JP6124255B2 - リフロー装置 - Google Patents

Description

この発明は、ワークを還元雰囲気下で加熱して半田の表面の酸化膜の還元を行うリフロー装置に関し、特に処理時間を短縮するとともに還元ガスの消費量を低減するものである。

従来のリフロー装置は、還元雰囲気を有するチャンバ内でワークを加熱し、半田、および、他の箇所の表面の酸化膜を還元した後に、半田溶融温度まで昇温し、半田接合を行うものであり、ワーク搬送機構、ヒータと冷却器を有する還元チャンバ、タンク、還元チャンバに還元雰囲気を導入する雰囲気導入室、還元チャンバ内の雰囲気を排気する排気装置から構成される。そして、トレイに搭載したワークを、搬入部より不活性ガスで満たされた還元チャンバ内に送る。チャンバ内の不活性ガスを排出した後に、還元ガスを供給して還元雰囲気に置換し、ヒータでワークを加熱する。ワークは、半田、および、他の箇所の表面の酸化膜が還元された状態で半田接合される。その後、還元雰囲気を排出して還元チャンバ内を再び不活性ガスに置換後、ワークを冷却する。冷却が完了後、ワークをチャンバ外に搬出する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２４４６１８号公報

従来のリフロー装置は、半田、および、他の表面の酸化膜を除去するためには、チャンバ内を還元雰囲気で加熱する必要がある。また、チャンバ内にワークを搬入、搬出する際には、チャンバ内外が空間的につながるため、雰囲気の出入りが生じる。しかし、還元剤として使用されるカルボン酸や水素は、人体に有害である、あるいは、酸素と混合することで爆発の危険性があるといった理由から、そのまま大気中に放出することは望ましくない。そのため、チャンバ内外の空間がつながる場合には、チャンバ内を不活性ガスなどの無害な雰囲気に置換する必要がある。

従来の方法で行う場合、１トレイ分のワークの処理する毎に、チャンバ内の雰囲気を２回置換（不活性ガス雰囲気→還元雰囲気、還元雰囲気→不活性ガス雰囲気）する必要がある。よって、ワークを加熱して還元、および、半田接合するのに必要な時間とは別に、チャンバ内の雰囲気を置換するための時間が余分に必要となる。そのため、１トレイ分のワークあたりの処理時間が長くなるという問題点があった。

さらに、チャンバ内の雰囲気を置換する毎に排気しているため、１トレイ分のワークの処理毎にチャンバ容量分の還元雰囲気を新たに作る必要がある。そのため、還元剤の消費量が多くなるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、処理時間を短縮するとともに還元ガスの消費量を低減することができるリフロー装置を提供することを目的とする。

この発明のリフロー装置は、
半田を有するワークを、加熱しながら上記半田の酸化膜を還元するリフロー装置において、
上記ワークの還元処理を行うための還元チャンバと、
上記還元チャンバの前段に接続されている前室チャンバと、
上記還元チャンバの後段に接続されている後室チャンバと、
上記還元チャンバに還元ガスを供給する還元ガス供給機構部と、
上記還元ガスを加熱する加熱機構部と、
上記還元ガスを上記還元チャンバ外に取り出し再び上記還元チャンバ内に戻す循環経路とを備え、
上記循環経路の途中に接続されたサブチャンバを備え、
上記還元ガス供給機構部は、上記サブチャンバに接続され、
上記加熱機構部は、上記サブチャンバ内に配設され、
上記サブチャンバの容積は、上記還元チャンバの容積と同じかまたは大きく形成されているものである。

