(57)【要約】【課題】基板表面だけでなくスルーホールの内部にも必要量のフラックスを均一に塗布することができ、鉛フリーはんだ等、流動性や濡れ性が低いはんだを用いた場合の接合不良を防止し、接合品質の高い確実なはんだ付け作業を可能とするフラックス塗布装置、およびフラックス塗布方法を提供する。【解決手段】フラックス塗布装置１にフラックスを貯溜するタンク２と、上方に向けた開口部５ａからフラックスを噴流させる単数または複数のノズル５と、タンクに貯溜されたフラックスをノズルに供給するポンプ３と、基板２０を支持する基板支持部材６と、を具備し、該ノズルの開口部から噴流させたフラックスの液面４０に基板を接触させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラックスを貯溜するタンクと、上方に向けた開口部からフラックスを噴流させる単数または複数のノズルと、タンクに貯溜されたフラックスをノズルに供給するポンプと、ノズルの開口部から噴流させたフラックスの液面と基板とが接触する位置に基板を支持する基板支持部材と、を具備することを特徴とするフラックス塗布装置。
【請求項２】
前記フラックスの液面を、表面張力によりノズルの開口部から盛り上がった状態に保持することを特徴とする請求項１に記載のフラックス塗布装置。
【請求項３】
ノズルの開口部を上方に向け、該開口部から噴流させたフラックスの液面に基板を接触させることを特徴とするフラックス塗布方法。
【請求項４】
前記フラックスの液面を、表面張力によりノズルの開口部から盛り上がった状態に保持することを特徴とする請求項１に記載のフラックス塗布方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ付けによる基板と半導体素子等の接合箇所に予めフラックスを塗布する装置、およびフラックスを塗布する方法の技術に関する。
より詳細には、必要量のフラックスを基板表面、あるいはスルーホールの内部等に均一に塗布する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板（絶縁基板）の表面に形成されたランドやスルーホール等の金属部品（回路パターン）と、基板に実装される半導体素子やコンデンサ等の実装部品のリード線と、を通電可能に接合する方法として、はんだ付けが広く用いられている。そして、基板の表面に形成されたランドやスルーホール等の金属部品、実装部品のリード線、あるいははんだ表面の酸化被膜を還元・除去してクリーンな接合面を形成し、はんだと金属表面との濡れ性を向上させて強固に接合させるためにフラックスが用いられる。
フラックスは一般的にはロジン系やアクリル系の樹脂と、アルコールや芳香族系の溶剤と、活性剤（不要の場合もある）とを混合したものであり、予めはんだ付けによる接合部にスプレーにて塗布される。例えば、特許文献１から特許文献３に記載の如くである。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−８５４４０号公報
【特許文献２】特開平７−３８２４３号公報
【特許文献３】特開２００２−１００８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、環境問題への取り組みの一環として一般的にスズと鉛との合金である従来のはんだに代えて、鉛を含有しないはんだ（鉛フリーはんだ）をはんだ付けに用いることが検討されているが、従来のはんだの融点が１８０℃近傍であるのに対して、鉛フリーはんだの代表例であるスズ−銀−銅合金の場合、融点が２２０℃近傍であり従来のはんだよりも融点が高い。そのため、従来のはんだと比較すると、同じ温度では鉛フリーはんだの流動性および濡れ性が低いという傾向がある。そして、はんだの流動性および濡れ性ははんだ付け作業による接合箇所の品質を決定する重要な因子であり、はんだの流動性および濡れ性が低いと、一般的には接合不良を起こす頻度が高くなる。
特に、上記鉛フリーはんだを用いて、リード線を貫装したスルーホール内にはんだを流入させ、該リード線とスルーホールとを接合する場合、該スルーホール内に必要量のフラックスが均一に塗布されていないと、鉛フリーはんだがスルーホール内にうまく流入せず、当該部位における接合不良を起こしやすいという問題がある。
