JP2016115732A - 水蒸気リフロー装置及び水蒸気リフロー方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実用化を可能とする過熱水蒸気を用いる水蒸気リフロー装置及び水蒸気リフロー方法を提供することを目的とする。【解決手段】加熱水蒸気がそれぞれ供給される予熱ゾーンＺ２と均熱ゾーンＺ３と溶融ゾーンＺ４と冷却ゾーンＺ５とを有する加熱炉２を備えた水蒸気リフロー装置１において、過熱水蒸気が送給される予熱ゾーンＺ２の上流と冷却ゾーンＺ５の下流に、ヒータＨ１によって１００℃以上に加熱された空気または窒素ガスが送給される入炉側結露防止ゾーンＺ１と出炉側結露防止ゾーンＺ６をそれぞれ隣接して設けた。また入炉側結露防止ゾーンＺ１と出炉側結露防止ゾーンＺ６の気圧を予熱ゾーンＺ２及び冷却ゾーンＺ５の気圧よりも高くし、過熱水蒸気が加熱炉２の外部へ漏出しないようにした。基板Ｓが加熱炉２に入炉する際およびこれから出炉する際に、基板Ｓに触れた水蒸気が１００℃以下になって液化して結露するのを防止できる。【選択図】図１

Description

本発明は、高温の過熱水蒸気によって基板に搭載された電子部品のはんだ付けを行う水蒸気リフロー装置及び水蒸気リフロー方法に関するものである。

電子部品が搭載された基板等の被加熱体（以下、「基板」と総称する）は、リフロー装置へ送られてはんだ付けが行われる。従来のリフロー装置の加熱炉は、予熱ゾーン、均熱ゾーン、溶融ゾーン、冷却ゾーンから成っている。基板は、コンベアによって搬送されながら予熱ゾーンにおいて常温から約１５０℃以上程度まで加熱され、均熱ゾーンへ送られる。基板は均熱ゾーンにおいて約１５０℃以上程度でしばらく加熱された後、溶融ゾーンへ送られる。そして溶融ゾーンにおいて一気にはんだの融点（はんだの品種により相違するが２１９℃程度）以上の２３０℃程度まで加熱され、はんだは溶融する。次いで冷却ゾーンへ送られてファン等によって基板を冷却して溶融したはんだを固化させた後、加熱炉外へ搬出される。

空気リフローにおいては、加熱炉において上記のように基板を加熱すると、高温度で活性化された空気中の酸素によってはんだの表面は酸化され、はんだの濡れ性は低下する。そこで加熱炉内を不活性ガスである窒素ガスで充填してはんだ付けを行う窒素リフローが知られている。窒素リフローによれば、基板を高温に加熱してもはんだ表面の酸化を防止することができる。しかしながら窒素リフローは大量の窒素ガスを消費するのでコスト高となる問題点があった。

そこで窒素リフローに替わり、１００℃以上の高温の過熱水蒸気（以下、単に「水蒸気」ともいう）ではんだ付けを行う水蒸気リフローが提案されている（特許文献１、２）。

特開２００８−２７０４９９号公報 特開２０１１−８２２８２号公報

水蒸気リフローは安価な水を加熱して水蒸気に変えればよいので、窒素リフローよりもはるかにコスト安を実現できるが、未だ実用化されていない。その主たる理由の一つは、結露の問題が解決されていないからである。詳しくは、次のとおりである。上述のように、リフロー装置の加熱炉では基板を常温から約１５０℃以上程度まで基板を急速に加熱するが、その際（すなわち基板が加熱炉に入炉する際）、結露境界温度である１００℃を超える高温の過熱水蒸気が常温（例えば２０℃程度）の基板に触れると、水蒸気は基板表面で液化して結露し、結露ははんだ、基板上の電極、基板に搭載された電子部品等を劣化させる。また結露した水が基板内に入り、その後の加熱で水蒸気化してその体積膨張により基板が破壊されるおそれがある。

