JP5366395B2 - フラックス回収装置 - Google Patents

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この発明は、例えばリフロー装置に使用されるフラックス回収装置に関する。
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、炉体の雰囲気ガスを炉体の外部の不純物除去手段に導いて不純物を除去した後に炉体に戻すリフロー装置が記載されている。特許文献1に記載の不純物除去手段は、熱交換フィンが設けられた本体内に冷却フィンおよびフィルタを有する筒状カートリッジを配置する構成とされている。
特開平04−013474号公報
特許文献1に記載の不純物除去手段は、水平方向にカートリッジを配置し、カートリッジの交換によって不純物(フラックスの液化、または固化成分)を回収するので、カートリッジ交換作業が面倒であり、メインテナンスの作業性が劣っている問題があった。
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を効率良く、簡単に回収することができるフラックス回収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、管の外周面に取り付けられた冷却部と、
液化したフラックスを回収する回収容器と、
管の少なくとも一部の管内に挿入/離脱自在に配され、雰囲気ガスが管内を通過する場合の長さを実質的により長くする管内フィンとを備え、
管内フィンは、管の延長方向に延びる軸に所定の間隔でもって取り付けられた板状フィンと軸の一端に取り付けられた係合部とを有し、板状フィンは、直径方向に形成されたスリットと、スリットの閉塞側に管の延長方向に延びる軸が挿入される孔を有する円板からなり、スリットを挟んで二つの半円部を反対方向にねじった形状を有し、
はんだ付け装置から導出された雰囲気ガスが上記管を通過することによって冷却され、冷却後の雰囲気ガスが上記はんだ付け装置に戻されるフラックス回収装置である。
好ましくは、冷却部が上記管の外周面に、上記管とほぼ直交して固定された複数の冷却フィンで構成される。
好ましくは、管がほぼ垂直に配されると共に、管の一方の開口と通じる上部チャンバ内に雰囲気ガスが導入され、管の下部チャンバ内から液化したフラックスが回収容器に取り出される。管の外周面に、管とほぼ直交して固定された複数の冷却フィンで冷却部が構成される。
はんだ付け装置は、加熱装置と、送風機と、加熱装置により加熱された雰囲気ガスを多数の孔を介して被加熱物に吹きつけるパネルとを有し、
送風機により生じる圧力の高い箇所から雰囲気ガスがはんだ付け装置から導出されて管に導かれ、送風機により生じる圧力の低い箇所から雰囲気ガスがはんだ付け装置内に導入される。
この発明によれば、はんだ付け装置から取り出された雰囲気ガスが通過する管内に管内フィンが配されているので、短い長さの管であっても冷却効果を高めることができ、雰囲気ガス中のフラックス成分を効率良く回収できる。また、管内で液化したフラックス成分が下部チャンバに溜まり、外部の回収容器に流れ出るので、回収のために管内フィンを管から取り出す必要がなく、メンテナンス作業が面倒とな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。なお、この発明は、リフロー装置に限らずフロー装置に対しても適用することができる。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、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、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。
上部炉体15内における風の流れを模式的に図4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、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または装置の出入り口にあるスロー部にフラックス回収装置41および61を配置しても良い。
