JP3218951B2 - Bgaのバンプ形成方法およびそのためのリフロー炉 - Google Patents

Bgaのバンプ形成方法およびそのためのリフロー炉

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    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
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    • H05K3/3494Heating methods for reflowing of solder

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  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、BGAのバンプを
形成する方法およびそれに使用するリフロー炉に関す
る。
【0002】
【従来の技術】電子機器の小型化、軽量化、多機能化に
伴い、それに使用する電子部品も同様に小型化、軽量
化、多機能化されてきている。特にBGA (Ball Grid
Array)は、その最たるものである。ここに、本明細書に
おいては電子部品やパッケージさらにはパッケージ基板
などに予めはんだバンプを設け、これを用いてパッケー
ジ基板に電子部品やパッケージなどを実装する方式をB
GAといい、多数のバンプを平面上に設ける電子部品、
パッケージおよびパッケージ基板などの基体をBGA基
板と総称する。なお、以下においては便宜上パッケージ
基板にバンプを設ける例をもって本発明を説明する。
【0003】BGA基板は、はんだ付け後に電極となる
バンプが形成される位置に、予めはんだを付着させてあ
るため、電子部品等の実装時に別途はんだを供給する必
要がない。従って、バンプの設けられたBGA基板に電
子部品等を搭載して加熱するだけで直接はんだ付けがで
きるという作業性に優れたものである。そのためBGA
基板の作製に当たっては、はんだバンプの形成が重要な
作業となっている。
【0004】BGA基板でのバンプ形成は、BGA基板
のバンプ形成箇所に粘着性のフラックスを塗布し、その
上にはんだボールを載置してから、このはんだボールを
溶融させてバンプとするものである。
【0005】一般にBGA基板のバンプ形成は、各種の
装置が備えられたバンプ形成装置で連続的に行われてい
る。バンプ形成装置には、パッケージ基板の取り出し装
置、フラクサー、はんだボール搭載装置、リフロー炉等
が設置されている。
【0006】バンプ形成装置におけるパッケージ基板へ
のバンプ形成は、搬送トレー内に規則的に置かれたパッ
ケージ基板を取り出し装置で1枚ずつ取り出して走行し
ているコンベアに載置し、フラクサーに搬送する。フラ
クサーには待機所があって、コンベアで搬送されてきた
パッケージ基板はコンベアから待機所に一時移載され、
ここでパッケージ基板のバンプ形成箇所に粘着性のフラ
ックスが塗布される。フラクサーでは、ディスペンサー
を使いあるいは転写法でフラックス塗布が行われてい
る。
【0007】ディスペンサーはパッケージ基板のバンプ
形成箇所と一致したところに多数のニードルを取り付け
たシリンジから少量のフラックスを吐出してパッケージ
基板に塗布する機構であり、転写法ではパッケージ基板
のバンプ形成箇所と一致したところに設置された転写針
にフラックスを付着させ、それをパッケージ基板に転写
させるのである。
【0008】フラックスが塗布されたパッケージ基板は
再度コンベアに乗せられてはんだボール搭載装置に搬送
させられる。はんだボール搭載装置にも待機所があり、
パッケージ基板はここでも一時移載され、ここでパッケ
ージ基板の全てのバンプ形成箇所にはんだボールが搭載
される。以下においてこれ以降のパッケージ基板をBG
A基板という。
【0009】はんだボール搭載装置は、パッケージ基板
のバンプ形成箇所と同一箇所に穴が穿設された減圧式の
吸着マスクにハンダボールを吸着させておく。そして待
機所に置かれたパッケージ基板上に減圧マスクが移動し
