JP2009158563A - Mounting device and mounting method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電子部品であるボールグリッドアレイ(BGA;Ball Grid Array)端子を有する半導体パッケージ(以下、BGAパッケージ)をプリント配線板等へはんだ接合をするBGA実装装置及びBGA実装方法に関するものである。 The present invention relates to a BGA mounting apparatus and a BGA mounting method for solder bonding a semiconductor package (hereinafter referred to as a BGA package) having a ball grid array (BGA) terminal, which is an electronic component, to a printed wiring board or the like. .
従来、BGAパッケージのはんだ接合部のクラック対策としては、アンダーフィル剤を浸透塗布させることや、BGAパッケージのはんだボールの形状を予め柱状に加工しておくことで熱膨張差に起因する応力集中を防ごうとする技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as countermeasures against cracks in the solder joints of BGA packages, stress concentration due to thermal expansion differences can be achieved by penetrating and applying an underfill agent or by processing the shape of solder balls of BGA packages into columns. A technique for preventing the above has been disclosed (for example, see Patent Document 1).
アンダーフィル剤を使用した場合にはリペア作業が非常に困難となる。また、アンダーフィル剤、即ちBGAパッケージとプリント配線板との間に浸透させる接着剤の特性によっては期待する効果が得られない場合があるという課題があった。 When an underfill agent is used, repair work becomes very difficult. In addition, there is a problem that an expected effect may not be obtained depending on the properties of the underfill agent, that is, the adhesive that permeates between the BGA package and the printed wiring board.
はんだ接合部の信頼性を高める為には、特許文献1に開示されているようにはんだの形状を柱状とすることが好ましい。しかしながら、一般に流通しているBGAパッケージのはんだの形状はボール状である。実装前にこのBGAパッケージのはんだ形状をボール状から柱状に加工することは難しく、また、コストアップの要因になるという課題があった。
In order to increase the reliability of the solder joint, it is preferable to form the solder in a columnar shape as disclosed in
この発明は係る課題を解決するためのものであり、プリント配線板上に実装されるBGAパッケージのはんだ接合において高い接合信頼性を得ることが可能なBGA実装装置を得ることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a BGA mounting apparatus capable of obtaining high bonding reliability in solder bonding of a BGA package mounted on a printed wiring board.
この発明による実装装置は、ボールはんだ電極を有するBGA電子部品を基板へ実装する実装装置であって、前記BGA電子部品を保持する保持手段と、前記ボールはんだ電極を加熱する加熱手段と、前記保持手段を前記基板の表面の略垂直方向に移動可能とする駆動手段と、前記加熱手段により前記ボールはんだ電極が溶融されている状態において前記BGA電子部品が前記基板の表面より所望の高さ位置にあるように前記駆動手段を制御し、前記高さ位置で前記ボールはんだ電極を固体化させる制御手段とを備えるようにした。 The mounting apparatus according to the present invention is a mounting apparatus for mounting a BGA electronic component having a ball solder electrode on a substrate, a holding means for holding the BGA electronic component, a heating means for heating the ball solder electrode, and the holding The BGA electronic component is positioned at a desired height position from the surface of the substrate in a state in which the ball solder electrode is melted by the heating unit and a driving unit that enables the device to move in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate. Control means for controlling the driving means so as to solidify the ball solder electrode at the height position is provided.
この発明によれば、はんだ接合後のBGAパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能となる。これにより、BGAパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収することができ、はんだ接合部の信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, the solder joint shape of the BGA package after the solder joint can be made columnar. As a result, this columnar solder can absorb the distortion generated by the difference in linear expansion between the BGA package and the printed wiring board, and the reliability of the solder joint can be improved.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1におけるBGA実装に使用する局所リフロー装置100の構成を示す正面概略図である。この局所リフロー装置100は、BGA実装装置の一例である。
この局所リフロー装置100は、BGA端子を備えるBGAパッケージとプリント配線板との線膨張差を起因として発生するクラックにより接合部の信頼性が低下するという課題に対処するためになされたものであり、特に、局所リフロー装置100を用いて溶融中のBGAボールを引き伸ばすことを特徴としている。
以下、図を用いて実施の形態1について説明する。
FIG. 1 is a schematic front view showing a configuration of a
This
The first embodiment will be described below with reference to the drawings.
