JP2009277786A - リフローはんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の電子部品搭載面側の反対側から、加熱温度の高いパネルヒータの輻射加熱により、接合用のはんだを溶融させるリフローはんだ付け装置であって、基板に搭載した電子部品をその耐熱温度に過熱して熱損傷することなく、はんだ付けができ、鉛フリーのはんだを使用することも可能であるリフローはんだ付け装置を提供する。
【解決手段】リフローはんだ付け装置は、加熱室１０内に、基板Ｗを電子部品搭載面の反対側から輻射熱あるいは輻射熱と熱風で加熱することによりはんだを、加熱、溶融させるパネルヒータ４と、前記基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を吹き付けることにより電子部品の温度を耐熱温度以下にする過熱防止手段５と、基板の搬送路の両側部と加熱室側壁の間に配置され、基板に搭載された電子部品の温度上昇を抑制するセパレータとを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板等の基板に搭載した部品とはんだを電気的に接続するために基板のはんだ付け部を加熱するリフローはんだ付け装置に関するものである。

電子機器の各種回路が構成されている基板、例えばプリント基板に対して、各種回路を構成するための電子機器の実装を行う技術がある。実装されたチップ部品等の電子部品は、プリント基板の配線部に対してはんだ付けにより電気的に接続を行うが、このようなはんだ付けの技術として、リフローはんだ付けが通常行われている。リフローはんだ付けは、プリント基板の所定の部位に対してクリームはんだ等を塗布した後に、リフロー炉の中でプリント基板のはんだ付け部を加熱する方式のはんだ付け技術である。

このようなリフローはんだ付けを実施するリフローはんだ付け装置は、プリント基板を搬送するコンベアが取付けられたリフローはんだ付け装置本体に、コンベアの搬送方向に並べられた予熱ゾーン、中間加熱ゾーン、リフロー加熱ゾーンおよび冷却ゾーンを有し、これらのゾーンに夫々設けられた加熱手段でプリント基板及びその上に搭載された電子部品全体を加熱するものである（なお、冷却ゾーンは特に設けないこともある）。加熱手段としては、熱風による対流加熱するものと、パネルヒータ等の赤外線による輻射加熱するもの、さらにはそれらの加熱を併用するものとが知られている。

熱風による対流加熱は基板を比較的、均一に加熱することができるが、加熱温度が低いため基板を速やかに加熱することができない。また、赤外線による輻射加熱は加熱温度が高くとれるため基板を速やかに加熱できるが、基板に実装される電子部品に熱容量の大きい部品と熱容量の小さい部品とが混在している場合、各接合部間に生じる温度差が大きくなりやすく、熱容量の小さい部品は過熱して劣化したり、熱容量の大きい部品がはんだ付け不良を起こしたりすることがあった。

このような問題を解消するために、リフローはんだ付け装置において、接合用のはんだを溶融させるリフロー加熱ゾーンに、基板を電子部品搭載面の反対側から輻射熱で加熱することにより半田を溶融させる加熱手段と、前記基板の電子部品搭載面側に半田融点温度よりも低い温度の気体を吹き付けることにより電子部品の温度を耐熱温度以下にする過熱防止手段とを備えたものが知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−１３３７１８号公報

また、熱ショックに弱い電子部品の実装に好適なリフローはんだ付け装置として、プリント基板の下面側に、加熱炉内にパネルヒータで加熱された、クリームはんだを溶融する加熱用気体をファンにより供給するとともに、プリント基板上面側には、その上方に位置する天板の通気口から冷却気体を導入することにより、特性を劣化させることなく熱ショックに弱い電子部品をプリント基板に実装することができるリフローはんだ付け装置が知られている（特許文献２参照）。
特開平１１−２６９２７号公報

しかしながら、上記の従来装置では、基板の電子部品搭載面側の加熱室上部の雰囲気と基板の下面側の加熱室下部の雰囲気とが遮断されていないため、該加熱室上部の温度が加熱室下部の輻射熱や熱風や雰囲気の影響を受けて上昇し、電子部品の耐熱温度以下に管理することが難しい。他方、近年、毒性のある鉛を使用しないはんだ、すなわち鉛フリーはんだの開発とそのはんだ付け技術の開発が行われているが、鉛を含む従来のはんだと同等のはんだ付け性が得られる鉛フリーはんだは、一般的にその融点が高い。例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだは、その融点が概ね２１０〜２２０℃程度と、従来から使用されているＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点（約１８３℃）と比較すると大幅に高温である。このようなはんだを使用できるようにするためには、基板を輻射熱で加熱する能力をさらに高めなければならないが、そうすると、基板の電子部品の搭載された側の加熱室上部の温度がさらに上昇しやすくなり、さらに一層、電子部品の過熱による損傷を招きやすくなるという問題が生じる。

