JP2005222964A - リフローはんだ付け装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐熱性の低い部品を搭載したプリント基板に対しても、部品の昇温をその仕様限界以下に抑えながら、はんだ付け接合部付近を所望の昇温条件に保つことができ、安定したリフローはんだ付け品質が得られるようにする。
【解決手段】 部品１ａ，１ｂが搭載されたプリント基板１を加熱してはんだ付けを行なうリフローはんだ付け装置に、プリント基板１の加熱対象部が接触配置される電磁誘導加熱可能な加熱プレート３等の加熱物と、加熱プレート３の近傍に設置され交流電流の供給時に加熱プレート３に電磁誘導加熱を導くコイル６と、プリント基板１もしくは加熱プレート３の温度を検出する熱電対９等の温度検出手段と、熱電対９の検出温度に応じてコイル６に供給する交流電流を調節し加熱プレート３の加熱量を制御する温度制御ユニット８とを設ける。加熱プレート３を直接に電磁誘導加熱で発熱させるため、プリント基板１の急峻な加熱が可能であり、高効率、高応答のはんだ付けを実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品などの部品が搭載されたプリント配線基板を加熱してはんだ付けを行なうリフローはんだ付け装置および方法に関する。

図５は従来の代表的なリフローはんだ付け装置の構成を示す。図５（ａ）に示すように、電子部品などの部品１ａ，１ｂが搭載されたプリント基板１をリフローはんだ付けするリフローはんだ付け装置は、複数個の炉体２２で構成されていて、電子部品などの部品１ａ，１ｂが搭載されたプリント基板１は、一定の速度で稼動される搬送チェーン２３に載せられて、複数個の炉体２２に連続的に搬入搬出される。

各炉体２２の内部には、図５（ｂ）にも示すように、雰囲気ガスを強制的に循環させる循環ファン２４が設置されるとともに、その循環経路中にシーズヒータ２５とノズル２６とが配置されていて、炉体２２内を搬送されるプリント基板１は、シーズヒータ２５により所定の温度に昇温された雰囲気ガスがノズル２６を通して熱風として吹きつけられ加熱される。

なお、複数個の炉体２２はそれぞれ熱容量が大きく、循環される雰囲気ガスの量も大きく、全体がカバー２７で覆われていることから、各炉体２２内の温度はほぼ均一に保たれている。このため複数個の炉体２２にわたって連続的に搬入搬出されるプリント基板１は、各炉体２２内で均一な熱量が与えられ、プリント基板１上の温度ばらつきは極力抑えられる。

図６に示す他の代表的なリフローはんだ付け装置にあっては、プレートヒータ２８を下部に配した吸着ブロック２９がステージとして設けられていて、プリント基板１は吸着ブロック２９の上面に吸着され、吸着ブロック２９を介して伝えられるプレートヒータ２８の熱によって加熱される。プリント基板１の搬送は、一つずつ個別に搬送する方式であり、プリント基板１は搬入時に吸着ノズル（図示せず）で吸着して吸着ブロック２９上に設置され、リフロー加熱終了後に搬入時と同様に吸着ノズルで搬出される。

しかしながら、図５を用いて説明した従来のリフローはんだ付け装置では、処理対象のプリント基板１に対して一様に均一な熱量が加えられるため、プリント基板１上に搭載された部品１ａ，１ｂが耐熱性の低い電子部品等である場合に、また特に鉛フリーはんだが使用されている等の理由で高温雰囲気に曝される場合に、必要以上の熱ストレスを受けて、耐熱仕様限界を超えてしまうこともあり、部品の機能破壊が生じてしまう。

図６を用いて説明したリフローはんだ付け装置では、ステージ（吸着ブロック２９）自体の熱容量が大きいことと、プリント基板１をステージに吸着するための空間がステージ内部にあることから、プレートヒータ２８からプリント基板１への熱伝達の効率が非常に悪い。また、プリント基板１がステージ上に設置された際にステージ表面の熱を奪うことになるが、このステージ表面に対してプレートヒータ２８が離れているため、失われた熱を補う加熱の応答が非常に遅い。これらの結果、プリント基板１の昇温速度が遅くなり、はんだ付け接合部の加熱が終わるまでに耐熱性の低い部品に熱が伝わってしまい、部品によっては耐熱仕様温度を超えてしまうことに繋がる。

