JP2009010164A - リフロー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉛フリーハンダに対応すべく高温加熱中のワークの状態を各方向から詳細に観察することで、前記ワークの変形やハンダ接続不良が発生しないように加熱温度管理を行うようにすることのできるリフロー装置を提供することである。
【解決手段】 ワークを収容し、このワークの周囲に加熱空間部を有して形成される加熱炉を有するリフローユニット１２と、このリフローユニット１２内のワークの上面、前方側面及び下面に対応した面に設けられる観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃと、この各観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃ上を回動する回動ユニット６１及びこの回動ユニット６１に対して移動及び回転可能に取り付けられるモニタユニット６２からなる複数の観察手段６０ａ，６０ｂとを備え、前記観察手段６０ａ，６０ｂによって、前記リフローユニット１２内におけるワークを任意の観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃから多方向且つ同時に観察可能とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、加熱中のワークの変形やハンダ接合等の状態を外部から観察する観察手段を備えたリフロー装置に関するものである。

回路パターンが形成されたプリント基板上にハンダを介して各種の電子部品、例えば、表面実装型の半導体素子やコネクタ類などを複数一括して実装するための装置（リフロー装置）が一般に用いられている。このリフロー装置は、電子部品が配置されたプリント基板などの被加熱部材（ワーク）を収容する加熱炉と、この加熱炉内及び前記ワークの温度等を測定するための観察及び測定手段と、この測定手段に基づいて温度制御を行う制御手段とを備える。

前記加熱炉内やワークの加熱温度等は、加熱炉内に設置され、あるいは、ワークと共に投入される温度計測部材などを介して外部に数値データとして出力される。一方、加熱に伴うプリント基板の反りや変形、あるいは電子部品のプリント基板に対するハンダの溶融状態や接合状態などの挙動は、前記加熱炉の一部に設けられるのぞき窓から目視やカメラによって観察するようになっているものが多い（特許文献１参照）。

通常のリフロー処理を行わせるためには、前記加熱炉内の温度が常温〜３００℃程度の高温状態が維持される。このような高温環境下においては、前記ワークに大きなストレスがかかることとなる。このため、前記ワークの加熱中の状態を目視やカメラ等を用いた観察によって、加熱温度や加熱時間を制御及び管理することで、ワークの変形やハンダによる接合不良の防止が図られることになる。また、近年においては、環境問題の観点から、前記ハンダが鉛を含まない非鉛系のハンダ合金（鉛フリーハンダ）に置き換えられようとしている。このような鉛フリーハンダは、従来一般的に使用されてきた鉛系のハンダ合金に比べて融点が２０〜３０℃程度と高いものとなるため、この鉛フリーハンダに対応させるためには、前記ワークをさらに詳細に観察する必要性が増している。
特開平１０−５１１２７号公報

上記従来のリフロー装置は、加熱中の加熱炉の内部を外側の一方向からしか観察できないものが多い。また、その観察方法も人間の目視又は所定の方向にカメラを構えてモニタリングするのが一般的であった。

しかしながら、前述したように、鉛フリーハンダに対応させるためには、前記加熱炉の内部温度を高く設定したり、加熱処理時間も長くなったりすることから、従来の目視やカメラによる一方向からの観察では、前記ワークの高温加熱時における挙動をリアルタイムに精度よく把握することが困難になってきている。

そこで、本発明の目的は、鉛フリーハンダに対応すべく高温加熱中のワークの状態を各方向から詳細に観察することで、前記ワークの変形やハンダ接続不良が発生しないように加熱温度管理を行うようにすることのできるリフロー装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のリフロー装置は、ワークを収容し、このワークの周囲に加熱空間部を有して形成される加熱炉と、この加熱炉の前記ワークの上面、前方側面及び下面に対応した面に設けられる観察窓と、この各観察窓上を回動する回動ユニット及びこの回動ユニットに対して移動及び回転可能に取り付けられるモニタユニットからなる複数の観察手段とを備え、前記観察手段によって、前記加熱炉内におけるワークを任意の観察窓から多方向且つ同時に観察することを特徴とする。

