JP2009190045A - はんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炉体の外部でフラックスを回収し、フラックス回収後のガスを炉内に戻す場合に、戻すガスをヒータを使用しないで加熱する。
【解決手段】下部炉体３５から高温ガスが円筒状のダクト７２を通じてフラックス回収装置７１に導かれる。フラックス回収装置７１によってフラックス成分が除去された低温ガスがダクト７３、熱交換器７４およびダクト７５を介して下部炉体３５内部に導かれる。中心部に内側管としてのダクト７２が挿入される中空部７６が形成され、ダクト７２の外周面と中空部７６の内周面とが密着される。ダクト７２の外周面と中空部７６の内周面とが隔壁を構成し、隔壁を通じて熱の授受がなされる。フラックス回収装置７１からの低温ガスがダクト７２を流れる高温ガスからの熱を受け取り加熱され、加熱後のガスが下部炉体３５に導入される。
【選択図】図５

Description

この発明は、例えばリフロー装置に使用されるはんだ付け装置に関する。

電子部品またはプリント配線基板に対して、予めはんだ組成物を供給しておき、リフロー炉の中に基板を搬送コンベヤで搬送するリフロー装置が使用されている。リフロー装置は、基板を搬送する搬送コンベヤと、この搬送コンベヤによって被加熱物としての基板が供給されるリフロー炉本体とを備えている。リフロー炉は、例えば、搬入口から搬出口に至る搬送経路に沿って、複数のゾーンに分割されており、これらの複数のゾーンがインライン状に配列されている。複数のゾーンは、その機能によって、加熱ゾーン、冷却ゾーンなどの役割を有する。

加熱ゾーンのそれぞれは、上部炉体および下部炉体を有する。例えばゾーンの上部炉体から基板に対して熱風が吹きつけられ、下部炉体から基板に対して熱風が吹きつけられることによって、はんだ組成物内のはんだを溶融させて基板の電極と電子部品とがはんだ付けされる。

はんだ組成物は、粉末はんだ、溶剤、フラックスを含む。フラックスは、成分としてロジンなどを含み、はんだ付けされる金属表面の酸化膜を除去し、はんだ付けの際に加熱で再酸化するのを防止し、はんだの表面張力を小さくして濡れを良くする塗布剤の働きをするものである。このフラックスは、加熱により、気化しリフロー炉内に充満する。気化したフラックスは、温度の低い部位に付着し易く、気化したフラックスが付着すると、付着している部位から滴下し、基板の上面に付着することもあり、基板の性能を損うこととなる。また、炉体内において温度が低下する部分に堆積する等によりリフロー工程に大きな影響を与える場合もある。したがって、リフロー炉内のフラックスを除去または回収する幾つかの方法が提案されている。

一つの方法として、炉の外にフラックス回収装置を設け、炉から高温ガスをフラックス回収装置に導き、フラックス回収装置において高温ガスを冷却することによって、フラックス成分を凝縮させる。フラックス回収後のガスを炉に戻すようになされる。

例えば、下記の特許文献１には、加熱室の雰囲気ガスを炉体の外部の分離手段に導いて不純物を除去した後に炉体に戻し、分離手段に対して窒素ガスを供給して分離手段を冷却する構成が記載されている。

特開平０４−２５８３６８号公報

特許文献１に記載のリフロー装置は、炉内に供給する窒素ガス発生装置を利用して分離手段を冷却している。冷却されたガスがリフロー装置に戻されるので、炉内の温度が下がってフラックスの凝縮が発生したり、炉内の温度が所望の温度に対して低下する問題があった。この問題を回避するには、リフロー装置の炉に戻すガスを加熱することが考えられる。しかしながら、ヒータを使用して加熱することは、温度制御が必要とされ、制御系が複雑化したり、装置の規模が大きくなる。

したがって、この発明の目的は、フラックス回収後の低温ガスをヒータを使用せずに、ある程度加熱してから炉に戻すことができ、且つ高温ガスをフラックス回収装置に冷却して供給することができはんだ付け装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、炉から導出された高温ガスが第１の経路を介してフラックス回収装置に導かれ、
フラックス回収装置において液化したフラックスを回収し、
フラックス回収装置にて冷却された低温ガスが第２の経路を介して炉に導入され、
高温ガスと低温ガス間で熱の授受を行う熱交換器を第１の経路と第２の経路に対して設けたはんだ付け装置である。

