JP2015009262A - リフロー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの形状およびワークの熱容量に合わせた加熱を行うことにより、加熱によるワークの温度のばらつきを低減することができるリフロー装置を提供する。【解決手段】半田を有するワーク１を、加熱しながら半田の酸化膜を還元して、加熱しながら半田の接合を行うリフロー装置において、ワーク１を非接触にて加熱するとともに、ワーク１との相対的な距離を変更可能で少なくとも接合の加熱を行うための加熱機構部５を備え、ワーク１を均一に加熱するために構成されたものである。【選択図】図１

Description

この発明は、ワークを還元雰囲気下で加熱して半田表面の酸化膜を還元した後に、半田の溶融温度まで加熱して半田接合を行うリフロー装置に関し、特に加熱によるワークの温度のばらつきを低減するものである。

従来のリフロー装置は、還元雰囲気を有するチャンバ内でワークを半田溶融温度より低い温度まで加熱し、半田表面の酸化膜を還元した後に、減圧したチャンバ内で半田溶融温度まで加熱して半田接合を行うものである。リフロー装置は、ワーク搬送機構部、ヒータと冷却器とを有する加熱溶融チャンバ、加熱溶融チャンバに還元ガスを導入するガス導入機構部、加熱溶融チャンバ内のガスを排気する排気装置から構成される。そして、ワークを加熱溶融チャンバ内に搬送後、還元ガスをチャンバ内に導入し、ヒータ加熱により半田溶融温度より低い温度まで昇温して半田表面の酸化膜を還元する。次に、チャンバ内を真空引きして減圧状態とし、半田溶融温度まで加熱して、半田中のボイドを抜きながら半田接合を行う。その後、チャンバ内を常圧にして冷却器によりワークを冷却する。冷却後、ワークをチャンバ外へ搬送する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２４４２８３号公報

従来のリフロー装置は、ワークの半田、および、半田の表面の酸化膜を還元する際、還元反応が進む温度までワークを昇温するが、この温度は半田溶融温度より低くする必要がある。これは、還元反応が十分進まず部分的に酸化膜が残っている状態で半田溶融すると、半田が濡れる部分とそうでない部分とが混在し、接合品質が不均一になるためである。さらに、ワーク面内に温度ばらつきがある場合、ばらつき幅の下限が還元温度を下回ると部分的に還元が不十分となり、逆に、ばらつき幅の上限が半田溶融温度を上回ると部分的に意図しない半田接合が進んでしまうため、ワーク面内の温度ばらつき幅が大きいと、裕度が狭くなり温度制御が難しくなるという問題点があった。

また、ヒータは、還元雰囲気中だけでなく、減圧中でもワークを加熱する必要があるが、減圧中でワークを加熱する場合、コイルヒータなどを備えたホットプレートによる接触加熱方式が一般的である。しかし、基板にフィンやチップを接合する場合や、複数枚の基板を層状に重ねて接合する場合など、立体的構成を持つワークに対しては、加熱面とワークの接触面積が十分に確保できない、あるいは、接触面がワーク内で偏るといった理由から、ワークの昇温にばらつきが生じてしまうという問題点があった。

また、非接触加熱方式であるランプヒータを用いた場合でも、ランプを中心に放射状に広がる遠赤外線を基板の平面に対して均一に照射し、ワーク内の温度ばらつきを抑えながら昇温できるような構成にするのは難しいという問題点があった。
さらに、加熱時にワーク面内に温度ばらつきが生じると、冷却時にも半田内で冷却ムラが生じやすく、引け巣などの不良が発生するという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、加熱によるワークの温度のばらつきを低減するリフロー装置を提供することを目的とする。

この発明のリフロー装置は、
半田を有するワークを、加熱しながら上記半田の酸化膜を還元して、加熱しながら上記半田の接合を行うリフロー装置において、
上記ワークを非接触にて加熱するとともに、上記ワークとの相対的な距離を変更可能で少なくとも接合の加熱を行うための加熱機構部を備えたものである。

この発明のリフロー装置は、上記のように構成されているため、
加熱によるワークの温度のばらつきを低減することができる。

この発明の実施の形態１のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４のリフロー装置のトレイの構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１におけるリフロー装置の構成を示す図である。図において、リフロー装置は、ワーク１を保持して搭載するトレイ２と、ワーク１を処理するためのチャンバ４と、ワーク１の搭載したトレイ２をチャンバ４内外に移動するため、例えばコンベア方式や、トレイ２に搬送方向に可動なツメを掛けて下流側へ送る方式などにて構成される搬送機構部３と、ワーク１を非接触にて加熱し、ワーク１との相対的な距離を変更可能な加熱機構部５と、チャンバ４内に設けたワーク１を冷却する冷却機構部６とを備える。

