KR970004026B1 - 대량 납땜 리플로우 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

요약 없음

Description

대량 납땜 리플로우 장치 및 방법

제1도는 본 발명에 따른 대량 납땜 시스템을 개략적으로 도시한 측면도.

제2도는 제1도의 대량 납땜 시스템의 일부 평면도.

제3도는 제1도에 도시된 대량 납땜 시스템의 단면도.

제4도는 본 발명의 기술에 따라 동작하는 제1 내지 3도의 대량 납땜 시스템을 통과하는 회로 기판의 상부 표면의 시간/온도 형태를 표시한 그래프.

제5도는 본 발명의 기술에 따라 이루어진 가열 효과를 개략적으로 도시한 확대도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

14 : 인쇄 회로기판18 : 전기 및 전자부품

12 : 컨베이어38 : 송풍기

48 : 감지기

본 발명은 기판상에 전기 및 전자 부품을 납땜하기 위한 시스템에 관한 것이며, 특히 회로 기판 등의 상부 및/또는 하부 표면에 전기 및 전자부품을 한 번에 대량 리플로우 납땜하기 위한 개량된 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 칩등과 같은 표면 장착 장치(serface mounted divice : SMD)를 인쇄 회로 기판에 납땜시키는 것에 특히 응용되고 있으며, 상기와 같은 용도와 연관하여 기술하기로 한다.

소형 전자 기구 및 장치에 대한 최근의 요구 사항에 부응하여, 종래의 개별형 연공(leaded) 부품 대신에 작고 얇은 칩 형태의 전자 부품 즉, 인쇄 회로 기판상에 장착되는 표면 장착식 부품 또는 소자가 사용되는 경향이 있다. 표면 장착식 부품 기술의 출현은 회로 기판 설계자의 능률의 향상에 기여하고 동시에 제조기술자에게는 새로운 도전을 유발시킨다.

회로 기판에 표면 장착시 부품(및/또는 상기 부품용 캐리어)을 대량 납땜하기 위한 기술이 여러 가지로 제의되어 왔다. 한 기술은 예컨대 에폭시 등을 사용하여 회로 기판에 부품들을 고착시키고, 기판을 뒤집은 후, 뒤집힌 기판 및 회로 부품을 납땜 정재파의 크레스트(crest)를 통해 용융된 납땜의 본체와 접촉되도록 통과시킴으로써, 뒤집힌 기판 및 부품을 용융 납땜과 맞물리게 한다. 상기 공정은 켄시 콘도가 출원한 미합중국 특허 제4,465,219호에 기술되어 있다.

또한 납땜 크림 또는 연고 등을 사용하여 회로 기판에 표면 장착식 부품을 납땜하는 방법이 제안되었다. 상기 종래의 기술에서는, 표면 장착식 부품이 적절한 납땜 예비형성체(perform), 납땜 크림 또는 연고와 함께 회로 기판사의 적당한 위치에서 장착되며, 회로 기판 및 장착 부품은 납땜을 리플로우하기에 충분한 온도로 가열된다. 리플로우되도록 납땜을 가열하는 것은 복사로(radiant furnace) 등에서 회로 기판과 부품을 굽는 것에 의해서 이행될 수 있다. 그대신, 회로 기판과 부품은, 증기 상태의 납땜 또는 응축 공정에 따라, 납땜의 용융점 이상의 온도로 가열된 증기내에 담궈질 수도 있다. 상기 공정은 예컨대 미합중국 특허 제3,866,307호 및 제4,321,031호에 기술되어 있다. 복사 가열시 리플로우 납땜과 증기(응축) 납땜은 비록 각 기술이 어떤 결점을 가지고 있다 할지라도 어느 정도의 상업적 성과를 성취했다. 복사 가열시 리플로우 납땜 기술은 열에 민감한 부품에 손상을 일으킬 수 있을 정도로 부품을 파열시키는 경향이 있다. 그리고 복사 가열식 리플로우 납땜 기술은 부품의 광학적 및/또는 질량적 특성차에 기인한 시정차광(line-sight shadowin) 및 열흡수 차이를 허용하므로 많은 응용 장치에 완전한 만족을 주지는 못한다. 또한 응축 납땜을 위한 증기를 만드는데 사용하는 유체는 아주 비싸며 생산된 유체의 열분해 산출물은 인체에 유해하다. 게다가, 복사 가열식 및 응축 납땜 기술은 비교적 긴 예열 시간관 교환 연공(lead) 시간을 요구한다.

