JP2001504392A - ガスナイフ冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 リフローはんだ付用のガスナイフ冷却システムは、はんだ付された物品（１２）に対して直接ガスの流れを衝突させることによって該物品を冷却するので、結果として用いる冷却ガスが少ない。ヒータ（３２）は該冷却システムと関連してフラックスデポジットを除去する。この冷却システムは、リフローはんだ付装置の冷却セクション（１８）に設置され、かつコンベア（１４）上を冷却セクション（１８）を通って運ばれるはんだ付された物品（１２）に対してガスの流れを向ける少なくとも１つのガスナイフ（２４、２５）を備える。ヒータ（３２）は、予め定められた清浄化サイクルの間能動化されて、ガスナイフ（２４、２５）を、はんだ付された製品（１２）からのフラックスデポジットのフラックス蒸発温度より高い温度まで加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスナイフ冷却システム 本発明は、リフローはんだ付に関し、かつより特定的にははんだ付直後に被は んだ付物品を冷却する技術に関する。 プリント配線基板アセンブリは、はんだ付された物品の温度をはんだの溶融温 度より低くするために、リフローはんだ付の後冷却される。リフローはんだ付に おいては、はんだ付する物品をまずフラックスを含むはんだペーストで覆い、こ れを少なくとも１つの加熱ゾーンにおいて加熱して、はんだが溶融しかつフラッ クスが液化して該はんだがはんだ付をする接合箇所または領域に流入し、これを 覆うことができるようにする。加熱の後、はんだ付された物品は冷却セクション へ送られ、そこではんだをその溶融温度未満に冷却して、回路基板アセンブリ上 のはんだを硬化させる。多くの場合、はんだの上には、冷却セクションで形成さ れる液体または固体のフラックス付着堆積物（デポジット）もいくらか存在する 。 リフローはんだ付装置の一例が、デアンブロ（Deambrosio）の米国特許第５、 １２５、５５６号に開示されており、またリフローはんだ付システムのための冷 却装置の一例が、ペアレント（Parent）他の米国特許第４、９１２、８５７号に 開示されている。同冷却装置は概ね別個のセクションであって、熱交換器を介し て、ファンまたはブロアにより移動する雰囲気ガスを取り込む。雰囲気ガスの再 循環によって、熱交換器およびフローアクチュエータ内のフラックスデポジット に関する問題が生じる。これらデポジットによって、熱交換器とフローアクチュ エータの詰まりが生じ、それにより経時的冷却性能の劣化が起こり得る。これに よりメンテナンスおよび装置の休止時間が増大する。 冷却セクションにおけるフラックスデポジットを減らすためにさまざまな方法 が試みられている。１つの方法としフィルタ処理システムがあり、この場合リフ ロー加熱ゾーン内のガスは冷却ゾーンに入る前にフィルタ処理媒体を通される。 気相にあるフラックス成分をフィルタ処理して除去することは困難なため、この 技術はかならずしも常に有効と限らない。また、フィルタ処理システムは冷却ゾ ーンにおいてフラックスデポジットが蓄積する速度を下げるが、問題を解決する ものではない。 もう１つの提案されている方法は、リフロー装置全体に対して清浄化サイクル を設けることである。このシステムでは、加熱ゾーンと冷却ゾーンとを、オーブ ン内のフラックスデポジットが蒸発し得る温度まで加熱する。しかしながら、こ の工程にはいくつかの問題があり、その１つは高度な加熱エネルギを必要とする 加熱ゾーンの熱量が大きく、費用が嵩みかつ時間がかかる点である。装置全体を 加熱し、ベーキングしかつ冷却するという３つのステップによるプロセスがある 。これには、リフロー装置を止める必要がある。