JPH0243578B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景および在来技術の説明
レーダはんだ付けは今だ初歩的なものであり、
すなわちその可能性がわかつている程度のもので
あつた。この方法はハウジングの奥部に配置され
るような、近接し難いはんだ付け組立体に対して
はんだ付け可能にするものであるから、機械的は
んだ付け技術に対して有用であることが証明され
ている。レーザはんだ付けは、最初、マイクロチ
ツプ普通のプラスチツク(エポキシ含量フアイバ
グラス)板の上に装架するために用いられ、プラ
スチツク板の他の部分への熱伝導を阻止するもの
であつた。従来構成では、直径の非常に小さな電
線を、回路上の容易に接近し得る導体に設けた微
少はんだづけパツドに溶接していた。このような
初期の応用では出力の非常に小さなレーザービー
ム(7―50ワツト)が使用され、かつ溶解を行う
ために前記ビームははんだづけパツド上に微小直
径(.005―.010インチ)で集束させるものであ
つた。これらの初期の応用は以下の文献に記載さ
れている:
(1) F.BurnsおよびC.Zyetz、“レーザマイクロは
んだづけ”、アポロレーザ会社、報告書。[Detailed Description of the Invention] Background of the Invention and Description of Prior Art Radar soldering is still rudimentary;
In other words, the possibility was known. This method has proven useful over mechanical soldering techniques, as it allows soldering to difficult-to-access soldering assemblies, such as those located deep within the housing. There is. Laser soldering was first used to mount microchips onto common plastic (epoxy-containing fiberglass) plates to prevent heat transfer to other parts of the plastic plate. In conventional configurations, very small diameter wires are welded to micro solder pads on easily accessible conductors on the circuit. These early applications used a very low power laser beam (7-50 watts) and focused the beam to a tiny diameter (.005-.010 inch) onto the soldering pad to effect the melting. It was hot. Early applications of these are described in the following publications: (1) F. Burns and C. Zyetz, “Laser Micro-Soldering”, Apollo Laser Company, Report.
(2) E.R.Goodrich、“電子工学におけるレーザ”、
を用いてはんだ付けを行い、しかも厳格な制限
無しとして組立工が容易に作業し得るような方
法である。(2) ER Goodrich, “Lasers in Electronics,”
This method allows assembly workers to easily perform soldering without strict restrictions.
回路製作、昭和56年6日、第21巻、第7号。 Circuit Production, 6th 1980, Volume 21, No. 7.
(3) R.Saunders他、“レーザの操作、装置および
用途”、Coherent会社の技術スタツフの論文、
昭和55年McGraw―Hill刊行。(3) R. Saunders et al., “Laser Operation, Equipment, and Applications,” Coherent Company Technical Staff Paper,
Published by McGraw-Hill in 1981.
(4) T.Kujawa、“レーザはんだ付けブースター
の生産性”、レーザおよびその用途、昭和57年
9月。(4) T. Kujawa, “Productivity of Laser Soldering Boosters”, Lasers and Their Applications, September 1981.
残念ながらこような初期応用で使用した処理技
術では、自動車関係の応用における新設計の組立
体のはんだづけには適用できない。たとえば高感
度の電子要素の組立てには太い電気導線(太さ.
030インチ以上であり、かつ多くの場合偏平な、
すなわち矩形断面のものである)が使用されてお
り、この導線は路上走行車輌のエンジンコンパー
トメント内における変動的な熱膨張に耐えるため
に、大強度ではんだづけを行う必要がある。在来
使用されている低出力の、微少に集束されるレー
ザビームによつて、上記の如き新設計の組立体に
対して効果的にはんだづけするには障害がある。
ミクロン直径に制御されたレーザビームは太い平
らな電気導線の底面全体にわたつて十分はんだづ
けパツドを溶融してすみ肉を再流動させることが
できず、したがつて形成されるはんだづけ継ぎ目
は弱いものとなる。細い円形導線のまわりにおけ
るはんだの再流動は、円形面周囲の表面張力に起
因して比較的容易に行われる。もしレーザビーム
の界面直径を調節して拡張したとすれば、単位面
積当りのビームエネルギーがはんだを溶融しかつ
再流動継ぎ目を形成するには不十分となつてしま
う。 Unfortunately, the processing techniques used in these initial applications are not applicable to soldering newly designed assemblies in automotive applications. For example, when assembling highly sensitive electronic elements, thick electrical conductors (thickness.
030 inches or more and often flat,
(i.e. of rectangular cross-section) are used, and the conductors must be soldered with great strength in order to withstand the fluctuating thermal expansion in the engine compartment of a road vehicle. The low power, finely focused laser beams conventionally used present obstacles to effective soldering of newly designed assemblies such as those described above.
A laser beam controlled to a micron diameter cannot sufficiently melt the solder pad across the bottom of a thick flat electrical conductor to reflow the fillet, so the solder joint formed is weak. Become. Reflow of solder around thin circular conductors is relatively easy due to surface tension around the circular surface. If the interfacial diameter of the laser beam were adjusted to expand, the beam energy per unit area would be insufficient to melt the solder and form a reflow seam.
