の場合は、金属パターンによって平面基板の表面の約７０％が金属で覆われる。実際は、はんだ材料は小型部品の側面付近ではんだ材料の残量より速く冷却される。これは、固化したはんだ材料を非対称性にさせる。はんだで固定するときに幾つかの異なる材料が隣接するので、平面基板、その上に置かれる金属層、はんだ材料および小型部品の異なる熱膨張係数がはんだ方法の実施後に高い応力や収縮を生じさせる。基板の下側面と上側面との間で材料が異なるためにその上側面と下側面で避けられない温度差は、さらに平面基板の膨らみを生じさせ、それによって位置決め精度が悪くなる。基板材料の機械抵抗に応じて、局所変形が高い応力によってはんだ接合の領域にも発生する。もう１つの問題は、比較的費用のかかる方法を利用して、例えばサファイア板またはパイレックス（登録商標）板、石英板またはゼロジュル板によって形成される平面基板が格子状の金属パターンもしくは金属構造によって被覆されなければならないので、基板の構造が比較的複雑になることである。公知の方法における小型部品の自由な位置決め性は、金属を含まない領域の有無によって、特にパターン構造上の不連続なステップでのみ限定的に可能である。上記の公知の方法によって６自由度で約２ミクロンの精度を達成することができる。しかしながら、特にマイクロ光学素子を含むまたは保持する小型部品を実装するために、より高い実装精度が必要である。少なくとも１ミクロンもしくは０．１ミリラジアン以下の位置決め精度が求められている。

特許文献１に開示された方法を改善するための解決策は、同じ出願人の特許文献２に記載されている。この方法の場合、金属層は平面基板上に平面的に常に中断のない層の形態で塗布されている。この金属層の直接上には、同様にもう１つのはんだ材料からなる中断のないまたはパターン状の層がある。この金属層は、局所に限定された領域で、例えばレーザービームを利用して、レーザー光の吸収によりレーザー光に対して透明の基板の下側面から加熱される。それによって加熱板のような金属層の機能を果たしているため、その上に配置されたはんだ材料が溶融され、公知の方法で滴の形成によって金属層と小型部品との間を互いに固定するために中空空間を満たしている。この方法の長所は、連続的な常に平坦な金属層のために、上記の公知の金属パターンに比べて、貫通する金属面が中断のある金属パターン層の場合よりもより簡単かつ均一にはんだ材料で湿潤されるので、基板上でより高い小型部品の最終位置決め精度が達成されることにある。前記のはんだ付け法により、いわゆる０．２５ミクロンの範囲の固定精度が達成され、その結果、この方法は基板上のマイクロ光学構成要素の高精度の実装に使用することができる。

特許文献１および特許文献２の両者の方法は、高精度の位置センサ装置を使用するハンドリングロボットによって必要な全ステップを実施できるので、特に自動的な、融剤を含まないレーザーはんだ工程での使用に適している。つまり、各小型部品は自由に室内で高精度に全ての６自由度で位置決めすることができる。全基板が平面金属層で被覆される場合、はんだ材料平片の自由な位置決めによって、あるいは、はんだ材料層の場合は任意の位置で小型部品を平面基板上に位置決めすることができる。小型部品は、例えばマイクロ光学素子、例えばレンズ、光ファイバ、レーザーダイオード等のための保持具として用いることができる。このような小型部品は、典型的に２ミリメートルのオーダーの直径と、３ミリメートルの高さとを有する。マイクロ光学部品用の保持装置の実施例の可能性は特許文献３から読み取れる。

その他の多数の保持基板上への小型部品の固定方法は、電子表面実装回路の装着技術、ＳＭＤ技術の分野から公知である。しかしながら、電子回路の場合、電子回路により低い精度が要求され、６自由度全てに高精度の位置調整は要求されないので、マイクロ光学部品の実装の分野と全く異なる要求がある。また電子回路は、定義により、ただ１つの中断なしの金属層を有する回路基板上に多数の電子部品を実装することは不合理であるので、中断された金属層上に構成されなければならない。保持基板上の小型部品の高精度の位置調整性は、電子回路に必要でもなく所望されてもいないが、例えば、保持基板上のマイクロ光学系の構造にとっては決定的に重要である。従って、電子回路基板実装技術からの試行は制限付きでのみ適しているにすぎない。

場合により６自由度の全てで少なくとも部分的に小型部品の自由な位置調整性があるために、それによって小型部品が平面基板上で位置決めされ、はんだ方法の実行中に保持される位置決めシステムに高い要求が課されている。

