JP4672109B2 - 液体と基板との接触領域を拡大する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に液体を分与する装置に関し、特に、基板上に液滴を分与する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に電気構成要素は、はんだ付けにより、回路板やその他の基板に固定される。構成要素を基板に固定する一般的なはんだ付け方法には様々なものがあるが、従来のはんだ付け法は、３つの独立した段階で構成されている。この段階とは、（１）基板にフラックスを塗布する段階と、（２）基板を予熱する段階と、（３）各種構成要素を基板にはんだ付けする段階の３つである。リフローや表面搭載法など、予熱が不要な場合もある。本発明は、たとえば、回路板、マイクロパラット、挿入基板、制御コラプスチップコレクション、ＶＧＡ、およびその他のコンピュータチップを利用した用途における、構成要素の固定に関する。
【０００３】
はんだ付け用フラックスは、溶融はんだが金属面を濡らすのを促進する化学化合物である。フラックスは、母金属表面から酸化物やその他の薄膜を除去する。また、フラックスは、はんだ付け作業中の再酸化から表面を保護し、溶融はんだおよび母材の表面張力を変化させる。はんだ付け用基板を効果的に調整し、基板に固定する電気構成要素を適切に濡らすには、プリント回路板などの基板をフラックスで清掃する必要がある。
【０００４】
はんだ付け作業時に、基板の別々の部分に微量のはんだフラックスすなわちはんだフラックスの液滴を分与する必要がある。この目的で、注射器型接触ディスペンサ、弁作動非接触ディスペンサなど、各種ディスペンサが使用されている。はんだフラックスに加えて、その他の液体も基板に塗布される。このような液体には、接着剤、はんだペースト、はんだマスク、グリス、オイル封入剤、注封材料、インク、シリコーンなどがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
弁作動非接触ディスペンサから出る液体は、基板に達する前に、表面張力の影響により、通常ほぼ球形の空中に浮かぶ液滴となる。したがって、液滴が基板に接触する際の接触面は、一定のほぼ円形の領域となる。液滴材料の粘度および表面張力特性次第では、接触領域上で液滴が、ほぼ半球形の形状を維持する。例えば、液滴材料の粘度あるいは表面張力が高い場合、一般に液滴は、基板の表面上で半球形の形状を維持し、接触領域は比較的小さくなる。従来のフラックスの場合、一般に液滴の高さは、液滴の直径に等しい。しかし、液滴材料の粘度あるいは表面張力が比較的小さい場合は、球形形状が表面で平たくなり、接触領域が拡大する。要するに、粘度が高い液滴、あるいは表面張力が高い液滴は、粘度が低い液滴や表面張力が高い液滴とは異なり、表面上に広がらない。
【０００６】
電子デバイスの製造時には、できるだけ少量かつ効果的な量のフラックスを使用して、できるだけ広い面を覆うことが望ましい。はんだ付け作業では、フラックスを一連の液滴として基板に不連続的に塗布するのが最適である場合が多い。フラックスの液滴が平たくなり、基板の広い領域に薄い層を形成することが好ましい。はんだ付けフラックスの比較的薄い層は、厚い層に比べいくつかの利点がある。例えば、特に「異物を含む」フラックスを使用した場合、電気構成要素と、例えば基板上のプリント回路とのはんだ付けは、フラックスの薄い層による方が信頼性が高い。同じ面積を覆う場合でも、一滴のフラックスから薄い層を形成する方が、複数の背の高いフラックスの液滴で層を形成するよりも使用するフラックスの量が少ない。また、複数の背の高い液滴で同じ表面を覆うよりも、１つの平坦な液滴を塗布する方が時間がかからないため、一滴のフラックスが広がって薄い層を形成すると、生産のスループットが増大する。
【０００７】