本発明に係るリフロー装置によれば、加熱炉内に載置されているワークの状態を多方向から同時に観察可能な観察手段を備えているため、例えば、高温加熱中の前記ワークの全体と、実装される電子部品ごとの部分的なハンダ接合状態とを対比しながらリアルタイムに観察することができる。このため、前記ワークごとに対応した最適な温度設定や管理を行わせることができる。

また、前記加熱炉の上面、前方側面及び下面に観察窓が設けられ、これらの観察窓上を複数のカメラを備えた観察手段が移動可能に取り付けられているため、前記ワークが加熱炉内で固定されたままで、任意の方向及び角度から詳細に観察することができる。また、前記ワークがプリント基板の表裏両面に電子部品が実装されるものである場合、前記カメラを観察窓の上面側と下面側にセットしておくことで、前記プリント基板の表面と裏面の電子部品のハンダ接合状態を両方同時にリアルタイムに観察することができる。特に前記ワークの裏面側についても上面や前方側面と同様に観察可能となることから、従来のリフロー装置では見逃されていたハンダ接合等の不良箇所を確実且つ迅速に発見することが可能となる。

以下、添付図面に基づいて本発明に係るリフロー装置の実施形態を詳細に説明する。本実施形態のリフロー装置１０は、図１及び図２に示すように、加熱炉１５を有する装置本体１１に前記加熱炉１５内の状態を外部から観察するための観察手段６０ａ，６０ｂを備えて構成されている。前記観察手段６０ａ，６０ｂは同一構成であり、それぞれが装置本体１１に取り付けられる回動ユニット６１と、この回動ユニット６１に取り付けられるモニタユニット６２によって構成されている。前記回動ユニット６１は、加熱炉１５が備わるリフローユニット１２の左右の側板部を支点として上下方向に回動自在であり、モニタユニット６２は前記回動ユニット６１上で回転自在となっている。

最初に、装置本体１１の構成について説明する。この装置本体１１は、図１及び図２に示したように、加熱炉１５を有するリフローユニット１２と、このリフローユニット１２を背面側から所定の高さ位置で支持する支柱部１６と、この支柱部１６の下端からリフローユニット１２と同じ水平方向に延びる一対の固定脚部１７ａ，１７ｂとからなるコ字状の側面形状を有した筐体１８とで構成されている。

前記装置本体１１では、図３に示すようなプリント基板２１及びこのプリント基板２１上にクリーム状に印刷されたハンダ２２を介して配置される電子素子やコネクタなどの各種の電子部品２３からなるワーク２０を主な被加熱対象としている。前記プリント基板２１は、厚みが１〜２ｍｍのエポキシ樹脂やベークライトなどの絶縁板が用いられ、この上に３０〜４０μｍ程度の厚みの銅箔による配線パターンが形成されている。前記ハンダ２２は、前記配線パターンの所定箇所に印刷等によって形成される。このハンダ２２は、従来のスズ-鉛を用いた共晶ハンダの他に、鉛を含まないスズ-銀-銅を用いた鉛フリーハンダが使用される。

前記リフローユニット１２は、図１に示したように、前記加熱炉１５と、この加熱炉１５の左右両側に設けられる熱風供給部１３とを備える。前記一方の固定脚部１７ａには、前記熱風供給部１３に備わるヒータ部の温度調整を行うための温度調整ユニット２４が設けられ、他方の固定脚部１７ｂには、リフロー装置１０全体の制御や状態を表示するための制御表示パネル２５が設けられる。また、前記支柱部１６の裏面側には、図示しない電源部、制御盤、圧縮エアー用の配管などが備えられている。

