JP2011210953A

JP2011210953A - フラックスピン，フラックス転写装置及びフラックス転写方法

Info

Publication number: JP2011210953A
Application number: JP2010077230A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sasaki; 努佐々木; Tsutomu Honma; 勉本間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP5494119B2

Abstract

【課題】フラックスピン，フラックス転写装置及びフラックス転写方法に関し、フラックスの転写精度を向上させる
【解決手段】物体表面にフラックスを転写する軸状のフラックスピンの先端に凹部１ａを形成し、該凹部１ａと該フラックスピンの周面８ａとを連通する連通路１ｃを設ける。該連通路１ｃとして、該先端を該軸方向に切り込んだ切り込み部１ｂを形成することが好ましい。
【選択図】図４

Description

本件は、フラックスを転写するフラックスピン，フラックス転写装置及びフラックス転写方法に関する。

従来、二つの部材間又は電極間の接続技術において、半田接合がなされる基板パッドや半田バンプにフラックスを転写するフラックス転写装置が利用されている（下記特許文献１）。フラックスとは、金属表面や半田表面の酸化膜を化学的に除去する液状材料である。電子部品が実装される回路基板やＦＰＣ（Flexible Printed Circuits，フレキシブルプリント基板）には、半田付けがなされる金属表面に対して予めフラックスが塗布され、そのフラックス上に半田が接合される。

フラックスの塗布手法としては、半田バンプの下端をフラックス槽に浸漬することによってフラックスを直接的に付着させる手法や、先端にフラックスが塗布された針状の転写ピンを半田接合部に接触させることによってフラックスを転写する手法等が挙げられる。

特開２００４−４７８７４号公報

しかしながら、前者の手法では、フラックスの付着量がフラックス槽に対する半田バンプの浸漬量に依存するため、正確な分量でフラックスを転写することが難しい。また、前者の手法は、半田バンプの形成時におけるフラックスの転写、すなわち、半田ボールと基板との接合時のフラックス転写に適用することができない。一方、後者の手法では、微細な転写ピンを用いることによって位置精度を確保することも考えられるものの、フラックスの転写形状や厚みの制御が困難であるという課題がある。

例えば、転写ピンが転写対象物に接触する際には、図８（ａ）に示すように、転写ピンの先端と転写対象物との間からフラックスが水平方向に押し出されるため、転写量の分布がドーナツ状となる。つまり、転写面積が増大しやすいだけでなく、転写厚に偏りが生じる。また、フラックスの粘度によっては、図８（ｂ）に示すように、転写ピンが転写対象物から離れる際に中央部付近が転写ピンに引き寄せられ、転写量の分布がさらに乱される場合もある。

このように、転写ピンを用いたフラックスの転写では、フラックスの分布形状の適正化や厚みの均一化が困難であり、その後の工程における半田付けの品質に影響を与えるおそれがある。
本件の目的の一つは、このような課題に鑑み創案されたもので、フラックスの転写精度を向上させることである。

なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

このため、開示のフラックスピンは、物体表面にフラックスを転写する軸状のフラックスピンであって、先端で軸方向に凹設された凹部と、該凹部と該フラックスピンの周面とを連通する連通路とを備える。
また、開示のフラックス転写装置は、液状のフラックスを貯留するトレイと、上記のフラックスピンとを備える。また、該トレイに貯留された該フラックスが該フラックスピンの先端に付着する第一位置と、該フラックスピンの先端に付着した該フラックスが該物体の表面に転写される第二位置との間で該フラックスピンを駆動する駆動装置を備える。

また、開示のフラックス転写方法は、上記のトレイ及びフラックスピンを用いて、液状のフラックスを物体の表面に転写するフラックス転写方法である。少なくとも該連通路の該周面における開口部が該フラックスの液面よりも上方に位置するように、該フラックスピンの該先端を該フラックスの液中に浸漬させる第一工程を備える。さらに、該フラックスピンの該先端に付着した該フラックスを該物体の表面に転写する第二工程を備える。