本発明は、上記の問題点を解決し、輻射熱で加熱するパネルヒータあるいは輻射熱と熱風で加熱する熱風通過孔を有するパネルヒータの加熱温度を高くした場合でも、基板に搭載された電子部品の温度上昇を抑制して、過熱による電子部品の熱損傷を防止できるリフローはんだ付け装置を提供するものである。

本発明は、上記の課題を解決するために、基板の搬送路の両側部と加熱室側壁の間に、セパレータを配置して、該加熱室上部の雰囲気と基板の下面側の加熱室下部の雰囲気をほぼ遮断して、加熱室下部からの輻射熱、熱風加熱および雰囲気温度の影響が加熱室上部に及ばないようにすることにより、加熱室上部の雰囲気の温度上昇を抑え、基板の上面に搭載された電子部品の温度上昇を抑制し、電子部品の過熱を避けるようにしたことを最大の特徴とするものである。さらに、このセパレータに気体の流入口と流出口を設けて冷却機能を持たせて、基板の電子部品搭載面側（基板の上面側）の加熱室上部の温度をより効果的に冷却することもできる。

本発明は、具体的には以下の手段を採用する。
（１）加熱室内を搬送しながら基板の一方側の面に搭載された電子部品を基板にリフローはんだ付けするリフローはんだ付け装置であって、加熱室内に、前記基板を電子部品搭載面の反対側から輻射熱で加熱することによりはんだを、加熱、溶融させるパネルヒータと、前記基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を吹き付けることにより電子部品の温度を耐熱温度以下にする過熱防止手段と、基板の搬送路の両側部と加熱室側壁の間に配置され、内部に空間を有し、基板に搭載された電子部品の温度上昇を抑制するセパレータとを備えたことを特徴とするリフローはんだ付け装置である。
（２）加熱室内を搬送しながら基板の一方側の面に搭載された電子部品を基板にリフローはんだ付けするリフローはんだ付け装置であって、加熱室内に、前記基板を電子部品搭載面の反対側から輻射熱と熱風で加熱することによりはんだを、加熱、溶融させる、熱風通過孔を有するパネルヒータと、前記基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を吹き付けることにより電子部品の温度を耐熱温度以下にする過熱防止手段と、基板の搬送路の両側部と加熱室側壁の間に配置され、内部に空間を有し、基板に搭載された電子部品の温度上昇を抑制するセパレータとを備えたことを特徴とするリフローはんだ付け装置である。
（３）さらに、前記加熱室が予熱ゾーン、中間加熱ゾーンおよびリフロー加熱ゾーンを備えることを特徴とする前記（１）又は（２）のリフローはんだ付け装置である。
（４）さらに、前記セパレータは気体の流入口および流出口を有し、その内部に気体が流通できることを特徴とする前記（１）〜（３）のリフローはんだ付け装置である。
（５）さらに、前記セパレータのパネルヒータ側の部分に断熱材層が形成されたことを特徴とする前記（１）〜（４）のリフローはんだ付け装置である。
（６）前記セパレータが２つの部材からなることを特徴とする前記（１）〜（５）のリフローはんだ付け装置である。
（７）前記はんだ融点よりも低い温度の気体が大気であることを特徴とする前記（１）〜（６）のリフローはんだ付け装置である。
（８）前記はんだ融点よりも低い温度の気体が不活性ガスであることを特徴とする前記（１〜（６）のリフローはんだ付け装置である。
（９）基板の電子部品搭載面の上部に、基板の全面あるいは一部を覆うカバーを設けたことを特徴とする前記（１）〜（８）のリフローはんだ付け装置である。

