JP3718670B2 - フレキシブル基板上に電子部品を取付けるためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、電子部品を、軟化温度が低いフレキシブル基板へ電気的に接続するためにはんだをリフローさせる装置及び方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
電子部品を、堅固な、及びフレキシブルな印刷回路基板に取付けることは従来から公知である。典型的には、堅固な、及びフレキシブルな基板上の導体パッド領域にはんだペーストを塗布する。次に、部品の端子をパッド領域内のはんだペーストと接触させるように部品を配置する。次に基板を比較的高温に曝してハンドペーストを活性化させ、はんだペーストを融解させ、次いで凝固させて部品を基板上に結合し、電気的に接続する。フレキシブル基板は、典型的には高温に曝した時に良好な安定性を呈するポリイミドで作られている。ポリエステルを含む多くのフィルム材料は、はんだをリフローさせるのに必要な温度にそれらを曝した時にそれらの耐熱性及び寸法安定性が不十分であることが主な理由で、部品を表面マウントするために使用するには満足できるものではなかった。
【０００３】
軟化温度が低いフレキシブル基板へ部品を取付けるための技術が、Annableの米国特許第5,898,992号に開示されている。フレキシブル基板を、キャリヤー支持部材に固定する。カバーを、基板の上に配置する。このカバーは、部品の位置に対応する開口を有しており、キャリヤーはキャリヤーアセンブリを形成する。
はんだペーストを、部品パッドを有する基板の導体領域に塗布する。次に、電子部品の端子がはんだペーストと接触するように部品を基板上に配置する。次いでリフロー炉において、はんだペーストの融点より低い温度までキャリヤーアセンブリを予熱する。次に加熱したガスジェットのような補助熱源を使用して、アセンブリの温度を急速に上昇させる。カバーは、基板を高いリフロー温度から遮蔽し、またリフロー中のフレキシブル基板のひずみを最小にする。
【０００４】
この従来技術はそれらの意図された目的を達成してはいるが、かなりの改良が要望されている。例えば、基板の特定領域をガスジェットによって生成される熱から遮蔽するための特別なカバーの必要性を排除することが望ましい。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、リフロープロセス中に基板を冷却する専用の冷却配列を使用して電子部品をフレキシブル基板上へはんだ付けするためのリフローパレットを含む。
これらの冷却配列は、パレットの内部空洞内に配置された相転移材料を使用する。相転移材料は、相転移中に基板から熱を吸収し、それによってリフロー中の基板温度を低く維持する。これは、リフロー中に基板の軟化を防ぎ、それによってその寸法安定性を保存する。パレットを冷却する別の技術は、熱電クーラーのアレイを動作させることを含む。これらの熱電クーラーは、基板を冷却してその寸法安定性を保存するために、リフロープロセス中に必要に応じて作動させる。更に別の方法はパレット内の通路を使用し、これらの通路を通して水、空気、または他の適当な流体を導き、はんだリフロー中にパレットから熱を吸収させて基板を低温に維持する。これらの技術は、リフロープロセス中に基板を遮蔽するためのパレット上のカバーを使用することなく、部品をフレキシブルポリエステル基板上にはんだリフローさせることを可能にする。
【０００６】
パレット及びカバーは、耐熱カーボンファイバ複合体のような、良好な熱拡散率を有する適当な伝導性材料で作ることができる。パレットのための他の材料は、ＦＲ−４のようなガラス充填エポキシで裏打ちされた薄い銅の層を含む。
【０００７】
好ましくは、基板上の回路導体は銅である。部品パッドと呼ばれる導体の選択された領域には、これらのパッドへのはんだ付けの容易さを高めるために、錫または浸漬銀のような表面仕上げがなされている。基板の導体領域間の間隔は、導体領域と同じ厚みを有する電気的に絶縁された銅の領域で充填されている。これらの銅領域は、リフロープロセス中に熱を選択的に吸収することによって、基板を更に遮蔽する。
【０００８】
部品は、基板の上側及び下側の両側に取付けることができる。このような基板の場合、リフロープロセスは第２の側について繰り返される。パレットは、基板の第１の側上の部品を受入れるための適切な空洞を有している。
【０００９】
フレキシブル回路は、２層より多くの回路導体からなることができる（一般に多層回路と呼ばれる）。これらの回路の場合、２層またはそれ以上の層の基板フィルムが使用され、適当な接着剤で互いに結合されて４層またはそれ以上の層の導体層に形成される。
【００１０】
