JP2010017753A - リフロー炉模擬試験用小型加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリー半田等のリフロー炉内での挙動を、リフロー炉と同等の昇温・降温のもとに模擬的に正確にＸ線透視を用いて観察することのできるリフロー炉模擬試験用小型炉を提供する。
【解決手段】Ｘ線透過率の高い材料により内部に厚さの薄い偏平な空間が形成される開閉可能な筐体１０を炉体とし、その筐体１０内に、偏平な空間の広がり方向に沿って一様に小径ヒータ２ａ，２ｂを設けるとともに、筐体１０にはその内部空間を冷却するためのペルチェ素子３ａ，３ｂを設け、これらの小径ヒータ２ａ，２ｂおよびペルチェ素子３ａ，３ｂを、筐体１０内の温度があらかじめ設定されている昇温・降温曲線に一致するように駆動制御することにより、高い温度応答性と炉内温度の均一性を実現し、リフロー炉による半田の温度変化と同等の変化を実現しつつ、その挙動をＸ線透視装置を用いて観察することを可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、リフロー炉の昇温・降温時における半田の挙動を、Ｘ線透視装置を用いて模擬的に観察するためのリフロー炉模擬試験用小型加熱炉に関する。

半田リフロー炉による昇温および降温時の半田ボールの溶融並びに固化の状況、その間のボイドの生成状況等の挙動を観察する方法として、従来、Ｘ線透視装置を用いた方法が知られている。

Ｘ線透視装置と加熱装置と組み合わせた装置として、従来、Ｘ線発生装置とＸ線検出器との間に、防護箱を兼ねる反射板を備えた加熱装置を配置し、その内部に熱源としてハロゲンランプや赤外線ランプ等からなる熱光源を設け、その熱光源はＸ線照射範囲外に配置した構造のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

また、Ｘ線透視装置を用いて模擬的に半田の挙動を透視するための小型炉で、実用に供されているものの熱源としては、上記のような熱光源のほかに、熱風加熱方式のものも知られている。
特開２００３−１４９３１７３号公報

ところで、従来のリフロー炉模擬試験に用いる小型炉は、実際のリフロー炉のように高速度での昇温／降温ができず、また、試料上の各部位における温度の均一性を得ることができないという問題があった。特に、近年、環境対策のために鉛フリー半田が導入され、この鉛フリー半田は従来の半田に比してその溶融温度が高く、部品耐熱温度マージンが小さくなるため、リフロー炉内部のピーク温度のバラツキは１０℃以内であることが必須となっているが、従来のこの種の模擬試験用の小型炉はこのような要件を満たすことができず、鉛フリー半田の溶融・固化時のＸ線透視ができないのが実情である。

すなわち、熱光源式の小型炉では、試料表面とその内部ないしは影の部分の温度差が大きいという問題がある。また、熱風加熱方式はＸ線防護箱内を加熱することになり、Ｘ線管などに悪影響を与えるばかりでなく、設定温度に対する応答速度が遅いという問題もあり、更には、窒素ガスなどの雰囲気ガスの導入を行う場合には、その加熱装置が大規模なものとなるとともに、冷却が困難であり、試料の搬入・搬出も困難であるという問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、鉛フリー半田のリフロー炉内での挙動を、模擬的に正確にＸ線透視を用いて観察することのできるリフロー炉模擬試験用小型炉の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明のリフロー炉模擬試験用小型炉は、リフロー炉の昇温・降温時の半田の挙動をＸ線透視装置を用いて模擬的に観察するために用いるリフロー炉模擬試験用小型加熱炉であって、Ｘ線透過率の高い材料からなり、内部に厚さの薄い偏平な空間が形成される開閉可能な筐体と、その筐体内に設けられ、当該筐体内の偏平な空間の広がり方向に沿って一様に並べられた小径ヒータと、上記筐体内の偏平な空間を冷却すべく当該筐体に取り付けられたペルチェ素子と、上記筐体内部の刻々の温度があらかじめ設定されている昇温・降温曲線に一致するように上記小径ヒータおよびペルチェ素子を駆動制御する制御手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記小径ヒータが、一定の間隔で梯子状に並べられているとともに、上記ペルチェ素子は板状であって、その放熱面を外側にした状態で筐体の厚さ方向に上記小径ヒータと重なる位置に配置されている構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、本発明においては、 上記筐体が、厚さ方向に分割された本体部と蓋体部とからなり、その本体部と蓋体部が開閉機構によって全開／全閉可能に係合している構成（請求項３）を採用することができる。

