JP3226651B2 - リフロー炉およびリフロー炉用冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、プリント基板に塗付したソルダ
ーペーストを加熱溶融させてはんだ付けを行うリフロー
炉、特に炉内を均一な不活性ガス雰囲気にするリフロー
炉、およびこのリフロー炉に設置するに適した冷却装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時の電子部品はＳＭＤ（Surface Moun
ted Device)と呼ばれ、プリント基板の表面に直接搭載
してはんだ付けするようになっている。このＳＭＤのは
んだ付けに適しているのがソルダーペーストである。

【０００３】ソルダーペーストは、クリーム状のフラッ
クスと粉末はんだとを混和して粘調性のあるペースト状
にしたもので、その使用方法は印刷あるいはディスペン
サー等によりプリント基板のはんだ付け部に適量塗付
し、その上にＳＭＤを搭載させてからリフロー炉のよう
な加熱装置で加熱溶融させることにより、プリント基板
とＳＭＤをはんだ付けするものである。

【０００４】ところで、ソルダーペーストでのはんだ付
け後、プリント基板にフラックス残渣が多量に残ってい
ると、これが長期間のうちに絶縁抵抗の低下、導電部の
腐食、さらにはマイグレーションを引き起こす原因とな
ることがあった。

【０００５】つまりソルダーペーストのフラックスは松
脂、チキソ剤、活性剤等の固形成分を溶剤で溶解させて
あるため、リフロー炉でソルダーペーストを溶融させた
時に溶剤が揮散しても固形成分がフラックス残渣として
プリント基板上に残る。このフラックス残渣にゴミやホ
コリが付着すると、ゴミやホコリが長期間経過するうち
に吸湿したり、塩素、臭素、フッ素等のハロゲンを含ん
だ活性剤が吸湿して前述のような問題を発生させてしま
うものである。

【０００６】このように電子機器に悪影響を与えるフラ
ックス残渣は除去するにこしたことはない。そのため従
来よりコンピューターや通信機器のように高信頼性の電
子機器に使用するプリント基板では、はんだ付け後、フ
ラックス残渣の洗浄が行われていた。

【０００７】フラックス残渣の洗浄には、フラックス中
の固形成分を良く溶解するフロンやトリクレンのような
溶剤が使用されてきたが、これらの溶剤は地球を取り巻
くオゾン層を破壊し、紫外線を多量に地球に到達させて
人類に皮膚癌を起こさせる原因となるため、その使用が
規制されるようになってきた。そのためフロンやトリク
レンに代わるべく洗浄用溶剤も開発されてきてはいる
が、いずれもフラックス中の固形成分を溶解する力が十
分ではなく、しかも高価なことから、あまり使用されて
いないのが現状である。

【０００８】従ってソルダーペーストでのはんだ付け
後、フラックス残渣の影響を少なくして洗浄をしなくて
も済むという所謂「無洗浄化」にすることが考えられて
いる。即ち、はんだ付け後にプリント基板上に残るフラ
ックス残渣が少なければ、フラックス残渣を洗浄しなく
ともゴミやホコリが付着しにくくなるばかりでなく、当
然吸湿性のある活性剤の残量も少なくなるわけである。

【０００９】ソルダーペーストを無洗浄化するために
は、フラックス中に含有する固形成分を少なくすればよ
いわけであるが、固形成分、特にはんだ付け性に効果の
ある松脂や活性剤を少なくすると、はんだ付け性が極端
に悪くなり、ブリッジや未はんだ等のはんだ付け不良を
発生させてしまう。

【００１０】このような無洗浄化用のソルダーペースト
を使用してもはんだ付け不良を起こさせない方法として
酸素のない雰囲気、即ち炉内が窒素ガスで満たされた不
活性雰囲気のリフロー炉ではんだ付けを行えばよいこと
が分かっており、現在実用化の段階に入っている。

