JP4935743B2 - フラックス形成装置 - Google Patents

Description

本発明はハンダボールを基板面上の電極に印刷して、ハンダ付けを行う場合に前処理としてフラックスを形成するための装置に関する。

従来、プリント基板にハンダボールを形成するために、前処理としてスクリーン印刷技術を用いて、プリント基板とハンダボールとのタッキング力を向上させるフラックスの印刷を行ってきたが、半導体の高集積化に伴って、基板の配線パターンも微細化し、作成するハンダボールのピッチが狭く且つ小さなハンダバンプの作成が要求されている。

このため、印刷の高速化且つ高精度化の要求に対して、スクリーン印刷法に変わる安価なフラックスの作成方法として、特許文献１又は特許文献２に記載のようにインクジェットノズルを用いた方式が提案されている。

特開２００１−１６８５０９号公報 特開２００１−０５３０９９号公報

上記従来技術は、単にフラックスを電極に塗布するために、インクジェットヘッドを使用するとの開示が有るのみで、具体的な構成・動作等に関しては何ら開示がない。ところで、フラックスはそれ自体が粘性の高い液体であるために、一般のインクジェットヘッドを用いると、ノズルにフラックスが付着して、ノズルが詰って吐出できなくなったり、時間が経つと吐出量にバラツキが生ずる等の問題が有る。また、流動性を向上させて塗布すると電極外にフラックスが流れ出たり、隣接して塗布されたフラックス同士が結合したり、フラックス上に塵埃が付着することで、絶縁性が失われる等の問題がある。

本発明の目的は、上記課題を解決するために、インクジェットヘッドを用いてフラックスを吐出する場合に、ノズル詰まり等の問題の生じない装置を実現することにある。

インクジェットヘッドを用いて、テーブル上に載置された基板に形成された電極部に、フラックスを塗布するフラックス形成装置において、インクジェットヘッドにフラックスを供給する貯留タンクに、フラックスを温めるための加熱機構を設けると共にインクジェットヘッドにも加熱機構を設け、フラックスを所定温度に保持して電極に吐出し、吐出された基板上のフラックスを冷却する冷却機構をテーブルに設けた構成とした。

フラックスを温めて粘度を低下させ、インクジェットヘッドよりスムーズに吐出させると共に、吐出後のフラックスの温度を下げることで、粘度を増加させて流動性を悪くすることにより、所望の領域内に精度良くフラックスを塗布できるようにした。

図１に、ハンダバンプ形成システムの全体構成の概略図を示す。

ハンダバンプを形成する場合、まず電極の形成された基板上にフラックスを形成するフラックス形成装置１００が設けてある。ここでは、基板上に形成されている電極上に、電極形状に合わせてフラックスが塗布される。基板上の電極にフラックスが塗布された基板は、ハンダボールを供給するハンダボール供給装置２００に搬送される。本実施例のハンダボール供給装置２００は、前記フラックス上にハンダボールが、電極形状に開口部を備えたスクリーン版上から供給する方式（スクリーン印刷装置）で構成している。ハンダボール供給装置２００でハンダボールが供給された基板は、次に検査・修正装置３００に送られ、欠陥の検査を行うと共に、修理可能な欠陥はそこで修理され、修理不可能な基板はラインから排除される。検査を終了した基板は、リフロー装置４００に搬送され、ここで加熱溶融され、ハンダバンプ形成基板となる。

フラックス形成装置１００にはインクジェットヘッドと、基板を載置してテーブル面に一時固定する上下動可能なテーブルを備えている。インクジェットヘッドは矢印の水平方向（ＸＹ方向）に移動可能であり、基板はテーブル位置までベルトにより搬送され来る構成となっている。また、ハンダボール供給装置２００にも、ハンダボールを供給するためのハンダボール供給用ヘッドと、供給用のマスク、および上下移動可能な基板保持用のテーブル、待つ句と基板の位置合わせのためのカメラ等を備えている。さらに、検査・修正装置３００には、ハンダボールの供給された基板面を撮像し、欠陥部分が有るか否かを判定するためのカメラと、欠陥部分のハンダボールの除去するためのハンダボール吸引除去用のノズルと、新規のハンダボールを供給するための補修用のディスペンサノズルを備えた補修用ヘッドを備えている。またこの装置には図示していないが、欠陥部分で取り除いたハンダボールを廃棄する廃棄ボックスや、新規のハンダボールを収納したハンダボールボックス、及びフラックスを収納したフラックスボックス等を備えている。リフロー装置４００には、搬送ベルトの上側に、ヒータが設けてあり、所定温度に加熱してハンダボールを溶融して電極上にハンダバンプを形成する。このため、この部分の搬送ベルトは耐熱性の材料で形成されている。

