JP2016033991A

JP2016033991A - 加熱装置およびリワーク方法

Info

Publication number: JP2016033991A
Application number: JP2014156951A
Authority: JP
Inventors: 岡田　徹; Toru Okada; 徹岡田; 稔尚佐藤; Toshinao Sato
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-03-10

Abstract

【課題】少ない熱量で電子部品のハンダを溶融させることができる加熱装置およびリワーク方法を提供する。
【解決手段】加熱装置は、非接触加熱装置と、下面にハンダを有する直方体形状の電子部品の上面に対する前記非接触加熱装置による加熱位置を、前記上面外周に沿って移動させ、前記上面の少なくともいずれかの頂点から規定距離内において当該移動の速度を低下させる移動装置と、を備える。
【選択図】図２

Description

本件は、加熱装置およびリワーク方法に関する。

配線基板にハンダ付けにより実装される電子部品には、下面側に複数のボール状の接続端子を備えたＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）方式のパッケージなどが使用されている。このような電子部品に故障が生じた場合、電子部品の保守、リサイクル等の理由により、当該電子部品を取り外す場合がある。

特開２０１１−２１１０７３号公報特開昭６２−２０７５７５号公報

ハンダ付けされた電子部品を取り外す際に、ホットエアによる加熱では、電子部品端部や頂点に達する熱量が不足し、ハンダが溶融しないことがある。ハンダを溶融するために、大きな熱量を電子部品に印加すると、余剰熱量が配線基板に伝播して他の部品が故障することがある。以上のことから、少ない熱量で電子部品のハンダを溶融させることが望まれる。

１つの側面では、本件は、少ない熱量で電子部品のハンダを溶融させることができる加熱装置およびリワーク方法を提供することを目的とする。

１つの態様では、加熱装置は、非接触加熱装置と、下面にハンダを有する直方体形状の電子部品の上面に対する前記非接触加熱装置による加熱位置を、前記上面外周に沿って移動させ、前記上面の少なくともいずれかの頂点から規定距離内において当該移動の速度を低下させる移動装置と、を備える。

１つの態様では、リワーク方法は、下面にハンダを有する直方体形状の電子部品の上面に対する非接触加熱装置による加熱位置を、前記上面外周に沿って移動させ、前記上面の少なくともいずれかの頂点から規定距離内において当該移動の速度を低下させる。

少ない熱量で電子部品のハンダを溶融させることができる。

比較例に係る加熱装置の全体構成を表す模式図である。実施例１に係る加熱装置の全体構成を表す模式図である。（ａ）は光周回装置を用いた光照射を例示する図であり、（ｂ）は光周回装置の上面図である。光源およびロッドレンズが構成する光学系を例示する図である。（ａ）は配線基板およびＢＧＡパッケージの上面図であり、（ｂ）は配線基板およびＢＧＡパッケージの正面図である。（ａ）は光源の出力と各部における温度との関係についての測定結果であり、（ｂ）は光源による光照射の開始からの時間と各部における温度との関係についての測定結果である。（ａ）は周回時間を０．７ｓｅｃとした場合のハンダ融点付近での温度振幅を表す図であり、（ｂ）は周回時間を０．９５ｓｅｃとした場合のハンダ融点付近での温度振幅を表す図であり、（ｃ）は周回時間と温度振幅との関係を表す図である。頂点部において光照射位置の移動を停止させた場合の停止時間と各部における温度との関係を表す図である。

実施例の説明に先立って、比較例について説明する。

図１は、比較例に係る加熱装置２００の全体構成を表す模式図である。加熱装置２００による加熱の対象は、配線基板２０１の上面に実装されたＢＧＡパッケージ２０２などの電子部品である。図１で例示するように、加熱装置２００は、ＢＧＡパッケージ２０２にホットエアを供給する上部ノズル２０３、配線基板２０１の裏面側にホットエアを供給する下部ノズル２０４などを備える。