図1において本発明の局所リフロー装置100は、BGA吸着ノズル4と、BGA吸着ノズル4の先端に取付けられた部品吸着パッド41と、上部温風発生ヒータ5と、下部温風発生ヒータ6と、上部加熱ダクト7と、下部加熱ダクト8と、プリント配線板全体予備加熱装置10と、BGA吸着ノズル4のZ軸方向(上下方向)を制御するZ軸制御部9と、BGA吸着ノズル4をZ軸方向に駆動するZ軸駆動部12と、BGA吸着ノズル4の吸引圧力を検出するバキュームセンサ13と、本装置全体の動作を制御する装置制御部20を備えて構成される。
In FIG. 1, a
BGA吸着ノズル4はその中央部分が中空となった筒形状をしていて、その先端部には金属製もしくは耐熱性のある樹脂製の部品吸着パッド41を備えている。BGA吸着ノズル4は図示しないバキューム装置により吸引され、部品吸着パッド41の吸引力によってBGAパッケージ2の上面を吸着する。
The
BGA吸着ノズル4は、ステッピングモータもしくは手動のダイヤルゲージ等のZ軸駆動部12と連結されており、Z軸方向(BGAパッケージの接合面に対して略垂直となる方向。上下方向ともいう)に移動可能となっている。
Z軸駆動部12はZ軸制御部9から所望の高さ情報や移動スピード等を入力すると、ステッピングモータ等を駆動制御することにより、BGA吸着ノズル4の先端に吸着したBGAパッケージ2をプリント配線板1に対して所望のスピードで移動させ、プリント配線板1に対して所望の高さ位置なるように正確に位置決めをする。なお、後に記載するが、はんだ溶融中のBGAパッケージ2の上面高さは、バキュームセンサ13の出力を用いることによりその位置を検出する。勿論、BGAパッケージ2の上面高さを随時検知する位置検出センサを設けるようにしても良い。
なお、図では、BGAパッケージ2を保持するために、部品吸着ノズル4を用いる例を示しているが、BGAパッケージ2の保持機構についてはこれに限られるものではなく、例えばBGAパッケージ2の外周三箇所以上をフィンガー(三つ爪チャック)で挟んでチャッキング保持するようにしても良い。また、BGA吸着ノズル4は保持手段の一例である。
The
When the Z-
In the figure, an example in which the
上部加熱ダクト7は下面の無い箱型形状をしており、Z軸駆動部と連結して部品吸着ノズル4と共にZ軸方向に移動する。上部加熱ダクト7は、部品吸着ノズル4がプリント配線板1上に配置したBGAパッケージ2を吸着しているときには、BGAパッケージ2全体を覆い、上方に設けられた上部温風発生ヒータ5により加熱された熱風を閉じ込めるようにして上部加熱ダクト7内の温度を均一の温度にする。上部加熱ダクト7は、例えばステンレス等の金属により加工されている。
The upper heating duct 7 has a box shape without a lower surface, and moves in the Z-axis direction together with the
上部温風発生ヒータ5は上部加熱ダクト7と連結されており、図1の上方に設置され図示しないファンから送風された空気を加熱して熱風51として上部加熱ダクト7内に送り込む。
The upper hot air generating heater 5 is connected to the upper heating duct 7, and heats air blown from a fan (not shown) installed in the upper part of FIG. 1 and sends it as
下部加熱ダクト8は上面が無い箱型形状をしており、プリント配線板1の下方に設置されている。その更に下方に設けられた下部温風発生ヒータ6により加熱された熱風をこの下部加熱ダクト8内に閉じ込めるようにして、プリント配線板1を下方から加熱する。
The
下部温風発生ヒータ6は、下部加熱ダクト8と連結されており、図1下方に設置され図示しないファンから送風された空気を加熱して熱風62として下部加熱ダクト8内に送り込む。なお、上部温風発生ヒータ5、下部温風発生ヒータ6は加熱手段の一例である。
The lower warm air generating heater 6 is connected to the
プリント配線板全体予備加熱装置10は例えば電熱線ヒータのようなもので、外周をチャッキング保持されたプリント配線基板1の下方に設けられて、BGAパッケージを実装する箇所以外のプリント配線基板1全体を加熱する。
The entire printed wiring
Z軸制御部9は装置制御部20と接続しており、装置制御部20からの指示によりBGA吸着ノズル4のZ軸方向の動作を制御する。
装置制御部20はBGA吸着ノズル4の吸着動作やZ軸動作、ヒータ制御、ファン制御、バキュームセンサの検知処理など本装置全体の制御を行う。
The Z-axis control unit 9 is connected to the
The
BGAパッケージ2はパッケージ内部に電子回路が実装され、パッケージ下面(裏面)に複数個配列されたボール状のはんだ電極であるBGAはんだボール3が接合されている。プリント配線板1は、BGAパッケージ2以外にも他の電子部品が搭載されはんだ付されているものである。
なお、BGAパッケージ2はBGA電子部品の一例であり、プリント配線板1は基板の一例である。また、図1において、プリント配線板を固定する治具及びプリント配線板上の他の電子部品等は省略し図示していない。
In the
The
次に、図2〜図4を用いて、実施の形態1によるBGA実装方法に使用する局所リフロー装置100の動作について説明する。
図2は実施の形態1におけるBGA実装方法を示すフロー図である。図3はBGA実装方法における装置の動作状況を図示したものである。なお、図3の(a)、(b)、(c)、(d)は図2の各ステップS03、S04、S05〜S06、S07に対応している。図4は、一例としてはんだ材にPb共晶はんだを用いた際の、実装工程の温度プロファイルを示した図である。図4の温度プロファイル中には、図2、図3で示した各ステップS03〜S07との対応を記している。
Next, the operation of the
FIG. 2 is a flowchart showing the BGA mounting method in the first embodiment. FIG. 3 shows the operation status of the apparatus in the BGA mounting method. Note that (a), (b), (c), and (d) in FIG. 3 correspond to steps S03, S04, S05 to S06, and S07 in FIG. FIG. 4 is a diagram showing a temperature profile of the mounting process when Pb eutectic solder is used as a solder material as an example. In the temperature profile of FIG. 4, correspondence with steps S03 to S07 shown in FIGS. 2 and 3 is described.