はんだづけすべき新型の自動車用電子ユニツ
ト、(たとえばエンジンンコンパートメント内に
装架された電子点火装置)においては、はんだづ
け継ぎ目は、セラミツク基板上に配置されてお
り、車輛の通常運転時に生じるモジユールの熱を
このセラミツク基板で導出するようになつてい
る。これにより一時的な高電流によるプリント回
路およびはんだづけ継ぎ目の破壊が阻止されるよ
うになつている。しかしながらこのようなセラミ
ツク基板はヒートシンクとして働き、かつはんだ
づけが行われる時に熱の敏速な流出を容易にする
から、適する直径レーザの熱的制御を阻止すると
共に、適したはんだづけを行わんとする場合、低
出力レーザビームの使用は不可能である。レーザ
ビーム出力自体の増加は、所要の直径に集束され
た高出力ビームがはんだを過熱し、エラーを処理
するための余地を少なくし、したがつて隣接する
電子的部品を損傷することとなるから、前述のの
問題点に対する解答とはならない。 In newer automotive electronic units to be soldered (e.g. electronic ignition systems mounted in the engine compartment), the soldering seams are located on the ceramic substrate and absorb the heat generated by the module during normal operation of the vehicle. can be derived from this ceramic substrate. This prevents damage to printed circuits and solder joints due to temporary high currents. However, since such ceramic substrates act as heat sinks and facilitate rapid heat dissipation when soldering is performed, they prevent thermal control of suitable diameter lasers and, when attempting to perform suitable soldering, The use of low power laser beams is not possible. The increase in laser beam power itself is important because a high-power beam focused to the required diameter will overheat the solder, leaving less room for handling errors and thus damaging adjacent electronic components. , does not provide an answer to the above-mentioned problems.
好ましい、レーザはんだづけ法は、セラミツク
基板上に支持され、かつ太い導体を使用した凹形
のはんだづけ組立体を強い継ぎ目によつて効果的
にはんだづけし得るようにし、かつ幅の広い処理
パラメータ内ではんだづけを行い、しかも厳格な
制限によらずして組立工が容易にプロセスを使用
し得るような方法である。 The preferred laser soldering method is supported on a ceramic substrate and allows concave soldering assemblies using thick conductors to be effectively soldered with strong seams, and can be soldered within a wide range of processing parameters. The method is such that the process can be easily used by assemblers without strict limitations.
好適な方式として本発明は内燃機の始動を制御
する場合に有用な肉厚フイルム点火装置に一体電
気導線をはんだづけする時に使用される。はんだ
づけすべき装置は特に第1図および第3図に示さ
れている。 In a preferred manner, the present invention is used in soldering integral electrical conductors to thick-walled film igniters useful in controlling the starting of internal combustion engines. The equipment to be soldered is particularly shown in FIGS. 1 and 3.
本質的にはマイクロエレクトロニクス装置10
は環状リード枠11を有し、該枠はプラスチツク
環状ハウジング12内に埋設され、その一体の導
体線13はハウジングの側部を通つて内方に突出
し、かつここから下向きに降下している。この装
置は、セラミツク基板15上に支持されかつハウ
ジングの頂部開口下方の奥に配置されたプリント
電気回路14にはんだづけする9本の内方に突出
した電気リード撚線を有している。基材材料とし
てはアルミナがあり、基板全体の75%を占め、又
ベリリアも使用される。セラミツクはヒートシン
クとして働く支持アルミニウム板16に接着され
る。 Essentially a microelectronic device 10
has an annular lead frame 11 embedded within a plastic annular housing 12 with integral conductor wires 13 projecting inwardly through the sides of the housing and descending downwardly therefrom. The device has nine inwardly projecting electrical lead strands supported on a ceramic substrate 15 and soldered to a printed electrical circuit 14 located recessed below the top opening of the housing. The base material is alumina, which accounts for 75% of the total substrate, and beryllia is also used. The ceramic is glued to a support aluminum plate 16 which acts as a heat sink.
各電気導線は名目上は70%の銅と30%の亜鉛と
よりなる黄銅の導電帯片を有している。この導線
の突出部分は逆U字形17を呈し、その端部はプリ
ント回路14の部分14aにはんだづけすべき足
18を有している。電気導線のこの足は平らな断
面形を有し、この場合の寸法は幅が0.04インチで
あり、厚さが0.009インチである。隣接する多く
の高感度の電子工学部品ととしては抵抗器19、
コンデンサ20および電子工学的チツプ21等が
ある。 Each electrical conductor has a brass conductive strip nominally consisting of 70% copper and 30% zinc. The protruding part of this conductor has an inverted U-shape 17, the end of which has a foot 18 to be soldered to part 14a of printed circuit 14. This foot of electrical conductor has a flat cross-sectional shape, with dimensions in this case being 0.04 inch wide and 0.009 inch thick. A number of adjacent sensitive electronic components include a resistor 19;
There is a capacitor 20, an electronic chip 21, etc.
