JP2009123796A

JP2009123796A - リフロー加熱装置

Info

Publication number: JP2009123796A
Application number: JP2007293979A
Authority: JP
Inventors: Makoto Haneda; 誠羽田
Original assignee: CORES KK
Current assignee: CORES KK
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】プリント基板及びこのプリント基板に実装される実装部品からなるワークを均一な熱風の対流によって、ムラなく且つ効率よく加熱することで、鉛フリーハンダに対応した実装が可能なリフロー加熱装置を提供することである。
【解決手段】加熱空間２６を有する加熱炉１５と、外気を導入して圧縮空気を発生させる加圧ユニット５０及び加熱ユニット４０とを備えたリフロー加熱装置であって、前記加熱炉１５には、載置したワーク２０を挟んで対向する一対の側壁部４７，４８に設けられ、前記加圧ユニット５０及び加熱ユニット４０を経た圧縮空気による熱風を前記加熱空間２６内に噴出する噴出部３２，３３と、加熱空間２６内で循環させた熱風を排出する排出部３４とが設けられ、前記噴出部３２，３３から噴出される熱風による対流によって、プリント基板からなるワーク２０の加熱処理を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、プリント基板上に印刷されたハンダを加熱溶融させて各種の電子部品を実装するリフロー加熱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、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実装する場合、前記電子部品をプリント基板上の所定位置に載置した上で、ハンダなどの接続用溶接部材によって電気的に接続している。このような接続を行うため、加熱炉を備えたリフロー加熱装置では、前記プリント基板にクリーム状のハンダを印刷しておき、このハンダ印刷部分に前記電子部品の接続端子を載置する。そして、このプリント基板を前記加熱炉内において加熱することによって、前記ハンダを溶融させて電子部品との電気的接続を図っている。このようなリフロー加熱装置の中には、プリント基板を静止した状態で加熱する静止型と、加熱炉内を移動しながら加熱する移動型とがある。

従来の一般的なリフロー加熱装置は、特許文献１に開示されているように、複数の電子部品がハンダを介して配置されたプリント基板（ワーク）を収容する加熱炉と、この加熱炉内に設けられる遠赤外線式のヒータ部からなる輻射式加熱手段とを備えている。そして、前記ヒータ部を所定の温度に加熱し、この加熱された輻射熱を前記ワーク全体に浴びせることで、ハンダが溶融してプリント基板に電気的に接続されるようになっている。前記ヒータ部は、複数の発熱管によって構成され、ワークの上面あるいは下面全体をカバーするように平面状に形成されている。

加熱方法については、前述したようなヒータ部からの輻射熱を利用する輻射式加熱手段の他に、熱風式のヒータ部によって熱せられた空気をファンによって加熱室内に対流させることで、ハンダを溶融する循環式加熱手段を用いたものもある。なお、特許文献１に開示されているリフロー加熱装置は、前記輻射式加熱手段と循環式加熱手段を備えた構成になっている。

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。しかしながら、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。このようなことから、鉛フリーハンダに対応した加熱手段、特にその温度調整や温度管理等に関する内容の発明が多くなされており、前記特許文献１にも示されている。
特開２００１−１６８５１７号公報

循環式加熱手段を用いた従来の加熱方式では、所定の温度に加熱したヒータ部に外部からの空気を通し、ここで熱せられた空気を加熱炉内の一端に設けられている送風口から送出するように構成されているものが多い。このようなヒータ部で熱せられた空気（熱風）は、ワークが配置された加熱炉内を循環する間に次第に温度が下がるため、鉛フリーハンダのような融点の高い溶接部材を十分に溶接できない場合があり、それによって電子部品の実装不良が発生するおそれがある。

また、Ａ４サイズ程度の大型プリント基板を被加熱対象とした場合は、前記熱風の噴出量が少ないと、加熱ムラが生じてしまう場合がある。このため、熱風を多く噴出させるために大型の送風機を備えなければならないため、リフロー加熱装置が大型化するといった問題があった。

