磁头组件及其钎焊接合方法.pdf

提供一种磁头组件及其钎焊接合方法，能够提高接合可靠性，并且抑制滑块的姿势变化。在将组装有磁阻效应元件的滑块的电极焊盘和连接该磁阻效应元件与外部电路的柔性布线基板的电极焊盘钎焊接合的磁头组件中，在滑块及柔性布线基板的电极焊盘的钎焊接触面上形成有Au膜，至少在该电极焊盘的钎焊接触面与焊料的边界上，具有分散Au膜的Au原子而形成的AuSn分散层。

1、  一种磁头组件的钎焊接合方法，将组装有磁阻效应元件的滑块的电极焊盘、和连接该磁阻效应元件与外部电路的柔性布线基板的电极焊盘通过钎焊接合，其特征在于，具有如下工序：
准备毛细管的工序，该毛细管具有通过惰性气体流输送焊料球的输送通路，用通过了该输送通路的激光使该焊料球熔融；
将该毛细管朝向上述滑块的电极焊盘与上述柔性布线基板的电极焊盘的接合面设置的工序；
将焊料球和惰性气体流导入到上述毛细管的输送通路，在利用通过该输送通路内的激光使上述焊料球熔融的状态下使其自然落下到上述电极焊盘的接合面上的工序；
在该落下的焊料球固化之前待机的工序；
通过激光照射使固化的焊料球再熔融及再固化，将上述滑块的电极焊盘与上述柔性布线基板的电极焊盘接合的工序。

2、  如权利要求1所述的磁头组件的钎焊接合方法，其特征在于，
在对上述已固化的焊料球进行激光照射的工序中，使上述毛细管接近该焊料球，利用通过该毛细管的输送通路内的激光使上述焊料球再熔融。

3、  如权利要求1所述的磁头组件的钎焊接合方法，其特征在于，
在对上述已固化的焊料球进行激光照射的工序中，通过从与上述毛细管不同的方向照射的激光使上述焊料球再熔融。

4、  如权利要求1所述的磁头组件的钎焊接合方法，其特征在于，
使用半导体激光器、红外激光器或YAG激光器进行激光照射。

磁头组件及其钎焊接合方法
本申请是申请日为2006年11月1日，申请号为200610142910.9，发明名称为磁头组件及其钎焊接合方法的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种将滑块的电极焊盘和柔性布线基板的电极焊盘用Sn焊料接合的磁头组件及其钎焊接合方法。
背景技术
在硬盘驱动器(HDD)中使用的所谓的磁头组件，由组装有磁阻效应元件的滑块和具有挠性的金属薄板构成，具备弹性支撑滑块的柔性部件、和粘接在该柔性部件表面上并且将滑块的磁阻效应元件和安装有该磁头组件的装置的电路系统导通连接的柔性布线基板。柔性部件通过例如点焊固定在承载梁上。在这种磁头组件中，以往一般以相互正交的位置关系将滑块的磁阻效应元件用的电极焊盘和柔性布线基板的电极板通过金球焊方式接合，但近年来，提出了使用能够以比金球小的球径形成的焊料球的钎焊接合方式，以便能够对应接合区域(电极焊盘的尺寸及电极焊盘间隔)的狭小化。
焊料球焊接方式能够使用例如将焊料球在熔融的状态下喷射到接合面上的SJB方式的安装器来执行，通过使从该安装器供给到接合面上的熔融焊料凝固，将滑块的电极焊盘和柔性布线基板的电极焊盘接合。在滑块及柔性布线基板的电极焊盘表面(接合面)上，为了提高焊料浸润性而形成有由Au膜构成的表面保护层。
专利文献1：日本特开2004-283911号公报(US2004228036A1)
但是，如果如上所述地将焊料球在熔融的状态下供给，则焊料球刚刚被供给到接合面上就被急剧冷却，在Au还没有充分扩散到焊料内部之前就固化。因此，在固化的焊料与电极焊盘的边界面上形成Au-Sn化合物层，发生该Au-Sn化合物层引起的钎焊接合部的剥离。此外，还存在因焊料球固化时发生的收缩应变，使钎焊接合后的滑块姿势(倾斜角)较大地变动的问题。该姿势变化使磁头滑块的浮起特性即输出特性变差。
发明内容
本发明是鉴于上述以往课题而做出的，其目的在于提供一种能够提高接合可靠性、并且能够抑制滑块的姿势变化的磁头组件及其钎焊接合方法。
本发明在认识到在固化焊料与电极焊盘的边界面产生的Au-Sn化合物层是剥离的主要原因的基础上，着眼于通过在将熔融状态的焊料球供给到接合面上后在该接合面上对焊料球赋予足够的热能，能够使在电极焊盘的钎焊接触面上产生的Au-Sn化合物层分散到熔融焊料内、并且能够缓和固化焊料的收缩应变而减轻滑块的翘曲，从而做出的。