この発明のリフロー装置は、上記のように構成されているため、
処理時間を短縮するとともに還元ガスの消費量を低減することができる。

この発明の実施の形態１のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１の他のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２の他のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３のリフロー装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３の他のリフロー装置の構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１におけるリフロー装置の構成を示す図である。図において、リフロー装置は、ワーク１を保持して搭載するトレイ２と、ワーク１の還元処理を行うための還元チャンバ４と、この還元チャンバ４の前段に接続された前室チャンバ１１と、還元チャンバ４の後段に接続された後室チャンバ１２と、ワーク１の搭載したトレイ２を各チャンバ４、１１、１２内外に移動するため、例えばコンベア方式や、トレイ２に搬送方向に可動なツメを掛けて下流側へ送る方式などにて構成される搬送機構部３と、後室チャンバ１２内に設けられたワーク１を冷却するための冷却機構部１３とを備えている。

さらに、ワーク１の搬送時に開閉する、各チャンバ４、１１、１２の搬入出口に設けられた遮蔽扉１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと、還元チャンバ４内に還元ガスとして、例えばカルボン酸や水素などを供給するための還元ガス供給機構部７０と、還元ガスを加熱する例えばコイルヒータを有するホットプレートにて形成される加熱機構部９と、各チャンバ１１、１２内への不活性ガスとして、例えば窒素ガスやアルゴンガスなどを供給する不活性ガス供給機構部１５と、各チャンバ１１、１２内の雰囲気を排気する真空ポンプにて形成される減圧機構部１６と、減圧機構部１６に接続され減圧機構部１６にて排気された還元ガスを回収する還元ガス回収機構部１７とを備えている。

さらに、還元ガスを還元チャンバ４外に取り出し再び還元チャンバ４内に戻す往路６ａおよび復路６ｂから形成される循環経路６と、循環経路６に形成され還元チャンバ４内の雰囲気を、循環経路６を介して循環させるファン１０と、循環経路６の途中に接続されたサブチャンバ５とを備えている。尚、ファン１０は、循環経路６に、複数個、または複数箇所に形成することも考えられる。

そして、還元ガス供給機構部７０は、サブチャンバ５に接続されている。また、加熱機構部９は、サブチャンバ５内に配設され、還元チャンバ４内にてワーク１の半田の接合処理の加熱を行うように構成されている。さらに、還元ガス供給機構部７０は、還元剤７１をサブチャンバ５内の加熱機構部９に供給し、サブチャンバ５内にて還元剤７１が加熱されて気化し還元ガスが生成され循環経路６を介して還元チャンバ４に供給するものであり、例えば、還元剤７１を封入するタンク７と、タンク７内の還元剤７１の供給量を調整するマスフローコントローラ８とから構成されている。そして、サブチャンバ５の容積は、還元チャンバ４の容積と同じかまたは大きく形成されている。

次に、上記のように構成された実施の形態１のリフロー装置の動作について説明する。まず、初期状態は、還元チャンバ４、および、サブチャンバ５内は還元雰囲気とし、各チャンバ１１、１２内を減圧機構部１６にて排気した後、不活性ガス供給機構部１５により不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気とする。この場合における還元チャンバ４、および、サブチャンバ５内の還元雰囲気は、サブチャンバ５内の加熱機構部９にタンク７からマスフローコントローラ８を介して液体状の還元剤７１が一定量滴下して供給され、滴下した還元剤７１が加熱機構部９により気化し還元ガスが生成され、サブチャンバ５、および、還元チャンバ４内の還元雰囲気濃度を所定値にしているものである。

次に、前室チャンバ１１の上流側の遮蔽扉１４ａを開き、搬送機構部３を動作させてワーク１が搭載されたトレイ２を前室チャンバ１１内に移動して遮蔽扉１４ａを閉じる。尚、ワーク１を搭載したトレイ２を複数枚に連続的に投入する場合には、前室チャンバ１１内に１つ前に投入した待機中のワーク１が存在するため、上流側の遮蔽扉１４ａと下流側の遮蔽扉１４ｂとを同時に開き、前室チャンバ１１内への未処理のワーク１の移動と、前室チャンバ１１から還元チャンバ４内への待機中のワーク１の移動とを同時に行う。尚、このことは、還元チャンバ４および後室チャンバ１２においても同様にワーク１の移動を行うことができるため、その説明は適宜省略する。

