JP2004511089A

JP2004511089A - System and method for mounting electronic components on a flexible substrate

Info

Publication number: JP2004511089A
Application number: JP2002532000A
Authority: JP
Inventors: ゲンカ　ラキー　ナンドラル; シンクナス　ピーター　ジョセフ; シュヴァイツァー　チャールズ　フレデリック; ブロック　ローレンス　ラーネル; ミラー　マーク　ディー; フォスター　レイモンド　エリック; ファクス　スティーブン　エドワード; クラウシーム　トーマス　ビー
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: JP3718670B2; DE10194555B4; DE10194555T1; GB2372228B; GB0212475D0; GB2372228A; WO2002028584A1

Abstract

複数の電子成分（２４）を基板（１２）上に相互接続するために、はんだをリフローさせるためのシステム及び方法が開示される。システムは、基板（１２）及び該基板上に配置された複数の電子部品（２４）を予熱するための炉と、はんだ（７２）をリフローさせるための付加的な熱エネルギを供給するために炉内に配置されている補助熱源と、基板（１２）を支持するためのパレット（１４）とを備え、パレット（１４）は少なくとも１つの内部空洞（４０）を有し、上記空洞（４０）内にはパレット（１４）から熱を吸収するための相転移材料（４２）が配置されている。A system and method for reflowing solder to interconnect a plurality of electronic components (24) on a substrate (12) is disclosed. The system includes a furnace for preheating the substrate (12) and a plurality of electronic components (24) disposed on the substrate, and a furnace for supplying additional thermal energy for reflowing the solder (72). An auxiliary heat source disposed therein and a pallet (14) for supporting a substrate (12), the pallet (14) having at least one internal cavity (40) within said cavity (40). A phase change material (42) for absorbing heat from the pallet (14) is arranged in the pallet.

