JP2004223578A

JP2004223578A - リフロー半田付け装置

Info

Publication number: JP2004223578A
Application number: JP2003015183A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Matsuo; 直大松尾
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】部品に照射される光量を部品毎に増減制御し、部品の寸法や熱容量の大きさに係わらず、良好な半田付けを行うことができるリフロー半田付け装置を提供する。
【解決手段】電子部品を搭載した回路基板２から構成される被加熱物を加熱してリフロー半田付けするリフロー半田付け装置１であって、被加熱物を搬送する搬送手段６と、被加熱物全体を加熱する全体加熱手段３と、被加熱物に光を照射して局所的に加熱する光加熱ユニット４と、被加熱物と光加熱ユニット４間に配設され、光加熱ユニット４から照射された光の光量を局所加熱が必要な領域に対応して調節する調光ユニット５と、を備えてなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リフロー半田付け装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、チップ部品やパッケージＩＣ等の表面実装部品は、リフロー半田付けによって、印刷配線基板に半田付けされることが広く知られている。
【０００３】
一般的に、リフロー半田付けを行なうリフロー半田付け装置は、印刷配線基板の表面に設けた部品取付け用のパッドに沿って表面実装部品を搭載し、この印刷配線基板を装置内に搬送し、搬送中の印刷配線基板に所定温度の温風を吹き付けてパッドに塗布した半田ペーストを溶融させ、印刷配線基板のパッドと表面実装部品のリードとを接続させるものである。
【０００４】
このようにリフロー半田付け装置は、所定温度の温風を絶えず吹き付け続けるため、装置内の温度の均一性が良いという特徴を有しているものの、印刷配線基板に仮付けされる表面実装部品の大きさや熱容量の大小によっては、昇温速度に差が生じるという欠点がある。すなわち、チップ部品とパッケージＩＣを同じ条件で加熱しても、寸法の小さい小型チップ部品は所定温度まで加熱されるが、大型のパッケージＩＣは所定温度まで達しないため、良好な半田付けを行なうことができないといった不具合が発生していた。
【０００５】
また、印刷配線基板に仮付けされる表面実装部品が同じ大きさであっても、アース等のように面積の大きな銅箔パターンと繋がっているパッドに装着される部品と、そうでない部品とでは昇温速度に差が生じていた。
【０００６】
このため、熱容量の大きな部品を搭載した印刷配線基板の全体を均一に加熱することを目的として、全体加熱手段と局所加熱手段とを兼ね備えたリフロー半田付け装置が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１８１４２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特許文献１に記載されたリフロー半田付け装置では、一枚の基板上に局所加熱を要する箇所が複数存在し、加熱光源が１つの場合には、集光レンズや反射ミラーの位置や角度を変化させ、それぞれの局所加熱箇所に光が当たるようにする制御が必要となる上、複数箇所を同時に加熱できないため、装置の処理能力が低くなるという問題があった。
【０００９】
また、前記制御を行わない場合には局所加熱を要する箇所の数と同数の加熱光源が必要となり、装置のコストアップや大型化が問題となる。
【００１０】
さらに、一般的に光源から照射される光の密度は、照射光の中心部が最も高く、中心部から離れるほど低くなるという発光分布特性を有するため、照射される基板に温度勾配が生じ、基板全面を均一に加熱することができない。
【００１１】