適当な温度において活性化することができれば、どのような都合のよいはんだペースト調合も使用することができる。一つの適当なはんだペーストは、63％の錫と37％の鉛の組成からなり、183℃の融解温度を有している。他のはんだペースト組成は、錫、銀、及び銅の合金である無鉛はんだを含むが、これらは約220℃の高めの融点温度を呈する。
【００１１】
はんだペーストを活性化させるために、補助熱源を使用して１つまたはそれ以上のホットガスのジェットを基板の露出された領域に向かって導くことができる。適当なのは、パレット上の基板がホットガスのジェットを通過して輸送される時に、ホットガスのジェットを基板の幅全体を横切って広げることである。
【００１２】
（実施の形態）
フレキシブル、または半フレキシブル基板へ電子部品を電気的に相互接続するための本発明によるはんだをリフローさせる装置１０を図１に示す。以下の説明から明白になるように、装置１０は、フレキシブル基板の材料特性を劣化させることなく、基板上に回路部品を取付けるための手段になっている。装置１０は、リフロー炉、コンベヤシステム、補助熱源（ガスジェット）、及びパレット含む。リフロー炉は、基板を所望温度まで予熱する複数のヒーター２２を有している。コンベヤシステム１６は、パレット１４を協力して受入れてリフロー炉を通して移動させるように、普通の技法で構成されている。
【００１３】
パレット１４は、好ましくは、相転移パレットであり、これは本発明によりはんだペーストをリフローさせ、電子部品とフレキシブル基板１２とを相互接続する。相転移パレット１４は、基板１２を支持し、またコンベヤシステム１６と協力して炉１３を通して基板１２を輸送する。炉１３のヒーター２２が基板を予熱し、加熱されたガスジェット１８が補足的に加熱する。はんだペースト７２は、基板の導体パッド２８（これらの上に部品２４が配置されている）上に印刷される。
【００１４】
図２ａ−２ｂは、本発明による相転移パレット１４を上面図及び断面図で示している。図示のように、パレット１４は、相転移材料４２をその中に有している少なくとも１つの内部空洞４０を含んでいる。パレット１４上には支持ピン４４が設けられ、基板１２をパレット表面４６上にフラットに、即ち平面的に保持する。ピン４４は、基板１２に張力を加えるようにばね４８によって引張る（またはロードする）ことができる。本発明の一実施の形態では、ピクチャフレーム５０を使用して、基板１２をパレット表面４６に対して確保することができる。ピクチャフレーム５０は、図示のように、基板の周縁に取付けられてそれを確保し、基板の縁をパレットの表面に対して保持する。
【００１５】
本発明の別の実施の形態では、相転移パレット１４は、両面基板（図示のように、電子部品が基板の両面上に場所を占めている）を受入れるように構成されている。図３ａ−３ｄに断面図で示すパレット１４’は、基板の第１の露出表面上に取付けられた電子部品を受入れるために、少なくとも１つの外側空洞６６を有している。外側空洞６６は、もし必要ならば適当なフォームで充填して基板１２’のための付加的な支持体にすることができる。
【００１６】
本発明の好ましい実施例では、基板１２’は、0.003乃至0.010インチの厚みを有するポリエステルフィルムである。当分野においては公知のように、銅導体及びはんだパッドを、ポリエステルフィルムの両側に形成することができる。はんだペーストを印刷すべきパッド領域だけを露出させるように、適当なはんだマスクを銅導体の上に設ける。これらのパッドは、パッド表面を酸化物形成から保護するために、有機表面仕上げのような適当な表面仕上げを有することができる。部品のパッドへのはんだ付け能力を高めるために、浸漬銀または電気めっきされた錫のような他の表面仕上げも使用することができる。
【００１７】
鉛を含有する組成を有するはんだペースト、並びに無鉛組成を有するはんだペーストを使用することができる。鉛を含有するはんだペーストは約183℃乃至200℃の低い融解温度を有しており、一方、無鉛はんだ組成は約220℃乃至245℃の融解温度を有している。
【００１８】
動作中、その上に基板が取付けられたパレットは炉内の予熱ゾーンを通して輸送され、はんだペーストは活性化されてその融解温度の直下まで徐々に加熱される。このプロセス中、相転移材料４２が炉から、及び基板１２から熱を吸収し始め、それによって基板の温度を引下げる。相転移材料は、はんだペーストの融点より低い融点を有するように選択されている。相転移材料が融解し始めると、材料は、その潜熱に等しい量の熱またはエネルギを吸収し始める。従って、相転移材料の温度は材料が完全に融解するまで一定に保たれる。以上のように本発明は、パレット１４の熱吸収特性を大幅に高め、またはんだペーストのリフロー中に基板の温度を低く維持する。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態では、相転移材料４２は、はんだの融解温度より低い融解温度を呈し、ガリウム、ガリウム合金、または錫と鉛の合金のような伝導材料からなることができる。他の適当な相転移材料は、クロロフルオロカーボン及びそれらの複合体を含む。
