JP4537749B2 - リフロー炉およびリフローはんだ付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に使用するプリント基板や電子部品等のワークをリフローはんだ付けするリフロー炉およびリフローはんだ付け方法に関する。

電子機器に使用されるプリント基板や電子部品等のワークには、はんだで導通を行うものが多い。例えば、プリント基板ではプリント基板のランドと電子部品のリードをはんだ付けすることにより導通を行い、また表面実装部品では予め電極にはんだバンプを形成しておき、該はんだバンプをプリント基板のランドとはんだ付けすることにより導通を行っている。

一般に、ワークのはんだ付け方法としては、やに入りはんだを用いてはんだ鏝ではんだ付けする鏝付け法、溶融したはんだにワークを浸漬してはんだ付けするフロー法、そしてワークのはんだ付け部にソルダペーストやフォームソルダを置いてリフロー炉ではんだ付けするリフロー法がある。これらのはんだ付け方法は、それぞれ一長一短があり、ワークの形状や生産数量に応じて、適宜選択して用いている。これらのはんだ付け方法のうち、リフロー法は微小箇所のはんだ付けに適しているため、今日のように小型化されたワークのはんだ付けには適した方法である。

一般に、リフロー法に用いられるリフロー炉としては、長いトンネル内に予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンが構成されたトンネル式（特許文献１）と、一つのチャンバー内で予備加熱と本加熱を行うチャンバー式（特許文献２、３）がある。
特開2003-33867号公報 実開昭57-102468号公報 実開平1-19034号公報

トンネル式リフロー炉は、トンネル内に各ゾーンが設置されていて多数のワークを搬送装置で連続搬送しながらはんだ付けができるため、同一形状のワークについては生産性に優れたものである。しかしながら、このトンネル式リフロー炉は、長いトンネルが必要となることから、リフロー炉の設置場所に広い面積が必要となり、その広い場所の確保が問題となることがある。またトンネル式リフロー炉は、トンネル内に消費電力の多いヒーターを多数配置してあるため、大電流を処理する特別な変電設備が必要であるばかりでなく、ランニングコストが高くなるという問題がある。さらにトンネル式リフロー炉は、多品種小ロットのワークをはんだ付けする場合は、品種が変わる度に搬送装置の巾を変更したり、ヒーターの設定温度を変更したりしなければならないという手間のかかるものである。

チャンバー式リフロー炉は、チャンバーが小さいため据え付け面積も小さくて済み、またヒーターの設置数が少ないため、トンネル式リフロー炉のような特別の変電設備を必要とせず、しかも電力の消費量も少ないという場所的な優位性と経済性に優れたものである。ただしチャンバー式リフロー炉は、一つのワークに対してチャンバー内で予備加熱と本加熱を行わなければならないという構造であることから、同一形状のワークを大量にはんだ付けすることはできない。そこでチャンバー式リフロー炉は、はんだ付け材料の特性試験やワークのはんだ付け状態の観察試験のように一品一様ではんだ付けを行うものについては最適なリフロー炉といえる。

ところでプリント基板や電子部品等のワークをリフローはんだ付けする場合は、予備加熱温度、本加熱温度、加熱速度、等の条件によって、はんだ付けの良否が決まる。この予備加熱本加熱の温度と時間の関係をチャート化したのが所謂「温度プロファイル」とよばれるものであり、リフローはんだ付けするワークは、最適条件ではんだ付けを行うため、はんだ付け前に必ず温度プロファイルを作成しておかなければならない。

温度プロファイルの作成は、予備加熱、本加熱、加熱温度、加熱速度等のリフロー条件の組み合わせから最適な温度プロファイルを作成するため、１種類のワークに対して実験数が相当多くなるものである。従来、温度プロファイル作成実験は、生産用のリフロー炉で行っていたが、各条件を変えて実験をするには、生産用リフロー炉では加熱温度を変えたり、加熱速度を変えたりするのに多大な手間がかかるばかりでなく、生産用リフロー炉は消費電力が大きいため経済的にも問題のあるものであった。そこで温度プロファイル作成には、取り扱い容易なチャンバー式のリフロー炉を用いることは考えられていた。

従来のチャンバー式リフロー炉は、チャンバー内に電熱ヒーターを固定して設置したものであり、該ヒーターからの熱の照射が常に一定の方向となっていたため、ワークに対して熱が当たる部分はオーバーヒートとなり、熱が当たらない部分は昇温しないという不均一加熱になることがあった。また従来のチャンバー式リフロー炉は、チャンバー内へワークを配置してからワークをはんだ付け温度まで加熱するのに時間がかかるものでもあった。本発明は、チャンバー内の温度を一定にしてワークへの加熱が均一に行え、しかもワークをチャンバー内に配置後、短時間でワークを所定の温度まで加熱できるというチャンバー式リフロー炉を提供することにある。