熱交換器は、第１の経路と第２の経路とが隔壁を介して接している。熱交換器は、内側管および外側管が隔壁を介して同心円状に配された構成とされ、内側管を高温ガスが通り、外側管を低温ガスが通る構成とされる。好ましくは、内側管の中心を通り、内側管より小なる径を有し、外気と通じる管をさらに配した構成とされる。

好ましくは、炉内の圧力の差によって、炉、第１の経路、冷却装置、第２の経路、および炉に至る経路をガスが循環する。

具体的には、はんだ付け装置の炉は、加熱装置と、送風機と、加熱装置により加熱された雰囲気ガスを多数の孔を介して被加熱物に吹きつけるパネルとを有し、
送風機により生じる圧力の高い箇所から高温ガスが炉から導出されて第１の経路に導かれ、第２の経路を介して低温ガスが送風機により生じる圧力の低い箇所から炉内に導入される。

この発明によれば、はんだ付け装置の炉から取り出された高温ガスと、フラックス回収装置により冷却された低温ガスとが熱交換機に供給され、低温ガスが高温ガスによって加熱されて炉内にもどされる。したがって、フラックス回収後の低温ガスを炉に戻した場合に生じる、炉内でのフラックスの凝縮、炉内の温度の分布のムラの発生、炉内の温度の低下等の問題を回避できる。ヒータ等の加熱手段を使用しないので、面倒な温度コントロールが不要で、装置の規模を小さくすることができる。さらに、高温ガスを熱交換器において冷却してからフラックス回収装置に供給できる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施の形態によるリフロー装置の外板を除く概略的構成を示す。なお、この発明は、リフロー装置に限らずフロー装置に対しても適用することができる。図１では、説明の便宜上リフロー炉外に配置されるフラックス回収装置の図示が省略されている。なお、以下に説明する一実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

プリント配線基板の両面に表面実装用電子部品が搭載された被加熱物が搬送コンベヤの上に置かれ、搬入口１１からリフロー装置の炉体内に搬入される。搬送コンベヤが所定速度で矢印方向（図１に向かって左から右方向）へ被加熱物を搬送し、被加熱物が搬出口１２から取り出される。

搬入口１１から搬出口１２に至る搬送経路に沿って、リフロー炉が例えば９個のゾーンＺ１からＺ９に順次分割され、これらのゾーンＺ１〜Ｚ９がインライン状に配列されている。入り口側から７個のゾーンＺ１〜Ｚ７が加熱ゾーンであり、出口側の２個のゾーンＺ８およびＺ９が冷却ゾーンである。冷却ゾーンＺ８およびＺ９に関連して強制冷却ユニット１４が設けられている。

上述した複数のゾーンＺ１〜Ｚ９がリフロー時の温度プロファイルにしたがって被加熱物の温度を制御する。図２に温度プロファイルの例の概略を示す。横軸が時間であり、縦軸が被加熱物例えば電子部品が実装されたプリント配線基板の表面温度である。最初の区間が加熱によって温度が上昇する昇温部Ｒ１であり、次の区間が温度がほぼ一定のプリヒート（予熱）部Ｒ２であり、次の区間が本加熱部Ｒ３であり、最後の区間が冷却部Ｒ４である。

昇温部Ｒ１は、常温からプリヒート部Ｒ２（例えば１５０°Ｃ〜１７０°Ｃ）まで基板を加熱する期間である。プリヒート部Ｒ２は、等温加熱を行い、フラックスを活性化し、電極、はんだ粉の表面の酸化膜を除去し、また、プリント配線基板の加熱ムラをなくすための期間である。本加熱部Ｒ３（例えばピーク温度で２２０°Ｃ〜２４０°Ｃ）は、はんだが溶融し、接合が完成する期間である。本加熱部Ｒ３では、はんだの溶融温度を超える温度まで昇温が必要とされる。本加熱部Ｒ３は、プリヒート部Ｒ２を経過していても、温度上昇のムラが存在するので、はんだの溶融温度を超える温度までの加熱が必要とされる。最後の冷却部Ｒ４は、急速にプリント配線基板を冷却し、はんだ組成を形成する期間である。

