JP2022119494A - 加熱装置及び加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 不活性液の気化と特定の波長領域の赤外線を放射する波長制御赤外線ヒータを利用して被加熱物を加熱した後に、装置内で不活性液を被加熱物の表面から回収することが可能となり、不活性液の装置外への持ち出しによる消費を抑制する加熱装置及び加熱方法を提供する。【解決手段】 被加熱物表面に不活性液５を供給した後、被加熱物４に含まれる官能基と異なりかつ不活性液を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を放射する波長制御赤外線ヒータ６により、被加熱物の加熱と被加熱物表面の不活性液の回収を実施する。【選択図】図１

Description

本発明は、不活性液の気化と特定の波長のみの赤外線を放射する赤外線ヒータとを利用して、被加熱物を加熱する加熱装置及び加熱方法に関するものである。

電子部品の実装工程などではんだ付けに使用されるリフロー炉として、不活性液と赤外線ヒータを利用して加熱する加熱装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は特許文献１の概略構成図である。特許文献１で開示されている構成は、以下のような構成である。

加熱装置１０１は、搬入部１０２と、不活性液噴霧槽１０３と、プリヒート部１０４と、蒸気槽１０５と、搬出部１０６とを搬送コンベア１０７に沿って一連に設ける。不活性液噴霧槽１０３では、搬送コンベア１０７に向かって不活性液噴霧用のスプレーノズル１０８を設け、反対側に不活性ミストの余剰分を回収するダクトを配置する。この回収ダクト１０９は、吸引ブロワを付設したミスト回収槽１１０に接続し、さらにポンプ１１１ａを経て蒸気槽１０５の液溜部１１２に接続する。プリヒート部１０４では、搬送コンベア１０７に沿って赤外線プリヒータ１１５を配列する。液溜部１１２は、管路１１６ａを経て温調器１１３に連通し、ポンプ１１１ｂおよび管路１１６ｂを経てスプレーノズル１０８に連通する。このスプレーノズル１０８は、不活性ミストをプリヒート前のワーク１１４に塗布する。

搬入部１０２から搬送コンベア１０７に投入されたワーク１１４は、不活性液噴霧槽１０３内でスプレーノズル１０８により不活性ミストを塗布される。その後、プリヒート部１０４で赤外線プリヒータ１１５によりプリヒートされ、不活性液の蒸気相を形成している蒸気槽１０５に搬送される。蒸気槽１０５では蒸気となった不活性液の凝縮潜熱によりワーク１１４がリフロー加熱され、ワーク１１４上の実装部品がはんだ付けされた後、搬出部１０６から搬出される。

特開平７-４７４６６号公報

しかしながら、前記特許文献１の構成では、蒸気槽１０５によりワーク１１４を加熱した後、ワーク表面に凝縮した不活性液がワーク１１４に残存したまま、炉外へ持ち出されるため、不活性液のロスが発生し、ランニングコストが増加する、という課題がある。

本発明は、このような点を鑑み、被加熱物を加熱した後に、装置内で不活性液を被加熱物の表面から回収することが可能となる加熱装置及び加熱方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる加熱装置は、
不活性液の気化と赤外線ヒータ加熱とを利用して被加熱物を加熱する加熱装置であって、
前記被加熱物を加熱する加熱室と、
前記被加熱物を前記加熱室に搬出入する搬送部と、
前記加熱室内で前記不活性液を前記被加熱物の表面に供給する不活性液供給部と、
前記加熱室の下部に設置されて前記加熱室から前記不活性液を回収する不活性液回収部と、
前記加熱室内で、前記被加熱物に含まれる官能基と異なりかつ前記不活性液を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を放射する赤外線ヒータと、
前記赤外線ヒータのヒータ電力を制御するヒータ制御部と、
気化した前記不活性液を前記加熱室内から排気し、前記不活性液回収部に回収する排気部とを備える。

また、本発明の別の態様にかかる加熱方法は、
不活性液の気化と赤外線ヒータを利用して被加熱物を加熱する加熱方法であって、
前記被加熱物を加熱室に搬入し、
前記不活性液を前記被加熱物の表面に供給し、
前記被加熱物に含まれる官能基と異なりかつ前記不活性液を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を前記赤外線ヒータから前記被加熱物に照射して前記不活性液を加熱することにより前記被加熱物を加熱するとともに、
前記被加熱物の表面から気化した前記不活性液を前記加熱室から排気し、回収する。