本発明者は、熱風は被加熱物を短時間で加熱でき、しかも熱風は対流することにより被加熱物を均一に加熱できることに着目して本発明を完成した。

本発明は、回転可能で、しかも挿入長さ調整自在にチャンバー内に挿入され、チャンバー内に熱風を吹き出す吹き出し口を有したパイプ形状の熱風吹き出しノズルと、チャンバー内に設置されたワークを載置するワーク台とを備え、吹き出し口は、熱風吹き出しノズルの長手方向に設けられていることを特徴とするリフロー炉である。

また本発明は、チャンバー内で静止状態に置かれたワークを加熱することによりワーク上に置かれたはんだ材料を溶融させるリフローはんだ付け方法において、チャンバー内に挿入されるとともにチャンバー内に熱風を吹き出すための吹き出し口が長手方向に設けられたパイプ形状の熱風吹き出しノズルを回転させたり、チャンバー内への挿入長さを調整したりして、熱風の吹き出しノズルの熱風吹き出し方向と熱風吹き出しノズルの位置を調整することによりチャンバー内に置かれたワークのはんだ付けを行うことを特徴とするリフローはんだ付け方法である。

本発明によればチャンバー内で熱風吹き出しノズルを回転したり挿入長さを変更したりしてワークに合った加熱が行えるため、ワークのはんだ付け条件を設定するための温度プロファイルの作成が簡単に行えるという簡易性に優れたものである。また本発明のリフロー炉は、チャンバーを構成する壁面の一部を透明の材料にすることにより、はんだ付け時におけるはんだやワークの挙動が外部から容易に観察できる。

本発明のリフロー炉は、チャンバーを構成する一部の壁面から複数本の熱風吹き出しヒーターが挿入されているものであるが、このヒーターはワークに対して上下左右に４本設置するとワークをさらに均一に加熱することができる。

本発明に使用する熱風吹き出しヒーターは、熱風を吹き出すことができるものであれば、如何なるものでも採用可能であるが、好適にはパイプ内に電熱ヒーターが巻回されたもの（商品名：スーパーエアーヒーター）である。

熱風吹き出しヒーターは、熱風を吹き出す吹き出し口がパイプの一箇所だけでもよいし、パイプの長手方向に複数の吹き出し口が穿設されていてもよいし、或いはパイプの長手方向にスリットを形成したものでもよい。

本発明のリフロー炉は、ワークのはんだ付け状態を観察できるようにチャンバーを構成する壁面を透明な材料、例えば耐熱性ガラスや耐熱性プラスチックを嵌め込んでノゾキ窓を形成すると、チャンバー内部でのワークの挙動を観察できる。そしてノゾキ窓の外部にＣＣＤカメラやレーザー式の変移測定装置等を配置すれば、チャンバー内での挙動を測定したり、記録をしたりすることもできるようになる。

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の斜視図、図２は本発明リフロー炉の内部を説明する斜視図、図３はリフロー炉内でのワークの加熱状態を説明する図、図４はリフロー炉内でのワークの他の加熱状態を説明する図である。

本発明のリフロー炉は、チャンバー１が箱形であり、前面２が蝶番３で開閉可能な蓋となっている。またチャンバー１の両側面４、５および上面６には透明材料７を嵌め込んだノゾキ窓８が形成されている。そしてチャンバー１の裏面９からは複数の熱風吹き出しヒーター１０…が挿入されている。

熱風吹き出しヒーター１０は、矢印Aに示すように回転自在で、しかも矢印Bのように挿入長さが調整自在となっている。該熱風吹き出しヒーターの先端側部には一箇所に吹き出し口１１が形成されている。熱風吹き出しヒーター１０の外側端部には図示しない供給パイプが接続されており、該供給パイプはやはり図示しない気体供給源に接続されている。気体供給源とは、窒素、炭酸ガス、アルゴン、ヘリウムのような不活性ガス供給装置、或いは圧縮空気を送るエアーコンプレッサー等である。気体供給源から気体を熱風吹き出しヒーター１０に送ると、気体は熱風吹き出しヒーター内の電熱ヒーターで加熱されて、熱風吹き出し口から吹き出してくる。熱風吹き出しヒーター１０から吹き出る熱風の温度は、電熱ヒーターの加熱状態や気体の流量によって容易にコントロールできるようになっている。

チャンバー１の内部には、ワーク台１２が設置されている。ワーク台１２は、ワーク１３を挟持して保持するものであり、ワークの巾に合わせて巾が調整可能となっている。

上面６のノゾキ窓８の上部に変移点測定装置１２を設置したり、両側面４、５のノゾキ窓８の近傍にＣＣＤカメラ１３を設置したりすると、ワークにおけるはんだ付けの挙動を測定し、記録もできる。

次に本発明のリフロー炉を用いたワークのはんだ付け方法について説明する。先ず、はんだ付け材料であるはんだボール、はんだペレット、はんだワッシャー等のフォームソルダーやソルダペーストを置いたり、該はんだ付け材料とともに電子部品を搭載したりしたワークを準備する。そしてチャンバー１の前面２を開けて、はんだ付け材料や電子部品等が置かれたワーク１３をワーク台１２に載置する。

