JP2782791B2 - リフロー装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、プリント回路基板（以後基板と略す）等を
加熱するにあたり、特に基板上の温度分布のばらつきを
少なくして、電子部品をプリント基板へはんだ付けする
為のリフロー装置に関するものである。

従来の技術 近年、回路基板用加熱装置において、電子部品の小形
化，多品種化，高密度実装化に伴う、これら部品のはん
だ付過程での部品性能保持あるいははんだ付不良率低減
の為のはんだ付時の温度管理と、また、様々な材質・形
状の回路基板の出現に伴う、はんだ付過程での基板搬送
方法が大きな課題となっている。

従来リフロー装置としては、加熱源に遠赤外線もしく
は、近赤外線を用いる方式がとられているが、このよう
な方法による加熱では、部品実装形態の高密度化と、実
装される部品の種類の多様化によって、基板内の温度分
布に大きな温度差を生じてしまい、その結果、温度があ
がりやすい部分は部品の耐熱温度を超過する値にまで昇
温するが、温度があがりにくい部分は、はんだの溶融温
度に達しないということが生じてきた。また、厚みの薄
い基板に高密度に部品を実装する為、とう載重量が増
し、更に基板を加熱する為の軟化によって、搬送途上基
板が搬送部より脱落するという問題点が生じてきた。

以下、図面を参照しながら、従来のリフロー装置の一
例について説明する。第６図は従来のリフロー装置を示
すものである。第６図において、6aは予熱部第１ゾーン
パネルヒータ、6bは予熱部第２ゾーンパネルヒータ、6c
はリフロー部パネルヒータである。6dは冷却ファン、6e
は基板搬送部、6fは落下基板搬出コンベアである。6gは
電子部品を実装した基板であり、6hは炉内雰囲気排気フ
ァンである。第７図はリフロー装置を用いての基板リフ
ロー温度プロプァイルを示す。第８図は従来の搬送方法
を示すものである。第８図において、8aはチェイン、8b
は基板を保持するピン、8cは基板である。

以上のように構成されたリフロー装置について以下そ
の動作について説明する。

まず、電子部品を実装された基板6gは、第６図中入口
側より基板搬送部6eによって、リフロー装置内を搬送さ
れる。予熱部第１ゾーンにおいて、パネルヒータ6aによ
り、上下から加熱された基板は第７図に示すように、16
0℃〜150℃近くまで昇温する。次に予熱部第２ゾーンに
おいては、パネルヒータ6bの安定加熱により第７図に示
すように、160〜150℃一定に保つことで、基板内温度分
布の均一化及びはんだクリームの乾燥，活性化を程す
る。このゾーンを過ぎ、リフローゾーンにはいると、再
び基板はパネルヒータ6cにより上下から加熱される。第
７図に示すように、基板温度は共晶はんだの融点183℃
以上のしかも部品の耐熱温度以下の温度約230℃前後ま
で昇温する。そして十分クリームはんだが溶解した後、
冷却ゾーンにおいて、冷却ファン6dが基板を冷却し、は
んだを凝固させ、継手部を形成する。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、加熱源として遠
赤外線を使用している為、基板内で部品が高密度に実装
される部分と、疎に実装される部分が分かれるとこの大
きな熱容量の差が、そのまま基板内の温度差となり、ク
リームはんだが溶解するに至らなくなる。また、部品形
状の多様化により、例えば、Ｊリードを有するプラスチ
ックパッケージ部品では、Ｊリード部分が遠赤外線の隠
になってしまい加熱されず、クリームはんだが溶解しな
い場合も生じてきた。更に機構部品の出現により今まで
以上に基板内温度分布の均一化が必要とされてきた。

また、炉内雰囲気中には、クリームはんだに含まれる
有機溶剤やフラックスの蒸発分が含まれる為、排気ファ
ン，排気途上管内等、冷却部にこれらフラックスが結晶
になって蓄積するという問題が起こっている。