この装置においてはエンジンン始動時の点火装
置の作動に際しヒートシンクを維持する必要があ
るのでセラミツク基板が必要とされる。セラミツ
クは従来一般的に使用されていたプラスチツク
(エポキシ含浸フアイバグラス)基板に比べて電
気伝導度が高い。アルミナは名目上94%のAl2O3
よりなりかつほぼ.02インチ(.56ミリメート
ル)の厚さで使用され;ベリリア基板は名目上最
低99.5%のBeOよりなりかつその厚さはほぼ.02
インチである。アルミニウム支持板16は
AA3003H14アルミニウム合金よりなりかつほ
ぼ.06インチの厚さで使用される。 In this device, a ceramic substrate is required because it is necessary to maintain a heat sink during operation of the ignition device when starting the engine. Ceramic has a higher electrical conductivity than the plastic (epoxy-impregnated fiberglass) substrates commonly used in the past. Alumina is nominally 94% Al2O3
More and more. The beryllia substrate is nominally at least 99.5% BeO and is approximately 0.02 inches (.56 mm) thick; 02
Inches. The aluminum support plate 16
Made of AA3003H14 aluminum alloy. Used in 0.6 inch thickness.
電気導線は在来技術において普通に使用されて
いるものより寸法が大であり、幅22は.03イン
チ以上で平らな矩形断面(すなわち.04インチ
×.009インチ)を有している。このような電気
導線は、その足およびその縁のまわりの界面(下
面)全体にわたつて完全な固形はんだ継ぎ目が生
じるようにするためには異なるそれぞれ処理技術
を必要とする。 The electrical conductor has larger dimensions than those commonly used in the prior art, with a width 22 of . Have a flat rectangular cross-section (i.e., .04" x .009") that is greater than or equal to 0.03". Such electrical conductors require different processing techniques in order to produce a complete solid solder seam over the entire interface (underside) around its legs and edges.
この方法はこの場合本質的につの段階よりなつ
ている:
1 プリント電気回路通路14はセラミツク基板
15上に配置されかつ少なくとも一つのはんだ
づけパツド24がこのプリント電気通路の1部
分14aに装着される。前記はんだづけパツド
は常態ではシルクスクリーン印刷を含む普通の
技術によつて沈着させることができる。この場
合のパツドは錫10%、鉛88%および銀2%より
なるはんだ成分である。前記パツドは幅が電気
導線の幅よりは大きな、全体が平らな界面25
(表面張力に起因する湾曲部分以外は)を有す
るように形成される。この場合の各パツドは
幅.08インチ、長さ.1インチおよび高さ.
006インチの矩形を呈している。 The method essentially consists of two steps in this case: 1. A printed electrical circuit path 14 is arranged on the ceramic substrate 15 and at least one soldering pad 24 is attached to a portion 14a of this printed electrical circuit path. The solder pads can be deposited by conventional techniques, including silk screen printing. The pad in this case has a solder composition of 10% tin, 88% lead and 2% silver. The pad has a generally flat interface 25 whose width is greater than the width of the electrical conductor.
(except for the curved portion due to surface tension). Each pad in this case has a width. 08 inches, length. 1 inch and height.
It has a rectangular shape of 006 inches.
2 電気リードの表面部分23は50―150グラム
の係合力ではんだづけパツド(表面25に対し
て!と完全に係合せしめられる。前記パツド2
4は電気導線の幅72より大なる幅26を有し
かつ電気導線の係合表面部分.03インチより大
なる幅22を有していることが重要である。電
気導線によつてパツドに力を加えるために、該
電気導線は第2図および3図に示される如く一
定の半径を有するようにまたはU字形を呈する
ように湾曲せしめられ、これによつて導線はパ
ツドの頂面25に対してばね偏倚力を加えるこ
とができる。パツドの端部は湾曲足部分18を
有し、係合平面23―25の組合わせを可能に
するようになつている。2 The surface portion 23 of the electrical lead is fully engaged with the soldering pad (against surface 25!) with an engagement force of 50-150 grams.
4 has a width 26 greater than the width 72 of the electrical conductor and an engaging surface portion of the electrical conductor. It is important to have a width 22 greater than 0.3 inches. In order to apply a force to the pad by means of an electrical conductor, the electrical conductor is curved with a constant radius or into a U-shape as shown in FIGS. 2 and 3, thereby causing the conductor to can apply a spring bias against the top surface 25 of the pad. The ends of the pads have curved foot portions 18 to allow mating of the engagement planes 23-25.
3 非集束レーザビームははんだづけ組立体の上
に指向され、この時レーザビームは少なくとも
100ワツトのビーム入力を有し、電気導線の幅
22より大きな、しかもパツド幅26より小さ
なスポツト径27およびはんだづけパツドの所
定の部分だけをリフロウせしめ、かつ該パツド
と電気導線部分との間に、少なくとも400グラ
ムの強さを有するはんだづけ継ぎ目を形成する
ためのビーム持続時間を有している。3. An unfocused laser beam is directed onto the soldering assembly, with the laser beam at least
having a beam input of 100 watts, reflowing only the spot diameter 27 and a predetermined portion of the soldering pad, which is larger than the width 22 of the electrical conductor but smaller than the pad width 26, and between the pad and the electrical conductor portion; Have a beam duration to form a soldering seam with a strength of at least 400 grams.
