JP2004320023A - ベクトル過渡リフロー法で冷却することにより電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリングする方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ベクトル過渡リフロー法で冷却することにより、電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリングするシステムおよび方法を提供することにある。
【解決手段】 ベクトル過渡リフロー法で冷却することにより、電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリングる方法を開示する。
本発明の方法は、ソルダペーストを基板に付着させるステップと、電子部品を基板上に置いて基板アセンブリを形成するステップと、基板からのヒートシンク手段のための熱伝導性材料を備えたパレット上に基板アセンブリを配置するステップとを有する。更に、付着されたソルダペーストを更に急速に局部的に加熱し、追加熱源を用いて、ソルダペーストを溶融させるのに充分な融点に加熱するステップと、付着されたソルダペーストを更に急速に局部的に加熱しながらパレットの第２の表面を冷却して基板から熱を放散させ基板を横切る温度勾配を形成するステップと、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ベクトル過渡リフロー法（vector transient reflow process）で冷却することにより電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリング（はんだ付けまたはロウ付け）する方法に関する。

電子部品を、剛性プリント回路板および可撓性プリント回路板に装着することは当業界で良く知られている。剛性プリント回路板または可撓性基板上の導電体パッド領域にソルダペーストを付着するのが一般的である。次に、パッド領域のソルダペーストに接触するターミナル内に部品を配置する。次に、基板を比較的高温に曝してソルダペーストを活性化し、ソルダペーストを融解させ、次いで、凝固させて、部品を基板に接合しかつ電気的に接続する。可撓性基板は、高温に曝されたときに優れた安定性を呈するポリイミドから作られているのが一般的ある。

また、ベクトル過渡リフロー工程中に基板を受入れかつ支持するパレットは、一般にポリマーのような種々の材料で作られ、基板から熱を吸収する。製造業者は、熱吸収による基板の劣化または歪みを小さくするため、基板から熱を奪うヒートシンク手段を改善している。多くの場合、高温により、基板は、少なくとも或る程度の歪みまたは劣化する。

従来技術はこれらの意図した目的を達成しているが、更なる改善が求められている。例えば、プリント回路板の基板の歪みを無くしまたは低減させることが望まれている。多くの状況で、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のようなプラスチック材料で作られるのが一般的である基板は、２５０℃より高い温度まで加熱される。適当なヒートシンク手段を使用しなければ、基板は、オーブン内の高温により歪みまたは曲がる。既に知らているように、基板の歪みは、プリント回路板の機械的精度、基板の機械的特性およびプリント回路板の熱伝導能力に影響を与える。

本発明の一の目的は、ベクトル過渡リフロー法で冷却することにより、電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリングするシステムおよび方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、基板を横切る（すなわち基板中での）優れた熱伝導が行なわれるように、熱に敏感な可撓性基板のベクトル過渡リフロー法のための熱伝導性パレットを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、ソルダをリフローさせる付加熱エネルギを供給する一方、パレットの第２の表面を冷却して基板から熱を放散させて冷却し、基板を横切る温度勾配を形成する冷却源を提供することにある。

本発明の一実施形態は、ソルダペーストを基板に付着させるステップと、電子部品を基板上に置いて基板アセンブリを形成するステップとを有している。本発明の方法はまた、基板からのヒートシンク手段のための熱伝導性材料を備えたパレット上に基板アセンブリを配置するステップを有する。熱伝導性材料は第１のおよび第２の反対側を向いた表面を有する。第１の表面は、ベクトル過渡リフロー工程中に基板から熱を放散させるべく、第１の表面上に配置される基板を受入れるように構成されている。本発明の方法はまた、基板アセンブリを、付着されたソルダペーストの軟化温度より低い第１の上昇温度に予熱するステップと、追加熱源を用いて、付着されたソルダペーストを更に急速に局部的に加熱しソルダペーストを溶融させるのに充分な融点に加熱するステップとを有する。本発明の方法は更に、付着されたソルダペーストを更に急速に局部的に加熱しながらパレットの第２の表面を冷却して基板から熱を放散させ基板を横切る温度勾配を形成するステップを有している。