更に、搬送部では、ピン上に基板両端を乗せているだ
けである為、基板のたわみ等により搬送途上で装置内へ
搬送部より脱落してしまうという問題も起こっている。

本発明は上記問題点に鑑み、高密度実装化や、部品形
態の多様化する部分実装基板においても、リフローはん
だ付可能な装置を提供するものである。

課題を解決するための手段 上記問題点を解決する為に、本発明のリフロー装置
は、リフローゾーンとすくなくとも１つの予熱部ゾーン
とを有する炉内に、電子部品が装着されたプリント回路
基板等の被加熱物を搬送部により搬入し、被加熱物に装
着された電子部品を炉内搬送中に半田付けするリフロー
装置において、前記炉内の空気を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段により加熱された空気を前記搬送部に向け
て吹き出すよう、前記各ゾーン毎に設けられた複数の熱
風吹き出しノズルと、前記複数の熱風吹き出しノズルよ
り吹き出され、前記搬送部により搬入された被加熱物を
加熱した空気をその吹き出し方向とは逆方向に排出する
複数の排気空気吸引孔を前記複数の熱風吹き出しノズル
間に配置し、前記複数の排気空気吸引孔より排出された
空気中に含まれる有機物を触媒を介して酸化し浄化する
浄化手段と、前記浄化手段により浄化された空気を前記
加熱手段にて加熱し、前記複数の熱風吹き出しノズルよ
り吹き出すよう空気を循環させる送風機とを備えたもの
である。

作 用 この技術的手段による作用は、次のようになる。即
ち、基板内で部品が高密度に実装される部分と疎に実装
される部分とで熱容量の差が大きく生じてしまう場合
や、Ｊリード等遠赤外線がまわり込めない局部について
も、第１にノズルより吹き出す熱風から基板への熱伝達
を利用することにより、基板温度が熱風の温度以下の場
合には、基板に対して加熱作用、熱風の温度以上の場合
には基板に対して冷却作用として働く。第２に上からの
熱風吹き付けにより熱風の速度成分のうち基板面に垂直
なものが多くこれにより最も効率良い熱伝達が得られ
る。第３に熱伝達後の冷やされた熱風は、基板をはねか
えった後、即座に排気孔より排出される為、基板の加熱
には常に一定温度の熱風による熱供給が保証される。こ
れにより第４に吹きつける熱風の風速を管理することで
最高の熱伝達率を保った状態で最適な加熱時間を調整す
ることができる。さらに第５番目には、ノズル吹き出し
のピッチを細かくすることで、基板内の温度ばらつきを
減少させることができる。第６番目には熱風を用いる
為、遠赤外線のまわり込めなかった部品密集部分やＪリ
ード部分へも熱を供給加熱することが可能となる。

次に、リフロー工程で蒸発した有機成分やフラックス
等を含む排気空気は、触媒により200℃前後で燃焼浄化
される。この浄化した空気を再び設定温度に調節後、加
熱源の熱風として送り出す循環方式をとることで、第１
にフラックス等の詰まり、たい積が無くなる。第２に熱
の効率が良くなる。

また、搬送部については、装置の入口，出口付近の温
度で挾持を開放、装置内温度で挾持が基板端を挾み込む
形状記憶合金よりなる挾持体をチェイン部に取り付ける
ことで第１に搬送途上での基板の脱落が無い。第２に基
板のリフロー工程におけるそりが少なくなるという作用
がある。

実施例 以下、本発明の一実施例のリフロー装置について図面
を参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例におけるリフロー装置
の構造を示すものである。第２図はリフロー装置を構成
する加熱ゾーンの一部分を取り出したもので、熱風の吹
き出しと、排気を示すものである。第３図はノズルから
の熱風の吹き出しと、孔への排気の様子を示したもので
ある。第１図において、1aは熱風送風箱、1bは熱風吹き
出しノズル、1cは表面にセラミックコーティングした鋼
板、1dはセラミックコーティングした鋼板に設けた排気
孔、1eは排気空気回収箱、1fは断熱材、1gは電子部品実
装基板、1hが基板搬送部である。

第２図において、2aはシロッコファン、2bはヒータ、
2cはハニカム構造セラミック触媒担持体、2dは送風圧力
により膨張・収縮する弾性体カバー、2eは熱風吹き出し
ノズル、2fは排気空気吸入孔、2gはモータ、2hはベル
ト、2iは断熱材である。

第３図において、3aは熱風吹き出しノズル、3bは排気
空気吸入孔である。

以上のように構成されたリフロー装置について以下第
１図，第２図及び第３図を用いてその動作を説明する。
電子部品を実装された基板1gは入口側より基板搬送部1h
によってリフロー装置内を搬送される。まず予熱部第１
ゾーンにおいて室温状態にあった基板が、熱風送風箱1a
からノズル1bを通って吹き出す160℃の熱風によって加
熱される。上下面に同様の加熱機を設けてあるので、基
板は上下両面より熱風加熱される。プリント基板内には
熱容量の様々な部品が実装されているのでプリント基板
内の各部分で昇温スピードは異なってくる。したがっ
て、予熱部第２ゾーンにては予熱部第１ゾーンと同様16
0℃の熱風を吹き付けることにより、第１に基板内の温
度分布を均一な160℃にする。160℃の熱風は、この温度
以下の物体については加熱作用として、この温度以上の
物体については冷却作用として働く。第２にクリームは
んだの十分な乾燥と活性化を引き起こさせる。