제목이 "연속 리플로우 납땜으로 대량 납땜을 위한 방법 및 장치(METHOD AND APPARATUS FOR MASS SOLDERING WITH SUBSEQUENT REFLOW SOLDERING)"이며 본 발명의 양수인에게 양도된, 마티스 에프, 코머포드(Matthias F. Comerfor)에게 허여된 미합중국 특허 제4,600,137호에는 상술한 결정 및 종래 기술의 다른 결점을 극복하며 한 번에 인쇄 회로 기판의 양편에 부품을 대량으로 납땜할 수 있는 개선된 대량 납땜 시스템이 개시되어 있다. 특히 코머포드 특허의 납땜 시스템에 의하면 우선 기판의 상부 및 하부 표면에 위치한 부품을 포함하는 회로 기판에, 납땜 정재파의 크레트를 통해 통과시킴으로써 기판의 하부표면과 그 위의 부품들이 용융 납땜의 본체에 접촉하여 통과되는 제1의 대량 납땜 동작을 가한다. 제1의 대량 납땜 동작은 또한 실질적인 열에너지를 기판에 전해주며, 상기 열에너지는 기판의 상부 표면으로 전도된다. 또, 열에너지는 앞서 인가된 납땜 크림이나 연고 또는 납땜 예비형성체를 기판 상부 표면위에 리플로우 하기위해 기판의 상부 표면에 공급된다. 코머포드 특허의 납땜 시스템은, 융제를 회로 기판의 하부 표면에 제공하는 융제 도포부(fluxing station) ; 융제를 활성화하고 납땜을 위한 기판을 준비하는 예열부 ; 인쇄 회로 기판의 하부 표면을 용융된 납땜조에 접촉시키는 제1대량 납땜부 ; 인쇄 회로 기판의 상부 표면에 미리 인가된 납땜 크림이나 연고 또는 납땜 예비형성체를 가열하여 리플로우하는 2대량 납땜부를 포함한다. 코머포드 특허의 납땜 시스템의 양호한 실시예에 있어서, 제1납땜부는 쌍방향파(bidirectional wave)를 형성하는 제1노즐과 실질상 단방향인 제2의 파를 형성하는 제2노즐을 포함하는 두 개의 파형성 납땜조로 이루어진 파 납땜 어셈블리로 구성되며, 제2대량 납땜부는 가열된 유체의 흐름을 실질상 수직 아래의 기판의 상부 표면으로 향하게 하는 하나 이상의 가열 노즐로 이루어진 대류 가열 어셈블리로 구성된다. 이 발명의 특히 양호한 실시예에 있어서, 가열된 유체는 뜨거운 공기로 구성된다. 코머포드 특허의 장치는 납땜될 기판을 제1대랑 납땜부와 제2납땜(리플로우)부 사이에서 시간순으로 한줄로 이송하는 수단에 의해 완성된다. 코머포드 특허의 대량 납땜 시스템은 홀리스 오토메이션사에서 시판되는 대량 납땜 시스템에 통합되었으며, 대량 납땜 기술의 발전에 상당한 기열을 했다고 생각된다. 한편, 상술한 코머포드 특허의 대량 납땜 시스템은 표면 장착 부품만을 포함하는 대량 납땜 회로 기판에는 사용될 수 있지만, 연공 부품(leaded components)이 없는 기판에 대해서는 지나치게 복잡하다.

따라서, 본 발명의 중요한 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복할 수 있는 대량 납땜 시스템, 즉, 대량 납땜용 장치 및 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 주요 목적은 회로 기판에 부품을 대량 리플로우 납땜하는 개선된 장치 및 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에서 명백히 나타날 것이다.

본 발명은 서로에 대해 상대적 순설를 갖는 다수의 단계로 이루어진 공정과, 다음의 상세한 설명에서 예시되는 요소의 기능, 특성 및 관계를 갖는 장치를 포함하며, 그 적용 범위는 청구범위에 나타날 것이다.