【００１１】不活性雰囲気のリフロー炉とは、予備加熱
ゾーン、リフローゾーン、冷却ゾーンの全てのゾーンを
不活性雰囲気にしたものであり、炉内に設置したファン
で不活性ガスを攪拌させて炉内を均一な雰囲気にするも
のである。

【００１２】ところで従来のリフロー炉では、炉の出入
口やコンベアを走行させるレール等にフラックスが付着
してしまうことがあった。このフラックスの付着量が多
くなると、フラックスが炉内を走行中のプリント基板上
に落下してプリント基板を汚したり、レール上を走行す
るコンベアの摺動性を悪くする等の問題が生じるように
なる。

【００１３】リフロー炉内でのフラックスの付着は、プ
リント基板に塗付されたソルダーペーストがリフロー炉
内で加熱された時に、ソルダーペーストのフラックス中
の溶剤が揮散すると同時に、松脂、チキソ剤、活性剤等
の固形成分が溶融し、さらにそれらが気化してフラック
スフュームとなる。フラックスフュームが炉の出入口や
レール等、比較的温度の低い所に接触すると冷やされ、
そこで液化してフラックスとなる。そしてこの液化した
フラックスが多量に付着するようになると、プリント基
板上に落下したり、コンベアの走行妨げとなるものであ
る。

【００１４】リフロー炉内で発生したフラックスフュー
ムを除去するために、本発明出願人はフラックスフュー
ムを含んだ不活性ガスの循環路にフラックスフューム吸
着用のフイルターを設置したリフロー炉を提案した。
（実公平２−４８１３２号、同３−１５２５３号）

【００１５】またフラックスフュームを冷却器で冷却し
て液化することにより回収しようとするものも提案され
ている。（特開平４−２５１６６１号。同４−２７４８
６８号）

【００１６】一般にリフロー炉では、リフローゾーンで
ソルダーペーストを溶融させた後は、次の冷却ゾーンに
おいてプリント基板をなるべく早く冷却することが望ま
しい。その理由は、はんだの溶融後、冷却が遅いとコン
ベアで搬送中の僅かな振動で凝固途中のはんだにひび割
れが生じて接合不良となり、また作業者がはんだ付け後
のプリント基板を手で触った時に、冷却が不十分でプリ
ント基板がまだ熱いと火傷をする恐れがあるからであ
る。

【００１７】従来のリフロー炉では、冷却ゾーンには単
に不活性ガス吹き付け用のファンが設置されただけであ
り、ここで吹き付けられる不活性ガスは予備加熱ゾーン
やリフローゾーンのように熱くはないが、それでも１０
０℃以上の不活性ガスではんだ付け後のプリント基板を
冷却していた。従って、従来のリフロー炉では、はんだ
付け後のプリント基板に対して十分な冷却が行えなっ
た。冷却ゾーンでの冷却効果を良好にするため、冷却ゾ
ーンに冷却装置を設置したものが提案されている。（特
開平３−８５６４号）

【００１８】また不活性雰囲気にするリフロー炉では、
炉内に窒素ガスのような不活性ガスを供給して炉内を不
活性雰囲気にするものであるが、窒素ガスをボンベから
供給する場合、ボンベから出た窒素ガスは非常に低温状
態となっている。この低温の窒素ガスを直接リフロー炉
内に供給すると、リフロー炉内の温度を下げてしまう。
従って、リフロー炉では窒素ガスの供給による温度低下
を防ぐため、炉内のヒーターの電力供給量を多くし、ま
た通電時間を長くする手段を講じている。

【００１９】このような低温の窒素ガスによる弊害を解
決するため、窒素ガスをリフロー炉に供給する直前に、
窒素ガスを温めることも提案されている。（特開昭５９
−２２０２８２号、特開平４−２２５７３号、同４−２
６２８６４号）

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、不活性ガス
の循環路にフィルターを設置したものは、予備加熱ゾー
ンやリフローゾーンでは、不活性ガスが熱い状態のまま
フィルターを通過するため、粒子の細かいフラックスフ
ュームはフィルターの間隙を通過してしまい、フィルタ
ーには付着しにくいものであった。