即，本发明提供一种磁头组件，磁头组件，将组装有磁阻效应元件的滑块的电极焊盘、和连接该磁阻效应元件与外部电路的柔性布线基板的电极焊盘钎焊接合，其中，在上述滑块及柔性布线基板的电极焊盘的钎焊接触面上形成有Au膜，至少在该电极焊盘的钎焊接触面与焊料的边界上，具有上述Au膜的Au原子分散而形成的AuSn分散层。
优选AuSn分散层的厚度为50μm以上。根据该方式，能够形成电极焊盘与焊料之间的密接层(NiSn或CuSn化合物)，提高钎焊接合强度。
优选在上述AuSn分散层中，Au原子的含有率从焊料侧向着电极焊盘侧变高。
也可以是，在上述电极焊盘与上述AuSn分散层之间，夹设着由该电极焊盘的形成材料与Sn构成的Sn化合物层。电极焊盘实际上是通过由Ni或Cu构成的单层构造、或Ni与Cu的层叠构造形成的。
本发明的磁头组件的钎焊接合方法是，将组装有磁阻效应元件的滑块的电极焊盘、和连接该磁阻效应元件与外部电路的柔性布线基板的电极焊盘通过钎焊接合，其具有如下工序：准备毛细管的工序，该毛细管具有通过惰性气体流输送焊料球的输送通路，用通过了该输送通路的激光使该焊料球熔融；将该毛细管朝向上述滑块的电极焊盘与上述柔性布线基板的电极焊盘的接合面设置的工序；将焊料球和惰性气体流导入到上述毛细管的输送通路，在利用通过该输送通路内的激光使上述焊料球熔融的状态下使其自然落下到上述电极焊盘的接合面上的工序；在该落下的焊料球固化之前待机的工序；通过激光照射使固化的焊料球再熔融及再固化，将上述滑块的电极焊盘与上述柔性布线基板的电极焊盘接合的工序。
第2次激光照射既可以使用经过毛细管的输送通路内的毛细管同轴方向的激光，也可以使用从毛细管照射的非毛细管轴方向的激光。即，在对上述固化的焊料球进行激光照射的工序中，使上述毛细管接近该焊料球，利用通过该毛细管的输送通路内的激光使上述焊料球再熔融。或者，可以通过从与上述毛细管不同的方向照射的激光使上述焊料球再熔融。
在上述钎焊接合方法中，可以使用半导体激光器、红外激光器或YAG激光器进行激光照射。
根据本发明，能够得到提高接合可靠性、并且能够抑制滑块的姿势变化的磁头组件及其钎焊接合方法。
附图说明
图1是作为本发明方法的适用对象的磁头组件(完成状态)的一实施方式的示意结构图。
图2是放大表示图1的滑块的电极焊盘和柔性布线基板的电极焊盘的接合部的示意图。
图3是放大表示图2的钎焊角的剖视图。
图4是表示在本发明的一实施方式的钎焊接合方法中使用的毛细管的模式平面图。
图5是说明本发明的一实施方式的钎焊接合方法的一工序的模式平面图。
图6是说明图5所示的工序的下一工序的模式平面图。
图7是说明图6所示的工序的下一工序的模式平面图。
图8(A)是表示第1次激光照射后的滑块姿势的模式剖面图。图8(B)是表示第2次激光照射后的滑块姿势的模式剖面图。
图9(A)是表示通过1次激光照射钎焊接合时的钎焊接合前后的滑块姿势变化的散点图。图9(B)是表示通过2次激光照射钎焊接合时的钎焊接合前后的滑块姿势变化的散点图。
图10是表示在另一实施方式的钎焊接合方法中使用的毛细管的模式平面图。
图11是将图10的毛细管的送出端部局部剖开表示的剖面图。
图12是表示图10的毛细管的送出端部的平面图。
图13是表示图10的毛细管的送出端部的前端面的平面图。
图14是说明本发明的另一实施方式的钎焊接合方法的一工序的模式平面图。
图15是说明图14所示的工序的下一工序的模式平面图。
图16是说明图15所示的工序的下一工序的模式平面图。
图17是说明图16所示的工序的下一工序的模式平面图。
图18是说明图17所示的工序的下一工序的模式平面图。
具体实施方式
图1表示作为本发明方法的适用对象的硬盘驱动器用的磁头组件(完成状态)的一实施方式。磁头组件1具备组装有磁阻效应元件(磁头)12的滑块11、和通过例如热固性粘接剂、UV固化性粘接剂、导电性粘接剂等粘接了该滑块11的背面的柔性部件21。
