JPH05208259A - 接合方法 - Google Patents

接合方法

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JPH05208259A
JPH05208259A JP4312702A JP31270292A JPH05208259A JP H05208259 A JPH05208259 A JP H05208259A JP 4312702 A JP4312702 A JP 4312702A JP 31270292 A JP31270292 A JP 31270292A JP H05208259 A JPH05208259 A JP H05208259A
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JP
Japan
Prior art keywords
layer
solder
joined
melting point
joining method
Prior art date
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Pending
Application number
JP4312702A
Other languages
English (en)
Inventor
Kevin J Lodge
ジョセフ ロッジ ケヴィン
Kevin Bass
バス ケヴィン
Elizabeth A Logan
アン ローガン エリザベス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
G II C MAAKONI Ltd
BAE Systems Electronics Ltd
Original Assignee
G II C MAAKONI Ltd
GEC Marconi Ltd
Marconi Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by G II C MAAKONI Ltd, GEC Marconi Ltd, Marconi Co Ltd filed Critical G II C MAAKONI Ltd
Publication of JPH05208259A publication Critical patent/JPH05208259A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005Soldering by means of radiant energy
    • B23K1/0056Soldering by means of radiant energy soldering by means of beams, e.g. lasers, E.B.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザービームが発生する熱を使用するが、
融剤は使用しない、被接合部分1、3のはんだ接合方法
の提供。 【構成】 融点が被接合部分3よりも低い材質層5をこ
の上に形成し、溶融後に再凝固してこれと接合する層5
と被接合部分1との間にはんだ7をはさんで、溶融後に
再凝固して層5の材質と被接合部分1との接合を形成す
る。層5とはんだ7との間に別な材質の被膜11を設
け、これを隣接層材料が溶融したときに分散させる。こ
の被膜は、溶融時にはんだ7によって濡れない。レーザ
ービームを使用して層の領域15に熱を加えると、隣接
はんだ7と同様にこの層も溶融する。はんだ7及び溶融
層材料15が再凝固すると、はんだ7と被接合部分1、
3が接合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は接合方法、特に、レーザーはんだ
付け方法に関する。
【0002】
【従来技術及び問題点】レーザーはんだ付け法では、は
んだ材を接合すべき2つの部分の表面の間にはさみ、レ
ーザービームからの熱により溶融する。このはんだ材の
融点が被接合部分よりも低く、そして被接合部分の表面
がはんだ融液により濡れることができるようになってい
る場合には、優れた冶金学的接合が得られる。というの
は、はんだが凝固し、従って被接合部分を接合するから
である。
【0003】被接合表面に酸化物層や不純物があると、
はんだ融液がこれら表面を濡らさないので、良好な冶金
学的接合を得ることは不可能である。
【0004】さらに、はんだ材が固体の場合反射率が高
いため、レーザービームからはんだへの伝熱速度が遅
い。
【0005】被接合表面に融剤を用いると、これら問題
