JP2008270499A - リフロー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気を熱媒体としながらも、安価なランニングコストとはんだ付け部分の酸化およびフラックスによる電子回路基板の腐食を防ぐことが可能なリフロー装置を提供する。
【解決手段】複数のチャンバ３０ａおよび３０ｂで構成されるリフロー装置であって、過熱水蒸気を各チャンバ３０ａおよび３０ｂ内で循環させるファン６２と、過熱水蒸気の循環経路に水蒸気を流入させる流入口７０と、循環方向に流入口７０から電子回路基板５までの循環経路中に配置され、チャンバ３０ａおよび３０ｂ内の水蒸気を加熱することによって過熱水蒸気にするヒータ６４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、リフロー装置に関する。

回路基板に印刷されたペースト状のはんだを加熱するために、加熱した気体を電子部品が載置された回路基板である電子回路基板に送りつける熱風式のリフローはんだ付けが行われている。このような熱風式のリフローはんだ付けで熱媒体となる気体には、空気、窒素ガス、ある種の蒸気などが利用される。

熱媒体が空気である場合には、空気中の酸素によってはんだが酸化し易い。はんだの酸化は、はんだ付けの不良の原因となる。また、熱媒体が窒素ガスである場合には、はんだの酸化を防ぐことはできるものの、リフロー装置内を窒素雰囲気にするためには大量の窒素ガスを要する。窒素ガスは空気より高価であるためランニングコストが高くなる。

そこで、窒素ガスの注入量を制御することによって、はんだの酸化を抑えながら、ランニングコストを下げる技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。例えば、空気と窒素ガスとの混合気体を熱媒体とすることにより、空気よりもリフロー装置中の酸素濃度が低くなり、はんだの酸化を抑えることができ、また、空気が含まれる分、窒素の使用量が減りランニングコストを低く抑えることができる。

また、フッ素系不活性液体を使った蒸気加熱リフローや、水蒸気を熱媒体とする技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。フッ素系不活性液体などを使った蒸気加熱リフローは、使用するフッ素系不活性液体の価格が高いため、あまり普及するに至っていない。しかし水は、窒素ガスよりも安価であり、水蒸気は窒素ガスよりも伝熱効率がよい。

ところで、ほとんどのはんだには、ハロゲンなどを有するフラックスが含まれており、リフロー装置内にはフラックスが加熱されてできたヒュームが存在している。熱媒体が水蒸気である場合、水蒸気が電子回路基板に吹き付けられた後に凝縮し水となると、フラックス及びフラックスからできたヒュームが水中に溶け込むことになる。高温の水に溶け込んだフラックスやヒュームは化学反応しやすい活性化状態となり、電子回路基板を腐食する原因になる。そこで、水蒸気を使用した加熱でも、電子回路基板をぬれた状態にしないようにする必要がある。
特開平６−３４４１７６号公報 特開２００２−２６３８３２号公報

ところで、特許文献１に記載の技術では、ランニングコストを抑えるために窒素ガスの注入量を減らす方法を開示している。しかし、酸素濃度を２％程度にするためには、混合する比率を、窒素ガス９０％、空気を１０％程度にする必要があり、実用上あまりコストダウンにはならない。そこで、空気の混合比率を多くすると、熱媒体となる気体中に酸素が増え、空気の量に近くなり、はんだが酸化するという問題が残る。

また、特許文献２に記載の技術では、被加熱物である電子回路基板をぬらさないように、電子回路基板を水の沸点以上の温度に加熱してから、水蒸気で加熱するようにしている。しかし、水蒸気をリフロー炉内に供給するだけなので、空気よりも水蒸気の方が大幅に軽いため、電子回路基板搬送用の開口部から上には水蒸気が充満するが、開口部より下は水蒸気よりも重い空気が残ることになる。

