JP2004014932A - プリント回路板の温度設定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プリント回路板の温度を数値解析によって検知する際に、プリント回路板を搬送方向と垂直方向とに範囲を分割し、それぞれ分割した領域ごとにリフロープロファイルの時間をずらして設定したうえで、熱解析を行うことで解決できる。
【選択図】 図7
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンベアによりプリント回路板を搬送して加熱するコンベア式リフロー炉の内部でプリント回路板の温度制御を行うためのプリント回路板の温度設定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、電子部品を実装したプリント回路板に対して半田付けを行う工程では、半田を溶融させるためリフロー炉と呼ばれる加熱炉が用いられることが一般的となっている。しかしながら、近年のプリント回路板は、パソコンなどの情報機器分野で多様な機能が要求されることが多く、そのため、多品種の電子部品が実装されたものが多く見受けられる。その結果、前述したリフロー炉内で処理される工程において、電子部品ごとの材質の違いによって、その熱容量や赤外線吸収率などが異なることが多くなることから、プリント回路板を均一に加熱し、半田接合部が適切な温度となるように、リフロー炉の加熱温度や加熱時間などを設定するのが難しくなっている。
【0003】
そこで、現行の加熱条件(温度や時間など)設定技術としては、熱電対などによってプリント回路板やそこに実装される電子部品の温度を計測し、その計測データに基づいて熟練作業者の経験や勘などから、リフロー炉の加熱条件を半田接合部が適切の温度となるまで都度、調整しているのが主流である。しかしながら、前述するような設定方法でも、各種設定に過大な時間を要することが多く作業効率が悪いことや、リフロー炉の加熱条件が適切でない場合、特に、プリント回路板を加熱し過ぎた際には、熱容量の小さい電子部品に熱ストレスが掛かるという問題が生じることになる。
【0004】
逆に、プリント回路板が加熱不足になった際には、熱容量の大きい電子部品の半田接合部が未溶融となる問題が発生することになる。更には、近年の鉛フリー化に伴い、一般にこれまでの半田に比べ融点が上昇することから、半田の融点と電子部品の耐熱温度との差が小さくなり、リフロー炉の加熱条件の設定が一層難しくなっているという現状もある。
【0005】
以上のような問題があることから、近年では、リフロー炉内のプリント回路板の温度分布を数値解析によって予測し、これをリフロー炉の加熱条件の設定に利用することが行われつつある。例えば、特開平11−201647号公報に記載したものが知られる。
【0006】
図8は特開平11−201647号公報に記載されるリフロー炉内のプリント回路板の温度分布を数値解析によって予測する動作仕様を示すフローチャートである。以下、その動作について詳述する。
【0007】
まず、プリント回路板上で温度検出点1〜Jを決定する(ステップ1)。ここで加熱源がI個ある場合、J=Iとなるように検出点を決定し、これらの番号を付けた各温度検出点をjとする。そして、プリント回路板上2の温度検出点1〜Jに対して、各温度検出点jのリフロー時の目標温度tjを入力する(ステップ2)。続けて、加熱源Iのリフロー条件を入力し、この条件を条件0とする(ステップ3)。このリフロー条件0における加熱源Iの設定温度をTi0とする。
【0008】
更に、プリント回路板上の温度検出点1〜Jに対して、リフロー条件0における各温度検出点jの温度tj0をそれぞれ取得する(ステップ4)。また、リフロー条件の設定から、1つの加熱源iの設定値のみを、プリント回路板の温度が目標値に近づくように変更(ステップ5)し、この条件を条件iとする。そして、リフロー条件iにおける加熱源iの設定値をTiiとする。
【0009】
また、前記ステップ5で変更したリフロー条件iにおける各温度検出点jの温度tjiを取得(ステップ6)し、各温度検出点jにおけるリフロー条件0のときの温度tj0と、リフロー条件iのときの温度tjiとの温度変化量Δtji及び、加熱源iにおけるリフロー条件0のときの設定値Ti0とリフロー条件iのときの設定値Tiiとの変化量ΔTiiを計算し、(式1)により、加熱源iの設定値の変化量ΔTiiと、各温度検出点jの温度変化量Δtjiに関する係数aijを求める(ステップ7)。
【0010】
【数1】
【0011】
次に、前記ステップ5〜ステップ7までの作業を、加熱源1〜Iの全てに対して行ったか否かを判断し(ステップ8)、全ての加熱源について行っていない場合は、後述するステップ9へ進み、リフロー条件を条件0から条件iに変更するべき加熱源iを設定する。全ての加熱源iについてステップ5〜ステップ7までの作業を終了した後、後述するステップ10へ進行する。
【0012】
また、各温度検出点jにおける目標温度ttjとリフロー条件0のときの温度tj0との温度差Δttjについて、各温度検出点jを目標温度にするための加熱源1〜Iの設定値tTiとリフロー条件0のときの設定値Ti0との変位量ΔtTi、および、ステップ7で求めた係数aijから、Δttjに関して、以下のような連立方程式(式2)を立てる(ステップ10)。
