JP2007273571A

JP2007273571A - リフロー炉

Info

Publication number: JP2007273571A
Application number: JP2006094990A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Asai; 稔之浅井; Motohiro Yamane; 基宏山根; Takayuki Matsuoka; 孝幸松岡; Atsushi Tanaka; 厚田中
Original assignee: Tamura Furukawa Machinery Corp
Current assignee: Tamura Furukawa Machinery Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18
Also published as: TW200800464A; CN101048042A; US7766651B2; US20080014542A1

Abstract

【課題】雰囲気ガス中のフラックス成分を効率よく燃焼させ、特別な冷却手段を用いず加熱室の温度制御が可能で、加熱室の加熱量を低減することができるリフロー炉を提供する。
【解決手段】電子部品を搭載した回路基板を搬送する搬送手段と、搬送が内部で行われ雰囲気ガスを介して前記回路基板が加熱されて半田付けを行う加熱室と、前記半田付け中に気化したフラックス成分を含む前記雰囲気ガスの一部を取り出す手段と、取り出した雰囲気ガスを所望の温度まで加熱する手段と、加熱した雰囲気ガスに含まれるフラックス成分を燃焼させる酸化触媒と、燃焼処理後の高温ガスを前記加熱室に戻す手段とを有する雰囲気浄化装置とを備えたリフロー炉。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子部品を搭載した回路基板を半田付けするためのリフロー炉に関し、特に、半田付け中に気化し雰囲気ガス中に混在するフラックス成分を効率的に燃焼処理する雰囲気浄化装置を備えたリフロー炉に関する。

種々の電子部品は、SMD(Surface Mounted Device)と呼ばれるものであり、回路基板の表面に直接搭載して半田付けされる。この半田付けは、半田付けペーストを用いて行う。半田付けペーストは、クリーム状のフラックスと粉末半田とをペースト状にしたもので、印刷あるいはディスペンサー等により回路基板のはんだ付け部に塗布し、その上に電子部品を搭載させてからリフロー炉で加熱溶融させることにより、回路基板と電子部品を半田付けする。

半田付けペーストのフラックスは、半田付けされる金属表面の酸化膜を除去し、半田付け中に加熱で再酸化するのを防止し、半田の表面張力を小さくして濡れを良くする塗布材の働きをし、松脂、チキソ剤、活性剤等の固形成分を溶剤で溶解させてあるため、リフロー炉で半田付けペーストを加熱溶融させた時にこれらが気化し蒸気となる。この気化したフラックス成分は、リフロー炉の温度の低いところ（約１１０℃以下）に接触して、液化し、回路基板上に付着し半田付け不良を起こしたり、リフロー炉の可動部分に付着して動きが妨げられたりするものであった。

回路基板上に付着したフラックス成分が半田付け不良を起こさないように、不活性ガスを用いた雰囲気中で加熱を行うとともに、この雰囲気中に混在するフラックス成分を冷却し液化して回収しようとする回収装置が提案されている。

上述した従来の回収装置を、図４に示す。リフロー炉１０１の加熱室１０３の中を搬送手段１０５により（図の紙面と直角方向へ）搬送される回路基板１０７には電子部品が搭載されている。搬送手段１０５の上方に設けられているファンモータ１０９により回転するファン１１１により雰囲気ガス１１３が、ヒーター１１５の間を通過して、搬送される回路基板１０７へ吹き付けられ加熱がなされ、循環する。

この雰囲気ガス１１３の循環路をバイパスしてバイパス路１１７が設けられ、バイパス路１１７の内部に、外部熱交換器であるヒートシンク１１９が設けられる。バイパス路１１７を導かれてきた雰囲気ガス１１３は、外気との間で熱交換を行い冷却され、雰囲気ガス１１３中のフラックス成分が液化される。ヒートシンク１１９の表面で液化したフラックスは、ヒートシンク１１９の下方に配置されるタンク１２１へ重力により滴下し溜められる。フラックスが液化し除去された雰囲気ガス１２３は、加熱室１０３に戻される。