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、電子部品を、軟化温度が低いフレキシブル基板へ電気的に接続するためにはんだをリフローさせる装置及び方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
電子部品を、堅固な、及びフレキシブルな印刷回路基板に取付けることは従来から公知である。典型的には、堅固な、及びフレキシブルな基板上の導体パッド領域にはんだペーストを塗布する。次に、部品の端子をパッド領域内のはんだペーストと接触させるように部品を配置する。次に基板を比較的高温に曝してハンドペーストを活性化させ、はんだペーストを融解させ、次いで凝固させて部品を基板上に結合し、電気的に接続する。フレキシブル基板は、典型的には高温に曝した時に良好な安定性を呈するポリイミドで作られている。ポリエステルを含む多くのフィルム材料は、はんだをリフローさせるのに必要な温度にそれらを曝した時にそれらの耐熱性及び寸法安定性が不十分であることが主な理由で、部品を表面マウントするために使用するには満足できるものではなかった。
【０００３】
軟化温度が低いフレキシブル基板へ部品を取付けるための技術が、Ａｎｎａｂｌｅの米国特許第５，８９８，９９２号に開示されている。フレキシブル基板を、キャリヤー支持部材に固定する。カバーを、基板の上に配置する。このカバーは、部品の位置に対応する開口を有しており、キャリヤーはキャリヤーアセンブリを形成する。はんだペーストを、部品パッドを有する基板の導体領域に塗布する。次に、電子部品の端子がはんだペーストと接触するように部品を基板上に配置する。次いでリフロー炉において、はんだペーストの融点より低い温度までキャリヤーアセンブリを予熱する。次に加熱したガスジェットのような補助熱源を使用して、アセンブリの温度を急速に上昇させる。カバーは、基板を高いリフロー温度から遮蔽し、またリフロー中のフレキシブル基板のひずみを最小にする。
【０００４】
この従来技術はそれらの意図された目的を達成してはいるが、かなりの改良が要望されている。例えば、基板の特定領域をガスジェットによって生成される熱から遮蔽するための特別なカバーの必要性を排除することが望ましい。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、リフロープロセス中に基板を冷却する専用の冷却配列を使用して電子部品をフレキシブル基板上へはんだ付けするためのリフローパレットを含む。これらの冷却配列は、パレットの内部空洞内に配置された相転移材料を使用する。相転移材料は、相転移中に基板から熱を吸収し、それによってリフロー中の基板温度を低く維持する。これは、リフロー中に基板の軟化を防ぎ、それによってその寸法安定性を保存する。パレットを冷却する別の技術は、熱電クーラーのアレイを動作させることを含む。これらの熱電クーラーは、基板を冷却してその寸法安定性を保存するために、リフロープロセス中に必要に応じて作動させる。更に別の方法はパレット内の通路を使用し、これらの通路を通して水、空気、または他の適当な流体を導き、はんだリフロー中にパレットから熱を吸収させて基板を低温に維持する。これらの技術は、リフロープロセス中に基板を遮蔽するためのパレット上のカバーを使用することなく、部品をフレキシブルポリエステル基板上にはんだリフローさせることを可能にする。
【０００６】
パレット及びカバーは、耐熱カーボンファイバ複合体のような、良好な熱拡散率を有する適当な伝導性材料で作ることができる。パレットのための他の材料は、ＦＲ−４のようなガラス充填エポキシで裏打ちされた薄い銅の層を含む。
【０００７】
好ましくは、基板上の回路導体は銅である。部品パッドと呼ばれる導体の選択された領域には、これらのパッドへのはんだ付けの容易さを高めるために、錫または浸漬銀のような表面仕上げがなされている。基板の導体領域間の間隔は、導体領域と同じ厚みを有する電気的に絶縁された銅の領域で充填されている。これらの銅領域は、リフロープロセス中に熱を選択的に吸収することによって、基板を更に遮蔽する。
【０００８】
部品は、基板の上側及び下側の両側に取付けることができる。このような基板の場合、リフロープロセスは第２の側について繰り返される。パレットは、基板の第１の側上の部品を受入れるための適切な空洞を有している。
【０００９】
フレキシブル回路は、２層より多くの回路導体からなることができる（一般に多層回路と呼ばれる）。これらの回路の場合、２層またはそれ以上の層の基板フィルムが使用され、適当な接着剤で互いに結合されて４層またはそれ以上の層の導体層に形成される。
【００１０】
適当な温度において活性化することができれば、どのような都合のよいはんだペースト調合も使用することができる。一つの適当なはんだペーストは、６３％の錫と３７％の鉛の組成からなり、１８３℃の融解温度を有している。他のはんだペースト組成は、錫、銀、及び銅の合金である無鉛はんだを含むが、これらは約２２０℃の高めの融点温度を呈する。
【００１１】
はんだペーストを活性化させるために、補助熱源を使用して１つまたはそれ以上のホットガスのジェットを基板の露出された領域に向かって導くことができる。適当なのは、パレット上の基板がホットガスのジェットを通過して輸送される時に、ホットガスのジェットを基板の幅全体を横切って広げることである。
【００１２】
（実施の形態）
フレキシブル、または半フレキシブル基板へ電子部品を電気的に相互接続するための本発明によるはんだをリフローさせる装置１０を図１に示す。以下の説明から明白になるように、装置１０は、フレキシブル基板の材料特性を劣化させることなく、基板上に回路部品を取付けるための手段になっている。装置１０は、リフロー炉、コンベヤシステム、補助熱源（ガスジェット）、及びパレット含む。リフロー炉は、基板を所望温度まで予熱する複数のヒーター５０を有している。コンベヤシステム３０は、パレット５１を協力して受入れてリフロー炉を通して移動させるように、普通の技法で構成されている。
【００１３】
パレット５１は、好ましくは、相転移パレットであり、これは本発明によりはんだペーストをリフローさせ、電子部品とフレキシブル基板２０とを相互接続する。相転移パレット５１は、基板２０を支持し、またコンベヤシステム３０と協力して炉４０を通して基板２０を輸送する。炉４０のヒーター５０が基板を予熱し、加熱されたガスジェット６０が補足的に加熱する。はんだペースト７０は、基板の導体パッド８０（これらの上に部品９０が配置されている）上に印刷される。
【００１４】
図２ａ−２ｂは、本発明による相転移パレット１０を上面図及び断面図で示している。図示のように、パレット１０は、相転移材料１１０をその中に有している少なくとも１つの内部空洞１００を含んでいる。パレット１０上には支持ピン１２０が設けられ、基板２０をパレット表面１２５上にフラットに、即ち平面的に保持する。ピン１２０は、基板２０に張力を加えるようにばね１３０によって引張る（またはロードする）ことができる。本発明の一実施の形態では、ピクチャフレーム１４０を使用して、基板２０をパレット表面１２５に対して確保することができる。ピクチャフレーム１４０は、図示のように、基板の周縁に取付けられてそれを確保し、基板の縁をパレットの表面に対して保持する。
【００１５】
本発明の別の実施の形態では、相転移パレット１０は、両面基板（図示のように、電子部品が基板の両面上に場所を占めている）を受入れるように構成されている。図３ａ−３ｄに断面図で示すパレット１０は、基板の第１の露出表面上に取付けられた電子部品を受入れるために、少なくとも１つの外側空洞１５０を有している。外側空洞１５０は、もし必要ならば適当なフォーム１６０で充填して基板２０のための付加的な支持体にすることができる。
【００１６】
本発明の好ましい実施例では、基板２０は、０．００３乃至０．０１０インチの厚みを有するポリエステルフィルムである。当分野においては公知のように、銅導体及びはんだパッドを、ポリエステルフィルムの両側に形成することができる。はんだペーストを印刷すべきパッド領域だけを露出させるように、適当なはんだマスクを銅導体の上に設ける。これらのパッドは、パッド表面を酸化物形成から保護するために、有機表面仕上げのような適当な表面仕上げを有することができる。部品のパッドへのはんだ付け能力を高めるために、浸漬銀または電気めっきされた錫のような他の表面仕上げも使用することができる。
【００１７】
鉛を含有する組成を有するはんだペースト、並びに無鉛組成を有するはんだペーストを使用することができる。鉛を含有するはんだペーストは約１８３℃乃至２００℃の低い融解温度を有しており、一方、無鉛はんだ組成は約２２０℃乃至２４５℃の融解温度を有している。
【００１８】
動作中、その上に基板が取付けられたパレットは炉内の予熱ゾーンを通して輸送され、はんだペーストは活性化されてその融解温度の直下まで徐々に加熱される。このプロセス中、相転移材料１１０が炉から、及び基板２０から熱を吸収し始め、それによって基板の温度を引下げる。相転移材料は、はんだペーストの融点より低い融点を有するように選択されている。相転移材料が融解し始めると、材料は、その潜熱に等しい量の熱またはエネルギを吸収し始める。従って、相転移材料の温度は材料が完全に融解するまで一定に保たれる。以上のように本発明は、パレット１０の熱吸収特性を大幅に高め、またはんだペーストのリフロー中に基板の温度を低く維持する。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態では、相転移材料１１０は、はんだの融解温度より低い融解温度を呈し、ガリウム、ガリウム合金、または錫と鉛の合金のような伝導材料からなることができる。他の適当な相転移材料は、クロロフルオロカーボン及びそれらの複合体を含む。
【００２０】
集束され、集中された熱源を得るために、加熱されたガスジェット６０ような補助熱源が使用される。このガスジェットは、露出された基板表面を短時間の間加熱する。はんだペースト、導体パッド、及び基板の銅領域は、それらの熱拡散率が高いために熱を好ましく吸収し、一方相転移材料１１０によってペレット１０は低い温度に保たれているので、基板２０は低い温度に維持される。このようにしてリフロープロセス中の基板の軟化及び損傷が防がれる。
【００２１】
基板の露出された領域がガスジェット６０の下を通過した後は、露出された電子部品及び基板の温度は急速に降下するので活性化されたはんだは冷却して凝固する。従って、導体と部品パッドとの間に良好な電気接続が形成される。このプロセス中に相転移材料も凝固するので、パレットは再使用の準備が整う。
【００２２】
図４ａ及び４ｃには、部品が実装されるフレキシブル基板上にホットガスを分配するように設計された本発明の別の実施の形態による独特なノズル２００が示されている。本発明は、ノズルの幅全体にわたる流れ及び温度の均一性を提供する。ノズル２００は、リフロー炉１３の幅にまたがって広がっている。以下に説明するように、ノズル２００は、流れ供給管２０２の分布した孔／スロット領域、スクリーン、及び離間した分布を使用する。ハネカムスクリーン、有孔板、及びスクリーン２０４の組合わせが、ノズル２００を出て行く流れを調整する。ノズルハウジング２０８に取付けられている滑り可能な板２０６の面は、入口フィード２０２の面積をノズル出口２１０の面積に対して寸法決めするより大きい柔軟性を与えるために、ノズル出口２１０の幅を調整可能にする。
【００２３】
ノズル２００は、ホットガスをフレキシブル基板上へ分配するためのノズルハウジング２０２を含む。ホットガスは、均一な流れ分布を発生させるために、ホットガス分配パイプ２０８を介してノズルハウジング２０２へ輸送される。有孔板２１０は、ノズルハウジング２０２の出口２１２の前に位置決めされている。有孔板２１０は、ノズル及び基板の全幅にわたる均一なガス分布を保証するために、穿孔に関連した均一な、または可変のジオメトリを有することができる。更に、ノズル２００は、ノズルハウジング２０２に滑り可能に確保されている調整可能な側板を含むことができる。調整可能な側板は、出口２１２のサイズを小さくするように調整することができる。