本実施例では、フラックスの塗布にインクジェットヘッドを備えたフラックス形成装置を用いている。これは、電極の微細化に伴い、スクリーンマスクのスリット製作において、単に印刷パターンのダウンサイジングによる加工は難しく、仮に製作を実施できたとしても、マスクと基板の位置合わせ精度の向上が必要となり、ハンダバンプ形成の段取りに時間を要するためである。また、一般的にフラックスは高粘度（約１５〜３０Ｐａ・ｓ）のため、マスクに形成された微細なスリット（流路）に対して、印刷時に流動性が悪く、仮にマスクのスリットへのエア溜まりや塵埃詰まり等による印刷抜けや印刷量不足の回避のために、強い印圧により電極上にフラックスを形成したとしても、隣接する電極パターン上のフラックスと架橋して、印刷不良を起こし易いためである。さらに大きな印圧でマスクを基板側に押し付けることになり、マスクの寿命が短いという問題もある。

図２に、フラックス形成装置の概略構成を示す。

図２に示すように、本実施例のフラックス形成装置は、図示していない架台上に基板載置用テーブル１が設けてあり、そのテーブル１の両側にはＹ軸方向にリニアレール２が設けてある。リニアレール２上には、移動ステージ３が設けてある。移動ステージ３には、取付け脚４が設けてあり、その上にテーブル１を跨いで上方に移動フレーム５が取付けられている。この移動フレーム５には、塗布ヘッド６をＸ軸方向に移動させるためのヘッド移動機構（リニアレール）７が設けてある。

塗布ヘッド６は、Ｚ軸テーブル８、インクジェットヘッド１０とその取付けブラケット１１、カメラ１２等で構成しており、Ｚ軸テーブル８は、ヘッド移動機構７に取付けられている。即ち、Ｚ軸テーブル８がＸ軸方向に移動するように構成してある。また、Ｚ軸テーブル８には、Ｚ軸モータ９が設けてあり、インクジェットヘッド１０等を取付けた取付けブラケット１１が、Ｚ軸方向に移動するように構成している。さらに、Ｚ軸テーブル８には、インクジェットヘッド１０を回転させるためのＲ軸モータ１７が設けてある。なお、取付けブラケット１１には、位置合わせ用のカメラ１２や、図示していない、インクジェットヘッド１０と基板１５との距離を計測するための距離計測用センサが設けてある。この距離計測用センサの検出結果に基づいて、塗布ヘッド６を上下に駆動して塗布時の基板とノズルの間隔を一定に保つようにしてある。また、架台のリニアレール２に挟まれたテーブル１の一方側端部には、ノズル検査用カメラ１３と飛滴検査カメラ１４が移動するためのカメラ移動用リニアレール１６が設けてある。このテーブル１とカメラ移動用リニアレール１６は、上下に移動可能に構成されている。これは、図示していない基板搬送ベルトから基板１５を受け取り、テーブル１上に載置するためである。

また、図示していないが、テーブル１には基板１５を受け取り、位置決めするための上下移動可能なストッパ等が設けてある。なお、ノズル検査用カメラ１３は、フラックスを基板１５に塗布する前に、予めノズル孔３２（図３）に詰まりが無いかを確認すると同時にノズル孔の塗布配置位置を確認し、飛滴検査カメラ１４は、ノズル孔３２から射出されるフラックスの飛滴の状態を確認し、射出量等に問題が無いかを確認する。ノズル孔３２の詰まり状態、塗布配置位置及びフラックスの飛滴の射出状態良否判定については、予め制御部３５（図３）にその判定基準となる条件を設定しておき、その条件を満足することにより、フラックスを塗布形成するようにプログラミングされている。ノズル孔の塗布位置に不具合があれば、主に塗布ヘッド６のＲ軸モータ１７を回転させて再調整を行う。また、ノズル孔の詰まり及びフラックスの射出量状態に不足があれば、図示しないインクジェットヘッド充填機構により、ノズル孔側から吐出部３１（図３）を真空吸引（以降、充填という）してノズル詰まりを解消させ、且つ、布等の吸収素材からなるノズル清掃機構（図示せず）により、充填後のノズル孔周りの清掃を実施する。この動作は、ノズル詰まりが無くなるまでノズル詰まり解消作業を実施する。また、フラックスの射出量状態に過不足があれば、射出の制御に用いている駆動電圧を変更することでも、調整可能である。

