JP4047541B2

JP4047541B2 - 基板上への小形化された構成部分のろう付け固定のための方法

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Publication number: JP4047541B2
Application number: JP2000521943A
Authority: JP
Inventors: レミードグラッフェンリートクリスティアン
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2018-11-19
Also published as: DE19751352A1; EP1044082B1; WO1999026754A1; US6380513B1; EP1044082A1; DE59808100D1; JP2001523899A

Description

【０００１】
本発明は、基板上に特にモジュール式に組立可能な小形化された構成部分をろう付け結合によって固定するための方法に関する。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第Ａ１９５３３４２６号明細書に、光学的若しくは電子光学的なレイアウト(Layout)用の基板上に、モジュール式に有利にはケーシング内に組立られたマイクロ光学・エレメント(mikrooptisches Element)を固定するための機械式の固定機構が記載してある。保持装置が中央のプラットフォームを用いて形成されており、プラットフォームが個別モジュールを保持している。プラットフォームに有利にはヒンジを介して少なくとも３つの脚部を枢着してあり、脚部が基板に例えば、レーザー点溶接若しくはろう付けによって固定される。このような公知の固定機構は、光学的な構成部分を広い温度範囲で衝撃及び振動に対して安定的に保持するものである。
【０００３】
従来技術として、レーザービームを用いて微小ろう付けを実施することは公知であり、この場合、結合すべき両方の構成部分は互いに接触している（J.L. Jellison et al. “Microsoldering and microminiature welding with lasers” Microjoining, Sept. 1988, 99-107頁、参照）。高密度実装の２つの構成部分の互いに圧着された接触面のろう付けの際のろう付け結合部のチェックは重要な問題である。ろう付け結合のために、ろう材料滴がチップ部品の接触面、例えばサブストレート若しくは基板の対応する接触面に形成される。それぞれの接続面は互いに接触係合されて、ろう材料の溶融まで加熱される（P.A Burdett et al. “Inspection technique for flip chip bonded devices”,Microjoining, Sept. 1988, 39-45頁及び47-50頁、参照）。従来技術の完全な理解のために、「Stockham, Microjoining, Sept. 1988, 27頁、図１及び図２」を挙げる。
【０００４】
本発明の課題は、２つの部分をろう付けによって結合するための方法を提供して、該方法によって極めて正確な位置決めを可能にする。
【０００５】
前記課題が本発明に基づき請求項１の特徴部分に記載の手段によって解決される。
【０００６】
本発明の有利な手段が従属項に記載してある。
【０００７】
本発明に基づく方法は、基板上に６つの自由度成分に沿って特に光学的、電子光学的、電子的、及び機械的な小形化された構成部分をろう材料流動剤なしに正確にろう付け結合することを簡単な形式で可能にする。特に本発明に基づく方法は、有利にかつ簡単に実施できる。
【０００８】
本発明に基づくろう付け法に際して用いられるエネルギーは種々の形式のエネルギー流、例えばレーザー光束、UＶ・放射、若しくは磁場によって供給され、磁場は高周波のインダクタンスによって形成される。すべての場合、エネルギー流は基板を通って通過して、薄いろう材料層を溶融する。
【０００９】