本発明は上記問題を解消するもので、耐熱性の低い部品を搭載したプリント基板に対しても、部品の昇温をその仕様限界以下に抑えながら、はんだ付け接合部付近を所望の昇温条件に保つことができ、安定したリフローはんだ付け品質が得られるリフローはんだ付け装置および方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のリフローはんだ付け装置は、部品が搭載されたプリント配線基板を加熱してはんだ付けを行なうリフローはんだ付け装置であって、前記プリント配線基板の加熱対象部が接触配置される電磁誘導加熱可能な加熱物と、前記加熱物の近傍に設置され交流電流の供給時に前記加熱物に電磁誘導加熱を導くコイルと、前記プリント配線基板もしくは加熱物の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出温度に応じて前記コイルに供給する交流電流を調節し前記加熱物の加熱量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

また本発明のリフローはんだ付け方法は、部品が搭載されたプリント配線基板を加熱してはんだ付けを行なう際に、前記プリント配線基板の加熱対象部を電磁誘導加熱可能な加熱物に接触させ、この加熱物の近傍に設置したコイルに交流電流を供給して加熱物を電磁誘導加熱し、それにより加熱される前記プリント配線基板の加熱対象部で前記部品との間のはんだを溶融させることを特徴とする。

上記したリフローはんだ付け装置および方法のそれぞれにおいて、加熱物の発熱量は、加熱物自体もしくはプリント基板の温度を検出しつつ容易に調節できるので、はんだ付け接合部付近を所望の昇温条件に保ちながら、耐熱性の低い部品の搭載時にはその昇温を仕様限界以下に確実に抑えることができ、加熱効率を向上できるとともに、安定したリフローはんだ付け品質が得られる。

加熱物としては、磁性体を使用することができる。
加熱物は、プリント配線基板が設置されるステージの天板とすることができ、それによりプリント配線基板を効率良く加熱することができる。

加熱物としての磁性体が、プリント配線基板が設置されるステージの天板に前記プリント配線基板の加熱対象部への接触部分にのみ配され、前記天板の残部は非磁性体、且つ磁界を遮断する材料で構成されたものとすることができ、それにより加熱の必要な部分のみ効率良く加熱することができる。

ステージは、負圧供給手段に連通する内部空間と、この内部空間および天板の上面で開口する孔とを有し、前記天板の上面でプリント配線基板を吸着保持するように構成されたものとすることができ、それによりプリント配線基板を吸着保持した状態で、より効率良く加熱することができる。

また加熱物は、プリント配線基板を搬送するパレットとすることができ、それによりプリント基板を連続搬送しつつはんだ付けを行うことができる。
加熱物としての磁性体が、プリント配線基板を搬送するパレットに前記プリント配線基板の加熱対象部への接触部分にのみ配され、前記パレットの残部は非磁性体、且つ磁界を遮断する材料で構成されたものとすることができ、それにより加熱の必要な部分のみ効率良く加熱することができる。

また加熱物は、プリント配線基板の背面に電気絶縁シートを介して貼り付けられたシートとすることができ、それによりプリント配線基板を効率良く加熱することができる。
加熱物としての磁性体が、プリント配線基板の背面に電気絶縁シートを介して貼り付けられたシートに、前記プリント配線基板の加熱対象部への接触部分にのみ配され、前記シートの残部は非磁性体、且つ磁界を遮断する材料で構成されたものとすることができ、それにより加熱の必要な部分のみ効率良く加熱することができる。

温度検出手段は、プリント配線基板もしくは加熱物に対向するように配置された非接触温度計とすることができ、それによりプリント配線基板の静止状態で、もしくは連続搬送される状態で、温度を検出することができ、加熱時の温度制御を容易に行うことができる。

本発明のリフローはんだ付け装置および方法は、プリント配線基板の加熱対象部に電磁誘導加熱可能な加熱物を接触配置するので、耐熱性の低い部品を搭載したプリント基板に対しても、不必要な熱ストレスを与えることなく部品との接合部を効率よく加熱することが可能であり、生産品質の向上を図ることができる。プリント基板を連続搬送する加熱処理も可能であり、タクトの向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるリフローはんだ付け装置の要部構成を示す断面図である。

図１（ａ）において、プリント基板１は電子部品などの部品１ａ，１ｂを上面に搭載しており、部品１ａ，１ｂの搭載位置にはクリームはんだ１ｃが印刷されている。
ステージ２は、個別搬送されるプリント基板１をリフロー加熱するものであり、プリント基板１は搬入時に吸着ノズルで（図示せず）吸着してステージ２上に設置され、リフロー加熱終了後に搬入時と同様に吸着ノズルで吸着して搬出される。