また溶融ゾーンにおいて高温の水蒸気によりはんだを２３０℃程度で溶融させた後、冷却ゾーンにおいて冷却し、はんだを固化させて加熱炉から搬出するが、その際（すなわち基板が加熱炉から出炉する際）も、１００℃以上の余熱を有する基板に炉出口から流出する１００℃以上の水蒸気が触れると、基板表面で液化して結露し、はんだ、基板上の電極、基板上にはんだ付けされた電子部品等を劣化させる。以上のような結露の問題から、水蒸気リフローは未だ実用化されていない現状にある。

そこで本発明は上記した基板の入炉時、出炉時の結露の問題を解決し、実用化を可能とする過熱水蒸気を用いる水蒸気リフロー装置及び水蒸気リフロー方法を提供することを目的とする。

本発明の水蒸気リフロー装置は、過熱水蒸気がそれぞれ供給される予熱ゾーンと均熱ゾーンと溶融ゾーンと冷却ゾーンを有する加熱炉を備え、基板を基板搬送手段により加熱炉内を搬送しながら基板の電極上に電子部品をはんだ付けする水蒸気リフロー装置であって、予熱ゾーンの上流と冷却ゾーンの下流にヒータによって加熱された１００℃以上の空気または窒素ガスが供給される入炉側結露防止ゾーンと出炉側結露防止ゾーンをそれぞれ隣接して備え、基板の入口を有する入炉側結露防止ゾーンと基板の出口を有する出炉側結露防止ゾーンの気圧を予熱ゾーン及び冷却ゾーンの気圧よりも高くする。

本発明の水蒸気リフロー方法は、入口から搬入される電子部品が搭載された基板をヒータによって加熱された空気または窒素ガスにより１００℃以上に加熱する入炉側結露防止工程と、この基板をヒータによって加熱された１００℃以上の過熱水蒸気により加熱する予熱工程と、基板をヒータによって加熱された過熱水蒸気により１５０℃以上まで更に加熱する均熱工程と、基板をヒータによって加熱された過熱水蒸気によりはんだの溶融温度以上まで加熱してはんだを溶融させる溶融工程と、基板をヒータによって加熱された過熱水蒸気により冷却する冷却工程と、基板をヒータによって加熱された空気または窒素ガスにより冷却して出口から搬出する出炉側結露防止工程とを含み、基板を基板搬送手段により搬送しながら上記各工程を実行してはんだ付けを行う水蒸気リフロー方法であって、入炉側結露防止工程と出炉側結露防止工程の気圧を予熱工程及び冷却工程の気圧よりも高くする。

本発明によれば、基板が加熱炉に入炉する際およびこれから出炉する際に、基板に触れた水蒸気が１００℃以下になって液化して結露するのを防止できるので、実用可能な水蒸気リフローを実現できる。

また入炉側結露防止ゾーンと出炉側結露防止ゾーンの気圧を予熱ゾーン及び冷却ゾーンの気圧よりも高くすることにより、予熱ゾーンと冷却ゾーンの水蒸気が、入炉側結露防止ゾーンの入口と出炉側結露防止ゾーンの出口から加熱炉外へ漏出し、加熱炉の外面に触れて結露し、この外面を水浸しにして漏らすのを防止することができる。

本発明の一実施の形態における水蒸気リフロー装置の側面図 本発明の一実施の形態における水蒸気リフロー装置の断面図 本発明の一実施の形態における水蒸気リフロー装置の温度プロファイル図

図１において、水蒸気リフロー装置１は、加熱炉２を主体としている。加熱炉２の内部は、基板搬送路の上流から下流へ向って第１ゾーン（入炉側結露防止ゾーンとしての空気予備加熱ゾーン）Ｚ１、第２ゾーン（予熱ゾーンとしての第１の過熱水蒸気予備加熱ゾーン）Ｚ２、第３ゾーン（均熱ゾーンとしての第２の過熱水蒸気予備加熱ゾーン）Ｚ３、第４ゾーン（溶融ゾーンとしての第３の過熱水蒸気予備加熱ゾーン）Ｚ４、第５ゾーン（冷却ゾーンとしての第４の過熱水蒸気冷却ゾーン）Ｚ５、第６ゾーン（出炉側結露防止ゾーンとしての空気冷却ゾーン）Ｚ６を含む複数のゾーンを順に隣設して成っている。