そこで、本発明の目的は、プリント基板及びこのプリント基板に実装される実装部品からなるワークを均一な熱風の対流によって、ムラなく且つ効率よく加熱することで、鉛フリーハンダに対応した実装が可能なリフロー加熱装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のリフロー加熱装置は、熱風を循環させるための加熱空間を有する加熱炉と、この加熱炉内に設けられ、電子部品が配置されたプリント基板からなるワークを浮かせた状態で支持するワーク支持部と、外気を導入して圧縮空気を発生させる加圧ユニット及び前記圧縮空気を熱して前記加熱炉内に熱風を送り込む加熱ユニットとを備えたリフロー加熱装置であって、前記加熱炉には、前記ワークを挟んで対向する一対の側壁部を有し、それぞれの側壁部の上辺部及び下辺部に前記加圧ユニット及び加熱ユニットを経た圧縮空気による熱風の噴出部が設けられると共に、前記上辺部と下辺部の中間に前記熱風の排出部が設けられ、前記熱風を前記ワークの上面側及び下面側の加熱空間内で対流させることによって、前記ワークの上面及び下面を均等に加熱することを特徴とする。

本発明に係るリフロー加熱装置によれば、電子部品が配置されたプリント基板からなるワークの上面側及び下面側に加熱空間を有し、この加熱空間に向けて、加圧ユニット及び加熱ユニットによってつくられる圧縮空気を加熱した熱風を噴出させ、対流を発生させることができるので、前記ワークの上面及び下面を高温で且つムラなく均等に加熱させることができる。これによって、前記電子部品をプリント基板に接続するためのハンダが融点の高い鉛フリーハンダを使用した場合にあっても、接合不良等が生じることがない。

また、本発明のリフロー加熱装置によれば、加熱炉内にヒータ部が直接設けられてなく、ワークを挟んで対向する一対の側壁部に開設される複数の貫通孔からなる噴出部あるいは排出部のみを有する構造となっているので、熱風の循環を妨げることなくワーク全体に対して理想的な対流を発生させることができる。これによって、前記ワークの全体をムラなく加熱させることができ、鉛フリーハンダによる実装をより確実に行うことができる。

以下、添付図面に基づいて本発明に係るリフロー加熱装置の実施形態を詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態のリフロー加熱装置１０は、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を備えて構成されている。

このリフロー加熱装置１０では、図２（ａ），（ｂ）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、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、リフロー加熱装置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３に示すように、上面部４３、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２６を有しており、図２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三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１及び図３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。噴出部３２，３３は、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構成されているが、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２６内を一定の流量で循環させている。

図４及び図５に示すように、前記側壁部４７，４８の外側には、前記各噴出部３２，３３に対応した加熱ユニット４０が４基設けられる。各加熱ユニット４０は、前記各噴出部３２，３３に通じる空気の攪拌路４１と、この各攪拌路４１に対して熱した空気を供給するヒータ部４２とを備える。このヒータ部４２は、前記側壁部４７，４８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。

前記各加熱ユニット４０の外側には、それぞれ加圧ユニット５０が隣接して設けられる。この加圧ユニット５０は、図６（ａ）に示すように、加熱ユニット４０と略同じ長さ幅を有した加圧室５１を備える。この加圧室５１は、金属製の壁面によって密閉された中空状の内部空間を有して形成され、一端が外気の導入口５２であり、前記加熱ユニット４０に隣接する側壁面が圧縮空気を射出する射出面５３となっている。前記導入口５２には、図１に示したリフロー加熱装置１０の支柱部１６の背面側に配置されているポンプ部（図示せず）から外気を高速に吸引するための吸引管５４が取り付けられ、この吸引管５４には、外気の吸引量や吸引速度を調整するためのバルブ５５が設けられている。また、それぞれのバルブ５５には、ポンプ部との間にエアフローコントローラ（図示せず）が取り付けられ、加圧ユニット５０に送り込まれる空気の流量が適宜調整される。本実施形態のリフローユニット１２にあっては、加熱炉１５を挟んで配設される４基の加圧ユニット５０の各バルブ５５に設けられるエアフローコントローラで空気の流量を制御することで、図５に示したように、加熱炉１５内の４箇所の噴出部３２，３３からの熱風の噴出量を均一にし、ワーク２０をムラなく均等に加熱させることができる。

