JP2008080404A - リフロー炉 - Google Patents

Abstract

【課題】近時、鉛の使用が規制されてきていることから鉛フリーはんだが用いら
れるようになってきたが、鉛フリーはんだは融点が高いため、リフロー炉ではん
だ付けするときに、本加熱ゾーンでの加熱温度を高くせざるを得なかった。加熱
温度が高くなると電子部品に影響するが、加熱後早急に冷却することにより影響
が少なくなる。
【解決手段】本発明は、冷却装置の吹出し口と吸込み口のいすれか一方、或いは
両方に冷却パイプを配設し、該冷却パイプ内に外部の流動装置から低温の水や外
気を流通させて冷却効果を向上させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリント基板のはんだ付けに用いるリフロー炉に関する。

プリント基板のはんだ付け方法としては、鏝付け法、フロー法、リフロー法がある。

鏝付け法は、作業者が脂入り線はんだと鏝で一箇所ずつはんだ付けを行うため生産性に問題がある。この鏝付け法は、他のはんだ付け方法で発生したはんだ付け不良箇所の修正や他のはんだ付け方法でのはんだ付け後に熱に弱い電子部品をはんだ付けするのに適している。

フロー法は、溶融しているはんだにプリント基板を接触させてはんだ付けするため、一度の処理で多数箇所のはんだ付けができ、生産性に優れている。しかしながらプリント基板全面が溶融はんだと接触するため不要箇所にはんだが付着するという問題がある。

リフロー法は、粉末はんだとフラックスからなるソルダペーストをプリント基板の必要箇所だけに塗布し、該ソルダペーストを溶融させてはんだ付けするため多数箇所のはんだ付けが可能であるばかりでなく、不必要箇所にはんだが付着しないという信頼性に優れたはんだ付け方法である。従って、今日、信頼性が要求される通信機器やコンピューター等の電子機器に多く採用されている。

リフロー法では、ソルダペーストを溶融させる装置としてリフロー炉を使用する。リフロー炉は、トンネル状となったところに予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンが形成されており、このトンネル内を無端の搬送装置、例えば無端のメッシュベルトや無端のチェーンコンベアが走行しており、該搬送装置はソルダペーストが塗布され、その上に電子部品が搭載されたプリント基板を搬送する。搬送装置で搬送されるプリント基板は、先ず予備加熱ゾーンでソルダペースト中の溶剤を蒸発させるとともに、プリント基板や電子部品が急加熱によるヒートショックでダメージを受けないように予備加熱がなされる。次にプリント基板は、本加熱ゾーンでソルダペースト中の粉末はんだの溶融温度以上に加熱されてソルダペーストを溶融させる。そして最後に溶融したはんだを固化させると同時に熱せられた電子部品やプリント基板を早急に冷やして熱影響を少なくする。

ところで従来のソルダペーストは、Pb-Snはんだ合金の粉末を用いていたが、このソルダペーストではんだ付けされた電子機器が古くなって使い勝手が悪くなったり故障したりした場合、性能のアップや修理等をせず、ほとんどが廃棄処分されていた。廃棄処分される電子機器の構成材料のうちフレームの金属、ケースのプラスチック、ディスプレーのガラス等は回収して再使用されているが、プリント基板は再使用ができないため、これだけは埋め立て処分されていた。なぜならばプリント基板は、樹脂と銅箔が接着されており、また銅箔にははんだが金属的に接合されていて、それぞれを分離して再使用できないからである。この埋め立て処分されたプリント基板に地中に染み込んだ酸性雨が接触すると、はんだ中のPbが酸性雨により溶け出し、Pb成分を含んだ酸性雨がさらに地中に染み込んで地下水に混入する。このPb成分を含んだ地下水を人類が長年月にわたって飲用すると体内にPbが蓄積され、ついにはPb中毒を起こすとされている。そのため世界規模でPbの使用が規制されるようになってきており、Pbの含まない所謂Pbフリーはんだが使用されるようになってきた。

Pbフリーはんだとは、Snを主成分として、それにAg、Cu、Bi、In、Zn、Ni、Cr、P、Ge、Ga等を適宜添加したものである。このPbフリーはんだは、融点が従来のPb-Snはんだ（Pb-63Snの融点：183℃）よりも高く、多くは210℃以上である。

