JPH04220168A - フラックスレス溶融金属被覆及び接合方法 - Google Patents

フラックスレス溶融金属被覆及び接合方法

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JPH04220168A
JPH04220168A JP2412977A JP41297790A JPH04220168A JP H04220168 A JPH04220168 A JP H04220168A JP 2412977 A JP2412977 A JP 2412977A JP 41297790 A JP41297790 A JP 41297790A JP H04220168 A JPH04220168 A JP H04220168A
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solder
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pressure
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Mark S Nowotarski
マーク・スティーブン・ノウォタルスキ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属表面への金属含有
被覆を施す技術分野に関するものであり、特にはフラッ
クスレス半田被覆及び接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半田付けは代表的に、接合されるべき少
なくとも2つの表面を半田を使用して半田の融点を超え
る温度で接触する技術である。半田との良好な濡れ従っ
て良好な結合を得るためには、両表面及び半田は清浄で
そして濡れを妨げるような物質が存在してはならない。 こうした濡れを妨げる物質の例としては、酸化物、塩化
物、硫化物、炭酸塩、及び様々の有機化合物が挙げられ
る。大半の半田接合プロセスにおける濡れに対する最大
の障害は、半田及び金属表面における酸化物皮膜である
。酸化物皮膜は代表的に、半田及び金属表面の大気への
曝露からもたらされる。こうした酸化物及び他の汚染物
がそれらの金属形態に還元され、反応して濡れに有害で
ない他の種化合物を形成し、或いは溶解もしくは機械的
清浄化のような既知手段により除去されて良好な濡れを
保証することが必要である。
【0003】濡れに有害な化合物は通常、フラックス試
剤の使用によりそれと反応或いは溶解せしめられそして
洗い流される。しかし、フラックス試剤は代表的に腐食
性でありそして半田付けプロセス後その残渣の除去を必
要とする。フラックス残渣を除去するのに使用される清
浄化プロセスは費用がかかり且つ制御困難である。加え
て、最も多く使用されている清浄化剤であるCFC11
3は、成層圏におけるオゾンを破壊することが判明して
いる。これは重大な環境上の問題であり、そして大半の
工業国はこの清浄化剤の製造を排除するべくいわゆるモ
ントリオール暫定協定の下で同意している。CFC11
3の代替物として提唱されているものはすべて、一層高
価であるか、それほど有効でないか、使用に安全でない
か、或いは新たな清浄化設備の購入を必要とする。
【0004】こうした理由のため、フラックスレス半田
被覆及び接合プロセスを使用することがしばしば所望さ
れる。フラックスが使用されないなら、清浄化は当然必
要とされない。米国特許第4,821,947号におい
て、半田を使用してのフラックスレス被覆及び接合のた
めのそうしたプロセスが開示された。このプロセスにお
いては、半田付け可能な金属表面が不活性溶融金属浴と
接触せしめられる。従来からの大気中半田付けにおいて
は半田浴及び金属表面からの酸化物及び汚染物を排除す
るためにフラックスが使用されねばならないが、このプ
ロセスでは、フラックスの必要性は、半田浴及び金属表
面を不活性とすることにより排除され、この場合、不活
性浴は酸化物を含まない。半田付け可能な表面上に存在
する汚染物は不活性半田浴の表面張力により表面から引
き離される、この望ましい分離作用は、半田付け表面上
に半田付け温度で液体となる保護被覆が存在するなら、
一段と向上される。その場合、被覆の表面に生じている
汚染物は表面から一層容易に引き剥される。非常に一般
的で且つ有効な、そうした保護被覆は電気めっき半田で
ある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前述の米国特許プロセ
スは、斯界での望ましい進展を代表するものであるが、
しかし、このプロセスでは、半田付けされる表面が半田
浴から取り出された後、それら表面或いは接合部に残る
半田量を制御することは困難である。例えば、導体パッ
ドを有する電子回路板が不活性雰囲気下の半田浴中に浸
漬される場合を例にとると、導体パッドは半田酸化物及
び汚物で汚染された電気めっき半田被覆を有しているが
、電気めっき半田被覆は溶融し、そして半田の表面張力
は酸化物及び汚物を表面から引き剥す。その後、半田浴
の半田は導体パッドの露出面を有効に濡らす。しかし、
半田浴から回路板を引き上げるに際して、導体パッドに
おける半田表面張力は半田を導体パッドに沿って引き上
げそしてそこにまとわりつかせる。生じた半田カラム内
部の圧力は半田浴からの回路板の引き上げが継続される
につれ低下しそして半田カラムはくびれそしていわゆる
離脱点において破断しよう。破断点より上の半田は導体
パッドとともに留まっているが、破断点より下の半田は
流下して半田浴に戻る。
【0006】半田が破断する正確な位置は、回路板引き
上げ速度、導体パッドの傾斜、半田の表面張力等を含め
て多くの因子に依存しよう。被覆における最終半田容積
及び形状を所望通り決定するようにこれらパラメータの
すべてを制御することは非常に困難である。その結果、
半田量は作業毎にかなり大幅に変動する。様々の作業パ
ラメータに対する被覆プロセスのこの高度の敏感性は、
半田離脱過程が平衡状態から大きく外れているという事
実の反映である。半田カラム内部の圧力は半田カラムが
破断するとき負圧から正圧へ突然変化する。
【0007】半田業界においてこれまで幾つかの有意義
な進展が為されてきたが、様々の実際的な工業用途に対
してフラックスなしでの半田付けの実施可能性及び評価
