JP3784721B2

JP3784721B2 - 半田溶滴吐出装置及び半田溶滴吐出方法

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Publication number: JP3784721B2
Application number: JP2002003209A
Authority: JP
Inventors: 正人池川; 康彦佐々木; 雄二吉冨; 竜二郎有働
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: JP2003203939A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田溶滴吐出装置及び半田溶滴吐出方法に関するものである。
【０００２】
なお、この半田溶滴吐出装置は、プリント基板のバンプ電極へのハンダパッドの形成や、半導体素子のフリップチップまたはチップサイズパッケージにおける電極パッド上のハンダボール形成などに用いられる。
【０００３】
【従来の技術】
従来の半田ボール形成装置としては、特開２００１−７７１３８号公報に示されているように、高温の溶融半田に圧電素子を直接接触させずに、圧電素子を利用して溶融半田をオリフィスから押し出して半田ボールを形成するために、半田を貯留する半田貯留部と、半田を加熱して溶融状態を維持するヒータと、半田貯溜部の下部に設けられ、半田貯留部を外部と連通させるオリフィスと、オリフィスの半田貯留部側の開口端を開閉する弁体と、圧電素子部が半田貯留部内の溶融半田の上面より上方に位置するように配設され、弁体を駆動するランジュバン形振動子と、ランジュバン形振動子の圧電素子部及び配線を冷却する冷却手段とを備えるようにした半田ボール形成装置がある。
【０００４】
前記のように構成された装置の作用を説明する。タンク内の溶融半田はヒータで加熱されて所定温度に保持されるとともに、上方から窒素ガスにより所定の圧力で加圧状態に保持されている。発振器の駆動により、圧電素子にランジュバン形振動子の共振周波数の高周波電圧（例えば、数１０ｋＨｚ）が印加されると、ランジュバン形振動子が振動する。ランジュバン形振動子の振動に伴い、金属棒と一体的に弁部が往復移動されて、オリフィスのタンク側の開口端が開閉される。そして、弁部の１往復動毎にその変位量に対応する量の溶融半田がオリフィスから押し出され、オリフィスの下端から離れると、自身の表面張力によって球状の半田ボールとなる。半田ボールは、Ｘ−Ｙ方向に移動可能なテーブル上に載置されたフリップチップ、ＩＣパッケージ等の電極上に付着される。半田ボールの大きさはオリフィスの直径、窒素ガスの圧力、弁部の変位量及び振動速度等によって決まるが、数十μｍ〜３００μｍ程度の範囲で所望の値に設定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、オリフィスの半田貯留部側の開口端を開閉する弁体の往復移動により溶融半田をオリフィスから半田ボールとして吐出するため、微細な半田ボールの吐出量のばらつきが大きくなるという課題があった。特に、フレキシブルプリント基板などにおいては、半導体部品の高密度実装化に伴い、配線パターンの微細化及び狭ピッチ化が進展しており、これに対応できるように微細な半田ボールが均一に吐出されることが求められる。
【０００６】
本発明の目的は、微細な半田溶滴を均一かつ確実に吐出することができる半田溶滴吐出装置及び半田溶滴吐出方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の半田溶滴吐出装置は、溶融半田を収納すると共に底部に溶融半田を吐出するための微細なオリフィスを有するタンクと、前記タンク内の溶融半田全体に慣性力を与えて溶融半田の一部を前記オリフィスから微細な半田溶滴にして吐出するように前記タンクを加振させる加振子と、前記タンク内の溶融半田の状態を検出する検出器と、前記検出器の検出結果に基づいて前記オリフィス部分の溶融半田の圧力が一定になるように制御する制御装置と、を備える構成にしたことにある。
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の半田溶滴吐出方法は、底部に微細オリフィスを有するタンク内に溶融半田を供給して収納し、この溶融半田を収納した前記タンクを加振子により加振して前記タンク内の溶融半田全体に慣性力を与えて溶融半田の一部を前記オリフィスから微細な半田溶滴にして吐出し、検出器で前記タンク内の溶融半田の状態を検出し、前記検出器の検出結果に基づいて制御装置で前記オリフィス部分の溶融半田の圧力が一定になるように制御する構成にしたことにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例を図を用いて説明する。なお、各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１０】
