JP3904955B2 - リフローはんだ付け装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント配線板等の被はんだ付けワークをリフローはんだ付けする装置に関する。
【０００２】
プリント配線板上に電子部品をはんだ付けする際にリフローはんだ付け装置が使用されている。リフローはんだ付け装置は、予めはんだが供給された被はんだ付け部を加熱してこのはんだを溶融させ、プリント配線板に形成された回路パターンと電子部品とのはんだ付けを行う装置である。
【０００３】
このリフローはんだ付け装置の搬入口や搬出口にはガスカーテンを形成して加熱炉内の雰囲気が漏洩しないように構成されているが、前記はんだと併せて使用されているフラックスの固形分が多いと、このガスカーテンを形成する吹き口体にフラックスヒュームが結露して滴下し、プリント配線板を汚染する場合があった。
【０００４】
【従来の技術】
リフローはんだ付け装置の加熱方式としては、赤外線等による熱線加熱、熱風加熱、蒸気加熱、伝熱加熱、これらを併用した加熱等の方式がある。これら何れの方式においても、高温の雰囲気を維持するためにチャンバ形式の加熱炉内においてプリント配線板を加熱し、リフローはんだ付けが行われる。
【０００５】
これらの加熱は窒素ガス等の不活性ガスを供給して低酸素濃度の雰囲気中で行われることもあり、加熱炉内の雰囲気を封止して不活性ガスの消費量を抑制するとともにこの加熱炉内の高温の雰囲気を封止して加熱効率の向上を図るために、その搬入口や搬出口に加熱炉外の大気や窒素ガス等を吹き口体から噴出させてガスカーテンを形成することが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このはんだ付けの際のはんだと併せて使用されているフラックスが蒸発し気化してフラックスヒュームとなり、加熱炉内やその搬入口や搬出口にもフラックスヒュームを含む雰囲気が形成される。なお、このフラックスヒュームの加熱炉内における蓄積を防止するために、このフラックスヒュームを排出し除去するための手段を設けて構成したリフローはんだ付け装置も存在する。しかし、フラックスヒュームの蓄積は解消されるものの加熱炉内やその搬入口や搬出口にフラックスヒュームの雰囲気が形成されることには変わりがない。
【０００７】
そのため、固形分の多いフラックス等が使用された場合においては、ガスカーテンを形成する吹き口体の表面にフラックスヒュームが結露し易くなって、滴下することもある。この結露すなわち液化したフラックスがプリント配線板上に滴下すると、このプリント配線板を汚染してその回路の作動に障害を与えたり、その信頼性を低下させるので好ましくない。
【０００８】
すなわち、従来はこのガスカーテンを形成する吹き口体にフラックスの腐食作用に耐え得るステンレス部材等の金属部材が使用されていた為に、この吹き口体に常温の大気や窒素ガスを供給するとその表面温度がフラックスヒュームの露点以下の温度に低下し、この吹き口体の表面にフラックスヒュームの結露を促進させてしまうのである。
【０００９】
本発明の目的は、リフローはんだ付け装置に使用されるガスカーテンの吹き口体にフラックスヒュームが結露しないようにこの吹き口体を構成することによって、プリント配線板の品質や機能を阻害し低下させたり信頼性を低下させることなくリフローはんだ付けを行うことができるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のリフローはんだ付け装置は、ガスカーテンを形成する吹き口体を、フラックスに対する耐腐食性を備える素材であってその表面温度がフラックスヒュームの露点以下にならないような熱伝導率と厚さにひいては熱抵抗を備えて構成したところに特徴がある。
【００１１】
すなわち、被はんだ付け部に予めはんだが供給された被はんだ付けワークの少なくとも前記被はんだ付け部を加熱してリフローはんだ付けを行う加熱炉の搬入口と搬出口とに前記加熱炉内の雰囲気温度よりも低い温度の雰囲気を吹き出してガスカーテンを形成する場合の吹き口体の素材としてフラックスに対する耐腐食性を有する樹脂部材を使用するとともに前記樹脂部材で構成された吹き口体は表面温度がフラックスヒュームの露点以上の温度に保持される厚さに構成されたリフローはんだ付け装置である。
【００１２】
樹脂部材は一般的にフラックスに使用される酸やアルカリさらには溶剤に対して耐腐食性を有し、その熱伝導率も金属部材の１／１００〜１／数１０００以下の極めて小さな値である。
【００１３】