を高めるための一層の改善が所望される。つまり、最終
的な半田容積及び形状を制御しうることが斯界での最大
の利益を与えることになる。これは、こうした工業用途
において所望される製品の再現性と品質制御とを実現す
ることを可能ならしめる。
【0008】従って、本発明の課題は、従来より改善さ
れた半田被覆及び接合方法並びに改善された半田被覆及
び接合部を提供することである。
【0009】本発明の別の課題は、最終半田容積及び形
状を制御することの出来る半田被覆方法を提供すること
である。
【0010】本発明のまた別の課題は、制御された半田
容積及び形状をもつ半田被覆及び接合部を生成するため
のフラックスレスプロセス或いはフラックスレスに近い
プロセスを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者は、フラックス
レスプロセス或いはフラックスレスに近いプロセスによ
る半田被覆/接合部内の圧力を最終の半田容積及び形状
を決定するために制御することを想到した。半田付け表
面が制御された圧力における半田源(溜め)と接触状態
に持ちきたされそして制御された圧力条件の下で離脱さ
れる。
【0012】本発明は、溶融金属をそれより高い融点を
有する少なくとの一つの固体金属表面上に被覆する方法
であって、 (a)被覆されるべき少なくとも一つの固体金属表面を
、不活性な、実質上フラックスレス条件下で前記溶融金
属の源と接触せしめ、以って形成される溶融金属被覆の
表面及び該溶融金属源表面全体を通じて該溶融金属被覆
の実質上所望される最終圧力における、制御された一つ
の圧力を確立する段階と、 (b)前記溶融金属源を前記固体金属表面との接触から
除去し、その場合、該被覆の溶融金属源からの実際の分
離の前後で、該被覆における溶融金属の圧力を該溶融金
属源と該固体金属表面上に残る金属被覆との間に形成さ
れる離脱点における溶融金属源内の圧力と実質上同じと
し、それにより該被覆にその曲率半径が離脱点における
溶融金属源の曲率半径と実質同じであるような容積及び
形状をとらしめる段階とを包含し、これにより被覆プロ
セスが被覆プロセスと関与する作業パラメータに認め得
る程に敏感性を示さず平衡条件に近づいて実施され、前
記溶融金属源の制御された圧力により所望される被覆容
積及び形状を実現することを特徴とする被覆方法を提供
する。被覆プロセスはフラックスレス条件或いはフラッ
クスレスに近い条件下で実施される。制御された正圧或
いは負圧が前記離脱点において溶融金属被覆及び溶融金
属源との表面全体を通じて確立されそして維持される。 溶融金属源の例は、溶融金属のボール或いはシリンジ内
の溶融金属体である。本発明はまた、こうした原理に基
づく接合方法並びにそうした方法で形成された被覆及び
接合部をも提供する。
【0013】
【作用】被覆部或いは接合部における半田の量及び形状
が、半田付けされる単数乃至複数の表面を半田源(溜め
)と接触状態に持ちきたしそして後半田源における圧力
を引き離しの時点で周囲圧力に対して制御しつつそれら
表面を半田源から引き離すことにより非常に厳密に制御
される。最終的な半田被覆部及び接合部における半田表
面の形状とその内部圧力との間には直接的な関係が存在
することが見出された。半田被覆部における圧力を制御
しそしてその圧力においてそれを半田源から分離するこ
とにより、プロセスは、上述した先行技術のフラックス
レス被覆プロセスにおけるよりも平衡状態にはるかに近
い状態で実施されそして作業パラメータに対する敏感性
がはるかに少なくなる。
【0014】本発明のフラックスレス半田被覆の実施に
おいて、半田付け表面は、不活性なフラックスレス条件
の下で、半田源と接触せしめられそして後半田源が除去
される。その場合引き離しの時点での被覆の圧力は、半
田源における半田の圧力とほぼ同じである。この態様で
、半田源からの被覆の引き離し時点での被覆の圧力の調
整により最終的な半田容積及び形状が注意深く制御され
うる。
【0015】
【実施例】第1図の具体例を参照すると、番号1により
表わされる回路板はその上に配置される導体パッド2を
有している。半田付け前は、導体パッド2は、銅基金属
パッド(ベースメタル)3とその上の保護用の電気めっ
き半田被覆4とを含んでいる。酸化物及び他の種所望さ
れない汚染物5が半田被覆4上に存在する。半田源が、
曲率半径R1 を有しそして回路板1の表面上を導体パ
ッド2の方向に移動している比較的大きな半田ボール6
の形で示される。半田ボール及び導体パッドの環境は不
活性である。導体パッド2と半田ボール6との接触に際
して、半田被覆4は溶融しそして半田ボールの一部を形
成する。半田ボール6は、導体パッド2を横切って僅か
に平たくなる傾向があり、曲率半径R2 をとる。酸化
物及び汚染物付着物5は半田ボール6に付着しそして導
体パッド2のベースメタル3から剥れるようになり、そ
の充分量が除去されて導体パッド上に僅かの露出した酸
化物の存在しない領域を残す。その後、半田ボール6が
ベースメタル3から離れて移動するに際して、半田ボー
ルはその後R3の曲率半径を有するものとなりそして離
脱点7が半田ボール6とベースメタル3上に残存する被
覆8との間に生じる。こうした状況下で、被覆8におけ
る圧力は離脱点において半田ボール6における圧力とほ
ぼ同じとなりそして被覆8はR3 に実質上等しい曲率
半径を有する形状をとるようになる。離脱点7での実際
の分離に際して、被覆圧力は半田ボール6における圧力
とほぼ同じに留まり、従って被覆8は制御された容積と
形状とを有するものとなり、その場合その巾はベースメ
タルの巾でありそしてその高さ及び曲率は曲率半径がほ
ぼR3 であるようなものである。
【0016】図1の具体例を、フラックスの使用なく銅
パッド3上に清浄な酸化物を含まない半田被覆を置くの
に実際に使用した。この場合、最終被覆の所望の曲率半
径は約1.5mmであった。銅パッド3を電気めっき半
田被覆4であらかじめ被覆した。この被覆は酸化しそし
て取扱いにより汚染された。銅パッドは、ガラス繊維回
路板に付設された、0.85mm半径のディスク状を有
した。300ppm未満の酸素しか含まない窒素から成
る不活性環境を420〜430°Fの温度で使用した。 半田は60重量%錫、38重量%鉛及び2重量%アンチ
モンの合金であり、約390°Fの融点を有した。パッ
