JP2004014932A

JP2004014932A - プリント回路板の温度設定方法

Info

Publication number: JP2004014932A
Application number: JP2002168751A
Authority: JP
Inventors: Yoko Tsuji; 辻　陽子; Manabu Kakino; 垣野　学
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: JP4110845B2

Abstract

【課題】リフロー炉内のプリント回路板の温度検知方法に関し、プリント回路板に発生する熱を解析し、計算条件を設定することで、精度良く検知することが可能なプリント回路板の温度設定方法を提供すること。
【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

【０００１】
【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

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。