JP2013105933A - リフロー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触加熱の高熱伝達率・熱風加熱の高均熱性を併せ持つリフロー装置を提供する。
【解決手段】加熱炉が、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を下方から支持する搬送レール（１）と、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を上方から支持する上部熱伝導ヒータ（２）とを有する接触加熱部と、熱風加熱部（３）とを具備し、前記搬送レール（１）及び上部熱伝導ヒータ（２）には、それぞれ、プリント基板（Ｐ）の外縁部を加熱するヒータが設けられており、前記搬送レール（１）又は上部熱伝導ヒータ（２）が、前記プリント基板搬入後に上下方向に移動して、前記搬送レール（１）と上部熱伝導ヒータ（２）が、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を挟み込み加熱するリフロー装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、プリント基板の半田付けを行うリフロー装置であって、接触加熱の高熱伝達率・熱風加熱の高均熱性を併せ持つリフロー装置に関する。

従来のプリント基板のリフロー方法は、特許文献１に示すように、図１０のようにプリント基板をリフロー炉の予備加熱ゾーンで１００〜２００℃の予備加熱温度に加熱保持し、その後、ピーク温度まで急速に昇温させるという加熱を行っていた。プリント基板を従来のリフロー方法で半田付けすると、半田付け部周辺に微小ボールが発生したり電子部品が半田付け部から位置ズレしたりする問題があった。

特に、多品種製品に対応するためには、均熱化のため炉長を長くとる必要があり、加熱時間の長時間化・設備の大型化を余儀なくされていた。

特開２００４−３０４０９８号公報

本発明は、上記問題に鑑み、プリント基板の半田付けを行うリフロー装置であって、接触加熱の高熱伝達率・熱風加熱の高均熱性を併せ持つリフロー装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、半田ペーストを印刷又は塗布したプリント基板（Ｐ）を、密閉可能な加熱炉（１００）に搬送してリフロー半田付けを行うリフロー装置において、前記加熱炉（１００）が、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を下方から支持する搬送レール（１）と、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を上方から支持する上部熱伝導ヒータ（２）とを有する接触加熱部と、熱風加熱部（３）とを具備し、前記搬送レール（１）及び上部熱伝導ヒータ（２）には、それぞれ、プリント基板（Ｐ）の外縁部を加熱するヒータが設けられており、前記搬送レール（１）又は上部熱伝導ヒータ（２）が、前記プリント基板搬入後に上下方向に移動して、前記搬送レール（１）と上部熱伝導ヒータ（２）が、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を挟み込み加熱するリフロー装置である。

これにより、接触加熱の高熱伝達率・熱風加熱の高均熱性、高速性に着日して両者を併用させることにより小型・高速均熱加熱を実現することができる。また、プリント基板Ｐの外縁部を挟み込み加熱する接触加熱は、基板を上下方向（基板のそり方向）から挟み込むため、そりを抑制することができる。このため、基板の樹脂と銅配線の熱膨張差により基板が反った状態で半田付けされることがない。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部に囲まれた内部を、前記熱風加熱部（３）が、風量及び熱風温度を制御して加熱することを特徴とする。これにより、外縁側から伝熱される一方、プリント基板の中央部に対しては、熱風加熱部が、プリント基板に熱風を供給するので、プリント基板は均等に加熱される。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記搬送レール（１）は、プリント基板（Ｐ）の外縁部のサイズに対応できるように、プリント基板（Ｐ）の搬送方向を横方向として、縦横の固定外枠と、縦横の移動枠から構成され、内部にヒータが埋め込まれていることを特徴とする。これにより、プリント基板の外縁部のサイズに対応することができる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記縦横の固定枠が、横方向の固定横外枠レール（１−１）、縦方向の固定縦外枠（１−２）から構成され、前記縦横の移動枠が、第１移動横レール（１−３）、第２移動横レール（１−４）、中間縦枠（１０、１１、１０’、１１’）、位置決めストッパー（１２）から構成され、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部のサイズ、取り数に合わせて移動できるように構成されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記中間縦枠（１０、１１）及び前記位置決めストッパー（１２）は、それぞれ独立して上下動可能に構成されていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載の発明において、前記リフロー装置が、予熱室（６）と冷却室（８）を具備することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１から６のいずれか１項記載の発明において、前記熱風加熱部（３）から供給された熱風を、前記予熱室（６）に循環させ、その後ヒューム回収ボックス（９）において、前記加熱炉（１００）で発生したフラックスヒュームを冷却析出させて回収した後、さらに前記冷却室（８）に循環させて、前記熱風加熱部（３）から供給する熱風に合流させる熱風循環装置（４０）を有することを特徴とする。これにより、ヒューム回収ボックスにおいて、加熱炉で発生したフラックスヒュームを冷却析出させて回収するので、流路循環制御によるヒューム回収効率アップが得られる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