본 발명의 상세한 설명에서, "부품(component)"이라는 용어는 칩부품은 물론 칩부품용 캐리어와 같은 소위 표면 장착용 부품 또는 소자를 가리킨다. "부품 리드(component lead)"라는 용어는 인쇄 회로 기판 패턴에 결합된 전기 또는 전자 부품의 금속 도선 부분을 가리킨다. 본원에 사용된 "랜드(land)"라는 용어는 부품 또는 부품 리드가 납땜에 의해 결합되는 인쇄 회로 기판상의 금속 패턴 부분을 가리킨다. 회로 기판과 관련하여 사용되는 "상부 표면" 및 "하부 표면"이라는 용어는 단순히 회로 기판의 반대 기판 표면을 가리키는 것이며, "상부" 및 "하부"라는 용어는 각각 본 발명에 따라 납땜 장치에서 처리될때의 회로 기판의 공간적 방향을 나타낸다. "대량 리플로우 납땜"이라는 용어는 회로 기판상에 미리 인가된 납땜 예비형성체 또는, 납땜 크림이나 연고에 의해 납땜 접속이 이루어지는 납땜기술을 나타내는 것이다.

대류 가열 수단에 관련하여 사용되는 "강제 대류"라는 용어는 본 발명에 사용된 대류 가열 수단의 동작을 자연 대류 동작과 구별짓기 위한 것이다. 대류 가열 수단과 관련하여 사용되는 "비교적 낮은 속도" 및 "비교적 높은 속도"라는 용어는 상대적인 용어로서 사용된다.

본 발명은 새로운 시스템 즉, 회로 기판은 한편 또는 양편에 표면 장착용 부품을 한 번에 리플로우 납땜하여 상기 부품을 기계적 및 전기적으로 회로 기판에 결합시키는 방법 및 장치를 제공한다.

특히, 본 발명에 따르면, 열원의 종합에 의해, 회로 기판과 전기 및 전자 부품을 미리 제공된 납땜이 예비형성체(performs) 및/또는 납땜 연고나 크림 형태로 리플로우될 정도로 충분히 가열함으로써, 상기 기판의 한쪽 및 양쪽 표면에 부착된 상기 부품을 납땜에 의해 대량 결합하는 납땜 리플로우 시스템으로서, 상기 기판 및 부품을 예열하고 예열된 기판 및 부품의 온도를 상기 납땜의 리플로우 온도 직전까지 평준화(leveling)하는 비교적 저속의 강제 대류 열기 가열 수단과 적외선 가열 수단을 조합하여 이루어진 제1가열구역 및 ; 납땜의 리플로우가 수행될 정도로 상기 기판 및 부품의 온도를 충분히 높게 상승시키는 비교적 고속의 강제 대류 열기 가열 수단으로 이루어진 제2가열 구역을 포함하는 납땜 리플로우 시스템이 제공된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 제1예열 구역의 적외선 가열 수단에 의해 생성된 열은 적어도 일부가 회수되어 대류 열기류(hot gas stream)로 재순환된다. 상기 시스템은 납땜될 회로 기판을 제1(예열) 구역과 제2(리플로우) 구역 사이에서 시간순으로 일렬로 이송하는 수단에 의해 완성된다.

본 발명의 목적을 완전히 이해하려면, 같은 번호가 같은 부품을 나타내는 첨부된 도면과 함께 다음 상세한 설명을 참조해야 한다.

제1도 내지 제3도를 참조하면, 인쇄 회로 기판(14)은 기판의 상부 표면(20)상에 다수의 전기 및 전자 부품(18)을 가진채 삽입부(도시안됨)에 장착된다. 도시의 편의를 위해, 부품은 단지 기판의 상부 표면상에만 장착된 것으로 도시되어 있다. 그러나 후술하는 바에 명확하듯이, 본 발명은 회로 기판의 상부 및 하부 표면에 부품을 리플로우 납땜 하는데에 동일하게 사용된다. 기판(14)은 기판 상부 표면상에 하나 또는 그 이상의 인쇄 금속 도선(도시암됨)을 갖는 절연 배선 기판을 구비한다. 부품(18)은 부품 리드 및 회로 랜드에 도포되는 납땜 연고 또는 그와 유사한 것에 의해 기판 상부 표면에 공지된 방법으로 적당한 위치에 임시로 고착된다. 만약 필요하다면, 부품(18)은 부품 본체에 도포된 에폭시 접착제 또는 그와 유사한 것에 의해 회로 기판에 고착될 수도 있다.