開示の技術によれば、フラックスのフラックスピンからの液離れ性を向上させることができ、フラックスの転写精度を向上させることができる。

実施形態に係るフラックスピンを備えたフラックス転写装置の構成を例示する斜視図である。図１のフラックスピンを固定するヘッド部材の例示であり、（ａ）はその三面図、（ｂ）はその要部拡大側面図である。図１のフラックスピンの内部構造を例示する側断面図である。図１のフラックスピンの先端を拡大して例示する図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ），（ｄ）はその側面図、（ｃ）はその端面図である。図１のフラックス転写装置におけるフラックス転写手順を例示するフローチャートである。図１のフラックスピンによるフラックスの転写状態の例示であり、（ａ）はフラックスピンの先端をパッドに接触させた状態、（ｂ）は（ａ）の状態を経てフラックスピンの先端をパッドから離間させた状態を示す。変形例としてのフラックスピンの構造を示す図であり、（ａ）は凹部及び連通路を有するものを示す縦断面図、（ｂ）は切り込み部の切り込み深さが凹部の凹み深さよりも大きいものを示す縦断面図、（ｃ）はトレイのくぼみ部の深さを変更したものを示す断面図である。従来の転写ピンによるフラックスの転写状態の例示であり、（ａ）は転写ピンを対象物に接触させた状態、（ｂ）は転写ピンを対象物から離間させた状態を示す。

以下、図面を参照して本フラックスピン，フラックス転写装置及びフラックス転写方法に係る実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも例示に過ぎず、以下に示す実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態を、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（実施形態及び各変形例を組み合わせる等）して実施することができる。

［１．フラックス転写装置］
図１は、一実施形態に係るフラックス転写装置１０の一例を示す斜視図である。このフラックス転写装置１０には、トレイ３，作業台５，転写ヘッド２及び駆動装置４が設けられる。
トレイ３は、液状のフラックスを貯留する水平に配置された板状の部材である。トレイ３の上面３ｂには、くぼみ部３ａが凹設される。トレイ３の上面からくぼみ部３ａの底面までの深さはｔであり、水平方向の位置に関わらず一定である。くぼみ部３ａの内部には、転写前のフラックスが膜状に貯留される。

作業台５は、フラックスの転写対象物６が水平に固定される部材である。図１に示す例では、作業台５に固定される転写対象物６のパッド６ａ上にフラックスが転写される。
転写ヘッド２は、トレイ３上のフラックスを転写対象物６のパッド６ａ上に転写するものであり、その先端に複数のフラックスピン１を有する。これらのフラックスピン１の形状は軸状である。転写ヘッド２は、トレイ３の上面３ｂに対して垂直に配向された状態でフラックスピン１を固定する。以下、トレイ３上のフラックスがフラックスピン１の先端に付着するときのフラックスピン１の位置を第一位置と呼ぶ。また、フラックスピン１の先端が作業台５上の転写対象物６に転写されるときのフラックスピン１の位置を第二位置と呼ぶ。

駆動装置４は、転写ヘッド２を駆動してフラックスピン１を第一位置と第二位置との間で往復移動させる装置である。駆動装置４には、図示しないモータ，電源装置，操作装置，制御装置等が併せて設けられる。なお、駆動装置４による転写ヘッド２の駆動方式は任意であり、例えば予め設定された動作手順に従って作動する自動方式としてもよく、あるいは操作者によってマニュアル操作される手動方式としてもよい。また、図示しない有線又は無線装置を用いた遠隔操作方式としてもよい。

［２．フラックスピン］
図２（ａ），（ｂ）に示すように、複数のフラックスピン１は、転写ヘッド２の先端に列をなして配置される。これらのフラックスピン１の転写ヘッド２の下面からの突出寸法Ａは全て同一であり、各フラックスピン１の下端の位置は水平方向に揃う。複数のフラックスピン１の数は、それぞれのフラックスピン１によって異なる位置にフラックスが同時に転写される箇所数に対応する。