ここでは、図2で示したBGAパッケージ2をBGAハンダボール3のはんだ接合形状を柱状にしてプリント配線板1に接合する例について説明する。
Here, an example will be described in which the
図2において、まずは、通常のリフロー処理によりBGAパッケージ2を(図示しない)他の実装部品と共にプリント配線板1上に実装する(ステップS01)。リフロー後のBGAハンダボール3の形状は略ボール状である。
In FIG. 2, first, the
次に、BGAパッケージ2のサイズに合うBGA吸着ノズル4、上部加熱ダクト7、下部加熱ダクト8を選択する(ステップS02)。BGA吸着ノズル4は内側が中空の筒状となっており、図示しない吸引装置に接続されて筒状内部の空気が吸引される。部品吸着パッド41は、先に記載した通り金属製もしくは耐熱性のある樹脂製で出来ており、円錐の形状をして内側は中空となっている。部品吸着パッド41はBGA吸着ノズル4の先端にあって、BGA吸着ノズル内のエアが吸引されることでBGAパッケージ2を吸着する。上部加熱ダクト7はBGAパッケージ2が内側に入る程度の大きさであり、小さ過ぎるとBGAパッケージを傷つけるおそれがあり、またサイズが大き過ぎると他の実装部品まで含まれてしまう。
Next, the
続いて、装置制御部20は、上部温風発生ヒータ5と下部温風発生ヒータ6とプリント配線板全体予備加熱装置10を可動させ、熱風加熱によりBGAはんだボール3を溶融させる(ステップS03。図3(a)、図4中のS03に対応)。BGAはんだボール3の溶融の検知は、上部加熱ダクト7内に温度検知手段を設けてその温度で検知するようにしてもよいし、加熱後の経過時間により検知するようにしてもよい。
Subsequently, the
次いで、装置制御部20はZ軸制御部9に指示を送り、BGAパッケージ2の上方にあったBGA吸着ノズル4およびその先端に取り付けられた部品吸着パッド41を下降させる(ステップS04。図3(b)、図4中のS04に対応)。BGA吸着ノズル4はバキューム装置により吸引されている。バキュームセンサ13はBGA吸着ノズル4の吸引圧力を検出しており、部品吸着パッド41がBGAパッケージに接し、BGAパッケージ2を保持することにより吸引圧力が負圧になった時点で、装置制御部20はZ軸制御部9に指示を送りBGA吸着ノズル4の下降を停止する。ここで吸引圧力が負圧となり、BGA吸着ノズル4の下降を停止した高さ位置を保持位置と呼ぶ。なお、BGA吸着ノズル4が保持位置よりさらに下降し続け溶融しているBGAはんだボール3を押し潰すとボール間の短絡が発生するため、吸引圧力が負圧となった瞬間に下降停止できるように下降スピードやZ軸駆動部12の機能を予め調整しておく。
Next, the
次に、装置制御部20はZ軸制御部9に指示を出力し、BGA吸着ノズル4を上方に移動させる。部品吸着パッド41が吸着保持しているBGAパッケージ2を保持位置から所定のスピードで所定の高さまで上方に持ち上げることで、BGAはんだボール3をZ軸方向に所定量引き伸ばす(ステップS05。図3(c)、図4中のS05に対応)。一例として、BGAはんだボール3がφ0.7〜0.8mm程度のPbハンダボールであれば0.2〜0.5mm程度、BGA吸着ノズル4を保持位置から上方に移動させてはんだボール3をZ軸方向に引き伸ばす。装置制御部20は、保持位置から所定量分BGA吸着ノズル4を上方に移動させた位置で、BGA吸着ノズル4を停止させる。このようにすることで、BGAパッケージをプリント配線板の表面より所望の高さ位置にあるようにし、結果としてBGAはんだボール3を柱状にする。
Next, the
続いて、装置制御部20は、上部温風発生ヒータ5と下部温風発生ヒータ6とプリント配線板全体予備加熱装置10とファンの作動を停止させる。BGA吸着ノズル4は、BGAパッケージ2を一定高さまで持ち上げた状態で、はんだが固体化(鉛共晶はんだの場合183℃)するまで保持する(ステップS06。図3(c)、図4中のS06に対応)。
なお、BGAはんだボール3は溶融状態であるため、機械的ガタツキや振動は十分抑えておく必要がある。
Subsequently, the
Since the
はんだが固体化した時点で、BGA吸着ノズル4の真空吸着を停止する(ステップS07。図3(d)、図4中のS07に対応)。
When the solder is solidified, the vacuum suction of the
