JP2004006453A - Lsiパッケージの取付け・取外し機 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
【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。
Claims (5)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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