そのため、ガスカーテンを形成する吹き口体がフラックスヒュームに侵されることがない。また、熱伝導率が極めて小さくその値は一般的に０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、その厚さを数ｍｍ程度の厚さに構成することにより、加熱炉内の雰囲気温度よりも低い温度の常温の大気や窒素ガス等を吹き口体から吹き出してガスカーテンを形成しても、この吹き口体の表面温度がフラックスヒュームの露点以下に低下することが無い。したがって、この吹き口体の表面にフラックスヒュームが結露しさらには滴下することを防止することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のリフローはんだ付け装置は、次のような実施形態例において実現することができる。
【００１５】
（１）構成
図１は、本発明のリフローはんだ付け装置の実施形態例の側断面すなわち縦断面を示す図である。なお、窒素ガス供給系およびフラックスヒューム除去系そしてガスカーテン形成系はシンボル図で描いてある。
【００１６】
この例は、加熱炉１３（すなわち加熱手段４を備えた炉体１）を３つの領域に区画して形成したいわゆる３ゾーン構成のリフローはんだ付け装置で、プリント配線板２を搬送する搬送コンベア３を境にして加熱手段４を設けた加熱室を上下対称に設けた構造であり、この加熱室が６室設けてある。そして、プリント配線板２の搬送方向Ａに沿って１ゾーン目が昇温部加熱室５、２ゾーン目が均温部加熱室６、３ゾーン目がリフロー部加熱室７である。なお、この例の他にも４ゾーン構成や多いものでは８ゾーン構成の装置もある。
【００１７】
加熱手段４としては、公知の熱風加熱手段や赤外線加熱手段を使用するか、またはこれらの加熱手段を併用して使用する。プリント配線板２への供給熱量は、熱風加熱手段では熱風温度により最終供給熱量が決まり、熱風の風速で単位時間当たりの供給熱量が決まる。また、赤外線加熱手段では、赤外線ヒータの表面温度の概ね４乗に比例して供給熱量を増加させることができる。そして、これらの熱風温度や熱風の風速、赤外線ヒータの表面温度を調節することによりプリント配線板２の加熱温度を調節し、目的とする加熱温度プロファイルを得る仕組みとなっている。
【００１８】
また、搬送コンベア３の詳細は図示しないが、通常使用されている搬送コンベアであり、平行２条の搬送チェーンによりプリント配線板２の両側端部を保持して搬送する構成となっている。なお、搬入口８および搬出口９には並設した抑止板１０によりラビリンスシール部すなわち入口ラビリンス部１１と出口ラビリンス部１２とを構成し、各加熱室５，６，７の内部と外部すなわち炉体１の外部との封止性を確保している。
【００１９】
はんだを溶融させるリフロー部加熱室７には窒素ガスが供給され、このリフロー部加熱室７に最も酸素濃度の低い窒素ガス雰囲気を形成している。すなわち、ボンベやＰＳＡ方式等の窒素ガス供給装置１４から開閉弁１５を通ってフィルタ１６で不要物を除去した後圧力制御弁１７で目的の圧力に維持し、流量調節弁１８と流量計１９とで目的とする流量に調節して供給される。圧力計２０は圧力モニタ用である。
【００２０】
リフロー部加熱室７に窒素ガスが供給されることにより、このリフロー部加熱室７内の低酸素濃度の窒素ガス雰囲気は隣接する均温部加熱室６→昇温部加熱室５→入口ラビリンス部１１へと移動して搬入口８から周囲に放出される。また、このリフロー部加熱室７内の低酸素濃度の窒素ガス雰囲気は隣接する出口ラビリンス部１２へと移動して搬出口９から周囲に放出される。
【００２１】
このように、加熱炉１３内の雰囲気が窒素ガスに置換されて低酸素濃度の窒素ガス雰囲気を形成する。しかし、搬入口８や搬出口９の外側には、温度の低いすなわち密度の高い大気が存在するため、どうしてもこの大気がこの搬入口８や搬出口９から加熱炉１３内へ進入する。また、それに伴って加熱炉１３内の雰囲気が搬入口８や搬出口９から放出されることになる。すなわち、加熱炉１３内への大気の侵入と加熱炉１３内からの雰囲気の漏出が生じる。
【００２２】
この大気の侵入と雰囲気の漏出を防止するために、入口ラビリンス部１１と出口ラビリンス部１２には、エアカーテンすなわちガスカーテンを形成するように構成している。すなわち、エアカーテンを形成する吹き口体２１が入口ラビリンス部１１と出口ラビリンス部１２に設けられ、これらの吹き口体２１からエアすなわち大気を吹き出すように構成してある。
【００２３】
エアカーテンを形成する大気すなわち空気は圧縮空気供給装置２２から供給され、開閉弁２３を通ってフィルタ２４で不要物を除去した後圧力制御弁２５で目的の圧力に維持し、流量調節弁２６と流量計２７とで目的とする流量に調節して供給される。圧力計２８は圧力モニタ用である。
【００２４】
