(57)【要約】【課題】ＬＳＩに限界温度以上の高温ストレスを与えないで取付け・取外しが可能なＬＳＩパッケージの取付け・取外し機を提供する。【解決手段】基板１をプログラム制御により下部に設けたヒータ６で加熱するとともに、ダクト７の外枠９に加熱源１０から熱風を吹付けて内枠８を加熱し、内枠８内の基板１を輻射熱により間接的に加熱し、基板１上の半田ボール２を溶かすことにより、ＬＳＩ３をプリント基板１に実装し、あるいは実装したＬＳＩ３をプリント基板１から取外しを可能にする。【選択図】　　　　図１
2004006453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の半田を加熱することにより、ＬＳＩパッケージを基板上に取付け、あるいは取外すためのＬＳＩパッケージの取付け・取外し機であって、
前記基板を下方から加熱するための第１の加熱源と、
前記基板を覆う内枠と、該内枠を覆う外枠とを含み、該外枠内に熱風を吹付けたとき熱風が内枠を加熱し内枠内の基板の半田接合部を間接的に加熱するためのダクトと、
前記ダクト内に熱風を送り込むための第２の加熱源と、
前記第１および第２の加熱源から発せられる温度および前記熱風の風量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする、ＬＳＩパッケージの取付け・取外し機。
【請求項２】
さらに、加熱することにより遠赤外線を発生する材料が前記ダクトの内枠内および前記第１の加熱源の上面パネルに塗布されていることを特徴とする、請求項１に記載のＬＳＩパッケージの取付け・取外し機。
【請求項３】
さらに、加熱した基板を冷却するためにエアーを吹付けるための空気放出ノズルを備えたことを特徴とする、請求項１に記載のＬＳＩパッケージの取付け・取外し機。
【請求項４】
さらに、前記第１の加熱源と前記ダクトの内枠内と前記第２の加熱源のそれぞれの温度を検知して前記制御手段に与える温度センサと、
前記温度センサで検知された温度変化を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする、請求項１に記載のＬＳＩパッケージの取付け・取外し機。
【請求項５】
さらに、前記第２の熱源と前記ダクトとを前記基板上から昇降させるための昇降機構を備えたことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載のＬＳＩパッケージの取付け・取外し機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＬＳＩパッケージの取付け・取外し機に関し、特に、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ　Ｓｃａｌｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）パッケージのようなＬＳＩ（大規模集積回路）を基板に半田付したり、基板からＬＳＩを取外すための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サブミクロンの微細加工技術によりＬＳＩの高集積化が進み、従来複数のパッケージに分かれていた機能をひとつのＬＳＩに積め込むことができるようになった。ＢＧＡ／ＣＳＰパッケージのＬＳＩは、最近、特に使用されるものになったものであり、必要な機能をワンパッケージに組み込むことで、必要なピン数が著しく増えたことに対して、従来のＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）やＰＧＡ（Ｐｉｎ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）では対応できなくなったために現れたものである。また、携帯電話機などの超小型化が必要なものでは、ピン数がそれほど必要なくてもＢＧＡパッケージが使用されている。
【０００３】
このようなＢＧＡ／ＣＳＰパッケージのＬＳＩをプリント基板に実装したり、実装したＬＳＩを取外したりするために図６に示す熱風方式の簡易型取付け・取外し機が用いられている。
【０００４】