上部ノズル２０３の外形は、ＢＧＡパッケージ２０２の外周よりも数ｍｍ（例えば２ｍｍ）ほど外側を囲んでいる。下部ノズル２０４の外形は、配線基板２０１を挟んで上部ノズル２０３の外形と同形状を有している。加熱装置２００は、上部ノズル２０３および下部ノズル２０４から配線基板２０１に対してホットエアを供給することによって、ＢＧＡパッケージ２０２のハンダを溶融させる。

しかしながら、上部ノズル２０３自体および下部ノズル２０４自体が周囲部品へ干渉するおそれがある。したがって、例えば、ＢＧＡパッケージ２０２のリペア完了後に周囲部品を再度取り付けるという工程が生じる。また、ホットエアを用いたリペア作業では、ＢＧＡパッケージ２０２の形状に合わせてノズルが製作される。電子部品の多様化に対応するには、数十種類のノズルの製作と準備が行われることになる。すなわち、工数が多くなる。

また、鉛を含むハンダ（錫、鉛などを含む共晶ハンダ）が用いられている場合、融点は比較的低い約１８３℃程度である。この場合、少ない熱量でハンダを溶融させることができるため、配線基板２０１上のＢＧＡパッケージ２０２以外の周囲部品への熱の影響を抑制することができる。しかしながら、鉛フリーのハンダ（錫、銀、銅などを含み、鉛を含まないＳＡＣハンダ）を用いると、融点が例えば２２０℃程度となる。融点が高くなると、ホットエアによる加熱では、熱量が不足することがある。例えば、ＢＧＡパッケージ２０２の端部や頂点に到達する熱量が不足し、鉛フリーのハンダが溶融しないことがある。したがって、鉛フリーのハンダを溶融させるためには、ホットエアによる加熱量が多くなる。

一方で、製品の小型化・薄型化が進んでおり、ＢＧＡパッケージ２０２の周囲の部品設計間隔も狭くなってきている（例えば、５ｍｍから０．２ｍｍ程度になっている）。この場合、ホットエア加熱時の周囲部品温度の上昇が配線基板２０１の品質保証上において問題となる。具体的には、大きな熱量をＢＧＡパッケージ２０２に印加すると、余剰熱量が配線基板２０１に伝播し、周囲部品の温度上昇が発生し、周囲部品にリフローハンダ付け以外の熱履歴が付加される。この場合、周囲部品が故障することがある。したがって、少ない熱量でＢＧＡパッケージ２０２の全端子のハンダを溶融させることが好ましい。

そこで、非接触加熱装置としてハロゲンランプやキセノンランプなどの光源を用い、局所的に光を照射することによって局所的に加熱することが考えられる。例えば、スポット径を絞った光を照射することによって、微小電子部品のリワークへの応用が考えられる。一例として、ＢＧＡパッケージ等のように四角い面全体を同時に加熱するために、容量の大きな加熱体から発せられた光エネルギをＢＧＡパッケージ上面全面へ照射し、他の部分はマスクで遮蔽するなどの方法が考えられる。しかしながら、この場合においても、部品形状に合わせたマスクの製作などが必要となり、工数が多くなる。

また、これらの手段で電子部品に対して均一に加熱を行った場合においても、電子部品内部の熱伝導の相違などに起因して、電子部品のハンダの温度にバラツキが生じる。このバラツキが大きい場合には、一部のハンダが溶融しないおそれがある。

以下の実施例では、少ない熱量で電子部品のハンダを溶融させることができる加熱装置およびリワーク方法について説明する。

図２は、実施例１に係る加熱装置１００の全体構成を表す模式図である。図２で例示するように、加熱装置１００は、基板保持部１０、光源２０、光周回装置３０、制御部４０などを備える。基板保持部１０は、上面に電子部品が実装された配線基板５０を保持する。電子部品は、下面に複数の端子を備えた直方体形状の装置である。当該複数の端子は、ハンダにより配線基板５０の配線に接続されている。本実施例においては、電子部品の一例として、ＢＧＡパッケージ６０を用いる。

光源２０は、非接触加熱装置の一例であり、加熱源として用いることができるものなら特に限定されず、例えばハロゲンランプやキセノンランプである。光源２０は、ボールピボット２１などによって、天井から吊り下げられている。また、後述するロッドレンズ３１と連動する連動部材２２が光源２０の上部に接続されている。それにより、ロッドレンズ３１の移動と連動して、光源２０の先端（鉛直下方の先端）の位置が変更される。