本発明の基礎となった比較技術を説明する説明図である。 本発明の一実施形態を示す概略図である。 （ａ）は、２枚取りの場合の本発明の一実施形態の搬送レールの詳細説明図であり、（ｂ）は、２枚取りの場合に縦方向（幅方向、Ｙ軸方向）を変更した場合の本発明の一実施形態の搬送レールの詳細説明図であり、（ｃ）は、中間縦枠の断面図であり、（ｄ）は、４枚取りの場合の本発明の一実施形態の搬送レールの詳細説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態におけるプリント基板の搬入の説明図である。 （ｄ）〜（ｆ）は、本発明の一実施形態におけるプリント基板の予熱室での搬入・搬出の説明図である。 （ｇ）〜（ｉ）は、本発明の一実施形態におけるプリント基板の加熱炉での接触加熱・熱風加熱の説明図である。 （ｊ）〜（ｌ）は、本発明の一実施形態におけるプリント基板の加熱炉での搬出の説明図である。 （ｍ）〜（ｏ）は、本発明の一実施形態におけるプリント基板の加熱炉での搬出、冷却室への搬入の説明図である。 （ｐ）、（ｑ）は、本発明の一実施形態におけるリフロー炉での繰り返されるプリント基板の搬入・搬出の説明図である。 特許文献１に開示されたリフロー方法に使用する温度プロファイルである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本発明の基礎となった比較技術を説明する説明図である。この比較技術は、熱風対流式リフロー炉である。これは、多品種製品に対応でき均一加熱が可能であるが、均熱化のため炉長を長くとる必要があり、加熱時間の長時間化・設備の大型化を余儀なくされている。また、Ｎ２使用量を低減させるため、熱風循環方式を採用しているが、設備が大型であること、出入り口がコンベア搬送用に開放されているため流路を制御しきれずフラックスヒュームが炉内に飛散・付着する。そして、その清掃に多くの時間を要するという問題が生じている。さらに、リフロー加熱中の搬送はレール上を移動するのみであるので、基板の樹脂と銅配線の熱膨張差により基板が反った状態で、半田付けされてしまい、半田付性能に影響を及ぼす問題があった。

図１の比較技術では、第１〜第９ゾーンに分かれており、第１〜第７ゾーンは加熱ゾーンであり、第８、９ゾーンは冷却ゾーンとなっており、一例としては５〜６ｍに及ぶものである。この技術では、半田付けするプリント基板は、ベルトチェーンにより、トンネル状のリフロー炉内を連続的にコンベア搬送されてゆく連続炉である。図１０の温度プロファイルに見られるように、通常半田の融点以上にする前に、昇温を休止して一定温度に収束させ、プリント基板に搭載されている電子部品の均熱性が保てるようにする。このために、第１〜第５ゾーンが必要となっている。

このような比較技術に対して、熱風・輻射を併用した小型リフロー炉が提案されているが、輻射加熱は色・材質（光沢度など）による吸収差のコントロールが難しく均熱性を維持しつつ汎用的にリフローすることは実現できていない。