さらに、ワーク１の搬送時に開閉する、チャンバ４の搬入出口に設けられた遮蔽扉７ａ、７ｂと、チャンバ４内に還元ガスとして、例えばカルボン酸や水素などを供給するための還元ガス供給機構部８と、チャンバ４と還元ガス供給機構部８との接続箇所に形成された開閉制御可能なバルブ９と、チャンバ４内への不活性ガスとして、例えば窒素ガスやアルゴンガスなどを供給する不活性ガス供給機構部１０と、チャンバ４内の雰囲気を排気、さらには減圧してワーク１を減圧下状態に保持する減圧機構部としての真空ポンプ１１と、真空ポンプ１１に接続され真空ポンプ１１にて排気された還元ガスを回収する還元ガス回収機構部１２とを備えている。

そして、加熱機構部５は、チャンバ４内に上下可動に形成されており、輻射加熱式のヒータの例えばカーボンカーボンコンポジットヒータにて平面形状に形成される。また、加熱機構部５は、ワーク１を上面側から加熱する上面側加熱機構部５１ａと、ワーク１を下面側から加熱する下面側加熱機構部５２ａとを備えている。また、上面側加熱機構部５１ａおよび下面側加熱機構部５２ａは、それぞれ複数に分割され、分割加熱機構部として構成され、各分割加熱機構部、すなわち、上面側加熱機構部５１ａおよび下面側加熱機構部５２ａのそれぞれは、ワーク１との相対的な距離が、それぞれにて変更可能に構成されている。さらに、上面側加熱機構部５１ａおよび下面側加熱機構部５２ａのそれぞれは、加熱温度をそれぞれ設定可能に構成されている。また、加熱機構部５の端部では、加熱機構部５の中央部に比べて温度の均一性が低下するため、加熱機構部５の端部の影響が無視できる範囲まで加熱機構部５の寸法がワーク１より大きく形成されている。

次に、上記のように構成された実施の形態１のリフロー装置の動作について説明する。まず、初期状態は、チャンバ４内を真空ポンプ１１にて排気した後、不活性ガス供給機構部１０により不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気とする。次に、遮蔽扉７ａを開き、搬送機構部３を動作させてワーク１が搭載されたトレイ２をチャンバ４内に移動して遮蔽扉７ａを閉じる。尚、ワーク１を搭載したトレイ２を複数枚に連続的に投入する場合には、チャンバ４内に１つ前に投入した処理済みのワーク１があるため、上流側の遮蔽扉７ａと下流側の遮蔽扉７ｂとを同時に開き、チャンバ４内への未処理のワーク１の移動と、チャンバ４外への処理済みのワーク１の移動とを同時に行う。

次に、チャンバ４内の雰囲気を真空ポンプ１１で排気した後、バルブ９を開いて還元ガス供給機構部８からチャンバ４内に還元ガスを供給し還元ガス雰囲気として、バルブ９を閉じる。次に、チャンバ４内の加熱機構部５を昇温してワーク１の加熱を開始する。この際、加熱機構部５の各上面側加熱機構部５１ａおよび下面側加熱機構部５２ａの位置（高さ）（ワーク１との加熱機構部５との相対的な距離のことであり、以下、「位置」として称する場合もある）を、ワーク１の形状（凹凸）またはワーク１の熱容量に合わせて設定した位置（高さ）にあらかじめ調整しておいてもよいし、例えばセンサにてワーク１の形状を検知して適正な位置（高さ）に自動調整する機構部を設けてもよい。このようにいずれかの方法により、加熱機構部５はワーク１に対して所望の相対的な距離関係となるように調整される。

さらに、各上面側加熱機構部５１ａおよび下面側加熱機構部５２ａの加熱温度は、ワーク１に対して所望の温度になるようにそれぞれ設定されている。このように、加熱機構部５の位置（高さ）、および、温度を調整して、ワーク１内における温度ばらつきを抑制し、ワーク１の温度が還元反応が進む温度で、かつ、半田溶融温度より低くなるよう制御する。次に、ワーク１の半田の表面の酸化膜の還元が完了した後（尚、ワーク１において、半田の表面の酸化膜の他の箇所に形成された酸化膜も同様に還元されている）、チャンバ４内の雰囲気を真空ポンプ１１で排気して、例えば１０Ｐａ以下まで減圧する。そしてこの際、チャンバ４内の雰囲気（還元ガス）は還元ガス回収機構部１２で処理される。

