JP4450578B2

JP4450578B2 - 接合方法及び接合装置

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Publication number: JP4450578B2
Application number: JP2003282919A
Authority: JP
Inventors: 正伸日高; 隆和辻
Original assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA; Toyo Tokai Aluminum Hanbai KK
Current assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA; Toyo Tokai Aluminum Hanbai KK
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005046895A

Description

本発明は、半田またはろう材からなる接合材にレーザビームを照射して溶融し、溶融した接合材によって２以上の被接合部材を接合する接合方法、及び接合装置に関するものである。

従来からの半田付けの一つとして、特許文献１に示すような半田ワイヤーを使用するものがある。この方法では、加熱したリードフレームの所定箇所に半田ワイヤーを繰り出し、リードフレームの熱によって半田ワイヤーを溶融する。こうして、リードフレーム上に所定量の溶融半田を付着させた後、この溶融半田上に半導体チップを配置することで、リードフレームと半導体チップとを固定している。
特願平１１−３５４５４９号

ところが、上記のような半田ワイヤーを用いる方法では、半田の供給量を均一に制御することが難しく供給量にばらつきが生じるという問題があった。そのため、精密な重量バランスが要求される箇所や微細な箇所に対して半田ワイヤーを用いるのは適当ではなかった。また、精密な箇所で用いるために半田ワイヤーを細線化する方法もあるが、このようにすると半田ワイヤーの断線が発生しやすくなり、かえってトラブルの原因となっていた。さらに、半田付け後に半田ワイヤーを接合部分から引き抜くと、接合部分で半田の糸引きが発生するという問題がある。これを解決するためには、接合部分を再加熱して半田ワイヤーを再溶融する必要があるが、これによって半田が接合箇所において過剰に拡がることがあり、特にＦＰＣに対して使用した場合には樹脂の焦げ付きが発生することがあった。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、半田、ろう材等の接合材の供給量を正確に制御することができる接合方法及び接合装置を提供することを目的とする。

本発明に係る接合方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、レーザビームを発生する第１ステップと、半田またはろう材からなる粉末状の接合材を前記レーザビームの照射範囲に供給し、当該レーザビームによって溶融した接合材により２以上の被接合部材を接合する第２ステップとを備えている。

この構成によれば、接合材として粉末状のものを使用しているため、供給量の制御を容易に行うことができる。したがって、供給量のばらつきが防止でき、正確な量の接合材を供給することができるため、微小な部分の接合を精度よく行うことができる。このとき用いられる粉末状接合材は、平均粒径が５〜５０００μｍであることが好ましい。これは、平均粒径が５μｍより小さくなると、後述するように、供給する粒子の数を制御することが困難になるからであり、５０００μｍを越えると、接合材を十分に溶融するのが困難になるからである。

接合材の供給方法としては、例えば、接合材を１粒子ずつにレーザ照射範囲に供給する方法を挙げることができる。すなわち、上記のような平均粒径の接合材を１粒子ずつ供給することで、連続的に供給される接合材の供給量を一定にすることができる。或いは、所定の断面形状を有する供給路を介して接合材を供給することもできる。このようにすると、供給路が所定の断面形状を有しているため、この供給路を通過する接合材の量を一定にすることができる。その結果、レーザ照射範囲への接合材の供給量を一定に維持することができる。所定の断面形状を有する供給路としては、例えばパイプ状、樋状のものを挙げることができる。

また、本発明に係る接合装置は、半田またはろう材からなる接合材を供給する接合材供給ユニットと、レーザビームを発生するレーザ発生ユニットとを備え、前記接合材供給ユニットから供給された接合材に前記レーザ発生ユニットからレーザビームを照射して溶融し、当該溶融した接合材によって２以上の被接合部材を接合する接合装置であって、上記問題を解決するためになされたものであり、前記接合材供給ユニットは、所定の断面形状を有する供給路を備え、当該供給路を介して粉末状の接合材を前記レーザビームの照射範囲に連続的に供給可能に構成されている。

