JP6781197B2 - 気体浄化装置及び搬送加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばリフロー装置に適用される気体浄化装置及び搬送加熱装置に関する。

電子部品又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。リフロー装置の加熱ゾーンでは、熱風が基板に対して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、液化し、さらに、一部が気化する。したがって、大気又は不活性ガスと気化した物質が混合された気体（以下、フラックスヒュームと適宜称する）が加熱室としての炉内に充満する。フラックスヒュームは、温度の低い部位に付着し易く、冷やされることで液化し、付着している部位から滴下してしまうことから、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低減、除去するようになされる。

従来のフラックス低減方法は、加熱室としての炉内のフラックスヒュームを炉外のフラックス回収装置に導き、フラックス回収装置においてフラックスヒュームを冷却することによってフラックス成分を液化させてフラックスを回収し、フラックス回収後のガスを炉内に戻すものであった。例えば、特許文献１には、リフロー炉からフラックス回収装置に達するまでに、フラックスヒュームが冷却されてパイプが固形物で詰まることを防止することが記載されている。すなわち、フラックスヒュームを液化温度以上に保ったまま、フラックス回収装置に導くようになされている。

特許文献２には、冷凍機による冷却装置によって冷却部に送られたフラックスヒュームを冷却してフラックス成分を液化させ、霜の表面にフラックス成分を付着させて除去することが記載されている。さらに、特許文献３には、二重パイプ構造を有する外気流通経路によってフラックスヒュームを冷却する構成が記載されている。

ＷＯ２００６／０８２９５９ 特開２００７−２８１３９４号公報 特開２００８−２９４３３２号公報

特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載のフラックス除去装置は、フラックスヒュームの回収能力が冷却能力に依存するために、フラックス回収装置が大型となり、また、冷却能力を向上させるために、チラー等の設備が必要となり、コストアップ、装置面積の拡大等、多くの問題が存在していた。

したがって、本発明の目的は、かかる問題を生じない気体浄化装置及び搬送加熱装置を提供することにある。

本発明は、ケース内に収納され、ケースに設けられた開口を通じて加熱により気化した物質を含む気体を吸い込み、羽根車の外周から気体を吹き出す遠心送風機と、
ケースの内面側とケースの外部の間に設けられた小径部と
を備え、
ケースの内面側の圧力に比してケースの外部の圧力が低くなされ、小径部によって気体が圧縮されるようになされた気体浄化装置である。
また、本発明は、被加熱物を加熱する加熱室を有し、加熱室を搬送装置によって被加熱物を通過させる搬送加熱装置において、
加熱により気化した物質を含む気体を加熱室から気体浄化装置に供給し、
気体浄化装置は、
ケース内に収納され、ケースに設けられた開口を通じて加熱により気化した物質を含む気体を吸い込み、羽根車の外周から気体を吹き出す遠心送風機と、
ケースの内面側とケースの外部の間に設けられた小径部と
を備え、
ケースの内面側の圧力に比してケースの外部の圧力が低くなされ、小径部によって気体が圧縮されるようになされた搬送加熱装置である。

少なくとも一つの実施形態によれば、冷却によって物質を液化させる既存の装置又は方法と比較して、装置を小型化することができる。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、本発明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発明の内容が限定して解釈されるものではない。

従来の気体浄化装置の説明に用いる状態遷移図である。 従来の気体浄化装置の説明に用いる略線図である。 本発明による気体浄化装置の説明に用いる状態遷移図である。 本発明による気体浄化装置の説明に用いる略線図である。 本発明を適用でき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。 本発明の一実施の形態の全体の構成を示す略線図である。 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におけるフラックスヒューム浄化装置の四面図である。 本発明の一実施形態の断面図及び斜視図である。

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．フラックスヒューム浄化の原理＞
＜２．本発明の一実施の形態＞
＜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．フラックスヒューム浄化の原理＞
従来のフラックスヒューム浄化工程は、図１に示すように、リフロー装置の炉からフラックスヒュームを吸い込み（ステップＳ１）、次に、フラックスヒュームを冷却する（ステップＳ２）。フラックスは、常温では液体又は固体であるので、図２に示すように、雰囲気ガスに含まれるフラックス分子が冷却によって液化（又は凝縮）する。

図２は、フラックスの分子と、フラックスの分子が存在する空間の大きさを模式的に表しており、液化によってフラックス分子同士が結合している。液化したフラックスが回収容器等によって回収される。そして、浄化された気体が炉内に吹き出される（ステップＳ３）。これらのフラックスヒュームの吸い込み（ステップＳ１）、冷却（ステップＳ２）及び吹き出し（ステップＳ３）の一連の工程が繰り返される。従来のフラックスヒュームの浄化工程では、圧縮又は膨張の操作がなされていない。

