(57)【要約】【課題】幅広い用途において、迅速で且つ高品質なハンダ接合が可能なハンダ付方法を提供する。【解決手段】ハンダ付方法は、第１のワーク（２）の上層側に、ハンダ層（６）を介して、厚さ方向に沿って開口する孔部（５）を有する第２のワーク（４）を設置する設置工程と、孔部から露出したハンダ層に対してレーザ光を照射することにより、ハンダ層を溶融させる溶融工程と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のワークの上層側に、ハンダ層を介して、厚さ方向に沿って開口する孔部を有する第２のワークを設置する設置工程と、
前記孔部から露出したハンダ層に対してレーザ光を照射することにより、前記ハンダ層を溶融させる溶融工程と、
を備えることを特徴とするハンダ付方法。
【請求項２】
前記第１のワーク及び前記第２のワークは、前記ハンダ層に比べて前記レーザ光と光学的な結合性が低い材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のハンダ付方法。
【請求項３】
前記第２のワークは、前記ハンダ層に比べて前記レーザ光と光学的な結合性が低い材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のハンダ付方法。
【請求項４】
前記レーザ光は、前記孔部を被うように前記第２のワーク上に配置された拡散板を透過して前記ハンダ層に対して照射されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のハンダ付方法。
【請求項５】
前記レーザ光は、航路上に設置されたビームエキスパンダによりビーム径が拡大されて照射されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のハンダ付方法。
【請求項６】
前記レーザ光はＹＡＧレーザ基本波、半導体レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ高調波及びディスクレーザの少なくとも１を含み、
前記第１のワーク及び前記第２のワークは銅、金、白金又はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のハンダ付方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば電子部品の取付や修正等に用いられるハンダ付に使用可能なハンダ付方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から電子部品の取付や修正等に用いられる接合工法として、ハンダ付が知られている。ハンダ付工法としてはこれまで様々な手法が考案されているが、例えば高温の先端部を有するハンダコテを接合対象であるワークに接触させ、ワーク間に介在したハンダを熱伝達により溶融させることで、ワーク間を接合するものがある。例えば特許文献１には、このようなハンダ付工法において、レーザ光の照射によってワークを加熱することによりハンダを溶融させてハンダ接合を行う技術が開示されている。
【０００３】
ここで図９を参照して、レーザ光を利用したハンダ付方法の一例について簡潔に説明する。図９はレーザ光を利用したハンダ付方法の一例を概略的に示す模式図である。
この典型例に係るハンダ付方法では、レーザ発振部５２と、光ファイバ５４と、出射ユニット５６とを備えるハンダ付装置５０が用いられる。レーザ発振部５２は、ＹＡＧレーザ等のレーザ発振媒体及びレーザ電源部を内蔵し、所定出力値を有するレーザ光を出力する。光ファイバ５４は任意の長さを有し、レーザ発振部５２からのレーザ光を出射ユニット５６の先端部６２に導くように構成されている。接合対象であるプリント基板５７上には導体パターンが配設されており、導体パターン上にはハンダ（不図示）を介してＩＣ５８のリード端子６０が設置されている。出射ユニット５６は、先端部６２からリード端子６０の表面に向けてレーザ光を照射することにより、レーザ光が有するエネルギによってリード端子６０を加熱し、その付近のハンダを溶融させる。レーザ光の照射が終了すると、リード端子６０付近の溶融ハンダは冷えて凝固し、リード端子６０とプリント基板５７上の導体パターンとの間に電気的且つ物理的なハンダ接合が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２３５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、ハンダを加熱するためのレーザ光として、製造分野で最も普及が進んでいる固体レーザであるＹＡＧレーザ光が用いられている。ＹＡＧレーザは、母材としてのＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）結晶に希土類活性イオン（Ｎｄ３＋，Ｙｂ３＋等）をドープしたものであり、代表的なＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波長は１０６４ｎｍである。
【０００６】
