JP4401859B2 - リフロー炉 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板に塗布したソルダペーストを溶融させてはんだ付けを行うリフロー炉に関する。

ソルダペーストを用いて、プリント基板と電子部品をはんだ付けする場合、一般にはリフロー炉で行う。リフロー炉とは、トンネル状のマッフル内が予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンとなっており、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンにはヒーターが設置され、冷却ゾーンには冷却機が設置されている。

リフロー炉に用いるヒーターとしては、赤外線ヒーターと熱風吹き出しヒーターがある。赤外線ヒーターは、赤外線がプリント基板や電子機器の内部まで浸透して、はんだ付け部に塗布されたソルダペーストを溶融させるものであるが、赤外線は直進するため、電子部品の影となるはんだ付け部や隙間となるはんだ付け部を充分に加熱できないという問題があった。

一方、熱風吹き出しヒーターは、マッフル内で熱風が対流するため、熱風が電子部品の影となるところや狭い隙間にも侵入することから、赤外線ヒーターに較べてプリント基板全体を均一に加熱することができるという特長を有しており、今日では多く使用されているものである。

従来のリフロー炉に設置された熱風吹き出しヒーターは、大きな面積の熱風吹き出し口と該熱風吹き出し口に隣接して小面積の熱風吸い込み口が形成されたものであり、大面積の熱風吹き出し口から熱風を大量に吹き出させてプリント基板に当て、一度にプリント基板の広い面積を加熱するようにしていた。この大面積の吹き出し口から熱風を吹き出させることがプリント基板の均一加熱できるものであると考えられていたが、最近の実験結果からは、大面積から熱風を吹き付けても均一加熱できないことが判明した。即ち、大面積の熱風吹き出し口から熱風を吹き出してプリント基板を加熱後、プリント基板が進行して吸い込み口に到来すると、ここでは熱風が当たらないばかりでなく、熱風を吸い込むことから却ってプリント基板が冷やされることになる。従って、このように大面積の熱風吹き出し口と小面積の熱風吸い込み口が隣接して設置されたリフロー炉で温度プロファイルを描いてみると、熱風吹き出し口では温度は上昇しているが、吸い込み口では温度が下がってしまっている。このように予備加熱ゾーンや本加熱ゾーンにおいて温度の上下動があると、プリント基板は均一加熱されず、部分的にオーバーヒートや加熱不足になって、電子部品を熱損傷させたりソルダペーストが未溶融となったりすることがある。

これら大面積の吹き出し口から熱風を吹き出すリフロー炉の問題に鑑み、多数の小面積の熱風吹き出し口や連続した熱風吹き出し口を設けるとともに、これらの熱風吹き出し口の近傍に、やはり多数の熱風吸い込み口や連続した熱風吸い込み口を設けたリフロー炉が提案されている。（特許文献１〜４）
特開平２−３０３６７４号公報 特開２００１−１４４４２７号公報 特開２００２−１９８６４２号公報 特開２００２−３３１３５７号公報

ところで特許文献１、３、４のリフロー炉は、小面積の吹き出し口が点在しているため、プリント基板全域を均一に加熱することができるが、吸い込み口が点在していることから、多数の吹き出し口から吹き出された熱風があちこちの吸い込み口から吸い込まれるため、吹き出す熱風と吸い込まれる熱風がぶつかり合ってマッフル内で乱流を起こすことがあった。マッフル内で乱流が起こると、加熱ムラが起きたり、窒素ガスを用いた不活性雰囲気では酸素濃度が安定しなくなったりすることがある。また特許文献２のリフロー炉は、条状の吹き出し口と該吹き出し口に沿って設けた一連の吸い込み口が形成されているため、吹き出し口から吹き出された熱風と吸い込み口から吸い込まれる熱風がぶつかって乱流を起こすようなことはない。しかしながら、特許文献２のリフロー炉は、条状の吹き出し口がＸ状、Ｚ状、或いはジグザグ状になっていて吹き出し口の存在しない部分があるため、プリント基板は吹き出し口が存在しない部分では加熱が行われず、加熱ムラができてしまう。本発明は、加熱ムラができたり不活性雰囲気にしても酸素濃度が安定するというリフロー炉を提供することにある。