前記加熱炉１５は、図４に示すように、上面部４３、前方側面（正面部）４４、下面部４５、背面部４６及び左右方向に面した一対の側壁部４７，４８とで構成された加熱空間部２６を有しており、図３に示したＡ４サイズ版までのプリント基板２１からなるワーク２０がワーク支持部２７を介して略中央部に浮いた状態で配置される。このワーク支持部２７は、前記ワーク２０の左右の縁部を載せ置く略Ｌ字状の一対のガイドレール２８と、このガイドレール２８を加熱空間部２６の中間位置の高さで支持すると共に、互いに離間及び近接可能となるようにスライド可能に配置される一対の支持脚２９とを有して構成されている。前記支持脚２９をスライドさせることによって、Ｂ５やＡ５サイズ等のＡ４サイズ以下のワークにも対応させることができる。このスライド移動は、リフローユニット１２の前面側に備わるダイヤルつまみ１９によって操作される。なお、前記支持脚２９のスライド移動は、左右方向の移動量が対称となるように構成されているため、どのサイズのワークに対しても加熱空間部２６内の中心部に位置するようになっている。

前記加熱空間部２６は、熱風の対流を考慮して、前記ワーク支持部２７を介して載置されるワーク２０の上面側及び下面側に約４０ｍｍ程度の空間スペースを確保して形成されるのが好ましい。前記側壁部４７，４８及び背面部４６は、耐熱性の金属面で構成され、上面部４３、正面部４４及び下面部４５には、加熱炉１５の内部の状態が視認可能な透過性を有した観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃがそれぞれ設けられている。この観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、耐熱性を有する合成石英ガラスの二重構造となっており、前記ワーク２０の表裏の両平面及び正面側の側面が全て見渡せる広さに形成されている。このような観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃを設けることで、加熱中の前記ワーク２０の表面側及び裏面側に配置されている電子部品２３の実装状態やプリント基板２１の反りや変形などを３方向から観察することができる。なお、前記観察窓３０ａが設けられている加熱炉１５の上面部は、ワーク２０を出し入れさせるため、スライド開閉可能に取り付けられている。

前記加熱炉１５内の側壁部４７，４８には、図４に示したように、前記ワーク支持部２７に固定されているワーク２０の表面及び裏面に熱風を吹き付けるための噴出部３２，３３と、吹き付けた後の熱風を外部に排出する排出部３４が設けられる。前記噴出部３２，３３は、図７に示すように、前記側壁部４７，４８の上辺部と下辺部に沿って設けられ、排出部３４は前記上辺部及び下辺部に設けられている各噴出部３２，３３の中間部に設けられる。この排出部３４は、前記ワーク支持部２７に固定されているワーク２０の高さと略同じ高さ位置に設定されている。また、前記噴出部３２，３３及び排出部３４は、側壁部４７，４８を丸孔状に貫通して形成され、一列に等間隔ごとに配列されているが、前記排出部３４の方が噴出部３２，３３よりも密に形成されるのが望ましい。前記噴出部３２，３３から噴出される熱風は、ワーク２０の表面及び裏面のそれぞれの端部から中心部に向かって対流させた後、左右の側壁部４７，４８に設けられている排出部３４から加熱炉１５の外部に自然排出されることによって、加熱空間部２６内を一定の流量で循環させている。

前記加熱炉１５の左右側に設けられている熱風供給部１３には、加熱ユニットが設けられる。この加熱ユニットは、前記噴出部３２，３３に通じる空気の攪拌路と、この各攪拌路に対して熱した空気を供給するヒータ部とを備える。このヒータ部は、前記側壁部の長手方向に沿って延びる複数の細長い発熱管と、この発熱管を所定の温度に設定調整するためのコントローラとを備える。また、前記各加熱ユニットの外側には、それぞれ加圧ユニットが隣接して設けられる。この加圧ユニットでは、前記加熱炉１５内に熱風を噴出させるための圧縮空気がつくられる。

