JP7227961B2 - ゼオライトボックスを有するリフロー炉、及びゼオライトボックスを用いてガスを回収する方法 - Google Patents

Description

本願は、リフローはんだ付けの技術分野に属し、より詳細には、リフロー炉及びガス回収方法に関する。

電子製品の表面実装は、一般的に、リフローはんだ付け技術を用いて達成される。リフローはんだ付け技術は、リフロー炉の炉床（reflow oven hearth）内の作動ガスが十分な高温になるまで加熱された後、構成要素が搭載されたプリント回路基板（ＰＣＢ）にこの作動ガスが吹き付けられ、構成要素に用いられるはんだは、融解した後ＰＣＢに接合されるようになっていることを意味する。窒素又は他の不活性ガスが作動ガスとして用いられるリフロー炉の場合、ＰＣＢがリフロー炉の炉床に入れられるか又は除去されるとき、周囲雰囲気が炉床へ不可避的に入りこみ、従って炉床内の窒素が或る特定の量の酸素と混合する。リフローはんだ付けの質を保証するために、リフロー炉の炉床内の窒素に対する酸素の比を或る特定の値、例えば、８／１００００未満に制御する必要がある。従って、酸素の比を維持するために多量の窒素を供給し続ける必要があり、結果として費用が過度に高くなる。

この理由のために、従来技術のリフロー炉において、リフロー炉の炉床に接続されたセパレーターが備えられ、ガスがリフロー炉の炉床から出た後、フラックスがセパレーターによってガスから除去され、その後ガスが回収されるように炉床に戻るようになっている。酸素含有量検出センサーがセパレーターの出力端と炉床との間に取り付けられ、フラックスが除去されたガス内の酸素含有量の結果がこの酸素含有量検出センサーによって得られ、炉床に供給される窒素の量はその結果に従って制御することができ、リフロー炉の炉床内の窒素含有量に対する酸素含有量の比は、予め設定された範囲内に維持することができるようになっている。

長期間の試験及び観察の後、従来技術のリフロー炉が用いられたとき、はんだ付けされた製品の品質が不安定になることがあり、これはなぜならば、リフロー炉の炉床内のガスの比が予め設定した範囲内に安定して維持されないためであることが、本出願人によって判明した。検出後、従来技術のセパレーターの分離プロセスを用いてフラックスをガスから完全に除去することが非常に困難であること、及び、微量のフラックスがセンサーの検出端で凝縮する傾向があり、結果としてセンサーが長時間動作する場合、不正確な読み値、又は更にセンサー故障をもたらすということが、本出願人によって判明した。従って窒素の比は効果的に制御することができない。

フィルターデバイスが、単に、セパレーターの下流側に加えられる場合、フィルタリング輸送管内のガスの流れ抵抗が増し、結果として他の問題がもたらされる。

上述した問題を解決するために、本願の少なくとも１つの目的は、リフロー炉の炉床内のガスの比が安定し、セパレーターを通る残留したフラックス内の成分が改善され、従ってセンサーが保護されるような、リフロー炉を提供することである。

上述した目的を達成するために、本願の第１の態様はリフロー炉を提供する。該リフロー炉は、リフロー炉の炉床を備える。上記リフロー炉の炉床は、ガス出口及びガス入口を備える。該リフロー炉は、セパレーターであって、セパレーター入口及びセパレーター出口を備え、上記セパレーター入口は、上記リフロー炉の炉床の上記ガス出口に接続され、上記リフロー炉の炉床内のガスが上記セパレーター内に流れることができるようになっている、セパレーターと、ゼオライトボックスであって、ゼオライトボックス入口及びゼオライトボックス出口を備え、上記ゼオライトボックス入口は、上記セパレーター出口に接続され、上記ゼオライトボックス出口は、上記リフロー炉の炉床の上記ガス入口に接続され、上記セパレーターを通って流れるガスが上記ゼオライトボックスに入っていくことができ、上記ゼオライトボックスを通って流れるガスが上記ゼオライトボックス出口から流れて上記リフロー炉の炉床に戻ることができるようになっている、ゼオライトボックスとを備える。