本発明によれば、基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を吹きつけることによる冷却効果の上に、さらに基板の搬送路の両側部と加熱室壁の間に、セパレータを配置したことにより、さらにはこのセパレータの内部に気体を流通させたことにより、以下の効果を奏することができる。
（イ）基板の電子部品搭載面の反対側に設けられたパネルヒータからの輻射熱が、基板搬送路の両側部と加熱室側壁との間の空間を介して加熱室上部に伝わることがセパレータによりほぼ遮断される。
（ロ）セパレータにより、加熱室下部と加熱室上部の雰囲気をほぼ遮断できるので、加熱室下部から加熱室上部への対流加熱を低減して、加熱室の上部の温度上昇を抑制できる。
（ハ）セパレータにより、加熱室下部と加熱室上部の雰囲気をほぼ遮断できるので、加熱室上部と加熱室下部のそれぞれの雰囲気について適正な温度管理がしやすい。
（ニ）セパレータ内に流通する気体の冷却効果が加わり、加熱室上部の雰囲気温度が過度に上昇することが抑えられ、そのことにより基板の電子部品の温度上昇が抑えられる。

以上の効果により、従来のリフローはんだ付け装置では、電子部品が搭載された基板上面側の加熱室上部の温度は２００℃近くにも達したが、本発明ではパネルヒータの温度を４００℃に設定しても、加熱室上部の温度を１５０℃程度にまで下げることが容易にできるようになり、電子部品の過熱を避けることができる。そのため、パネルヒータの加熱温度をより高めることやパネルヒータの面をより大きくしたものが使用できることにより、融点の高い鉛フリーのはんだを使用した場合にも対応でき、さらには加熱効率をアップすることも可能となる。また、上記で指摘したように、加熱室の上部と下部のそれぞれにより適正な温度管理がしやすくなる。

さらに、セパレータのパネルヒータ側の部分に断熱材層を設けて、セパレータの損傷を抑え、内部の冷却された気体の温度上昇を抑えることができる。また、セパレータは、一体ものでもよいが、パッキンを挟んで２つ以上の部材から製造すると材料の選択や製造が容易になる。
また、基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体として、大気あるいは窒素などの不活性ガスとすることにより、安価に本発明の装置が製造でき、あるいは酸化を防止して良質なはんだ付けが可能となる。
さらにまた、基板の電子部品の搭載面上部に基板の全面あるいは一部を覆うカバーを設けると、各電子部品に対してより細かな温度管理が可能となる。

図１は、本発明に係るリフローはんだ付け装置の一例について要部構造を示す断面図であり、図２は本発明のリフローはんだ付け装置の全体を示している。
図１において、１０はリフローはんだ付け装置の加熱室であり、あるいは後述するリフロー加熱ゾーン、予熱ゾーン、あるは中間加熱ゾーンの各加熱室を指している。Wは電子部品が上面に搭載されたプリント基板である。２は搬送方向が図１面に垂直方向である搬送コンベアである。４は、基板の電子部品が搭載された面の反対側を赤外線による輻射加熱するパネルヒータである。加熱手段としては、輻射加熱と熱風加熱を併用することもでき、その場合はパネルヒータに熱風通過用孔を穿ち、ファン等でこの孔から熱風を通すようにする。３は多数のノズルを有する整流板であり、５は整流板のノズルを介して基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を送風するファンであり、整流板３とファン５とで過熱防止手段を構成している。この気体は空気でもよいし、窒素ガスなどの不活性ガスを使用することもできる。

Ｓは基板の搬送コンベアの搬送路の両側部と加熱室側壁の間の２カ所に設けられたセパレータであり、加熱室下部と加熱室上部の雰囲気をほぼ遮断するものである。セパレータＳは基板の搬送路との間には基板の搬送に支障のない程度に、かつ、温度管理に支障のない程度に間隙を有している。また、セパレータＳと加熱側壁の間は温度管理に支障のない程度に間隙を設けてもよいし、接していてもよい。このセパレータＳは内部に空間を有しており、この空間の気体層も断熱効果を奏する。さらに、このセパレータＳに、気体の流入口と流出口を設けて、内部の空間に気体が流通できるようにして、基板の電子部品が搭載された側の加熱室上部に対して冷却効果を一層高めることができる。その場合、この気体は冷却されていることが望ましい。セパレータＳはステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属製、ガラス製、セラミックなどの断熱材製あるいは断熱樹脂製のものが使用できる。セパレータＳは、ここでは搬送方向に直角の断面が矩形であるが、これに限らない。上面を波状に加工して表面の冷却に寄与する面積を大きくしてもよい。

