(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電子部品を基板に相互接続するために、はんだをリフローさせるためのシステムであって、
上記基板と、該基板上に配置された複数の電子部品とを予熱する炉と、
上記炉内に配置され、上記はんだをリフローさせるための付加的な熱エネルギを供給する補助熱源と、
少なくとも１つの内部空洞を有し、上記基板を支持するためのパレットと、
上記空洞内に配置され、上記パレットから熱を吸収するための相転移材料と、
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
上記パレットは、上記基板を上記パレットに対してフラットに保持する少なくとも１つの張力を加えられたピンを有していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記基板の部分を、それらが上記補助熱源に曝されないように覆うカバーを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
上記相転移材料は、錫及び鉛を含有する合金であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
上記相転移材料は、ガリウムを含有する合金であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
上記補助熱源は、ホットガスを上記基板へ導くためのガスノズルであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
上記パレットを、炉を通して、且つ上記補助熱源の下を輸送するためのコンベヤを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
上記パレットは、上記基板の両側に取付けられている電子部品を受入れるための開いた空洞を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
上記開いた空洞は、上記基板のための支持体になるフォームを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
上記補助熱源と上記電子部品との間に位置決めされ、上記ホットガスを上記基板の部分上に導くステンシルを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
上記補助熱源はホットガスノズルのアレイを更に備え、上記ノズルは上記はんだをリフローさせるために独立的に作動可能であり、制御可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
上記補助熱源は、赤外光源であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
上記赤外熱源は、上記赤外光を上記電子部品上へ導くための平行化レンズを更に備えていることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
上記パレットは、上記基板から熱を吸収するための少なくとも１つの熱電クーラーを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
上記パレットは、上記基板から熱を吸収するための少なくとも１つのヒートパイプを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
基板上に電子部品をはんだ付けするための方法であって、  ａ．上記基板にはんだペーストを塗布するステップと、
ｂ．上記基板上に電子部品を配置して基板アセンブリを形成するステップと、
ｃ．上記基板アセンブリを、相転移材料で充填されている内部空洞を有するリフローパレット上に配置するステップと、
ｄ．上記基板及び電子部品を、上記堆積されたはんだペーストの軟化温度より低い第１の高い温度まで予熱するステップと、
ｅ．上記堆積されたはんだペーストを、該はんだペーストが融解するのに十分な温度まで補助熱源を使用して局所的に急速に更に加熱するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
上記リフローパレットは、上記基板を上記パレットに対してフラットに保持する少なくとも１つの張力を加えられたピンを有していることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記基板の部分を、それらが上記補助熱源に曝されないようにカバーするステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