この構成によれば、粉末状の接合材を所定の断面形状を有する供給路を介して供給するため、一定量の接合材を連続的に供給することができる。その結果、接合材の供給量を正確に制御することができ、例えば微細な部分を接合する場合であっても、微少量の接合材をばらつき無く精度よく供給することができる。したがって、従来例のように、接合材が過剰に供給されるのを確実に防止することができ、微小部分であっても精度よく接合を行うことができる。

前記接合材供給ユニットは、例えば、次のように構成することができる。すなわち、回転可能な筒状に形成され外周面に所定の容量を有する複数の凹部が形成された回転体と、前記凹部に粉末状の接合材を供給する供給手段と、前記凹部内に配置された接合材を吸引して前記供給路へ送り出す送出手段とを備え、前記回転体を回転させつつ、前記送出手段により前記凹部に配置された接合材を連続的に前記供給路へ送り出すものとすることができる。この構成によれば、各凹部に接合材が配置された回転体を回転させつつ、送出手段で凹部内の接合材を吸引することで、接合材を連続的に供給路へと供給することができる。このとき、凹部は所定の容量を有するので、凹部に配置される接合材の量は一定となる。したがって、供給路へ供給される接合材の量を一定に維持することができる。また、供給路への供給量を調整するには、回転体の回転速度を調節すればよい。つまり、回転体の回転速度を上げれば、供給量を増大することができる。また、凹部には、接合材を１粒子ずつ配置することもできるし、複数個ずつ配置することもできる。

本発明によれば、半田、ろう材等の接合材の供給量を正確に制御することができ、供給量のばらつきを防止することができる。

以下、本発明に係る接合装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る接合装置を示す概略構成図である。

この接合装置は、二以上の被接合部材を半田またはろう材からなる粉末状の接合材によって接合するための装置であり、図１に示すように、レーザビームを照射するレーザ発生ユニット１と、照射されたレーザビームに接合材Ｐを供給する接合材供給ユニット３と、レーザＬの出力及び接合材Ｐの供給量を制御する制御ユニット５とを備えている。

レーザ発生ユニットは１、レーザＬを発生するレーザダイオードを内蔵した公知の半導体レーザ装置１１と、レーザＬを集光する集光部１２とを備えており、半導体レーザ装置１１で発生したレーザＬは、光ファイバー１３を介して集光部１２に送られる。集光部１２は、レーザＬを４５°の角度で反射する４５°ミラー１２１を備え、この４５°ミラー１２１で反射されたレーザＬはコリメータレンズ１２２及び集光レンズ１２３を通過することで焦点が調節された後、被接合部材Ｍ側に向けて下方へ照射される。

接合材供給ユニット３は、レーザビームＬ及び接合材Ｐを接合部分へ導くための漏斗状の治具３１と、この治具３１へ粉末状の接合材Ｐを供給する供給装置３２とを備えている。治具３１の上部及び下部には開口が形成され、レーザ発生ユニット１から照射されたレーザビームは、この治具３１の上部開口から入射し、下部開口から治具３１の下方に配置される被接合部材Ｍへと照射される。供給装置３２は、治具３１へ接合材を導入するためのパイプ状の供給路３２１を備えており、この供給路３２１は治具３１の上下方向の中間部付近から治具３１内部へと延び、治具３１内部で折れ曲がって下方へと延びている。

治具３１の下部において、供給路３２１の先端部と下部開口との間には、レーザセンサ３３が配置されている。このレーザセンサ３３は、供給路３２１を挟むように配置されたレーザ発信部３３１と受信部３３２とから構成されている。そして、発信部３３１から発信されたレーザは受信部３３２で受信され、その間を通過した接合材Ｐの量を検知し、制御ユニット５に所定の信号を送信するようになっている。また、この接合材供給ユニット３には、治具３１の内部に気体を供給する気体供給装置３４が設けられている。この装置３４は、治具３１内部の下方へ向けて窒素やアルゴン等の不活性ガス、或いは水素等の還元性ガスを供給し、接合時の雰囲気を制御するものである。また、この装置３４は、上記ガス以外にも、冷却ガスを供給することもでき、これによって接合完了時に被接合部材Ｍの熱劣化を抑制することができる。