その対策として、装置内部全体を水蒸気で満たすためには、水蒸気が開口部から自然対流状態で流れ出る量よりも多くの水蒸気を開口部より下から供給することが必要となる。そのために、多量の水蒸気を供給する必要がある。私たちの実験では、リフロー装置内部を窒素ガスで充満する量の３倍程度必要であった。液体である水が気体である蒸気になるための潜熱は５３９ｃａｌ／ｇと大変大きいので、多量の加熱エネルギーが必要になるという問題がある。その結果、この方式ではランニングコストが、窒素ガスを使用する場合と比べても高くなるという問題がある。そのため、この方式は普及するに至っていない。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、ランニングコストが安く、水蒸気を熱媒体としながらも、はんだ付け部分の酸化および電子回路基板の腐食を防ぐことを可能とするリフロー装置の提供を目的とする。

ここで、用語を定義する。
「湿り水蒸気」とは、霧状の水滴を含む水のガスをいう。

「過熱水蒸気」とは、「乾き水蒸気」ともいい、完全に気化した水のガスをいう。
「水蒸気」は、「湿り水蒸気」と「過熱水蒸気」とを含む

上記目的を達成するために、本発明に係るリフロー方法は、複数のチャンバで構成されるリフロー装置であって、過熱水蒸気を前記各チャンバ内で循環させるファンと、前記過熱水蒸気の循環経路に水蒸気を導く流入路と、前記チャンバ内を循環する水蒸気を加熱することによって過熱水蒸気にする加熱手段とを備える。

このように、加熱手段により加熱された過熱水蒸気がリフロー装置内をファンにより強制的に循環させられる。そのため、リフロー装置内の過熱水蒸気は、各チャンバ内の上方で滞留することなく、チャンバ内の下方も含めた全体を満たす。過熱水蒸気自体の酸化作用はほとんどないため、過熱水蒸気との接触によりはんだ付け部分の酸化を防止することが可能になると同時に、電子部品を含む電子回路基板の腐食を防止することが可能になる。

また、過熱水蒸気はリフロー装置を構成する各チャンバ内を循環する。そのため、加熱手段は、電子回路基板への吹き付けにより温度が低下した水蒸気を加熱することになり、水を過熱水蒸気に加熱するよりも加熱にかかるエネルギーは小さくてすむ。したがって、ランニングコストの低減および省エネルギー化が可能になる。

さらに好ましくは、前記加熱手段は、前記過熱水蒸気を１５０℃以上３５０℃以下に加熱する。

このように、リフロー装置内の過熱水蒸気は１５０℃以上である。１５０℃以上の過熱水蒸気であれば、強制循環することで、電子回路基板に吹き付けられた後も凝縮を回避できる。したがって、フラックスが溶け込む水滴が生じないため、電子回路基板が腐食することを防止することが可能になる。たとえ、熱容量の大きな電子回路基板が搬入され、局部的に凝縮したとしても、強制循環しているので瞬時に蒸発し、腐食の原因になることは無い。

また、過熱水蒸気は３５０℃以下である。３５０℃より高くなると、電子部品や回路基板に使われている材料の中には、発火点温度近くになるので焼ける可能性がある。過熱水蒸気を３５０℃以下とすることにより、電子部品や回路基板が焼けることを防止することが可能になる。

さらに好ましくは、前記吹き付けステップでは、秒速１メートル以上２０メートル以下の過熱水蒸気を電子回路基板に吹き付ける。

このように、電子回路基板への吹き付け速度は秒速１メートル以上である。吹き付け速度が低速であると電子回路基板の近傍で過熱水蒸気が滞留し、凝縮し易くなる。秒速１メートル以上の速度で１５０℃の過熱水蒸気を吹き付ければ、過熱水蒸気が滞留するために凝縮することはない。したがって、吹き付け速度が秒速１メートル以上であることにより、水蒸気の凝縮を防ぐことができ、電子回路基板の腐食を防止することが可能になる。

さらに好ましくは、さらに、前記循環経路から外れた過熱水蒸気が流れる排出路と、前記排出路を流れる過熱水蒸気の熱を利用して水蒸気を発生させる水蒸気発生器とを備え、前記流入路は、前記水蒸気発生器が発生させた水蒸気を流入させる。