なお、雰囲気ガスは別に設けられるファンによって吸引されてバイパス路１１７へ導かれることもある。

更に、半田付け装置本体内の半田付け雰囲気中のフラックスガスを酸化触媒によって酸化処理する半田付け雰囲気浄化装置が提案されている。
特開昭６２−２３１２０３号公報特許第３５１１３９６号公報

上述したフラックスを液化して除去する従来の技術においては、加熱室に戻された雰囲気ガス１２３は、既にヒートシンク１１９で冷却されているので、除去できずに雰囲気ガス中に残っているフラックス成分が、リフロー炉１０１の温度の低い壁面などで液化し付着しやすいものであった。
更に、循環する雰囲気ガス１１３が、ヒートシンク１１９で冷却されるので、必要な温度まで再び加熱する必要があった。このためヒータ１１５の消費電力を大きくし、省エネに逆行するものであった。
フラックスガスを酸化処理する従来の技術においては、可燃材料を使用して雰囲気ガスを加熱して積極的にフラックスを酸化分解するので、処理後のガスの温度は一層高温になっており、高温ガスを冷却する等の他の付加的な処理が必要であり、エネルギーロスが大きいという問題がある。

この発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するためになされたもので、雰囲気ガス中のフラックス成分を効率よく燃焼させ、特別な冷却手段を用いず加熱室の温度制御が可能で、加熱室の加熱量を低減することができるリフロー炉を提供することを目的とする。

発明者は上述した問題点を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、リフロー炉に雰囲気浄化装置を外付けし、雰囲気浄化装置において、半田付け中に気化したフラックス成分を含む前記雰囲気ガスの一部を流量を制御して取り出し、取り出した雰囲気ガスを所望の温度まで加熱し、加熱した雰囲気ガスに含まれるフラックス成分を酸化触媒で燃焼させ、燃焼処理後の高温ガスを加熱室に戻すと、触媒燃焼効率の高い温度でフラックスを効率よく燃焼処理することができ、燃焼によって高温になった、流量が制御されたガスを加熱室に戻すので、高温ガスの冷却手段を必要とせず、効果的に加熱室の温度を制御することができることが判明した。

この発明は上述した研究結果に基づいてなされたものである。
この発明のリフロー炉の第１の態様は、電子部品を搭載した回路基板を搬送する搬送手段と、
搬送が内部で行われ雰囲気ガスを介して前記回路基板が加熱されて半田付けを行う加熱室と、
前記半田付け中に気化したフラックス成分を含む前記雰囲気ガスの一部を取り出す手段と、取り出した雰囲気ガスを所望の温度まで加熱する手段と、加熱した雰囲気ガスに含まれるフラックス成分を燃焼させる酸化触媒と、燃焼処理後の高温ガスを前記加熱室に戻す手段とを有する雰囲気浄化装置とを備えたリフロー炉である。
この発明のリフロー炉の第２の態様は、前記雰囲気浄化装置が、前記搬送手段を内部に備えた加熱室からなるリフロー炉本体に外付けされているリフロー炉である。
この発明のリフロー炉の第３の態様は、前記雰囲気ガスの一部を取り出す手段が、取り出す前記雰囲気ガスの流量制御手段を備えているリフロー炉。

この発明のリフロー炉の第４の態様は、前記雰囲気浄化装置が、前記雰囲気ガスの一部を取り出す取出口と、前記高温ガスを戻す戻口とを備え、前記取出口から前記戻口へと循環する循環経路を備えているリフロー炉である。
この発明のリフロー炉の第５の態様は、前記循環経路の途中に触媒温度調整用のヒータ、前記酸化触媒、雰囲気ガスの温度を制御するための熱電対を備えているリフロー炉である。

この発明のリフロー炉の第６の態様は、前記雰囲気ガスの前記取出口の近傍に前記雰囲気温度を調整するためのヒータを備えているリフロー炉である。
この発明のリフロー炉の第７の態様は、前記触媒温度が３００℃から４００℃の範囲内であるリフロー炉である。