次に、還元チャンバ４の上流側の遮蔽扉１４ｂを開けて、ワーク１を還元チャンバ４内に送り、還元チャンバ４の遮蔽扉１４ｂを閉じる。このワーク１の移動に伴い還元チャンバ４内の還元雰囲気が拡散した前室チャンバ１１は、還元チャンバ４内でワーク１を還元、または、半田の接合を行っている間に、並行して減圧機構部１６で排気を行い、排気された還元ガスを還元ガス回収機構部１７にて回収するとともに、不活性ガス供給機構部１５により不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気とする。尚、この動作は、後室チャンバ１２においても同様に行うものであるため、その説明を適宜省略する。

次に、還元チャンバ４、および、サブチャンバ５内の雰囲気を、ファン１０を回転させ循環経路６を介して循環させる。この際、サブチャンバ５内の一定濃度の還元雰囲気は、往路６ａを通して還元チャンバ４に送られる。また、前室チャンバ１１への拡散により濃度が低下した還元チャンバ４内の還元雰囲気は、復路６ｂを通してサブチャンバ５に送られることとなる。よってこれと同時に濃度が低下した分を補充するために、サブチャンバ５内の加熱機構部９にタンク７からマスフローコントローラ８を介して液体状の還元剤７１が一定量滴下して供給される。

そして、滴下した還元剤７１は加熱機構部９により気化し還元ガスと成り、サブチャンバ５、および、還元チャンバ４内の還元雰囲気濃度を所定値に戻す。ここでは、サブチャンバ５の容量は、少なくとも還元チャンバ４の容量と同一または大きく形成されているため、還元ガスの濃度を所定値に設定し易い。尚、ファン１０は常に回転させ、各チャンバ４、５内の雰囲気を常時循環させておいてもよい。または、各チャンバ４、５内の還元雰囲気濃度を一定値に戻す場合にのみにファン１０を回転させてもよい。また、この動作は、後室チャンバ１２への還元ガスの拡散により濃度が低下した場合においても同様に行うものであるため、その説明を適宜省略する。

そして、還元チャンバ４内の還元雰囲気濃度を所定値に戻すと同時に、サブチャンバ５内の加熱機構部９を昇温してワーク１の加熱を開始する。この際、ワーク１の加熱温度は、半田の溶融温度以下および酸化膜の還元を維持するよう制御する。これは、還元反応が十分進まず部分的に酸化膜が残っている状態で半田溶融温度まで昇温すると、半田が濡れる部分とそうでない部分とが混在し、接合品質が不均一になるためである。そして、半田の表面の酸化膜の還元が完了後、加熱機構部９をさらに昇温して、ワーク１を半田の溶融温度まで加熱して半田の接合を行う。

次に、還元チャンバの下流側の遮蔽扉１４ｃを開き、ワーク１を後室チャンバ１２へ送り、還元チャンバ４の下流側の遮蔽扉１４ｃを閉じる。次に、後室チャンバ１２の雰囲気を減圧機構部１６で排気し、排気された還元ガスを還元ガス回収機構部１７にて回収するとともに、不活性ガス供給機構部１５により不活性ガスを供給し不活性ガス雰囲気とする。この雰囲気を置換する際、冷却機構部１３により不活性ガスをノズルなどでワーク１に対して噴き付けて冷却を行う。この際、冷却に用いる不活性ガスは冷却能力を上げるため、あらかじめ低温にしておいてもよい。また、例えば水冷式の冷却板をワーク１に押し当てるといった別の冷却方式を組み合わせてもよい。次に、後室チャンバ１２の下流側の遮蔽扉１４ｄを開き、ワーク１を後室チャンバ１２外に送り、遮蔽扉１４ｄを閉じる。次に、トレイ２、および、ワーク１を搬送機構部３から取り出し処理を終了する。