前記各加圧室５１内には、導入口５２と距離を隔てて対向する端面の内側に隔壁部５６が設けられると共に、前記導入口５２から隔壁部５６に至る外気の通気路を仕切る加圧壁５７が設けられる。前記隔壁部５６は、図６（ａ）に示されるように、断面半円状に湾曲して形成されており、前記導入口５２から導入した外気を衝突させて圧縮させた後、この加圧室５１の射出面５３に向けて流れを変えるために設けられている。また、前記加圧壁５７は、導入口５２から供給される外気を前記隔壁部５６に向けて徐々に流量を絞り込みながらガイドすると共に、前記隔壁部５６によって流れを変えた圧縮空気と混在させないようにするために設けられる。したがって、この加圧壁５７は、図６（ａ）のＢ−Ｂ断面である図６（ｂ）に示すように、加圧室５１内を天板部５９から底板部６０にかけて仕切られ、前記隔壁部５６の湾曲した内周面に沿って空気を通過させるための僅かな隙間６１を有して形成されている。

前記加圧ユニット５０のヒータ部４２に隣接する射出面５３には、全面に亘って微小な射出孔５８が多数設けられる。また、各射出孔５８は、射出面５３の厚みの範囲内で内側から外側に向けて放射状に広がるように形成するのが好ましい。このように、前記射出孔５８が加圧ユニット５０側からヒータ部４２に向けて広くすることで、前記加圧室５１内の圧縮空気を前記加熱ユニット４０のヒータ部４２に向けて勢いよく射出させることができる。

図５に示したように、前記加圧ユニット５０によって圧縮空気を発生させ、加熱ユニット４０によって前記圧縮空気を熱して攪拌路４１を通して攪拌することで、前記噴出部３２，３３から前記ワーク２０の中心部分に向かって勢いよく熱風（破線で示す）を噴出させることができる。この熱風は、所定の温度及び流速となるように、前記加圧ユニット５０で圧縮空気の流量調整と、加熱ユニット４０及び温度調整ユニット２４での温度調整が行われる。

前記ワーク２０の上方に位置する左右一対の噴出部３２からは、ワーク２０の表面の略中心部に到達する程度の流速によって、水平方向に熱風を噴出させる。一方、ワーク２０の下方に位置する左右一対の噴出部３３からは、ワーク２０の裏面の略中心部に到達するように、前記同様の流速によって熱風を噴出させる。図５に示したように、前記ワーク２０の図中左側に配置されている各噴出部３２，３３から噴出された熱風は、ワークの左半分の表面及び裏面を加熱した後、左側の排出部３４から加熱炉１５の外部に自然排気される。一方、前記ワーク２０の図中右側に配置されている各噴出部３２，３３から噴出された熱風は、ワーク２０の右半分の表面及び裏面を加熱した後、右側の排出部３４から加熱炉１５の外部に自然排気される。したがって、前記各噴出部３２，３３から噴出される熱風によって、ワーク２０の上面側及び下面側のそれぞれの左右方向に図５の矢印線で示すような対流が生じ、このそれぞれの対流によって、ワーク２０全体をムラなく均等に加熱することができる。

前記左右側の排出部３４は、図４に示したように、加熱炉１５の背面側に延びる共通の排気路３５に繋がり、この排気路３５から延びる排気ダクト３６を通して外部に放出される。

次に、上記構成からなるリフロー加熱装置１０によるワーク２０の加熱方法及び作用について説明する。図１及び図３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からなるワーク２０の縁部をワーク支持部２７の上に載置する。このワーク２０の配置高さは、加熱炉１５内の加熱空間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１５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、リフロー加熱装置１０に備わる制御表示パネル２５（図１）を操作して加熱ユニット４０内のヒータ部４２の温度設定を行う。この温度は、鉛フリー実装を行う場合、最大で約３００℃までの範囲に設定される。ここで設定された温度は、前記加熱炉１５内に備わる温度センサで感知され、前記温度調整ユニット２４において設定した温度を維持するように自動制御される。

前記ヒータ部４２の温度が設定された温度値になった後、リフロー加熱装置１０の筐体１８の背面側に備わる吸引ポンプ（図示せず）を駆動して、外気を加圧ユニット５０の加圧室５１内に導入する。この加圧室５１内に導入された外気は、前述したように、加圧壁５７及び隔壁部５６によってさらに加速され、圧縮された霧状の圧縮空気が前記ヒータ部４２に向けて放出される。このヒータ部４２に噴き付けられた圧縮空気は、所定の温度に加熱された複数の発熱管の間を通過する過程で熱せられ、前記攪拌路４１を経て、加熱炉１５の側壁部４７，４８に設けられている噴出部３２，３３から放出される。