この時使用されたレーザビーム28は370ワ
ツトCO2レーザ装置によつて発生させ、かつは
んだづけ組立体上方の距離30(.4イン)にあ
る点29に集束せしめられた。このビームは足
18およびはんだづけパツド24との組立体上
に入射せしめられた。レーザビームの中心軸線
は電気導線と質量31の中心と、その係合部分
において整合し、かつはんだづけパツドの中心
32と整合するようにした。はんだづけを行う
前にはんだづけ面の間の区域に少量のはんだづ
けフラツクスを加えた。このフラツクス典型的
には非活性ロジンマイクロフラツクスである。 The laser beam 28 used was generated by a 370 Watt CO2 laser and focused at a point 29 at a distance of 30 (.4 inches) above the soldering assembly. This beam was directed onto the foot 18 and solder pad 24 assembly. The central axis of the laser beam was aligned with the center of the electrical conductor and the mass 31 at the engaging portion thereof, and aligned with the center 32 of the soldering pad. A small amount of soldering flux was added to the area between the soldering surfaces before soldering. This flux is typically an inert rosin microflux.
はんだ付け組立体は所要電力を少なくし、か
つ熱衝撃の危険をなくするために150℃まで予
熱した。窒素ガスの同軸流れを使用し、(a)はん
だづけ部分が酸化されるのを阻止し、はんだづ
け継ぎ目が黒色付着物によつて被覆されるのを
保護すると共に、(b)焦点レンズが煙でくもるも
のを保護するようにした。ビーム自体は発生装
置の出射時にほぼ.6インチの直径を有し、か
つはんだづけ組立体のわずか上方において焦点
がぼかされ、はんだづけ組立体上におけるスポ
ツト直径が0.030―0.080インチとなるようにさ
れた。最良の結果はスポツト直径が0.050―
0.060インチなる時に得られた。如何にすれば
十分な強度を有する、満足すべきはんだづけ継
ぎ目が得られるかを知るために、ビームの強さ
および持続時間をいろいろに変えて種々のはん
だづけ作業を行つた。2000グラムまたはそれ以
上の強さを有するはんだづけ継ぎ目は電力の変
化が少なくとも100ワツトから500ワツトまで、
ビームの持続時間が50―500ミリセカンド(.
005―.25秒)なる時に得られることがわかつ
た。大型の電気導線およびはんだづけパツドに
対するビームの強さおよび持続時間間の前記組
合わせは第4図にプロツトしてある(この場合
のスポツト直径は0.060インチ)。第4図の陰影
を施した部分は製造範囲を示し、この範囲内に
おけるパラメータの組合せではんだづけパツド
全体または基材を、融解せしめることなく、継
ぎ目のまわり全体に十分なすみ肉33(第2
図)が形成できる。 The soldering assembly was preheated to 150°C to reduce power requirements and eliminate the risk of thermal shock. A coaxial flow of nitrogen gas is used to (a) prevent the solder joints from oxidizing and protect the solder joints from being coated with black deposits, and (b) prevent the focusing lens from becoming cloudy with smoke. I tried to protect things. The beam itself is almost the same as when it is emitted from the generator. It had a diameter of 6 inches and was defocused just above the soldering assembly so that the spot diameter on the soldering assembly was 0.030-0.080 inch. Best results are achieved with a spot diameter of 0.050.
Obtained when 0.060 inch. Various soldering operations were performed with varying beam intensities and durations in order to find out how to obtain satisfactory soldered joints with sufficient strength. Solder joints with a strength of 2000 grams or more have a power change of at least 100 watts to 500 watts,
The beam duration is 50-500 milliseconds (.
005-. 25 seconds). The above combinations of beam intensity and duration for large electrical conductors and soldering pads are plotted in FIG. 4 (spot diameter in this case 0.060 inch). The shaded area in Figure 4 shows the manufacturing range, within which parameter combinations can be used to create sufficient fillet 33 (second fillet) all around the seam without melting the entire soldering pad or substrate.
Figure) can be formed.
予熱をしない室温の試料は、予熱をした試料
より長い時間でビームを持続させる必要があ
り、あるいはより高い電力レベルが必要となつ
た。室温の試料は同じビーム持続時間に対し
て、150℃まで予熱した試料よりも50―75%大
なる電力を必要とした。したがつて少なくとも
100℃まで予熱した室温はんだづけ組立体を使
用することが望ましい。150℃温度においては
所要電力は室温(20℃)の試料に比して電力を
20%少なくすることができる(第8図)。 Room temperature samples without preheating required longer beam durations or higher power levels than preheated samples. Room temperature samples required 50-75% more power than samples preheated to 150°C for the same beam duration. Therefore at least
It is preferable to use a room temperature soldering assembly preheated to 100°C. At a temperature of 150℃, the power required is lower than that of a sample at room temperature (20℃).
It can be reduced by 20% (Figure 8).
レーザビームの所要エネルギーまたは電力レ
ベルははんだづけ導線の表面吸収力を増加させ
ることによつて少なくすることができる。この
電力レベルはたとえば導線の足に黒色の被覆を
かぶせることによりまたは窒素ガス遮蔽を行わ
ないことにより400ワツトから200ワツトに減ら
すことができる。 The required energy or power level of the laser beam can be reduced by increasing the surface absorption power of the soldering leads. This power level can be reduced from 400 watts to 200 watts, for example, by placing a black coating on the conductor legs or by not providing a nitrogen gas shield.