上記のように構成された実施の形態１のリフロー装置によれば、還元チャンバ内の雰囲気を不活性ガスに置換することなくワークを出入りさせることができ、還元チャンバの雰囲気置換にかかる時間を削減し、１トレイ分のワークあたりに要する処理時間を短縮できる。また、ワーク搬送時に前室チャンバ、あるいは、後室チャンバへ還元雰囲気が拡散して低下した濃度分のみの還元ガスを供給すればよいため、還元ガスの使用量を抑えることができ、還元ガス供給機構部のタンクへの還元剤の補充頻度や、回収した還元剤を無害化処理するための作業負荷を減らすことができる。よって、省エネルギー化となり、さらに、生産工程において環境負荷低減となる。

また、サブチャンバにて還元ガスを生成して循環しているため、還元チャンバに還元ガスが効率よく供給することができる。

また、サブチャンバ内の加熱機構部は、還元剤雰囲気の温調と、還元剤のガス化の両方の機能を果たしているため、還元剤のガス化のための専用の機器を必要とせず、装置の簡略化に寄与している。

また、タンクと、マスフローコントローラとにより還元ガス供給機構部を構成しているため、還元ガスを正確に供給することが可能となる。

また、サブチャンバの容積を、還元チャンバの容積と同じかまたは大きく形成しているため、還元チャンバに供給する還元ガスの所定の濃度に、サブチャンバ内に還元ガスの濃度を調整し易い。

また、加熱機構部は、半田の表面の酸化膜の還元と、半田の接合との両方の加熱を行うことができるため、効率よく製造を行うことができる。

また、後室チャンバの冷却機構部にて、ワークの冷却を行うことができるため、効率よく製造を行うことができる。

また、不活性ガス供給機構部により、前室チャンバおよび後室チャンバの雰囲気を不活性ガスに置換することができるため、還元ガスの外部への影響を低減することができる。

尚、上記実施の形態１においては、サブチャンバを備え、還元ガスの供給をサブチャンバ内にて還元剤を気化する例を示したがこれに限られることはなく、例えば図２に示すように、循環経路６に還元ガスを直接供給する還元ガス供給機構部７０を備える。還元ガス供給機構部７０は還元ガスが封入されているタンク２０と、このタンク２０と循環経路６とを接続して還元ガスの量を調整するバルブ２１とにて構成されている。そして、加熱機構部９は還元チャンバ４内に配設される。このように形成された場合においても、還元ガスの供給以外においては、上記実施の形態１と同様の動作を行うことができ、同様の効果を奏することができる。このことは、以下の実施の形態においても同様であるためその説明は適宜省略する。

また、ワークの移動に伴う還元チャンバ内の還元雰囲気濃度の低下を抑制するために、還元チャンバの上流側の遮蔽扉、および、下流側の遮蔽扉に不活性ガス、または、還元雰囲気を用いたガスカーテンを設けたり、還元チャンバ、前室チャンバ、および、後室チャンバ内の圧力を同一に調整する機構を設けたりすることが考えられる。このことは、以下の実施の形態においても同様であるためその説明は適宜省略する。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２におけるリフロー装置の構成を示す図である。上記実施の形態１においては、１つのチャンバにて、ワークの半田の表面の酸化膜の還元、および半田の接合を行う例を示したが、本実施の形態２においては、後室チャンバとして、加熱チャンバと冷却チャンバとを別々に備える場合について説明する。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。後室チャンバ１２は、還元チャンバ４に接続されワーク１の半田の接合処理の加熱を行うための接合加熱機構部１９を有する加熱チャンバ１８と、加熱チャンバ１８に接続されワーク１の冷却を行うための冷却チャンバ２２とから構成されている。冷却チャンバ２２には遮蔽扉１４ｅが下流側に形成されている。

減圧機構部１６は、加熱チャンバ１８および冷却チャンバ２２に接続されており、特に、加熱チャンバ１８内を減圧可能に形成され、加熱チャンバ１８内にてワーク１を減圧下状態に保持することができるものである。また、不活性ガス供給機構部１５は、加熱チャンバ１８および冷却チャンバ２２に接続されている。