更に、本発明においては、上記筐体の偏平な空間内に雰囲気ガスを導入するためのガス導入路が設けられ、そのガス導入路にはその内部を通る雰囲気ガス加熱するためのヒータが設けられた構成（請求項４）を採用することができる。

本発明は、模擬試験の対象となる回路基板等を収容し、かつ、その収容状態で炉内の残余空間を可及的に狭くすべく、厚さの薄い偏平な空間を備えた筐体内に、その偏平な空間の広がり方向に沿って一様に小径ヒータを配置するとともに、その空間をペルチェ素子によって冷却できるようにし、これらをあらかじめ設定されている昇温・降温曲線に一致する温度が得られるように駆動制御することで、課題を解決するものである。

すなわち、炉内の空間を偏平な空間とし、その偏平な空間の広がり方向に一様に小径ヒータを配置することにより、炉内の温度、ひいては試料である回路基板上の温度の均一化を達成することができると同時に、炉内温度の応答速度を速くすることができる。また、炉内の空間を狭くしているため、雰囲気ガスを導入することも容易となる。

また、請求項２に係る発明のように、小径ヒータを一定の間隔で梯子状に並べること、つまり、両サイド部分を除いて小径ヒータを一定の間隔で互いに平行に並べることにより、その平行部分の小径ヒータの間を通じて試料上の半田を任意の角度で斜め透視を行うことができ、更に、筐体の厚さ方向に小径ヒータと重なるようにペルチェ素子をその放熱面を筐体の外側にした状態で配置することにより、筐体内部の空間を効率的に冷却することができる。

更に、請求項３に係る発明のように、炉体を構成する筐体を、厚さ方向に本体部と蓋体部とに分割し、これらを開閉機構により全開／全閉可能とすることにより、試料の出し入れが容易となる。

そして、請求項４に係る発明のように、筐体内部に雰囲気ガスを導入するに当たり、その雰囲気ガスの導入路に、その内部を通る雰囲気ガスを加熱するためのヒータを設けることで、筐体内部の加熱時あるいは加熱状態の維持時に加熱した雰囲気ガスを筐体内部に導入することにより、炉内温度の応答性をより高くすることが可能となる。

本発明によれば、試料である回路基板を収容する筐体内部の空間を偏平なものとして、試料の収容状態で残余空間を狭くし、その偏平な空間の広がり方向に沿って一様に小径ヒータを配置するとともに、筐体にはその内部の空間を冷却するペルチェ素子を設けて、筐体内部の刻々の温度があらかじめ設定されている昇温・降温曲線に一致するように小径ヒータおよびペルチェ素子を駆動制御するので、従来のこの種の模擬試験用の装置に比して、炉内温度並びに試料温度の均一化を達成できると同時に、炉内温度の応答性を高くすることができる。

また、請求項２に係る発明のように、小径ヒータを一定の間隔で梯子状に並べるとともに、その小型ヒータに筐体の厚み方向に重なるように板状のペルチェ素子を放熱側を筐体の外側に向けて配した構成を採用することにより、小型ヒータの間から任意の角度で試料上の半田を斜め透視することが可能となるとともに、ペルチェ素子により筐体内の温度を効率的に降温させることができる。

請求項３に係る発明によると、炉体を構成する筐体を簡単に全開／全閉することができ、試料を容易に出し入れすることができ、作業性を向上させることができる。

更に、請求項４に係る発明によると、筐体内に導入する雰囲気ガスを必要に応じて加熱した状態とすることができ、特に昇温時における炉内温度の応答性をより高くすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の小型炉１の斜視図であり、図２はその炉体をなす筐体１０の説明図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）右側面図である。ここで、図１においては筐体１０を開いた状態を示し、図２は同じく筐体１０を閉じた状態で示している。