てきて、減圧を解くことによりはんだボールをパッケー
ジ基板上に落下させて粘着性フラックスを付着させて搭
載するものである。
【0010】はんだボールが搭載されたBGA基板はさ
らにコンベアに乗せられ、リフロー炉に搬送させられ
る。リフロー炉では、はんだボールを溶融させてBGA
基板にバンプを形成する。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】ところで、BGA基板
は大きいものでも50mm角であって、これは一般のプリン
ト基板に較べて非常に小さいため、バンプ形成装置に設
けられた各装置もプリント基板用リフロー炉や自動はん
だ付け装置に設置する各種の装置よりもかなり小さいも
のである。従って、バンプ形成装置全体としても小さく
なり、その設置面積も小さくて済むものと思われるが、
実際には部分的に大きい装置があり、作業現場での設置
面積を必要以上に大きく取らねばならなかった。特に、
リフロー炉は大型のものを使用せざるを得ないのであ
る。
【0012】BGAのバンプ形成用のリフロー炉が大き
いのは、一般のプリント基板にしろBGA基板にしろ、
それらには大きな寸法上の違いはあってもはんだを溶融
させる温度は同じであるからである。つまり、リフロー
炉のコンベアで走行させられながら加熱される基板は、
炉内を通過中に所定の温度、たとえば予備加熱ゾーンで
は 100〜150 ℃に、本加熱ゾーンでははんだが溶融する
200〜250 ℃まで昇温させなければならない。従って、
いくら小さなBGA基板であっても所定の予備加熱温度
と本加熱温度にするためには、一般のプリント基板の場
合と同じ時間加熱する必要があり、またそのためにはあ
る程度の炉長が必要となってくるものである。
【0013】また従来のBGA基板のバンプ形成用リフ
ロー炉は前述の如く、長い炉内を通過しなければならな
いため、加熱時間が長くかかり、その結果、BGAによ
る搭載部品に対する熱影響が大きくなって、搭載部品が
機能劣化を起こしたり、不良となったりする等の問題が
あった。
【0014】ここに、本発明の目的は、小型で、しかも
はんだ付け温度への加熱時に搭載部品に過度の熱影響を
与えることがない効率的な加熱が可能なリフロー炉およ
びそれを利用した効果的なバンプの形成方法を提供する
ことにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ライン型
集光ヒータの使用に着目し、特にはんだボールの溶融温
度までへの加熱効率を検討した結果、予備加熱および本
加熱の2段加熱を行い、この本加熱に上述のライン型集
光ヒータを用いることで上述の目的が達成されることを
知った。
【0016】また、リフロー炉の構造に関しても検討を
行った結果、炉長が短くても、コンベアを一時停止させ
るなどの炉内滞留手段を設けて加熱すれば、より充分に
必要温度まで昇温させることができ、また集光した熱光
線は局部加熱が連続的に走査しながら行うことができ、
さらにかかる走査加熱は電子部品に対する熱影響を少な
くできることを知り、本発明を完成させた。
【0017】ここに、本発明は、はんだボールが搭載さ
れたBGA基板をコンベアの走行方向に一定間隔でコン
ベアに搭載し、リフロー炉の予備加熱ゾーンでコンベア
上のBGA基板の予備加熱を行い、次にBGA基板を本
加熱ゾーンに移動させて、本加熱ゾーンに設置されたラ
イン型集光ヒータをBGA基板上で移動させながら集光
した熱光線でBGA基板を加熱してはんだボールを溶融
させることを特徴とするBGAのバンプ形成方法であ
る。
【0018】本発明の実施態様によれば、少なくとも前
記予備加熱ゾーンにおいてコンベアの走行を一定時間停
止させてBGA基板の加熱を行ってもよい。また、前記
本加熱ゾーンにおける前記ライン型集光ヒータのBGA
基板上での移動をコンベアの走行方向と同じ方向で行っ
てもよい。
【0019】別の面からは、本発明は、予備加熱ゾーン
と、本加熱ゾーンと、それらの間にBGA基板を走行さ
せるコンベアとを備えたリフロー炉であって、前記予備
加熱ゾーンには熱線ヒータが設置され、前記本加熱ゾー
ンには前記コンベアの少なくとも走行方向またはその直
