JP4560999B2 - ワークはんだ付け装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、リフローはんだ付けに使用されるワークはんだ付け装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、基板上に素子をはんだ付けする場合に、基板上にあらかじめはんだを供給しておき、このはんだを加熱炉中で溶融してはんだ付けを行なうリフローはんだ付けが行われている。
【０００３】
このようなリフローはんだ付けは、プリント基板等の所定のワークを、ヒータ等の加熱手段を備えた加熱炉内にコンベア等により搬送し、ワークにあらかじめ供給しておいたはんだを加熱溶融してはんだ付けを行なうものである。このようなリフローはんだ付けの例が、例えば特開平５−１６１９６１号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のリフローはんだ付けにおいては、加熱炉中を通過させるワークに所定の温度プロファイルを実現するために、加熱炉中に温度センサ、送風機、ヒータ、送風フィン等の様々な機能を付与する必要があり、加熱炉設備が大がかりかつ複雑になって、装置コストが上昇するという問題があった。
【０００５】
また、加熱炉中を通過するワークには、様々な種類があり、その熱容量もまちまちであるので、一度に複数種類のワークを処理することができないという問題もあった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、加熱炉に大がかりな設備を付加しなくても、各ワークの種類ごとに正確な温度プロファイルを実現できるワークはんだ付け装置を提供することにある。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、ワークが乗った保持手段を加熱するための加熱炉を備え、それぞれ異なる種類のワークを乗せて加熱炉の中を通過する際に、前記ワークに対して所定の温度プロファイルを実現するための複数種類のはんだリフロー装置を使用してワークのはんだ付けを行うワークはんだ付け装置であって、前記各種類のはんだリフロー装置は、対応する前記ワークを乗せる、各種類のはんだリフロー装置同士で異なる複数種類の保持手段を備え、前記各種類の保持手段は、上に乗る前記ワークに、前記ワークの種類に対応した異なる所定の温度プロファイルが実現されるようにその熱容量が決定されており、異なる種類のワークは、異なる温度プロファイルに対応する異なる融点のはんだを使用するものであり、複数種類の保持手段の上に、対応する前記ワークを乗せた状態で、一定温度で運転されている同一の加熱炉の中に複数種類の保持手段及びワークを通過させることにより、前記異なる種類のワークに対して異なる温度プロフィールの実現を可能とすることを特徴とする。
【０００８】
また、上記はんだリフロー装置において、保持手段は、ワークを乗せるカーボンジグと、カーボンジグを支持するトレイとを備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、上記はんだリフロー装置において、保持手段の熱容量は、トレイの形状と材料とによって制御されることを特徴とする。
【００１０】
また、上記はんだリフロー装置において、保持手段は、ワークの大きさ及び熱容量分布に応じてトレイの大きさ及び形状が決定されることを特徴とする。
【００１１】
また、組立装置として使用する、上記ワークはんだ付け装置であって、複数種類のワークを適切な保持手段に乗せるためのマウンタと、加熱炉によりはんだリフロー工程が実施されたワークのはんだの状況を、ワークの種類に応じて検査する検査装置と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１３】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るはんだリフロー装置およびこれを加熱炉中に通過させる様子を示す図である。これらのうち、図１（ａ）には、絶縁基板１０の上に、銅などの導体１２ａを介して素子１４を高温はんだ１６ａで接着するためのワークＡをリフローはんだ付けする際に使用するためのはんだリフロー装置１８ａが示される。また、図１（ｂ）には、図１（ａ）で示されたワークＡを、放熱板２０の上に銅などの導体１２ｂを介して中温はんだ１６ｂで接着するためのワークＢをリフローはんだ付けするためのはんだリフロー装置１８ｂが示される。
【００１４】
図１（ａ）において、はんだリフロー装置１８ａは、ワークＡを乗せるためのカーボンジグ２２ａとカーボンジグ２２ａを支持するトレイ２４ａとを備え、これらにより本発明に係る保持手段が構成される。
【００１５】