【００２４】
ノズル２００は、ノズル入口２０８、及びノズル出口２０９を含む。ホットガスはノズル入口２０８において受入れられ、入口スクリーン２０９を通過させられる。入口スクリーン２０９は、ノズルの幅全体に均一なガス分布を発生させるために、Ｒで示されている半径を有する有孔板であることが好ましい。ノズルハウジング２０２は、ホットガスをノズル出口２１２に向けて導く複数の転向羽根２１４を更に含む。有孔板２１０及びスクリーン２１６は、ノズル出口２１２の付近に配置されている。有孔板２１０及びハネカムの形状に構成されているスクリーン２１６は、出口２１２の外側に、及びノズル６０２の幅全体に均一な流れを供給する。１対の調整可能な板２０６がハウジング２０２に取付けられており、上述した実施の形態と同じように出口２１２のサイズを小さくするように動作する。
【００２５】
本発明による独特なノズル設計３００の別の実施の形態を図４ｃに示す。ノズル３００は、入口３０４においてホットガスを受入れるためのテーパー付きスロット３０４、または可変孔を有するノズルハウジング３０２を含んでいる。ホットガスは、有孔板３０６、ハネカムフィルタ構造３０８、及びスクリーン３１０全体に分配される。この構成は、ハウジング３０２の出口３１２を通して均一なガス流を供給する。
【００２６】
図５ａ及び５ｂに示す本発明の別の実施の形態では、ホット及びコールドガスノズル４００、４０２の組合わせを使用してフレキシブル基板４０４全体にホットガスを分配する。以下に説明するように、コールドガスノズル４０２は、ホットノズル４００の下流に配置され、ホットノズル４００によって生成された熱をはんだリフロー後に急速に冷却するために使用される。コールドノズル４０２によって得られる冷却効果は、熱が基板４０４内へ更に拡散するのを阻止する。従って、熱は基板４０４の表面層に閉じ込められる。本発明の好ましい実施の形態では、ホットガスノズル４００は、部品４１２の位置に対応する開口４１０を有するステンシル４０８を通してホットガスを導く。これは、部品が実装されない基板４０４の領域が過熱によって損傷するのを減少させる。コールドガスノズル４０２は、部品が実装されない基板４０４の領域に対応する開口４１４を有する“ネガティブステンシル”４０６を通してコールドガスを導く。
【００２７】
フレキシブル基板全体にホットガスを分配するための本発明によるホットガスノズルの別の実施の形態を図６ａ−６ｂに示す。ノズル５００は、ホットガス分配部分５０２及びホットガス吸引部分５０４を含む。ホットガス分配部分５０２は、複数の出口ダクト５０８の前に位置決めされている複数のバッフル板５０６を含む。バッフル板５０６は、出口ダクト５０８全体にホットガスを均一に分配し、ノズル５００の吸引部分５０４は、フレキシブル基板５１０の上を流れるホットガスを吸込むために真空と通じている。複数の吸引入口が出口ダクト５０８に対応しており、フレキシブル基板５１０上の電子部品５１４の上を流れる熱い空気流（矢印Ａで示す）を作る。このようにして、本発明は、基板５１０がノズル５００の下を通過する際に、基板５１０の上にホットガスの狭いストリップを発生させる。
【００２８】
図７ａ−７ｃに示すノズル５００の代替実施の形態では、ノズルのホットガス部分５０２は基板の全幅に広がっており、単一のホットガス出口５２０を含んでいる。複数の拡散板５２２が出口５２０付近に位置決めされ、基板５１０を横切って均一なホットガス分布を生じさせる。ホットガス吸引部分５２４がホットガス注入部分５２３の下流に配置され、同様に基板５１０の全幅に広がっている。吸引部分５２４内に真空が作られ、ホットガス注入部分５２０と協力して出口５２０から吸引入口５２６まで基板を横切って均一なガス流を発生させる。図７ｃには、代替吸引入口５２７が示されている。
【００２９】
図８に示す本発明の別の実施の形態では、リフロー炉６０２内に配置されている千鳥配列（スタガード）回転ノズルのアレイ６００を使用して、ホットガスのストリームをフレキシブル基板６０４上へ導くことができる。ノズルの千鳥配列アレイ６００は、基板６０４上のはんだペーストをリフローさせるための補助熱源になる。千鳥配列アレイ６００は、電子部品６０６の下に突入してＪリードとＢＧＡとをはんだ付けするホットガスの渦巻を発生させる。ノズル６０８は、同一方向に回転する、及び逆回転するノズルのどのような組合わせであることもできる。更に、本発明は、振動する、及び／または旋回するノズルアレイをも企図している。
【００３０】
図９ａ−９ｂに示すように、ノズルアレイ７００は複数のノズル７０８を有しており、ホットガスを基板６０２上に分配するために、回転羽根形態を有するノズル７０８が基板上に配置される。ノズル７０８は、複数の矢印で示してあるように接線方向に渦巻く流れを発生させる。図９ｂに示すように、ホットガスはノズル入口８００において受入れられ、複数の側出口８０２及び底出口８０４から出て行く。従って、これらのノズル形態は、渦巻きながら下方に導かれるガス流を発生させる。
【００３１】
図１０ａ−１０ｂに示す本発明の更に別の実施の形態では、吹出し及び吸引の組合わせを使用する環状ノズル９０２の千鳥配列アレイ９００を使用し、はんだペーストをリフローさせるための補助熱源にしている。これらの環状ノズル９０２は部品６０６を異なる方向から加熱することを可能にし、それによって部品の下の領域及び回路の他の陰の領域に熱を対流させることができる。更に、環状ノズル９０２の千鳥配列アレイは、電子部品６０６上へ熱を切線方向へ導く。ノズル９０２が基板６０２上へホットガスのストリームを注入すると、吸引マニホルド９０４は部品を実装しない領域からホットガスを遠去けるように排出する。これにより、ホットガスストリームは、基板に沿う十分に限定されたストリップに制限される。以上のようにこの実施の形態は、基板の加熱を制御し、基板内へのホットガスの拡散を最小にする。環状ノズル９０２は、外側ホットガス吸引部分９０４内にホットガス注入部分９１０を含んでいる。ホットガスはホットガス部分９１０内へ注入され、フレキシブル基板上へ噴出される。ホットガスは、基板の上へ放射状に、且つ下方へ導かれる。ガスが基板上へ噴出されると、吸引部分９０４がホットガスのストリームを引込んで停止させるように働く。このようにして、制御されたホットガスストリームが電子部品上へ導かれる。図１０ｂに示すように、ホットガスは入口９１０内へ注入され、次いで環状出口９１２並びに底出口９１４から噴出される。吸引部分９０４は基板からホットガスを吸込み、それによって部品が実装されないフレキシブル基板の部分上をホットガスが通過するのを、そして基板のそれらの部分を損傷させるのを阻止する。
【００３２】
図１１ａ及び１１ｂは、フレキシブル基板９５４上のはんだをリフローさせるためのガス注入部分９５０及び吸引部分９５２を示している。矢印Ｈで示すように、ホットガスはガス注入部分９５０によって注入され、吸引部分９５２によって電子部品９５６を横切って引かれる。このようにして、電子部品と基板との間に配置されたはんだが融解し、基板に対する損傷が回避される。
【００３３】
以上に、本発明をその特定の実施の形態に関して説明したが、当業者ならば本発明の技術内で多くの変形が考案できることは明白であろう。従って、本発明は広く解釈され、特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
相転移パレット上に取付けられたフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明による装置の概要図である。
【図２】
図２ａ−２ｂは、本発明による相転移パレットの好ましい実施の形態の断面図及び平面図である。
【図３】
図３ａ−３ｄは、露出された両側に電子部品が取付られるフレキシブル基板を有する本発明による相転移パレットの断面図である。
【図４】
図４ａ−４ｃは、本発明による独特なノズル配列である。
【図５】
図５ａ−５ｂは、ステンシルを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図６】
図６ａ−６ｂは、千鳥に配列されたノズル出口及び入口を使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図７】
図７ａ−７ｃは、角度付きノズルを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図８】
ノズルアレイを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図９】
図９ａ−９ｂは、角度付きノズルアレイを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図１０】
図１０ａ−１０ｂは、千鳥に配列された環状ノズルアレイを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図１１】
図１１ａ−１１ｂは、ノズルガス注入部分及びノズル吸引部分を使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。[0001]
(Technical field)
The present invention relates to an apparatus and a method for reflowing solder for electrically connecting an electronic component to a flexible substrate having a low softening temperature.
[0002]
(Background technology)
It is known in the art to mount electronic components on rigid and flexible printed circuit boards. Typically, a solder paste is applied to the contact pad areas on a rigid and flexible substrate. Next, the component is arranged so that the terminals of the component are brought into contact with the solder paste in the pad area. The board is then exposed to a relatively high temperature to activate the hand paste, causing the solder paste to melt and then solidify to bond and electrically connect the components on the board. Flexible substrates are typically made of polyimide which exhibits good stability when exposed to high temperatures. Many film materials, including polyester, require surface mounting of components, mainly because of their poor heat resistance and dimensional stability when exposed to the temperatures required to reflow the solder. Was not satisfactory to use.