以上のように、本発明の前記態様の加熱装置及び加熱方法によれば、被加熱物を加熱した後に被加熱物表面に残存した不活性液を装置内で回収することが可能となり、ランニングコストを削減することができる。

本発明の第１実施形態における加熱装置の概略構成図 不活性液を供給された被加熱物を一般的な赤外線ヒータで加熱した時の温度データを示す図 本発明の第２実施形態における加熱装置の概略構成図 従来の加熱装置の概略構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１実施形態における加熱装置１の概略構成図である。

加熱装置１は、加熱室２と搬送部３と、不活性液供給部８と、不活性液回収部２３と、波長制御赤外線ヒータ６と、ヒータ制御部７と、排気部２４とを備え、不活性液５の気化と波長制御赤外線ヒータ６を利用し被加熱物４を加熱する。

加熱室２は、被加熱物４を加熱する加熱部２２の内部空間である。

搬送部３は、被加熱物４を、加熱室２内の上下方向の中間部の加熱位置２０に搬出入する、例えばベルトコンベヤなどで構成される。

不活性液供給部８は、加熱室２内で不活性液５を被加熱物４の表面、例えば、搬送部３に載置されている下面を除く、側面及び上面に供給する。具体的には、不活性液供給部８の例としてのノズルは、加熱室２内の搬送部３上での被加熱物４の加熱位置２０よりも上方の側壁面側に複数個、被加熱物４に向けられて配置され、不活性液５を被加熱物４の表面に液体の噴霧により供給する。不活性液供給部８では、加熱室２の下方に配置された不活性液槽１１に溜められた不活性液５をポンプ１２で送り出し、配管１３ａを通して、配管１３ａを開閉するバルブ９ａと計測する液量に基づきバルブ９ａを開閉制御する液量制御部９ｃとによって液量を調整されながら、不活性液供給部８から被加熱物４の表面に不活性液５が供給される。

不活性液回収部２３は、加熱室２の下部に設置された不活性液５を回収する不活性液回収口１０と、不活性液槽１１とを有する。具体的には、加熱室２の下方には、加熱室２の底面に溜まった不活性液５を回収する不活性液回収口１０が備わっている。不活性液回収口１０から排出された不活性液５は、不活性液回収口１０の下方に配置された不活性液槽１１に回収される。図１では、一例として、不活性液回収口１０は、搬送部３上での加熱位置２０の下方でかつ加熱室２の底面の中央に配置され、加熱室２の底面が不活性液回収口１０に向けてすり鉢状に傾斜して、不活性液５を効率良く回収できるようにしている。

波長制御赤外線ヒータ６は、加熱室２内で、被加熱物４に含まれる官能基と異なりかつ不活性液５を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を放射する。具体的には、加熱室２内の中央の加熱位置２０の上方には、詳細は後述するが、特定の波長の赤外線を放射する波長制御赤外線ヒータ６が設置されている。

ヒータ制御部７は、波長制御赤外線ヒータ６のヒータ電力を制御して加熱を制御する。

排気部２４は、吸引ファンによる吸引又はポンプによる減圧などの排気装置を使用して、気化した不活性液５を加熱室２内から排気口１４を通して排気し、不活性液槽１１に回収する。具体的には、加熱室２の天面には、気化した不活性液５を加熱室２から排気する排気口１４が設置されている。排気口１４に接続された排気ダクト１５を通って排気された気化した不活性液５は、気体を冷却して液体に凝縮する凝縮器１６に送られ、液化される。液化した不活性液５は、配管１３ｂを経て不活性液槽１１に回収される。

加熱装置制御部３０は、搬送部３と、ヒータ制御部７と、ポンプ１２と、液量制御部９ｃと、排気部２４とを動作制御する。

前記構成にかかる加熱装置１による加熱方法は以下の通りである。

被加熱物４は、例えば回路基板であって、搬送部３によって、加熱室２外から加熱室２内に搬入され、加熱室２内中央の加熱位置２０に搬送される。

その後、不活性液供給部８によって不活性液５が被加熱物４の表面に一定量供給される。そして、ヒータ制御部７によってヒータ電力を制御された波長制御赤外線ヒータ６から放射された赤外線により、被加熱物４表面の不活性液５が加熱され、不活性液５から被加熱物４に熱が移動する。この熱の移動で、被加熱物４が所定の温度に加熱され、プリヒートされる。