図６に示した簡易型取付け・取外し機を用いてプリント基板１にＬＳＩ３を実装するときには、プリント基板１上に共晶半田（錫，鉛の合金）からなる半田ボール２が予め取付けられているＬＳＩ３を載置する。そして、ＬＳＩ３をダクト４で覆い、ダクト４の上方から内部に熱風５を吹きつけるとともに下部に設置されているヒータ６で加熱することにより半田ボール２を溶融させ、ＬＳＩ３をプリント基板１に実装する。ところが、ＬＳＩ３をプリント基板１に実装したとき、半田付けの不具合により問題を生じることがある。
【０００５】
図７はＢＧＡパッケージの半田ボールのＸ線透過画像であり、半田ボールが基板に正常に半田付けされるとほぼ同じ直径の鮮明な黒丸として表示される。ところが、半田過多，ずれ，メタルマスクの傷などにより隣接する半田ボール２同士がショートするブリッジａ、メタルマスクの傷，基板のそり，高さ調整不良などによる半田過多ｂ、そり，メタルマスク目詰まり，印刷不良などによる半田過小ｃ、抵抗，コンデンサなど小物物品が飛んできたなどによるゴミｄ、ＬＳＩの初期不良などによるズレｅ、基板不良，過熱などにより半田ボール内に空洞が生じるボイドｆ、加熱不良，印刷不良などによるオープンｇなどの欠陥を生じることがある。このような欠陥があると、それ自体あるいは後に障害となるおそれがあるので、検査の段階で見つけ出して排除し、ＬＳＩ３を取外し機（リワーク機）を用いてプリント基板１から取外し、再度プリント基板１に半田付けする必要がある。
【０００６】
ここで、取外し機として考えなければならないのは加熱温度である。対象がＬＳＩ３であるため、種々の意味で耐熱温度があり、一般には最大定格の中で半田付け条件として規定されている。共晶半田からなる半田ボール２を溶融するために熱風による加熱をした場合、熱伝導，熱の放散が一定でないため、一般的には、ＬＳＩ３の表面の温度が半田の溶融点１８３℃よりも５７℃程度高くなるように高温の空気を吹き付けることでパッケージ内部を熱伝導させて半田ボール２を溶かしている。この場合、ＬＳＩ３の表面温度は２４０℃程度になっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一方、鉛フリー半田は従来の共晶半田である錫，鉛合金から環境問題となる鉛を排除するために数種類の素材の組合せが使用されている。現時点で最も使用されているのは錫，銀，銅の組合せであり、いずれの組合せにしても、目的に応じて共晶半田との比較の上で性能が満足できることが鉛フリー半田採用の条件となる。重要な比較ポイントとしては、濡れ性，加熱温度，機械的強度，電気伝導度，熱伝導度などである。さらに、これを拡張して寿命，耐熱疲労，振動・衝撃に対する耐性など、鉛の特性が非常に優れているため、これを越えるか同等の性能のものを選定しようするために難しい判断が要求されている。
【０００８】
このような鉛フリー半田を使用する場合、一般的に共晶半田よりも溶融点が高く、たとえば錫，銀，銅の合金の場合の溶融点は２１７℃である。この場合、従来の方式のように表面温度が５７℃高くなるような熱風を当てると、ＬＳＩ３本体表面の最も温度が高くなる点は２１７℃＋５７℃＝２７４℃になってしまう。すなわち、共晶半田から鉛フリー半田になったことで３４℃も溶融点が上昇してしまい、同様にＬＳＩ３の表面温度も３４℃上昇させなければならない。
【０００９】
熱風を吹付けるときの熱風温度は、ある範囲の時間で余熱温度（プリヒート）から溶融温度まで上昇させる必要がある。あまり時間をかけると電子部品を傷めてしまうからであり、また、逆にあまり短い時間で上昇すると、クラックや歪みによる問題が生じるため、許容される温度勾配には幅を定めている。そのため、電子部品は数十秒から数分間はその高温にさらされることになる。ＬＳＩ３の最大定格温度は２５０〜２７０℃の範囲であることがほとんどであり、２７４℃にも達してしまう従来のリワーク方式では、その定格値を越えてしまう。
【００１０】
また、従来ＬＳＩ３よりもはるかに大きい下部ヒータ６を設け、基板１の熱の上昇を局部的にならないようにして基板１のそりを防ぎ、また基板１の熱伝導により下部から半田ボール２を加熱することで、よリ均一な加熱ができ、ＬＳＩ３の表面温度をあまり上げなくてもよいように工夫されてきたが、それによってようやくＬＳＩ３の表面温度が溶融温度の５７℃高い温度で安定してリワークできるようになっただけで、下部ヒータ６がなければさらに高い温度で作業しなければならなかった。このように、従来の熱風だけで加熱する方法では、ＬＳＩ３の品質を保証した範囲内で半田付をすることができない。
【００１１】
