JP5251456B2 - 半田付け用真空加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空室内に配置された被加熱物を効率良く加熱する半田付け用真空加熱装置に関する。

一般に加熱炉において被加熱物を加熱するには、直接ヒータ上に載せたり、雰囲気温度を制御して空気の伝熱を利用するなどして、炉内雰囲気の気体による熱対流を利用した均熱加熱を行っている。伝熱の形態として輻射伝熱、対流伝熱、伝導伝熱の３つの形態が知られている。
しかしながら、真空状態における加熱では、対流する気体の熱伝導が活用できないため、特許文献１に示すような、ランプヒータ等を配置した輻射加熱などで被加熱物を加熱していた。

図１は、上記のような、ランプヒータ等を配置した輻射加熱などで被加熱物を加熱する装置の説明図である。図２は、図１の一部拡大説明図である。
１０は、真空状態で加熱する加熱炉１０であって、パレット５に載置された被加熱部１は１つずつ炉外部の搬送手段により、炉内に送り込まれる。搬入・搬出部の扉を閉じた後、真空状態にされて炉内上下に設けられたランプヒータ１１により輻射加熱される。
しかし、図１に示すような、複数個の被加熱物を短時間に加熱する場合、熱を与えるランプヒータの光は個々の被加熱物へ熱を与えるものの被加熱物の熱容量バラツキにより到達する温度を一定にすることが困難であった。
そのため被加熱物の下面に各々温度を均一にする伝熱板１２（図２）を設ける等の手段をとることによって本来必要とするエネルギー以上のエネルギーを使用することとなり無駄を発生させていた。
図３は、ヒータ２０を被加熱物１へ設けた場合の説明図である。このようなヒータを被加熱物へ設ける方法で加熱した場合、真空状態の場合においては、大気圧下の炉内で得られるような、被加熱物とヒータの隙間内に生じる気体による対流伝熱効果が得られないため、ヒータと被加熱物との接触面のうねりなどに因って起こる接触伝熱面積のばらつきや、伝熱面積低下の影響で、温度ムラが発生し、安定した熱供給が困難となる。それ故、短時間に加熱・冷却することができないという問題があった。
特に、このような真空下での加熱冷却を半田付け工程に採用した場合、加熱冷却のプロファイルが重要となり、長時間の緩やかな加熱冷却や昇降温カーブのばらつきは品質不良につながることがわかった。

特公平６−９３４４０号公報

本発明は、上記問題に鑑み、真空室内に配置された被加熱物を効率良く加熱する半田付け用真空加熱装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、被接合部材（３）が半田（２）を介在して設置された被加熱物（１）を加熱するために、真空室内に配置された半田付け用真空加熱装置であって、前記被加熱物（１）にヒータ加熱面がそれぞれ接触する複数のヒータ（３２）と、前記複数のヒータ（３２）をそれぞれ収容する複数のヒータ受け（３３）と、前記被加熱物（１）に対して前記複数のヒータ受け（３３）をそれぞれ独立して弾性体（５０）で押圧して、前記ヒータ加熱面を密着させるフローティング機構と、前記フローティング機構が設けられた支持台（３４、３５、３６）と、前記ヒータ受け（３３）から前記被加熱物（１）が受ける押圧力を受圧する受圧部（３１）とを具備し、前記支持台は、上下動できるようになっており、前記支持台には温度検知部（１３）が、前記受圧部（３１）側に向くように固定されており、前記支持台が、前記受圧部（３１）に向けて移動するように駆動されて、前記温度検知部（１３）の先端が、前記被加熱物（１）に直接接触すると、支持台の移動は停止させられるとともに、前記弾性体（５０）により適正圧で前記複数のヒータ（３２）が、前記被加熱物（１）を押圧して密着するように構成された半田付け用真空加熱装置である。

これにより、真空室内に配置された被加熱物を効率良く加熱することができ、ヒータと被加熱物の接触面の安定化に着目し、ヒーターの熱マスを低減し、ヒータを２個以上に分割し、そのヒータ毎にフローティングする機構を設けたことで、少ないエネルギーで、かつ短時間で加熱することができるものである。

