JP2022016877A - 基板冷却機構 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の生産ラインに組込む事が可能であり、非接触で、結露を発生させず、基板の急速冷却を可能とする基板冷却機構を提供する。【解決手段】冷却対象の基板１０を配置する冷却室１４と、冷却エアーを作り出すエゼクタ１と、冷却エアーを基板に噴射する噴射部８と、エアーを吸入する吸入部１１と、エアー中の塵埃を除去するフィルタ１２と、フィルタの後段に接続され、エアーを冷却する除湿冷却装置１３と、を備えており、エゼクタは、駆動エアーを導入する駆動エアー導入口４と、除湿冷却装置から送られてくるエアーを吸入する吸入口５と、吸入口から吸入されたエアーと駆動エアー導入口から導入された駆動エアーからなるエアーの吐出口６と、を備えており、エゼクタの吐出口と噴射部、吸入部とフィルタ、フィルタと除湿冷却装置、除湿冷却装置とエゼクタの吸入口、はそれぞれ、配管７によって接続されている事を特徴とする基板冷却機構２０。【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＣ－ＢＧＡ（フリップチップ・ボールグリッドアレイ）基板に代表されるプリント配線板の製造工程などにおける基板加熱処理装置の中に備えられる基板冷却機構に関する。

プリント配線板の基板加熱処理工程において、基板の加熱処理後の冷却処理が十分に行われない事に起因する不具合が発生している。例えば、ドライフィルムをラミネート加工においてはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなるカバーフィルムへの粘着力が、加熱時間の経過に伴って強くなり過ぎる事によるカバーフィルムの剥離不良、また、加熱による硬化が進みすぎて樹脂が必要以上に収縮することによる基板の変形、また樹脂の収縮の方向や大きさがランダムになるため、予め設けた露光装置用アライメントマークの位置関係がバラバラになることで露光装置でのアライメント作業に時間を要し、時にはアライメント不能となることもある。

これらの問題点を解決する為には、基板加熱処理後の速やか基板冷却が必要となるが、現行の生産ラインの中に、新たに基板冷却ユニットを増設する事は、スペース的な制約ばかりでなく、決められたタクトタイムの中で冷却処理を実現しなければならないなどの制約が多く、非常に困難である。更に、基板を急速に冷却して必要以上に温度を低下させると結露が発生する為、結露を発生させない冷却処理が求められる。

従来から使用されて来た基板冷却方法には、下記の様なものがある。
・ エアノズルを用いた急速冷却
・ クーリングプレートを用いた急速冷却

エアノズルを用いた急速冷却は、圧縮エアーなどを大量に基板に吹きかけて急速冷却を行う。常温や低温のエアーを使用する方法である。エアノズル方式では、常温エアーの場合は十分なエアー圧力と流量の確保、低温エアーの場合は結露の問題がある。

クーリングプレートを用いた急速冷却は、主に冷媒を用いたチラーを用いて温調したステージに基板を接触させて冷却を行う方法である。クーリングプレート方式では、基板に反りや撓みがあるとステージから部分的に基板が浮くので、基板の冷却が不均一になることが問題である。また、接触による基板への傷や汚れの問題もある。

加熱された基板の冷却に関する先行技術としては、例えば、特許文献１に、はんだリフロー装置の最終段に設けられた基板冷却機構が備えられたはんだリフロー装置が開示されている。このはんだリフロー装置は、前段の加熱室と後段の冷却部からなり、加熱室には低温窒素エアーを噴射する事で温度制御を行い、冷却室には大量の低温窒素エアーを噴射する事で急速冷却を行う。加熱室と冷却室に噴射された窒素エアーは、回収され循環使用される。循環使用する際、加熱室で加熱された窒素エアーは熱交換器を通る事で冷却されて再使用されるが、再び加熱室や冷却室に噴射される前に、窒素エアー供給装置から供給された低温窒素エアーを追加している。その事により、従来は窒素エアーの循環使用だけであった為に十分な冷却ができず、また外部から空気の混入を防ぐ事ができなかった。しかしこの技術では、回収した窒素エアーに、低温窒素エアーを混合して供給することで、装置内部を窒素エアーで常時陽圧に保つことができるので、基板の電極酸化を防ぐ事ができ、且つ基板の冷却も効果的に行える。

