JP2005246476A - Method for management of in-furnace atmosphere of reflow soldering equipment and reflow soldering equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、炉内雰囲気の酸素濃度を一定に管理するための技術に関する。 The present invention relates to a technique for maintaining the oxygen concentration in a furnace atmosphere constant in a reflow soldering apparatus that performs reflow soldering in a furnace supplied with nitrogen gas.
リフロー半田付け装置は、電子部品を搭載したプリント基板をコンベヤで搬送しながら、炉内の高温雰囲気中で基板上のクリーム半田を加熱溶融してリフロー半田付けを行う。この際、炉内が空気で満たされていると、酸素によってクリーム半田が酸化し、半田付け部の品質が低下するため、現在では、炉内に窒素ガスを供給してリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置が一般に使用されている。 The reflow soldering apparatus performs reflow soldering by heating and melting cream solder on a substrate in a high temperature atmosphere in a furnace while conveying a printed circuit board on which electronic components are mounted by a conveyor. At this time, if the inside of the furnace is filled with air, the cream solder is oxidized by oxygen and the quality of the soldering part is deteriorated. Therefore, reflow soldering is currently performed by supplying nitrogen gas into the furnace. A soldering apparatus is generally used.
一方、炉内の窒素ガス中の酸素濃度に変動があると、半田付け部の品質が一定に維持されないため、炉内の酸素濃度を所望の低酸素濃度に維持するように炉内雰囲気を管理している(例えば特許文献1参照)。
しかし、上記の技術は、炉内に低酸素濃度(例えば50〜30ppm)の窒素ガスを連続的に供給し、炉内の酸素濃度が不必要な低酸素濃度となったとき、空気(酸素)を補充するもので、効率のよい制御方式とは言えない。 However, in the above technique, when nitrogen gas having a low oxygen concentration (for example, 50 to 30 ppm) is continuously supplied into the furnace and the oxygen concentration in the furnace becomes an unnecessary low oxygen concentration, air (oxygen) It is not an efficient control method.
本発明が解決しようとする課題は、上記のような無駄をなくし、リフロー半田付け装置において炉内の窒素ガス中の酸素濃度を所望の値に維持できる炉内雰囲気管理方法及びそれを実現するリフロー半田付け装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to eliminate the above-mentioned waste, and to maintain the oxygen concentration in the nitrogen gas in the furnace at a desired value in the reflow soldering apparatus, and the reflow realizing the same It is to provide a soldering apparatus.
上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明のリフロー半田付け装置の炉内雰囲気管理方法は、窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、炉内の酸素濃度に応じて、炉内に供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. That is,
The reflow soldering apparatus according to the present invention is a reflow soldering apparatus that performs reflow soldering in a furnace to which nitrogen gas is supplied, and is supplied to the furnace in accordance with the oxygen concentration in the furnace. The oxygen concentration of the nitrogen gas is automatically adjusted.
また、本発明のリフロー半田付け装置は、窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、窒素ガスを炉内に供給可能な窒素ガス供給手段と、炉内の酸素濃度を検出する手段と、この検出手段によって検出された炉内の酸素濃度に応じて、前記窒素ガス供給手段から供給される窒素ガスの酸素濃度を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。 The reflow soldering apparatus of the present invention is a reflow soldering apparatus that performs reflow soldering in a furnace to which nitrogen gas is supplied, a nitrogen gas supply means capable of supplying nitrogen gas into the furnace, Means for detecting the oxygen concentration, and control means for controlling the oxygen concentration of the nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply means in accordance with the oxygen concentration in the furnace detected by the detection means. Features.
なお、上記において、炉内に供給される窒素ガスが空気から分離して生成される場合は、窒素ガスの酸素濃度を制御する代わりに、窒素ガスの窒素濃度を制御しても実質的に同じである。 In addition, in the above, when the nitrogen gas supplied into the furnace is generated separately from the air, it is substantially the same even if the nitrogen concentration of the nitrogen gas is controlled instead of controlling the oxygen concentration of the nitrogen gas. It is.
