JP2017131926A - Soldering method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、例えば電子部品の取付や修正等に用いられるハンダ付に使用可能なハンダ付方法に関する。 The present disclosure relates to a soldering method that can be used, for example, for soldering used for attachment or correction of electronic components.
従来から電子部品の取付や修正等に用いられる接合工法として、ハンダ付が知られている。ハンダ付工法としてはこれまで様々な手法が考案されているが、例えば高温の先端部を有するハンダコテを接合対象であるワークに接触させ、ワーク間に介在したハンダを熱伝達により溶融させることで、ワーク間を接合するものがある。例えば特許文献1には、このようなハンダ付工法において、レーザ光の照射によってワークを加熱することによりハンダを溶融させてハンダ接合を行う技術が開示されている。
Conventionally, soldering is known as a joining method used for mounting and correcting electronic components. Various methods have been devised so far as the soldering method, for example, by bringing a soldering iron having a high temperature tip into contact with the workpiece to be joined, and melting the solder interposed between the workpieces by heat transfer, There is what joins between workpieces. For example,
ここで図9を参照して、レーザ光を利用したハンダ付方法の一例について簡潔に説明する。図9はレーザ光を利用したハンダ付方法の一例を概略的に示す模式図である。
この典型例に係るハンダ付方法では、レーザ発振部52と、光ファイバ54と、出射ユニット56とを備えるハンダ付装置50が用いられる。レーザ発振部52は、YAGレーザ等のレーザ発振媒体及びレーザ電源部を内蔵し、所定出力値を有するレーザ光を出力する。光ファイバ54は任意の長さを有し、レーザ発振部52からのレーザ光を出射ユニット56の先端部62に導くように構成されている。接合対象であるプリント基板57上には導体パターンが配設されており、導体パターン上にはハンダ(不図示)を介してIC58のリード端子60が設置されている。出射ユニット56は、先端部62からリード端子60の表面に向けてレーザ光を照射することにより、レーザ光が有するエネルギによってリード端子60を加熱し、その付近のハンダを溶融させる。レーザ光の照射が終了すると、リード端子60付近の溶融ハンダは冷えて凝固し、リード端子60とプリント基板57上の導体パターンとの間に電気的且つ物理的なハンダ接合が形成される。
Here, an example of a soldering method using laser light will be briefly described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic diagram schematically showing an example of a soldering method using laser light.
In the soldering method according to this typical example, a
上記特許文献1では、ハンダを加熱するためのレーザ光として、製造分野で最も普及が進んでいる固体レーザであるYAGレーザ光が用いられている。YAGレーザは、母材としてのYAG(Y3Al5O12)結晶に希土類活性イオン(Nd3+,Yb3+等)をドープしたものであり、代表的なNd:YAGレーザの基本波長は1064nmである。
In
ところでレーザ光のエネルギによって所定の対象物を加熱するためには、対象物とレーザ光との間の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性が低いと、レーザ光の反射率の増大によってエネルギ吸収効率が低下し、加熱に要する時間が長くなってしまう。上述のYAGレーザの場合、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料に対して光学的な結合性が低いため、これらの材料を含むワークに対して加熱に時間を要してしまい、図9のような手法では、生産性が低下してしまうという問題点がある。特にハンダを過度に加熱しないようにレーザ出力を抑えて用いる場合には、上述のように光学的な結合性が低い材料を加熱しようとすると、作業時間が長くなりやすく、上記問題点はより顕著なものとなる。 By the way, in order to heat a predetermined object by the energy of the laser beam, the optical connectivity between the object and the laser beam is important. If the optical coupling property is low, the energy absorption efficiency is lowered due to an increase in the reflectance of the laser beam, and the time required for heating is increased. In the case of the above-mentioned YAG laser, since the optical coupling with materials such as copper, gold, platinum and aluminum is low, it takes time to heat the workpiece containing these materials. However, such a method has a problem that productivity is lowered. In particular, when the laser output is suppressed so as not to heat the solder excessively, if the material having low optical connectivity is heated as described above, the working time tends to be long, and the above problems are more remarkable. It will be something.