ド3を被覆するための半田源として使用された酸化物を
含まない半田ボール6を半田を充填したガラス製滴下装
置(ドロッパ)を使用して発生せしめた。半田滴を滴下
装置から窒素環境中に押出しそして回路板上に落下せし
めた。半田ボール6の曲率半径は約1.5mmであった
。半田ボールの正の曲率半径はボール内部を正圧に維持
した。ボールの半径は滴下装置の直径を変更することに
より変えることが出来ることが理解されよう。その直径
が小さくなる程、半田ボールは小さくなる。半田ボール
6がパッド3と接触しそして該ボールがパッドとの接触
から離れるに際して、約1.5mmの所望の曲率半径を
有する被覆が形成された。
【0017】球の表面を横切っての圧力差は、内部圧力
−外部圧力=表面張力×2/R(ここでRは球の曲率半
径である)により与えられることを銘記すべきである。 非球形の形態に対しては、表面を横切っての圧力は、内
部圧力−外部圧力=表面張力×2/(1/r1+1/r
2)(ここでr1は一つの平面における表面の曲率半径
でありそしてr2は当該平面に直交する平面における曲
率半径である)により与えられる。この開示の目的のた
めには、表面が非球状である場合に、「半径」という用
語は2/(1/r1+1/r2)を意味するものとして
理解されよう。R1及びr2は正でも負でもよい。もし
曲率半径中心が半田ボール6におけるように半田の内部
に存在するなら、圧力は正である。もしそれが半田の外
部に存在するなら、圧力は負である。導体パッドをそれ
が浸漬されていた半田体から上方に引き上げる先行技術
の具体例においては、ネッキングを起こした即ちくびれ
た半田のカラムは、半田カラムの外側にある外側曲率半
径r1と半田のくびれた部分の内側に内側曲率半径r2
を有する。こうした状況においては、r1は負でありそ
してr2は正である。r1が実際上r2より小さいこと
が見出されているから、離脱点における半田の内部の圧
力及び表面曲率半径は負である。
【0018】球に対しては、曲率半径はすべての部位で
等しくそして圧力もすべての部位で等しい。しかし、球
が充分大きいなら、重力の影響が重要となって、上部に
おける圧力は下部における圧力より小さい。そこで球は
、いわゆる「定着液滴」へと平坦化する。しかしこれは
本発明には影響を与えない。何故なら、本発明は離脱点
での圧力のみと関係するからである。従って、圧力が半
田源あるいは被覆の内部で異なっていることは重要では
ない。
【0019】図1のCに示されるように、離脱点7にお
いて半田ボール6とパッド被覆8との間で半田は自由に
流動しうる。その結果として、圧力は離脱点の両側で均
衡化する。従って、パッド被覆の曲率半径は半田ボール
のそれと同じである。
【0020】もっと厚い被覆を得るためには、曲率半径
はもっと小さくされねばならず、従ってもっと小さな半
田ボールが使用されることになる。これは図2に示され
ている。図2においては、図1におけるのと同じ材料が
使用されている。図1におけるより小さなR’を有する
もっと小さな半田ボール6’が使用され、その結果被覆
8’は図1の被覆8よりもっと厚いことが銘記されよう
。被覆8’の曲率半径は半田ボール6’の曲率半径R3
 ’と実質上同じである。
【0021】本発明の半田ボールとして曲率半径がどの
くらい小さくされるべきであるかは制約がない。しかし
、導体パッドに対して、最終被覆の曲率半径はパッド横
切っての最小距離の約1/2未満とすべきでない。導体
パッドに対して小さすぎる半田ボールは本発明の被覆目
的に対して有効ではない。それらは被覆に吸収されよう
【0022】本発明の制御された圧力プロセスは、同じ
半田ボールを使用して約30の導体パッドの被覆に実施
された。それらの各々は、被覆された後、同じ曲率半径
及び半田容積を有する正常な酸化物を含まない被覆であ
った。しかし、非常に多数のパッドが単一のボールで被
覆されるなら、清浄化されたパッドから転移した酸化物
が最終的に半田ボールを覆い、従ってボールはもはやそ
の球形態を保持ないようになる。この時点で、ボールは
パッド上に一様な被覆を残さなくなり、そして少量の半
田酸化物が回路板に粘着するようになる。そうなると、
半田ボールは廃棄されるべきでありそして追加パッドの
被覆のためには新しい半田ボールが使用されるべきであ
る。
【0023】当業者は、様々の変更や改変がここに開示
した本発明の細部において為され得ることを理解しよう
。本発明を一般に半田プロセスとして言及される被覆プ
ロセスに特に関連して記述したが、当業者は、本発明の
実施が溶融金属がその融点より高い融点を有する固体金
属上に被覆されそして接合されるべき任意のプロセスに
関与しうることを理解しよう。例えば、溶融金属が84
0°Fを超える融点を有する、通常ろう接として述べら
れる被覆プロセスもまた本発明の範囲内に含まれる。 ここで言及される半田プロセスは、180〜320℃の
融点範囲を有する錫基充填金属を使用する電子用途半田
付けをも含むことを理解すべきである。制御された圧力
の被覆プロセスを実施する不活性環境は、半田付け或い
は他の被覆作業中半田ボール或いは他の種溶融金属表面
上に或いは導体パッド表面上に連続した酸化物或いは他
の種固体金属塩を形成しない環境を構成することを理解
すべきである。半田表面は、半田の表面に連続した酸化
物被覆が存在しないなら、本発明目的には酸化物を含ま
ないとしてみなされる。本発明の実施において幾つかの
孤立した島の形での酸化物の存在は許容される。
【0024】本発明は、その範囲内に、フラックスレス
或いはフラックスレスに近い被覆両方を含んでいる。フ
ラックスは、半田浴温度において液体でありそして濡れ
に有害な化合物、例えば酸化物を溶解し或いは濡れに有
害な化合物と化学的に反応してそれらを容易に除去する
ことの出来る液体或いは気体とする物質を意味する。フ
ラックスレス被覆は導体パッドへの半田の被覆の時点で
パッド及び半田と接触状態にある測定しうる量のフラッ
クスが存在しないことを意味する。フラックスレスに近
い被覆は、回路板上のフラックス合計量が回路板単位c
m2 当たり3マイクログラムNaCl当量を決して超
えないことを意味する。このフラックス水準は斯界では
清浄として扱われる。実質上フラックスレス被覆とはフ
ラックスレス或いはフラックスレスに近い被覆いずれを
も含むことを理解すべきである。