このように、リフロー装置内の循環から外れた過熱水蒸気の熱をリフロー装置に取り込む水蒸気の生成に利用する。これにより、ランニングコストの低減および省エネルギー化が可能になる。

なお、本発明は、このようなリフロー装置として実現することができるだけでなく、回路基板に電子部品をはんだ付けするリフロー方法として実現することができる。また、電子回路基板の生産方法として実現することもできる。

本発明によると、リフロー式のはんだ付けにおいて、はんだの酸化を防止することが可能になる。また、はんだ付けに利用するフラックスにより電子回路基板が腐食することを防ぐことが可能になる。さらに、ランニングコストを抑えたはんだ付けが可能になる。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係るリフロー装置の一実施の形態について説明する。

図１は、リフロー装置１の全体を断面で示す図である。
本図に示すリフロー装置１は、リフロー装置１内の水蒸気を熱媒体として、装着された電子部品を回路基板にはんだ付けする装置であり、第１予熱ゾーン１０、第２予熱ゾーン２０、リフローゾーン３０および冷却ゾーン４０の上部および下部により構成される。このような各ゾーン１０、２０および３０の上部および下部はそれぞれリフロー装置１を構成するチャンバの一例である。

電子部品が実装された回路基板（以下、「電子回路基板」という。）５は図の右から左にコンベア７に載ってリフロー装置１内を移動する。図示するように、電子回路基板５は、第１予熱ゾーン１０および第２予熱ゾーン２０の通過により漸次加熱され、リフローゾーン３０ではんだ付けされ、冷却ゾーン４０で冷やされる。

過熱水蒸気はリフローゾーン３０の内部を循環する。その循環から外れた過熱水蒸気は排出路５７および６０を通って、外部に排気される。過熱水蒸気は、各ゾーン１０、および２０のそれぞれにおいても同様に各部の内部を循環する。

リフローゾーン３０と冷却ゾーン４０の間には排出路５７を設け、水蒸気が冷却ゾーン４０に流出しないようにする。本図では記載を省略しているが、冷却ゾーン４０では、リフロー装置の外部から導入した空気をファンで電子回路基板５に吹きつけ、電子回路基板５を冷やすようにする。

水蒸気発生器５０は、水をヒータなどで沸騰させて水蒸気を発生させる機器であり、過熱水蒸気の一部が循環から外れるなどのために減少する水蒸気を補う。水蒸気発生器５０が発生させた水蒸気は、流入路５５ａ〜５５ｇを通って、第１予熱ゾーン１０の上部および下部、第２予熱ゾーン２０の上部および下部、リフローゾーン３０の上部および下部のそれぞれに配分される。ここで、本図では、各ゾーンの下部に水蒸気を導く流入路５５ｅ、５５ｆおよび５５ｇと、水蒸気発生器５０とを接続する流入路を省略している。

水蒸気発生器５０は、加熱ヒータだけでなく、排出路６０を通る水蒸気の熱を利用して水を加熱する機能を付加しても良い。

図２は、リフローゾーン３０の正面図であり、リフローゾーン上部３０ａの断面およびリフローゾーン下部３０ｂの外観を示す図である。リフローゾーン上部３０ａとリフローゾーン下部３０ｂとは、天地逆転した同様の構成を備える。本図を参照して、リフローゾーン上部３０ａの構成について説明する。

ファン６２は、リフローゾーン上部３０ａ内の過熱水蒸気を循環させるシロッコファンである。本図の矢印で示すように、リフローゾーン上部３０ａ内部を循環する過熱水蒸気と、流入路５５ｄを通って流入口７０から流入する水蒸気とを吸い込み、回転外周方向へ送出する。

吹き付け部６６は、自身の下部に有する吹き付け口６７から過熱水蒸気をコンベア７に載って移動する電子回路基板５に吹き付ける。

ヒータ６４は、ファン６２から送出されることによりリフローゾーン上部３０ａ内を循環する水蒸気を加熱することによって過熱水蒸気にする。ヒータ６４は、過熱水蒸気の循環経路中で過熱水蒸気の循環方向に流入口７０から電子回路基板５までに配置され、電子回路基板に吹き付けられる前の水蒸気を加熱する。