本発明は、こうした問題点を解決するためになされたもので、部品に照射される光量を部品毎に増減制御し、部品の寸法や熱容量の大きさに係わらず、良好な半田付けを行うことができるリフロー半田付け装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子部品を搭載した回路基板から構成される被加熱物を加熱してリフロー半田付けするリフロー半田付け装置であって、被加熱物を搬送する搬送手段と、被加熱物全体を加熱する全体加熱手段と、被加熱物に光を照射して局所的に加熱する光加熱ユニットと、被加熱物と光加熱ユニット間に配設され、光加熱ユニットから照射された光の光量を局所加熱が必要な領域に対応して調節する調光ユニットと、が備えられたことを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、被加熱物と光加熱ユニット間に、調光ユニットが配設されているので、光加熱ユニットから照射される光量を調節して、被加熱物である基板の局所加熱が必要な領域に照射することができる。したがって、部品の寸法や熱容量の大きさに係わらず、良好な半田付けを行なうことができ、基板上に局所的に熱容量の大きな部分があっても、範囲を限定した局所加熱ができるので、高密度実装基板におけるリフロー半田付けにおいて、半田付けの信頼性を向上させることができる。また、全体加熱において半田が溶けなかった部分を、後工程で再加熱することにより補修する必要がないので、半田付け時間の短縮を図ることができる。
【００１４】
また、調光ユニットを設けるだけで、光加熱ユニットから照射される光量を調節して、部品に照射される光量を部品毎に増減制御することができるので、複雑な局所加熱機構を設ける必要がなく、装置のコストダウンおよび小型化を図ることができる。
【００１５】
さらに、調光ユニットによって、基板上の部品毎に照射される光量を増減制御することができるので、複数箇所を同時に局所加熱することができ、装置の処理能力を向上させることができる。
【００１６】
本発明は、前記調光ユニットは、光透過体と、この光透過体の表面に形成された遮光体薄膜と、からなり、被加熱物の局所加熱が必要な領域に光を透過し、局所加熱が不要な領域においては光を反射若しくは吸収若しくは屈折させることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、局所加熱が必要な領域には、光加熱ユニットから照射される光を透過させて、局所加熱を行なうとともに、局所加熱が不要な領域では、光加熱ユニットから照射される光を反射、吸収、若しくは屈折させることで、加熱されないようにすることができる。したがって、光加熱ユニットから照射される光を、調光ユニットにより加熱範囲を限定して、基板に照射することができる。
【００１８】
本発明は、前記調光ユニットは、光透過体と、この光透過体の表面に形成された遮光体薄膜と、からなり、遮光体薄膜の面積または厚みを増減して光加熱ユニットから照射された光の光量を光加熱ユニットの発光分布特性に対応して調節することを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、光加熱ユニットの発光分布特性に対応させて、調光ユニットに形成される遮光体薄膜の面積または厚みを増減することにより、発光分布特性により加熱される領域に生じる温度勾配を、調光ユニットによって補正することができる。したがって、基板の局所加熱が必要な領域を均一に加熱することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
本実施形態のリフロー半田付け装置１は、図１に示すように、表面実装部品が仮付けされた印刷配線基板２の全体を加熱する温風加熱ユニット３と、印刷配線基板２を局所的に加熱する光加熱ユニット４と、光加熱ユニット４から照射される光の光量を調節する調光ユニット５と、印刷配線基板２を搬送する搬送装置６と、から構成され、表面実装部品が仮付けされた印刷配線基板２を予熱するための予熱部１ａと、表面実装部品を基板２にリフロー半田付けするリフロー部１ｂに区画されている。
【００２２】
印刷配線基板２には、図２に示すように、例えば、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）７やＱＦＰ（クワッドフラットパッケージ）８のような大型の部品の他、小型のチップ部品９などの表面実装部品が搭載されている。
【００２３】
