JP4792745B2 - リフロー炉 - Google Patents

Description

本発明は、内部を不活性雰囲気にしてプリント基板と電子部品のはんだ付けを行うリフロー炉に関する。

プリント基板と電子部品のはんだ付けをリフロー炉で行う場合、はんだ付け材料としてはソルダペーストを用いる。ソルダペーストとは、はんだ粉末とフラックスとを混練したものである。ソルダペーストに用いるフラックスは、松脂、活性剤、チキソ剤等の固形成分を有機溶剤で溶解してあるため粘調性があり、はんだ粉末と混練したソルダペーストも粘調性がある。

ソルダペーストは、プリント基板のはんだ付け部にメタルマスクやシルクスクリーンを用いて印刷塗布したり、ディスペンサーを用いて吐出塗布したりする。ソルダペーストは粘着作用があるため、ソルダペーストをプリント基板のはんだ付け部に塗布した後、該塗布部に電子部品を搭載して仮固定しても、ソルダペーストの粘着作用で電子品を保持していられる。そしてソルダペースト塗布部に電子部品が搭載されたプリント基板をリフロー炉で加熱すると、ソルダペースト中のフラックスがプリント基板のはんだ付け部に流れ出て清浄化し、その後に溶融したはんだが清浄化したはんだ付け部に濡れ広がっていく。

一般の家電製品、例えばテレビやビデオのような電気製品のプリント基板のはんだ付けに用いられるソルダペーストのフラックスは、固形成分の添加量を少し多くしてある。なぜならばソルダペーストのフラックス中に固形成分が多く添加されていると、リフロー炉で加熱されたときに、フラックス中の多めの活性剤がプリント基板のはんだ付け部を効率よく清浄化するとともに、多めの松脂が清浄化されたはんだ付け部を完全に被って再酸化を防ぐ。そのため固形成分の多いソルダペーストは、溶融はんだがはんだ付け部に良好に濡れ広がり、未はんだのようなはんだ付け不良の発生がない。しかしながら固形成分、特に活性剤の添加量が多いと、はんだ付け後にはんだ付け部に付着していたフラックス残渣中にも活性剤が残るため、はんだ付け後、長年月経過するうちに活性剤が大気中の水分を吸湿して腐食生成物を生成したり、隣接した導体間の絶縁抵抗を低下させたりすることがある。このような腐食生成物の発生や絶縁抵抗の低下は、テレビ、ビデオのような家電製品では、大きな問題とはならないが、コンピューターや通信機器のような精密電子機器では機能に影響することがある。

そこで精密電子機器に組み込むプリント基板を固形成分の多いソルダペーストではんだ付けした場合は、はんだ付け後にプリント基板のはんだ付け部に付着しているフラックス残渣を洗浄除去することが行われていた。松脂を主成分とするフラックス残渣に対しては、フロンやトリクレンのような有機溶剤が洗浄効果に優れているため、かつては多く使用されていた。しかしながらこれらの有機溶剤は地球を取り巻くオゾン層を破壊して有害な紫外線を多量に地球に到達させて皮膚癌発生の原因となったり、地球表面を被って温暖化の原因となったりすることから、その使用が規制されるようになってきた。

そのため精密電子機器用プリント基板のはんだ付けには、はんだ付け後にフラックス残渣の洗浄を行わなくても済むという所謂「無洗浄ソルダペースト」が用いられるようになってきた。この無洗浄ソルダペーストとは、フラックス中の固形成分の添加量を極力少なくしたものである。固形成分の少ないソルダペーストではんだ付けを行えば、はんだ付け後のフラックス残渣中に存在する活性剤や松脂も少なくなるため、フラックス残渣は長年月経過しても吸湿量が少なく、従って腐食生成物の発生や絶縁抵抗の低下も少なくなる。

ところが無洗浄ソルダペーストは、はんだ付けに効果のある活性剤や松脂が少ないため、はんだ付け不良が発生することがある。つまり無洗浄ソルダペーストは、はんだ付け時に、はんだ付け部に付着していた酸化物を還元除去する作用が弱く、また活性剤で酸化物を還元除去しても、その部分を被う松脂の量が少ないため再酸化してしまう。そのため無洗浄ソルダペーストでは、はんだが完全に濡れ広がらないという未はんだを発生させることがあった。