このステージ２は、プリント基板１が上面に設置される加熱プレート３と、外部の吸引手段４に連通する内部空間５を有している。加熱プレート３の基板設置領域には、一端が内部空間５に臨み他端が加熱プレート３の上面で開口する複数の小孔３ａが形成されていて、吸引手段４により内部空間５内が負圧にされた時に、上面に設置されたプリント配線基板１が吸着保持される。

内部空間５には、電磁誘導用のコイル６が配置されるとともに、コイル６から発生する磁力線を効率的に加熱プレート３の方向に案内するためのフェライト部材７がコイル６の周辺に均等に配置されている。コイル６の出力制御は制御ユニット８で行われる。

加熱プレート３は全体が磁性体（たとえば、鉄、鉄鋳物、ＳＵＳ４３０（１８クロム系）、ＳＵＳ４１０（１３クロム系）など）で構成されていて、コイル６による電磁誘導加熱で発熱する。ただし加熱プレート３は、誘導加熱によって発熱可能な材質であれば磁性体に限らず使用することができ、例えば、コイルの交流電流が高周波数の場合は銅などでも発熱するため使用可能である。

加熱プレート３の表面には熱電対９が取り付けられていて、この熱電対９によって常時検出される加熱プレート３の表面温度に基づき、温度制御ユニット８によってコイル６の出力制御が行われる。

上記構成における作用を説明する。
プリント基板１の設置に先立って、加熱プレート３の表面温度が熱電対９で検出される状態において、制御ユニット８によりコイル６に交流電流が流され、それにより加熱プレート３が電磁誘導加熱され、プリヒート温度近傍の所定の温度に制御される。

その後に、プリント基板１がステージ２上に設置、吸着され、所定のプリヒート温度に達するまでプリヒートされる。
その後の本加熱工程で、加熱プレート３の表面温度が熱電対９で検出される状態において、制御ユニット８によりコイル６に交流電流が流されて、加熱プレート３が所定の本加熱温度に加熱され、それにより昇温されたプリント基板１上のはんだ１ｃが溶融する。

本加熱温度が所定時間だけ保たれた後、ステージ２からプリント基板１が搬出される。搬出後にプリント基板１、その上のはんだ１ｃが冷却されるにしたがって、部品１ａ，１ｂが固着される。

ここで、加熱プレート３の電磁誘導加熱の際には、加熱プレート３そのものの内部もしくは表面で渦電流によるジュール熱が発生するので、加熱プレート３の熱容量を小さくしておくことで、たとえば加熱プレート３を非常に薄く形成しておくことで、加熱の応答と昇温の速度を速くすることができる。

このため、特に本加熱工程で、加熱プレート３の表面温度を検出しながら温度制御することにより、はんだ付け接合部付近を所望の昇温条件に保ちながら、耐熱性の低い部品の搭載時にはその昇温を仕様限界以下に確実に抑えることができ、加熱効率を向上できるとともに、安定したリフローはんだ付け品質を得ることができる。

また、次の処理対象のプリント基板１が搬入されるまでに、加熱プレート３を初期状態（プリヒート温度）まで急冷して待機することが可能である。
なお、温度検出手段として、上記したように熱電対９を加熱プレート３に直接に取り付けるのと併せて、あるいはそれに代えて、プリント基板１上の表面温度もしくは加熱プレート３の表面温度を非接触で測定する赤外線放射温度計等の非接触温度計１０を用いて、温度制御ユニット８で温度制御を行うのも有効である。

プリント基板１上の一部分のみ選択して（たとえば部品１ａ，１ｂなどに相応する部分のみ選択して）局所的に加熱したい場合には、上記したような全体が磁性体で構成された加熱プレート３に代えて、図１（ｂ）に示すような加熱プレート３、すなわち、加熱したい個所に接触する部分のみ磁性体３ａにより構成し、加熱の必要の無い、あるいは加熱を避けなければならない部分は非磁性体３ｂにより構成したものを用いればよい。

