JP2024067969A - 配線基板のフラックス洗浄装置、配線基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線基板の表面や配線基板に搭載されている部品に与えるダメージを低減可能であると共に、洗浄性のばらつきを低減可能な配線基板のフラックス洗浄装置を提供する。【解決手段】本配線基板のフラックス洗浄装置は、配線基板を洗浄する洗浄液を貯留する洗浄槽と、前記配線基板を保持した状態で前記洗浄液に浸漬可能に構成された基板保持部材と、前記基板保持部材に保持されて前記洗浄液に浸漬された前記配線基板の部品実装面と同一方向を向く第１面を備え、前記部品実装面に向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の超音波を発振する複数の振動子が前記第１面に互いに離隔して２次元に配置された振動板と、前記基板保持部材を、前記部品実装面に平行な面内で互いに交差する２つの方向に揺動する揺動機構と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板のフラックス洗浄装置、配線基板の製造方法に関する。

配線基板において、表面にフラックス等が付着する場合がある。そのため、配線基板の製造工程では、配線基板の表面を洗浄する洗浄工程が設けられる（例えば、特許文献１参照）。洗浄工程では、例えば、配線基板の表面に対して２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚ程度の低周波帯の超音波を発振し、キャビテーション作用による気泡破裂の衝撃力で、フラックス等の除去を行う。

特開２００３－３１５３５号公報

しかし、上記の方法では、気泡破裂の衝撃力により、配線基板の表面や配線基板に搭載されている部品にダメージが生じるおそれがある。例えば、バンプの狭ピッチ化や微細化により、バンプと配線基板の接合強度が脆弱となり、気泡破裂の衝撃力によりバンプが剥離することが挙げられる。一方、配線基板のフラックス洗浄装置には、洗浄対象となる配線基板の表面に対する洗浄性のばらつきを低減することが求められている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、配線基板の表面や配線基板に搭載されている部品に与えるダメージを低減可能であると共に、洗浄性のばらつきを低減可能な配線基板のフラックス洗浄装置の提供を目的とする。

本配線基板のフラックス洗浄装置は、配線基板を洗浄する洗浄液を貯留する洗浄槽と、前記配線基板を保持した状態で前記洗浄液に浸漬可能に構成された基板保持部材と、前記基板保持部材に保持されて前記洗浄液に浸漬された前記配線基板の部品実装面と同一方向を向く第１面を備え、前記部品実装面に向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の超音波を発振する複数の振動子が前記第１面に互いに離隔して２次元に配置された振動板と、前記基板保持部材を、前記部品実装面に平行な面内で互いに交差する２つの方向に揺動する揺動機構と、を有する。

開示の技術によれば、配線基板の表面や配線基板に搭載されている部品に与えるダメージを低減可能であると共に、洗浄性のばらつきを低減可能な配線基板のフラックス洗浄装置を提供できる。

本実施形態に係る配線基板のフラックス洗浄装置を例示する模式図である。 本実施形態に係る配線基板を洗浄する工程を例示する図（その１）である。 本実施形態に係る配線基板を洗浄する工程を例示する図（その２）である。 本実施形態に係る配線基板を洗浄する工程を例示する図（その３）である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［配線基板のフラックス洗浄装置］
図１は、本実施形態に係る配線基板のフラックス洗浄装置を例示する模式図であり、図１（ａ）は全体図、図１（ｂ）は振動板近傍の平面図である。

図１を参照すると、フラックス洗浄装置１は、洗浄槽１０と、基板保持部材２０と、振動板３０と、揺動機構４０と、移動機構５０とを有する。１００は、フラックス洗浄装置１が洗浄する対象物である配線基板を示している。なお、図１では、参考のため、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向を規定している。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、振動板３０の第１面３０ａに平行な面内で互いに直交する。Ｚ軸方向は、振動板３０の第１面３０ａの法線方向である。

洗浄槽１０は、例えば、平面視で円形や矩形とすることができる。なお、平面視とは、Ｚ軸方向から対象物を視ることである。洗浄槽１０の上部は、開放されている。洗浄槽１０は、例えば、ステンレス製とすることができる。洗浄槽１０には、配線基板１００を洗浄する洗浄液６０が貯留されている。洗浄液６０は、例えば、配線基板１００に付着したフラックスを洗浄するフラックス洗浄液である。フラックス洗浄液としては、例えば、グリコールエーテル系化合物及びアルコール系化合物のいずれか１種類以上を含むフラックス洗浄液等が挙げられる。

