JP2009117097A - 輻射加熱装置の均熱性調整構造 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に輻射エネルギーを調整可能な輻射加熱装置の均熱性調整構造を提供する。
【解決手段】ワーク２０の方向に光を反射する反射鏡１２を備えた複数のヒータ用ランプ１１が並列に配置された輻射加熱装置１０の均熱性を高める輻射加熱装置１０の均熱性調整構造において、反射鏡１２が回転軸Ｃを備え、反射鏡１２がヒータ用ランプ１１の周囲を、ヒータ用ランプ１１を中心に回動し、任意の角度で固定可能な構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、輻射加熱装置の均熱性を調整するための技術であり、詳しくは並列に並べられた輻射加熱器の位置及び反射鏡の位置を変更することで、輻射エネルギーを均等にする技術に関する。

輻射加熱装置は、赤外線を被加熱物に照射することで輻射熱によって被加熱物を加熱する目的で使用される。
このヒータ用ランプを用いた輻射加熱装置は、温度に偏りが出にくいことと、真空中でも使用が可能であるというメリットがあるため、例えば半導体製造工程などではよく使われる。
特許文献１には、エネルギー線加熱装置及びその制御方法の技術が開示されている。半導体製造工程において、半導体ウェハの全面を均一に加熱維持するために、回転テーブル上に固定された加熱手段である加熱ランプを備えている。そして、加熱ランプの光軸を回転テーブルに対してそれぞれ異なる角度に取り付け、回転テーブルを回転させることで、半導体ウェハの加熱を均等に行うことができるようにした技術である。
回転テーブル上に設けられた加熱ランプは、出力を調整することが可能であり、出力を調整することで温度ムラを抑制することができる。

また、特許文献２には、ウェハ加熱装置としてヒータ用のランプと被加熱体の間に凸レンズをと凹レンズを組み合わせた波板状の透明光学系を挟むことで、ウェハに当たる光を均一化しウェハを均等に加熱する技術が開示されている。
この透明光学系は、被加熱体であるウェハにあわせて円形に並んだヒータ用ランプに対応するものを用いた実施例と、直線状に並んだヒータ用ランプに対応するものを用いた別の実施例が記載されている。

ところで、電子部品等の接着剤、封止用ゲル等を硬化させる用途にも、輻射加熱装置を用いるケースがある。
被加熱体の形状が複雑である場合や、均等に加熱したい場合などに有利となるためだ。昇温速度が速いことも、メリットとなる。
しかし、特許文献１や特許文献２に記載されるような円形にヒータ用ランプを用いる方式では、四角いワークに対応するにはロスが大きい。したがって、輻射加熱器であるヒータ用ランプを並列に何本も並べて、製品に対応した領域を加熱する方式を採用することが考えられる。

特開平６−２２４１３５号公報 特開２００３−２６４１５７号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示される技術を用いる場合、以下のような課題があると考えられる。
製品につけた接着剤や封止用ゲル等を硬化する際には、均等に加熱されることが望まれるが、ヒータ用ランプを並列に並べると、ヒータ用ランプの光が重なる部分の輻射エネルギーが増幅されてしまう問題がある。
つまり、隣り合うヒータ用ランプの光が重なる部分では、ワークは２つのヒータ用ランプから照射される光によって温められることになる。したがって輻射エネルギーは合成され、ワークは必要以上に温められる可能性がある。
輻射エネルギーが合成されると、合成輻射エネルギーはヒータ用ランプ単体で照射する場合より高くなる。このため、平面的にワークを温める場合には、ヒータ用ランプの存在する場所と、ヒータ用ランプの存在しない場所、及び光が重なる場所で温度差が生じることになる。また、ヒータ用ランプからの距離によっても温度差が生じる。

ワークの理想的な加熱温度は、ワークに取り付けられた半導体素子や、接着して取り付ける樹脂部品などによる上限温度の要求や、接着剤の封止用ゲルの硬化温度による下限温度の要求により決定される。そして、要求される温度領域が狭い場合には、温度差が生じることは好ましくない。
特許文献１に示されるようにヒータ用ランプを異なる角度に取り付け回転テーブルで回転させることは、前述した通り矩形のワークに用いるにはエネルギーロスが大きくなってしまうと言う問題がある。
また、特許文献２に示されるような透明光学系を用いて、均熱化することも考えられるが、透明光学系のレンズを製作するにあたり、細かい修正部分はトライ＆エラーが必要となり、コスト的に見合わないと考えられる。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、安価に輻射エネルギーを調整可能な輻射加熱装置の均熱性調整構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による輻射加熱装置の均熱性調整構造は以下のような特徴を有する。
（１）加熱対象物の方向に光を反射する反射鏡を備えた複数の輻射加熱器が並列に配置された輻射加熱装置の均熱性を高める輻射加熱装置の均熱性調整構造において、
前記反射鏡が回転軸を備え、前記輻射加熱器を中心に回動し、任意の角度で固定可能であることを特徴とする。