このような問題を解決するために、本実施形態では、リフロー炉において、接触加熱を行うものである。また、接触加熱の高熱伝達率・熱風加熱の高均熱性に着日し、両者を併用させることもできるリフロー炉を提供することができる。多品種に対応できるよう接触の方法においても特徴を有するものである。本実施形態の接触加熱では、基板反りは樹脂と金属の熱膨張差によって起こるので、基板を上下方向（基板のそり方向）から挟み込むため、そりを抑制することができる（基板の膨張分は平面方向に伸びる）。

以下、本発明の一実施形態を具体的に説明する。
図２は、本発明の一実施形態を示す概略図である。図２において、搬送レール１は、搬送レール兼熱伝導ヒータである。搬送レール１は、プリント基板Ｐ（Ｐ’、Ｐ’’）が所定位置に到着後、上部に移動し、上部熱伝導ヒ一タ２とともに基板を挟み込み加熱する。熱風加熱部３は、プリント基板Ｐに熱風を供給する。この場合、あらかじめ温度分布から計算された風量・風温をそれぞれコントロールし供給する。供給熱量は熱伝導（接触）の解析結果などから熱量不足分を算出する。循環経路制御板４は、熱風加熱部３より供給された熱風の再利用のために、熱風を再利用する整流板（パンチングメタルなど）である。加熱炉１００は、搬送レール１、上部熱伝導ヒ一タ２、圧縮された窒素などを供給する熱風加熱部３、循環経路制御板４から構成される。

開閉扉５（５−１〜５−４）は、加熱炉１００の０２濃度を変化させないため、時差式に開閉する。図２において、予熱室６は、予熱室兼０２濃度保持用予備室であり、熱風を利用してプリヒートを可能とする部屋である。冷却室８は、冷却室兼０２濃度保持用予備室であり、かつ冷却を可能とする部屋である。予熱室６にプリント基板Ｐが搬入されるときには、開閉扉５−１が開き（上下動）、加熱炉１００の開閉扉５−２は閉じている。同様に、開閉扉５−３が開く時には、冷却室８の開閉扉５−４は閉じている。モーターファン７は、予熱室６に熱風を誘導する。ヒューム回収ボックス９は、加熱炉１００で発生したフラックスヒュームを冷却析出させて回収するものである。予熱室６からの熱風の引き込み、および、モーターファン７への冷風の送風用に別のモーターファンを有する。

図２に示すように、熱風循環装置４０は、熱風加熱部３から供給された熱風を、予熱室６に循環させ、その後ヒューム回収ボックス９において、加熱炉１００で発生したフラックスヒュームを冷却析出させて回収した後、さらに冷却室８に循環させて、熱風加熱部３から供給する熱風に合流させるものである。熱風循環装置４０の循環回路は、その他の回路に変形することができるが、必ず回収ボックス９を通るように設計する必要がある。これにより、流路制御によるヒューム回収効率アップが得られる。

図３（ａ）は、２枚取りの場合の本発明の一実施形態の搬送レールの詳細説明図であり、（ｂ）は、２枚取りの場合に縦方向（幅方向、Ｙ軸方向）を変更した場合の本発明の一実施形態の搬送レールの詳細説明図であり、（ｃ）は、中間縦枠の断面図であり、（ｄ）は、４枚取りの場合の本発明の一実施形態の搬送レールの詳細説明図である。図４（ａ）〜図９（ｑ）は、本発明の一実施形態において、リフロー炉へのプリント基板の搬入・加熱・搬出の説明図である。

図３の（ａ）、（ｂ）の２枚取りついて、まず説明する。ここで、図３の紙面上で、横方向、すなわちプリント基板の搬入方向（進行方向）をＸ軸方向とし、図３の紙面上で、縦方向（又は幅方向）をＹ軸方向とする。以下、上述のように縦横方向（又はＸ−Ｙ軸方向）を定めて説明する。