[0003]
A technique for attaching components to a flexible substrate having a low softening temperature is disclosed in U.S. Pat. No. 5,898,992 to Annable. The flexible substrate is fixed to the carrier support member. The cover is placed on the substrate. The cover has an opening corresponding to the location of the part, and the carrier forms a carrier assembly. A solder paste is applied to the conductor area of the substrate having the component pads. Next, the component is arranged on the board so that the terminals of the electronic component come into contact with the solder paste. The carrier assembly is then preheated in a reflow oven to a temperature below the melting point of the solder paste. The temperature of the assembly is then rapidly increased using an auxiliary heat source, such as a heated gas jet. The cover shields the substrate from high reflow temperatures and minimizes distortion of the flexible substrate during reflow.
[0004]
While this prior art achieves its intended purpose, significant improvements are desired. For example, it is desirable to eliminate the need for special covers to shield certain areas of the substrate from the heat generated by the gas jet.
[0005]
(Summary of the Invention)
The present invention includes a reflow pallet for soldering electronic components onto a flexible substrate using a dedicated cooling arrangement to cool the substrate during the reflow process. These cooling arrangements use a phase change material located within the internal cavity of the pallet. The phase change material absorbs heat from the substrate during the phase transition, thereby keeping the substrate temperature low during reflow. This prevents softening of the substrate during reflow, thereby preserving its dimensional stability. Another technique for cooling pallets involves operating an array of thermoelectric coolers. These thermoelectric coolers are activated as needed during the reflow process to cool the substrate and preserve its dimensional stability. Yet another method uses passages in the pallet to direct water, air, or other suitable fluid through these passages to absorb heat from the pallet during solder reflow to keep the substrate cool. These techniques allow components to be solder reflowed onto a flexible polyester substrate without using a cover on a pallet to shield the substrate during the reflow process.
[0006]
The pallets and covers can be made of a suitable conductive material having good thermal diffusivity, such as a refractory carbon fiber composite. Other materials for pallets include a thin copper layer lined with a glass-filled epoxy such as FR-4.
[0007]
Preferably, the circuit conductor on the substrate is copper. Selected areas of the conductor, called component pads, have a surface finish, such as tin or immersion silver, to increase the ease of soldering to these pads. The spacing between the conductor regions of the substrate is filled with electrically insulated copper regions having the same thickness as the conductor regions. These copper regions further shield the substrate by selectively absorbing heat during the reflow process.
[0008]
Components can be mounted on both the upper and lower sides of the board. For such a substrate, the reflow process is repeated for the second side. The pallet has a suitable cavity for receiving components on the first side of the substrate.
[0009]
Flexible circuits can consist of more than two layers of circuit conductors (commonly referred to as multilayer circuits). In these circuits, two or more layers of substrate film are used and bonded together with a suitable adhesive to form four or more layers of conductor layers.
[0010]
Any convenient solder paste formulation that can be activated at the appropriate temperature can be used. One suitable solder paste consists of a composition of 63% tin and 37% lead and has a melting temperature of 183 ° C. Other solder paste compositions include lead-free solders, which are alloys of tin, silver, and copper, which exhibit higher melting temperatures of about 220 ° C.
[0011]
An auxiliary heat source can be used to direct one or more jets of hot gas toward the exposed areas of the substrate to activate the solder paste. Suitably, the jet of hot gas is spread across the entire width of the substrate as the substrate on the pallet is transported past the jet of hot gas.
[0012]
(Embodiment)
An apparatus 10 for reflowing solder according to the present invention for electrically interconnecting electronic components to a flexible or semi-flexible substrate is shown in FIG. As will be apparent from the following description, the device 10 provides a means for mounting circuit components on a flexible substrate without degrading the material properties of the flexible substrate. Apparatus 10 includes a reflow oven, conveyor system, auxiliary heat source (gas jet), and pallets. The reflow furnace has a plurality of heaters 50 for preheating the substrate to a desired temperature. Conveyor system 30 is configured in a conventional manner to cooperatively receive and move pallets 51 through a reflow oven.
[0013]