また、図１（ｂ）においても、同様にワークＢを乗せるカーボンジグ２２ｂと、カーボンジグ２２ｂを支持するトレイ２４ｂとを備えており、これらによって保持手段が構成される。
【００１６】
以上に述べたワークＡ、ワークＢにより組み立てられた製品であるパワーモジュールが図２に示される。上述したように、絶縁基板１０に素子１４を接着するためのはんだ１６ａには高温はんだが使用され、絶縁基板１０を放熱板２０に接着するためのはんだ１６ｂには中温はんだが使用される。これは、パワーモジュールの各部材間で発生する線膨張率差による熱応力をはんだの弾性率特性を利用して緩和するためである。特に、熱応力による障害の懸念が大きい素子１４の下には、降伏応力が小さい高温はんだが用いられ、絶縁基板１０の下の中温はんだと異ならせている。
【００１７】
図２に示されるように、高温はんだはその融点が２６８℃〜３０１℃であり、中温はんだの融点は１８３℃〜２１５℃である。このため、リフローはんだ付けにより各はんだ付けを行なうためには、高温はんだを使用するワークＡの場合と、中温はんだを使用するワークＢの場合とで、最適な温度プロファイルが異なることになる。パワーモジュールの組立においては、前述の通り、高温はんだを使用したワークＡを処理した後、これをワークＢに乗せ変えて再度加熱炉中を通過させることになる。このため、ワークＡに要求される温度プロファイルは、高温はんだを溶融できるものであり、ワークＢに要求される温度プロファイルは、中温はんだを溶融でき、かつ高温はんだが再溶融しないものである。
【００１８】
図３には、ワークＡとワークＢの最適温度プロファイルが示される。このように、各ワークごとに異なる温度プロファイルを、一定温度で運転されている同一の加熱炉中にそれぞれのワークを通過させることによって実現するためには、これらのワークＡとワークＢとを乗せるはんだリフロー装置の形状及び材料を工夫し、各ワークに実現される温度プロファイルを制御する必要がある。
【００１９】
以上のような理由により、図１（ａ）、（ｂ）に示される各はんだリフロー装置１８ａ，１８ｂは、そのカーボンジグ２２ａ，２２ｂの大きさ及び形状が、またトレイ２４ａ，２４ｂの大きさ、形状および材料がそれぞれ異なっている。例えば、図１（ａ）に示されたトレイ２４ａは、カーボンジグ２２ａをその周囲部分で支持しつつ、中空構造となっている。中空になっている分、重量が小さく熱容量が小さいため、ワークＡの温度上昇がより速やかに行なわれることになる。
このため、高温はんだを使用するワークＡの温度プロファイルを最適化することができる。
【００２０】
また、図１（ｂ）では、カーボンジグ２２ｂを支持するトレイ２４ｂは、カーボンジグ２２ｂの底面全面をトレイ２４ｂの上面で受けており、図１（ａ）の例のように中空構造にはなっていない。このため、図１（ａ）の例に比べてトレイ２４ｂの熱容量が大きく、より温度上昇が緩和されることになる。このため、中温はんだを使用するワークＢに対して最適な温度プロファイルを与えることが可能となる。
【００２１】
このようなトレイ２４ａ，２４ｂの斜視図が図４（ａ），（ｂ）に示される。
図４（ａ）においては、トレイ２４ａは中空構造となっており、図４（ｂ）においてはトレイ２４ｂが中実構造となっている。このように、形状を異ならせることにより、第１にトレイの熱容量がそれぞれ異なり、第２に熱伝達方式（輻射または伝導等）も異なることになり、それぞれ所定の温度プロファイルが実現できるように工夫されている。
【００２２】
上述した２種類のはんだリフロー装置１８ａ，ｂ上に、それぞれのワークＡ、ワークＢを乗せ、図１（ｃ）に示される加熱炉２６中を通過させる。なお、この加熱炉２６は、ヒータ２８、水素供給ノズル３０、窒素供給ノズル３２を備えた水素還元炉であり、各ワークを乗せたはんだリフロー装置１８ａ，１８ｂは、同時にベルトコンベア３３に乗せられて加熱炉２６中を通過する。このように、異なるワークを同時に加熱炉２６中を通過させても、前述の通り、ワークを乗せたはんだリフロー装置のカーボンジグ２２ａ，２２ｂ及びトレイ２４ａ，２４ｂの形状、材料等がそれぞれ最適に調整されているので、その熱容量や熱伝導率の差により、各ワークごとにそれぞれ最適な温度プロファイルを実現することができる。なお、以上に述べた例では、加熱炉２６として水素還元炉を示したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば大気式、窒素式等の加熱炉を使用することができる。
【００２３】
はんだリフロー装置に使用される各トレイの熱容量は、その形状を異ならせることの他、使用する材料を異ならせて制御しても良い。以下に示される表１には、トレイに使用することができる材料の例と、それぞれの熱伝導率、熱容量が示される。
【００２４】
【表１】

【００２５】