しかしながら無洗浄ソルダペーストでも、酸素のない状態、即ち炉内が不活性雰囲気となったリフロー炉ではんだ付けを行うと未はんだは発生しない。なぜならば不活性雰囲気中では、少ない活性剤でも酸化物をよく還元除去し、また清浄化されたはんだ付け部は松脂が完全に被っていなくとも酸素がないため再酸化されないからである。

不活性雰囲気リフロー炉（以下、単にリフロー炉という）は、窒素ガスのような不活性ガスを炉内に流入させることにより炉内の酸素濃度を低くしている。リフロー炉では、多数のプリント基板をコンベアで搬送しながらはんだ付けを行うため、炉の出入口は常に開放状態となっている。従って、炉内に不活性ガスを流入させることにより、炉内を大気よりも圧力の高い正圧になることから外気が侵入しにくくなっているが、それでも出入口から空気が侵入してしまうものである。その原因は、リフロー炉の出入口近くを人が通って風を起こしたり、冷暖房装置から風が吹付けられたり、さらにはコンベアの走行に引き込まれたりして空気が侵入してしまうものである。このような外部からの空気の侵入を防ぐ手段として本発明出願人が実用新案として提案したラビリンス（特許文献１）が非常に優れた効果があり、現在多くのリフロー炉に採用されている。このラビリンスは、リフロー炉の出入口に多数の暖簾状の抵抗体を設置したもので、外部から炉内に空気が侵入しようとしても、空気が抵抗体に妨げられて侵入しないようになっている。

ラビリンスに用いる抵抗体は、薄いフィルム状のものであるが、外部から多少の風が吹付けられても簡単に風を通してはならず、またリフロー炉の出入口の下部に設置した場合にも倒れない程度の剛性を有していなければならない。しかも該抵抗体は、外気を炉内に侵入させないためにプリント基板に搭載された電子部品と接した状態にして抵抗体と電子部品間があいていてはならない。そのため抵抗体が電子部品に接したときに、ソルダペーストで仮固定されている電子部品を移動させてはならないものである。このように薄いフィルム状の抵抗体は、電子部品に接しても電子部品を移動させない程度の弱い剛性を有していなければならないものであるが、如何に弱い剛性の抵抗体であっても取りリ付け部分である根元では剛性が強くなっているため、抵抗体の根元が電子部品に接すると電子部品を移動させてしまうことがある。そのためラビリンスは、抵抗体が電子部品を移動させない部分、即ち中間部分より先端部分に近いところで電子部品に接することが望ましいものである。

プリント基板の種類によっては、それぞれ高さの異なる電子部品が搭載されているため、一定位置にラビリンスの抵抗体があると電子部品に接する状態が変わることがある。つまり或る種のプリント基板ではラビリンスの抵抗体が電子部品に接することができず隙間ができて外気が侵入してしまったり、またある種のプリント基板では電子部品の高さの高いものが多く搭載されていてラビリンスの抵抗体の根元近くが電子部品に接触して電子部品を移動させてしまったりする。このような問題に鑑み、電子部品の高さに応じてラビリンスを上下方向に位置調整できるようにしたリフロー炉が提案されている。(特許文献２）
実公平７−５３８０７号公報 特願平４−１３４４２７号公報（特開平５−３０５４２９号公報）

