(57)【要約】【課題】  パッケージと基板との線膨張差によって発生する歪みを緩和させ高い接合信頼性を得る為には、接合に使用するはんだ形状は柱状であることが望ましい。しかしながら、通常のＢＧＡパッケージのはんだ形状は球状であり、実装前にはんだ形状を柱状に加工することは難しい。【解決手段】  部分リフロー装置内に一定高さまで引き上げる事が可能な吸着ノズルを設け、はんだ溶融時にＢＧＡパッケージを吸着させ機械的に一定速度で一定高さまで引き上げ、硬化完了温度になるまでノズルを保持する。これにより球状であったはんだの形状を柱状に引き伸ばすようにする。【選択図】  図１
2009158563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールはんだ電極を有するＢＧＡ電子部品を基板へ実装する実装装置であって、
前記ＢＧＡ電子部品を保持する保持手段と、
前記ボールはんだ電極を加熱する加熱手段と、
前記保持手段を前記基板の表面の略垂直方向に移動可能とする駆動手段と、
前記加熱手段により前記ボールはんだ電極が溶融されている状態において前記ＢＧＡ電子部品が前記基板の表面より所望の高さ位置にあるように前記駆動手段を制御し、前記高さ位置で前記ボールはんだ電極を固体化させる制御手段と、
を備えることを特徴とする実装装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記ボールはんだ電極が溶融されている状態にある前記ＢＧＡ電子部品の前記基板の表面からの高さ位置を基準として、前記保持手段を前記略垂直方向に所定量移動させることで、前記ＢＧＡ電子部品が前記基板の表面より所望の高さ位置にあるように制御することを特徴とする請求項１記載の実装装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記保持手段が前記ＢＧＡ電子部品を吸着する際の吸引圧力に基づき、前記基準となる高さ位置を検知することを特徴とする請求項２記載の実装装置。
【請求項４】
ボールはんだ電極を有するＢＧＡ電子部品を基板へ実装する実装方法であって、
前記加熱手段により、前記基板上に搭載された前記ＢＧＡ電子部品の前記ボールはんだ電極を加熱する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記ＢＧＡ電子部品を保持する保持手段を、前記基板表面の略垂直方向であって前記基板の面から離れる方向に移動させる第２の工程と、
前記第２の工程の後に、前記加熱手段による加熱を停止して前記ボールはんだ電極を固体化する第３の工程と、
を有することを特徴とする実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子部品であるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ；Ball Grid Array）端子を有する半導体パッケージ（以下、ＢＧＡパッケージ）をプリント配線板等へはんだ接合をするＢＧＡ実装装置及びＢＧＡ実装方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＢＧＡパッケージのはんだ接合部のクラック対策としては、アンダーフィル剤を浸透塗布させることや、ＢＧＡパッケージのはんだボールの形状を予め柱状に加工しておくことで熱膨張差に起因する応力集中を防ごうとする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１３５６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アンダーフィル剤を使用した場合にはリペア作業が非常に困難となる。また、アンダーフィル剤、即ちＢＧＡパッケージとプリント配線板との間に浸透させる接着剤の特性によっては期待する効果が得られない場合があるという課題があった。
【０００５】
はんだ接合部の信頼性を高める為には、特許文献１に開示されているようにはんだの形状を柱状とすることが好ましい。しかしながら、一般に流通しているＢＧＡパッケージのはんだの形状はボール状である。実装前にこのＢＧＡパッケージのはんだ形状をボール状から柱状に加工することは難しく、また、コストアップの要因になるという課題があった。
【０００６】
この発明は係る課題を解決するためのものであり、プリント配線板上に実装されるＢＧＡパッケージのはんだ接合において高い接合信頼性を得ることが可能なＢＧＡ実装装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による実装装置は、ボールはんだ電極を有するＢＧＡ電子部品を基板へ実装する実装装置であって、前記ＢＧＡ電子部品を保持する保持手段と、前記ボールはんだ電極を加熱する加熱手段と、前記保持手段を前記基板の表面の略垂直方向に移動可能とする駆動手段と、前記加熱手段により前記ボールはんだ電極が溶融されている状態において前記ＢＧＡ電子部品が前記基板の表面より所望の高さ位置にあるように前記駆動手段を制御し、前記高さ位置で前記ボールはんだ電極を固体化させる制御手段とを備えるようにした。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、はんだ接合後のＢＧＡパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能となる。これにより、ＢＧＡパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収することができ、はんだ接合部の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１.