ビームの照射時間とビームスポツトとの関係
は、十分なすみ肉を形成するための最少時間が
ビームスポツト直径が増加するに連れて漸次減
少するようになつている。満足な継ぎ目を得る
のに最も範囲の広い時間範囲は、ビームスポツ
トの直径がほぼ.05インチ(1.27ミリメート
ル)の場合である。長いビーム照射時間が長い
と(たとえば.3秒)と、スポツト直径が、大
きい場合(たとえば.085インチ)、ビーム反射
の問題が生じることがある。このようなビーム
反射が生じると抵抗器またはコンデンサの如き
隣接構成部材に熱損傷を発生させる。このビー
ム反射の問題は、適当な非集束ビーム(適当な
スポツト直径)を使用し、焦点がはんだづけ組
立体の上方にあるようにすることによつて軽減
すことができる。遮蔽ガスの流れは所要電力を
増加させるが、この遮蔽ガスがなければフラツ
クスの燃焼によつて黒い残留物が生じる。この
黒色残留物は除去が困難であるから、遮蔽ガス
を使用することが望ましい。窒素ガスを静かに
吹つけることがフラツクスの燃焼または炭化を
阻止するに好適である。 The relationship between the beam irradiation time and the beam spot is such that the minimum time required to form a sufficient fillet gradually decreases as the beam spot diameter increases. The widest time range for obtaining a satisfactory seam is approximately the diameter of the beam spot. This is the case for 05 inches (1.27 mm). Long beam exposure times (eg, .3 seconds) and large spot diameters (eg, .085 inches) can cause beam reflection problems. Such beam reflections can cause thermal damage to adjacent components, such as resistors or capacitors. This beam reflection problem can be alleviated by using a suitable unfocused beam (appropriate spot diameter) and ensuring that the focus is above the soldering assembly. The flow of shielding gas increases the power requirements, but without the shielding gas combustion of the flux produces a black residue. This black residue is difficult to remove, so it is desirable to use a shielding gas. Gently blowing nitrogen gas is suitable for preventing combustion or carbonization of the flux.
臨界的熱半径
レーザ熱処理においてはビームスポツト直径
は、加工物に対するビームの大きさを決定する目
安となつている。しかしながらこのビーム直径自
体から、なされた熱仕事の大きさを予測しうるも
のでない。たとえばガラスの如き種々の材料にレ
ーザビームによつて孔をあける場合に、形成され
た孔は、ガラス材料上のビームスポツト直径とは
通常異つている。Critical Thermal Radius In laser heat processing, the beam spot diameter is a guideline for determining the size of the beam relative to the workpiece. However, the magnitude of the thermal work done cannot be predicted from the beam diameter itself. When drilling holes in various materials, such as glass, by means of a laser beam, the hole formed usually differs from the beam spot diameter on the glass material.
本発明の臨界的熱スポツト半径とは加工物上で
所要の熱効果を与えることができる区域の半径を
言う。すなわちこの半径はレーザはんだづけを行
つた時の溶融区域の半径である。 The critical thermal spot radius of the present invention refers to the radius of the area on the workpiece that can provide the required thermal effect. That is, this radius is the radius of the melted area when laser soldering is performed.
正確な臨界的熱スポツト半径を与える数式を得
るためには、入力熱分布の解析が必要である。こ
の解析に際して、一次元加熱の簡単な熱モデル
と、あるガウスビーム形状を仮定した。レーザビ
ームを金属吸収面に衝当させると、レーザビーム
は電子との相互作用によつて吸収される。光学エ
ネルギーの量子は電子によつて吸収され、該電子
はさらに格子フオノンおよび他の電子と衝突する
ことによつてそのエネルギーを消散させる。衝突
電子の平均滞留時間は10-12から10-13秒までの程
度であるから光学エネルギーはほぼ瞬間的に熱に
変換されるものと考えることができる。本発明の
好適な型において使用されるような良好な導体内
への光領域の透過深さは10-6センチメートルまた
は10―100アトミツクレヤーの範囲内にある。し
たがつてレーザはんだ付けの場合、レーザ吸収は
加工表面に起こるものと考えられる。 An analysis of the input heat distribution is required to obtain a mathematical formula that gives an accurate critical heat spot radius. For this analysis, we assumed a simple thermal model of one-dimensional heating and a certain Gaussian beam shape. When a laser beam impinges on a metal absorption surface, the laser beam is absorbed by interaction with electrons. A quantum of optical energy is absorbed by an electron, which further dissipates its energy by colliding with lattice phonons and other electrons. Since the average residence time of colliding electrons is about 10 -12 to 10 -13 seconds, it can be considered that optical energy is converted into heat almost instantaneously. The penetration depth of the optical region into a good conductor, as used in a preferred version of the invention, is in the range of 10 -6 centimeters or 10-100 atomic layers. Therefore, in the case of laser soldering, laser absorption is considered to occur on the processed surface.