一般にはんだフラックスは、表面張力が大きいため、基板と接触してもさほど平らになることはない。むしろ非接触分与操作では、ほぼ半球形で接触領域が小さい比較的背の高い液滴ができる。したがって、従来の非接触ディスペンサおよびはんだフラックスでは、はんだフラックスの薄層を生成することが困難である。
【０００８】
よって、はんだフラックスなど、粘性液体の液滴を分与し、この液滴を基板上で平坦にする、すなわち液滴を広げて接触領域を拡大させることができる非接触液滴ディスペンサを提供することが望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の装置は、基板の表面にはんだフラックスなどの粘性液滴を分与し、その後、加圧空気を少なくとも１回噴出させることにより、液滴を平らにする、すなわち液滴を広げるように構成されている。本発明は、特に非接触ディスペンサ、すなわち分与操作時に基板に接触しないノズルを備えたディスペンサに適している。本発明の適切な一応用例において、基板は、プリント回路板になっている。加圧空気を噴出させると、液滴の表面張力に瞬間的に打ち勝つのに十分な力で、空気が１つまたは複数の分与液滴で形成される液滴に当たり、基板の表面に液滴が広がり、広い接触領域を形成する。
【００１０】
この目的を達成するために、本発明の原理によれば、基板上に液滴を排出し、その液滴に空気を当てるディスペンサは、はんだフラックスなどの液体の供給源に接続するように構成された液体供給通路を備えたディスペンサ本体を有している。ノズルがディスペンサ本体に接続している。また、ノズルは、液体供給通路に流体的に連通した液体排出通路を含む。また、ノズルは、加圧空気を選択的に噴出する加圧空気供給源に接続するように構成された空気排出オリフィスを備えている。空気排出オリフィスは、加圧空気の噴出が、液体排出通路から分与された１つまたは複数の液滴によって形成される液滴に当たるように、液体排出通路の近くに配設されている。空気によって液滴はほぼ平らになり、液滴と基板との接触領域が拡大する。液体排出通路と空気排出オリフィスとは、同軸状に形成されていることが好ましい。例えば、液体排出通路は、空気排出オリフィス内に配設してよく、したがって、空気排出通路で取り囲まれていてよい。
【００１１】
好ましい実施形態において、ノズルは、ディスペンサ本体に作動的に接続された液体分与ノズル本体と空気排出本体とを具備している。液体分与ノズル本体は、ディスペンサ本体の液体供給通路に流体的に連通した液体通路を備えている。液体分与ノズル本体は、ディスペンサ本体および空気排出本体内部のネジにネジ込めるように、外側にネジが形成されている。液体分与ノズル本体は、弁座を含むことが好ましく、ディスペンサ本体は、弁棒を含むことが好ましい。弁座は、弁棒が弁座に係合すると、液体が液体排出通路に流れないように、弁棒を選択的に受け入れるように構成されている。しかし、弁棒を弁座から分離すると、液体排出通路を通って液体が流れる。弁座に対して選択的に弁棒を係合、分離して、液体排出通路から液滴を分与するために、液体ディスペンサには制御装置が作動的に接続されている。
【００１２】
制御装置は、加圧空気を選択的に噴出して空気排出オリフィスから排出させるために、さらに加圧空気供給源に接続されていることが好ましい。液体排出通路からの液体の射出および空気排出オリフィスからの加圧空気の噴出をそれぞれ正確に制御するために、制御装置は、液体供給源および加圧空気供給源に関連した、空気的、流体的、または電気的に駆動されるソレノイド弁に作動的に接続されている。空気制御装置は、空気により平らになる１つまたは複数の分与液滴の排出と所定の時間的関係を保って作動することが好ましい。例えば、所定の時間的関係は、加圧空気の排出を行うソレノイド弁と液体材料の排出を制御するソレノイド弁との間の関係であってもよい。液体および空気制御装置ならびにこの制御装置に使用される構成要素は、様々な構成をとるものと考えられる。
【００１３】