同様に、同一出願人の特許文献４に、はんだ接合、溶接接合または接着接合による平面保持基板上の小型化された、特に少なくとも１つの光学素子を担持するあるいは含む、小型部品の高精度の固定のための方法、装置およびシステムが記載されている。小型部品は、ロボットステーションのグリッパを用いて保持基板の上方に外部の基準点と相対的に位置決めされ、好ましくは６自由度の５つが高精度で小型部品の目標位置に相当する。小型部品と保持基板との間の垂直の間隔は、接合継目の収縮率に相当する寸法に加えた目標間隔から生じる。それに続き、小型部品と保持基板との間の接続が構築され、小型部品と保持基板との間の接合継目は収縮によって固化され、それによって小型部品を把持するグリッパに垂直方向の引張力がかかる。この収縮と同時に、グリッパは制御式または調節式に、保持基板方向へ、必要であれば一定の垂直の目標位置まで、垂直運動を実行し、それによって収縮に有利にたわみ、その結果、高い応力の発生が広範囲に阻止され、グリッパによる小型部品の着脱時に位置変化が誘発されない。グリッパは保持基板と水平に固化工程中に位置変化を生じさせない。さらに、この方法に使用するためのグリッパが記載されている。

既に先行技術から公知の、平面基板上の小型部品の高精度のはんだ固定方法は、これまでまだ充分に解決できていない幾つかの弱点を有する。基板とはんだ材料との間、ならびに、はんだ材料と小型部品との間で異なる熱膨張係数は持続的な機械応力をもたらす。基板の、特に主として使用されるパイレックス（登録商標）の低い引張強度は、はんだ合金ＳｎＡｇおよびＡｕＳｎにより、一部はんだ工程中または製品の寿命の経過中に割れの形成を引き起こす。基板の上側面と下側面との間で異なる温度は、基板にバイメタル状の屈曲を引き起こし、これは、特に基板上の複雑な小型光学系の構造で非常に大きい問題となる。特に、例えば、サファイアまたはパイレックス（登録商標）、石英またはゼロジュルからなる好適な基板の高額の費用や、これらの材料の粗悪な切削および無切削加工性が公知の方法の経済性に不利な影響を及ぼす。基板に適している材料が脆性的な特性を有するために、基板での切削作業、特に穴あけや鋸引きは高コストの加工技術を利用してのみ可能となるので、最終的に装着される基板は、最終ケーシングの中に接着して固定されることになる。従って、板状ではない基板の成形は全く実現できない。局所に限定された熱の供給によって、特に中断のない金属層の場合に、その熱膨張が面方向で殆どあるいは全く膨張しない、より冷たい周縁領域によって吸収されないので、加熱領域の膨らみを生じる。この膨らみは、同様に垂直の最終位置決め精度の劣化を引き起こす。この理由から当分野において、局所的な熱取込みが貫通する金属層を妨害するので、再び貫通する金属層から距離があけられている。基板に対して固定された小型部品の後からの精密位置調整は、対応して位置調整可能の部品ホルダーによってのみ可能である。
国際特許出願公開第９９／２６７５４号明細書 国際特許出願公開第２００４／０５０２８７Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１１２７２８７号明細書 国際特許出願公開第２００４／０５２０７０Ａ１号明細書

本発明の課題は、小型部品の向上した最終位置精度、より高い工程安全性、関与した構成要素の可能な限り簡単な構造および簡単なハンドリング性を特徴とする、保持基板上に小型化された、特にマイクロ光学素子を有する小型部品のはんだ接合を介して行われる固定方法を提供することである。

この課題は独立請求項の主要な特徴を実現することによって解決される。別法または好ましい方法で本発明を継続形成する特徴は、従属請求項から読み取られる。

本発明による方法は、はんだ接合による保持基板の所定の固定部分に小型部品の固定に用いられる。保持基板とは、小型部品をその最終位置決めに保持するために少なくとも１つの小型部品、好ましくは複数の小型部品が直接はんだによって機械的に固定され、負荷要求に対して充分な強度を有する構造を有する担体である。