請求項１の発明は、トンネル状マッフルの上下部に複数の熱風吹き出しヒーターが設置されたリフロー炉において、熱風吹き出しヒーターは内部に送風機と電熱ヒーターが設置されており、また熱風吹き出しヒーターの表面には吸い込み板が張設されているとともに、該吸い込み板にはプリント基板の進行方向に対して横切る方向に多数のジグザグ状の吸い込み口が形成されていて、該吸い込み口は送風機の吸い込み側に連通しており、しかも吸い込み口内には多数の吹き出しノズルが立設されていて、さらに吹き出しノズルが送風機の吹き出し側に連通した構造となっていることを特徴とするリフロー炉である。

請求項２の発明は、ジグザグ状の吸い込み口の山と谷とは、隣接したジグザグ状の吸い込み口の谷と山とに、プリント基板の進行方向に対してそれぞれ入り込んでおり、ジグザグ状の吸い込み口内に立設された吹き出しノズルの一部は、隣接したジグザグ状の吸い込み口内に立設された吹き出しノズルの、プリント基板の進行方向に対して入り込んだ位置にあることを特徴とする請求項１記載のリフロー炉である。

請求項３の発明は、前記ジグザグ状の吸い込み口には、高温で遠赤外線を放射する黒色のセラミックが被覆されていることを特徴とする請求項１記載のリフロー炉である。

請求項1の発明によれば、多数のジグザグ状の吸い込み口がプリント基板の進行方向に対して横切る方向に形成されており、該吸い込み口内に多数の吹き出しノズルを設置してあるため、熱風が途切れることなくプリント基板に当たる。また吹き出しノズルから吹き出された熱風が吹き出しノズルを立設した吸い込み口に吸い込まれるため、他の吹き出しノズルから吹き出された熱風とぶつかり合うことがなく乱流を起こさない。従って、本発明のリフロー炉では、プリント基板を均一に加熱できることから、部分的にオーバーヒートして電子部品を熱損傷させたり、或いは部分的にソルダペーストを未溶融にしたりすることがないという信頼性に優れたはんだ付けが行える。

請求項２の発明によれば、ジグザグ状の吸い込み口の山と谷とが隣接した吸い込み口の谷と山とに、プリント基板の進行方向に対してそれぞれ入り込んでおり、ジグザグ状の吸い込み口内に立設された吹き出しノズルの一部は、隣接したジグザグ状の吸い込み口内に立設された吹き出しノズルの、プリント基板の進行方向に対して入り込んだ位置にあるため、さらに熱風が途切れることなくプリント基板に当たる。

請求項３の発明によれば、吸い込み板の表面に黒色セラミックを被覆しておくと、吸い込み板が熱風で加熱されたときに、黒色セラミックから遠赤外線が照射され、プリント基板は熱風加熱とともに遠赤外線で加熱されるため、はんだ付け部がオーバーヒートを起こしたり、はんだ付け部のソルダペーストが未溶融になったりすることがない。

以下、図面に基づいて本発明のリフロー炉を説明する。図１は本発明リフロー炉に設置する熱風吹き出しヒーターの平面図、図２は図１の部分拡大図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図、図４は図１のＢ−Ｂ線断面図、図５は本発明リフロー炉の正面断面図である。

リフロー炉１は、長手方向にトンネル状のマッフル２が形成されており、該マッフルが予備加熱ゾーン３、本加熱ゾーン４、冷却ゾーン５となっている。予備加熱ゾーン３の上下部には三対の熱風吹き出しヒーター６・・・が設置されており、本加熱ゾーン４の上下部には二対の熱風吹き出しヒーター７・・・が設置されている。予備加熱ゾーン３に設置する熱風吹き出しヒーター６と本加熱ゾーン４に設置する熱風吹き出しヒーター７は構造はほとんど同一であるが、本加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーター７は予備加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーター６よりも搬送方向の巾が短くなっている。そして冷却ゾーン５には明示しない一対の冷却機が設置されている。マッフル２内には予備加熱ゾーン３から冷却ゾーン５方向（矢印Ｘ）にプリント基板８を搬送するコンベア９が走行している。