【0025】例示として、1.5mm直径の半田ボール
を導体パッドと接触状態に持ちきたした。酸化物を含ま
ない半田ボールの表面張力はパッドから酸化物及び汚染
物を引き剥した。その後、半田ボールが導体パッドから
離れて押進されるとき、ボールは酸化物の大半を連行し
た。本発明の特定具体例において、酸化物被覆付き半田
ボールはそれを極く少量のフラックスと接触することに
より清浄化される。一般的な有機酸フラックスであるア
ビエチン酸(ロジン)及びアジピン酸(COOH−(C
H2 )4 −COOH)がこの目的に適当である。理
想的には、半田ボールを再生するのに使用されるフラッ
クスは、回路板と接触状態となるべきではない。しかし
、そうなっても、フラックス残渣の量は代表的な半田付
け用途において問題とならない程に少量であろう。
【0026】上に示したようにそして米国仕様MIL−
P−28  809に従えば、回路板は、イオン汚染が
回路板面積1cm2 当たり3.1マイクログラムNa
Cl当量未満であるなら清浄とみなされる。これは、回
路板を水及びアルコ−ルのイオンを含まない溶液中で洗
浄しそして洗浄溶液が回路板からイオンを取り込むに際
しての洗浄溶液の電気電導率を測定することにより測定
される。これに関連して、酸化物を充分含有した半田ボ
ールは2nm(ナノメータ)の酸化錫(SnO)層厚さ
を有している場合もあることを銘記すべきである。この
酸化物がフラックスによりイオン性残渣に変換されると
したなら、それは半田ボール単位cm2 当たり1.1
2マイクログラムNaClに当量となろう。例えこの残
渣がすべて回路板に直接付着しても、前記仕様により汚
染とみなされる水準よりはまだなお充分少ない。
【0027】上記例において、半田ボールは、回路板の
表面上を導体パッドとの接触のために導体パッドの方向
に移動される。半田ボールは、ガラスプレートを使用し
てのように押進されうるし或いは半田付け用アイロンを
使用して引っ張ることも出来る。こうした半田ボール移
動技術に加えて、幾つかの用途では、回路を横切って多
数の半田ボールを一度に押進するべくスクリーンを使用
することが便宜であることもあろう。また別の方策は、
各半田ボールを付着するピンアレイの使用である。ピン
は、半田ボールが回路板を横切って連行されるに際して
半田付けすることを意図しない導体パッドの半田付けを
回避するように昇降されうる。幾つかのピン或いはピン
列が異なった寸法の半田ボールを有するなら、それらは
導体パッドにここで与えられるものとしての様々の半田
被覆厚さを与えるよう昇降されうる。
【0028】大気環境においては半田付け用アイロンを
使用して回路板上に配置された小さな導体パッドを被覆
するのに回路板を横切って半田ボールを引っ張るのが斯
界の通常的やり方である。従来は、適正な濡れを実現す
るためにフラックスが使用され、その場合半田重量に基
づいて約1〜4重量%のフラックスが代表的に使用され
る。対照的に、本発明の実施においては、そうした被覆
中不活性雰囲気が使用され、そして濡れはフラックスレ
スプロセスにおいてさえ或いはフラックス量が上述した
極く低水準まで低減されたフラックスレスに近いプロセ
スにおいてでも実現される。こうした低水準のフラック
スは、大気中でフラックスを使用する従来の実施におけ
るような残渣の清掃を必要としない。
【0029】本発明の被覆プロセスは、フラックスを使
用しない場合においてのみならず、指定された極く少量
のフラックスを使用する場合にでも、半田ボールを酸化
物を含まない状態に維持すること、その球形態を保持す
ること及び導体パッドを濡らすことに関して驚くべき程
に意義ある利益を実現する。このプロセスは、フラック
スレス被覆作業において、導体パッドを半田浴に浸漬す
るプロセスでは得られない態様で半田容積を所望通り制
御することを可能ならしめる。リフローソルダリングと
して知られる現在の半田付け実施法の一つにおいて、接
合部における半田の量は代表的に、半田ペースト及びフ
ラックスを導体パッド上にプリントすることにより制御
される。これは非常に制御困難なプロセスである。何故
なら、プリントする能力はペーストの性状により強く影
響を受け、これは結局温度、老化度、湿度等により大き
く変動する。半田予備成形体もまた、幾つかの場合使用
されるが、各パッド寸法形態はそれ独自の形状を有する
はずであり、そしてパッドは予備成形体上に形成された
酸化物を除去するのにフラックスを必要とする。
【0030】半田被覆の量及び形状の望ましい制御に加
えて、本発明は、半田付け表面を大きな半田浴と接触或
いはそこへ浸漬することなく実質上フラックスレス被覆
及び接合作業を達成することを可能ならしめる。こうし
た接触或いは浸漬は、作業観点から非実用的である場合
がありそして基板や部品素子に損傷を与える危険がある
。本発明はまた、様々の実質上フラックスレス接合プロ
セスを可能ならしめ、ここで記載した制御された圧力プ
ロセスの非常に重要なメリットを与える。
【0031】以上においては、本発明を被覆或いは接合
されるべき金属と半田源との間の離脱点において制御さ
れた正の圧力を得るのに半田ボールの使用と特に関連し
て記述した。そうした制御された正の圧力を得るのに他
の手段もまた使用出来ることを銘記すべきである。例え
ば、この目的のためにシリンジ(注射器、注入器)が使
用出来る。代表的にガラス製胴体とステンレス鋼製針を
具備するシリンジを制御された圧力条件の下で導体パッ
ド或いは他の被覆表面に溶融金属を置くのに使用出来る
。この目的のために、シリンジ内の溶融金属は制御され
た容積及び形状の溶融金属がそこから被覆されるべき表
面上に付着されるように所望の正の圧力の下に置かれう
る。別法として、シリンジをその内部の溶融金属の重力
が離脱点において最終の所望の圧力において或いはその
近傍で所望の正の圧力を確立するよう使用されうる。
【0032】以上から、本発明の圧力制御方式は被覆さ
れるべき部品を半田浴から引き上げる従来技術の方式と
著しく異なることが理解されよう。従来の方式において
は、離脱点での圧力が半田カラムが破断する時点におい
て負圧から正圧へと急激に変化する。特定の負圧値は上
述したように特定の用途に関連する作業パラメータに依
存するので、離脱点での圧力は制御不可でありそして最
終的な被覆の所望の容積及び形状を生成するに所望の圧