それゆえに、この発明の主たる目的は、ＬＳＩに限界温度以上の高温ストレスを与えないで取付け・取外しが可能なＬＳＩパッケージの取付け・取外し機を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は基板上の半田を加熱することにより、ＬＳＩパッケージを基板上に取付け、あるいは取外すためのＬＳＩパッケージの取付け・取外し機であって、基板を下方から加熱するための第１の加熱源と、基板を覆う内枠と、該内枠を覆う外枠とを含み、該外枠内に熱風を吹付けたとき熱風が内枠を加熱して内枠内の基板の半田接合部を間接的に加熱するためのダクトと、ダクト内に熱風を送り込むための第２の加熱源と、第１および第２の加熱源から発せられる温度および熱風の風量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
このように内枠を加熱することによる輻射熱で基板を加熱するので、ＬＳＩパッケージに限界以上の高温ストレスを与えないで取付け・取外しが可能となる。
【００１４】
さらに、加熱することにより遠赤外線を発生する材料がダクトの内枠内および第１の加熱源の上面パネルに塗布されていることを特徴とする。
【００１５】
遠赤外線で加熱することにより、ＬＳＩ３内部や基板の内部まで熱が浸透しながら加熱できるため、速く均一に温度上昇させることができる。
【００１６】
さらに、加熱した基板を冷却するためにエアーを吹付けるための空気放出ノズルを備えたことを特徴とする。
【００１７】
自然冷却よりも強制冷却を行うことにより、鉛フリー半田を使用した場合に半田付けの強度が増すという利点がある。
【００１８】
さらに、第１の加熱源と、ダクトの内枠内と、第２の加熱源のそれぞれの温度を検知して制御手段に与える温度センサと、温度センサで検知された温度変化を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
さらに、熱源とダクトとを基板上から昇降させるための昇降機構を備えたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態におけるＬＳＩパッケージの取付け・取外し機の外観縦断面図である。図６に示した従来例では表面側からのＬＳＩ３の加熱では直接熱風加熱するのに対して、この発明では間接加熱方式が用いられる。
【００２１】
図１において、プリント基板１の下部にはプリント基板１の下面と側面から加熱するために第１の加熱源としてのヒータ６が配置され、このヒータ６の上部にはヒータ６の温度を検知するための温度センサ１６が配置される。ヒータ６の上面パネルには加熱により遠赤外線を発生する材料が塗布されている。
【００２２】
ＬＳＩ３上にはダクト７が配置される。ダクト７は間接的にプリント基板１を加熱するために内枠８と外枠９とから構成され、たとえばステンレス板を加工して形成される。内枠８はＬＳＩ３を外周方向から加熱するとともに、ＬＳＩ３の周囲のプリント基板１を上面から加熱し、一層温度を均一化するために下面が開口され、ＬＳＩ３を覆うような箱型形状に形成されている。
【００２３】
外枠９は内枠８を覆うように下部が全面的に開口され、上部中心には熱風を送り込む加熱源１０に取りつけるための取付け部９１が形成され、取付け部９１の周囲には吹付けた熱風の一部が外部に排気されるように複数の排気孔９２が形成されている。内枠８は支柱１１によって外枠９に保持されている。内枠８は熱風で加熱されるとその内面から遠赤外線を発生する塗料が塗布されているが、より好ましくは内枠８の内面にたとえばセラミック材を塗布あるいは貼り付けておけば遠赤外線をより発生し易くなる。遠赤外線によりＬＳＩ３の内部にまで熱が浸透するので半田の溶融を早く均一にできる。また、内枠８の内面にはＬＳＩ３の加熱温度を検知するために温度センサ１２が取付けられている。
【００２４】
第２の加熱源１０は金属製の円筒部１３内にヒータ１４が収納されており、円筒部１３の上部には外部のコンプレッサからエアーが供給されており、このエアーにより発熱したヒータ１４からの熱をダクト７内に送風する。ヒータ１４の近傍には温度センサ１７が配置されている。加熱源１０とダクト７はモータ１９によって昇降機構１８が駆動されることにより上下に昇降する。
【００２５】
ダクト７はプリント基板１に実装するＬＳＩの大きさに応じて、たとえば縦横が１０数ｍｍ×１０数ｍｍ〜４５ｍｍ×４５ｍｍの大きさのものが用意される。
【００２６】