本発明の第1実施例の半田溶滴吐出装置を図１から図３を用いて説明する。
【００１１】
まず、本実施例の半田溶滴吐出装置３０の構成について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例の半田溶滴吐出装置を模式的に示す縦断面図、図２は図１の半田溶滴吐出装置の圧電素子に加えられる駆動波形図である。
【００１２】
図１に示す半田溶滴吐出装置３０は、本発明の液滴吐出装置の一例であり、タンク１、加振子３、支持台４、台座５、オリフィス部材２９、ヒータ７、ＸＹステージ１７、検出器２３及び制御装置２２を備えて構成されている。この半田溶滴吐出装置３０は、プリント基板のバンプ電極へのハンダパッドの形成や、半導体素子のフリップチップまたはチップサイズパッケージにおける電極パッド上のハンダボール形成などに用いられる。液体を収納するタンク１は加振子３を介して支持台４に支持されている。
【００１３】
タンク１内に収納される液体は本実施例では溶融半田２０である。この溶融半田２０は、例えばSn-Ag-Cuなどの三元素系及びSn-Ag-Bi-Cuなどの四元素系の鉛フリー半田を用いることが可能である。これらの鉛フリー半田は、信頼性（熱衝撃性及び熱疲労などの力学的信頼性、マイグレーションなどの電気化学的信頼性）と、施行性（融点、ぬれ性、リフロー性、ブリッジ、母材との反応性）とに優れている。そして、溶融半田２０はタンク１内に２８０℃〜３４０℃の温度で溶融された状態で収納されている。タンク１には必要に応じて溶融半田２０を供給する通路２８が形成されている。
【００１４】
タンク１内の溶融半田２０の酸化を防止するためにタンク１の上部にはガス導入口及びガス排出口が形成されている。即ち、このガス導入口及びガス排出口を通して圧縮性不活性ガス（例えば窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなど）が流通され、タンク１内の溶融半田２０の背面側（上面側）が不活性ガスで充満される。この充満された不活性ガスによる圧力は溶融半田２０の背圧となる。
【００１５】
タンク１内の溶融半田２０を液滴化して吐出するためにタンク１の底部には微細なオリフィス６を形成したオリフィス部材２９が設けられている。これによれば、小さなオリフィス部材２９に精度良く微細なオリフィスを容易に形成することが可能である。オリフィス６はタンク１の内外を連通するものである。オリフィス６は２０μｍ〜４００μｍの範囲に設定される。この範囲を２０μｍ〜２００μｍとすることが均一な半田溶滴を生成する上で特に好ましい。
【００１６】
検出器２３はタンク１内の溶融半田２０の液面位置（高さ）を検出するものであり、制御部２１に接続されている。この検出器２３はフロートの上下動によって液面位置を検出するものである。検出器２３としては、超音波で液面を検出するものや、重量センサで溶融半田の重さを検出するものでもよい。また検出器２３を設ける代わりに制御部２１で発振器１５に与えた指令値をカウントして液面位置を判定するようにしてもよく、安価なものとすることができる。
【００１７】
加振子３はタンク１と支持台４との間に設置されている。これによりタンク１が複数の加振子３に支持されることになる。加振子３は圧電素子で構成され、制御装置２２により所定の周波数で振動される。加振子３が振動されることによりタンク１が加振され、タンク１内の溶融半田２０全体に慣性力が与えられる。
【００１８】
制御装置２２は、制御部２１及び発振器１５を備えて構成されている。制御部２１の制御信号に基づいて発振器１５で所定の駆動波形が形成され、この波形が加振子３に加えられる。この加振子３の加振方向は、重力方向及び液滴１０の吐出方向に一致している。即ち、吐出した半田溶滴１０は重力により落下することから、吐出方向は重力方向に平行であることが好ましく、更に、滴化の均一性の点からタンク２０の振動方向は吐出方向に平行であることが好ましい。なお、これらの方向と加振方向がずれていても、重力方向及び液滴吐出方向への加振成分を有していれば、半田溶滴１０の吐出は可能である。
【００１９】
