JP2020173958A - マイクロ波加熱装置及びマイクロ波加熱方法 - Google Patents
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- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
Abstract
Description
マイクロ波による効率的な加熱技術に関し、マイクロ波などの電磁波を吸収して発熱するフェライトを用いることが報告されている。例えば特許文献2には、電子レンジ用調理皿であるセラミックス成型体に特定組成のMgCu系フェライト粒子を分散させることにより、マイクロ波で調理器具本体を発熱させ、その熱で食材を加熱して調理することが開示されている。また、特許文献3、4には、フェライト粉末を微量に含有した発熱体を、マイクロ波を用いて加熱し、食品等を加熱、調理することが開示されている。また特許文献5には、特定組成のY型六方晶フェライトを調理用器具に含有させて、電子レンジ用の調理用器具として用いることが開示されている。
[1]
マイクロ波照射空間と、前記マイクロ波照射空間内に配され、該マイクロ波によって加熱される発熱パターンを有する支持体とを備え、前記支持体へのマイクロ波照射により前記発熱パターンを選択的に加熱するマイクロ波加熱装置。
[2]
前記の支持体が有する発熱パターンの加熱により、前記支持体上に配した基材上の被加熱対象物を該発熱パターンに対応して加熱する、[1]に記載のマイクロ波加熱装置。
[3]
前記被加熱対象物が、電子部品を固定するためのはんだである、[2]に記載のマイクロ波加熱装置。
[4]
前記の支持体が有する発熱パターンは、強磁性体及び非磁性体のいずれか1種、又は2種以上を組み合わせた、薄膜、粉末の集合体又は液体によって形成される[1]〜[3]のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
[5]
前記マイクロ波照射空間は、シングルモードの定在波が形成される空胴共振器内の空間であり、前記マイクロ波照射空間における電界強度が極小で磁界強度が極大となる磁界領域若しくは磁界強度が極小で電界強度が極大となる電界領域に前記支持体を配する、[1]〜[4]のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
[6]
前記空胴共振器が円筒型のマイクロ波照射空間を有する空胴共振器である[5]記載のマイクロ波加熱装置。
[7]
前記マイクロ波加熱装置は、被加熱対象物を有する基材が通過して該基材を前記マイクロ波照射空間内に搬入するための、前記空胴共振器の胴部壁に配した入口と、前記基材が通過して該基材を前記マイクロ波照射空間内から搬出するための、前記空胴共振器の胴部壁に配した出口と、前記支持体を、前記入口から搬入し、前記磁界領域を通過して前記出口から搬出する搬送機構とを有し、前記マイクロ波照射空間内には、該マイクロ波照射空間の円筒中心軸に沿って磁界強度が一様かつ極大となるTMn10(nは1以上の整数)モード若しくはTE10n(nは1以上の整数)モードの定在波が形成される、[6]に記載のマイクロ波加熱装置。
[8]
前記マイクロ波照射空間に、前記円筒中心軸に沿って磁界強度が一様となるTM110モードの定在波が形成される、[7]に記載のマイクロ波加熱装置。
[9]
前記支持体上に前記発熱パターンを形成する第一群装置と、前記支持体と基材とを重ね合わせた状態にしたときに前記発熱パターン上となる位置の前記基材上に被加熱対象物を配する第二群装置とを備え、前記マイクロ波加熱装置によって、前記支持体と前記基材とを重ね合わせた状態で前記発熱パターンを加熱することによって、前記被加熱対象物を加熱する[1]〜[8]のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
[10]
前記マイクロ波加熱装置が、1つ若しくは複数の前記マイクロ波照射空間を有する[1]〜[9]のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
[11]
被加熱対象物が配された基材と、該被加熱対象物に対応していてマイクロ波によって加熱される発熱パターンを有する支持体とを重ね合わせて積層体とする工程と、前記積層体を円筒型の空胴共振器内に搬送する工程と、前記円筒型の空胴共振器内に定在波を形成して、円筒中心軸に沿って磁界強度が一様かつ極大となる磁界領域を形成することにより前記発熱パターンを加熱し、該発熱パターンの発熱によって前記被加熱対象物を加熱する工程とを含むマイクロ波加熱方法。
[12]
前記発熱パターンは、前記磁界領域の磁界の作用により生じる磁気損失による発熱、及び前記磁界領域の磁界により前記発熱パターン内に発生される誘導電流による発熱のいずれか一方又は両方の発熱作用により加熱される[11]に記載のマイクロ波加熱方法。
[13]
前記定在波は、TMn10(nは1以上の整数)モード若しくはTE10n(nは1以上の整数)モードである[11]又は[12]に記載のマイクロ波加熱方法。
[14]