転写ヘッド２の上部には、転写ヘッド２を駆動装置４に対して固定するための穿孔２ａが設けられる。転写ヘッド２は、穿孔２ａに挿通される任意の締結具や固定具等を介して駆動装置４に固定される。
図３に示すように、フラックスピン１は外筒７，中芯８及びスプリング９を有する。
外筒７は中空の筒状に形成され、内部に棒状の中芯８を遊挿されてなる。外筒７の筒軸と中芯８の軸心Ｃは一致し、中芯８の少なくとも一端が外筒７の下端から突出するように設けられる。また、外筒７の内部には中芯８を弾性的に支持するスプリング９が内挿され、中芯８を外筒７に対して往復動動自在に支持する。スプリング９の一端は中芯８に固定され、他端は外筒７に固定される。なお、スプリング９の代替手段として板バネやゴム等といった任意の弾性部材を用いてもよい。あるいは、外筒７及びスプリング９を省略してもよい。

図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、中芯８の先端には軸心方向内側へ向かって凹むように形成された凹部１ａと、軸心方向内側へ向かって切り込まれた形状の切り込み部１ｂとが設けられる。
本実施形態では、中芯８をその軸心方向から見て中央に凹部１ａが配置され、凹部１ａの周囲から放射方向外側に向かって切り込み部１ｂが四ヶ所に形成されたものが示されている。例えば、図４（ｃ）に示すように、凹部１ａの形状は正方形の面状であり、軸心Ｃに対して垂直に配向される。また、凹部１ａをなす四辺のそれぞれに隣接して、矩形の平面１ｄが凹部１ａに対して傾斜して設けられる。

各平面１ｄは、図４（ｂ）に示すように、側面視において凹部１ａよりも軸心方向の先端側の周面８ａと凹部１ａとを接続する平面である。つまり、平面１ｄをなす四辺のうち、凹部１ａに接続された辺に対向する辺が、中芯８の最先端部となる。
また、各平面１ｄの四辺のうち、凹部１ａに接続された辺に対して垂直な二辺が稜線をなすように、各平面１ｄ間がＶ字型の溝状に刻設され、切り込み部１ｂが形成される。切り込み部１ｂにおけるＶ字型の溝の底辺をなす線は軸心Ｃに対して垂直であり、凹部１ａと周面８ａとを連通する連通路１ｃとして機能する。以下、連通路１ｃの周面８ａ側の端部を指して開口部１ｅと呼ぶ。

中芯８の先端形状は、凹部１ａの周囲を囲むように配置された四つの矢尻状の突起と、これらの突起の間に配置された連通路１ｃとが設けられたものと捉えることもできる。この場合、矢尻状の突起は、中芯８の周面８ａ，平面１ｄ及び平面１ｄの両脇に位置する切り込み部１ｂによって囲まれる部位となる。
なお、図４（ｄ）に示す中芯８の側面図は、図４（ｂ）に示す中芯８を筒軸Ｃ周りに45°回転させたものである。切り込み部１ｂは側面視において開口部１ｅを頂点とした三角形状に切り込まれた部位であり、連通路１ｃは開口部１ｅから凹部１ａに向かって軸心Ｃに対して垂直に配置された部位である。

ここで、凹部１ａの先端からの凹み深さを寸法ｈ₁とおくと、切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂は凹み深さｈ₁と同一である。好ましくは、切り込み深さｈ₂を凹み深さｈ₁以上（ｈ₁≦ｈ₂）とする。
なお、本実施形態では、切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂が、前述のくぼみ部３ａの深さｔよりも大きな値に設定される。好ましくは、深さｔ及び切り込み深さｈ₂のそれぞれの値が不等式ｈ₂＞ａｔ（ただし、1.3≦ａ≦1.5）を満たすように設定する。

［３．フローチャート］
図５は、フラックス転写装置１０によるフラックス転写方法の一例を説明するフローチャートである。
ステップＡ１では、トレイ３のくぼみ部３ａに液状のフラックスが投入される。またステップＡ２では、スキージ等によってフラックスの表面がトレイ３の上面３ｂに沿って均される。くぼみ部３ａの内部にはフラックスの薄膜（厚さｔ）が形成される。