搬送レール１は、縦横の固定枠である、横方向の固定横外枠レール１−１、縦方向の固定縦外枠１−２、及び、縦横の移動枠である、第１移動横レール１−３、第２移動横レール１−４、中間縦枠１０、１１（一枚取り以外、通常複数個）から構成され、これらは全て、内部に熱伝導ヒータ２０（中間縦枠１０では２０−１〜２０−３）が埋め込まれている。図２に示すように、搬送レール１全体は、加熱炉１００の内部に設置され、横方向の固定横外枠レール１−１、縦方向の固定縦外枠１−２、第１移動横レール１−３、第２移動横レール１−４は一体として、外枠部材３０を構成し、これらの上面は同一平面上に設置されている。

一方、中間縦枠１０、１１、１０’、１１’は、図３（ａ）、（ｂ）の場合では、２個存在し、図４の（ａ）に見られるように、さらに位置決めストッパーとして機能する位置決め縦枠１２が存在している。中間縦枠は、２個に限らず、多数枚取りに応じて適宜増減することができる。中間縦枠１０、１１と中間縦枠１０’、１１’とは、取り数の関係から線Ｑ上に一列に並んで設置されるが、それぞれ独立に位置決めするようにすれば、変形形状にも対応可能となる。外枠部材３０、中間縦枠は、搬送されてきたプリント基板Ｐがレールの上を滑るように、同一平面上に形成されている。これに対して、図４の（ａ）に見られるように、位置決め縦枠１２の一部は、ストッパーとして機能すべく、搬送されてきたプリント基板Ｐを停止させるべく、外枠部材３０の平面から突出している。冷却室８にプリント基板Ｐを搬出するときには、位置決め縦枠１２は下部に下がる。

内部に埋め込まれた電熱ヒータ２０は、横方向の各レール１−１、１−３、１−４は長尺のレールなので、電熱ヒータにエネルギーロスが生じないように、部分加熱可能に横方向に区画分けがなされている。プリント基板の大きさ、取り数（２枚取りＰ−１・Ｐ−２、４枚取りＰ−１〜Ｐ−４などの多数枚取り）に応じて部分的に加熱可能に適宜スイッチングできるようになっている。縦方向の固定縦外枠１−２も同様に部分加熱可能できるようになっている。このように搬送レール１は、プリント基板が上面を滑る搬送レールであるとともに、プリント基板に対して接触加熱を行うための接触治具を構成している。

第１移動横レール１−３、第２移動横レール１−４は、横方向の固定横外枠レール１−１に対して、スライドガイドなどのガイド機構により平行に移動する。固定横外枠レール１−１と、第１移動横レール１−３、第２移動横レール１−４の距離を、それぞれ、Ｌ１、Ｌ２とする。図３（ｂ）では、プリント基板のサイズに合わせて、Ｌ１が大きくなっている。もちろん、プリント基板の取り数に応じて、さらに第３移動横レールなどを追加することも可能である。
プリント基板Ｐの予熱室６への搬入は、本実施形態ではプッシャーで行う。搬入は、その他の周知の手段であっても良い。

また、プリント基板Ｐの予熱室６から加熱炉１００への搬入、加熱炉１００から冷却室８への搬出、外部への搬出は、プリント基板Ｐの進行方向の後端縁に、Ｌ字形引き出し具３１を当接して引き出すと良い。加熱炉や冷却室のＹ軸方向のスリットから、外部からＬ字形引き出し具をＹ軸方向にシリンダ駆動させる。Ｌ字形引き出し具を使用しないときは、搬入の邪魔になるので、加熱炉内の側部でＸ軸方向からＺ軸方向に９０°回転させておく。なお、Ｌ字形引き出し具３１に限らず、掛け爪引き出しやベルト伝動などその他の周知の手段でも行っても良い。

次に、図３（ｂ）、（ｃ）、図４（ａ）を参照して、中間縦枠１０、１１、位置決め縦枠１２について述べる。図３（ｂ）に見られるように、中間縦枠１０、１１、１０’、１１’は、断面Ｔ字形で、部材１０−１、１０−２に対して、部材１０−３が入り子状に構成されており、距離Ｌ１、Ｌ２の変更に対応して、可変調整可能となっている。２０−１〜２０−３は埋め込まれたヒータである。線Ｑは、プリント基板Ｐ−１、Ｐ−２の境界線である。部材１０−１、１０−２、１０−３の上面は、プリント基板が搬送される滑り面としてのレール面である。中間縦枠１１、１０’、１１’についても同様な構成となっている。取り数に応じて、中間縦枠は追加することもできる。位置決め縦枠１２は、中間縦枠を中央で２分割した片方と、ほぼ同じ構成であるが、上面にストッパーとしての突起部がさらに設置されている。中間縦枠と同様にヒータが埋め込まれている。