図5を参照してフラックス回収装置例えばフラックス回収装置41についてより詳細に説明する。フラックス回収装置41のラジエター部42は、ほぼ等しい径(内径および外径)で、ほぼ等しい長さの複数本例えば8本の管71a,71b,71c,71d,71e,71f,71g,71hと、8本の管71a〜71hの延長方向と直交して取り付けられた多数の放熱板72とを有する。管71a〜71h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。
図5Bは、上部蓋を除いた状態を示す。図5Cに示すように、多数の金属製の放熱板72のそれぞれの同一位置を管71a〜71hが貫通することによって、管71a〜71hのそれぞれの周面が放熱坂72と接し、管71a〜71h内を通る雰囲気ガスが冷却されることになる。
ラジエター部42の管71a〜71hの上部開口が上部チャンバ73の底面側に通じている。上部チャンバ73は、垂直方向に板面が延びる隔壁74によってほぼ2分割される。隔壁74は、上部チャンバ73を分割するもので、上部チャンバ73より下方に延長させなくても良い。図5Bに示すように、一方の分割された上部チャンバの底面側に4本の管71a〜71dが通じ、他方の分割された上部チャンバの底面側に4本の管71e〜71hが通じている。管71a〜71dが通じる上部チャンバから接続用管75が導出され、管71e〜71hが通じる上部チャンバから接続用管76が導出される。
ラジエター部42の下方において、管71a〜71hの開口が下部チャンバ77に通じている。下部チャンバ77は、全ての管71a〜71hの開口が通じるものである。下部チャンバの77の壁面が底面中央に向って傾斜した面とされる。底面中央には、液化して溜まっているフラックス成分を外部の回収容器43に流すためのドレイン(図示せず)が設けられている。
隔壁74で分割された上部チャンバ73の一方のチャンバに設けられた接続管75が上部炉体15の接続管54とホース(図示せず)によって接続され、上部炉体内の雰囲気ガスがフラックス回収装置41の上部チャンバ73の一方のチャンバに導入される。隔壁74で分割された上部チャンバ73の他方のチャンバに設けられた接続管76が上部炉体の接続管55とホース(図示せず)によって接続され、フラックス回収装置によってフラックス成分が除去されたガスが上部炉体15に戻される。
図5Dに模式的に示すように、接続管54、ホース(図示せず)および接続管75を介して上部炉体15から雰囲気ガスがフラックス回収装置41の上部チャンバ73内に導入される。雰囲気ガスが管71a〜71dを上方から下方に通過して下部チャンバ77に至る。さらに、下部チャンバ77から管71e〜71hを通って上部チャンバ73の分割した他方のチャンバに至る。そして、フラックス回収装置41から導出された雰囲気ガスが接続用管76、ホース(図示せず)および接続管55を介して上部炉体15内に戻される。
フラックス回収装置41の管71a〜71hには、放熱板72が取り付けられており、管71a〜71hを通過する間で、雰囲気ガスが冷却される。冷却の結果、雰囲気ガス内のフラックス成分が液化し、下部チャンバ77に溜まる。適切なタイミングが下部チャンバ77のドレインを開放して回収容器43にフラックスを流し込ませることによって、フラックスが回収される。
下部炉体35に関連して設けられたフラックス回収装置61も、上述したフラックス回収装置41と同様の構成を有し、冷却作用によって雰囲気ガス内のフラックス成分を液化させてフラックスを回収する。
フラックス回収装置41の雰囲気ガスに対する冷却効果が高いことが回収効率を高める上で必要とされる。例えば管71a〜71hの長さを長くすることによって冷却効果を高めることが可能である。しかしながら、その場合には、フラックス回収装置の大型化を招く問題が生じる。この発明は、管の長さが同等であってもより高い冷却能力を生じさせることができるようにするものである。
