JP6502909B2 - リフロー装置 - Google Patents

Description

本発明は、リフロー装置に関し、特に、電子部品間の熱容量の相違によるはんだ付けの不良を防止するようにしたものである。

電子部品又はプリント回路基板に対して、予めはんだ組成物を供給しておき、リフロー炉の中にプリント回路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、被加熱物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。

加熱ゾーンにおいて、プリント回路基板に対して熱風を吹き付けることによってはんだ付けがなされる。同一のプリント回路基板上に実装されている複数の電子部品の熱容量は一定ではない。ＱＦＰ(Quad Flat Package)、ＢＧＡ(Ball Grid Array)等の大型部品は、熱容量が大きく、アルミ電解コンデンサ等の小型部品は、熱容量が小さい。これらの電子部品が混合して実装されている場合には、リフロー工程において、熱容量が小さい電子部品の温度上昇と熱容量が大きい電子部品の温度上昇の間に差が生じる。熱容量が小さい電子部品に熱風の温度を合わせると、熱容量が大きな電子部品の加熱が不十分となり、はんだ付けの不良が発生するおそれがあった。逆に、熱容量の大きい電子部品に熱風の温度を合わせると、熱容量の小さい電子部品の損傷が発生するおそれがあった。

かかる温度差を少なくするリフロー装置が特許文献１に記載されている。特許文献１では、複数のパイプノズルから回路基板へ熱風を吹き出すことで、回路基板平面上に複数の熱風吹き付け点を分散させると共に、吹き付けられた熱風が回路基板から跳ね返った後、配列されたパイプノズル同士間の空間により形成される流路を通して熱風を炉体内に循環させる構成としている。

特許第４０４３６９４号公報

特許文献１に記載されているリフロー装置は、被加熱物としてのプリント回路基板上で熱風の温度の均一化を図るもので、電子部品間の熱容量の相違による温度差を解消するには不十分であった。

したがって、本発明の目的は、被加熱物上に熱容量の相違する電子部品が混合して実装されている場合でも、はんだ付けの不良や電子部品の損傷を防止することができるリフロー装置を提供することにある。

本発明は、被加熱物に対してはんだ付けを行う炉体を有する加熱ゾーンと、はんだ付けがされた被加熱物を冷却する冷却ゾーンを有し、加熱ゾーン及び冷却ゾーンを搬送装置によって被加熱物を通過させるリフロー装置において、
加熱ゾーンは、
送風機と、
送風機により形成される気体流路中に配置される第１のヒーターと、
複数の小孔を有し、第１のヒーターにより形成される熱風を小孔を通じて被加熱物に吹き付ける加熱パネルと、
熱風の流路中に被加熱物の搬送方向と平行及び／又は直交して配置された複数の第２のヒーターとを備え、
複数の第２のヒーターは、第１のヒーターと加熱パネルの間に配置され、且つ、加熱パネルの被加熱物に対向しない面に接触しており、
熱容量の大きな電子部品が被加熱物に実装されている場合に、複数の第２のヒーターの中で、熱容量の大きな電子部品に対する熱風の温度を高くするように、熱容量の大きな電子部品の実装位置に対応する第２のヒーターをＯＮとするようにしたリフロー装置である。

少なくとも一つの実施形態によれば、熱容量が大きな電子部品に対しては、第１のヒーターによって形成された熱風を第２のヒーターによって追加加熱して当該電子部品に吹き付けるので、被加熱物の熱容量の相違による問題の発生を低減できる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。また、以下の説明における例示された効果により本開示の内容が限定して解釈されるものではない。

本発明を適用できる従来の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。 リフロー装置の一つの加熱ゾーンの構成の一例を示す断面図である。 リフロー装置の一つの加熱ゾーンの構成の一例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態の説明に用いるリフロー装置の断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態の説明に用いるリフロー装置の断面を示す断面図である。 本発明の一実施の形態の一部の拡大図である。 本発明の一実施の形態の一部の拡大図である。 本発明の一実施の形態の一部の拡大図である。

以下、本発明を実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
＜１．リフロー装置の一例＞
＜２．一実施の形態＞
＜３．変形例＞
なお、以下に説明する一実施の形態は、本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、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本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。

＜１．リフロー装置の一例＞
図１は、本発明を適用できる従来のリフロー装置の概略的構成を示す。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。プリント回路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。搬送コンベアの搬送方向が水平方向とされている。