本発明によるフラックスヒュームの浄化について図３及び図４を参照して説明する。リフロー炉からフラックスヒュームを吸い込み（ステップＳ１１）、次に、フラックスヒュームを加圧により圧縮する（ステップＳ１２）。図４において、小さな黒丸で示すように、圧縮によって新たに液化したフラックス分子が発生する。また、圧縮によって分子間同士の衝突の機会が多くなり、分子同士が結合することによって液化が生じる。

次に、膨張の工程（ステップＳ１３）がなされる。この膨張は、好ましくはほぼ断熱膨張である。断熱の意味は、熱の出入りがない状態を意味する。但し、実際には、多少の熱の出入りがあってもよいので、ほぼ断熱膨張としている。断熱膨張によってフラックスヒュームの温度が下がり、冷却の結果、フラックスが液化する。液化したフラックスが回収容器等によって回収される。そして、浄化された気体が炉内に吹き出される（ステップＳ１４）。そして、フラックスヒュームの吸い込み（ステップＳ１１）から吹き出し（ステップＳ１４）までの動作が循環される。

このように、本発明では、フラックスの除去又は回収能力が冷却能力に依存しないので、フラックスヒューム浄化装置が大型となることを防止することができ、また、冷却能力を向上させるための設備を不要とでき、コストアップ及び装置面積の拡大を防止することができる。なお、本発明では、冷却を組み合わせることを排除するものではない。つまり、本発明は、冷却のみによって気体浄化を行うものではない。

＜２．本発明の一実施の形態＞
「リフロー装置の一例」
図５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。プリント配線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内に搬入される。搬送コンベヤが所定速度で矢印方向（図５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６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配線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板を冷却し、はんだ組成を形成する期間である。

図６において、曲線１は、鉛フリーはんだの温度プロファイルの一例を示す。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及び本加熱部Ｒ３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６における昇温部Ｒ１の温度制御を、主としてゾーンＺ１及びＺ２が受け持つ。プリヒート部Ｒ２の温度制御は、主としてゾーンＺ３、Ｚ４及びＺ５が受け持つ。本加熱部Ｒ３の温度制御は、ゾーンＺ６及びＺ７が受け持つ。冷却部Ｒ４の温度制御は、ゾーンＺ８及びゾーンＺ９が受け持つ。

本発明の一実施の形態では、図７に示すように、炉内のフラックスヒュームを例えばゾーンＺ６から導出し、配管３２を通じてフラックスヒューム浄化装置４１に導出したフラックスヒュームを供給する。フラックスヒューム浄化装置４１において、後述するように、フラックスヒュームが浄化される。浄化後の気体が配管３２を通じてゾーンＺ６に対して導入される。なお、フラックスヒュームの導出をゾーンＺ６以外から行うようにしてもよいし、浄化した気体をゾーンＺ６以外に戻してもよい。さらに、一つのゾーンではなく複数のゾーンからフラックスヒュームを導出し、複数のゾーンに気体を戻すようにしてもよい。

図８を参照して加熱装置としての炉体の一例について説明する。例えばゾーンＺ６の構成が図８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。

下部炉体３５は、主加熱源１６、副加熱源１７、送風機例えば軸流ブロワ１８、蓄熱部材１９、熱風循環ダクト２０、開口部２１等からなる。なお、上部炉体１５は、例えば、上述した下部炉体３５とほぼ同様の構成とされているので、対応する部分の説明を省略する。送風機としては、ターボファン、シロッコファンなどの遠心ファンを使用してもよい。さらに、図８に示す炉体の構成は、一例であり、他の構成をとりうる。

開口部２１を通じて熱風が被加熱物Ｗに対して吹きつけられる。主加熱源１６、副加熱源１７は、例えば電熱ヒータで構成される。蓄熱部材１９は、例えばアルミニウムからなり、多数の孔が形成され、その孔を通じて熱風が通過して被加熱物Ｗに対して吹きつけられる。

熱風は、軸流ブロワ１８によって循環される。すなわち、（主加熱源１６→蓄熱部材１９→開口部２１→被加熱物Ｗ→熱風循環ダクト２０→副加熱源１７→熱風循環ダクト２０→軸流ブロワ１８→主加熱源１６）の経路を介して熱風が循環する。

軸流ブロワ１８の近傍には、リフロー炉内の雰囲気ガスをフラックスヒューム浄化装置４１からの浄化後の気体を導入するための配管３３が設けられている。浄化後の気体は、配管３３を介して炉体に流入される。フラックスヒューム浄化装置４１では、フラックスヒューム中のフラックスが除去及び回収され、フラックスが低減又は除去された浄化後の気体が生成される。