なお、本実施例では、ノズル詰まり解消のための充填実施回数を、予め制御部３５に設定しておき、充填実施回数に到達しても、ノズル詰まりが解消しない場合は、ノズル孔３２の詰まり孔数やフラックスを塗布形成するためのパターンにより、別のノズル孔３２を用いて塗布を実施したり、あるいは制御部３５からアラームを出して、インクジェットヘッド１０を交換させるようにしている。また、定期的にノズル孔の詰まりと、フラックスの飛滴射出量の確認を実施し、その都度確認されるフラックス塗布不良要因については、ノズル詰まり解消（充填）作業や、使用ノズルの変更等を制御部３５で処理させている。

図３には、フラックス塗布用のインクジェット塗布ヘッド６に、フラックスを供給する供給系統を示している。ところで、フラックスの形成において、インクジェットヘッド１０を用いる場合、使用するフラックス材の粘度が高いために、揮発性の高い溶剤で溶かすか、高温で粘性の低下するフラックス材を使用する必要がある。揮発性の高い溶剤を用いると、作業環境等で問題が発生するために、装置を機密性の高い部屋で使用し、且つ排気を充分に考慮する必要がある等、装置全体で見ると大型かつコスト高になり、作業性も悪くなる可能性が大きい。又、使用するインクジェットヘッド１０も、溶剤に強い材料及び構造を選択する必要があり、ヘッド自体も複雑で高価になる。そこで、本発明ではフラックス材として、高温で粘性の低下する材料を用いる方法とした。

そのため、図３（ａ）に示すように、塗布材を所定量貯留するフラックス貯留タンク（材料タンク）２０に加熱機構（ヒータ）２１と温度を計測するための温度計（図示せず）を設置している。

さらに、インクジェットヘッド１０にも加熱機構２２が設けてある。なお、フラックス貯留タンク２０からは、インクジェットヘッド１０にフラックスを供給する供給配管２３と、インクジェットヘッド１０からフラックス貯留タンク２０に、余剰フラックスを戻すための戻り配管２６と、その戻り配管２６途中に、フラックスを貯留タンク２０に戻すための循環ポンプ２５が設けてある。
なお、供給配管２３及び戻り配管２６には、図３（ｂ）に示すように、フラックスの温度を一定に保持するための加熱機構２４が巻きつけてある。

また、循環ポンプ２５は、加熱機構２１、２２、２４により温められた供給系統内で変質（低粘度化：例えば１０ｍｍＰａ・ｓ以下）したフラックス材の材料特性を均質にするために、制御部３５で設定したタイマにより、循環を行うように構成している。本実施例では、フラックスを未塗布時に、フラックス材が最も外気に曝されるノズル孔部において、フラックスの残渣が固化することによるノズル詰まりが発生しないように、制御部３５で設定したタイマにより、循環を行うように構成してある。なお、加熱機構２１、２２、２４によりフラックスの温度を上昇させているが、ヘッドの特性から塗布時にフラックスの温度は、６０℃以下にすると良い。従って、フラックスの粘性が低下する温度４０℃〜６０℃の範囲になるように温度制御を行う。温度制御等は、制御部３５で行うように構成している。前述のように、フラックスを暖めて粘度を低くし、基板１５に供給すると、フラックスが液状となり、電極上部だけでなく、電極外に広がってしまう可能性が高い。そのため、基板１５を保持するテーブル１には、基板を冷却する冷却機構２８が設けてあり、フラックス塗布時には、この冷却機構２８を動作させて、フラックスが基板上の電極部に接触すると、温度を急激に低下させてフラックスの粘性を増加させるようにしてある。冷却機構としては、テーブル内に冷却水を循環させる水冷方式や、ペルチェ素子を配置して電気的に冷却する方式等があり、本実施例はいずれの方式を用いても良い。また、フラックス貯留タンク２０の上部に負圧（黒矢印３０）を供給することで、塗布時以外にはインクジェットヘッド１０からフラックスが自然に漏れ出ないようにしている。

なお、インクジェットヘッド１０には、図３（ｂ）に示すように、吐出部３１に複数のノズル孔３２が設けてあり、図示していないが、ノズル孔毎に吐出制御できるようにノズル孔毎に駆動部が設けてある。なお、本実施例では、ノズル孔３２は一列に配列しているが、これに限らず複数列の配置や千鳥配列にしてもよい。