保持基板は、本発明により金属材料から形成されている。金属材料として、特に、例えば鋼、ステンレス特殊鋼、インバーまたはアーキャップ、金属性のはんだに役立つセラミック材料、金属複合材料あるいは基材としてはんだに役立つその他の金属粉末、または焼結材料のような合金が適している。保持基板の厚さは、好ましくは０．５および２ミリメートルの間になる。金属材料は、本方法で使用される電磁放射線に対して高い吸収係数を有する。レーザービームを使用する場合、材料は本質的にレーザー光に対して不透過性であり、高いレーザー光吸収係数を有する。レーザービームの吸収率を増加するために、例えば耐熱性の黒色塗装層の塗布によって、保持基板を少なくとも下側面の固定部分で黒色化することを可能にする。一般的に金属材料からなる保持基板の比較的良好な熱伝導率によって、保持基板の上側面と下側面が直ちに同じ温度に達することができるので、バイメタル状の屈曲は発生しない。保持基板の少なくとも１つの固定部分は、少なくとも１つの接続部によって橋絡される保持基板内の凹部によって取り囲まれる。この凹部は、例えば少なくとも１つの接続部によって凹部を中断して、特に環状に取り囲む保持基板内の貫通する縦の溝として形成されている。保持基板内の凹部は、例えば、スタンピング、レーザー切削、水噴射切削、電食金属加工を利用して、あるいは特にフライスによる切削で製造することができる。固定部分は、好ましくは、ただ１つの小型部品が固定部分に固定可能であるように寸法決めされ、かつ形成されている。少なくとも１つの接続部は、例えば直線的な固定部分の中心に向けた棒として、湾曲したまたは蛇行状の棒として、あるいはバネ状、特にジグザグ状の配列に屈曲して形成されている。凹部は、任意の、好ましくは円形、楕円形、四角形、多角形あるいは自由形状の基本形状を有することができる。可能な位置実施形態において、凹部は、少なくとも１つの、好ましくは複数の、例えば３つの、接続部によって環状の凹部に沿って均等な角度間隔、例えば１２０°、で割り振られた、半径方向に延長する接続部によって橋絡された環状の凹部として形成されている。一継続形成において、凹部は複数の同心状に離間して配置された環状の凹部によって形成されており、例えば均等な角度間隔で割り振られた、第１の環状の凹部の第１の接続部と、均等な角度間隔で割り振られた、直接隣接する環状の第２の凹部の第２の接続部とが半分の角度間隔だけシフトして配置され、第１の環状の凹部と第２の環状の凹部とを半径方向に分離する環状の接続部を介して接続されている。この配列は、固定部分の面方向の熱膨張が面方向へバネ状に作用する環状の接続部の変形によって吸収されることを生ぜしめる。凹部は、好ましくは、中央の、特に円形の、凹部の円周に沿って保持基板の少なくとも１つの接続部によって橋絡された割合が沈み込ませた割合よりも本質的に少なくなるように形成されている。中央の円周とは、平均的に中心で凹部内で延長する、少なくとも１つの接続部を通る円周である。これは、例えば、環状の凹部の場合は、中央の環状円周である。少なくとも１つの接続部によって橋絡された割合は、好ましくは全ての中央の円周の２０％以下、特に１５％以下である。固定部分と、少なくとも１つの接続部とを含む保持基板は、好ましくは一体に形成されている。しかしながら、保持基板と固定部分は、必要であれば異なる材料から製造され、少なくとも１つの接続部によって互いに結合される分離された部分から構成することが可能である。

この本発明による実施形態は、特にその寸法を部品ベース部の寸法に限定できる固定部分から周囲の保持基板への熱伝達を最小限に低減できる。少なくとも１つの接続部は固定部分を機械的に周囲の保持基板と結合し、あまりに大きすぎる熱の移動を生じさせない。それによって、比較的少ないエネルギー量の取込みにより単にはんだ材料のための加熱面として利用される保持基板の固定部分のみが加熱されることを達成でき、その際に保持基板の周囲はあまり大きく加熱されない。金属材料の比較的高い熱伝導率によって、固定部分を迅速かつ均一に加熱することができる。それによって、はんだ材料による均一な湿潤性が達成される。もう１つの長所は、少なくとも１つの接続部が面方向へ可撓性を有し、バネ状に作用するように接続部を形成できることにある。その結果、電磁放射線を供給したときの固定部分の面方向の熱膨張は凹部によって、また少なくとも１つの屈撓性の接続部によっても吸収され、周囲の保持基板の非加熱部分に影響を及ぼさない。バネ状の溝の構造および接続部の構造によって、先行技術で大きい問題となる局所的な熱膨張による膨らみは保持基板内の熱応力の吸収によって防止することができる。

保持基板は金属材料から構成されるので、容易に切削法または無切削法によって加工できる材料、例えば鋼を選択することができ、その結果、例えば追加する小型部品の固定ねじまたは実装のための穿孔は問題なく可能である。同様に、保持基板に成形、特に深絞りによって任意の３次元形状を付与することも可能である。従って、保持基板とは、平坦ではない、例えば湾曲した形状でもよい。同様に少なくとも１つの接続部の塑性変形によって既に固定されてしまった小型部品を含む固定部分を、周囲の保持基板と相対的に位置調整することも可能であり、先行技術から知られているような位置調整可能の部品ホルダーを必要としない。