本発明の少なくとも1実施形態は上述の問題点に鑑みなされたものであり、幅広い用途において、迅速で且つ高品質なハンダ接合が可能なハンダ付方法を提供することを目的とする。 At least one embodiment of the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a soldering method capable of rapid and high-quality solder bonding in a wide range of applications.
(1)本発明の少なくとも1実施形態に係るハンダ接合方法は上記課題を解決するために、第1のワークの上層側に、ハンダ層を介して、厚さ方向に沿って開口する孔部を有する第2のワークを設置する設置工程と、前記孔部から露出したハンダ層に対してレーザ光を照射することにより、前記ハンダ層を溶融させる溶融工程と、を備える。 (1) In order to solve the above problems, a solder bonding method according to at least one embodiment of the present invention has a hole that opens along the thickness direction through the solder layer on the upper layer side of the first workpiece. An installation step of installing the second workpiece having the second workpiece, and a melting step of melting the solder layer by irradiating the solder layer exposed from the hole with a laser beam.
上記(1)の構成によれば、第1のワークに対してハンダ層を介して上層側に配置された第2のワークに孔部が形成されているため、当該孔部を介してハンダ層にレーザ光を直接的に照射することができる。そのため、使用されるレーザ光やワークの光学的な結合性の影響を受けにくく、レーザ光の仕様や第1のワーク及び第2のワークの構成成分によらず、幅広い用途において良好なハンダ付が可能となる。またレーザ光のエネルギをハンダ層に効率的に供給できるため、迅速にハンダ層を加熱でき、生産性の向上も期待できる。 According to the configuration of (1) above, since the hole is formed in the second workpiece arranged on the upper layer side with respect to the first workpiece via the solder layer, the solder layer is formed via the hole. Can be directly irradiated with laser light. Therefore, it is difficult to be affected by the laser beam used and the optical connectivity of the workpiece, and good soldering is possible in a wide range of applications regardless of the specifications of the laser beam and the components of the first workpiece and the second workpiece. It becomes possible. Further, since the energy of the laser beam can be efficiently supplied to the solder layer, the solder layer can be heated quickly, and an improvement in productivity can be expected.
(2)幾つかの実施形態では上記(1)の構成において、前記第1のワーク及び前記第2のワークは、前記ハンダ層に比べて前記レーザ光と光学的な結合性が低い材料を含む。 (2) In some embodiments, in the configuration of the above (1), the first work and the second work include a material having low optical coupling with the laser beam as compared with the solder layer. .
上記(2)の構成によれば、ワークとレーザ光との光学的な結合性が低い場合であっても、レーザ光を孔部を介してハンダ層に直接的に照射できるため、好適なハンダ付が可能となる。 According to the configuration of (2) above, even when the optical coupling between the workpiece and the laser beam is low, the laser beam can be directly applied to the solder layer through the hole, so that suitable solder is used. Applicable.
(3)幾つかの実施形態では上記(1)の構成において、前記第2のワークは、前記ハンダ層に比べて前記レーザ光と光学的な結合性が低い材料を含む。 (3) In some embodiments, in the configuration of the above (1), the second workpiece includes a material having lower optical coupling with the laser beam than the solder layer.
上記(3)の構成によれば、2つのワークのうちレーザ光の照射側にある第2のワークがレーザ光との光学的な結合性が低い場合であっても、レーザ光を孔部を介してハンダ層に直接的に照射できるため、好適なハンダ付が可能となる。 According to the configuration of (3) above, even if the second workpiece on the laser beam irradiation side of the two workpieces has a low optical coupling property with the laser beam, the laser beam is passed through the hole. Therefore, the solder layer can be directly irradiated, so that suitable soldering can be performed.