を解決できる。というのは、融剤が酸化物層及び不純物
を除去するだけでなく、固体はんだ材よりも融点がかな
り高いため、レーザーエネルギーの融剤への伝熱速度が
速く、はんだ材が伝熱により溶融するからである。
【0006】ところが、融剤自体が溶けた後には融剤残
渣が残るため、接合部周囲に不純物が混入する。これ
は、信頼性の極めて高く、不純物混入のない接合が必要
な場合には問題になる。
【0007】この問題のひとつの解決策は被接合部分
を、はんだによって濡れ易い物質をコーティングするこ
とである。これには金等の貴金属が好適である。理由
は、貴金属は空気中で酸化しないため、酸化物層を除去
するのに融剤が必要ないからである。しかし、レーザー
はんだ付け方を適用する場合、レーザーエネルギーの金
への結合は制御が不安定で難しい。加えて、金をはんだ
で濡らした場合、すべてのはんだが消費されるまで、濡
れが続いたり、あるいは温度が低くなりすぎて、金属の
流動状態を維持できなくなる。
【0008】さらに、はんだが接合領域より広がると、
接合が弱くなる。
【0009】
【問題の解決手段】本発明の目的は、上記問題の幾つか
を解決するレーザーはんだ接合方法を提供することにあ
る。即ち、本発明は、レーザービームが発生する熱を使
用するはんだにより2つの被接合部分1、3を接合する
さいに、一方の被接合部分3の表面に融点がこの部分3
よりも低く、かつ溶融後に再凝固した場合に該表面との
冶金学的接合を形成する材料の層5を形成し;層5と、
層材料5及び被接合部分1の表面と接触状態で溶融後に
再凝固すると、はんだ材7が層材料5及び被接合部分1
の表面との冶金学的接合を形成する被接合部分1の表面
との間に融点が層5よりも低いはんだ材7をはさみ;は
んだ材7に隣接する層5の表面に、隣接層材料5が溶融
したときにばらばらに分解あるいは分散し、そして溶融
したときにはんだ材7によって濡れない材質の被膜11
を設け;レーザービームを使用して層5の領域15に熱
を加え、これによって領域15中の層5及び隣接はんだ
材7を溶融し、これによって、はんだ7及び溶融層5が
再凝固した場合に、はんだ材7と被接合部分1の表面と
の間に、はんだ材7と層5の領域15との間に、そして
層7の領域15と被接合部分3の表面との間に冶金学的
接合を形成することからなるはんだ接合方法を提供する
ものである(なお、数字符号は図1のものである)。
【0010】好ましくは、上記皮膜は上記層の露出面と
試薬との反応によって形成する。好適な実施例では、こ
の皮膜は酸化物皮膜からなり、また試薬は大気中に含ま
れる酸素である。
【0011】あるいは、上記皮膜はある所定物質を上記
層の露出面に被覆して形成してもよい。
【0012】なお、好ましくは、2つのレーザービーム
により各層領域を同時に溶融する。
【0013】以下、本発明による方法及び装置の各実施
例を添付図面について説明するが、いずれも例示のみを
目的としている。図1は加熱して接合する前の被接合部
分の横断面図である。
【0014】図1に示すように、被接合部分はアルミナ
製ハウジング1とこのハウジング1の上にかぶせたリッ
ド(蓋材)であり、これらは、例えば、電子部品のハー
メチックシール・ハウジングを構成する。リッド3は金
属、例えば、熱膨張係数がアルミナに近いコーバル(登
録商標)等のニッケル−コバルト−鉄合金で構成する。
【0015】リッド3は所定物質の層5でメッキする
が、この物質の融点はリッド3の材質より低く、再凝固
すると、リッド3との冶金学的接合を形成する。層5の
露出面上には、空気に自然暴露して酸化物皮膜11を形
成する。層5に好適な材質は無電解ニッケルやニッケル
−リン合金である。リッド3に接合するハウジング1の
表面には金層9を形成する。融点が層5の材質未満で、
沸点が層5の材質の融点よりも高いスズ/鉛はんだ等か
らなるはんだのプレフォーム7を金層9とリッド3上の
層5との間に挟む。
【0016】ハウジング1とリッド3を接合するために
は、Nd/YAGパルスレーザーからのある幅をもった
(defocused)光ビームをリッド3表面上の層
5の所定領域13に照射するが、この領域13は接合す
べき表面に直接対向している。レーザービームのエネル
ギーは、レーザー光を照射する層5の領域13を溶融す
るのに十分である。この領域13は溶融するが、リッド
3を構成する材料は溶融しない。さらに、発生した熱は
リッド3を通って領域13に直接対向する層5の領域1
5に達するので、この領域15も溶融し、再凝固すると
リッド3との冶金学的接合を形成する。リッド3の吸熱
のため、直接加熱領域3は伝熱加熱される領域15より
も広くなる。図1の領域15を横断する点線は領域15