このように本実施の形態によれば、実装工程においてBGAパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能であり、従来技術のように予めBGAパッケージのはんだの形状を柱状としておく必要がない。実装工程で柱状のはんだを形成することにより、BGAパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収して、信頼性の高いBGAパッケージの実装を行うことができる。 As described above, according to the present embodiment, the solder joint shape of the BGA package can be made columnar in the mounting process, and it is not necessary to make the solder shape of the BGA package columnar in advance as in the prior art. By forming the columnar solder in the mounting process, the columnar solder absorbs the distortion generated by the difference in linear expansion between the BGA package and the printed wiring board, and the highly reliable BGA package can be mounted. .
実施の形態2.
実施の形態1では、BGAはんだボール3が溶融した状態でZ軸制御部9によってBGAパッケージ2を持ち上げることで柱状のはんだを形成していたが、実施の形態2では、プリント配線板1を下降させることにより柱状のはんだを形成する。
In the first embodiment, columnar solder is formed by lifting the
BGA実装装置100の構成は図1と同様であり同一の番号を付してその説明を省略するが、実施の形態2においてはプリント配線板1をチャッキング保持している治具(ステージ)のZ方向制御を行うZ軸治具制御部(図示せず)を更に備え、装置制御部20はこのZ軸治具制御部を制御可能としている。
The configuration of the
図5は実施の形態2におけるBGA実装方法を示すフロー図である。図2で示した実施の形態1のBGA実装方法のフローと同様のフローであるが、実施の形態2においては図5中のステップS15が実施の形態1(図2)と異なっている。
実施の形態2では、ステップS14において、BGA吸着ノズル4はバキューム状態で徐々に下降しバキュームセンサが負圧になった時点で下降を止めBGAパッケージ2を保持する。
次のステップS15において、実施の形態2では、装置制御部20はZ軸治具制御部(図示せず)を制御して所定量だけプリント配線板1をチャッキング保持している治具(ステージ)を下降させる。例えば、BGAはんだボール3がφ0.7〜0.8mm程度のPbハンダボールであれば0.2〜0.5mm程度、プリント配線板1をチャッキング保持している治具(ステージ)を下降させはんだボールをZ軸方向に引き伸ばす。装置制御部20は、保持位置から所定量だけ治具(ステージ)を下降させた位置で停止させる。このようにすることで、BGAパッケージをプリント配線板の表面より所望の高さ位置にあるようにし、結果としてBGAはんだボール3を柱状にする。
FIG. 5 is a flowchart showing the BGA mounting method in the second embodiment. Although the flow is the same as the flow of the BGA mounting method of the first embodiment shown in FIG. 2, in the second embodiment, step S15 in FIG. 5 is different from that of the first embodiment (FIG. 2).
In the second embodiment, in step S14, the
In the next step S15, in the second embodiment, the
続いて、装置制御部20は、上部温風発生ヒータ5と下部温風発生ヒータ6とプリント配線板全体予備加熱装置10とファンの作動を停止させる。プリント配線板1をチャッキング保持している治具(ステージ)は、プリント配線板1を一定高さまで下降させた位置で、はんだが固体化(鉛共晶はんだの場合183℃)するまで保持する。
Subsequently, the
このように本実施の形態によれば、プリント配線板1をチャッキング保持している治具(ステージ)を下降させることによっても、BGAパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能であり、従来技術のように予めBGAパッケージのはんだの形状を柱状としておく必要がない。実装工程で柱状のはんだを形成することにより、BGAパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収して、信頼性の高いBGAパッケージの実装を行うことができる。
As described above, according to the present embodiment, the solder joint shape of the BGA package can be made columnar by lowering the jig (stage) holding the printed
実施の形態3.