「フラックスヒューム浄化装置の一実施形態」
図９及び図１０を参照して本発明が適用されたフラックスヒューム浄化装置４１について説明する。図９は、フラックスヒューム浄化装置４１の四面図であり、図１０Ａは、フラックスヒューム浄化装置４１のＡ−Ａ線断面図であり、図１０Ｂは、フラックスヒューム浄化装置４１のＢ−Ｂ線断面図であり、図１０Ｃは、フラックスヒューム浄化装置４１の斜視図である。円形の前面板と、円形の背面板と、前面板及び背面板を所定の間隔で対向させる側面板からなるケース４２が設けられている。ケース４２の下部に支持脚４３及び４４が設けられ、床面に対してケース４２の前面板及び背面板がほぼ垂直となるように，フラックスヒューム浄化装置４１が設置される。

ケース４２内には、遠心送風機例えばターボファンの羽根車４５が収納されている。羽根車４５は、ケース４２の前面側に取り付けられたモータ４６によって回転される。モータ４６は支持脚４７によって設置面に対して支持される。羽根車４５は、多数の羽根が支持枠に取り付けられたもので、羽根の先端を結ぶ形状が円形とされている。

ケース４２の背面板に開口が設けられ、開口に対して配管４８が取り付けられている。配管４８は、リフロー装置の炉体内部と接続され、ターボファンが回転することによって炉体内部からフラックスヒュームが配管４８を通じてターボファンのほぼ中央からケース４２の内部に吸い込まれる。

さらに、ケース４２の側面の最も下側の位置にケース４２の下部に溜まったフラックスを回収するポット状のフラックス回収容器４９が設けられている。フラックス回収容器４９は、導出部５６を介してケース４２と接続されている。導出部５６は、ケース４２の内面に形成された円形の開口から先細りの形状の凹部を有する。例えば開口を底面とする円錐状のろうと部５７ａと、ろうと部５７ａの先端からケース４２の外部、すなわち、フラックス回収容器４９に向かって延びるように形成された例えば断面円形の小径部５７ｂを有する。小径部５７ｂの径は、ろうと部５７ａの開口の径より小とされる。小径部５７ｂのろうと部５７ａの側（ケース内面側）の圧力は、ケース４２の内部であり、遠心送風機が回転していることによって高いものとなる。一方、小径部５７ｂのフラックス回収容器４９側（ケース４２の外部）の圧力は、大気に開放されることによってより低いものとされる。例えばフラックス回収容器４９が密閉状態とされないことによってかかる圧力差を生じさせることができる。

上述したフラックスヒューム浄化装置４１において、フラックス成分が減少又は除去される。フラックス成分が減少又は除去された気体がケース４２の上部に取り付けられた配管５０を通じてリフロー装置の炉の内部に戻される。さらに、ケース４２の内外の圧力差によってケース４２内の気体の一部が導出部５６を通じてフラックス回収容器４９側に流れる。導出部５６は、小径部５７ｂを有するので、気体が小径部５７ｂを通ることによって圧縮され、小径部５７ｂから出る時に開放される。かかる圧縮および開放によって、フラックス回収を行うことができる。

羽根車４５の外周の形状が円形であり、この外周と対向し、外周に対する遠心方向の距離が変化する空間を形成する壁部５１が設けられている。図１０Ａに示すように、壁部５１は、羽根車４５の円形の外周を取り囲む多角形例えば正六角形である。例えば正六角形の片側の３辺を１枚の金属板で形成するようにしている。壁部５１は、ケース４２の前面板と背面板の対向間隔とほぼ等しい高さを有する金属板を折り曲げ加工、溶接等の加工方法によって形成されている。複数の金属板は、ケース４２の背面板から内側に向かって立設されている。

壁部５１には、開口例えばスリット５２ａ及び５２ｂが形成されている。下部のスリット５２ｂから液化したフラックスが落下するようになされている。また、配管５０が設けられている吹き出し口５３の近傍に壁部５１の一辺が伸長されて隔壁５４が形成されている。

ターボファンの羽根車４５が回転すると、配管４８から吸い込まれたフラックスヒューム浄化装置が羽根車４５の遠心方向に吹き出される。壁部５１が設けられているので、吹き出されたフラックスヒュームが壁部５１で反射され、羽根車４５の外周と壁部５１の間の空間を羽根車４５の回転方向に移動する。この空間は、遠心方向の距離が小さい空間と、遠心方向の距離が大きい空間が連続的に形成されているものである。したがって、図３及び図４を参照して説明したように、フラックスヒュームの圧縮及び膨張が繰り返され、フラックスヒューム中のフラックス成分が液化してフラックス回収容器４９によって回収される。さらに、上述したように、導出部５６の小径部５７ｂによって圧縮され、ケース４２の外で開放されることによってフラックスを回収することができるので、フラックスの回収効率をより高くすることができる。このように、本発明では、フラックスの除去又は回収能力が冷却能力に依存しないので、フラックスヒューム浄化装置が大型となることを防止することができ、また、冷却能力を向上させるための設備を不要とでき、コストアップ及び装置面積の拡大を防止することができる。