【００２１】また従来のリフロー炉に使用されていたフ
ィルターは布、紙、ガラスなどの繊維であり、フィルタ
ーに付着したフラックスを落として再使用するために
は、洗浄液で洗浄しなければならなかったが、前述の如
く公害性のあるフロンやトリクレン以外にフラックスを
よく溶解する洗浄液がないため、再使用は困難であり、
一度使用したフィルターは廃棄するという不経済なもの
であった。

【００２２】フラックスフュームを含んだ不活性ガスを
一旦炉外に導き出し、コンデンサーで冷却して液化除去
する装置は、炉外に導き出す循環路を別途設置しなけれ
ばならず、構造が複雑になるばかりでなく、外部のコン
デンサーで冷却した不活性ガスを炉内に再供給するた
め、炉内の温度を下げてしまうという欠点もあった。

【００２３】冷却ゾーンに冷却装置を設置した従来のリ
フロー炉は、冷却装置が一般に使われているものである
ため、冷却装置の冷媒を放熱するための熱交換器をリフ
ロー炉の外部に置かなければならなかった。従って、冷
却装置を設置した従来のリフロー炉は構造が複雑になる
ばかりでなく、冷媒循環用の動力も必要であるという構
造が複雑になるものであった。

【００２４】低温の窒素ガス供給による炉内温度の降下
を防ぐため、供給直前の窒素ガスを温める機構を設置し
たリフロー炉は、窒素ガスを温めるヒーターを設置した
り、炉外に窒素ガス昇温用の熱交換器を設置する等、特
別の装置を設置しなければならないことから、やはり構
造が複雑となるばかりでなく、窒素ガス加熱用のヒータ
ーに供給する電力が必要となり、経済的にも好ましいも
のではなかった。

【００２５】本発明は、従来のそれぞれのリフロー炉が
それぞれの手段で解決しようとした問題を少ない手段
で、しかも極めて簡単な構造で全ての問題を解決できる
ようにしたリフロー炉を提供することにある。

【００２６】本発明の第１発明は、予備加熱ゾーン、リ
フローゾーンおよび冷却ゾーンから構成されたリフロー
炉において、それぞれのゾーンに不活性ガスを攪拌させ
るファンが設置され、冷却ゾーンには内部に冷媒が通過
する熱交換器が設置されているとともに、該熱交換器の
冷媒流入口は外部の不活性ガス供給源と接続されてお
り、また熱交換器の冷媒流入口は炉内へ不活性ガスを供
給させる炉内供給用パイプと接続されていることを特徴
とするリフロー炉であり、第２発明は冷却装置の同一面
に排出口と吸入口が形成されていて、しかも冷却装置内
部には排出口と吸入口を連通させる流通路があり、該流
通路にはファンが設置されているとともに、冷却装置の
内部には表面にフィンを螺旋状に巻いてあって冷媒を流
動させるパイプが水平面に対して平行状態に蛇行して配
設されていることを特徴とするリフロー炉用冷却装置で
ある。

【００２７】以下図面に基づいて本発明を説明する。図
１は本発明リフロー炉の正面断面図、図２はもう一つの
発明であるリフロー炉用冷却装置の一部破断した斜視図
である。

【００２８】リフロー炉１は予備加熱ゾーンＰ、本加熱
ゾーンＲ、冷却ゾーンＣから成り、リフロー炉内には図
示しないプリント基板を矢印Ａ方向に搬送するコンベア
２が走行している。予備加熱ゾーンＰと本加熱ゾーンＲ
の上下部には一対の面吹き出し型ヒータ３、３が長手方
向に互いにわずかにずらして設置されている。該面吹き
出し型ヒータは本発明出願人が既に特願平２−１９４３
８５号として提案したものであり、箱体の一面に気体吸
入口と気体吹き出し口が形成され、内部にファンと電熱
ヒータが設置されており、気体吹き出し口にはセラミッ
クを溶射した多孔質板が置かれた構造となっていて、気
体吹き出し口からは加熱ガスと遠赤外線が放射されるよ
うになっている。