具体的には、ヒータ６４を通過した水蒸気は霧状の水滴を含まない過熱水蒸気であり、１００℃以上である。

さらに、１５０℃以上であることが望ましい。１５０℃以上にすることで、電子回路基板を加熱した後に温度が下がっても、厚さ２ｍｍ程度の回路基板を加熱した場合に、凝縮することは少なく、腐食などの不良発生を防止することが可能になる。

さらに、１７０℃以上であることが望ましい。１７０℃以上にすることで、空気や窒素ガスに比べて乾燥能力や加熱特性が高くなる。したがって、１５０℃以上である場合の効果に加えて、効率よく電子回路基板を加熱することが可能になる。

また、３５０℃以下であることが望ましい。電子回路基板を運ぶコンベアスピードにもよるが、３５０℃より高温の環境下では、電子部品および回路基板が熱により変形しまたは機能を損なうなどの可能性がある。３５０℃以下とすることにより、電子部品や回路基板の破損防止が可能になる。

回収経路６８は、電子回路基板に吹き付けられた後の過熱水蒸気や水蒸気がファン６２に吸い込まれる際に通過する経路である。回収経路６８は、各吹き付け部の間に形成される。

温度センサー７２は、過熱水蒸気の温度を測る。ここで、計測された温度は、後述するようにヒータ６４の出力の制御に利用される。図中温度センサーは、回収経路６８を通過する位置に記載してあるが、ヒータ６４と吹き付け口６７との中間経路でも良い。

以上のような構成を備えるリフローゾーン上部３０ａを循環する過熱水蒸気の流れについて、図３を参照してより詳しく説明する。

図３は、リフローゾーン上部３０ａの一部を切り欠いた斜視図である。
ファン６２は、流入路５５ｄを介して流入する水蒸気とともに、電子回路基板５に吹き付けられた後の過熱水蒸気または水蒸気を回収経路６８を介して吸い込む。ファン６２は、流入路５５ｄを介して吸い込んだ水蒸気と、回収経路６８を介して吸い込んだ過熱水蒸気または水蒸気との混合気を回転外周方向に送出する。

ヒータ６４は、送出された混合気を加熱し、過熱水蒸気とする。ヒータ６４により加熱された過熱水蒸気はリフローゾーン上部３０ａの壁を沿って吹き付け部６６に流れ込む。

吹き付け部６６は流れ込んだ過熱水蒸気を吹き付け口６７から電子回路基板５に吹き付ける。電子回路基板５に吹き付けられる過熱水蒸気の風速（以下、単に「風速」ともいう。）は、ファン６２の回転速度により調整する。上記の過熱水蒸気の温度と風速とにより、電子回路基板への加熱量は決まる。上記の過熱水蒸気の温度では、まず、電子回路基板の近傍での滞留による凝縮を防止するため、風速は秒速１メートル以上である。

また、気体と固体間の熱伝達は、気体の風速を早くしたほうが高くなる。そのため、風速は秒速３メートル以上であると望ましい。秒速３メートル以上であれば、一般的な赤外線加熱よりも均一加熱特性が良くなる。ここで、「熱伝達」とは熱媒体である気体から電子回路基板に熱が伝わる効率をいう。

さらに、風速は秒速２０メートル以下である。風速が速いほど熱伝達は良くなるが、回路基板上に装着された電子部品はペースト状のはんだの上に載置されているにすぎず、風速が速すぎると電子部品が動いてしまい正確なはんだ付けができず不良が発生する。

電子部品の移動がない風速は、回路基板に載置されている電子部品の高さや重さなどの電子部品の性質とはんだの粘性などの影響を受けるが、一般に秒速１０メートル〜２０メートルまでであれば、吹き付けによる電子部品の移動はない。