이때, 부품 운반판은, 주로 부호(30')로 표시되는 본 발명에 따른 납땜 리플로우 장치를 통한 이동을 위해 컨베이어(12)상에 장착된다. 리플로우 장치(30')는 후술하는 제4도의 열관리 구역 및 온도 그래프에 대응하는 로마 숫자(Ⅰ 내지 Ⅳ)로 표시되는 다수의 기능성 열관리 구역을 포함하는 예열 구역 및 로마숫자(Ⅴ)로 표시되는 리플로우 구역으로 분리된다. 후술하는 바와 같이 리플로우 장치(30')를 다수의 열관리 구역으로 분리함으로써 제어된 가열이 허용되므로 소정의 온도 경사(ramping)가 제공되고, 온도의 안정화가 가능하므로 각 부품의 과열 및/또는 가열 부족이 방지된다.

이하, 제1도 및 제4도를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 예열 구역(Ⅰ)에서 가열은 주로 적외선(IR)열원에 의해 이루어지며, 추가적인 대류 가스 가열은 없다. 예열 구역(Ⅱ)에서는 비교적 저속인 열기 대류 가열이 적외선 가열에 추가되어, 온도 경사(ramp)의 증가를 유지시키면서 서로 관련된 부품의 반사, 차광(shadowing) 및 네스팅(nesting)에 의한 적외선 흡수 비율로부터 발생한 온도 차이를 부분적으로 평준화(leveling)한다. 예열 구역(Ⅲ)에서, 가열은 선택적 적외선 가열을 갖는 비교적 저속 가열된 가스 대류 가열에 의해 주로 수행된다. 예열 구역(Ⅲ)은 온도 경사의 증가에 기여하며, 성분 온도 차이를 평준화하고 성분온도와 대기 온도간의 효율적 평형을 달성하는 데에도 기여한다. 예열 구역(Ⅳ)은 회로 기판 및 부품을 납땜의 리플로우 작전의 온도로 가열하기 위해 비교적 저속의 추가적 열가스 대류 가열 수단으 포함한다. 마지막으로, 리플로우 구역(Ⅴ)에서는 부품 및 회로 기판의 상부 표면을 납땜의 리플로우 온도 이상으로 가열하기 위해 비교적 고속인 대류 가스 흐름을 생성하는 하나 또는 다수의 열기 나이프(hot gas knif)에 의해 가열이 수행된다.

제1도 내지 제3도를 다시 참조하여, 본 발명의 장치에 의해 제공된 예열 구역이 구체적으로 설명될 것이다. 어떤 예에서는 본 발명의 정신 및 범위내에 있는 것으로 간주되어야 하는 공기 이외의 다른 유체가 대류 가열을 위한 열가스 작동 유체로 사용될 수도 있지만, 양호한 작동 유체는 공기이다. 특히, 본 발명의 장치는 흡입관(40)과 급기 폴리넘(air supply plenum ; 42) 사이에 접속된 전동식 변속 송풍기(38)를 포함하는데, 상기 급기 폴리넘(42)은 이하 구체적으로 설명될 다양한 소형 플리넘 및 노즐에 공기를 공급하도록 접속된다. 본 발명의 양호한 실시예에서는, 감지기(48)로 표현된 리플로우부(30')의 봉합체(46)내의 감지기로부터 온도 입력을 수신하도록 제어 시스템(44)이 접속된다. 양호하게는, 온도 감지기는 개별 플리너내에 위치할 것이다. 온도 감지기 및 온도 감지기를 포함하고 있는 제어 시스템의 유형은 이 분야 기술에서 공지되어 있으며 시판하고 있으므로, 중복을 피하고 간결한 설명을 위해 구체적인 설명은 생략한다.