力とは必ずしもならない。
【0033】当業者は、所望の制御圧力が正圧のみなら
ず負圧でもよいことを理解しよう。制御された正圧は凸
状被覆表面が所望される用途では好ましいが、凹状被覆
が所望される場合には制御された負圧の使用が好ましい
。そうした場合、被覆されるべき表面に被覆用材料を正
圧条件下で適用しそして被覆が溶融金属源から分離する
前の離脱点において制御された負圧条件に変更すること
が都合がよい。シリンジを使用して、先ず正圧で材料を
適用して部品を濡らしそして後適正な被覆形状を保証す
るべく分離期間中制御された負圧を適用することが出来
よう。L字形導体パッドを使用する用途では、制御され
た負圧の使用は一般に制御された正圧の使用より好まし
い。そうした被覆形態は、例えば被覆がリードレスチッ
プキャリア等に対するソケットを提供する用途では所望
されよう。制御された負圧の使用はまた、2つの対象物
間で接合部即ち継手が作製されている場合にも一般に好
ましい。凹状接合部(負の内部圧力)は凸状接合部より
良好な機械的性質を持つ傾向がある。
【0034】図3は、本発明の負圧制御方式を使用する
、リードと回路板との間の代表的な半田接合部の断面を
例示する。リード10が、回路板14及び15の導体パ
ッド12及び13それぞれに半田接合部11により半田
付けされる。半田接合部11は曲率半径Rの中心が半田
の外部にあるという事実により証明されるように内部に
制御された負圧を有している。こうした負の曲率半径は
、半田ボール或いは他の制圧具体例と関与する正の制御
された圧力条件とは反対に、半田接合部を負の制御圧力
条件を有する半田源(溜め)と接触状態に持ちきたすこ
とにより制御される。例示の具体例においては、半田源
(溜め)における負圧は半田により溜めの側面の濡れに
よりもたらされる。メニスカスは凹状であり、曲率半径
R’の中心は半田の外側にあり、従って溜めの圧力は負
圧である。回路板に置ける半田接合部11を制御された
負圧の溜め16と連通状態とすることにより、接合部は
内部に負圧を有しそして所望の凹入形状を有する。この
接合方式は、接合部が多すぎる半田を含みそして過剰の
半田が流延し回路板における隣の接合部をも濡らす時に
生じる所望されざるブリッジを排除する効果を有する。
【0035】本発明の実質上フラックスレス被覆プロセ
ス並びに先に引用して特許に開示されたプロセスは共に
、極めて半田付け性のよい半田被覆をもたらす。ここで
使用するものとしての実質上フラックスレスとは上述し
たようにフラックスレス及びフラックスレスに近い条件
を含むことが理解されよう。事実、それらは非常に半田
付け性がよいので大気環境下においても実質上フラック
ス為しに互いに接合され得ることが見出された。しかし
、好ましい具体例においては、接合されるべき両表面は
溶融半田被覆を有しそして不活性雰囲気下で接合される
【0036】接合されるべき2つの表面が半田融点を超
える温度で半田と接触せしめられて所望の接合部を形成
する半田接合プロセスは、ウエーブ或いはディップ方式
の半田付けとは区別される。後者では、接合されるべき
表面が半田溜めと接触状態に持ちきたされそして接合部
が半田ウエーブから取出される際必要とする半田を吸い
上げそして保持する。図4に例示されるように、部品2
0はリード21及び22を有し、そこに凸状半田被覆2
3及び24が被覆される。回路板25は導体パッド26
及び27を有し、そこに半田被覆28及び29がそれぞ
れ被覆されている。半田被覆23及び28と半田被覆2
4及び29とを半田融点を超える温度で接触するに際し
て、半田接合部即ち継手30及び31が形成され、それ
により部品20を回路板25に固定する。
【0037】本発明の制御圧力プロセスにしたがって被
覆された半田被覆を使用して接合を実施するためには、
接合部の表面の少なくとも一方は、本発明にしたがって
被覆された被覆を有するものとされる。先に示したよう
に、本発明の被覆プロセスに基づく所望される実質上フ
ラックスレス接合の知見は、接合部の表面の少なくとも
一方が前記特許のフラックスレスプロセスに従って被覆
されるとき適当なフラックスレス接合作業が実施可能で
あるとの追加的な知見を導いた。好ましい具体例におい
ては、接合されるべき少なくとも2つの表面が実質上フ
ラックスレスプロセスにより被覆されそして導体パッド
は最も好ましくは接合部において充分のそして所望量の
半田を保証するよう本発明の制御圧力プロセスを使用し
て被覆される。表面は好ましくは不活性雰囲気中で半田
融点を超える温度で接合される。接合部は、半田が接触
前に溶融状態にあるとき速やかにそして一貫して形成さ
れる。部品の位置は都合良くは、半田の表面張力が部品
が適正に位置決めされるのを助けるから、導体パッドか
ら半田を除くことなく調整される。この作用は回路板或
いは部品を僅かに振動することにより向上されうる。そ
の結果、部品のプレースメント即ち配置どりの精度は、
部品が半田ペースト例えばフラックスバインダ中の小さ
な半田ボール或いは予備成形体例えばペーストの代わり
に半田の固体片中に置かれる場合よりはるかに臨界性が
低減する。本発明の接合プロセスを使用すると、20ミ
ル未満のリード間隔を有する微細ピッチ部品が手作業で
配置付け可能であり、他方従来方法ではピックアンドプ
レース機械或いはマシンビジョンを備えるロボットがそ
うしたプレースメントには必要とされた。
【0038】本発明の有意義な特徴において、接合され
るべき被覆表面は大気中で被覆されそして大気に曝露さ
れても、まだ尚、窒素中で爾後にリフローすると良好に
接合されうることが見出された。その結果、ある場所で
被覆を実施しそして別の場所でその後接合作業を行なう
ことが可能である。
【0039】被覆が固体状態にある間に接合されるべき
部品を組立てそして後接合部を形成するよう不活性雰囲
気中で熱を適用することも本発明の範囲内である。僅か
の突当り或いは押合いが部品を変位せしめるから、この
接合プロセスは実際的な工業作業では実施困難であるの
で、このやり方は特に好ましいものではない。しかしな
がら、適当な治具或いは接着剤の使用によりこの作業場
の困難さは克服されうる。
【0040】驚くべきことに、被覆が溶融状態にあるな
ら、接合されるべき部品は大気中で組立てられ得ること
が見出された。被覆が大気に曝露されると接合前に被覆
表面の連続酸化が起こるであろうから、これは予想外の