ところでレーザ光のエネルギによって所定の対象物を加熱するためには、対象物とレーザ光との間の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性が低いと、レーザ光の反射率の増大によってエネルギ吸収効率が低下し、加熱に要する時間が長くなってしまう。上述のＹＡＧレーザの場合、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料に対して光学的な結合性が低いため、これらの材料を含むワークに対して加熱に時間を要してしまい、図９のような手法では、生産性が低下してしまうという問題点がある。特にハンダを過度に加熱しないようにレーザ出力を抑えて用いる場合には、上述のように光学的な結合性が低い材料を加熱しようとすると、作業時間が長くなりやすく、上記問題点はより顕著なものとなる。
【０００７】
本発明の少なくとも１実施形態は上述の問題点に鑑みなされたものであり、幅広い用途において、迅速で且つ高品質なハンダ接合が可能なハンダ付方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも１実施形態に係るハンダ接合方法は上記課題を解決するために、第１のワークの上層側に、ハンダ層を介して、厚さ方向に沿って開口する孔部を有する第２のワークを設置する設置工程と、前記孔部から露出したハンダ層に対してレーザ光を照射することにより、前記ハンダ層を溶融させる溶融工程と、を備える。
【０００９】
上記（１）の構成によれば、第１のワークに対してハンダ層を介して上層側に配置された第２のワークに孔部が形成されているため、当該孔部を介してハンダ層にレーザ光を直接的に照射することができる。そのため、使用されるレーザ光やワークの光学的な結合性の影響を受けにくく、レーザ光の仕様や第１のワーク及び第２のワークの構成成分によらず、幅広い用途において良好なハンダ付が可能となる。またレーザ光のエネルギをハンダ層に効率的に供給できるため、迅速にハンダ層を加熱でき、生産性の向上も期待できる。
【００１０】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記第１のワーク及び前記第２のワークは、前記ハンダ層に比べて前記レーザ光と光学的な結合性が低い材料を含む。
【００１１】
上記（２）の構成によれば、ワークとレーザ光との光学的な結合性が低い場合であっても、レーザ光を孔部を介してハンダ層に直接的に照射できるため、好適なハンダ付が可能となる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記第２のワークは、前記ハンダ層に比べて前記レーザ光と光学的な結合性が低い材料を含む。
【００１３】
上記（３）の構成によれば、２つのワークのうちレーザ光の照射側にある第２のワークがレーザ光との光学的な結合性が低い場合であっても、レーザ光を孔部を介してハンダ層に直接的に照射できるため、好適なハンダ付が可能となる。
【００１４】
（４）幾つかの実施形態では上記（１）乃至（３）のいずれか１構成において、前記レーザ光は、前記孔部を被うように前記第２のワーク上に配置された拡散板を透過して前記ハンダ層に対して照射される。
【００１５】
上記（４）の構成によれば、レーザ光を拡散板に透過させることで容易に強度調整できるとともに、拡散板によって孔部が覆われることで融解したハンダ層が飛散した場合であってもワーク表面が汚れることを防止できる。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では上記（１）乃至（４）のいずれか１構成において、前記レーザ光は、航路上に設置されたビームエキスパンダによりビーム径が拡大されて照射される。
【００１７】
上記（５）の構成によれば、ハンダ層の比較的広い範囲に亘ってレーザ光を照射できるので、広い接合領域が得られ、信頼性に優れたハンダ接合が可能となる。
【００１８】
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか１構成において、前記レーザ光はＹＡＧレーザ基本波、半導体レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ高調波及びディスクレーザの少なくとも１を含み、前記第１のワーク及び前記第２のワークは銅、金、白金又はアルミニウムを含む。
【００１９】
上記（６）の構成によれば、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含むワークと、これらのレーザとは光学的な結合性が低いが、このような組み合わせにおいても、上述のように好適なハンダ付が可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の少なくとも１実施形態によれば、幅広い用途において、迅速で且つ高品質なハンダ接合が可能なハンダ付方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の少なくとも１実施形態に係るハンダ付方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図２】図１のステップＳ１で孔部が形成された第２のワークを、ステップＳ２でハンダ層を介して第１のワーク上に設置する様子を示す模式図である。
【図３】図１のステップＳ３でレーザ光を照射する様子を示す模式図である。
【図４】図３の孔部近傍の鉛直断面構成を拡大して示す断面図である。
【図５】図４のレーザ光照射後の構成を示す断面図である。
【図６】図４の変形例を示す断面図である。
【図７】図４の変形例を示す断面図である。
【図８】図４の変形例を示す断面図である。