熱流れシステムの解析を簡単にするために、さ
らに他の仮定を導入した。すなわち:(a)材料の熱
特性および熱抵抗は温度にしたがつて変化せず、
(b)対流および輻射損失は無視し得る程度であり、
(c)熱流れは一次元的であると考えることができ、
(d)はんだづけパツドはその厚さが全体にわたつて
均一であり、かつ(e)アルミニウム基板はヒートシ
ンクと考え得るものと仮定した。このように仮定
すれば第5図に示される如く、この熱流れシステ
ムは二つの成分となる熱流れ:すなわち集積熱お
よび伝導熱とに比例する。熱入力qは部分的には
んだづけパツドq5およびアルミナ基板qAの中に集
積され、かつ残余の熱はヒートシンクのq3(アル
ミニウム基板))に伝導される。第5図に示され
る如く、T2はアルミナ基板の厚さ方向の平均温
度であり、もしアルミナ基質内の温度プロフイル
を放物線と仮定すれば、基板を通しての平均温度
T2はこのT2がT1/3に等しいと言う式によつて与
えられる。第6図に示された熱流れシステムのエ
ネルギーバランスは一次微分式で与える:
q=q5+qA+q3
q=(C1+C2/3)dT1/dt+T1/R
式中:
C1=はんだづけパツドの熱容量
C2=セラミツク基質の熱容量。 Further assumptions were introduced to simplify the analysis of the heat flow system. That is: (a) the thermal properties and thermal resistance of the material do not change with temperature;
(b) convection and radiation losses are negligible;
(c) Heat flow can be considered one-dimensional;
It was assumed that (d) the thickness of the soldering pad was uniform throughout, and (e) that the aluminum substrate could be considered a heat sink. With these assumptions, as shown in FIG. 5, this heat flow system is proportional to two component heat flows: integrated heat and conductive heat. The heat input q is partially integrated into the soldering pad q 5 and the alumina substrate q A , and the remaining heat is conducted to the heat sink q 3 (aluminum substrate). As shown in Figure 5, T 2 is the average temperature in the thickness direction of the alumina substrate, and if the temperature profile within the alumina substrate is assumed to be parabolic, then the average temperature through the substrate is
T 2 is given by the formula that T 2 is equal to T 1/3 . The energy balance of the heat flow system shown in Figure 6 is given by the first-order differential equation: q=q 5 +q A +q 3 q=(C 1 +C 2 /3)dT 1 /d t +T 1 /R where: C 1 = heat capacity of the soldering pad C 2 = heat capacity of the ceramic substrate.
この式からT1の価を求めることができ、かつ
もしTc秒内においてはんだづけ温度をT1かから
Tnとするための単位面積当りの熱流れを速度と
してqcなる別の量を画定すれば次の式が得られ
る:
qc=Tn/R[1−exp(−tc/RC)]
はんだがTnに達した後はこのはんだを溶融す
るためには追加エネルが必要とされ、この追加エ
ネルギーは前に示した時間tcよりほぼ3%長い持
続時間を有する延長ビームによつて供給される。 From this formula, the value of T 1 can be calculated, and if the soldering temperature is changed from T 1 to T 1 within T c seconds,
If we define another quantity, q c, with the heat flow per unit area as the velocity to make T n , we get the following equation: q c = T n /R[1- exp (-t c /RC) ] Additional energy is required to melt the solder after it reaches T n and this additional energy is provided by an extended beam with a duration approximately 3% longer than the time t c given previously. Supplied.
残余のガウスビームは典型的には、強度がその
ピーク値の1/e2に落ちる時の半径(全ビームエ
ネルギーの86.5%がこの半径の面積内に含まれて
いる)によつて画定される。ガウスビームの強度
プロフイルは第6図に示されている。ガウスビー
ムが第6図に示される如くはんだづけパツド上に
おける半径cのスポツトを溶融した時には、この
溶融スポツトの縁におけるビーム強度は次の式に
よつて与えられる:
Pc=2P/πa2exp(−2γ2/a)
この半径cは臨界的熱スポツト半径として選択
される。その理由はこの熱半径は所要の熱効果が
得られる面積を画定するからである。前に得られ
た式を使用すれば、半径c(臨界的熱半径)は次
の数式に変形することができる:
式中:
cは臨界的熱スポツト半径
aは1/e2点におけるガウス半径
loは対数
Tnははんだの溶融温度から試料温度を引いた温
度
Pはレーザビーム電力
Aは10.6ミクロンにおけるはんだの表面吸収性
Rはシステムの単位面積当り熱抵抗
tcははんだをTnにするための臨界的時間
cはシステムの熱容量。 The residual Gaussian beam is typically defined by the radius at which the intensity falls to 1/e 2 of its peak value (86.5% of the total beam energy is contained within the area of this radius). . The intensity profile of the Gaussian beam is shown in FIG. When a Gaussian beam melts a spot of radius c on a soldering pad as shown in Figure 6, the beam intensity at the edge of the melted spot is given by: P c = 2P/πa 2 exp ( -2γ 2 /a) This radius c is chosen as the critical heat spot radius. The reason is that this thermal radius defines the area over which the required thermal effect is obtained. Using the formula obtained earlier, the radius c (critical thermal radius) can be transformed into the following formula: In the formula: c is the critical heat spot radius a is 1/e Gaussian radius at two points l o is the logarithm T n is the temperature obtained by subtracting the sample temperature from the melting temperature of the solder P is the laser beam power A is the solder temperature at 10.6 microns Surface absorbency R is the thermal resistance per unit area of the system, t c is the critical time to bring the solder to T n , and c is the heat capacity of the system.