このような接合不良は、基板の回路パターンと実装部品との通電不良の原因となる場合があり、基板の信頼性を確保する上での障害となる。
【０００５】
本発明は以上の如き状況に鑑み、基板表面だけでなくスルーホールの内部にも必要量のフラックスを均一に塗布することができ、鉛フリーはんだ等、流動性や濡れ性が低いはんだを用いたはんだ付け作業時の接合不良を防止し、接合品質の高い確実なはんだ付け作業を可能とするフラックス塗布装置、およびフラックス塗布方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００７】
即ち、請求項１においては、フラックスを貯溜するタンクと、上方に向けた開口部からフラックスを噴流させる単数または複数のノズルと、タンクに貯溜されたフラックスをノズルに供給するポンプと、ノズルの開口部から噴流させたフラックスの液面と基板とが接触する位置に基板を支持する基板支持部材と、を具備するものである。
【０００８】
請求項２においては、前記フラックスの液面を、表面張力によりノズルの開口部から盛り上がった状態に保持するものである。
【０００９】
請求項３においては、ノズルの開口部を上方に向け、該開口部から噴流させたフラックスの液面に基板を接触させるものである。
【００１０】
請求項４においては、前記フラックスの液面を、表面張力によりノズルの開口部から盛り上がった状態に保持するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１２】
請求項１においては、基板表面だけでなく、スルーホールの内部にも必要量のフラックスを均一に塗布することが可能である。
【００１３】
請求項２においては、基板に接触するフラックスの液面の高さを略一定に保持し、基板の所望位置に所望量のフラックスを確実に塗布することが可能である。
【００１４】
請求項３においては、基板表面だけでなく、スルーホールの内部にも必要量のフラックスを均一に塗布することが可能である
【００１５】
請求項４においては、基板に接触するフラックスの液面の高さを略一定に保持し、基板の所望位置に所望量のフラックスを確実に塗布することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下では、図１および図２を用いて、本発明に係るフラックス塗布装置の実施の一形態であるフラックス塗布装置１の全体構成について説明する。
なお、以下の説明における「フラックス」は、一般的にはロジン系やアクリル系の樹脂と、アルコールや芳香族系の溶剤と、活性剤（不要の場合もある）とを混合したものをさすが、本発明のフラックス塗布装置およびフラックス塗布方法は、流動性が高いものであればいかなる組成のフラックスに対しても適用可能である。
図１に示す如く、フラックス塗布装置１は基板２０の表面（本実施例では下面）の全面または一部にフラックスを塗布するものである。フラックス塗布装置１は主に、タンク２、ポンプ３、流量バルブ４、ノズル５、基板支持部材６、トレイ７等で構成される。
【００１７】
タンク２はフラックスを貯溜する容器であり、タンク２には送り配管１１および戻り配管１４の一端が挿入される。
【００１８】
ポンプ３はタンク２に貯溜されたフラックスをノズル５に供給するものである。ポンプ３の吸入側ポートには前記送り配管１１の他端が接続され、ポンプ３の吐出側ポートには圧送配管１２の一端が接続され、ポンプ３はタンク２に貯溜されたフラックスを吸入側ポートから吸入し、吐出側ポートから吐出（圧送）する。なお、ポンプ３は油圧式、空圧式または電気式のいずれの形式でも良い。
【００１９】
流量バルブ４は、ポンプ３によりノズル５に供給（圧送）されるフラックスの量を調整するものである。流量バルブ４の入口側ポートには前記圧送配管１２の他端が接続され、流量バルブ４の出口側ポートには圧送配管１３の一端が接続される。流量バルブ４の開閉および開度（すなわち、フラックスの単位時間当たりの流量）の調整は制御装置（図示せず）により行われる。なお、流量バルブ４を手動にて操作可能としても良い。
【００２０】
図１および図２に示す如く、ノズル５は上面が開口した略直方体形状の箱である。ノズル５の下部には連通孔５ｂが形成され、該連通孔５ｂには圧送配管１３の他端が接続される。