また、本実施形態例のリフローはんだ付け装置では、リフロー部加熱室７内で発生したフラックスヒュームを除去するフラックスヒューム捕集装置３０を設けてあり、フラックス捕集後の雰囲気すなわち低酸素濃度の窒素ガス雰囲気を出口ラビリンス部１２にガスカーテンを形成するための雰囲気として使用している。すなわち、出口ラビリンス部１２に２段のガスカーテンを形成し、しかもリフロー部加熱室７に隣接する側のガスカーテンにはこのリフロー部加熱室７内の低酸素濃度の窒素ガス雰囲気を使用しているので、大気の侵入を阻止して搬出口９に近い位置にあるこのリフロー部加熱室７内の酸素濃度の上昇を極めて良好に抑止することができるようになる。
【００２５】
なお、フラックスヒューム捕集装置３０は、冷却部３１でフラックスヒュームを冷却して露点以下（約７０℃程度）の雰囲気温度に降温させることでこのフラックスヒュームを霧滴化し、その後にフィルタ部３２の粒子フィルタで捕集するように構成してある。すなわち、冷却部３１とフィルタ部３２とを隣接して設けて構成してある。ブロワ３３は雰囲気循環用の手段で、ひいては吹き口体３４により出口ラビリンス部１２に低酸素濃度の窒素ガス雰囲気によるガスカーテンを形成するための手段となる。
【００２６】
そして、このエアカーテンを形成する吹き口体２１内へは常温（約２５℃）の大気が供給されて吹き出し、またフラックスヒューム捕集装置３０でフラックスヒュームを除去された雰囲気すなわち低酸素濃度の窒素ガス雰囲気は約３０〜４０℃程度の温度となって吹き口体３４へ供給され吹き出す。これにより、リフロー部加熱室７で加熱されたプリント配線板２の冷却も促進できる。
【００２７】
なお、リフロー部加熱室７内の雰囲気温度は通常約２００℃〜２５０℃程度である。そのため、出口ラビリンス部１２内における雰囲気温度も約１００℃〜１５０℃程度の温度になっている。また、昇温部加熱室５内の雰囲気温度は通常約１５０℃〜２００℃程度である。そのため、入口ラビリンス部１１内における雰囲気温度も約８０℃〜１００℃程度になっている。
【００２８】
図２は、ガスカーテンを形成する吹き口体の構成例を説明するための図で、（ａ）は吹き口体２１，３４に多数の透孔３５を列条に配設した例を示す斜視図、（ｂ）は吹き口体２１，３４にスリット状の透孔３６を設けた例を示す斜視図、（ｃ）は（ａ）および（ｂ）に示す吹き口体２１，３４の横断面を示す図である。
【００２９】
吹き口体２１，３４の素材としては、その熱伝導率が金属部材に対して遙に小さい（例えば、１／１００〜１／数１０００程度）樹脂部材を使用する。例えば、従来使用されていたフラックスやその溶剤に対する耐腐食性に優れた１８−８ステンレス部材の熱伝導率は約１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。なお、参考までに鉄部材は約６４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、銅部材は約３４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。
【００３０】
これに対し、本発明において使用する樹脂部材としては、もちろんフラックスやその溶剤に対する耐腐食性に優れた部材であり、例えば、ポリプロピレン系樹脂でその熱伝導率は約０．０８〜０．１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ふっ素系樹脂でその熱伝導率は約０．１３〜０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらにエポキシ系樹脂でその熱伝導率は約０．１７〜０．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、塩化ビニル系樹脂でその熱伝導率は約０．１３〜０．２９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アクリル系樹脂でその熱伝導率は約０．１３〜０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、フェノール系樹脂でその熱伝導率は約０．１７〜０．３３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ポリエチレン系樹脂でその熱伝導率は約０．３３〜０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、等々である。
【００３１】