ただしこのとき、コイル６の磁束が非磁性体３ｂ部分を通過してプリント基板１側まで到達してしまうと、プリント基板１自体に渦電流が発生してしまい、プリント基板１上に搭載された部品１ａ，１ｂなどに機能破壊を発生してしまう恐れがあるので、非磁性体３ｂ部分をアルミニウム、銅などの金属で構成して、コイル６の交流電流による磁界がプリント基板１側まで達しないようにすることが必要である。
（第２実施形態）
図２は本発明の第２実施形態におけるリフローはんだ付け装置の概略構成を示す断面図である。

このリフローはんだ付け装置が第１実施形態のものと相違するのは、プリント基板１を設置したパレット１１を搬送チェーン１２で連続搬送しながらリフローを行うようにした点である。

そのために、パレット１１の全体が磁性体（もしくは誘導加熱によって発熱可能な材質）で構成されている。またパレット１１を誘導加熱するために、パレット１１が通過する下面近傍にコイルユニット１３が設けられている。コイルユニット１３は、第１実施形態のステージ２と同様の構成を有しているが加熱プレート３は用いられず、それに代えてセラミックプレート１４が安全の為にユニット表面に設置されている。

上記構成によれば、パレット１１が所定の速度で搬送されてコイルユニット１３の近傍に到達すると、コイル６とパレット１１との間に磁束を遮断するものが存在しないため、コイル６により発生する磁束によってパレット１１内に徐々に渦電流が発生し、この渦電流損によるジュール熱でパレット１１自体が発熱し、その熱がプリント基板１に伝達されて、はんだ１ｃが溶融される。

ただしこの場合、搬送されるパレット１１の表面に直接に熱電対を取り付けるのは困難なので、図示したように、パレット１１の搬送経路、コイルユニット１３の上方に非接触温度計１０が設置される。それにより、プリント基板１の表面温度が非接触で測定され、その測定結果を温度制御ユニット８にフィードバックされて、コイル６の出力が調節され温度制御される。

このような温度制御により、はんだ付け接合部付近を所望の昇温条件に保ちながら、耐熱性の低い部品の搭載時にはその昇温を仕様限界以下に確実に抑えることができ、加熱効率を向上できるとともに、安定したリフローはんだ付け品質を得ることができる。連続搬送する加熱処理であるため、タクトの向上も図ることができる。

プリント基板１上の一部分のみ選択して（たとえば部品１ａ，１ｂなどに相応する部分のみ選択して）局所的に加熱したい場合には、上記したような全体が磁性体で構成されたパレット１１に代えて、図２（ｂ）に示すようなパレット１１、すなわち、加熱したい個所に接触する部分のみ磁性体１１ａにより構成し、加熱の必要の無い、あるいは加熱を避けなければならない部分は非磁性体１１ｂにより構成したものを用いればよい。プリント基板１上に搭載された部品１ａ，１ｂなどに機能破壊が発生するのを防止するために、非磁性体１１ｂ部分をアルミニウムなどの金属で構成する必要があるのは、第１実施形態で説明したのと同様である。

このようにして搬送されるパレット１１、プリント基板１に対しては、図３に示すように、複数のコイル６を互いに磁力線が干渉しないように配置することで、コイルユニット１３を予熱領域と本加熱領域とに区分するのが好都合である。このようなコイルユニット１３を複数段に設けることで、従来の連続搬送炉の複数炉体におけるのと同様の加熱が可能となり（図５参照）、任意の形状の温度プロファイルが実現可能となる。
（第３実施形態）
図４は本発明の第３実施形態におけるリフローはんだ付け装置の構成を示す。

このリフローはんだ付け装置は、加熱シート１５として構成されており、プリント基板１の加熱面（部品搭載面に背反する面）に対して、電気絶縁体で且つ高熱伝導の材質にて構成された接着シート１６を介して、貼り付けられる。部品１ａ，１ｂなどは通常、貼り付け終了後に搭載される。

図示した加熱シート１５は、プリント基板１上の一部分のみ選択して局所的に加熱するのに適するように、プリント基板１と同一寸法に形成されるとともに、加熱したい個所に接触する部分のみ磁性体１５ａにより構成され、加熱の必要の無い、あるいは加熱を避けなればならない部分は非磁性体１５ｂにより構成されている。プリント基板１上に搭載された部品１ａ，１ｂなどに機能破壊が発生するのを防止するために、非磁性体１５ｂ部分をアルミニウムなどの金属で構成されるのは、第１実施形態で説明したのと同様である。