この発明では、複数の管71a〜71hの少なくとも一部の管内に挿入/離脱自在に配され、管71a〜71hの延長方向に延びる軸の一端に取り付けられた係合部と軸の一端側から他端側に所定の間隔でもって取り付けられた複数の板とを有する管内フィンを使用する。軸に取り付けられる板の形状の一例は、図6Aに示すように、半円形の金属製例えばステンレスの板81であり、板81の中心の位置に軸の挿入孔82が形成されている。但し、挿入孔82を中心からずらした位置に形成しても良い。ステンレスのような金属以外に耐熱性の樹脂成型品の板を使用しても良い。板81が軸に直交して取り付けられる場合には、板の直径が管71a〜71hの内径とほぼ等しいものとされる。管71a〜71hの内面と板81の外周面とが接することによって、板81が冷却される。但し、管71a〜71hの内面と板81の外周面とが接することは必ずしも必要ではない。例えば管内フィンの軸を中空とし、軸内に水冷媒体を循環させることによって、管内フィンの板81を冷却させることができる。
図6Bに示すように、直径方向に形成されたスリット84と、スリット84の閉塞側に軸が挿入される孔85を有する円板83を使用しても良い。孔85の位置は、板83の中心位置とされる。但し、孔85を中心からずらした位置に形成しても良い。円板83を使用する場合には、スリット84を挟んで二つの半円部を反対方向にねじった形状とされる。半円部が斜めに管71a〜71h内に配置される場合、半円部の直径を管71a〜71hと直交する面への投影した長さが管71a〜71hの内径とほぼ等しいものとされる。
図7Aおよび図7Bに示すように、図6Aに示す半円形の板81が孔82の位置で例えばステンレスからなる軸86に溶接等で固着される。複数の板81が軸86に対して直交してほぼ等間隔で取り付けられた構成の管内フィンが構成される。板81の周面が二点鎖線で示す管71a〜71hの内面と接触するようになされる。管71a〜71hは、多数の放熱板72を有するので、冷却されており、管内フィンの板81が管71a〜71hの内面と接触することによって、管内フィンの温度上昇を抑えることができる。
管71a〜71hの例えば全てに図7Aに示す管内フィンが挿入される。管内フィンの軸86の一端には、例えば棒状の係合片87が固着され、係合片87によって、管71a〜71hの挿入口付近で管内フィンの落下が阻止される。管内フィンが挿入された結果、管71a〜71hの長さを長くしたことと同等の効果が生じる。その結果、管の長さを長くすることなく、管内フィンを挿入しない場合に比して冷却能力を向上させることができる。
図8Aおよび図8Bに示すように、半円部が互いに逆方向にねじられた形状の円板83(図6B参照)が孔85の位置で例えばステンレスからなる軸86に溶接等で固着される。複数の円板83のそれぞれの半円部が軸86に対して傾斜して取り付けられ、軸86の一端に係合片87が固着された構成の管内フィンが構成される。上下に隣接する二つの円板83の接触点が溶接される。円板83の周面が二点鎖線で示す管71a〜71hの内面と接触するようになされる。管71a〜71hの例えば全てに図8Aに示す管内フィンが挿入される。管内フィンが挿入された結果、管71a〜71hの長さを長くしたことと同等の効果が生じる。その結果、管内フィンを挿入しない場合に比して冷却能力を向上させることができる。なお、フィンの形状は、これらのものに限定されず、図10に示すように、らせん状のフィンを有するものでも良い。らせん状のフィンの場合に中心軸を省略しても良い。
上述したこの発明の一実施の形態において、フラックス回収装置41の冷却能力を測定した結果を表1に示す。表1において、フィン形状Aは、図7に示すように、板81を軸86に対して等間隔で固着した管内フィンの構成を意味する。フィン形状Bは、図8に示すように、円板83の半円部を互いに逆方向にねじった形状として軸86に対して固着した管内フィンの構成を意味する。最初に雰囲気ガスが導入される上部チャンバ73の一方の分割チャンバの接続管75の近傍で測定された温度が冷却IN〔°C〕であり、上部チャンバ73の他方の分割チャンバの接続管76の近傍で測定された温度がOUT〔°C〕である。そして、これらの温度差(IN−OUT〔°C〕が冷却能力を示している。
Figure 0005366395
例えばフィン形状Aの管内フィンを使用した場合には、150〔°C〕以上の温度降下を達成することができる。フィン形状Bの管内フィンを使用した場合には、120〔°C〕以上の温度降下を達成することができる。
比較例として、管内フィンを全く挿入しない場合の温度測定結果を表2に示す。
Figure 0005366395
表2の測定結果から分かるように、管内フィンを挿入しない場合では、温度降下が高々20〔°C〕程度であり、冷却能力がこの発明に比して劣っていることが分かる。
