(57)【要約】【課題】プリント基板の孔に溜まった水を効率的に除去できる液体除去装置を提供する。【解決手段】基板に対向して配置された、複数の超音波振動子１１が二次元的に配列された超音波振動子アレイ１０と、複数の超音波振動子１１をそれぞれ独立して駆動する駆動部２０と、駆動部２０を通じて超音波振動子１１の振動の位相を制御する駆動制御部３０と、基板に設けられた複数の孔の位置情報を駆動制御部３０に提供する孔情報提供部４０とを備えており、駆動制御部３０が、孔情報提供部４０から提供された複数の孔の位置に焦点が生じるように、複数の超音波振動子１１の駆動位相を制御する。プリント基板の多数の孔に溜まった水を効率的に除去することができる。【選択図】図１
2014163604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の孔内に溜まった液体を除去する液体除去装置であって、
前記基板に対向して配置された、複数の超音波振動子が二次元的に配列された超音波振動子アレイと、
前記複数の超音波振動子をそれぞれ独立して駆動する駆動部と、
前記駆動部を通じて前記超音波振動子の振動の位相を制御する駆動制御部と、
前記基板に設けられた複数の孔の位置情報を前記駆動制御部に提供する孔情報提供部と、
を備え、前記駆動制御部が、前記孔情報提供部から提供された複数の孔の位置に焦点が生じるように、前記複数の超音波振動子の駆動位相を制御する、
ことを特徴とする液体除去装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体除去装置であって、前記駆動制御部は、前記複数の孔の位置に順番に焦点が生じるように、前記複数の超音波振動子の駆動位相を制御することを特徴とする液体除去装置。
【請求項３】
請求項２に記載の液体除去装置であって、前記孔情報提供部が、前記基板の孔の位置情報と共に、該孔が貫通孔か有底孔かを示す孔形状情報を前記駆動制御部に提供し、前記駆動制御部は、前記孔形状情報に基づいて、前記複数の孔の各位置に前記焦点が生じている時間を制御することを特徴とする液体除去装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の液体除去装置であって、前記基板と前記超音波振動子アレイとが所定の間隔を保って相対的に平行移動することを特徴とする液体除去装置。
【請求項５】
基板の孔内に溜まった液体を除去する液体除去方法であって、
前記基板に対向させて、複数の超音波振動子が二次元的に配列された超音波振動子アレイを配置し、
前記基板に設けられた複数の孔の位置に超音波の焦点が生じるように、前記複数の超音波振動子の各々から前記基板に向けて放射される超音波の位相を制御することを特徴とする液体除去方法。
【請求項６】
請求項５に記載の液体除去方法であって、前記複数の孔の位置に順番に超音波の焦点が生じるように、前記複数の超音波振動子の各々から前記基板に向けて放射される超音波の位相を制御することを特徴とする液体除去方法。
【請求項７】
請求項６に記載の液体除去方法であって、前記複数の孔の各位置に前記焦点が生じている時間を、該孔が貫通孔か有底孔かに応じて変えることを特徴とする液体除去方法。
【請求項８】
請求項５から７のいずれかに記載の液体除去方法であって、超音波の焦点を生じさせる前記孔が有底孔の場合に、該孔の位置に前記超音波の焦点を、所定時間、生じさせた後、前記超音波の照射を停止することを特徴とする液体除去方法。
【請求項９】
請求項５から８のいずれかに記載の液体除去方法であって、前記基板と前記超音波振動子アレイとを相対的に平行移動させながら前記超音波振動子アレイから前記基板に向けて超音波を放射することを特徴とする液体除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント基板などの孔に溜まった水などを除去する液体除去方法と、それを実施する装置に関し、超音波を利用して孔内の液体を効率的に除去できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器は小型化かつ多機能化に向かって著しく発展している。それに伴い、高密度配線が可能で、小型化及び軽量化を図ることができるプリント基板の需要が急増している。
現在、広く使われている多層のプリント基板では、図８に示すように、ビア(via)と呼ばれる孔によって層間接続されている。全層を貫通するビアはスルーホールビア(ＴＶ：through-hole via)と呼ばれ、貫通させずに特定の層間のみを接続するビアはブラインドビア(ＢＶ：blind via)と呼ばれている。ビアの直径は５０μｍ〜２ｍｍが一般である。
プリント基板の製造工程では、各種プロセス処理や電子・光学部品に悪影響を及ぼす汚れを除去するため、基板の洗浄が行われる。この洗浄過程後にビアの中に水が残留していると、故障の原因となるが、ビアの径が微小であるため、溜まった水を除去することが難しい。