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及びＺ９が冷却ゾーンである。冷却ゾーンＺ８及び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一例の概略を示す。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回路基板の表面温度である。加熱のための熱風の温度は、より高いものとされる。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、プリント回路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、急速にプリント回路基板を冷却し、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。Ｓｎ−Ｐｂ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。また、プリント回路基板の表面温度よりも高い温度に熱風の温度が設定される。例えば熱風の温度が３００℃〜３５０℃に設定される。

リフロー装置では、図２における昇温部Ｒ１の温度制御を、主として加熱ゾーンＺ１及びＺ２が受け持つ。プリヒート部Ｒ２の温度制御は、主として加熱ゾーンＺ３、Ｚ４及びＺ５が受け持つ。本加熱部Ｒ３の温度制御は、加熱ゾーンＺ６及びＺ７が受け持つ。冷却部Ｒ４の温度制御は、冷却ゾーンＺ８及びゾーン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及び下部炉体３５を有する。例えばゾーンＺ１の上部炉体１５及び下部炉体３５から搬送される被加熱物Ｗに対して熱風が吹きつけられる。

図３を参照して加熱ゾーン（加熱装置）の一例について説明する。例えばＺ１〜Ｚ７の何れかの加熱ゾーンを搬送方向と平行な面で切断した場合の断面が図３に示されており、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４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、プリント回路基板の片面又は両面に表面実装用電子部品が搭載された被加熱物（ワークとも称される）Ｗが搬送コンベア４１上に置かれて搬送される。上部炉体１５内及び下部炉体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及び下部炉体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（モータ及び回転羽根からなる）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設けられた整流機構１７と、ヒーター線を複数回折り返して構成したヒーター１８を有する。整流機構１７は、多数の小孔が均等間隔で穿設されたパンチング板などで構成される。

さらに、ヒーター１８により形成された熱風が通過する多数の小孔例えば噴射ノズル１９が平板状の支持板２０から被加熱物Ｗに対して突出されてなる加熱パネル２１を有し、加熱パネル２１の噴射ノズル１９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。加熱パネル２１の支持板２０及び噴射ノズル１９は、アルミニウム、亜鉛またはマグネシウムなどを材料とするダイカスト法を含む鋳造法、または絞り加工法により一体に成形されている。

加熱パネル２１の支持板２０と所定の間隙を介して平行に回収板２２が配置されている。回収板２２は、加熱パネル２１が被加熱物Ｗに吹き付けた熱風の戻り気体を回収するための孔又はスリットを有する。

噴射ノズル１９から噴出され回収板２２によって回収された被加熱物加熱後の熱風は、加熱パネル２１の支持板２０及び回収板２２の対向間隙を通り、さらに回収通路を通って送風機１６の中心部の吸い込み口から吸い込まれ、下方に吹き出される。吹き出された気体がヒーター１８により加熱される。

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整流機構２７と、ヒーター線を複数回折り返して構成したヒーター２８とを有する。

さらに、ヒーター２８により形成された熱風が通過する多数の小孔例えば噴射ノズル２９が平板状の支持板３０から被加熱物Ｗに対して突出されてなる加熱パネル３１を有する。加熱パネル３１の噴射ノズル２９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。支持板３０に対して碁盤状又は五の目格子状に複数の噴射ノズル２９が形成されている。

加熱パネル３１の支持板３０と所定の間隙を介して平行に回収板３２が配置されている。回収板３２は、加熱パネル３１が被加熱物Ｗに吹き付けた熱風の戻り気体を回収するための孔又はスリットを有する。

噴射ノズル２９から噴出され回収板３２によって回収された被加熱物加熱後の熱風は、加熱パネル３１の支持板３０及び回収板３２の間隙を通り、さらに回収通路を通って送風機２６の中心部の吸い込み口から吸い込まれ、上方に吹き出される。吹き出された気体がヒーター２８により加熱される。

冷却ゾーンＺ８、Ｚ９は、加熱ゾーンと異なり、ヒーター１８及び２８を有しない構成とされ、上下に設けられている送風機によって冷却用気体（Ｎ２ガス等の不活性ガス又は大気）が冷却パネルを介して被加熱物Ｗに吹きつけられる構成とされている。冷却パネルは、アルミニウム等の金属板に多数の小孔が形成されたものである。

