JP4802179B2 - プリント基板の補修装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板の補修技術に係り、特に、電子部品を均一に加熱して補修、交換することのできるプリント基板の補修技術に関する。

はんだ付けによりプリント基板上に実装された電子部品が、製造過程における製造不良あるいは電子部品そのもの故障などにより動作不全となった場合、一般的には故障した部品を新規の故障のない部品に交換する補修作業（リペア作業）が実施される。

リペア作業は、プリント基板と電子部品とを接続しているはんだを加熱・溶融して、プリント基板から部品を取り外す工程と、新規の部品をプリント基板に実装し、はんだ接続する工程とからなる。

リペア作業の詳細はリペアを行なおうとるする部品の形状により異なり、プリント基板上に実装される部品が比較的小さく、且つ、はんだ付け箇所が外部から確認できる場合ににおいては、はんだごてを用いて、はんだ付け箇所を加熱・溶融して部品を取外し、再度はんだごてを用いて新規の部品を取付ることができる。

ところで、プリント基板の高密度化に伴って採用が増加しているＢＧＡ(Ball Grid Array)等のＩＣパッケージや、発生する熱を逃がす目的で部品下部にヒートスプレッダと呼ばれるはんだ接合部が設けられた部品、例えばＱＦＰ(Quad Flat Package)やＳＯＰ(Small Outline Package)においては、はんだ付け箇所が外部に露出していないため、はんだごてによるはんだ付け箇所の加熱・溶融ができず、部品の取外し、再取付けができない。

このような部品の取り外しおよび再取り付けに際しては、部品上部から（場合によってはプリント基板の下部からも同時に）熱風を吹き付けることにより、はんだを溶融させ交換作業を行うのが一般的である。この際には、部品を均一に加熱して、はんだ付け不良を防止すると共に、部品の耐熱温度以上に加熱しないように、部品に吹き付ける熱風をコントロールすることが重要である。

特許文献１には、部品に吹き付ける熱風をコントロールする方法が開示されている。この方法では、熱風を吹き付けるノズルの内部に回転羽根を設け、これにより熱風の流れを円滑化し均一化を図っている。

また、特許文献２には、熱風をＢＧＡパッケージの部品上部からだけではなくプリント基板とＢＧＡパッケージの間にも流入させることにより部品を均一に加熱することが示されている。
特開平４−１２４８９６号公報 特開２００２−３５３６１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、回転羽根が一定の回転速度で回転することを前提とする技術であり、そのためには日々のメンテナンスが必須となる。さらに、長年にわたり均一な温度分布を維持することは困難である。

また、特許文献２記載の方法では、リペア作業に際して、リペアしようとする部品が占める面よりも大きな範囲を必要とするため、リペアしようとする部品の周囲に実装されている部品にまでリペア作業の影響が及び、余計な労力かかる。

なお、実装に使用するはんだは、従来、融点１８３℃の共晶はんだが用いられてきたが、近年では、鉛フリーはんだ（融点２１８℃など）が採用されつつある。鉛フリーはんだを用いてはんだ接合する場合、部品耐熱温度（ＢＧＡパッケージ等では２５０℃付近である場合が多い）と、はんだ融点との差が小さくなることから、従来以上の厳密な温度管理が必要となる。

さらに、近年、ＬＳＩの高機能化により大型のＢＧＡが採用される例が増加してきている。大型ＢＧＡでは小型のＢＧＡに比してリペア時において、その中心部と外周部に温度差が発生しやすくなる。このため、はんだを均一に溶融させることが困難となり、リペア時のはんだ接合不良が起きやすい。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、電子部品を均一に加熱することのできるプリント基板の補修技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

表面実装部品を搭載したプリント基板を固定台上に保持し固定する支持台と、前記プリント基板に搭載された表面実装部品の表面に熱風を供給して、プリント基板と表面実装部品を接合するはんだを溶融させるノズルを備え、前記ノズルから熱風を供給して前記はんだを溶融して、表面実装部品を搭載したプリント基板における故障部品である表面実装部品を取り外して正常部品に置き換えるプリント基板の補修装置において、前記ノズルは、該ノズルの内周壁にパネル状のヒータを備え、該ヒータによりノズルから排出される熱風の外周部を加熱した。

本発明は、以上の構成を備えるため、電子部品を均一に加熱することのできるプリント基板の補修技術を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるプリント基板の補修装置（リペア装置）を説明する図である。リペア装置は固定台８，固定台８に固定アーム４を介して取り付けたノズル３、リペア対象であるプリント基板２を固定台８上に支持固定する支持台６を備える。また、支持台６に取り付けたプリント基板２の下方には、ボトムヒータ５が設けられる。