図２において、曲線１は、鉛フリーはんだの温度プロファイルを示す。共晶はんだの場合の温度プロファイルは、曲線２で示すものとなる。鉛フリーはんだの融点は、共晶はんだの融点より高いので、プリヒート部Ｒ２における設定温度が共晶はんだに比して高いものとされている。

リフロー装置では、図２における昇温部Ｒ１の温度制御を、主としてゾーンＺ１およびＺ２が受け持つ。プリヒート部Ｒ２の温度制御は、主としてゾーンＺ３、Ｚ４およびＺ５が受け持つ。本加熱部Ｒ３の温度制御は、ゾーンＺ６およびＺ７が受け持つ。冷却部Ｒ４の温度制御は、ゾーンＺ８およびゾーンＺ９が受け持つ。

加熱ゾーンＺ１〜Ｚ７のそれぞれは、それぞれ送風機を含む上部炉体１５および下部炉体３５を有する。例えばゾーンＺ１の上部炉体１５および下部炉体３５から搬送される被加熱物に対して熱風が吹きつけられる。

図３を参照して加熱装置の一例について説明する。例えばゾーンＺ６を搬送方向に対して直交する面で切断した場合の断面が図３に示されている。上部炉体１５と下部炉体３５との対向間隙内で、プリント配線基板の両面に表面実装用電子部品が搭載された被加熱物Ｗが搬送コンベヤ３１上に置かれて搬送される。上部炉体１５内および下部炉体３５内は、雰囲気ガスである例えば窒素（Ｎ₂ ）ガスが充満している。上部炉体１５および下部炉体３５は、被加熱物Ｗに対して熱風（熱せられた雰囲気ガス）を噴出して被加熱物Ｗを加熱する。なお、熱風と共に赤外線を照射しても良い。

上部炉体１５は、例えばターボファンの構成の送風機１６と、ヒータ線を複数回折り返して構成したヒータ１８と、熱風が通過する多数の小孔を有するパネル（蓄熱部材）１９とを有し、パネル１９の小孔を通過した熱風が被加熱物Ｗに対して上側から吹きつけられる。パネル１９は、例えばアルミニウムからなる。

下部炉体３５も上述した上部炉体１５と同様の構成を有する。すなわち、例えばターボファンの構成の送風機２６と、ヒータ線を複数回折り返して構成したヒータ２８と、熱風が通過する多数の小孔を有するパネル（蓄熱部材）２９とを有する。パネル２９の小孔を通過した熱風が被加熱物Ｗに対して下側から吹きつけられる。

上部炉体１５に対して、フラックス回収装置４１が設けられる。フラックス回収装置４１は、例えば外板で囲まれた空間内で上部炉体１５の背面側に設置される。下部炉体３５に対して、フラックス回収装置６１が設けられる。フラックス回収装置６１は、例えば外板で囲まれた空間内で下部炉体３５の背面側に設置される。フラックス回収装置４１は、上部炉体１５から導出された雰囲気ガスを冷却させるラジエター部４２と、冷却によって液化されたフラックスを回収する回収容器４３とからなる。同様に、フラックス回収装置６１は、下部炉体３５から導出された雰囲気ガスを冷却させるラジエター部６２と、冷却によって液化されたフラックスを回収する回収容器６３とからなる。後述するように、上部炉体１５および下部炉体３５の少なくとも一方とフラックス回収装置４１および６１の少なくとも一方との間に熱交換器が配置される。

上部炉体１５内における風の流れを模式的に図４に示す。送風機１６は、モータ３８とモータ３８により回転される羽根３９とを有している。ターボファンの場合、羽根３９が回転すると、周辺の２箇所から送風が行われ、この風が炉体上部に２箇所設けられた穴５０および５１を介して上部炉体１５内に送り込まれる。さらに、ヒータ１８およびパネル１９を通過して被加熱物Ｗに吹きつけられる。さらに、送風機１６は、中心部付近の穴を介して炉体内の雰囲気ガスを導入する。

送風機１６によって熱風が循環する経路中に雰囲気ガスをフラックス回収装置４１に導出するための導出口としての穴５２が設けられる。穴５２は、炉内において圧力が高い箇所に設けられる。圧力が低い箇所には、フラックス回収装置４１からのガスを上部炉体１５内に導入するための導入口としての穴５３が設けられる。これらの穴５２および５３は、実際には、接続用管５４および５５のそれぞれの一端側の開口に対応している。接続用管５４および５５のそれぞれとフラックス回収装置４１の接続用管とが図示を省略したホースによって接続されている。下部炉体３５においても、炉内において圧力が高い箇所に設けられた穴から雰囲気ガスがフラックス回収装置６１に導出され、フラックス回収装置６１からのフラックス成分が減少したガスが炉内において圧力が低い箇所に設けられた穴から導入される。