制限なしに、前記新規なろう付け法によってレーザー光束を用いて光学的なエレメントを基板に固定する（取り付ける）ことが可能である。光学的なエレメントはケーシング内に取り付けられ、ケーシングの結合すべき面（以下、ベースと呼ぶ）がろう材料(Loetmaterial)、例えばはんだ(Loetzinn)若しくははんだ合金で被覆されている。基板は使用されるレーザービームの波長範囲内で良好な光透過性を有していなければならない。基板の、ケーシングに向いた面が有利には、少なくとも部分的に格子状の金属パターンで被覆されている。固定すべきケーシングが適当な間隔、例えば十分の数ミリで基板上に基板との機械的な接触なしに保持される。レーザービームが下側から上側へ基板の表面に向けられて、所定の割合のエネルギーが金属パターンを加熱するのに対して、残りの部分はパターンによって被覆されていない面を通って通過して、ケーシングのベースに達し、ベース上のろう材料を溶融し始め、これによってろう材料滴が形成される。該ろう材料滴が基板とケーシングのベースとの間の間隙を満たし、これによって凝固の後に堅く良好なろう付け結合が生ぜしめられる。
【００１０】
次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。
【００１１】
本発明の理解のために述べると、当該新規な方法は、小形化された光学的なエレメントの固定の実施のために効果的に用いられる。該技術はマイクロ光学的な部分を６つの自由度成分に沿って高い精度で調節して固定するために適している。さらに、ろう材料流動剤なしの該方法は、高感度の光学的なエレメント、例えばケーシング内に保持されて露出するレーザーダイオードの汚れの恐れを避けるものである。場合によって存在するろう材料流動剤は、レーザービームを受けると実際に直ちに気化されて蒸気を形成することになる。さらに、ろう材料流動技術においては、クリーニング段階がろう材料流動剤切除に基づきろう材料の酸化を防止するために必要である。クリーニング段階は光学的なエレメントの場合に特に綿密な作業を必要とする。
【００１２】
本発明に基づくろう付け法（はんだ付け法）の図示の実施例においては、分離した２つの部分、即ちケーシングと基板とが用いられている。ケーシングは光学的なエレメントを含んでおり、該エレメントが接着によって、若しくは何らかの機械的な作用によって所定の位置に保持されている。
【００１３】
種々の材料が用いられてよく、この場合、低い熱伝導性がレーザービームによってろう材料層を加熱する際に光学的なエレメントの損傷を防止するために考えられる。ケーシング本体とケーシングのベースとの間の高い熱抵抗によって、エネルギー量の伝達を低下させることができ、これによって熱が制限された範囲内に局所的に止められ、ケーシング内若しくは保持装置全体内への拡散が防止される。このような特性は、熱伝導率の低い材料を用いて達成され、若しくはケーシング若しくは保持装置の底部或いはベースと該ケーシング若しくは保持装置の残りの部分との間の断熱によって達成され得る。熱抵抗は幾何学的に、例えばケーシング本体とケーシングのベースとの間に孔を形成し、その結果、熱伝導率の低い結合ウエブを生ぜしめることによっても高められる。
【００１４】
次に図１の（ａ）〜（ｃ）及び図２に基づき説明する。図１の（ａ）は基板１及び該基板の上側に配置されたケーシング２を示しており、ケーシングが光線の通過のための孔３を有している。ケーシング若しくは構成部分２のベース４が柱面で形成されており、該柱面がろう材料層５で被覆されている。基板１の上面が部分的に、パターンを成す薄い金属層６で被覆されており、これによって金属のない区分が存在しており、該区分を通ってビームエネルギーが通過できる。
【００１５】
図１の（ｂ）には付加的にレーザービーム７を示してあり、レーザービームが基板１の下側から該基板１を通って通過して、基板１の上面上の金属層６にぶつかり、かつ基板の金属のない区分を通ってケーシング２のベース４のろう材料層５にぶつかる。
【００１６】
図１の（ｂ）はろう材料層５の部分的な溶融の状態を示しており、この場合、基板１の金属層６との結合が金属層６とケーシング２のベース４との間の間隙の橋絡によって行われている。
【００１７】
図２は基板１上へのケーシング２の配置を斜視図で示している。図１の（ａ）〜（ｃ）には金属層６は断面を示してあり、従って平面構造（平面形状）は見られない。図２から明らかなように、金属層６のパターンが小さな平面部材（面素子）によって一様に形成されている。平面部材間をビームエネルギーがろう材料の溶融のために通過する。固定の前、若しくは固定の際の回転可能性を示すために、図２にはカルテシアン座標系Ｘ，Ｙ，Ｚが記入してある。