しかしながら、この技術は大量の温調された低温窒素エアーを必要とする為、装置が大型化するデメリットがある。また、回収された窒素エアーについて、結露しないようにする対策については何ら記載されていない。

特開平６－２１６４０号公報

上記の事情に鑑み、本発明は、既存の生産ラインに組込む事が可能であり、非接触で、結露を発生させる事無く、基板を速やかに冷却する基板冷却機構を提供する事を課題とする。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、基板を冷却する基板冷却機構であって、
冷却対象の基板を配置する冷却室と、
基板を冷却する冷却エアーを作り出すエゼクタと、
エゼクタが作り出した冷却エアーを基板に噴射する噴射部と、
冷却室内のエアーを吸入する吸入部と、
吸入部から吸入されたエアー中の塵埃を除去するフィルタと、
フィルタの後段に接続され、エアーを除湿し、冷却する除湿冷却装置と、
除湿冷却装置で除湿・冷却されたエアーをエゼクタに戻す配管と、
エゼクタと噴射部、吸入部とフィルタ、フィルタと除湿冷却装置は、それぞれ、配管によって接続されている事を特徴とする基板冷却機構である。

また、請求項２に記載の発明は、前記除湿冷却装置が、吸湿機能を備えた熱交換器である事を特徴とする請求項１に記載の基板冷却機構である。

本発明の基板冷却機構によれば、既存の生産ラインに相当する部分は、冷却室のみであり、冷却室の内部には、冷却エアーを基板に噴射する噴射部と、冷却室内に噴射した冷却エアーを冷却室の外部に排出する吸入部だけを設置するだけで良い。その他の構成要素であるエゼクタとフィルタと除湿冷却装置およびそれらを接続する配管は、全て冷却室の外部に設置する事ができる。その為、本発明の基板冷却機構は、既存の生産ラインに容易に組込む事が可能である。また、本発明の基板冷却機構は、冷却エアーをノズルなどからなる噴射部から冷却対象の基板に噴射して冷却する非接触方式の冷却方式である。その為、基板が汚れる、あるいは損傷する虞が無い。また、基板を冷却する冷却エアーは、除湿冷却装置によって常に除湿され冷却されている為、低温且つ乾燥状態が保持されている為、結露する虞が無い。更に、基板に噴射される冷却エアーは、循環使用されているエアーに加えて、エゼクタを駆動するため大量に使用するエアーと混合し、冷却エアーとしている。この常に十分な量の冷却エアーが処理室内に配置した基板に向けて噴射する事で、急速な基板冷却ができる。

本発明の基板冷却機構の構成例を説明する説明図。

本発明の基板冷却機構について図１を用いて説明する。

本発明の基板冷却機構２０は、既存の生産ラインに組込む事によって、基板１０を冷却する基板冷却機構である。各種の生産ラインを構成する一連の基板処理ユニットなどの中において、基板１０を冷却する事が可能である。

ＦＣ－ＢＧＡ基板（フリップチップ・ボールグリッドアレイ基板）に代表されるプリント配線板は、通常、薄いコア基板の表裏面に数層のビルドアップ層が形成された多層配線基板である。ビルドアップ層の形成の度に加熱処理が行われるので、加熱履歴が多くなる。その結果、基板には反りが発生し、加熱履歴が多くなるほど、その反り量も大きくなる。
上記のようにして得られた多層配線基板の後工程としては、電極パッド上にはんだバンプを形成する工程がある。このはんだバンプ形成工程では、クリームはんだなどの印刷可能なはんだペーストを印刷した後、加熱することで印刷したはんだペーストを溶融させてはんだバンプとしている。この工程は、多層配線基板を搬送しながら、はんだを溶融する温度領域まで急速に加熱するゾーンと、基板を急速に冷却する為の冷却ゾーンを通すことで行われている。 冷却ゾーンに備えられている冷却機構として、本発明の基板冷却機構２０が設置され、基板の反りなどの変形を抑制する為に使用される。

