JP2004327944A - 配線基板の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、より簡易かつ安定して基板を保持し、リフロー中での熱変形を防ぎ、薄い配線基板においても狭ピッチ接続を可能とし、より一層の電子機器の小型・軽量化を図ることができる配線基板の実装方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の配線基板の実装方法は、配線基板の所望の位置に接合部材を配置し、その後に配線基板を冶具に取り付け、取り付けた後に冶具から所望の方式にて配線基板に一定の張力かけ、張力のかかった配線基板に電子部品をマウントし、この配線基板に張力のかかった状態にて加熱工程をおこなうことで接合部材が電子部品を配線基板に電気的に接続することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線基板への電子部品の実装方法に関し、特に配線基板がフレキシブル基板や板厚の薄いプリント基板といった基板の剛性が低く実装工程において容易に基板が変形してしまう配線基板の実装方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平８−２５４９９６号公報
【特許文献２】
特開平８−２２２８１９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１４４４３０号公報
【特許文献４】
特開２０００−３５７７１１号公報
電子機器に使用される配線基板としては、ガラスクロス入りのエポキシ樹脂からなるプリント配線基板や、ポリイミド樹脂をベースにしたフレキシブル配線基板がある。
【０００３】
これら配線基板においては、従来プリント配線基板は、基板内に含まれるガラスクロスの剛性と板厚が通常０．８ｍｍから１．６ｍｍと厚いため実装時における基板変形が発生しにくいことから、この基板を直接搬送レール内に配置して印刷、マウント、リフローという実装工程をおこなっていた。しかしながら、電子機器のいっそうの小型化・軽量化の流れのなかで、プリント基板の板厚も０．６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．４ｍｍと一層の薄型化が行われてきており、さらに、搭載される電子部品も端子ピッチが０．８ｍｍのＣＳＰのようにはんだ接続部がφ０．４〜φ０．３５ときわめて微細な接続部を有するようになってきている。このため実装工程中で発生する基板の変形（反り、うねり、ねじれ）が部品電極と配線基板電極との位置合わせを難しくしたり、位置ずれを発生させたり、リフロー中に発生する基板の変形ではんだブリッジや、回路のオープンが発生したりすることにより電子部品とプリント配線基板との接続品質に大きな影響を与えるようになってきている。、この基板変形を防ぐため、薄板のプリント基板では、金属製の冶具にプリント基板を搭載して実装するようになってきている。
【０００４】
また、フレキシブル基板においては、元々板厚が薄いだけでなく、ガラスクロスが含まれていないことから、基板の剛性が低く、そのままの状態では実装することが難しいため、従来から金属製の冶具に搭載したり、金属製の冶具に挟み込んだ状態で電子部品をマウントし、リフローすることで実装されてきた。
【０００５】
しかしながら、フレキシブル基板や薄板基板を従来の冶具を用いて単に冶具の自重のみの抑えや、配線基板のガイド穴と冶具のガイドピンでの固定だけで実装しようとする方法（
【特許文献１】、
【特許文献２】）では、リフロー工程でのフレキ基板自身の熱膨張による伸びを吸収することができず、フレキ基板がリフロー中にうねり、図５（ｄ）に示すように、今後の０．５ｍｍピッチＣＳＰ、０６０３チップ部品といった接合部の狭ピッチ化や微細化に対応することができなくなる。さらに、より微細な０．１ｍｍ〜０．２ｍｍピッチのフリップチップのはんだ接合を行うには、基板の変形を安定して抑えることが困難になり、はんだ接合部がオープンになったり、ブリッジしてショートし良品を製造することが困難になる。
【０００６】
そこで、基板の変形をより抑えるため、冶具上に粘着テープ、粘着層を設け基板を固定する方法（
【特許文献２】、
【特許文献３】）や、真空チャック冶具を用いる方法（