かかるリフロー装置において、ＢＧＡ等の熱容量が大きな電子部品と、アルミ電解コンデンサのような熱容量が小さな電子部品が混合して実装されている被加熱物Ｗの場合には、リフロー工程（予熱工程及び本加熱工程）において良好なはんだ付けがされなかったり、電子部品が損傷するおそれがある。本発明は、かかるリフロー工程時に生じる温度差をなるべく小さくするものである。

＜２．一実施の形態＞
図５及び図６を参照して本発明の一実施の形態について説明する。一実施の形態は、図３及び図４に示すようなリフロー装置に対して本発明を適用したものである。したがって、図５及び図６において、図３及び図４と対応する部分には同一の参照符号を付すことにする。

送風機１６により形成された気体は、その周辺から下方に吹き出され、整流機構１７を介して加熱パネル２１に吹き付けられる。加熱パネル２１の噴射ノズル１９を通じて被加熱物Ｗに対して吹き付けられる。この気体の流路中に第１のヒーターとしてのヒーター１８が設けられ、ヒーター１８によって気体が加熱され、熱風が形成される。被加熱物Ｗにおいて反射した戻り気体が回収板２２の孔又はスリットを通じて送風機１６の中心部に吸い込まれる。

図７Ａ及び図７Ｂに拡大して示すように、ヒーター１８により加熱された熱風の流路中例えば加熱パネル２１の支持板２０の被加熱物Ｗと対向しない面に接触して第２のヒーターとしてのヒーターＨａが設けられる。図７Ａは、図６と同様に被加熱物Ｗの搬送方向と直交する面で切断した断面の拡大図であり、図７Ｂは、図７Ａの上から加熱パネル２１及びヒーターＨａを見た拡大平面図である。加熱物Ｗの搬送方向を図７Ｂにおいて矢印で示す。ヒーターＨａは、棒状のもので、その延長方向が被加熱物Ｗの搬送方向と平行するように複数本のヒーターＨａが配置されている。ヒーターＨａとしては、シーズヒーター、セラミックヒーター、石英管ヒーター等の種々のものを使用できる。

図７Ｃに噴射ノズルの一つを拡大して示し、図７ＤがヒーターＨａの一つを拡大して示す。図７Ｃに示すように、噴射ノズル１９の少なくとも一つの噴出孔に、ヒーターＨａの温度を検出するために熱電対などの温度検出センサー２３が熱風の流通を妨げないように挿入されている。温度検出センサー２３は、図７Ｄに示すように、ヒーターＨａの少なくとも一つの表面に取り付けてもよい。

さらに、図８は、ヒーターＨａの配置の変形例を説明するための拡大平面図であり、被加熱物Ｗの搬送方向を矢印で示す。図８Ａに示すように、ヒーターＨａは、被加熱物Ｗの搬送方向と直交するように設けるようにしてもよい。さらに、図８Ｂに示すように、搬送方向と平行する方向に配置されたヒーターＨａ１と、搬送方向と直交する方向に配置されたヒーターＨａ２を設けるようにしてもよい。

上述した上部炉体１５のヒーターＨａと同様に、下部炉体３５においても、第２のヒーターとしてのヒーターＨｂが設けられている。第１のヒーター２８により加熱されることで形成された熱風の流路中にヒーターＨｂが配置される。例えば加熱パネル２１の支持板３０と接触してヒーターＨｂが設けられている。なお、ヒーターＨａ及びＨｂは、長手方向を複数に分割して、分割部分を独立してＯＮ／ＯＦＦ可能としてもよい。

ヒーターＨａ及びＨｂのそれぞれは、被加熱物Ｗに実装される電子部品の熱容量と関連して独立にＯＮ／ＯＦＦ可能となされている。この場合、熱容量が大きい電子部品に対する熱風の温度を高くするように、ヒーターＨａ及びＨｂがＯＮとされる。リフロー処理の対象とする被加熱物Ｗの大きさ、搭載される部品、その配置等の情報は、例えば基板のガーバーデータ等をもとに予め作成しておき、その情報に基づいて本発明のリフロー装置の例えば制御部によってヒーターＨａ及びＨｂのＯＮ／ＯＦＦが制御される。例えば高熱容量部品であるＢＧＡが配置されている被加熱物Ｗのライン上近傍のヒーターのみを所定の温度に設定の上ＯＮさせるといったヒーターＨａ及びＨｂのＯＮ／ＯＦＦ制御がされる。