【図９】レーザ光を利用したハンダ付方法の一例を概略的に示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は本発明の少なくとも１実施形態に係るハンダ付方法を工程毎に示すフローチャートであり、図２は図１のステップＳ１で孔部が形成された第２のワークを、ステップＳ２でハンダ層を介して第１のワーク上に設置する様子を示す模式図であり、図３は図１のステップＳ３でレーザ光を照射する様子を示す模式図であり、図４は図３の孔部近傍の鉛直断面構成を拡大して示す断面図であり、図５は図４のレーザ光照射後の構成を示す断面図であり、図６及び図７は図４の変形例を示す断面図である。
【００２３】
本実施形態では、ハンダ付による接合対象として、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含む母材からなる第１のワーク２及び第２のワーク４を用いた場合を例に説明する。尚、第１のワーク２及び第２のワーク４には、例えばＮｉめっき層やＡｕめっき層が下地又は表面に形成されていてもよい。
尚、本実施形態ではハンダ付を利用した接合工法に適用した例を示しているが、同様の技術的思想に基づいて、ろう付を利用した接合工法に対しても適用可能である。
【００２４】
まずステップＳ１では、接合対象である２つのワークのうち第２のワーク４に対して、厚さ方向に沿って開口する孔部５を形成するための前処理が実施される。孔部５は後述する溶融工程においてレーザ光が照射されるハンダ付ポイントに対応する位置に形成される。このような孔部５の形成は、例えばパンチング加工により行われる（例えば、加工対象である第２のワーク４を所定のダイ上にストリッパで固定し、孔部５の径形状に対応するパンチで打ち抜くことにより形成される）。また孔部５は後述するように、その内側にハンダ層を溶融するためのレーザ光が照射されるため、レーザ光より大径に設定される。
尚、ハンダ付対象となるワークがより微細な半導体回路等の場合には、例えば孔部５をレジスト処理によりパターニングで形成してもよい。この場合、後述するステップＳ２をステップＳ１より先に実施することで、第１のワーク２上にハンダ層６を介して積層配置された第２のワーク４に対して孔部５の形成を行ってもよい。
【００２５】
ステップＳ２では、図２に示されるように、ステップＳ１で孔部５が形成された第２のワーク４を、ハンダ層６を介して第１のワーク２上に設置される（設置工程）。ここでハンダ層６を形成するハンダは、鉛及び錫を主成分とした合金であり、共晶ハンダ、鉛フリーハンダ、クリームハンダ、銅・銀入りハンダ、及び音響用ハンダを含め、錫含有率が任意の各種ハンダが使用可能である。
尚、ハンダ付に用いられるレーザ光の出力によっては、比較的高い融点（目安として一般的な共晶ハンダ（錫含有率が約６３％）より高い融点）を有するハンダが用いられてもよい。またハンダにはフラックスが含まれていてもよい。
【００２６】
ステップＳ３では、第２のワーク４に形成された孔部５を通してハンダ層６にレーザ光を照射することにより、ハンダ層６を溶融する（溶融工程）。本実施形態では図３及び図４に示されるように、レーザ光を照射可能なレーザ照射部１０が第２のワーク４に対向するように設置されている。一方、第２のワーク４には孔部５が形成されているため、ハンダ層６の一部（露出領域７）は、孔部５を介して外部に対して露出している。レーザ照射部１０から出射されたレーザ光は、孔部５を通ってハンダ層６の露出領域７に照射される。
【００２７】
その結果、図５に示されるように、レーザ光のエネルギによって露出領域７近傍におけるハンダ層６が加熱されて溶融し、溶融部８が形成される。このように、第２のワーク４に孔部５が設けられていることで、レーザ照射部１０から射出されたレーザ光は、孔部５を介してハンダ層６に直接的に照射されるので、ハンダ層６は効果的に加熱される。
【００２８】
本実施形態では、レーザ照射部１０には、レーザ発振媒体（ＹＡＧレーザ）及びレーザ電源部を内蔵したレーザ発生装置（不図示）が光ファイバ１２を介して接続されており、レーザ発生装置で発生されたＹＡＧレーザ基本波（波長：１０６４ｎｍ）を有するレーザ光が光ファイバ１２を介してレーザ照射部１０に導かれるように構成されている。ここでＹＡＧレーザ基本波は、上述したように、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含む母材からなる第１のワーク２及び第２のワーク４に対して光学的な結合性が低いため、母材そのものを加熱しようとするとハンダ付に時間を要してしまう。その点、本実施形態では、ワークとレーザ光との光学的な結合性が低い場合であっても、レーザ光を孔部５を介してハンダ層６に直接的に照射して溶融するため、光学的な結合性の影響を受けにくく、レーザ仕様やワークの構成成分によらず、幅広い用途において良好なハンダ付が可能となる。
【００２９】
またレーザ照射部１０から射出されるレーザ光の出力値は任意でよいが、ハンダ層６が過度に加熱されない程度の出力に調整されているとよい（例えば、レーザ光によってハンダ層６が溶融された際に、その周囲に飛散しない程度に出力が調整されるとよい）。このようなレーザ光の出力調整は、レーザ光を生成するレーザ発信装置側で行われてもよいし、レーザ発信装置から出力された後のレーザ光に所定の処理を施すことにより行われてもよい。後者の場合、例えば図６に示されるように、レーザ照射部１０から出力されるレーザ光の収束位置（焦点位置）を、ハンダ層６より手前側に設定することで、レーザ光が孔部５の内壁１４に照射されるようにしてもよい。この場合、レーザ光の少なくとも一部が内壁１４によって少なからず反射されてハンダ層６に照射されるため、ハンダ層６に到達するレーザ光の強度が少なからず低下する（この場合、銅、金、白金又はアルミニウムを含む第２のワーク４と光学的な結合性の低いＹＡＧレーザ基本波を敢えて選択することで、内壁１４でレーザ光を効果的に反射させることができる）。
