JP5247060B2 - リフロー装置およびフラックスの除去方法 - Google Patents

Description

この発明は、リフロー装置およびフラックスの除去方法に関する。さらに詳しくは、リフローに適用されるリフロー装置およびケーシング内のフラックスの除去方法に関する。

電子部品またはプリント配線基板に対して、予めはんだ組成物を供給しておき、リフロー炉の中に基板を搬送コンベヤで搬送し、はんだ付けを行うために、リフロー装置が使用されている。

リフロー装置は、基板を搬送する搬送コンベヤと、この搬送コンベヤによって基板が供給されるリフロー炉本体とを備えている。リフロー炉は、例えば、搬入口から搬出口に至る搬送経路に沿って、複数のゾーンに分割されており、これらの複数のゾーンがインライン状に配列されている。複数のゾーンは、その機能によって、加熱ゾーン、冷却ゾーンなどの役割を有する。

加熱ゾーンのそれぞれは、例えば、それぞれ送風機を含む上部加熱装置および下部加熱装置を有する。例えばゾーンの上部加熱装置から、搬送される基板に対して熱風が吹きつけられ、下部加熱装置から搬送される基板に対して熱風が吹きつけられることによって、はんだ組成物内のはんだを溶融させて基板の電極に付着させるようにする。

はんだ組成物は、粉末はんだ、溶剤、フラックスを含むものである。フラックスは、成分としてロジンなどを含むものであり、はんだ付けされる金属表面の酸化膜を除去し、はんだ付けの際に加熱で再酸化するのを防止し、はんだの表面張力を小さくして濡れを良くする塗布剤の働きをするものである。このフラックスは、加熱により、気化しリフロー炉内に充満する。気化したフラックスは、温度の低い部位に付着し易く、気化したフラックスが付着すると、付着している部位から滴下し、基板の上面に付着することもあり、基板の性能を損うこととなる。また、炉内において温度が低下する部分に堆積する等によりリフロー工程に大きな影響を与える場合もある。したがって、基板を加熱してはんだ組成物内のはんだを溶融させるリフロー工程では、フラックスの回収をどのように行うかが問題となっている。（例えば特許文献１参照）

特開平７−２４９８５９号公報

図９に示すように、リフロー装置において、ファン１０２が収容されているケーシング１０１内では、ファン１０２の回転時に、ファン１０２の背面側が負圧となるため気化したフラックスがまわりこみ易い。また、ファン１０２の背面側は、気化したフラックスが対流しにくくなっている。

よって、ファン１０２の背面側はフラックス成分がたまりやすく、温度が低下すると、固化したフラックス１０６が堆積してしまい、ファン１０２の回転を妨げてしまう問題が生じていた。なお、特許文献１に記載のものは、このようなファンの背面側にできるフラックスの堆積の問題を解決するものではなかった。

したがって、この発明の目的は、ファンが収容されているケーシング内において、ファンの回転を妨げるフラックス成分の堆積を防止できるリフロー装置およびフラックスの除去方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために
第１の発明は、
搬送される被加熱物の搬送路に沿って複数のゾーンにリフロー炉が順次分割され、
リフロー炉のそれぞれが加熱源およびファンによって熱風を被加熱物に噴射するようになされたリフロー装置において、
リフロー炉のファンのケーシングの底部に形成され、ファンの軸心から外周に向かって傾斜する傾斜部と、
ファンの近傍に位置するように、ファンのケーシングに設けられ、フラックスを液化することを可能にする温度のガスをリフロー炉の外部から導入するためのガス導入口と、
を備え、
傾斜部に沿って液化したフラックスを流動させるようにして除去すること
を特徴とするリフロー装置である。

第１の発明では、リフロー炉のケーシングの底部にファンの軸心から外周に向かって傾斜する傾斜部と、ファンの近傍に、フラックスを液化することを可能にする温度のガスが導入される導入口と、を備えるので、ファンの回転を妨げるフラックス成分を除去できる。