【特許文献４】）などが提案されているが、粘着材を用いる方法では繰り返しの使用で粘着力が低下し、安定した保持ができなくなったり、引き剥がし時に接合された電子部品に応力がかかり、はんだ接合部を破壊する可能性があったり、真空チャックによる方法では、１つ１つに真空引きする時間と開放する時間が余計にかかり、生産性が上げられないだけでなく、リフロー工程で、加熱されることに対して真空圧が変化（ＰＶ＝ｎＲＴ Ｐ１＝Ｔ１／Ｔ０＊Ｐ０ リフロー温度を２４０℃とすると、常温時に対して１．７倍）することと、気密するＯ−リングの熱劣化により安定した真空保持をおこなうことが難しいといった課題がある。
【０００７】
さらに、はんだ材料の鉛フリー化に伴いリフロー温度を現状より数十℃も高くしなければならなくなる。その際、上記の粘着材がさらに劣化したり、真空吸着時具の熱容量のため、従来のリフロー炉では、温度が上がらずはんだが溶けず接合することができなくなる。
【０００８】
また、いずれの方法においても、リフロー中の加熱による基板の熱膨張を押さえ込む方向での対策のため、基板サイズが大型化した場合には、粘着力や真空圧といった基板を保持する力に対して基板が伸びようとする力の方が勝り、冶具から外れてしまう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、より簡易かつ安定して基板を保持し、リフロー中での熱変形を防ぎ、薄い配線基板においても狭ピッチ接続を可能とし、より一層の電子機器の小型・軽量化を図ることができる配線基板の実装方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板の実装方法は、配線基板の所望の位置に接合部材を配置し、その後に配線基板を冶具に取り付け、取り付けた後に冶具から所望の方式にて配線基板に一定の張力かけ、張力のかかった配線基板に電子部品をマウントし、この配線基板に張力のかかった状態にて加熱工程をおこなうことで接合部材により電子部品を配線基板に電気的に接続することを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明においては、通常は剛性が高く変形しにくいアルミ、ジュラルミン、ステンレス等の金属からなる配線基板を保持する冶具に、配線基板を保持した際に基板を外側に引っ張る張力を加えられる機構部を設け、配線基板に張力を与えた状態を作りだすことにより、実装時の配線基板の変形を抑制する。
【００１２】
張力を与える方式は、特に規定するものではなく、例えば，太鼓張りのように配線基板外周を上下の冶具で挟みこむことで、配線基板が挟み込まれる方向に引っ張られることによって発生させてもよいし、冶具にガイドピンを設け、このガイドピンに配線基板に設けられた穴を通した後、ガイドピンが外側に移動することで、配線基板に張力を与えても良い。さらに、ガイドピンに連動するように設けられたバーを設けておき、各工程にてこのバーを動かすことにより配線基板に加える張力を変化させてもよい。さらに、フレキシブル基板の厚み、材質等による基板毎の剛性、変形差に対して、加える張力の大きさを変えられることから、常に配線基板表面が平坦性を保って、安定した電子部品接合を行うことが可能となる。
【００１３】
このように張力を変化させることができる機能を冶具に設けておくことにより、冶具への配線基板と取り付け、取り外しが容易になり自動化が行えるだけでなく、リフロー工程中の基板の熱変形に合わせて加える張力の大きさを変化させ、常に最適な張力を基板に加え配線基板の変形を抑制することが可能となる。
【００１４】
また、このように基板に張力を加えることで固定しているので、従来のような上下２枚の保持冶具は、必要ではなくなり冶具の熱容量を大幅に低減できる。冶具の熱容量を低減することにより、鉛フリー化でのリフロー温度の上昇に対しても十分に対応できる。
【００１５】
なお、配線基板を保持する冶具の片面にリフロー温度に対する耐熱性のある弾性材料例えば、シリコンゴム、フッ素ゴム等を設けておくことで、非常に薄いフレキシブル基板への電子部品マウント時の部品飛びを防ぐことができる。これは、近年より高速化したマウントスピードにより、部品マウント時に基板側の剛性が高すぎると部品が基板上で弾かれ部品飛びを発生させてしまう。非常に薄いフレキシブル基板に張力をかけ冶具に固定していることから基板側の剛性が高くなり、この部品飛びを発生させることを冶具表面に弾性材料を設けることで抑制する。