プリヒート後、波長制御赤外線ヒータ６のヒータ電力を上げることで、不活性液５及び被加熱物４がはんだの溶融温度以上になるように加熱し、リフロ―はんだ付けを行う。

さらに、はんだ付けを行った後も、波長制御赤外線ヒータ６により加熱を継続することで、被加熱物４の表面に残存した不活性液５を全て気化させ、気化した不活性液５を排気口１４から排気し、凝縮器１６で液化した後、不活性液槽１１に回収する。

ここで、波長制御赤外線ヒータ６の詳細について記述する。一般的な赤外線ヒータから放射される赤外線の波長分布は、プランクの法則に従い、絶対温度によって一意的に決まる完全黒体の熱輻射スペクトルと、金属又は誘電体などで構成される赤外線ヒータの発熱部の材料が持つ固有の放射率スペクトルとの積によって決まる。完全黒体の熱輻射スペクトルはブロードな波長分布を示し、材料が持つ放射率スペクトルも、材料によっては特定の波長に偏りのある分布を示すものの、特定の材料を構成する分子が持つ官能基の吸収波長と同程度の狭帯域のピークを持つような波長分布の赤外線を放射することは難しかった。しかし近年、発熱部の表面構造を微細加工し、放射率スペクトルを制御する研究が盛んに行われている。放射率制御に用いられている構造としては、金属と誘電体との２層の薄膜層の上に金属の孔又は突起を２次元平面状に周期的に配列した構造、又は、金属層の上に屈折率の異なる２種類の誘電体を交互に積層した積層構造などがある。このように、赤外線ヒータの発熱部の表面の微細構造を設計することによって、任意の波長において狭帯域のピークを持つ波長分布の赤外線を放射することが可能となる。

ここで、上記のような構造を持つ特定の波長領域の赤外線を放射する波長制御赤外線ヒータ６と不活性液５とを使って、被加熱物４を加熱する工程について記述する。

まず初めに、一般的な赤外線ヒータを使用した場合について説明する。図２は、一般的な赤外線ヒータを使って、表面に不活性液５を供給した被加熱物４を加熱したときの被加熱物４の表面の温度を２か所測定したデータである。

加熱工程の前半は、赤外線ヒータのヒータ電力を、被加熱物４の温度が温度プロファイルの第１段階の温度になる値（Ｗ１）に設定しており、被加熱物４の表面温度は、加熱開始直後から一定時間経過後に第１段階の温度で安定する。これは、赤外線ヒータから被加熱物４の表面の不活性液５に供給された赤外線の輻射熱と、被加熱物４表面の不活性液５が気化したときに被加熱物４から奪われる気化熱とが釣り合い、平衡状態になるためである。

加熱工程の後半は、赤外線ヒータのヒータ電力を、被加熱物４の温度が温度プロファイルの第２段階の温度になる値（Ｗ２）に設定したため、被加熱物４の表面温度は、加熱工程の前半よりも高い第２段階の温度になっている。これは、赤外線ヒータからの輻射熱が増加したため、被加熱物４の表面における熱の平衡状態が高温側に変化したためである。 このように、照射する赤外線のエネルギーを調節することで、被加熱物４の温度を制御することができる。

加熱工程の終盤では、図２の実線の測定データは、測定点の被加熱物４の表面に残っている不活性液５が全て気化するため、被加熱物４は赤外線ヒータからの輻射熱が供給されるだけとなり、図２の実線の温度データの被加熱物４の表面温度が急激に上昇している。一方、図２の点線の測定データは、測定点の被加熱物４の表面にまだ不活性液５が残っているため、実線の温度データのような表面温度の急上昇はみられない。

このように、被加熱物４の表面に存在する不活性液５の濡れムラによって、被加熱物４表面の温度変化の様子が異なるため、一般的な赤外線ヒータを使って、被加熱物４の温度を過上昇させることなく、被加熱物４の表面の不活性液５を全て気化させることは非常に困難である。一般的な熱処理においては、被加熱物４の温度は一定の範囲内で管理されており、図２の実線の温度データの終盤のような急激な温度上昇は、品質不良に繋がるため避けなければならない。