The pallet 51 is preferably a phase change pallet, which reflows the solder paste and interconnects the electronic components and the flexible substrate 20 according to the present invention. The phase change pallet 51 supports the substrate 20 and cooperates with the conveyor system 30 to transport the substrate 20 through the furnace 40. The heater 50 of the furnace 40 preheats the substrate, and the heated gas jet 60 additionally heats. The solder paste 70 is printed on the conductor pads 80 of the board (on which the components 90 are arranged).
[0014]
2a-2b show a phase change pallet 10 according to the invention in a top view and a sectional view. As shown, pallet 10 includes at least one internal cavity 100 having a phase change material 110 therein. Support pins 120 are provided on the pallet 10 to hold the substrate 20 flat, ie, planar, on the pallet surface 125. The pins 120 can be pulled (or loaded) by a spring 130 to apply tension to the substrate 20. In one embodiment of the present invention, the picture frame 140 can be used to secure the substrate 20 to the pallet surface 125. The picture frame 140 is attached to and secures the periphery of the substrate, as shown, and holds the substrate edge against the surface of the pallet.
[0015]
In another embodiment of the present invention, phase change pallet 10 is configured to receive a double-sided substrate (as shown, electronic components occupy space on both sides of the substrate). The pallet 10, shown in cross-section in FIGS. 3a-3d, has at least one outer cavity 150 for receiving electronic components mounted on the first exposed surface of the substrate. The outer cavity 150 can be filled with a suitable foam 160, if necessary, to provide additional support for the substrate 20.
[0016]
In a preferred embodiment of the present invention, substrate 20 is a polyester film having a thickness between 0.003 and 0.010 inches. As is known in the art, copper conductors and solder pads can be formed on both sides of the polyester film. A suitable solder mask is provided over the copper conductor so that only the pad areas where the solder paste is to be printed are exposed. These pads can have a suitable surface finish, such as an organic surface finish, to protect the pad surface from oxide formation. Other surface finishes, such as immersion silver or electroplated tin, can also be used to increase the ability to solder components to pads.
[0017]
A solder paste having a composition containing lead and a solder paste having a lead-free composition can be used. Lead-containing solder pastes have low melting temperatures of about 183 ° C to 200 ° C, while lead-free solder compositions have melting temperatures of about 220 ° C to 245 ° C.
[0018]
In operation, the pallet on which the substrate is mounted is transported through a preheating zone in the furnace and the solder paste is activated and gradually heated to just below its melting temperature. During this process, phase change material 110 begins to absorb heat from the furnace and from substrate 20, thereby reducing the temperature of the substrate. The phase change material has been selected to have a melting point below the melting point of the solder paste. As the phase change material begins to melt, the material begins to absorb an amount of heat or energy equal to its latent heat. Thus, the temperature of the phase change material is kept constant until the material has completely melted. As described above, the present invention significantly enhances the heat absorption characteristics of the pallet 10 or keeps the substrate temperature low during solder paste reflow.
[0019]
In a preferred embodiment of the present invention, the phase change material 110 exhibits a melting temperature lower than the melting temperature of the solder and may be comprised of a conductive material such as gallium, a gallium alloy, or an alloy of tin and lead. Other suitable phase change materials include chlorofluorocarbons and their complexes.
[0020]
An auxiliary heat source such as a heated gas jet 60 is used to obtain a focused and concentrated heat source. This gas jet heats the exposed substrate surface for a short time. The solder paste, contact pads, and the copper area of the substrate preferably absorb heat due to their high thermal diffusivity, while the substrate 20 is low because the phase change material 110 keeps the pellet 10 at a low temperature. Maintained at temperature. In this way, softening and damage of the substrate during the reflow process is prevented.
[0021]
After the exposed area of the substrate has passed beneath the gas jet 60, the temperature of the exposed electronic components and the substrate drops rapidly so that the activated solder cools and solidifies. Thus, a good electrical connection is made between the conductor and the component pad. The pallet is ready for reuse as the phase change material also solidifies during this process.
[0022]