本実施形態のリフロー装置においては、搬送レール１にヒータが埋め込まれ、かつ、上部熱伝導ヒ一タ２とともにプリント基板Ｐの外縁部を挟み込み加熱する。外縁側から伝熱される一方、プリント基板Ｐの中央部に対しては、熱風加熱部３が、プリント基板Ｐに熱風を供給する。この場合、あらかじめ温度分布から計算された風量・風温をそれぞれコントロールし供給するので、プリント基板は均等に加熱される。熱風加熱部３からの供給熱量は、熱伝導（接触）の解析結果などから熱量不足分を算出する。このように、接触加熱の高熱伝達率・熱風加熱の高均熱性、高速性に着日し、両者を併用させることにより小型・高速均熱加熱を実現することができる。比較技術の炉長に対して、３分の１程度以下に短縮することが可能である。また、プリント基板Ｐの外縁部を挟み込み加熱する接触加熱は、基板を上下方向（基板のそり方向）から挟み込むため、そりを抑制することができる。これにより、基板の樹脂と銅配線の熱膨張差により基板が反った状態で半田付けされることがない。

図４〜９を参照して、本発明の一実施形態におけるリフロー炉での繰り返されるプリント基板の搬入・搬出を説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、プリント基板の搬入の説明図であり、図５（ｄ）〜（ｆ）は、プリント基板の予熱室での搬入・搬出の説明図である。図６（ｇ）〜（ｉ）は、プリント基板の加熱炉での接触加熱・熱風加熱の説明図であり、図７（ｊ）〜（ｌ）は、加熱炉での搬出の説明図である。図８（ｍ）〜（ｏ）は、加熱炉での搬出、冷却室への搬入の説明図である。図９（ｐ）、（ｑ）は、本発明の一実施形態におけるリフロー炉での繰り返されるプリント基板の搬入・搬出の説明図である。

以下、図面に沿って本発明の実施の形態を説明する。図４（ａ）〜（ｃ）で、プリント基板Ｐは、開閉扉５−１が開くと、予熱室６に搬入された後、開閉扉５−１が閉じられる。図４（ｂ）に示すように、加熱炉１００の開閉扉５−２は閉じており、内部雰囲気の窒素ガス雰囲気を保存することができる。不活性ガス中でないと、半田が酸化してしまい、半田付け品質不良の原因となるため、加熱炉１００雰囲気を極力保存して、窒素ガス雰囲気を維持する。

図５（ｄ）では、本リフロー装置特有の温度プロファイルに基づいて、プリント基板Ｐは予熱室６で予熱が行われる。図５（ｆ）、図６（ｇ）で、開閉扉５−２が開き、プッシャーに押されてプリント基板Ｐは加熱炉１００に搬入される。開閉扉５−３も開いているが、図８（ｍ）〜（ｏ）に示すように、本発明の一実施形態におけるリフロー炉での繰り返されるプリント基板の搬入・搬出によるものである。
図５（ｆ）において、中間縦枠１０、１１は下に降りているが、位置決めストッパー１２は上位に位置しているので、プリント基板は、図６（ｇ）に示すように位置決めストッパー１２に突き当たって停止する。