（基板冷却機構）
図１に示した様に、本発明の基板冷却機構２０は、基板１０を冷却する冷却エアーを作り出すエゼクタ１と、冷却対象の基板１０を配置する冷却室１４と、エゼクタ１が作り出した冷却エアーを基板１０に噴射する噴射部８と、冷却室１４内のエアーを吸入する吸入部１１と、吸入部１１から吸入されたエアー中の塵埃を除去するフィルタ１２と、フィルタ１２の後段に接続され、エアーを冷却する除湿冷却装置１３と、を備えている。

（エゼクタ）
エゼクタ１は、ボディ９とボディ９に連接したディフューザ３から構成されている。ボディ９には、エゼクタ１を駆動する駆動エアーを導入する駆動エアー導入口４と、駆動エアー導入口４から延伸し、ボディ９の内部に駆動エアーを噴射するノズル２と、除湿冷却装置１３から送られてくるエアーを吸入する吸入口５と、を備えている。ディフューザ３には、吸入口５から吸入されたエアーと駆動エアー導入口４から導入された駆動エアーからなる冷却エアーを吐出する吐出口６が備えられている。エゼクタ１は、市販されているエゼクタを好適に使用する事できる。

エゼクタ１の吐出口６と冷却室１４内に備えられた噴射部８、吸入部１１とフィルタ１２、フィルタ１２と除湿冷却装置１３、除湿冷却装置１３とエゼクタ１の吸入口５、の間はそれぞれ、配管７によって接続されている。

エゼクタ１の吐出口６と、冷却室１４内に備えられた噴射部８と、が配管７によって接続されている事により、エゼクタ１の吐出口６から吐出された冷却エアーを冷却室１４に備えられている噴射部８へと送る事ができる。

エゼクタ１において、圧縮エアーである駆動エアーが駆動エアー導入口４から導入されると、ノズル２から圧縮エアーが高速度で噴射される。その事により、エゼクタ１の吸入口５を含むボディ９の内部圧力が低下する現象が起こる。その為、特段の吸引装置を備えていなくても、除湿冷却装置１３から出たエアーは吸入口５に向かって吸入される。

その為、除湿冷却装置１３からの、除湿され冷却されたエアーと、エゼクタ１の内部にあるノズル２から噴射した駆動エアーと、をディフューザ３の前半で混合し、ディフュー
ザ３の後半で減速し、昇圧しながら吐出口６に向かい、配管７を通って冷却室１４内の噴射部８から基板１０に噴射される。

（配管）
また、吸入部１１と、フィルタ１２と、が配管７によって接続されている事により、吸入部１１から吸入された冷却室１４内のエアーをフィルタ１２に送る事が可能となる。吸入部１１から吸入されたエアーは、基板１０の熱を奪って昇温している。

また、フィルタ１２と、除湿冷却装置１３と、が配管７によって接続されている事により、フィルタ１２によって塵埃が除去されたエアーを除湿冷却装置１３に送る事が可能となる。

また、除湿冷却装置１３と、エゼクタ１の吸入口５と、が配管７によって接続されている事により、除湿冷却装置１３により除湿され、冷却され、更に塵埃が除去されたクリーンなエアーをエゼクタ１の吸入口５に送る事が可能となる。

配管７の材質は、冷却室１４の吸入部１１から除湿冷却装置１３までの配管７は、ある程度の高温になったエアーに晒される為、エアーの温度に耐え得る耐熱性を備えている事が求められる。ステンレス鋼や鋼鉄製の金属配管を好適に使用する事ができるが、樹脂製の配管を使用する場合は、耐熱性を備えた樹脂からなる配管を選定する。高温になる部分だけ金属配管とし、その他の部分は樹脂配管としても良い。

（駆動エアー）
駆動エアーとしては、周辺から取り込んだエアーエゼクタ１が動作可能な程度まで圧力調整されたものである。

（基板）
基板１０としては、特に限定されないが、加熱により構成材料の二次元的な変形である収縮や、三次元的な変形である反りといった問題を起こし易い有機物を主体とする材料からなる基板が、本発明の基板冷却機構２０が冷却処理対象の基板１０となる。
例えば、ＦＣ－ＢＧＡ基板を挙げる事ができる。