ここで本発明のリフロー炉に設置する熱風吹き出しヒーターについて説明する。予備加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーターと本加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーターは、同一構造であるため、ここでは予備加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーターで説明する。熱風吹き出しヒーターはマッフルの上下部に設置するため、熱風吹き出しヒーターに上下はないが、図で説明する熱風吹き出しヒーターはマッフルの下部に設置した場合を想定して、図で見る通りの上下で説明する。

熱風吹き出しヒーター６は箱状であり、上下方向に四室に分かれている。この四室は下から送風室１０、加熱室１１、熱風室１２、吸い込み室１３となっている。

送風室１０の中央には送風機１４が置かれている。この送風機はシロッコファンであり、外部に置かれたモーター１５と連動している。送風室１０の両側には隔壁１６（一方は図示せず）があり、該隔壁の一端は開口１７となっている。それぞれの隔壁の開口は、相対向する位置ではなく離れた端部である。

加熱室１１には、両側に流路１８、１８が形成されており、また加熱室の内部には複数の電熱ヒーター１９・・・が配置されている。加熱室１１と送風室１０を隔てている仕切板２０には吸い込み穴２１が穿設されている。該吸い込み穴は、送風機１４の真上となるところであり、その直径は送風機であるシロッコファンの直径よりも少し小径である。

熱風室１２は前述送風室１０の開口１７と連通しており、送風室１０から熱風が送り込まれるようになっている。熱風室１２と吸い込み室１３を隔てている仕切板２２には多数の吹き出しノズル２３・・・が立設されており、ここから熱風室の熱風を上方に吹き出すようになっている。つまり吹き出しノズル２３は、送風機１４の吹き出し側と連通していることになる。

吸い込み室１３の上部には吸い込み板２４が張設されており、該吸い込み板には、図１に示すように多数のジグザグ状の吸い込み口２５・・・が形成されている。吸い込み口２５のジグザグ状の形成状態は、プリント基板の進行方向（矢印Ｘ）に対して横切る方向となっている。ジグザグ状の吸い込み口は、山と谷が隣接したジグザグ状の吸い込み口の谷と山とが入り込むようになっている。即ち、図２に示すように、ジグザグ状の吸い込み口２５ａの山２５ａｙは、隣接したジグザグ状の吸い込み口２５ｂの谷２５ｂｔに入り込んでおり、ジグザグ状の吸い込み口２５ａの谷２５ａｔには、隣接したジグザグ状の吸い込み口２５ｂの山２５ｂｙが入り込んでいる。従って、吸い込み口２５内に立設された吹き出しノズル２３は、プリント基板の進行方向に対して、隣接された吸い込み口内の吹き出しノズル２３と入り込んだ位置にある。吸い込み口２５は、流路１８を経由して吸い込み穴２１に連通している。つまり吸い込み口２５は、送風機１４の吸い込み側に連通していることになる。

吸い込み板２４は、アルミニューム、ステンレス、鉄等の金属板であり、その表面には黒色のセラミック２６が被覆してある。このように吸い込み板の表面に黒色セラミックを被覆しておくと、吸い込み板２４が熱風で加熱されたときに、黒色セラミックから遠赤外線が照射され、プリント基板は熱風加熱とともに遠赤外線で加熱されるため、熱風加熱だけよりもさらに均一加熱されるようになる。