ダクト７の外部には加熱終了後にエアーを吹付けることによりＬＳＩパッケージを強制冷却するためのエアー放出ノズル２０が設けられる。鉛フリー半田を使用した場合、自然冷却よりも強制冷却の方が半田付けの強度の増すことが分かっている。そこで、この発明の実施形態では、簡易型取付け・取外し機でありながら、鉛フリー半田の仕上りをよくするために、加熱終了後に図２に示すようにエアーを吹付けることによりＬＳＩパッケージを強制冷却する。
【００２７】
図３はこの発明の一実施形態におけるＬＳＩパッケージの取付け・取外し機のブロック図である。図３において、この発明のＬＳＩパッケージの取付け・取外し機は、ＣＰＵ３０によって全体の制御が行なわれる。ＣＰＵ３０には液晶ディスプレイ３１と、タッチパネル３２と、Ａ／Ｄ変換器３３と、Ｉ／Ｏユニット３４とが接続されている。液晶ディスプレイ３１は後述の図５に示すような各種温度を表示し、タッチパネル３２は手で触れることにより各種温度を設定する。Ａ／Ｄ変換器３３は増幅器３５，３６，３７で増幅された各温度センサ１７，１２，１６からの温度検出信号をデジタル信号に変換してＣＰＵ３０に与える。
【００２８】
Ｉ／Ｏユニット３４には、モータ１９と、ブザー４０と、スイッチ４１と、ヒータ制御部３８と、エアー制御部３９とが接続されている。ヒータ制御部３８は図１に示したヒータ１４，６を制御し、エアー制御部３９は加熱源１０およびエアー放出ノズル２０から放出されるエアーの放出量を制御する。
【００２９】
図４はこの発明の一実施形態の動作を説明するためのフローチャートであり、図５は各部の温度変化を示す図である。
【００３０】
次に、図１ないし図４を参照して、この発明の一実施形態によりＬＳＩ３をプリント基板１に実装する動作について説明する。ＬＳＩ３の半田ボール２にクリーム半田を印刷してプリント基板１の半田接合部上に載置する。このプリント基板１を取付け・取外し機のヒータ６上に装着して、スイッチ４１を操作すると、ＣＰＵ３０はモータ１９を駆動する。モータ１９の駆動により昇降機構１８により加熱源１０およびダクト７が降ろされ、ダクト７の内枠８がＬＳＩ３を覆う位置で停止される。
【００３１】
ＣＰＵ３０はステップ（図示ではＳＰと略称する）ＳＰ１においてＩ／Ｏユニット３４を介してヒータ制御部３８によりヒータ６および１３でプリント基板１を加熱して温度を制御する。このとき、加熱源１０のヒータ１４および下部のヒータ６は、ＣＰＵ３０の指令に基づきヒータ制御部３８により温度制御される。ステップＳＰ２において、ＣＰＵ３０はエアー制御部３９により加熱源１０に供給するエアーを制御する。
【００３２】
加熱源１０のヒータ１４による熱はエアーが送られることにより熱風として図１の矢印方向に吹付けられる。この熱風はダクト７の内枠８を加熱しながら排気孔９２および外枠９と内枠８との間の隙間から内枠８内および外部に排気され、その際にＬＳＩ３の周囲の基板を上面から加熱し、また、内枠８内に入り、ＬＳＩ３を側面から加熱する。内枠８が加熱されることによりＬＳＩ３が間接的な輻射熱に加熱されるので急激な温度上昇を避けることができる。
【００３３】
また、下部のヒータ６からの熱がプリント基板１を伝導して半田ボール２を加熱するので、ＬＳＩ３の上と横と下の全面からむらなく加熱することができる。その結果、ＬＳＩ３の表面温度が半田の溶融点の１５℃高い温度になる程度の加熱でも十分半田が溶融するようになり、ＬＳＩ３に限界以上の高温ストレスを与えることがない。しかも、内枠８内およびヒータ６から遠赤外線が発せられるので、この遠赤外線によりＬＳＩ３とプリント基板１の内部にまで熱が浸透するので半田の溶融を早く均一にできる。
【００３４】
この温度制御は、ステップＳＰ３において、図５の実線に示すようにヒータ制御プログラムを実行することにより行なわれる。図５において縦軸は温度（℃）を示し、横軸は時間（秒）を示している。そして、ヒータ制御プログラムによりｔ１＝１０秒後に温度を２３０℃まで上昇させ、ｔ２＝１００秒後までその温度を維持し、ｔ３＝１１０秒後に温度を３８０℃まで上昇させ、ｔ４＝１９０秒後まで３８０℃を維持し、その後温度制御を停止する。これらの時間ｔ１〜ｔ４はＣＰＵ３０がソフト処理によるタイマで計時される。
【００３５】