(4)幾つかの実施形態では上記(1)乃至(3)のいずれか1構成において、前記レーザ光は、前記孔部を被うように前記第2のワーク上に配置された拡散板を透過して前記ハンダ層に対して照射される。 (4) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (3), the laser beam is a diffusion plate disposed on the second workpiece so as to cover the hole. It penetrates and is irradiated with respect to the said solder layer.
上記(4)の構成によれば、レーザ光を拡散板に透過させることで容易に強度調整できるとともに、拡散板によって孔部が覆われることで融解したハンダ層が飛散した場合であってもワーク表面が汚れることを防止できる。 According to the configuration of (4) above, the intensity can be easily adjusted by transmitting the laser beam through the diffusion plate, and the workpiece can be processed even when the molten solder layer is scattered by the hole being covered by the diffusion plate. The surface can be prevented from becoming dirty.
(5)幾つかの実施形態では上記(1)乃至(4)のいずれか1構成において、前記レーザ光は、航路上に設置されたビームエキスパンダによりビーム径が拡大されて照射される。 (5) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (4), the laser beam is irradiated with a beam diameter expanded by a beam expander installed on the channel.
上記(5)の構成によれば、ハンダ層の比較的広い範囲に亘ってレーザ光を照射できるので、広い接合領域が得られ、信頼性に優れたハンダ接合が可能となる。 According to the configuration (5), since the laser beam can be irradiated over a relatively wide range of the solder layer, a wide bonding region can be obtained and solder bonding excellent in reliability can be achieved.
(6)幾つかの実施形態では上記(1)から(5)のいずれか1構成において、前記レーザ光はYAGレーザ基本波、半導体レーザ、ファイバレーザ、YAGレーザ高調波及びディスクレーザの少なくとも1を含み、前記第1のワーク及び前記第2のワークは銅、金、白金又はアルミニウムを含む。 (6) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (5), the laser beam includes at least one of a YAG laser fundamental wave, a semiconductor laser, a fiber laser, a YAG laser harmonic, and a disk laser. The first workpiece and the second workpiece include copper, gold, platinum, or aluminum.
上記(6)の構成によれば、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含むワークと、これらのレーザとは光学的な結合性が低いが、このような組み合わせにおいても、上述のように好適なハンダ付が可能である。 According to the configuration of (6) above, the work including materials such as copper, gold, platinum, and aluminum and these lasers have low optical coupling properties. Suitable soldering is possible.
本発明の少なくとも1実施形態によれば、幅広い用途において、迅速で且つ高品質なハンダ接合が可能なハンダ付方法を提供できる。 According to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a soldering method capable of rapid and high-quality solder bonding in a wide range of applications.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図1は本発明の少なくとも1実施形態に係るハンダ付方法を工程毎に示すフローチャートであり、図2は図1のステップS1で孔部が形成された第2のワークを、ステップS2でハンダ層を介して第1のワーク上に設置する様子を示す模式図であり、図3は図1のステップS3でレーザ光を照射する様子を示す模式図であり、図4は図3の孔部近傍の鉛直断面構成を拡大して示す断面図であり、図5は図4のレーザ光照射後の構成を示す断面図であり、図6及び図7は図4の変形例を示す断面図である。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Absent.
FIG. 1 is a flowchart showing, for each process, a soldering method according to at least one embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a second work in which holes are formed in step S1 of FIG. 1, and a solder layer in step S2. FIG. 3 is a schematic view showing a state of being placed on the first workpiece via the wire, FIG. 3 is a schematic view showing a state of irradiating the laser beam in step S3 of FIG. 1, and FIG. 4 is the vicinity of the hole of FIG. FIG. 5 is a sectional view showing the configuration after the laser beam irradiation of FIG. 4, and FIGS. 6 and 7 are sectional views showing a modification of FIG. 4. .
