JP2011245539A - リフロー半田付け装置のワーク冷却強化ユニットおよびリフロー半田付けシステム - Google Patents

Abstract

【課題】加熱炉やリフロー半田付け装置全体を大型化することなく、かつ加熱炉内の雰囲気に影響が少なく、効果的な冷却を行うことができるリフロー半田付け装置のワーク冷却強化ユニットおよび該ユニットを使用したリフロー半田付けシステムを提供する。
【解決手段】冷却強化ユニットは、ラビリンス部とラビリンス部に気体を供給する気体供部とを有し、ラビリンス部に気体を供給することにより、加熱炉から搬出されたワークを冷却することができる。また、リフロー半田付けシステムは、冷却強化ユニットと、加熱炉出側や入り側にラビリンス構造を有するラビリンスユニットや加熱炉の入り側手前で搬送コンベア上のワークを検知する検知センサーを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、リフロー半田付け装置の加熱炉の出側に設けられ、半田付け対象のワーク（基板と電子部品等）を冷却する手段およびこの手段を備えるリフロー半田付けシステム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半田付けにより電気的に接続を行うが、このような半田付けの技術として、リフロー半田付けが通常行われている。リフロー半田付けは、プリント基板の所定の部位に対してクリーム半田等を塗布した後に、これらのプリント基板、電子部品等からなる半田付け対象物のワークをリフロー炉（加熱炉）内に搬送し、プリント基板の半田付け部を加熱して、プリント基板と電子部品を半田付けする技術である。

このようなリフロー半田付けを実施するリフロー半田付け装置は、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半田付け装置本体に、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（特許文献１）。
なお、中間加熱ゾーンや冷却ゾーンは特に設けないこともある。

予熱ゾーンはワークを急速に加熱する昇温ゾーン、中間加熱ゾーンは、ワークの各部の温度を均一にして、所定の予熱温度にまで加熱するゾーン、リフロー加熱ゾーンは、基板を半田溶融温度を超える温度まで加熱してワークの基板と電子部品等を半田付けする加熱ゾーン、冷却ゾーンは半田付け後のワークを冷却するゾーンである。

ワークを加熱する手段としては、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。
また、冷却ゾーンでは、リフロー加熱ゾーンから搬送されるワークをプロペラファンなどの送風機により、送風することにより、冷却している（特許文献１参照）。また、これに、クーラーなどの冷房機器を冷却ゾーンに設けて冷却能力を高めることもある。

リフロー半田付けでは、通常、加熱炉内には不活性ガス（一般には窒素ガスが使用される）を供給し低酸素雰囲気を形成して半田部の酸化を抑えている。そして、不活性ガスの流出防止策として、加熱炉の出側と入り側にはラビリンスと呼ばれる流路抵抗手段を設けることがある（特許文献２）。
このラビリンスは、座板に多数のフィンを櫛状に配列させたものを、搬送コンベアを挟むように上下に設けて、気体の流れに対する抵抗を大きくすることにより、加熱炉からの不活性ガスの流出を防止するとともに、外気の加熱炉内への侵入をも防止している。
しかし、ワークが加熱炉内に搬入されるため、外気の侵入を完全に防止することは困難である。

ところで近年、環境問題がクローズアップされ、半田付けに使用されるクリーム半田の半田として、従来のＳｎ−Ｐｎから錫・銀系半田やインジウム系の半田が使用されるようになってきた。しかし、これらの鉛フリーの半田は、従来の鉛入り半田に比べて融点が高く、それにともなってリフロー温度も高く設定されている。

従来の鉛入り半田を使用する場合、半田の融点が約１８０℃、リフロー温度が約２２０℃であるが、錫・銀系半田では、半田の融点が約２２０℃、リフロー温度が２４０℃、インジウム系半田では、融点は約２０６℃、リフロー温度は約２３０℃である。

リフロー温度が高くなると、基板や基板に搭載された電子部品等の冷却に、従来より時間がかかり、冷却ゾーンにより長時間ワークを滞留させなくてはならない。
半田付け後に、ワークが高温にさらされる時間が長くなると、接合部の半田が酸化して劣化し、外観が悪くなるばかりでなく、場合によっては亀裂が入り、半田接合に不具合が生じることになる。