（除湿冷却装置）
除湿冷却装置１３は、エアーに含まれる水分を除去し、且つ冷却する事ができるものであれば特に限定されない。

例えば、室内空調機器の除湿冷房機能と同様に、コンプレッサを使用したヒートポンプと同じ原理で冷却と除湿が同時に行える機構であっても構わない。

また、除湿装置と熱交換器のそれぞれの機能を組み合わせた構成であっても構わない。除湿装置については、室内空調機器の除湿方法と同じコンプレッサ方式の他に、デシカント方式を用いることが可能である。デシカント方式は、ゼオライトなどの多孔質材料を高温多湿空気に触れさせて水分を多孔質構造の中に含ませた後、その多孔質材料を加熱する事で、多孔質構造の中から水分が蒸発し、高温多湿空気を作る。その高温多湿空気を熱交換器で室温に冷却する事で結露させ、水分を除去するものである。加熱されたゼオライトなどは乾燥する為、冷却後は再び高温多湿空気の水分を吸着可能となる。これを繰り返す事により、除湿し、空気を乾燥する事ができる。

（フィルタ）
フィルタ１２は、吸入部１１から吸入されるエアーに含まれる塵埃のサイズや必要な流
量などの仕様によって、フィルタの目の細かさやコンダクタンス（エアーの通し易さ）を選定すれば良い。

（冷却室）
冷却室１４は、特に限定されない。例えば、ＦＣ－ＢＧＡ基板の生産ラインで使用するはんだリフローラインの最終段の冷却ユニットを挙げる事ができる。冷却室１４の周囲環境の空気が入り込まない程度の密封性を備えている事が好ましい。空気が混入する事で、はんだや金属配線が酸化して変色する虞がある為である。その様な虞が無い場合は、密閉性を確保しなくても良い。

（噴射部）
噴射部８は、エゼクタ１から配管７を通って噴射部８に送られて来た冷却エアーを、基板１０に噴射する事によって、基板１０を冷却可能な手段であれば、如何なる手段であっても良い。例えば、基板１０に均一に冷却エアーを噴射可能な平面均一噴射型ノズル（例えば、大浩研熱株式会社のＳＱシリーズ）を挙げる事ができる。また、液体の噴射に使用する各種の扇形ノズルや円錐ノズルであっても構わない。過度の昇温によって生じる基板１０の反りなどの変形が防止できる様に、冷却エアーを噴射可能な手段であれば如何なるものであっても良い。

（吸入部）
吸入部１１は、冷却室１４内において噴射部８から噴射された冷却エアーを吸入し、冷却室１４内から冷却エアーを排気可能な手段であれば如何なる手段であっても良い。例えば、図１に例示した様な受け皿の様なものに、冷却室１４から排気する目的で配管７が接続された形態であっても良いし、単に冷却室１４の任意の部位に排気する配管７が接続された形態であっても良い。

（制御機器）
本実施例では図示しないが、基板１０全体の表面温度を非接触で測定した結果から基板１０の予め設定された場所の温度の下降速度を算出し、その下降速度に応じた噴射圧力の設定を変更する機構と、予め設定された場所の温度が規定値よりも低くなった時に冷却エアーの供給を止める機構を設けた。

１・・・エゼクタ
２・・・ノズル
３・・・ディフューザ
４・・・駆動エアー導入口
５・・・吸入口
６・・・吐出口
７・・・配管
８・・・吐出部
９・・・ボディ
１０・・・基板
１１・・・吸入部
１２・・・フィルタ
１３・・・除湿冷却装置
１４・・・冷却室
２０・・・基板冷却機構

Claims (2)

1. 基板を冷却する基板冷却機構であって、
   冷却対象の基板を配置する冷却室と、
   基板を冷却する冷却エアーを作り出すエゼクタと、
   エゼクタが作り出した冷却エアーを基板に噴射する噴射部と、
   冷却室内のエアーを吸入する吸入部と、
   吸入部から吸入されたエアー中の塵埃を除去するフィルタと、
   フィルタの後段に接続され、エアーを除湿し、冷却する除湿冷却装置と、
   除湿冷却装置で除湿・冷却されたエアーをエゼクタに戻す配管と、
   エゼクタと噴射部、吸入部とフィルタ、フィルタと除湿冷却装置は、それぞれ、配管によって接続されている事を特徴とする基板冷却機構。
2. 前記除湿冷却装置が、吸湿機能を備えた熱交換器である事を特徴とする請求項１に記載の基板冷却機構。

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