本発明は以上の構成を有しているため、炉内雰囲気中の酸素濃度の増加・減少に応じて、炉内に供給される窒素ガスの酸素濃度が減少・増加され、炉内雰囲気が常に所定の酸素濃度に管理される。 Since the present invention has the above-described configuration, the oxygen concentration of the nitrogen gas supplied to the furnace is decreased / increased in accordance with the increase / decrease of the oxygen concentration in the furnace atmosphere, and the furnace atmosphere is always maintained. It is controlled to a predetermined oxygen concentration.
以下、本発明の好ましい一実施形態を図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
リフロー半田付け装置は、図1に示されているように、炉1内に、3個の予熱室2と、1個のリフロー室3と、1個の冷却室4とをコンベヤ5の搬送方向に沿って順に有している。6は送風機、7はヒータである。窒素ガス供給管8の供給口が炉1の壁面を貫通して炉1内に臨んでおり、窒素ガス供給管8を通じて窒素ガス供給システム9から一定量の窒素ガスが炉1内に連続的に供給されるようにされている。
As shown in FIG. 1, the reflow soldering apparatus includes three
本発明の方法を実施するための窒素ガス供給システム9は、原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成するPSA(Pressure Swing Adsorption)方式の窒素ガス生成方式を採用しており、吸着剤として分子篩炭(Molecular Seiving Carbon)を用いている。分子篩炭は窒素と酸素の吸着速度差が異なり、加圧下において酸素を優先的に吸着し、空気から窒素を分離できる。吸着した酸素は減圧すると脱着でき、分子篩炭を再生できる。
The nitrogen
窒素ガス供給システム9は、図2に示されているように、分子篩炭を充填した2基の吸着槽10,11を備え、この2基の吸着槽10,11が、それぞれ高圧吸着工程・低圧脱着(再生)工程を交互に繰り返すことにより、連続的に空気から窒素を分離し、窒素ガスを供給する。以下、図2〜図6に基づいて詳細に説明する。
As shown in FIG. 2, the nitrogen
図2において、12は圧縮空気を供給するインバータ式の圧縮機、13はインバータ、14,15はエアー供給弁、16,17は排気弁、18,19は製品供給弁、20,21は均圧弁、22は製品排出弁であり、いずれの弁14〜22も電磁弁で構成されている。23は、窒素ガスを貯蔵する製品窒素ガスの貯槽である。24は、炉1内雰囲気の酸素濃度を検出するための酸素濃度計であり、酸素濃度計24の検出端24aが炉1内に挿入されている。酸素濃度計24の出力端はPIDコントローラ25に接続されており、酸素濃度計24で検出された酸素濃度の値はコントローラ25に入力される。コントローラ25は、酸素濃度計24の検出値と炉1内雰囲気の設定酸素濃度の値との偏差に基づいてインバータ13の周波数を制御して圧縮機12の回転数をコントロールする。また、酸素濃度計24の検出値と設定酸素濃度の値がコントローラ25を通じてシーケンサ(PLC)26に入力される。シーケンサ26は、各弁14〜22の開閉を制御し、例えば、酸素濃度計24の検出値と炉1内雰囲気の設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期を自動調整する。
In FIG. 2, 12 is an inverter type compressor for supplying compressed air, 13 is an inverter, 14 and 15 are air supply valves, 16 and 17 are exhaust valves, 18 and 19 are product supply valves, and 20 and 21 are pressure equalization valves. , 22 are product discharge valves, and any of the
以下、上記窒素ガス供給システム9の作用を説明する。
Hereinafter, the operation of the nitrogen
PSA方式の本システム9は、圧縮機12により加圧された空気が2基の吸着槽10,11に交互に選択的に送り込まれ、加圧空気が送り込まれた吸着槽で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽23に送られる。すなわち、一方の吸着槽10が吸着工程、他方の吸着槽11が脱着工程にあるとき、弁14〜22は次の状態にある。エアー供給弁14、排気弁17、及び製品供給弁18は開、エアー供給弁15、排気弁16、製品供給弁19、及び均圧弁20,21は閉の状態にある。この状態で、圧縮機12によって加圧された空気は一方の吸着槽10に送り込まれ、その加圧空気は一方の吸着槽10内で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽23に送られる。一方、他方の吸着槽11では、前の吸着工程で吸着された酸素が脱着され、排気される。