次に、加熱機構部５の位置（高さ）、および、温度を調整して、ワーク１を半田の溶融温度まで加熱して半田の接合を行う。この際の加熱においては、上記に示した場合と同様に、半田の溶融温度となるように、加熱機構部５の位置、および、温度が適宜調整されるものである。そしてこのように、減圧中に加熱されると、ワーク１から雰囲気中への熱の流出がなく、ワーク１内のみで熱のやり取りが行われるため、より高いワーク１温度の均一性が得られる。次に、半田が接合した後に、チャンバ４内に不活性ガス供給機構部１０により不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気とする。

この際、冷却機構部６にて不活性ガスをワーク１に対して噴き付けて冷却を行う。そして、ワーク１内の加熱による温度のばらつきが抑制されているため、冷却時もワーク１の温度を均一に維持したまま降温できる。この際、冷却に用いる不活性ガスは冷却能力を向上させるために、あらかじめ低温となるように調整してもよい。また、例えば水冷式の冷却板をワーク１に押し当てるといった別の冷却方式を組み合わせてもよい。次に、チャンバ４の下流側の遮蔽扉７ｂを開き、ワーク１を搬送機構部３によりチャンバ４外に搬送して、遮蔽扉７ｂを閉じる。次に、トレイ２、および、ワーク１を搬送機構部３から取り出す。

上記のように構成された実施の形態１のリフロー装置によれば、ワークの形状（凹凸）およびワークの熱容量に合わせ、加熱機構部とワークとの相対的な距離を調整し、還元および接合の加熱を行うことができるため、ワーク内温度を均一の状態で維持しながら昇温することができる。したがって、ワーク内の温度ばらつきを抑えることができ、形状や熱容量の異なるワークに対しても、均一加熱が可能となる。

さらに、加熱機構部が複数に分割しているため、それぞれの分割加熱機構部において、位置および温度をそれぞれ設定することができるため、ワーク内温度をより一層均一の状態に維持することができる。

さらに、加熱機構部をワークの上下側からそれぞれ加熱できるようにしているため、ワーク内温度をより一層均一の状態に維持することができる。

さらに、加熱機構部を輻射加熱式にて行うため、ワークを確実に加熱することができる。

さらに、半田の接合を減圧下にて行うため、半田中のボイドを抜きながら半田の接合を行うことができる。

尚、上記実施の形態１においては、加熱機構部をワークの上下面に配置する例を示したが、これに限られることはなく、ワークの側面にワークに対向するように水平方向に可動可能な加熱機構部を備えるようにしてもよい。このように形成すれば、特にワークの厚み方向が厚い場合の均一加熱に有効となる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２におけるリフロー装置の構成を示す図である。上記実施の形態１においては、１つのチャンバにて、還元、半田の接合、冷却を行う例を示したが、本実施の形態２においては、加熱チャンバと冷却チャンバとを別々に備える場合について説明する。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。加熱機構部５が形成された加熱チャンバ４０と、この加熱チャンバ４０に遮蔽扉７ｃを介して連続して形成され、冷却機構部６に加えて、ワーク１を下部側から接触して冷却する例えば水冷式の冷却機構部６０が形成されている冷却チャンバ１３とを備える。また、不活性ガス供給機構部１０および真空ポンプ１１は、加熱チャンバ４０および冷却チャンバ１３のいずれにも接続されている。

次に、上記のように構成された実施の形態２のリフロー装置の動作について説明する。
まず、上記実施の形態１と同様に、初期状態は、加熱チャンバ４０内を不活性ガス雰囲気として、加熱チャンバ４０内にてワーク１が搭載されたトレイ２を移動して、加熱機構部５の位置（高さ）、および、温度を調整して、加熱しながら半田の表面の酸化膜を還元して、さらに、加熱しながら半田の接合を行う。そして、加熱チャンバ４０内を不活性ガス雰囲気とする。

次に、加熱チャンバ４０の下流側の遮蔽扉７ｃを開き、ワーク１を搬送機構部３により加熱チャンバ４０から冷却チャンバ１３内に搬送して、遮蔽扉７ｃを閉じる。次に、冷却チャンバ１３は、真空ポンプ１１にて排気した後、不活性ガス供給機構部１０により不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気とする。この際、上記実施の形態１と同様に冷却機構部６にて不活性ガスをワーク１に対して噴き付けて冷却を行う。さらに、冷却チャンバ１３内では、ワーク１を下部から冷却機構部６０にて冷却される。次に、ワーク１の冷却が終了すると、冷却チャンバ１３の下流側の遮蔽扉７ｂを開き、ワーク１を搬送機構部３により冷却チャンバ１３外に搬送して、遮蔽扉７ｂを閉じ、トレイ２、および、ワーク１を搬送機構部３から取り出す。