また、これらの吹き口体２１，３４として使用する素材の厚さｄとしては、その熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であれば、雰囲気温度が１５０℃以下では２ｍｍ以上、２００℃以下では１．８ｍｍ以上、２５０℃以下では１．７ｍｍ以上が必要である。（したがって、この吹き口体２１，３４の単位表面積当りの熱抵抗によって、これらの条件を規定することもできる。）これよりも厚さｄが薄くなると（熱抵抗が小さくなると）吹き口体２１，３４へ供給される大気の温度（約２５℃）が低いためその吹き口体２１，３４の表面温度がフラックスヒュームの露点（約７０℃）以下に低下してその表面に結露を生じるようになる。
【００３２】
このように、ガスカーテンを形成する吹き口体２１，３４が設けられる雰囲気の温度に応じて、この吹き口体２１，３４に必要な最低限の厚さを設定できる。このように、樹脂部材の熱伝導率が金属部材と比較して極めて小さいため、その厚さｄを金属部材と同等にしてもその表面温度がフラックスヒュームの露点温度以下になることはない。
【００３３】
なお、フラックス捕集装置３０から供給される低酸素濃度の窒素ガス雰囲気の温度は約３０〜４０℃程度であるが、これはフラックス捕集装置３０の冷却部３１の冷却能力やブロワ３３による単位時間当たりの雰囲気循環流量によって変わるので、最低で常温程度（約２５℃程度）に到達することを考慮して、当該ガスカーテンを形成する吹き口体３４に使用する素材の厚さｄとしては、前記エアカーテン用の吹き口体２１として使用する素材の厚さｄと同程度にするとよい。ちなみに、窒素ガスの熱伝導率は約０．０２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、大気の熱伝導率は約０．０２３Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。
【００３４】
（２）作動
次に、本発明のリフローはんだ付け装置の実施形態例の作動を説明する。搬送コンベア３により搬入口８から搬入されたプリント配線板２は矢印Ａ方向へ搬送され、昇温部→均温部→リフロー部の順に各加熱室５，６，７を通って加熱され、はんだ付けが完了したプリント配線板２は搬出口９から搬出される。
【００３５】
各加熱室５，６，７におけるプリント配線板２の加熱到達温度は、各加熱室５，６，７の加熱手段４からプリント配線板２へ供給される熱量で調節され、熱風温度や熱風の風速、さらには赤外線ヒータの表面温度等々によって調節される。これにより、プリント配線板２は目的とする所定の加熱温度プロファイルで加熱されてリフローはんだ付けが行われる。
【００３６】
リフロー部加熱室７には窒素ガスが供給されていて、この窒素ガスは、隣接する均温部加熱室６さらに昇温部加熱室５へ流れて行き、これらの各加熱室５，６，７に低酸素濃度の窒素ガス雰囲気を形成する。そして、リフロー部加熱室７には最も低酸素濃度の窒素ガス雰囲気が形成される。
【００３７】
リフロー部加熱室７に継続して窒素ガスが供給されることにより、この窒素ガスは最終的には搬入口８や搬出口９から流れ出るが、この搬入口８および搬出口９にはそれぞれラビリンス部１１，１２を設けて大気の侵入を抑止するように構成してあるので、各加熱室５，６，７には大気が侵入し難い構成となっている。
【００３８】
また、各ラビリンス部１１，１２にはエアカーテンが形成されるとともに、出口ラビリンス部１１にはフラックスヒューム除去後の低酸素濃度の窒素ガス雰囲気を媒体とするガスカーテンも併設して形成する構成としている。そのため、搬出口９に近いリフロー部加熱室７への大気の侵入が更に抑止され、これら各ラビリンス部１１，１２やエアカーテンを含むガスカーテンにより、少ない窒素ガス消費流量で低酸素濃度の窒素ガス雰囲気を形成することができるようになる。
【００３９】
このように、プリント配線板２は，低酸素濃度の窒素ガス雰囲気中でその被はんだ付け部やはんだの酸化を抑止され、良好な濡れ性のはんだ付けを行うことができるようになり、さらに微細な被はんだ付け部にも十分にはんだが濡れて良好なはんだ付け性を得ることができる。
【００４０】
そして、入口ラビリンス部１１や出口ラビリンス部１２に設けられてエアカーテンを形成するための吹き口体２１、さらにフラックスヒューム除去後の低酸素濃度窒素ガス雰囲気でガスカーテンを形成するための吹き口体３４は、フラックスに対して耐腐食性であり熱伝導率が金属部材と比較して遙に小さい樹脂部材で構成されているため、これらの吹き口体２１，３４に常温程度の大気や窒素ガスが供給されても、その表面温度がフラックスヒュームの露点温度以下に低下することはない。したがって、これらの吹き口体２１，３４の表面にフラックスヒュームが結露することはなく、これらの吹き口体２１，３４から液化したフラックスヒュームが滴下してプリント配線板２を汚染することも解消される。
【００４１】