この実施の形態のリフロー炉模擬試験用小型炉は、その炉体をなす筐体１０が、本体部１１と蓋体部１２とがリンク機構１３によって連結された構造を有し、図１に示すような全開状態から、図２に示すような全閉状態とすることができる。

筐体１０は全体として偏平であり、その本体部１１の内部底面と、蓋体部１２の内部天井面には、それぞれシースヒータ２ａ，２ｂが取り付けられている。これらの各シースヒータ２ａ，２ｂは、それぞれ梯子状の形態のもとに取り付けられている。ここで、梯子状とは、両端部分を除く部分において、見かけ上シースヒータ２ａあるいは２ｂが一定の間隔を開けて複数本並び、その両側においてこれらがシリーズ接続されている形態（言わばジグザグ状に接続されている形態）を言う。そして、上下のシースヒータ２ａ，２ｂのパターンは、上下で同一、つまり筐体１０の厚さ方向にパターンが互いに重なった状態となっている。

そして、本体部１１のシースヒータ２ａよりも上側（蓋体部１２側）、および、蓋体部１２のシースヒータ２ｂよりも下側（本体部１２側）には、それぞれメッシュ１４ａ，１４ｂが取り付けられている。更に、筐体１０の本体部１１および蓋体部１２の外側面には、板状のペルチェ素子３ａ，３ｂが取り付けられている。これにより、筐体１０を閉じた状態では、その筐体１０の内部に、本体部１１および蓋体部１２の各シースヒータ２ａ，２ｂの間にメッシュ１４ａ，１４ｂで囲まれた偏平な空間Ｓが形成され、筐体１０を介してその外側がペルチェ素子３ａ，３ｂで挟み込まれた状態となる。

筐体１０の本体部１１には、その内部に窒素ガス等の雰囲気ガスを導入するためのガス導入口１５が設けられているとともに、筐体１０内の酸素濃度を検出するための酸素濃度計４が本体部１１に設けられている。また、筐体１０にはその内部の温度を検出するための熱電対５が挿入されている。

以上の筐体１０の本体部１１はトレイ１６上に固定され、その本体部１１に隣接してリンク機構１３が設けられ、そのリンク機構１３に蓋体１２が保持されている。後述するように、このリフロー炉模擬試験用小型炉は、筐体１０内に収容された基板上の半田の加熱／冷却時の挙動をＸ線透視装置を用いて観察するための模擬試験に供されるのであるが、Ｘ線透視装置の試料ステージにはトレイ１６ごと搭載される。

図３に本発明の実施の形態のリフロー炉模擬試験用小型炉の全体構成を表すブロック図を示す。筐体１０内の熱電対５の出力は温調器６に導入される。温調器６は、後述するＸ線透視装置の制御を司るコンピュータ１０７から筐体１０内の温度の目標値信号が供給され、筐体１０内の温度がその目標値信号に一致するように、シースヒータ２ａ，２ｂおよびペルチェ素子３ａ，３ｂを駆動制御するとともに、熱電対５の出力に基づく刻々の温度検出結果をコンピュータ１０７に送信する。また、酸素濃度計４の出力は同じくコンピュータ１０７に取り込まれる。

更に、筐体１０に設けられているガス導入口１５はガス導入配管７を通じて窒素ガスボンベ８に接続され、そのガス導入配管７上には開閉弁９が設けられており、この開閉弁９はコンピュータ１０７からの指令により開閉動作を行う。

さて、以上のリフロー炉模擬試験用小型炉は、その内部に試験対象である半田が塗布された基板等を収容した状態で、図４に示すように、Ｘ線透視装置１００の試料ステージ１０３上に搭載され、内部の回路基板等に設けられている半田の昇温・降温時における挙動が透視観察される。

この例におけるＸ線透視装置１００は、コーンビーム状のＸ線をそのＸ線光軸が鉛直上方を向くように配置されたＸ線発生装置１０１と、これに対向配置された２次元のＸ線検出器１０２と、これらの間に配置された試料ステージ１０３を備え、試料ステージ１０３はステージ移動機構１０４によって鉛直方向を含む互いに直交する３軸方向に移動させることができる。また、Ｘ線検出器１０２は、傾動機構１０５によってＸ線発生装置１０１のＸ線焦点１０１ａを中心として一定の方向に傾動させることができる。