プリント基板１上の一部分のみ選択して局所的に加熱するのでなければ、加熱シート１５は、プリント基板１と同形状で全面均一厚さの、磁性体よりなるシートとすればよい。
このような加熱シート１５が貼り付けられたプリント基板１は、先に第１実施形態で図１を用いて説明したステージ２と同様のステージであって、加熱プレートに代えてセラミックプレート等、磁界を遮断しない材質を用いたステージ上に個別搬送される。

あるいはプリント基板１は、先に第２実施形態で図２を用いて説明したコイルユニット１３と同様のコイルユニット上を、セラミック等の磁界を遮断しない材質で形成したパレットに設置して、あるいはパレットを一切用いずにプリント基板１の単体で、連続搬送するようにしてもよい。

このことにより、加熱シート１５の磁性体１５ａで渦電流が発生し、渦電流損による発熱が起こり、それにより昇温されたプリント基板１上のはんだが溶融する。

本発明のリフローはんだ付け方法および装置は特に、耐熱性の低い部品の昇温を仕様限界以下に抑えるはんだ付けに有用である。

本発明の第１実施形態におけるリフローはんだ付け装置の概略構成を示す断面図 本発明の第２実施形態におけるリフローはんだ付け装置の概略構成を示す断面図 図２のリフローはんだ付け装置の変更実施形態を示す説明図 本発明の第３実施形態におけるリフローはんだ付け装置の構成図 従来のリフローはんだ付け装置の概略全体構成を示す断面図 従来の他のリフローはんだ付け装置の要部を示す断面図

符号の説明

１ プリント基板
２ ステージ
３ 加熱プレート
3a 磁性体
3b 非磁性体
４ 吸引手段
６ コイル
８ 温度制御ユニット
９ 熱電対
10 非接触温度計
11 パレット
11a 磁性体
11b 非磁性体
13 コイルユニット
14 セラミックプレート
15 加熱シート
15a 磁性体
15b 非磁性体

Claims (11)

1. 部品が搭載されたプリント配線基板を加熱してはんだ付けを行なうリフローはんだ付け装置であって、前記プリント配線基板の加熱対象部が接触配置される電磁誘導加熱可能な加熱物と、前記加熱物の近傍に設置され交流電流の供給時に前記加熱物に電磁誘導加熱を導くコイルと、前記プリント配線基板もしくは加熱物の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出温度に応じて前記コイルに供給する交流電流を調節し前記加熱物の加熱量を制御する制御手段とを備えたリフローはんだ付け装置。
2. 加熱物が磁性体である請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
3. 加熱物が、プリント配線基板が設置されるステージの天板である請求項１または請求項２のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
4. 加熱物としての磁性体が、プリント配線基板が設置されるステージの天板に前記プリント配線基板の加熱対象部への接触部分にのみ配され、前記天板の残部は非磁性体、且つ磁界を遮断する材料で構成された請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
5. ステージは、負圧供給手段に連通する内部空間と、この内部空間および天板の上面で開口する孔とを有し、前記天板の上面でプリント配線基板を吸着保持するように構成された請求項３または請求項４のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
6. 加熱物が、プリント配線基板を搬送するパレットである請求項１または請求項２のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
7. 加熱物としての磁性体が、プリント配線基板を搬送するパレットに前記プリント配線基板の加熱対象部への接触部分にのみ配され、前記パレットの残部は非磁性体、且つ磁界を遮断する材料で構成された請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
8. 加熱物が、プリント配線基板の背面に電気絶縁シートを介して貼り付けられたシートである請求項１または請求項２のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
9. 加熱物としての磁性体が、プリント配線基板の背面に電気絶縁シートを介して貼り付けられたシートに、前記プリント配線基板の加熱対象部への接触部分にのみ配され、前記シートの残部は非磁性体、且つ磁界を遮断する材料で構成された請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
10. 温度検出手段は、プリント配線基板もしくは加熱物に対向するように配置された非接触温度計である請求項１記載のリフローはんだ付け装置。
11. 部品が搭載されたプリント配線基板を加熱してはんだ付けを行なう際に、前記プリント配線基板の加熱対象部を電磁誘導加熱可能な加熱物に接触させ、この加熱物の近傍に設置したコイルに交流電流を供給して加熱物を電磁誘導加熱し、それにより加熱される前記プリント配線基板の加熱対象部で前記部品との間のはんだを溶融させるリフローはんだ付け方法。

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