次に、上記のように構成された実施の形態２のリフロー装置の動作について説明する。尚、本実施の形態２においては、上記実施の形態１と異なる加熱チャンバ１８での動作を中心に説明する。まず、上記実施の形態１と同様の工程を経て、還元チャンバ４内にてワーク１の半田の表面の酸化膜の還元を終了した後、還元チャンバ４の下流側の遮蔽扉１４ｃを開き、ワーク１を加熱チャンバ１８に送り、加熱チャンバ１８の遮蔽扉１４ｃを閉じる。

次に、減圧機構部１６により、加熱チャンバ１８内を、例えば１０Ｐａ以下となるまで真空引きする。これと同時に、加熱チャンバ１８内の接合加熱機構部１９にて加熱を行い、ワーク１を半田の溶融温度まで加熱し、半田接合する。よって、半田溶融時に、加熱チャンバ１８内を減圧することで、半田中のボイドを抜き、半田接合後の半田中に残るボイドを低減できる。また、減圧中に加熱制御することで、半田急沸などに起因して生じる半田ボールの発生といった不良を抑えることができる。次に、加熱チャンバ１８の下流側の遮蔽扉１４ｄを開き、ワーク１を冷却チャンバ２２に送り、加熱チャンバ１８の遮蔽扉１４ｄを閉じる。以下、上記実施の形態１と同様に、冷却チャンバ２２にて冷却機構部１３を用いてワーク１の冷却を行う。

上記のように構成された実施の形態２のリフロー装置によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、後室チャンバとして、加熱チャンバおよび冷却チャンバを別々に備えているため、各処理が簡便にかつ時間短縮にて行うことができ、特に複数のワークの処理を行う場合に優れている。また、加熱チャンバにて減圧した状態にて、半田の接合を行うことができるため、半田の接合の品質を向上させることができる。

尚、上記実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様に、サブチャンバを備え、還元ガスの供給をサブチャンバ内にて還元剤を気化する例を示したがこれに限られることはなく、例えば図４に示すように、循環経路６に還元ガスを直接供給する還元ガス供給機構部７０を備えることも可能である。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３におけるリフロー装置の構成を示す図である。上記実施の形態１においては、後室チャンバとして、冷却のみを行う例を示したが、本実施の形態３においては、後室チャンバにて、半田接合および冷却を行う場合について説明する。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。後室チャンバ１２内に、ワーク１を半田の溶融の温度まで加熱する接合加熱機構部１９およびワーク１を冷却する冷却機構部１３を備えるものである。また、減圧機構部１６は、後室チャンバ１２内を減圧可能に形成され、後室チャンバ１２内にてワーク１を減圧下状態に保持することができるものである。

次に、上記のように構成された実施の形態３のリフロー装置の動作について説明する。尚、本実施の形態３においては、上記実施の形態１と異なる後室チャンバ１２での動作を中心に説明する。まず、上記実施の形態１と同様の工程を経て、還元チャンバ４内にてワーク１の半田の表面の酸化膜の還元を終了した後、還元チャンバ４の下流側の遮蔽扉１４ｃを開き、ワーク１を後室チャンバ１２に送り、後室チャンバ１２の遮蔽扉１４ｃを閉じる。

次に、減圧機構部１６により、後室チャンバ１２内を、上記実施の形態２と同様に、例えば１０Ｐａ以下となるまで真空引きする。これと同時に、後室チャンバ１２内の接合加熱機構部１９にて加熱を行い、ワーク１を半田の溶融温度まで加熱し、半田接合する。よって、半田溶融時に、後室チャンバ１２内を減圧することで、半田中のボイドを抜き、半田接合後の半田中に残るボイドを低減できる。また、減圧中に加熱制御することで、半田急沸などに起因して生じる半田ボールの発生といった不良を抑えることができる。次に、上記実施の形態１と同様に、後室チャンバ１２にて冷却機構部１３を用いてワーク１の冷却を行う。