状況である。被覆の大気への曝露時間が連続酸化物層が
比較的薄いように充分短いかぎり、半田の表面張力は酸
化物皮膜を破砕するに充分強いように思われる。接合前
に30秒もの長い溶融被覆の大気への曝露がその後の接
合に悪影響なく可能であった。良好な接合部が形成され
るかぎり、もっと長い曝露もまた容認されうる。
【0041】両方の表面が前記特許の方法により被覆さ
れても接合部は得られるが、接合部における半田の量は
変動しそして適正な接合に不十分な場合が生じることが
理解されよう。
【0042】ただ一方に表面のみを本発明の制御圧力プ
ロセスにより或いは前記特許のプロセスにより被覆して
接合を実施することも本発明の範囲内である。この場合
、接合は、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気において実
施されねばならず、そして他方の非被覆表面は半田付け
性良好である、即ち使用される半田により容易に濡れね
ばならない。
【0043】
【発明の効果】実質上フラックスレス方式で半田付け材
料或いは表面への制御された容積及び形状での半田の被
覆は、斯界において非常に望ましい進展を表わす。本発
明の制御圧力プロセスを使用するこうした被覆及びこれ
から得られるフラックス接合プロセスは、従来より一層
高品質のそして一層再現性のある接合部の生成を可能な
らしめる。本発明の実施において提供されるこうした品
質の向上及び処理工程の融通性は、半田付け作業が広く
様々の産業用途で増大しつつあるニーズに充分に対応す
ることを可能ならしめる。
【0044】
【図面の簡単な説明】
【図1】比較的大きな半田ボールを使用する本発明の実
施例を表わし、(a),(b)及び(c)は半田ボール
と導体パッドとの接触状態の順次しての段階を示す。
【図2】比較的小さな半田ボールを使用する本発明の実
施例を表わし、(a),(b)及び(c)は半田ボール
と導体パッドとの接触状態の順次しての段階を示す。
【図3】制御された負圧条件の下で半田接合部を形成す
る状態を示す概略図である。
【図4】予め被覆された表面のフラックスレス接合状況
を示す説明図であり、(a)は接合前をそして(b)は
接合後を示す。
【符合の説明】
1:回路板 2:導体パッド 3:ベースメタル 4:半田被覆 5:酸化物、汚染物 6、6’:半田ボール 7:離脱点 8、8’:被覆 10:リード 11:半田接合部 12、13:導体パッド 14、15:回路板 16:半田源(溜め) 17:導管 20:部品 21、22:リード 23、24:半田被覆 26、27:導体パッド 28、29:半田被覆 30、31:半田接合部

Claims (71)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  溶融金属をそれより高い融点を有する
    少なくとの一つの固体金属表面上に被覆する方法であっ
    て、 (a)被覆されるべき少なくとも一つの固体金属表面を
    、不活性な、実質上フラックスレス条件下で前記溶融金
    属の源と接触せしめ、以って形成される溶融金属被覆の
    表面及び該溶融金属源表面全体を通じて該溶融金属被覆
    の実質上所望される最終圧力における、制御された一つ
    の圧力を確立する段階と、 (b)前記溶融金属源を前記固体金属表面との接触から
    除去し、その場合、該被覆の溶融金属源からの実際の分
    離の前後で、該被覆における溶融金属の圧力を該溶融金
    属源と該固体金属表面上に残る金属被覆との間に形成さ
    れる離脱点における溶融金属源内の圧力と実質上同じと
    し、それにより該被覆にその曲率半径が離脱点における
    溶融金属源の曲率半径と実質同じであるような容積及び
    形状をとらしめる段階とを包含し、これにより被覆プロ
    セスが被覆プロセスと関与する作業パラメータに認め得
    る程に敏感性を示さず平衡条件に近づいて実施され、前
    記溶融金属源の制御された圧力により所望される被覆容
    積及び形状を実現することを特徴とする被覆方法。
  2. 【請求項2】  被覆プロセスをフラックスレス条件下
    で実施する請求項1の方法。
  3. 【請求項3】  被覆プロセスをフラックスレスに近い
    条件下で実施する請求項1の方法。
  4. 【請求項4】  制御された正圧が前記離脱点において
    溶融金属被覆及び溶融金属源との表面全体を通じて確立
    されそして維持される請求項1の方法。
  5. 【請求項5】  制御された負圧が前記離脱点において
    溶融金属被覆及び溶融金属源との表面全体を通じて確立
    されそして維持される請求項1の方法。
  6. 【請求項6】  溶融金属源が溶融金属のボールから成
    る請求項4の方法。
  7. 【請求項7】  溶融金属源がシリンジ内の溶融金属体
    から成り、そして制御された容積及び形状の溶融金属が
    該シリンジから固体金属表面上に付着される請求項4の
    方法。
  8. 【請求項8】  所望の制御された正圧がシリンジ内の
    溶融金属体上にそして離脱点における被覆表面及び溶融
    金属源の表面全体を通じて適用される請求項7の方法。
  9. 【請求項9】  溶融金属源における溶融金属の重力が
    離脱点における被覆及び溶融金属源全体を通じて制御さ
    れた正圧を確立するのに利用される請求項7の方法。
  10. 【請求項10】  溶融金属源がシリンジ内の溶融金属
    体から成り、そして制御された容積及び形状の溶融金属
    がそこから分離されそして固体金属表面上に保持される
    請求項5の方法。
  11. 【請求項11】  溶融金属被覆が制御された正圧の下
    で被覆され、制御された負圧が被覆の溶融金属源からの
    分離前に離脱点において溶融金属源に適用される請求項
    10の方法。
  12. 【請求項12】  制御された負圧が固体金属表面から
    の溶融金属源の分離の時点でシリンジ内の溶融金属源に
    適用される請求項10の方法。
  13. 【請求項13】  被覆プロセスが半田付けプロセスで
    あり、溶融金属源が溶融半田源からなりそして被覆され
    るべき少なくとも一つの固体金属表面が半田付け可能な