そして、リフローゾーンにおいて再び220℃の熱風に
より基板を加熱し、基板温度を共晶クリームはんだ融点
183℃以上かつ部品耐熱温度約250℃以下の温度、つまり
熱風温度220℃を上限として昇温させる。クリームはん
だを十分溶解させた後、最後に冷却ゾーンにおいて、室
温空気の吹きつけによりはんだを凝固させ、はんだ継手
を形成する。

ここで、予熱部・リフロー部における熱風の吹きつけ
は、被加熱物に対して垂直方向をとるので最も高い熱伝
達率を得ることができる。また冷却部における室温空気
の吹き付けも同様に被冷却物に対して垂直方向にとるの
で、また最も高い熱伝達率をもって冷却することができ
る。各ゾーンでの熱伝達率を更に高くする為、吹きつけ
後、はねかえってきた熱風又は冷却空気は、即座に排気
孔より排出される。したがって、ノズルより吹き出す一
定温度空気が、熱伝達後の温度が下がった空気をまき込
むことによって温度低下を引き起こすことがない。これ
により基板が連続して搬送されてきても、断続的に搬送
されてきても、その加熱状態は一定のもとでリフローす
ることができる。

更に各ゾーンの上下面には、セラミックコーティング
された鋼板1cを設置してあるので、各ゾーンでの熱風温
度に対応した遠赤外線の輻射によっても基板を加熱する
加熱源として利用することができる。

ここまでは、各ゾーンにおいて、上下面より同じ温度
の熱風を吹きつけたが、たとえば次のような温度設定も
可能である。予熱部第１ゾーン上面は160℃の熱風、下
面は室温の空気を吹きつける。予熱部第２ゾーンも同様
にし、リフローゾーン上面は220℃の熱風、下面は室温
の空気を吹きつける。冷却ゾーンでは上下面とも室温の
空気を吹きつける。こうすれば基板の上面は、クリーム
はんだを溶融し、継手部を形成する通常のリフローが、
下面は耐熱温度の低い例えば電解コンデンサ，ダイオー
ド等のリード付部品が実装されているプリント回路基板
の作成が可能となる。

第２図は熱風の吹き出しと排気及びこれらの循環シス
テムを示す。シロッコファン2aより送られる空気はヒー
タ2bにより設定温度にまで加熱される。この加熱された
空気は、テーパ状に先細りした空気経路（図面の太矢
印）を形成する箱2j内へ送り込まれる。つまり、加熱さ
れた空気が入り入口である空気流入口2kから太矢印の空
気経路を通り奥の空気流出孔21に送られる。

先に行くほど狭まっているのは、空気流出孔21を介し
て熱風吹き出しノズルより吹き出す空気の圧力を空気流
入口2kと奥とで一定にする為の考慮である。更にこの空
気吹き出し量を一定にする為、送風圧力に応じて弾性体
カバー2dが膨張・収縮する。第３図に示す如くノズルを
通って熱風が吹き出される。炉内で基板又は逆面のノズ
ルより吹き出した熱風と衝突した後はねかえってきた熱
風はノズル周辺に設けた排気孔より排気する。排気箱内
へ収納した排気空気は、基板やクリームはんだに含まれ
る有機物等の蒸発物を含んでいる為、第２図2cに示すハ
ニカム構造の触媒を担体でこの有機物を燃焼することで
排気空気を浄化する。なお、触媒としては白金パラジウ
ムを用いる。この浄化した空気を再びシロッコファンに
て循環し、ヒータにて設定温度へ加熱すれば、熱効率の
向上につながる。ここでは、触媒担体にて浄化した排気
空気をそのまま再び循環し加熱送風したが、熱交換器を
用いて、浄化後の排気空気は装置外へ排出するが、その
途中、熱交換器にて室温空気を加熱し、この加熱した空
気をヒータにて設定温度まで再加熱し熱風として吹きつ
ける構造をとれば、排気空気の浄化と熱効率の向上とい
う二つの作用が得られる。