【００１６】
一方、配線基板に関しても、本発明では均一な張力が加えられるように、実装時においては製品使用時の外形加工を施さず、１枚の四角形状で実装工程をおこない、実装工程終了後に外形加工を行うことに特徴がある。従来でも配線基板は、外形加工されたものをミシン目状にして外枠とつないでおいて実装し、実装後にミシン目部を切り離していたことから、この切り離し工程がミシン目から外形すべてに切り替わるだけなので、工程数の増加にはならず、さらに基板製造先での外形加工工程を削減することになる。
【００１７】
以上、本発明によれば様々な板厚、材料からなる薄い配線基板に対して常に安定した平坦性を確保して電子部品のはんだ付けをおこなうことが可能になることで、より狭ピッチでかつ、鉛フリーはんだにも対応する実装方法を提供することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の配線基板の実装方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態による配線基板の実装方法を示す模式的な斜視図である。配線基板であるフレキシブル基板１は、ポリイミド樹脂からなるフィルムにＣｕからなる導電パターンが接着材を介して接着され、さらに、導電パターンを保護するため、表面をポリイミド樹脂からなるカバーフィルムを貼り付けてある。ただし、後に電子部品７，８，９の電極をはんだづけする配線パターンのランド部は、カバーフィルムが設けられていない。
【００２０】
そのため、フレキシブル基板１の板厚は、きわめて薄くすることができ、導体層が単層であれば、厚さ０．１から０．３ｍｍとなる。このフレキシブル基板１のランド部にスクリーン印刷により、接合部材であるはんだペーストを印刷する。その際、スクリーン印刷は、はんだ量を微小かつ狭ピッチにかつ安定して行わなければならないことから、印刷版をフレキシブル基板表面に密着させて行うフルコンタクト方式を採用する。そのため、印刷時においては、固定冶具が基板表面より突出しないことが求められる、また、この時点では、常温であり、かつフレキシブル基板のみであることから、印刷機のステージ上で真空吸着を行うことで、容易に高精度にフレキシブル基板１上にはんだペースト６を印刷できる。このようにして、フレキシブル基板１のランド部上にはんだペースト６を印刷したものを、保持治具４に設けられたガイドピン３とフレキシブル基板１に設けられたガイド穴２とが、一致するように図１（ａ）のように配置しフレキシブル基板１を保持時具に載せる。保持治具４に設けられたガイドピン３とフレキシブル基板１に設けられたガイド穴２との関係は、フレキシブル基板の位置決めを行うためのものではなく、あくまでガイドであることから、それぞれに要求される公差は、ゆるい一般公差で問題ない。
【００２１】
なお、この保持時具の材質としては、平坦性に優れ、リフロー工程での２００〜２６０℃の高温時でも形状変化のないものが望ましいことから、アルミ、ジュラルミン、ステンレス等の金属材や、セラミックなどを使用する。本実施の形態においては、厚さ３ｍｍのアルミを使用した。また、ガイドピン３の材質も同様に金属材、セラミックが使用できるが、本実施の形態では、φ３ｍｍのステンレスピンを使用している。
【００２２】
次に、保持治具４上で、フレキシブル基板１のガイド穴２を貫通するようにガイドピン３が挿入された後、ガイドピン３と保持治具４のコーナー部にばね１２を取り付けることで、ガイドピン３は、保持治具４に設けられているガイド溝５に沿って外側に引っ張られる。
【００２３】
そのため、フレキシブル基板１もガイドピン３の動きに合わせて引っ張られ、フレキシブル基板表面は、平坦性を確保する。（図１（ｂ）参照）
なお、ガイドピン３は、フレキシブル基板１に均一な張力を加えることができるのであれば数、位置に関しては、任意でかまわないが、最低でも３つは必要である。
【００２４】
さらに、フレキシブル基板１においては、全面に均一な張力がかかるように、製品で使用する際の外形加工を施さない状態（切り欠きが設けられていない状態）で、使用することが、本実施の形態の特徴である。
【００２５】
フレキシブル基板１に保持治具４による張力が加わった状態で、図１（Ｃ）に示すようにＩＣ７、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）８、チップ部品９等の電子部品をマウンターでフレキシブル基板１上にマウントする。