    金属表面を構成する請求項1の方法。
  14. 【請求項14】  溶融半田源が半田ボールであり、半
    田ボールの凸状曲率半径がボール内に制御された正圧を
    提供する請求項13の方法。
  15. 【請求項15】  半田被覆プロセスをフラックスレス
    条件下で実施する請求項13の方法。
  16. 【請求項16】  半田被覆プロセスをフラックスレス
    に近い条件下で実施する請求項13の方法。
  17. 【請求項17】  半田付け可能な表面が半田被覆を上
    面に有するベースメタル導体パッドからなり、該半田被
    覆上を酸化物或いは他の種所望されざる汚染物が覆って
    おり、溶融半田ボールが半田被覆を溶融せしめ、そして
    酸化物或いは他の種所望されざる汚染物が半田ボールに
    付着してベースメタル金属パッドから剥離され、以って
    酸化物或いは他の種所望されざる汚染物の充分量が除去
    されて導体パッド上に清浄な、酸化物が存在しない領域
    を残す請求項13の方法。
  18. 【請求項18】  厚い半田被覆を得るのに小さな曲率
    半径を有する相対的に小さな半田ボールが使用されそし
    て薄い被覆を得るのに相対的に大きな半田ボールが使用
    される請求項14の方法。
  19. 【請求項19】  回路板を横切って多数の半田ボール
    を移動して、回路板上に配置される導体パッドと接触せ
    しめる請求項14の方法。
  20. 【請求項20】  一つの被覆される金属表面が溶融金
    属源と接触される請求項1の方法。
  21. 【請求項21】  少なくとも2つの半田付け可能な金
    属表面がそれらの間に接合部を形成するべく被覆される
    請求項13の方法。
  22. 【請求項22】  制御圧力が制御された負圧である請
    求項21の方法。
  23. 【請求項23】  少なくとの一つの固体金属表面上に
    配置された所望の容積及び形状を有する被覆であって、
    (a)被覆されるべき少なくとも一つの固体金属表面を
    、不活性な、実質上フラックスレス条件下で固体金属よ
    り低い融点を有する溶融金属の源と接触せしめ、以って
    形成される溶融金属被覆の表面及び該溶融金属源表面全
    体を通じて該溶融金属被覆の実質上所望される最終圧力
    における、制御された一つの圧力を確立する段階と、(
    b)前記溶融金属源を前記固体金属表面との接触から除
    去し、その場合、該被覆の溶融金属源からの実際の分離
    の前後で、該被覆における溶融金属の圧力を該溶融金属
    源と該固体金属表面上に残る金属被覆との間に形成され
    る離脱点における溶融金属源内の圧力と実質上同じとし
    、それにより該被覆にその曲率半径が離脱点における溶
    融金属源の曲率半径と実質同じであるような容積及び形
    状をとらしめる段階とを包含し、これにより被覆プロセ
    スが被覆プロセスと関与する作業パラメータに認め得る
    程に敏感性を示さず平衡条件に近づいて実施され、前記
    溶融金属源の制御された圧力により被覆を所望される容
    積及び形状において信頼性のある且つ再現性のあるベー
    スで付着せしめることを特徴とする被覆プロセスに従っ
    て形成された被覆。
  24. 【請求項24】  被覆プロセスがフラックスレス条件
    下で実施された請求項23の被覆。
  25. 【請求項25】  被覆プロセスがフラックスレスに近
    い条件下で実施された請求項23の被覆。
  26. 【請求項26】  被覆プロセスが制御された正圧が前
    記離脱点において溶融金属被覆及び溶融金属源の表面全
    体を通じて確立されそして維持されるようにして実施さ
    れた請求項23の被覆。
  27. 【請求項27】  被覆方法が制御された負圧が前記離
    脱点において溶融金属被覆及び溶融金属源の表面全体を
    通じて確立されそして維持されるようにして実施された
    請求項23の被覆。
  28. 【請求項28】  溶融金属源が溶融金属ボールから成
    る請求項23の被覆。
  29. 【請求項29】  被覆が半田被覆である請求項23の
    被覆。
  30. 【請求項30】  半田被覆プロセスがフラックスレス
    条件下で実施される請求項29の被覆。
  31. 【請求項31】  半田被覆プロセスがフラックスレス
    に近い条件下で実施される請求項29の被覆。
  32. 【請求項32】  実質上フラックスレス条件の下で固
    体金属表面同志を接触して該金属表面間に接合部を形成
    する方法であって、前記表面の少なくとも一方が実質上
    フラックスレス条件下で金属被覆を被覆されており、そ
    れにより該実質上フラックスレス被覆のきわめて良好な
    被覆性が実質上フラックス無しで且つ接合プロセスに対
    して不活性環境を使用する必要なく接合部の達成を可能
    ならしめることを特徴とする接合方法。
  33. 【請求項33】  少なくとも2つの金属表面が実質上
    フラックスレス条件下で被覆された被覆を有する請求項
    32の方法。
  34. 【請求項34】  接合がフラックスレス条件下で実施
    される請求項32の方法。
  35. 【請求項35】  接合がフラックスレスに近い条件下
    で実施される請求項32の方法。
  36. 【請求項36】  接合が被覆を溶融形態としてそして
    不活性環境で実施される請求項32の方法。
  37. 【請求項37】  被覆プロセスが半田プロセスであり
    、固体金属表面が半田付け性のよい表面でありそして金
    属被覆が半田被覆から成る請求項32の方法。
  38. 【請求項38】  接合がフラックスレス条件下で実施
    される請求項37の方法。
  39. 【請求項39】  接合がフラックスレスに近い条件下
    で実施される請求項37の方法。
  40. 【請求項40】  接合が被覆を溶融形態としてそして
    不活性環境で実施される請求項37の方法。
  41. 【請求項41】  被覆が (a)被覆されるべき少なくとも一つの固体金属表面を
    、不活性な、実質上フラックスレス条件下で前記溶融金