前記空胴共振器内の前記定在波の形成状態を維持するために、該空胴共振器に形成された定在波の共振周波数の変化に対応して、該空胴共振器に供給するマイクロ波の周波数を自動調整することを含む[11]〜[13]のいずれかに記載のマイクロ波加熱方法。
例えば、発熱パターン60の形状は被加熱対象物8の形状に対応させた形状とすることが好ましい。図示例では平面視四角形であるが、被加熱対象物8の複雑な形状に合わせた形状とすることもできる。例えば、被加熱対象物8の形状に対して相似形状としてもよい。また発熱パターン60は、支持体50上に1個が配されていても、複数個が配されていてもよい。その配列形態は被加熱対象物の配列形態に対応していることが好ましい。さらに複数の被加熱対象物8が接近して基材6上に配されている場合、発熱パターン60は、複数の被加熱対象物8に対応した形状にされていてもよい。
また、発熱パターン60の材料には以下の材料が挙げられる。
例えば、磁界加熱が好ましい発熱パターンの材料には、磁性体が挙げられる。磁性体とは通常、強磁性体をいう。強磁性体には、鉄、コバルト、ニッケル、若しくはそれらの合金、または強磁性を示すフェライトが挙げられる。フェライトは、酸化鉄を主成分とするセラミックスの総称であり、コバルト、ニッケル、マンガン等を1種以上混合した焼結体である。また磁界加熱によって加熱可能な発熱パターンの材料には、非磁性体である金属導体、誘電体(絶縁体)等があげることもできる。さらに、上記強磁性体、非磁性体のいずれか1種、又は2種以上を組み合わせたものを発熱パターン形成材料として用いることもできる。上記発熱パターンは、例えば、薄膜、粉末の集合体又は液体によって形成することができる。また、発熱パターン60は支持体50の内部に埋め込んでもよい。
マイクロ波照射によって形成した磁界により発生した渦電流損(誘導電流による抵抗)によって発熱される発熱パターンとしては、非磁性体の金属が挙げられ、例えば、銀ペーストパターン、銅ペーストパターン、金ペーストパターン等が挙げられる。
マイクロ波照射によって形成した磁界により生じる磁性損失によって主に発熱される発熱パターンとしては、ニッケルペーストパターンが挙げられる。その他には、鉄合金粉末パターン、四三酸化鉄(Fe3O4)粉末パターン、センダスト(鉄・ケイ素・アルミニウム)合金粉末パターン等が挙げられる。
または、マイクロ波照射によって形成した電界により加熱される発熱パターンとしては、上記強磁性体と誘電体とを混合したペーストを焼成した発熱パターンがある。このような発熱パターンとしては、ニッケルペーストと酸化アルミニウムとを混合(例えば1:1に混合)して焼成したものが挙げられる。
図1に示すように、支持体50の第1面50S側(例えば表面側)には、マイクロ波によって選択的に加熱される発熱パターン60が形成される。この発熱パターン60は、基材6に配された電極パターン7(図2も併せて参照)上に配された被加熱対象物(以下、はんだとして説明する)8(図2を参照)がこの発熱パターン60に対応した位置になるように配される。通常、発熱パターン60は、電極パターン7と電極パターン7にはんだ付けされる電子部品9(図2も併せて参照)の電極(図示せず)との間のはんだ8に対応するように、支持体50に形成される。
基材6には、電極パターン7が形成され、該電極パターン7上にはんだ8が配され、はんだ8上に電子部品9の電極(図示せず)を介して該電子部品が搭載される。その際、例えば、支持体50に形成された位置合わせマーク(図示せず)と基材6に形成された位置合わせマーク(図示せず)とを合せることによって、支持体50と基材6との位置合わせを行うことが好ましい。また、基材6が透明性を有するものであれば、発熱パターン60と電子部品9との位置合わせを行ってもよい。位置合わせ方法は、例えば、発熱パターン60の位置と電子部品9の位置とを撮像して画像処理により求める方法等を採用することができる。
その際、支持体50がほとんど加熱されなければ、基材6は発熱パターン60に対応した位置以外はほとんど加熱されない。このため、基材6に低融点基材を用いることも可能になる。発熱パターン60の直上は、発熱パターン60の発熱によって加熱される。その加熱温度は、マイクロ波の出力等を制御することによって、はんだ8が溶融する温度でかつ基材6の耐熱温度以下にすることができる。そのため、基材6に熱ダメージが加わらないようにすることができる。
加熱の終了は、マイクロ波照射領域から重ね合わせた支持体50と基材6とを取り出すことによって行う。または、支持体50から基材6を引き離すことによっても行うことができる。
図2に示すように、マイクロ波加熱装置10は、マイクロ波照射空間51を有する空胴共振器(以下、(円筒型の)空胴共振器ともいう)11を有する。空胴共振器11は、円筒型であっても、筒中心軸を中心として対向する2面が平行な多角筒型であっても、中心軸において磁界強度が極大かつ一様な定在波を形成できる。以下、円筒型の空胴共振器について説明する。