一般にリフロー法において本加熱ゾーンでの最高温度（ピーク温度）は、ソルダペースト中の粉末はんだの溶融温度＋20〜50℃のである。従って、Pb-63Snはんだを用いたソルダペーストのはんだ付けではリフロー炉のピーク温度は約220℃であり、この程度の温度であれば電子部品やプリント基板に対する熱影響は少ない。しかしながらPbフリーはんだを用いたソルダペーストではピーク温度が250℃以上となり、このように高温となったリフロー温度に長い時間電子部品を曝しておくと、電子部品は機能が劣化したり熱損傷を起こしたりする。そのためリフロー炉では、本加熱ゾーンで高温に加熱した後、直ぐに冷却ゾーンでなるべく早く冷却を行うようにしている。従来よりリフロー炉の冷却ゾーンにおけるプリント基板の冷却を効率よく行う装置は実開平5-70757号、実開平5-70757号、特開平6-45746号、特開平7-336040号、特開平10-238952号、特許第2923725号、等で提案されていた。

特開平０６−２３２５４６号公報 特開２００１−００７５０７号公報 実願平０４−０２３８１８号のCD−ROM 実願平０３−０４１１４４号のCD−ROM

上記公開実用新案公報や公開特許公報で提案されていたリフロー炉の冷却装置は、冷却ゾーンに冷却効果を良好にするための冷却パイプを配設し、該冷却パイプ内に空気や水等の冷却媒体を流動させることにより、冷却パイプによる冷却効果を効率よく行えるようにしたものである。しかしながら、前述従来のリフロー炉では、Pbフリーはんだを用いたソルダペーストのはんだ付けにおいて充分な冷却状態が得られなかった。また上記特許第2923725号で提案されていたリフロー炉は、冷却装置が搬送装置の上下部に設置されているが、冷却媒体が窒素ガスを使用しなければならないため、大気中でのはんだ付けには適さないばかりでなく、窒素ガスが高価であるため経済的にも問題があった。本発明は、Pbフリーはんだを用いたソルダペーストのはんだ付けにおいても優れた冷却効果を奏することができ、しかも冷却媒体に全く費用がかからないというリフロー炉を提供することにある。

本発明者らは、プリント基板の両面から低温気体を吹き付ければ冷却効果が上がるとともに、冷却装置の冷却媒体として空気や水を使用すれば安価であり、経済的にも得策であることに着目して本発明を完成させた。本発明は以下のとおりである。

トンネル内に予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンが設けられ、該トンネル内を搬送装置が走行するリフロー炉において、冷却ゾーンの上下部には搬送装置を挟んで冷却装置が設置されており、該冷却装置は同一面に吹出し口と吸込み口が形成されているとともに吹出し口と吸込み口間に送風機が取りつけられていて、しかも冷却装置内には冷却媒体を流動させる冷却パイプが配設されており、さらに冷却ゾーンの外部には冷却媒体を冷却パイプ内に流動させる流動装置が設置されていることを特徴とするリフロー炉。

トンネル内に予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンが設けられ、該トンネル内を搬送装置が走行するリフロー炉において、冷却ゾーンの上下部には搬送装置を挟んで冷却装置が設置されており、該冷却装置は同一面に吹出し口と吸込み口が形成されているとともに吹出し口と吸込み口間に送風機が取りつけられていて、しかも冷却装置内には冷却水を流動させる冷却パイプが配設されており、さらに冷却パイプは冷却ゾーンの外部の冷却タンクに接続されていて該冷却タンクには冷却水を冷却パイプ内に流動させる流動ポンプが設置されており、また冷却タンク内にはチラーの熱交換パイプが配設されていることを特徴とするリフロー炉。

トンネル内に予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンが設けられ、該トンネル内を搬送装置が走行するリフロー炉において、冷却ゾーンの上下部には搬送装置を挟んで冷却装置が設置されており、該冷却装置は同一面に吹出し口と吸込み口が形成されているとともに吹出し口と吸込み口間に送風機が取りつけられていて、しかも冷却装置内には冷却空気を流動させる冷却パイプが配設されており、さらに冷却ゾーンの外部には外気をパイプ内に流動させるファンが設置されていることを特徴とするリフロー炉。