ノズル５の上部に形成された開口部５ａは上方に向けられており、タンク２から送り配管１１、ポンプ３、圧送配管１２、流量バルブ４、圧送配管１３を経てノズル５内に供給されたフラックスは、その表面張力により該開口部５ａの上端部から所定の高さＨ（図２に図示）だけ盛り上がり、液面４０を形成する。また、ノズル５から噴流（オーバーフロー）した余剰のフラックスは、ノズル５の外壁を伝ってトレイ７に落下する。
【００２１】
トレイ７は上面が開口した皿状の部材であり、ノズル５の下方に配置される。トレイ７の平面視形状は、ノズル５と平面視で重ねたときにノズル５の外形よりも外側に位置するように構成され、ノズル５の外壁を伝って落下する余剰のフラックスは全てトレイ７が受け止めることが可能である。トレイ７の下面には連通孔７ａが形成され、該連通孔７ａには前記戻り配管１４の他端が接続される。トレイ７に受け止められたフラックスは戻り配管１４を経てタンク２に戻される。
【００２２】
基板支持部材６は基板２０を支持し、ノズル５から噴流させたフラックスの液面４０に基板２０を接触させるものである。
なお、ここでいう、「フラックスの液面４０に基板２０を接触させる」とは、基板２０に実装する実装部品２２のリード線２３の先端のみをフラックスの液面４０に接触させることをも含むものとする。この場合は、リード線２３の先端に接触したフラックスがメニスカスにより上昇して基板面まで到達し、さらに、毛細管現象によりフラックスがスルーホール２１内に充填されることとなる。
【００２３】
図１に示す如く、基板支持部材６は平面視で略長方形の板状部材であり、その上面にはフラックスが塗布される対象である基板２０が載置される。このとき、基板支持部材６の略中央部には孔６ａが形成され、基板２０は該孔６ａを跨ぐように配置される。また、基板支持部材６の上面に設けられた平面視略Ｌ字型の部材である位置決め部材６ｂ・６ｂ・６ｂ・６ｂにより、基板２０の四隅が基板支持部材６に対して動かないように規制される。
すなわち、基板２０は基板支持部材６上の所定の位置に精度良く位置決めされた状態で配置される。
基板支持部材６は、昇降装置（図示せず）により、基板支持部材６に載置された基板２０がノズル５から噴流させたフラックスの液面４０に接触する位置（下降位置）と、基板支持部材６に載置された基板２０がノズル５から噴流させたフラックスの液面４０に接触しない位置（上昇位置）と、の間を上下方向に移動可能である。
また基板支持部材６は搬送装置（図示せず）により、基板２０を載置した状態で次工程（フラックスの溶剤を乾燥させるプレヒート工程）に搬送可能に構成される。
【００２４】
以下では、図１から図６を用いて、本発明のフラックス塗布装置１によるフラックス塗布方法の利点について、従来のスプレーによるフラックス塗布方法とを比較しつつ説明する。
【００２５】
図４に示す如く、従来のスプレーによるフラックス塗布方法は、基板２０におけるフラックスの塗布面（図４においては基板２０の下面）に、スプレー３０により霧状のフラックス３１を吹き付けるものである。
この方法は、基板の下面等、平滑な面には必要量のフラックスを均一に塗布することが可能であるが、基板２０に形成された孔に貫装される略円筒形状の金属部材であるスルーホール２１・２１・・・の内部には必要量のフラックスを均一に塗布することが困難である。特に、スルーホール２１の内径が小さくなるほどその傾向が強い。
従って、スルーホール２１・２１・・・の内部に塗布されたフラックス３１はその量が不足して斑状となっており、均一に塗布された場合と比較してはんだの濡れ性が良くない状態となっている。
【００２６】
しかし、従来のはんだ（いわゆる共晶はんだ）は、はんだ自体が元々濡れ性に優れ、流動性も高いので、スルーホール２１・２１・・・の内部に塗布されたフラックスが少々斑状であっても、はんだはスルーホール２１・２１・・・の内部に流入する。
よって、従来のはんだを用いてはんだ付けする場合には、従来のスプレーによるフラックス塗布方法でも、接合不良を起こすことなくスルーホール２１とリード線２３とを接合することが可能であった。
言い換えれば、スルーホール２１の上端から下端にわたって、スルーホール２１と、該スルーホール２１に貫装された実装部品２２のリード線２３との隙間にはんだが流入し、かつ、スルーホール２１内に形成されたはんだフィレットに含まれるボイドの体積率が小さい状態を確保することが可能であった（図３中の「スプレー＋共晶はんだ」参照）。