への伝熱路を示す。
【0017】領域15に伝わった熱は、次にはんだプレ
フォーム7を溶融し、従って、溶融したはんだが再凝固
すると、層5が溶融した場合に、酸化物皮膜11がばら
ばらに分解するところで金層9及び層5の領域15と冶
金学的接合を形成する。層5が溶融しない領域15の周
囲には、酸化物被膜11はそのまま残り、溶融はんだが
層5を濡らし、かつこれとの冶金学的接合を形成するの
を防止するバリヤを形成する。
【0018】なお、金層9は溶融はんだ7により容易に
濡れるが、理由はこの層には酸化物皮膜を設けず、従っ
てはんだによる濡れを防止するバリヤが形成しないから
である。
【0019】リッド3の伝熱により層5及びはんだプレ
フォーム7を溶融するかわりに、図1に矢印17で示す
ように、層5及びプレフォーム7の露出縁部にレーザー
を直接集中照射することによって層5及びプレフォーム
7を溶融することもできる。
【0020】レーザーはんだ法に若干の変更を加える
と、加熱部分の温度が局部的に高くなることがある。こ
の理由から、層5の融点をリッド3の融点よりもかなり
低く、例えば、少なくとも50℃、好ましくは200℃
以上低くして、リッド3が溶融する恐れをなくす必要が
ある。さらに、はんだ7及び層5を同じような温度で溶
融する場合には、はんだ7がすべて溶融する前に、レー
ザーにより加熱される領域15以外の層5の領域が溶融
するので、リッド3のほぼ全面で酸化物皮膜11がばら
ばらに分解することになる。皮膜11が一部でも分解し
ない場合には、はんだ7が層5の大部分を濡らすので、
形成する接合が弱くなる。理由ははんだが大きな面積で
広がるからである。従って、層5の融点をはんだよりも
相当高くする必要がある。実際に必要な融点差は接合す
べきリッド3及びハウジング1の寸法、はんだ7及び酸
化物皮膜11の寸法や使用する材料の比熱容量によって
異なるが、層5の融点ははんだ7よりも100℃以上、
好ましくは200℃以上高くなければならない。
【0021】ところが、層5の融点ははんだ7の沸点よ
り低くなければならない。層5の融点があまり高すぎる
と、層5が一旦溶融した場合に、この層の熱質量が小さ
いため、短時間ではあるが溶融状態になったままになる
からである。冶金学的接合の形成には時間がいるので、
層5の溶融時間を最適化することが望ましいのは明らか
である。コーバル製のリッド3を使用する前記実施例で
は、好ましくは、1200℃未満の融点のもつ層を選択
し、換言すれば、リン含量にもよるが、融点が1000
℃〜1200℃の無電解ニッケルを使用するのが好まし
い。
【0022】層5の融点を比較的低くする別な利点は層
5を溶融するのに必要なレーザーエネルギーが少なくて
すむ点にある。レーザーから十分なエネルギーを層5に
結合するのは難しいため、層5の融点が低いほど、レー
ザーから結合されるエネルギーが層5の溶融に十分にな
る可能性が高い。
【0023】前記実施例では、層5の露出面に自然に酸
化物皮膜が形成し、これが酸素含有雰囲気中で反応す
る。硫化物皮膜も、酸化物皮膜の場合と同様に、雰囲気
が硫黄を含有している場合には、適当な層材料により自
然に生成する。
【0024】蒸着法等により適当な皮膜物質を層の露出
面に適用することも可能である。
【0025】適当な皮膜の厚さに関しては、隣接の層材
料の溶融後に、ばらばらに分解する程度の薄さでなけれ
ばならない。従って、皮膜材料としては、溶融はんだに
より濡れないものを選択する必要がる。
【0026】なお、以上の実施例では、例示のみを目的
としてではあるが、通常のはんだ/金の冶金学的接合を
使用して、はんだ材料とハウジング1とを接合したが、
本発明では、別なはんだ接合方法を適用すると、はんだ
材料と別な部分とを接合することも可能である。加え
て、適当な条件下では、このような接合は、はんだ材料
と上記ひとつ部分とを接合する本発明の別な方法によっ
ても実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】加熱して接合する前の被接合部分の横断面図で
ある。
【符号の説明】
1、3・・・被接合部分 5・・・層 7・・・はんだ材 11・・・被膜 15・・・領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケヴィン バス 英国 エヌエヌ12 7ジェイキュウ,ノー ザンプトンシア,トウスター,サウスゲイ ト ドライヴ 21 (72)発明者 エリザベス アン ローガン 英国 シーヴイ35 0エイエックス,ウォ リックシア,ライトホーン,オールド ス クール レーン 4