上記相転移材料は、錫及び鉛を含有する合金であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
上記相転移材料は、ガリウムを含有する合金であることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２１】
ガスノズルを使用してホットガスを上記基板へ導くステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
コンベヤを使用して、上記パレットを上記補助熱源の下を通過させて輸送するステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、電子部品を、軟化温度が低いフレキシブル基板へ電気的に接続するためにはんだをリフローさせる装置及び方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
電子部品を、堅固な、及びフレキシブルな印刷回路基板に取付けることは従来から公知である。典型的には、堅固な、及びフレキシブルな基板上の導体パッド領域にはんだペーストを塗布する。次に、部品の端子をパッド領域内のはんだペーストと接触させるように部品を配置する。次に基板を比較的高温に曝してハンドペーストを活性化させ、はんだペーストを融解させ、次いで凝固させて部品を基板上に結合し、電気的に接続させる。フレキシブル基板は、典型的には高温に曝した時に良好な安定性を呈するポリイミドで作られている。ポリエステルを含む多くのフィルム材料は、はんだをリフローさせるのに必要な温度にそれらを曝した時にそれらの耐熱性及び寸法安定性が不十分であることが主な理由で、部品を表面マウントするために使用するには満足できるものではなかった。
【０００３】
軟化温度が低いフレキシブル基板へ部品を取付けるための技術が、Annableの米国特許第5,898,992号に開示されている。フレキシブル基板を、キャリヤー支持部材に固定する。カバーを、基板の上に配置する。このカバーは、部品の位置に対応する開口を有しており、キャリヤーはキャリヤーアセンブリを形成する。はんだペーストを、部品パッドを有する基板の導体領域に塗布する。次に、電子部品の端子がはんだペーストと接触するように部品を基板上に配置する。次いでリフロー炉において、はんだペーストの融点より低い温度までキャリヤーアセンブリを予熱する。次に加熱したガスジェットのような補助熱源を使用して、アセンブリの温度を急速に上昇させる。カバーは、基板を高いリフロー温度から遮蔽し、またリフロー中のフレキシブル基板のひずみを最小にする。
【０００４】
この従来技術はそれらの意図された目的を達成してはいるが、かなりの改良が要望されている。例えば、基板の特定領域をガスジェットによって生成される熱から遮蔽するための特別なカバーの必要性を排除することが望ましい。
【０００５】
（発明の概要）
本発明の一実施の形態では、リフロープロセス中に基板を冷却する専用の冷却配列を使用して、電子部品をフレキシブル基板上へはんだ付けするためのリフローパレットが提供される。これらの冷却配列は、パレットの内部空洞内に配置された相転移材料を使用する。相転移材料は、相転移中に基板から熱を吸収し、それによってリフロー中の基板温度を低く維持する。これは、リフロー中に基板の軟化を防ぎ、それによってその寸法安定性を保存する。
【０００６】
別の実施の形態では、パレットは、パレットを冷却するように作動する熱電クーラーのアレイを含む。これらの熱電クーラーは、基板を冷却してその寸法安定性を保存するために、リフロープロセス中に必要に応じて作動させる。更に別の実施の形態では、パレット内に通路が設けられており、これらの通路を通して水、空気、または他の適当な流体を導いてパレットから熱を吸収させる。これらの通路は、はんだリフロープロセス中に基板を低温に維持する。以上のように、本発明によれば、リフロープロセス中に基板を遮蔽するためのカバーを使用することなく、部品をフレキシブル基板上にはんだリフローさせることを可能にする。
【０００７】
更に別の実施の形態では、パレット及びカバーは、耐熱カーボンファイバ複合体のような、良好な熱拡散率を有する適当な伝導性材料で作られる。パレットのための他の材料は、ＦＲ−４のようなガラス充填エポキシで裏打ちされた薄い銅の層を含む。
【０００８】
好ましくは、基板上の回路導体は銅である。部品パッドと呼ばれる導体の選択された領域には、これらのパッドへのはんだ付けの容易さを高めるために、錫または浸漬銀のような表面仕上げがなされている。基板の導体領域間の間隔は、導体領域と同じ厚みを有する電気的に絶縁された銅の領域で充填されている。これらの銅領域は、リフロープロセス中に熱を選択的に吸収することによって、基板を更に遮蔽する。
