JP5247137B2 - リフロー装置 - Google Patents

Description

この発明は、リフロー装置に関し、特に、フラックスが被加熱物上に垂れることを防止するようにしたものである。

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する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被加熱物としての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、上部炉体および下部炉体を有する。例えばゾーンの上部炉体から基板に対して熱風が吹きつけられ、下部炉体から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と電子部品とがはんだ付けされる。

はんだ組成物は、粉末はんだ、溶剤、フラックスを含む。フラックスは、成分としてロジンなどを含み、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、炉体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、リフロー炉内のフラックスを除去または回収する幾つかの方法が提案されている。

近年の鉛フリーのはんだのリフローでは、一般にＳｎ−Ｐｂ用クリームはんだに比して濡れ性が劣るために、リフロー温度も高めに推移するので、フラックスなどに耐熱性を持たせて濡れ性の低下を抑えるようになされる。すなわち、ソルダーペースト中に含まれるロジン成分が増量され、熱分解しにくい成分が使用される。このことは、炉体内に放出される気化したフラックスの成分が増加する結果をもたらす。

例えば、下記の特許文献１には、複数箇所において液化したフラックスを受け皿で受けて除去するリフロー装置が記載されている。

特開平０６−１６４１２８号公報

特許文献１に記載のリフロー装置は、壁面等で凝着したフラックスを受け皿で受けるもので、送風機の内面に凝着したフラックスの垂れについての考慮がなされていないものであった。図７を参照してフラックスの垂れの問題を説明する。

上部炉体内に設けられた送風機例えばターボファンの羽根３９によって生じた風が矢印で示すように、送風機のケース４０の内面に当たって上部炉体の上面に設けられた穴５１を介して上部炉体内に送り込まれる。さらに、導風板（整流板とも呼ばれる）１１７によって風が分散され、ヒータ１８およびパネル１９を通過し、熱風として被加熱物Ｗに吹きつけられる。

炉体内の雰囲気ガスが風としてケース４０の内面に吹きつけられると、ケース４０が外気と接して比較的低温であるため、ケース内面にフラックスＭ１１が凝着する。フラックスが液状であるため、下方の穴５１から炉体内に滴下し、導風板１１７の板面を流れてさらに下方に滴下する。ヒータ１８を通ってパネル１９の上面に滴下し、パネル１９上のフラックスが小孔を通じて下方の被加熱物（配線基板）Ｗに滴下する。その結果、被加熱物Ｗが不良基板として扱われることになる。

したがって、この発明の目的は、雰囲気ガス中のフラックス成分が凝着して下方に垂れて不良基板が発生することを防止ができるリフロー装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、炉体内の上方に設置され、外気とケースによって隔てられ、ケース内に羽根が収納された送風機と、
送風機の下方に配置されたヒータと、
ヒータの下方に配置され、多数の小孔を介して下方の被加熱物に対して熱風を吹きつけるパネルとを備え、
送風機の風が吹き付けるケース側壁の内面に凝着したフラックスを回収するようにしたリフロー装置である。

この発明によれば、送風機のケース側壁の内面に凝着するフラックスをケースから外に導出させて基板上に垂れることを防止できる。

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。図１では、説明の便宜上リフロー炉外に配置されるフラックス回収装置の図示が省略されている。なお、以下に説明する一実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

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からリフロー装置の炉体内に搬入される。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。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。

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Ｚ８およびゾーンＺ９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炉体１５および下部炉体３５を有する。例えばゾーンＺ１の上部炉体１５および下部炉体３５か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Ｚ６を搬送方向に対して直交する面で切断した場合の断面が図３に示されている。上部炉体１５と下部炉体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３１上に置かれて搬送される。上部炉体１５内および下部炉体３５内は、雰囲気ガスである例えば窒素（Ｎ₂ ）ガスが充満している。上部炉体１５および下部炉体３５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。

上部炉体１５は、例えばターボファンの構成の送風機１６と、送風機１６からの風を分散させて炉体内の温度分布の均一化を図るために対向して配置された導風板１７ａ，１７ｂと、ヒータ線を複数回折り返して構成したヒータ１８と、熱風が通過する多数の小孔を有するパネル（蓄熱部材）１９とを有し、パネル１９の小孔を通過した熱風が被加熱物Ｗに対して上側から吹きつけられる。パネル１９は、例えばアルミニウムからなる。

下部炉体３５も上述した上部炉体１５と同様の構成を有する。すなわち、例えばターボファンの構成の送風機２６と、送風機２６からの風を分散させて炉体内の温度分布の均一化を図るために対向して配置された導風板２７ａ，２７ｂと、ヒータ線を複数回折り返して構成したヒータ２８と、熱風が通過する多数の小孔を有するパネル（蓄熱部材）２９とを有する。パネル２９の小孔を通過した熱風が被加熱物Ｗに対して下側から吹きつけられる。