もう１つの問題は、再循環させ る冷却剤を冷却ゾーンで使用される熱交換器から完全に取除かなければ、清浄化 用の昇温、高圧により破裂する可能性がある点である。この点が心配なのは、除 去システムの故障によって人に危害を与える可能性があるためである。 リフローはんだ付装置の多くの冷却セクションでは、多量の雰囲気ガスが熱交 換器を通って循環し冷却される。はんだ付された物品は、冷却されたガスを通っ て運搬される。この冷却システムにおいて用いられる２種類の最も一般的なガス は空気と窒素である。窒素は、不活性な処理環境を提供し、はんだの表面上で酸 化が生じないため、窒素雰囲気においてはかなり光輝度の高い接合部分を得るこ とができる。 本発明の目的は、冷却セクションにおける熱交換器およびフローアクチュエー タ上のフラックスデポジットを低減する、リフローはんだ付のための冷却システ ムを提供することである。この目的は、冷却セクションを通って運搬されるはん だ付された物品に特定的に向けて少なくとも１つのガスの流れを供給することに よって達成され、ガスがはんだ付された物品に特定的に向けられているため、は んだを硬化させるための冷却に用いるガスの流量を減らすことができる。このガ スの流れをガスナイフにおいて作り出し、かつ該ガスナイフを、フラックスが蒸 発する温度より上の温度まで加熱する清浄化サイクルを適宜設けて、ガスナイフ 上のフラックスデポジットを除去する。 本明細書中で使用する「ガスナイフ」という表現は、適当なガスの流れを提供 するいずれかの装置、または物体を冷却する衝突流れ冷却システムを指す。ガス ナイフは、衝突ガスフローを提供するよう位置決めされたスロットノズル、ラウ ンドノズルまたは複数のノズルからなる複数のアレイ等のガスフローアクチュエ ータと考えられたい。 本発明は、冷却セクションの前に加熱セクションを有するリフローはんだ付装 置のためのガスナイフ冷却システムを提供し、同システムは、該装置を通っては んだ付する製品を運ぶためのコンベアを備え、該ガスナイフ冷却システムは、冷 却セクション内に、コンベア上のはんだ付された製品に対してガスの流れを向け て該製品を冷却するように位置決めされた少なくとも１つのガスナイフを備え、 かつ予め定められた清浄化サイクルの間能動化されるガスナイフに関連してガス ナイフを、はんだ付された製品からフラックスのデポジットが蒸発する温度を超 える温度まで加熱するヒータを備える。 リフローはんだ付装置の加熱セクションから冷却セクションへコンベア上を通 って運ばれるはんだ付された製品を冷却する方法も提供され、同方法は、該冷却 セクションにおいてはんだ付された製品に対し少なくとも１つのガスの流れを向 けて該製品を冷却するステップと、適宜清浄化サイクルを提供するステップとを 備え、ガスがはんだ付された製品からフラックスのデポジットが蒸発する温度よ りも高い温度まで加熱される。 図面は本発明の実施例を示すものであり、図において、 図１は、本発明に従うリフローはんだ付装置の冷却セクションの一実施例を示 す模式側上面図であり、 図２は、本発明の一実施例に従うガスナイフを示す等尺図であり、 図３は、本発明の一実施例に従うガスナイフ冷却システムを作動させるための 制御システムを示すブロック図である。 一実施例に従うリフローはんだ付装置１０を図１に示す。図１において、はん だ付されるプリント配線基板アセンブリ１２または他の物品がコンベア１４上を 、加熱セクション１６を通って冷却セクション１８へ運ばれる。赤外線ヒータ２ ０が加熱セクション１６に図示されるが、これらのヒータは、リフローはんだ付 装置において使用されるヒータの一種類に過ぎない。加熱ガス強制対流式システ ムを用いてもよく、または加熱セクション１６を通ってコンベア１４上を運ばれ る物品１２を加熱する何らかの他の適切な加熱システムを用いてもよい。 