次に上記構造を有するリフロー炉での熱風の吹き出しと吸い込み状態について説明する。加熱室１１内に配設された電熱ヒーター１９に通電するとともにモーター１５を駆動させて送風機１４であるシロッコファンを回転させる。すると加熱室１１内にある気体が電熱ヒーター１９で加熱されて高温の熱風となり、送風機１１で送風機の吸い込み側から送風室１０内に引き込まれる。送風室１０内に引き込まれた熱風は、送風機１１で送風機の吹き出し側から開口１７を通って熱風室１２に送られ、さらに多数の吹き出しノズル２３・・・から吹き出される。マッフル２内ではコンベア９によりプリント基板が走行させられており、走行しているプリント基板８に吹き出しノズル２３から吹き出た熱風が当たって、ここで熱交換を行いプリント基板を加熱する。熱風で加熱されたプリント基板は、はんだ付け部に塗布されたソルダペーストが溶融し、プリント基板と電子部品がはんだ付けされる。このとき熱風吹き出しヒーター６にはジグザグ状の吸い込み口２５に多数の吹き出しノズル２３が立設されているため、プリント基板に対して熱風の当たらない部分は全く存在せず、全ての部分が熱風で均一加熱される。従って、部分的にオーバーヒートしたりソルダペーストの未溶融が発生したりすることがない。

吹き出しノズル２３から吹き出た熱風は熱をプリント基板に奪われるため、温度が下がる。このように温度が下がった熱風は、吹き出しノズル２３を立設したところの吸い込み口２５に吸い込まれ、流路１８を通って加熱室１１に入る。加熱室１８に入った熱風は、電熱ヒーター１９で所定の温度まで加熱昇温され、送風機１４で送風室１０に吸い込まれる。そして熱風は、開口１７から熱風室１２に送られ、再度吹き出しノズル２３・・・から吹き出されてプリント基板を加熱する。つまり本発明のリフロー炉１は、吹き出しノズル２３から吹き出された熱風がプリント基板を加熱した後に、直ぐ近くの吸い込み口２５から吸い込まれるため、他の吹き出しノズル２３から吹き出した熱風と干渉することがない。従って、本発明のリフロー炉１では、マッフル内での乱流がなく、酸素濃度が安定するわけである。また吹き出しノズル２３を立設した吸い込み口２５ａがプリント基板の進行方向に横切ったジグザグ状となっており、吹き出しノズル２３が隣接した吸い込み口２５ｂの吹き出しノズル２３に入り込んだ位置にあることから、加熱ムラのない加熱が行える。

本発明のリフロー炉は、熱風の乱流がないことからマッフル内を不活性ガスで充満させた不活性雰囲気リフロー炉において、優れた効果を奏するものであるが、プリント基板全体を均一加熱できるため、大気リフロー炉においても優れているものである。

本発明リフロー炉に設置する熱風吹き出しヒーターの平面図 図１の部分拡大図 図１のＡ−Ａ線断面図 図１のＢ−Ｂ線断面図 本発明リフロー炉の正面断面図

符号の説明

２３ 吹き出しノズル
２４ 吸い込み板
２５ 吸い込み口

Claims (3)

1. トンネル状マッフルの上下部に複数の熱風吹き出しヒーターが設置されたリフロー炉において、
   前記熱風吹き出しヒーターは内部に送風機と電熱ヒーターが設置されており、
   前記熱風吹き出しヒーターの表面には吸い込み板が張設されているとともに、該吸い込み板にはプリント基板の進行方向に対して横切る方向に多数のジグザグ状の吸い込み口が形成されていて、該吸い込み口は前記送風機の吸い込み側に連通しており、
   前記吸い込み口内には多数の吹き出しノズルが立設されていて、前記吹き出しノズルが前記送風機の吹き出し側に連通した構造となっていることを特徴とするリフロー炉。
2. 前記ジグザグ状の吸い込み口の山と谷とは、隣接したジグザグ状の吸い込み口の谷と山とに、プリント基板の進行方向に対してそれぞれ入り込んでおり、
   前記ジグザグ状の吸い込み口内に立設された吹き出しノズルの一部は、隣接したジグザグ状の吸い込み口内に立設された吹き出しノズルの、プリント基板の進行方向に対して入り込んだ位置にあることを特徴とする請求項１記載のリフロー炉。
3. 前記ジグザグ状の吸い込み口には、高温で遠赤外線を放射する黒色のセラミックが被覆されていることを特徴とする請求項１記載のリフロー炉。

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