また、被加熱物を直接温度計測する機構を設け、被加熱物の昇温カーブをモニタするソフトにより被加熱物に伝達された熱量に合わせて供給熱エネルギーを制御することで、少ないエネルギーで短時間に加熱制御できるようにする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記半田付け用真空加熱装置は、前記被加熱物（１）を冷却する冷却部（４０）をさらに具備することを特徴とする。これにより、さらに、短時間に加熱冷却できるようにする。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図１〜３における部材と同一構成の部材はその説明を省略する。
図４は、本発明の一実施態様を模式的に表す説明図である。図５は、ヒータ受けの具体的一例を示す斜視図である。図６は本実施態様で使用するヒータの構造を示す説明図である。
図４に示すように、被加熱物１は、一例として、電子部品４の上に半田２を介在して載置された被接合部材３からなる。このような被加熱物１としては、上記に限らず基板と電子部品や、ハイブリット車用のインバータ部品などが挙げられるが、半田付けの対象となるものであれば何れのものであってもよい。ここで述べる一実施態様にあっては、３は放熱ブロック（銅）として、説明する。また、４は、必ずしも電子部品に限らずヒートシンクであってもよい。その他の被加熱物１の例示としては、図８が挙げられるが、後述する。使用する半田としては、接合対象によって適宜採用すればよいが、一例として、半田シート、低融点金属を金属フィラーとして用いた導電性接着剤、半田ペーストその他が挙げられる。

本実施態様の加熱装置は、真空室内に配置されている。被加熱物１の上面には、被接合部材である放熱ブロック３が、半田２を介在して設置されている。図４に示すように、被加熱物１の下面は、２つのヒータ３２のヒータ加熱面がそれぞれ接触している。ヒータ３２はヒータ受け３３に収容されている。ヒータ受け３３は、図４では、模式的に示されているが、具体的には、図５に示されているように、コの字状の上部パネル５１、下部パネル５３、ボルト５２から構成されている。下部パネル５３には放熱小穴が多数設けられている。

２つのヒータ受け３３毎に、それぞれ、フローティング機構は、弾性体であるばね５０と、ガイド棒５４とから構成されている。ばね５０は、プレート３４に設けられた有底穴３８に収容されて、ヒータ受け３３の下面を押圧している。ヒータ受け３３について説明すると、上部パネル５１と下部パネル５３とでヒータ３２をサンドウィッチ状に挟み込み、上部パネル５１は下部パネル５３にボルト５２で固定されている。下部パネル５３には、ガイド穴５６が設けられており、ガイド棒５４を、遊びがある状態で貫通している。このため、ヒータ３２を被加熱物１の下面に倣うように密着させることができる。すなわち、フローティング機構があるため、ヒータを分割することにより３点支持箇所を増加させていることになる。（厳密には平面を保持するには最低３点支持となる。）
この実施態様では、図５に示すように、ヒータ受け３３が線対称に２個設けられている。この実施態様に限らず、ヒータ受け３３は２個以上設けてもよい。ヒータ受けの形状はこの実施態様に限定されず、図４のように箱型に収容してもよく、その他様々な設計変更が考えられる。

支持台は、プレート３４と、支柱３６、支持プレート３５から構成され、支持プレート３５は、図示していないエアシリンダ等により、上下動できるようになっている。支持プレート３５には、熱電対１３が、貫通穴３７を通り抜けて、上方に向くように固定されている。支持台は、上方に向けて移動するように駆動されて、熱電対１３の先端が電子部品４の下面に接触すると、支持台の上昇は停止させられる。この時、ばね５０により適正圧で、ヒータ３２が電子部品４の下面を押圧して密着する。なお、ガイド棒５４の上部の鍔は、ばね５０によるヒータ受け３３の上昇限度を決めるストッパである。

熱電対１３は、被加熱物である電子部品４と接触することで温度を測定することが可能となる。熱電対１３は被加熱物の上方に配置しても良い。熱電対１３が被加熱物と接触した状態でヒータ３２により加熱を行うと、被加熱物の温度を正確に測定できるので、ヒータ３２の加熱温度曲線と著しく一致した被加熱物の温度曲線を得ることができ、真空状態において短時間に精度良く加熱温度制御することができる。また、温度制御するために被加熱物を直接温度測定することで、被加熱物の温度をオーバーシュートすることなく制御することことができる。
本願の熱電対１３を用いた場合は、作動中ヒータ３２の温度を制御するための、図示していない温度制御システム（ＰＬＣ-Programmable Logic Controller-等）を使用している。
図７は、熱電対１３と温度制御システムを用いた実施態様と従来技術の昇温カーブを比較したグラフである。この構成によれば、任意の温度パターンをいかなる真空下でも安定且つ高速に必要最低限のエネルギーで実現することができる。

ヒータ受け３３の下方には、冷却部４０が設置されている。液体窒素からの冷却気体が導管を通じて流れるようになっており、必要なときに、多数の冷却ノズルから斜め上方に向けて冷却気体が放出されるようになっている。冷却気体の吹き付けによって、半田を急速に固めることができるとともに、ヒータの温度制御においても、冷却ノズルを使用することで被加熱部の温度を正確に制御することも可能である。冷却部４０は、冷却上所定の効果の出る部位ならどこに取り付けてもよいが、支持台に設置することも可能である。