このために、以下の方法（ａ）〜（ｃ）で対処することが考えられる。
（ａ）加熱炉から搬出されるワークを炉外で自然放熱する。
（ｂ）加熱炉内の冷却ゾーンを長大化する。
（ｃ）加熱炉の外に冷却を行う機構を設ける。
（ａ）の炉外での自然放熱はワークが所定の温度まで冷却するのに時間がかかる。ま
た、そのためのスペースが必要となり、ラインに組み込むと、結局は装置全体が大型化する。
（ｂ）の冷却ゾーンの長大化は、加熱炉の大型化、装置全体の大型化を招く。また炉内の改造はコストも多くかかる。
また、加熱炉そのものは、ＪＥＤＥＣ等の規格、及び多種多様な工程に対応するために、現状の大きさを維持する必要があり、装置全体としてはコンパクトであることが望まれており、装置全体の大型化はできるだけ避けねばならない。
（ｃ）の炉外冷却機構は、冷却機構の冷却部が加熱炉に近接すると、加熱炉内の温度や雰囲気に影響し、温度や雰囲気の調整に支障を来す。

特開２００３−１３３７１８号公報 特開平９−９４６５５号公報

従来のリフロー半田付け装置においては、上記のような冷却方法を採用することにより対応してきたが、加熱炉やリフロー半田付け装置全体が大型化することが避けられなかった。また、加熱炉内の雰囲気に影響が少なく、効果的な冷却を行うことができるものはなかった。
本発明の目的は、このような問題を解決するリフロー半田付け装置の半田付け対象のワークを冷却する手段および該手段を備えたリフロー半田付けシステムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、リフロー半田付け装置の加熱炉出側で、かつ加熱炉に隣接して、本発明のラビリンス部を有する冷却強化ユニットを設け、その内部に気体を導入してワークを冷却する。

本発明は、具体的には以下の手段を採用する。
［１］加熱炉内を搬送コンベアにより搬送される半田付け対象のワークを加熱してリフ
ロー半田付けを行うリフロー半田付け装置の加熱炉出側かつ搬送コンベア上側
に、加熱炉に隣接して配備されるワーク冷却強化ユニットであって、該ワーク冷
却強化ユニットは、ラビリンス部と気体供給部とを有し、該気体供給部からラビ
リンス部に気体を供給することにより、加熱炉から搬出されたワークを冷却でき
るようになっていることを特徴とする、ワーク冷却強化ユニット。
［２］前記ワーク冷却強化ユニットの天井板上面にヒートシンクと冷却ファンのいずれ
か、あるいは両方を設けたことを特徴とする、［１］に記載のワーク冷却強化ユ
ニット。
［３］加熱炉内を搬送コンベアにより搬送される半田付け対象のワークを加熱してリフ
ロー半田付けを行うリフロー半田付け装置と、該加熱炉の出側かつ搬送コンベア
上側に、加熱炉に隣接して配備される［１］または［２］に記載のワーク冷却強
化ユニットと、該加熱炉の出側かつ搬送コンベア下側で加熱炉に隣接して配備さ
れるラビリンスユニットとからなることを特徴とする、リフロー半田付けシステ
ム。
［４］前記加熱炉の入り側手前で搬送コンベア上のワークを検知する検知センサーを備
え、該検知センサーのワーク検知信号により、前記冷却強化ユニットの気体供給
部に供給する気体の流量を調整する気体流量調整手段を設けたことを特徴とす
る、［３］に記載のリフロー半田付けシステム。
［５］前記加熱炉の入り側かつ搬送コンベアの上側および下側に加熱炉に隣接して配備
されるラビリンスユニットを備え、このラビリンスユニットの手前に前記検知セ
ンサーを設けることを特徴とする、［４］に記載のリフロー半田付けシステム。

本発明の気体供給部とラビリンス部を有する冷却強化ユニットは、加熱炉の出側かつ搬送コンベアの上側に、加熱炉に隣接して設けられ、該ユニットの気体供給部からラビリンス部に気体を供給して、ワークを冷却できるので、加熱炉自体を改造して大型化する必要はなく、大きな冷却効率で冷却ができる。また、冷却強化ユニットの下にラビリンスユニットを設けて、冷却強化ユニットのラビリンス部のラビリンス構造とラビリンスユニットのラビリンス構造とにより、冷却強化ユニットとラビリンスユニットとの間に形成される雰囲気が加熱炉の雰囲気や温度に影響することはほとんどない。また、加熱炉を改造することがないので、コストも比較的かからない。そして、加熱炉内の冷却ゾーンを短くすることにより、加熱炉を小型化することも可能である。