雰囲気浄化装置において、半田付け中に気化したフラックス成分を含む前記雰囲気ガスの一部を流量を制御して取り出し、取り出した雰囲気ガスを所望の温度まで加熱し、加熱した雰囲気ガスに含まれるフラックス成分を酸化触媒で燃焼させ、燃焼処理後の高温ガスを加熱室に戻すと、触媒燃焼効率の高い温度でフラックスを効率よく燃焼処理することができ、燃焼によって高温になった、流量が制御されたガスを加熱室に戻すので、高温ガスの冷却手段を必要とせず、効果的に加熱室の温度を制御することができる。
従って、雰囲気ガス中のフラックス成分を効率よく燃焼させ、特別な冷却手段を用いず加熱室の温度制御が可能で、加熱室の加熱量を低減することができるリフロー炉を提供することができる。

この発明のリフロー炉を図面を参照して説明する。
この発明のリフロー炉の１つの態様は、電子部品を搭載した回路基板を搬送する搬送手段と、搬送が内部で行われ雰囲気ガスを介して前記回路基板が加熱されて半田付けを行う加熱室と、前記半田付け中に気化したフラックス成分を含む前記雰囲気ガスの一部を取り出す手段と、取り出した雰囲気ガスを所望の温度まで加熱する手段と、加熱した雰囲気ガスに含まれるフラックス成分を燃焼させる酸化触媒と、燃焼処理後の高温ガスを前記加熱室に戻す手段とを有する雰囲気浄化装置とを備えたリフロー炉である。
上述した雰囲気浄化装置が、搬送手段を内部に備えた加熱室からなるリフロー炉本体に外付けされている。更に、上述した雰囲気ガスの一部を取り出す手段が、取り出す雰囲気ガスの流量制御手段を備えている。

先ず、この発明のリフロー炉の全体について説明する。リフロー炉１は、図２の全体図および図３の横断面図に示すように、水平方向に長い全体形状をしており、回路基板３は図中左の入口搬送部５から搬入され、図中右の出口搬送部７から搬出される。長手方向中央が、回路基板３を加熱する加熱室９で、長手方向後端が、加熱された回路基板３を冷却する冷却室１１である。

回路基板３を水平方向に搬送する搬送手段であるチェーンコンベア１３を囲むように、長い加熱室１５が水平方向に形成される。加熱室１５は、開閉可能な上構造体１７と下部構造体１９との間に構成される。

下部構造体１９は、下面に、伸縮可能な脚部２１や移動用の車輪２３が設けられ、上面の中央に加熱室を形成する凹部２５を有する。また、上部構造体１７を開閉するためのシリンダ２７の一端が取り付けられている。

上部構造体１７は、下部構造体１９の凹部２５を覆う蓋のように開閉可能となるように、搬送方向に平行に設けられる回動軸２９回りに回動可能に、下部構造体に取り付けられ、回動のためのシリンダ２７の他端が取り付けられている。

加熱室１５の下部には、チェーンコンベア１３が搬送方向へ、左右一対が設けられ、それぞれガイドレール３１にガイドされて、駆動スプロケット機構３３により駆動される。回路基板３は左右端部を支持されながら搬送され、この支持を行うため左右のチェーンコンベア１３の内側には支持突起３５（図３（Ｂ））が形成される。

加熱室９（１５）の上部には、長手方向に沿って、複数の熱風ファンモータ３７が設けられ、それぞれターボファンもしくはシロッコファンなどのファン３９を回転させて、雰囲気ガス４１の循環を行う。

図１は、この発明の雰囲気浄化装置を加熱室の上部に外付けで備えた、リフロー炉の部分を示す図である。図１に示すように、上述した循環のために加熱室１５の上部は、下方へ開放した箱形の構造が、外装板４３と仕切り板４５によって二重構造になっている。この二重構造の仕切り板４５の外側にファン３９が設けられ、内側のヒーター４０で加熱された雰囲気ガス４１を中央の吸い込み窓４７から外側に吸い上げ、外側の外周４９から吹き付ける。吹き付けられた雰囲気ガス４１は、下方へ開放した箱形の開放面に張り渡されたメッシュ体５１に遮られ、メッシュの間を通って、回路基板３の上に均等に吹き付けられ加熱を行う。