【０００３】
本発明者等は、図９に示すように、超音波振動子２と反射板３とを用いて超音波の定在波を形成し、この定在波の中に基板１を置いて、基板１のビア中の水を脱水する方法を先に提案している（下記特許文献１）。
この方法により、図１０（ａ）に示すように、ＢＶに溜まった水は、微粒子化して空中に飛散する。この微粒子化は、超音波が液体に入射して液表面にキャピラリー波が発生し、液体の周辺を反射の境界として表面に干渉波が起こり、液表面で液体の衝突、引きちぎり合いが始まるために発生し、そのエネルギが表面張力に勝るので微粒子になる。
また、図１０（ｂ）に示すように、ＴＶに溜まった水は、超音波の音響放射圧（超音波を遮る物を音の進行方向に押して行く力）が表面張力に勝るため、空中に押し出されて飛散する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０５７８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の方法では、振動子２に対して反射板３を最適位置に移動させる必要があり、そのために作業に時間が掛かり、また、単独の超音波振動子の音響放射圧は弱いため、脱水できる範囲が、その振動子に対向する基板１の部分だけに限られ、脱水範囲が狭い、という課題がある。
【０００６】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、プリント基板のビアに溜まった水などを効率的に除去できる液体除去装置及び液体除去方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板の孔内に溜まった液体を除去する液体除去装置であって、基板に対向して配置された、複数の超音波振動子が二次元的に配列された超音波振動子アレイと、複数の超音波振動子をそれぞれ独立して駆動する駆動部と、駆動部を通じて超音波振動子の振動の位相を制御する駆動制御部と、基板に設けられた複数の孔の位置情報を駆動制御部に提供する孔情報提供部と、を備え、駆動制御部が、孔情報提供部から提供された複数の孔の位置に焦点が生じるように、複数の超音波振動子の駆動位相を制御する、ことを特徴とする。
超音波振動子アレイの各超音波振動子から放射された超音波は、それらの位相を制御して単一の焦点に集束させることができる。その焦点の位置を基板の各孔に合わせれば、各孔に複数の超音波振動子から放射された超音波の重なりによる、高い音響放射圧を作用させることができ、各孔に溜まった液体を効率的に除去することができる。
【０００８】
また、本発明の液体除去装置では、駆動制御部は、複数の孔の位置に順番に焦点が生じるように、複数の超音波振動子の駆動位相を制御しても良い。
全ての超音波振動子から放射された超音波を、順番に一つの孔に集束させることで、その孔に溜まった液体に高い音響放射圧を作用させることができる。
【０００９】
また、本発明の液体除去装置では、孔情報提供部が、基板の孔の位置情報と共に、その孔が貫通孔か有底孔かを示す孔形状情報を駆動制御部に提供し、駆動制御部が、その孔形状情報に基づいて、複数の孔の各位置に焦点が生じている時間を制御するようにしても良い。
貫通孔（ＴＶ）の脱水は、有底孔（ＢＶ）の脱水より短時間で処理できるため、貫通孔（ＴＶ）に超音波の焦点を合わせる時間は短くても良い。
【００１０】
また、本発明の液体除去装置では、基板と超音波振動子アレイとが所定の間隔を保って相対的に平行移動することが望ましい。
基板と超音波振動子アレイとを平行移動させることで、大型基板のビアの脱水が可能になる。
【００１１】
また、本発明は、基板の孔内に溜まった液体を除去する液体除去方法であって、基板に対向させて、複数の超音波振動子が二次元的に配列された超音波振動子アレイを配置し、基板に設けられた複数の孔の位置に超音波の焦点が生じるように、複数の超音波振動子の各々から基板に向けて放射される超音波の位相を制御することを特徴とする。
超音波振動子アレイの各超音波振動子から放射される超音波を基板の孔の位置に集束させることで、基板の孔に溜まった液体を効率的に除去できる。
【００１２】
また、本発明の液体除去方法では、複数の孔の位置に順番に超音波の焦点が生じるように、複数の超音波振動子の各々から基板に向けて放射される超音波の位相を制御しても良い。
全ての超音波振動子から放射された超音波を、順番に一つの孔に集束させることで、その孔に溜まった液体に高い音響放射圧を作用させることができる。
【００１３】
また、本発明の液体除去方法では、複数の孔の各位置に焦点が生じている時間を、その孔が貫通孔（ＴＶ）か有底孔（ＢＶ）かに応じて変えるようにしても良い。
短時間で脱水が可能な貫通孔（ＴＶ）に超音波の焦点を合わせている時間は、短くすることが可能である。
【００１４】