この加振子３の駆動波形は、図２に示すように、山形波形部と変化のない一定部とからなる鋸波状である。加振子３はほぼこの駆動波形に比例して上下に振動する。山形波形部における下降部の勾配は上昇部のものより急峻になっている。これにより、液滴がオリフィス６から離れる際の切れが良くなり、より小さい直径で均一な液滴を吐出できる。
【００２０】
タンク１内に収納されている溶融半田２０の溶融状態を維持するためにヒータ７がタンク１に設けられている。ヒータ７の加熱量はタンク１内の溶融半田２０の温度が所定の温度になるように制御部２１により制御される。溶融半田２０の温度は溶融半田２０の物性によって異なり、一般に１００℃から７００℃の範囲の適切な温度に制御されるが、本実施例では上述したように２８０℃〜３４０℃の範囲における溶融半田２０の物性に合った温度に制御される。
【００２１】
ＸＹステージ１７はオリフィス６の下方に対向して位置し、台座５上に載置されている。タンク１８はオリフィス６の下方に対向して位置し、ＸＹステージ１７上に載置されてＸＹ方向に移動可能に配置されている。プリント基板１８は複数の電極を有している。そして、プリント基板１８は、例えばフレキシブルプリント基板であり、電極が微細でかつ狭ピッチ（例えば幅２００μｍ、ピッチ５００μｍ）で形成されている。
【００２２】
上述した半田溶滴吐出装置３０の動作について図１から図３を参照しながら説明する。図３は図１半田溶滴吐出装置の動作フローチャート図である。
【００２３】
図１に示すように、タンク１内に溶融半田２０が供給されて収納される（ステップ５１）。また、タンク１内に不活性ガスが流されてタンク１内が不活性ガスで充満される（ステップ５２）。さらには、制御装置２２の制御部２１によりヒータ７が所定発熱量に制御され、溶融半田２０の温度が所定温度に保持される（ステップ５３）。
【００２４】
この状態で、オリフィス６での静圧力は溶融半田２０のヘッド圧と不活性ガスの圧力の和であり、この静圧力はオリフィス６でのシール圧力よりも低くなるように設定されている。従って、溶融半田２０はタンク１内に保持されている。
【００２５】
一方、プリント基板１８が供給装置（図示せず）によりＸＹステージ１７上に載置される（ステップ５４）。そして、制御装置２２の制御部２１によりＸＹステージ１７が制御されてプリント基板１８が所定位置に移動される（ステップ５５）。
【００２６】
次いで、制御装置２２の制御部２１により発振器１５が駆動され、図２に示す駆動波形が発信される。この駆動波形が加振子３に入力され、加振子３が振動される（ステップ５７）。駆動波形の最初の山形波形部の上昇部により、全ての加振子３が同位相かつ同振幅で瞬時に伸び、支持板２を介してタンク１が上昇される。タンク１の上昇によって溶融半田２０全体に下向きの慣性力が働くため、オリフィス６の静圧力にこの慣性力（動圧力）が加わり、オリフィス６での圧力がシール圧力よりも高くなり、オリフィス６から溶融半田２０が吐出し始める。
【００２７】
そして、溶融半田２０は自身の表面張力により滴化して半田溶滴１０として吐出される（ステップ５８）。このように、加振子３を瞬時に伸ばしてタンク１を上昇させ、溶融半田２０に慣性力が加えられることにより、半田溶滴１０が吐出される（ステップ５８）。
【００２８】
このようにして半田溶滴１０が吐出されることにより、微細な半田溶滴１０が均一に吐出されることとなり、電極の微細化及び狭ピッチ化に対応することができる。そして、山形波形部の下降部が急峻になっていることにより、液滴がオリフィス６から離れる際の切れが良くなり、より均一な半田溶滴１０が吐出される。しかも、不活性ガスが充満されたカバー１１内に溶融半田２０が吐出されるために、滴化中の酸化膜生成が抑えられて液の切れが安定し、より均一な半田溶滴１０が得られる。さらには、複数の加振子３が同位相かつ同振幅で振動することにより、より確実に液滴化が可能である。
【００２９】
吐出された半田溶滴１０は重力により滴下して図１に示すように電極上に付着される。次いで、次に吐出される半田溶滴１０に対応する電極がオリフィス６の直下に位置するように、ＸＹステージ１７が駆動されてプリント基板１８が移動される（ステップ５９）。
【００３０】
そして、検出器２３によって溶融半田２０の液面高さＨが検出される（ステップ６０）。この検出値は制御装置２１に入力される。この検出値に基づいて制御装置２１により発振器１５への信号が変化される（ステップ６１）。即ち、液面高さＨが低下すれば、それに逆比例して発振器１５の駆動波形の振幅が大きくなるように制御される。これにより、溶融半田２０のヘッド圧の低下分が補われ、オリフィス６での静圧が一定に保たれる。