このように、材料ごとに熱伝導率及び熱容量が異なるので、所定のワークに最適な温度プロファイルを実現できるように、トレイの形状を変化させるとともに、最適な熱伝導率或いは熱容量を有する材料を選択することにより、きめ細かなワークの温度プロファイルの制御を行なうことが可能となる。
【００２６】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、本発明に係るはんだリフロー装置をプリント基板に応用した例が示される。プリント基板は、そのサイズや熱容量が種類によってまちまちであるが、これらを同一の加熱炉に混流してリフローはんだ付けをする場合に、はんだリフロー装置の大きさ、形状及び材料を適宜選択し、熱容量もしくは熱伝導率を調整することによって、各プリント基板に実現される温度プロファイルを最適化することができる。
【００２７】
図５（ａ）においては、比較的小さなプリント基板３４用のはんだリフロー装置１８が示され、図５（ｂ）には比較的大きなプリント基板３４用のはんだリフロー装置１８が示される。これらの各プリント基板３４を乗せたはんだリフロー装置１８は加熱炉中のコンベアレール３６上を流れて行き、それぞれのプリント基板３４に最適な温度プロファイルを実現してリフローはんだ付けを行なう。
【００２８】
また、図５（ｃ）では、プリント基板３４上に配置された各素子が、その大きさ、種類が偏っているために、プリント基板上の熱容量に差が生じている場合の例が示されている。この場合、形状が大きく、熱容量の大きな素子が比較的多い図の右側半分に対しては、はんだリフロー装置が中空構造となっており、プリント基板３４のうち熱容量の大きい部分について温度上昇がしやすくなっている。
また、比較的形状の小さな素子が集まっている図の左側部分に対してははんだリフロー装置の中空部分の面積を小さくし、プリント基板３４の温度上昇を抑制している。これにより、プリント基板３４上で熱容量に分布があっても、プリント基板全体の温度プロファイルが同一となるように制御することができる。
【００２９】
図６には、上述したはんだリフロー装置を使用して、複数種類のワークに対してリフローはんだ付けを行なうための組立装置の構成例が示される。図６において、組立装置には、ワークのセットを行なうマウンタ３８が備えられ、マウンタ３８には、ロボット４０が含まれている。このロボット４０が、図１（ａ）、（ｂ）に示されたような複数種類のワークＡ、ワークＢをそれぞれ適切なはんだリフロー装置の保持手段に乗せていく。例えばワークＡの場合には、組立テーブル４８上において、絶縁基板１０、高温はんだ１６ａ、素子１４を、この順序でカーボンジグ２２ａにセットする。このようにセットされたワークＡは、はんだリフロー装置１８ａの上に乗せられた状態で、ワーク搬送コンベア４２に乗せられ、加熱炉２６中を通過していく。このように加熱炉２６内を通過している間に、前述したように、図３に示された温度プロファイルが実現され、これによりワークＡに対してリフローはんだ付けが行われる。
【００３０】
はんだ付けが終了したワークＡは、リターンコンベア４４により、Ｘ線検査装置４６に運ばれる。Ｘ線検査装置４６では、はんだの気泡欠陥を検査し、所定の水準ではんだ付けが行われているか否かを検査する。はんだ中に気泡が多い場合には、電気抵抗が上昇するとともに、素子からの発熱を効率的に放熱できないので、気泡の量を一定レベル以下に抑える必要がある。
【００３１】
上記のように、Ｘ線検査装置４６ではんだの検査を行なった結果、品質不良と判断された場合には、ロボット４０により不良品として工程から除去される。また、はんだが良好であると判断された場合には、マウンタ３８のロボット４０により、ワークＢのセットが行われる。即ち、組立テーブル４８上において、絶縁基板１０に素子１４がはんだ付けされたワークＡの完成品を、中温はんだ１６ｂを介して放熱板２０の上に乗せ、これをワークＢ用のはんだリフロー装置１８ｂのカーボンジグ２２ｂ上に乗せる。このようにセットされたワークＢは、ワークＡと同様に、ワーク搬送コンベア４２で加熱炉２６中を通過する。この際に、前述したように図３に示された温度プロファイルが与えられ、ワークＢに対してリフローはんだ付けが行われる。なお前述した通り、ワークＢの温度プロファイルは、ワークＡのプロファイルよりも低温であるため、既にはんだ付けされた高温はんだ１６ａが再度溶融することはない。
【００３２】
以上のようにしてリフローはんだ付けが行われたワークＢは、リターンコンベア４４によりＸ線検査装置４６に運ばれ、ワークＡと同様にはんだの気泡欠陥が検査される。なお、各ワークには、識別用のマーキングを施しておき、Ｘ線検査装置４６でいずれのワークであるかを識別し、ワークの種類に応じて最適な検査プログラムで検査を実行するように構成されている。
【００３３】
Ｘ線検査装置４６ではんだの品質が不良であると判定された場合には、ロボット４０により工程から除去される。また、Ｘ線検査装置４６ではんだの品質が良好で判断された場合には、完成品払い出しコンベア５０により完成品として払い出される。