ところで従来のソルダペーストは、はんだ付け性に優れ、しかも溶融温度が比較的低い錫・鉛を使用したソルダペーストであった。リフロー炉で錫・鉛のソルダペーストを用いる場合は、炉内温度をあまり高くしなくてもよかったが、鉛使用の規制から近時は鉛フリーはんだを用いたソルダペースト、つまり溶融温度が錫・鉛はんだよりも高いソルダペーストとなってきたため、炉内の温度も錫・鉛ソルダペーストよりも高くせざるを得なくなってきている。またリフロー炉は、使用時には炉内が高温となり、不使用時には炉内が室温まで戻るという高温と低温の繰り返しに曝されるため、炉を構成する部材は、たえず熱膨張と熱収縮が起こっている。プリント基板を搬送するコンベアのレールは、一端をフリー状態にして熱膨張収縮に対応できるようになっているが、板状物はそれができないため、熱膨張収縮で熱歪が起こって変形してしまうことがある。従来のラビリンスを設置したリフロー炉は、ラビリンスの外気の侵入を防止する部分が板状の遮蔽板であったため、遮蔽板が鉛フリーはんだのソルダペーストを溶融させる高温に曝されたり、熱膨張収縮に曝されたりして変形してしまうことがあった。このように遮蔽板が変形すると、遮蔽板と壁面間に隙間ができて、該隙間から外気が侵入してしまうことになる。本発明は、高温加熱や高低温の繰り返しにかかわらずラビリンスの取り付け部からの外気の侵入を完全に防ぐことができるリフロー炉を提供することにある。

本発明者らは、通気性のないシートに蛇腹のようなひだを付けると、シートは長さの変動に関係なく気体の侵入を阻止できることに着目して本発明を完成させた。

本発明は、不活性雰囲気となった炉内をコンベアが走行し、該コンベアで搬送されるプリント基板のはんだ付けを行うリフロー炉において、炉の出入口に設置された箱状の支持体と、前記支持体に対して、上下動手段により上下動可能に取り付けられたラビリンス取付体と、所定の長さを有し、かつ、無通気性で耐熱性と可撓性を有して、前記コンベアの走行方向に直交するように、一端が支持体に、かつ、他端がラビリンス取付体にそれぞれ取り付けられ、しかも、両側部が前記支持体のそれぞれの側壁に接するようにして前記支持体と前記ラビリンス取付体間を塞ぐシートとを備え、前記シートは、前記支持体と前記ラビリンス取付体間の空間を塞ぐように、前記コンベアの走行方向に対して前後に設置されるとともに、前記支持体とラビリンス取付体との間が最大に離間した場合にも、前記支持体に取り付けられた一端および前記ラビリンスに取り付けられた他端が剥離しない状態、かつ、前記支持体とラビリンス取付体との間において可撓性を有した状態で設置されていることを特徴とするリフロー炉である。

本発明のリフロー炉によれば、所定の長さを有し、かつ、無通気性で耐熱性と可撓性を有して、コンベアの走行方向に直交するように、一端が支持体に、かつ、他端がラビリンス取付体にそれぞれ取り付けられ、しかも、両側部が支持体のそれぞれの側壁に接するようにして支持体とラビリンス取付体間を塞ぐシートとを備え、シートは、支持体とラビリンス取付体間の空間を塞ぐように、コンベアの走行方向に対して前後に設置されるとともに、支持体とラビリンス取付体との間が最大に離間した場合にも、支持体に取り付けられた一端およびラビリンスに取り付けられた他端が剥離しない状態、かつ、支持体とラビリンス取付体との間において可撓性を有した状態で設置されているものである。この構成によって、支持体と取付体間の如何なる間隔に対しても該シートは外気の侵入を防止し、しかも炉内で高温と低温の繰り返しが起こっても変形することがない。またシートは支持体とラビリンス取付体間を完全に塞ぐように設置されているため、外気が侵入しにくくなっているばかりでなく、シートを複数枚設置することにより、さらに外気の侵入を完全に防止できるようになる。

支持体に対して上下動可能に設置したラビリンス取付体は、出入口の上部だけ、または出入口の上下部に設置してもよい。一般に電子部品はプリント基板の上面だけに搭載するものであるが、このように電子部品の搭載が上面だけに限定されるものでは、上下動可能なラビリンス取付体は出入口の上部だけでよい。しかしながらプリント基板の下面にも電子部品が搭載されている場合には、出入口の下部にもラビリンス取付体を上下動可能に設置してもよい。