上記の搬送機構31によって、入口12から支持体50とともに基材6がマイクロ波照射空間51内に入り、加熱処理(焼成処理)され、出口13から処理された基材6が支持体50とともに搬出される。なお、予め磁界領域52に支持体50が設置される場合には、搬送機構31は支持体50上に基材6を搬送するものでよい。上記「基材」は、通常、誘電体であり、フィルムや紙のような薄いもの(例えば、シートやテープ)でもよく、ある程度の厚みを有する樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板、酸化物基板のような板状体でもよい。また「極大」とは、極大点を含むその周囲の磁界強度が他の領域よりも強い部分も含む意味である。例えば、極大点を含む、極大値の3/4以上の領域である。また電極パターン7は、単独の導電性パターンであってもよく、また複数の導電性パターンが集まった集合パターンであってもよい。さらに導電性パターンに他のパターンを含む複合パターンであってもよい。
空胴共振器11には、マイクロ波発生器21が配され、空胴共振器11に対してマイクロ波が供給される。一般にマイクロ波周波数は0.3〜300GHzのSバンドが用いられる。又は900〜930MHzや、5.725〜5.875Hzが用いられることもある。ただし、これ以外の周波数についても用いることができる。
なお、マイクロ波供給口14から供給されるマイクロ波の周波数は、マイクロ波照射空間51内に特定のシングルモード定在波を形成することができるものである。
本発明のマイクロ波加熱装置10の構成について、順に説明する。
マイクロ波加熱装置10に用いる円筒型の空胴共振器(キャビティー)11は、一つのマイクロ波供給口14を有し、マイクロ波を供給した際にシングルモードの定在波が形成されるものであれば特に制限はない。本発明に用いる空胴共振器のマイクロ波照射空間51は、図面に示されるような円筒型に限られない。すなわち、円筒型でなくても、中心軸を中心として対向する2面が平行な多角筒型の空胴共振器であっても良い。例えば、中心軸に垂直方向の断面が、正方形、正6角形、正8角形、正12角形、正16角形等の正偶数角形の筒型、又は正偶数角形の中心軸に対して対向する2面間で潰した形状の多角形の筒型であってもよい。上記の多角筒型の空胴共振器の場合、空胴共振器内部の角は丸みを有してもよい。また、マイクロ波照射空間としては、上記の筒型の他に、上記の丸みを大きくした柱状態、楕円体、等の空間を有する空胴共振器であってもよい。
このような多角形であっても、円筒型と同様の作用(すなわち、中心軸において磁界強度又は電界強度が極大かつ一様な定在波を形成できる)を実現することができる。
空胴共振器11の大きさも目的に応じて適宜に設計することができる。空胴共振器11は電気抵抗率の小さいものが望ましく、通常は金属製であり、一例として、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウム、黄銅、ステンレス、若しくはそれらの合金等を用いることができる。又は、樹脂やセラミック、金属の表面に電気抵抗率の小さい物質をめっき、蒸着などによりコーティングしてもよい。コーティングには銀、銅、金、スズ、ロジウムを含む材を用いることができる。
搬送機構31は、供給側搬送部31A、あるいは送り出し側搬送部31B、若しくは両者を有することが好ましい。
若しくは、供給部31や供給口12、排出口13を設置しなくても良い。この場合、基材6及び支持体50はあらかじめ空胴共振器内の磁界が極大となる位置に配置しておき、しかるべき時間処理した後にマイクロ波を停止し、空胴共振器の一部を開放して、基材6を、必要により支持体50とともに取り出すことができる。
若しくは、供給部31として特段の搬送機構を用いず、空胴共振器自体を移動することもできる。この場合は、支持体50を固定しておき、空胴共振器内の磁界が極大となる位置が、発熱パターン60が形成された支持体面50Sから外れないように、空胴共振器自体を支持体面50Sに沿って平行移動させることが適している。
マイクロ波の供給には、マイクロ波発生器21、マイクロ波増幅器22、アイソレータ23、インピーダンス整合器24、アンテナ25を備えることが好ましい。
アンテナ25は、マイクロ波発生器21からマイクロ波の供給を受ける。具体的には、マイクロ波発生器21に、各ケーブル26(26A、26B、26C、26D)を順に介して、上記のマイクロ波増幅器22、アイソレータ23、整合器24、アンテナ25の順に接続される。
各ケーブル26には、例えば同軸ケーブルが用いられる。この構成では、マイクロ波発生器21から発せられたマイクロ波を、各ケーブル26を介してアンテナ25によってマイクロ波供給口14から空胴共振器11内のマイクロ波照射空間51に供給する。
本発明のマイクロ波加熱装置10に用いるマイクロ波発生器21は、例えば、マグネトロン等のマイクロ波発生器や、半導体固体素子を用いたマイクロ波発生器を用いることができる。マイクロ波の周波数を微調整できるという観点から、VCO(Voltage Controlled oscillator:電圧制御発振器)やVCXO(Voltage controlled Crystal oscillator)若しくはPLL(Phase locked loop)発振器を用いることが好ましい。
マイクロ波加熱装置10はマイクロ波増幅器22を備える。マイクロ波増幅器22は、マイクロ波発生器21によって発生されたマイクロ波の出力を増幅する機能を有する。その構成に特に制限はないが、例えば、高周波トランジスタ回路で構成される半導体固体素子を用いることが好ましい。マイクロ波発生器としてマグネトロンなど発振出力が大きいものを用いた場合はマイクロ波増幅回路を用いないこともできる。