ステップＡ３（第一工程）では、転写ヘッド２がトレイ３のくぼみ部３ａの上部まで駆動される。フラックスピン１は、くぼみ部３ａに向かって垂直に下ろされて第一位置まで移動し、フラックス液中に浸漬される。くぼみ部３ａの底面にフラックスピン１の先端が当接したとき、凹部１ａ及び開口部１ｅがフラックスの液面よりも上方に位置し、切り込み部１ｂの上部が液面から露出する。

これにより、凹部１ａの上端側への通気が確保された状態で、凹部１ａの下端側にフラックスが充填される。フラックスの充填量は、例えばフラックスピン１のフラックス液中への浸漬深さに応じたものとなる。フラックスピン１のくぼみ部３ａの底面への当接時に生じうる荷重は、フラックスピン１の外筒７に内挿されたスプリング９によって吸収される。

ステップＡ４では、転写ヘッド２がくぼみ部３ａから上方に持ち上げられる。凹部１ａ内のフラックスは、下方に突出した平面１ｄ及び切り込み部１ｂに付着した状態で保持される。また、ステップＡ５では、転写ヘッド２が作業台５に固定された転写対象物６の上部まで駆動される。
ステップＡ６（第二工程）では、転写ヘッド２が転写対象物６のパッド６ａに向かって垂直に下ろされ、フラックスピン１が第二位置まで運搬される。フラックスピン１の先端がパッド６ａに当接すると、図６（ａ）に示すように、フラックスがパッド６ａの表面に転写される。フラックスピン１とパッド６ａとの当接時に生じうる荷重は、フラックスピン１の外筒７に内挿されたスプリング９によって吸収される。

フラックスの転写位置は、フラックスピン１の直下方を中心とした所定範囲となる。また、フラックスピン１とパッド６ａとの接触面積が小さいため、フラックスはパッド６ａの表面に沿って押し出されることがなく、定点（所定範囲内）に転写される。フラックスピン１の先端に付着したフラックスの上部には、切り込み部１ｂを介した通気が確保される。

フラックスピン１とパッド６ａとの接触状態が所定時間保持された後、ステップＡ７へ進み、転写ヘッド２が転写対象物６から上方に持ち上げられる。このとき、切り込み部１ｂの連通路１ｃから凹部１ａへと空気が流入するため、パッド６ａ表面に転写されたフラックスの液離れ性が向上する。これにより、図６（ｂ）に示すように、一定の厚みのフラックスがパッド６ａ上に転写される。フラックスの転写は、転写対象物６上の複数のパッド６ａに対して同時に行われる。

上記の工程を経て、フラックスが転写対象物６のパッド６ａに転写される。なお、次工程ではパッド６ａに転写されたフラックスの上に例えば半田ボールが載置される。パッド６ａ上のフラックスの厚みが均一であるため、半田ボールはフラックス上から転落することがなく、フラックスの粘着性によってパッド６ａ上の所定位置にキャッチされる。その後、任意の加熱手段により半田ボールが溶融され、パッド６ａ上に半球状の半田バンプが成形される。半田バンプの成形位置はフラックスの転写位置に倣ったものとなる。

また、この半田バンプを利用して他の基板等に接合する際には、他の基板側のパッド又は半田バンプ表面にフラックスが転写される。両者の位置を一致させた状態で半田バンプを加熱して再溶融させると、両者が接合される。

［４．効果］
［４−１．フラックス転写時］
図６（ａ）に示すように、フラックスピン１の先端形状は、転写対象物６のパッド６ａに当接したときにフラックスの上部に通気が確保される形状である。つまり、フラックスピン１の先端に付着したフラックスの上部に切り込み部１ｂを介して通気が確保されるため、フラックスをフラックスピン１から液離れしやすくすることができる。これにより、転写されたフラックスの断面形状に起伏が生じにくくなり、フラックスの厚みを均一化することができる。また、液離れにかかる速度が上昇するため、作業工程でのタクトタイムを短縮することができる。