基板保持部材２０は、配線基板１００を着脱可能である。基板保持部材２０は、配線基板１００を保持した状態で洗浄液６０に浸漬可能に構成されている。具体的には、基板保持部材２０は、基板配置部２１と、基板押え部２２とを有する。基板配置部２１は、Ｚ軸方向から視たときに枠状であり、配線基板１００の部品実装面１００ａの外周部が配置される。基板配置部２１は、ＸＺ平面に平行な断面で視たときに略Ｌ字型である。

基板押え部２２は、例えば、Ｙ軸方向に沿って互いに対向するように設けられる。基板押え部２２は、さらに、Ｘ軸方向に沿って互いに対向するように設けられてもよい。基板押え部２２は、ワイヤ７１を介してばね７２と接続されている。ばね７２を矢印Ａの方向に移動させると、基板押え部２２は、ワイヤ７１に引かれて矢印Ｂ及びＣの方向に回動し、配線基板１００を開放する。

一方、ばね７２を矢印Ａと反対の方向に移動させると、基板押え部２２は、矢印Ｂ及びＣとは反対の方向に回動し、配線基板１００の外周部をＺ軸方向＋側から押さえる。これにより、配線基板１００の外周部が基板配置部２１と基板押え部２２とに挟まれ、配線基板１００は基板保持部材２０に保持される。

なお、ワイヤ７１は基板配置部２１の下面の下方に配置され、平面視で基板配置部２１により形成される枠内には露出していない。したがって、ワイヤ７１は超音波洗浄の妨げにはならない。

振動板３０は、例えば、ステンレスから形成されている。振動板３０は、第１面３０ａを備えている。振動板３０の第１面３０ａは、例えば、平面視で、Ｘ軸方向に平行な２辺と、Ｙ軸方向に平行な２辺とを有する矩形状である。振動板３０の第１面３０ａは、基板保持部材２０に保持されて洗浄液６０に浸漬された配線基板１００の部品実装面１００ａと同一方向を向く。ここで、同一方向を向くとは、第１面３０ａと部品実装面１００ａとが平行である場合には限らず、第１面３０ａと部品実装面１００ａとのなす角度が±３０ｄｅｇ以下の場合を含むものとする。

振動板３０の第１面３０ａには、複数の振動子３５が互いに離隔して２次元に配置されている。図１の例では、振動子３５を備えた振動板３０は、洗浄槽１０の底面１０ａの外側に配置されており、振動板３０の第１面３０ａの反対面（図１では上面）は洗浄槽１０の底面１０ａの外側に接している。しかし、この構造には限定されず、振動子３５を備えた振動板３０は、洗浄槽１０の内側に配置されてもよい。

複数の振動子３５は、例えば、平面視で、Ｘ軸方向を行方向、Ｙ軸方向を列方向として行列状に配置することができる。図１の例では、８個の振動子３５が、４行２列の行列状に配置されているが、振動子３５の個数は８個でなくてもよい。Ｘ軸方向に隣接する振動子３５の第１間隔Ｘｇは、例えば、１ｍｍ～１５ｍｍ程度である。また、Ｙ軸方向に隣接する振動子３５の第２間隔Ｙｇは、例えば、１ｍｍ～１５ｍｍ程度である。なお、複数の振動子３５が互いに離隔して２次元に配置されていれば、複数の振動子３５は必ずしも行列状に配置されなくてもよい。例えば、複数の振動子３５は、千鳥状に配置されてもよい。

各々の振動子３５は、配線基板１００の部品実装面１００ａに向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の超音波を発振することができる。超音波の周波数を７５０ＫＨｚ以上とすることで、加速度が上がり、キャビテーションの発生が抑制され、はんだバンプ等へのダメージを抑えることができる。また、超音波の周波数を３ＭＨｚ以下とすることで、必要な洗浄力を確保することができる。各々の振動子３５が発振する超音波の周波数は、はんだバンプ等へのダメージの抑制及び高洗浄性の観点から、９５０ＫＨｚ以上１ＭＨｚ以下であることが好ましい。

振動子３５としては、例えば、電歪型振動子を用いることができる。電歪型振動子は、電圧を加えると伸び縮みし、超音波を発振することができる。電歪型振動子の主材料には、例えば、交流電圧を加えると振動する圧電セラミックスを用いることができる。圧電セラミックスの一例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が挙げられる。