上述した第１の態様によれば、上記リフロー炉は、上記ゼオライトボックス出口及び上記リフロー炉の炉床の上記ガス入口の間のガス輸送管に設けられるセンサーを更に備える。

上述した第１の態様によれば、窒素入口は上記リフロー炉の炉床に備えられ、上記リフロー炉は、上記窒素入口に接続され、供給する窒素の量を調節するために使用される、窒素調節弁と、上記センサーから検出信号を受信して、上記センサーの検出信号に従って上記窒素調節弁を制御する、制御デバイス１２０とを更に備える。

上述した第１の態様によれば、上記ゼオライトボックスは、チャンバー及び開口を備えるボックス本体と、上記開口を通して上記チャンバーに取り外し可能に取り付けられる内部ネットケージであって、ガス開口は、少なくとも２つの側壁に備えられ、上記内部ネットケージは、複数のゼオライトを収容するために用いられ、上記ガス開口は、上記複数のゼオライトを遮断することができるようなサイズを有する、内部ネットケージと、上記開口を封止するボックスカバーとを備える。

上述した第１の態様によれば、上記ゼオライトは、上記複数のゼオライトの間にクリアランスが存在するような多角形の形状である。

上述した第１の態様によれば、上記複数のゼオライトの平均粒子サイズは、２ｃｍ以上である。

上述した第１の態様によれば、上記内部ネットケージの上記少なくとも２つの側壁は、多孔プレートである。

本願の第２の態様は、リフロー炉のガス回収方法を提供する。該リフロー炉のリフロー炉の炉床は、ガス出口及びガス入口を備える。上記ガス回収方法は、リフロー炉の炉床のガス出口から出るガスがセパレーター、ひいてはゼオライトボックスを通って流れることを可能にするステップであって、フラックスがガスから除去されるようになっているステップと、ガス内の酸素濃度を検出するように、ガスがセンサーを通って流れることを可能にするステップと、最後に、ガスがリフロー炉の炉床のガス入口から流れてリフロー炉の炉床に戻ることを可能にし、センサーによって検出された酸素濃度に従って、上記リフロー炉の炉床に供給される窒素の量を制御するステップとを含む。

上述した第２の態様によれば、上記ゼオライトボックスを通って流れるガスの圧力は、１ｋＰａ～２ｋＰａである。

上述した第２の態様によれば、上記ゼオライトボックスを通って流れるガスの流束は１５ｍ³／ｈよりも高くなる。

本願におけるリフロー炉によって、セパレーターから流れ出るガスがゼオライトボックスに流れることが可能になり、フラックスのほとんどは、セパレーター内においてガスから除去され、残留したフラックスはゼオライトボックスを通って更に除去され、従って、ゼオライトボックス出口に接続されたセンサーは保護される。本願におけるゼオライトボックス内は複数のゼオライトで満たされる。細い空洞及び輸送管が各ゼオライトで満たされるので、ゼオライトは、フラックスのほとんどがセパレーターによって除去されたガスから、残留した含有量の少ないフラックス成分を除去することに対して顕著な効果を有する。更に、多角形のゼオライトは、或る特定の容積を有し、ゼオライトボックスにおいて支持されクリアランスを形成し、従ってゼオライトボックスにおいてガスの流れに対する抵抗はほとんどもたらされない。ゼオライトボックスのチャンバーは、内部ネットケージを有する。内部ネットケージは、ゼオライトを含んだり遮断したりするだけでなく、ゼオライトの取り替えを容易にすることができる。更に、炉床に供給される窒素の量は、酸素含有量検出センサーの検出結果に従って制御され、炉床内のガスの比は安定するようになっている。

本願におけるリフロー炉の構成要素の接続を示すブロック図である。 本願におけるゼオライトボックスを備えるリフロー炉の部分構造を示す図である。 図２のリフロー炉の部分分解図であり、ゼオライトボックスのより詳細な構成要素構造を示す図である。 図２のリフロー炉の上面図であり、ゼオライトボックスのより詳細な外部設置構造を示す図である。 図４の矢視線Ａ－Ａに沿う断面図であり、ゼオライトボックスのより詳細な内部設置構造を示す図である。 本願の１つの実施形態における内部ネットケージの側壁の構造を示す図である。 本願の別の実施形態における内部ネットケージの側壁の構造を示す図である。