また、フラックスピン１の先端の凹部１ａにより、フラックスがフラックスピン１によってパッド６ａの表面に沿って押し出されることがない。つまり、フラックスの転写形状が水平方向に拡散されにくくなる。したがって、フラックスを定点（所望の範囲内）に高精度で転写することができ、すなわちフラックスの分布形状の適正化を図ることができる。また、フラックスの転写精度が向上することで、後工程における半田バンプの仕上がり（例えば、半田バンプの位置精度やバンプ高さ精度といった寸法精度）が改善され、製品の歩留まりを向上させることができる。

また、図４（ａ）に示すように、フラックスピン１の先端に切り込み部１ｂを形成するという簡素な加工形状で凹部１ａへの通気性を確保することができ、製造コストの高騰を抑制しつつ確実に液離れ性を向上させることができる。また、切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂を凹部１ａの凹み深さｈ₁と同一にすることで、転写時におけるフラックスの上部への通気を確保することができる。

なお、フラックスピン１に内挿されたスプリング９によってフラックスの転写時に作用しうる荷重が吸収されるため、転写時におけるフラックスピン１の先端形状の変形を防止することができる。また、パッド６ａの高さ方向の寸法誤差をフラックスピン１の内部で吸収することができ、フラックスピン１とパッド６ａとの接触状態を安定して保持することができる。したがって、パッド６ａの高さ方向の寸法誤差に関わらず、フラックスの転写精度を向上させることができる。

［４−２．フラックス充填時］
フラックスピン１の切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂がくぼみ部３ａの深さｔよりも大きいため、図３に示すように、フラックスをフラックスピン１の先端に充填する際に、フラックスピン１の先端に付着したフラックスの上部に隙間が形成される。つまり、フラックスピン１に付着するフラックスを凹部１ａの下端側（先端側）に偏在させることができる。これにより、転写時に液離れしやすいようにフラックスを充填することができる。

また、フラックスの充填時においても凹部１ａと周面８ａとが連通するため、凹部１ａの内部にたまった空気によって充填が妨げられるようなことがない。つまり、凹部１ａから外部への通気を確保することにより、フラックスの充填性を高めることができる。
また、フラックスピン１の内部のスプリング９は、フラックスの転写時だけでなく、フラックスの充填時に作用しうる荷重をも吸収する。したがって、充填時におけるフラックスピン１の先端形状の変形を防止することができる。

また、トレイ３及びくぼみ部３ａの高さ方向の寸法誤差をフラックスピン１の内部で吸収することができ、フラックスピン１とくぼみ部３ａの底面との接触状態を安定して保持することができる。これにより、トレイ３及びくぼみ部３ａの寸法誤差に関わらず、フラックスピン１がフラックス液中に浸漬される深さを一定にすることができ、トレイ３からフラックスピン１へのフラックスの充填量の誤差を低減させることができる。

上記の通り、開示のフラックスピン，フラックス転写装置及びフラックス転写方法によれば、フラックスの転写面積を増大させることなく、転写量の分布を均一にすることができ、フラックスの転写精度を向上させることができる。
なお近年では、半田接合部が高集積化，高密度化しており、フラックスの転写面積，転写厚に対して高い精度が要求されているという実情がある。一方、開示のフラックスピン，フラックス転写装置及びフラックス転写方法によれば、このようなニーズにも応えることができる。

［５．変形例］
開示の実施形態の一例に関わらず、本実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成及び各処理は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
上述の実施形態では、パッド６ａ上にフラックスを転写するものを例示したが、フラックスの転写対象となる物体表面はこれに限定されない。ここでいう物体表面とは、半田接合に係る金属表面を意味する。例えば、基板上に半田バンプを形成する際に半田ボールが載置される基板上の金属パッド表面を含み、あるいは基板上に形成された半田バンプの表面を含む。すなわち、フラックスの転写対象物は半田及び金属パッド表面の何れでもよい。

また、フラックスピン１の先端形状は、少なくとも凹部１ａ及び連通路１ｃを有するものであればよい。例えば、図７（ａ）に示すように、中芯８の先端を円錐台状に切除して凹部１ａを形成し、その上底面と周面８ａとを連通する連通路１ｃを設けたものが考えられる。この場合、好ましくは、中芯８の先端から連通路１ｃにおける周面８ａ側の端部の開口部１ｅまでの距離ｈ₃を凹部１ａの凹み深さｈ₁以上（ｈ₁≦ｈ₃）とする。