上記のように構成された実施の形態３のリフロー装置によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、後室チャンバとにて減圧した状態にて、半田の接合を行うことができるため、半田の接合の品質を向上させることができる。

尚、上記実施の形態３においても、上記各実施の形態と同様に、サブチャンバを備え、還元ガスの供給をサブチャンバ内にて還元剤を気化する例を示したがこれに限られることはなく、例えば図６に示すように、循環経路６に還元ガスを直接供給する還元ガス供給機構部７０を備えることも可能である。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ワーク、２ トレイ、３ 搬送機構部、４ 還元チャンバ、５ サブチャンバ、
６ 循環経路、６ａ 往路、６ｂ 復路、７ タンク、８ マスフローコントローラ、
９ 加熱機構部、１０ ファン、１１ 前室チャンバ、１２ 後室チャンバ、
１３ 冷却機構部、１４ａ 遮蔽扉、１４ｂ 遮蔽扉、１４ｃ 遮蔽扉、
１４ｄ 遮蔽扉、１４ｅ 遮蔽扉、１５ 不活性ガス供給機構部、１６ 減圧機構部、
１７ 還元ガス回収機構部、１８ 加熱チャンバ、２０ タンク、２１ バルブ、
２２ 冷却チャンバ、１９ 接合加熱機構部、７０ 還元ガス供給機構部、
７１ 還元剤。

Claims (8)

1. 半田を有するワークを、加熱しながら上記半田の酸化膜を還元するリフロー装置において、
   上記ワークの還元処理を行うための還元チャンバと、
   上記還元チャンバの前段に接続されている前室チャンバと、
   上記還元チャンバの後段に接続されている後室チャンバと、
   上記還元チャンバに還元ガスを供給する還元ガス供給機構部と、
   上記還元ガスを加熱する加熱機構部と、
   上記還元ガスを上記還元チャンバ外に取り出し再び上記還元チャンバ内に戻す循環経路とを備え、
   上記循環経路の途中に接続されたサブチャンバを備え、
   上記還元ガス供給機構部は、上記サブチャンバに接続され、
   上記加熱機構部は、上記サブチャンバ内に配設され、
   上記サブチャンバの容積は、上記還元チャンバの容積と同じかまたは大きく形成されているリフロー装置。
2. 上記還元ガス供給機構部は、還元剤を上記サブチャンバ内の上記加熱機構部に供給し、上記サブチャンバ内にて上記還元剤が加熱して気化し上記還元ガスが生成され上記循環経路を介して上記還元チャンバに供給される請求項１に記載のリフロー装置。
3. 上記還元ガス供給機構部は、上記還元剤を封入するタンクと、上記タンク内の上記還元剤の供給量を調整するマスフローコントローラとから構成されている請求項２に記載のリフロー装置。
4. 上記加熱機構部は、上記還元チャンバ内にて上記ワークの上記半田の接合処理の加熱を行うように構成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリフロー装置。
5. 上記後室チャンバは、上記ワークの冷却を行うための冷却機構部を備えた請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のリフロー装置。
6. 上記後室チャンバは、上記還元チャンバに接続され上記ワークの上記半田の接合処理の加熱を行うための接合加熱機構部を有する加熱チャンバと、
   上記加熱チャンバに接続され上記ワークの冷却を行うための冷却チャンバとから構成され、
   上記加熱チャンバは、上記加熱チャンバ内を減圧する減圧機構部を備えた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリフロー装置。
7. 上記後室チャンバは、上記還元チャンバに接続され上記ワークの上記半田の接合処理の加熱を行うための接合加熱機構部と、上記ワークの冷却を行うための冷却機構部と、上記後室チャンバ内を減圧する減圧機構部とを備えた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリフロー装置。
8. 上記前室チャンバおよび上記後室チャンバの雰囲気を不活性ガスに置換する不活性ガス供給機構部を備えた請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のリフロー装置。

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