図１に示すように、加熱室１５の上部を構成する上部構造体１７に、雰囲気浄化装置６０が取り付けられる。すなわち、加熱室上部の二重構造体の外側の一部が、雰囲気浄化装置６０へ雰囲気ガスの一部をとり出す取出口６１に連通する。雰囲気ガスの一部を取り出す取出口は、雰囲気ガスの流量を制御する制御装置を備えている。
更に、図１に示すように、雰囲気浄化装置６０は、雰囲気ガスの一部を取り出す上述した取出口６１と、高温ガスを戻す戻口６２とを備え、取出口６１から戻口６２へと循環する循環経路を備えている。循環経路の途中に触媒温度調整用のヒータ６５、酸化触媒６４、雰囲気ガスの温度を制御するための熱電対６６を備えている。更に、循環経路の往路復路を分離する隔壁６７を備えている。

流量を制御された雰囲気ガスの一部が加熱手段によって所望の温度に加熱されて、触媒温度が３００℃から４００℃である酸化触媒中を通過して、雰囲気ガス中に含まれるフラックス成分が酸化処理されて水（蒸気）と炭酸ガスに分解される。このように酸化処理されて高温になった高温ガスをそのまま戻口６２から加熱室内へ戻す。

この発明においては、雰囲気ガスの取出口で取り出す雰囲気ガスの流量を制御し、酸化触媒の温度を制御するので、フラックス成分の燃焼が効率的に行われ、高温ガスの温度が制御不能に陥るほど高くはならない。即ち、所望の流量の雰囲気ガスを取り出して、所望の温度に加熱した雰囲気ガスを所望の温度の酸化触媒中を通過させるので、所望の量の、温度が高くなった処理ガスをそのまま加熱室に戻す。加熱室では温度が低下した雰囲気ガスが酸化触媒で温度が高くなったガスと混合するので、加熱室における加熱量が低減する。

図４は流量制御手段の具体例を示す図である。図４（ａ）はオリフィスを示し、図４（ｂ）はバルブを示す。図４（ａ）に示すように、雰囲気ガスを取り出す取出口６１または高温ガスを戻す戻口６２の何れか一方にオリフィス６８を設置し、流量を静的に制御する。この場合は設定したオリフィス６８の口径の大小によって流量を制御する。図４（ｂ）に示すように、雰囲気ガスを取り出す取出口６１または高温ガスを戻す戻口６２の何れか一方にバルブ６９を設置し、流量を動的に制御する。この場合は設定したバルブ６９を開閉することによって流量を制御する。

上述したように、この発明の雰囲気浄化装置においては、高温になったガスを冷却する特別の冷却手段を必要とせず、取り出す雰囲気ガスの流量を制御することによって、所望の高温ガスを得て、加熱室に戻す。

次にこの発明のリフロー炉を実施例によって更に詳細に説明する。
下記の条件で雰囲気ガスの浄化処理を行った。

条件１
炉内循環風量：６００ｍ３／ｈｒ
炉内設定温度：１９０℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）設定温度：３５０℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）循環風量：５０ｍ３／ｈｒ
定常状態炉内温度：１９７℃
炉内ヒータ出力：０％

条件２
炉内循環風量：６００ｍ３／ｈｒ
炉内設定温度：１９０℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）設定温度：３５０℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）循環風量：３０ｍ３／ｈｒ
定常状態炉内温度：１９０℃
炉内ヒータ出力：０％

条件３
炉内循環風量：６００ｍ３／ｈｒ
炉内設定温度：１９０℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）設定温度：３００℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）循環風量：５０ｍ３／ｈｒ
定常状態炉内温度：１９０℃
炉内ヒータ出力：０％

条件４
炉内循環風量：６００ｍ３／ｈｒ
炉内設定温度：２４０℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）設定温度：３５０℃
触媒ＢＯＸ（雰囲気浄化装置）循環風量：５０ｍ３／ｈｒ
定常状態炉内温度：２４０℃
炉内ヒータ出力：４％