本方法の説明のために、保持基板の上側面は、基準面および小型部品に向けた側として規定されており、従って垂線または鉛直線とは、保持基板に対する法線であり、地平方向、水平方向あるいは面方向とは、保持基板の上側面と平行の方向あるいは平面である。これは「上側」あるいは「下側」のような概念にも同様に当てはまる。もちろん上記の方法は、説明したように水平方向に向けた保持基板だけでなく、斜方に、頭上にまたはその他の方法で位置調整した保持基板でも実施することが可能である。従って、保持基板の上側および下側は上位の絶対的な基準系に関係しない。保持基板の下側面は、小型部品とは別の側である。

小型部品のベース部とは、少なくとも部分的に本方法の枠組の中で溶融されたはんだ材料によって湿潤され、それによって保持基板上の固定に寄与する小型部品の部分である。小型部品あるいは少なくともベース部は、特に先行技術から知られているような金属材料から、あるいは金属製セラミックから構成することができる。前記ベース部は、例えば、特許文献３、特許文献１および特許文献２から知られているように、円筒外筒面形状または球台形状を有することができる。小型部品あるいはベース部の材料が保持基板の材料と同じ場合に非常に良好な結果が達成される。

保持基板の固定部分の上側面に、例えば固定部分の中心にゆるく表面上で水平に移動可能に位置決めされたはんだ材料平片の形態や固定部分で中断のないまたはパターン状に塗布されたはんだ材料層の形態あるいはその他の方法で、少なくとも部分的にはんだ材料が塗布されている。

はんだ材料として、特に先行技術から公知のスズ合金、例えばＳｎ９６Ａｇ４からなる融剤を含まないはんだ材料が適している。

本発明の一継続形成において、小型部品のベース部は下方に開いた中空円筒体、特に直線状の円形中空円筒体の形状を有し、その円筒軸は保持基板に対して鉛直方向に延びる。円筒壁は、溶融した熱いはんだ材料から小型部品への、特に場合によりその箇所に配置されたマイクロ光学素子への熱伝達を可能な限り低く抑えるために薄壁に形成されている。固定部分の上側面に塗布されてまだ溶融していないはんだ材料は、ここで平坦な円筒体残片の基本形状を有するはんだ材料平片として形成されており、固定部分に水平方向に移動可能に配置されている。はんだ材料外径は中空円筒体内径よりも小さい。

はんだ接合による保持基板の所定の固定部分上で、特にマイクロ光学素子を含む小型部品の高精度の固定方法の第１工程において、前記固定部分の上方に小型部品が高精度に配列され、はんだ材料および小型部品のベース部が接触せずに、特に垂直に離間した中間空間を形成する対向位置にある。小型部品のベース部が下方に開いた中空円筒体の形状を有する本発明の上記の継続形成において、前記の方法工程は、第１部分工程で固定部分の上方への小型部品の配列を含み、はんだ材料は、中空円筒形のベース部によって接触しない離間した中間空間を形成する対向位置で取り囲まれ、かつ、第２部分工程では、小型部品の高精度の水平方向の精密位置決めを含み、中空円筒形のベース部は、封入されたはんだ材料を水平方向に同時に移動する。この最後に挙げた部分工程は、本発明のもう１つの継続形成において、小型部品の水平方向の前位置決めによる封入されたはんだ材料の移動による水平方向のはんだ材料の精密位置決めの第１下位工程を含み、中空円筒形のベース部は封入されたはんだ材料を水平方向に同時に移動し、かつ小型部品の高精度の水平方向の精密位置決めの第２下位工程を含む。この本発明の継続形成は、保持基板の上方への小型部品の水平方向の位置決めによって、同様にはんだ材料を同時に位置決めすることができ、必要であれば、精密に小型部品のベース部の中心に位置調整することもできる。それによって、収縮下に固化するはんだ材料は、小型部品が対称的に配列される場合に、本質的に小型部品の垂直の位置変化だけを保持基板の方向へ生ぜしめるが、これは残りの５自由度に影響しない状態にとどまるので、小型部品の水平方向の位置調整への影響を防止することができる。

本方法の第２工程において、電磁放射線は、局所の本質的に固定部分に限定された、保持基板下側面の領域で供給され、その結果、はんだ材料は少なくとも部分的に溶解され、−液化状態でのその表面張力に限定されて、はんだ材料滴を形成する。従って、当初の平坦なはんだ材料は、滴形成によって小型部品のベース部に対して垂直方向へ増大する垂直寸法を取り、その結果、はんだ材料と小型部品との間の縦方向の間隔が減少する。必要であれば、１つの部分工程で保持基板と小型部品の垂直距離は付加的に保持基板の方向への出発位置から小型部品の沈み込みによって低減される。滴形成と、また場合により小型部品の沈み込みとにより、互いに固定するための中間空間が溶融したはんだ材料で満たされ、その結果、小型部品のベース部は少なくとも部分的に溶融したはんだ材料によって湿潤される。