第２の発明は、
搬送される被加熱物の搬送路に沿って複数のゾーンにリフロー炉が順次分割され、
リフロー炉のそれぞれが加熱源およびファンによって熱風を被加熱物に噴射するようになされたリフロー装置において、
ファンの近傍に位置するように、ファンのケーシングにガス導入口が設けられ、フラックスを液化することを可能にする温度のガスを、ガス導入口を通じてリフロー炉の外部から導入し、
リフロー炉のファンのケーシングの底部に形成されたファンの軸心から外周に向かって傾斜する傾斜部に沿って液化したフラックスを流動させるようにして除去すること
を特徴とするフラックスの除去方法である。

第２の発明では、フラックスを液化することを可能にする温度のガスをファンの近傍に導入し、リフロー炉のケーシング内に設けられたファンの軸心から外周に向かって傾斜する傾斜部に沿って液化したフラックスを流動させるようにして、ファンの回転を妨げるフラックス成分を除去できる。

この発明によれば、ファンが収容されるケーシング内において、ファンの回転を妨げるフラックス成分の堆積を防止できる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施の形態によるリフロー装置の外板を除く概略的構成を示す。プリント配線基板の両面に表面実装用電子部品が搭載された被加熱物が搬送コンベヤの上に置かれ、搬入口１１からリフロー装置内に搬入される。搬送コンベヤが所定速度で矢印方向（図１に向かって左から右方向）へ被加熱物を搬送し、被加熱物が搬出口１２から取り出される。

搬入口１１から搬出口１２に至る搬送経路に沿って、リフロー炉が例えば９個のゾーンＺ１からＺ９に順次分割され、これらのゾーンＺ１〜Ｚ９がインライン状に配列されている。フラックス回収システム１３ａが搬入口側に設けられ、搬出口側にフラックス回収システム１３ｂおよび１３ｃが設けられている。入り口側から７個のゾーンＺ１〜Ｚ７が加熱ゾーンであり、出口側の２個のゾーンＺ８およびＺ９が冷却ゾーンである。冷却ゾーンＺ８およびＺ９に関連して強制冷却ユニット１４が設けられている。なお、ゾーン数は、一例であって、他の個数のゾーンを備えても良い。

上述した複数のゾーンＺ１〜Ｚ９がリフロー時の温度プロファイルにしたがって被加熱物の温度を制御する。図２に温度プロファイルの例の概略を示す。横軸が時間であり、縦軸が被加熱物例えば電子部品が実装されたプリント配線基板の表面温度である。最初の区間が加熱によって温度が上昇する昇温部Ｒ１であり、次の区間が温度がほぼ一定のプリヒート（予熱）部Ｒ２であり、次の区間が本加熱部Ｒ３であり、最後の区間が冷却部Ｒ４である。

昇温部Ｒ１は、常温からプリヒート部Ｒ２（例えば１５０°Ｃ〜１７０°Ｃ）まで基板を加熱する期間である。プリヒート部Ｒ２は、等温加熱を行い、フラックスを活性化し、電極、はんだ粉の表面の酸化膜を除去し、また、プリント配線基板の加熱ムラをなくすための期間である。本加熱部Ｒ３（例えばピーク温度で２２０°Ｃ〜２４０°Ｃ）は、はんだが溶融し、接合が完成する期間である。本加熱部Ｒ３では、はんだの溶融温度を超える温度まで昇温が必要とされる。本加熱部Ｒ３は、プリヒート部Ｒ２を経過していても、温度上昇のムラが存在するので、はんだの溶融温度を超える温度までの加熱が必要とされる。最後の冷却部Ｒ４は、急速にプリント配線基板を冷却し、はんだ組成を形成する期間である。

図２において、曲線１は、鉛フリーはんだの温度プロファイルを示す。共晶はんだの場合の温度プロファイルは、曲線２で示すものとなる。鉛フリーはんだの融点は、共晶はんだの融点より高いので、プリヒート部Ｒ２における設定温度が共晶はんだに比して高いものとされている。

リフロー装置では、図２における昇温部Ｒ１の温度制御を、主としてゾーンＺ１およびＺ２が受け持つ。プリヒート部Ｒ２の温度制御は、主としてゾーンＺ３、Ｚ４およびＺ５が受け持つ。本加熱部Ｒ３の温度制御は、ゾーンＺ６およびＺ７が受け持つ。冷却部Ｒ４の温度制御は、ゾーン８およびゾーン９が受け持つ。

