JP2012094789A

JP2012094789A - はんだ接続装置及び方法

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Publication number: JP2012094789A
Application number: JP2010242966A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nakatsuka; 哲也中塚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-17
Also published as: WO2012056667A1

Abstract

【課題】
鉛フリーはんだ使用時の、回路基板とはんだバンプ接続部品における、はんだバンプとはんだペースの融合不良を、クランク機構やバイブレーションモータなど、基板を上下方向に正弦波振動させて慣性力を得る方法を使用する場合よりも減少させ、接続の信頼性を向上させる。
【解決手段】
回路基板を上下運動させながら、回路基板をリフロー接続するはんだ接続装置において、回路基板を載置する回路基板ホルダの上下運動を非対称し、上昇運動は素早く、下降運動はゆっくり行うことのできる駆動機構を有するはんだ接続装置を提供する。
【選択図】図７

Description

本発明は、ボールグリッドアレイ等のはんだバンプ付き電子部品と回路基板とを、はんだによって接続する技術に関する。

電子部品と回路基板の接続には、はんだが広く用いられているが、従来このはんだには２２０℃付近ではんだ付けすることが出来るＳｎ−３７Ｐｂ（単位：質量％）が広く用いられてきた。しかし、鉛（Ｐｂ）は環境負荷が大きいので、鉛を用いないはんだの使用が求められている。鉛フリーはんだ合金は毒性が少ないが、一般的にぬれ性が悪い。本発明は、鉛フリーはんだを用いてボールグリッドアレイ(ＢＧＡ(Ball Grid Array))等のはんだバンプ付き電子部品と回路基板とをリード線を用いずに接続する方法に関するものである。

また、鉛フリーはんだは、濡れ性が悪いほかに、溶融時の表面張力が従来のＳｎ−３７Ｐｂはんだに比べて大きい。このため、リフローはんだ付け時に、ボールグリッドアレイのはんだバンプと、回路基板上に供給されたはんだペーストが溶融して液体になっても、その形状が変わりにくいことや、供給されたフラックスが各々の溶融はんだ間に存在することで、各々の溶融したはんだが融合するのには、大きな力が必要となっている。そして、このことが、はんだ接続部の未接続発生の主な原因となっている。

図１はボールグリッドアレイはんだバンプ付き電子部品と回路基板１を接続する様子を示す図である。図１（ａ）において、ボールグリッドアレイ１０には円形などの部品電極１１がマトリクス状に形成されており、さらにその上には、はんだバンプ１２が形成されている。一方、回路基板１には、ボールグリッドアレイ１０の部品電極１１に対応して回路基板電極２がマトリクス状に形成されている。回路基板電極２には印刷等によってはんだペースト２０が形成されている。以後、部品電極１１のことをボールグリッドアレイ電極、回路基板電極２のことを基板ランドということもある。

図１（ｂ）は、ボールグリッドアレイ１０と回路基板１をはんだによって接続した状態を示すものであるが、この接続の際、以下の問題が発生する場合がある。

鉛フリーはんだでは、濡れ性が悪いほかに、溶融時の表面張力が従来のＳｎ−３７Ｐｂはんだに比べて大きい。

このため、リフローはんだ付け時に、ボールグリッドアレイのはんだバンプと、回路基板上に供給されたはんだペーストが溶融して液体になっても、その形状が変わりにくいことや、供給されたフラックスが各々の溶融はんだ間に存在することで、各々の溶融したはんだが融合するのには、大きな力が必要となっており、この力が不足することで、はんだバンプとはんだペースの融合不良が生じる。

この力を補うためのアシスト力としては、回路基板を振動させ、部品に働く慣性力を得ることで、はんだの濡れ性を向上させ不良を低減させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開2003-188515号公報