【0013】
【数2】
【0014】
そして、これらの連立方程式をΔtTiについて解く(ステップ11)異によって、各温度検出点jがそれぞれ目標温度ttjとなる各加熱源iの最適なリフロー条件設定値tTiは、以下の(式3)によって一義的に求めることができる。
【0015】
【数3】
【0016】
上記のような作業を、例えば加熱ゾーンが3つある場合には、3つの加熱ゾーンに対してそれぞれ行うことにより、各加熱ゾーンにある加熱源1〜Jを適切な加熱条件に設定することができる。これにより、対象となるプリント回路板に対するリフロー条件を設定し、リフロー半田接合を行うことができるというものである。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような方法で数値解析を行い、算出された解析値と実測値を比較した場合、以下のような問題を有することになる。
【0018】
1.解析値の最大値と実測値の最大値を比較した場合、電子部品によっては約10度の差が生じる。
【0019】
2.大型電子部品を溶融させるため、また電子部品の耐熱温度を管理するためなどの理由から、ある基準温度以上の保持時間を一定時間確保する必要がある。しかし前記方法では、急激な温度変化が生じた場合、例えばリフロー炉の加熱ゾーンから冷却ゾーンへプリント回路板が移動したとき、プリント回路板上の電子部品によっては、数値解析から算出される冷却ゾーン搬入の時間が早くなる場合があるために、基準温度以上の保持時間の管理ができない。
【0020】
3.前述したように半田の鉛フリー化のために電子部品の耐熱温度と半田の融点の差が小さくなっており、現状の解析精度では鉛フリー化に向けた対応が充分に行えない。
【0021】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためのもので、リフロー炉内のプリント回路板の温度分布を検知するために用いられる数値解析における解析精度を向上させるプリント回路板の温度条件設定方法を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に記載されたプリント回路板の温度設定方法は、リフロー炉内の加熱条件から時間の経過に応じて変化するリフロー炉の境界条件を設定する第1の工程と、プリント回路板に実装された電子部品の物性値と、前記物性値を定義し前記電子部品の計算格子を生成する第2の工程と、前記リフロー炉内を所定速度で移動させ、前記プリント回路板の形状を格子状に分割して計算格子を生成する第3の工程と、前記計算格子により分割された計算要素ごとの物性値を定義する第4の工程と、前記計算要素は境界条件とプリント回路板における熱伝導に基づいて、計算要素ごとの温度分布をプリント回路板の移動量に応じて算出する第5の工程とを含むプリント回路板の温度設定方法であって、前記プリント回路板をリフロー炉内の搬送方向と垂直方向とに分割し、計算格子に対して境界条件をプリント回路板の移動速度と計算格子とから算出される計算格子ごとの中心点の移動時間に伴って計算格子に設定する第6の工程とを具備することを特徴とする。
【0023】
請求項2に記載されたプリント回路板の温度設定方法は、請求項1におけるプリント回路板の温度設定方法において、前記第1の工程における境界条件が、輻射境界条件と熱伝達境界条件の少なくとも一方を含むものであることを特徴とする。
【0024】
請求項3に記載されたプリント回路板の温度設定方法は、請求項1または2に記載のプリント回路板の温度設定方法において、前記第2の工程において、プリント回路板に実装される電子部品の計算格子を生成する際、直方体の格子で近似することで生成することを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に実施形態を挙げ、図面を参照しながら本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
【0026】
本実施形態は、リフロー炉内を搬送されるプリント回路板の温度分布を数値解析によって算出するにあたり、プリント回路板の計算格子に対してリフロー炉の境界条件を精度良く設定する一例である。
【0027】
図1はリフロー炉の全体構成を説明するものである。
【0028】
同図において、11はトンネル状態の炉、12は加熱されるプリント回路板、13はプリント回路板12を搬送するベルトコンベア、14〜16はプリント回路板12を加熱する複数の上側加熱源、17〜19はプリント回路板12を加熱する下側加熱源である。更に詳しく説明すれば、例えば、リフロー炉内は上側加熱源14と下側加熱源17、上側加熱源15と下側加熱源18、上側加熱源16と下側加熱源19の3つの加熱ゾーンに分けられている。
【0029】
図2はプリント回路板の構成を示す。
【0030】
同図において、21はプリント回路板、22a,22b,22cはプリント回路板21に実装されている電子部品で構成される。更に詳しく説明すれば、電子部品22a,22b,22cは、例えば、QFP(Quad Flat Package)、CSP(Chip Size Package)、BGA(Ball Grid Allay)などと呼ばれる電子部品を想定する。
【0031】
以下に、図3を参照しながらプリント回路板21の温度解析を行う具体的な動作手順を説明する。
