JP5167278B2 - 所定間隔に配列された半田ボールの接合方法及び接合装置 - Google Patents

Description

本発明は所定間隔に配列された半田ボールの接合方法とその接合装置に係り、本方法は、半田ボール配列群を接触保持させるために半田ボールの配列に対応して配列された複数のコンタクト口金によって多数の半田ボールが不規則に集積されている半田ボール溜めから複数の半田ボールを間隔をおいて所定の配列に沿って取り出す（以下所定の配列に沿って取り出された複数の半田ボールを半田ボール配列群という）工程と、取り出された半田ボール配列群をコンタクト口金によって接合部に接触するように移載する工程と、半田ボール配列群と接合部とを熱接合させるようにコンタクト口金で半田ボールにレーザーエネルギーを照射する工程とを備える。更に、本発明は前記方法の実施に適した装置に関する。

半田ボールを接合部に導電接合させるために特に複数の半田ボールによる半田ボール配列群を接触保持させるためのコンタクト方法は確立され実用化されている。従来の方法において、半田ボールは半田ボール溜めから取り出されて接合面における接合点に移載された後、熱エネルギーを照射することにより半田ボールを溶融して所望の導電接合が行われる。特にこのような公知の方法を産業に利用する場合に、接合しようとする一対の接合面の間に出来るだけ多くの半田接合部を形成すべきことを考えると、前記した一連の工程を短時間に何度も実行できなければならない。そのため、従来から接合位置に合わせて複数の半田ボールを間隔をおいて半田ボール溜めから取り出す試みが行われてきた。この目的のために、それぞれの半田ボールを間隔をおいた状態で半田ボール配列群として取り出す装置が開発されている。

半田ボール配列群を接触保持してその配列に対応する接合部まで移送する手段を使用することもまた公知である。従来は、接合部に搭載した半田ボールを接合するためには半田ボールの移送及び位置決め手段とは別の接合手段によって半田ボールに熱エネルギーを照射する必要があった。結果として、実際に接合させる前、即ち接合手段で接合部にエネルギーを照射する前に、接合手段と半田ボールとの相互位置関係、若しくは接合手段と半田ボールを保持する半田ボール移送及び位置決め手段との相互位置関係を事前に定めておく必要があった。そのために、調整や操作のためにコストがかかり、更に稼働させるのに余分な時間を要していた。

本発明の目的は半田ボール配列群を容易かつ迅速に接合させる半田ボール接合方法及び装置を提供することである。

この目的は請求項１の特徴を備えた方法と、請求項７の特徴を備えた装置それぞれによって達成される。
すなわち請求項１の特徴は、「複数のコンタクト口金を配列してなるコンタクト口金配列群を用いて、多数の半田ボールが不規則に分散する半田ボール溜めから、前記コンタクト口金配列群によって複数の半田ボールを取り出し（以下取り出された複数の半田ボールを半田ボール配列群という）、前記コンタクト口金による接触保持状態を維持したまま、該コンタクト口金を利用して前記半田ボールの接合部に移載し、該コンタクト口金は、前記半田ボールを接合部に配置した後に、該半田ボールと該接合部で構成される接合部を中心として回転し、次に前記コンタクト口金によって前記半田ボールにレーザーエネルギーを照射して接合点で熱接合させることを特徴とする半田ボール配列群の接合方法」にある。
また、請求項７の特徴は、「複数のコンタクト口金によるコンタクト口金配列群と多数の半田ボールが集積される半田ボール溜めを備えた半田ボール配列群の接合装置において、
前記コンタクト口金配列群は、前記半田ボール溜めから半田ボールを取り出して接合部に半田ボールを移載可能に構成すると共に、該半田ボールにレーザーエネルギーを照射して接合部で熱接合させるレーザー導光路を具え、前記コンタクト口金配列群はさらに、前記半田ボールを接合部に配置した状態で、該半田ボールと該接合部で構成される接合部を中心として回転可能に、前記接合装置に取り付けられていることを特徴とする半田ボール配列群の接合装置。」にある。

本発明の方法によると、半田ボール溜めから複数の半田ボール配列群を隔離しながら取り出し、前記半田ボール配列群を接合部に移載して、該接合部に移載された半田ボールにレーザーエネルギーを照射して接合するという一連の工程を、半田ボール溜めから半田ボールを取り出すためのコンタクト口金で行う。

本発明による方法によれば、上記した複数の工程を行うために複数の装置を使用する必要がなく、本発明による方法は、接合装置によって複数の半田ボールを間隔をおいて所定の配列に沿って取り出した後接合部に移載する工程、及び該移載工程に使用した同一の接合装置によって実際に接合させる工程とを備える。