支持体とラビリンス取付体間に設置するシートは一枚でもよいが、複数枚にすると、外気侵入防止効果がさらに向上する。シートの設置数をあまりにも多くすると、支持体とラビリンス取付体間に設置する上下動手段の邪魔になるため最適なシートの設置枚数は２〜４枚である。

支持体またはラビリンス取付体にはスケールを設置しておくと、ラビリンスの抵抗体の位置を容易に決定できるようになり、外気の侵入防止と電子部品の位置ずれのない適切な位置でラビリンスの抵抗体を電子部品と接触させることができる。

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正面断面図、図２は図１の要部拡大断面図、図３は要部拡大斜視図である。

リフローリ１は、トンネル状の炉２内に一対のレール３（一方は図示せず）が長手方向に配置されており、該レールに沿ってコンベア４が入口５から出口6方向に走行している。コンベア４はコンベアの爪上にプリント基板Wを載置して炉内を矢印A方向に走行するものである。

炉２は、入口５から出口６方向に向かって予備加熱ゾーンP、本加熱ゾーンR、冷却ゾーンCとなっており、予備加熱ゾーンPと本加熱ゾーンRの上下部には複数の加熱用ヒーター７・・・が設置され、また冷却ゾーンCの上下部には冷却機８、８が設置されている。

リフロー炉１の入口５と出口６の外部には外気侵入防止装置９・・・が設置さされている。外気侵入防止装置９は、支持体１０、ラビリンス取付体１１、抵抗体１２、ガイド棒１３、上下動手段１４、シート１５等から構成されている。

支持体１０は、図３に示すように箱状であり、上下の支持体１０、１０（一方は図示せず）の片方の側壁１６、１６が蝶番１７で連結されており、炉２の開閉にともなって外気侵入防止装置９も開閉可能となっている。支持体１０の内側となるところには、ラビリンス取付体１１が上下動可能に設置されている。該ラビリンス取付体には複数箇所、本発明では炉の長手方向二箇所にガイド棒１３、１３が固定されており、該ガイド棒は支持体１０に対して摺動自在に挿入されている。つまりガイド棒１３はラビリンス取付体１１が上下動するときに傾斜したり支持体１０に引っ掛かったりしないように円滑に上下動させるものである。

上下動手段１４は、長ネジ１８が回動することによりラビリンス取付体１１を矢印Bのように上下動させるものである。上下動手段１４の長ネジ１８は、炉２の長手方向に直交する位置に二箇所(一箇所は図示せず）、即ち前述二箇所のガイド棒とは、それぞれを結んだ線が直交するような位置に取り付けられている。このように二箇所のガイド棒の円滑な案内に加えて二箇所の長ネジは、ラビリンス取付体をさらに円滑に案内するようになる。長ネジ１８は、支持体１０の牝ネジ１９に螺合されており、ラビリンス取付体１１には回動自在で抜去できない状態で取り付けられている。長ネジ１８の端部には歯車２０が取り付けられており、該歯車は図示しないもう一方の歯車とチェーン２１で連動している。チェーン２１の途中には駆動棒２２に固定された歯車２３が係合している。従って、駆動棒２２を回転させることにより、チェーン２１が二箇所の長ネジ１８の歯車２０を回動させて、二本の長ネジ１８を同一方向に回転させる。

支持体１０とラビリンス取付体１１間には二枚のシート１５、１５が設置されている。該シートは通気性がない無通気性で、耐熱性と可撓性を有する材料のものである。本発明に使用して好適なシートとしては、ガラスクロスにチタン系耐熱繊維とシリコン系耐熱バインダーとの混合物を塗布した材料（商品名：コーテッドガラスM、ユニチカグラスファイバー株式会社製）である。該シートは、炉２の長手方向に直交するように、しかも支持体１０とラビリンス取付体１１間が最大に離間した場合にも剥離しない充分な長さをもって設置されている。そのためにはシート１５は、蛇腹の一部のように断面がS字型になるように設置するとよい。またシートは、支持体１０とラビリンス取付体１１から外気が侵入するのを防ぐものであるため、シート１５の側部は箱状の支持体１０の側壁１６に接するようにしておく。