一方、加熱部１０の温度センサ１４，ダクト７の内枠８内におけるＬＳＩ３の表面温度を検出する温度センサ１２および下部のヒータ６の温度センサ１６は、それぞれ温度検出信号を、増幅器３５，３６，３７とＡ／Ｄ変換器３３とを介してＣＰＵ３０に与えている。ＣＰＵ３０は検出された温度データを液晶ディスプレイ３１に表示する。図５には液晶ディスプレイ３１に表示される温度の変化が示されており、加熱源１０のヒータ１４の検出温度が制御プログラムに忠実に変化しており、ＬＳＩ３の表面温度も制御プログラムの変化に追従しているのが分かる。ＣＰＵ３０はいずれかの温度センサで検出された温度が所定値を大幅に越えたことを検知したとき、または制御プログラムが終了したときにブザー４０によって警報を報知する。
【００３６】
ＣＰＵ３０は温度制御のプログラムを実行するとステップＳＰ４において、時間ｔ４経過後にヒータ６，１４への通電を停止するとともに、ステップＳＰ５において、モータ１９を駆動して昇降機構１８により加熱源１０とダクト７とを上昇させる。その後、ＣＰＵ３０は時間ｔ５経過後のステップＳＰ６において、エアー制御部３９に指令を与えて空気放出ノズル２０からのエアー吹付けをオンとし、図２に示すように空気放出ノズル２０からエアーをＬＳＩ３およびプリント基板１上に吹付ける。そして、時間ｔ６が経過すると、ステップＳＰ７においてＣＰＵ３０はエアー吹付けをオフにし、空気放出ノズル２０からのエアー吹付けを停止する。
【００３７】
プリント基板１からＬＳＩ３を取外すときも同様の温度制御プログラムによりプリント基板１とＬＳＩ３とを加熱し、その後昇降機構１８により加熱源１０とダクト７とを引き上げ、プリント基板１からＬＳＩ３を取外せばよい。
【００３８】
上述のごとく、この実施形態によれば、加熱源１０からの熱風をダクト７の外枠９内に送り込んで内枠８を加熱することにより、ＬＳＩ３が間接的な輻射熱で加熱されるので急激な温度上昇を避けることができ、ＬＳＩ３に限界以上の高温ストレスを与えることがない。しかも、内枠８内から遠赤外線が発せられるので、この遠赤外線によりＬＳＩ３の内部にまで熱が浸透するので半田の溶融を早く均一にできる。その結果、ＬＳＩ３やその他の電子部品に障害を与えることがなく、プリント基板１にＬＳＩ３を取付け、あるいは取外しが可能になる。
【００３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、基板を下方から加熱するとともに、外枠内に熱風を吹付けたとき熱風が内枠を加熱し、内枠内の基板を間接的に加熱することによる輻射熱で基板を加熱するようにしたので、ＬＳＩパッケージに限界以上の高温ストレスを与えないで取付け・取外しが可能となる。
【００４１】
また、遠赤外線で加熱することにより、ＬＳＩパッケージ内部まで熱が浸透しながら加熱できるので、半田ボールが速く、均一に加熱できる。
【００４２】
さらに、加熱した基板を冷却するためにエアーを吹付けるための空気放出ノズルを備え、自然冷却よりも強制冷却を行うことにより、鉛フリー半田を使用した場合に半田付けの強度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態におけるＬＳＩパッケージの取付け・取外し機の外観縦断面図である。
【図２】この発明の一実施形態に含まれる強制冷却機構を示す図である。
【図３】この発明の一実施形態におけるＬＳＩパッケージの取付け・取外し機のブロック図である。
【図４】この発明の一実施形態の具体的な動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】各部の温度変化を示す図である。
【図６】従来の熱風方式の簡易型取付け・取外し機を用いてＬＳＩパッケージを基板に半田付けする方法を説明するための概略図である。
【図７】ＢＧＡパッケージの半田ボールのＸ線透過画像である。
【符号の説明】
１　プリント基板、２　半田ボール、３　ＬＳＩ、６，１４　ヒータ、７　ダクト、８内枠、９　外枠、１０　加熱源、１１　支柱、１２，１６，１７　温度センサ、１３　円筒部、１８　昇降機構、１９　モータ、２０　空気放出ノズル、３０　ＣＰＵ、３１　液晶ディスプレイ、３２　タッチパネル、３３　Ａ／Ｄ変換器、３４　Ｉ／Ｏユニット、３５，３６，３７　増幅器、３８　ヒータ制御部、３９　エアー制御部、４０　ブザー、４１　スイッチ、９１　取付け部、９２　排気孔。
【図１】
2004006453.tif 000003
【図２】
2004006453.tif 000004
【図３】
2004006453.tif 000005
【図４】
2004006453.tif 000006
【図５】
2004006453.tif 000007
【図６】
2004006453.tif 000008
【図７】
2004006453.tif 000009