（２）（１）に記載の輻射加熱装置の均熱性調整構造において、
前記輻射加熱器が、加熱対象物に対して近接又は離間する方向に、前記反射鏡と共に移動可能な構成であることを特徴とする。

（３）（１）又は（２）に記載の輻射加熱装置の均熱性調整構造において、
複数の前記輻射加熱器のうち、第１の輻射加熱器の隣に配置される第２の輻射加熱器を、前記第１の輻射加熱器から遠ざける方向或いは近接する方向に、前記反射鏡と共に移動可能な構成であることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明による輻射加熱装置の均熱性調整構造により、以下のような作用、効果が得られる。
まず、（１）に記載される発明は、加熱対象物の方向に光を反射する反射鏡を備えた複数の輻射加熱器が並列に配置された輻射加熱装置の均熱性を高める輻射加熱装置の均熱性調整構造において、反射鏡が回転軸を備え、輻射加熱器を中心に回動し、任意の角度で固定可能であるので、輻射加熱器から出る光を重なり合うことで輻射エネルギーが増幅しないように調整することが可能である。
例えば、輻射加熱器として３本のヒータ用ランプが並列に並べられていた場合、中央はそのままで、左右のヒータ用ランプの反射鏡を外側に向けることで、中央のヒータ用ランプの光が左右のヒータ用ランプの光と重なり合い、加熱対象物に届く輻射エネルギーが増幅しにくいように調整することが可能である。

反射鏡は輻射加熱器を中心に回転し、任意の位置で固定することが可能であるので、容易に調整が可能であり、特許文献２のように専用のレンズを必要としないため、コスト的に安価に調整可能となる。
また、輻射加熱器の出力によって輻射エネルギーの状態が異なるが、反射鏡を調整し任意の角度で固定が可能であるので、加熱対象物の変更などにより輻射加熱器の出力が変更するような場合でも対応することができる。

また、（２）に記載される発明は、（１）に記載の輻射加熱装置の均熱性調整構造において、輻射加熱器が、加熱対象物に対して近接又は離間する方向に、反射鏡と共に移動可能な構成である。
また、（３）に記載される発明は、（１）又は（２）に記載の輻射加熱装置の均熱性調整構造において、複数の輻射加熱器のうち、第１の輻射加熱器の隣に配置される第２の輻射加熱器を、第１の輻射加熱器から遠ざける方向或いは近接する方向に、反射鏡と共に移動可能な構成である。
このように、個々の輻射加熱器を反射鏡と共に加熱対象物に対して近接離間する方向、及び平行移動する方向に移動することが可能な構成となっているので、加熱対象物に届く輻射エネルギーが増幅しないように細かな調整が可能である。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に、輻射加熱装置１０の構成について模式的に表した平面図を示す。また、図２に、輻射加熱装置１０の構成を模式的に表した側面断面図を示す。
輻射加熱装置１０は、ヒータ用ランプ１１と反射鏡１２を備えている。
ヒータ用ランプ１１は、輻射加熱器であり、ハロゲンヒーターやカーボンヒーターなどを用いて赤外線を被加熱体であるワーク２０に照射することで、ワーク２０を加熱することが可能である。このヒータ用ランプ１１の出力は任意に変更可能である。
なお、輻射加熱装置１０に備えられるヒータ用ランプ１１は、第１ヒータ用ランプ１１ａ、第２ヒータ用ランプ１１ｂ、第３ヒータ用ランプ１１ｃ、第４ヒータ用ランプ１１ｄ、第５ヒータ用ランプ１１ｅの５つである。便宜上、第１ヒータ用ランプ１１ａ乃至第５ヒータ用ランプ１１ｅと呼ぶが、特に断り無くヒータ用ランプ１１と記述する場合は、第１ヒータ用ランプ１１ａ乃至第５ヒータ用ランプ１１ｅのいずれか、或いは全体を指しているものとする。