供給装置３２から供給される接合材Ｐは、上記のように粉末状のものであり、その粒径は、５〜５０００μｍであることが好ましく、１０〜３０００μｍであることがさらに好ましく、３０〜１０００μｍであることが特に好ましい。これは、平均粒径が５μｍより小さくなると、後述するように、供給する粒子の数を制御することが困難になる一方、５０００μｍを越えると、接合材を十分に溶融するのが困難になるからである。上述したように、接合材としては半田が一般的に用いられるが、ろう材も用いることができる。ここで用いられるろう材としては、例えばアルミニウムろう材、銅ろう材、黄銅ろう材、ニッケルろう材、銀ろう材、リン銅ろう材、金ろう材、パラジウムろう材、銅−マンガンろう材、銀−マンガンろう材、コバルトろう材等がある。また、接合材の形状は、流動性の観点から球状であることが好ましいが、供給路や、その他の搬送経路をスムーズに流れるものであれば、これに限定されるものではない。また、金属ろう材は、造粒により球状化してもよく、造粒時には必要に応じてフラックスやバインダー等を加えることもできる。

図２は、供給装置３２の概略構成図である。同図に示すように、この装置３２は、粉末状の接合材Ｐが投入されるホッパー（供給手段）３２２を備えており、このホッパー３２２から排出された接合材Ｐは振動フィーダー（供給手段）３２３によって搬送される。振動フィーダー３２３は、回転可能に支持された回転体３２４の近傍まで延び、回転体３２４へ接合材Ｐを搬送する。回転体３２４は、円筒状に形成されており、その外周面には周方向に沿って複数の凹部３２４１が等間隔に形成されている。振動フィーダ３２３によって搬送された接合材Ｐは各凹部３２４１に供給され、回転体３２４は各凹部３２４１に接合材Ｐを保持した状態で回転する。凹部３２４１の大きさ（容量）は、特には限定されないが、保持すべき接合材Ｐの粒径及び粒子数に応じて適宜決定すればよい。回転体３２４を挟んで、振動フィーダ３２３の反対側には、上記した供給路３２１が配置されている。供給路３２１の端部は、回転体３２４の外周面と近接する位置に配置されており、凹部３２４１内に配置された接合材Ｐは、回転体３２４が回転することによって供給路３２１の端部まで到達すると、図示を省略する吸引装置（送出手段）によって吸引される。吸引された接合材Ｐは、供給路３２１へと乗り移った後、治具３１内へ供給される。このとき、回転体３２４の回転数を調節することで、接合材Ｐの供給量を調節することができる。すなわち、回転数を高くすると、供給路３２１へ移動する接合材Ｐの量が多くなるため、治具３１への供給量が多くなる。一方、回転数を小さくすると治具３１への供給量が少なくなる。

供給される接合材Ｐは、接合条件に応じて粒子の大きさを適宜調整して、１粒子ずつ供給するようにしてもよいし、複数の粒子を供給するようにしてもよい。例えば、接合材Ｐの粒径を比較的大きくして各凹部３２４１に１粒子ずつ保持すると、接合材Ｐを１粒子ずつ供給路３２１を流すことができる。或いは、粒径の小さい接合材Ｐを用い、各凹部３２４１に複数の粒子を保持するようにすることもできる。