マイクロ波加熱装置10はアイソレータ23を備える。アイソレータ23は、空胴共振器11内で発生する反射波の影響を抑制してマイクロ波発生器21を保護するためのものであり、一方向(アンテナ25方向)にマイクロ波が供給されるようにするものである。マイクロ波増幅器22やマイクロ波発生器21が反射波により破損する恐れがない場合は、アイソレータを設置しなくてもよい。この場合は装置が小型化できることや、低コスト化が可能になるメリットがある。
マイクロ波加熱装置10は整合器24を備える。整合器24は、マイクロ波発生器21〜アイソレータ23のインピーダンスとアンテナ25のインピーダンスを整合させる(合わせる)ためのものである。不整合による反射波が生じてもマイクロ波増幅器22やマイクロ波発生器21が損傷を受けうる恐れがない場合は整合器を設置しなくてもよい。若しくは、あらかじめ不整合が発生しないようアンテナ構造やマイクロ波増幅器22の持つ回路定数やケーブル26を調整することで、整合器を設置しないこともできる。この場合は装置が小型化できることや、低コスト化が可能になるメリットがある。
アンテナ25には、上記したように、例えば、モノポールアンテナやループアンテナ若しくはパッチアンテナを用いることができる。モノポールアンテナの場合、空胴共振器11の筐体や、マイクロ波供給口の筐体を接地面とし機能するよう、筐体とは絶縁体を介し空間内にアンテナ端部を露出する(図示せず)。ループアンテナの場合ループアンテナの端部は、図示しないが、空胴共振器壁面など接地電位と接続する。このアンテナ25にマイクロ波(高周波)を印加することで、ループ内に磁界が励振され空胴共振器内に定在波を形成する形態とすることができる。
例えば、上記の円筒状の空胴共振器においてTM110のシングルモード定在波を形成させた場合、中心軸Cにおいて、磁界強度が最大になり、中心軸C方向に磁界強度が均一になる。したがって、支持体50において、その上面に存在する発熱パターン60を、均一に、高効率にマイクロ波加熱することが可能になる。
上記マイクロ波加熱装置1には、被加熱対象物8の温度を測定する熱画像計測装置(サーモビュアー)41若しくは、放射温度計(図示せず)が配される。空胴共振器11には、熱画像計測装置41若しくは放射温度計(図示せず)によって被加熱対象物8等を含む基材6の温度分布を測定するための窓15が配される。熱画像計測装置41によって測定された温度分布の測定画像若しくは放射温度計によって計測された温度情報は、ケーブル42を介して制御部43に送信される。更に、空胴共振器11の胴壁11Sには電磁波センサ44が配される。電磁波センサ44によって検出した共振器11内の電磁界エネルギーに応じた信号は、ケーブル45を介して制御部43に送信される。制御部43は電磁波センサ44の信号をもとに、空胴共振器11のマイクロ波照射空間51内に発生させた定在波の形成状況(共振状況)を検知することができる。定在波が形成される、つまり共振するときは、電磁波センサ44の出力が大きくなる。電磁波センサ44の出力が極大となるよう、マイクロ波発生器の発振周波数を調整することで、空胴共振器11の持つ共振周波数と一致するようマイクロ波周波数を制御することができる。被加熱対象物の状況(挿入状態、温度等)により共振周波数は変動するため、この制御は適切な間隔で行う必要がある。変化が速い場合、被加熱対象物の供給速度が速い場合は、供給速度が変動する場合は、1ミリ秒〜1秒の間隔で行うことが望ましい。被加熱対象物が固定される場合や供給速度が変動しない場合など変化が小さい場合は、10秒〜1分間隔でもよい。又は、加熱前に一度、共振周波数を求めておけば、その後、常時制御する必要がない場合もある。
本発明のマイクロ波加熱装置10では、発熱パターン60は、導電性材料、磁性体材料、誘電体材料又はその両方を含む材料(複合材料)で構成される。このような発熱パターン60は、空胴共振器11内部の磁界強度に対応させて、例えば、支持体50上に配される。特に、空胴共振器11内に形成された定在波の磁界強度が極大になる部分に沿って支持体50を配せば、より効率的な加熱が可能になる。例えば、発熱パターン60が形成された支持体面50S(図1参照)が空胴共振器11の中心軸Cを通るように、支持体50は、入口12から供給され出口13から排出される。
発熱パターン60を液体、固体又は粉末とした場合は、それらを支持体50上に配して搬送することで連続的に発熱パターン60の温度を制御することができる。本発明のマイクロ波加熱装置10は支持体50上の発熱パターン60を選択的に加熱することができる。
又はTE10n(nは1以上の整数)モードであってもよい。この場合もn=1のTE101モードが最も好ましく、TE102、TE103モードであってもよい。