また、本発明は、はんだフラックスなどの液体の液滴とプリント回路板などの基板との接触領域を拡大する方法に関する。一般に、この方法には、少なくとも１つの液滴をノズルから基板上に分与し、液滴と基板との接触領域を形成する段階を伴う。次に、ノズルの空気排出通路から、少なくとも１回、空気を噴出させる。空気の噴出は液滴に当たり、上記の理由により、上記の態様で一般に接触領域が拡大する。
【００１４】
したがって、本発明は、基板上に液滴を排出し、１回または複数回の加圧空気の噴出により液滴の表面接触領域を拡大させるディスペンサおよび方法を提供するものである。したがって、ディスペンサは、フラックスまたはその他の粘性液体の薄層をプリント回路板に効果的に付着させることができる。フラックスの薄層によれば、電気構成要素について、より信頼性のある接続を行うことができ、プリント回路板の製造コストが削減される。本発明は、その他の適切な用途についても利点がある。
【００１５】
添付の図面と併せて、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を検討すれば、本発明のその他の利点、目的、特徴は、当業者に容易に明らかになろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
先ず図１を参照して説明すると、好ましい実施形態のディスペンサ装置１０は、本発明の原理に従って構成したディスペンサ本体１２、液体分与ノズル本体１４、および空気排出本体１６を含む。ノズル本体１４および空気排出本体１６は独立した部分として示されているが、これらを単体のノズルに組み込んでもよい。ディスペンサ１０は、特に被加熱熱可塑性液体、ホットメルト接着剤、はんだフラックスなどの液体を分与する目的で構成されているが、本発明は、その他の液体ディスペンサにも利点がある。また、ディスペンサ１０は、液体を液滴あるいはドットのように分離した量で分与したり、または連続したビードとして分与するように構成されている。図１に示すように、本発明の液体分与ノズル本体１４および空気排出本体１６と組み合わせて使用するディスペンサ本体１２は、基板にはんだフラックスなどの液滴を分与するように構成されている。
【００１７】
以下、図２および図３を参照して説明する。ディスペンサ本体１０は、液体２２の加圧された源２０と連通する液体供給通路１８を備えている。この液体２２は、例えば、はんだフラックスまたはその他の粘性液体であり、これらの液体について、本発明は利点がある。はんだフラックス付与の場合の一般的指針としては、液体供給通路１８内のはんだフラックス２２の圧力は、低粘度のフラックスについては約１．５ｐｓｉ（約０．１Ｋｇ／ｃｍ２）から約５ｐｓｉ（約０．３Ｋｇ／ｃｍ２）であり、高粘度のフラックスについては１０ｐｓｉ（０．７Ｋｇ／ｃｍ２）から２０ｐｓｉ（１．４Ｋｇ／ｃｍ２）である。ディスペンサ本体１２も、液体供給通路１８内に取り付けた弁棒２４を含み、この弁棒と弁座２６との係合は選択的に解除できる。ディスペンサ本体１２は、弁棒２４と作動的に接続された従来のスプリングリターン機構（図示せず）を含んでいてもよい。このスプリングリターン機構は、弁座２６に対して弁棒２４を閉じ、ディスペンサ１０を通る液体の流れを既知の方法で停止する。
【００１８】
したがって、ディスペンサ本体１２およびこれに関連する弁棒２４は、弁棒２４を移動して弁座２６と係合、分離することにより、オン／オフ流体弁またはオン／オフ液体弁として働く。適切なディスペンサと弁駆動機構が、米国特許第５７４７１０２号に開示されている。この特許の開示全体をここに引用することより本明細書に組み込む。弁棒２４は、例えば、制御装置２８（図４）に応答して空気的または電気的に駆動され、取り付けた液体分与ノズル本体１４に液体供給通路１８から選択的にはんだフラックス２２を分与する。
【００１９】