従来のリフロー炉のように冷却ゾーンの上部、或いは下部の一方だけに冷却装置が設置されたリフロー炉では、プリント基板の両面に冷えた気体を当てることができないためプリント基板全体を充分に冷却ができなかった。つまりプリント基板は、エポキシ樹脂のような熱伝導性のよくない材料で作られているため、プリント基板の片面だけに冷風を当てても、もう一方の面まで充分に冷却できなかった。本発明のリフロー炉は、冷却ゾーンの上下部、即ちトンネル内を走行する搬送装置を挟んだ状態で上下部に設置してある。本発明に使用する冷却装置は吹出し口と吸込み口があり、その間に送風機が設置されたものである。このように吹出し口と吸込み口が同一面にあると、例えば上部に取り付けられた冷却装置の吹出し口から吹き出された低温の気体がプリント基板の上面に当たって跳ね返ってから、直ぐに隣接した吸込み口に流入するという循環が起こる。これは下部に取り付けられた冷却装置でも同様の状態で吹出し口と吸込み口間で循環が起こる。従って、搬送装置を挟んで上下部に冷却装置を取り付けておくと、プリント基板の両面に冷気が当たってプリント基板全体が充分に冷却されるようになる。

本発明では、冷却媒体を流動させる冷却パイプを冷却装置に設置するが、該冷却パイプの設置箇所は吹出し口、吸込み口の一方、或いは吹出し口と吸込み口の両方に設置することができる。冷却パイプを吹出し口と吸込み口の両方に設置すると、冷却ゾーンでの冷却効果はさらに向上する。

以下図面に基づいて本発明のリフロー炉を説明する。図１は本発明リフロー炉の正面断面図、図２は本発明の第１実施例の冷却装置の斜視図、図３は図２のA-A線断面図、図４は本発明の第２実施例の冷却装置の斜視図、図５は図４のB-B線断面図である。

リフロー炉１は、内部にトンネル２が形成されており、トンネル２の上下略中央には長手方向にプリント基板３を搬送する搬送装置４が矢印X方向に走行している。トンネル２は入り口方向から予備加熱ゾーンP、本加熱ゾーンR、冷却ゾーンCとなっており、予備加熱ゾーンPと本加熱ゾーンRには、上下部に搬送装置４を挟んで熱風吹出し型ヒーター５…が設置されている。また冷却ゾーンCには、上下部にやはり搬送装置４を挟んで冷却装置６が設置されている。

熱風吹出し型ヒーター５とは、同一構造体内に吹出し口７と吸入口８が形成されており、熱風吹出し型ヒーターの吹出し口から吹出された熱風が同じ熱風吹出し型ヒーターの吸入口に流入するようになっているものである。このように熱風吹出し型ヒーターの吹出し口から吹出した熱風が同じ熱風吹出し型ヒーターの吸入口に入るものであると、プリント基板の上方の熱風吹出し型ヒーターから吹出された熱風はプリント基板の上面に当たってから同じ上方の熱風吹出し型ヒーターの吸入口に入り、確実にプリント基板の上面を均一に加熱する。この熱風吹出し型ヒーターをトンネルの上下部に設置してあると、プリント基板の上面と下面をムラなく均一に加熱することができる。熱風吹出し型ヒータの構造は周知であるため、詳細な説明は省略する。

先ず本発明のリフロー炉に設置する冷却装置の第１実施例を図２、３で説明する。冷却装置６は同一構造体に吹出し口９と吸込み口１０が形成されている。吹出し口９と吸込み口１０とは冷却装置６内で連通しており、噴出し口の近傍には送風機１１が設置されている。実施例に示す送風機は細長いクロスファー・ファンであり、冷却装置６の外部に取り付けたモーター１２で回転するようになっている。送風機１１から吹出し口９に入る部分はクロスファー・ファンの長手方向に沿って細長くなっており、クロスファー・ファンが回転すると、狭い部分から吹出し口９へ気体が広がって流入するようになっている。

冷却装置６の吹出し口９と吸込み口１０には、網１３が張設されている。該網は、プリント基板をチェーンコンベアのようにチェーンのピンで搬送する場合、プリント基板がチェーンコンベアから脱落することがあるが、このとき脱落したプリント基板が吹出し口の送風機に当たって破損したり吸込み口の奥深くに落ちて回収できなくなったりするため、網で防ぐものである。