即ち、条件１では、炉内温度が設定温度の１９０℃を上回り１９７℃であり、制御不能の状態にある。条件２では、炉内温度が設定温度の１９０℃であり、炉内ヒータの出力が０％であるので、制御限界を示している。条件３では、雰囲気浄化装置循環風量を５０ｍ３／ｈｒに上げて、雰囲気浄化装置設定温度：３００℃
に低下させており、炉内温度が設定温度の１９０℃であり、炉内ヒータ出力が０％であるので、条件２と同様に、制御限界を示している。条件４では、雰囲気浄化装置循環風量を５０ｍ３／ｈｒに上げて、雰囲気浄化装置設定温度：３５０℃
に設定し、炉内温度が設定温度の２４０℃であり、炉内ヒータ出力が４％であるので、制御可能の状態である。なお、通常、炉内ヒータ平均出力は２０％である。

上述したように、雰囲気浄化装置における雰囲気ガスの取り出し流量、酸化触媒温度を制御することによって、フラックスを燃焼処理しかつ高温ガスを炉内に戻すので、炉内温度を制御可能な状態にすることができる。

この発明によると、雰囲気ガス中のフラックス成分を効率よく燃焼させ、特別な冷却手段を用いず加熱室の温度制御が可能で、加熱室の加熱量を低減することができるリフロー炉を提供することができ、産業上の利用可能性が大きい。

図１は、この発明の加熱室上部に雰囲気浄化装置を備えたリフロー炉の横断面図である。図２はリフロー炉の全体側面図である。図３（Ａ）は図２の横断面図、図３（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大図である。図４は流量手段の具体例を示す図である。図５は従来例の加熱室上部にフラックス回収装置を設置したリフロー炉の概略横断面図である。

符号の説明

１リフロー炉
３回路基板
５入口搬送部
７出口搬送部
９加熱室
１１冷却室
１３チェーンコンベア
１５加熱室
１７上構造体
１９下部構造体
２１脚部
２３車輪
２５加熱室を形成する凹部
２７シリンダ
２９回動軸
３１ガイドレール
３３駆動スプロケット機構
３５支持突起３５
３７熱風ファンモータ
３９ファン
４０ヒーター
４１雰囲気ガス
４３外装板
４５仕切り板
４７吸い込み窓
４９外側の外周
５１メッシュ体
５３フラックス回収装置
５５往路
５７復路
５９隔壁
６０雰囲気浄化装置
６１取出口
６２戻口
６３加熱手段
６４酸化触媒
６５触媒温度調整用のヒータ
６６熱電対
６７隔壁
６８オリフィス
６９バルブ

Claims

電子部品を搭載した回路基板を搬送する搬送手段と、
搬送が内部で行われ雰囲気ガスを介して前記回路基板が加熱されて半田付けを行う加熱室と、
前記半田付け中に気化したフラックス成分を含む前記雰囲気ガスの一部を取り出す手段と、取り出した雰囲気ガスを所望の温度まで加熱する手段と、加熱した雰囲気ガスに含まれるフラックス成分を燃焼させる酸化触媒と、燃焼処理後の高温ガスを前記加熱室に戻す手段とを有する雰囲気浄化装置とを備えたリフロー炉。
前記雰囲気浄化装置が、前記搬送手段を内部に備えた加熱室からなるリフロー炉本体に外付けされている、請求項１に記載のリフロー炉。
前記雰囲気ガスの一部を取り出す手段が、取り出す前記雰囲気ガスの流量制御手段を備えている、請求項１または２に記載のリフロー炉。
前記雰囲気浄化装置が、前記雰囲気ガスの一部を取り出す取出口と、前記高温ガスを戻す戻口とを備え、前記取出口から前記戻口へと循環する循環経路を備えている、請求項１から３の何れか１項に記載のリフロー炉。
前記循環経路の途中に触媒温度調整用のヒータ、前記酸化触媒、雰囲気ガスの温度を制御するための熱電対を備えている、請求項４に記載のリフロー炉。
前記雰囲気ガスの前記取出口の近傍に前記雰囲気温度を調整するためのヒータを備えている、請求項４または５に記載のリフロー炉。
前記触媒温度が３００℃から４００℃の範囲内である、請求項５または６に記載のリフロー炉。
前記流量制御手段が雰囲気ガスを取り出す取出口または高温ガスを戻す戻口の何れか一方に設置されたオリフィスまたはバルブからなっている、請求項１から７の何れか１項に記載のリフロー炉。