輻射加熱装置１０に備えられる反射鏡１２は、ヒータ用ランプ１１を囲むように半円状に鏡面が形成されている。反射鏡１２の鏡面には、例えばバフ研磨したステンレス材等が用いられ、その表面には金が蒸着され、反射率の向上を図っている。
図３にヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２を拡大した模式図を示す。
反射鏡１２はヒータ用ランプ１１のほぼ中央に回転軸Ｃを持ち、θ軸方向に回転可能な機構を備えている。また任意の位置に固定可能な機構を備えている。よって、反射鏡１２はヒータ用ランプ１１を中心に回転可能であり、任意の位置に固定ができる。
また、ヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２は、個々にワーク２０に近接、離間する方向、及びワーク２０に対して平行に移動する方向に調整可能である。

よって、ヒータ用ランプ１１がワーク２０に近接及び離間する方向であるＺ軸方向に、ヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２を共に移動させ、任意の位置に固定が可能である。
また、ヒータ用ランプ１１がワーク２０に対して平行に移動する方向であるＹ軸方向に、ヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２が共に移動させ、任意の位置に調整が可能である。
移動機構に関しては特に限定するものではないが、例えば台形ネジを組み合わせてＺ軸及びＹ軸方向に移動可能としても良いし、サーボモータを利用したスライド機構を用いても良い。

ワーク２０は、アルミニウム合金製のインバータ部品であり、表面に半導体部品などを実装している。この表面に塗布される接着剤や封止用ゲルは、輻射加熱装置１０によって赤外線を照射することで硬化する。表面に塗布した接着剤によって樹脂部品を接着している。
ワーク２０は、搬送装置であるローラコンベア１４によって搬送され、ヒータ用ランプ１１が並ぶ所定の位置に停止した後、加熱される。
治具１３は、窓１５を備えており、ヒータ用ランプ１１とワーク２０を隔離している。ヒータ用ランプ１１の備えられる部屋には、窒素などが封入されており、外部からゴミが入らないように密閉されている。

本実施形態の輻射加熱装置１０は上記構成であるので、以下に説明するような作用を示す。
図４に、輻射加熱装置１０がワーク２０に与える輻射エネルギーの、図１のＡＡ断面での分布を示す。また、図５に、輻射加熱装置１０がワーク２０に与える輻射エネルギーの、図１の矢視Ｂの分布を示す。
横軸は位置を示し、縦軸は輻射エネルギーの量を表している。ワーク２０は輻射エネルギーによって加熱されるため、ヒータ用ランプ１１によってワーク２０に赤外線を照射した直後は、そのまま温度のムラとして現れると考えて差し支えない。実際に、照射エネルギー量の測定は、ワーク２０に温度測定素子を取り付け、ワーク２０の温度を直接測定することで計測している。
なお、図４及び図５に示す一点鎖線は、ワーク２０の幅を示している。したがって一点鎖線で挟まれる領域がワーク２０の幅であり、ワーク２０に合成輻射エネルギーＥが照射される領域ということになる。

輻射加熱装置１０の所定の位置にワーク２０が搬送され、ヒータ用ランプ１１によって加熱を開始する。
この際に、単純に第１ヒータ用ランプ１１ａ乃至第５ヒータ用ランプ１１ｅを等間隔に並べただけだと、図１の矢視Ｂの方向は、ほぼ均等に輻射エネルギーがワーク２０に与えられる。第１ヒータ用ランプ１１ａからは第１輻射曲線ｅ１が、第２ヒータ用ランプ１１ｂからは第２輻射曲線ｅ２が、第３ヒータ用ランプ１１ｃからは第３輻射曲酸ｅ３が、第４ヒータ用ランプ１１ｄからは第４輻射曲線ｅ４が、第５ヒータ用ランプ１１ｅからは第５輻射曲線ｅ５が示すエネルギーをワーク２０に与えることになる。

第１ヒータ用ランプ１１ａ乃至第５ヒータ用ランプ１１ｅに与える第１輻射曲線ｅ１乃至第５輻射曲線ｅ５は、それぞれの輻射エネルギーを仮想的に示す曲線である。ヒータ用ランプ１１と反射鏡１２を用いてワーク２０を加熱する場合、ワーク２０はヒータ用ランプ１１から直接照射される光（赤外線）と、反射鏡１２によって反射される光とによって温められることになる。このため、ヒータ用ランプ１１自身が影となり、ヒータ用ランプ１１の直上部分は加熱されにくい。したがって、図４に示す第１輻射曲線ｅ１乃至第５輻射曲線ｅ５に示すように、ヒータ用ランプ１１の中央あたりが凹んだ曲線となる。
しかし、実際には第１輻射曲線ｅ１乃至第５輻射曲線ｅ５が合成された合成輻射エネルギーＥがワーク２０に与えられる輻射エネルギーの総和となる。
つまり、図４の合成輻射エネルギーＥに示すように、第３ヒータ用ランプ１１ｃ辺りでピークができてしまう。
したがって、合成輻射エネルギーＥは、中央に位置する第３ヒータ用ランプ１１ｃの部分が最も高くなり、第２ヒータ用ランプ１１ｂ及び第４ヒータ用ランプ１１ｄの部分がやや低く、第１ヒータ用ランプ１１ａ及び第５ヒータ用ランプ１１ｅの部分が低くなる。