これにより、フラックスピン１の先端に付着したフラックスの上部への通気を確保することができ、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。また、中芯８の先端の切り込み部１ｂが不要となるため、先端の剛性確保が容易となる。さらに、距離ｈ₃を凹み深さｈ₁以上に設定した場合には、凹部１ａの全体にフラックスを充填することができ、かつ、そのフラックスを確実に液離れさせて転写することができる。

また、上述の実施形態では、切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂が凹部１ａの凹み深さｈ₁と同一寸法であるものを例示したが、切り込み深さｈ₂を凹み深さｈ₁よりも大きく設定してもよい。この場合、図７（ｂ）に示すように、連通路１ｃが凹部１ａよりも中芯８の基端側に向かって延設されるため、より通気性を確保しやすくすることができる。
なお、これらの図７（ａ），（ｂ）に記載されたような構造の場合には、凹部１ａの内部全体にフラックスが充填されたとしても、転写時の通性性を確保することができるというメリットがある。

また、上述の実施形態では、トレイ３のくぼみ部３ａの深さｔが切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂よりも小さく設定されたものを例示したが、くぼみ部３ａの深さｔは任意に設定することが可能である。仮に、くぼみ部３ａが切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂よりも大きい場合であっても、図７（ｃ）に示すように、フラックスピン１の先端のフラックスのへの浸漬深さｄを切り込み部１ｂの切り込み深さｈ₂よりも小さく設定すれば、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。

１フラックスピン
１ａ凹部
１ｂ切り込み部
１ｃ連通路
１ｄ平面
１ｅ開口部
２転写ヘッド
３トレイ
３ａくぼみ部
６転写対象物
６ａパッド
８中芯
８ａ周面
１０フラックス転写装置

Claims

物体表面にフラックスを転写する軸状のフラックスピンであって、
先端で軸方向に凹設された凹部と、
該凹部と該フラックスピンの周面とを連通する連通路とを備えた
ことを特徴とする、フラックスピン。
該先端を該軸方向に切り込まれた形状を有し、該連通路をなす切り込み部を備えた
ことを特徴とする、請求項１記載のフラックスピン。
該切り込み部の該先端からの切り込み深さが、該凹部の該先端からの凹み深さ以上の寸法である
ことを特徴とする、請求項２記載のフラックスピン。
液状のフラックスを貯留するトレイと、
該フラックスの転写対象である物体の表面に該フラックスを転写するフラックスピンと、
該トレイに貯留された該フラックスが該フラックスピンの先端に付着する第一位置と、該フラックスピンの先端に付着した該フラックスが該物体の表面に転写される第二位置との間で該フラックスピンを駆動する駆動装置とを備え、
該フラックスピンが、先端で軸方向に凹設された凹部と、該凹部と該フラックスピンの周面とを連通する連通路とを有する
ことを特徴とする、フラックス転写装置。
該フラックスピンが、該先端を該軸方向に切り込まれた形状を有し、該連通路をなす切り込み部を備えた
ことを特徴とする、請求項４記載のフラックス転写装置。
該切り込み部の該先端からの切り込み深さが、該凹部の該先端からの凹み深さ以上の寸法である
ことを特徴とする、請求項５記載のフラックス転写装置。
先端で軸方向に凹設された凹部と、該凹部と該フラックスピンの周面とを連通する連通路とを有するフラックスピンを用いて、液状のフラックスが貯留されたトレイから該フラックスの転写対象である物体の表面に該フラックスを転写するフラックス転写方法であって、
少なくとも該連通路の該周面における開口部が該フラックスの液面よりも上方に位置するように、該フラックスピンの該先端を該フラックスの液中に浸漬させる第一工程と、
該フラックスピンの該先端に付着した該フラックスを該物体の表面に転写する第二工程とを備えた
ことを特徴とする、フラックス転写方法。