加熱ゾーンＺ１〜Ｚ７のそれぞれは、それぞれ送風機を含む上部加熱装置１５および下部加熱装置３５を有する。例えばゾーンＺ１の上部加熱装置１５から搬送される被加熱物に対して熱風が吹きつけられ、下部加熱装置３５ら搬送される被加熱物に対して熱風が吹きつけられる。

図３を参照して加熱装置の一例について説明する。例えばゾーンＺ３の構成が図３に示されている。上部加熱装置１５と下部加熱装置３５との対向間隙内で、プリント配線基板の両面に表面実装用電子部品が搭載された被加熱物Ｗが搬送コンベヤ４１上に置かれて搬送される。上部加熱装置１５内および下部加熱装置３５内は、雰囲気ガス例えば窒素（Ｎ₂）ガスが充満している。上部加熱装置１５と下部加熱装置３５とは、被加熱物Ｗに対して熱風（熱せられた雰囲気ガス）を噴出して被加熱物Ｗを加熱する。なお、熱風と共に赤外線を照射しても良い。

下部加熱装置３５は、主加熱源１６、副加熱源１７、送風機１８、蓄熱部材１９、熱風循環ダクト２０、開口部２１等からなる。送風機１８はケーシング２２に収容されているファン５１と、ファン５１を回転駆動するモータ５２等から構成されている。ファン５１としては、例えば、ターボファン、シロッコファンを用いることができる。なお、上部加熱装置１５は、例えば、上述した下部加熱装置３５とほぼ同様の構成とされているので、対応する部分の説明を省略する。

開口部２１を通じて熱風が被加熱物Ｗに対して吹きつけられる。主加熱源１６、副加熱源１７は、例えば電熱ヒータで構成される。蓄熱部材１９は、例えばアルミニウムからなり、多数の孔が形成され、その孔を通じて熱風が通過して被加熱物Ｗに吹きつけられる。

熱風は、送風機１８によって循環される。すなわち、（主加熱源１６→蓄熱部材１９→開口部２１→被加熱物Ｗ→熱風循環ダクト２０→副加熱源１７→熱風循環ダクト２０→送風機１８→主加熱源１６）の経路を介して熱風が循環する。

図４は、送風機１８およびケーシング２２の内部の構成をより詳細に示す拡大断面図である。図５は、図４を下側からみた底面図である。図４に示すように、ファン５１が配されるケーシング２２の周りに断熱材５７が設けられている。断熱材５７は、ファン５１の背面および軸周のケーシングの底面を覆うように設けられている。この断熱材５７によりケーシング２２からの放熱を抑制できる。

ケーシング２２内には、ファン５１が配置されている。送風機１８は、ファン５１と、ファン５１を回転駆動させるモータ５２、モータ５２をケーシング２２に固定するベースプレート５３などから構成されており、回転するファン５１によって、熱風を矢印Ｌのように吸引し、外周側に流れるようにする。

ケーシング２２の底部には、液化したフラックスを流動させるための傾斜部５５が設けられている。傾斜部５５は、例えば、ファン５２の軸心から外周に向かって傾斜するようになされた截頭円錐形状を有する。傾斜部５５は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）などの耐食性、耐熱性に優れた金属材料よりなる。液化したフラックスは、傾斜部５５に沿って外周方向に流動し、フラックス回収口５４から排出される。

図５に示すように、ファン５１の近傍には、加熱装置内に充満されるメインの窒素ガスの導入口（図示しない）とは別に、フラックス除去用の窒素ガスを導入するための、窒素導入口５６が設けられている。なお、窒素導入口５６は、２つ以上設けるようにしてもよい。この窒素導入口５６からフラックスを液化することを可能にする温度の窒素ガスが所定のタイミングで導入される。これにより、ファン５１の背面側において、温度が低下すると（例えば１４０℃以下）固化してファン５１の回転を妨げるフラックス成分を、液化し傾斜部５５上を流動させるようにして除去できる。ここで、フラックス除去用の窒素ガスは、ファン５１の背面側において、ファン５１の軸心から外側に流れるように導入されるのが好ましい。ファン５１の背面側にたまるフラックス成分をより効率良く除去できるからである。

なお、温度により蒸発する成分が異なるため、各ゾーンごとでフラックス成分は異なる。したがって、フラックス除去用の窒素ガスのフラックス成分を液化することを可能にする温度は、各ゾーンにおいて、フラックス成分を液化することを可能にする温度であればよい。その温度は、例えば、各ゾーンごとに任意に設定され、例えば常温〜３００℃の温度に設定される。３００℃は、窒素ガスの供給が可能な温度の上限である。