電磁放射線は、好ましくはレーザービームによって形成される。この場合、電磁放射線の供給は、レーザービームが固定部分の下側面によって本質的に吸収され、はんだ材料が固定部分の上側面で少なくとも部分的に溶融するように固定部分を加熱するように、固定部分の下側面へレーザービームの調節によって局所的に限定して行われる。吸収は、固定部分の下側面が黒色化されることによって増大させることができる。

電磁放射線がもはや供給されない方法の第３工程において、溶融したはんだ材料の再固化によって相互に固定するまで待機される。

小型部品の配列は、好ましくはハンドリングシステム、特にグリッパを利用して行われる。本発明の一継続形成において、溶融したはんだ材料が収縮下に固化する待機の工程において、収縮によってハンドリングシステムから小型部品に作用する力が、特に能動的または受動的に屈撓性のグリッパを利用して、特許文献４から公知のように、本質的に吸収される。

別法による一工程において、少なくとも１つの接続部によって橋絡されていない凹部を、少なくとも部分的に液状の固化する充填材で少なくとも部分的に凹部の橋絡のために充填することも可能である。充填材として、例えば、接着剤またははんだが適している。それによって機械的に少なくとも１つの接続部を介してのみ周囲の保持基板と接続し、それによって場合により持続的に充分に固定されていない固定部分を確実かつ持続的に固定することができ、その結果、周囲の保持基板に対する固定部分の意図しない移動による小型部品の位置ずれが防止される。接続部の塑性変形によって可能になった、そこに固定された小型部品を含む固定部分の精密位置調整によって持続的に固定することができる。

先行技術は、加熱のために使用される電磁放射線に対して透過性の機械的保持基板を好ましくはパイレックス（登録商標）板を使用し、ただ１つの機能としてはんだ材料による湿潤性がある金属層をその上面に可能な限り薄く塗布することを教示している。したがって、金属からなる表面の形状によるはんだ材料担体と保持基板の部品保持基板の組合せは、これまで先行技術からの認識によれば、完全に相反することと認識されていた。これまで局所に限定された非常に高い熱の取込みによって、かつ大きい温度勾配に応じて保持基板内に非常に高い応力が発生し、その結果、担体の収縮が生じ、それによって高い最終位置決め精度が達成できなくなるため、前記技術分野における機械部品担体とはんだ材料担体の組合せは不可能であるという先入見に支配されていた。このような先入見は、まず第一に、国際特許出願公開第２００４／０５０２８７号Ａ１明細書から公知であるように、中断なしにパイレックス（登録商標）担体に塗布された金属層による実際の実験でも証明されていると思われる。しかしながら、本発明は、正反対の教示内容にもかかわらず、はんだ材料担体と部品担体の組合せの思想を再び取りあげており、それによって驚くべきことに先行技術よりも相当大きい長所を達成することができる。

本発明による保持基板上への小型部品の固定方法は、以下、図面に模式的に示した具体的な実施例を利用して詳しく説明し、その際に本発明のその他の長所も詳述する。ここで一部既に前に説明した図の符号を用いる。

図１に金属製の平面保持基板４を示しており、前記保持基板４の中心に固定部分３が成形されており、前記固定部分３は環状の凹部１０によって取り囲まれており、前記凹部１０は保持基板４をその上側面５からその下側面６へ垂直に通過する３つの円弧状の溝から構成され、前記溝はそれぞれ接続部９によって分離されている。３つの接続部９は、固定部分３を機械的に周囲の保持基板４と結合し、環状の凹部１０の水平方向の中心から放射状に延びる。保持基板４、その固定部分３およびその３つの接続部９は、一体に金属から形成されている。固定部分３の上側面５に平らな円筒体平片の形状を有するはんだ材料８がある。固定部分３およびはんだ材料８の上方に、はんだ材料８および小型部品１のベース部７が接触しないで垂直に僅かに離間した中間空間を形成する対向位置にあるように配置された、マイクロ光学素子２を担持する小型部品１がある。小型部品１のベース部７は金属からなる球台によって形成され、溶融したはんだ材料に対して良好な湿潤性を有する。