冷却セクション１８において、熱交換器２２は、ガスの流れをコンベア１４上 を通るはんだ付された物品１２の上部に向ける複数の上部ガスナイフ２４上に装 着される。下部ガスナイフ２５がコンベア１４下に位置決めされガスの流れがは んだ付された物品１２の下側に向けられるようになっているところを示す。熱交 換器２２は、冷却セクション１８においてガスの雰囲気温度を冷却しかつ安定化 させる。冷却セクション１８を通る物品の搭載量が多い場合には、このように安 定化させることが好ましい。はんだ付された物品１２の各々は、熱を放出して冷 却され、熱は冷却セクション１８で消散する。別に設けた冷却システムが、循環 する冷却剤、空気または他の気体、水または水／グリコール混合物、もしくは他 の冷却剤混合物を提供して、入口２６から熱交換器２２へ通しかつ出口２８から 排出する。他のタイプのリフローはんだ付装置においては、熱交換器は熱消散フ ィンを用いて対流式冷却または電子冷却もしくは他の適切な冷却手段を用いても よい。熱交換器２２は、コンベア１４下の下部ガスナイフ２５下に置くかまたは 冷却セクションの全く外部に置くことも可能である。熱交換器冷却システムは、 ガスナイフ２４、２５からのガスの流れに対し全く分離されている。ある種の応 用においては、熱交換器２２は不要である。 ブロアを用いる、より典型的なガス循環システムの場合とは違い、ガスナイフ ２４、２５によって方向づけられたガスの流れを作り出すので、フラックスデポ ジットで熱交換器２２に凝結が起こったりまたは詰まりが起こったりという問題 が生じない。すなわち、処理用のガスがそこを通って循環しないからである。 ガスナイフ２４、２５へのガスの流れは、別個の供給源から供給されかつ一般 に再循環させない。圧縮ガス供給源は、エアーコンプレッサ、圧縮ボトルガス、 窒素タンクまたは他の適切な供給源が可能である。このガスは、室温またはわず かに室温を下回る温度で適切に運搬されるので、ガスナイフ２４、２５へのガス 入口ライン３０を通過するまでは冷却されない。 図２に示すとおり、ガスナイフ２４にはその背後に電子ヒータ３２が配設され て、ガスナイフ２４を加熱する。また、ガスナイフ２４を通過するガスは何らか の加熱を受ける。清浄化サイクルのためのガスナイフ２４、２５の温度は、フラ ックスの蒸発温度より高くして、フラックスのデポジットが蒸発するようにし、 ガスナイフ２４、２５の上に蓄積しないようにする必要がある。清浄化サイクル はフラックス残留物が蒸発するのに十分な時間継続し、したがって冷却セクショ ンの維持管理は、フラックスのデポジットを除去するのに長い加熱サイクルが必 要な既存のタイプのリフローはんだ付装置用冷却セクションの場合と比べてはる かに簡単になる。 蒸発したフラックスデポジットは、はんだ付装置１０の各端部の排出口から概 ね排出される。ガスナイフ２４、２５へ供給されるガスは、別の供給源から供給 されるので、冷却セクション１８から出るガスの流れは連続したものである。こ の連続したガスの流れによってフラックスの蒸気は一部排出され、はんだ付装置 １０の端部にある排出口によりシステムから取除くことができる。フラックスの 蒸気はいくらかはんだ付装置の壁面に凝結しかつまたいくらかガスナイフ２４、 ２５上に再凝結し得るが、ガスナイフの表面積は装置の全表面積に比べて小さい ので、蓄積するフラックスのデポジットはわずかな量にすぎない。 ガスナイフ２４、２５の数および位置は伝達することが必要な熱量によって決 まる。ガスナイフは、図３に示すフロー制御装置を介してガスを供給される。少 なくとも一方のガスナイフは、図３では温度センサとして示される熱電対３３を 有する。熱電対３３はヒータの閉ループ制御を行なう。 ２つの上部ガスナイフ２４を図示し、１つの下部ガスナイフ２５を図示してい るが、いくつかのタイプのリフローはんだ付装置においては、好ましくははんだ 付される製品の上表面にガスの流れを向けるガスナイフを１つのみ必要とするも のもある。 