次に、第１実施形態において、表面に微細構造を施し、特定の波長の赤外線のみを放射する波長制御赤外線ヒータ６と不活性液５とを使って被加熱物４を加熱した場合について説明する。波長制御赤外線ヒータ６は、被加熱物４に含まれる官能基と異なりかつ不活性液５を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を放射、つまり、不活性液５を構成する分子の官能基が吸収し、被加熱物４を構成している分子の官能基が吸収しない波長領域の赤外線を放射する構造のものを波長制御赤外線ヒータ６として使用する。加熱室２内の加熱位置２０に搬送された被加熱物４に不活性液５を供給した後、前述の波長制御赤外線ヒータ６から放射される赤外線により不活性液５を加熱し、不活性液５から被加熱物４に熱が移動することで、被加熱物４を不活性液５と同じ温度に加熱する。一般的な赤外線ヒータを使ったときと同様に、被加熱物４の温度は波長制御赤外線ヒータ６のヒータ電力によって変化する。波長制御赤外線ヒータ６のヒータ電力を制御し、被加熱物４の温度をプリヒートに必要な温度まで加熱し、プリヒートを実施する。プリヒート後に、被加熱物４の温度がはんだ融点温度まで上昇する値に波長制御赤外線ヒータ６のヒータ電力を上げ、リフローはんだ付けを実施する。はんだ付けが完了した後も、波長制御赤外線ヒータ６により、不活性液５及び被加熱物４を加熱し続けることにより、被加熱物４の表面の不活性液５がさらに気化し、乾燥が進む。従来の赤外線ヒータであれば、不活性液５が表面から無くなった部分から被加熱物４が赤外線を吸収し、被加熱物４の温度が過上昇する。これに対して、第１実施形態では、被加熱物４に含まれる官能基と異なる不活性液５を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長の赤外線を照射することで、被加熱物４の不活性液５が気化した部分に赤外線を照射されても被加熱物４の温度が過上昇することを抑制できる。このため、不活性液５の濡れムラがある場合でも、容易に、被加熱物４の表面の不活性液５を全て気化させ、排気口１４から排気することができる。従って、被加熱物４の表面に残存した不活性液５を加熱装置１内で不活性液回収部２３で回収することが可能となり、ランニングコストを削減することができる。

また、被加熱物４を必要な温度で必要な時間加熱する間、被加熱物４の表面の不活性液５が全て気化しないだけの量の不活性液５を被加熱物４の表面に供給する必要がある。一方、クリームはんだを印刷した直後に表面を洗い流してしまうほど不活性液５を供給すると、クリームはんだも一緒に流れ出してしまう可能性がある。そのため、１回の供給量は、クリームはんだが洗い流されない量以下に留めておく必要がある。そこで、不活性液５の被加熱物４への供給機会をプリヒート前だけでなく、プリヒート中、プリヒート後、あるいはリフロー加熱中に分散して、不活性液５を被加熱物４に、適宜、追加供給することで、クリームはんだを洗い流すことなく、任意の加熱プロファイルを実施することが可能である。不活性液５の１回の供給量の上限は、クリームはんだの粘度、又は、不活性液５との親和性等を鑑みて決定される。

不活性液５の一例としては、パーフルオロアルキル基を持つフッ素系不活性液などがあり、その吸収波長は、７．４～７．８μｍと８．６μｍ～９．０μｍである。被加熱物４の一例としては、実装基板で使用されるエポキシ樹脂などがあり、その吸収波長は、６．５～６．８μｍと７．９～８．４μｍである。つまり、波長制御赤外線ヒータ６から７．４～７．８μｍあるいは８．６μｍ～９．０μｍの波長領域の赤外線を放射すれば、上記のような不活性液５を使った被加熱物４の加熱を実現することができる。

以上のように、第１実施形態によれば、不活性液５を被加熱物４の表面に供給した後、被加熱物４に含まれる官能基と異なりかつ不活性液５を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を照射、つまり、不活性液５を構成する分子に含まれており、且つ被加熱物４を構成する分子に含まれていない官能基が吸収する波長領域の赤外線を照射して被加熱物４を加熱した後に、被加熱物４の表面に残存した不活性液５を加熱装置１内で不活性液回収部２３で回収することが可能となり、ランニングコストを削減することができる。