制御ユニット５は、半導体レーザ装置１１の出力を制御するためのものであり、図１に示すように、半導体レーザ装置１１、供給装置３２、及びレーザセンサ３３と電気的に接続されている。この制御ユニット５は、設定電流により半導体レーザの出力を調整する方式のものである。そのため、出力の時間的変化をμｓ単位で調整する多段階設定が可能となっており、例えば図３に示すようなステップ照射を実現することができる。このようなステップ照射は、マニュアルによって行うこともできるが、図３のようなステップ照射を行うための電流の時間的変化のパターンを、予めハードディスク等の記憶装置に複数種記憶させておくことができる。そして、被接合部材Ｍの種類や接合条件に応じて、これらのパターンを読み出すことで、所望の出力パターンで自動的にレーザビームを照射することができる。また、この制御ユニット５は、レーザの出力に応じて供給装置３２から供給される接合材Ｐの量を調整したり、レーザセンサ３３で検知した接合材Ｐの量に応じてレーザＬの出力を調整する機能も有している。

次に、上記のように構成された接合装置による被接合部材の接合について説明する。まず、二以上の被接合部材Ｍを治具３１の下部開口の下方に配置する。続いて、制御ユニット５によって、レーザビームが発生しない程度の電流値、例えば５Ａ程度の電流値を半導体レーザ装置１１に与え、所定時間待機させる。これにより、急激な電流値の上昇によるレーザダイオードの破損が防止されるとともに、レーザダイオードの長寿命化にも寄与する。これに続いて、被接合部材Ｍの種類、或いは接合条件に対応する出力パターンを決定し、制御ユニット５に入力する。これにより制御ユニット５は、対応する電流のパターンを選択し、半導体レーザ装置１１に入力する。こうして、レーザ発生ユニット１から治具３１を介してレーザビームＬが被接合部材に照射される。このときレーザビームＬは、供給路３２１の先端部と被接合部材Ｍとの間にレーザの焦点が位置するように調整されている。こうすることで、最もエネルギー密度の高い部分で接合材Ｐを溶融することができる。

そして、レーザビームＬの照射とほぼ同時に接合材供給ユニット１から治具３１内に接合材Ｐが供給される。接合材ＰはレーザビームＬによって溶融され、この溶融された接合材Ｐが被接合部材Ｍ上に塗布され、被接合部材Ｍが接合される。ここで、被接合部材Ｍの表面酸化物の除去や表面の還元等、表面改質が必要な場合、または接合部分における雰囲気の調整が必要な場合には、気体供給ユニット３４から必要に応じてガスを供給する。ガスの供給は、接合条件に応じて、接合前、接合中、或いは接合後のいずれかに行う。また、溶融状態では分離しやすいような合金系材料からなる接合材を使用したときや、接合部分の熱劣化を抑制する必要があるときには、気体供給ユニットから冷却ガスを供給して、接合部を急冷することが好ましい。

なお、上記説明では、照射されたレーザビームＬの中に接合材Ｐを供給し、接合材Ｐが被接合部材Ｍに到達する前の接合材Ｐを溶融するようにしているが、接合材Ｐが被接合部材Ｍ上に到達した後にレーザビームＬを照射して溶融するようにすることもできる。これらは、被接合部材Ｍ、及び接合材Ｐの組み合わせにより適宜決定することができる。また、接合材Ｐを供給する前に、レーザビームＬによって被接合部材Ｍを接合材Ｐの融点以下の温度に予熱しておき、接合材Ｐがレーザセンサ３３を通過したのを検知したときに、接合材Ｐの融点以上となる出力でレーザビームＬを照射するようにすることもできる。この場合、接合材Ｐを供給する前には、接合材Ｐの融点以下の温度であって、被接合部材Ｍの材料特性が損なわれる温度を選択することが好ましい。