角方向に一定距離だけ往復動するライン型集光ヒータが
設置されているとともに、該コンベアは一定時間走行が
停止する機能を備えていることを特徴とするBGAのバ
ンプ形成用リフロー炉である。
【0020】本発明の実施態様によれば、前記本加熱ゾ
ーンのライン型集光ヒータは、ハロゲン光線、赤外線、
レーザ光線、等の熱光線を線状に焦点を結ぶように放射
するヒータである。また、前記本加熱ゾーンのライン型
集光ヒータの近傍には、排気ダクトが設置されていても
よい。
【0021】さらに、好適態様によれば、本発明は、は
んだボールが搭載されたBGA基板をコンベアの走行方
向に一定間隔でコンベアに搭載し、リフロー炉の予備加
熱ゾーンで、好ましくはコンベアの走行を一定時間停止
させるなどの手段でもって炉内滞在時間を延長させてB
GA基板の予備加熱を行い、次にBGA基板を本加熱ゾ
ーンに移動させて本加熱ゾーンでも、好ましくはコンベ
アの走行を一定時間停止させるなどの手段でもって炉内
滞在時間を延長させて、本加熱ゾーンに設置された集光
ヒータをBGA基板上で移動させながら、集光した熱光
線でBGA基板を走査加熱してはんだボールを溶融させ
ることを特徴とするBGAのバンプ形成方法である。
【0022】ここに、炉内滞在時間の延長手段として
は、上述のように一時的にコンベアの走行を停止する手
段とか、その他、例えば炉内で一時的にコンベアからB
GA基板を離脱させる手段とかが考えられる。
【0023】また、本発明に使用するライン型集光ヒー
タ( 以下、単に集光ヒータという)とは、放射される熱
線を凹面鏡、凸レンズ等の集光装置で集光させて、線状
に焦点を結ばせることで局部加熱を行うものであり、光
源としてはハロゲン光線、赤外線、レーザー光線等が適
している。
【0024】
【発明の実施の形態】本発明は、BGA基板の加熱をラ
イン型集光ヒータの走査によって行うのであり、面ある
いは点での加熱ではなく、線状で加熱源を走査すること
でBGA基板特有の多数箇所の加熱点を連続して局部加
熱できることから、正確な温度管理そして精密な温度変
更を可能とするのである。
【0025】かくして本発明によれば、ライン型集光ヒ
ータから発せられた熱光線を集光すると局部的に高温に
することができ、この高温となった熱光線をBGA基板
に短時間のうちに照射すれば、BGAへの熱影響を少な
くできる。しかも、コンベアの走行方向も同じ方向にラ
イン型集光ヒータを走査させることで実質炉内滞在時間
を延長すると同等の加熱効果は発揮される。
【0026】また少なくとも予備加熱ゾーンにおいてB
GA基板を搬送するコンベアを一定時間停止させると、
予備加熱ゾーンでは充分な予備加熱が行え、また走行が
停止したBGA基板に対しては熱光線ヒータが適当な速
度で移動しながら加熱するためオーバーヒートされるこ
となく適切なリフローが行える。
【0027】
【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明にかかるB
GAのバンブ形成用リフロー炉について説明する。
【0028】図1は本発明のリフロー炉の正面断面図、
図2は図1のX−X線断面図である。図中、リフロー炉
1は箱状であり、炉内には予備加熱ゾーン2と本加熱ゾ
ーン3とが区画されて設けられている。予備加熱ゾーン
2には熱線ヒータである赤外線ヒータ4、5が上下部に
対面して設置されている。また本加熱ゾーン3には上部
に集光ヒータ6が、そして下部に熱線ヒータである赤外
線ヒータ7が設置されている。
【0029】本発明の実施例に使用した赤外線ヒータ
は、電熱ヒータの上に多孔質金属板を設置し、該多孔質
金属板の表面にセラミックスを溶射して被覆したもので
ある。セラミックスは熱せられると被加熱物を効率よく
加熱する遠赤外線を放射し、また多孔質金属板は表面積
が大きいため遠赤外線を多量に放射する。従って、多孔
質金属板上にセラミックスを被覆した赤外線ヒータは、
被加熱物の均一加熱と急速加熱に適している。もちろ
ん、他の熱線ヒータを用いてもよい。
【0030】集光ヒータ6は、連結杆8で吊設されてお
り、連結杆8の上部は移動装置9に取り付けられてい
る。移動装置9はモータ10とこのモータの軸に固定され