次に、観察手段６０ａ，６０ｂの構成について説明する。この観察手段６０ａ，６０ｂは、図１及び図２に示したように、それぞれが観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃ上を移動する回動ユニット６１と、この回動ユニット６１に取り付けられるモニタユニット６２とを備えている。前記回動ユニット６１は、リフローユニット１２の左右の側面に対して回転支持される回転板６３と、この回転板６３から延びる一対の腕部６４と、この一対の腕部６４の先端部間に架け渡される水平バー６５とで構成される。この水平バー６５は、図４に示される加熱炉１５の上面部４３、正面部４４及び下面部４５に設けられている各観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃ上を往復移動可能とするように約１８０度の範囲で回動するように取り付けられている。

図５に示すように、前記モニタユニット６２は、静止画像あるいは動画像の撮影が可能なカメラ６６と、このカメラ６６を前記水平バー６５に支持するカメラ支持部６７を備えて構成されている。前記カメラ６６は、ＣＣＤからなる撮像素子、レンズ部、自動あるいは手動式の焦点調節部とを備えたデジタルカメラが使用される。また、前記レンズ部は、図３に示したようなワーク２０全体から電子部品２３の一つ一つまでを撮影可能となるように、標準で８〜６４倍、高倍率で３２〜２５６倍の性能を有するものが好ましい。前記カメラ支持部６７は、図５に示したように、前記水平バー６５を把持した状態でスライド移動可能なスライド支持部材６８と、このスライド支持部材６８に取り付けられ、前記カメラ６６を３６０度回転可能に支持する回転支持部材６９とを備える。

前記回転支持部材６９は、前記スライド支持部材６８とカメラ６６を載置しているカメラ台７０とを連結している連結部材７１と、この連結部材７１に組み込まれている２つのボール体７２ａ，７２ｂとで構成されている。前記連結部材７１の一端は第１のボール体７２ａを介して前記スライド支持部材６８に回転可能に連結され、他端は第２のボール体７２ｂを介して前記カメラ台７０と連結されている。また、前記連結部材７１はスライド支持部材６８とカメラ台７０とを固定するためのストッパ部７３が設けられており、このストッパ部７３によって前記カメラ６６を任意の角度に固定することができる。

本実施形態のリフロー装置１０では、図１及び図２に示したように、二体の観察手段６０ａ，６０ｂに備わるそれぞれの回動ユニット６１が同一の回転支点を中心として独自に回動し、モニタユニット６２もそれぞれの回動ユニット６１上で独立して動くように構成されている。

前記観察手段６０ａ，６０ｂを操作する場合は、最初に一方の回動ユニット６１を回転させて水平バー６５をワーク２０の上面部４３、正面部４４あるいは下面部４５に対応する観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃ上で位置決め固定する。次に、カメラ支持部６７を所定の向きに回転させて、カメラ６６のレンズ位置がワーク２０に向くように調整した後、水平バー６５に沿ってスライド移動させて、ワーク２０の測定ポイントに移動する。また、他方の回動ユニット６１も同様に、観察するワーク２０に面に対応した観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃ上に回動させた後、スライド支持部材６８やカメラ支持部６７を操作し、カメラ６６のレンズ位置がワーク２０の所定位置に向くように調整される。以上の操作によって、前記ワーク２０の２方向からの観測ポイントを決定することができる。前記カメラ６６の位置が定まったら、装置本体１１に接続されているパソコン等のモニタに映像を映し出し、焦点距離や倍率などを適宜調整する。

図６は、観察対象であるワーク２０と前記観察手段６０ａ，６０ｂとの位置関係を概念的なイメージとして示したものである。前記観察手段６０ａ，６０ｂは、それぞれの水平バー６５の回動動作とカメラ支持部６７におけるスライド操作及び回転操作を組み合わせることで、前記ワーク２０の各面を縦方向及び横方向、さらには、斜め方向に対しても走査が自在となる。これによって、前記ワーク２０の表面、裏面及び前方側面を漏れなく観察することができる。さらに、前記カメラ支持部６７を回転操作することで、前記ワーク２０を任意の斜め方向からも観察することができるので、ハンダの塗布形状や塗布量などを仔細に観察することができる。