【００３０】
また図７に示されるように、レーザ光の光路上のうち、第２のワーク４の表面に孔部５を被うように拡散板（曇りガラス）１５を配置することにより、当該拡散板１５を透過するレーザ光の強度を少なからず低下させることで、ハンダ層６に照射されるレーザ光の出力調整を行ってもよい。この場合、レーザ光の出力調整によってハンダ層６の過度な加熱を防止できることに加え、仮にハンダ層６が溶融した際に飛散物によってワーク表面が汚されることも効果的に防止できる。
【００３１】
尚、上述のＹＡＧレーザ基本波の他に、用途に応じて、例えば半導体レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ高調波及びディスクレーザを用いることができる。例えば、ハンダ付けの際に母材の溶融を許容する場合には、銅、金、白金及びアルミニウムのような材料を含む母材と光学的な結合性が高いＹＡＧレーザ高調波を用いてもよいし、逆に、ハンダ付けの際に母材の溶融を回避する場合にはＹＡＧレーザ高調波以外のレーザ光源を用いるとよい。本実施形態では、レーザ光としてＹＡＧレーザ基本波を用いることで母材が溶融することを回避しつつ、ハンダ層６を的確に加熱できるため、高品質なハンダ付けが可能となっている。
【００３２】
またレーザ照射部１０は、ハンダ層６に対して、レーザ光の照射面積が広くなるように構成されていてもよい。例えば図８では、レーザ照射部１０から出射されるレーザ光の光路上に、レーザ光のビーム径を拡げるためのビームエキスパンダ１６が設けられている。これにより、ビームエキスパンダ１６からは孔部５より若干小径にビーム径が調整されたレーザ光がハンダ層６に対して出力される。これにより、孔部５から露出したハンダ層６の比較的広い範囲に亘ってレーザ光を照射できる。その結果、例えば図３及び図４のように極めて狭い領域にレーザ光を照射する場合に比べて、広い範囲に亘ってハンダ層６を溶融できるので、信頼性に優れたハンダ接合が可能となる。
【００３３】
またハンダ層６に照射されるレーザ光のビーム径が小さい場合には、孔部５から露出するハンダ層６の表面上で、レーザ光の照射領域をスキャニング（走査）することにより、広い範囲に亘ってハンダ層６を溶融することで強固な接合を得るようにしてもよい。
【００３４】
続いてレーザ照射部１０からのレーザ照射を終了すると、溶融したハンダが冷えて凝固する（ステップＳ４）。これにより、第１のワーク２及び第２のワーク４は、ハンダ層６を介して電気的且つ物理的に接合される。
【００３５】
以上説明したように本実施形態によれば、第２のワーク４に形成された孔部５を介してハンダ層６にレーザ光を直接的に照射することにより、レーザの仕様やワークの素材に関わらず、ハンダ層６を効果的に加熱して溶融できる。そのため、幅広い用途において良質なハンダ付ができるとともに、優れた生産性が得られる。
【００３６】
このようなハンダ付方法は、特許文献１のような、プリント基板上の導体パターンへの各種電子部品の接合だけでなく、例えば、半導体パッケージの外部引き出し端子或いは半導体チップの電極パッドにおけるワイヤボンディング等をはじめ、電子部品の接合用途として広く適用可能である。このような分野では、近年の高集積化・高速化に伴い、銅や金のような材料が多用されつつある。例えばパッケージの外部引き出し端子（リード）の材料は、従来多用されていたＦｅ−Ｎｉ合金系に替わって電気伝導度及び熱伝導率に優れたＣｕ合金系の使用が増えている。また半導体パッケージに用いられる配線や電極パッドの材料もまた、これまでのＡｌから比抵抗が低くてエレクトロマイグレーションの起こり難いＣｕの使用が増加している。そのため、このような対象物を接合する際にＹＡＧレーザを用いると、光学的な結合性が低いために、ワーク自体を加熱するために時間を要してしまう。しかしながら、上述の実施形態のようにワーク自体を加熱することなく、孔部５を介してハンダ層６を直接加熱することで、光学的な結合性の影響を受けることなく、良好なハンダ付が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の少なくとも１実施形態は、例えば電子部品の取付や修正等に用いられるハンダ付に使用可能なハンダ付方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
２  第１のワーク
４  第２のワーク
５  孔部
６  ハンダ層
７  露出領域
８  溶融部
１０  レーザ照射部
１２  光ファイバ
１４  内壁
１６  ビームエキスパンダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017131926.tif 000008
【図７】
2017131926.tif 000009
【図８】
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【図９】
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