Ｘ線検出器１０２の出力は画像データ取り込み回路１０６を介してコンピュータ１０７に取り込まれる。コンピュータ１０７は、そのＸ線検出器１０２の出力を用いて、試料ステージ１０３上の対象物ＷのＸ線透視像を構築して表示器１０８に表示する。コンピュータ１０７には、マウスやキーボード、ジョイスティック等からなる操作部１０９が接続されており、この操作部１０９の操作により、コンピュータ１０７から軸制御回路１１０を通じてステージ移動機構１０４および傾動機構１０５に駆動制御信号が供給され、試料ステージ１０３を任意の向きに移動させたり、Ｘ線検出器１０２を任意の角度だけ傾動させることができる。

以上のＸ線透視装置１００の試料ステージ１０３上に、前記した本発明の実施の形態のリフロー炉模擬試験用小型炉がトレイ１６ごと搭載され、温調器６、酸素濃度計４および開閉弁９がＸ線透視装置１００のコンピュータ１０７に接続されて、試験が行われる。筐体１０内に収容される基板は、その注目部位、つまり観察対象となる半田が上下のシースヒータ２ａ，２ｂの平行部分の間に位置するよう、筐体１０内に位置決めされる。また、筐体１０は、その内部に設けられているシースヒータ２ａ，２ｂの平行部分の方向が、Ｘ線透視装置１００のＸ線検出器１０２の傾動方向と一致するように配置する。そして、観察すべき半田がＸ線検出器１０２の視野の中心部分にくるように試料テーブル１０３を位置決めし、必要に応じてＸ線検出器１０２を傾動させる。この傾動に際して、注目部位がシースヒータ２ａ，２ｂの平行部分の間に位置しているため、得られる注目部位の透視像はシースヒータ２ａ，２ｂの像に邪魔されることがなく、任意の傾動角度（透視角度）のもとに観察が可能となる。ここで、この種の試験における注目部位は概ね２ｍｍ四方であり、シースヒータ２ａ，２ｂの間隔を５ｍｍ程度としておけば、注目部位を任意の透視方向から容易に観察することができる。

以上の筐体１０の位置決めおよび透視角度が定まると、以下の手順のもとに模擬試験を行う。図５は本発明の実施の形態とＸ線透視装置用いた模擬試験の手順を示すフローチャートである。

まず、開閉弁９を解放し、筐体１０内に窒素ガスを導入する。この窒素ガスは筐体１０内の空気を本体部１１と蓋体部１２の僅かな隙間から押し出し、筐体１０内の雰囲気は次第に窒素ガスと置換されていく。その間、酸素濃度計４による酸素濃度の検出出力がコンピュータ１０７によって監視され、酸素濃度が３％未満になった時点で、コンピュータ１０７から温調器６に対して温度目標値が供給される。この供給により、温調器６は筐体１０内の温度が昇温時の温度目標のプロファイルをトレースするよう、シースヒータ２ａ，２ｂをフィードバック制御のもとに駆動する。筐体１０内の温度が温度目標値の最高温度に到達すると、シースヒータ２ａ，２ｂの駆動を停止し、ペルチェ素子３ａ，３ｂの駆動を開始し、降温時の温度目標のプロファイルをトレースする。そして、温度目標のプロファイルが設定時間に達した時点で、開閉弁９を閉じるとともに、温調器６による温調動作を終了する。

図６に試験中における筐体１０内の温度変化の例をグラフで示す。このグラフにおいて実線は熱電対５による温度の実測値で、破線は温度目標値を示す。筐体１０内の空間を偏平にして、その広がり方向に上下に一様にシースヒータ２ａ，２ｂを配置するとともに、筐体１０の上下をペルチェ素子３ａ，３ｂで挟み込んだ構造により、筐体１０内の温度は高い応答性のもとに目標値に追随し、鉛フリー半田のリフロー炉内での挙動を模擬的に実現することが可能となった。