【００２０】
集束され、集中された熱源を得るために、加熱されたガスジェット１８ような補助熱源が使用される。このガスジェットは、露出された基板表面を短時間の間加熱する。はんだペースト、導体パッド、及び基板の銅領域は、それらの熱拡散率が高いために熱を好ましく吸収し、一方相転移材料４２によってパレット１４は低い温度に保たれているので、基板１２は低い温度に維持される。このようにしてリフロープロセス中の基板の軟化及び損傷が防がれる。
【００２１】
基板の露出された領域がガスジェット１８の下を通過した後は、露出された電子部品及び基板の温度は急速に降下するので活性化されたはんだは冷却して凝固する。従って、導体と部品パッドとの間に良好な電気接続が形成される。このプロセス中に相転移材料も凝固するので、パレットは再使用の準備が整う。
【００２２】
図４ａ及び４ｃには、部品が実装されるフレキシブル基板上にホットガスを分配するように設計された本発明の別の実施の形態による独特なノズル２００が示されている。本発明は、ノズルの幅全体にわたる流れ及び温度の均一性を提供する。ノズル２００は、リフロー炉１３の幅にまたがって広がっている。以下に説明するように、ノズル２００は、流れ供給管２０２の分布した孔／スロット領域、スクリーン、及び離間した分布を使用する。ハネカムスクリーン、有孔板、及びスクリーン２０４の組合わせが、ノズル２００を出て行く流れを調整する。ノズルハウジング２０８に取付けられている滑り可能な板２０６の面は、入口フィード２０２の面積をノズル出口２１０の面積に対して寸法決めするより大きい柔軟性を与えるために、ノズル出口２１０の幅を調整可能にする。
【００２３】
ノズル２００は、ホットガスをフレキシブル基板上へ分配するためのノズルハウジング２０２を含む。ホットガスは、均一な流れ分布を発生させるために、ホットガス分配パイプ２０８を介してノズルハウジング２０２へ輸送される。有孔板２１０は、ノズルハウジング２０２の出口２１２の前に位置決めされている。
有孔板２１０は、ノズル及び基板の全幅にわたる均一なガス分布を保証するために、穿孔に関連した均一な、または可変のジオメトリを有することができる。更に、ノズル２００は、ノズルハウジング２０２に滑り可能に確保されている調整可能な側板を含むことができる。調整可能な側板は、出口２１２のサイズを小さくするように調整することができる。
【００２４】
ノズル２００は、ノズル入口２０８、及びノズル出口２０９を含む。ホットガスはノズル入口２０８において受入れられ、入口スクリーン２０９を通過させられる。入口スクリーン２０９は、ノズルの幅全体に均一なガス分布を発生させるために、Ｒで示されている半径を有する有孔板であることが好ましい。ノズルハウジング２０２は、ホットガスをノズル出口２１２に向けて導く複数の転向羽根２１４を更に含む。有孔板２１０及びスクリーン２１６は、ノズル出口２１２の付近に配置されている。有孔板２１０及びハネカムの形状に構成されているスクリーン２１６は、出口２１２の外側に、及びノズル６０２の幅全体に均一な流れを供給する。１対の調整可能な板２０６がハウジング２０２に取付けられており、上述した実施の形態と同じように出口２１２のサイズを小さくするように動作する。
【００２５】
本発明による独特なノズル設計３００の別の実施の形態を図４ｃに示す。ノズル３００は、入口３０４においてホットガスを受入れるためのテーパー付きスロット３０４、または可変孔を有するノズルハウジング３０２を含んでいる。ホットガスは、有孔板３０６、ハネカムフィルタ構造３０８、及びスクリーン３１０全体に分配される。この構成は、ハウジング３０２の出口３１２を通して均一なガス流を供給する。
【００２６】
図５ａ及び５ｂに示す本発明の別の実施の形態では、ホット及びコールドガスノズル４００、４０２の組合わせを使用してフレキシブル基板４０４全体にホットガスを分配する。以下に説明するように、コールドガスノズル４０２は、ホットノズル４００の下流に配置され、ホットノズル４００によって生成された熱をはんだリフロー後に急速に冷却するために使用される。コールドノズル４０２によって得られる冷却効果は、熱が基板４０４内へ更に拡散するのを阻止する。従って、熱は基板４０４の表面層に閉じ込められる。本発明の好ましい実施の形態では、ホットガスノズル４００は、部品４１２の位置に対応する開口４１０を有するステンシル４０８を通してホットガスを導く。これは、部品が実装されない基板４０４の領域が過熱によって損傷するのを減少させる。コールドガスノズル４０２は、部品が実装されない基板４０４の領域に対応する開口４１４を有する“ネガティブステンシル”４０６を通してコールドガスを導く。
【００２７】