ラビリンス取付体１１には、炉２の長手方向に直交して並設した多数の抵抗体１２・・・が複数列取り付けられている。図では紙面の都合で抵抗体１２・・・は、上部８列、下部８列にしてあるが、外気侵入防止のためには上下部とも１０列以上設置することが好ましい。つまり抵抗体で形成される区画室が多いほど外気の侵入防止効果があるもので抵抗体は１０列以上にすると、その効果が発揮される。抵抗体は、耐熱性と可撓性を有するもので下部のラビリンス取付体に取り付けた場合にも直立した状態を保てる剛性を有しているが、ソルダペーストでプリント基板に仮固定されている電子部品を容易に移動させない程度の剛性である。抵抗体としては、厚さ０．０２ｍｍの耐熱性樹脂（商品名：カプトン）が適しており、巾１０ｍｍのものを暖簾状に並設させる。

支持体１０の端部には、スケール２４が縦方に立設され、またラビリンス取付体１１にはスケール２４の目盛りを指す表示片２５が立設されている。スケールはラビリンス取付体に設置して支持体の位置を直接読むようにしてもよい。

次に上記構造を有する本発明リフロー炉におけるラビリンス取付体の位置調整について説明する。先ず、上部のラビリンス取付体１１に取り付けた抵抗体１２の最下端をコンベアの搬送ピンに接触させて、そのときの表示片２５の位置をスケール２４で読み取っておく。そしてプリント基板に仮固定された電子部品の略全体が抵抗体に接するとともに、最も高さの高い電子部品が抵抗体の根元に接しない長さを測る。その後、上下動手段１４の駆動棒２２を回転させて、駆動棒２２の歯車２３とチェーン２１で連動している長ネジ１８の歯車２０を回転する。するとラビリンス取付体１１が上昇するので、スケール２４を指す表示片２５を見ながらラビリンス取付体を前述測定しておいた長さまで移動させる。この位置は、抵抗体が電子部品全体に接して外気を侵入させない位置であり、しかも高さの高い電子部品に対して位置ずれを起こさない部分で接するという最適の位置となる。

本発明のリフロー炉は、ソルダペーストが塗布されたプリント基板をはんだ付けするリフロー炉において外気侵入防止に優れた効果を奏するものであるが、本発明はリフロー炉よりもさらに高い温度でろう付けを行う不活性雰囲気の高温炉や鉄鋼の焼鈍炉等にも適用できる。

本発明リフロー炉の正面断面図 図１の要部拡大断面図 要部拡大斜視図

符号の説明

１ リフロー炉
２トンネル状の炉
４ コンベア
５ 炉の入口
６ 炉の出口
９ 外気侵入防止装置
１０ 支持体
１１ ラビリンス取付体
１２ 抵抗体
１４ 上下動手段
１５ シート

Claims (3)

1. 不活性雰囲気となった炉内をコンベアが走行し、該コンベアで搬送されるプリント基板のはんだ付けを行うリフロー炉において、
   炉の出入口に設置された箱状の支持体と、
   前記支持体に対して、上下動手段により上下動可能に取り付けられたラビリンス取付体と、
   所定の長さを有し、かつ、無通気性で耐熱性と可撓性を有して、前記コンベアの走行方向に直交するように、一端が前記支持体に、かつ、他端が前記ラビリンス取付体にそれぞれ取り付けられ、しかも、両側部が前記支持体のそれぞれの側壁に接するようにして前記支持体と前記ラビリンス取付体間を塞ぐシートとを備え、
   前記シートは、前記支持体と前記ラビリンス取付体間の空間を塞ぐように、前記コンベアの走行方向に対して前後に設置されるとともに、前記支持体とラビリンス取付体との間が最大に離間した場合にも、前記支持体に取り付けられた一端および前記ラビリンスに取り付けられた他端が剥離しない状態、かつ、前記支持体とラビリンス取付体との間において可撓性を有した状態で設置されていることを特徴とするリフロー炉。
2. 前記支持体とラビリンス取付体は、出入口の上部または出入口の上下部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. 前記支持体またはラビリンス取付体にはスケールが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。

Images