以下、本明細書の一部をなす図面を参照することによって、本願の種々の特定の実施態様の形態を記載する。「正面」、「背面」、「上」、「下」、「左」及び「右」等の方向を示す用語が、本願の種々の例示的な構造部品及び構成要素を描写するために用いられているが、これらの用語は、単に説明の便宜のために用いられているものであり、図面における例示的な方向に基づいて決定されていることが理解されるべきである。本願に開示されている実施形態は、様々な方向に従って配置することができるので、方向を示すこれらの用語は、限定ではなく単に例示として用いられる。可能な場合、本願において用いられている同一又は類似の参照符号は、同一の構成要素を示す。

リフロー炉におけるＰＣＢのためにリフローはんだ付けを行うと、高温環境は、フラックスをガスへと蒸発させて、それが他のガスと混合する。フラックス成分を含むガスがリフロー炉の炉床上のガス出口から流れ出て、フラックス成分はセパレーターによって除去され、その後、ガスがリフロー炉の炉床上のガス入口から流れてリフロー炉の炉床に戻り、ガスの回収を達成する。上記他のガスは、リフロー炉内の空気、又は特定の不活性ガス、又は不活性ガスの混合物である可能性がある。本願におけるリフロー炉内の上記他のガスは、或る特定の比における窒素及び酸素の混合物を指している。

ガスの流れは、リフロー炉内のファン（図示せず）によって生成される負圧の使用により実現される。従来技術のリフロー炉では、一般的に、ファンは既にリフロー炉内に存在していた。ガスが循環を果たすのに役立つほど十分に負圧が大きくない場合、更なるファン又は電気モーターを用いてガスの流れのためにパワーを増やすことができる。

図１は、本願におけるリフロー炉１００の構成要素の接続についてのブロック図である。図１に示すように、本願におけるリフロー炉は、リフロー炉の炉床１０１、セパレーター１０５、ゼオライトボックス１０７及びセンサー１０６を備える。ガス出口１０２及びガス入口１０３はリフロー炉の炉床１０１に備えられる。

ガス出口１０２を、ガス導管を用いてセパレーター１０５のセパレーター入口１１０に接続することによって、フラックスを含むガスは、ガス出口１０２からセパレーター１０５に流れることができ、フラックスのほとんどはセパレーター１０５によって除去することができる。セパレーター１０５は、セパレーター出口１１１を更に有する。セパレーター出口１１１を、ガス導管を用いてゼオライトボックス１０７のゼオライトボックス入口１１２に接続することによって、セパレーター１０５を通って流れるガスは、ゼオライトボックス１０７に流れ、その後、ゼオライトボックス１０７のゼオライトボックス出口１１３から流れ出る。ガス内の残留したフラックスはゼオライトボックス１０７によって除去される。センサー１０６は、ゼオライトボックス出口１１３とリフロー炉の炉床のガス入口１０３との間のガス導管に備えられる。このようにして、フラックスが完全に除去されたガスがゼオライトボックス出口１１３から流れ出た後、ガス内の酸素濃度が、初めに、センサー１０６によって検出され、検出信号が得られる。その後、ガスは、ガス入口１０３を介してリフロー炉の炉床１０１に運ばれる。上記ガス導管は、別のタイプのダクト又は同様の輸送管に同等に置き換えることができる。

更に図１に示すように、リフロー炉１００は、窒素調節輸送管１１５、窒素調節弁１１６及び制御デバイス１２０を更に備える。窒素調節輸送管１１５の一方の端部がリフロー炉の炉床１０１上の窒素入口１３１に接続されるとともに他方の端部が窒素源１１７に接続された状態で、窒素調節輸送管１１５を用いて、窒素をリフロー炉の炉床１０１に供給する。窒素調節弁１１６は窒素調節輸送管１１５に位置し、制御デバイス１２０は、リフロー炉の炉床１０１に供給される窒素の量を制御するように窒素調節弁１１６を制御する。制御デバイス１２０は、センサー１０６から酸素濃度を示す検出信号を受信して、検出信号に従って、リフロー炉の炉床１０１内の酸素に対する窒素の予め設定された比が確実に維持されるように、適切な量の窒素をリフロー炉の炉床１０１に供給する必要があるか否かを判断する。