【００１８】
形成される小さな、例えばわずか数ｍｍ³の液滴(Fluessigkeitstropfen)を考察すると、自重は、表面張力と比較して、無視できる。このような理由からろう材料層は所定の形を維持し、該形はろう材料の表面張力と相互作用して、大きなろう材料液滴を形成するように選ばれる。ろう材料層は、ケーシングと基板１との間の間隙を満たすために十分な体積を有していなければならない。このような条件にもかかわらず、ケーシングは６つの自由度成分に沿って空間的な位置に調節することを妨げてはならない。
【００１９】
丸いベース(runde Basis)が傾倒及び転がり調節(Nick- und Rolleinstellung)中の幾何学的な対称のために選ばれる。ケーシングのベースと基板との間のろう付け結合部に回転対称があるので、該ろう付け結合部は、ろう付け法の良好な再現性（対称的な力分布）にとって重要であるようにあらゆる配列でろう付け固定の耐久性のある機械的な結合特性を可能にする。
【００２０】
図３に示してあるように球面のベース(sphaerische Basis)は、最良の手段である。しかしながら、多くの技術分野では３つのすべての軸線に沿った高い角度位置決め精度は要求されないので、柱面のベース（図１、参照）で形成されたケーシングの使用が有利であり、それというのは該ケーシングは簡単かつ安価に製造できるからである。
【００２１】
ろう材料層は低い溶融点を有していて、従って、レーザービームによって伝達される溶融熱エネルギーを制限しており、これによって光学的なエレメント（部材）の損傷が避けられる。使用されるろう材料は、基板に被覆される金属パターンへの適当な濡れ性を、何らかのろう材料の使用を必要とすることなしに保証しなければならない。ろう材料から想定されることは、ろう材料は連続的に基板及び保持装置に付着することである。さらにろう材料には、耐久性のある堅い結合を保証して、例えば発生する温度変化若しくは温度周期中のクリープ現象を避けるような機械的な特性がなければならない。さらに、ろう材料層は、丸いろう材料ベースにおいてはレーザービームが該ろう材料ベース自体に対して垂直に放射されない場合に該ろう材料ベースに影響を及ぼしてしまうような陰影作用を排除するために、平らな表面ベースを有していなければならない。
【００２２】
基板の製造に用いられる材料は、特別な場合には低いレーザービーム吸収率を有していてよい。さらに該材料は熱衝撃に効果的に耐えるものでなければならず、それというのは、レーザービームが基板を通して放射される場合、レーザービームの熱エネルギーの一部分が基板被覆の局所的な区分によって吸収され、従って該区分が急速な温度上昇に曝されるからである。該被覆は通常は導電性の良好な材料、一般的に金属であり、従って、該材料は基板にある程度のエネルギー量を伝達し、該エネルギー量は局所的な著しい温度上昇を生ぜしめる。適当に熱伝導率の低い基板、例えばガラス、セラミック若しくはガラスセラミックの場合には、エネルギーは基板全体に広がらず、基板の局所的な箇所に集中的に留まり、このことは基板を発生した温度勾配に基づき容易に破損させてしまうことになる。さらに重要なことは、温度変化は構成部分間の相互の間隔、場合によっては構成部分の焦点距離を変化させることになるので、基板の材料は低い熱膨張率しか有していないことが必要である。従って、高い熱衝撃抵抗を有する基板材料、例えばパイレックス(Pyrex)、ロバックス(Robax)、若しくはキセローダ(Xerodor)を用いることが有利である。
【００２３】
基板は、一貫しない（切れ目のある）金属パターンで被覆され得るのに適していなければならず、金属パターンが溶融されたろう材料によって容易に濡らされる。パターン構造は平面部材（面素子[Flaechenelement]）から成る格子(Gitter)若しくは、有利には互いに直角に交差するストリップから成る行列(Reihe)であってよく、該ストリップが格子構造若しくは、金属区分と開放（露出）した区分とを交互に一様に繰り返して成るその他の構造を形成する。平面部材は長方形、正方形、若しくは円形であってよく、若しくは該方法に用いるのに適していてかつ技術的に実施可能なその他の形であってよい。
【００２４】