図１は、実施の形態１におけるＢＧＡ実装に使用する局所リフロー装置１００の構成を示す正面概略図である。この局所リフロー装置１００は、ＢＧＡ実装装置の一例である。
この局所リフロー装置１００は、ＢＧＡ端子を備えるＢＧＡパッケージとプリント配線板との線膨張差を起因として発生するクラックにより接合部の信頼性が低下するという課題に対処するためになされたものであり、特に、局所リフロー装置１００を用いて溶融中のＢＧＡボールを引き伸ばすことを特徴としている。
以下、図を用いて実施の形態１について説明する。
【００１０】
図１において本発明の局所リフロー装置１００は、ＢＧＡ吸着ノズル４と、ＢＧＡ吸着ノズル４の先端に取付けられた部品吸着パッド４１と、上部温風発生ヒータ５と、下部温風発生ヒータ６と、上部加熱ダクト７と、下部加熱ダクト８と、プリント配線板全体予備加熱装置１０と、ＢＧＡ吸着ノズル４のＺ軸方向（上下方向）を制御するＺ軸制御部９と、ＢＧＡ吸着ノズル４をＺ軸方向に駆動するＺ軸駆動部１２と、ＢＧＡ吸着ノズル４の吸引圧力を検出するバキュームセンサ１３と、本装置全体の動作を制御する装置制御部２０を備えて構成される。
【００１１】
ＢＧＡ吸着ノズル４はその中央部分が中空となった筒形状をしていて、その先端部には金属製もしくは耐熱性のある樹脂製の部品吸着パッド４１を備えている。ＢＧＡ吸着ノズル４は図示しないバキューム装置により吸引され、部品吸着パッド４１の吸引力によってＢＧＡパッケージ２の上面を吸着する。
【００１２】
ＢＧＡ吸着ノズル４は、ステッピングモータもしくは手動のダイヤルゲージ等のＺ軸駆動部１２と連結されており、Ｚ軸方向（ＢＧＡパッケージの接合面に対して略垂直となる方向。上下方向ともいう）に移動可能となっている。
Ｚ軸駆動部１２はＺ軸制御部９から所望の高さ情報や移動スピード等を入力すると、ステッピングモータ等を駆動制御することにより、ＢＧＡ吸着ノズル４の先端に吸着したＢＧＡパッケージ２をプリント配線板１に対して所望のスピードで移動させ、プリント配線板１に対して所望の高さ位置なるように正確に位置決めをする。なお、後に記載するが、はんだ溶融中のＢＧＡパッケージ２の上面高さは、バキュームセンサ１３の出力を用いることによりその位置を検出する。勿論、ＢＧＡパッケージ２の上面高さを随時検知する位置検出センサを設けるようにしても良い。
なお、図では、ＢＧＡパッケージ２を保持するために、部品吸着ノズル４を用いる例を示しているが、ＢＧＡパッケージ２の保持機構についてはこれに限られるものではなく、例えばＢＧＡパッケージ２の外周三箇所以上をフィンガー（三つ爪チャック）で挟んでチャッキング保持するようにしても良い。また、ＢＧＡ吸着ノズル４は保持手段の一例である。
【００１３】
上部加熱ダクト７は下面の無い箱型形状をしており、Ｚ軸駆動部と連結して部品吸着ノズル４と共にＺ軸方向に移動する。上部加熱ダクト７は、部品吸着ノズル４がプリント配線板１上に配置したＢＧＡパッケージ２を吸着しているときには、ＢＧＡパッケージ２全体を覆い、上方に設けられた上部温風発生ヒータ５により加熱された熱風を閉じ込めるようにして上部加熱ダクト７内の温度を均一の温度にする。上部加熱ダクト７は、例えばステンレス等の金属により加工されている。
【００１４】
上部温風発生ヒータ５は上部加熱ダクト７と連結されており、図１の上方に設置され図示しないファンから送風された空気を加熱して熱風５１として上部加熱ダクト７内に送り込む。
【００１５】
下部加熱ダクト８は上面が無い箱型形状をしており、プリント配線板１の下方に設置されている。その更に下方に設けられた下部温風発生ヒータ６により加熱された熱風をこの下部加熱ダクト８内に閉じ込めるようにして、プリント配線板１を下方から加熱する。
【００１６】
下部温風発生ヒータ６は、下部加熱ダクト８と連結されており、図１下方に設置され図示しないファンから送風された空気を加熱して熱風６２として下部加熱ダクト８内に送り込む。なお、上部温風発生ヒータ５、下部温風発生ヒータ６は加熱手段の一例である。
【００１７】
プリント配線板全体予備加熱装置１０は例えば電熱線ヒータのようなもので、外周をチャッキング保持されたプリント配線基板１の下方に設けられて、ＢＧＡパッケージを実装する箇所以外のプリント配線基板１全体を加熱する。
【００１８】
Ｚ軸制御部９は装置制御部２０と接続しており、装置制御部２０からの指示によりＢＧＡ吸着ノズル４のＺ軸方向の動作を制御する。