以上のように本実施例によれば、一定温度の熱風によ
る加熱・冷却作用により、基板内温度ばらつきを小さく
抑えることができる。更に基板内で電子部品が高密度に
実装される部分と、疎に実装される部分とで熱容量の差
が大きくなる場合や、Ｊリード部等の遠赤外線がまわり
こめない局所についても同様の作用と熱風のまわりこみ
による熱の供給によって温度ばらつきを小さく抑えるこ
とができる。熱風の吹き付けは垂直方向であり、また熱
伝達後の空気は即座に排出される為、高い熱伝達率を得
ることができるのと、また排気空気は触媒にて浄化して
いる為、環境への悪影響が無い、更に排気熱を再利用す
るということで装置全体の熱効率は従来に比べ格段に向
上する。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第４図は本発明の第２の実施例における基板搬送方法
を示すものである。第４図において、4aはチェイン、4b
はチェイン4aより突出したピン、4cは形状記憶合金より
なるブラケット、4dは搬送時の基板を示す。以下、その
動作を説明する。

電子部品を実装された基板4dは、装置入口側よりチェ
イン4aのピン4b上に両端部をのせた形で搬送される。基
板4dが室温温度状態の時は、ブラケット4cは図中２点破
線の形状をとるが、装置内へ搬入されるに従って加熱さ
れると、例えば100℃を超えるとブラケット4cの形状が
変形し、ピン4bとブラケット4cとの間に基板4dをはさみ
込む形をとる。基板4dはリフロー部にて最も高い温度ま
で加熱される。このとき、例えばガラスエポキシ樹脂基
板であれば、ガラスエポキシ樹脂のガラス転位温度を超
えている為軟化し、搬送部より脱落する可能性がある。
この脱落を防ぐ為にブラケット4cはピン4dとの間に基板
4dを保持する作用を呈する。リフローゾーンを過ぎ冷却
ゾーンにて基板温度が低くなれば、例えば100℃以下に
なれば再びブラケット4cがはさみ込みを開放し、基板4d
は装置外へと搬出される。

以上のように、本実施例によれば、加熱途上における
基板の搬送部からの脱落を完全に防ぐことができ、生産
性の向上と装置の安全性を保証するものとなる。

更に本発明の第３の実施例について説明する。第５図
は本発明の第３の実施例における落下検出を示すもので
ある。第５図において、5aはリフロー装置炉体部、5bは
基板、5cは熱風吹き出しノズル、5dは排気孔、5eは送風
ファン、5fは圧力計である。

基板搬送部より基板又は部品が落下することによりノ
ズル又は排気孔の穴をふさぐ。これにより送風時の圧力
が変化する。したがって圧力計5fの変動により、装置内
での落下を検出するものである。これにより、すみやか
に搬送部よりの基板又は部品の落下を検出することがで
きる。

発明の効果 以上のように本発明は、ノズルより吹き出す熱風の熱
伝達による加熱と、吹き出した加熱空気を排出機構にて
排出することにより、高密度実装化や、部品形態の多様
化する実装基板においてもリフローはんだ付が可能とな
った。熱風の吹き付けは被加熱物に対して垂直な方向を
とること、また、熱伝達後の熱風は熱風吹き出し部の周
辺よりすみやかに排出されるので、高い熱伝達率を得ら
れる。また有機溶剤等を含む排気空気は触媒により燃焼
浄化すると共に、これによって生じる熱を再び利用，再
循環することで、装置全体の熱効率は格段に向上する。
消費電力もいったん装置の加熱が十分なされれば加熱に
対してはほとんど必要なくなる。こうして基板が逐次連
続して装置内へ搬入されてきても、基板のはんだ付にお
いては常に同一の温度プロファイルが安定して得られる
ことになる。作業環境も清浄なものに保つ。

また搬送部においては、形状記憶合金よりなるブラケ
ットによって基板をはさみ込み保持するので、搬送部の
振動，基板のたわみによる脱落はない。万一、基板の割
れによる脱落、又は実装部品の脱落が生じても装置内の
空気循環圧力を常時検出しているので、これら脱落物の
ノズル吹き出し口又は排気口をふさいだことによる圧力
上昇を検出することができる。これによりすみやかに基
板不良又は脱落を知ることができる。レーザー等のしゃ
光による落下検出はレーザー光を横切るという範囲が決
められるが、このように圧力を検出する方法では基板搬
送面全面にわたる検出が可能となる。