この場合、回路基板を振動させる手段としては、クランク機構やバイブレーションモータなど、基板を正弦波振動させて慣性力を得る方法が一般的である。

しかし、正弦波振動では、質量ｍの実装部品が受ける垂直抗力ベクトルは慣性力ｍ・ｇ‘と重力ｍ・ｇ(ｇ:重力加速度)の和の逆方向ベクトル（向きが逆で大きさが等しい）となり、また垂直方向の慣性力の大きさがサインカーブ的な時間変化、
（数１）ｍ・ｇ‘ ＝ｍ・ｇ‘_０・ｓｉｎ（２πｆｔ）（ｇ‘_０：一定値）
をするのが一般的である。そのため、部品は、
（数２）ａ＝ｇ‘_０・ｓｉｎ（２πｆｔ）＋ｇ
の加速度で運動していることとなり、加速度が最大のときは、
（数３）ｇ‘_０＋ｇ
となり、部品が受ける垂直抗力が最大となる。
一方、最小のときは、
（数４） −ｇ‘_０＋ｇ
となり、部品が受ける垂直抗力も最小となるがこれが負の値になると部品は基板から離れてしまうためこれを避ける必要がある。
よって、未接続を防止する（部品が受ける垂直抗力を大きくする）ため、ｇ’₀を大きくするには限界があり、ｇ‘_０はｇ(ｇ:重力加速度)以下にしなくてはいけないことから、加速度の最大値は
（数５）２・ｇ
となってしまう。
これは、一般的な機械的振動による慣性力では、部品が回路基板から受ける力は部品の重量の２倍以下となってしまうことを意味する。

本発明の課題は、回路基板を振動させ、部品に働く慣性力を得る方法において、部品の運動の加速度が最大のとき及び最小のときの部品が受ける垂直抗力をできるだけ大きくし、はんだの接続信頼性の向上を可能とすることである。

上記課題を解決するために、本願発明は、回路基板を上下運動させながら、回路基板をリフロー接続するはんだ接続装置において、回路基板を載置する回路基板ホルダの上下運動を非対称し、上昇運動は素早く、下降運動はゆっくり行うことを特徴とする。

本発明によれば、上昇運動でははんだを圧縮する大きな力がかかるとともに、下降運動でははんだをはなす方向の力が小さいため、はんだの濡れ性を向上させはんだ接続の信頼性を向上させることができる。

ボールグリッドアレイと回路基板を接続する様子を示す図である。回路基板を上下運動させるための、上下運動するアクチュエータと運動プログラムがインプットされた制御系の構成を示す模式図である。回路基板を上下運動させるための、モータなどの回転運動をする軸にカムを取り付けた機構による構成を示す模式図である。等速円運動する円盤上の一点と円盤の回転軸と同じ高さにある、ある一点とを結ぶ直線の運動を示す模式図である。図４の機構の直線と垂直な直線との交点の上下運動を取り出す機構を示す模式図である。図５の機構において、円盤の回転軸とある一点が同じ高さにない場合の機構を示す模式図である。図６の機構をリフロー炉に組み込んだときの模式図である。図７のリフロー炉を使用することにより、部品に働く慣性力と重力の合力の影響で部品が受ける加速度の変化を示した一例である。通常のクランク機構をリフロー炉に組み込んだときの模式図である。図９のクランク機構を使用することにより、部品に働く慣性力と重力の合力の影響で部品が受ける加速度の変化を示した例である。図７のリフロー炉を使用することにより、部品に働く慣性力と重力の合力の影響で部品が受ける加速度の変化を示した一例である。

本発明を実現する方法としては、回路基板に上下運動（上下とは鉛直方向を意味する）を与えながら回路基板をリフロー接続する装置において、この回路基板の上昇運動と下降運動がそれぞれ非対称となる機構が備わっている必要がある。そのとき、回路基板が上昇するときに上方向への加速度を大きく、回路基板が下降するときは下方向への加速度を小さくさせるような機構とする。

以下、実施例にて詳述する。

高価な機構や複雑な形状の部品を使用せず、回路基板に上下運動を与えるには、モータに取り付けた円盤などの一点の等速円周運動から上下方向の一軸方向の運動を取り出し、これを回路基板に与える方法としては、従来のクランク機構では上下対称運動となるため、これを改良することにより上下非対称運動を得ることを考える。

図４のような機構を作製し、この機構のモータなどにより軸４０を中心に回転運動する円盤６０の外側に支点６１を設け、支点６１から円盤６０上の一点６２の等速円周運動を眺めることとする。

また、大きな加速度が得られる可能性のある、速度の符号が反転するところを含むように、Ａ点，Ｂ点を境界とし、円盤６０上の一点６２がＡ点からＢ点に動く場合（図４（ａ））と、Ｂ点からＡ点に動く場合（図４（ｂ））とに分割して考える。
こうすると、支点６１から見た円盤の一点６２の運動は、図４（ａ）の運動と図４（ｂ）の運動は、対称的な運動となってしまう。

さらに、図５のように、この機構のモータなどの軸４０と支点６１を結ぶ線を水平とし、垂直（上下）運動できる第一のリニアガイド７１を設け、円盤と支点を結ぶ真っ直ぐな第二のリニアガイド７２とこの第一のリニアガイドの交点７３の運動を取り出せるような機構を作製する。