例えば、パターンを備えた基板の基準寸法が、パターン幅とパターン間間隙によって規定されてよい。互いに直角に延びていて一様に隔てられた同じ幅の金属ストリップから成る正方形のパターンにおいては、ピッチ幅がストリップ幅とストリップ間間隔との合計によって規定される。パターンの幅が２つのストリップ間の間隔に等しくなっている。開放割合(Oeffnungsverhaeltniss)が正方形の区分と金属被覆されていない区分との間の関係によって規定される。
【００２５】
即ち、
開放割合＝（ピッチ幅−幅）²／ピッチ幅²が当てはまる。
【００２６】
このことは、正方形の平面部材の網目配置(Rasteranordnung)の場合にも相応に当てはまる。
【００２７】
金属被覆されたパターン区分が有効な固定区分であるのに対して、金属のない区分は、ろう材料の溶融のために十分なエネルギー量が基板を通過することを可能にしている。金属被覆のパターン寸法及び構造は、技術的な実施可能性及び所定の開放割合の確保に基づき自由に選択され得る。
【００２８】
パターンピッチ幅は少なくとも、ケーシングの寸法よりも小さなサイズオーダーでありたい。このことは、基板とケーシングベースとの間の対称的でかつ一様なろう付け結合・構造を保証する。
【００２９】
このことは図４の（ａ）〜（ｄ）に示してある。図４の（ａ）及び（ｃ）では基板１は細かい金属パターン６′を備えている。明らかなように、矢印によって示す力は溶融したろう材料５′に対称的に作用していて、ほぼ中心に位置決めされたろう付け結合を生ぜしめている。あらい金属パターン６″は、図４の（ｂ）及び（ｄ）に示してあるように、非対称的な力分布を生ぜしめ、該力分布は中心から外れた（片寄った）ろう付け結合を生ぜしめる。
【００３０】
これによって、基板の上面全体でのケーシングの微細な位置決めが達成でき、かつある所定の幾何学的な制限は排除される。さらに、本発明に基づくろう付け法は簡単に実施される。
【００３１】
金属被覆のパターンは通常は複数の層によって形成されており、該層の厚さ及び材料組成は互いに異なっている。通常は３つの層があり、第１の層の役割は、一般的に基板の表面への良好な付着を保証することである。通常は第１の層よりも厚い第２の層は、サブストレート材料であり、該サブストレート材料が溶融したろう材料と相互作用して、結合を生ぜしめる。通常は第１の層と同じ薄さである第３の層は、空気中酸素による酸化に対する保護を行う。ろう材料は加熱された領域に向かって流れようとするので、頑丈な結合を達成するためには両方の部分を加熱することが重要である。このような問題の解決がここに記載した新規なろう付け法によって可能である。
【００３２】
レーザービームが基板を通過する際に分けられ：エネルギーの一部分は、基板の金属被覆されない区分を通過するのに対して、残りの部分は部分的に、金属被覆された区分によって吸収され、かつ部分的に該区分から反射される。基板を通過するレーザーエネルギー量は、ケーシングのベース上のろう材料層を溶融するために十分であらねばならない。基板の金属被覆された区分に吸収される光は、過熱に基づき基板を損傷してはならない。反射されるビーム量と吸収されるビーム量との割合は、金属パターン層の材料の物理特性に関連している。
【００３３】
開放割合（露出割合）は、パターンの幾何学特性（ピッチ幅、幅）によって規定される。
【００３４】
ろう付けに用いられるレーザー放射点(Laserstrahlfleck)の形は、ケーシングベースに最も適した寸法によって規定されており、それというのは均一な加熱によって、ろう付け材料が非対称的な流れ及び固定を生ぜしめてしまうようなことは避けられるからである。過剰寸法のレーザー放射点を用いることも可能であり、該レーザー放射点が絞りによって制限される。レーザー放射点の強さは制限されねばならず、そうでない場合にはろう材料の一部分が気化されてしまうからである。さらに加熱時間はできるだけ一様であって、少なくとも数秒でありたい。レーザービームによって供給されるエネルギー量は、必要な溶融熱量を大きく上回っていてはならず、そうでない場合には溶融されたろう材料液滴の表面に酸化膜が形成されてしまうことになり、酸化膜はろう材料の濡らし作用を妨げることになるからである。
【００３５】