冷却装置６は吸込み口１０の内部に冷却パイプ１４が蛇行して配設されており、該冷却パイプには多数のフィン１５・・・が取り付けられている。冷却パイプ１４は、両端が冷却装置６の外部に延長され、一方の冷却パイプは流入管１６に、そしてもう一方の冷却パイプは流出管１７に接続されている。

流入管１６は、冷却装置の外部に置かれた冷却タンク１８のポンプ１９に接続されている。該ポンプの吸込み管２０は冷却タンク１８内の水２１中に没している。また流出管１７は、冷却タンク１８の上部から冷却タンクの中に挿入されている。

冷却タンク１８の水２１の中にはチラー２２の熱交換パイプ２３が配設されている。チラーとは、一般の冷房装置に使われているものと同様で、熱媒体を圧縮して液化し、それを急激に圧力を下げて気化させたときに生ずる気化熱を利用したものである。本発明では、冷却タンク１８の水２１の中にチラー２２の熱交換パイプ２３が配設されており、該熱交換パイプ内には低温の熱媒体が流動していて、冷却タンク内の水２１を常に低温に保っている。

次に上記構造を有する冷却装置が設置されたリフロー炉でのプリント基板のはんだ付けについて説明する。

ソルダペーストが塗布され、その上に電子部品が搭載されたプリント基板３を搬送装置４に載置してトンネル内を矢印X方向に走行させる。トンネル２内を走行するプリント基板３は、先ず予備加熱ゾーンPで予備加熱され、ここでソルダペースト中の溶剤を蒸発させるととに、次の本加熱ゾーンRでの高温加熱に対するヒート・ショックを緩和させるための処理がなされる。

予備加熱されたプリント基板は、本加熱ゾーンRに移り、ここでソルダペースト中の粉末はんだの溶融温度以上に加熱され、粉末はんだを溶融することによりプリント基板のはんだ付け部と電子部品を金属的に接合する。

本加熱で高温に加熱されたプリント基板は、冷却ゾーンCに移り、ここでプリント基板の冷却が行われ、溶融していたはんだを固化させるとともに、プリント基板や電子部品を早急に冷却する。

ここで上記冷却装置における冷却状態について説明する。本加熱で高温に加熱されたプリント基板３は、冷却ゾーンCに移り、ここで冷却される。図２、３に示す冷却装置６は、ポンプ１９を駆動させると、ポンプ１９は吸込み管２０からチラー２２の熱交換パイプ２３で冷やされた冷却タンク１８内の水２１を吸込み、流入管１６を通して吸込み口１０内に配設された冷却パイプ１４内を流動する
。該冷却パイプには多数のフィン１５・・・が設置されているため、冷たい水を流動させる冷却パイプ１４と、それに取り付けられたフィン１５・・・は低温となっている。冷却装置６では吹出し口９から吹出された気体がプリント基板に当たり、プリント基板から熱を奪って昇温する。昇温した気体は、同じ冷却装置の吸込み口１０に吸込まれ、ここで冷却パイプ１４やフィン１５・・・に接触して温度が下げられ、この温度が下がった気体は再度、吹出し口９から吹出されてプリント基板を冷却する。

次に図４、５に示す冷却装置について説明する。冷却装置２４は同一構造体に吹出し口２５と吸込み口２６が形成されている。吹出し口２５と吸込み口２６とは冷却装置２４内で連通しており、吹出し口の近傍には送風機２７が設置されている。実施例に示す送風機は細長いクロスファー・ファンであり、冷却装置２４の外部に取り付けたモーター２８で回転するようになっている。送風機２７から吹出し口２５に入る部分はクロスファー・ファンの長手方向に沿って細長くなっており、クロスファー・ファンが回転すると、狭い部分から吹出し口２５へ気体が広がって流入する。

吹出し口２５の内部には複数本の冷却パイプ２９・・・が冷却装置２４の両側壁を貫通して架設されており、該冷却パイプの貫通した冷却装置の片側には冷却ファン３０・・・が設置されている。従って、冷却ファン３０・・・を駆動させると、冷却ファンで吸込んだ外気が冷却パイプ２９・・・の一端から流入し、他端から外部に流出していく。冷却装置２４の吹出し口２５と吸込み口２６には、網３１が張設されている。該網は、プリント基板をチェーンコンベアのようにチェーンのピンで搬送する場合、プリント基板がチェーンコンベアから脱落することがあるが、このとき脱落したプリント基板が吹出し口の送風機に当たって破損したり吸込み口の奥深くに落ちて回収できなくなったりするため、網で防ぐものである。