温風加熱ユニット３は、所定温度の温風を印刷配線基板２に吹き付ることにより、全体加熱を行うものであって、複数の温風加熱ユニット３が予熱部１ａおよびリフロー部１ｂに対応して配設されている（図１参照）。
【００２４】
光加熱ユニット４は、赤外線又は可視光線を照射することにより、印刷配線基板２の所望箇所を局所的に加熱する局所加熱を行なうものである。
【００２５】
調光ユニット５は、光透過体と、この光透過体の表面に形成された遮光体薄膜とから構成されており、光加熱ユニット４から照射された赤外線又は可視光線の加熱範囲を限定するものである。
【００２６】
図３は、調光ユニット５の一例を示しており、光を透過する光透過部５ａが、印刷配線基板２の熱容量の大きな部品に対応する位置に形成されるとともに、光透過部５ａを除いた領域が光を反射する光遮断部５ｂとされ、この光遮断部５ｂには金属蒸着処理が表面に施されて遮光体薄膜が形成されている。
【００２７】
したがって、例えば、図２に示す印刷配線基板２を温風加熱ユニット３で全体加熱した場合、図３に示す光透過部５ａが設けられた調光ユニット５を用いると、光加熱ユニット４から照射される光が、熱容量の大きなＣＳＰ７やＱＦＰ８に直接照射され、全体加熱での加熱不足箇所を補助加熱することができる。
【００２８】
ところで、一般的に、ランプから照射される光の密度は、照射光の中心部が最も高く、中心部から離れるほど低くなっている。このような光加熱ユニット４の発光分布特性の例を、図４に示している。実際には、光の強度はアナログ状に変化するが、ここでは説明の便宜上、図４に示すように、ランプ照射光の中心部から光の密度が高い順に、第一加熱エリアＡ，第二加熱エリアＢ，第三加熱エリアＣ，第四加熱エリアＤと表している。
【００２９】
かかる発光分布特性を考慮して、局所加熱を行なう部分を均一に加熱するために、調光ユニット５には遮光パターンが形成されている。例えば、図５に示す遮光パターンは、図４に示す光加熱ユニット４の発光分布特性を補正するために設けられるものであって、発光分布特性の各加熱エリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応する調光ユニット５表面の第一遮光エリアＡ１，第二遮光エリアＢ１，第三遮光エリアＣ１，第四遮光エリアＤ１の例である。
【００３０】
この調光ユニット５の遮光面積は、第一遮光エリアＡ１が最も大きく、以下第二遮光エリアＢ１、第三遮光エリアＣ１、第四遮光エリアＤ１の順で小さくなっている。そのため、調光ユニット５表面で遮光される光量は、第一遮光エリアＡ１で最大で、第二遮光エリアＢ１、第三遮光エリアＣ１、第四遮光エリアＤ１の順に小さくなっていき、調光ユニット５内を透過する光量は多くなる。
【００３１】
また、図６は、この遮光パターンを調光ユニット５に作成した例を示しており、この調光ユニット５を用いると、図３の光透過部５ａにおいて、図４に示す光加熱ユニット４の発光分布特性による基板２の中心部と外縁部との加熱不均衡を補正することができる。
【００３２】
図７は、図５に示す発光分布特性補正用遮光パターンを拡大したものを示し、遮光パターンを構成する遮光部５ｃの間隔を変えて調光ユニット５内を透過する光量を調節する例である。この例では円形の遮光部５ｃを用いているが、遮光部５ｃの形状は、円形に限られるものではなく、例えば矩形でも良い。また、遮光部５ｃの寸法・形状は、調光ユニット５の表面上ではすべて同一である。したがって、各加熱エリアＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄへの光の照射量の差を作り出すために、透過する光量が多い箇所では各遮光部５ｃ同士の間隔を広げ、透過する光量が少ない箇所では狭めることにより、前記加熱エリア間での遮光パターン密度に差をもたせている。この例では、同一加熱エリア内での遮光パターン密度は、一定としている。
【００３３】
また、発光分布特性補正用遮光パターンとしては、図８に示すように遮光パターンを構成する遮光部５ｃのサイズを変えて調光ユニット５内を透過する光量を調節してもよい。この場合、各加熱エリアへの光の照射量の差を作り出すために、透過する光量が多い箇所では、遮光部５ｃ１個当たりの面積を小さくし、透過する光量が少ない箇所では大きくすることにより、前記加熱エリア間での遮光面積に差をもたせている。この例では、調光ユニット５の全面において遮光部５ｃのピッチは同一であり、また同一加熱エリア内での遮光部５ｃ１個当たりの面積は一定としている。