光周回装置３０は、光源２０からの出射光によるＢＧＡパッケージ６０の上面に対する加熱位置（光照射位置）を移動させる移動装置の一例であり、制御部４０の指示に従って、ＢＧＡパッケージ６０への光照射位置を周回させる。図３（ａ）は、光周回装置３０を用いた光照射を例示する図である。図３（ｂ）は、光周回装置３０の上面図である。図３（ａ）で例示するように、光周回装置３０は、光源２０の出射光を集光するレンズの一例として、ロッドレンズ３１を備える。光源２０の出射光は、ロッドレンズ３１によって集光され、ＢＧＡパッケージ６０の上面に照射される。

図３（ｂ）で例示するように、光周回装置３０は、さらに第１ガイド３２、第２ガイド３３、第１モータ３４、第２モータ３５、直動ボールネジ３６、直動リニアガイド３７、直動ボールネジ３８、直動リニアガイド３９などを備える。ロッドレンズ３１は、第１ガイド３２および第２ガイド３３によってガイドされる。ロッドレンズ３１のＸ軸方向の位置は、第１ガイド３２によって決定される。Ｘ軸と直交するＹ軸方向におけるロッドレンズ３１の位置は、第２ガイド３３によって決定される。第１ガイド３２および第２ガイド３３を用いることで、ロッドレンズ３１のＸ軸方向の位置およびＹ軸方向の位置を独立して制御することができる。

第１モータ３４は、制御部４０の指示に従って、直動ボールネジ３６を回転させる。これに連動して、第１ガイド３２がＸ軸方向に移動する。直動リニアガイド３７は、第１ガイド３２のＸ軸方向の位置をガイドする。第２モータ３５は、制御部４０の指示に従って、直動ボールネジ３８を回転させる。これに連動して、第２ガイド３３がＹ軸方向に移動する。直動リニアガイド３９は、第２ガイド３３のＹ軸方向の位置をガイドする。

本実施例に係る光周回装置３０によれば、ロッドレンズ３１をＸＹ方向に移動させることで、光源２０の移動量を抑制することができる。具体的には、光源２０はボールピボット２１で支持されているため、光源２０の先端位置（照射角度）を変更するだけでＢＧＡパッケージ６０への光照射位置を変更することができる。この場合、光源２０に用いるフィラメントの急速な加減速が抑制され、光源２０の故障を抑制することができる。また、光源２０そのものを移動させるよりも、ボールピボット２１で光源２０を保持しておいた状態で、光源２０よりも軽いガイドを移動させることによって、可搬重量が小さい仕様の動力を用いることができる。以上のことから、光源２０の故障を防止でき、かつ、軽微な動力を用いた光の周回動作が可能となる。

図４は、光源２０およびロッドレンズ３１が構成する光学系を例示する図である。図４で例示するように、光源２０によって発せられた光は、楕円型ランプハウスにより、もう一方の焦点へ集光する。本実施例においては、ロッドレンズ３１の上端を焦点から３ｍｍほど下方へ配置して、ロッドレンズ３１へ光を入射させている。この場合のロッドレンズ３１の設計は、レンズ部Ｒ＝３ｍｍ、ロッド径φ＝４ｍｍであり、集光された光は、ロッドレンズ３１の中において、実用に問題ないレベルでほぼ平行になり、ロッド下面からＢＧＡパッケージ６０へ照射される。

続いて、光周回装置３０を用いたリワーク方法について説明する。図５（ａ）は、配線基板５０、および配線基板５０の上面に実装されたＢＧＡパッケージ６０の上面図である。図５（ｂ）は、配線基板５０およびＢＧＡパッケージ６０の正面図である。