図３は、本発明の第２実施形態における加熱装置１の構成図である。第２実施形態では、第１実施形態の加熱装置１に対して、不活性液供給部８に圧縮空気を送る配管１３ｃを接続し、加熱装置制御部３０の制御の下にコンプレッサ１７によって不活性液供給部８から加熱室２内に圧縮空気であるエアーを供給する。エアー供給時は、不活性液５を不活性液供給部８に送る配管１３ａのバルブ９ａを加熱装置制御部３０により閉じ、圧縮空気を送る配管１３ｃのバルブ９ｂを加熱装置制御部３０により開放することによって、コンプレッサ１７からエアーを加熱室２に供給することができる。エアー供給停止時は、配管１３ａのバルブ９ａを加熱装置制御部３０により開き、圧縮空気を送る配管１３ｃのバルブ９ｂを加熱装置制御部３０により閉じることによって、コンプレッサ１７からのエアー供給を停止させる。このようにして、赤外線による加熱後に、エアーで被加熱物４を冷却することが可能となる。

このように、波長制御赤外線ヒータ６と不活性液５とを利用した加熱装置１を使用すれば、ヒータ６の加熱により不活性液５を蒸発させ空間内を蒸気で満たす蒸気槽が不要となり、投入するエネルギーも削減することができるため、プロセスの省エネにも繋がる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる加熱装置及び加熱方法は、不活性液の気化と赤外線による加熱とにより、低いランニングコスト、高効率且つ省スペースで所望の熱処理を実施できる。そのため、本発明の前記態様は、高効率な加熱装置として、工業製品又は家電製品の製造工程又は各種電子部品の製造工程における乾燥炉、焼成炉、キュア炉、又はリフロー炉などの各種熱処理を行う熱処理装置に適用できる。

１ 加熱装置
２ 加熱室
３ 搬送部
４ 被加熱物
５ 不活性液
６ 波長制御赤外線ヒータ
７ ヒータ制御部
８ 不活性液供給部
９ａ バルブ
９ｂ バルブ
９ｃ 液量制御部
１０ 不活性液回収口
１１ 不活性液槽
１２ ポンプ
１３ａ 配管
１３ｂ 配管
１３ｃ 配管
１４ 排気口
１５ 排気ダクト
１６ 凝縮器
１７ コンプレッサ
２０ 加熱位置
２２ 加熱部
２３ 不活性液回収部
２４ 排気部
３０ 加熱装置制御部
１０１ 加熱装置
１０２ 搬入部
１０３ 不活性液噴霧槽
１０４ プリヒート部
１０５ 蒸気槽
１０６ 搬出部
１０７ 搬送コンベア
１０８ スプレーノズル
１０９ 回収ダクト
１１０ ミスト回収槽
１１１ａ ポンプ
１１１ｂ ポンプ
１１２ 液溜部
１１３ 温調器
１１４ ワーク
１１５ 赤外線プリヒータ
１１６ａ 管路
１１６ｂ 管路

Claims (4)

1. 不活性液の気化と赤外線ヒータ加熱とを利用して被加熱物を加熱する加熱装置であって、
   前記被加熱物を加熱する加熱室と、
   前記被加熱物を前記加熱室に搬出入する搬送部と、
   前記加熱室内で前記不活性液を前記被加熱物の表面に供給する不活性液供給部と、
   前記加熱室の下部に設置されて前記加熱室から前記不活性液を回収する不活性液回収部と、
   前記加熱室内で、前記被加熱物に含まれる官能基と異なりかつ前記不活性液を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を放射する赤外線ヒータと、
   前記赤外線ヒータのヒータ電力を制御するヒータ制御部と、
   気化した前記不活性液を前記加熱室内から排気し、前記不活性液回収部に回収する排気部とを備える加熱装置。
2. 前記不活性液供給部に接続されかつ圧縮空気を前記加熱室内に送り出して前記被加熱物を冷却するコンプレッサを備える、請求項１に記載の加熱装置。
3. 不活性液の気化と赤外線ヒータを利用して被加熱物を加熱する加熱方法であって、
   前記被加熱物を加熱室に搬入し、
   前記不活性液を前記被加熱物の表面に供給し、
   前記被加熱物に含まれる官能基と異なりかつ前記不活性液を構成する分子に含まれる官能基が吸収する波長領域の赤外線を前記赤外線ヒータから前記被加熱物に照射して前記不活性液を加熱することにより前記被加熱物を加熱するとともに、
   前記被加熱物の表面から気化した前記不活性液を前記加熱室から排気し、回収する、加熱方法。
4. 圧縮空気を前記加熱室内に送り出して前記被加熱物を冷却する、請求項３に記載の加熱方法。

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