以上の筐体１０内の温度制御の間、Ｘ線検出器１０２の出力に基づく注目部位のＸ線透視像が表示器１０８に逐次表示され、これにより、半田のリフロー炉内での温度変化による溶融と固化、その間におけるボイドの生成等、その挙動を模擬的に観察することができる。図７に表示器１０８の表示例を示す。この例では、表示器１０８の画面上に、注目部位のＸ線透視像を表示する領域Ａｐと、温度目標値のプロファイルと刻々の温度実測値のグラフを表示する領域Ａｇとを設け、炉内温度と半田の状況との関係を一目で認識できるようにしている。また、筐体１０内の酸素濃度を表示する領域Ａｏも設けている。

以上の表示器１０８に表示される刻々の画像は、必要に応じてコンピュータ１０７を通じてハードディスク等の記憶装置にその全部または一部を記憶することができる。

ここで、ガス導入配管７の周囲にヒータを設け、このヒータを、シースヒータ２ａ，２ｂの駆動と同期して駆動することにより、筐体１０内を昇温させるときに加熱された窒素ガスが導入されることになり、筐体１０内の温度の応答性をより高くすることができる。

なお、以上の実施の形態では、筐体１０内に上下にシースヒータ２ａ，２ｂを配置するとともに、筐体１０の上面および下面にペルチェ素子３ａ，３ｂを配置した例を説明したが、例えばシースヒータは本体部側にのみ設けてもよいし、ペルチェ素子については蓋体部の上面にのみ配置した構成を採用することもできる。

本発明の実施の形態の斜視図であり、筐体を全開した状態で示す図である。 本発明の実施の形態を全閉状態で示す平面図（Ａ）、正面図（Ｂ）および右側面図（Ｃ）である。 本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態によりリフロー炉模擬試験を行う際に用いられるＸ線透視装置の例の構成図である。 図４の装置を用いて行う模擬試験の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の筐体内の温度変化の例を示すグラフである。 本発明の実施の形態における表示器の表示例の説明図である。

符号の説明

１０ 筐体
１１ 本体部
１２ 蓋体部
１３ 開閉機構
１４ａ，１４ｂ メッシュ
１５ ガス導入口
１６ トレイ
２ａ，２ｂ シースヒータ
３ａ，３ｂ ペルチェ素子
４ 酸素濃度計
５ 熱電対
６ 温調器
７ ガス導入配管
８ 窒素ガスボンベ
９ 開閉弁
１００ Ｘ線透視装置
１０１ Ｘ線発生装置
１０２ Ｘ線検出器
１０３ 試料ステージ
１０４ ステージ移動機構
１０５ 傾動機構
１０６ 画像データ取り込み回路
１０７ コンピュータ
１０８ 表示器
１０９ 操作部
１１０ 軸制御回路

Claims (4)

1. リフロー炉の昇温・降温時の半田の挙動をＸ線透視装置を用いて模擬的に観察するために用いるリフロー炉模擬試験用小型加熱炉であって、
   Ｘ線透過率の高い材料からなり、内部に厚さの薄い偏平な空間が形成される開閉可能な筐体と、その筐体内に設けられ、当該筐体内の偏平な空間の広がり方向に沿って一様に並べられた小径ヒータと、上記筐体内の偏平な空間を冷却すべく当該筐体に取り付けられたペルチェ素子と、上記筐体内部の刻々の温度があらかじめ設定されている昇温・降温曲線に一致するように上記小径ヒータおよびペルチェ素子を駆動制御する制御手段を備えていることを特徴とするリフロー炉模擬試験用小型加熱炉。
2. 上記小径ヒータが、一定の間隔で梯子状に並べられているとともに、上記ペルチェ素子は板状であって、その放熱面を外側にした状態で筐体の厚さ方向に上記小径ヒータと重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のリフロー炉模擬試験用小型加熱炉。
3. 上記筐体が、厚さ方向に分割された本体部と蓋体部とからなり、その本体部と蓋体部が開閉機構によって全開／全閉可能に係合していることを特徴とする請求項１または２に記載のリフロー炉模擬試験用小型炉。
4. 上記筐体の偏平な空間内に雰囲気ガスを導入するためのガス導入路が設けられ、そのガス導入路にはその内部通る雰囲気ガスを加熱するためのヒータが設けられていることを特徴とする請求項１、２または３のいずれかに記載のリフロー炉模擬試験用小型加熱炉。