装置制御部２０はＢＧＡ吸着ノズル４の吸着動作やＺ軸動作、ヒータ制御、ファン制御、バキュームセンサの検知処理など本装置全体の制御を行う。
【００１９】
ＢＧＡパッケージ２はパッケージ内部に電子回路が実装され、パッケージ下面（裏面）に複数個配列されたボール状のはんだ電極であるＢＧＡはんだボール３が接合されている。プリント配線板１は、ＢＧＡパッケージ２以外にも他の電子部品が搭載されはんだ付されているものである。
なお、ＢＧＡパッケージ２はＢＧＡ電子部品の一例であり、プリント配線板１は基板の一例である。また、図１において、プリント配線板を固定する治具及びプリント配線板上の他の電子部品等は省略し図示していない。
【００２０】
次に、図２〜図４を用いて、実施の形態１によるＢＧＡ実装方法に使用する局所リフロー装置１００の動作について説明する。
図２は実施の形態１におけるＢＧＡ実装方法を示すフロー図である。図３はＢＧＡ実装方法における装置の動作状況を図示したものである。なお、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は図２の各ステップＳ０３、Ｓ０４、Ｓ０５〜Ｓ０６、Ｓ０７に対応している。図４は、一例としてはんだ材にＰｂ共晶はんだを用いた際の、実装工程の温度プロファイルを示した図である。図４の温度プロファイル中には、図２、図３で示した各ステップＳ０３〜Ｓ０７との対応を記している。
【００２１】
ここでは、図２で示したＢＧＡパッケージ２をＢＧＡハンダボール３のはんだ接合形状を柱状にしてプリント配線板１に接合する例について説明する。
【００２２】
図２において、まずは、通常のリフロー処理によりＢＧＡパッケージ２を（図示しない）他の実装部品と共にプリント配線板１上に実装する（ステップＳ０１）。リフロー後のＢＧＡハンダボール３の形状は略ボール状である。
【００２３】
次に、ＢＧＡパッケージ２のサイズに合うＢＧＡ吸着ノズル４、上部加熱ダクト７、下部加熱ダクト８を選択する（ステップＳ０２）。ＢＧＡ吸着ノズル４は内側が中空の筒状となっており、図示しない吸引装置に接続されて筒状内部の空気が吸引される。部品吸着パッド４１は、先に記載した通り金属製もしくは耐熱性のある樹脂製で出来ており、円錐の形状をして内側は中空となっている。部品吸着パッド４１はＢＧＡ吸着ノズル４の先端にあって、ＢＧＡ吸着ノズル内のエアが吸引されることでＢＧＡパッケージ２を吸着する。上部加熱ダクト７はＢＧＡパッケージ２が内側に入る程度の大きさであり、小さ過ぎるとＢＧＡパッケージを傷つけるおそれがあり、またサイズが大き過ぎると他の実装部品まで含まれてしまう。
【００２４】
続いて、装置制御部２０は、上部温風発生ヒータ５と下部温風発生ヒータ６とプリント配線板全体予備加熱装置１０を可動させ、熱風加熱によりＢＧＡはんだボール３を溶融させる（ステップＳ０３。図３（ａ）、図４中のＳ０３に対応）。ＢＧＡはんだボール３の溶融の検知は、上部加熱ダクト７内に温度検知手段を設けてその温度で検知するようにしてもよいし、加熱後の経過時間により検知するようにしてもよい。
【００２５】
次いで、装置制御部２０はＺ軸制御部９に指示を送り、ＢＧＡパッケージ２の上方にあったＢＧＡ吸着ノズル４およびその先端に取り付けられた部品吸着パッド４１を下降させる（ステップＳ０４。図３（ｂ）、図４中のＳ０４に対応）。ＢＧＡ吸着ノズル４はバキューム装置により吸引されている。バキュームセンサ１３はＢＧＡ吸着ノズル４の吸引圧力を検出しており、部品吸着パッド４１がＢＧＡパッケージに接し、ＢＧＡパッケージ２を保持することにより吸引圧力が負圧になった時点で、装置制御部２０はＺ軸制御部９に指示を送りＢＧＡ吸着ノズル４の下降を停止する。ここで吸引圧力が負圧となり、ＢＧＡ吸着ノズル４の下降を停止した高さ位置を保持位置と呼ぶ。なお、ＢＧＡ吸着ノズル４が保持位置よりさらに下降し続け溶融しているＢＧＡはんだボール３を押し潰すとボール間の短絡が発生するため、吸引圧力が負圧となった瞬間に下降停止できるように下降スピードやＺ軸駆動部１２の機能を予め調整しておく。
【００２６】