液体材料の分与を制御するために、制御装置２８は、弁棒２４に作動的に接続されトリガ回路３４から受信したトリガ信号３２に応答して弁座２６から弁棒２４を引っ込める、ディスペンサ弁オンタイミングおよび駆動回路３０を含む。トリガ信号３２を受信すると、回路３０は、あらかじめ選択した時間好ましくは０ミリ秒から約１００ミリ秒の範囲で選択可能な時間だけ、弁座２６から弁棒２４を引っ込める若しくは係合を解いて、以下詳細に述べるようにディスペンサ１０から液体２２が流れるようにする。弁棒２４のあらかじめ選択した開放状態が終了すると、弁棒２４は弁座２６と再係合し、液体２２の流れを止める。
【００２０】
リテーナ３６は、ディスペンサ本体１２の雄ネジ４０と係合する雌ネジ３８を一端に備えている。該リテーナ３６は、中心に貫通穴４４を備えた内部肩部４２を有している。貫通穴４４は、液体供給通路１８と液体分与ノズル本体１４の両方に流体的に連通している。リテーナ３６がディスペンサ１２の雄ネジ４０にねじ込まれると、内部肩部４２は弁座２６とディスペンサ本体１２の端部４８にあるシール部材４６とを保持する。このようなシール部材４６は、テフロン（登録商標）製であることが好ましいが、端部４８と係合して、はんだフラックス２２がネジ３８、４０を通って漏洩するのを防止する。リテーナ３６は別端に雌ネジ５０も備えている。雌ネジ５０は、液体分与ノズル本体１４の雄ネジ５２を受けるように適合されている。液体分与ノズル本体１４を雌ネジ５０にねじ込むと、液体分与ノズル本体の端部５４が、リテーナ３６の内部肩部４２に接触し密閉的に係合して、はんだフラックス２２がネジ５０、５２を通って漏洩するのを防止する。
【００２１】
液体分与ノズル本体１４は、液体供給通路１８と、液体分与ノズル本体１４の端部６０から延びるノズル先端５８の液体排出通路５８ａとに流体的に連通している。端部６０は、空気排出本体１６、具体的にはプレート６６の雌ネジ６４と係合する雄ネジ６２を備えている。
【００２２】
空気排出本体１６は、空気チャンバ７０および空気排出オリフィス７２を備え、このチャンバおよびオリフィスは空気流入通路７４と連通している。空気流入通路７４は、空気制御弁７６（図３および図４）と作動的に接続されている。この弁は、加圧空気供給源７８と作動的に接続されたソレノイド弁になっていることもある。空気排出オリフィス７２からの加圧空気の噴出を制御するために、制御装置２８は、空気制御弁７６に作動的に接続された空気弁オンタイミングおよび駆動回路８２に結合された空気遅延タイミング回路８０を含む。以下、詳細に述べるように、制御装置２８および空気制御弁７６により、空気排出オリフィス７２からの噴出と液体排出通路５８ａからの液体の排出とが同期する。
【００２３】
好ましくは、空気制御弁７６は、加圧空気の制御された噴出を空気チャンバ７０に選択的に射出する。次にこの加圧空気は空気排出オリフィス７２を通って排出する。空気供給源７８の空気圧の範囲は、好ましくは約１０ｐｓｉ（約０．７Ｋｇ／ｃｍ２）から約３０ｐｓｉ（約２．１Ｋｇ／ｃｍ２）である。一般に、粘性が高い材料ほど圧力が高い空気が必要になる。或る付与においては液滴に噴出加圧空気を複数回当てると有利である。また、液滴を希望通りに平坦にするために、加圧空気を様々な圧力で排出してもよい。ある液滴については平坦にして広げ、その他の液滴については一般的に施される条件で放置することが望ましい使用もある。
【００２４】
空気チャンバ７０および空気排出オリフィス７２は、液体分与ノズル本体１４の端部６０から延びる液体排出通路５８ａと同軸状に整列されていると都合がよい。液体排出通路５８ａは、空気チャンバ７０および空気排出オリフィス７２内に配設され、これらに取り囲まれていることが好ましい。
【００２５】
作動時、ディスペンサ１０は、プリント回路板など、基板８６にフラックス２２の液滴８４を分与するように構成されている。一般に、プリント回路板８６の特定の分離した領域に、フラックス２２の数個の液滴８４を分与する必要がある。分与作業時、回路基板８６は所定位置に保持され、ディスペンサ１０は回路基板８６に対して所望の分与位置まで移動される。
【００２６】