図２は、３つの異なる固定部分３、３ａおよび３ｂが形成された保持基板４ａを示す。中央の固定部分３は図１のそれに等しく、３つの接続部９によって橋絡される、円形の凹部として形成された凹部１０によって取り囲まれている。この円形の凹部１０の円形の中央の円周１１は、点線で表している。明らかに識別できるように、３つの接続部９によって橋絡された円周１１の長さ１１ａは、円周の沈み込ませた長さ１１ｂよりも少なく、図示した実施例において好ましくは２０％以下、好ましくは１５％以下、特に１０％以下である。それによって接続部９で限定され、固定部分３から周囲の保持基板４ａへの熱の移動は制限される。周囲の固定部分３ｂは、ただ１つの接続部９ｂによってのみ橋絡される円形の凹部１０ｂによって取り囲まれる。この実施形態の長所は、周囲の保持基板４ａへのさらに低い熱の移動と、固定部分３ｂの周囲の保持基板４ａとの容易な相対的な位置調整性である。左側の固定部分３ａは凹部１０ａによって取り囲まれ、前記凹部は２つの同心的に離間して配置された環状の凹部１０ａ’および１０ａ’’によって形成される。前記２つの環状の凹部１０ａ’および１０ａ’’の各々は、均等な１２０°の角度間隔αで割り振られた放射状に固定部分３ａの中心から延びる接続部９および９ａによって橋絡される。１２０°の角度間隔αで割り振られた内部の第１の環状の凹部１０ａ’の接続部９と、同様に１２０°の角度間隔αで割り振られた、直接隣接した外部の第２の環状の凹部１０ａ’’の第２の接続部９ａは、半分の６０°の角度間隔α／２だけシフトして配置されている。接続部９および９ａは、さらに第１の環状の凹部１０ａ’と、第２の環状の凹部１０ａ’’とを分離する環状接続部９ａを介して接続されている。このシフトした配列によって、環状接続部９ｂの変形により固定部分３ａの面方向の熱膨張を吸収することができ、保持基板４ａの一部の膨らみを生ぜず、その結果、増加した垂直方向の最終位置決め精度を達成することができる。

図３（ａ）および図３（ｂ）において、図１の小型部品１の配列は、はんだ接合の製造前、図３（ａ）参照、および製造後、図３（ｂ）参照、を断面図で示している。マイクロ光学素子２を有する小型部品１は、図３（ａ）で高精度に固定部分３の上方に配置され、はんだ材料８および小型部品１のベース部７は接触しない垂直にわずかに離間した中間空間を形成する対向する位置にある。図３（ｂ）において、電磁放射線は、レーザービーム１２の形態で、局所的に固定部分３に限定された保持基板４の下側面６の領域に供給されている。レーザービーム１２は固定部分３の下側面６によって吸収され、固定部分３を比較的高い金属の熱伝導率によって水平方向にも垂直方向にも均一に加熱する。固定部分３の局所的加熱によって、これが加熱板のように作用し、はんだ材料８を溶融する。表面張力によって溶融したはんだ材料８の滴が形成される。付加的に保持基板４と小型部品１の垂直間隔は、初めの位置から保持基板４の方向に小型部品１の沈み込みによって減少される。滴形成と、小型部品１の沈み込みとによって、互いに固定するための中間空間が溶融したはんだ材料８で満たされる。それによって小型部品１のベース部７が溶融したはんだ材料８によって湿潤される。レーザービーム１２の停止後、溶融したはんだ材料８の再固化により互いに固定するまで待機される。

図４（ａ）〜４（ｄ）は、本発明による方法の別の実施形態を示す。保持基板４の固定部分３の上側面５に、はんだ材料外径ｄ_8aを有する平坦な円筒体平片の形状を有するはんだ材料平片８ａのはんだ材料がある。はんだ材料平片８ａは、ゆるく載置され、それによって固定部分３上で水平方向に移動可能である。小型部品１ａのベース部７ａは中空円筒体内径ｄ_7aを有する下方へ開いた中空円筒形の形状を有する。はんだ材料外径ｄ_8aは円筒形内径ｄ_7aよりも小さい。例えばｄ_8aは、２．１ミリメートルに等しく、ｄ_7aは、２．３ミリメートルに等しく、はんだ材料平片８ａは、０．８ミリメートルの高さを有し、かつ保持基板４は、１．０ミリメートルの厚さを有する。第１工程（図４（ａ）参照）において、小型部品１ａは、はんだ材料平片８ａが中空円筒形のベース部７ａによって接触しない離間した中間空間を形成する対向位置で少なくとも部分的に取り囲まれるように、固定部分３の上方に配置される。しかしながら、はんだ材料平片８ａと小型部品１ａは、まだ点線で表した中心線１３によって暗示した水平の目標位置にない。中空円筒形のベース部７ａの内部の遊びによって生じるはんだ材料平片８ａは、特に垂直の最終位置決め精度へ影響する非対称性を防止するために、正確に中空円筒形のベース部７ａの中心に配置されるべきである。そのため、まず第一に、はんだ材料平片８ａが中心位置へ移動される。これは、図４（ｂ）に示した小型部品１ａの前位置決めによる封入されたはんだ材料平片８ａの移動による水平方向のはんだ材料の精密位置決めの工程によって行われ、中空円筒形のベース部７ａは、取り囲まれたはんだ材料平片８ａを水平方向に同時に移動する。次の工程（図４（ｃ）参照）において、小型部品１ａが高精度に中心線１３と水平に精密位置決めされる。ここで、はんだ材料平片８ａも、小型部品１ａも、正確に中心線１３と、それによって水平方向の目標位置とに向けられており、次の工程で固定部分３の下側面６へのレーザービーム１２の上記の調節が行われる。溶融したはんだ材料８ａ’は、薄壁の中空円筒形のベース部７ａの内部外筒面を湿潤する。ベース部７ａの長所は、溶融したはんだ材料８ａ’を垂直に上方へ向けることができることにあり、小型部品１ａを強制的に垂直方向に移動する必要がない。さらに、はんだ材料８ａ’の熱伝達は、より熱的に高い感応性のマイクロ光学素子２が配置された小型部品１ａの上方部分で非常に低く保持される。中空円筒形のベース部７ａに封入された空気による応力を防止するために、前記空気の排出と付加的な排熱とを可能にする通路１４を設けている。図示しない次の工程で、はんだ材料８ａ’の固化と相互の固定まで待機される。