レーザー放射点の少なくとも形が、レーザーヘッドの運動によって、若しくはミラー或いは別の光学的なビーム制御手段の使用によって、構成部分若しくは保持装置の照射すべき面、即ちベースの形に適合されてよい。ケーシング若しくは保持装置のベース（底面）が長方形であり、一方の辺が他方の辺よりも二倍の長さである場合には、レーザー放射点は円形面ではなく、むしろ楕円面であってよく、これによってベース面全体に対するエネルギー損失は円形のレーザー放射点で覆う場合よりも小さい。
【００３６】
コリメートされないレーザー光束を使用する場合には、金属被覆されたパターンに投射すべきレーザー放射点を小さすぎないようにする必要がある。レーザー放射点が小さすぎる場合には、金属被覆されたパターンを、過度に強いレーザー光線によって損傷させる恐れがある。これとは逆に、レーザー放射点が大きすぎる場合には、既にろう付けされた隣接のケーシングを損傷させ若しくはそれどころかろう付け結合部を再び溶融してしまう恐れがある。このような２つの問題は、コリメートされたレーザー光束を用いることによって解決される。さらに、パターンを備える２つ若しくは複数の基板若しくはガラスプレートを、該基板若しくはガラスプレート間に機械的なスペーサ片を介在して互いに上下に配置することによって立体的な構成も可能である。各基板上のパターンは、コリメートされたレーザー光束を上側の基板の対応する箇所に到達させ得るように形成されていなければならない。
【００３７】
固定の際の冷却段階中のろう材料の収縮が垂直軸線に沿ったケーシング位置を変化させることは避けがたい。収縮は再現性をきわめて正確に示していて、基板とケーシングのベースとの間の間隙の関数として規定され得る。垂直な収縮を克服すべき手段は、ろう付けを開始する前に、収縮自体を補償する、即ち例えば、収縮の大きさを既に設計時に考慮することである。
【００３８】
側方の位置及び角度位置は、ケーシングのベースの球形若しくは柱面状の対称性及びきわめて微細なパターンに基づきろう材料収縮によって変化させられることはなく、パターンは基板上にデポジットされていて、ケーシングの寸法と比較して、ほぼ連続的である。
【００３９】
本発明に基づくろう付け法は、空間的(raeumlich)な６つのすべての自由度成分（並進成分及び回転成分）で０．１μｍの範囲の固定精度及び０．１ｍｒａｄの角度精度を有している。該方法は特に光学的な小さな構成部分の固定のために適しており、それというのは６つの自由度成分に沿った前記精度値は、他の技術、例えば受動的な整合（珪素Ｖ・溝[Silicium V-Nut]）によっては得られないからである。
【００４０】
光学的なエレメントの能動的な調節が１μｍより小さい位置決め精度を可能にする。このことは達成可能であり、それというのは各構成部分の位置決めが、既に基板に固定された先行の構成部分の光軸に対して相対的に行われるからである。これによって、ケーシングの加工精度及びケーシング内での光学的な各構成部分の固定精度は重要ではなく、それというのは機械的な大きな誤差が後続の構成部分の能動的な組立中に容易に補償されるからである。
【００４１】
該方法は特に自動組立ステーションでの使用に適しており、それというのは必要なすべての作業が、いくつかの位置決めセンサを備えたロボットによって行われ得るからである。各構成部分はスペース内でロボットによって６つの自由度成分に沿って位置決めして固定される。
【００４２】
ここに述べたＴＲＥＭＯ-ＳＭＤ・技術(TREMO-SMD-Technik)は公知の光学的なＳＭＤ・技術（ＤＥ-Ａ１-１９５３３４２６号明細書）に類似しており、該ＳＭＤ・技術(SMD-Technik)は光学的な構成部分を６つの自由度成分に沿って高い精度で柔軟に能動的に組立る技術思想に関連するものである。新規なＴＲＥＭＯ-ＳＭＤ・技術は小形化された寸法に基づき、別の分野でＯ-ＳＭＤ・技術として用いるためにも適している。ＴＲＥＭＯ-ＳＭＤ・技術の主な特徴は：
−立体的な構成にとって適している；
−光学的なきわめて小さなエレメントの固定のために適している（１ｍｍの大きさの寸法）；
−光学的な高感度のエレメントの蒸気若しくは粒子による汚れのおそれがない；
−固定精度が高い（±０．１μｍ）；
−各構成部分の調節が、ケーシングのベースと基板との間の機械的な接触なしに、固定の前に機械的な力を必要とすることなしに、かつ付着及び滑り作用なしに、可能である；
−固定過程がほぼエネルギー供給による損傷なしに行われ（固定エネルギーは基板の下側から供給される）；