【０００９】
部品は、基板の上側及び下側の両側に取付けることができる。このような基板の場合、リフロープロセスは第２の側について繰り返される。パレットは、基板の第１の側上の部品を受入れるための適切な空洞を有している。
【００１０】
フレキシブル回路は、２層より多くの回路導体からなることができる（一般に多層回路と呼ばれる）。これらの回路の場合、２層またはそれ以上の層の基板フィルムが使用され、適当な接着剤で互いに結合されて４層またはそれ以上の層の導体層に形成される。
【００１１】
適当な温度において活性化することができれば、どのような都合のよいはんだペースト調合をも使用することができる。本発明の一実施例では、適当なはんだペーストは、63％の錫と37％の鉛の組成からなり、183℃の融解温度を有している。他のはんだペースト組成は、錫、銀、及び銅の合金である無鉛はんだを含むが、これらは約220℃の高めの融解温度を呈する。
【００１２】
本発明の更に別の実施の形態では、はんだペーストを活性化させるために補助熱源を使用し、１つまたはそれ以上のホットガスのジェットを基板の露出された領域に向かって導くことができる。適当なのは、パレット上の基板がホットガスのジェットを通過して輸送される時に、基板の幅全体を横切ってホットガスのジェットを広げることである。
【００１３】
（実施の形態）
フレキシブル、または半フレキシブル基板１２へ電子部品を電気的に相互接続するための本発明によるはんだをリフローさせるシステム１０を図１に示す。更にシステム１０は、フレキシブル基板１２の材料特性を劣化させることなく、基板１２上に回路部品を取付けるための手段となっているパレット２０を含んでいる。システム１０は、リフロー炉１３、コンベヤシステム１６、ガスノズル１８、及びパレット２０を更に含む。リフロー炉は、基板１２を所望温度まで予熱する複数のヒーター２２を有している。コンベヤシステム１６は、パレット１４を協力して受入れてリフロー炉１３を通して移動させるように、普通の技法で構成されている。
【００１４】
パレット１４は、好ましくは本発明による相転移パレット１４であり、これははんだペーストをリフローさせ、電子部品２４をフレキシブル基板１２に相互接続させる。相転移パレット１４は、基板１２を支持し、またコンベヤシステム１６と協力して炉１３を通して基板１２を輸送する。炉１３のヒーター２２が基板１２を予熱し、ホットガスノズル１８が補足的に加熱する。はんだペースト２６は、基板１２上に配置された導体パッド２８（これらの上に部品が配置される）上に印刷される。
【００１５】
図２ａ−２ｂは、本発明による相転移パレット１４を上面図及び断面図で示している。図示のように、パレット１４は、相転移材料４２をその中に有している少なくとも１つの内部空洞４０を含んでいる。パレット１４上には支持ピン４４が設けられ、基板１２をパレット表面４６上にフラットに、即ち平面的に保持する。ピン４４は、基板１２に張力を加えるようにばね４８によって引張る、またはロードすることができる。本発明の一実施の形態では、ピクチャフレーム５０を使用して、基板１２をパレット表面４６に対して確保することができる。ピクチャフレーム５０は、図示のように、基板１２の周縁に取付けられてそれを確保し、基板１２の縁をパレットの表面４６に対して保持する。
【００１６】
本発明の別の実施の形態では、相転移パレット１４’は、図示のように、電子部品２４’が基板１２’の両面６０、６２に実装されるような両面基板１２を受入れるように構成されている。図３ａ−３ｄに断面図で示すパレット１４’は、基板１２’の第１の露出表面６０上に取付けられた電子部品２４’を受入れるために、少なくとも１つの開いた空洞６４を有している。開いた空洞６４は、もし必要ならば適当なフォーム６６で充填して基板１２’のための付加的な支持体にすることができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施例では、基板１２’は、0.003乃至0.010インチの厚みを有するポリエステルフィルムである。当分野においては公知のように、銅導体６８及びはんだパッド７０を、ポリエステル基板の両側６０、６２に形成することができる。はんだペースト７２を印刷すべきパッド７０領域だけを露出させるように、適当なはんだマスク（図示してない）を銅導体６８の上に設ける。これらのパッド７０は、パッド表面を酸化物形成から保護するために、有機表面仕上げのような適当な表面仕上げを有することができる。部品２４’のパッドへのはんだ付け能力を高めるために、浸漬銀または電気めっきされた錫のような他の表面仕上げも使用することができる。