図４、５示す冷却装置２４は、冷却ファン３０を駆動させて外気を冷却パイプ２９・・・内に通過させていることから、冷却パイプは常に外気により冷却されている。冷却装置では吹出し口２５から吹出された気体がプリント基板に当たってプリント基板から熱を奪って昇温する。昇温した気体は、同じ冷却装置の吸込み口２６に吸込まれ、送風機２７で吹出し口２５に進入する。噴出し口２５に進入した温度の高い気体は、吹出し口２５に架設された多数の冷却パイプ２９・・・に接触して温度が下げられ、この温度が下がった気体は再度、吹出し口２５から吹出されてプリント基板を冷却する。また、この冷却装置は、冷却ファン３０で冷却装置の外壁も冷却するため、広い範囲で冷却が行えるという効果も有している
。

本発明のリフロー炉で予備加熱、本加熱後に冷却状態を検証する試験を行った。比較として冷却ゾーンの上方に冷却ファンだけを設置したリフロー炉でも同様の試験を行った。

試験基板：中央にSOPを搭載した135×150×0.8ｔ（mm）のガラエポ基板。SOPの頂部とガラエポ基板の四隅に熱電対を耐熱性接着テープで固定。
試験方法：170〜190℃で約80秒間予備加熱し、ピーク温度260℃で220℃以上の本
加熱時間が約60秒間、その後冷却ゾーンで冷却し温度プロファイルを得る。得られた温度プロファイルから、冷却速度を算出。

（試験結果）
SOP 左上隅 右上隅 左下隅 右下隅
実施例１ −3.6℃/秒 −4.0℃/秒 −4.1℃/秒 −3.8℃/秒 −3.9℃/秒
実施例２ −3.0℃/秒 −3.6℃/秒 −3.8℃/秒 −3.5℃/秒 −3.3℃/秒
比較例 −1.4℃/秒 −1.6℃/秒 −1.6℃/秒 −1.7℃/秒 −1.8℃/秒

以上説明したように本発明のリフロー炉は、プリント基板の上下方向から冷気を吹き付けるため、プリント基板全体を均一に冷却できるものであり、また冷却装置に設置した冷却パイプ中を外部から低温の水や外気等を流通させるため、冷却パイプに接触した気体は効率よく冷却される。従って、鉛フリーはんだのように融点が高い粉末はんだを用いたソルダペーストでのはんだ付けにおいて、本加熱温度が高くなっても、その後のプリント基板の温度を急速に下げることができることから、プリント基板やプリント基板に搭載された電子部品への熱影響を極力少なくして機能劣化を起こさせないという従来にない優れた効果を奏するものである。

本発明リフロー炉の正面断面図 本発明の第１実施例の冷却装置の斜視図 図２のA-A線断面図 本発明の第２実施例の冷却装置の斜視図 図４のB-B線断面図

符号の説明

P 予備加熱ゾーン
R 本加熱ゾーン
C 冷却ゾーン
１ リフロー炉
２ トンネル
３ プリント基板
４ 搬送装置
５ 熱風吹出し型ヒーター
６ 冷却装置

Claims (3)

1. トンネル内に予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンが設けられ、該トンネル内を搬送装置が走行するリフロー炉において、冷却ゾーンの上下部には搬送装置を挟んで送風を循環させる冷却装置が設置されており、該冷却装置は同一面に吹出し口と吸込み口が形成されているとともに、吹出し口と吸込み口間に送風機が取りつけられていて、しかも冷却装置内には冷却水を流動させる冷却パイプが吸込口側に配設されており、該冷却パイプには冷却パイプに対して垂直方向に立てられた複数のフィンを１つ以上の冷却パイプが貫通されるように設置されており、該冷却フィンの隣には送風機が取りつけられていて、さらに該冷却パイプはその両端が冷却装置の外部に延長されていることを特徴とするリフロー炉。
2. 前記，冷却フィンの下部には冷却された液状フラックスが貯まるスペースを有することを特徴とする請求項１に記載のリフロー炉。
3. 前記冷却パイプは、吸込み口とともに噴出し口にも設置されていることを特徴とする請求項１、２記載のリフロー炉。

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