なお、第一のリニアガイド７１は、アウター部が不動部に固定されている。

また、第二のリニアガイド７２には２個のアウター部が存在し、その内支点から遠い方のアウター部は円盤の一点６２にあるピボットを介して円盤と結合され、支点に近い方のアウター部は第一のリニアガイド７１のインナー部とピボットを介して結合されている。

さらに、第二のリニアガイド７２のインナー部は、ピボットを介して不動部に固定されている。

さらに、回路基板ホルダは、第一のリニアガイド７１のインナー部の頂点に結合されており、回路基板は、リフロー接続時には、回路基板ホルダに取り付けられる。

いま、図４（ａ）の運動と（ｂ）の運動は、対称的な運動となっているので、図５の垂直（上下）運動も対称的となる。従って、上方向、下方向への加速度は共に等しくなってしまう。

そこで、上方向、下方向への加速度が等しくなることを避けるために、この機構のモータなどの軸４０と支点６１を結ぶ線と、第一のリニアガイド７１が直交しないようにすることを考える。

図６は、前述した機構を有する一つの例であり、円盤のついたモータなどの軸４０と支点６１の高さに距離ｈの差を与え、第一のリニアガイド７１は、そのアウター部が機構底面に結合されており、この第一のリニアガイド７１は機構に垂直に取り付けられた状態としている。

こうすれば、この機構は、モーターと円盤以外に、リニアガイドとピボットを組合わせるだけで組み立てることが可能なため、高価なプロセスを使用せず、かつ、精度の高い加工を必要とせずに回路基板に非対称な上下運動を与えながらリフロー接続が可能となるため、これを最良の方法として提案する。

図７は、この機構を回路基板のはんだ付け時に使用するため、この機構をリフロー炉１００に組み込んだときの概略図である。
回路基板ホルダ１１０は、第一のリニアガイド７１のインナー部の頂点に結合されておりリフロー炉チャンバー１０１内に存在し、回路基板１は、回路基板ホルダ１１０に取り付けられている。

この機構を組み込んだリフロー炉１００を使用すれば、回路基板の垂直（ｚ）方向変位は計算によると以下の式のようになる。

ｚ（ｔ）＝｛−ｐ（ｈ／ｒ＋ｓｉｎ（２πｆｔ））｝／｛（ｐ＋ｑ）／ｒ−ｃｏｓ（２πｆｔ）｝
ただし、各記号は以下の数値である。
ｚ：回路基板の垂直方向変位
ｔ：時間
ｐ：支点と、垂直に配置した第一のリニアガイド間の水平距離
ｑ：垂直に配置した第一のリニアガイドと、回転円盤の中心間の水平距離
ｈ：支点と回転円盤の中心間の高さの差（垂直距離）
ｒ：回転円盤の半径
ｆ：回転円盤の回転数
また、これを時間で二階微分したものと、ｇ(ｇ:重力加速度)を加えれば、回路基板に搭載された部品の垂直（ｚ）方向の加速度が算出できるが、この値が２・ｇを超えることが可能となる。

これにより、一般的な機械的振動を使用する場合と比較して、部品が基板から受ける力を大きく（部品の重力の２倍以上と）することができる。

このことにより、クランク機構やバイブレーションモータなど、回路基板を正弦波振動させて慣性力を得る方法を使用するよりも、はんだ未接続発生率の低下により貢献できるはんだ付けが可能となる。
本発明により、鉛フリーはんだを用いてボールグリッドアレイ(ＢＧＡ(Ball Grid Array))等のはんだバンプ付き電子部品と回路基板とをリード線を用いずに接続する場合において、ボールグリッドアレイのはんだバンプと、回路基板上に供給されたはんだペーストが溶融して液体になった際の、各々の溶融したはんだが融合不良が原因となって起きる、はんだ接続部の未接続を、一般的な機械的振動を使用する場合と比較して、部品が基板から受けるアシスト力を大きく（部品に働く重力の２倍以上と）することができ、未接続発生率の低下に貢献できるはんだ付けが可能となる。

本実施例では、図６の機構を組み込んだ図７のリフロー炉を用いて、汎用的な鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：質量％）はんだによるはんだバンプを持つボールグリッドアレイを、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：質量％）はんだペーストにより回路基板に接続した。

なお、接続に使用したボールグリッドアレイは、
パッケージサイズ：４２ｍｍ
バンプサイズ：０．７６ｍｍ
バンプピッチ：１．２７ｍｍ
バンプ数：７８４個（２８×２８）
である。