揺動機構４０は、基板保持部材２０と機械的に接続されている。揺動機構４０は、基板保持部材２０を、配線基板１００の部品実装面１００ａに平行な面内で互いに交差する２つの方向（第１方向Ｄ及び第２方向Ｅ）に揺動することができる。言い換えれば、揺動機構４０は、基板保持部材２０を第１方向Ｄに沿って往復させ、かつ第２方向Ｅに沿って往復させることができる。

図１の例では、第１方向ＤはＸ軸方向であり、第２方向ＥはＹ軸方向である。この場合、第１方向Ｄと第２方向Ｅは直交する。ただし、第１方向ＤはＸ軸方向でなくてもよく、第２方向ＥはＹ軸方向でなくてもよい。また、第１方向Ｄは第２方向Ｅと交差していればよく、必ずしも直交しなくてもよい。

揺動機構４０に揺動される基板保持部材２０の第１方向Ｄの振幅は第１間隔Ｘｇ以上であり、第２方向Ｅの振幅は第２間隔Ｙｇ以上であることが好ましい。揺動機構４０に揺動される基板保持部材２０の第１方向Ｄ及び第２方向Ｅの揺動周波数は、０．０１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下とすれば十分である。

揺動機構４０は、例えば、第１方向Ｄに伸びるボールねじ、第２方向Ｅに伸びるボールねじ、これらのボールねじと基板保持部材２０とを接続するギア機構、これらのボールねじを独立に駆動するモータ、及びモータを駆動する駆動回路等により構成することができる。

移動機構５０は、基板保持部材２０と機械的に接続されている。移動機構５０は、基板保持部材２０を、例えば、Ｚ軸方向に移動することができる。つまり、移動機構５０は、基板保持部材２０を例えばＺ軸方向に沿って移動させ、基板保持部材２０を洗浄槽１０に浸漬させたり、基板保持部材２０を洗浄槽１０から取り出したりすることができる。

移動機構５０は、例えば、Ｚ軸方向に伸びるボールねじ、このボールねじと基板保持部材２０とを接続するギア機構、このボールねじを駆動するモータ、及びモータを駆動する駆動回路等により構成することができる。移動機構５０は、さらに、基板保持部材２０をＸ軸方向及び／又はＹ軸方向に移動させる機構を備えていてもよい。

［配線基板の製造方法］
次に、本実施形態に係る配線基板の製造方法について説明する。本実施形態に係る配線基板の製造方法は、配線基板１００を準備する工程、配線基板１００の部品実装面１００ａに部品を実装する工程、配線基板１００を洗浄液６０で洗浄する工程を含む。さらに、洗浄する工程の後に、周知のリンス工程や乾燥工程を含んでもよい。ここでは、特に、配線基板１００を洗浄する工程に着目して説明する。図２（ａ）～図４（ｂ）は、配線基板１００を洗浄する工程である。

まず、図２（ａ）に示す工程の前に、部品実装面１００ａに部品が実装された配線基板１００を準備する。配線基板１００は、例えば、複数の配線層と複数の絶縁層が交互に積層されたビルドアップ基板である。ビルドアップ基板は、周知のビルドアップ工法により作製することができる。

配線基板１００の部品実装面１００ａに部品を実装するには、例えば、部品実装面１００ａに配置されたパッドにクリームはんだを印刷後、部品を配置し、リフローする。配線基板１００に実装される部品には、例えば、半導体チップ、抵抗、コンデンサ、金属ポスト、はんだバンプの１種以上が含まれる。リフロー後、配線基板１００の部品実装面１００ａや、部品下などにフラックスが付着する。

なお、部品実装面１００ａに部品が実装された配線基板１００は、自ら作製する必要はなく、第三者から購入することにより準備してもよい。また、配線基板１００はビルドアップ基板には限定されず、フラックス洗浄装置１は、部品が実装された各種の配線基板を洗浄の対象物とすることが可能である。また、フラックス洗浄装置１は、部品実装面１００ａに部品が実装される前の配線基板１００の洗浄も可能である。

次に、図２（ａ）に示す工程では、部品実装面１００ａを洗浄槽１０側に向けて、配線基板１００を基板保持部材２０の基板配置部２１上に配置する。そして、図２（ｂ）に示すように、ばね７２を洗浄槽１０側に移動させて基板押え部２２を回動させ、配線基板１００を基板保持部材２０で保持する。