また、テーブル１には、塗布時に基板１５が移動しないように、負圧により基板１５を保持するための基板吸着機構２７が設けてある。また、図２に示すように、塗布ヘッド６には、位置合わせ用の撮像装置(カメラ)１２が設置されており、このカメラ１２にて基板１５に設けてある位置合わせマークを撮像して、基板１５の位置とインクジェットヘッド１０との位置ずれ等を補正できるようになっている。なお、本実施例では、塗布ヘッド６を備えた移動フレーム５をＹ方向に、移動フレーム５に備えた塗布ヘッド６をＸ方向に移動できるように構成しているが、この位置ずれを補正するために、テーブル１側にＸ軸、Ｙ軸、およびＲ軸方向の移動機構を設けても良い。

さらに、このカメラ１２は、塗布したフラックスの状態即ち塗布材料の塗布位置と液滴量を撮像して、電極上にフラックスが正常に塗布されたか否かを判別し、電極を跨いでフラックスが結合していないか否か等を検査するための撮像装置（カメラ）を兼ねることができる。フラックスの塗布不良は、このフラックス塗布装置で補修できるものは修正を行う。予め、制御部３５に設定された所望の条件を満たさない場合は、それぞれの発生事象に対して、図４に示す制御部３５にプログラミングされたプロセスを実施する。

図４は、フラックス塗布装置において、フラックス塗布不良を確認するためのフローチャートを示す。フラックス塗布不良の確認手順としては、まず、（１）フラックスの塗布された基板１５上に、カメラ１２を移動し、（２）塗布不良の有無を、カメラ１２にて確認する。塗布不良がなければ、そのまま（６）ハンダボール形成工程へ基板１５を移動し、塗布不良があれば、まず（３）塗布抜けの有無から判断を行い、塗布抜けがある場合は、カメラの撮像結果と、制御部３５に予め記憶してある塗布パターンから、フラックス塗布に使用するノズル孔３２を選定し、（４）再度塗布を実施する。なお、修正塗布実施前に、ノズル検査用カメラ１３による修正に使用するノズル孔３２の詰まり・塗布位置状態確認と、そのノズル孔３２から射出されるフラックスの射出量を、液滴検査用カメラ１４により確認し、もし、使用するノズル孔に詰まり等の不具合があり、前出の充填動作でも解消しない場合は、他の使用可能なノズル孔を選出し、修正を行う。次に、隣接したフラックスの塗布パターン同士が結合するように塗布されている場合は、（５）図示しないが、インクジェットヘッドに併設して設けてあるフラックス除去機構により、結合箇所のフラックスを除去し、ノズル孔３２の塗布配置位置と飛滴の射出方向・状態を確認後、再塗布を実施する。なお、このフラックス除去機構の実施例としては、吸引用のノズル又は微小なチューブによる吸引や、スポンジや布等による吸収及び拭き取りを実施するが、除去を実現できる運用であれば、これらに限らずとも良い。

また、この修正作業を実施するに当たっては、検査撮像装置（カメラ）１２を、塗布ヘッド以外にも複数台設置して実施しても良い。また、不良ノズル孔の数が多くなると、ノズル交換又はノズル清掃の指示も行うことが可能である。ノズル清掃に関しては、図示していないノズル清掃部をテーブルの端部に設けておき、ノズル部を加熱しながら吸引することにより、ノズル部及びその周辺部に付着しているフラックスを除去することが可能である。

次に、本装置の動作を説明する。
フラックスを形成する場合、予め塗布する位置（基板に形成された電極パターンと位置）を制御部３５に記録しておき、基板１５を、フラックス形成装置１００に搬入する。本実施例では、図１に示すように基板１５をベルトコンベアに搭載して搬入する方式を用いている。ベルトコンベアを使わずに、ロボットハンド等を用いる方式も有る。

ベルトコンベアで搬入された基板１５は、テーブル１を上昇させることでコンベアからテーブル１上に受け渡される。テーブル１に基板１５が載置されると、基板吸着機構２７を動作させて基板１５をテーブル１に固定する。次に塗布ヘッド６を、ＸＹ方向に移動して塗布ヘッド部に設けてある位置決め用カメラ１２で、基板１５に設けてある位置決めマークを撮像して、基板位置（テーブル１に対するずれ量）を求める。基板１５に対する塗布ヘッド６の初期位置を決定し、塗布ヘッド６を初期位置に移動させる。次に、基板１５に設けてある電極パターンに対する、ノズル孔３２の位置ずれ量を求め、そのずれを補正するようにインクジェットヘッド１０のＸＹ方向の移動及び回転を行う。