【００１８】
鉛を含有する組成を有するはんだペースト７２、並びに無鉛組成を有するはんだペーストを使用することができる。鉛を含有するはんだペーストは一般的に約183℃乃至200℃の低い融解温度を有しており、一方、無鉛はんだ組成は約220℃乃至245℃の融解温度を有している。
【００１９】
動作中、その上に基板１２または１２’が取付けられたパレット１４または１４’は炉内の予熱ゾーンを通して輸送され、はんだペースト７２は活性化されてその融解温度の直下まで徐々に加熱される。このプロセス中、相転移材料４２が炉１３から、及び基板１２または１２’から熱を吸収し始め、それによって基板の温度を引下げる。相転移材料４２は、はんだペースト７２の融点より低い融点を有するように選択されている。相転移材料４２が融解し始めると、材料は、その潜熱に等しい量の熱またはエネルギを吸収し始める。従って、相転移材料４２の温度は材料が完全に融解するまで一定に保たれる。以上のように本発明は、パレット１４または１４’の熱吸収特性を大幅に高め、またはんだペースト７２のリフロー中に基板１２または１２’の温度を低く維持する。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態では、相転移材料４２は、はんだ７２の融解温度より低い融解温度を呈し、ガリウム、ガリウム合金、または錫と鉛の合金のような伝導材料からなることができる。他の適当な相転移材料は、クロロフルオロカーボン及びそれらの複合体を含む。
【００２１】
集束され、集中された熱源を得るために、ガスノズル１８から供給される補足的な熱が使用される。ガスノズル１８は、露出された基板表面に熱を短時間の間供給する。はんだペースト２６、導体パッド２８、及び基板の銅領域は、それらの熱拡散率が高いために熱を好ましく吸収し、一方相転移材料４２によってペレット１４または１４’は低い温度に保たれているので、基板１２または１２’は低い温度に維持される。このようにしてリフロープロセス中の基板１２または１２’の軟化及び損傷が防がれる。
【００２２】
基板の露出された領域がガスノズル１８の下を通過した後は、露出された電子部品２４及び基板１２または１２’の温度は急速に降下し、活性化されたはんだは冷却して凝固する。従って、導体またはパッド２０と、部品２４または２４’との間に信頼できる電気接続が形成される。このプロセス中に相転移材料４２も凝固するので、パレット１４または１４’は再使用の準備が整う。
【００２３】
図４ａ及び４ｂに示されている本発明の別の実施の形態においては、ガスノズル１８’と基板１２または１２’との間にステンシル８０が導入されている。ステンシル８０は、その中に配置されている複数の開口またはアパーチャ８２を有している。アパーチャ８２は、基板１２”及び／または部品２４” の若干の領域をガスノズル１８’に対して露出させ、はんだペースト７２’をリフローさせる。また、ステンシル８０は、ガスジェットに曝すことを意図しない基板１２”領域及び／または部品を遮蔽する。このようにして、はんだペーストは適切な領域において融解し、基板が高温に加熱されることによって生ずる潜在的な損傷が回避される。図４ａに示す別の実施の形態においては、ペレット１４”及びステンシル８０は静止したままであり、ガスノズルがステンシルを横切って移動して基板領域を選択的に加熱する。図４ｂに示す別の実施の形態においては、ホットガスノズル１８”が静止したままであり、ペレット１４”’及びステンシル８０がガスノズル１８”の下を移動する。この実施の形態は、基板の所望領域及び電子部品を加熱してリフローさせるために、複数のステンシルを必要とする。
【００２４】
図５は、はんだをリフローさせるための本発明の更に別の実施の形態のシステム９０を示している。この実施の形態は、コンベヤシステム９４上に位置決めされたガスノズル９２のアレイを有するシステム９０を企図している。ガスノズル９２のアレイはコンピュータ制御されており、従って限定された時間にわたって別々に作動させるようにプログラムすることができる。ガスノズル９２は、部品９８がノズルのアレイ９１の下を通過すると、基板９６の部品が実装される選択された領域上で作動させられて高温ガスを解放し、はんだペーストをリフローさせるようにプログラムされている。好ましくは、下向きのカメラ１００または光学スキャナを使用して基板９６上に印刷されているバーコード１０２を読取って基板９６を識別し、ガスノズルのアレイ９１の動作をプログラムする。アレイ９１は、シリコンマイクロ加工構造で構成し、シリコンマイクロ加工弁を含むことができる。ソフトビームのような他の選択加熱技術も、ガスノズルアレイ９１と共に使用することができる。更に、本発明は、アレイ９１内の異なるガスノズル内に異なるガス圧力を使用することを企図している。