本発明の他の目的および長所は、添付図面を参照して以下の詳細な説明および特許請求の範囲の記載を考察することにより明らかになるであろう。

図１には、本発明に従って電子部品を可撓性または半可撓性の基板１２に電気的に相互接続すべくソルダをリフローするシステム１０が示されている。基板は、ＰＥＴまたはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム等の任意の適当な材料で作られている。また、システム１０は、可撓性基板１２の材料特性を劣化させることなく、回路部品を基板１２上に装着する手段を構成するパレット１４を有している。システム１０は更に、リフローオーブン１３と、コンベアシステム１６と、ガスノズル１８と、パレット１４とを有している。リフローオーブン１３は、基板１２を所望温度に予熱するための複数のヒータ２２を有している。コンベアシステム１６は、リフローオーブン１３内を移動させることができるようにパレット１４を協働して受入れてる慣用の構造を備えている。

電子部品を可撓性基板上に装着するシステムおよび方法は、本願に援用する、２０００年１０月３日出願の米国特許出願第６０／２３７，６５０号明細書および２００１年１０月３日出願の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０１／３１１２２号明細書に開示されている。

この実施形態では、パレット１４は、ソルダペーストをリフローさせて電子部品２４と可撓性基板１２とを相互接続させる、本発明による熱伝導性パレット１４である。パレット１４は、基板１２のヒートシンク手段を形成すべく、例えばアルミニウムのような熱伝導性材料で作られる。熱伝導性材料は反対側を向いた第１および第２の表面を有し、第１の表面は、この上に配置される基板を受入れて、ベクトル過渡リフロー工程中に基板から熱を放散させるように構成されている。パレット１４は、基板１２を支持しかつコンベアシステム１６と協働してオーブン１３を通して基板１２を搬送するように構成されている。ヒータ２２は基板１２を予熱し、ホットガスノズル１８は追加加熱を行なう。基板１２上に配置された導電体パッド２８上にはソルダペースト２６がプリントされ、このソルダペースト２６上に部品２４が置かれる。

コンベアシステムはまた、パレット１４の第２の表面に隣接しかつホットガスノズル１８に対向して配置された冷却源例えば冷却ガスノズル２０を有している。冷却源は、基板からの熱を放散して、基板を横切る温度勾配（即ち基板内での）を形成すると同時に、付加的熱エネルギを与えてソルダをリフローすべくパレットに冷気を供給する。アルミニウムのような熱伝導性材料は略均一に冷え、または、熱くなることが判明している。この結果、冷却ガスがパレットの第２の表面上に導入されると、パレットの略全体の温度が変化する。この結果、冷却ガスノズル２０を介して冷却ガスが供給されると、熱伝導性材料が略均一に冷却され、これにより、熱を、より有効な態様で基板からパレットに伝達できる。これにより、基板を横切る（即ち基板内での）大きい温度勾配が得られる。

図２に示すように、パレット１４は、本発明の一実施形態によるベクトル過渡リフロー工程で、プリント回路板の基板を受入れる熱伝導性材料を有している。パレット１４は、基板１２のヒートシンク手段としての熱伝導性材料例えばアルミニウムを有している。この実施形態では、熱伝導性材料として、銅、アルミニウム、スチールまたは他の任意の熱伝導性材料を含めてもよい。図示のように、第１の表面３１は、周辺領域３３を有し、かつ基板１２のベクトル過渡リフロー工程中に第１の表面３１上に配置される基板１２を受入れるように構成されている。