特に、コンタクト口金は、半田ボール溜めから半田ボールを取り出す時に減圧（口金先端のコンタクト部に負圧を発生させて）吸引保持されることが好ましい。

また、特に好ましくは、半田ボール溜めから半田ボールを取り出す際に半田ボール溜めに超音波を当てることにより、半田ボール溜めの半田ボールを均等分散させると共に、超音波による振動に対応して躍動させる。こうすると個々の半田ボールの間に隙間ができるので半田ボール溜めの中から半田ボールを取り出しやすくなる。

コンタクト口金が、半田ボールを接合部に移載した後に半田ボールと接合部とで形成されるコンタクト構造に対して回転可能とすることにより、移載工程に使用した接合装置を、半田ボールを移載する工程での移送方向と異なる方向に回転させて半田ボールにエネルギーを照射できるので、適切な方向で接合部にエネルギー供給できる。

コンタクト口金がコンタクト圧を維持しながら接合される接触面の挟角（３２／２６面）の間で回転可能であることが特に好ましく、そうすることにより移載工程に使用した接合装置を回転させてからそのまま半田ボールを接合面に移載できるので、接合面と半田ボールとの間に接点ギャップ（接触空隙）が形成されることがない。

他の好ましい実施方法によると、半田ボール溜めから半田ボールを取り出してから接合部に移載するまでの間に流体コーティング（フラックス塗布）を施して、接合箇所のはんだ接合の質を更に向上させる。

本発明では、流体コーティング工程は半田ボールの少なくとも１部分を液溜めに浸すことにより行われる、言い換えると、浸液工程で複数の半田ボールに流体が一部塗布されるように構成されている。このような構成によって、半田ボール溜めから接合部にコンタクト口金が移動する時に余分な時間や器具を使わずに流体コーティングを行うことができる。

特定の品質保証レベルに到達させるため、半田ボールを移載後、熱接合により半田ボールを溶融する前にコンタクト口金と相互に連絡して作動するレーザー装置によって半田ボールの移載位置や欠陥の有無をチェックするように構成してもよい。

本発明の装置は、複数のコンタクト口金を列状若しくはマトリックス状に配列したコンタクト口金配列群と多数の半田ボールを集積する半田ボール溜めを備え、前記コンタクト口金配列群は、半田ボール溜めから半田ボールを取り出して接合部に移載する時及び接合部と半田ボールを熱接合させるためにレーザーエネルギーを半田ボールに照射する時の両方で使用される。

本発明の好ましい実施形態では、コンタクト口金の中に減圧通路を配置して減圧によって半田ボールを吸着保持させる。

更に好ましくは、半田ボール溜めに超音波振動を当てる装置が備えられる。

コンタクト口金が接合装置に対して回転可能とすることにより、接合部の夫々の接合面の状態または接合面同士の相対位置関係に合わせてコンタクト口金の配列を位置調整できる範囲が大きくなる。

接合装置の搬送体に複数のコンタクト口金を列状若しくはマトリックス状に一体的に装着することによって複数のコンタクト口金を同時に操作する工程を単純にできる。

コンタクト口金は、接合部の多様な相対的配列に対応する配列、若しくはそのような配列が設定可能にするために、所定間隔（密度）で列状又はマトリクス状に配置することが特に好ましい。

コンタクト口金は、例えば列状又はマトリクス状の配置とは異なる配置の複数の接合部を個別若しくは一括して照射できるように、コンタクト口金同士間の相対位置（間隔）を可変として搬送体に配置されていてもよい。

コンタクト口金は、省スペース且つ機能的に総合設計するという観点から、減圧通路に光導波路を設けてレーザーエネルギーを半田ボールに照射できるように構成することもまた好ましい。

光導波路が光ファイバーとして形成される場合、光ファイバーはコンタクト口金内部のレーザーエネルギーの通路となるのみならず、実際にコンタクト口金にレーザーエネルギーを導入することになる。更に、光導波路を光ファイバーとして形成することにより光導波路をプランジャ（パイプの汚れを除去する器具）としても機能するので、コンタクト口金の接触開口に付着する汚染物質を除去できる。

複数の光導波路を同期させる極めて簡単且つ有効な方法は各コンタクト口金の光ファイバーを１つのレーザー光源に連結させることである。

接合及びハンダ付け工程で処理される接合部の設計が異なる場合には、コンタクト口金の光ファイバーは複数の異なる光ファイバーグループに分けることが特に好ましく、該光ファイバーグループは少なくとも１部がそれぞれのレーザー光源に連結されている。尚、各レーザー光源は異なる強度のレーザー光を放つ。