また、回路基板を上下運動させる機構部における、各寸法や回転数、
ｐ：支点と、垂直に配置した第一のリニアガイド間の水平距離
ｑ：垂直に配置した第一のリニアガイドと、回転円盤の中心間の水平距離
ｈ：支点と回転円盤の中心間の高さの差（垂直距離）
ｒ：回転円盤の半径
ｆ：回転円盤の回転数
は、以下となっている。
ｐ＝２ｍｍ
ｑ＝１２ｍｍ
ｈ＝６３ｍｍ
ｒ＝７ｍｍ
ｆ＝５ｒｐｓ
上記の例では、部品に働く慣性力と重力の合力の影響で部品が基板から垂直上向きに受ける加速度の最大値は、重力加速度の２．８４倍、垂直上向きに受ける加速度の最小値は重力加速度の０．４１倍とできることがわかった。これを図８に示す。図８では、縦軸が１が重力加速度によるものであり、ここからの差分は回路基板の加速度によるものである。本実施例では、上昇するときの加速度は下降するときの加速度よりも大きくなっている。さらに、上昇するときの最大加速度も下降するときの最大加速度よりも大きく、上昇するときの平均加速度も下降するときの平均加速度よりも大きい。これは、上昇する時間が下降する時間より短くなっているためであり、短時間で素早く上昇し、長時間でゆっくりと下降することを表している。

また、比較のために、上下対称運動となる図９のようなクランク機構を使用し、これに回路基板に前述の方式と振動数や振幅が同じになるように、上下運動を与えながらリフロー接続を実施した。

その結果、部品に働く慣性力と重力の合力の影響で部品が基板から垂直上向きに受ける加速度の最大値は、重力加速度の１．６２倍、垂直上向きに受ける加速度の最小値は重力加速度の０．３８倍とできることがわかった。これを図１０に示す。

これらのリフロー炉を使用して、
プリヒート温度：１６０℃
プリヒート時間：９０秒
ピーク温度：２３５℃
２２０℃超過時間：４０秒
の温度プロファイルでリフロー接続を行った。

その結果、図７の本案のリフロー炉では、ＢＧＡ１００個中、接続不良が発生したものは、０個であった。

しかし、図９のクランク機構を使用したリフロー炉では、ＢＧＡ１００個中、接続不良が発生したものは、５個であった。

上記の結果より、本実施例によるリフロー炉により、ＢＧＡの接続不良率は大きく改善されていることが確認できた。

本実施例では、図６の機構を組み込んだ図７のリフロー炉を用いて、汎用的な鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：質量％）はんだによるはんだバンプを持つチップサイズパッケージ(ＣＳＰ(ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ))を、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（単位：質量％）はんだペーストにより回路基板に接続した。

なお、接続に使用したチップサイズパッケージは、
パッケージサイズ：１９ｍｍ
バンプサイズ：０．５ｍｍ
バンプピッチ：０．８ｍｍ
バンプ数：４８４個
であり、この部品は、ＢＧＡと比較すると部品の質量が小さいため、１Ｇの重力下では部品の重力が部品を回路基板に押し付ける力が小さくなっている。

また、回路基板を上下運動させる機構部における、各寸法や回転数、
ｐ：支点と、垂直に配置した第一のリニアガイド間の水平距離
ｑ：垂直に配置した第一のリニアガイドと、回転円盤の中心間の水平距離
ｈ：支点と回転円盤の中心間の高さの差（垂直距離）
ｒ：回転円盤の半径
ｆ：回転円盤の回転数
は、以下となっている。
ｐ＝２ｍｍ
ｑ＝１２ｍｍ
ｈ＝６３ｍｍ
ｒ＝４．５ｍｍ
ｆ＝１０ｒｐｓ
上記の例では、部品に働く慣性力と重力の合力の影響で部品が基板から垂直上向きに受ける加速度の最大値は、重力加速度の３．６０倍、垂直上向きに受ける加速度の最小値は重力加速度の０．０３倍とできることがわかった。これを図１１に示す。

また、比較のために、上下対称運動となる図９のようなクランク機構を使用し、これに回路基板に前述の方式と振動数や振幅が同じになるように、上下運動を与えながらリフロー接続を検討した。

その結果、部品に働く慣性力と重力の合力の影響で部品が基板から垂直上向きに受ける加速度の最大値は、重力加速度の２．３４倍となるが、部品が基板から垂直上向きに受ける加速度は０より小さくなり、部品に力が全く働かなくなることにより浮遊してしまうことがわかったため、クランク機構の実験は断念した。