もちろん、本発明による固定方法は、特にグリッパによる小型部品の位置決めによる既に知られている追加の方法工程だけ拡張することも可能である。

はんだ接合の製造前の保持基板の、環状の凹部によって取り囲まれた固定部分の上方への小型部品の配列を示す斜視図である。 異なる形状の環状の凹部によって取り囲まれた３つの固定部分を有する保持基板である。 （ａ）は、はんだ接合の製造前の小型部品の配列を示す断面図である。（ｂ）は、はんだ接合の製造後の小型部品の配列を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、中空円筒形のベース部を有する小型部品の配列、はんだ材料平片および小型部品の位置調整ならびにはんだ接合の製造を示す断面図である。

Claims (16)

1. はんだ接合による保持基板（４；４ａ）の所定の固定部分（３；３ａ；３ｂ）に、特にマイクロ光学素子（２）を有する小型部品（１；１ａ）の高精度固定方法であって、
   上記保持基板（４；４ａ）が金属材料からなる上側面（５）および下側面（６）を有し、ならびに上記小型部品（１；１ａ）がベース部（７；７ａ）を有し、
   はんだ材料（８；８ａ）が少なくとも部分的に上記保持基板（４；４ａ）の固定部分（３；３ａ；３ｂ）の上に塗布されており、
   上記固定部分（３；３ａ；３ｂ）上の上記小型部品（１；１ａ）の高精度の配列において、上記はんだ材料（８；８ａ）と上記小型部品（１；１ａ）のベース部（７；７ａ）が接触しないで離間した中間空間を形成する対向位置となる配列をする工程と、
   局所的に上記固定部分（３；３ａ；３ｂ）に限定された、保持基板（４；４ａ）の下側面（６）の領域で、少なくとも部分的に滴形状を形成するよう上記はんだ材料（８；８ａ’）を溶解するための電磁放射線（１２）を供給し、必要であれば保持基板（４；４ａ）の方向に、初めの位置からの上記小型部品（１；１ａ）の沈み込みによる保持基板（４；４ａ）と小型部品（１；１ａ）の垂直距離の低減とによって、互いに固定するための中間空間に溶融したはんだ材料（８；８ａ’）で満たし、上記小型部品（１；１ａ）のベース部（７；７ａ）を少なくとも部分的に湿潤する工程と、
   溶融したはんだ材料（８；８ａ’）の再固化により互いに固定するまで待機する工程とを備える方法であって、
   上記保持基板（４；４ａ）が、
   金属材料、特に合金あるいは金属製セラミックから形成されており、
   固定部分（３；３ａ；３ｂ）を取り囲む、保持基板（４；４ａ）の少なくとも１つの接続部（９；９ａ；９ｂ）によって橋絡される凹部（１０；１０ａ；１０ｂ）を有することを特徴とする保持基板への小型部品の高精度の固定方法。
2. １つだけの上記小型部品（１；１ａ）が上記固定部分（３；３ａ；３ｂ）に固定可能であるように、該固定部分（３；３ａ；３ｂ）が寸法決めされ、かつ形成されていることを特徴とする請求項１記載の固定方法。
3. 上記凹部が、少なくとも１つの上記接続部（９；９ａ；９ｂ）によって橋絡された、少なくとも１つの環状の凹部（１０；１０ａ；１０ｂ）として形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の固定方法。
4. 環状の上記凹部（１０；１０ａ）が、該凹部（１０；１０ａ）に沿って均等な角度間隔（α）で割り振られた、環状の上記凹部（１０；１０ａ）の半径方向に延長する複数の接続部（９；９ａ）によって橋絡されていることを特徴とする請求項３記載の固定方法。
5. 環状の上記凹部（１０；１０ａ）が、該凹部に沿って均等な１２０°の角度間隔（α）で割り振られた、環状の上記凹部（１０；１０ａ）の半径方向に延長する３つの接続部（９；９ａ）によって橋絡されていることを特徴とする請求項４記載の固定方法。
6. 上記凹部（１０ａ）が、同心的に離間して配置された複数の環状の凹部（１０ａ’、１０ａ’’）によって形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の固定方法。
7. 上記複数の環状の凹部が、第１の環状の凹部（１０ａ’）と該第１の環状の凹部（１０ａ’）に隣接する第２の環状の凹部（１０ａ’’）とを備え、
   均等な角度間隔（α）で割り振られた、第１の環状の凹部（１０ａ’）を橋絡する第１の接続部（９）と、