【００２６】
その後に保持治具４によりフレキシブル基板１に張力が加えられ、電子部品７，８，９がフレキシブル基板１に搭載された状態で、リフロー炉内に投入され、２２０〜２６０℃まで加熱することで、はんだペースト６のはんだ材を溶融し、電子部品７，８，９の電極部とフレキシブル基板１のランド部とを接合させる。
【００２７】
なお、ガイドピン３を引っ張っているばね１２のばね材質に形状記憶合金を使用し、高温度域で、ばね定数が大きくなるばねを使用すれば、リフロー中のフレキシブル基板１の熱膨張による反り、うねりをより抑制し、さらに安定した接合を得ることが可能となる。
【００２８】
そして、リフロー炉から取り出され冷却された後に、保持治具４とガイドピン３とをつないでいるばね１２を取り外すことで、フレキシブル基板１にかかっていた張力を開放し、電子部品７，８，９が接合されたフレキシブル基板１を保持治具４から取り外す。
【００２９】
その後、電子部品７，８，９の接合されたフレキシブル基板１を金型にて、製品で使用する基板外形になるように打ち抜き図１（ｄ）のような最終形状とする。
【００３０】
本実施の形態のようにフレキシブル基板に張力を加えた状態で、基板変形を抑制し電子部品を接合する実装方法をとることで、電子部品の接合部が微細になっても安定した接続を得ることが可能となる。
【００３１】
また、鉛フリーはんだを実用化するにあたってのリフロー温度の高温化によるフレキシブル基板の熱変形の増大にも、反り、うねりを抑えることができ、フレキシブル基板への鉛フリーはんだの実用化を進めることが可能である。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態での保持治具４とガイドピン３の構造を示す模式的平面拡大図であり、本実施の形態においては、保持治具４の裏面にガイドピン３を押すバー１０が設けられており、また、ガイドピン３には、ばね１２が最初から取り付けられているが、このばね１２は、ガイドピン３を保持治具４の内側に押すように設計されている。
【００３３】
本実施の形態においては、図３に示すように、保持治具４を各実装工程で保持する際、搬送レール１３の下に、バー１０を押す突起１２が設けられており、この突起１２がバー１０を押すことで、ガイドピン３がガイド溝５に沿って外側にスライドし、フレキシブル基板１に張力を加える。
【００３４】
本実施の形態においては、この突起１２の突出量によって、バー１０の移動量が変わることでガイドピン３が発生する張力を調整することが可能である。
【００３５】
そのため、マウント工程、搬送中、リフロー工程の各々において突起１２の突出量を変えることで任意の張力に設定することが可能となる。そのため、フレキシブル基板１に必要以上の張力を加えることがなくなり、実装環境の湿度でフレキシブル基板が吸湿し、軟化した際の基板の寸法安定性にダメージを与えることがなくなる。
【００３６】
さらに、リフロー炉内の各加熱ゾーンで、この突起１０の突出量を変えることで、各温度域での熱変形を抑えることが可能となる。そのため、張力による基板の伸びという寸法安定性にダメージ与えることがなくなる。
【００３７】
本実施の形態においては、実装工程の手順としては、ガイドピン３にばね１２を取り付けることと、取り外すことを除けば、上記実施形態と同じである。
【００３８】
そのため、第１の実施の形態のようにガイドピン３にいちいちばね１２を取り付けたり、取り外したりすることがなくなることから、自動化が容易に行え生産性を高くすることが可能である。
【００３９】
（第３の実施の形態）
本実施の形態においては、図４の模式的断面図に示すように保持治具４にガイドピン３を用いず嵌合治具４１を用いることで、フレキシブル基板１に張力を発生させる。
【００４０】
本実施の形態においては、図４（ｂ）保持治具４上にはんだペースト６が印刷されたフレキシブル基板１を搭載し、その上にリング状（口字形状）の嵌合治具４１を載せる。この嵌合治具４１の内周形状は、保持治具４の外周形状に一致するように加工されており、プレスにより、フレキシブル基板１の外周部を挟みこんで保持治具４の外側にはめ込まれる。そのため、フレキシブル基板１は、保持治具４と嵌合治具４１により外側に引っ張られる状態で保持治具上に固定される。その後、電子部品をマウントする。（図４（ｃ））