柔性部件21是板簧状的具有挠性的薄金属板，在承载梁的前端部以相对于该承载梁弹性地悬浮支撑了滑块11的状态安装着。在柔性部件21的表面上，通过粘接剂的粘贴等固定有柔性布线基板(FPC)22，该柔性布线基板22将滑块11的磁阻效应元件和安装有该磁阻效应元件的硬盘装置的电路系统导通连接。柔性布线基板22如图2放大表示，在从配置在柔性部件21的前端部上的多个电极焊盘23向两侧缘部分离后沿着两侧缘部延伸，再从柔性部件21的后端缘部引出，通过中继用柔性布线基板24成为一体。中继用柔性布线基板24与搭载有磁头组件1的硬盘装置的电路系统连接。滑块11在滑块端面11a上具有与磁阻效应元件12连接的多个电极焊盘13，该电极焊盘13与柔性布线基板22的电极焊盘23以相互正交的位置关系安装在柔性部件21上。
在上述结构的磁头组件1中，使用不含铅而以锡为主体的Sn焊料，对以相互正交的位置关系设置的滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23进行焊料球焊接。
图3放大表示将滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23接合的钎焊角(钎焊接合部)41。在滑块11及柔性布线基板22的两电极13、23的表面(钎焊接触面)，为了提高焊料浸润性而形成有Au镀膜13a、23a。钎焊角部41大部分由固化的Sn焊料42形成，但至少在电极焊盘13、23与Sn焊料42的边界上存在AuSn分散层43。AuSn分散层43是在Sn焊料42最初(第1次)熔融及固化时在电极焊盘13、23的表面产生的Au-Sn化合物通过Sn焊料42的第2次熔融而分散到Sn焊料42内、在该分散的状态下Sn焊料42再固化而产生的。AuSn分散层43中的Au原子浓度，在电极焊盘13、23侧比Sn焊料42侧高。Au镀膜13a、23a的厚度为0.5～2.6μm程度，AuSn分散层43具有50μm以上的厚度。
参照图4～图8对本发明的钎焊接合方法的第1实施方式进行说明。
首先，准备图4所示的毛细管30。毛细管30是将球状的焊料球40一个个进行接合的单发用毛细管。该毛细管30形成具有尖细的送出端部30a的细长筒状，具备在送出端部30a的前端面中央开口而将球状的焊料球40送出的圆形的送出口31、和沿着该毛细管30的轴线方向延伸且将焊料球40及氮气流N₂输送到送出口31的输送通路32。在毛细管30上连接着激光热源。该激光热源使用YAG激光器。从激光热源输出的激光具有与毛细管的轴线方向平行的光束中心，通过输送通路32内部后从送出口31向外侧射出。焊料球40在由氮气流N₂在输送通路32内输送时受激光照射，在熔融的状态下从送出口31被排出到外侧。虽然没有图示，但毛细管30还具备使球状的焊料球40及氮气流N₂进入到输送通路32中的导入口。具体而言，在本实施方式中，将焊料球40的直径设为φ100μm以下、将使用的激光的有效光束直径设为φ100μm。
接着，如图5所示，相互的电极焊盘13、23以90度对置的位置关系将滑块11和柔性布线基板22设置在安装台上，将该安装台以从水平方向(图5的左右方向)绕逆时针倾斜45度的状态固定。另一方面，毛细管30相对于滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23两者约倾斜45度，即朝向垂直方向(图5的上下方向)设置。此时，毛细管30的送出端部30a相对于滑块11的电极焊盘13及柔性布线基板22的电极焊盘23的接合面离开50μm左右。
接着，如图6所示，将焊料球40和氮气流N₂导入到毛细管30的输送通路32中，使激光光源工作将激光向输送通路32输出。焊料球40由不含铅而以锡为主成分的钎焊材料构成，是直径φ100μm以下的大小。被送入到输送通路32中的焊料球40通过与毛细管30的轴向平行地行进的激光而熔融，在该熔融的状态下由流过该输送通路中的氮气流N₂向送出口31送出，从送出口31自然落下到滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23之间。于是，焊料球40通过作为落下地点的电极焊盘13、23而急剧冷却，即，在Au充分地扩散到焊料内之前立即固化。由于在电极焊盘13、23的表面形成有Au镀膜13a、23a，所以在电极焊盘13、23和固化的Sn焊料42的边界产生了AuSn化合物层。此外，柔性部件21如图8(A)所示，受到焊料球40的固化所引起的收缩应变，成为从水平方向朝向逆时针方向翘曲的状态。固化的焊料球40通过氮气流N₂可防止氧化。通过上述工序，执行第1次的熔融及固化。