なお、前記の過熱防止手段については、整流板から噴出する気体は、整流板３とファン５との間にパネルヒータを設けるなどして、ある程度の加熱を施すことは許容される。これらの気体は一部は循環して使用することもできる。また、加熱室の両側には排気ダクトを設けて、送風効率を上げることもできる。

また、この過熱防止手段の基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を送風する手段としては、整流板とファン以外のものを採用することもできる。例えば、２枚の板（例えばガラス板、金属板）によりスリット状の隙間を有する天板を構成し、該間隙から送風してもよい。天板の２枚の板を離間可能にして送風量を調節できるようにすることもできる。このような２枚の板の間隙を利用する送風手段については前述の特許文献２に記載されており、当業者であれば容易に製造できるものである。板としてガラス板を使用する場合は、赤外線透過性に富むものが望ましい。

本発明のリフローはんだ付け装置の全体を図２で説明する。
図２に示すように、はんだ付けする部品を搭載したプリント基板Ｗを加熱してはんだ付けするリフローはんだ付け装置１と、この装置１内において、プリント基板Ｗを搬入口から搬出口へと図の矢印方向に搬送させるピンチェーンコンベア、メッシュコンベア等の搬送手段（搬送コンベア）２と、搬送コンベア２に載置されたプリント基板Ｗを下方向から加熱するパネルヒータ４Ｘ、４Ｙ、４Ｚと多数のノズルを備える整流板３Ｘ、３Ｙ、３Ｚとプリント基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を、整流板のノズルを介して上方向から送風するファン５Ｘ、５Ｙ、５Ｚと、さらに後述する予熱ゾーン、中間加熱ゾーンおよびリフロー加熱ゾーンにわたって配設されたセパレータＳとを備えるものである。このセパレータＳは、すでに記載したように、基板の搬送路の両側部と加熱室１０の側壁との間の２カ所に配置され、内部に空間が設けられた部材からなる。また、これに気体の流入口および流出口を設けて、内部の空間に気体が流通できるようにすることもできる。なお、セパレータＳはその先端部と後端部を支持部材で支持することにより、あるいは加熱室側壁の支持部材に支持することなどにより、加熱室に配設することができる。
ここで、プリント基板Ｗは、ガラスエポキシ等の絶縁材に銅パターン等で回路を形成した基板であり、これにクリームはんだを塗布した後、はんだ付けする部品を搭載したものである。

通常の場合、リフローはんだ付け装置１は、予熱ゾーン６、中間加熱ゾーン７、リフロー加熱ゾーン（本加熱ゾーン）８及び冷却ゾーン（図示せず）の各ゾーンからなっている。
予熱ゾーン、中間加熱ゾーン、リフロー加熱ゾーンに分割されていなくて、１つのゾーンだけで全ての機能を持たせることもできる。
それぞれの各ゾーンについて、さらに詳しく説明する。

予熱ゾーン６には、搬送コンベア２の上方には、電子部品が搭載された基板上面を冷却する気体が噴出するノズルを有する整流板３Xを有し、搬送コンベア２の下方にも、赤外線加熱によるパネルヒータ４Ｘが配設され、プリント基板Ｗを、電子部品が搭載された基板の面の反対側を輻射加熱する。
また、整流板３Ｘの上方における予熱ゾーン６の天井壁には、ファン５Ｘが配設され、プリント基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を、整流板のノズルを介してプリント基板Ｗに吹き付け、プリント基板Ｗの電子部品搭載面側に吹きつけ、電子部品を冷却するようになっている。
この予熱ゾーン６では、搬送物（プリント基板Ｗ）を、常温から、１３０〜１５０℃若しくは１３０〜２００℃の温度まで加熱する。

中間加熱ゾーン７にも、同様に整流板３Ｙ、パネルヒータ４Ｙおよびファン５Ｙが予熱ゾーン６に続いて配設され、予熱ゾーンと実質同一の構成になっており、各部材は予熱ゾーンに記載したものと同様の働きをしている。
この中間加熱ゾーン７では、プリント基板Ｗを、１３０〜２００℃、代表的には１５０〜１８０℃の温度に加熱する。中間加熱ゾーンは複数設けてもよい。