以上の機能をもつ装置により、高品質なリフローはん
だ付と高い生産性の確保を実現することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例におけるリフロー装置の
構造図、第２図はリフロー装置を構成する加熱ゾーンの
一部分を取り出した切欠斜視図、第３図はノズルからの
熱風の吹き出しと孔への排気の様子を示した図、第４図
は本発明の第２の実施例における基板搬送方法を示す
図、第５図は本発明の第３の実施例における落下検出方
法を示す図、第６図は従来のリフロー装置の構造図、第
７図は共晶はんだクリームを用いたときのリフロー温度
プロファイル図、第８図は従来のリフロー装置の基板搬
送方法を示した図である。 1a……熱風送風箱、1b……熱風吹き出しノズル、1c……
セラミックコーティング鋼板、1d……排気孔、1g……電
子部品実装基板、1h……基板搬送部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−187260（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−186270（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−83395（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−40041（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−303674（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 1/008 H05K 3/34 507

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リフローゾーンとすくなくとも１つの予熱
   部ゾーンとを有する炉内に、電子部品が装着されたプリ
   ント回路基板等の被加熱物を搬送部により搬入し、被加
   熱物に装着された電子部品を炉内搬送中に半田付けする
   リフロー装置において、前記炉内の空気を加熱する加熱
   手段と、前記加熱手段により加熱された空気を前記搬送
   部に向けて吹き出すよう、前記各ゾーン毎に設けられた
   複数の熱風吹き出しノズルと、前記複数の熱風吹き出し
   ノズルより吹き出され、前記搬送部により搬入された被
   加熱物を加熱した空気をその吹き出し方向とは逆方向に
   排出する複数の排気空気吸引孔を前記複数の熱風吹き出
   しノズル間に配置し、前記複数の排気空気吸引孔より排
   出された空気中に含まれる有機物を触媒を介して酸化し
   浄化する浄化手段と、前記浄化手段により浄化された空
   気を前記加熱手段にて加熱し、前記複数の熱風吹き出し
   ノズルより吹き出すよう空気を循環させる送風機とを具
   備したことを特徴とするリフロー装置。
2. 【請求項２】前記熱風吹き出しノズル及び前記排気空気
   吸引孔とを設けた面に遠赤外線を幅射するセラミック材
   又はセラミックコーティングした鋼板を用いたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のリフロー装置。
3. 【請求項３】前記熱風吹き出しノズルへ熱風を流出する
   空気流出孔を有する面と対向した面とからなる箱状の空
   間を形成するとともに、前記空間は加熱手段から加熱さ
   れた空気を流入する空気流入口及び前記空気流入口から
   前記空気流出孔に熱風を導入する空気経路を備え、かつ
   前記空気流出孔を有する面とこの面に対向する面との距
   離が空気流入口から空気経路を進むに従って狭くなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   リフロー装置。
4. 【請求項４】前記空気流出孔を設けた面と共に空気経路
   としての空間を作り出す対面が弾性体でつくられてお
   り、前記空気流入口からの流入空気の圧力に応じてこの
   弾性体が膨張、収縮することで前記空気流出孔を介して
   前記熱風吹き出しノズルから出る空気の圧力が、前記空
   気流出孔の位置にかかわらず一定になる構成としたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載のリフロー装
   置。
5. 【請求項５】前記搬送部としてチェインベルトと、チェ
   インより突出したピンと、搬送時に被加熱物をこのピン
   とはさみ込むように形状を記憶させたブラケットとを有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第４項ま
   でのいずれか１項に記載のリフロー装置。
6. 【請求項６】前記ブラケットが、加熱されることにより
   被加熱物をはさみ込む形状と、冷却することにより被加
   熱物のはさみ込みを解放する形状とに変位する形状記憶
   合金にて構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載のリフロー装置。
7. 【請求項７】前記浄化手段により浄化された後の空気に
   装置外の空気を混合する機構を具備したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のリフロー装置。
8. 【請求項８】前記送風機と前記熱風吹き出しノズルとの
   間の流路途上に少なくとも一つ以上の送風圧力を計測す
   る計測器と、この計測値を管理する手段とを具備したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のリフロー装
   置。
9. 【請求項９】被加熱物の搬送部からの落下による前記熱
   風吹き出しノズルまたは前記排気空気吸引孔の圧力また
   は流量の変化を検出する手段と、その変化の度合いによ
   り被加熱物の落下を知らせる手段とを具備した特許請求
   の範囲第８項記載のリフロー装置。