上部炉体１５に対して、フラックス回収装置４１が設けられる。フラックス回収装置４１は、例えば外板で囲まれた空間内で上部炉体１５の背面側に設置される。下部炉体３５に対して、フラックス回収装置６１が設けられる。フラックス回収装置６１は、例えば外板で囲まれた空間内で下部炉体３５の背面側に設置される。フラックス回収装置４１は、上部炉体１５から導出された雰囲気ガスを冷却させるラジエター部４２と、冷却によって液化されたフラックスを回収する回収容器４３とからなる。同様に、フラックス回収装置６１は、下部炉体３５から導出された雰囲気ガスを冷却させるラジエター部６２と、冷却によって液化されたフラックスを回収する回収容器６３とからなる。

導風板例えば導風板１７ｂは、図４Ａに示すように、搬送方向が長手方向とされた傾斜板３６ａと、傾斜板３６ａの下側エッジに沿って設けられた樋３６ｂと、傾斜板３６ａを炉体内のダクト等に取り付けるための取り付けアーム３７とを有する。傾斜板３６ａによって風が分散される。導風板１７ｂは、搬送方向に沿って分割された構成を使用しても良い。樋３６ｂは、傾斜板３６ａに対して着脱自在とされることが好ましい。図示しないが、他の導風板１７ａ，２７ａ，２７ｂも同様の構成を有している。

上部炉体１５内における風の流れを模式的に図４Ｂに示す。送風機１６は、モータ３８とモータ３８により回転される羽根３９とを有している。ターボファンの場合、羽根３９が回転すると、周辺の２箇所から送風が行われ、この風が炉体上部に２箇所設けられた穴５０および５１を介して上部炉体１５内に送り込まれる。さらに、導風板１７ａおよび１７ｂによって風が分散され、ヒータ１８およびパネル１９を通過して被加熱物Ｗに吹きつけられる。さらに、送風機１６は、中心部付近の穴を介して炉体内の雰囲気ガスを導入する。

送風機１６によって熱風が循環する経路中に雰囲気ガスをフラックス回収装置４１に導出するための導出口としての穴５２が設けられる。穴５２は、炉内において圧力が高い箇所に設けられる。圧力が低い箇所には、フラックス回収装置４１からのガスを上部炉体１５内に導入するための導入口としての穴５３が設けられる。これらの穴５２および５３は、実際には、接続用管５４および５５のそれぞれの一端側の開口に対応している。接続用管５４および５５のそれぞれとフラックス回収装置４１の接続用管とが図示を省略したホースによって接続されている。下部炉体３５においても、炉内において圧力が高い箇所に設けられた穴から雰囲気ガスがフラックス回収装置６１に導出され、フラックス回収装置６１からのフラックス成分が減少したガスが炉内において圧力が低い箇所に設けられた穴から導入される。

なお、フラックス回収装置４１および６１は、リフロー装置の各ゾーンの中で雰囲気ガスの汚れが大きいゾーンに設けられる。但し、リフロー装置の全ゾーンにフラックス回収装置４１および６１を配置しても良い。

フラックス回収装置４１および６１を設置した場合でも、フラックス成分を完全に除去できず、送風機１６の外気と接するケース内面にフラックスが凝着し、フラックスが下方の基板上に滴下（垂れる）問題を無くすことができない。この発明は、フラックスが基板上に垂れることを有効に防止するものである。

図５Ａに示すように、送風機１６のケース４０の内面にフラックスＭ１が凝着する。ケース４０は、上部炉体の上面と密着され、穴５０および５１を介して風が下方の炉体１５内に吹き出される。送風機のケース４０内部で、風が吹きつける側壁の内面にフラックスＭ１が凝着することが多いので、側壁の近傍の上部炉体１５の上面にドレイン用の円形の穴（または長穴）６５が形成され、穴６５と開口端とする配管６６を設けられる。配管６６は、図示を省略するが、上部炉体１５の外部まで延長され、外部において配管６６を伝って流れ出たフラックスを回収容器で受けるようになされる。炉体外部の配管６６の他端に開閉弁を設け、フラックスを回収する場合にのみ、弁を開けるようになされる。配管６６は、耐熱性および耐腐食性の優れた材料例えばステンレスからなる。なお、炉体内部において、フラックスを回収しても良い。

送風機から下方に垂れたフラックス、または導風板１７ｂの傾斜板３６ａに凝着したフラックスは、導風板１７ｂの傾斜板３６ａの板面に沿って下方に流れ、樋３６ｂに流れ込み、樋３６ｂに溜められる。リフロー装置の上部炉体１５を含む上半分を覆っている外板（ケース）上部は、メインテナンスのために、搬送方向に対して平行な辺を軸として開閉自在の構成とされている。搬送面より上側の部分全体が上側に開き、上側の部分全体が斜めになる。樋３６ｂに溜められたフラックスＭ２が外板上部を開けて上側の部分が斜めになったときに回収容器に流れ込んで、フラックスが回収される。代わりの構成として、樋３６ｂを長手方向で傾斜させて樋３６ｂの低い方の端部に回収容器を設ける構成を使用しても良い。