しかし、ワーク２０に塗布される接着剤や封止用ゲルは１２０℃以上の温度が必要であるのに対し、ワーク２０に接着する樹脂部品の下限温度は１５０℃に設定されている。このため、ワーク２０の要求する温度領域は１２０℃以上１５０℃以下となる。
すなわち、合成輻射エネルギーＥの差を３０℃以内に抑えることが望ましい。
ヒータ用ランプ１１の配列を図２に示すような状態である場合、矢視Ｂの方向は図５に示すようにほぼ均一となるが、ＡＡ断面方向は図４に示すようにピークが発生する。
出願人の実験では、ヒータ用ランプ１１の出力を同じとした場合、この温度差は６０℃程度にもなる。したがって、上限を合わせると下限を割ってしまうため、接着剤や封止用ゲルが固まらない部分ができる虞がある。また、下限を合わせると上限を超えてしまうため、樹脂部品が熱によって変形する虞がある。

このため、ヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２を調整して、合成輻射エネルギーＥの分布をできるだけフラットになるように調整を行う。
図６に、輻射加熱装置１０の調整例を示した側面図を示す。図２に対応する。なお、図面は部分的に省略している。また、図７に、輻射加熱装置１０の合成輻射エネルギーＥを示す。図４に対応している。
ヒータ用ランプ１１の位置について、図６に示すようにヒータ用ランプ１１の位置を調整する。すなわち、第１ヒータ用ランプ１１ａはθ軸方向左側に傾け、第２ヒータ用ランプ１１ｂはθ軸方向左側に傾けてＺ軸方向下側に移動する。第３ヒータ用ランプ１１ｃはＺ軸方向下側に移動させる。第４ヒータ用ランプ１１ｄは、θ軸方向右側に傾けてＺ軸方向下側に移動する。第５ヒータ用ランプ１１ｅはθ軸方向右側に傾ける。

このように移動させて、図７に示すように合成輻射エネルギーＥが均等になるように調整を行う。必要に応じてヒータ用ランプ１１の出力を調整しても良い。
出願人は、図４に示す状態で合成輻射エネルギーＥの差が６０℃あったのに対し、図７に示す状態では合成輻射エネルギーＥの差が１５℃程度にまで抑えることが可能であることを確認している。これにより、輻射加熱装置１０によって上限及び下限を満足したワーク２０の加熱が可能になる。
更にＹ軸方向への調整や、ヒータ用ランプ１１の出力の調整を組み合わせることで最適化を図り、温度差を小さくすることが期待できる。

本実施形態では、上述するような構成及び作用を示すので、以下に説明するような効果が得られる。
まず第１に、温度差を小さくすることが可能である点が挙げられる。
ワーク２０の方向に光を反射する反射鏡１２を備えた複数のヒータ用ランプ１１が並列に配置された輻射加熱装置１０の均熱性を高める輻射加熱装置１０の均熱性調整構造において、反射鏡１２が回転軸Ｃを備え、反射鏡１２がヒータ用ランプ１１を中心に回動し、任意の角度で固定可能であるので、ヒータ用ランプ１１から出る光を重なり合うことで輻射エネルギーが増幅しにくいように調整することが可能である。
例えば、輻射加熱器として３本のヒータ用ランプ１１が並列に並べられていた場合、中央はそのままで、左右のヒータ用ランプ１１の反射鏡１２を外側に向けることで、中央のヒータ用ランプ１１の光が左右のヒータ用ランプ１１の光と重なり合い、ワーク２０に届く輻射エネルギーが増幅しないように調整することが可能である。
反射鏡１２はヒータ用ランプ１１を中心に回転し、任意の位置で固定することが可能であるので、容易に調整が可能であり、特許文献２のように専用のレンズを必要としないため、コスト的に安価に調整可能となる。