以上のように、本実施形態によれば、接合材Ｐとして粉末状のものを使用しているため、供給量の制御を容易に行うことができ、ばらつきを防止することができる。例えば、接合材Ｐを１粒子ずつ供給すれば、接合材Ｐの供給量を正確に一定にすることができる。或いは、小さい粒径の接合材Ｐを使用する場合であっても、回転体３２４の凹部３２４１や、供給路３２１の大きさが予め決まっていることから、この部分を通過する接合材Ｐの量も一定となり、供給量を一定とすることができる。したがって、従来の半田ワイヤーで生じていた問題を解決することができ、接合材Ｐの供給量を正確に制御することが可能となる。その結果、供給量が微小であっても、ばらつき無く一定量を供給することができ、微小な接合部分の接合も精度よく行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述したものに限定されず、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、接合材供給ユニット３として、図２に示すものを用いているが、一定量の接合材を供給できるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、回転体３２４を用いず、接合材Ｐを振動フィーダ３２３から供給路３２１へ直接導入することもできる。このとき、所定量の接合材Ｐを供給路３２１に充填した後、気体によってこの接合材を押し出すようにすることもできる。接合材は、上述したように１粒子ずつ供給してもよいし、複数個供給するようにしてもよい。いずれにせよ、所定の断面形状を有する供給路３２１を通過するので、供給量を一定にすることができる。接合材を１粒子ずつ供給する場合には、粒径に対応するようにパイプ状の供給路３２１の径を決定しておくことが好ましい。また、パイプ状のものではなく樋状のものを使用することもできる。

また、レーザ発生ユニッ１ト及び制御装置５の構成は、上記したように電流の設定値でレーザの出力を調整するものに限定されるものではなく、種々の構成をとることができる。例えば、一定電流により一定出力のレーザビームを発生させておき、その経路に設置したシャッターの開閉によって接合材Ｐを供給しながらレーザビームを接合部位に所定時間照射することも可能である。

以下、実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例では、図１に示す接合装置を用いた。
（実施例１）
実施例１として、図４に示すように、ピックアップレンズ６に設けられたＡＳ樹脂製の絶縁基板６１にウレタン被覆銅線６２を半田付けする場合について説明する。具体的には、コイル状に巻いた直径３０μｍのウレタン被覆銅線６２を、絶縁基板６１上に突出する金属端子６３に半田付けする。また、接合材として、粒径１００μｍの６０Ｐｂ−４０Ｓｎ半田ボールを使用する。なお、この実施例１では、ウレタン被覆銅線と金属端子とが本発明の被接合部材に相当する。

まず、絶縁基板６１上の金属端子６３に上記ウレタン被覆導線６２を巻回するようにして配置し、これらに、１０Ｗの出力で０．２秒間レーザビームを照射してウレタン被覆銅線のウレタン被覆を除去するとともに、これらを予熱する。次に、レーザビームの出力を５Ｗ程度にして、これら被接合部材を保温し、所定時間経過後、供給装置から治具に向けて接合材を供給する。この場合、接合材は、１粒子ずつ供給される。そして、レーザセンサによって接合材の通過を検知すると同時に、レーザの出力を２０Ｗまで上げて０．３秒間照射する。これにより、被接合部材へと落下する接合材が加熱され、接合部分に衝突して溶解し、被接合部材同士の半田付けがなされる。続いて、半田付けがされた部分に、１０Ｗで０．５秒間レーザを照射して、半田表面の平滑処理を行う。

以上の工程により接合作業を行った結果、ＡＳ樹脂からなる絶縁基板６１に半田付け時の加熱による損傷を与えることなく、良好且つ均一な半田付けができた。
（実施例２）
実施例２として、鉛フリー半田（粒径３００μｍのＳｎ−３．５Ａｇ半田ボール）を使用して、図５に示すように、ＦＰＣ基板７上の回路にコンデンサー８を半田付けする場合について説明する。なお、この実施例２では、ＦＰＣ基板７の回路とコンデンサーの端子部８１とが本発明の被接合部材に相当する。