図５（ａ）で例示するように、光周回装置３０は、光源２０による加熱位置を、ＢＧＡパッケージ６０の上面の外周に沿って移動させる。図５（ａ）の例では、光周回装置３０は、ＢＧＡパッケージ６０上面の頂点部１、頂点部２、頂点部３、頂点部４、頂点部１の順に加熱位置を移動させ、当該動作を繰り返す。ここで、「外周に沿って移動させる」とは、ＢＧＡパッケージ６０の上面の外周各辺から規定距離内（例えば数ｍｍ内）において当該辺に沿って移動させることを意味している。加熱位置の移動方向は、外周各辺と必ずしも平行になっていなくてもよい。

なお、ＢＧＡパッケージ６０の外周各辺に近い位置は、外部環境の影響を受けやすい。ＢＧＡパッケージ６０の周辺に周辺機器が配置されている場合、当該周辺機器の熱容量などの影響により、ＢＧＡパッケージ６０の外周各辺に近い位置では、熱量が不足する傾向にある。特に、頂点部は、外周の２辺と近くなる。それにより、頂点部は、他の部位と比較して熱量が特に不足する傾向にある。そこで、本実施例においては、光源２０による加熱位置の移動速度を、少なくともいずれかの頂点から規定距離内（例えば数ｍｍ内）において低下させる。例えば、少なくともいずれかの頂点部において、加熱位置の移動を所定期間停止させる。

本実施例によれば、光源２０による加熱位置を、ＢＧＡパッケージ６０の上面の外周に沿って移動させることによって、他の機器への熱影響を抑制しつつ、ＢＧＡパッケージ６０に対して効率よく加熱することができる。それにより、少ない熱量でＢＧＡパッケージ６０の下面のハンダを溶融させることができる。また、光源２０による加熱位置を、ＢＧＡパッケージ６０の上面の外周に沿って周回させることによって、ＢＧＡパッケージ６０全体への加熱を均一化することができる。さらに、光源２０による加熱位置の移動速度を、頂点から規定距離内において低下させることによって、頂点部付近における熱量不足を補償することができる。それにより、ＢＧＡパッケージ６０のハンダ溶融の不足を抑制することができる。

また、光源２０および光周回装置３０を用いることで、ホットエアノズルやキャップの製作が不要となる。さまざまなＢＧＡ形状への対応や、ワークの熱引きに起因した温度不均衡の解決手段は、光照射位置の周回位置や周回速度に置き換わることになる。これにより、試行錯誤を必要とした治具類（ホットエアノズル、伝熱キャップ）の製作が不要となる。

図６（ａ）は、光源２０の出力と頂点部１〜４および中心部５における温度との関係についての測定結果である。中心部５は、図５（ａ）で例示するように、ＢＧＡパッケージ６０の上面の中心部である。図６（ａ）の横軸は、光源２０の出力（ここではハロゲン出力％）を表している。ＢＧＡパッケージ６０の上面において加熱位置（光照射位置）を１周させる時間（以下、周回時間）は１秒程度とした。また、各頂点から規定距離内において加熱位置の移動速度を低下させた。

図６（ａ）で例示するように、光源２０の出力が大きくなるにつれて、各部における温度も高くなった。また、いずれの位置においても、ほぼ均一に温度が高くなった。鉛フリーハンダ（例えば融点２２０℃程度）を用いている場合には、出力５０％においてリワークが可能であることがわかる。

図６（ｂ）は、光源２０による光照射の開始からの時間と頂点部１〜４および中心部５における温度との関係についての測定結果である。図６（ｂ）の例では、ハロゲン出力を５０％に設定してある。図６（ｂ）で例示するように、時間の経過とともに、各部の温度が高くなった。なお、１３０秒あたりで光照射を停止すると、各部の温度が同様に低くなった。

なお、図６（ａ）および図６（ｂ）の例では、頂点部２の温度が他の箇所の温度よりも若干低くなっている。これは、頂点部２の付近に熱容量の大きい周辺機器が配置されるなどの理由で、特に頂点部２における熱量が不足したからであると考えられる。このような場合においては、頂点部２付近において光源２０による加熱位置の移動速度をさらに低下させる（または停止時間を長くする）ことによって、各部の温度分布のバラツキを抑制することができる。