このような、風速の上限は空気や窒素ガスに比べて高い。すなわち、空気や窒素ガスでは秒速６メートル〜７メートル以上になると電子部品が移動する場合がある。水蒸気は、空気や窒素ガスよりも軽いため、空気や窒素ガスよりも速い速度で吹き付けることができる。したがって、従来よりも効率よく均一に電子回路基板を加熱することが可能になる。

また、水蒸気は、空気や窒素ガスに比べて熱容量が大きい。また、水蒸気では、対流伝熱に加えて、放射伝熱によっても伝熱する。そのため、水蒸気は空気や窒素ガスに比べて熱伝達が高く、電子回路基板を均一にかつ短時間で加熱することができる。したがって、回路基板に装着されている電子部品に対する熱による悪い影響を抑えることが可能になる。特に、従来のはんだより融点が高い鉛フリーはんだの利用が進む今日において、このような水蒸気の熱伝達に関する特性がもつ実用上の意義は大きい。

このように、電子回路基板に吹き付けられた後の水蒸気の一部は回収経路６８を介してファン６２に吸い込まれ、一部はリフローゾーン下部３０ｂのファン（図示しない）に吸い込まれ、一部は以上に説明した過熱水蒸気や水蒸気の循環経路から外れてリフローゾーン３０の外の排出路５７に流出する。

なお、図に示すように、吹き付け口６７から電子回路基板に対して垂直方向に吹き付けると同時に、その近傍に回収経路６８を設けることにより、水蒸気が横方向に流れにくくする事で、各チャンバにある電子回路基板搬送のための開口部からの水蒸気の漏れを少なくできるので、排出路５７から流出する水蒸気を少なくすることが可能となる。特に、吹き付け口６７と排出路５７の間に回収経路６８を設けるとその効果は大きい。その結果、水蒸気の供給量も少なくてよいことになる。

また、吹き付け口６７は吹き付け部６６に対してスリット状に記載してあるが、多数の穴で構成されていても良い。

なお、図中コンベア７は平面として描いているが、メッシュベルトや、電子回路基板の両サイドを支えて運ぶサイドピン付チェーンであることが多い。

以上の構成は、リフローゾーン３０だけでなく、第１予熱ゾーン１０と第２予熱ゾーン２０とのそれぞれでも同様である。そのため、第１予熱ゾーン１０と第２予熱ゾーン２０との構成に関する詳細な説明は省略する。

図４は、水蒸気の発生を制御する制御端末７４の構成を示す図である。
制御端末７４はリフロー装置１が備える温度センサー７２からの情報に基づいて、リフロー装置１を制御する。本図はヒータの出力を制御する場合の構成例を示す。

制御端末７４は、リフロー装置１の外部に備えられ、ユーザが入力する入力部７５と、リフロー装置１が備えるヒータの出力を制御する制御部７６とを備える。

制御部７６は、温度センサー７２により計測された電子回路基板に吹き付けられた後の水蒸気の温度と、入力部７５に入力される目標温度とを比較し、ヒータの出力を制御する。

ヒータ６４は、各ゾーン１０、２０および３０の上部および下部に備えられ、本図はその１つを例示する。他のヒータも同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

ヒータ６４は、電源７８と発熱部８０とを備える。電源７８は、制御部７６の制御に従って電力を発熱部８０に供給する。発熱部８０は供給される電力に応じて周囲の水蒸気または過熱水蒸気を加熱する。

このように、電子回路基板に吹き付けられた後の過熱水蒸気の温度を計測し、計測された温度に基づいてヒータでの加熱量を調節する。これにより、リフロー装置内で過熱水蒸気が凝縮することがなく、かつ、電子部品や回路基板が焼けることがない温度に、確実に制御することが可能になる。

なお、ヒータはマイクロウェーブにより水蒸気または過熱水蒸気を加熱してもよい。
なお、温度センサーは各ゾーン１０、２０および３０の上部および下部の各チャンバに備えられ、各チャンバの温度センサーから得られる温度に基づいて各チャンバのヒータの出力を制御しても良い。これにより、チャンバ毎の温度をより正確に制御することが可能になる。