上記のように構成された実施の形態２のリフロー装置によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、加熱と冷却とを別々のチャンバにて行うことができるため、加熱機構部の余熱など熱の影響を受けず、ワークを冷却することができるため、ワークの冷却時間を短縮することができるため、省エネ、環境負荷低減、および、装置の長期使用可能となる。また、複数のワークをリフロー装置に投入して処理する場合、加熱チャンバにて還元、および、半田接合と、冷却チャンバにて冷却とを並行して行えるため、処理速度を上げることができる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３のリフロー装置の構成を示す図である。上記実施の形態２においては、加熱チャンバと冷却チャンバとを別々に備える例を示したが、本実施の形態３においては、還元するための還元チャンバと、半田接合するための加熱チャンバとを別々に備える場合について説明する。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。ワーク１の半田の表面の酸化膜を還元するための還元チャンバ１４と、この還元チャンバ１４に遮蔽扉７ｄを介して連続して形成され、加熱機構部５および冷却機構部６が形成された加熱チャンバ４１とを備えている。また、不活性ガス供給機構部１０および真空ポンプ１１は、還元チャンバ１４および加熱チャンバ４１のいずれにも接続されている。

還元チャンバ１４は、還元ガスが還元チャンバ１４内にて矢印Ｘの方向に循環できるように通路１４ａが構成されている。さらに、還元のための加熱を行う熱風循環加熱機構部１７が形成されている。この熱風循環加熱機構部１７は、還元チャンバ１４の還元ガス供給機構部８から還元ガスが供給される近傍に配設されたヒータ１５と、このヒータ１５の下側に配設されたファン１６とにて構成されている。よって、ヒータ１５により還元ガスが加熱され、この加熱された還元ガスがファン１６により還元チャンバ１４内を通路１４ａを介して循環することにより、還元チャンバ１４内すなわち、ワーク１を加熱するものである。この熱風循環方式の加熱は、減圧下で行う半田の接合の加熱には有効でないが、減圧下で行わない還元反応の加熱の場合に利用可能である。尚、加熱チャンバ４１の冷却機能を上記実施の形態２と同様に別の冷却チャンバを備えるように構成してもよい。

次に、上記のように構成された実施の形態３のリフロー装置の動作について説明する。
まず、上記各実施の形態と同様に、初期状態は、還元チャンバ１４内を不活性ガス雰囲気して、還元チャンバ１４内にてワーク１が搭載されたトレイ２を移動する。次に、バルブ９を開いて還元ガス供給機構部８から還元チャンバ１４内に還元ガスを供給し還元ガス雰囲気として、バルブ９を閉じる。これと同時に、熱風循環加熱機構部１７のヒータ１５により、還元ガスを加熱し、ファン１６により還元チャンバ１４を循環しながら、ワーク１の温度が還元反応が進む温度で、かつ、半田溶融温度より低くなるよう還元チャンバ１４内を加熱する。

次に、ワーク１の還元が終了すると、上記各実施の形態と同様に、還元チャンバ１４内を不活性ガス雰囲気にする。次に、還元チャンバ１４の下流側の遮蔽扉７ｄを開き、ワーク１を搬送機構部３により還元チャンバ１４から加熱チャンバ４１内に搬送して、遮蔽扉７ｄを閉じる。次に、加熱チャンバ４１は、真空ポンプ１１にて排気して、加熱チャンバ４１内を減圧する。次に、上記各実施の形態と同様に、加熱機構部５の位置（高さ）、および、温度を調整して、ワーク１を半田の溶融温度まで加熱して半田の接合を行う。次に、半田が接合した後に、加熱チャンバ４１内に不活性ガス供給機構部１０により不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気とするとともに冷却機構部６にてワーク１を冷却する。次に、ワーク１の冷却が終了すると、加熱チャンバ４１の下流側の遮蔽扉７ｂを開き、ワーク１を搬送機構部３により加熱チャンバ４１外に搬送して、遮蔽扉７ｂを閉じ、トレイ２、および、ワーク１を搬送機構部３から取り出す。