【００３４】
図７及び図８に示す例では、遮光部５ｃ間隔あるいは遮光部５ｃ１個当たりの面積のいずれか一方を変化させて遮光面積を制御するが、遮光部５ｃ間隔と遮光部５ｃ１個当たりの面積を複合して変化させても良い。
【００３５】
次に、調光ユニット５を作成するプロセスについて、光透過体として石英ガラス板５０、遮光性薄膜としてＡｌ薄膜５１を用いた場合を例にとって、図９ないし図１１を参照しながら説明する。
【００３６】
まず、図９（ａ）に示すように、加熱する基板２と同一サイズの平坦な石英ガラス板５０の片面に、ＡｌをスパッタリングしてＡｌ薄膜５１を形成する。Ａｌ薄膜５１を形成後、図９（ｂ）に示すように、Ａｌ薄膜５１上に感光樹脂５２を塗布し、図９（ｃ）に示すように、調光ユニット５の遮光部分のパターンが描かれたガラスマスクを通して露光する。
【００３７】
ここで、ガラスマスクは、図５の発光分布特性補正用遮光パターンと図３の印刷配線基板を全体加熱方式で加熱した場合の加熱不足部分のパターンとを重ね合わせて作成した調光ユニット５の遮光パターンを元にネガパターンを作成し、調光ユニット５表面の遮光部分にのみ光が当たるように作成したものである。図１０に、ガラスマスクに形成された調光ユニット作成用露光マスクパターン１０の一例を示す。
【００３８】
次に、図９（ｄ）に示すように、現像処理を行い、感光樹脂の光が当たらなかった部分を洗浄・除去した後、図９（ｅ）に示すように調光ユニット５をエッチング処理すると、感光樹脂が残っている箇所を残して石英ガラス板５０表面のＡｌ薄膜５１が除去される。
【００３９】
最後に図９（ｆ）に示すように感光樹脂を剥離すれば、調光ユニット５が完成する。
【００４０】
なお、スパッタする金属は、Ａｌに限られるものではなく、Ａｕ、Ａｇその他機械的耐久性のあるＴｉやＣｒを用いても良い。
【００４１】
以上、遮光面積の増減により調光ユニット５内を透過する光量を調節する場合における調光ユニット５の作成プロセスについて説明したが、照射される光量が多い箇所では、調光ユニット５の表面上に形成する金属薄膜を厚くし、照射される光量が少ない箇所では膜厚を薄くして、調光ユニット５内を透過する光量を調節してもよい。この場合、感光樹脂塗布、露光、現像、エッチング、感光樹脂剥離のプロセスを数回繰り返して、調光ユニット５を完成させる。
【００４２】
図１１は、金属薄膜の厚みを変えて透過する光量を調節する場合の調光ユニット５作成のプロセスを示している。
【００４３】
まず、図１１（ａ）に示すように、加熱する基板２と同一サイズの平坦な石英ガラス板５０の片面にＡｌをスパッタリングして、第１層目のＡｌ薄膜５１を形成する。Ａｌ薄膜５１を形成後、図１１（ｂ）に示すように、Ａｌ薄膜５１上に感光樹脂５２を塗布し、図１１（ｃ）に示すように、調光ユニット５の第１層目の光透過部分のパターンが描かれたガラスマスクを通して露光する。
【００４４】
続いて、図１１（ｄ）に示すように、現像処理を行い、感光樹脂５２の光が当たらなかった部分５３を洗浄・除去した後、図１１（ｅ）に示すように調光ユニット５をエッチング処理すると、感光樹脂５２が残っている箇所を残して石英ガラス板５０表面のＡｌ薄膜５１が除去され、光透過膜の第１層目が形成される。
【００４５】
次に、図１１（ｆ）に示すように感光樹脂５２を剥離し、図１１（ｇ）に示すように再度感光樹脂５２を塗布した後、図１１（ｈ）に示すように第２層目の光透過部分のパターンが描かれたガラスマスクを通して露光する。
【００４６】
次いで、図１１（ｉ）に示すように、現像処理を行い、感光樹脂５２の光が当たらなかった部分５３を洗浄・除去した後、図１１（ｊ）に示すように調光ユニット５をエッチング処理すると、感光樹脂５２が残っている箇所を残して石英ガラス板５０表面のＡｌ薄膜５１が除去され、光透過膜の第２層目が形成される。
【００４７】
最後に、図１１（ｋ）に示すように感光樹脂５２を剥離すれば、調光ユニット５が完成する。
【００４８】
なお、スパッタする金属は、Ａｌに限られるものではなく、Ａｕ、Ａｇその他機械的耐久性のあるＴｉやＣｒを用いても良い。
【００４９】