    属の源と接触せしめ、以って形成される溶融金属被覆の
    表面及び該溶融金属源表面全体を通じて該溶融金属被覆
    の実質上所望される最終圧力における、制御された一つ
    の圧力を確立する段階と、 (b)前記溶融金属源を前記固体金属表面との接触から
    除去し、その場合、該被覆の溶融金属源からの実際の分
    離の前後で、該被覆における溶融金属の圧力を該溶融金
    属源と該固体金属表面上に残る金属被覆との間に形成さ
    れる離脱点における溶融金属源内の圧力と実質上同じと
    し、それにより該被覆にその曲率半径が離脱点における
    溶融金属源の曲率半径と実質同じであるような容積及び
    形状をとらしめる段階とを包含する方法に従って少なく
    とも一つの固体金属表面に被覆される請求項32の方法
  42. 【請求項42】  少なくとも2つの金属表面が前記被
    覆を被覆されている請求項41の方法。
  43. 【請求項43】  被覆ががフラックスレス条件下で実
    施される請求項41の方法。
  44. 【請求項44】  被覆がフラックスレスに近い条件下
    で実施される請求項41の方法。
  45. 【請求項45】  被覆プロセスが半田プロセスであり
    、固体金属表面が半田付け性のよい表面でありそして金
    属被覆が半田被覆から成る請求項41の方法。
  46. 【請求項46】  制御圧力が制御された正圧である請
    求項45の方法。
  47. 【請求項47】  溶融金属源が溶融金属ボールから成
    る請求項46の方法。
  48. 【請求項48】  接合が不活性雰囲気中で実施される
    請求項37の方法。
  49. 【請求項49】  被覆プロセスが半田プロセスである
    請求項48の方法。
  50. 【請求項50】  被覆表面が被覆に続いて冷却されそ
    して大気に曝露され、冷却されている表面が不活性雰囲
    気中で溶融状態に再加熱される請求項32の方法。
  51. 【請求項51】  被覆プロセスが半田プロセスであり
    、そして少なくとも2つの表面が前記半田被覆を有して
    いる請求項50の方法。
  52. 【請求項52】  接合されるべき部品が被覆を固体状
    態として組立てられ、被覆が接合のため不活性雰囲気中
    で加熱される請求項42の方法。
  53. 【請求項53】  被覆プロセスが半田プロセスである
    請求項52の方法。
  54. 【請求項54】  接合されるべき部品が大気中で組立
    てられ、被覆が組立ての時点で溶融状態にあり、被覆の
    大気への曝露の時間が溶融金属表面上への薄い酸化物被
    覆の形成にも係らず接合部が形成されうるように充分短
    い期間である請求項32の方法。
  55. 【請求項55】  被覆プロセスが半田プロセスである
    請求項54の方法。
  56. 【請求項56】  実質上フラックスレス条件の下で固
    体金属表面同志を接触して該金属表面間に接合部を形成
    する方法であって、前記表面の少なくとも一つが実質上
    フラックスレス条件下で金属被覆を被覆され、それによ
    り該実質上フラックスレス被覆のきわめて良い被覆性が
    実質上フラックス無しで且つ接合プロセスに対して不活
    性環境を使用する必要なく接合部を達成することを可能
    ならしめることを特徴とする接合方法に従って得られた
    固体金属表面間接合部。
  57. 【請求項57】  少なくとも2つの金属表面が前記被
    覆を被覆されている請求項56の接合部。
  58. 【請求項58】  接触がフラックスレス条件下で実施
    される請求項56の接合部。
  59. 【請求項59】  接触がフラックスレスに近い条件下
    で実施される請求項56の接合部。
  60. 【請求項60】  接触が被覆を溶融形態としてそして
    不活性環境で実施される請求項56の接合部。
  61. 【請求項61】  接合が半田接合部である請求項56
    の接合部。
  62. 【請求項62】  接触が被覆を溶融形態としそして不
    活性環境で実施される請求項61の接合部。
  63. 【請求項63】  金属被覆が制御された正圧条件下で
    被覆される請求項56の接合部。
  64. 【請求項64】  金属被覆が制御された負圧条件下で
    被覆される請求項56の接合部。
  65. 【請求項65】  少なくとも2つの金属表面がそれら
    の間に接合部を形成するよう被覆されている請求項61
    の接合部。
  66. 【請求項66】  被覆が (a)被覆されるべき少なくとも一つの固体金属表面を
    、不活性な、実質上フラックスレス条件下で前記溶融金
    属の源と接触せしめ、以って形成される溶融金属被覆の
    表面及び該溶融金属源表面全体を通じて該溶融金属被覆
    の実質上所望される最終圧力における、制御された一つ
    の圧力を確立する段階と、 (b)前記溶融金属源を前記固体金属表面との接触から
    除去し、その場合、該被覆の溶融金属源からの実際の分
    離の前後で、該被覆における溶融金属の圧力を該溶融金
    属源と該固体金属表面上に残る金属被覆との間に形成さ
    れる離脱点における溶融金属源内の圧力と実質上同じと
    する段階とを包含する方法に従って少なくとも一つの固
    体金属表面に被覆される請求項56の接合部。
  67. 【請求項67】  被覆プロセスが半田プロセスであり
    、固体金属表面が半田付け性の良い表面であり、そして
    金属被覆が半田被覆から成る請求項66の接合部。
  68. 【請求項68】  制御圧力が制御された正圧である請
    求項66の接合部。
  69. 【請求項69】  溶融金属源が溶融金属のボールから
    成る請求項68の接合部。
  70. 【請求項70】  少なくとも2つの固体金属表面がそ
    れらの間に接合部を形成するよう被覆される請求項67
    の接合部。
  71. 【請求項71】  制御圧力が制御された負圧である請
    求項70の接合部。
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