本実施形態では、ハンダ付による接合対象として、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含む母材からなる第1のワーク2及び第2のワーク4を用いた場合を例に説明する。尚、第1のワーク2及び第2のワーク4には、例えばNiめっき層やAuめっき層が下地又は表面に形成されていてもよい。
尚、本実施形態ではハンダ付を利用した接合工法に適用した例を示しているが、同様の技術的思想に基づいて、ろう付を利用した接合工法に対しても適用可能である。
In the present embodiment, a case where the
In the present embodiment, an example is shown in which the present invention is applied to a joining method using soldering, but the present invention can also be applied to a joining method using brazing based on the same technical idea.
まずステップS1では、接合対象である2つのワークのうち第2のワーク4に対して、厚さ方向に沿って開口する孔部5を形成するための前処理が実施される。孔部5は後述する溶融工程においてレーザ光が照射されるハンダ付ポイントに対応する位置に形成される。このような孔部5の形成は、例えばパンチング加工により行われる(例えば、加工対象である第2のワーク4を所定のダイ上にストリッパで固定し、孔部5の径形状に対応するパンチで打ち抜くことにより形成される)。また孔部5は後述するように、その内側にハンダ層を溶融するためのレーザ光が照射されるため、レーザ光より大径に設定される。
尚、ハンダ付対象となるワークがより微細な半導体回路等の場合には、例えば孔部5をレジスト処理によりパターニングで形成してもよい。この場合、後述するステップS2をステップS1より先に実施することで、第1のワーク2上にハンダ層6を介して積層配置された第2のワーク4に対して孔部5の形成を行ってもよい。
First, in step S1, pretreatment for forming the
When the work to be soldered is a finer semiconductor circuit or the like, for example, the
ステップS2では、図2に示されるように、ステップS1で孔部5が形成された第2のワーク4を、ハンダ層6を介して第1のワーク2上に設置される(設置工程)。ここでハンダ層6を形成するハンダは、鉛及び錫を主成分とした合金であり、共晶ハンダ、鉛フリーハンダ、クリームハンダ、銅・銀入りハンダ、及び音響用ハンダを含め、錫含有率が任意の各種ハンダが使用可能である。
尚、ハンダ付に用いられるレーザ光の出力によっては、比較的高い融点(目安として一般的な共晶ハンダ(錫含有率が約63%)より高い融点)を有するハンダが用いられてもよい。またハンダにはフラックスが含まれていてもよい。
In step S2, as shown in FIG. 2, the second workpiece 4 in which the
Depending on the output of the laser beam used for soldering, solder having a relatively high melting point (as a guide, a melting point higher than that of general eutectic solder (tin content is about 63%)) may be used. The solder may contain a flux.
ステップS3では、第2のワーク4に形成された孔部5を通してハンダ層6にレーザ光を照射することにより、ハンダ層6を溶融する(溶融工程)。本実施形態では図3及び図4に示されるように、レーザ光を照射可能なレーザ照射部10が第2のワーク4に対向するように設置されている。一方、第2のワーク4には孔部5が形成されているため、ハンダ層6の一部(露出領域7)は、孔部5を介して外部に対して露出している。レーザ照射部10から出射されたレーザ光は、孔部5を通ってハンダ層6の露出領域7に照射される。
In step S3, the
その結果、図5に示されるように、レーザ光のエネルギによって露出領域7近傍におけるハンダ層6が加熱されて溶融し、溶融部8が形成される。このように、第2のワーク4に孔部5が設けられていることで、レーザ照射部10から射出されたレーザ光は、孔部5を介してハンダ層6に直接的に照射されるので、ハンダ層6は効果的に加熱される。
As a result, as shown in FIG. 5, the
本実施形態では、レーザ照射部10には、レーザ発振媒体(YAGレーザ)及びレーザ電源部を内蔵したレーザ発生装置(不図示)が光ファイバ12を介して接続されており、レーザ発生装置で発生されたYAGレーザ基本波(波長:1064nm)を有するレーザ光が光ファイバ12を介してレーザ照射部10に導かれるように構成されている。ここでYAGレーザ基本波は、上述したように、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含む母材からなる第1のワーク2及び第2のワーク4に対して光学的な結合性が低いため、母材そのものを加熱しようとするとハンダ付に時間を要してしまう。その点、本実施形態では、ワークとレーザ光との光学的な結合性が低い場合であっても、レーザ光を孔部5を介してハンダ層6に直接的に照射して溶融するため、光学的な結合性の影響を受けにくく、レーザ仕様やワークの構成成分によらず、幅広い用途において良好なハンダ付が可能となる。