In the
上記の吸着工程と脱着工程が所定時間行われると、次に、一方の吸着槽10が脱着工程、他方の吸着槽11が吸着工程に切り替わる。すなわち、エアー供給弁15、排気弁16、及び製品供給弁19は開、エアー供給弁14、排気弁17、製品供給弁18、及び均圧弁20,21は閉の状態になり、この状態で、圧縮機12によって加圧された空気は他方の吸着槽11に送り込まれ、その加圧空気は他方の吸着槽11内で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽23に送られる。そして、一方の吸着槽10では、前の吸着工程で吸着された酸素が脱着され、排気される。
When the above adsorption process and desorption process are performed for a predetermined time, next, one
なお、均圧弁20,21は吸着工程から脱着工程に切り替わる途中で、開になり、2基の吸着槽10,11を均圧化する。すなわち、吸着工程終了時、弁14〜19が一旦、全て閉になり、均圧弁20,21が開になる。均圧工程終了後、上記脱着工程に移る。
The
このように、弁14〜19を開閉させることにより、一方の吸着槽10が吸着時は、他方の吸着槽11は脱着を行い、次のサイクルで、一方の吸着槽10は脱着、他方の吸着槽11は吸着を行うよう構成されている。これらが所定の切り替え周期で繰り返されて窒素ガスが連続的に生成される。上記吸着・脱着工程を切り替える弁14〜19及び均圧弁20,21の開閉制御はシーケンサ26により行われている。なお、製品排出弁22は、装置運転後所定時間が経過した後、シーケンサ26により開になるようにされている。
Thus, by opening and closing the
上記PSA方式の窒素ガス供給システム9において、分子篩炭は窒素と酸素の吸着速度差が吸着時間によって変化するので、吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期を変化させれば、生成する窒素ガスの酸素濃度は変化する(図4参照)。
In the PSA-type nitrogen
また、上記PSA方式の窒素ガス供給システム9において、加圧空気の圧力すなわち加圧空気の供給量例えば圧縮機12の回転数が変化することによっても、生成する窒素ガスの酸素濃度は変化する(図6参照)。
In the PSA-type nitrogen
本実施形態の窒素ガス供給システム9は、吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期、すなわちエアー供給弁14,15、排気弁16,17、及び製品供給弁18,19の開閉をシーケンサ26で自動調整し、更に、圧縮機12の回転数すなわちインバータ13の周波数をコントローラ25で制御することによって、異なる酸素濃度の窒素ガスが生成されるように構成されている。
The nitrogen
以下、炉1内雰囲気の設定酸素濃度が500ppmの場合を例にとって説明する。 Hereinafter, the case where the set oxygen concentration in the atmosphere in the furnace 1 is 500 ppm will be described as an example.
シーケンサ26による吸着槽10,11における吸着・脱着の切り替え周期の自動調整を図3に示すフローチャートに基づいて説明する。図3に示されているように、最初は、吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期がシーケンサ26に初期値として入力されている時間に設定される。この切り替え周期の初期値は、炉1内雰囲気の設定酸素濃度よりも低い酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期であればよいが、低酸素濃度の窒素ガスができるだけ多量に生成されるよう設定するのが好ましい。したがって、酸素濃度が0ppm又はそれにより近い酸素濃度で、切り替え周期は最短時間に設定するのが好ましい。本実施形態では、図4に示す周波数及び切り替え周期と酸素濃度との関係を示す試験データから、35秒(周波数が50Hzで酸素濃度0ppm)に設定してある。
The automatic adjustment of the adsorption / desorption switching cycle in the
圧縮機12から2基の吸着槽10,11に交互に選択的に送り込まれた加圧空気は、35秒の切り替え周期で、吸着・脱着が繰り返され、酸素が吸着除去されて生成された窒素ガスが製品貯槽23に送られる。
Pressurized air that is selectively sent alternately from the
炉1内雰囲気の酸素濃度が酸素濃度計24で検出され、その検出値とコントローラ25に入力された設定酸素濃度の値(500ppm)がシリアル通信によってシーケンサ26に入力される。シーケンサ26は、検出値<(設定値+一定値)を判断し、これを満足しない場合は、上記35秒の切り替え周期で運転が続行される。なお、上記の一定値は任意の値でよく、本実施形態では300ppmに設定してある。