接着，如图7所示，使毛细管30接近固化的焊料球40，从很近的距离照射激光。激光照射时间设定为能够使焊料球40完全熔融的足够长时间，具体而言设定为例如10ms以上。该激光照射也可以使用从与毛细管30不同方向照射的激光。
如果焊料球40完全熔融，则使在电极焊盘13、23的表面上产生的AuSn化合物层分散到该熔融焊料内，熔融焊料在包含该分散的Au原子的状态下固化而形成钎焊角部41(图3)。在通过该第2次熔融及固化形成的钎焊角部41中，至少在电极焊盘13、23与固化的Sn焊料42的边界产生分散有Au原子的AuSn分散层43。AuSn分散层43中的Au原子浓度，在电极焊盘13、23侧比Sn焊料42侧高。通过产生该AuSn分散层43，由第1次熔融及固化产生的AuSn化合物层消失而形成SnNi或CuSn化合物，提高了钎焊角部41的接合强度。通过实验确认到，如果AuSn分散层43以50μm以上的膜厚产生，则可对钎焊角部41赋予足够的接合强度。
此外，如果将焊料球40如上述那样2次熔融，则施加在柔性部件21上的收缩应变被缓和，会使柔性部件21恢复到钎焊接合前水平的状态。由于上述第2次熔融及固化是在电极焊盘13、23上进行的，所以Sn焊料42熔融后温度逐渐下降而固化(不是急速冷却)。由此，Sn焊料42的固化引起的收缩应变比第1次固化时小，如图8(B)所示，柔性部件21的翘曲比第1次固化时(图8(A))降低了，能够将滑块11的姿势变化抑制在较小程度。
通过上述钎焊角部41将滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23接合。
图9是表示钎焊接合前后的滑块11的姿势变化(倾斜角度变化)的散点图。图9(A)表示通过1次的激光照射(使焊料球40以熔融的状态从毛细管30自然下落到接合面上)进行钎焊接合时的滑块11的姿势变化，图9(B)表示通过2次的激光照射(在第1次的激光照射后、在接合面上再次进行激光照射)进行钎焊接合时的滑块11的姿势变化。另外，滑块姿势变化的测量条件如下。
装置：PacTech公司制SBB(Solder Ball Bumper)；
激光照射(第1次)：以40A照射2ms；
激光照射(第2次)：以38A照射15ms；
焊料球直径：100μm。
比较图9(A)、图9(B)可知，接合前后的倾斜角的变化是，在2次激光照射的情况下比1次激光照射的情况小。具体而言，第1次激光照射后的倾斜角变化的平均值为-68’，与此相比，第2次激光照射后的倾斜角变化的平均值为-26.5’，将倾斜角变化抑制在第1次激光照射后的情况的1/2以下。
以上说明了作为可得到图3的钎焊角部41的钎焊接合方法，通过2次激光照射使Sn焊料42熔融及固化的实施方式，但是，上述钎焊角部41即使通过1次的激光照射，也能够在形成时不在电极焊盘13、23的表面产生AuSn化合物层。以下，参照图10～图18说明利用1次激光照射的钎焊接合方法的实施方式。
首先，准备图10～图13所示的毛细管130。毛细管130形成具有尖细的送出端部130a的细长筒状，具备在送出端部130a的前端面中央开口而将球状的焊料球40送出的圆形的送出口131、和沿着该毛细管130的轴线方向延伸并将焊料球40及氮气流N₂输送到送出口131的输送通路132、和沿周向以均等的间隔形成的多个切口部134。多个切口部134与送出口131连通，兼用作将通过输送通路132到达送出口131的氮气流N₂向外部排出的开口、和使从与焊料球40的输送方向不同的方向照射的激光通过的开口。各切口部134的截面形状成为送出端部130a的前端侧更大的截面梯形形状(图12)，以使激光容易直接照射在焊料球40上。本实施方式的多个切口部134如图13所示，由以90度间隔将送出端部130a的前端端壁切开的4个切口部构成，使氮气流N₂从送出口131按十字方向排出。虽然没有图示，但毛细管130还具备使球状的焊料球40及氮气流N₂进入到输送通路132中的导入口。