本発明による分与方法は、基板８６上の希望分与位置上にディスペンサ１０を位置決めすることから始まる。液体排出通路５８ａの末端８８と回路基板８６との間の距離は、付与の条件次第で約０．０２インチ（約０．０５ｃｍ）から約０．７５インチ（約１．９ｃｍ）の範囲としてよい。次に弁棒２４が、回路３０によるトリガ信号３２の受信に応答して、選択的に弁座２６から分離され、よって、加圧されたはんだフラックス２２は、回路３０によって決定されるようなあらかじめ選択した時間だけ、液体分与ノズル本体１４の液体通路５６を流れることができる。あらかじめ選択した時間だけ流体が流れた後、弁棒２４は弁座２６と再度係合し液体通路５６へのはんだフラックス２２の流入を止める。したがって、図２および図３に示すように、はんだフラックス２２の液滴８４が形成され、そして液体分与ノズル本体１４の液体排出通路５８ａから分与される。図３に示すように、液滴８４はその後液体排出通路５８ａから落下して基板８６にのり、わずかに平坦な液滴８４ａとなる（図３）。液滴８４ａは、基板８６との接触領域９２ａを形成する。
【００２７】
液滴８４ａの分与を開始するトリガ信号３２に応答して、空気遅延タイミング回路８０は、あらかじめ選択したタイミングサイクルを開始し、あらかじめ選択したタイミングサイクルが終了するまで空気排出オリフィス７２からの加圧空気の生成および噴出を遅延させる。タイミングサイクルが終了すると、空気弁オンタイミングおよび駆動回路８２に応答して、あらかじめ選択した時間だけ空気制御弁７６が開く。空気制御弁７６の開放状態は０ミリ秒から約１００ミリ秒の範囲で選択できることが好ましい。
【００２８】
噴出した加圧空気は空気チャンバ７０に流入し、その後、空気排出オリフィス７２から排出する。したがって、図３中に垂直な矢印で示すように、加圧空気は液滴８４ａに当たり、それにより液滴８４ａは平坦な液滴８４ｂを形成できるほど充分に平坦になり、接触領域９２ａは、図３Ａ中に最もよく示されているように液滴８４ｂの下の接触領域９２ｂまで拡大する。このように、平坦な液滴８４ｂの高さは、液滴８４ａの高さより大幅に減少し、接触領域９２ｂは接触領域９２ａよりも著しく大きくなる。すなわち、噴出加圧空気が当たると、はんだフラックス２２の液滴８４ｂは広がり、最初の液滴８４ａと比較した場合基板８６のより広い部分を覆う。
【００２９】
液滴８４ａに噴出空気が当たったところで液滴１つの分与作業が終了し、ディスペンサは次の所望の分与位置に位置決めされる。希望の分与箇所すべてが平坦なはんだフラックス２２によって覆われるまで、この分与プロセスがプリント回路板全体にわたって繰り返される。液滴８４ａは同じ箇所またはほぼ同じ箇所に分与される複数の液滴を含んでもよい、ということに注意されたい。すなわち、この点に関して、「１つの液滴」という表現は限定的に使用しているのではないものと解釈されたい。
【００３０】
図５に模式的に示すように、流体弁として働く弁棒２４および空気弁として働く空気制御弁７６は、周期的に開閉し、それぞれ別個のはんだフラックス２２および噴出加圧空気を分与する。はんだフラックス分与用途のためには、流体弁２４は約２ミリ秒から約４ミリ秒の範囲にある時間「ｔ１」だけ開いていることが好ましい。同様に、はんだフラックス分与用途のためには空気制御弁７６は、約３ミリ秒から約６ミリ秒の間の範囲にある時間「ｔ２」だけ開いていることが好ましい。空気制御弁７６は、流体弁２４が開いた後、遅延時間「ｔｄ」で表わされるあらかじめ選択した時間だけ開いているように操作することができる。したがって、空気制御弁７６は弁棒２４が閉鎖する前に開く。遅延時間「ｔｄ」が０の場合、液体弁２４が開くときに空気制御弁７６が開き得る。一方、遅延時間「ｔｄ」が時間「ｔ１」に等しい場合は、空気制御弁７６が開くと同時に流体弁２４が閉じる。はんだフラックス分与用途の場合、遅延時間「ｔｄ」は約２ミリ秒から約４ミリ秒の範囲にあることが好ましい。当然ながら、液体材料と加圧空気の分与時間は、各液体空気分与サイクル間のあらかじめ選択した遅延と同じく、分与用途ごとに異なる、ということは当業者には容易に理解できるであろう。
【００３１】