【００３４】
以上のようにして、加熱炉２６中を複数種類のワークが通過してもそれぞれが乗せられているはんだリフロー装置により最適な温度プロファイルが実現できるので、加熱炉２６の温度を一定に保持しておけば、各ワークに最適なリフローはんだ付けを行なうことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加熱炉の温度を一定に保持しつつ、各ワークに応じた保持手段により、各ワークごとに最適な温度プロファイルが実現できるので、複数種類のワークを一つの加熱炉によりリフローはんだ付けを行なうことができる。
【００３６】
この場合、加熱炉の温度は一定で良いので、加熱炉の装置構成が大がかりかつ複雑となることはないので、装置コストを低減することができる。
【００３７】
また、保持手段は、これを構成するトレイの形状と材料とによってその熱容量を制御されるので、各ワークに応じたきめの細かい温度プロファイルの制御を行なうことができる。
【００３８】
また、保持手段は、ワークの大きさや、熱容量の分布に応じて大きさ及び形状を決定できるので、きめ細かくワークに対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るはんだリフロー装置の一実施形態の構成例を示す図である。
【図２】 図１に示されたはんだリフロー装置によりリフローはんだ付けが行われるワークの例を示す図である。
【図３】 図１に示されたはんだリフロー装置により各ワークに実現される温度プロファイルの例を示す図である。
【図４】 図１に示されたはんだリフロー装置に使用されるトレイの構成例を示す図である。
【図５】 本発明に係るはんだリフロー装置の他の実施形態の構成例を示す図である。
【図６】 本発明に係るはんだリフロー装置を使用してワークのはんだ付けを行なうための組み立て装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 絶縁基板、１２ａ，１２ｂ 導体、１４ 素子、１６ａ 高温はんだ、１６ｂ 中温はんだ、１８ａ，１８ｂ はんだリフロー装置、２０ 放熱板、２２ａ，２２ｂ カーボンジグ、２４ａ，２４ｂ トレイ、２６ 加熱炉、２８ ヒータ、３０ 水素供給ノズル、３２ 窒素供給ノズル、３３ ベルトコンベア、３４ プリント基板、３６ コンベアレール、３８ マウンタ、４０ ロボット、４２ ワーク搬送コンベア、４４ リターンコンベア、４６ Ｘ線検査装置、４８ 組み立てステージ、５０ 完成品払い出しコンベア。

Claims (5)

1. ワークが乗った保持手段を加熱するための加熱炉を備え、
   それぞれ異なる種類のワークを乗せて加熱炉の中を通過する際に、前記ワークに対して所定の温度プロファイルを実現するための複数種類のはんだリフロー装置を使用してワークのはんだ付けを行うワークはんだ付け装置であって、
   前記各種類のはんだリフロー装置は、対応する前記ワークを乗せる、各種類のはんだリフロー装置同士で異なる複数種類の保持手段を備え、前記各種類の保持手段は、上に乗る前記ワークに、前記ワークの種類に対応した異なる所定の温度プロファイルが実現されるようにその熱容量が決定されており、
   異なる種類のワークは、異なる温度プロファイルに対応する異なる融点のはんだを使用するものであり、
   複数種類の保持手段の上に、対応する前記ワークを乗せた状態で、一定温度で運転されている同一の加熱炉の中に複数種類の保持手段及びワークを通過させることにより、前記異なる種類のワークに対して異なる温度プロフィールの実現を可能とすることを特徴とするワークはんだ付け装置。
2. 請求項１記載のワークはんだ付け装置において、前記保持手段は、ワークを乗せるカーボンジグと、前記カーボンジグを支持するトレイとを備えていることを特徴とするワークはんだ付け装置。
3. 請求項２記載のワークはんだ付け装置において、前記保持手段の熱容量は、前記トレイの形状と材料とによって制御されることを特徴とするワークはんだ付け装置。
4. 請求項３記載のワークはんだ付け装置において、前記保持手段は、前記ワークの大きさ及び熱容量分布に応じて前記トレイの大きさ及び形状が決定されることを特徴とするワークはんだ付け装置。
5. 組立装置として使用する、請求項１から請求項４のいずれか一項記載のワークはんだ付け装置であって、
   複数種類のワークを適切な前記保持手段に乗せるためのマウンタと、
   前記加熱炉によりはんだリフロー工程が実施されたワークのはんだの状況を、ワークの種類に応じて検査する検査装置と、
   を備えることを特徴とするワークはんだ付け装置。

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