フラックス除去用の窒素ガスは、例えば、図６に示すように、プリヒート部を受け持つゾーンＺ３、Ｚ４、Ｚ５のそれぞれの加熱装置に対して窒素導入口５６を介して供給される。窒素発生部６０からの窒素ガスが、分岐部６１によって例えば一部また全てのゾーンに供給されるメイン供給用と、フラックスを除去するためのケーシング配給用と、に分離される。ケーシング配給経路は、電子的制御が可能なバルブ６２と、フラックス除去用の窒素ガスを加熱し温度調整可能な温調付きヒータ６３と、が設けられている。バルブ６２を切り替えることによって、ケーシング配給用の窒素ガスの導通、遮断が制御される。銅津されたケーシング配給用の窒素ガスは、分岐部６４ａ〜６４ｃによって分離され、ゾーンＺ３、Ｚ４、Ｚ５のそれぞれのケーシングに配給される。なお、図示しないが窒素ガスは、加熱ゾーンＺ１〜Ｚ２にも同様の構成で供給するようになされている。

それぞれの加熱ゾーンは異なる温度制御がなされているので、気化するフラックス成分および液化するフラックスの量に差異があり、ファン５１の回転を妨げるフラックス成分を除去する必要性が高いのは、プリヒート部Ｒ２の温度制御を受け持つゾーンＺ３〜Ｚ５、昇温部Ｒ１の温度制御を受け持つゾーンＺ１〜ゾーンＺ２である。

この発明の一実施の形態では、ファン５１の近傍に設けられた窒素導入口５６から、フラックスを液化することを可能にする温度のフラックス除去用の窒素ガスを導入することにより、ファン５１の回転を妨げるフラックス成分の堆積を防止できる。

フラックス除去用の窒素ガスは、例えば、所定のタイミングで導入する。より具体的には、例えば、フラックス除去用の窒素ガスの導入は、リフロー炉の加熱を開始後、ファン５１の回転開始前や、リフロー炉の加熱を停止した後、ファン５１の回転している間に行われる。図７〜図８を参照して、窒素ガスの導入工程についての例を説明する。

図７は、リフロー炉作動時の窒素ガスの導入工程について説明するためのフローチャートである。まず、リフロー炉のメインスイッチをオンした後、フラックス除去用の窒素ガスを窒素導入口５６よりケーシング２２内に導入する。（Ｓ１）なお、フラックス除去用の窒素ガスは、リフロー炉のメインスイッチと同時にオンされる温調付きヒータ６３などによって加熱される。

次に、フラックス除去用の窒素ガスを導入開始してから所定時間経過後、主加熱源１６および副加熱源１７としての例えば電熱ヒータをオンさせる並びにファン５１の回転を開始させることによって、リフロー炉内に熱風を循環させるようにする。この際、ファン５１の背面側にたまるフラックス成分は、フラックス除去用の窒素ガスの導入によって十分に加熱されるので固化せず、液化した状態で傾斜部５５を流動するようにして除去される。（Ｓ２）なお、ファン５１の回転開始のタイミングは、時間で管理するだけではなく、リフロー炉の温度によって管理してもよい。その後、リフロー炉内が設定温度になったら、被加熱物Ｗを搬入する。

図８は、リフロー炉の作動終了時の窒素ガスの導入工程について説明するためのフローチャートである。まずリフロー炉のメインスイッチをオフと同時にリフロー炉の主加熱源１６および副加熱源１７としての例えば電熱ヒータがオフされる。メインスイッチオフ後、フラックス除去用の窒素ガスを窒素導入口５６よりケーシング２２内に導入する。（Ｓ１１）この際、ファン５１の背面側にたまるフラックス成分は、フラックス除去用の窒素ガスの導入によって十分に加熱されるので、固化せず液化した状態で傾斜部５５に沿って流動するようにして除去される。なお、メインスイッチをオフしても、所定時間ファン５１は回転するように設定されている。（Ｓ１２）そして所定時間経過後ファン５１停止と同時に窒素ガスの導入を停止する。