4a and 4c show a unique nozzle 200 according to another embodiment of the present invention designed to distribute hot gas on a flexible substrate on which components are mounted. The present invention provides flow and temperature uniformity across the width of the nozzle. The nozzle 200 extends over the width of the reflow furnace 13. As described below, the nozzle 200 uses a distributed hole / slot region, a screen, and a spaced distribution of the flow feed tube 202. The combination of the honeycomb screen, perforated plate, and screen 204 regulates the flow exiting nozzle 200. The surface of the slidable plate 206 mounted on the nozzle housing 208 adjusts the width of the nozzle outlet 210 to provide greater flexibility in sizing the area of the inlet feed 202 with respect to the area of the nozzle outlet 210. enable.
[0023]
Nozzle 200 includes a nozzle housing 202 for distributing hot gas onto a flexible substrate. Hot gas is transported to the nozzle housing 202 via the hot gas distribution pipe 208 to generate a uniform flow distribution. Perforated plate 210 is positioned in front of outlet 212 of nozzle housing 202. The perforated plate 210 can have a uniform or variable geometry associated with the perforations to ensure a uniform gas distribution over the full width of the nozzle and substrate. Further, the nozzle 200 may include an adjustable side plate that is slidably secured to the nozzle housing 202. The adjustable side plates can be adjusted to reduce the size of the outlet 212.
[0024]
The nozzle 200 includes a nozzle inlet 208 and a nozzle outlet 209. Hot gas is received at nozzle inlet 208 and passed through inlet screen 209. The entrance screen 209 is preferably a perforated plate having a radius indicated by R in order to generate a uniform gas distribution over the width of the nozzle. Nozzle housing 202 further includes a plurality of turning vanes 214 that direct hot gas toward nozzle outlet 212. The perforated plate 210 and the screen 216 are arranged near the nozzle outlet 212. The perforated plate 210 and the screen 216 configured in the shape of a honeycomb provide a uniform flow outside the outlet 212 and across the width of the nozzle 602. A pair of adjustable plates 206 are mounted on the housing 202 and operate to reduce the size of the outlet 212 as in the embodiments described above.
[0025]
Another embodiment of a unique nozzle design 300 according to the present invention is shown in FIG. 4c. The nozzle 300 includes a tapered slot 304 for receiving hot gas at an inlet 304, or a nozzle housing 302 having a variable aperture. The hot gas is distributed throughout the perforated plate 306, the honeycomb filter structure 308, and the screen 310. This configuration provides a uniform gas flow through outlet 312 of housing 302.
[0026]
In another embodiment of the present invention, shown in FIGS. 5a and 5b, a combination of hot and cold gas nozzles 400, 402 is used to distribute hot gas across the flexible substrate 404. As described below, the cold gas nozzle 402 is located downstream of the hot nozzle 400 and is used to rapidly cool the heat generated by the hot nozzle 400 after solder reflow. The cooling effect provided by cold nozzle 402 prevents heat from further diffusing into substrate 404. Accordingly, heat is trapped in the surface layer of the substrate 404. In a preferred embodiment of the present invention, hot gas nozzle 400 directs hot gas through stencil 408 having opening 410 corresponding to the location of component 412. This reduces areas of the substrate 404 where components are not mounted from being damaged by overheating. The cold gas nozzle 402 directs the cold gas through a “negative stencil” 406 having an opening 414 corresponding to the area of the substrate 404 where no components are mounted.
[0027]
Another embodiment of a hot gas nozzle according to the present invention for distributing hot gas across a flexible substrate is shown in FIGS. 6a-6b. Nozzle 500 includes a hot gas distribution section 502 and a hot gas suction section 504. Hot gas distribution portion 502 includes a plurality of baffle plates 506 positioned in front of a plurality of outlet ducts 508. The baffle plate 506 distributes hot gas evenly throughout the outlet duct 508, and the suction portion 504 of the nozzle 500 communicates with a vacuum to suck hot gas flowing over the flexible substrate 510. A plurality of suction inlets correspond to the outlet duct 508 and create a hot air flow (indicated by arrow A) flowing over the electronic components 514 on the flexible substrate 510. In this manner, the present invention creates a narrow strip of hot gas over substrate 510 as substrate 510 passes under nozzle 500.
[0028]
In an alternative embodiment of the nozzle 500 shown in FIGS. 7a-7c, the hot gas portion 502 of the nozzle extends across the entire width of the substrate and includes a single hot gas outlet 520. A plurality of diffusers 522 are positioned near the outlet 520 to create a uniform hot gas distribution across the substrate 510. A hot gas suction section 524 is located downstream of the hot gas injection section 523 and extends over the entire width of the substrate 510 as well. A vacuum is created in the suction section 524 and cooperates with the hot gas injection section 520 to generate a uniform gas flow across the substrate from the outlet 520 to the suction inlet 526. FIG. 7c shows an alternative suction inlet 527.
[0029]