フレキシブル基板全体にホットガスを分配するための本発明によるホットガスノズルの別の実施の形態を図６ａ−６ｂに示す。ノズル５００は、ホットガス分配部分５０２及びホットガス吸引部分５０４を含む。ホットガス分配部分５０２は、複数の出口ダクト５０８の前に位置決めされている複数のバッフル板５０６を含む。バッフル板５０６は、出口ダクト５０８全体にホットガスを均一に分配し、ノズル５００の吸引部分５０４は、フレキシブル基板５１０の上を流れるホットガスを吸込むために真空と通じている。複数の吸引入口が出口ダクト５０８に対応しており、フレキシブル基板５１０上の電子部品５１４の上を流れる熱い空気流（矢印Ａで示す）を作る。このようにして、本発明は、基板５１０がノズル５００の下を通過する際に、基板５１０の上にホットガスの狭いストリップを発生させる。
【００２８】
図７ａ−７ｃに示すノズル５００の代替実施の形態では、ノズルのホットガス部分５０２は基板の全幅に広がっており、単一のホットガス出口５２０を含んでいる。複数の拡散板５２２が出口５２０付近に位置決めされ、基板５１０を横切って均一なホットガス分布を生じさせる。ホットガス吸引部分５２４がホットガス注入部分５２３の下流に配置され、同様に基板５１０の全幅に広がっている。
吸引部分５２４内に真空が作られ、ホットガス注入部分５２０と協力して出口５２０から吸引入口５２６まで基板を横切って均一なガス流を発生させる。図７ｃには、代替吸引入口５２７が示されている。
【００２９】
図８に示す本発明の別の実施の形態では、リフロー炉６０２内に配置されている千鳥配列（スタガード）回転ノズルのアレイ６００を使用して、ホットガスのストリームをフレキシブル基板６０４上へ導くことができる。ノズルの千鳥配列アレイ６００は、基板６０４上のはんだペーストをリフローさせるための補助熱源になる。千鳥配列アレイ６００は、電子部品６０６の下に突入してＪリードとＢＧＡとをはんだ付けするホットガスの渦巻を発生させる。ノズル６０８は、同一方向に回転する、及び逆回転するノズルのどのような組合わせであることもできる。更に、本発明は、振動する、及び／または旋回するノズルアレイをも企図している。
【００３０】
図９ａ−９ｂに示すように、ノズルアレイ７００は複数のノズル７０８を有しており、ホットガスを基板６０２上に分配するために、回転羽根形態を有するノズル７０８が基板上に配置される。ノズル７０８は、複数の矢印で示してあるように接線方向に渦巻く流れを発生させる。図９ｂに示すように、ホットガスはノズル入口８００において受入れられ、複数の側出口８０２及び底出口８０４から出て行く。従って、これらのノズル形態は、渦巻きながら下方に導かれるガス流を発生させる。
【００３１】
図１０ａ−１０ｂに示す本発明の更に別の実施の形態では、吹出し及び吸引の組合わせを使用する環状ノズル９０２の千鳥配列アレイ９００を使用し、はんだペーストをリフローさせるための補助熱源にしている。これらの環状ノズル９０２は部品６０６を異なる方向から加熱することを可能にし、それによって部品の下の領域及び回路の他の陰の領域に熱を対流させることができる。更に、環状ノズル９０２の千鳥配列アレイは、電子部品６０６上へ熱を切線方向へ導く。ノズル９０２が基板６０２上へホットガスのストリームを注入すると、吸引マニホルド９０４は部品を実装しない領域からホットガスを遠去けるように排出する。これにより、ホットガスストリームは、基板に沿う十分に限定されたストリップに制限される。以上のようにこの実施の形態は、基板の加熱を制御し、基板内へのホットガスの拡散を最小にする。環状ノズル９０２は、外側ホットガス吸引部分９０４内にホットガス注入部分９１０を含んでいる。ホットガスはホットガス部分９１０内へ注入され、フレキシブル基板上へ噴出される。ホットガスは、基板の上へ放射状に、且つ下方へ導かれる。ガスが基板上へ噴出されると、吸引部分９０４がホットガスのストリームを引込んで停止させるように働く。このようにして、制御されたホットガスストリームが電子部品上へ導かれる。図１０ｂに示すように、ホットガスは入口９１０内へ注入され、次いで環状出口９１２並びに底出口９１４から噴出される。吸引部分９０４は基板からホットガスを吸込み、それによって部品が実装されないフレキシブル基板の部分上をホットガスが通過するのを、そして基板のそれらの部分を損傷させるのを阻止する。
【００３２】
図１１ａ及び１１ｂは、フレキシブル基板９５４上のはんだをリフローさせるためのガス注入部分９５０及び吸引部分９５２を示している。矢印Ｈで示すように、ホットガスはガス注入部分９５０によって注入され、吸引部分９５２によって電子部品９５６を横切って引かれる。このようにして、電子部品と基板との間に配置されたはんだが融解し、基板に対する損傷が回避される。
【００３３】