なお、フラックス回収装置４１および６１は、リフロー装置の各ゾーンの中で雰囲気ガスの汚れが大きいゾーンに設けられる。但し、リフロー装置の全ゾーンまたは装置の出入り口にあるスロー部にフラックス回収装置４１および６１を配置しても良い。

図５を参照して、この発明の一実施の形態について説明する。リフロー装置の例えば下部炉体３５に対してフラックス回収装置７１が設けられる。フラックス回収装置７１の一例は、図３に示したフラックス回収装置６１である。但し、フラックス回収装置７１は、図３に示す構成（空冷）に限らず、水冷または空冷および水冷を併用した方式で下部炉体３５から取り出された高温ガスを冷却する。

フラックス回収装置７１において冷却によってフラックスが凝縮し、液化したフラックス成分が図示しないフラックス回収用容器によって回収される。例えば冷却兼フラックス回収装置７１の底面が傾斜面とされ、底面に設けたドレインから液状のフラックス成分が回収される。

下部炉体３５の炉内において圧力が高い箇所に設けられた穴から高温ガスが第１の経路を構成する円筒状のダクト７２を通じてフラックス回収装置７１に導かれる。フラックス回収装置７１によってフラックス成分が除去された低温ガスが円筒状のダクト７３、熱交換器７４および円筒状のダクト７５を介して炉内において圧力が低い箇所に設けられた穴から下部炉体３５内部に導かれる。ダクト７３および７５が第２の経路を構成する。

円筒の中心部に内側管として、ダクト７２が挿入される中空部７６が形成され、ダクト７２の外周面と熱交換器７４の中空部（外側管）７６の内周面とが圧入等によって密着される。熱交換器７４の横断面は、図６Ａに示すように、同心円状となる。図６Ａにおいては、簡単のために、各部の厚みの図示を省略している。

ダクト７２，７３，７５および中空部７６は、熱伝導率が大きく、耐腐食性を有する金属例えばステンレス、アルミニウム等からなる。ダクト７２の外周面と中空部７６の内周面とが高温ガスおよび低温ガスの隔壁を構成し、隔壁を通じて熱の授受がなされる。すなわち、フラックス回収装置７１からの低温ガスがダクト７２を流れる高温ガスからの熱を受け取り加熱され、加熱後のガスが下部炉体３５内部に導入される。さらに、熱交換器７４においては、戻される低温ガスが加熱されるのみならず、炉体からフラックス回収装置７１に供給される高温ガスが冷却され、フラックス回収装置７１の冷却能力の負担が軽くなる利点もある。熱の外部への放出を少なくする点では、内側を高温ガスが流れる構成が好ましい。但し、内側を低温ガスが流れ、外側を高温ガスが流れる構成としても良い。この場合では、高温ガスが内側の隔壁を介して低温ガスと熱交換を行うと共に、外側の隔壁を介して外気と熱交換を行うので、高温ガスを効果的に冷却することができる。

熱交換器７４の構成は、上述した二重管構造以外の構造を適宜使用することができる。図６Ｂに示すように、角型断面のダクトを使用し、二重構造とし、隔壁７７ａを構成しても良い。ダクトを二重にするので、実現が比較的容易である。図６Ｃに示すように、角型断面のダクトを使用し、平面状の隔壁７７ｂを構成しても良い。図６Ｄに示すように、隔壁を平面とせずに、断面がジグザク状の隔壁７７ｃを形成しても良い。図６Ｅに示すように、３重構造とし、外周部の断面リング状の空間に低温ガスが流れ、隔壁７７ｄを介して内側の断面リング状の空間に高温ガスが流れ、隔壁７７ｅの内側（中心部）を外気に通じるようにしても良い。図６Ｅの構成は、隔壁７７ｄの面積を大きくして熱交換の効率を良くすると共に、熱伝達が悪い中心部には高温ガスを流さないようにするものである。さらに、図示しないが、中心管の外周面に対してコイル状に管を巻き付けた構成の熱交換器を使用しても良い。