In another embodiment of the present invention, shown in FIG. 8, an array of staggered rotating nozzles 600 located within a reflow furnace 602 is used to direct a stream of hot gas onto a flexible substrate 604. Can be. The staggered array 600 of nozzles provides an auxiliary heat source for reflowing the solder paste on the substrate 604. The staggered array 600 generates a swirl of hot gas that enters below the electronic component 606 and solders the J-lead and the BGA. Nozzle 608 can be any combination of co-rotating and counter-rotating nozzles. Further, the present invention contemplates a vibrating and / or swirling nozzle array.
[0030]
As shown in FIGS. 9 a-9 b, the nozzle array 700 has a plurality of nozzles 708, and a nozzle 708 having a rotating blade configuration is disposed on the substrate to distribute hot gas onto the substrate 602. The nozzle 708 generates a tangential swirling flow as indicated by the arrows. As shown in FIG. 9b, hot gas is received at the nozzle inlet 800 and exits through a plurality of side outlets 802 and a bottom outlet 804. Accordingly, these nozzle configurations generate a gas flow that is swirled and directed downward.
[0031]
In yet another embodiment of the present invention shown in FIGS. 10a-10b, a staggered array 900 of annular nozzles 902 using a combination of blowing and suction is used as an auxiliary heat source for reflowing solder paste. . These annular nozzles 902 allow the component 606 to be heated from different directions, thereby allowing convection of heat to areas under the component and other shadow areas of the circuit. Further, the staggered array of annular nozzles 902 directs heat onto electronic components 606 in a cut line direction. As the nozzle 902 injects a stream of hot gas onto the substrate 602, the suction manifold 904 discharges the hot gas away from areas where no components are mounted. This limits the hot gas stream to a well-defined strip along the substrate. As described above, this embodiment controls the heating of the substrate and minimizes the diffusion of the hot gas into the substrate. Annular nozzle 902 includes a hot gas injection portion 910 within outer hot gas suction portion 904. Hot gas is injected into the hot gas portion 910 and is ejected onto the flexible substrate. The hot gas is directed radially over the substrate and down. As the gas is jetted onto the substrate, the suction portion 904 serves to draw in and stop the stream of hot gas. In this way, a controlled hot gas stream is directed onto the electronic component. As shown in FIG. 10 b, hot gas is injected into inlet 910 and then blown out from annular outlet 912 as well as from bottom outlet 914. The suction portion 904 draws hot gas from the substrate, thereby preventing hot gas from passing over portions of the flexible substrate on which components are not mounted and damaging those portions of the substrate.
[0032]
11a and 11b show a gas injection portion 950 and a suction portion 952 for reflowing the solder on the flexible substrate 954. FIG. As indicated by arrow H, the hot gas is injected by gas injection portion 950 and drawn across electronic component 956 by suction portion 952. In this way, the solder disposed between the electronic component and the substrate melts, and damage to the substrate is avoided.
[0033]
While the invention has been described with reference to specific embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications may be devised within the skill of the invention. Accordingly, the invention should be construed broadly and limited only by the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate mounted on a phase change pallet.
FIG. 2
2a-2b are a sectional view and a plan view of a preferred embodiment of a phase change pallet according to the present invention.
FIG. 3
3a to 3d are cross-sectional views of a phase change pallet according to the present invention having a flexible substrate on which electronic components are mounted on both exposed sides.
FIG. 4
4a-4c are a unique nozzle arrangement according to the present invention.
FIG. 5
5a-5b are schematic diagrams of a system according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate using a stencil.
FIG. 6
6a-6b are schematic illustrations of a system according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate using staggered nozzle outlets and inlets.
FIG. 7
7a-7c are schematic diagrams of a system according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate using an angled nozzle.
FIG. 8
1 is a schematic diagram of a system according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate using a nozzle array.
FIG. 9
9a-9b are schematic diagrams of a system according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate using an angled nozzle array.
FIG. 10
10a-10b are schematic diagrams of a system according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate using a staggered annular nozzle array.
FIG. 11
Figures 11a-11b are schematic diagrams of a system according to the present invention for reflowing solder to electrically connect electronic components to a flexible substrate using a nozzle gas injection portion and a nozzle suction portion.