その後、リフロー工程で、はんだペースト６を溶融させ電子部品とフレキシブル基板１とを接続する。（図４（ｄ））
そして、リフロー工程終了後にプレスにより、今度は嵌合治具４１を取り外し、フレキシブル基板１を保持治具４から取り出す。
【００４１】
これ以降の基板外形加工は、前述の実施形態と同じである。
【００４２】
本実施の形態においては、フレキシブル基板１に張力を与えるのが、基板外周全体から与えることが可能となることから、前記ガイドピンで均一な張力を与えにくい大型のフレキシブル基板に適している。
【００４３】
（第４の実施の形態）
本実施の形態においては、実施の形態２の保持治具４の表面にシリコンゴムからなるシートを設けてある。シリコンゴムのシート厚としては、０．１ｍｍから０．２ｍｍを使用した。
このシリコンゴムシートにより、電子部品特にチップ部品をフレキシブル基板にマウントする際、基板厚が薄くかつ、保持治具が硬いことからチップ部品がはね飛ぶことを抑制し、マウント欠品不良の発生を防ぐことが可能となった。
【００４４】
その他の効果は、前述の実施の形態と同様である。
【００４５】
以下に、本発明の実施態様例を示す。
【００４６】
（実施態様例１） 配線基板の所望の位置に接合部材を配置し、前記配線基板を冶具に取り付け、前記冶具から配線基板に一定の張力をかけ、張力のかかった配線基板に電子部品をマウントし、この配線基板に張力のかかった状態にて加熱工程をおこなうことで前記接合部材がにより前記電子部品を前記配線基板に電気的に接続することを特徴とする配線基板の実装方法。
【００４７】
（実施態様例２） 接続された後に配線基板にかかる張力を開放し前記配線基板を冶具より取り外し、その後前記配線基板の外形加工をすることを特徴とする実施態様例１に記載の配線基板の実装方法。
【００４８】
（実施態様例３） 前記加熱工程中に配線基板にかかる張力の大きさが、加熱工程前より大きくなり、加熱工程後には、もとに戻ることを特徴とする実施態様例１または２に記載の配線基板の実装方法。
【００４９】
（実施態様例４） 前記冶具の片面に弾性材料を貼り付け、配線基板と冶具との間に弾性材料が挟み込まれた状態で電子部品がマウントされることを特徴とする実施態様例１ないし３のいずれか１項に記載の配線基板の実装方法。
【００５０】
【発明の効果】
上記のように、本発明の配線基板に張力を加えた状態で実装することで、基板表面の平坦性が確保されることから、フレキシブル基板の変形が原因での接合不良の発生を防ぐことができ、より狭ピッチの接合をフレキシブル基板に代表される薄板基板で行うことが、可能となる。そのため、電子機器のより一層の小型化・軽量化を図ることが可能となる。
【００５１】
また、基板の変形を抑制することができることから、融点の高い鉛フリーはんだをフレキシブル基板に使用することが可能となり、電子機器に使用されるはんだ材料から鉛を取り除くことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のガイドピン構造を示す模式的拡大平面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のガイドピン構造を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す模式的断面図である。
【図５】従来の問題点を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１ フレキシブル基板、
２ ガイド穴、
３ ガイドピン、
４ 保持治具、
５ ガイド溝、
６ はんだペースト、
７ ＩＣ、
８ ＣＳＰ、
９ チップ部品、
１０ バー、
１１ バー支持部、
１２ ばね、
１３ 搬送レール、
１４ サイドガイド、
１５ 突起、
４１ 嵌合治具、
４２ 抑え治具。

Claims (1)

1. 配線基板の所望の位置に接合部材を配置し、前記配線基板を冶具に取り付け、前記冶具から配線基板に一定の張力をかけ、張力のかかった配線基板に電子部品をマウントし、この配線基板に張力のかかった状態にて加熱工程をおこなうことで前記接合部材により前記電子部品を前記配線基板に電気的に接続することを特徴とする配線基板の実装方法。

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