熱交換器の目的は、冷却セクションにおいて必要な温度を維持することにある 。動作において、外部の供給源から来る冷却ガスをガスナイフ２４、２５からは んだ付された物品１２に向ける。ガスナイフを通るガスの流量は、通常の従来技 術の冷却セクションに比べ減少する。 図３は、通常のプロセスの冷却および清浄化サイクルのためのガスの流れを制 御する制御装置の構成を示す図である。通常プロセスの冷却では、ガス供給は開 放された第１のバルブ３４を通過し、減圧バルブ３６を通過し、その後ライン３ ０を介してガスナイフ２４、２５に入る。第２のガス供給を提供する第２のバル ブ３８は、通常の冷却の間は閉じられている。清浄化サイクルにおいて、第１の バルブ３４は閉じられかつ第２のバルブ３８は開放されており、圧縮されたガス 供給は第２の減圧バルブ４０を通過し、それにより通常のプロセスの冷却の場合 に比べ清浄サイクルでのガスの流量を減少させることができる。清浄化サイクル を開始すると、制御装置４２は、ガスナイフ２４、２５内のヒータ３２も能動化 し、ヒータ３２の温度は熱電対３３により制御される。ヒータ３２は、ガスナイ フ２４、２５をフラックスの蒸発温度より高い温度まで加熱するので、ガスナイ フ上のフラックスデポジットは蒸発する。 ナイフあたりのガスの流量は、好ましくは入力圧３０からｌ２０ｐｓｉ（２０ ７ｋＰａから８２７ｋＰａ）で１００から２５００ＣＦＨ（２．８３ｍ³／ｈｒ から７０．８ｍ³／ｈｒ）の範囲にあることが好ましい。窒素が使用するガスと して好ましいが、他のタイプの適切なガスを使用してもよい。いくつかの例にお いては、冷却セクション内で空気を循環させてもよい。プロセスの流量は必要と される熱交換の量に基づき調節する、すなわち冷却速度はガスの流量とガスの温 度によって制御される。清浄化サイクルは、ガスナイフ上にフラックスの残留物 が蓄積するのを防止するのに適切な間隔で行なう。清浄化サイクルが行なわれて いる場合、ガスの流量は低流量状態に切換わり、ナイフ上のヒータの電源が投入 される。こうして、ナイフの温度が上昇しフラックス残留物の蒸発温度より高い 予め設定されたレベルで保持される。清浄化サイクルは、フラックスの残留物を 除去するのに十分な時間継続し、その後電子制御装置がヒータをオフにし、流量 を冷却のためのプロセスの高い流量状態に変更する。 実験によって得た圧縮ガスナイフの熱性能は、既存の冷却モジュールのもの以 上である。５”×５”（１２．７×１７．８ｃｍ）の 複雑度の低いプリント配 線基板の場合、標準的な冷却モジュールで、平均液相時間は、４４．２５秒であ りかつ３℃のΔ_tであった。本発明のガスナイフモジュールを用いて、液相時間 は、５℃のΔ_tで平均３７．０秒まで減少した。極めて複雑な基板の場合にも良 い結果が示された。標準的な冷却モジュールでは、平均液相時間は８３．２秒で かつ４７℃のΔ_tであったが、本発明のガスナイフモジュールでは、平均液相時 間は８０．８秒でかつ３２℃のΔ_tであった。 はんだ付接合箇所に衝突するガスナイフからの高速のガスの流れの効果をテス トするため実験を行なった。テストは、入力圧４４および８０ｐｓｉ（３０３お よび５５２ｋＰａ）ならびに流量２５０および６００ＣＦＨ（７および１７ｍ³ ／ｈｒ）で作動する２ナイフのモジュールを用いて行なった。参考のためガスナ イフを用いずにいくつかの基板をはんだ付した。評価した反応は、はんだ付ブリ ッジの数と移動した成分の数であった。 データの統計的な分析では、成分の移動とガスナイフとの相関関係も示されな かった。 このガスナイフモジュールでは、ガスの流れは、熱交換器を介して循環せず、 したがって熱交換器には一般にフラックスデポジットが生じない。