【００２７】
しかし、鉛フリーはんだを用いた場合、従来のはんだと比較して濡れ性および流動性が低い。そのため、従来のスプレーによるフラックス塗布方法を用いた場合、スルーホール２１・２１・・・の内部にはんだがうまく流入せず、スルーホール２１とリード線２３との間の接合不良を起こしやすい。
言い換えれば、スルーホール２１内に形成されたはんだフィレットに含まれるボイドの体積率が大きくなる（図３中の「スプレー＋鉛フリーはんだ」参照）。
【００２８】
従来のスプレーによるフラックス塗布方法の基本的な構成を変えずに、スルーホール２１の内部にフラックスを均一に塗布する方法としては、（Ａ）スプレー３０からの霧状のフラックス３１の噴霧量を増やす方法（図５に図示）、（Ｂ）スプレー３０と基板２０（スルーホール２１）との間の距離を短くする方法（図６に図示）、が挙げられる。
【００２９】
しかし、上記（Ａ）、（Ｂ）の方法は、それぞれ以下の如き問題点がある。
（Ａ）スプレー３０からの霧状のフラックス３１の噴霧量を増やす方法でもスルーホール２１の内部にフラックスを均一に塗布することが可能であるが、スルーホール２１の周囲の基板２０に大量のフラックスを塗布してしまい、基板２０から余剰のフラックスが滴り落ちてしまうとともに、フラックスのロスが多くなる。
また、（Ｂ）スプレー３０と基板２０（スルーホール２１）との間の距離を短くする方法でもスルーホール２１の内部にフラックスを均一に塗布することが可能であるが、一度基板２０の表面に塗布されたフラックスがスプレーからのエアにより再び吹き飛ばされてしまい、基板２０の表面に必要量のフラックスを塗布することが困難となる。
すなわち、（Ａ）、（Ｂ）の方法とも、フラックスを塗布する場所（基板表面またはスルーホール）によりスプレーの塗布条件を使い分けなければならず、装置の制御が複雑になるとともに、塗布に要する時間が長くなる。
【００３０】
そして、スプレーによるフラックス塗布方法に共通する問題として、スプレーから噴霧されたフラックスのうち、実際に基板表面やスルーホール内部に塗布されるフラックスの量は１％程度であり、スプレーから噴霧されたフラックスの大部分は周囲に飛散してしまうため、フラックスの歩留まりが悪い（ロスが多い）ことが挙げられる。
また、周囲に飛散したフラックスは周囲の工程を汚染する原因となるため、フラックス塗布装置にドラフトやフィルター、排気ポンプ等からなる排気装置を設けるか、あるいは清掃作業を頻繁に行う必要がある。
さらに、基板に実装される半導体素子の表面等、フラックスを塗布していない部分にも霧状のフラックスが回り込んで付着し、これが後工程におけるワイヤーボンディングの接合不良等を引き起こす可能性がある。
さらにまた、アクチュエータ等によりスプレーの先端部を基板に対して動かして塗布作業を行う、または、基板をベルトコンベア等の搬送手段に固定し、基板を移動させつつ搬送経路上に設けたスプレーにより塗布作業を行うため、塗布作業に要する時間が長いという問題がある。
【００３１】
一方、図１および図２に示す如く、本発明に係るフラックス塗布装置１は、フラックスを貯溜するタンク２と、上方に向けた開口部５ａからフラックスを噴流させる単数または複数のノズル５と、タンク２に貯溜されたフラックスをノズル５に供給するポンプ３と、ノズル５の開口部５ａから噴流させたフラックスの液面４０と基板２０とが接触する位置に基板を支持する基板支持部材６と、を具備するものである。
そして、該フラックス塗布装置１によるフラックス塗布方法は、ノズル５の開口部５ａを上方に向け、該開口部５ａから噴流させたフラックスの液面４０に基板２０を接触させるものである。
【００３２】
このように構成することは、以下の如き利点を有する。
すなわち、フラックス塗布装置１にて液面４０に基板２０を接触させると、図２に示す如くフラックス３２は毛細管現象によりスルーホール２１の上端からやや突出するまで吸い上げられ、スルーホール２１内に充填される。また、フラックス３２は基板２０の下面にもノズル５の開口部５ａの形状に沿って均一に塗布される。
【００３３】