熱伝導性層３０を形成する材料として、熱劣化から基板を保護すべく基板から熱を伝達できる放散特性または熱伝導特性を有する他の任意の適当な材料を使用してもよい。

図２および図３には、本発明によるパレット１４の断面図が示されている。パレット１４には、基板１２をパレット表面４６上でフラットすなわち平らに保持するための支持ピン４４が設けられている。ピン４４は、バネ４８で張力をかけられ、基板１２に張力を与えている。本発明の一実施形態では、パレット表面４６に対して基板１２を固定するためにピクチュアフレーム５０が使用される。ピクチュアフレーム５０は、基板１２の周囲を図示のように取付けかつ固定し、パレット表面４６に基板１２の縁部を保持する。

本発明の一実施形態では、基板１２は、厚さ０．００３〜０．０１０インチ（０．０７６２〜０．２５４ｍｍ）のポリエステルフィルムである。当業界で良く知られているように、基板の両面には、銅の導電体（図示せず）およびソルダパッド（図示せず）を形成できる。ソルダペーストをプリントすべきパッド領域のみが露出するようにするため、銅の導電体上には適当なソルダマスク（図示せず）が設けられる。これらのパッドは、パッド表面に酸化物が形成されないようにするため、有機表面仕上げのような適当な表面仕上げを施すことができる。パッドへの部品２４の半田付け容易性を高めるため、浸漬シルバーまたは電気めっき錫のような他の表面仕上げを使用してもよい。

鉛を含むソルダペースト、および、鉛を含まないソルダペーストのいずれを使用してもよい。無鉛ソルダ組成は約２２０〜２４５℃の融点を有するが、有鉛ソルダペーストは約１８３〜２００℃のより低い融点を有するのが一般的である。

動作の説明をすると、基板１２が取付けられたパレット１４をオーブン内の予熱ゾーンを通って搬送していくと、ソルダペースト７２が活性化されて、その融点より少し低い温度まで徐々に加熱される。この工程中、パレットの熱伝導性材料がオーブン１３並びに基板１２から熱を吸収し始め、これにより基板の温度を低下させる。合焦／集中熱源（focused and concentrated heat source）を形成するため、ガスノズル１８から発生された追加熱が使用される。ホットガスノズル１８は、露出された基板表面に熱を短時間供給する。ソルダパッド２６、導電体パッド２８および基板の銅領域は、これらの高い熱拡散性のため、熱を吸収するのが好ましく、基板１２は、熱伝導性層および断熱性層により低温に保持されるパレット１４により低温に維持される。

同時に、冷却ガスノズル２０が、冷却手段として、冷却ガスをパレットの第２の表面に供給する。熱伝導性材料の性質により、パレットは略均一に冷却され、このため、パレットを横切って付加的な伝えることができる。これにより、基板を横切る温度勾配が大きくなり、従って、多量の熱が基板を通ることができかつ基板の歪みまたは劣化を防止できる。この態様で、リフロー工程中の基板１２が受ける軟化および損傷が防止されるか、低減される。

基板の露出領域がガスノズル１８の下を通った後、露出した電子部品２４および基板１２の温度が急速に低下し、このため、活性化したソルダが冷えて凝固する。このようにして、導電体即ちパッド２８と部品２４との間に信頼性の高い電気的接続が形成される。

図４には、ベクトル過渡リフロー法で冷却することにより、熱に敏感な可撓性基板の電子部品をソルダリングする方法１１０が示されている。図示のように、この方法１１０は、基板にソルダペーストを付着するステップ１１２と、基板上に電子部品を配置して基板アセンブリを形成するステップ１１４とを有している。この方法は更に、基板からのヒートシンク手段としての熱伝導性材料をもつパレット上に基板アセンブリを配置するステップ１１６を有している。この実施形態では、熱伝導性材料は、アルミニウム、アルミニウム合金または他の適当な熱伝導性材料を含む第１および第２の反対側を向いた面を有している。第１の表面は、この上に配置される基板を受入れて、ベクトル過渡リフロー工程中に基板から熱を放散させるように構成されている。

図示のように、この方法１１０は更に、基板アセンブリを、付着されたソルダペーストの軟化温度より低い第１の上昇温度に予熱するステップを有している。この実施形態では、第１の上昇温度は約９０〜１１５℃である。この方法は更に、コンベアを使用して、追加熱源の下でパレットを搬送するステップを有している。