まず、図５（ａ）に示すように、ＦＰＣ基板７に形成された貫通孔７１にコンデンサーの端子部８１を挿入する。続いて、ＦＰＣ基板７の回路とコンデンサー端子部８１とに出力２０Ｗで０．２秒間レーザを照射して予熱を行う。次に、レーザビームの出力を５Ｗ程度にしてこれら被接合部材を保温し、所定時間経過後、供給装置から治具に向けて接合材を供給する。この場合、接合材は１粒子ずつ供給される。そして、レーザセンサによって接合材の通過を検知すると同時に、レーザの出力を２０Ｗまで上げて１秒間照射する。これにより、被接合部材へと落下する接合材Ｐが加熱されて溶融し、図５（ｂ）に示すように、被接合部材同士が半田付けされる。続いて、半田付けがされた部分に、１０Ｗで０．５秒間レーザを照射して、図５（ｃ）に示すように、半田表面の平滑処理を行う。

以上の工程により接合作業を行った結果、ＦＰＣ基板７に半田付け時の加熱による損傷を与えることなく良好且つ均一な半田付けができた。

本発明に係る接合装置の一実施形態を示す概略構成図である。接合材の供給装置の概略構成図である。ステップ照射の一例を示す図である。実施例１における接合対象となるピックアップレンズの一部平面図（ａ）と、正面図（ｂ）である。実施例２でのＦＰＣ基板とコンデンサーとの接合を説明する図である。

符号の説明

１レーザ発生ユニット
３接合材供給ユニット
３２１供給路
３２２ホッパー（供給手段）
３２４回転体
Ｐ接合材
Ｍ被接合部材

Claims

半田またはろう材からなる接合材により被接合部材を接合する方法であって、
レーザビームを第１の出力で発生して前記被接合部材を前記接合材の融点以下の温度に予熱する予熱ステップと、
所定の断面形状を有する供給路を介して粉末状の前記接合材を前記レーザビームの照射範囲に連続的に供給する供給ステップと、
前記レーザビームの照射範囲に供給された前記接合材を検知手段により検知する検知ステップと、
前記検知ステップにおける検知に基づいて、レーザビームを前記第１の出力より高い第２の出力で発生し、前記接合材が前記被接合部材に到達する前に当該接合材を溶融し、溶融した前記接合材により２以上の前記被接合部材を接合する溶融ステップとを備える接合方法。
前記粉末状接合材は、平均粒径が５〜５０００μｍである請求項１に記載の接合方法。
前記供給ステップでは、前記接合材を一粒子ずつ前記照射範囲に供給する請求項１または２に記載の接合方法。
半田またはろう材からなる接合材を供給する接合材供給ユニットと、レーザビームを発生するレーザ発生ユニットとを備え、前記接合材供給ユニットから供給された接合材に前記レーザ発生ユニットからレーザビームを照射して溶融し、当該溶融した接合材によって２以上の被接合部材を接合する接合装置であって、
前記接合材供給ユニットは、所定の断面形状を有する供給路を備え、当該供給路を介して粉末状の接合材を前記レーザビームの照射範囲に連続的に供給可能に構成されており、
前記レーザ発生ユニットは、第１の出力、及び、当該第１の出力より高い第２の出力でレーザビームを発生可能に構成されており、
前記接合装置は、
前記レーザビームの照射範囲に供給された接合材を検知する検知手段と、
前記レーザ発生ユニットの出力を制御する制御ユニットとを更に備え、
前記制御ユニットは、前記レーザ発生ユニットの出力を前記第１の出力にしてレーザビームを発生させて被接合部材を前記接合材の融点以下の温度に予熱し、前記検知手段の検知に基づいて、前記レーザ発生ユニットの出力を前記第２の出力にしてレーザビームを発生させ、前記接合材が前記被接合部材に到達する前に当該接合材を溶融する、接合装置。
前記接合材供給ユニットは、
回転可能な筒状に形成され外周面に所定の容量を有する複数の凹部が形成された回転体と、
前記凹部に粉末状の接合材を供給する供給手段と、
前記凹部内に配置された接合材を吸引して前記供給路へ送り出す送出手段とを備え、
前記回転体を回転させつつ、前記送出手段により前記凹部に配置された接合材を連続的に前記供給路へ送り出す請求項４に記載の接合装置。