【００２９】上下の面吹き出し型ヒータ間では、加熱ガ
ス上向き通路領域Ｘ、加熱ガス衝突領域Ｙ、および加熱
ガス下向き領域Ｚが形成されている。面吹き出し型ヒー
タで加熱された不活性ガスは、加熱ガス上向き通路領域
Ｘと加熱ガス下向き通路領域Ｚ間では上下の面吹き出し
型ヒータ間で循環し、加熱ガス衝突領域Ｙでは上下から
吹き出された加熱ガスが衝突して攪拌される。

【００３０】冷却ゾーンＣにはコンベア２を挟んで上下
部に冷却装置４、４が設置されている。冷却装置４は一
つの面に排出口５と吸入口６が形成されている。排出口
５を形成する部分は箱体７となっており、排出口５の反
対側には開口８があいている。開口８と吸入口６は流通
路９で連通しており、開口８の近傍にはファン１０が設
置されている。

【００３１】箱体８の内部には熱交換器１１が設置され
ている。熱交換器１１はパイプ１２が水平面に対して平
行状態に蛇行して配設されており、該パイプの表面には
フィン１３が螺旋状に巻かれていてパイプが外気と接す
る表面積を大きくしている。またパイプ１２の両端は冷
却装置４から外部に突出しており、一方は冷媒流入口１
４となっており、リフロー炉の外部に置かれた図示しな
い窒素ガス供給源に接続され、もう一方は冷媒流出口１
５となっていて、リフロー炉の外部に配管された炉内供
給用パイプ１６に接続されている。炉内供給用パイプ１
６は予備加熱ゾーンP、または本加熱ゾーンRに設置され
た面吹出し型ヒータ３の中まで延びている。

【００３２】冷却装置４には、排出口５と吸入口６の両
方、またはそれらのうちのどちらか一方にフィルター１
７を設置しておくと、フィルターにフラックスフューム
を吸着させて回収することができる。フラックスフュー
ムは温度が高い状態ではフィルターに接触しても粒子が
通過してしまうが、フラックスフュームの温度が低い状
態でフィルターに接触すると、ここで液化してフィルタ
ーに付着しやすくなる。本発明に使用して好適な結果を
出すフィルターとしては、触媒効果を有する多孔質の金
属板である。

【００３３】次に上記構造を有する本発明リフロー炉と
冷却装置の稼働状態に就いて説明する。先ず、面吹き出
し型ヒータの電源を入れて電熱ヒータを加熱状態にし、
面吹き出し型ヒータのファンを回動させる。そして冷却
装置の冷媒流入口１４からボンベや窒素発生装置から出
た冷たい窒素ガスを矢印の如くパイプ１２内に流入させ
る。窒素ガスは冷却装置内の熱交換器１１を通って冷媒
流出口１５からリフロー炉内に導かれた炉内供給用パイ
プ１６に入り、予備加熱ゾーンＰに設置された面吹き出
し型ヒータ３内に流出する。

【００３４】面吹き出し型ヒータ内に流出した窒素ガス
は、ここの電熱ヒータで加熱され、面吹き出し型ヒータ
内のファンで吹き出し口から吹き出される。予備加熱ゾ
ーンＰやリフローゾーンＲで加熱された窒素ガスは加熱
ガス衝突領域で攪拌され、リフロー炉内を流動して冷却
ゾーンに流れ込む。

【００３５】冷却ゾーンＣでは、冷却装置４内でファン
１０が回動しているため、冷却ゾーンに流れ込んできた
熱い窒素ガスは冷却装置４の吸入口６から吸入され、流
通路９を通って箱体７の中に入る。ここではフィン１３
を巻いて表面積の大きくなったパイプ１２が蛇行してお
り、しかもパイプ内には低温の窒素ガスが流動している
ため、箱体７の中に入った熱い窒素ガスは急激に冷やさ
れる。ここで冷やされた窒素ガスは排出口５から吹き出
るようになる。冷却ゾーンＣでは予備加熱ゾーンＰや本
加熱ゾーンＲから熱い窒素ガスが流れ込んできて、これ
をパイプ１２に通した冷たい窒素ガスが冷却するもので
あるが、パイプを流通する冷たい窒素ガスは予備加熱ゾ
ーンや本加熱ゾーンで加熱された熱い窒素ガスで温めら
れてリフロー炉内に供給される。