加熱炉２の内部には基板搬送手段を構成するコンベア３が配設されており、基板Ｓをコンベア３により上流の第１ゾーンＺ１から下流の第６ゾーンＺ６へ加熱炉２内を搬送しながらはんだ付けが行われる。

図１の部分拡大図Ｋに示すように、基板Ｓの上面には前工程である電子部品実装工程において電子部品Ｐが搭載されている。電子部品Ｐの両側部の電極Ｅは、基板Ｓの表面に形成された電極Ｅ’上にペースト状はんだ等のはんだｈにより装着されている。はんだとしては、鉛フリーはんだ等が用いられる。電子部品Ｐが搭載された基板Ｓは、第１ゾーンＺ１の前面に設けれらた入口１０ａから第１ゾーンＺ１に搬入され、各ゾーンＺ１〜Ｚ６内を搬送された後、第６ゾーンＺ６の後面に設けられた出口１０ｂから搬出される。以下、各ゾーンＺ１〜Ｚ６について順に説明する。

加熱炉２の下方には、空気加熱装置である第１ヒータＨ１が配設されており、第１ゾーンＺ１の下面の開孔部１１から１００℃以上（例えば１２０℃程度）の高温の空気が送給して供給され、上面の開孔部１２から排出される。したがって、第１ゾーンＺ１は、コンベア３により搬入されて加熱炉２に入炉した基板Ｓを常温から水蒸気の結露（液化）境界温度である１００℃以上（１２０℃程度）に加熱する入炉側結露防止ゾーンとしての空気予備加熱ゾーンになっている。

第１ゾーンＺ１の下流には、第２ゾーン（第１の過熱水蒸気予備加熱ゾーン）Ｚ２、第３ゾーン（第２の過熱水蒸気予備加熱ゾーン）Ｚ３、第４ゾーン（溶融ゾーン）Ｚ４、第５ゾーン（過熱水蒸気冷却ゾーン）Ｚ５、第６ゾーン（空気冷却ゾーン）Ｚ６が基板搬送路の上流から下流へ向って順に隣設されている。過熱水蒸気ゾーンである第２ゾーンＺ２〜第５ゾーンＺ５の外部には、それぞれ第２ヒータＨ２、第３ヒータＨ３、第４ヒータＨ４、第５ヒータＨ５が配設されている。第２ヒータＨ２〜第５ヒータＨ５の過熱水蒸気の送出側にはそれぞれ温度センサ４が設けられており、これらから送出される過熱水蒸気の温度を測定する。

第２ゾーンＺ２〜第５ゾーンＺ５の上面には、それぞれ開孔部２１、３１、４１、５１が開孔されている。第２ヒータＨ２は、１２０℃程度の水蒸気、すなわち第１ヒータＨ１によって加熱されて第１ゾーンＺ１に供給される空気と同程度の温度の水蒸気を開孔部２１から第２ゾーンＺ２に送給して供給する。第３ヒータＨ３は、更に高温（例えば約１８０℃程度）の水蒸気を開孔部３１から第３ゾーンＺ３に供給する。第４ヒータＨ４は、はんだ溶融温度である２１９℃程度以上（例えば約２３０℃程度）の水蒸気を開孔部４１から第４ゾーンＺ４に送給して供給する。第５ヒータＨ５は、結露温度である１００℃に近い低温度（例えば約１２０℃程度）の水蒸気を開孔部５１から第５ゾーンＺ５に供給する。また上述した第１ヒータＨ１は、第５ゾーン（冷却ゾーン）Ｚ５の下流に隣接する第６ゾーン（出炉側結露防止ゾーン）Ｚ６の下面の開孔部６１から１００℃に近い低温度（例えば１２０℃程度。すなわち結露境界温度である１００℃よりもやや高温であって水蒸気の結露を防止できる温度）の空気を供給する。第６ゾーンＺ６の上面には空気を排出するための開孔部６２が形成されている。