本発明に係るフラックス塗布方法によりスルーホール２１内にフラックス３２を充填し、次にフラックスの溶剤を乾燥し、続いてはんだ付けを行うと、鉛フリーはんだを用いた場合でも高い接合品質を得ることが可能である。
言い換えれば、スルーホール２１の上端から下端にわたって、スルーホール２１と、該スルーホール２１に貫装された実装部品２２のリード線２３との隙間にはんだが流入し、かつ、スルーホール２１内に形成されたはんだフィレットに含まれるボイドの体積率が小さい状態を確保することが可能である（図３中の「ディップ＋鉛フリーはんだ」参照）。
【００３４】
なお、リード線２３の先端部がスルーホール２１の下端よりも下方に（液面４０側に）突出している場合には、基板２０の表面が液面４０に接触しなくても、該リード線２３の先端部が液面４０に接触した時点でフラックスが表面張力によりリード線２３に沿って上方に吸い上げられ、スルーホール２１の内部がフラックスにより充填されるとともに、ノズル５の開口部５ａの形状に沿って基板２０の表面にもフラックスが均一に塗布される。
【００３５】
また、本発明に係るフラックス塗布方法は、液面４０に基板２０を接触させて１秒程度保持すればスルーホール２１内にフラックスが充填されるので、フラックス塗布作業に要する時間が短く、生産性に優れる。
【００３６】
さらに、ノズル５の個数、ノズル５の開口部５ａの形状および大きさを変更することにより、フラックスを塗布する必要がある部分にだけフラックスを塗布することが可能であるとともに、スプレーで塗布する場合のようにフラックスが周囲に飛散することがない。
従って、フラックスのロスが少なく歩留まりが良いとともに、周囲の工程をフラックスにより汚染することがなく、排気装置等を省略し、清掃作業を簡略化することが可能である。
なお、本実施例ではノズル５を設けている個数は一つであるが、基板２０の複数箇所に同時にフラックスを塗布したい場合には複数個設ければ良い。
【００３７】
また、基板に実装される半導体素子の表面等、フラックスが付着することが望ましくない部分に霧状のフラックスが回り込んで付着することがなく、基板の清浄度を保持して後工程におけるワイヤーボンディングの接合不良等を防止することが可能である。
【００３８】
さらに、本発明に係るフラックス塗布装置１によるフラックス塗布方法は、ノズル５から余剰のフラックスを噴流させつつ、フラックスの表面張力により液面４０を形成し、ノズル５の開口部５ａから盛り上がった状態に保持するものである。
このように構成することにより、液面４０の高さを略一定に保持し、基板２０の所望の位置に所望量のフラックスを確実に塗布することが可能である。
【００３９】
なお、液面４０に基板２０を接触させてフラックスを塗布すると、基板２０に付着したフラックスの分だけ液面４０の位置が下がるが、ポンプ３によりノズル５にフラックスが供給されるため液面４０の高さを略同じ高さに保持することが可能である。
また、流量バルブ４により調整されるノズル５へのフラックスの供給速度（流量）は、液面４０の平滑度が損なわれない程度の緩やかな供給速度であることが好ましい。
さらに、フラックスの溶剤の揮発を極力抑えるために、フラックスを塗布しない時はポンプ３を停止するとともに流量バルブ４を閉じ、フラックスの循環を停止することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るフラックス塗布装置の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明に係るフラックス塗布方法を示す断面模式図。
【図３】フラックス塗布方法とはんだフィレット内のボイド体積率の関係を示す図。
【図４】従来のスプレーによるフラックス塗布方法を示す断面模式図。
【図５】噴霧量増加時のスプレーによるフラックス塗布方法を示す断面模式図。
【図６】近接噴霧時のスプレーによるフラックス塗布方法を示す断面模式図。
【符号の説明】
【００４１】
１    フラックス塗布装置
２    タンク
３    ポンプ
５    ノズル
５ａ  開口部
２０  基板
４０  液面
【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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