上記のように構成された実施の形態３のリフロー装置によれば、加熱機構部は少なくとも接合の加熱を上記各実施の形態と同様に行うため上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、還元の加熱において、熱風循環方式を用いるため、雰囲気自体が加熱源となり、ワークの隅々まで雰囲気が行き渡る熱風循環方式の方が、ワークの加熱においてより高い均一性を得られる。また、複数のトレイをリフロー装置に投入して処理する場合、還元チャンバでの還元と、加熱チャンバでの半田接合、および、冷却を並行して行えるため、処理速度を上げることができるため、省エネ、環境負荷低減、および、装置の長期使用可能となる。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４のリフロー装置に用いられるトレイの構成を示す図である。本実施の形態４においては、リフロー装置における、半田の酸化膜の還元および半田の接合においては上記各実施の形態におけるいずれかの装置で行うことができるため、特に特徴的なトレイの構成についてのみ説明する。図において、トレイ２は、ワーク１を点接触にて保持する保持部１８を備えている。この保持部１８は、錐状であれば、円錐、角錐などのいずれの形状であってもよい。トレイ２には、例えば石英ガラスなどのセラミックスやステンレス（ＳＵＳ３０４）といった、熱伝導性の低い材料を用いる。尚、トレイ２全体を上記の材料にする必要はなく、ワーク１と点接触する保持部１８のみにこれら材料を使用してもよい。

また、複数の形状の異なるワーク１に対応させるため、保持部１８の位置や本数、および、高さを任意に変更できる構成としてもよい。さらに、１枚のトレイ２に複数枚のワーク１を搭載できるように、対応する本数の保持部１８を設けておくようにしてもよい。尚、本実施の形態４においては、ワーク１の下側に保持部１８を備える例を示したが、これに限られることはなく、ワーク１の搬送時や処理時に、ワーク１の位置ずれ、脱落などを防ぐため、ワーク１の上下両面から保持部１８を当て、挟んで固定する構成としてもよい。

上記のように構成された実施の形態４のリフロー装置によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、ワークとトレイとの接触面積を小さくすることで、加熱時に、ワークとトレイとの保持部からのワーク外への熱流出を抑え、ワーク内部のみで熱のやり取りを行わせることで、ワーク内部を均一に加熱することができる。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ワーク、２ トレイ、３ 搬送機構部、４ チャンバ、５ 加熱機構部、
６ 冷却機構部、７ａ 遮蔽扉、７ｂ 遮蔽扉、７ｃ 遮蔽扉、
８ 還元ガス供給機構部、９ バルブ、１０ 不活性ガス供給機構部、
１１ 真空ポンプ、１２ 還元ガス回収機構部、１３ 冷却チャンバ、
１４ 還元チャンバ、１５ ヒータ、１６ ファン、１７ 熱風循環加熱機構部、
１８ 保持部、４０ 加熱チャンバ、４１ 加熱チャンバ、５１ａ 上面側加熱機構部、５２ａ 下面側加熱機構部。

Claims (10)

1. 半田を有するワークを、加熱しながら上記半田の酸化膜を還元して、加熱しながら上記半田の接合を行うリフロー装置において、
   上記ワークを非接触にて加熱するとともに、上記ワークとの相対的な距離を変更可能で少なくとも接合の加熱を行うための加熱機構部を備えたリフロー装置。
2. 上記加熱機構部は、複数の分割加熱機構部にて形成され、
   複数の上記分割加熱機構部は、上記ワークとの相対的な距離をそれぞれにて変更可能にて構成されている請求項１に記載のリフロー装置。
3. 複数の上記分割加熱機構部は、それぞれ加熱温度を設定可能に構成されている請求項２に記載のリフロー装置。
4. 上記加熱機構部は、上記ワークの上面側から加熱する上面側加熱機構部と、上記ワークの下面側から加熱する下面側加熱機構部とを備えている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリフロー装置。
5. 上記加熱機構部は、輻射加熱式にて加熱を行うように形成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のリフロー装置。
6. 上記半田の酸化膜を還元するため加熱を行う熱風循環加熱機構部を有する還元チャンバと、
   上記還元チャンバに連続して形成され上記加熱機構部を有する加熱チャンバとを備えた請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のリフロー装置。
7. 上記加熱チャンバに連続して形成され上記ワークを冷却するための冷却チャンバを備えた請求項６に記載のリフロー装置。
8. 上記加熱機構部を有する加熱チャンバと、
   上記加熱チャンバに連続して形成され上記ワークを冷却するための冷却チャンバとを備えた請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のリフロー装置。
9. 上記ワークを上記リフロー装置に搬送するために載置するトレイを備え、
   上記トレイは、上記ワークを点接触にて保持する保持部が形成されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のリフロー装置。
10. 加熱しながら上記半田の接合を行う場合に、上記ワークを減圧下状態に保持する減圧機構部を備えた請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のリフロー装置。

Images