ガスナイフ２ ４、２５は、一般に冷却セクションにおける最も冷たい表面を有するので結果と してフラックスデポジットがこの上に形成する。 以下の請求項によってのみ限定される本発明の範囲を逸脱することなく、本明 細書中に記載した実施例に対してさまざまな変更を行なうことが可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成９年５月２９日（１９９７．５．２９） 【補正内容】 請求の範囲 １．加熱セクションの後に冷却セクションが続くリフローはんだ付装置のための ガスナイフ冷却システムであって、前記装置を通って被はんだ付製品を運搬する ためのコンベアを備え、前記ガスナイフ冷却システムは、前記冷却セクションに おいて、スロットノズルを有し、前記コンベア上のはんだ付された製品に対し衝 突するガスの流れを向けて前記製品を冷却するよう位置決めされた少なくとも１ つのガスナイフと、前記ガスナイフに関連し、前記ガスナイフを前記はんだ付さ れた製品からのフラックスデポジットのフラックス蒸発温度より高い温度まで加 熱するヒータとを備える、ガスナイフ冷却システム。 ２．少なくとも１つのガスナイフが前記コンベア上に位置し、前記はんだ付され た製品の上部に対しガスを向け、かつ少なくとも１つのガスナイフが前記コンベ アの下に位置し、前記はんだ付された製品の下側にガスを向ける、請求項１に記 載のガスナイフ冷却システム。 ３．前記ヒータが前記ガスナイフに取付けられる、請求項１に記載のガスナイフ 冷却システム。 ４．前記ガスナイフ上に温度センサを備えかつ前記ガスナイフの温度を予め定め られたレベルに制御する制御システムを備える、請求項３に記載のガスナイフ冷 却システム。 ５．通常処理用の流量と清浄化サイクルのための別々の流量制御バルブを備える 、請求項１に記載のガスナイフ冷却システム。 ６．熱交換器が前記ガスナイフに隣接した位置に設けられて、前記冷却セクショ ン内の処理温度を安定化させる、請求項１に記載のガスナイフ冷却システム。 ７．コンベア上にあって、リフローはんだ付装置の加熱セクションから冷却セク ションへ送られるはんだ付された製品を冷却する方法であって、 前記冷却セクションにおいて前記はんだ付された製品に対し少なくとも１つの ガスの流れを向けて前記製品を冷却するステップと、 ガスを、前記はんだ付された製品からのフラックスデポジットのフラックス蒸 発温度より高い温度へ加熱する、清浄化サイクルを随時設けるステップとを含む 、方法。 ８．前記ガスの流れが、ガスナイフから前記コンベア上で送られるはんだ付され た製品に対して発射されかつ前記ガスナイフが前記はんだ付された製品からのフ ラックスデポジットのフラックス蒸発温度より高い温度に加熱される、請求項７ に記載の方法。 ９．少なくとも２つのガスの流れが設けられ、コンベアの上に位置するガスナイ フからの流れが、ガスをはんだ付された製品の上部に向けかつ前記コンベアの下 に位置するガスナイフからの流れが、ガスを前記はんだ付された製品の下側に向 ける、請求項７に記載の方法。 １０．前記ガスナイフ上にヒータが設けられて、前記ガスナイフをフラックス蒸 発温度より高い温度まで加熱する、請求項９に記載の方法。 １１．温度センサおよび温度コントローラを設けて、ガスナイフの温度を予め定 められたレベルに制御する、請求項１０に記載の方法。 １２．通常処理用流れのためのガスの流れが、清浄化サイクル用の流れよりも高 い流量である、請求項７に記載の方法。 １３．前記ガスが窒素である、請求項７に記載の方法。 １４．前記ガスが空気である、請求項７に記載の方法。 １５．熱交換器を備えて、前記冷却セクション内の処理温度を安定化させる、請 求項７に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フォルメッラ，タッド アメリカ合衆国、76063 テキサス州、マ ンスフィールド、クリスマン・トゥレイ ル、2108