本願におけるリフロー炉１００の加工プロセスは、以下の通りである。リフロー炉内ではんだ付けを開始した後、生成されたフラックスの蒸気は窒素及び酸素と混合され、フラックス成分を含むガスが形成される。ガスはガス出口１０２から流れ出て、フラックスのほとんどは、セパレーター１０５における分離プロセスを用いて除去される。残ったフラックスは、ゼオライトボックス１０７におけるフローイングフィルタリングプロセスを用いて更に除去され、最後に、ガス入口１０３を介してリフロー炉の炉床１０１にガスが戻り、リフロー炉内のはんだ付けに引き続き加わる。更に、ガスがガス入口１０３に戻る前、ガス内の酸素濃度は、初めに、センサー１０６に検出される。制御デバイス１２０は、窒素源１１７からリフロー炉の炉床１０１に供給される窒素の量を制御するために、検出結果に従って窒素調節弁１１６を調節して、リフロー炉の炉床１０１内の酸素に対する窒素の比を維持して、はんだ付け中のはんだ付け効果を保証する。

上述したセパレーター１０５において異なる分離プロセス、例えばフラックス凝縮又はフラックス分解を用いてフラックスを除去することができ、本願の効果は影響されない。１つの例では、本願におけるセパレーター１０５においてフラックス分解を用いてフラックスを除去し、従って、分離後にセパレーター１０５から流れ出たガスが含むのは、含有量が少ないフラックスのみである。１つの例では、分離後にセパレーター１０５から流れ出たガス内の残留したフラックスの含有量は、１０％であり、フィルタリング後にゼオライトボックス１０７から流れ出たガス内で検出することができる残留したフラックスは、ごくわずかにあるか又は全くない。

図２は、本願におけるゼオライトボックス１０７の特定の構造を示している。図２に示すように、ゼオライトボックス１０７のゼオライトボックス入口１１２（図５に示す）は、ガス導管を用いてセパレーター出口１１１（この図では示されず、図１を参照）に接続するように用いられ、ゼオライトボックス１０７のゼオライトボックス出口１１３（図５に示す）は、センサー１０６に接続される。ゼオライトボックス１０７は、ボックス本体２２１、ボックスカバー２２５及びボックス本体２２１に収容される内部ネットケージ３２３（図３に示す）を備える。

ゼオライトボックス１０７のより詳細な内部構造を示すために、図３は、図２のゼオライトボックス１０７の部分分解図を示している。図３に示すように、ボックス本体２２１は、内部ネットケージ３２３を収容するのに用いられるチャンバー３２２を有する。内部ネットケージ３２３は、（図５に示すように）ゼオライト５３８を含むことができる。ゼオライトボックス１０７内のゼオライト５３８を取り替える必要があるとき、内部ネットケージ３２３を除去することによって好都合に取り替えを行うことができる。上記内部ネットケージ３２３の特定の構造は、本明細書において以下で詳細に記載する。ボックス本体２２１は一方の側部に開口３２９を有しており、内部ネットケージ３２３を、開口３２９を通して組み付けるか、又は除去することができるようになっている。ボックスカバー２２５は開口３２９を封止するように用いられる。より良い封止効果を実現するために、シーリングガスケット３２７は、ボックス本体２２１とボックスカバー２２５との間に備えられる。

図４は、図２のリフロー炉の上面図であり、ゼオライトボックスのより詳細な外部設置構造を示すために用いられる。図５は、図４のＡ－Ａ方向における切り欠き図であり、ゼオライトボックスのより詳細な内部設置構造を示すため、かつゼオライトボックス１０７のゼオライトボックス入口１１２及びゼオライトボックス出口１１３をより明確に示すために用いられる。図４、５に示すように、スリーブ５３７は、それぞれゼオライトボックス入口１１２及びゼオライトボックス出口１１３に備えられる。スリーブ５３７によって、ゼオライトボックス入口１１２及びゼオライトボックス出口１１３を、ガス導管内に被覆することができ（sleeved）、留め具（clasp）又は締め具（clamp）を用いて被覆された位置を締結することができる。上述した設定を通して、セパレーター出口１１１からゼオライトボックス１０７に、かつゼオライトボックス１０７からセンサー１０６に流れるとき、ガスをより緊密に封止することができる。