この発明の効果について概略的に説明すると、従来では、フラックス回収装置において、炉から取り出された高温ガスが５０°Ｃ下げられ、さらに、炉体に戻す経路で１０°Ｃ下げられ、結局、炉体に戻されるガスは、６０°Ｃ下げられたものとなる。これに対して、この発明では、熱交換器を設けているので、フラックス回収装置から６０°Ｃ下がった低温ガスが加熱され、高温ガスに対して４０°Ｃ下がったガスが炉に戻される。従来に比して戻されるガスの温度を２０°Ｃ高くすることができる。したがって、炉内に戻されたガスによって、炉内でフラックス成分が凝縮したり、炉内の温度分布にムラが発生するような問題を抑制できる。

この発明は、下部炉体に限らず、上部炉体に対しても適用することができる。図７に示すように、上部炉体とフラックス回収装置４１との間に熱交換器８１が設けられる。熱交換器８１は、二重管構造のものである。上部炉体からダクト８２を通じて高温ガスがフラックス回収装置４１に導かれる。フラックス回収装置４１において、フラックス成分が凝縮し、フラックスが回収される。

フラックス回収装置４１からの低温ガスがダクト８３を通じて熱交換器８１に導かれる。熱交換器８１において、ダクト８２を流れる高温ガスと低温ガスとの熱交換によって、低温ガスが加熱される。熱交換器８１によって加熱されたガスがダクト８４を介して上部炉体に導かれる。熱交換器８１において、高温ガスが冷却される。

この発明は、上述したこの発明の実施の形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、この発明は、リフロー装置に限らず、フロー装置に対しても適用できる。

この発明の一実施の形態によるリフロー装置の概略を示す略線図である。 リフロー時の温度プロファイルの例を示すグラフである。 この発明の一実施の形態によるリフロー装置の一つのゾーンの構成の一例を示す断面図である。 この発明の一実施の形態における上部炉体におけるガスの流れを模式的に示す略線図である。 この発明の一実施の形態の説明に用いる略線図である。 熱交換器の断面の構造を概略的に示す略線図である。 この発明の他の実施の形態の説明に用いる略線図である。

符号の説明

１１・・・搬入口
１２・・・搬出口
１５・・・上部炉体
１６，２６・・・送風機
１８，２８・・・ヒータ
１９，２９・・・パネル
３１・・・搬送コンベヤ
３５・・・下部炉体
４１，６１，７１・・・フラックス回収装置
７２，７３，７５・・・ダクト
７４・・・熱交換器

Claims (6)

1. 炉から導出された高温ガスが第１の経路を介してフラックス回収装置に導かれ、
   上記フラックス回収装置において液化したフラックスを回収し、
   上記フラックス回収装置にて冷却された低温ガスが第２の経路を介して上記炉に導入され、
   上記高温ガスと上記低温ガス間で熱の授受を行う熱交換器を上記第１の経路と上記第２の経路に対して設けたはんだ付け装置。
2. 熱交換器は、上記第１の経路と上記第２の経路とが隔壁を介して接していることを特徴とする請求項１記載のはんだ付け装置。
3. 熱交換器は、内側管および外側管が上記隔壁を介して配された二重構成とされ、上記内側管および外側管の一方を上記高温ガスが通り、上記内側管および外側管の他方を上記低温ガスが通ることを特徴とする請求項２記載のはんだ付け装置。
4. 上記内側管の中心を通り、上記内側管より小なる断面を有し、外気と通じる管をさらに配したことを特徴とする請求項３記載のはんだ付け装置。
5. 上記炉内の圧力の差によって、上記炉、上記第１の経路、上記フラックス回収装置、上記第２の経路、および上記炉に至る経路をガスが循環することを特徴とする請求項１記載のはんだ付け装置。
6. 上記炉は、加熱装置と、送風機と、上記加熱装置により加熱された雰囲気ガスを多数の孔を介して被加熱物に吹きつけるパネルとを有し、
   上記送風機により生じる圧力の高い箇所から上記高温ガスが上記炉から導出されて上記第１の経路に導かれ、上記第２の経路を介して上記低温ガスが上記送風機により生じる圧力の低い箇所から上記炉内に導入される請求項５記載のはんだ付け装置。

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