また、ヒータ用ランプ１１が、ワーク２０に対して近接又は離間する方向に、反射鏡１２と共に移動可能な構成であり、例えば第３ヒータ用ランプ１１ｃの隣に配置される第２ヒータ用ランプ１１ｂを、第３ヒータ用ランプ１１ｃから遠ざける方向或いは近接する方向に、反射鏡１２と共に移動可能な構成であるので、ヒータ用ランプ１１を中心に反射鏡１２を回転させるだけでは調整しきれない場合にも対応し、さらに細かいヒータ用ランプ１１の位置調整を行うことで、ワーク２０に与える合成輻射エネルギーＥの均一化を図り、ワーク２０の均熱性を高めることに貢献する。

前述した通り、ワーク２０の要求する温度領域は、接着剤や封止用ゲルが硬化する接着剤硬化温度以上でかつワーク２０の上面に接着する樹脂部品等が要求する耐熱温度以下である必要があるので、１２０℃以上１５０℃以下を要求されている。すなわち、温度差は３０℃以内に収めなければならない。
本実施形態で、ヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２の位置を、θ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向で最適化することで、温度差１５℃以内に調整することが可能となり、ワーク２０に与える温度ムラを抑えることが可能となる。

また第２に、安価に調整することが可能である点が挙げられる。
ヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２に調整機構を設けることは、特許文献２に示されるように専用の光学系レンズを形成するよりも安価に済ますことが可能である。
ワーク２０を加熱する温度が変化すれば、ヒータ用ランプ１１の位置及び角度は変える必要があり、ワーク２０の大きさによっても合成輻射エネルギーＥを増やす必要に迫られる場合がある。ワーク２０の体積が大きくなれば、合成輻射エネルギーＥを増やさないと所定時間内に必要な温度を実現できないためである。
したがって、ワーク２０が切り替わる場合には、特許文献２のように専用の光学系レンズを用いる場合と比べて更にコストパフォーマンスが良い。Ｙ軸、Ｚ軸及びθ軸調整を自動化すれば、調整工数も削減できる。

以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、ヒータ用ランプ１１の本数や反射鏡１２の形状、及び材質などは、適宜変更して構わない。
また、本実施形態ではワーク２０の要求温度を１２０以上で１５０以下としているが、この温度は適宜変更して構わない。
また、加熱対象として半導体素子や樹脂部品が接着されるワーク２０としているが、接着剤や封止用ゲル以外にも、ハンダ付けなどに用いることを妨げない。

本実施形態の、輻射加熱装置１０の構成について模式的に表した平面図を示している。 本実施形態の、輻射加熱装置１０の構成を模式的に表した側面断面図を示している。 本実施形態の、ヒータ用ランプ１１及び反射鏡１２を拡大した模式図を示している。 本実施形態の、輻射加熱装置１０がワーク２０に与える輻射エネルギーの、図１のＡＡ断面での分布を示している。 本実施形態の、輻射加熱装置１０がワーク２０に与える輻射エネルギーの、図１の矢視Ｂの分布を示している。 本実施形態の、輻射加熱装置１０の調整例を示した側面図を簡略化して示している。 本実施形態の、輻射加熱装置１０の合成輻射エネルギーＥを示している。

符号の説明

１０ 輻射加熱装置
１１ ヒータ用ランプ
１１ａ 第１ヒータ用ランプ
１１ｂ 第２ヒータ用ランプ
１１ｃ 第３ヒータ用ランプ
１１ｄ 第４ヒータ用ランプ
１１ｅ 第５ヒータ用ランプ
１２ 反射鏡
１３ 治具
１４ ローラコンベア
１５ 窓
２０ ワーク
Ｅ 合成輻射エネルギー

Claims (3)

1. 加熱対象物の方向に光を反射する反射鏡を備えた複数の輻射加熱器が並列に配置された輻射加熱装置の均熱性を高める輻射加熱装置の均熱性調整構造において、
   前記反射鏡が回転軸を備え、前記輻射加熱器を中心に回動し、任意の角度で固定可能であることを特徴とする輻射加熱装置の均熱性調整構造。
2. 請求項１に記載の輻射加熱装置の均熱性調整構造において、
   前記輻射加熱器が、前記加熱対象物に対して近接又は離間する方向に、前記反射鏡と共に移動可能な構成であることを特徴とする輻射加熱装置の均熱性調整構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の輻射加熱装置の均熱性調整構造において、
   複数の前記輻射加熱器のうち、第１の輻射加熱器の隣に配置される第２の輻射加熱器を、前記第１の輻射加熱器から遠ざける方向或いは近接する方向に、前記反射鏡と共に移動可能な構成であることを特徴とする輻射加熱装置の均熱性調整構造。
   

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