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、雰囲気ガスとして、窒素ガスの代わりに窒素ガス以外の不活性ガスまたは大気を用いたリフロー装置についても適用可能であり、フラックス除去用の窒素ガスの代わりに雰囲気ガスに合わせて、窒素ガス以外の不活性ガスまたは大気を用いることができる。

この発明の一実施の形態によるリフロー装置の概略を示す略線図である。 リフロー時の温度プロファイルの例を示すグラフである。 この発明の一実施の形態における一つのゾーンの構成の一例を示す断面図である。 送風機およびケーシング内の構成をより詳細に示す拡大断面図である。 図４を下側からみた底面図である。 この発明の一実施の形態における窒素ガスの供給を説明するための略線図である。 リフロー炉作動時の窒素ガスの導入工程について説明するためのフローチャートである。 リフロー炉作動終了時の窒素ガスの導入工程について説明するためのフローチャートである。 フラックスの堆積の問題を説明するための略線図である。

符号の説明

１１・・・搬入口
１２・・・搬出口
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ・・・フラックス回収システム
１４・・・強制冷却ユニット
１５・・・上部加熱装置
１６・・・主加熱源
１７・・・副加熱源
１８・・・送風機
１９・・・蓄熱部材
２０・・・熱風循環ダクト
２１・・・開口部
２２・・・ケーシング
３５・・・下部加熱装置
４１・・・搬送コンベヤ
５１・・・ファン
５２・・・モータ
５３・・・ベースプレート
５４・・・フラックス回収口
５５・・・傾斜部
５６・・・窒素導入口
６０・・・窒素発生部
６１・・・分岐部
６２・・・バルブ
６３・・・温調付きヒータ
６４ａ〜６４ｃ・・・分岐部
１０１・・・ケーシング
１０２・・・ファン
１０３・・・フラックス回収口
１０４・・・傾斜部
１０５・・・モータ
Ｗ・・・被加熱物
Ｚ１〜Ｚ９・・・ゾーン

Claims (9)

1. 搬送される被加熱物の搬送路に沿って複数のゾーンにリフロー炉が順次分割され、
   上記リフロー炉のそれぞれが加熱源およびファンによって熱風を上記被加熱物に噴射するようになされたリフロー装置において、
   上記リフロー炉のファンのケーシングの底部に形成され、上記ファンの軸心から外周に向かって傾斜する傾斜部と、
   上記ファンの近傍に位置するように、上記ファンのケーシングに設けられ、フラックスを液化することを可能にする温度のガスを上記リフロー炉の外部から導入するためのガス導入口と、
   を備え、
   上記傾斜部に沿って液化したフラックスを流動させるようにして除去すること
   を特徴とするリフロー装置。
2. 上記ガスは、不活性ガスまたは大気であること
   を特徴とする請求項１記載のリフロー装置
3. 上記ガスが上記ファンの軸心から外側に流れるように導入されること
   を特徴とする請求項１〜２の何れかに記載のリフロー装置。
4. 上記ファンが配されている上記ファンのケーシングを断熱する断熱部材が設けられていること
   を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のリフロー装置。
5. 上記ファンは、ターボファンまたはシロッコファンであること
   を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のリフロー装置。
6. 搬送される被加熱物の搬送路に沿って複数のゾーンにリフロー炉が順次分割され、
   上記リフロー炉のそれぞれが加熱源およびファンによって熱風を上記被加熱物に噴射するようになされたリフロー装置において、
   上記ファンの近傍に位置するように、ファンのケーシングにガス導入口が設けられ、フラックスを液化することを可能にする温度のガスを、上記ガス導入口を通じて上記リフロー炉の外部から導入し、
   上記リフロー炉の上記ファンのケーシングの底部に形成された上記ファンの軸心から外周に向かって傾斜する傾斜部に沿って液化したフラックスを流動させるようにして除去すること
   を特徴とするフラックスの除去方法。
7. 上記ファンの回転開始前に上記ガスを導入すること
   を特徴とする請求項６記載のフラックスの除去方法。
8. 上記リフロー炉の加熱停止後、上記ファンが回転している間、上記ガスを導入すること
   を特徴とする請求項６記載のフラックスの除去方法。
9. 上記ガスは、不活性ガスまたは大気であること
   を特徴とする請求項６〜８の何れかに記載のフラックスの除去方法。

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