Claims

A system for reflowing solder to interconnect a plurality of electronic components to a substrate,
A furnace for preheating the substrate and a plurality of electronic components arranged on the substrate,
An auxiliary heat source disposed in the furnace to supply additional thermal energy for reflowing the solder;
An auxiliary heat source extractor for removing heat from the substrate;
A pallet for supporting the substrate,
A phase change material disposed within the cavity for absorbing heat from the pallet;
A system comprising:

The system of claim 1, wherein the auxiliary heat source extractor is a vacuum.

The system of claim 2, wherein the auxiliary heat source extractor has a plurality of staggered vacuum inlets for drawing a stream of gas on the substrate.

The system of claim 1, wherein the auxiliary heat source is a gas nozzle for directing hot gas onto the substrate.

The system of claim 4, wherein the gas nozzle has an adjustable side portion for changing the size of the outlet of the nozzle.

The system of claim 4, wherein the gas nozzle has a screen for evenly distributing the hot gas over the substrate.

The system of claim 4, wherein the gas nozzle has a plurality of staggered outlets for distributing the hot gas onto the substrate.

The system of claim 4, wherein the gas nozzle is configured to rotate.

The system of claim 4, wherein the gas nozzle is configured to vibrate.

The system of claim 4, wherein the gas nozzle is an annular nozzle.

The system of claim 1, further comprising a conveyor for transporting the pallet through the furnace and under the auxiliary heat source.

The system of claim 1, further comprising a stencil positioned between the auxiliary heat source and the electronic component for directing the hot gas onto a portion of the substrate.

The system of claim 1, wherein the auxiliary heat source further comprises an array of hot gas nozzles, the nozzles being independently operable and controllable for reflowing solder.

A method for soldering an electronic component on a substrate,
a. Applying a solder paste to the substrate;
b. Placing electronic components on the substrate to form a substrate assembly;
c. Placing the substrate assembly on a reflow pallet;
d. Preheating the substrate and the electronic component to a first high temperature that is lower than a softening temperature of the deposited solder paste;
e. Exposing the deposited solder paste and rapidly further heating locally using an auxiliary heat source to a temperature sufficient to melt the solder paste;
f. Extracting heat from the substrate using a vacuum to prevent damage to the substrate;
A method comprising:

The method of claim 14, further comprising directing a hot gas onto the substrate using a gas nozzle.

15. The method of claim 14, further comprising transporting the pallet under the auxiliary heat source using a conveyor.

The method of claim 14, further comprising extracting hot gas from the substrate using a vacuum nozzle.