過熱水蒸気ゾーンであるゾーンＺ２〜Ｚ５の気圧は、大気圧（１気圧）と同気圧もしくは略同気圧である。これに対し、第１ゾーン（入炉側結露防止ゾーン）Ｚ１と第６ゾーン（出炉側結露防止ゾーン）Ｚ６の気圧は、第２ゾーン（予熱ゾーン）Ｚ２及び第５ゾーン（冷却ゾーン）Ｚ５の気圧（上述のように大気圧（１気圧）もしくは略同気圧）よりもやや高い気圧（例えば１．０１気圧）に設定される。

以上のようにこの加熱炉２は、第２ゾーン（予熱ゾーン）Ｚ２の上流と第５ゾーン（冷却ゾーン）Ｚ５の下流に、第１ヒータＨ１によって加熱された１００℃以上の空気が供給される第１ゾーン（入炉側結露防止ゾーン）Ｚ１と第６ゾーン（出炉側結露防止ゾーン）Ｚ６をそれぞれ隣接して備えている。そして、第１ゾーンＺ１と第６ゾーンＺ６の気圧を第２ゾーンＺ２及び第５ゾーンＺ５の気圧よりもやや高くしている。したがって、第２ゾーンＺ２内や第５ゾーンＺ５内の水蒸気が第１ゾーンＺ１や第６ゾーンＺ６に侵入して入口１０ａや出口１０ｂから加熱炉２の外部へ漏出することを防止できる。すなわち第１ゾーンＺ１と第６ゾーンＺ６は、過熱水蒸気ゾーン内の水蒸気が加熱炉２の外部へ漏出するのを防止するエアカーテンになっている。なお加熱炉２内の水蒸気が入口１０ａ及び出口１０ｂから外界に漏出すれば、漏出した水蒸気は外気に触れて冷却され、更に加熱炉２の外面に触れて結露し、この外面を水浸しにして濡らすことになる。また入口１０ａから第１ゾーンＺ１に搬入されようとする基板Ｓも濡らすことになる。このような結露は、加熱炉２の外面を汚すだけでなく、基板Ｓの正しい加熱や加熱炉２の正確な温度制御を困難にする。

予熱ゾーンＺ２や冷却ゾーンＺ５の気圧を１気圧以下（例えば０．９９気圧）とし、第１ゾーンＺ１及び第６ゾーンＺ６の気圧をこれよりも高い気圧（例えば大気圧と同圧の１気圧）とすることによっても、上述と同様のエアカーテン効果を得ることができる。要は、第１ゾーンＺ１と第６ゾーンＺ６の気圧を第２ゾーンＺ２と第５ゾーンＺ５の気圧よりも相対的に高くして、第２ゾーンＺ２や第５ゾーンＺ５の水蒸気が加熱炉２外へ漏出しないようにすればよい。

本実施の形態では、第１ヒータＨ１によって空気を１００℃以上に加熱して第１ゾーンＺ１と第６ゾーンＺ６に送給して供給しているが、空気に替えて窒素ガスを第１ヒータＨ１によって１００℃以上に加熱して第１ゾーンＺ１と第６ゾーンＺ６に供給してもよい。このようにすれば、入炉時と出炉時のはんだ等の酸化をより確実に防止できる。但し、このように窒素ガスを用いればそれだけコスト高になるが、窒素ガスの消費量は従来の窒素リフローよりもはるかに少量で済む。

第２ヒータＨ２〜第５ヒータＨ５は、管路５を介して水蒸気発生装置６に接続されている。水蒸気発生装置６は、第１の制御部７により制御される。第１ヒータＨ１は第２の制御部８により制御される。なお第１ヒータＨ１側は、空気を第１ゾーンＺ１と第６ゾーンＺ６に送り込むためのファンを備えており、ファンの回転数を制御することにより、上記のように第１ゾーンＺ１と第６ゾーンＺ６の気圧を第２ゾーンＺ２や第５ゾーンＺ５の気圧よりも高くすることができる。第２ヒータＨ２〜第５ヒータＨ５は第３の制御部９により制御される。