【００３６】また、ソルダーペーストが予備加熱ゾーン
Ｐや本加熱ゾーンＲで加熱されてフラックス中の溶剤や
固形成分の気化したフラックスフュームが冷却ゾーンに
流れ込むと、冷却装置４で冷却される。ここでフラック
スフュームがパイプ１２、フィン１３、フィルター１７
等に接触すると液化して付着する。特にフィルターは表
面積が大きいため、フラックスフュームが多量に付着す
る。ここに設置するフィルターを白金のような触媒効果
のある多孔質板にしておくと、フラックスフュームが多
量に付着した後、このフィルターを加熱すれば、フラッ
クスは容易に揮散しフィルターはきれいな状態に戻る。

【００３７】リフロー炉内を走行するコンベアで搬送さ
れるプリント基板は、予備加熱ゾーンで約１５０℃に予
備加熱され、次いで本加熱ゾーンで２００℃以上に加熱
されてプリント基板上に塗付されたソルダーペーストが
溶融される。この時の加熱は面吹き出し型ヒータから吹
き出る熱い窒素ガスと遠赤外線で行われる。ソルダーペ
ーストの溶融が行われたプリント基板は、次に冷却ゾー
ンに入る。ここでは、冷却装置で冷却された冷たい窒素
ガスがプリント基板に当てられ、プリント基板は急激に
室温近くまで冷却される。

【００３８】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明のリフロー炉
は、低温の窒素ガスを冷却装置の冷媒として使用するた
め、冷却装置の冷却効果が一段と効率よく行え、しかも
冷却ゾーンで温められた窒素ガスをリフロー炉内に供給
するようにしたことからリフロー炉の温度を下げること
がないという二重の効果を有するものであり、また本発
明の冷却装置は冷却ゾーンの窒素ガスを循環させると同
時に、循環する窒素ガスを冷却装置内に設置した熱交換
器で強制冷却するため、冷却効果に優れているという従
来にない、リフロー炉用の冷却装置である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリフロー炉の正面断面図である。

【図２】本発明のリフロー炉用冷却装置の一部破断した
斜視図である。

【符号の説明】

１ リフロー炉 ２ コンベア ３ 面吹き出し型ヒータ ４ 冷却装置 ５ 排出口 ６ 吸入口 ７ 箱体 ８ 開口 ９ 流通路 １０ ファン １１ 熱交換器 １２ パイプ １３ フィン １４ 冷媒流入口 １５ 冷媒流出口 １６ 炉内供給用パイプ １７ フィルター Ｐ 予備加熱ゾーン Ｒ リフローゾーン Ｃ 冷却ゾーン

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予備加熱ゾーン、リフローゾーンおよび
   冷却ゾーンから構成されたリフロー炉において、それぞ
   れのゾーンに不活性ガスを攪拌させるファンが設置さ
   れ、冷却ゾーンには内部に冷媒が通過する熱交換器が設
   置されているとともに、該熱交換器の冷媒流入口は外部
   の不活性ガス供給源と接続されており、また熱交換機の
   冷媒流出口は炉内へ不活性ガスを供給させる炉内供給用
   パイプと接続されていることを特徴とするリフロー炉。
2. 【請求項２】 冷却装置の同一面に排出口と吸入口が形
   成されていて、しかも冷却装置内部には排出口と吸入口
   を連通させる流通路があり、該流通路にはファンが設置
   されているとともに、冷却装置の内部には表面にフィン
   を螺旋状に巻いてあって冷媒を流動させるパイプが水平
   面に対して平行状態に蛇行して配設されていることを特
   徴とするリフロー炉用冷却装置。