ノズル３は、プリント基板２に搭載されたＢＧＡ等の電子部品１にその上部から下方に向けて熱風を吹き付けることにより加熱する。また、ボトムヒータ５は、プリント基板２全体を下部から加熱する。制御部７は前記ノズルから吹き出す熱風及びボトムヒータの温度を制御する。

図２は、熱風を排出するノズル３の詳細を説明する図（斜視図）である。図２に示すように、ノズルは、断面が略矩形の筒状体（ノズル本体）２１を備え、その中心部には電子部品１を真空吸着するための吸着管２２を備える。また、吸着管２２と前記筒状体２１の内壁間に壁体２３を備え、該壁体２３により前記吸着管２を筒状体２１内に保持固定する。電子部品１の取り外しの際には、電子部品１を吸着管２に真空吸着してノズル３により搬送することができる。

筒状体２１の内壁の吹き出し口に隣接する部分には、パネルヒータ２４が貼付されている。

図３は、熱風を排出するノズル３の他の例を説明する図（斜視図）である。図２の例では、筒状体２１の内壁の吹き出し口に隣接する部分の全面にパネルヒータ２４を貼付したが、図３に示すように、筒状体２１の内壁の吹き出し口に隣接する部分の角部（コーナ部）のみにパネルヒータ２５を貼付してもよい。

図４は、電子部品（ＢＧＡ)をリペアする手順を示す図である。まず、交換しようとするＢＧＡに合致するＢＧＡ交換温度プロファイルを作成する（図４に示す条件パラメータを作成する）。次に、作成した交換温度プロファイルを用いＢＧＡを取外す。次に取り外した箇所に残留するはんだを取り除いた後、前記作成した温度プロファイルにしたがって、新規に用意したＢＧＡを取り付ける。

次に、ＢＧＡ交換温度プロファイルの作成作業から説明する。

ＢＧＡ交換温度プロファイルの作成は、先ず、交換しようとするＢＧＡが実装されたプリント基板２と同等のプリント基板を用意し、ＢＧＡの表面の数箇所に温度測定のための熱電対等の温度センサを取付ける。温度センサはＢＧＡの最も温度が上がりやすい中心部および最も温度が上がりにくい角部（４箇所）の計５箇所程度に取付ける。温度センサを取付けた後、この温度センサを取付けたプリント基板２をＢＧＡリペア装置のプリント基板支持台６に取り付ける。

次にノズル３を温度センサを取付けたＢＧＡの上部に移動し、ノズル３の位置合わせを行なう（図５参照）。この状態で熱風、ボトムヒータ５およびノズル３のパネルヒータ９の各出力を予めプログラムしておいた標準の値で出力する（図６参照）。

目標とするＢＧＡ交換温度プロファイルは測定した全ての箇所においてＢＧＡの製造者が推奨する温度範囲内とする必要がある。ＢＧＡの温度上昇はプリント基板２の大きさ、実装位置、配線パターン、ＢＧＡの大きさ、材質によって異なる（ステップＳ１，Ｓ２）。

温度プロファイルが推奨する温度範囲内とならなかった場合は、適時、熱風、ボトムヒータ５およびノズルのパネルヒータの出力、あるいは印加時間を変更して再測定する（ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４）。

本実施形態によれば、数十℃あった部品中央と部品端の温度差を数℃以内とすることができるので、ＢＧＡ交換温度プロファイルを部品メーカ推奨温度範囲内に入れることが容易にできるようになる。

図７は、パネルヒータ９を用いずにノズル３の上部から吹き出される熱風のみでＢＧＡを加熱した場合の部品中心部と部品外周部の温度プロファイルを比較した図である。図７に示すように、ノズル３の上部から吹き出される熱風のみでは最終的にＢＧＡの中心部温度１０と外周部温度１１の温度差が５０℃近くになっている。

一方、ノズル３上部から吹き出す熱風とパネルヒータ９を併用した場合、他の条件が同一であるにもかかわらず部品中心部と部品外周部の温度差を数℃以内に押さえることができる（図８）。

ＢＧＡの取外しに際しては、交換したいＢＧＡが実装されたプリント基板２を支持台６に固定する。次にノズルをＢＧＡの上部に移動し、位置合わせを行なう。ここで先ほど作成したＢＧＡ交換温度プロファイルを実行する。すなわち、ＢＧＡ交換温度プロファイル上で電子部品の温度が最も高くなる時間が経過した時点、あるいはＢＧＡ交換温度プロファイル上でＢＧＡを接続している全てのはんだが溶融したと思われる時点で、ノズル２を下方へ移動し、ＢＧＡとノズルの吸着管とを接触させる。このとき吸着管内を排気することによりＢＧＡを吸引する。その後、ノズル３を上方へ移動させるとＢＧＡをプリント基板から取り外すことができる（ステップＳ５）（図９）。