たボールネジ11からなり、連結杆8はボールネジ11に螺
合されている。従って、モータ10を右・左回転を交互に
行うとボールネジ11も右・左に回転し、ボールネジに螺
合された連結杆8は矢印Aのように往復動する。そのた
め連結杆8に吊設された集光ヒータ6も往復動するよう
になっている。
【0031】本発明に使用する集光ヒータはハロゲン光
線、赤外線、レーザー光線などであり、光源の後部に凹
面鏡や前部に凸レンズ等が設置されていて、光源から発
せられた熱光線は凹面鏡や凸レンズでコンベアの走行方
向に対して直角方向に直線状に集光し、集光した焦点が
高温となり、はんだを容易に溶融するようになる。
【0032】また、移動装置9は図示しない上下動装置
により矢印Bのように上下動するようになっている。こ
れは被加熱部に対する焦点の調整や集光ヒータのメンテ
ナンスを容易にするためのものである。
【0033】集光ヒータ6の近傍には可撓管に接続され
た排気ダクト12が設置されている。排気ダクトは本加熱
ゾーンでBGA基板が加熱されたときに、フラックスが
気化してフラックスフュームとなったものを炉外に排気
するものである。可撓管で炉外に排気されたフラックス
フュームは、例えば、活性炭充填層を通過して活性炭に
吸着除去されるようになっている。フラックスフューム
が炉内に充満すると、炉内のいたるところに付着してフ
ラックス成分が堆積し、堆積したフラックス成分が落下
してBGA基板の上に付着すると、BGAの絶縁抵抗を
低下させたり、腐食生成物を発生させたりする原因とな
る。そのため、排気ダクトで炉外に排気するものであ
る。
【0034】リフロー炉1の両側下方には入口13と出口
14が開口している。入口13から出口14を通り、本体の外
側下部を回って入口13に入る一対の無端のチェーンコン
ベア15、15が矢印Cのように回動している。一対のコン
ベア15、15は、リフロー炉内では予備加熱ゾーン2の対
面して設置された赤外線ヒータ4、5間を走行し、また
本加熱ゾーンでは集光ヒータ6と赤外線ヒータ7間を走
行している。
【0035】一対のコンベア15、15間には複数の搬送ト
レー16、16・・・が一定間隔で架設されており、この搬
送トレーの上には複数のBGA基板17、17・・・が載置
できるようになっている。搬送トレー16の架設間隔は、
好ましくは予備加熱ゾーン2と本加熱ゾーン3の間隔と
略同一である。つまり、コンベア停止時に各搬送トレー
16がそれぞれ予備加熱ゾーン2と本加熱ゾーン3におい
てそれぞれ停止されるようにするためである。搬送トレ
ー16はBGA基板載置箇所が開口となっており、リフロ
ー炉内を通過中、リフローの下部に設置された赤外線ヒ
ータ5、7からの輻射熱を充分に受けてBGA基板が均
一に加熱されるようになっている。
【0036】コンベア15は、連続走行するように構成さ
れていても、集光ヒータの加熱時には一時的に停止する
ように構成されていてもよい。その場合の一時停止機構
等は適宜設置すればよい。なお、上記の実施例では集光
ヒータの走査方向を、コンベア15の走行方向に一致させ
ているが、変更例ではそれに直交させてもよい。
【0037】図3は本発明で使用するライン型集光ヒー
タの模式図であり、図3(a) は側面図、図3(b) は正面
図である。図示のように、光源30の周囲に設けた反射鏡
31によって下方のBGA基板32上に熱光線33が線状に焦
点34を結ぶ。図3(b) に示すように、ライン型集光ヒー
タの長さはBGA基板の幅より大きくとるのが好まし
い。
【0038】図4(a) および(b) は、図3のライン型集
光ヒータによるぞれぞれ長手方向および幅方向における
エネルギー分布を示す。コンベアの走行方向に走査する
ことを考えた場合、図4(b) に示すようにヒータの幅方
向、つまりコンベアの走行方向の1点、つまりセンター
にエネルギーが集中しているのが分かる。また図4(a)
に“有効エリア”として示すように、ヒータの長手方
向、つまりBGA基板の幅方向には両端にまで所定量の
エネルギーが照射されるからヒータの走査に伴ってBG
A基板の全体にわたって順次均一な加熱が可能となるこ
とが分かる。