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザービームが発生する熱を使用する
    はんだにより2つの被接合部分1、3を接合するさい
    に、一方の被接合部分3の表面に融点がこの部分3より
    も低く、かつ溶融後に再凝固した場合に該表面との冶金
    学的接合を形成する材料の層5を形成し;層5と、層材
    料5及び被接合部分1の表面と接触状態で溶融後に再凝
    固すると、はんだ材7が層材料5及び被接合部分1の表
    面との冶金学的接合を形成する被接合部分1の表面との
    間に融点が層5よりも低いはんだ材7をはさみ;はんだ
    材7に隣接する層5の表面に、隣接層材料5が溶融した
    ときにばらばらに分解あるいは分散し、そして溶融した
    ときにはんだ材7によって濡れない材質の被膜11を設
    け;レーザービームを使用して層5の領域15に熱を加
    え、これによって領域15中の層5及び隣接はんだ材7
    を溶融し、これによって、はんだ7及び溶融層5が再凝
    固した場合に、はんだ材7と被接合部分1の表面との間
    に、はんだ材7と層5の領域15との間に、そして層7
    の領域15と被接合部分3の表面との間に冶金学的接合
    を形成することからなるはんだ接合方法。
  2. 【請求項2】 層材質5の融点が被接合部分3の材質よ
    り200℃以上低い請求項1に記載のはんだ接合方法。
  3. 【請求項3】 層材質5の融点がはんだ材7の融点より
    も200℃以上高い請求項1又は2に記載のはんだ接合
    方法。
  4. 【請求項4】 被膜11を層5の露出面と試薬との反応
    により形成する請求項1〜3のいずれか1項に記載のは
    んだ接合方法。
  5. 【請求項5】 被膜11が酸化物被膜からなり、該試薬
    が大気中の酸素である請求項4に記載のはんだ接合方
    法。
  6. 【請求項6】 層5が無電解ニッケルからなる請求項1
    〜5のいずれか1項に記載のはんだ接合方法。
  7. 【請求項7】 ある所定の材料を層5の露出面に被覆す
    ることにより被膜11を設ける請求項1〜3のいずれか
    1項に記載の方法。
  8. 【請求項8】 はんだ材7がスズ/鉛はんだである請求
    項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ接合方法。
  9. 【請求項9】 被接合部分3がニッケル−コバルト−鉄
    合金からなる請求項1〜8のいずれか1項に記載のはん
    だ接合方法。
JP4312702A 1991-11-04 1992-10-29 接合方法 Pending JPH05208259A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB919123336A GB9123336D0 (en) 1991-11-04 1991-11-04 Methods of joining components
GB9123336.1 1991-11-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH05208259A true JPH05208259A (ja) 1993-08-20

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ID=10704004

Family Applications (1)

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JP4312702A Pending JPH05208259A (ja) 1991-11-04 1992-10-29 接合方法

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US (1) US5275328A (ja)
EP (1) EP0541229B1 (ja)
JP (1) JPH05208259A (ja)
DE (1) DE69203074T2 (ja)
GB (1) GB9123336D0 (ja)

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