【0032】
まず、リフロー炉内の加熱条件から時間の経過に伴って変化するリフロー炉の特性を示す境界条件を設定する。例えば、輻射境界条件や熱伝達境界条件などを設定する第1の工程において、リフロー炉の特性を把握するため、図3に示すように板31に1つもしくは複数の温度センサ32を配置し、温度センサ32をリフロー炉に搬入した後、加熱条件を測定する。その結果、図4に示すようなリフロープロファイルを得ることができる。このとき、温度センサ32としては熱電対が考えられる。また、板31としては、アルミの板など物性値が既知の板が好ましい。
【0033】
次に、プリント回路板に実装され、リフロー工程で半田接合される電子部品の物性値と前記物性値を定義し、前記電子部品の計算格子を生成する第2の工程において、例えば、電子部品22aを直方体の格子で近似することにより図5を得る。
【0034】
更に、前記リフロー炉内を所定速度で移動させ、前記プリント回路板の形状を格子状に分割して計算格子する第3の工程をへて、前記計算格子で分割された計算要素毎の物性値を定義する第4の工程において、プリント回路板21を図6のように、プリント回路板21のベルトコンベア搬送方向に対して垂直方向にn分割、同方向にm分割する。
【0035】
次に、境界条件をリフロー炉の所定の搬送速度とプリント回路板の計算格子の大きさから算出される計算格子ごとの中心点の移動時間に伴って、計算格子に設定する第6の工程について説明する。
【0036】
まず、リフロー炉のベルトコンベアの搬送速度をVとする。プリント回路板21の分割された計算格子の中心間隔をli(i=1〜l)とした場合、リフロー炉の各々の加熱ゾーンに搬入する各々の時間間隔ti(i=1〜l)は式4となる。
【0037】
【数4】
【0038】
全計算格子にリフロープロファイル図4を与えるのではなくて、求められた時間間隔tiに従って、図4に示すリフロープロファイルを図7に示すような関係で計算格子に与える。
【0039】
以上、各設定工程に従って、プリント回路板21の熱伝導解析を行う。本実施形態によれば、熱伝導解析を行う対象に境界条件として設定するリフロープロファイルを時間間隔tiに従って与えることにより、リフロー炉からプリント回路板21に与えられる熱量の時間変化を正確に計算できるため、定量的に正確な解析結果を得ることができる。
【0040】
【発明の効果】
以上のように、プリント回路板の温度設定方法は、リフロー炉によるプリント回路板の熱解析において、プリント回路板をリフロー炉内の搬送方向と垂直方向に分割した計算格子に対して、境界条件をリフロー炉の所定の搬送速度とプリント回路板の計算格子の大きさから算出される計算格子毎の中心点の移動時間に伴って、計算格子に設定することにより、プリント回路板及びプリント回路板に実装されている電子部品の温度分布を、従来の解析方法と比較して、解析結果の精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に用いるリフロー炉の構成を説明する図
【図2】本発明の実施例に用いるプリント回路板の構成を説明する図
【図3】本発明の実施例に用いるリフロー炉の特性を測定するために用いる板の構成図
【図4】本発明の実施例に用いる実験結果より得られるリフロー炉の特性を示すリフロープロファイルを示す図
【図5】本発明の実施例に用いる電子部品のモデル化を説明する図
【図6】本発明の実施例に用いるプリント回路板の分割例を示す図
【図7】本発明の実施例に用いるプリント回路板の分割とそれに与えるリフロープロファイルとの関係を示す図
【図8】従来のリフロー炉内のプリント回路板の温度分布を数値解析によって予測する動作仕様を示す図
【符号の説明】
11 トンネル状態の炉
12 プリント回路板
13 ベルトコンベア
4〜16 上側加熱源
17〜19 下側加熱源
Claims (3)
- リフロー炉内の加熱条件から時間の経過に応じて変化するリフロー炉の境界条件を設定する第1の工程と、プリント回路板に実装された電子部品の物性値と、前記物性値を定義し前記電子部品の計算格子を生成する第2の工程と、前記リフロー炉内を所定速度で移動させ、前記プリント回路板の形状を格子状に分割して計算格子を生成する第3の工程と、前記計算格子により分割された計算要素ごとの物性値を定義する第4の工程と、前記計算要素は境界条件とプリント回路板における熱伝導に基づいて、計算要素ごとの温度分布をプリント回路板の移動量に応じて算出する第5の工程とを含むプリント回路板の温度設定方法であって、
前記プリント回路板をリフロー炉内の搬送方向と垂直方向とに分割し、計算格子に対して境界条件をプリント回路板の移動速度と計算格子とから算出される計算格子ごとの中心点の移動時間に伴って計算格子に設定する第6の工程と
を具備したことを特徴とするプリント回路板の温度設定方法。 - 前記第1の工程における境界条件が、輻射境界条件と熱伝達境界条件の少なくとも一方を含むものであること
を特徴とする請求項1記載のプリント回路板の温度設定方法。 - 前記第2の工程において、プリント回路板に実装される電子部品の計算格子を生成する際、直方体の格子で近似することで生成すること
を特徴とする請求項1または2に記載のプリント回路板の温度設定方法。
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