ディスペンサ１０が分与するはんだフラックス２２の量は、供給源２０の圧力、流体弁２４が開いている時間「ｔ１」、および液体分与ノズル本体１４の物理的寸法などの要因によることがわかる。例えば、液体通路５６、およびノズル先端５８の液体排出通路５８ａの内径を大きくすると、所与の時間「ｔ１」の間に分与されるフラックス２２の量が増える。このように、サイズが異なる液体通路５６および液体排出通路５８を備えた各種ノズルアダプタ１４をノズルアダプタリテーナ３６にねじ込んで、様々なサイズの液滴を形成することができる。また、液体分与ノズル本体１４および空気排出本体１６を一体のものとして成形できることもわかる。
【００３２】
様々なこの好ましい実施形態により本発明について説明し、本発明を実施するのに最良な態様について述べるために、実施形態について以上かなり詳細に述べたが、出願人には、添付の請求項の範囲を上記の詳細に限定する意図はまったくない。本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、別の利点、変形が実現できることは、当業者にとって容易に明らかとなろう。本発明は、あくまで添付の請求項により規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】液体ディスペンサの端部に取り付けたノズルアセンブリの分解見取図である。
【図２】線２−２に沿った、図１のノズルアセンブリの拡大部分断面図であり、液滴の排出を示す図である。
【図３】図２に類似した拡大部分断面図であり、空気の排出を示す図である。
【図３Ａ】図３において丸で囲った部分「３Ａ」の拡大図である。
【図４】図１の液体ディスペンサとともに使用する制御装置のブロック線図である。
【図５】図１の液体ディスペンサが実行する流体弁と空気弁のオン／オフ時間プロフィールの略図である。

Claims (7)

1. 電気的構成要素をプリント回路板に固定する調整時に、ノズル及び該ノズル中の液体排出通路を有するディスペンサを利用して、プリント回路板上に接触領域を提供する方法であって、該液体排出通路は高表面張力を有する加圧粘性液体供給源と流体的に連通し、該ディスペンサがさらに加圧空気供給源と流体的に連通する空気排出通路を備え、
   該方法は、
   プリント回路板上に落ちる空気中に浮遊する液滴として前記ノズルの前記液体排出通路から出る前記粘性液体の液滴を前記基板に分与し、前記液滴とプリント回路板との間の初期接触領域を形成して該初期接触領域を引き起こす前記液滴の高い表面張力が実質的に一定に維持され、および
   前記液滴をプリント回路板に接触させて高表面張力を克服した後に、前記空気排出通路から噴出空気を排出して、前記液滴に衝突させ、それによって液滴とプリント回路板との間の前記初期接触領域を拡大させることからなる方法。
2. 前記噴出空気を排出する段階が、前記液滴を分与する段階が完了する前に開始される請求項１に記載の方法。
3. 前記空気排出通路から複数回の噴出空気を排出して、前記液滴に衝突させ、前記接触領域を拡大させる段階をさらに具備する請求項１に記載の方法。
4. 複数回の噴出空気を様々な圧力で排出する請求項１に記載の方法。
5. さらに、前記ノズルの前記液体排出通路からプリント回路板に粘性液体の第２の液滴を分配して、該第２液滴とプリント回路板との間に第２接触領域を形成し、該第２接触領域を引き起こす前記第２液滴の高い表面張力が実質的に一定に維持され、
   第２液滴がプリント回路板と接触した後、前記空気排出通路から第２噴出空気を吐出して前記第２液滴に衝突させ、それによって、高表面張力を克服し前記第２液滴とプリント回路板との間の前記第２接触領域が拡大する、
   ことからなる、請求項１に記載の方法。
6. 前記粘性液体がはんだフラックスである請求項１に記載の方法。
7. 前記液体排出通路と前記空気排出通路とが同軸状に配置されている請求項１に記載の方法。

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