「フラックスヒューム浄化装置の変形例」
上述したフラックスヒューム浄化装置４１は、壁部５１の形状が正六角形及び正八角形であるが、他の多角形（三角形、四角形等）であってもよい。

また、円形の外周を有する羽根車の近傍に直線状の壁部を設ける構成も可能である。さらに、羽根車の外周の形状が多角形例えば正六角形であり、外周を取り囲む円形の壁部を設けるようにしてもよい。さらに、羽根車の円周全体ではなく、円周の一部に構成されており、外周が円弧状の羽根車を使用し、羽根車の回転軌跡の円形を取り囲むように、壁部を設ける構成としてもよい。

＜３．変形例＞
以上、本発明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、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばケース内に壁部を設けなくてもよい。また、フラックスヒューム浄化装置を空冷等によって冷却してフラックス回収効率をより高めるようにしてもよい。また、炉内部に設けられている送風機に対して上述したフラックスヒューム浄化装置を適用してもよい。

さらに、本発明は、リフロー装置等のはんだ付け装置に限らず、プリント配線板上に表面実装部品を熱硬化型の接着剤によって接着するための実装装置、パターン形成された銅張積層板上に形成されたソルダーレジストを硬化させる装置などにも適用することができる。すなわち、本発明は、加熱処理を行うことによって気化した物質が大気又は不活性ガスに対して混合された気体の浄化に対して適用できる。

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、本発明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、１５・・・上部炉体、１９，２９、
３１・・・搬送コンベヤ、３５・・・下部炉体、
４１・・・フラックスヒューム浄化装置、４２・・・ケース、
４５・・・ターボファンの羽根車、４９・・・フラックス回収容器、
５１・・・壁部

Claims (10)

1. ケース内に収納され、前記ケースに設けられた開口を通じて加熱により気化した物質を含む気体を吸い込み、羽根車の外周から気体を吹き出す遠心送風機と、
   前記ケースの内面側と前記ケースの外部の間に設けられた小径部と
   を備え、
   前記ケースの内面側の圧力に比して前記ケースの外部の圧力が低くなされ、前記小径部によって前記気体が圧縮されるようになされた気体浄化装置。
2. 前記ケースの外部の圧力が大気圧とほぼ等しくされた請求項１に記載の気体浄化装置。
3. 前記小径部の前記ケースの外部側に前記物質の回収容器が配置された請求項１又は２に記載の気体浄化装置。
4. 前記ケースの内面に前記小径部の径より大なる径を有する開口が形成され、前記開口から先細りの形状の凹部が形成され、前記凹部の先端近傍に前記小径部の一端が配置された請求項１から３のいずれかに記載の気体浄化装置。
5. 前記ケース内に収納され、前記遠心送風機の羽根車の外周と対向し、前記外周に対する遠心方向の距離が小さく、前記羽根車の外周から吹き出された前記気体を圧縮する第１の空間と、前記遠心方向の距離が大きく、前記気体を膨張する第２の空間を連続して形成した壁部を備える請求項１から４のいずれかに記載の気体浄化装置。
6. 前記遠心送風機の羽根車の外周の形状がほぼ円形であり、
   前記壁部が前記円形の外側を取り囲む多角形である請求項５に記載の気体浄化装置。
7. 前記遠心送風機の羽根車の外周の形状が多角形であり、
   前記壁部が前記多角形の外側を取り囲むほぼ円形である請求項５に記載の気体浄化装置。
8. 被加熱物を加熱する加熱室を有し、前記加熱室を搬送装置によって前記被加熱物を通過させる搬送加熱装置において、
   加熱により気化した物質を含む気体を前記加熱室から気体浄化装置に供給し、
   前記気体浄化装置は、
   ケース内に収納され、前記ケースに設けられた開口を通じて加熱により気化した物質を含む気体を吸い込み、羽根車の外周から気体を吹き出す遠心送風機と、
   前記ケースの内面側と前記ケースの外部の間に設けられた小径部と
   を備え、
   前記ケースの内面側の圧力に比して前記ケースの外部の圧力が低くなされ、前記小径部によって前記気体が圧縮されるようになされた搬送加熱装置。
9. 前記気体浄化装置により得られた気体を前記加熱室に戻すようした請求項８に記載の搬送加熱装置。
10. 前記ケース内に収納され、前記遠心送風機の羽根車の外周と対向し、前記外周に対する遠心方向の距離が小さく、前記羽根車の外周から吹き出された前記気体を圧縮する第１の空間と、前記遠心方向の距離が大きく、前記気体を膨張する第２の空間を連続して形成した壁部を備える請求項８又は９に記載の搬送加熱装置。

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