ワーク１３をワーク台１２に載置したならば、裏面９からチャンバー１内に挿入した熱風吹き出しヒーター１０を矢印Ａのように回転させたり、矢印Ｂのように移動させたりして、吹き出し口１１を所望の方向に向けるとともに吹き出し口を所望の位置にする。例えば、全ての熱風吹き出しヒーターから直接ワーク１３に熱風を当てるのであれば、図２、３に示すように吹き出し口１１の位置がワーク１３の中央となるように長さを調整し、吹き出し口１１をワーク１３方向に向ける。

熱風を直接ワークに当てると、ワーク上に置かれたはんだ材料や電子部品が吹き飛ばされたり動いたりする場合は、熱風吹き出しヒーター１０の吹き出し口１１を図４に示すように、それぞれ下向き、右横向き、上向き、左横向きにする。すると熱風がチャンバー内で対流し、ワーク上のはんだ材料や電子部品を吹き飛ばしたり動かしたりすることなくワーク全体を均一に加熱することもできるようになる。

このようにして熱風吹き出しヒーター１０の吹き出し口１１の位置と方向が決まったならば、前面２を閉め、熱風吹き出しヒーター１０の内部にある電熱ヒーターに通電するとともに、図示しない気体供給源から気体を送る。すると熱風吹き出しヒーター１０に入った気体は電熱ヒーターで加熱され、吹き出し口１１から熱風となって吹き出し、ワーク１３を加熱する。該熱風で加熱されたワークでは、ワーク上に置かれたはんだ付け材料が溶融し、はんだ付け部に濡れる。このときにワーク各部の温度変化を測定して温度プロファイルを作成したり、挙動をノゾキ窓８から観察したり、さらにはＣＣＤカメラや転移測定装置で記録や測定したりすることもできる。

本発明のリフロー炉を用いてコンピューター用プリント基板の温度プロファイル作成し、この温度プロファイルを生産用リフロー炉に適用してコンピューター用プリント基板のリフローはんだ付けを行ったところ、はんだ付け不良、ワークの熱損傷、微小はんだボールの発生等という問題は発生しなかった。また本発明のリフロー炉を用いてプリント基板とチップ部品をソルダペーストではんだ付けした状態を観察したところ、チップ立ち現象がはっきりと認識できた。つまり微小なチップ部品をソルダペーストではんだ付けすると、チップ部品が立ち上がてしまうことがあるが、今までビジュアルで観察することが困難であった。本発明のリフロー炉を用い、プリント基板とチップ部品をソルダペーストではんだ付けするとともに、上部のノゾキ窓からＣＣＤカメラで観察記録したところ、チップ部品の両端の電極にあるソルダペーストが片方ずつ、時間差があって溶融し、先に溶融した方の溶融はんだで引っ張られてチップ部品が立ち上がる様子がはっきりと確認できた。

本発明は、ワークのはんだ付けのための温度プロファイル作成やフォームソルダを用いたはんだ付けの挙動観察だけでなく、熱処理により挙動が変化するもの、例えば熱硬化性接着剤や伝導性樹脂の温度プロファイル作成や挙動観察もできるものである。

本発明リフロー炉の斜視図である。 本発明リフロー炉の内部を説明する斜視図である。 リフロー炉内でのワークの加熱状態を説明する図である。 リフロー炉内でのワークの他の加熱状態を説明する図である。

符号の説明

１ チャンバー
２ 前面
４ 側面
６ 上面
８ ノゾキ窓
９ 裏面
１０ 熱風吹き出しヒーター
１２ ワーク台
１３ ワーク

Claims (5)

1. 回転可能で、しかも挿入長さ調整自在にチャンバー内に挿入され、チャンバー内に熱風を吹き出す吹き出し口を有したパイプ形状の熱風吹き出しノズルと、
   チャンバー内に設置されたワークを載置するワーク台とを備え、
   前記吹き出し口は、前記熱風吹き出しノズルの長手方向に設けられていることを特徴とするリフロー炉。
2. 前記熱風吹き出しノズルは、前記ワーク台の上下左右の位置に設置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。
3. 前記熱風吹き出しノズルは、内部に電熱ヒーターが設置されたエアーヒーターであることを特徴とする請求項１記載のリフロー炉。
4. 前記チャンバーを構成する壁面にノゾキ窓が形成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。
5. チャンバー内で静止状態に置かれたワークを加熱することによりワーク上に置かれたはんだ材料を溶融させるリフローはんだ付け方法において、
   チャンバー内に挿入されるとともにチャンバー内に熱風を吹き出すための吹き出し口が長手方向に設けられたパイプ形状の熱風吹き出しノズルを回転させたり、チャンバー内への挿入長さを調整したりして、熱風の吹き出しノズルの熱風吹き出し方向と熱風吹き出しノズルの位置を調整することによりチャンバー内に置かれたワークのはんだ付けを行うことを特徴とするリフローはんだ付け方法。

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