リフロー加熱ゾーン８にも、同様に整流板３Ｚ、パネルヒータ４Ｚ及びファン５Ｚが配設され、予熱ゾーン６と実質同一の構成になっており、各部材は予熱ゾーンに記載したものと同様の働きをしている。
このリフロー加熱ゾーン８では、整流板３Zのノズルから送風される気体により、電子部品が搭載された基板上面を冷却して、電子部品を過熱しないようにしつつ、パネルヒータ４Ｚによる輻射加熱により、プリント基板Ｗをはんだ付けに必要な高温度に速やかに加熱し、クリームはんだを溶かして基板上に搭載した部品をはんだ付けするようになっている。
ここでは、プリント基板Ｗを、はんだの融点よりも５〜１０℃程度高めの温度に加熱してはんだを溶かす。

冷却ゾーンは、図面には示されていないが、リフロー加熱ゾーンに続いて設けられ、そのゾーンの天井壁に冷風機が配設され、リフロー加熱ゾーン８ではんだ付けされたプリント基板Ｗを冷却するようになっている。

本発明は、上記のように、プリント基板の搬送路両側と加熱室側壁との間にそれぞれセパレータを設けているために、リフロー加熱ゾーンなどの加熱室上部の温度を低減でき、基板に搭載された電子部品の過熱による熱損傷を抑えることができ、また、はんだ融点が高い鉛フリーのはんだを使用する場合でも対応できるリフローはんだ付け装置を提供することができる。

本発明のリフローはんだ付け装置の加熱室の要部構造を示す断面図（基板搬送方向に対して直角）である。 本発明のリフローはんだ付け装置の全体を示す断面図（基板搬送方向に平行）である。

符号の説明

１ リフローはんだ付け装置（加熱室）
２ 搬送手段（搬送コンベア）
３、３Ｘ〜３Ｚ 整流板
４、４Ｘ〜４Ｚ パネルヒータ
５、５Ｘ〜５Ｚ ファン
６ 予熱ゾーン
７ 中間加熱ゾーン
８ リフロー加熱ゾーン
９ （図示せず）
１０ 加熱室

Claims (9)

1. 加熱室内を搬送しながら基板の一方側の面に搭載された電子部品を基板にリフローはんだ付けするリフローはんだ付け装置であって、加熱室内に、前記基板を電子部品搭載面の反対側から輻射熱で加熱することによりはんだを加熱、溶融させるパネルヒータと、前記基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を吹き付けることにより電子部品の温度を耐熱温度以下にする過熱防止手段と、基板の搬送路の両側部と加熱室側壁の間に配置され、内部に空間を有し、基板に搭載された電子部品の温度上昇を抑制するセパレータとを備えたことを特徴とするリフローはんだ付け装置。
2. 加熱室内を搬送しながら基板の一方側の面に搭載された電子部品を基板にリフローはんだ付けするリフローはんだ付け装置であって、加熱室内に、前記基板を電子部品搭載面の反対側から輻射熱と熱風で加熱することによりはんだを加熱、溶融させる、熱風通過孔を有するパネルヒータと、前記基板の電子部品搭載面側にはんだ融点よりも低い温度の気体を吹き付けることにより電子部品の温度を耐熱温度以下にする過熱防止手段と、基板の搬送路の両側部と加熱室側壁の間に配置され、内部に空間を有し、基板に搭載された電子部品の温度上昇を抑制するセパレータとを備えたことを特徴とするリフローはんだ付け装置。
3. 前記加熱室が予熱ゾーン、中間加熱ゾーンおよびリフロー加熱ゾーンを備えることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のリフローはんだ付け装置。
4. 前記セパレータは気体の流入口および流出口を有し、その内部に気体が流通できることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
5. 前記セパレータのパネルヒータ側の部分に断熱材層が形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
6. 前記セパレータが２つ以上の部材からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
7. 前記はんだ融点よりも低い温度の気体が大気であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
8. 前記はんだ融点よりも低い温度の気体が不活性ガスであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のリフローはんだ付け装置。
9. 基板の電子部品搭載面の上部に、基板の全面あるいは一部を覆うカバーを設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載されたリフローはんだ付け装置。
   

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