誘導加熱では、支持体50が樹脂(例えばポリイミド)で形成され、その支持体50上に導電性材料からなる発熱パターン60が配される場合、発熱パターン60は加熱されるが樹脂の支持体50は加熱されない。一般的に樹脂は磁性損失がほぼ無く、磁界を照射しても樹脂には誘導電流が発生しないため、加熱されない。一方、発熱パターン60には誘導電流が発生するため、加熱される。このように、発熱パターン60を選択的に加熱することができる。この発熱パターン60が加熱されることで、熱伝導によって、発熱パターン60に対応した位置に配された基材6、電極パターン7内の熱伝導によって被加熱対象物(例えば、はんだ)8が加熱、溶融される。そして電極パターン7に溶融、固化したはんだ8を介して電子部品9の電極(図示せず)が接合され、電子部品9が実装される。
基材6、電極パターン7、電子部品9等は上記説明した通りであり、支持体50、発熱パターン60も上記説明した通りである。
そして円筒型の空胴共振器11内に、円筒中心軸Cに沿って磁界強度が一様かつ極大となる磁界領域を形成する定在波を形成して、発熱パターン60を加熱し、該発熱パターン60の発熱によってはんだ8を加熱する。この加熱によってはんだ8が溶融され、その後固化することによって、電極パターン7にはんだ8を介して電子部品9の電極(図示せず)が接合される。すなわち、はんだ付けされ、基材6に電子部品9が実装される。
上記定在波は、TMn10(nは1以上の整数)モード若しくはTE10n(nは1以上の整数)モードが好ましく、TM110モード若しくはTE101モードがより好ましい。
第1群装置2は、支持体50上に発熱パターン60(図1参照)の形成に関する装置である。第2群装置3は、基材6上に電極パターン7、はんだ8を形成し、電子部品9を載置する装置である。第3群装置4は、本発明のマイクロ波加熱装置10が用いられる。更に、図示はしないが、後処理を行う後段の装置(図示せず)を備えることが好ましい。
これらの装置は、第1群装置2、第2群装置3、第3群装置4及び後段の装置の順に配されることが好ましい。または搬送装置(図示せず)の周囲に、第1群装置2〜第3装置4及び後段の装置が配されても好ましい。これらの第1群装置2〜第3装置4、及び後段の装置をまとめて、はんだ実装装置1ともいう。
図3に示すように、はんだ実装装置1の第1群装置2は、塗布装置と乾燥装置とを含む。塗布装置には、上記したプライマー・接着層の印刷装置及び発熱パターン印刷装置が含まれる。プライマー・接着層の印刷は、支持体50と発熱パターン60との密着性を向上させる効果がある。また、乾燥装置には、プライマー・接着層の印刷後の乾燥工程及び発熱パターン印刷後の乾燥工程を行う乾燥装置が含まれる。上記乾燥装置には、赤外線加熱装置、熱風加熱装置、ホットプレート、等の加熱装置が挙げられる。上記乾燥装置は共用することも可能である。
上記第1群装置2で形成した支持体50と第2群装置3で形成した基材6とは、第3群装置4の手前で、発熱パターン60に対してはんだ8が重なるように、重ね合わせて、第3群装置4の空胴共振器内に搬送しても良い。または、空胴共振器内で上記のように支持体50に基材6を重ね合わせても良い。
まず、上記第1群装置2によって、支持体50に発熱パターン60を印刷(例えば、スクリーン印刷)し、それを予備乾燥させる。第1群装置2の乾燥装置には、例えばホットプレートを用いる。ホットプレートを用いて、印刷された発熱パターン60を、例えば、10℃〜100℃にて1秒〜60分、乾燥させる。この予備乾燥は、発熱パターン60の焼成温度かつ基板の耐熱温度以下であれば特に制限なく、発熱パターン60に含まれる溶媒成分が蒸発して、乾燥するまで行うことが好ましい。上記予備乾燥では、ホットプレートを用いたが、ホットプレート以外の乾燥を行う加熱装置を用いることもできる。
また、電界による加熱を行うことも可能である。マイクロ波照射空間51における、磁界が事実上存在せず電界が存在する電界領域(図示せず)に、発熱パターン60を有する支持体50を基材6とともに通すことによって、電界の影響を受けて発熱パターン60を自己加熱することもできる。
<発熱パターンのマイクロ波による磁界加熱特性>
支持体50にポリイミドシートを用いた、スクリーン印刷方法によって、支持体50上に発熱パターン60を形成した(図1参照)。
具体的には、実施例1−1では、導電性銀ペースト(トーヨーケム株式会社、製品名REXALPHA)を用いてスクリーン印刷し、金属パターンの発熱パターン60(60C)(1cm×1cm)を形成した。実施例1−2では、ニッケルペースト(ニホンハンダ株式会社製、製品名 ECA202)を用いてスクリーン印刷し、磁性体パターンの発熱パターン60(60M)(1cm×1cm)を形成した。
いずれも印刷後、60℃で20分プレ焼成を行って、発熱パターン60を完成させた。
上記実施例1−1、1−2の上記発熱パターン60を形成した支持体面50S(図1参照)が、図2に示した円筒型の空胴共振器11の円筒中心軸Cに位置するように配置した。空胴共振器11内にTM110モードの定在波を形成させ、30Wの出力でマイクロ波を照射し、実施例1−1、1−2それぞれの各発熱パターン60C、60Mの温度変化を赤外線撮像装置にて観察した。
上記結果から、発熱パターン60の種類によって加熱パターンに違いがあることが明らかとなった。
<発熱パターンを用いた電子部品の実装例>