図５Ｂに示すように、導風板と別個の樋３６ｃを設け、樋３６ｃを導風板に対して着脱自在の構成としても良い。例えば、バネ状の係止片と係止片が入り込む穴とを嵌合させる係合部を複数箇所に設ける構成を使用できる。

導風板が樋３６ｂ（または樋３６ｃ）を有しない場合、または樋からフラックスが溢れた場合には、フラックスがヒータ１８を通過してパネル１９上に滴下し、パネル１９に設けられた小孔を介してフラックスが基板Ｗ上に垂れて付着する。この発明の一実施の形態では、図５Ｃおよび図６に示すように、小孔７１が多数形成された面にフラックスを溜める凹部７２と外周に沿って植立された側壁７４とを有するパネル１９１が使用される。小孔７１からフラックスが流れ出ることを防止するために、小孔７１の周囲にボス７３が設けられている。例えば１枚の金属板を削り出し加工することによってかかるパネル１９１を製作できる。

このような構成のパネル１９１は、凹部７２にフラックスＭ３を溜めることができる。パネル１９１の一部にドレイン用の孔７５ａおよび７５ｂが形成されている。図示しないが通常は、孔７５ａおよび７５ｂは、栓で閉じられている。リフロー装置の上側の外板が開かれることによって、上部全体が斜めになった状態で、栓が開けられて孔７５ａおよび７５ｂから溜まっているフラックスが回収容器７７に供給される。なお、パネル１９１の凹部７２に溜まったフラックスを回収容器に導くための配管を設けて、パネル１９１を炉体の外部に持ち出さないで、炉体内部でフラックスを回収するようにしても良い。

フラックスを溜めるための構成としては、図５Ｃおよび図６に示されているものに限らず、図５Ｄに示す構成を使用できる。図５Ｄに示されるパネル１９２は、小孔７１の周囲に設けたボスの７３’の端面を凹部７６に向って下がる傾斜面とし、上方からのフラックスが凹部７６内に入りやすい形状とし、凹部７６に、ピンを植立し、凹部７６の内面を小孔７１側にえぐった構成を有する。このような凹部７６によって、凹部７６内に溜められたフラックスが風で飛散することを防止することができる。

上述したように、この発明の一実施の形態においては、３種類のフラックスの垂れの防止機構が含まれている。すなわち、第１の機構は、送風機のケース側壁の内面に凝着したフラックスを排出するためのドレインおよび配管である。第２の機構は、送風機の吹き出した風を分散させるための導風板にフラックスを溜めるための樋を設けるものである。第３の機構は、パネル上にフラックスを溜める凹部を形成し、凹部に溜まったフラックスをドレインを介して回収するものである。これらの３種類の機構の内で、２以上のものを組み合わせることによって、フラックスの垂れを効果的に防止することができる。

この発明は、上述したこの発明の実施の形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、パネルに凹部と共にフラックス回収のために傾斜した溝を形成し、溝を介してフラックスを回収容器または配管に導くようにしても良い。さらに、下部炉体の場合では、フラックスが溜まりやすい送風機のケースの上面の近傍にドレインを形成してフラックスを回収するようにしても良い。

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よるリフロー装置の一つのゾーンの構成の一例を示す断面図である。 この発明の一実施の形態における導風板の一例の斜視図および上部炉体におけるガスの流れを模式的に示す略線図である。 この発明によるリフロー装置のフラックスの垂れ防止の構成の説明に用いる略線図である。 この発明の一実施の形態におけるパネルの一部の斜視図である。 従来のリフロー装置の問題点の説明に使用する略線図である。

符号の説明

１１・・・搬入口
１２・・・搬出口
１４・・・強制冷却ユニット
１５・・・上部炉体
１６，２６・・・送風機
１７ａ，１７ｂ，２７ａ，２７ｂ・・・導風板
１８，２８・・・ヒータ
１９，２９・・・パネル
３１・・・搬送コンベヤ
３５・・・下部炉体
３６ａ・・・導風板の傾斜板
３６ｂ，３６ｃ・・・フラックス回収用の樋
４１，６１・・・フラックス回収装置
６６・・・フラックス回収用の配管
７２・・・パネルの凹部
７３・・・ボス
７４・・・側壁

Claims (2)

1. 炉体内の上方に設置され、外気とケースによって隔てられ、上記ケース内に羽根が収納された送風機と、
   上記送風機の下方に配置されたヒータと、
   上記ヒータの下方に配置され、多数の小孔を介して下方の被加熱物に対して熱風を吹きつけるパネルとを備え、
   上記送風機の風が吹き付ける上記ケース側壁の内面に凝着したフラックスを回収するようにしたリフロー装置。
2. 上記送風機のケース内面に凝着したフラックスを炉体の外に導出し、上記炉体の外でフラックスを回収するようにした請求項１記載のリフロー装置。

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