【0039】なお、このライン型集光ヒータの走査方向
は図示例ではコンベアの走行方向と同じ方向であるが、
一般にはその走行方向はコンベアの少なくとも走行方向
またはその直角方向であればよい。
【0040】次に、上記リフロー炉を用いたBGAのバ
ンブ形成方法について説明する。図示しないフラクサー
でフラックス塗布がなされ、やはり図示しないはんだボ
ール搭載装置ではんだボールが搭載されたBGA基板17
は、搬送トレー16に複数枚載置されている。
【0041】搬送トレー16に載置されたBGA基板17は
リフロー炉1内の予備加熱ゾーン2に搬送される。ここ
でコンベア15の走行が一時停止され、または一時停止さ
れずに、上下部の赤外線ヒータ4、5でBGA基板が約
150 ℃に予備加熱される。リフロー炉での予備加熱は、
フラックスを活性化させてはんだ付けを良好にするとと
もに、次の高温の本加熱に際してヒートショックで基板
が破損したり、変形したりするのを防ぐためである。
【0042】予備加熱ゾーンでの加熱でBGA基板が所
定の温度になったならば、コンベア15を走行させ、BG
A基板を本加熱ゾーン3に搬送し、また本加熱ゾーン3
でコンベア15の走行を一時停止しもてよい。
【0043】本加熱ゾーン3では下部の赤外線ヒータ7
は常時通電を行っていて加熱状態となっているが、上部
の集光ヒータ6には加熱時の10%程度の電気を通してお
く。これは集光ヒータにオフの状態から急に電気を通す
と寿命が短くなるばかりでなく、急激に昇温できないた
め、集光ヒータを予備加熱しておくものである。
【0044】集光ヒータ6に100 %の電気を通していな
いときに、つまり集光ヒータ6が非作動時には、集光ヒ
ータ6は、図1、図2でそれぞれ実線で示すように予備
加熱ゾーン2に近いところで停止している。
【0045】BGA基板が本加熱ゾーン3に到着したな
らば、あるいは到着してコンベア15の走行が停止したな
らば、集光ヒータ6の通電量を加熱状態にまで増大さ
せ、光源を灯して熱光線を発するようにすると同時に集
光ヒータ6をコンベアの走行方向に移動させる。集光ヒ
ータ6は通電すると、すぐに熱光線が放射され、焦点を
結んだ部分は瞬時にして高温となる。従って、通電をし
て移動を始めた集光ヒータ6はBGA基板上を順次加熱
してゆき、はんだボールを溶融させていく。
【0046】BGA基板は、図示例の場合には、線状に
コンベア走行方向に沿って加熱されてゆくが、コンベア
を停止しなくても集光ヒータ6が同期して走行すること
でその相対速度差だけコンベアが減速されることにな
り、それによって同じ長さのリフロー炉でもそれだけ高
い必要温度に加熱できる。
【0047】このようにしてBGA基板上の全てのはん
だボールが溶融して焦点がBGA基板の他端に到達 (一
点鎖線) すると、集光ヒータ6への通電量を下げて、実
質上発熱を停止させると同時に元の位置 (実線) に戻
る。通電時の出力は、BGA基板の熱容量に応じて調整
でき、場合により移動速度を変化させることで調整して
もよいことは云うまでもない。
【0048】本加熱ゾーン3でのはんだボールの溶融が
終了してBGA基板にはんだバンプが形成されると、コ
ンベアが再度走行し、バンプが形成されたBGA基板を
炉外に搬出して冷却を行う。
【0049】本加熱ゾーン3でコンベア15が停止してい
る間に、次のBGA基板を載置した搬送トレーが予備加
熱ゾーンで予備加熱されており、予備加熱と本加熱が間
欠的に順次行われて全体として短い走行距離の間でBG
A基板へバンプが効率的に形成される。
【0050】かくして、従来のBGAのバンプ形成用リ
フロー炉は炉長が短いものでも1.5mであったが、本発
明にかかるリフロー炉は炉長が65cmと、半分以下に短縮
されたリフロー炉でもBGA基板に対して充分はんだの
バンプを形成することができた。
【0051】また、このような操作は予め定められた同
じ加熱条件のときにはそのまゝ連続して行っておればよ
いが、BGA基板毎に加熱条件が異なる場合、まず集光
ヒータの熱量を制御し、さらにはその走査速度、そして
コンベア停止時間を調整するなどして大きな条件変動に
対応することができる。