【００３１】
即ち、タンク１の上下振動を角周波数ω、振幅Ａの単振動と見なすと、タンク１の底部のオリフィス６の圧力Ｐｂは次の式（１）で模擬的に表される。
【００３２】
【数１】

但し、ρは溶融ハンダの密度、ｇは重力加速度である。
【００３３】
従って、溶融半田２０の液面高さを検出器２３を検出し、この検出結果に基づいて制御部２１によりオリフィス圧力Ｐｂが一定になるように加振器３の振幅を制御すればよい。ほとんどの場合、ρｇＨに比べ、ρＡＨω^２の値が大きいため、溶融半田２０の液面高さに逆比例して加振器の振幅を制御すればよい。
【００３４】
なお、振動変位が単振動とみなせない場合は、変位ｚの加速度(d2z/dt2)の波形を測定することにより、次の式（２）からオリフィス圧力Ｐｂが分かる。
【００３５】
【数２】

ステップ６１からステップ５７に戻り、次の半田溶滴１０が所定の電極上に付着される。これらの動作を繰り返して各半田溶滴１０が各電極に連続的に付着される。半田溶滴１０が所定の電極全てへ付着されることにより半田溶滴１０の吐出動作が終了する。
【００３６】
また、高温に耐える圧力センサを用いてタンク１のオリフィス圧力Ｐｂを直接測定し、その波形に従って加振子３の電圧波形を制御しても良い。このように構成することにより、より精度が高い直径が均一な液滴を噴射でき、生産量が高く信頼性の高い液滴噴射装置とすることができる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施例の半田溶滴吐出装置について図４を用いて説明する。図４は本発明の第２実施例の半田溶滴吐出装置を模式的に示す縦断面図である。この第２実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００３８】
この第２実施例では、加振子３の設置位置より下にオリフィス６が来るようにタンク１が構成されている。このような構成により、オリフィス６とプリント基板１８の距離が短くなり、プリント基板１８上での液滴到達位置の精度が高くなる効果がある。また、この第２実施例では、オリフィス６からプリント基板１８までの半田溶滴１０の飛翔区間を覆うように円筒形のカバー１１が設置されている。このカバー１１にはガス導入口１２が接続され、圧縮性非酸化性ガス（例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなど）がカバー１１の内側へ供給される。これにより、半田溶滴１０の酸化を防止することができる。特にこのような構成により、直径の精度が高い液滴が得られる効果がある。
【００３９】
また、タンク１はカートリッジ式として交換できるようになっていてもよい。この場合、溶液半田２０はカートリッジの製作時に封入され、使用中に補給されることはない。なお、カバー１１及びガス導入口１２は第１実施例に設置されても良い。
【００４０】
次に、本発明の第３実施例の半田溶滴吐出装置について図５を用いて説明する。図５は本発明の第３実施例の半田溶滴吐出装置の要部を模式的に示す縦断面図である。この第３実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００４１】
この第３実施例では、オリフィス６から噴射する液滴が元の液から切れやすくするため、ノズル部材プレート２９のオリフィス６の周辺の表面に濡れ難い膜２９ａをコーティングしてある。このように構成することにより、長時間オリフィス６から均一な径の液滴を噴射できる。
【００４２】
次に、本発明の第４実施例の半田溶滴吐出装置について図６を用いて説明する。図６は本発明の第４実施例の半田溶滴吐出装置を模式的に示す縦断面図である。この第４実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００４３】
この第４実施例では、交換可能なカートリッジ式のタンク１をチャック２５が掴み、そのチャック２５と支持台４との間が加振子３で接続されている。加振子３の特性のばらつきでタンク１が傾かないように加振子３は一箇所にまとめられている。さらに、支持台４の両脇にはガイド４ａが付いており、タンク１が上下に振動する際、振動の方向がプリント基板１８に垂直になるように制御されている。このように構成することにより、タンク１がプリント基板１８に対して振動する方向の精度が高くなり、基板上の液滴の到達位置の精度が高くなる効果がある。
【００４４】
また、以上述べた実施例において、タンク１内の溶融半田２０の量が一定になるように、通路２５より溶融半田を補給するように制御しても良い。