また、この樹脂部材で構成された吹き口体２１，３４の厚さｄも金属部材を使用した場合と同等の厚さでよいため、使い勝手も優れている。なお、リフローはんだ付け装置においてガスカーテンが使用される雰囲気の温度は１００〜１５０℃程度であるが、仮に吹き口体２１，３４を使用する雰囲気温度が２００℃を越える場合には、特に耐熱性に優れているふっ素系樹脂を使用することが好ましい。
【００４２】
このように、樹脂部材はその熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下と金属部材と比較して１／１００〜１／数１０００程度であり、リフローはんだ付け装置の加熱炉１３の封止用として使用するガスカーテンの吹き口体２１，３４の部材として好適であり、その厚さｄも２ｍｍ程度でよいため金属部材と同じ寸法で使用することが可能であり、このような条件によりフラックスヒュームの結露や滴下の発生を防止することができる。しかも、フラックスに対する耐腐食性を有している。その結果、ガスカーテンの封止作用を有効に利用しながら窒素ガスの消費流量を少なくして、プリント配線板２を汚染することなく品質と信頼性に優れたプリント配線板２のリフローはんだ付けを行うことができるようになる。
【００４３】
さらに、ステンレスなどの金属パイプの表面に、前述の樹脂部材をコーティングして形成した吹き口体を使用しても良い。
【００４４】
なお、入口ラビリンス部１１や出口ラビリンス部１２を構成する部材（たとえば抑止板１０など）として同様の樹脂部材を使用すれば、各ラビリンス部１１，１２が周囲の大気に接触していてもそのプリント配線板２に臨む面の温度がフラックスヒュームの結露温度以下に低下することを防止することができる。したがって、当該ラビリンス部１１，１２にフラックスヒュームが結露して滴下することも防止することができるようになる。
【００４５】
さらに、低酸素濃度の不活性ガス雰囲気中（例えば窒素ガス雰囲気中）でフローはんだ付けを行うフローはんだ付け装置においても雰囲気形成用のチャンバを有しているため、このチャンバ内の高温部（予備加熱用ヒータの近傍やはんだ槽の近傍）がフラックスヒュームの露点以上すなわち約７０℃以上の温度になる場合においては、当該各部にガスカーテンを形成したり窒素ガスを供給したりする吹き口体の部材として同様の樹脂部材を使用することにより、フラックスヒュームの結露と滴下を防止することができるようになる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明のリフローはんだ付け装置によれば、リフローはんだ付け装置に使用されるガスカーテンの吹き口体にフラックスヒュームが結露しなくなり、結露により液化したフラックスヒュームがプリント配線板に滴下することがなくなる。したがって、被はんだ付けワークであるプリント配線板の品質と機能を阻害し低下させたり信頼性を低下させることもなくリフローはんだ付けを行うことができるようになる。また、窒素ガスの消費流量を増大させる必要もなく、低コストのリフローはんだ付け実装が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリフローはんだ付け装置の実施形態例の側断面すなわち縦断面を示す図である。
【図２】ガスカーテンを形成する吹き口体の構成例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 炉体
２ プリント配線板
３ 搬送コンベア
４ 加熱手段
５ 昇温部加熱室
６ 均温部加熱室
７ リフロー部加熱室
８ 搬入口
９ 搬出口
１０ 抑止板
１１ 入口ラビリンス部
１２ 出口ラビリンス部
１３ 加熱炉
１４ 窒素ガス供給装置
１５，２３ 開閉弁
１６，２４ フィルタ
１７，２５ 圧力制御弁
１８，２６ 流量調節弁
１９，２７ 流量計
２０，２８ 圧力計
２１，３４ 吹き口体
２２ 圧縮空気供給装置
３０ フラックスヒューム捕集装置
３１ 冷却部
３２ フィルタ部
３３ ブロワ
３５，３６ 透孔

Claims (1)

1. 被はんだ付け部に予めはんだが供給された被はんだ付けワークの少なくとも前記被はんだ付け部を加熱してリフローはんだ付けを行う加熱炉の搬入口と搬出口とに前記加熱炉内の雰囲気温度よりも低い温度の雰囲気を吹き出してガスカーテンを形成する場合の吹き口体の素材としてフラックスに対する耐腐食性を有する樹脂部材を使用するとともに前記樹脂部材で構成された吹き口体は表面温度がフラックスヒュームの露点以上の温度に保持される厚さに構成されて成ることを特徴とするリフローはんだ付け装置。

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