リフロー半田付け装置の縦断面図と本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の冷却強化ユニットの縦断面図（ａ）、横断面図（ｂ）、横板（ｃ） を概略的に示す。 本発明の冷却強化ユニットと半田付け対象のワークの位置関係を示す。 （ａ）は縦断面図（搬送方向に平行）、（ｂ）は横断面図である。 ワークの温度推移を示す。 加熱炉の酸素濃度を示す。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１において、１は半田付け対象のワーク（プリント基板、電子部品等）、２はワークを搬送する搬送コンベア、３は加熱炉であり、予熱ゾーン３１、中間加熱ゾーン３２、リフロー加熱ゾーン３３ら、および冷却ゾーン３４からなる。ゾーン３１〜３３には、ワークを上下から加熱する上部および下部のヒーター４及びファン５が設けられている。冷却ゾーン３４には、ワーク１に送風する上下のファン５が設けられている。

なお、加熱炉内は、低酸素雰囲気でリフロー半田付けを行うために、窒素ガスなどの不活性ガスが炉内に噴出されている。図１ではこの不活性ガス供給手段は図示を省略している。
不活性ガスは、各ゾーン３１〜３４ごとに供給してもよいし、リフロー加熱ゾーンに供給して、他のゾーンに行き渡るようにしてもよい。また、加熱炉の上部、あるいは上部と下部の両方から供給することもできる。

６は、加熱炉出側かつ搬送コンベア上側に該炉に隣接して配備され、気体を噴出して加熱炉出側から搬出される半田付け後のワークを冷却するワーク冷却強化ユニットである。７、８はそれぞれ冷却強化ユニットに設けられるヒートシンク、冷却ファンである。
９は、加熱炉出側かつ搬送コンベア下側に該炉に隣接して配備されるラビリンスユニットである。１０、１１はそれぞれ、加熱炉の入り側かつ搬送コンベアの上側および下側に加熱炉に隣接して配備されるラビリンスユニットである。
１２は加熱炉入り側手前において、搬送コンベア２上のワークを検知する検知センサーである。１３は冷却強化ユニット６に気体を供給する気体供給源、１４は冷却強化ユニット６に供給される気体の流量を調整する気体流量調整装置である。

次に、冷却強化ユニットの詳細を図２および図３に基づいて説明する。
冷却強化ユニット６は、加熱炉出側かつ搬送コンベア２上側に、加熱炉に隣接して配備されるものであり、気体供給部６１とラビリンス部６２とからなっている。
気体供給部６１は、冷却強化ユニット６の天井板６３と、天井板６３から垂下し、搬送コンベアのワーク搬送方向に所定の間隔を置いて設けられた複数のフィン６４と、該フィン６４の上下方向の中間部でフィン６４とフィン６４との間に設けられた横板６５と、横板６５の両端部から天井板に延びる側板６６とで囲まれた空間部を有している。フィン６４の面はワークの搬送方向と直交している。

ラビリンス部６２は、横板６５とフィン６４の横板６５より下の部分とでラビリンス構造を形成し、気体の流れに対する抵抗を大きくすることにより、加熱炉からの不活性ガスの流出を防止するとともに、外気の加熱炉内への侵入をも防止している。
また、ラビリンス部の６２の両側部は、図２（ｂ）や図３（ｂ）では示されていないが、やはり側板が設けられており、後述する気体噴出口６８から噴出する大気が側面方向に洩れないようにしている。この側板は天井板６３から垂下するように取り付けて、フィン６４とフィン６４との間の両側面を閉じるようにしてもよい。

そして、天井板６３には、気体供給源１１に気体流量調整手段１２を介して連通し、気体供給部６１の内部に気体を導入するための複数の気体供給管６７が設けられ、その横板６５には気体噴出口６８が穿たれており、該気体噴出口６８からラビリンス部６２に気体を供給することができ、ワーク１を上面から冷却するようになっている。
通常、クリーム半田はワークのプリント基板の上面側に塗布されているから、下面から冷却しても冷却効果は小さく、上面から冷却するのが効果的である。

ここで、横板６５の長さ（ワークの搬送方向と直交している方向の長さ）はワークの幅（搬送方向に直交する方向での長さ）よりも大きくすることが望ましい。
また、気体供給管６７を側板６６近くの横板６５面に設けて、気体噴出口６８は横板６５の中心部からワークの幅を少し上回る範囲に複数設けて、気体供給管６７から気体供給部６１を介してラビリンス部６２に供給される気体が気体噴出口６８を介して直接ワークに当たらないようにするのが均一に気体をワークに当てることができるので望ましい。