基材6としてポリエチレンテレフタレート(PET)シートを用い、スクリーン印刷方法によって、PETシート上に導電性銀ペースト(トーヨーケム株式会社製、製品名REXALPHA)を印刷した。その後、60℃で20分のプレ焼成を行い、PETシート上に銀ペーストパターンの電極パターン7を形成した。上記、電極パターン7上にはんだペーストパターン8(千住金属工業株式会社製、製品名 エコソルダーペーストLT142)を塗布により形成し、さらにはんだペーストパターン8上に電子部品9としてコンデンサを搭載した。
実施例2−1、2−2ともに、発熱パターン60に対応した位置に電子部品9が位置するように位置合わせをして、支持体50上に基材6を配した。
その結果、はんだペーストがマイクロ波照射前の状態(28℃)(図7(A)、(B)参照)から、はんだ8の溶融温度である140℃以上まで昇温したことを確認した(図7(C)参照)。そして空胴共振器11内から基材6を取り出して、基材6のPET基板の外観を観察した。その結果、はんだ8が溶融(図7(C)のはんだ8の白く輝いている部分)したこと、PET基板に変形がないことを確認した(図7(D)参照)。
その結果、はんだペーストがマイクロ波照射前の状態(28℃)(図8(A)、(B)参照)から、はんだ8の溶融温度である140℃以上まで昇温したことを確認した(図8(D)参照)。そして空胴共振器11内から基材6を取り出して、基材6のPET基板の外観を観察した。その結果、はんだ8が溶融(図8(C)のはんだ8の白く輝いている部分)したこと、PET基板に変形がないことを確認した(図8(C)参照)。
比較例1は、実施例2−1において、支持体50の代わりにポリイミドシートを用い、マイクロ波の出力100Wにした以外、実施例2−1と同様に、マイクロ波照射を60秒行った。その結果、マイクロ波照射前(図9(A)参照)と比較して、マイクロ波照射後であっても、はんだ8の溶融温度である140℃以上に温度が上がらず(100W60秒で28℃から64℃まで上昇)、はんだ8が未溶融であることを確認した(図9(B)参照)。
実施例3(3−1〜3−3)として、四三酸化鉄、鉄合金粉末、センダスト合金粉末それぞれの発熱パターンを用い、はんだペーストの溶融可否を確認する実験を行った。
[四三酸化鉄:発熱パターンを形成する下地材インクの調整]
メノウ乳鉢内で四三酸化鉄(Fe3O4、>95%、和光純薬)10gおよびエタノール(特級、和光純薬)2gを混合したのち、混練を行い、下地材インクを調製した。
[四三酸化鉄の発熱パターンの作製方法とマイクロ波磁界加熱]
支持体にカバーガラス(18×18mm、厚さ140μm)を用い、このカバーガラス上に丸穴(直径6mm)の空いたPETシート(厚さ:180μm)を設置し、該丸穴に下地材インクを20mg流し込んだ。該丸穴はカバーガラスの中心に位置するように配した。50℃のホットプレート上で30分乾燥して、発熱パターンを形成した後、PETシートを取り除いて支持体サンプルとした。
基材としてカプトン(商品名)テープ(13×13mm、厚さ60μm)を用い、そのカプトンテープに丸穴(直径6mm)の空いたPETシートの順番で設置した。その丸穴にはんだペースト(Bi58%,Sn42%、L20−BLT5−T7F、千住金属工業)20mgを流し込んだ。室温にて30分乾燥して、はんだを形成した後、該PETシートを取り除いて基材サンプルとした。
上記の手順で作製した支持体サンプルと基材サンプルとを、テフロン(登録商標)シート(厚さ1mm)を間に介して、発熱パターンとはんだとが一致するように重ねて配した。さらに図2に示したTM110シングルモードの定在波が形成されるマイクロ波加熱装置10の空胴共振器11内の中心軸Cに発熱パターンが位置するように、テフロン(登録商標)シートを介して配した支持体サンプルと基材サンプルとを設置した。そしてマイクロ波発振器の出力を30Wに設定して、マイクロ波照射を行った。
はんだの温度はサーモカメラで記録した。30Wの出力で28℃から加熱した際には四三酸化鉄の発熱パターンの到達最高温度は、391.3℃になり、はんだの溶融を確認した。
[合金粉末:発熱パターンを形成する下地材インクの調整]
メノウ乳鉢内でセンダスト合金粉末(エプソンアトミックス)10gおよびエタノール(特級、和光純薬)2gを混合したのち、混練を行い、下地材インクを調製した。
[合金粉末発熱パターンの作製方法とマイクロ波磁界加熱]
下地材インクにセンダスト合金粉末を用いた以外、実施例3−1と同様にして、支持体サンプルとカプトン(商品名)テープを用いた基材サンプルとを作製した。
上記の手順で作製した支持体サンプルと基材サンプルとを、テフロン(登録商標)シート(厚さ1mm)を間に介して、発熱パターンとはんだとが一致するように重ねて配した。さらに図2に示したTM110シングルモードの定在波が形成されるマイクロ波加熱装置10の空胴共振器11内の中心軸Cに発熱パターンが位置するように、テフロン(登録商標)シートを介して配した支持体サンプルと基材サンプルとを設置した。そしてマイクロ波発振器の出力を30Wに設定して、マイクロ波照射を行った。
はんだの温度はサーモカメラで記録した。その結果、センダスト合金粉末の発熱パターンは加熱され、28℃から到達最高温度381.2℃になり、はんだの溶融を確認した。
[鉄合金粉末:発熱パターンを形成する下地材インクの調整]