また、図５に示したカメラ台７０には、載置されているカメラ６６をＸ軸方向及びＹ軸方向に対して微小移動可能な微調整つまみ（図示せず）を備えており、この微調整つまみを操作することによって、外部のモニタ等に映し出されるワーク２０を見ながら適正な観察ポイントに合わせることができる。このような微調整は、ワーク２０の一部を高倍率で拡大して見る際に有効となる。

前記観察手段６０ａ，６０ｂに備わるそれぞれのカメラ６６による観察ポイントは、それぞれの回動ユニット６１を所定位置に回動させることで、上面部４３と正面部４４、正面部４４と下面部４５、上面部４３と下面部４５といった方向から同時に観察可能となる。また、前記それぞれの回動ユニット６１を上面部４３又は下面部４５のいずれか一方に寄せて回動させておくことで、ワーク２０の表面のみあるいは裏面のみを２台のカメラ６６で同時に観察させることもできる。

次に、前述したリフロー装置１０による実際の操作例について説明する。最初に前記モニタユニット６２が搭載されている各水平バー６５を加熱炉１５の上面部４３を避けた位置、たとえば、加熱炉１５の正面部４４から下面部４５に退避させておく。そして、図４に示したように、加熱炉１５の上面部４３をスライド開放し、各種の電子部品やコネクタ類が配置されたプリント基板２１からなるワーク２０をワーク支持部２７の上に載置する。このワーク２０の配置高さは、加熱空間部２６の略中間に位置するように設定されている。前記ワーク２０を所定位置にセットした後、上面部４３を前方側にスライド移動させて加熱炉１５を密閉する。この密閉は加熱炉内を加熱する際に熱が外部に漏れないようにするためのものであり、加熱中の内部も通常の大気圧状態に置かれる。

前記上面部４３が閉じていることを確認した後、前記各水平バー６５を回動させて所定の観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃに対向する位置に固定し、スライド操作及び回転操作によってカメラ６６のレンズ部をワークの観察ポイントに合わせる。続いて、装置本体１１に備わる温度調整ユニット２４によって加熱炉１５内の温度設定を行う。この温度は、鉛フリー実装を行う場合、最大３００℃までの間で行われ、１℃刻みで設定される。ここで設定された温度は、前記加熱炉１５内に備わる図示しない温度センサで感知され、前記設定温度と共に制御表示パネル２５に表示され、設定された温度を維持するように自動制御される。

図７は、上記過程によって、加熱炉１５内に流れる熱風の循環状態を断面図に示したものである。ここに示すように、前記各噴出部３２，３３からは、ワーク２０の中心部に向かって熱風が排出される。この熱風は、前記ワーク２０の中心部０に到達した後、このワーク２０と略同じ高さ位置に設けられた排出部３４から自然排気されることで加熱炉１５内を対流する。本実施形態では、前記噴出部３２，３３が前記ワーク２０を中心とした左右側面の上辺部及び下辺部の計４箇所に設けられているため、ワーク２０の上面及び下面を所定の温度に熱せられた熱風によって、ムラなく加熱することができる。

前記熱風による加熱中の加熱炉１５内のワーク２０は、前記所定位置にセットされているカメラ６６を介して外部に接続されているモニタ等に映し出される。このモニタ画像は、前記２台のカメラによって、例えば、上面と正面のような２箇所の異なった角度から同時に観察でき、ワーク２０の全体像と所定の電子部品２３の状態を把握することができる。また、観察窓３０ａ，３０ｂ，３０ｃが加熱炉１５の上面部４３、正面部４４及び下面部４５に設けられているので、前記ワーク２０を死角なく観察することが可能となる。このように前記ワーク２０を多方向、特に裏面側からも同時に観察可能となったことにより、ワーク２０に対して大きなストレスがかかるような高温加熱下の状態が観察でき、ワーク２０に損傷を及ぼさないように温度調整や加熱時間等を迅速且つ正確に制御することができる。