図７は、上記実施形態のリフロー加熱装置１０における加熱炉１５内での熱風の対流状態を示したものである。ワーク２０を挟んだ４箇所の噴出部３２，３３からそれぞれワーク２０の表面及び裏面の中心部Ｏに向かうように略水平方向に熱風が噴出される。中心部Ｏに達した熱風は、噴出される側に設けられているそれぞれの排出部３４から自然排気されることによって、矢印線で示すようなＵ字状の熱風による対流が発生する。特に、前記熱風の排出部３４が前記ワーク２０と略同じ高さ位置に設けられているので、熱風の流れが滞ることなく常に一定の流量及び流速による対流を生じさせることができる。このように、前記それぞれの噴出部３２，３３から生じる熱風の対流によって、ワーク２０の端部から中心部までを高温且つ均等に加熱させることができ、Ａ４サイズ程度の大型のプリント基板においてもムラのない良好なハンダ実装が可能となる。

以上説明したように、本発明のリフロー加熱装置では、ワークを浮かせた状態で載置すると共に、前記ワークの表面側及び裏面側に均一な加熱空間を有し、この加熱空間において複数の熱風による対流を発生させるような構造となっている。これによって、ワークの表裏両面を高温度の熱風によってムラなく均等に加熱させることができ、鉛フリー対応よるハンダを用いた場合であっても電子部品の実装を迅速且つ精度よく行うことができる。

本発明に係るリフロー加熱装置の全体構成を示す斜視図である。被加熱対象であるワークの一例を示す外観図である。加熱炉の内部構造を示す斜視図である。リフローユニットを背面から見た斜視図である。図１のリフローユニットのＡ−Ａ断面図である。加圧ユニットの内部構造を示す断面図である。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リフロー加熱装置
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プリント基板
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
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噴出部
３３噴出部
３４排出部
３５排気路
３６排気ダクト
４０加熱ユニット
４１攪拌路
４２ヒータ部
４３上面部
４４正面部
４５下面部
４６背面部
４７側壁部
４８側壁部
５０加圧ユニット
５１加圧室
５２導入口
５３射出面
５４吸引管
５５バルブ
５６隔壁部
５７加圧壁
５８射出孔
５９天板部
６０底板部
６１隙間

Claims

熱風を循環させるための加熱空間を有する加熱炉と、
この加熱炉内に設けられ、電子部品が配置されたプリント基板からなるワークを浮かせた状態で支持するワーク支持部と、
外気を導入して圧縮空気を発生させる加圧ユニット及び前記圧縮空気を熱して前記加熱炉内に熱風を送り込む加熱ユニットとを備えたリフロー加熱装置であって、
前記加熱炉には、前記ワークを挟んで対向する一対の側壁部を有し、それぞれの側壁部の上辺部及び下辺部に前記加圧ユニット及び加熱ユニットを経た圧縮空気による熱風の噴出部が設けられると共に、前記上辺部と下辺部の中間に前記熱風の排出部が設けられ、前記熱風を前記ワークの上面側及び下面側の加熱空間内で対流させることによって、前記ワークの上面及び下面を均等に加熱することを特徴とするリフロー加熱装置。
前記加圧ユニットは、一端に外気の導入口、この導入口から距離を隔てた他端に前記外気を衝突させるための隔壁部を有する中空状の加圧室と、この加圧室内を長手方向に沿って仕切ると共に、前記導入口から導入した外気を前記隔壁部に向けて絞り込むための加圧壁と、この加圧壁に沿って絞り込まれ、前記隔壁部によって衝突された圧縮空気を前記加熱ユニットに向けて射出するための射出孔が複数形成された射出面とを備える請求項１記載のリフロー加熱装置。
前記加熱ユニットは、前記各噴出部に通じる攪拌路と、この攪拌路に隣接するヒータ部とを備え、前記加圧ユニットによってつくられる圧縮空気を前記ヒータ部で加熱し、前記攪拌路を通して攪拌させた後、各噴出部から前記加熱炉内に噴出させる請求項１又は２記載のリフロー加熱装置。
前記加圧壁は、前記加圧室内を前記導入口から隔壁部に向けて狭める方向に傾斜して設けられる請求項２記載のリフロー加熱装置。
前記隔壁部は、内側が断面半円状に湾曲して形成されている請求項２記載のリフロー加熱装置。
前記加熱炉には、前記ワークの上面、正面及び下面を透過させる観察窓を備える請求項１記載のリフロー加熱装置。