所定温度T1ににおいてはんだを溶融するため
の最少電力は前式においてc=0と置くことによ
つて得られる。 The minimum power required to melt the solder at a predetermined temperature T1 can be obtained by setting c=0 in the above equation.
第7図はビームスポツト直径が0.060インチな
る時におけるビーム持続時間の関数としての理論
的c半径を示す。プロツトは臨界的熱スポツト半
径の式に助変数および材料特性の適当な値を代入
することによつて行つたものである。 FIG. 7 shows the theoretical c radius as a function of beam duration for a beam spot diameter of 0.060 inches. The plot was made by substituting appropriate values of parameters and material properties into the equation for the critical heat spot radius.
第1図は本発明の方法によつてはんだづけされ
たいくつかの継ぎ目を有するマイクロエレクトロ
ニクス装置を示す写真である。第2図は本発明に
よつて工合良くはんだづけされた第1図の電気導
線のいくつかを例示する拡大写真を示す図。第3
図は第1図の装置の一部分の断面立面図で、一つ
のはんだづけ継ぎ目および挿入部材(第3a図
は、はんだづけ継ぎ目の平面図を表わす)を示す
図。第4図は種々の組合わせにおけるビーム持続
時間とビーム出力との変化を表わす図表的表示を
示す図(横陰影部分は有用な許容製造組合わせを
示す)。第5図は第2図のはんだづけ組立体を形
成する種々の材料の間における熱の流れ線図を示
す図。第6図ははんだづけパツドを通るガウスエ
ネルギービーム分布を表わす略線図を示す図。第
7図は種々の出力レベルにおけるビーム持続時間
の関数として変化する臨界的熱半径の図表的表示
を示す図。第8図は種々の予熱温度T0における
はんだづけ組立体の関数としてのビーム出力の図
表的表示を示す図。
13…導線、14a…導電路、15…セラミツ
ク基板、24…パツド、28…レーザビーム。
FIG. 1 is a photograph showing a microelectronic device with several seams soldered by the method of the invention. 2 is an enlarged photograph illustrating some of the electrical conductors of FIG. 1 successfully soldered according to the present invention; FIG. Third
Figure 3a is a cross-sectional elevational view of a portion of the apparatus of Figure 1, showing one soldering seam and an insert (Figure 3a represents a plan view of the soldering seam); FIG. 4 shows a graphical representation of the variation in beam duration and beam power for various combinations (horizontal shading indicates useful allowable manufacturing combinations); 5 is a diagram illustrating the flow of heat between the various materials forming the soldering assembly of FIG. 2; FIG. FIG. 6 is a diagram showing a schematic diagram representing a Gaussian energy beam distribution passing through a soldering pad. FIG. 7 shows a graphical representation of critical thermal radius varying as a function of beam duration at various power levels. FIG. 8 shows a graphical representation of the beam power as a function of the soldering assembly at various preheating temperatures T 0 . 13... Conductive wire, 14a... Conductive path, 15... Ceramic substrate, 24... Pad, 28... Laser beam.
Claims (1)
にはんだ付けする方法において: (a) 前記導電路をセラミツク基板上に配置し、か
つ少なくとも一つのはんだ付けパツドを前記導
電路の1部上に配置する段階と、 (b) 前記電気導線の表面部分を前記パツドに押し
つけ、はんだ付けに際して相互間の熱伝導を高
めるべく十分な係合力を該導線および該パツド
に与え、前記パツドが前記導線の幅より大きな
幅を有すると共に、前記導線の相互係合表面部
分が.03インチ以上の幅を有するようにし、該
導線の部分およびパツドがはんだ付け手段を構
成するようになつている段階と、 (c) 前記はんだ付け手段に非集束レーザビームを
指向し、この時前記ビームの出力を少なくとも
100ワツトとし、該はんだ付け手段上の該ビー
ムのスポツト直径を前記導線の幅よりは小さく
はなく、かつ前記パツドの幅よりは大きくはな
い大きさとし、また前記はんだ付け手段上に前
記ビームムにより制御された半径の加熱スポツ
トを作用せしめ、前記パツド上の特定部分だけ
をリフロウさせ、前記パツドおよび前記導線部
分間にはんだ継ぎ目を形成させるように前記ビ
ームを所定のビーム照射時間照射し、これによ
り形成された前記継ぎ目が少なくとも400グラ
ムの強度を有するようにする段階と、 を有している方法。 2 特許請求の範囲第1項記載の方法において、
前記伝導線が平らな係合面を有し、かつ前記パツ
ドが組合わせ式の、全体が平らな係合面を有して
いる方法。 3 特許請求の範囲第1項記載の方法において、
前記レーザービームが段階(c)において0.03―0.08
インチの直径にぼかされ、すなわち焦点距離がが
5インチのレンズを使用して、前記ビームの焦点
を0.2―0.8インチの距離だけ係合面から離すよう
にされている方法。 4 特許請求の範囲第3項記載の方法において、
前記レーザービームが前記はんだ付け手段の係合
面の上方の一点でぼかされている方法。 5 特許請求の範囲第1項記載の方法において、
前記熱スポツトの半径が前記はんだ付け手段の少
なくとも1部分をエネルギー吸収材料によつて被
覆することにより増加せしめられるようになつて
いる方法。 6 特許請求の範囲第1項記載の方法において前
記熱スポツトの半径がはんだ付け手段を前記段階
(c)の前に少なくとも100度Cに予熱することによ
つて増加せしめられるようになつている方法。 7 特許請求範囲第1項記載の方法において、前
記段階(a)のセラミツク基板がアルミナおよびベリ
リアよりなる群から選だ一つまたは二つの材料製
として、前記セラミツク基板が少なくとも.05イ
ンチの厚さを有している方法。 8 特許請求の範囲第1項記載の方法において、
前記段階(c)において使用されるビーム持続時間が
50―200ミリセカンド(.05―2.0秒)の範囲内に
ある方法。 9 特許請求の範囲第1項載の方法において、段
階(c)において使用されるビームスポツト直径が.