冷却強化ユニット６は、加熱炉３と隣接していることにより加熱され温度が上昇する。高温になると、冷却効率が低下するので、これを抑えるため、天井板６３の上面にヒートシンク７や冷却ファン８、あるいはそれらのいずれか一つを取り付けて、温度上昇を防ぐことようにすることもできる。温度の上昇がさほど大きくなければ、ヒートシンク６８や冷却ファン６９は取り付ける必要はない。

図２や図３では、フィン６４の下部は、逆凹状になっているが加熱炉出側の開口面積を少しでも小さくし、ラビリンス部の効果を高めるためである。このような形ではなく、フィンは矩形にしてもよい。また、これらの図に示す例ではフィン６４が３枚設けられているが、さらに枚数を増やすこともできる。また、気体供給管６７も、フィンとフィンとで区切られる１区画に横板の側板近くの両端部近くにそれぞれ１本以上、計２本以上設けることが望ましい。

気体流量調整手段１４は、図示しない流量調節弁に働きかけて、気体供給部に導入される気体の流量を調整する手段である。ここで、気体は大気でも窒素などの不活性ガスでもよい。

すでに記載したように、加熱炉内に不活性ガス（一般には窒素ガスが使用される）を供給し低酸素雰囲気でリフロー半田付けを行っている場合は、加熱炉出側でかつ搬送コンベアの下側、すなわち冷却強化ユニットの下に、加熱炉に隣接して、ラビリンス構造を有するラビリンスユニット９を設けることもできる。こうすることにより、冷却強化ユニットのラビリンス部６２のラビリンス構造とラビリンスユニット９のラビリンス構造により、加熱炉からの不活性ガスの流出や加熱炉内への外気の侵入を効果的に抑制することができる。

同様に、加熱炉の入り側でも、搬送コンベア２の上側と下側のそれぞれに、加熱炉に隣接してラビリンス構造を有するラビリンスユニット１０、１１を設けて、さらに加熱炉からの不活性ガスの流出や加熱炉内への外気の侵入を効果的に抑制することができる。
ラビリンスユニット９は座板に多数のフィン９１をワークの搬送方向に直交するように配列し、両側を側板で覆ったものであり、ラビリンスユニット１０、１１も同様の構造をしている。これらのラビリンスユニット９〜１１は従来から使用されているものである。
また、加熱炉内が半田付けに十分な低酸素雰囲気を維持できるときはこれらのラビリンスユニット９〜１１は設ける必要はない。

ワーク１が冷却強化ユニットのラビリンス部６２の下を通過していないときは、気体供給部からラビリンス部に気体を供給する必要はない。検知センサー１２を加熱炉入り側手前に設けてワークを検知して、この信号を流量調整装置に入力して、搬送コンベアの速度からワークの位置を算出して、加熱炉出側のラビリンス部６２下部にワークが進入するタイミングで、気体の供給を行うようにしてもよい。
このような構成により、気体として窒素ガスを使用している場合、窒素ガスの消費を低減できる。
加熱炉の入り側にラビリンスユニット１０、１１を設ける場合は、検知センサー１２は該ラビリンスユニット１０、１１の手前に設ければよい。なお、図１ではこのセンサーは搬送コンベアの下に設けられているが、搬送コンベアの上下いずれに設けてもよい。

本発明の実施例について以下に説明する。
図１に示す装置を使用してリフロー半田付けを行った。
加熱炉の全長は１２５０ｍｍ、各ゾーン３１〜３４の長さはそれぞれ２１５ｍｍ、４２０ｍｍ、４００ｍｍ、２１５ｍｍである。
冷却強化ユニット６は、フィン６４が幅２９０ｍｍ、長さ６０ｍｍ（ラビリンス部の長さは２４ｍｍ）のものを３枚配列したものである。フィンとフィンの間は３０ｍｍである。
ラビリンスユニット９は、フィン７１が幅２９０ｍｍ、長さ６０ｍｍのものを３枚配列したものであり、全長は冷却強化ユニットの全長と同じ８０ｍｍである。
冷却強化ユニットの気体噴出口６８の大きさは３ｍｍ径であり、横板６５に穿った数は３８個である。
ラビリンスユニット１０、１１は、フィンが幅２９０ｍｍ、長さ６０ｍｍのものを３枚配列したものであり、全長は８０ｍｍである。