実施の形態1、2ではBGAはんだボール3が溶融している状態でBGA吸着ノズル4を下降させ、部品吸着パッド41がBGAパッケージ2を吸着するようにしたが、吸着の瞬間にBGAパッケージ2がプリント配線板1に対して相対的に位置ずれを起こす場合もあり得る。
この吸着時の位置ずれが無視できない場合においては、BGAはんだボール3が固体化している状態で、BGA吸着ノズル4を下降させBGAパッケージ2を保持するようにしてもよい。
その後、実施の形態1のように、Z軸制御部9によってBGA吸着ノズル4がBGAパッケージ2を持ち上げBGAはんだボール3を引き伸ばすようにしてもよいし、あるいは、実施の形態2のように、プリント配線板1を保持している冶具(ステージ)を下降させBGAはんだボール3を引き伸ばすようにしてもよい。
In the first and second embodiments, the
In the case where the positional deviation at the time of suction cannot be ignored, the
Thereafter, as in the first embodiment, the
本実施の形態によれば、BGAパッケージを吸着する際の位置ずれを防止してBGAパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能であり、従来技術のように予めBGAパッケージのはんだの形状を柱状としておく必要がない。実装工程で柱状のはんだを形成することにより、BGAパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収して、信頼性の高いBGAパッケージの実装を行うことができる。 According to the present embodiment, it is possible to prevent misalignment when adsorbing the BGA package and form the solder joint shape of the BGA package in a columnar shape. There is no need to keep it columnar. By forming the columnar solder in the mounting process, the columnar solder absorbs the distortion generated by the difference in linear expansion between the BGA package and the printed wiring board, and the highly reliable BGA package can be mounted. .
実施の形態4.
実施の形態1〜3では、部品吸着パッド41は円錐の形状をしたものとして説明したが、この円錐形状に限られるものではない。一例として、BGA吸着ノズルの先端を複数本のノズルに分離し、複数本に分離したノズルの各々がBGAパッケージを面内各部分を吸着するようにしてもよい。
In the first to third embodiments, the
1 プリント配線板、2 BGAパッケージ、3 BGAはんだボール、4 BGA吸着ノズル、5 上部温風発生ヒータ、6 下部温風発生ヒータ、7 上部加熱ダクト、8 下部加熱ダクト、9 Z軸制御部、10 プリント配線板全体予備加熱装置、11 電極パッド、12 Z軸駆動部、13 バキュームセンサ、20 装置制御部、41 部品吸着パッド、51 熱風、61 熱風、100 局所リフロー装置。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記BGA電子部品を保持する保持手段と、
前記ボールはんだ電極を加熱する加熱手段と、
前記保持手段を前記基板の表面の略垂直方向に移動可能とする駆動手段と、
前記加熱手段により前記ボールはんだ電極が溶融されている状態において前記BGA電子部品が前記基板の表面より所望の高さ位置にあるように前記駆動手段を制御し、前記高さ位置で前記ボールはんだ電極を固体化させる制御手段と、
を備えることを特徴とする実装装置。 A mounting apparatus for mounting a BGA electronic component having a ball solder electrode on a substrate,
Holding means for holding the BGA electronic component;
Heating means for heating the ball solder electrode;
Driving means for allowing the holding means to move in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate;
In a state where the ball solder electrode is melted by the heating means, the driving means is controlled so that the BGA electronic component is at a desired height position from the surface of the substrate, and the ball solder electrode at the height position. Control means for solidifying,
A mounting apparatus comprising:
前記加熱手段により、前記基板上に搭載された前記BGA電子部品の前記ボールはんだ電極を加熱する第1の工程と、
前記第1の工程の後に、前記BGA電子部品を保持する保持手段を、前記基板表面の略垂直方向であって前記基板の面から離れる方向に移動させる第2の工程と、
前記第2の工程の後に、前記加熱手段による加熱を停止して前記ボールはんだ電極を固体化する第3の工程と、
を有することを特徴とする実装方法。 A mounting method for mounting a BGA electronic component having a ball solder electrode on a substrate,
A first step of heating the ball solder electrode of the BGA electronic component mounted on the substrate by the heating means;
A second step of moving the holding means for holding the BGA electronic component in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate and away from the surface of the substrate after the first step;
A third step of solidifying the ball solder electrode by stopping heating by the heating means after the second step;
The mounting method characterized by having.
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