In the present embodiment, a laser generator (not shown) incorporating a laser oscillation medium (YAG laser) and a laser power supply unit is connected to the
またレーザ照射部10から射出されるレーザ光の出力値は任意でよいが、ハンダ層6が過度に加熱されない程度の出力に調整されているとよい(例えば、レーザ光によってハンダ層6が溶融された際に、その周囲に飛散しない程度に出力が調整されるとよい)。このようなレーザ光の出力調整は、レーザ光を生成するレーザ発信装置側で行われてもよいし、レーザ発信装置から出力された後のレーザ光に所定の処理を施すことにより行われてもよい。後者の場合、例えば図6に示されるように、レーザ照射部10から出力されるレーザ光の収束位置(焦点位置)を、ハンダ層6より手前側に設定することで、レーザ光が孔部5の内壁14に照射されるようにしてもよい。この場合、レーザ光の少なくとも一部が内壁14によって少なからず反射されてハンダ層6に照射されるため、ハンダ層6に到達するレーザ光の強度が少なからず低下する(この場合、銅、金、白金又はアルミニウムを含む第2のワーク4と光学的な結合性の低いYAGレーザ基本波を敢えて選択することで、内壁14でレーザ光を効果的に反射させることができる)。
The output value of the laser light emitted from the
また図7に示されるように、レーザ光の光路上のうち、第2のワーク4の表面に孔部5を被うように拡散板(曇りガラス)15を配置することにより、当該拡散板15を透過するレーザ光の強度を少なからず低下させることで、ハンダ層6に照射されるレーザ光の出力調整を行ってもよい。この場合、レーザ光の出力調整によってハンダ層6の過度な加熱を防止できることに加え、仮にハンダ層6が溶融した際に飛散物によってワーク表面が汚されることも効果的に防止できる。
Further, as shown in FIG. 7, by arranging a diffusion plate (frosted glass) 15 so as to cover the
尚、上述のYAGレーザ基本波の他に、用途に応じて、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ、YAGレーザ高調波及びディスクレーザを用いることができる。例えば、ハンダ付けの際に母材の溶融を許容する場合には、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含む母材と光学的な結合性が高いYAGレーザ高調波を用いてもよいし、逆に、ハンダ付けの際に母材の溶融を回避する場合にはYAGレーザ高調波以外のレーザ光源を用いるとよい。本実施形態では、レーザ光としてYAGレーザ基本波を用いることで母材が溶融することを回避しつつ、ハンダ層6を的確に加熱できるため、高品質なハンダ付けが可能となっている。
In addition to the above-described YAG laser fundamental wave, for example, a semiconductor laser, a fiber laser, a YAG laser harmonic, and a disk laser can be used depending on the application. For example, when the base material is allowed to melt during soldering, a YAG laser harmonic having high optical connectivity with a base material containing materials such as copper, gold, platinum and aluminum may be used. Conversely, when avoiding melting of the base material during soldering, a laser light source other than the YAG laser harmonics may be used. In the present embodiment, the YAG laser fundamental wave is used as the laser light, and the
またレーザ照射部10は、ハンダ層6に対して、レーザ光の照射面積が広くなるように構成されていてもよい。例えば図8では、レーザ照射部10から出射されるレーザ光の光路上に、レーザ光のビーム径を拡げるためのビームエキスパンダ16が設けられている。これにより、ビームエキスパンダ16からは孔部5より若干小径にビーム径が調整されたレーザ光がハンダ層6に対して出力される。これにより、孔部5から露出したハンダ層6の比較的広い範囲に亘ってレーザ光を照射できる。その結果、例えば図3及び図4のように極めて狭い領域にレーザ光を照射する場合に比べて、広い範囲に亘ってハンダ層6を溶融できるので、信頼性に優れたハンダ接合が可能となる。