03―.08インチの範囲内にある方法。 10 特許請求の範囲第1項記載の方法におい
て、前記導線の前記表面部分の質量中心が、係合
時に前記パツドの中心と整合せしめられるように
なつている方法。 11 特許請求の範囲第1項記載の方法におい
て、ビーム出力のパラメータ、ビームスポツト直
径およびビーム持続時間が次式によつて最適に相
関されており: 式中 cは臨界的熱スポツト半径 aは1/e2におけるガウス半径 loは対数 Tnははんだの溶融温度から試料温度を引いた温
度 Pはワツトで表わしたレーザービーム出力 Aは10.6ミクロンにおけるはんだの表面吸収性 Rはシステムの単位面積当り熱抵抗 tcははんだ温度Tnにするための臨界的時間 Cはシステムの熱容量 である方法。 12 特許請求の範囲第1項記載の方法におい
て、前記導線が錫またははんだによつて被覆され
た黄銅よりなり、前記パツドが錫/鉛/銀または
錫/鉛合金よりなり、かつ前記プリント導電路が
パラジウム/銀成分よりなつている方法。 13 特許請求の範囲第1項記載の方法におい
て、前記熱スポツト半径が前記パツドの部分を溶
融し、前記導線の前記表面部分と前記パツドとの
間に囲繞すみ肉を形成するようになつている方
法。Claims: 1. A method of soldering one or more electrical conductors to a printed conductive track, comprising: (a) disposing said conductive trace on a ceramic substrate and placing at least one soldering pad on said conductive trace; (b) pressing a surface portion of the electrical conductor against the pad, applying sufficient engagement force to the conductor and the pad to enhance heat transfer between the conductor and the pad during soldering; has a width greater than the width of the conductor, and the interengaging surface portions of the conductor have a width greater than the width of the conductor. (c) directing an unfocused laser beam onto said soldering means, wherein said conductive wire portion and pad are adapted to form a soldering means; Beam output at least
100 watts, the spot diameter of the beam on the soldering means is no smaller than the width of the conductor and no larger than the width of the pad, and the spot diameter of the beam on the soldering means is controlled by the beam. irradiate the beam for a predetermined beam irradiation time to reflow only a specific portion of the pad and form a solder joint between the pad and the conductor portion, thereby forming a solder joint. the seam having a strength of at least 400 grams. 2. In the method described in claim 1,
The conductive wire has a flat engagement surface and the pad has an interlocking, generally flat engagement surface. 3. In the method described in claim 1,
The laser beam in step (c) is 0.03-0.08
A method in which the beam is focused a distance of 0.2-0.8 inches away from the engagement surface using a lens blurred to an inch diameter, i.e., with a focal length of 5 inches. 4. In the method described in claim 3,
A method in which the laser beam is blurred at a point above the engagement surface of the soldering means. 5. In the method described in claim 1,
A method in which the radius of the heat spot is increased by coating at least a portion of the soldering means with an energy absorbing material. 6. The method according to claim 1, wherein the radius of the heat spot is
(c) by preheating to at least 100 degrees C. 7. The method of claim 1, wherein the ceramic substrate of step (a) is made of one or two materials selected from the group consisting of alumina and beryllia, and wherein the ceramic substrate comprises at least... How to have a thickness of 0.5 inches. 8. In the method described in claim 1,
The beam duration used in step (c) is
Methods within the range of 50-200 milliseconds (.05-2.0 seconds). 9. In the method according to claim 1, the beam spot diameter used in step (c) is .
03-. How to be within the range of 08 inches. 10. The method of claim 1, wherein the center of mass of the surface portion of the conductor is aligned with the center of the pad upon engagement. 11. In the method of claim 1, the parameters of beam power, beam spot diameter and beam duration are optimally correlated by: where c is the critical heat spot radius a is the Gaussian radius at 1/e 2 l o is the logarithm T n is the temperature obtained by subtracting the sample temperature from the melting temperature of the solder P is the laser beam output in watts Laser beam output A is at 10.6 microns The surface absorbency R of the solder is the thermal resistance per unit area of the system, t c is the critical time to reach the solder temperature T n , and C is the heat capacity of the system. 12. The method of claim 1, wherein the conductive wire is made of tin or brass coated with solder, the pad is made of tin/lead/silver or a tin/lead alloy, and the printed conductive path is method in which palladium/silver components are used. 13. The method of claim 1, wherein the heat spot radius melts a portion of the pad to form a surrounding fillet between the surface portion of the conductor and the pad. Method.
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