半田ボール接合装置が半田ボール溜めから半田ボールを取り出している状態を示す。 前記半田ボール接合装置が半田ボールに流体コーティングを施している間の状態を示す。 コンタクト口金に接触保持される半田ボールに流体コーティングを施した状態の前記半田ボール接合装置を示す。 前記半田ボール接合装置が半田ボールにレーザーエネルギーを照射している状態を示す。 対を為す接合面に対して半田ボールを移載している時の半田ボール接合装置のコンタクト口金を示した図である。 図５とは接合（移載）方向が異なるコンタクト口金を示す。 対を為す接合面に配置された半田ボールを示す。 前記半田ボールにレーザーエネルギーを照射している状態の図７に示される接合面の図である。

本発明による装置の好ましい実施例を図面を参照して以下に詳細に説明し、本装置で実施される方法についても説明する。

図１は複数のコンタクト口金２２を備えた半田ボールコンタクト装置２０で、コンタクト口金は図の実施例においては中空のピンとして形成されており搬送体２１に取り付けられている。各コンタクト口金２２は減圧手段２３に連結しており、コンタクト口金２２先端の吸引開口２４が一定の場所にある場合に減圧して半田ボールを吸引保持する。

半田ボールコンタクト装置２０は、貯留タンク２５内に多数の半田ボール２７が集積された半田ボール溜め２６の上方に配置される。貯留タンク２５は本実施例では図示していない超音波発生装置を取り付け、該超音波発生装置によって超音波反応を起こし、貯留タンク２５全体又はタンク底部２８等の少なくとも一部が振動振幅するように構成してもよい。半田ボール溜め２６内の半田ボール２７に振幅振動が伝わり、貯留タンク２５に対して半田ボール溜め２６が図上前後に動く。この前後運動によって半田ボール２７間の隙間が大きくなり、更に貯留タンク２５の半田ボール２７は一部分に集中したりすることなく統計学的に均一に分散する。

コンタクト口金２２を減圧して半田ボール２７が接触部開口２４へと吸引されるようにするために、好ましくはタンク底部２８に空気穴を設ける。

図２に示すように半田ボール配列群２９として編成されて半田ボール接合装置２０に接触保持される半田ボール２７の少なくとも１部分を液溜め３０に浸すことによって、図３に示すように個々の半田ボール２７に流体コーティング（フラックス塗布）３１を施すことが可能となる。

図４は半田ボール配列群２９として編成された半田ボール２７を電子部品等の基板３３の接合面（ボールパッド）３２に配置する方法を示すものである。

図４はまた、例として左外側のコンタクト口金２２内に、該口金軸線上に沿って吸引開口２４に至るレーザー導光路（レーザー照射等の際にレーザーが通る経路）３４が描かれている。このレーザー導光路は上記した通り減圧手段２３と連結しており、また本実施例では光ファイバー３５として構成されるレーザー光導波体の一端部が前記レーザー導光路３４内に導通している。光ファイバー３５はコンタクト口金又は搬送体２１の上端よりも上方に延びており、終端部は不図示のレーザー光源、若しくはレーザー光源に連結する光出射手段に連結されている。この光出射手段はレーザー光源からのレーザーエネルギーを複数のコンタクト口金２２内に夫々導通している光ファイバーへと分岐させる光分配器として構成してもよい。

図１の半田ボール接合装置２０では複数のコンタクト口金２２が１列状に配列して構成されている。半田ボール接合装置２０はコンタクト口金２２が行列方向のマトリックス配列となるように設計されていてもよい。若しくはコンタクト基板の接合面の配列に対応した１次元又は２次元のレイアウト配列とする。

図５、６は半田ボールをコンタクト口金２２に接触保持した後の移載工程を示しており、図４に記載の半田ボール接合装置２０にはコンタクト口金２２が1列状に配列されている。実施例では１０個のコンタクト口金がコンタクト基板３３の方向に下方に突設させて搬送体２１下面側に装着されており、全部で１０個の半田ボール２７が搬送体２１を介して移送されて、コンタクト基板３３に対応して配置される１０箇所の接合面（ボールバッド）３２に移載される。接合面（ボールパッド）３２と、基板３３と接触する電子部品３７の接合面（ボールパッド）３６との間には空間があり、接合部４１上に接合面（ボールパッド）３２、３６による一対の接合面３８が形成される。