次に、図３（ａ）に示す工程では、配線基板１００を保持した基板保持部材２０を、洗浄槽１０が貯留する洗浄液６０に浸漬させ、配線基板１００の部品実装面１００ａを振動板３０の第１面３０ａと同一方向を向くように配置する。基板保持部材２０は、移動機構５０の制御により下降させ、洗浄槽１０が貯留する洗浄液６０に浸漬させることができる。

次に、図３（ｂ）に示す工程では、振動板３０の第１面３０ａに互いに離隔して２次元に配置された複数の振動子３５から部品実装面１００ａに向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の超音波Ｓを発振させる。そして、超音波Ｓを発振させている間に、揺動機構４０により基板保持部材２０を部品実装面１００ａに平行な面内で互いに交差する２つの方向に揺動する。例えば、図４（ａ）に示すように、基板保持部材２０を第１方向ＤのＸ軸－側に移動させた後、図４（ｂ）に示すように、第１方向ＤのＸ軸＋側に移動させ、第１方向Ｄに揺動する。続いて、基板保持部材２０を第２方向ＥのＹ軸－側に移動させた後、第２方向ＥのＹ軸＋側に移動させ、第２方向Ｅに揺動する。これを、例えば、０．０１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の揺動周波数で繰り返す。これにより、部品実装面１００ａの洗浄ばらつきを低減することができる。この効果について、以下に補足する。

前述のように、配線基板の表面に対して２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚ程度の低周波帯の超音波を発振し、キャビテーション作用による気泡破裂の衝撃力で、フラックス等の除去を行うと、気泡破裂の衝撃力により、配線基板の表面や配線基板に搭載されている部品にダメージが生じるおそれがある。

そこで、フラックス洗浄装置１では、部品実装面１００ａに向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の高周波帯の超音波を発振している。高周波帯の超音波は、低周波帯の超音波と比較してキャビテーション作用が小さいため、配線基板の表面や配線基板に搭載されている部品にダメージが生じるおそれを低減可能である。

高周波帯の超音波を用いた洗浄では、洗浄液中の分子を細かく振動させ、その振動エネルギーを利用する。これにより、低周波帯の超音波を用いる場合に比べてキャビテーション作用が小さくても洗浄力が劣ることはなく、搭載部品の下側などの狭スペース部分のフラックス除去も可能である。

一方、高周波帯の超音波の特性上、指向性が非常に強いため、何らの対策も施さないと、隣接する振動子間に位置する振動板と同一方向を向く配線基板の表面に対する洗浄性が著しく低下する。この部分には、超音波がほとんど照射されないからである。

そこで、フラックス洗浄装置１では、この問題の対策として揺動機構４０を備えている。そして、各々の振動子３５から超音波Ｓを発振させると共に、揺動機構４０により基板保持部材２０を部品実装面１００ａに平行な面内で互いに交差する２つの方向に揺動する。これにより、隣接する振動子３５間に位置する振動板３０と同一方向を向く部品実装面１００ａの位置が時間とともに移動するため、部品実装面１００ａの特定の位置に超音波Ｓが照射されにくい問題を回避できる。その結果、部品実装面１００ａの洗浄性のばらつきを低減可能となる。

すなわち、フラックス洗浄装置１では、部品実装面１００ａに向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の超音波を発振させると共に、揺動機構４０により基板保持部材２０を部品実装面１００ａに平行な面内で互いに交差する２つの方向に揺動する。これにより、配線基板１００の部品実装面１００ａや配線基板１００に搭載されている部品に与えるダメージを低減可能であると共に、洗浄性のばらつきを低減可能となる。

また、複数の振動子３５が行方向を第１方向Ｄ、列方向を第２方向Ｅに向けて行列状に配置され、揺動機構４０が基板保持部材２０を部品実装面１００ａに平行な面内で第１方向Ｄ及び第２方向Ｅに揺動する場合がある。この場合は、揺動機構４０に揺動される基板保持部材２０の第１方向Ｄの振幅を第１方向Ｄに隣接する振動子３５の第１間隔Ｘｇ以上とし、第２方向Ｅの振幅を第２方向Ｅに隣接する振動子３５の第２間隔Ｙｇ以上とすることが好ましい。これにより、部品実装面１００ａの特定の位置に超音波Ｓが照射されにくい問題をより確実に回避できる。