The oxygen concentration in the atmosphere in the furnace 1 is detected by the
上記の切り替え周期での運転により、炉1内雰囲気の酸素濃度は低下してくる。そして、検出値<(設定値+一定値)を満足することがシーケンサ26によって判断されると、シーケンサ26は吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期を設定酸素濃度に応じた切り替え周期に変更する。この切り替え周期は、次のようにして決定されている。すなわち、図4に示されているように、インバータ周波数(すなわち圧縮機12の回転数)が相異すれば、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度の値は相異している。そして、最小の酸素濃度の値が高くなるほど周波数は低くなっている。したがって、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度が設定酸素濃度となる周波数によれば、最小の消費電力で設定酸素濃度の窒素ガスを得ることができる。したがって、この周波数で圧縮機12が運転されたときに設定酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期が選択される。すなわち、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度が設定酸素濃度となる周波数で設定酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期が選択される。これにより、圧縮機12の消費電力を最小限にできる。
By the operation in the switching cycle, the oxygen concentration in the atmosphere inside the furnace 1 is lowered. When the
図4及び図5により説明すると、生成される窒素ガスにおいて設定酸素濃度500ppmが酸素濃度の最小値となるのは、周波数が32Hzのときである。この周波数で圧縮機12を運転すれば、低消費電力で設定酸素濃度(500ppm)の窒素ガスを生成できる。したがって、この周波数の下で酸素濃度が設定酸素濃度(500ppm)になる切り替え周期、すなわち60秒が選択される。したがって、検出値<(設定値+一定値)が満足されると、吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期は、シーケンサ26によって60秒に変更され、以後、この切り替え周期で運転が続行される。
Referring to FIGS. 4 and 5, the set oxygen concentration of 500 ppm in the generated nitrogen gas becomes the minimum value of the oxygen concentration when the frequency is 32 Hz. If the
このように、吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期は、シーケンサ26によって、最初は初期値に設定され、炉1内雰囲気の酸素濃度が設定酸素濃度に近づくと、設定酸素濃度に応じた切り替え周期に変更され、以後、この切り替え周期で運転される。
As described above, the adsorption / desorption switching period of the
一方、上記吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期の下で、炉1内の酸素濃度が設定酸素濃度(500ppm)になるように、酸素濃度計24による検出値と設定酸素濃度の値との偏差に応じて、インバータ13の周波数がコントローラ25によって自動調整されて圧縮機12の回転数が制御され、吸着槽10,11へ送り込まれる加圧空気の供給量が調整されて、炉1内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整される。
On the other hand, the value detected by the
以上のようにして、吸着槽10,11の吸着・脱着の切り替え周期が、酸素濃度の検出値に応じてシーケンサ26により適切に自動調整されるとともに、圧縮機12の回転数が酸素濃度の検出値に応じてコントローラ25により制御され、炉1内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉1内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整される。
As described above, the adsorption / desorption switching cycle of the
以下、本発明の作用を説明する。 Hereinafter, the operation of the present invention will be described.