−基板が十分な寸法安定性を有している（線膨張係数の小さなガラス若しくはセラミック）；
−簡単なケーシング構造及び容易な短小化が可能である。
【００４３】
該新規な固定技術は、立体的な組立構成にも用いられ得る。このために、構成部分が異なる高さに位置する複数の基板に配置され、高いレーザービーム通過性が活用され、これによってレーザービームが複数の基板を通過して、上側の基板上の対応する構成部分に到達する。
【００４４】
原理的に本発明に基づき、基板上の金属パターン層がろう材料から成る層で被覆されてもよい。これによってろう付け過程が容易になる。金属層へのエネルギー供給が相応に行われ、特に場合によっては金属層のレザービーム吸収が、例えば負荷側を暗くすることによって高められ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ろう材料液滴の形成を示す図。
【図２】パターンを備えた基板上に、柱面状のベース面を備えるケーシングを配置した状態の斜視図。
【図３】パターンを備えた基板上に、球面状のベース面を備えるケーシングを配置した状態の斜視図。
【図４】基板上の大きな面及び小さな面のパターンを用いたろう付け結合の状態を示す図。
【符号の説明】
１基板、２ケーシング、３孔、４ベース、５ろう材料層、６金属層、７レーザー光束

Claims

基板上に特にモジュール式に組立可能な小形化された構成部分をろう付け結合によって固定するための方法において、
ａ）構成部分（２）の１つの面（４）をろう材料から成る層（５）で被覆し、
ｂ）基板（１）を少なくとも部分的に、金属から成る層（６）で被覆し、
ｃ）構成部分（２）を基板（１）の上側に配置し、この場合、金属層（６）とろう材料層（５）とが、垂直方向で離隔されて互いに接触しない対向位置を占めており、
ｄ）熱エネルギーを基板（１）の側から、ろう材料層（５）のろう材料の溶融のために構成部分の前記面（４）に供給して、液滴を形成し、これによって、ろう材料液滴（５′）で構成部分（２）と基板（１）との間の間隙を満たして相互の固定を行うことを特徴とする、基板上への小形化された構成部分のろう付け固定のための方法。
金属層（６）を１つのパターン（６′若しくは６″）で基板（１）上に配置する請求項１記載の方法。
金属層のパターン（６′，６″）を規則的に形成する請求項２記載の方法。
金属層のパターン（６′，６″）を不規則に形成する請求項２記載の方法。
金属層のパターン（６′，６″）を格子パターンとして若しくは個別の平面部材（６）から成る規則的なパターンの形で形成する請求項２記載の方法。
構成部分（２）の、ろう材料で被覆される面（４）として、外側へ湾曲された面を用いる請求項１記載の方法。
構成部分（２）の、ろう材料で被覆される面（４）として、外側へ球形に湾曲された面を用いる請求項６記載の方法。
構成部分（２）の、ろう材料で被覆される面（４）として、外側へ柱面状に湾曲された面を用いる請求項６記載の方法。
構成部分（２）の、ろう材料で被覆される面（４）として、平らな面を用いる請求項１記載の方法。
ろう材料の溶融加熱のために電磁波のビーム束を、基板（１）を通して構成部分（２）のろう材料層（５）に向ける請求項１記載の方法。
ビーム束として、レーザー光束（７）若しくはＵＶ・光束を用いる請求項１０記載の方法。
ビーム束に負荷領域で楕円形の横断面を与える請求項１１記載の方法。
ろう材料の溶融加熱のためにＨＦ・電流を、基板（１）の金属層（６，６′，６″）を通して流過させ、誘導加熱によって構成部分（２）の、ろう材料で被覆された面（４）にろう材料の液滴を形成する請求項１記載の方法。
基板（１）を複数層の複合プレートとして形成する請求項１から１３のいずれか１項記載の方法。
基板（１）を電磁波の通過可能な材料から形成する請求項１から１４のいずれか１項記載の方法。
金属層を備えた別の基板の上側に、ろう材料層を備えていて前記別の基板上に取り付けるべき別の構成部分を配置し、この場合、金属層とろう材料層とが互いに垂直に離隔されて接触することのない対向位置に位置しており、前記別の基板を基板（１）上に配置し、電磁波のビーム束を、両方の基板を通して前記別の構成部分のろう材料層に向けて該ろう材料層の溶融加熱を行って、前記別の基板への固定のためのろう材料液滴（５′）を形成する請求項１から１５のいずれか１項記載の方法。