なお、制御端末はリフロー装置の内部に備えられてもよい。
なお、制御端末は、温度センサー７２からの情報に基づいてヒータの出力の代わりに、または併せてファンの回転数を制御しても良い。これにより、温度センサー７２からの情報に基づいて、電子回路基板の種類や特性に応じて電子回路基板に与える熱量を制御することが可能になる。

なお、リフロー装置の制御装置としては、装置内の結露防止のため、電源を投入後、各チャンバ内温度が１００度以上の所定の温度に達してから、水蒸気を供給するようにしたり、作業終了時には、水蒸気の供給を止めてから各チャンバのヒータの電源を切るようにしても良い。

なお、各ゾーンへの水蒸気の供給量を調整できるようにしても良いし、水蒸気を供給しないゾーンを設けても良い。

なお、リフロー装置のゾーン数は、予熱ゾーンが２つ、リフローゾーンと冷却ゾーンが各１つとしたが、予熱ゾーンを３つ以上リフローゾーンと冷却ゾーンを２つ以上にしても良い。

なお、コンベア７は電子回路基板を運んだ後、図１のように加熱ゾーンの外側を通って戻るようにしても良いし、加熱ゾーン内部を通って戻っても良い。

本発明は、リフロー装置に適用できる。

リフロー装置の全体を断面で示す図である。 リフローゾーンの正面図であり、リフローゾーン上部の断面およびリフローゾーン下部の外観を示す図である。 リフローゾーン上部の一部を切り欠いた斜視図である。 水蒸気の発生を制御する制御端末の構成を示す図である。

符号の説明

１ リフロー装置
５ 電子回路基板
３０ａ リフローゾーン上部
３０ｂ リフローゾーン下部
５０ 水蒸気発生器
５５ａ〜５５ｇ 流入路
５７、６０ 排出路
６２ ファン
６４ ヒータ
６６ 吹き付け部
６７ 吹き付け口
６８ 回収経路
７２ 温度センサー

Claims (6)

1. 複数のチャンバで構成されるリフロー装置であって、
   過熱水蒸気を前記各チャンバ内で循環させるファンと、
   前記過熱水蒸気の循環経路に水蒸気を導く流入路と、
   前記チャンバ内を循環する水蒸気を加熱することによって過熱水蒸気にする加熱手段とを備える
   ことを特徴とするリフロー装置。
2. 前記加熱手段は、前記過熱水蒸気を１５０℃以上３５０℃以下に加熱する
   ことを特徴とする請求項１に記載のリフロー装置。
3. 前記ファンは、秒速１メートル以上２０メートル以下の過熱水蒸気を電子回路基板に吹き付ける
   ことを特徴とする請求項２に記載のリフロー装置。
4. さらに、前記循環経路から外れた過熱水蒸気が流れる排出路と、
   前記排出路を流れる過熱水蒸気の熱を利用して水蒸気を発生させる水蒸気発生器とを備え、
   前記流入路は、前記水蒸気発生器が発生させた水蒸気を流入させる
   ことを特徴とする請求項３に記載のリフロー装置。
5. 複数のチャンバで構成されるリフロー装置でのリフロー方法であって、
   過熱水蒸気を前記各チャンバ内で循環させる循環ステップと、
   前記過熱水蒸気の循環経路に水蒸気を導く流入ステップと、
   前記循環ステップにおいて循環する水蒸気を加熱することによって過熱水蒸気にする加熱ステップとを含む
   ことを特徴とするリフロー方法。
6. 複数のチャンバで構成されるリフロー装置で電子回路基板を生産する方法であって、
   過熱水蒸気を前記各チャンバ内で循環させる循環ステップと、
   前記過熱水蒸気の循環経路に水蒸気を流入させる流入ステップと、
   前記循環ステップにおいて循環する水蒸気を加熱することによって過熱水蒸気にする加熱ステップとを含む
   ことを特徴とする電子回路基板の生産方法。

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