ところで、ＢＧＡパッケージ６０の上面の特定の箇所に着目した場合、加熱位置が離れると当該箇所における温度が一時的に低下し、加熱位置が近づくと当該箇所における温度が上昇する。したがって、加熱位置の周回に伴って、ＢＧＡパッケージ６０の上面の各所において温度振幅が現れる。そこで、周回時間とＢＧＡパッケージ６０上面の特定位置における温度振幅との関係を測定した。

図７（ａ）は、周回時間を０．７ｓｅｃとした場合のハンダ融点付近での温度振幅を表す図である。図７（ｂ）は、周回時間を０．９５ｓｅｃとした場合のハンダ融点付近での温度振幅を表す図である。図７（ａ）および図７（ｂ）のいずれの場合においても、ＢＧＡパッケージ６０の外周の１辺の長さを３０ｍｍとし、外周一周の長さを１２０ｍｍとした。図７（ａ）で例示するように、周回時間を０．７ｓｅｃとした場合、温度振幅は２．４℃となった。図７（ｂ）で例示するように、周回時間を０．９５ｓｅｃとした場合、温度振幅は３．８℃となった。

図７（ｃ）は、周回時間と温度振幅との関係を表す図である。ハンダ付けを安定させるためには、この温度振幅は小さい方が望ましい。リワークにおけるハンダバンプの温度バラツキを±５℃と規定した場合、この振幅の影響が出ないように温度振幅の目標を振幅２℃とした場合、図７（ｃ）で例示するように、目標とする周回時間は０．６ｓｅｃとなった。以上の結果から、ＢＧＡパッケージ６０の上面の外周の長さが１２０ｍｍ以下の場合において、周回時間を０．６ｓｅｃ以下とすることが好ましい。

次に、頂点部２の温度が他の部位と比較して低くなる場合に、頂点部２付近における加熱位置の移動速度を低下させることの効果について測定した。図８は、頂点部２において加熱位置の移動を停止させた場合の停止時間と頂点部１〜４および中心部５における温度との関係を表す図である。図８で例示するように、頂点部２において加熱位置の移動を停止させた場合、ＢＧＡパッケージ６０上面における温度バラツキを抑制することができた。

なお、本実施例に係る加熱装置またはリワーク方法は、故障した電子部品を配線基板から取り外して当該配線基板を再利用する場面、電子部品を配線基板にハンダ付けする場面、障害が発生した配線基板から正常な電子部品を取り外す場面などに応用することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０基板保持部
２０光源
２１ボールピボット
３０光周回装置
３１ロッドレンズ
４０制御部
５０配線基板
６０ＢＧＡパッケージ
１００加熱装置

Claims

非接触加熱装置と、
下面にハンダを有する直方体形状の電子部品の上面に対する前記非接触加熱装置による加熱位置を、前記上面外周に沿って移動させ、前記上面の少なくともいずれかの頂点から規定距離内において当該移動の速度を低下させる移動装置と、を備えることを特徴とする加熱装置。
前記非接触加熱装置は、光源であり、
前記移動装置は、前記光源の出射光を集光するレンズを移動させる装置であることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記電子部品は、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）パッケージであり、前記下面にハンダバンプが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の加熱装置。
前記上面外周は１２０ｍｍ以下の長さを有し、
前記移動装置が前記加熱位置を前記上面外周に沿って０．６秒以内に周回させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱装置。
前記ハンダは、鉛フリーハンダであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の加熱装置。
下面にハンダを有する直方体形状の電子部品の上面に対する非接触加熱装置による加熱位置を、前記上面外周に沿って移動させ、前記上面の少なくともいずれかの頂点から規定距離内において当該移動の速度を低下させることを特徴とするリワーク方法。
前記非接触加熱装置として光源を用い、
前記光源の出射光を集光するレンズを移動させることによって前記加熱位置を移動させることを特徴とする請求項６記載のリワーク方法。
前記電子部品は、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）パッケージであり、前記下面にハンダバンプが設けられていることを特徴とする請求項６または７記載のリワーク方法。
前記上面外周は１２０ｍｍ以下の長さを有し、
前記加熱位置を前記上面外周に沿って０．６秒以内に周回させることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のリワーク方法。
前記ハンダは、鉛フリーハンダであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載のリワーク方法。