次に、装置制御部２０はＺ軸制御部９に指示を出力し、ＢＧＡ吸着ノズル４を上方に移動させる。部品吸着パッド４１が吸着保持しているＢＧＡパッケージ２を保持位置から所定のスピードで所定の高さまで上方に持ち上げることで、ＢＧＡはんだボール３をＺ軸方向に所定量引き伸ばす（ステップＳ０５。図３（ｃ）、図４中のＳ０５に対応）。一例として、ＢＧＡはんだボール３がφ０．７〜０．８ｍｍ程度のＰｂハンダボールであれば０．２〜０．５ｍｍ程度、ＢＧＡ吸着ノズル４を保持位置から上方に移動させてはんだボール３をＺ軸方向に引き伸ばす。装置制御部２０は、保持位置から所定量分ＢＧＡ吸着ノズル４を上方に移動させた位置で、ＢＧＡ吸着ノズル４を停止させる。このようにすることで、ＢＧＡパッケージをプリント配線板の表面より所望の高さ位置にあるようにし、結果としてＢＧＡはんだボール３を柱状にする。
【００２７】
続いて、装置制御部２０は、上部温風発生ヒータ５と下部温風発生ヒータ６とプリント配線板全体予備加熱装置１０とファンの作動を停止させる。ＢＧＡ吸着ノズル４は、ＢＧＡパッケージ２を一定高さまで持ち上げた状態で、はんだが固体化（鉛共晶はんだの場合１８３℃）するまで保持する（ステップＳ０６。図３（ｃ）、図４中のＳ０６に対応）。
なお、ＢＧＡはんだボール３は溶融状態であるため、機械的ガタツキや振動は十分抑えておく必要がある。
【００２８】
はんだが固体化した時点で、ＢＧＡ吸着ノズル４の真空吸着を停止する（ステップＳ０７。図３（ｄ）、図４中のＳ０７に対応）。
【００２９】
このように本実施の形態によれば、実装工程においてＢＧＡパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能であり、従来技術のように予めＢＧＡパッケージのはんだの形状を柱状としておく必要がない。実装工程で柱状のはんだを形成することにより、ＢＧＡパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収して、信頼性の高いＢＧＡパッケージの実装を行うことができる。
【００３０】
実施の形態２.
実施の形態１では、ＢＧＡはんだボール３が溶融した状態でＺ軸制御部９によってＢＧＡパッケージ２を持ち上げることで柱状のはんだを形成していたが、実施の形態２では、プリント配線板１を下降させることにより柱状のはんだを形成する。
【００３１】
ＢＧＡ実装装置１００の構成は図１と同様であり同一の番号を付してその説明を省略するが、実施の形態２においてはプリント配線板１をチャッキング保持している治具（ステージ）のＺ方向制御を行うＺ軸治具制御部（図示せず）を更に備え、装置制御部２０はこのＺ軸治具制御部を制御可能としている。
【００３２】
図５は実施の形態２におけるＢＧＡ実装方法を示すフロー図である。図２で示した実施の形態１のＢＧＡ実装方法のフローと同様のフローであるが、実施の形態２においては図５中のステップＳ１５が実施の形態１（図２）と異なっている。
実施の形態２では、ステップＳ１４において、ＢＧＡ吸着ノズル４はバキューム状態で徐々に下降しバキュームセンサが負圧になった時点で下降を止めＢＧＡパッケージ２を保持する。
次のステップＳ１５において、実施の形態２では、装置制御部２０はＺ軸治具制御部（図示せず）を制御して所定量だけプリント配線板１をチャッキング保持している治具（ステージ）を下降させる。例えば、ＢＧＡはんだボール３がφ０．７〜０．８ｍｍ程度のＰｂハンダボールであれば０．２〜０．５ｍｍ程度、プリント配線板１をチャッキング保持している治具（ステージ）を下降させはんだボールをＺ軸方向に引き伸ばす。装置制御部２０は、保持位置から所定量だけ治具（ステージ）を下降させた位置で停止させる。このようにすることで、ＢＧＡパッケージをプリント配線板の表面より所望の高さ位置にあるようにし、結果としてＢＧＡはんだボール３を柱状にする。
【００３３】
続いて、装置制御部２０は、上部温風発生ヒータ５と下部温風発生ヒータ６とプリント配線板全体予備加熱装置１０とファンの作動を停止させる。プリント配線板１をチャッキング保持している治具（ステージ）は、プリント配線板１を一定高さまで下降させた位置で、はんだが固体化（鉛共晶はんだの場合１８３℃）するまで保持する。
【００３４】
このように本実施の形態によれば、プリント配線板１をチャッキング保持している治具（ステージ）を下降させることによっても、ＢＧＡパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能であり、従来技術のように予めＢＧＡパッケージのはんだの形状を柱状としておく必要がない。実装工程で柱状のはんだを形成することにより、ＢＧＡパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収して、信頼性の高いＢＧＡパッケージの実装を行うことができる。
【００３５】
実施の形態３.