ＢＧＡを取り外したプリント基板２の表面には、余分なはんだが付着しているため、はんだ吸い取りワイヤ等を用いて余分なはんだを取り除く（ステップＳ６）。その後、メタルマスクを用いて、はんだペーストを印刷する。この状態でプリント基板を再度支持台６に取り付ける。次に、新規のＢＧＡを準備し、前記印刷したはんだペーストの上に載せる。次に、部品取外しのときと同様にノズル３をＢＧＡの上部に移動し、位置合わせを行なう。位置合わせが完了したら予め作製しておいたＢＧＡ交換温度プロファイルを実行し、はんだを溶融させＢＧＡを取付ける（ステップＳ７，Ｓ８）。ＢＧＡ取外しのときとは異なりＢＧＡを吸引する必要はない。

以上説明したように、本実施形態によれば、ノズルから排出される熱風の速度はそのままにして冷却されやすい熱風の外周部をパネルヒータで加熱する。このため、可動部利用することなくメンテナンスフリーで電子部品を均一に加熱することができる。また、リペア対象となる部品における中心部と外周部の温度差を抑制した状態で電子部品の交換作業を実現することができるため、電子部品をその耐熱温度以下で安定して交換することができる。

本実施形態にかかるプリント基板の補修装置（リペア装置）を説明する図である。 熱風を排出するノズルの詳細を説明する図（斜視図）である。 熱風を排出するノズルの他の例を説明する図（斜視図）である。 電子部品をリペアする手順を示す図である。 補修装置においてノズルと電子部品の位置合わせを行った状態を説明する図である。 補修装置において電子部品の加熱時の状態を説明する図である。 パネルヒータを用いない場合における温度プロファイルを示す図である。 パネルヒータを用いた場合における温度プロファイルを示す図である。 補修装置を用いて電子部品を取り出した状態を説明する図である。

符号の説明

１ 電子部品（ＢＧＡ）
２ プリント基板
３ ノズル
４ 固定アーム
５ ボトムヒータ
６ 支持台
７ 制御部
２１ 筒状体（ノズル本体）
２２ 吸着管
２３ 壁部材
２４ パネルヒータ
２５ パネルヒータ（角部）

Claims (4)

1. 表面実装部品を搭載したプリント基板を固定台上に保持し固定する支持台と、
   前記プリント基板に搭載された表面実装部品の表面に熱風を供給して、プリント基板と表面実装部品を接合するはんだを溶融させるノズルを備え、
   前記ノズルから熱風を供給して前記はんだを溶融して、表面実装部品を搭載したプリント基板における故障部品である表面実装部品を取り外して正常部品に置き換えるプリント基板の補修装置において、
   前記ノズルは、該ノズルの内周壁にパネル状のヒータを備え、該ヒータによりノズルから排出される熱風の外周部を加熱したことを特徴とするプリント基板の補修装置。
2. 表面実装部品を搭載したプリント基板を保持固定する固定台と、
   前記プリント基板に搭載された表面実装部品の表面に熱風を供給して、プリント基板と表面実装部品を接合するはんだを溶融させる矩形状のノズルを備え、
   前記ノズルから熱風を供給して前記はんだを溶融して、表面実装部品を搭載したプリント基板における故障部品である表面実装部品を取り外して正常部品に置き換えるプリント基板の補修装置において、
   前記ノズルは、該ノズルの少なくとも内周壁のコーナ部にパネル状のヒータを備え、該ヒータによりノズルから排出される熱風の外周部を加熱して熱風の温度分布を均一にしたことを特徴とするプリント基板の補修装置。
3. 請求項１または２記載のプリント基板の補修装置において、
   前記ノズルは、その中央部に吸引管を備え、ノズルのプリント基板からの離隔時に前記表面実装部品を吸着して表面実装部品をプリント基板から引き剥がすことを特徴とするプリント基板の補修装置。
4. 表面実装部品を搭載したプリント基板を保持固定する固定台と、前記プリント基板に搭載された表面実装部品の表面に熱風を供給して、プリント基板と表面実装部品を接合するはんだを溶融させる矩形状のノズルを備え、前記ノズルから熱風を供給して前記はんだを溶融して、表面実装部品を搭載したプリント基板における故障部品である表面実装部品を取り外して正常部品に置き換えるプリント基板の補修方法において、
   前記ノズルの少なくとも内周壁のコーナ部にパネル状のヒータを備え、該ヒータによりノズルから排出される熱風の外周部を加熱して熱風の温度分布を均一にするとともに、前記ノズルのプリント基板からの離隔時に、前記ノズルの中央部に設けた吸引管内を減圧して前記表面実装部品を吸着して、表面実装部品をプリント基板から引き剥がすことを特徴とするプリント基板の補修方法。

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