メノウ乳鉢内で鉄合金粉末(3.5%Si−Fe粉末:エプソンアトミックス社製)10gおよびエタノール(特級、和光純薬)2gを混合したのち、混練を行い、下地材インクを調製した。
[鉄合金粉末を用いた発熱パターンの作製方法とマイクロ波磁界加熱]
下地材インクに3.5%Si−Fe粉末を用いた以外、実施例3−1と同様にして、支持体サンプルとカプトンテープを用いた基材サンプルとを作製した。
上記の手順で作製した支持体サンプルと基材サンプルとを、テフロン(登録商標)シート(厚さ1mm)を間に介して、発熱パターンとはんだとが一致するように重ねて配した。さらに図2に示したTM110のシングルモードの定在波が形成されるマイクロ波加熱装置10の空胴共振器11内の中心軸Cに発熱パターンが位置するように、テフロン(登録商標)シートを介して配した支持体サンプルと基材サンプルとを設置した。そしてマイクロ波発振器の出力は25Wに設定して、マイクロ波照射を行った。
はんだの温度はサーモカメラで記録した。その結果、鉄合金粉末の発熱パターンは加熱され、28℃から到達最高温度496.4℃になり、はんだの溶融を確認した。
[ソルダーペーストのみ(発熱パターン無し)の加熱特性]
比較例2は、上記実施例3−1と同様にして、カバーガラス上にはんだを形成した。
上記の基材サンプルを、テフロン(登録商標)シート(厚さ1mm)上に配した。さらにTM110のシングルモードの定在波が形成される図2に示したマイクロ波加熱装置10の空胴共振器11のキャビティー内の中心軸Cにはんだが位置するように、基材サンプルを設置した。そしてマイクロ波発振器の出力は30Wに設定して、マイクロ波照射を行った。はんだの温度はサーモカメラで記録した。その結果、はんだを28℃から加熱到達最高温度45℃に加熱した。しかし、加熱温度が低いため、はんだは未溶融であったことを確認した。
実施例4は、発熱パターンに誘電体のチタン酸バリウムを用いた実施例である。
[チタン酸バリウム:発熱パターンを形成する下地材インクの調整]
メノウ乳鉢内でチタン酸バリウム(BaTiO3、BT―03、堺化学工業)10gおよびエタノール(特級、和光純薬)2gを混合したのち、混練を行い、下地材インクを調製した。
[チタン酸バリウムの発熱パターンの作製とマイクロ波磁界加熱]
下地材インクにチタン酸バリウムを用いた以外、実施例3−1と同様にして、支持体のサンプルとカプトンテープを用いた基材サンプルとを作製した。
上記の手順で作製した支持体サンプルと基材サンプルとを、テフロン(登録商標)シート(厚さ1mm)を間に介して、発熱パターンとはんだとが一致するように重ねて配した。さらに図2に示したTM110シングルモードの定在波が形成されるマイクロ波加熱装置10の空胴共振器11内の中心軸Cに発熱パターンが位置するように、テフロン(登録商標)シートを介して配した支持体サンプルと基材サンプルとを設置した。そしてマイクロ波発振器の出力は30Wに設定して、マイクロ波照射を行った。
はんだの温度はサーモカメラで記録し、記録情報から加熱温度の最高速度と最高到達温度を分析した。その結果、チタン酸バリウムの発熱パターンは、28℃から到達最高温度107℃に加熱されたが、融点が140℃のはんだが未溶融であることを確認した。チタン酸バリウムのような比誘電率が高い誘電体の発熱パターンであっても一定レベルまで加熱可能であることがわかった。このような発熱パターンは、例えば、被加熱対象物を100℃程度まで加熱すればよい場合に用いることができる。
実施例5は、発熱パターンにニッケル・酸化アルミニウム混合発熱パターンを用いた実施例である。
[ニッケルおよび酸化アルミニウム混合発熱パターンの下地材ペーストの作製]
メノウ乳鉢内でニッケルペースト(ニホンハンダ株式会社、製品名ECA202)および酸化アルミニウム粉末を1:1の割合で混合したのち、混練し、下地材ペーストを作製した。
[発熱パターンの作製とマイクロ波電界加熱]
スライドガラス上に、上記下地材ペーストを用いて1cm×1cm、厚さ:52μmのペースト膜を塗布により形成してサンプルを作製した。サンプルを、TM010のシングルモードの定在波が形成される図2に示したマイクロ波加熱装置10の空胴共振器11(キャビティ内)の中心軸Cの発熱パターンが位置するように配置した。そして、マイクロ波による電界加熱を行い、発熱パターンを加熱した。このときのマイクロ波発振器の出力は30Wに設定した。マイクロ波照射による温度変化を赤外モニターにて観察した。
図10に示すように、電界加熱による誘導電流の発生によるジュール損失によって加熱され、ペースト内部の温度が28℃から急激に上昇し、239.5℃になった。
電界加熱の場合、導電体であるニッケルペーストのみではスパークが発生するが、誘電体である酸化アルミニウムを混合することで導電率を低下させることができるため、スパークの発生を抑制することができた。
以上より、マイクロ波磁界加熱だけでなくマイクロ波電界加熱であっても、発熱パターンに成りうることが分かった。
上記のように発熱パターンを電界加熱する場合、被加熱対象物は、誘電体のようなスパークを発生させないような材料であることが好ましい。
2 第1群装置
3 第2群装置
4 第3群装置(マイクロ波加熱装置10)
5 第4群装置
6 基材
7 電極パターン
8 被加熱対象物(はんだ)
9 電子部品
10 マイクロ波加熱装置