【0052】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば次の
ような優れた効果が得られるのである。 リフロー炉を小さくすることができるため、設置面積
も小さくできる。 BGA基板の全体を均一に加熱できる。 停止しているBGA基板に対して集光ヒータ自体が移
動しながら加熱を行うため加熱時間が短時間となり、B
GAへの熱影響が極めて少なくなる。 その結果、実装部品の信頼性、生産性が優れたものと
なる。 僅かな温度調整もまた大きな条件変動に対しても対応
が容易に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリフロー炉の正面断面図である。
【図2】図1のX−X線断面図である。
【図3】本発明で利用するライン型集光ヒータの模式図
であり、図3(a) は側面図、図3(b) は正面図である。
【図4】図3の集光ヒータのエネルギー分布の概念図で
あり、図4(a) は長手方向、図4(b) は幅方向における
分布グラフである。
【符号の説明】
1:リフロー炉 2:予備加熱ゾーン 3:本加熱ゾーン 4、5、7:熱線ヒータ 6:集光ヒータ 8:連結杆 9:移動装置 12:排気ダクト 13:入口 14:出口 15:コンベア 16:搬送トレー 17:BGA基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名内 孝 東京都足立区千住橋戸町23番地 千住金 属工業株式会社内 (72)発明者 埜本 信一 東京都足立区千住橋戸町23番地 千住金 属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−196486(JP,A) 特開 平5−245624(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05K 3/34 H01L 21/60

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 はんだボールが搭載されたBGA基板を
    コンベアに搭載し、リフロー炉の予備加熱ゾーンでコン
    ベア上のBGA基板の予備加熱を行い、次にBGA基板
    を本加熱ゾーンに移動させて、本加熱ゾーンに設置され
    たライン型集光ヒータをBGA基板上で移動させながら
    集光した熱光線でBGA基板を加熱してはんだボールを
    溶融させることを特徴とするBGAのバンプ形成方法。
  2. 【請求項2】 少なくとも前記予備加熱ゾーンにおいて
    コンベアの走行を一定時間停止させてBGA基板の加熱
    を行う、請求項1記載のBGAのバンプ形成方法。
  3. 【請求項3】 前記本加熱ゾーンにおける前記ライン型
    集光ヒータのBGA基板上での移動をコンベアの走行方
    向と同じ方向で行う、請求項1または2記載のBGAの
    バンプ形成方法。
  4. 【請求項4】 予備加熱ゾーンと、本加熱ゾーンと、そ
    れらの間にBGA基板を走行させるコンベアとを備えた
    リフロー炉であって、前記予備加熱ゾーンには熱線ヒー
    タが設置され、前記本加熱ゾーンには前記コンベアの少
    なくとも走行方向またはその直角方向に一定距離だけ往
    復動するライン型集光ヒータが設置されているととも
    に、該コンベアは一定時間走行が停止する機能を備えて
    いることを特徴とするBGAのバンプ形成用リフロー
    炉。
  5. 【請求項5】 前記本加熱ゾーンのライン型集光ヒータ
    は、ハロゲン光線、赤外線、レーザ光線、等の熱光線を
    線状に焦点を結ぶように放射するヒータであることを特
    徴とする請求項4記載のBGAのバンプ形成用リフロー
    炉。
  6. 【請求項6】 前記本加熱ゾーンのライン型集光ヒータ
    の近傍には、排気ダクトが設置されていることを特徴と
    する請求項4または5記載のBGAのバンプ形成用リフ
    ロー炉。
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