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．加熱セクションの後に冷却セクションが続くリフローはんだ付装置のための ガスナイフ冷却システムであって、前記装置を通って被はんだ付製品を運搬する ためのコンベアを備え、前記ガスナイフ冷却システムは、前記冷却セクションに おいて前記コンベア上のはんだ付された製品に対しガスの流れを向けて前記製品 を冷却するよう位置決めされた少なくとも１つのガスナイフと、前記ガスナイフ に関連し、予め定められた清浄化サイクルの間能動化されて前記ガスナイフを前 記はんだ付された製品からのフラックスデポジットのフラックス蒸発温度より高 い温度まで加熱するヒータとを備える、ガスナイフ冷却システム。 ２．少なくとも１つのガスナイフが前記コンベア上に位置し、前記はんだ付され た製品の上部に対しガスを向け、かつ少なくとも１つのガスナイフが前記コンペ アの下に位置し、前記はんだ付された製品の下側にガスを向ける、請求項１に記 載のガスナイフ冷却システム。 ３．前記ヒータが前記ガスナイフに取付けられる、請求項１に記載のガスナイフ 冷却システム。 ４．前記ガスナイフ上に温度センサを備えかつ前記ガスナイフの温度を予め定め られたレベルに制御する制御システムを備える、請求項３に記載のガスナイフ冷 却システム。 ５．前記ガスナイフからのガスの流れが、清浄化サイクルの場合よりも通常処理 用の流れについてはより高い流量である、請求項１に記載のガスナイフ冷却シス テム。 ６．通常処理用の流量と清浄化サイクルのための別々の流量制御バルブを備える 、請求項５に記載のガスナイフ冷却システム。 ７．前記ガスの流れが窒素である、請求項１に記載のガスナイフ冷却システム。 ８．前記ガスの流れが空気である、請求項１に記載のガスナイフ冷却システム。 ９．熱交換器が前記ガスナイフに隣接した位置に設けられて、前記冷却セクショ ン内の処理温度を安定化させる、請求項１に記載のガスナイフ冷却システム。 １０．コンベア上にあって、リフローはんだ付装置の加熱セクションから冷却セ クションへ送られるはんだ付された製品を冷却する方法であって、 前記冷却セクションにおいて前記はんだ付された製品に対し少なくとも１つの ガスの流れを向けて前記製品を冷却するステップと、 ガスを、前記はんだ付された製品からのフラックスデポジットのフラックス蒸 発温度より高い温度へ加熱する、清浄化サイクルを随時設けるステップとを含む 、方法。 １１．前記ガスの流れが、ガスナイフから前記コンベア上で送られるはんだ付さ れた製品に対して発射されかつ前記ガスナイフが前記はんだ付された製品からの フラックスデポジットのフラックス蒸発温度より高い温度に加熱される、請求項 １０に記載の方法。 １２．少なくとも２つのガスの流れが設けられ、コンベアの上に位置するガスナ イフからの流れが、ガスをはんだ付された製品の上部に向けかつ前記コンベアの 下に位置するガスナイフからの流れが、ガスを前記はんだ付された製品の下側に 向ける、請求項１０に記載の方法。 １３．前記ガスナイフ上にヒータが設けられて、前記ガスナイフをフラックス蒸 発温度より高い温度まで加熱する、請求項１２に記載の方法。 １４．温度センサおよび温度コントローラを設けて、ガスナイフの温度を予め定 められたレベルに制御する、請求項１３に記載の方法。 １５．通常処理用流れのためのガスの流れが、清浄化サイクル用の流れよりも高 い流量である、請求項１０に記載の方法。 １６．前記ガスが窒素である、請求項１０に記載の方法。 １７．前記ガスが空気である、請求項１０に記載の方法。 １８．熱交換器を備えて、前記冷却セクション内の処理温度を安定化させる、請 求項１０に記載の方法。