次に、加熱機構２１をオンにして、フラックスの温度を確認する。フラックスが所定温度になると、循環ポンプ２５を駆動すると共に、電磁弁２９を開放してインクジェットヘッド１０にフラックスを供給する。初めにフラックスは自由落下でインクジェットヘッド１０に供給される。制御部３５は、予め登録されている電極パターンと位置に基づいて、吐出すべきノズル孔３２を選択して、吐出指令を吐出駆動部(図示していない)に送信する。制御部３５は、同時にＸＹ方向に移動するための移動指令を各駆動部にも送信する。なお、塗布時には、基板１５とノズル孔３２の高さ位置を一定に保つための制御も行っている。フラックスが、インクジェットヘッド１０に供給された後、ノズル孔３２の塗布配置位置とフラックスの射出状態を確認後、基板１５に塗布を実施する。

塗布終了後、塗布ヘッド６に設けたカメラ１２で、塗布状態を検査し、異常があれば塗布を中断し、各種異常事象に対応した処理（先に述べたフラックスの補修等の処理）を基板１５に実施する。異常がなければ、塗布を続行する。塗布が終了すると、電磁弁２９を閉じる。その後、インクジェットヘッド１０内のフラックスがなくなると循環ポンプ２５を停止する。

塗布した基板１５の検査・修正作業が終了すると、基板１５は、次の工程であるハンダボール形成装置２００に送られる。ここでは、先の工程で形成されたフラックス上に、ハンダボールを供給する。本実施例では、ハンダボールの供給はスクリーンマスクを介してフラックス上に供給する方式を用いている。ハンダボールの形成された基板は検査・修正装置３００に搬送され、そこでハンダボールの供給状態を検査し、２重付着や欠陥を検査し、修正可能な欠陥はそこで補修を行う。検査の結果、正常な基板及び補修の完了した基板はリフロー装置４００に送られ、加熱されてハンダバンプが形成される。

以上のように、本実施例のフラックス形成装置では、フラックスの粘度を下げて塗布し、塗布されたフラックスが流れて広がらないように、急冷することで粘度を増加させている。これにより、精度良くフラックスを塗布することが可能となる。

以上説明したフラックス形成装置では、塗布ヘッドを１つの構成で説明したが、基板サイズ等に応じて塗布ヘッドの数を増やすことができることは言うまでもない。

ハンダバンプ形成システムの概略構成を示す図である。 フラックス形成装置の一事例を示す図である。 インクジェットヘッドへのフラックス供給系を示す図である。 フラックス塗布後の基板面の状態を検査・修正を実施する装置のフローチャートを示す。

符号の説明

１…テーブル、２…リニアレール、３…移動ステージ、６…塗布ヘッド、７…リニアレール、８…Ｚ軸テーブル、９…Ｚ軸モータ、１０…インクジェットヘッド、１２…カメラ、１５…基板、２０…フラックス貯留タンク、２１，２２，２４…加熱機構（ヒータ）、２８…冷却機構。

Claims (4)

1. インクジェットヘッドを用いて、テーブル上に載置された基板に形成された電極部にフラックスを塗布するフラックス形成装置において、
   前記インクジェットヘッドにフラックスを供給する貯留タンクから前記インクジェットヘッドまでの材料供給系統に加熱機構を設け、フラックスを所定温度に保持して前記電極に吐出し、前記基板上に吐出されたフラックスを冷却する冷却機構を前記テーブルに設けた構成としたことを特徴とするフラックス形成装置。
2. 請求項１に記載のフラックス形成装置において、
   前記加熱機構によりフラックスを所定温度に保持する材料供給系統に、前記インクジェットヘッドに供給した余剰フラックスを戻すための戻り配管と、前記戻り配管経路内に、フラックスを前記貯留タンクに戻すための循環ポンプを設けたことを特徴とするフラックス形成装置。
3. 請求項１〜２に記載のフラックス形成装置において、
   前記インクジェットヘッドのノズルを観測するノズルカメラと、
   前記インクジェットヘッドにより前記テーブル上の基板に塗布された液滴の状態を観測する塗布ドットカメラと、前記インクジェットヘッドより吐出される微小液滴の状態を観測する飛滴検査カメラを設けた構成としたことを特徴とするフラックス形成装置。
4. 請求項３に記載のフラックス形成装置において、
   前記テーブル上の基板に塗布された液滴の状態を観測する塗布ドットカメラの観測結果から、フラックスの塗布不良の有無を判定し、前記インクジェットヘッドのノズルを観測するノズルカメラと、前記インクジェットヘッドより吐出される微小液滴の状態を観測する飛滴検査カメラの観測結果から、前記インクジェットヘッドにてフラックスの塗布不良箇所に修正塗布を行うことを特徴とするフラックス形成装置。

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