図５に示すように、まず初めに半田ボール接合装置２０によってここでは水平に配置される基板３３の接合面（ボールパッド）３２に半田ボール２７を移載する。その後、半田ボール接合装置２０又は搬送体２１が図６に示すように半田ボール２７を中心に回転方向３９に回転し、その回転工程の最後には複数の半田ボール２７を基板３３の接合面（ボールパッド）３２と該接合面と直角に配置された部品３７の接合面（ボールパッド）３６の両方に接触させる。半田ボールコンタクト装置２０がこのような位置にある時、つまりコンタクト口金２２が図６に示すような状態の時に、光ファイバー３５を通して半田ボール２７にレーザーエネルギーが照射される。

図７、８に示すように、半田ボール２７を接合面（ボールパッド）３２と３６による１対の接合面３８に接触させた後に半田ボールコンタクト装置２０を接合部４１から離してもよい。そうすると、図８に示すように半田ボール接合装置２と半田ボール２７とを物質的に接触させずにレーザーエネルギー４０を半田ボール２７に照射できる。図７に示すように、半田ボール接合装置２０によって位置決めされた半田ボール２７が一対の接合面３８となる接合面（ボールパッド）３２、３６に、流体コーティング剤（接合面の酸化皮膜を除去する目的で用いるフラックス等の接着助剤）３１又はその他接着剤による接着作用によって取り付けられる。

Claims (16)

1. 複数のコンタクト口金（２２）を配列してなるコンタクト口金（２２）配列群を用いて、多数の半田ボール（２７）が不規則に分散する半田ボール溜め（２６）から、前記コンタクト口金配列群によって複数の半田ボール（２９）を取り出し（以下取り出された複数の半田ボールを半田ボール配列群という）、前記コンタクト口金による接触保持状態を維持したまま、該コンタクト口金を利用して前記半田ボールの接合部（４１）に移載し、
   該コンタクト口金（２２）は、前記半田ボール（２７）を接合部（４１）に配置した後に、該半田ボールと該接合部（４１）で構成される接合部を中心として回転し、
   次に前記コンタクト口金によって前記半田ボールにレーザーエネルギー（４０）を照射して接合点で熱接合させることを特徴とする半田ボール配列群（２９）の接合方法。
2. 前記コンタクト口金（２２）は、前記半田ボール溜め（２６）から半田ボール（２７）を取り出す際に減圧して吸引保持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記半田ボール溜め（２６）は、前記半田ボール（２７）を該半田ボール溜めから取り出す時に超音波振動が付与されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記コンタクト口金（２２）は、前記半田ボール（２７）の接触保持圧を維持しながら前記接合部に対して回転することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記半田ボール（２７）は、半田ボール溜め（２６）から取り出されてから接合部（４１）に移載されるまでの移動経路上で流体コーティングが施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記流体コーティング（３１）は、前記半田ボール（２７）の少なくとも１部を液溜め（３０）に浸すことによって実施されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 複数のコンタクト口金（２２）によるコンタクト口金配列群と多数の半田ボール（２７）が集積される半田ボール溜め（２６）を備えた半田ボール配列群（２９）の接合装置において、
   前記コンタクト口金配列群は、前記半田ボール溜めから半田ボールを取り出して接合部（４１）に半田ボールを移載可能に構成すると共に、該半田ボールにレーザーエネルギー（４０）を照射して接合部で熱接合させるレーザー導光路を具え、
   前記コンタクト口金（２２）配列群はさらに、前記半田ボール（２７）を接合部（４１）に配置した状態で、該半田ボールと該接合部（４１）で構成される接合部を中心として回転可能に、前記接合装置（２０）に取り付けられていることを特徴とする半田ボール配列群（２９）の接合装置。
8. 前記半田ボール（２７）を減圧下におくために、減圧通路（３４）が前記コンタクト口金内に配置されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記半田ボール溜め（２６）には、超音波振動を付与する手段が備えられることを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記コンタクト口金（２２）は前記接合装置（２０）の搬送体（２１）に取り付けられることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記コンタクト口金（２２）は前記接合装置（２０）に、列状又はマトリクス状に配設されていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記接合装置（２０）におけるコンタクト口金（２２）同士の相対位置は可変とすることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記コンタクト口金（２２）は、前記減圧通路（３４）に光導波体が挿通されており、該光導波体を介して前記半田ボール（２７）にレーザーエネルギー（４０）を照射することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記光導波体は光ファイバー（３５）で構成されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 複数のコンタクト口金（２２）の前記光ファイバー（３５）は１つのレーザー光源と連結されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記複数のコンタクト口金（２２）の光ファイバー（３５）は複数の異なる光ファイバーグループに分けられ、該複数の光ファイバーグループの少なくとも一部がそれぞれ異なるレーザー光源に連結されることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の装置。

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