なお、管71a〜71hは、空冷方式に限らず、水冷方式での冷却を行うようにしても良い。図9に示すように、炉から雰囲気ガスをホース91を介して導出し、回収ポット92で接続すると共に、接続部93を介してフレキシブル回収筒94に導き、フレキシブル回収筒94から接続部95とホース96とを介して炉に戻すようにしても良い。フレキシブル回収筒94の周面と同心円状に設けた筒を水冷媒体を循環させたり、または、二点鎖線で示すように、フレキシブル回収筒94の周面に螺旋状に設けた通路を水冷媒体を循環させることによってフレキシブル回収筒94を冷却することができる。
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、フラックス回収装置からガスを炉体内に戻す場合に、炉内の温度の低下を防止するために、戻すガスを加熱してから戻すようにしても良い。さらに、ラジエター部としてU字形状の管を使用しても良い。
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。 この発明によるフラックス回収装置の一実施の形態の説明に用いる略線図である。 フラックス回収装置の一実施の形態における管内フィンに使用できる板の一例および他の例の平面図である。 この発明の一実施の形態における管内フィンの一例の説明のための図である。 この発明の一実施の形態における管内フィンの他の例の説明のための図である。 この発明の一実施の形態における冷却構成の他の例の説明のための図である。 この発明の一実施の形態における管内フィンのさらに他の例の説明のための図である。
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
18,28・・・ヒータ
19,29・・・パネル
31・・・搬送コンベヤ
35・・・下部炉体
41,61・・・フラックス回収装置
42,62・・・ラジエータ部
43,63・・・フラックス回収容器
71a〜71h・・・管
72・・・放熱板
73・・・上部チャンバ
74・・・隔壁
77・・・下部チャンバ
81,83・・・板
86・・・軸
87・・・係合片

Claims (5)

  1. 管の外周面に取り付けられた冷却部と、
    液化したフラックスを回収する回収容器と、
    上記管の少なくとも一部の管内に挿入/離脱自在に配され、雰囲気ガスが上記管内を通過する場合の長さを実質的により長くする管内フィンとを備え、
    上記管内フィンは、上記管の延長方向に延びる軸に所定の間隔でもって取り付けられた板状フィンと上記軸の一端に取り付けられた係合部とを有し、上記板状フィンは、直径方向に形成されたスリットと、上記スリットの閉塞側に上記管の延長方向に延びる軸が挿入される孔を有する円板からなり、上記スリットを挟んで二つの半円部を反対方向にねじった形状を有し、
    はんだ付け装置から導出された雰囲気ガスが上記管を通過することによって冷却され、冷却後の雰囲気ガスが上記はんだ付け装置に戻されるフラックス回収装置。
  2. 上記管がほぼ垂直に配されると共に、上記管の一方の開口と通じる上部チャンバ内に上記雰囲気ガスが導入され、上記管の下部チャンバ内から液化したフラックスが回収容器に取り出される請求項1記載のフラックス回収装置。
  3. 上記冷却部が上記管の外周面に、上記管とほぼ直交して固定された複数の冷却フィンで構成された請求項1記載のフラックス回収装置。
  4. 上記はんだ付け装置は、加熱装置と、送風機と、上記加熱装置により加熱された雰囲気ガスを多数の孔を介して被加熱物に吹きつけるパネルとを有し、
    上記送風機により生じる圧力の高い箇所から上記雰囲気ガスが上記はんだ付け装置から導出されて上記管に導かれ、上記送風機により生じる圧力の低い箇所から上記雰囲気ガスが上記はんだ付け装置内に導入される請求項1記載のフラックス回収装置。
  5. 上記はんだ付け装置がそれぞれ上記加熱装置、上記送風機および上記パネルを有する上部炉と下部炉とから構成され、上記上部炉と上記下部炉との対向間隙を上記被加熱物が通過する構成とされ、
    上記上部炉と上記下部炉のそれぞれに対して設けられた請求項4記載のフラックス回収装置。
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