Further, the
またハンダ層6に照射されるレーザ光のビーム径が小さい場合には、孔部5から露出するハンダ層6の表面上で、レーザ光の照射領域をスキャニング(走査)することにより、広い範囲に亘ってハンダ層6を溶融することで強固な接合を得るようにしてもよい。
When the beam diameter of the laser beam irradiated onto the
続いてレーザ照射部10からのレーザ照射を終了すると、溶融したハンダが冷えて凝固する(ステップS4)。これにより、第1のワーク2及び第2のワーク4は、ハンダ層6を介して電気的且つ物理的に接合される。
Subsequently, when the laser irradiation from the
以上説明したように本実施形態によれば、第2のワーク4に形成された孔部5を介してハンダ層6にレーザ光を直接的に照射することにより、レーザの仕様やワークの素材に関わらず、ハンダ層6を効果的に加熱して溶融できる。そのため、幅広い用途において良質なハンダ付ができるとともに、優れた生産性が得られる。
As described above, according to the present embodiment, by directly irradiating the
このようなハンダ付方法は、特許文献1のような、プリント基板上の導体パターンへの各種電子部品の接合だけでなく、例えば、半導体パッケージの外部引き出し端子或いは半導体チップの電極パッドにおけるワイヤボンディング等をはじめ、電子部品の接合用途として広く適用可能である。このような分野では、近年の高集積化・高速化に伴い、銅や金のような材料が多用されつつある。例えばパッケージの外部引き出し端子(リード)の材料は、従来多用されていたFe−Ni合金系に替わって電気伝導度及び熱伝導率に優れたCu合金系の使用が増えている。また半導体パッケージに用いられる配線や電極パッドの材料もまた、これまでのAlから比抵抗が低くてエレクトロマイグレーションの起こり難いCuの使用が増加している。そのため、このような対象物を接合する際にYAGレーザを用いると、光学的な結合性が低いために、ワーク自体を加熱するために時間を要してしまう。しかしながら、上述の実施形態のようにワーク自体を加熱することなく、孔部5を介してハンダ層6を直接加熱することで、光学的な結合性の影響を受けることなく、良好なハンダ付が可能となる。
Such a soldering method is not only the bonding of various electronic components to a conductor pattern on a printed circuit board as in
本発明の少なくとも1実施形態は、例えば電子部品の取付や修正等に用いられるハンダ付に使用可能なハンダ付方法に利用可能である。 At least 1 embodiment of this invention can be utilized for the soldering method which can be used for the soldering used, for example for attachment or correction of an electronic component.
2 第1のワーク
4 第2のワーク
5 孔部
6 ハンダ層
7 露出領域
8 溶融部
10 レーザ照射部
12 光ファイバ
14 内壁
16 ビームエキスパンダ
2 First Work 4
Claims (6)
前記孔部から露出したハンダ層に対してレーザ光を照射することにより、前記ハンダ層を溶融させる溶融工程と、
を備えることを特徴とするハンダ付方法。 An installation step of installing a second workpiece having a hole opening along the thickness direction on the upper layer side of the first workpiece via a solder layer;
A melting step of melting the solder layer by irradiating the solder layer exposed from the hole with a laser beam;
A soldering method comprising the steps of:
前記第1のワーク及び前記第2のワークは銅、金、白金又はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のハンダ付方法。 The laser beam includes at least one of a YAG laser fundamental wave, a semiconductor laser, a fiber laser, a YAG laser harmonic, and a disk laser,
The soldering method according to any one of claims 1 to 5, wherein the first workpiece and the second workpiece include copper, gold, platinum, or aluminum.
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