ワークとして１６０×１６０×１．６ｍｍのガラスエポキシ基板を１枚搬送した。ワーク（搬送コンベア）の搬送速度は０．３ｍ／ｓｅｃであり、ワークの在炉時間は約３２０秒であった。ワークの温度としてガラスエポキシ基板の上面の温度を測定した。
本発明例では、冷却強化ユニットへの気体（大気）の供給量は５０Ｌ／ｍｉｎである。また、冷却強化ユニットに気体を供給しない場合、すなわち冷却強化ユニットの気体供給部６１からラビリンス部６２に大気を噴出しない場合を比較例とした。
各ゾーンのヒーターの設定温度は表１のとおりである。

図４にワークの温度推移の結果を示す。
この結果から分かるように、冷却強化ユニットを配備したリフロー半田付け装置により半田付けを行った本発明例では、該ユニット出側で基板の温度は１４３．５℃であった。
これに対して、冷却強化ユニットに大気を導入しない比較例では、加熱炉出側の該ユニットの出側に相当する位置での温度は１６１．２℃であった。

また、本発明例と比較例について、基板１０枚を５０ｍｍ間隔で搬送した時の加熱炉内の酸素濃度の推移を測定した。基板１０枚を搬送したのは、炉内の酸素濃度が基板の搬送状況の影響を受けやすいため、実操業に対応させるためである。酸素濃度はリフロー加熱ゾーンで測定し、基板は１６０×１６０×１．０ｍｍのＳＵＳ製のものを使用した。
なお、加熱炉の各ゾーンのヒーターの設定温度は、表１に示したとおりである。また、加熱炉内には低酸素濃度の雰囲気で半田付けを行うため、１５０Ｌ／ｍｉｎの窒素ガスを供給した。
その結果を図５に示す。
この図から分かるように、炉内の酸素濃度は、本発明例方が比較例よりもやや高いが僅かであり、この程度であれば半田付けの信頼性を低下させるものではない。

本発明によれば、リフロー半田付け後のワークを、半田付けの信頼性を損なうことなく、冷却することができ、しかも、加熱炉本体への雰囲気への影響は僅かである。そして、加熱炉本体を大型化する必要はなく、加熱炉内の冷却ゾーンを短くすることも可能となる。

１ ワーク（半田付け対象物）
２ 搬送コンベア
３ 加熱炉
３１ 予熱ゾーン
３２ 中間加熱ゾーン
３３ リフロー加熱ゾーン
３４ 冷却ゾーン
４ （上部、下部）ヒーター
５ （上部、下部）ファン
６ 冷却強化ユニット
６１ 気体供給部
６２ ラビリンス部
６３ 天井板
６４ フィン
６５ 横板
６６ 側板
６７ 気体供給管
６８ 気体噴出口
７ ヒートシンク
８ 冷却ファン
９ ラビリンスユニット（出側、下）
９１ フィン
１０ ラビリンスユニット（入り側、上）
１１ ラビリンスユニット（入り側、下）
１２ 検知センサー
１３ 気体供給源
１４ 気体流量調整手段

Claims (5)

1. 加熱炉内を搬送コンベアにより搬送される半田付け対象のワークを加熱してリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置の加熱炉出側かつ搬送コンベア上側に、加熱炉に隣接して配備されるワーク冷却強化ユニットであって、該ワーク冷却強化ユニットは、ラビリンス部と気体供給部とを有し、該気体供給部からラビリンス部に気体を供給することにより、加熱炉から搬出されたワークを冷却できるようになっていることを特徴とする、ワーク冷却強化ユニット。
2. 前記ワーク冷却強化ユニットの天井板上面にヒートシンクと冷却ファンのいずれか、あるいは両方を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のワーク冷却強化ユニット。
3. 加熱炉内を搬送コンベアにより搬送される半田付け対象のワークを加熱してリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置と、該加熱炉の出側かつ搬送コンベア上側に、加熱炉に隣接して配備される請求項１または２に記載のワーク冷却強化ユニットと、該加熱炉の出側かつ搬送コンベア下側で加熱炉に隣接して配備されるラビリンスユニットとからなることを特徴とする、リフロー半田付けシステム。
4. 前記加熱炉の入り側手前で搬送コンベア上のワークを検知する検知センサーを備え、該検知センサーのワーク検知信号により、前記冷却強化ユニットの気体供給部に供給する気体の流量を調整する気体流量調整手段を設けたことを特徴とする、請求項３に記載のリフロー半田付けシステム。
5. 前記加熱炉の入り側かつ搬送コンベアの上側および下側に加熱炉に隣接して配備されるラビリンスユニットを備え、このラビリンスユニットの手前に前記検知センサーを設けることを特徴とする、請求項４に記載のリフロー半田付けシステム。