支持台は、上方に向けて移動するように駆動されて、熱電対１３の先端が電子部品４の下面に接触すると、支持台の上昇は停止させられる。この時、ばね５０により適正圧で、ヒータ３２が電子部品４の下面を押圧して密着する。支持台の上昇による押圧力を受圧するために、受圧部３１が設けられている。支持台が上方に移動する場合は、受圧部３１は、不動であってもよいが、受圧部３１はバネで支持されていてもよい。エアシリンダ等で受圧部３１下方に移動するようにした場合は、支持台は不動にしてもよい。受圧部３１を図３のようなヒータとしてもよい。

さらに、別の実施態様として、受圧部３１は、ヒータ受け３３の下部に設けたフローティング機構と同様な機構を、上部の受圧部として設けてもよい。すなわち、上部の受圧部３１を、図４のような単なるストッパの代わりに、複数のヒータ３２と、複数のヒータ３２をそれぞれ収容する複数のヒータ受け３３と、前記被加熱物１に対して前記複数のヒータ受け３３をそれぞれ独立して弾性体５０で押圧して、前記ヒータ加熱面を密着させるフローティング機構と、前記フローティング機構が設けられた支持台から構成してもよい。
このような別の実施態様によれば、図８に示す被加熱物のように上部の放熱ブロックの上にさらに半田を載せて別部材に接合することができる。

本発明の作動を以下に説明する。
まず、複数個に分割されたヒータ３２の上に被加熱物１をセットする。次に上部からの受圧部３１であるストッパにより被加熱物を押える。この際、受圧部３１は同様なフローティング機構を持つヒータで押えても良い。この被加熱物１を挟んだ状態の時、熱電対１３は被加熱物と接触することで温度を測定することが可能となる。なお、熱電対１３は被加熱物１の上方に配置しても良い。そして、ヒータ３２により加熱を行うと被加熱物１もヒータ３２の一部材となり、ヒータ３１の加熱温度曲線と著しく一致した温度曲線を得ることができる。その後、必要な温度を得られたヒータ３２の電源を切り、受圧部３１であるストッパを取り外した後、被加熱物１を取り出す。また、冷却ノズル４０を使用することで被加熱部の冷却温度も制御することも可能である。
以上の一連の動作によって、真空状態において短時間に精度良く加熱温度制御することができる。

ランプヒータ等を配置した輻射加熱などで被加熱物を加熱する装置の説明図である。 図１の一部拡大説明図である。 ヒータを被加熱物へ設けた場合の説明図である。 本発明の一実施態様を模式的に表す説明図である。 ヒータ受けの具体的一例を示す斜視図である。 本実施態様で使用するヒータの構造を示す説明図である。 熱電対と温度制御システムを用いた実施態様と、従来技術の昇温カーブを比較したグラフである。 被加熱物１のその他の例示を示す説明図である。

符号の説明

１ 被加熱物
２ 半田
３ 被接合部材
１３ 温度検知部（熱電対）
３１ 受圧部（ストッパ）
３２ ヒータ
３３ ヒータ受け
３４、３５、３６ 支持体
４０ 冷却部
５０ 弾性体（ばね）

Claims (2)

1. 被接合部材（３）が半田（２）を介在して設置された被加熱物（１）を加熱するために、真空室内に配置された半田付け用真空加熱装置であって、
   前記被加熱物（１）にヒータ加熱面がそれぞれ接触する複数のヒータ（３２）と、前記複数のヒータ（３２）をそれぞれ収容する複数のヒータ受け（３３）と、前記被加熱物（１）に対して前記複数のヒータ受け（３３）をそれぞれ独立して弾性体（５０）で押圧して、前記ヒータ加熱面を密着させるフローティング機構と、前記フローティング機構が設けられた支持台（３４、３５、３６）と、前記ヒータ受け（３３）から前記被加熱物（１）が受ける押圧力を受圧する受圧部（３１）とを具備し、
   前記支持台は、上下動できるようになっており、前記支持台には温度検知部（１３）が、前記受圧部（３１）側に向くように固定されており、
   前記支持台が、前記受圧部（３１）に向けて移動するように駆動されて、前記温度検知部（１３）の先端が、前記被加熱物（１）に直接接触すると、支持台の移動は停止させられるとともに、前記弾性体（５０）により適正圧で前記複数のヒータ（３２）が、前記被加熱物（１）を押圧して密着するように構成された半田付け用真空加熱装置。
2. 前記半田付け用真空加熱装置は、前記被加熱物（１）を冷却する冷却部（４０）をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の半田付け用真空加熱装置。

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