【００４５】
以上は、溶融ハンダの液滴を噴射させる装置への適用であるが、他のプリンタ用インクジェットや有機ＥＬ素子製造用の液滴噴射装置にも共通に実施出来る。インクジェットや有機ＥＬ素子用の液滴噴射装置では、ヒータや圧縮非酸化性ガスの供給はしなくても良い。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、微細な半田溶滴を均一かつ確実に吐出することができる半田溶滴吐出装置及び半田溶滴吐出方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の半田溶滴吐出装置を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１の半田溶滴吐出装置の圧電素子に加えられる駆動波形図である。
【図３】図１の半田溶滴吐出装置の動作フローチャート図である。
【図４】本発明の第２実施例の半田溶滴吐出装置を模式的に示す縦断面図である。
【図５】本発明の第３実施例の半田溶滴吐出装置を模式的に示す縦断面図である。
【図６】本発明の第４実施例の試薬液滴吐出装置を模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…タンク、３…加振子、４…支持台、５…台座、６…オリフィス、７…ヒータ、１０…半田溶滴、１１…カバー、１２…ガス導入口、１５…発信器、１７…ＸＹステージ、１８…プリント基板、２０…溶融半田、２１…制御部、２２…制御装置、２３…検出器、２５…チャック、２８…ガス供給通路、２９…オリフィス部材、３０…半田溶滴吐出装置。

Claims

溶融半田を収納すると共に底部に溶融半田を吐出するための微細なオリフィスを有するタンクと、
前記タンク内の溶融半田全体に慣性力を与えて溶融半田の一部を前記オリフィスから微細な半田溶滴にして吐出するように前記タンクを加振させる加振子と、
前記タンク内の溶融半田の状態を検出する検出器と、
前記検出器の検出結果に基づいて前記オリフィス部分の溶融半田の圧力が一定になるように制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする半田溶滴吐出装置。
請求項１において、前記検出器は前記タンク内の溶融半田の高さを検出するようにし、前記制御装置は前記検出器で検出した溶融半田の高さに逆比例するように前記加振子の振幅の大きさを制御するようにしたことを特徴とする半田溶滴吐出装置。
請求項１において、前記検出器は前記タンク内の底部の溶融半田の圧力を検出するようにし、前記制御装置は前記検出器で検出した溶融半田の圧力に逆比例するように前記加振子の振幅の大きさを制御するようにしたことを特徴とする半田溶滴吐出装置。
請求項１において、前記制御装置は前記検出器で検出した溶融半田の状態に基づいて前記タンク内に補給する液量を制御するようにしたことを特徴とする半田溶滴吐出装置。
溶融半田を収納すると共に底部に溶融半田を吐出するための微細なオリフィスを有するタンクと、
前記タンク内の溶融半田全体に慣性力を与えて溶融半田の一部を前記オリフィスから微細な半田溶滴にして吐出するように前記タンクを加振させる加振子と、
前記タンク内の溶融半田の状態を検出する検出器と、
前記検出器の検出結果に基づいて前記オリフィスから吐出される半田溶滴の大きさが一定になるように制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする半田溶滴吐出装置。
底部に微細オリフィスを有するタンク内に溶融半田を供給して収納し、
この溶融半田を収納した前記タンクを加振子により加振して前記タンク内の溶融半田全体に慣性力を与えて溶融半田の一部を前記オリフィスから微細な半田溶滴にして吐出し、
検出器で前記タンク内の溶融半田の状態を検出し、
前記検出器の検出結果に基づいて制御装置で前記オリフィス部分の溶融半田の圧力が一定になるように制御する
ことを特徴とする半田溶滴吐出方法。
底部に微細オリフィスを有するタンク内に半田溶液を供給して収納し、
前記タンク内の溶融半田をヒータにより加熱して溶融状態を維持し、
この溶融半田を収納した前記タンクを加振子により加振して前記タンク内の溶融半田全体に慣性力を与えて溶融半田の一部を前記オリフィスから微細な半田溶滴にして吐出し、
検出器で前記タンク内の溶融半田の状態を検出し、
前記検出器の検出結果に基づいて制御装置で前記オリフィス部分の溶融半田の圧力が一定になるように制御する
ことを特徴とする半田溶滴吐出方法。