第２ゾーンＺ２〜第５ゾーンＺ５の下面には排気孔２２、３２、４２、５２が形成されている。各排気孔２２、３２、４２、５２は管路７０により水槽７１に通じている。管路７０の途中には冷却器７２、フラックス除去器７３が設けられている。したがって、各排気孔２２、３２、４２、５２から排出された水蒸気は冷却器７２で冷却されて液化し、フラックス除去器７３で有害なフラックスを除去したうえで水槽７１に還流される。水槽７１に貯留された水はポンプ７４で汲み上げられ、管路７５を通して水蒸気発生装置６に還流される。これにより、水を繰り返し反復利用できる。管路７５の途中には、送水を調整するためのバルブ７６が設けられている。

図２は加熱炉２の断面を示している。加熱炉２は、シート状体を略Ｕ字形に成形して成る複数の箱体８１、８２、８３、８４を重ねるようにして成っており、各箱体８１、８２、８３、８４の間は複数の断熱空間Ｇとなっている。断熱空間Ｇには、断熱材を内装してもよい。各箱体８１〜８４の上端部は、左右一対の第１フレーム９１、９１および第２フレーム９２、９２に結合されている。第１フレーム９１、９１間にはカバー板としての透明板９３が装着されている。また第２フレーム９２、９２間には透明板であるアーチ状の保護板９４が装着されている。加熱炉２の天井のカバー板となる透明板９３や保護板９４としては、ガラス板やプラスチック板等が適用できる。なお、保護板９４はアーチ状に限定されず、他の形状（例えば平板）を採用してもよい。

この水蒸気リフロー装置１は、基板搬送手段であるコンベア３の上方にヒータ等の器具を配設する必要がないので、透明板９３や保護板９４で加熱炉２の天井板を形成することにより、作業者は上方から加熱炉２の内部の状態、殊に第４ゾーン（溶融ゾーン）Ｚ４においてはんだｈが正常に溶融しているか否か、すなわち正常にはんだ付けされているか否かをリアルタイムで直接視認することができるので、より適正な運転管理が可能となる。このように、加熱炉２は、少くとも第４ゾーン（溶融ゾーン）Ｚ４の天井を上方から視認可能な透明板とすることが望ましい。また加熱炉２内をコンベア３により搬送される基板Ｓは、コンベア３から落下する等のトラブルが発生するが、この加熱炉２によれば、このようなトラブルの有無を容易に上方から視認することができる。

図３は加熱炉２の各ゾーンＺ１〜Ｚ６の温度プロファイルを示すものである。一点鎖線Ｔ１で示す温度プロファイルは、はんだ付けするための理想（目標）の温度プロファイルである。太線Ｔ２で示す温度プロファイルは、各ヒータＨ１〜Ｈ５により実現される各ゾーンＺ１〜Ｚ６の雰囲気温度の温度プロファイルである。破線Ｔ３で示す温度プロファイルは、各ゾーンＺ１〜Ｚ６の雰囲気温度によって加熱される基板Ｓの実際の温度プロファイルである。したがってヒータＨ１〜Ｈ５によって実現される各ゾーンＺ１〜Ｚ６の雰囲気温度により、基板Ｓの実際の温度プロファイルＴ３を理想の温度プロファイルＴ１に極力近づけることが望ましい。なお、図１にも、理想の温度プロファイルＴ１と基板Ｓの実際の温度プロファイルＴ３を記載している。

この水蒸気リフロー装置１は上記のような構成により成り、次に図１及び図３を参照してリフロー工程を説明する。図１において、常温の基板Ｓは入口１０ａから第１ゾーンＺ１に搬入され（加熱炉２に入炉され）、第１ヒータＨ１によって加熱された空気により、結露を防止できる１００℃以上に加熱される（入炉側結露防止工程）。このように第１ゾーンＺ１において、結露温度である１００℃以上に空気中で基板Ｓを加熱したうえで、最初の水蒸気ゾーンである第２ゾーンＺ２に基板Ｓは搬入される。そして第２ヒータＨ２によって過熱水蒸気により１２０℃程度に継続して加熱されるので（予熱工程）、第２ゾーンＺ２において水蒸気が基板Ｓに触れて基板表面で結露（液化）することを防止できる。

次に基板Ｓは第３ゾーンＺ３に搬入され、第３ヒータＨ３によって加熱された過熱水蒸気によりはんだの融点である２１９℃程度により近い１５０℃以上の約１８０℃程度まで更に加熱される（均熱工程）。