このようにすると、予熱部１ａでの加熱処理において印刷配線基板２上に温度の不均衡が発生しても、リフロー部１ｂに備わる光加熱ユニット４と調光ユニット５との組み合わせによる局所加熱により、印刷配線基板２上の温度の低い部分に、選択的に補助加熱がなされ、印刷配線基板２上の全部品を均一加熱することが可能となる。
【００５０】
次に、上記説明したリフロー半田付け装置１を用いて半田付けする手順について、図１に基づいて説明する。
【００５１】
予熱部１ａに搬送された印刷配線基板２は、温風加熱ユニット３による全体加熱が行われ、加熱空気、赤外線等にて半田が溶けない１５０℃程度の温度で予熱される。予熱が終了すると、印刷配線基板２は、搬送装置６によってリフロー部１ｂに搬送される。
【００５２】
搬送装置６には、図示しないコンベア等の搬送手段が設けられており、印刷配線基板２を移載させる基板移載ステージ６１と、印刷配線基板２の搬送をガイドする基板搬送用ガイド６２が備えられている。
【００５３】
なお、一般に、予熱部１ａにおける加熱時間とリフロー部１ｂにおける加熱時間とでは、予熱部１ａでの加熱時間のほうが長い。このため、予熱部１ａの加熱処理中にリフロー部１ｂの印刷配線基板２の温度が所定の温度に達しても、印刷配線基板２の移載搬送は行わず、予熱部１ａの加熱処理が完了するまで待機する。
【００５４】
リフロー部１ｂでは、温風加熱ユニット３による全体加熱と、光加熱ユニット４による局所加熱を併用して印刷配線基板２を加熱する。局所加熱は、高密度実装基板において大型の部品等の熱容量が大きく半田が溶けにくい部分等に適用する。そして、２５０℃程度の温度で半田が溶融することにより、印刷配線基板２に搭載された部品の半田付けが完了する。
【００５５】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のリフロー半田付け装置によれば、部品に照射される光量を部品毎に増減制御し、部品の寸法や熱容量の大きさに係わらず、良好な半田付けを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリフロー半田付け装置の概略を示す斜視図である。
【図２】印刷配線基板の表面実装部品搭載例を示す平面図である。
【図３】調光ユニットの一例を示す平面図である。
【図４】光加熱ユニットの発光分布特性の例を示す概略図である。
【図５】光加熱ユニット発光分布特性補正用遮光パターンの例を示す概略図である。
【図６】調光ユニットの他の例を示す平面図である。
【図７】調光ユニットの光加熱ユニット発光分布特性補正用遮光パターンを示す拡大図である。
【図８】調光ユニットの光加熱ユニット発光分布特性補正用遮光パターンを示す拡大図である。
【図９】調光ユニット作成のプロセスを示す断面図である。
【図１０】調光ユニット作成用露光マスクパターンの一例を示す概略図、および部分拡大図である。
【図１１】他の調光ユニット作成のプロセスを示す断面図である。
【符号の説明】
１リフロー半田付け装置
２印刷配線基板
３温風加熱ユニット
４光加熱ユニット
５調光ユニット
５０石英ガラス板
５１Ａｌ薄膜
６搬送装置
７ＣＳＰ
８ＱＦＰ
９チップ部品

Claims

電子部品を搭載した回路基板から構成される被加熱物を加熱してリフロー半田付けするリフロー半田付け装置であって、
被加熱物を搬送する搬送手段と、被加熱物全体を加熱する全体加熱手段と、被加熱物に光を照射して局所的に加熱する光加熱ユニットと、被加熱物と光加熱ユニット間に配設され、光加熱ユニットから照射された光の光量を局所加熱が必要な領域に対応して調節する調光ユニットと、が備えられたことを特徴とするリフロー半田付け装置。
前記調光ユニットは、光透過体と、この光透過体の表面に形成された遮光体薄膜と、からなり、被加熱物の局所加熱が必要な領域に光を透過し、局所加熱が不要な領域においては光を反射若しくは吸収若しくは屈折させることを特徴とする請求項１記載のリフロー半田付け装置。
前記調光ユニットは、光透過体と、この光透過体の表面に形成された遮光体薄膜と、からなり、遮光体薄膜の面積または厚みを増減して光加熱ユニットから照射された光の光量を光加熱ユニットの発光分布特性に対応して調節することを特徴とする請求項１記載のリフロー半田付け装置。