方法１１０は更に、追加熱源を用いて、付着されたソルダペーストを急速に局部的に加熱させて、ソルダペーストを溶融させるのに充分な融点まで加熱するステップ１２０を有している。この実施形態では、追加熱源はホットガスノズルであり、ホットガスは基板に向けられる。この実施形態では、ホットガスは約１２０〜４５０℃の温度である。融点は約１８０〜２６０℃、好ましくは約２２０℃である。

同時に、この方法１１０は更に、付着されたソルダペーストを更に急速に局部的に加熱している間に、パレットの第２の表面を冷却して基板から熱を放散させ、基板を横切る温度勾配を生じさせるステップ１２２を有している。この実施形態では、冷却ガスノズルは約６５℃の温度にある。融点は約１８０〜２６０℃、好ましくは約２２０℃である。この実施形態では、パレットを冷却する前記ステップは、冷却ガスノズルを用いて、冷却ガスをパレットの第２の表面上に向けることを含んでいる。冷却ガスノズルは、所定の出口直径を有し、かつパレットの第２の表面から所定距離に配置される。この実施形態では、冷却ガスノズルの所定直径に対する所定距離の比は約１４より小さい。例えば、パレットの第２の表面からの所定距離は約９８ｃｍ、冷却ガスノズルの所定直径は約７．０ｃｍにすることができる。かくして、基板を横切る改善された温度勾配が生成され、この温度勾配を約４５℃までにすることができる。これは、冷却されたとき熱伝導性材料が略均一に冷え、パレットの第１の表面が基板からの改善された熱伝達を可能にするので、達成される。

以上、本発明の好ましい実施形態を開示しかつ説明した。当業者ならば、上記説明、添付図面および特許請求の範囲から、特許請求の範囲に定められた本発明の精神および範囲から逸脱することなく本発明に種々の変更をなし得ることは容易に理解されよう。本発明は例示的態様で説明したものであり、また本願で使用した用語は、説明言葉の本質にあり、限定的なものではないことを理解されたい。

本発明の一実施形態によるベクトル過渡リフロー法で冷却することにより、電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリングする装置を示す概略図である。 ベクトル過渡リフロー工程中に基板を受入れるための熱伝導性パレットの一実施形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に従って両露出面に電子部品が装着された可撓性基板を受入れる熱伝導性パレットを示す平面図である。 ベクトル過渡リフロー法で冷却することにより、電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリングする一方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ ソルダ・リフローシステム
１２ 基板
１３ リフローオーブン
１４ パレット
１６ コンベア
１８ ホットガスノズル
２４ 電子部品
２６ ソルダペースト
２８ パッド
４４ 支持ピン
５０ ピクチュアフレーム

Claims (1)

1. ベクトル過渡リフロー法で冷却することにより、電子部品を熱に敏感な可撓性基板にソルダリングする方法であって、
   ソルダペーストを基板に付着するステップと、
   電子部品を基板上に置いて基板アセンブリを形成するステップと、
   基板からのヒートシンク手段のための熱伝導性材料を備えたパレット上に基板アセンブリを配置するステップとを有し、熱伝導性材料は第１のおよび第２の反対向きの表面を有し、第１の表面は、ベクトル過渡リフロー工程中に基板から熱を放散させるべく、第１の表面上に配置される基板を受入れるように構成され、
   基板アセンブリを、付着されたソルダペーストの軟化温度より低い第１の上昇温度に予熱するステップと、
   追加熱源を用いて、付着されたソルダペーストを更に急速に局部的に加熱し、ソルダペーストを溶融させるのに充分な融点に加熱するステップと、
   付着されたソルダペーストを急速に局部的に更に加熱しながら、パレットの第２の表面を冷却して基板から熱を放散させ、基板を横切る温度勾配を形成するステップと、を更に有することを特徴とする方法。

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