そこで、図７のリフロー炉における上下動機構のスイッチを入れた場合と、入れなかった場合の比較をすることにした。

なお、ＣＳＰは、
プリヒート温度：１６０℃
プリヒート時間：７０秒
ピーク温度：２３５℃
２２０℃超過時間：３５秒
の温度プロファイルでリフロー接続を行った。

その結果、図７のリフロー炉における上下動機構のスイッチを入れた場合では、ＣＳＰ１００個中、接続不良が発生したものは、０個であった。

しかし、リフロー炉における上下動機構のスイッチを入れなかった場合では、ＣＳＰ１００個中、接続不良が発生したものは、４個であった。

上記の結果より、ＢＧＡと比較すると部品の質量が小さいため、１Ｇの重力下では部品の重力が部品を回路基板に押し付ける力が小さいＣＳＰに対しても、本実施例によるリフロー炉により、接続不良率は大きく改善されていることが確認できた。

本発明の他の実施例を説明する。本実施例では、図２のように、上下運動する一本のアクチュエータ３０と前述の運動プログラムがインプットされた制御系３１とで実現することができる。アクチュエータ３０を回路基板ホルダ１１０（図６）に接続し、アクチュエータ３０の動きが反映されるようにすればよい。制御系３１は、アクチュエータ３０を用いて、実施例１，２と同様の上下運動を行うこともできるし、本発明と効果を有する、大きな上昇加速度と小さな下降加速度の上下非対称の運動を行うこともできる。

なお、運動プログラムは上昇運動時と下降運動時の各々の加速度を先に決めておき、時間で２回の積分をすることにより、決定した回路基板の各時間ごとの位置とすれば良い。

さらに、他の実施例を説明する。図３のように、モータなどの回転運動をする軸４０にカム５０を取り付け、カムから上下運動を作り出す機構でも、実現することができる。

この機構には、回路基板に目的の上下運動をさせるために、上記と同様に、上昇運動時と下降運動時の各々の加速度を先に決めておき、時間で２回の積分をすることにより、決定した回路基板の各時間ごとの位置からカム曲線を求めてカムを作製すれば良いことになる。本実施例のカムによっても、大きな上昇加速度と小さな下降加速度の上下非対称の運動を行うことができる。

１・・・回路基板
２・・・回路基板ランド（回路基板電極）
１０・・・ボールグリッドアレイ
１１・・・部品電極
１２・・・はんだバンプ
２０・・・はんだペースト
３０・・・上下運動アクチュエータ
３１・・・制御系
４０・・・モータなどの軸
５０・・・カム
６０・・・回転運動する円盤
６１・・・支点
６２・・・円盤上の一点
７１・・・垂直（上下）運動できる第一のリニアガイド
７２・・・第二のリニアガイド
１００・・・リフロー炉
１０１・・・リフロー炉チャンバー
１１０・・・回路基板ホルダ

Claims

回路基板を保持する回路基板ホルダと、
前記回路基板を加熱する加熱手段と、
前記回路基板ホルダに上下運動を与える駆動手段とを備え、
回路基板に上下運動を与えながら回路基板をリフロー接続するはんだ接続装置において、
前記駆動手段は、前記回路基板ホルダを、上昇するときの加速度が下降するときの加速度よりも大きくなるように上下運動させることを特徴とするはんだ接続装置。
請求項１において、
前記駆動手段は、前記回路基板ホルダを、上昇するときの最大加速度が下降するときの最大加速度よりも大きくなるように上下運動させることを特徴とするはんだ接続装置。
請求項１または請求項２において、
前記駆動手段は、前記回路基板ホルダを、上昇するときの平均加速度が下降するときの平均加速度よりも大きくなるように上下運動させることを特徴とするはんだ接続装置。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記駆動手段は、前記回路基板ホルダを、上昇する時間が下降する時間よりも短くなるように上下運動させることを特徴とするはんだ接続装置。
請求項２において、
前記上昇するときの最大加速度の絶対値は、重力による加速度の絶対値よりも大きく、
前記下降するときの最大加速度の絶対値は、重力による加速度の絶対値よりも小さいことを特徴とするはんだ接続装置。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記駆動手段は、
回転軸を中心に回転する円盤と、
前記回転軸よりも下方にある第１の支点と、
前記支点と前記円盤上の第２の支点を通すように設けられた第１のロッドと、
前記支点と前記円盤上の一点との間で前記第１のロッドに、略鉛直方向に可動に接続され、前記回路基板ホルダに前記上下方向の運動を伝達する第２のロッドとを備えたことを特徴とするはんだ接続装置。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記駆動手段は、上下運動をする一本のアクチュエータと、当該アクチュエータを制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記駆動手段は、カムと、当該カムにより上下運動するロッドとを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
回路基板を上下運動させながら加熱してリフロー接続を行うはんだ接続方法において、
前記回路基板の上下運動は、上昇するときの加速度が下降するときの加速度よりも大きいことを特徴とするはんだ接続方法。