図５に示すように、本願における上記ゼオライト５３８は多角形の形状の粒子とすることができ、多角形の形状の複数の粒子ゼオライト５３８が積み重ねられると、クリアランス５３６が粒子間で形成され、ガスが流れることができる。ガスがゼオライトボックス１０７を通って流れるとき、受ける抵抗を小さくすることができるように、クリアランス５３６はできるだけ大きくするべきである。例えば、ゼオライト５３８の平均粒子サイズは、約２ｃｍであり、そのようなサイズのゼオライト５３８は、ゼオライトボックス１０７を通って流れるガスの圧力が１ｋＰａ～２ｋＰａに達するとともに流束が１５ｍ³／ｈ達するように、内部ネットケージ３２３と協働することができる。本願の実施形態では、ガスの流れの圧力が１ｋＰａ～２ｋＰａであり、流束が１５ｍ³／ｈよりも高い場合、ガスの循環中に更なるファン又は電気モーターは必要とされず、ガスの循環は、リフロー炉内のファン（図示せず）によってもたらされる負圧を用いて実現することができる。同時に、細い空洞及び輸送管はゼオライト５３８の粒子で満たされ、ゼオライトは、セパレーター１０５を流れ出てフラックスの含有量が少ないガスの浄化に対して顕著な効果を有する。

更に図５に示すように、内部ネットケージ３２３はゼオライト５３８で満たされる。ガスが内部ネットケージ３２３を通って流れて、積み重なるゼオライト５３８に入っていくようにするために、一連のガス開口が、ゼオライトボックス入口１１２の方向及びゼオライトボックス出口１１３の方向において内部ネットケージ３２３の少なくとも２つの側壁３２４．１及び３２４．２に備えられ、ガスが側壁３２４．１及び３２４．２を通って流れることができるようになっている。しかしながら、上記ガス開口は、ガスは通って流れることができるが、ゼオライト５３８は通さないようなサイズであるべきである。このようにして、ゼオライト５３８は、内部ネットケージ３２３内に保持することができる。

図６Ａ、６Ｂは、側壁３２４．１及び３２４．２の２つの実施形態を示している。図６Ａに示すように、側壁３２４．１及び３２４．２は、多孔プレートであり、そのプレートはガス開口６２８．１を有する。図６Ｂに示すように、側壁３２４．１及び３２４．２は格子板であり、その格子板は、ガス開口６２８．２を有する。

上述のように、上記ガス開口６２８．１又は６２８．２によって、ガスは通すがゼオライト５２８は通さないようにすることができる。従って、上記ガス開口６２８．１又は６２８．２のサイズは、ゼオライトのサイズに従って決定されるべきである。より詳細には、内部ネットケージ３２３の側壁３２４．１及び３２４．２は、内部ネットケージ３２３によってもたらされる流れるガスに対する抵抗を最小限にするよう、できるだけ大きいガス開口６２８．１又は６２８．２を有するべきであり、同時に、ゼオライト５３８がガス開口６２８．１又は６２８．２から漏出する可能性がないように、ガス開口６２８．１又は６２８．２が過度に大きくならないようにするべきである。ガス開口は、ガスが流れる方向における側壁３２４．１及び３２４．２のみに備えることができる。しかしながら、ガス開口は、ゼオライトが通ることを妨げることができるようなサイズである限り、内部ネットケージ３２３の４つの側壁に設けることもできる。

本願では、セパレーター１０５において分解プロセスが用いられ、ほとんどのフラックスを除去した後、残留したフラックスはゼオライトボックス１０７におけるフローイングフィルタリングプロセスを用いて除去される。これは、残留したフラックスをリフロー炉内の空気、又は特定の不活性ガス、又は不活性ガスの混合物（例えば、窒素及び酸素）から除去する、最適化された解決策及び構造である。

窒素が作動ガスとして用いられるリフロー炉が本願で例示されているが、実際には、この例示は、他の不活性ガスが作動ガスとして用いられるリフロー炉にもあてはまる。

本願は、図に示されている特定の実施態様の形態を参照することによって記載されているが、本願におけるリフロー炉は、本願の趣旨、範囲、及び背景から逸脱することなく多くの変形形態を有することができることが理解されるべきである。当業者であれば、本願に開示される実施形態における構造的詳細に対する種々の変更が、全て本願及び特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に入るということも理解するべきである。