例えば図９に拡大して示すように、被加熱物Ｗが熱容量の大きな電子部品（ＢＧＡ等）Ｐ１，Ｐ２と、熱容量が小さな電子部品（アルミ電解コンデンサ等）Ｑ１，Ｑ２の両者が実装されている場合、図９において円で囲んだヒーターＨａ及びＨｂが選択的にＯＮとされる。この結果、細線の温度プロファイルで示すように、電子部品Ｐ１及びＰ２に対しての加熱温度は、熱風の温度（例えば２００℃）がヒーターＨａの追加加熱によって、例えば２３０℃となる。一方、電子部品Ｑ１及びＱ２に対する加熱は、ヒーターＨａがＯＦＦであるため、追加加熱がなされず２００℃の熱風による加熱となる。電子部品Ｐ１及びＰ２の熱容量が大きいので、このように加熱の温度をより高くした結果、電子部品Ｐ１及びＰ２の表面温度と電子部品Ｑ１及びＱ２の表面温度がほぼ等しくなり、熱容量の違いによる温度差を少ないものとできる。

被加熱物Ｗは、搬送コンベア４１によって搬送されるので、静止しているわけではない。したがって、搬送中の被加熱物Ｗの電子部品のそれぞれに対して適切な加熱温度となるように、ヒーターＨａ及びＨｂがＯＮ／ＯＦＦされる。但し、被加熱物Ｗの搬送速度を変化させたり、被加熱物Ｗの搬送を停止した状態で加熱処理を行うことも可能である。

＜２．変形例＞
以上、本開示の実施の形態について具体的に説明したが、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばヒーターＨａ及びＨｂを複数の噴射ノズル毎に一つ配置するようにしてもよい。さらに、上側炉体と下側炉体の一方のみを有する構成としてもよい。さらに、複数の加熱ゾーンの全てに第２のヒーターを設けてもよいし、その一部の加熱ゾーンに第２のヒーターを設けてもよい。また、上述の実施の形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。また、上述の実施の形態の構成、方法、工程、形状、材料及び数値などは、本開示の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。

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・・・第１のヒーター
１９，２９・・・噴射ノズル
２０，３０・・・支持板
３５・・・下部炉体
４１・・・搬送コンベヤ
Ｈａ，Ｈｂ・・・第２のヒーター

Claims (6)

1. 被加熱物に対してはんだ付けを行う炉体を有する加熱ゾーンと、前記はんだ付けがされた被加熱物を冷却する冷却ゾーンを有し、前記加熱ゾーン及び冷却ゾーンを搬送装置によって前記被加熱物を通過させるリフロー装置において、
   前記加熱ゾーンは、
   送風機と、
   前記送風機により形成される気体流路中に配置される第１のヒーターと、
   複数の小孔を有し、前記第１のヒーターにより形成される熱風を前記小孔を通じて被加熱物に吹き付ける加熱パネルと、
   前記熱風の流路中に被加熱物の搬送方向と平行及び／又は直交して配置された複数の第２のヒーターとを備え、
   複数の前記第２のヒーターは、前記第１のヒーターと前記加熱パネルの間に配置され、且つ、前記加熱パネルの前記被加熱物に対向しない面に接触しており、
   熱容量の大きな電子部品が前記被加熱物に実装されている場合に、複数の前記第２のヒーターの中で、前記熱容量の大きな電子部品に対する熱風の温度を高くするように、前記熱容量の大きな電子部品の実装位置に対応する前記第２のヒーターをＯＮとするようにしたリフロー装置。
2. 前記加熱パネルは、平板状の支持板と、前記支持板から前記被加熱物の側に対して突出する複数の噴射ノズルを有する請求項１に記載のリフロー装置。
3. 前記加熱パネルが被加熱物に吹き付けた熱風の戻り気体を通過させる孔又はスリットを有する請求項１又は２に記載のリフロー装置。
4. 前記加熱パネルに温度検出センサーを設けた請求項１乃至３の何れかに記載のリフロー装置。
5. 前記第２のヒーターに温度検出センサーを設けた請求項１乃至３の何れかに記載のリフロー装置。
6. 前記第２のヒーターが棒状である請求項１乃至５の何れかに記載のリフロー装置。

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