【００２５】
図６は、はんだをリフローさせるために、補助熱源１５２として赤外光源１５０を使用する本発明の更に別の実施の形態のシステム１４９を示している。この実施の形態では、基板１５２は赤外放射に対して不透過性の保護カバー１５４でカバーされている。保護カバー１５４は、基板１５２にはんだ付けされる電子部品１５８を露出させる複数のアパーチャ１５６を有している。赤外光源１５６は、所望の加熱効果を発生する複数の赤外デバイスを含むことができる。更に、赤外光１５０と部品を実装する基板１５２との間に平行化レンズ１６０が配置され、基板に向けて導かれる光を集束させている。保護カバー１５４を所定位置に配置した後に、ペレット１６２／基板１５２／カバー１５４アセンブリをコンベヤ１６上に配置し、リフロー炉１３を通して輸送する。炉１３の温度は、フレキシブル基板１５２を損傷させない温度に設定することができる。電子部品１５８と、基板上のはんだパッドとの間に配置されているはんだペーストをリフローさせるために必要な付加的な熱エネルギは、赤外光源１５０から供給される。
【００２６】
図７ａ−７ｂは、基板の部分をガスノズル２０２から発するホットガスから遮蔽するための保護カバー２００を示している。本発明の一実施の形態では、保護カバー２００は、ＲＦ−４材料、またはアルミニウム等のような絶縁材料で作られる。この型のカバーは、適切な場合には、上述した実施の形態の何れとも組合わせることができる。
【００２７】
図８は、パレット３００の断面図である。パレット３００は、電子部品３０４が実装されるフレキシブル基板３０２を支持している。パレット３００は複数のヒートパイプ３０６を含み、これらは基板３０２からパレットのより冷たい領域へ熱を取り去る。更に、ヒートパイプは、上述したように相転移材料を含む相転移領域３１０と通じている。ヒートパイプと相転移領域３１０とが協力して基板３０２を冷却し、補助熱源に曝されることによる基板の損傷を防ぐ。
【００２８】
図９ａ−９ｂに示す本発明の別の実施の形態では、基板４０２から熱を吸収する熱電クーラー４０３を有するパレット４００が設けられている。上述した実施の形態と同様に、補助熱源は電子部品４０４が実装される基板４０２に適用され、それらの間に配置されたはんだをリフローさせる。図９ａに示すように、本発明は、パレット４００内に配置された熱電クーラー４０３のアレイ４０８を企図している。アレイ４０８は、局所化された冷却を行うために独立的に作動させ、制御することができる。
【００２９】
以上に、本発明をその特定の実施の形態に関して説明したが、当業者ならば本発明の技術内で多くの変形が考案できることは明白であろう。従って、本発明は広く解釈され、特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  相転移パレット上に取付けられたフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明による装置の概要図である。
【図２】  図２ａ−２ｂは、本発明による相転移パレットの好ましい実施の形態の断面図及び平面図である。
【図３】  図３ａ−３ｄは、露出された両側に電子部品が取付られるフレキシブル基板を有する本発明による相転移パレットの断面図である。
【図４】  図４ａ及び４ｂは、ステンシルを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図５】  ホットガスノズルのアレイスを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図６】  赤外光源を使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図７】  図７ａ−７ｂは、保護カバーを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図８】  ヒートパイプを有するパレットを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図９】  熱電クーラーを有するパレットを使用してフレキシブル基板に電子部品を電気的に接続するために、はんだをリフローさせるための本発明によるシステムの概要図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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