１００ リフロー炉
１０１ 炉床
１０２ ガス出口
１０３ ガス入口
１０５ セパレーター
１０６ センサー
１０７ ゼオライトボックス
１１０ セパレーター入口
１１１ セパレーター出口
１１２ ゼオライトボックス入口
１１３ ゼオライトボックス出口
１１５ 窒素調節輸送管
１１６ 窒素調節弁
１１７ 窒素源
１２０ 制御デバイス
１３１ 窒素入口
２２１ ボックス本体
２２５ ボックスカバー
３２２ チャンバー
３２３ 内部ネットケージ
３２７ シーリングガスケット
３２９ 開口
５２８ ゼオライト
５３６ クリアランス
５３７ スリーブ
５３８ ゼオライト

Claims (6)

1. リフロー炉において、
   ガス出口（１０２）およびガス入口（１０３）を有したリフロー炉の炉床（１０１）と、
   セパレーター入口（１１０）及びセパレーター出口（１１１）を備えるセパレーター（１０５）であって、前記セパレーター入口（１１０）は、前記リフロー炉の炉床（１０１）の前記ガス出口（１０２）に接続されており、リフロー炉の炉床（１０１）内のガスが前記セパレーター（１０５）内に流入可能になっているセパレーター（１０５）と、
   ゼオライトボックス入口（１１２）及びゼオライトボックス出口（１１３）を備えるゼオライトボックス（１０７）であって、前記ゼオライトボックス入口（１１２）は前記セパレーター出口（１１１）に接続され、前記ゼオライトボックス出口（１１３）は前記リフロー炉の炉床（１０１）の前記ガス入口（１０３）に接続されており、前記セパレーター（１０５）を通って流れる前記ガスが前記ゼオライトボックス（１０７）内に流入し、前記ゼオライトボックス（１０７）を通って流れる前記ガスが、前記ゼオライトボックス出口（１１３）から流出して前記リフロー炉の炉床（１０１）に帰還可能になっているゼオライトボックス（１０７）とを更に具備し、
   前記ゼオライトボックス（１０７）が、
   チャンバー（３２２）及び開口（３２９）を有するボックス本体（２２１）と、
   前記開口（３２９）を通して前記チャンバー（３２２）に取り外し可能に取り付けられ、複数のゼオライト（５３８）を収容するための内部ネットケージ（３２３）と、
   前記開口（３２９）を封止するボックスカバー（２２５）とを具備し、
   前記内部ネットケージ（３２３）の少なくとも２つの側壁（３２４．１及び３２４．２）にガス開口（６２８．１及び６２８．２）が設けられており、該ガス開口（６２８．１及び６２８．２）は、前記複数のゼオライト（５２８）を遮断することができるようなサイズを有しているリフロー炉。
2. 前記リフロー炉は、
   前記ゼオライトボックス出口（１１３）と前記リフロー炉の炉床（１０１）の前記ガス入口（１０３）との間のガス輸送管に設けられるセンサー（１０６）を更に具備する請求項１に記載のリフロー炉。
3. 窒素入口（１３１）が前記リフロー炉の炉床（１０１）に備えられており、
   該リフロー炉は、更に
   前記窒素入口（１３１）に接続され、供給する窒素の量を調節するために使用される窒素調節弁（１１６）と、
   前記センサー（１０６）から検出信号を受信して、前記センサー（１０６）の前記検出信号に従って前記窒素調節弁（１１６）を制御する制御デバイス（１２０）とを具備する請求項２に記載のリフロー炉。
4. 前記ゼオライト（５３８）が、前記複数のゼオライト（５３８）の間にクリアランス（５３６）が存在するような多角形の形状である請求項１に記載のリフロー炉。
5. 前記複数のゼオライト（５３８）の平均粒子サイズが２ｃｍ以上である請求項４に記載のリフロー炉。
6. 前記内部ネットケージ（３２３）の前記少なくとも２つの側壁（３２４．１及び３２４．２）が多孔プレートである請求項１に記載のリフロー炉。

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