なお、本実施形態のリフロー装置１０では、二体の観察手段６０ａ，６０ｂを設けたことで、加熱炉１５内のワーク２０を２方向同時に観察可能としたが、回動ユニット６１及びモニタユニット６２からなる観察手段をさらに一体あるいはそれ以上設けることで、前記加熱炉１５の上面部４３、正面部４４及び下面部４５の３箇所以上から同時に観察するような構成にすることも可能である。

本発明に係るリフロー装置を上方から見たときの斜視図である。 上記リフロー装置を下方から見たときの斜視図である。 観察対象であるワークの一例を示す図である。 リフローユニットの内部構造を示す斜視図である。 カメラ支持部の構成を示す斜視図である。 ワークに対する観察手段の位置関係を示す概念図である。 加熱炉内の熱風の対流状態を示す説明図である。

符号の説明

１０ リフロー装置
１１ 装置本体
１２ リフローユニット
１３ 熱風供給部
１５ 加熱炉
１６ 支柱部
１７ａ，１７ｂ 固定脚部
１８ 筐体
１９ ダイヤルつまみ
２０ ワーク
２１ 基板
２２ ハンダ
２３ 電子部品
２４ 温度調整ユニット
２５ 制御表示パネル
２６ 加熱空間部
２７ ワーク支持部
２８ ガイドレール
２９ 支持脚
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 観察窓
３２，３３ 噴出部
３４ 排出部
４３ 上面部
４４ 正面部
４５ 下面部
４６ 背面部
４７，４８ 側壁部
６０ａ，６０ｂ 観察手段
６１ 回動ユニット
６２ モニタユニット
６３ 回転板
６４ 腕部
６５ 水平バー
６６ カメラ
６７ カメラ支持部
６８ スライド支持部材
６９ 回転支持部材
７０ カメラ台
７１ 連結部材
７２ａ，７２ｂ ボール体
７３ ストッパ部

Claims (6)

1. ワークを収容し、このワークの周囲に加熱空間部を有して形成される加熱炉と、
   この加熱炉の前記ワークの上面、前方側面及び下面に対応した面に設けられる観察窓と、
   この各観察窓上を回動する回動ユニット及びこの回動ユニットに対して移動及び回転可能に取り付けられるモニタユニットからなる複数の観察手段とを備え、
   前記観察手段によって、前記加熱炉内におけるワークを任意の観察窓から多方向且つ同時に観察することを特徴とするリフロー装置。
2. 前記回動ユニットは、前記加熱炉の左右側面をそれぞれの回転支点として回動する一対の腕部と、この一対の腕部間に架け渡される水平バーとで構成され、この水平バーが前記各観察窓上を上下方向に往復移動する請求項１記載のリフロー装置。
3. 前記モニタユニットは、静止画像又は動画像の撮影が可能なカメラと、このカメラを前記水平バーに対してスライド移動及び撮影角度調整が可能に取り付けられるカメラ支持部とを備える請求項１記載のリフロー装置。
4. 前記カメラ支持部は、前記水平バー上をスライド移動するスライド支持部と、このスライド支持部に設けられ、前記カメラを３６０度回転可能に取り付けられる回転支持部と、前記スライド支持部及び回転支持部を所定の位置において固定するストッパ部とを備える請求項３記載のリフロー装置。
5. 前記ワークは、このワークの縁部を所定の高さで支えるワーク支持部を介して前記加熱炉内の略中央部に裏面側を浮かせた状態で支持される請求項１記載のリフロー装置。
6. 前記ワークは、表面及び裏面に印刷されたハンダを介して電子部品が実装されたプリント基板からなる請求項１記載のリフロー装置。

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