次いで基板Ｓは第４ゾーンＺ４に搬入され、第４ヒータＨ４によって加熱された過熱水蒸気によりはんだの溶融温度である融点（２１９℃程度）以上の２３０℃程度まで急速に加熱され、これによりはんだは溶融する（溶融工程）。

次いで基板Ｓは第５ゾーンＺ５へ搬入され、第５ヒータＨ５によって加熱された過熱水蒸気により１００℃に近い温度（例えば１２０℃程度）に冷却され、はんだｈはその融点以下となることで固化する（過熱水蒸気による冷却工程）。

次いで基板Ｓは、第１ヒータＨ１によって加熱された１００℃以上（例えば１２０℃程度）の空気ゾーンへ搬送され（出炉側結露防止工程）た後、基板Ｓは出口１０ｂから加熱炉２外へ搬出される。この結果、水蒸気ゾーンから空気ゾーンにかけて基板は１００℃以上のため結露することは無い。基板Ｓが全ゾーンＺ１〜Ｚ６を通過するのに要する時間（水蒸気リフローに要する全時間）は例えば１５０秒程度に短縮することが可能であり、従来の空気リフローや窒素リフローよりもきわめて短時間である。したがって加熱炉の全長を短縮し、小型のリフロー装置を実現できる。

本発明は、電子部品を鉛フリーはんだ等のはんだにより基板の電極上にはんだ付けするリフロー装置およびリフロー方法として特に有用である。

１ 水蒸気リフロー装置
２ 加熱炉
３ コンベア（基板搬送手段）
５ 管路
６ 水蒸気発生装置
１０ａ 入口
１０ｂ 出口
７０ 管路
７１ 水槽
８１〜８４ 箱体
９３ 透明板
Ｇ 断熱空間
Ｈ１〜Ｈ５ ヒータ
Ｚ１ 第１ゾーン（入炉側結露防止ゾーン）
Ｚ２ 第２ゾーン（予熱ゾーン）
Ｚ３ 第３ゾーン（均熱ゾーン）
Ｚ４ 第４ゾーン（溶融ゾーン）
Ｚ５ 第５ゾーン（冷却ゾーン）
Ｚ６ 第６ゾーン（出炉側結露防止ゾーン）
ｈ はんだ
Ｐ 電子部品
Ｓ 基板

Claims (2)

1. 過熱水蒸気がそれぞれ供給される予熱ゾーンと均熱ゾーンと溶融ゾーンと冷却ゾーンを有する加熱炉を備え、基板を基板搬送手段により加熱炉内を搬送しながら基板の電極上に電子部品をはんだ付けする水蒸気リフロー装置であって、
   予熱ゾーンの上流と冷却ゾーンの下流にヒータによって加熱された１００℃以上の空気または窒素ガスが供給される入炉側結露防止ゾーンと出炉側結露防止ゾーンをそれぞれ隣接して備え、
   基板の入口を有する入炉側結露防止ゾーンと基板の出口を有する出炉側結露防止ゾーンの気圧を予熱ゾーン及び冷却ゾーンの気圧よりも高くすることを特徴とする水蒸気リフロー装置。
2. 入口から搬入される電子部品が搭載された基板をヒータによって加熱された空気または窒素ガスにより１００℃以上に加熱する入炉側結露防止工程と、この基板をヒータによって加熱された１００℃以上の過熱水蒸気により加熱する予熱工程と、基板をヒータによって加熱された過熱水蒸気により１５０℃以上まで更に加熱する均熱工程と、基板をヒータによって加熱された過熱水蒸気によりはんだの溶融温度以上まで加熱してはんだを溶融させる溶融工程と、基板をヒータによって加熱された過熱水蒸気により冷却する冷却工程と、基板をヒータによって加熱された空気または窒素ガスにより冷却して出口から搬出する出炉側結露防止工程とを含み、基板を基板搬送手段により搬送しながら上記各工程を実行してはんだ付けを行う水蒸気リフロー方法であって、入炉側結露防止工程と出炉側結露防止工程の気圧を予熱工程及び冷却工程の気圧よりも高くすることを特徴とする水蒸気リフロー方法。

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