11 空胴共振器
12 入口
13 出口
14 マイクロ波供給口
15 窓
21 マイクロ波発生器
22 マイクロ波増幅器
23 アイソレータ
24 整合器
25 アンテナ
26 ケーブル
31 搬送機構
31A 供給側搬送部
31B 送り出し側搬送部
41 熱画像計測装置
42、45、46、47 ケーブル
43 制御器
44 電磁波センサ
50 支持体
60 発熱パターン
C 空胴中心軸(中心軸)
Claims (14)
- マイクロ波照射空間と、前記マイクロ波照射空間内に配され、該マイクロ波によって加熱される発熱パターンを有する支持体とを備え、前記支持体へのマイクロ波照射により前記発熱パターンを選択的に加熱するマイクロ波加熱装置。
- 前記の支持体が有する発熱パターンの加熱により、前記支持体上に配した基材上の被加熱対象物を該発熱パターンに対応して加熱する、請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記被加熱対象物が、電子部品を固定するためのはんだである、請求項2に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記の支持体が有する発熱パターンは、強磁性体及び非磁性体のいずれか1種、又は2種以上を組み合わせた、薄膜、粉末の集合体又は液体によって形成される請求項1〜3のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記マイクロ波照射空間は、シングルモードの定在波が形成される空胴共振器内の空間であり、
前記マイクロ波照射空間における電界強度が極小で磁界強度が極大となる磁界領域若しくは磁界強度が極小で電界強度が極大となる電界領域に前記支持体を配する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。 - 前記空胴共振器が円筒型のマイクロ波照射空間を有する空胴共振器である請求項5記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記マイクロ波加熱装置は、被加熱対象物を有する基材が通過して該基材を前記マイクロ波照射空間内に搬入するための、前記空胴共振器の胴部壁に配した入口と、
前記基材が通過して該基材を前記マイクロ波照射空間内から搬出するための、前記空胴共振器の胴部壁に配した出口と、
前記支持体を、前記入口から搬入し、前記磁界領域を通過して前記出口から搬出する搬送機構とを有し、
前記マイクロ波照射空間内には、該マイクロ波照射空間の円筒中心軸に沿って磁界強度が一様かつ極大となるTMn10(nは1以上の整数)モード若しくはTE10n(nは1以上の整数)モードの定在波が形成される、請求項6に記載のマイクロ波加熱装置。 - 前記マイクロ波照射空間に、前記円筒中心軸に沿って磁界強度が一様となるTM110モードの定在波が形成される、請求項7に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記支持体上に前記発熱パターンを形成する第一群装置と、
前記支持体と基材とを重ね合わせた状態にしたときに前記発熱パターン上となる位置の前記基材上に被加熱対象物を配する第二群装置とを備え、
前記マイクロ波加熱装置によって、前記支持体と前記基材とを重ね合わせた状態で前記発熱パターンを加熱することによって、前記被加熱対象物を加熱する請求項1〜8のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。 - 前記マイクロ波加熱装置が、1つ若しくは複数の前記マイクロ波照射空間を有する請求項1〜9のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。
- 被加熱対象物が配された基材と、該被加熱対象物に対応していてマイクロ波によって加熱される発熱パターンを有する支持体とを重ね合わせて積層体とする工程と、
前記積層体を円筒型の空胴共振器内に搬送する工程と、
前記円筒型の空胴共振器内に定在波を形成して、円筒中心軸に沿って磁界強度が一様かつ極大となる磁界領域を形成することにより前記発熱パターンを加熱し、該発熱パターンの発熱によって前記被加熱対象物を加熱する工程とを含むマイクロ波加熱方法。 - 前記発熱パターンは、前記磁界領域の磁界の作用により生じる磁気損失による発熱、及び前記磁界領域の磁界により前記発熱パターン内に発生される誘導電流による発熱のいずれか一方又は両方の発熱作用により加熱される請求項11に記載のマイクロ波加熱方法。
- 前記定在波は、TMn10(nは1以上の整数)モード若しくはTE10n(nは1以上の整数)モードである請求項11又は12に記載のマイクロ波加熱方法。
- 前記空胴共振器内の前記定在波の形成状態を維持するために、該空胴共振器に形成された定在波の共振周波数の変化に対応して、該空胴共振器に供給するマイクロ波の周波数を自動調整することを含む請求項11〜13のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱方法。
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