また、本発明の液体除去方法では、超音波の焦点を生じさせる孔がＢＶの場合に、その孔の位置に超音波の焦点を、所定時間、生じさせた後、超音波の照射を停止するようにしても良い。
この場合、超音波の照射を受けたＢＶ内の液体には、溶解していた気体が気泡として現われ、その気泡が超音波の圧力振動で膨張・収縮を繰り返す。液体を押しのける気泡の膨張に比べて、気泡の収縮は急激であるため、気泡内部は、断熱収縮により高温高圧状態となる。超音波の照射を停止すると、気泡が急激に膨張して破裂し、それに伴ってＢＶ内の液体が飛散する。
【００１５】
また、本発明の液体除去方法では、基板と超音波振動子アレイとを相対的に平行移動させながら超音波振動子アレイから基板に向けて超音波を放射することが望ましい。
基板と超音波振動子アレイとを平行移動させながら超音波を放射することで、大型基板のビアの脱水が可能になり、また、作業時間が短縮できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、プリント基板の多数のビア等に溜まった液体を効率的に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る液体除去装置の構成を模式的に示す図
【図２】図１の液体除去装置の超音波振動子の構成を示す図
【図３】図１の液体除去装置の駆動部、駆動制御部及びメモリを含む超音波集束装置を示す図
【図４】図３の超音波集束装置によりプリント基板の液体除去を行う状態を示す図
【図５】焦点付近の音圧の分布を示す図
【図６】ＴＶから水が除去される様子を示す図
【図７】ＢＶから水が除去される様子を示す図
【図８】プリント基板のＴＶ及びＢＶを示す図
【図９】プリント基板の孔から水を除去する従来の方法を示す図
【図１０】ＢＶ（ａ）及びＴＶ（ｂ）から水が除去される過程を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る液体除去装置を模式的に示している。この装置は、複数の超音波振動子１１が二次元的に配列された超音波振動子アレイ１０と、複数の超音波振動子１１をそれぞれ独立して駆動する駆動部２０と、駆動部２０を通じて超音波振動子１１の振動の位相を制御する駆動制御部３０と、基板に設けられた複数の孔の位置情報やその孔がＢＶであるかＴＶであるかを区別する孔の形状情報を記憶し、それらの情報を駆動制御部３０に提供するＰＣ（特許請求の範囲で言う「孔情報提供部」）４０とを備えている。
【００１９】
超音波振動子アレイ１０を構成する超音波振動子１１は、図２に示すように、金属板１１２と圧電素子１１３とを一体的に貼り合わせたユニモルフ振動子と、漏斗形状のホーン１１１とを有し、これらが上面に開口を有するケース１１４に収容されている。
駆動部２０は、超音波振動子１１の駆動信号を発振する発振器と、その駆動信号を増幅する増幅器とを具備し、増幅された駆動信号が超音波振動子１１に供給される。
超音波振動子アレイ１０の各超音波振動子１１から放射された超音波は、それらの位相を制御して、空中に単一の焦点を結ばせることが可能である。なお、各超音波振動子の駆動位相の決め方は、特開平７−１８４９１４号公報や米国特許４,５２６,１６８号に記載されており、広く知られている。
【００２０】
駆動制御部３０は、ＰＣ４０から基板の各孔の位置情報が提供されると、孔の位置に焦点を結ばせるための各超音波振動子１１の駆動位相情報を算出し、その駆動位相情報に基づいて、駆動部２０から各超音波振動子１１に供給される駆動信号の位相を制御する。
【００２１】
図３は、この液体除去装置の超音波振動子アレイ１０が装着されたプリント基板と、駆動部２０、駆動制御部３０が装着されたプリント基板とを組み合わせた超音波集束装置５０を示している。ここでは、超音波振動子アレイ１０が２８５個の超音波振動子１１で構成されている。
【００２２】
この液体除去装置を用いてプリント基板の孔に溜まった水を除去する場合、図４に示すように、超音波集束装置５０の超音波振動子アレイ１０とプリント基板６０とが対向するように配置し、この超音波集束装置５０の駆動制御部３０に対して、プリント基板６０の複数の孔の位置を予め記憶するＰＣ４０から孔の位置情報を伝える。
駆動制御部３０は、超音波振動子アレイ１０の各超音波振動子１１から放射される超音波がプリント基板６０の第１の孔の位置に焦点を結ぶときの各超音波振動子１１の駆動位相情報を算出し、その駆動位相情報に基づいて、駆動部２０から各超音波振動子１１に供給される駆動信号の位相を制御する。
【００２３】
駆動部２０は、指定された位相の駆動信号で各超音波振動子１１を駆動し、その結果、プリント基板６０の第１の孔の位置に各超音波振動子１１から放射された超音波が集束する。
このとき、焦点の径Ｗ［ｍ］は、
Ｗ＝２λＲ／Ｄ
で与えられる。ここで、λ［ｍ］は超音波の波長、Ｒ［ｍ］は焦点距離、Ｄ［ｍ］は正方形の超音波振動子アレイ１０の一辺の長さを表す。