図６（ｈ）で、開閉扉５−２、５−３は閉じ、プリント基板Ｐの加熱炉１００での接触加熱・熱風加熱が開始される。図６（ｉ）で、搬送レール１が上昇して、上部熱伝導ヒータ２との間に、プリント基板Ｐの外縁部を挟み込み加熱する。それと同時に、プリント基板Ｐの外縁部に囲まれた内部を、熱風加熱部３が、風量及び熱風温度を制御して加熱する。外縁側から伝熱される一方、プリント基板Ｐの中央部に対しては、熱風加熱部３が、プリント基板Ｐに熱風を供給する。加熱が終了したら、図７（ｋ）のように、搬送レール１は通常の搬送ライン位置に戻る。図７（ｌ）のように、位置決めストッパー１２は、搬送のため下位の位置で待機している。開閉扉５−３が開いて、図８（ｍ）〜（ｏ）に見られるように冷却室８にプリント基板を搬出する。図９（ｐ）、（ｑ）は、本発明の一実施形態におけるリフロー炉でのプリント基板の搬入・搬出の繰り返しが示されている。

１ 搬送レール
２ 上部熱伝導ヒータ
３ 熱風加熱部
６ 予熱室
８ 冷却室
１００ 加熱炉

図５（ｄ）では、本リフロー装置特有の温度プロファイルに基づいて、プリント基板Ｐは予熱室６で予熱が行われる。図５（ｆ）、図６（ｇ）で、開閉扉５−２が開き、プッシャーに押されてプリント基板Ｐは加熱炉１００に搬入される。開閉扉５−３も開いているが、図８（ｍ）〜（ｏ）に示すように、本発明の一実施形態におけるリフロー炉での繰り返されるプリント基板の搬入・搬出によるものである。
図５（ｆ）において、固定縦外枠１−２、中間縦枠１０は下に降りているが、位置決めストッパー１２は上位に位置しているので、プリント基板は、図６（ｇ）に示すように位置決めストッパー１２に突き当たって停止する。

Claims (7)

1. 半田ペーストを印刷又は塗布したプリント基板（Ｐ）を、密閉可能な加熱炉（１００）に搬送してリフロー半田付けを行うリフロー装置において、
   前記加熱炉（１００）が、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を下方から支持する搬送レール（１）と、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を上方から支持する上部熱伝導ヒータ（２）とを有する接触加熱部と、熱風加熱部（３）とを具備し、
   前記搬送レール（１）及び上部熱伝導ヒータ（２）には、それぞれ、プリント基板（Ｐ）の外縁部を加熱するヒータが設けられており、
   前記搬送レール（１）又は上部熱伝導ヒータ（２）が、前記プリント基板搬入後に上下方向に移動して、前記搬送レール（１）と上部熱伝導ヒータ（２）が、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部を挟み込み加熱するリフロー装置。
2. 前記プリント基板（Ｐ）の外縁部に囲まれた内部を、前記熱風加熱部（３）が、風量及び熱風温度を制御して加熱することを特徴とする請求項１に記載のリフロー装置。
3. 前記搬送レール（１）は、プリント基板（Ｐ）の外縁部のサイズに対応できるように、プリント基板（Ｐ）の搬送方向を横方向として、縦横の固定外枠と、縦横の移動枠から構成され、内部にヒータが埋め込まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のリフロー装置。
4. 前記縦横の固定枠が、横方向の固定横外枠レール（１−１）、縦方向の固定縦外枠（１−２）から構成され、
   前記縦横の移動枠が、第１移動横レール（１−３）、第２移動横レール（１−４）、中間縦枠（１０、１１、１０’、１１’）、位置決めストッパー（１２）から構成され、前記プリント基板（Ｐ）の外縁部のサイズ、取り数に合わせて移動できるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のリフロー装置。
5. 前記中間縦枠（１０、１１）及び前記位置決めストッパー（１２）は、それぞれ独立して上下動可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載のリフロー装置。
6. 前記リフロー装置が、予熱室（６）と冷却室（８）を具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のリフロー装置。
7. 前記熱風加熱部（３）から供給された熱風を、前記予熱室（６）に循環させ、その後ヒューム回収ボックス（９）において、前記加熱炉（１００）で発生したフラックスヒュームを冷却析出させて回収した後、さらに前記冷却室（８）に循環させて、前記熱風加熱部（３）から供給する熱風に合流させる熱風循環装置（４０）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のリフロー装置。