炉1内の窒素ガス雰囲気は、上述のようにして、窒素ガス供給システム9によって酸素濃度が設定酸素濃度例えば500ppmにされている。電子部品を搭載したプリント基板27は、コンベヤ5によって炉1内を基板搬入口1aから基板搬出口1bへ搬送されながら、プリント基板27上のクリーム半田が、加熱された窒素ガス雰囲気中で予熱室2で予熱され、リフロー室3で加熱溶融され、冷却室4で溶融半田が冷却固化されて、電子部品が基板上に半田付けされる。
The nitrogen gas atmosphere in the furnace 1 is set to a set oxygen concentration, for example, 500 ppm by the nitrogen
そして、設定酸素濃度(500ppm)よりも高い酸素濃度が酸素濃度計24によって検出されると、酸素濃度の検出値に応じて酸素濃度を低くした窒素ガスが窒素ガス供給システム9によって炉1内に供給され、炉1内は酸素濃度が常に500ppmになるようにされる。また、設定酸素濃度(500ppm)よりも低い酸素濃度が酸素濃度計24によって検出されると、酸素濃度の検出値に応じて酸素濃度を高くした窒素ガスが窒素ガス供給システム9によって炉1内に供給され、炉1内は酸素濃度が常に500ppmになるようにされる。このように、炉1内の酸素濃度が設定酸素濃度に対して増加・減少した場合、窒素ガス供給システム9から供給される窒素ガスの酸素濃度が減少・増加され、炉1内は常に設定酸素濃度になるように管理される。
When an oxygen concentration higher than the set oxygen concentration (500 ppm) is detected by the
なお、本発明で使用するPSA方式の窒素ガス供給システムは、炉内の酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期と原料ガスの供給量を調整して、炉内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されるように構成しているが、酸素濃度の調整を次のように行うことも可能である。すなわち、炉内の酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期を調整して、炉内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されるように構成することもできる。あるいは、炉内の酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、原料ガスの供給量を調整して、炉内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されるように構成することもできる。 The PSA-type nitrogen gas supply system used in the present invention is based on the deviation between the value detected by the oxygen concentration meter and the set oxygen concentration in the furnace, and the adsorption / desorption of the adsorption tank is performed. The oxygen concentration of the nitrogen gas supplied into the furnace is automatically adjusted so that the oxygen concentration in the furnace becomes the set oxygen concentration by adjusting the switching cycle and the supply amount of the source gas. It is also possible to adjust the density as follows. In other words, the oxygen concentration in the furnace is set by adjusting the adsorption / desorption switching cycle of the adsorption tank based on the deviation between the value detected by the oxygen concentration meter and the value of the set oxygen concentration. It can also be configured such that the oxygen concentration of the nitrogen gas supplied into the furnace is automatically adjusted so as to obtain an oxygen concentration. Alternatively, the supply amount of the raw material gas is adjusted based on the deviation between the value of the oxygen concentration detected in the furnace with the oximeter and the value of the set oxygen concentration, so that the oxygen concentration in the furnace becomes the set oxygen concentration. The oxygen concentration of the nitrogen gas supplied into the furnace can be automatically adjusted.
また、上記実施形態では、コントローラ25はPID制御のコントローラを用いたが、他の制御方式のコントローラでも勿論よい。また、圧縮機の回転数を制御したが、原料ガスの供給量を制御できれば他の方式でもよい。また、本発明は上述のような閉ループ制御によって炉内の酸素濃度を管理したが、炉内の酸素濃度は、上記本発明のような閉ループ制御の他に、予め、決められた手順に従って圧縮機の回転数や吸着槽の吸着・脱着の切り換え周期を変更するシーケンス制御による開ループ制御を採用して管理することも可能である。
In the above embodiment, the
1・・炉、1a・・基板搬入口、1b・・基板搬出口、2・・予熱室、3・・リフロー室、4・・冷却室、5・・コンベヤ、6・・送風機、7・・ヒータ、8・・窒素ガス供給管、9・・窒素ガス供給システム、10,11・・吸着槽、12・・圧縮機、13・・インバータ、14,15・・エアー供給弁、16,17・・排気弁、18,19・・製品供給弁、20,21・・均圧弁、22・・製品排出弁、23・・製品貯槽、24・・酸素濃度計、24a・・検出端、25・・コントローラ、26・・シーケンサ、27・・電子部品を搭載したプリント基板。 1 .. Furnace, 1a ... Substrate carry-in port, 1b ... Substrate carry-out port, 2 .... Preheating chamber, 3 .... Reflow chamber, 4 .... Cooling chamber, 5 .... Conveyor, 6 .... Blower, 7 .... Heater, 8 ·· Nitrogen gas supply pipe, 9 ·· Nitrogen gas supply system, 10, 11 ·· Adsorption tank, 12 ·· Compressor, 13 ·· Inverter, 14,15 ·· Air supply valve, 16, 17 · · Exhaust valve, 18, 19 ·· Product supply valve, 20, 21 · · Pressure equalizing valve, 22 · · Product discharge valve, 23 · · Product storage tank, 24 · · Oxygen meter, 24a · · Detection end, 25 · · Controller, 26 ... Sequencer, 27 ... Printed circuit board with electronic components.
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