なお、２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚ程度の低周波帯の超音波は指向性が低く拡散するため、従来のように２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚ程度の低周波帯の超音波を用いるフラックス洗浄装置では、振動板に対して平行なＸＹ平面方向に配線基板を揺動させる機構は不要である。低周波帯の超音波洗浄において、定在波の影響により、洗浄槽内のキャビテーション効果に強弱ができるため、振動子に対して被洗浄物をＺ軸方向に揺動させることで、洗浄性の均一化を図ることは一般的に行われる。一方で、高周波帯の場合は波長が非常に短く、定在波の影響による洗浄性のばらつきは少ないため、振動子に対して被洗浄物をＺ軸方向に揺動する必要はない。ただし前述の通り、指向性の高さによる偏りを防ぎ、洗浄性の均一化を図るためにＸＹ平面方向に揺動する必要がある。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ フラックス洗浄装置
１０ 洗浄槽
１０ａ 底面
２０ 基板保持部材
２１ 基板配置部
２２ 基板押え部
３０ 振動板
３０ａ 第１面
３５ 振動子
４０ 揺動機構
５０ 移動機構
６０ 洗浄液
７１ ワイヤ
７２ ばね
１００配線基板
１００ａ 部品実装面

Claims (10)

1. 配線基板を洗浄する洗浄液を貯留する洗浄槽と、
   前記配線基板を保持した状態で前記洗浄液に浸漬可能に構成された基板保持部材と、
   前記基板保持部材に保持されて前記洗浄液に浸漬された前記配線基板の部品実装面と同一方向を向く第１面を備え、前記部品実装面に向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の超音波を発振する複数の振動子が前記第１面に互いに離隔して２次元に配置された振動板と、
   前記基板保持部材を、前記部品実装面に平行な面内で互いに交差する２つの方向に揺動する揺動機構と、を有する、配線基板のフラックス洗浄装置。
2. 複数の前記振動子は、行方向を第１方向、列方向を第２方向に向けて行列状に配置され
   前記揺動機構は、前記基板保持部材を、前記部品実装面に平行な面内で前記第１方向及び前記第２方向に揺動する、請求項１に記載の配線基板のフラックス洗浄装置。
3. 前記第１方向に隣接する前記振動子の間隔を第１間隔、前記第２方向に隣接する前記振動子の間隔を第２間隔としたときに、
   前記揺動機構に揺動される前記基板保持部材の前記第１方向の振幅は前記第１間隔以上であり、前記第２方向の振幅は前記第２間隔以上である、請求項２に記載の配線基板のフラックス洗浄装置。
4. 前記揺動機構に揺動される前記基板保持部材の前記第１方向及び前記第２方向の揺動周波数は、０．０１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下である、請求項２又は３に記載の配線基板のフラックス洗浄装置。
5. 前記洗浄液は、グリコールエーテル系化合物及びアルコール系化合物のいずれか１種類以上を含むフラックス洗浄液である、請求項１に記載の配線基板のフラックス洗浄装置。
6. 配線基板を洗浄液で洗浄する工程を有する配線基板の製造方法であって、
   前記洗浄する工程は、
   前記配線基板を保持した基板保持部材を、洗浄槽が貯留する前記洗浄液に浸漬させ、前記配線基板の部品実装面を振動板の第１面と同一方向を向くように配置する工程と、
   前記第１面に互いに離隔して２次元に配置された複数の振動子から前記部品実装面に向けて７５０ＫＨｚ以上３ＭＨｚ以下の超音波を発振させると共に、揺動機構により前記基板保持部材を前記部品実装面に平行な面内で互いに交差する２つの方向に揺動する工程と、を含む、配線基板の製造方法。
7. 複数の前記振動子は、行方向を第１方向、列方向を第２方向に向けて行列状に配置され
   前記揺動機構は、前記基板保持部材を、前記部品実装面に平行な面内で前記第１方向及び前記第２方向に揺動する、請求項６に記載の配線基板の製造方法。
8. 前記第１方向に隣接する前記振動子の間隔を第１間隔、前記第２方向に隣接する前記振動子の間隔を第２間隔としたときに、
   前記揺動機構に揺動される前記基板保持部材の前記第１方向の振幅は前記第１間隔以上であり、前記第２方向の振幅は前記第２間隔以上である、請求項７に記載の配線基板の製造方法。
9. 前記揺動機構に揺動される前記基板保持部材の前記第１方向及び前記第２方向の揺動周波数は、０．０１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下である、請求項７又は８に記載の配線基板の製造方法。
10. 前記洗浄液は、グリコールエーテル系化合物及びアルコール系化合物のいずれか１種類以上を含むフラックス洗浄液である、請求項６に記載の配線基板の製造方法。

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