実施の形態１、２ではＢＧＡはんだボール３が溶融している状態でＢＧＡ吸着ノズル４を下降させ、部品吸着パッド４１がＢＧＡパッケージ２を吸着するようにしたが、吸着の瞬間にＢＧＡパッケージ２がプリント配線板１に対して相対的に位置ずれを起こす場合もあり得る。
この吸着時の位置ずれが無視できない場合においては、ＢＧＡはんだボール３が固体化している状態で、ＢＧＡ吸着ノズル４を下降させＢＧＡパッケージ２を保持するようにしてもよい。
その後、実施の形態１のように、Ｚ軸制御部９によってＢＧＡ吸着ノズル４がＢＧＡパッケージ２を持ち上げＢＧＡはんだボール３を引き伸ばすようにしてもよいし、あるいは、実施の形態２のように、プリント配線板１を保持している冶具（ステージ）を下降させＢＧＡはんだボール３を引き伸ばすようにしてもよい。
【００３６】
本実施の形態によれば、ＢＧＡパッケージを吸着する際の位置ずれを防止してＢＧＡパッケージのはんだ接合形状を柱状にすることが可能であり、従来技術のように予めＢＧＡパッケージのはんだの形状を柱状としておく必要がない。実装工程で柱状のはんだを形成することにより、ＢＧＡパッケージとプリント配線板との線膨張差によって発生する歪みをこの柱状のはんだが吸収して、信頼性の高いＢＧＡパッケージの実装を行うことができる。
【００３７】
実施の形態４.
実施の形態１〜３では、部品吸着パッド４１は円錐の形状をしたものとして説明したが、この円錐形状に限られるものではない。一例として、ＢＧＡ吸着ノズルの先端を複数本のノズルに分離し、複数本に分離したノズルの各々がＢＧＡパッケージを面内各部分を吸着するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明に係る実施の形態１におけるＢＧＡ実装方法に使用する局所リフロー装置の構成を示す正面図である。
【図２】この発明に係る実施の形態１におけるＢＧＡ実装方法のフローを示す図である。
【図３】この発明に係る実施の形態１のＢＧＡ実装方法における装置の動作状況を図示したものである。
【図４】この発明に係る実施の形態１のＢＧＡ実装方法における温度プロファイルの一例を示した図である。
【図５】この発明に係る実施の形態２におけるＢＧＡ実装方法のフローを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  プリント配線板、２  ＢＧＡパッケージ、３  ＢＧＡはんだボール、４  ＢＧＡ吸着ノズル、５  上部温風発生ヒータ、６  下部温風発生ヒータ、７  上部加熱ダクト、８  下部加熱ダクト、９  Ｚ軸制御部、１０  プリント配線板全体予備加熱装置、１１  電極パッド、１２  Ｚ軸駆動部、１３  バキュームセンサ、２０  装置制御部、４１  部品吸着パッド、５１  熱風、６１  熱風、１００  局所リフロー装置。
【図１】
2009158563.tif 000003
【図２】
2009158563.tif 000004
【図３】
2009158563.tif 000005
【図４】
2009158563.tif 000006
【図５】
2009158563.tif 000007