具体而言，在本实施方式中，将焊料球40的直径设为φ100μm以下、将送出口131及输送通路132的直径设为比焊料球40大、将切口部134的深度设为比焊料球40小、将使用的激光的有效光束直径设为φ50～100μm。
接着，如图14所示，相对于滑块11的电极焊盘113和柔性布线基板22的电极焊盘213两者约倾斜45度配置毛细管130，使毛细管130的送出端部130a从滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23的接合面离开20μm而定位。由此，在滑块11的电极焊盘13、柔性布线基板22的电极焊盘23和毛细管130的送出端部130a(送出口131)之间，形成用来搭载及保持焊料球40的空间α。
接着，如图15所示，将焊料球40导入到毛细管130的输送通路132中，并且使氮气流N₂流入。被导入到输送通路132中的焊料球40通过在该输送通路132内流动的氮气流N₂在未熔融状态下向送出口131传送，从送出口131自然落下到滑块11的电极焊盘113和柔性布线基板22的电极焊盘213之间。焊料球40由不含铅而以锡为主成分的钎焊材料构成，通过氮气流N₂可防止氧化。
自然落下的焊料球40如图16所示，通过从设在送出端部130a的前端端壁上的多个切口部134以放射状喷出的氮气流N₂，被定位保持在滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23的接合面上。焊料球40从送出口131向该送出口131的中心位置的正下方自然落下是理想的，但也有从送出口131的中心位置偏离的情况。在本实施方式中，因为在送出端部130a的前端端壁的周向上以90度间隔形成有4个切口部134，所以如果焊料球40从送出口131的中心位置偏离，则使氮气流N₂的流路窄了相当于该偏离量，受到来自氮气流N₂的反作用力而向中心侧返回。由此，焊料球40总是被保持在送出口131的中心位置上。
并且，在通过氮气流N₂及送出口131保持着焊料球40的状态下，如图17所示，通过毛细管130的多个切口部134将激光直接照射在焊料球40上。在图17中，将激光照射位置用附图标记R表示。该激光照射是通过与毛细管130分体的激光热源、从毛细管130的送出口131朝向的方向(通过氮气流N₂输送焊料球40的方向)不同的方向进行的。更具体地讲，例如在与毛细管30同样地相对于滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23两者倾斜45度的状态下，从使毛细管130绕顺时针或逆时针旋转规定角度的方向照射激光。此时，为了使焊料球40完全熔融，激光的强度设定为激光有效光束直径比焊料球40小一些的强度。在本实施方式中，由于使用直径100μm左右的焊料球40，所以激光的有效光束直径优选为50μm左右。激光热源可以使用发射低能量激光的半导体激光器或红外激光器。多个切口部134由于形成比送出端部130a的前端侧大的截面梯形形状，使得激光不通过，所以能够使激光的损失较少、有效地将激光施加给焊料球40。
在开始上述激光照射后，如图18所示，使毛细管130从滑块11的电极焊盘13和柔性布线基板22的电极焊盘23的接合面离开，持续规定时间的激光照射而使焊料球40完全熔融。在其完全熔融后，通过再固化而形成的钎焊角部41，将滑块11及布线基板22的两电极焊盘13、23接合。
根据上述第2实施方式，即使是1次的激光照射也能够在接合面上使焊料球40完全熔融，所以在形成的钎焊角部41上，至少在电极焊盘13、23与固化的Sn焊料42的边界，产生在熔融钎焊内分散了该电极焊盘13、23的表面的Au镀膜13a、23a的AuSn分散层43。即，由于不产生AuSn化合物层且形成有SnNi或CuSn化合物，所以能够对钎焊角部41赋予足够的接合强度。此外，由于通过激光照射被熔融的钎焊没有急剧冷却，所以能够减轻钎焊固化引起的收缩应变，能够良好地抑制滑块11的姿势变化。
在上述各实施方式中，在输送焊料球40时使用了氮气流N₂，但除了氮气流N₂以外，也可以使用例如He、Ne、Ar等惰性气体流。此外，在焊料球40中使用不含铅的Sn焊料，但也可以使用以铅和锡为主成分的焊料。