以上に、本発明をその特定の実施の形態に関して説明したが、当業者ならば本発明の技術内で多くの変形が考案できることは明白であろう。従って、本発明は広く解釈され、特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 相転移パレット上に取付けられたフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明による装置の概要図である。
【図２】 図２ａ−２ｂは、本発明による相転移パレットの好ましい実施の形態の断面図及び平面図である。
【図３】 図３ａ−３ｄは、露出された両側に電子部品が取付られるフレキシブル基板を有する本発明による相転移パレットの断面図である。
【図４】 図４ａ−４ｃは、本発明による独特なノズル配列である。
【図５】 図５ａ−５ｂは、ステンシルを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図６】 図６ａ−６ｂは、千鳥に配列されたノズル出口及び入口を使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図７】 図７ａ−７ｃは、角度付きノズルを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図８】 ノズルアレイを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図９】 図９ａ−９ｂは、角度付きノズルアレイを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図１０】 図１０ａ−１０ｂは、千鳥に配列された環状ノズルアレイを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図１１】 図１１ａ−１１ｂは、ノズルガス注入部分及びノズル吸引部分を使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。

Claims (12)

1. 複数の電子部品を基板に相互接続するために、はんだをリフローさせるためのシステムであって、
   上記基板と、該基板上に配置された複数の電子部品とを予熱する炉と、
   上記炉内に配置され、上記はんだをリフローさせるための付加的な熱エネルギを供給する補助熱源と、
   上記基板から熱を除去するための補助熱源抽出器と、
   上記基板を支持するためのパレットと、
   空洞内に配置され、上記パレットから熱を吸収するための相転移材料と、
   を備えていることを特徴とするシステム。
2. 上記補助熱源抽出器は、真空であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 上記補助熱源抽出器は、上記基板上のガスのストリームを引くために複数の千鳥配列にされた真空入口を有していることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 上記補助熱源は、ホットガスを上記基板上へ導くためのガスノズルであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 上記ガスノズルは、上記ノズルの出口のサイズを変化させるための調整可能な側部分を有していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 上記ガスノズルは、上記ホットガスを上記基板上に均一に分配させるためのスクリーンを有していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
7. 上記ガスノズルは、上記ホットガスを上記基板上に分配させるために複数の千鳥配列にされた出口を有していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
8. 上記ガスノズルは、回転するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
9. 上記ガスノズルは、振動するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
10. 上記ガスノズルは、環状ノズルであることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
11. 上記パレットを上記炉を通して、且つ上記補助熱源の下を輸送するためのコンベヤを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. 上記補助熱源と上記電子部品との間に位置決めされ、上記ホットガスを上記基板の部分上へ導くためのステンシルを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。

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