各超音波振動子１１から放射された超音波が第１の孔に集束するため、その孔に溜まった水に対して、各超音波の重なりよる高い音響放射圧が作用する。
【００２４】
なお、図５は、超音波の焦点を超音波集束装置５０から１５０ｍｍ離れた位置に設定したときの音圧分布を示している。音圧ｐが円状に分布しており、中心位置に近付く程、音圧ｐが高くなることが分かる。
音響放射圧Ｐ［Ｐａ］は、音圧ｐ［Ｐａ］と次の関係にある。
Ｐ＝αＥ＝αｐ2／ρｃ2
ここで、αは物体表面の反射特性に依存する係数、Ｅ [Ｊ／ｍ3]は音響エネルギー密度、ｃ[ｍ／ｓ]は音速、ρ[ｋｇ／ｍ3]は媒質の密度である。
そのため、集束した超音波により、孔に溜まった水に高い音響放射圧が作用し、その孔から水が除去される。
【００２５】
駆動制御部３０は、プリント基板６０の残りの孔に対して順番に同様の制御を行い、プリント基板６０の全ての孔の水が除去される。
図６は、高速度カメラで撮影したＴＶから水が除去される様子を示している。水の除去が完了するまでに約０．２秒を要している。一方、図７は、高速度カメラで撮影したＢＶから水が除去される様子を示している。この場合、水の除去が完了するまでに約０．７秒を要している。
従って、ＴＶよりＢＶの方が水の除去に時間が掛かる。
【００２６】
そのため、ＰＣ４０が、駆動制御部３０に対して、プリント基板６０の各孔の位置情報とともに、各孔がＴＶであるかＢＶであるかを示す孔形状情報を提供し、駆動制御部３０が、ＢＶの水の除去に掛ける時間よりもＴＶの水の除去に掛ける時間を短く設定するようにしても良い。こうすることで、全体の水除去の処理時間が短縮できる。
【００２７】
なお、ＢＶに溜まった水は、ＢＶの位置に超音波を短時間集束させた後、その超音波の照射をオフにする操作によっても除去することが可能である。
この場合、超音波の照射を受けたＢＶ内の液体には、溶解していた気体が気泡として現われる。そして、その気泡は、超音波の圧力振動で膨張・収縮を繰り返す。このとき、液体を押しのける気泡の膨張時に比べて、気泡の収縮時には気泡が急激に小さくなるため、断熱収縮により、気泡内部が高温高圧状態となる。超音波の照射を停止すると、その気泡が急激に膨張して破裂し、それに伴ってＢＶ内の液体が飛散する。
【００２８】
また、ここでは、超音波振動子アレイ１０の各超音波振動子１１から放射された超音波をプリント基板６０の一つの孔に集束させるとともに、集束させる孔を順次変えて行く場合について説明したが、超音波振動子アレイ１０の各超音波振動子１１を複数のグループに分けて、グループ毎にプリント基板６０の異なる孔に超音波を集束させるようにしても良い。その際、グループ毎に超音波を集束させる孔の位置を順次変えても良いし、グループの数をプリント基板６０の孔の数と同数にし、各グループが一つの孔に超音波を集束させるようにしても良い。
また、図４において、超音波集束装置５０とプリント基板６０とが相対的に平行移動するようにすれば、超音波集束装置５０の面積に比べてプリント基板６０の面積が大きくても、プリント基板６０の全ての孔から水を除去することができる。
【００２９】
なお、ここでは、説明を分かり易くするため、図１の駆動部２０を各超音波振動子１１に１対１で接続する個別部品として示しているが、各超音波振動子１１に供給する駆動信号の位相を任意に設定できる駆動装置であれば、どのような形態でも良い。
また、超音波振動子１１は、ユニモルフ型に限る必要は無く、バイモルフ型や、その他の構造であっても良い。
また、ここでは、プリント基板の孔から水を除去する場合について説明したが、本発明は、その他の基板にも適用でき、また、水以外の液体を孔から除去する場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、プリント基板を始めとして、各種基板の孔に溜まった液体を除去するために広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１      基板
２      超音波振動子
３      反射板
１０    超音波振動子アレイ
１１    超音波振動子
２０    駆動部
３０    駆動制御部
３１    メモリ
４０    ＰＣ（孔情報提供部）
５０    超音波集束装置
１１１  ホーン
１１２  金属板
１１３  圧電素子
１１４  ケース
【図１】
2014163604.tif 000003
【図２】
2014163604.tif 000004
【図３】
2014163604.tif 000005
【図４】
2014163604.tif 000006
【図５】
2014163604.tif 000007
【図６】
2014163604.tif 000008
【図７】
2014163604.tif 000009
【図８】
2014163604.tif 000010
【図９】
2014163604.tif 000011
【図１０】
2014163604.tif 000012