   均等な角度間隔（α）で割り振られた、第２の環状の凹部（１０ａ’’）を橋絡する第２の接続部（９ａ）とが、半分の角度間隔（α／２）だけシフトして配置され、
   上記第１の環状の凹部（１０ａ’）と上記第２の環状の凹部（１０ａ’’）とが、それを分離する環状接続部（９ｂ）を介して接続され、
   上記固定部分（３ａ）の熱膨張が、上記環状接続部（９ｂ）の変形によって吸収可能であることを特徴とする請求項６記載の固定方法。
8. 少なくとも１つの接続部（９；９ａ；９ｂ）によって橋絡された上記凹部（１０；１０ａ；１０ｂ）の円周（１１）に沿った長さ（１１ａ）が、沈み込ませた長さ（１１ｂ）より少なくなるように、上記凹部（１０；１０ａ；１０ｂ）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか記載の固定方法。
9. 上記沈み込ませた長さ（１１ｂ）に対する上記橋絡された長さ（１１ａ）との割合が２０％以下、特に１５％以下になることを特徴とする請求項８記載の固定方法。
10. 上記保持基板（４；４ａ）が鋼から形成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか記載の固定方法。
11. 上記保持基板（４；４ａ）が金属製セラミック材料から形成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか記載の固定方法。
12. 上記電磁放射線がレーザービーム（１２）によって形成され、
    該レーザービーム（１２）が上記固定部分（３；３ａ；３ｂ）の下側面に吸収され、かつ、上記はんだ材料（８；８ａ）が固定部分（３；３ａ；３ｂ）の上側面で少なくとも部分的に溶融するように上記固定部分（３；３ａ；３ｂ）を加熱するように、上記固定部分（３；３ａ；３ｂ）の下側面へレーザービーム（１２）を局所的に限定して供給が行われることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか記載の固定方法。
13. 少なくとも上記固定部分（３；３ａ；３ｂ）の下側面がレーザービーム（１２）の吸収を増大させるために黒色化されていることを特徴とする請求項１２記載の固定方法。
14. 上記固定部分（３）の上側面のまだ溶融していない上記はんだ材料が、はんだ材料外径（ｄ_8a）を有する平坦な円筒体の形状を有するはんだ材料平片（８ａ）として形成され、固定部分（３）に水平に移動可能に配置されており、
    上記小型部品（１ａ）のベース部（７ａ）が中空円筒体内径（ｄ_7a）を持つ下方に開いた中空円筒体の形状を有し、
    上記はんだ材料外径（ｄ_8a）が該中空円筒体内径（ｄ_7a）よりも小さく、
    上記小型部品（１ａ）の配列の工程が：
    固定部分（３）の上側面の小型部品（１ａ）の配列において、はんだ材料（８ａ）が中空円筒形のベース部（７ａ）に接触しないで離間した中間空間を形成する対向位置で、少なくとも部分的に取り囲む工程と、
    小型部品（１ａ）の高精度の水平の位置決めにおいて、中空円筒形のベース部（７ａ）が、取り囲んだはんだ材料平片（８ａ）を水平に同時に移動する部分工程とを含むことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか記載の固定方法。
15. 上記高精度の水平の位置決めの部分工程が、
    上記小型部品（１ａ）の水平の位置決めにより封入されたはんだ材料平片（８ａ）の移動による水平のはんだ材料位置決めにおいて、上記中空円筒形のベース部（７ａ）が取り囲んだはんだ材料平片（８ａ）を水平に同時に移動する部分工程と、
    小型部品（１ａ）の高精度の水平の位置決めする部分工程とを含むことを特徴とする請求項１４記載の固定方法。
16. 少なくとも１つの接続部（９；９ａ；９ｂ）によって橋絡されていない凹部（１０；１０ａ；１０ｂ）を少なくとも部分的に橋絡するため、液状の固化性充填材を少なくとも部分的に凹部（１０；１０ａ；１０ｂ）を充填する別の工程を有することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか記載の固定方法。

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