제어 시스템(44)은, 송풍기(38)의 속도, 외부 공기(52)와 봉합체(46) 내에서부터 플리넘(42)으로 분출되는 재순환 봉합체 공기(54)의 혼합비를 제어하는 댐퍼(damper ; 50), 이하 구체적으로 설명뢰ㄹ 다양한 배기노즐에 전달되는 가열된 공기의 부피와 온도를 제어하는 하나 이상의 댐퍼 또는 밸브(도시안됨)를 제어하며, 선택적으로, 봉합체 공기(54)의 온도만으로는 원하는 물체에 영향을 주기에 불충분할 대 시스템에 열을 가하는 인라인 히터(in-line heater ; 56)를 제어한다.

예열 구역(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ)에 대한 대표적인 장치의 평면도가 제2도에 단면도가 제3도에 도시되어 있다. 이격된 플리넘쌍(58A,58B,58C)은 인쇄 회로 기판(14)을 운반하는 컨베이어(conveyor ; 12)의 상부 및 하부에 배치된다. 플리넘(58A,58B,58C)은 급기 플리넘(42)으로부터 흡입구(59)를 통해 대류 공기(60)를 수신하도록 접속되며 다수의 상하향 노즐(61)을 포함하는데, 이 노즐을 통해 가열된 공기(60)가 분출되어 노즐사이로 지나가는 인쇄 회로 기판(14)의 광역 표면을 통해 흐른다. 반드시 그렇게 할 필요는 없지만 양호하게는, 노즐(61)은 이격된 적외선 히터(28A,28B,28C) 사이에 배치된다. 히터(28A,28B,28C)는 종래 대량 납땜 시스템의 적외선 예열기로 사용되어온 석영 램프 고용량형 히터를 포함하는 것이 양호하다. 마찬가지로, 사이드 플리넘(63A,63B,63C)은 컨베이어(12)의 대향면상에 배치되고, 급기 플리넘(42)으로붜 흡입구(62)를 통해 대류 공기(60)를 수신하도록 접속된다. 가열된 공기는 봉합체(46) 양단에 인접한 적합한 환류 수단(도시안됨)에 의해 회수되어 재순환될수 있다. 사이드 플리넘은 환류 수단을 겸할 수 있다.

예열 구역내 하나 이상의 적외선 히터(28A,28B,28C)는 그 동작이 독립적이며, 독립적인 피드백 제어를 포함한다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 예열 구역은, 회로 기판의 이동 경로의 상부 및 하부에 각각 3개씩 배치된 6개의 개별 제어식 적외선 히털르 포함한다. 마찬가지로, 플리넘(58A,58B,58C 및 63A,63B,63C)에서는, 이들 플리넘으로부터 나오는 공기의 유량 및 온도가 개별적으로 제어될 수 있도록 되어 있다. 본 발명의 특히 양호한 실시예에서, 제1의 인라인 플리넘(58A 및 63A)으로부터 나온 공기의 온도는 회로 기판 및 부품의 예상 온도보다 약간 더 낮게 조절되어 온도 평준화를 행한다. 예열 구역(Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)에서, 상기 플리넘으로부터 나온 공기의 온도는 기판 및 부품에 대해 예열 목표 온도 또는 약간더 높은 온도가 될 수도 있다.

이 장치의 효과는 제5도에 도시되어 있다. 외형이 작은 부품(66)은 외형이 큰 부품(68)에 의해 차광되어 라인(70)으로 표시된 적외선 방사를 수신하지 못한다. 차광부품(68) 중 하나가 적외선 방사를 수신하고 선(72)으로 표시된 열을 재방사한다고 가정하면, 점선으로 표시된 대류 공기(60)는 성분의 주변을 통과하면서 과열된 방사 부품은 열을 빼앗아 냉각시키고 더 낮은 온도의 가열 부족인 부품에는 열을 공급한다. 전반적인 효과는 기판(14) 및 부품(66,68)의 전반적인 온도가 공기(60)에 근접하는 온도로 안정화된다는 것이다. 따라서, 송풍기(38)의 속도 및/또는 외부 공기(52)와 내부 공기(54)의 혼합비를 제어함으로써(원한다면 인 라인 히터(56)도 제어함으로써), 원하는 온도 프로필(profile)이 달성될 수 있다.

제2도에 도시된 것처럼, 가열된 공기(60)를 수신하다록 접속된 하나 이상의 조절 가능한 노즐 어셈블리(74)가 제공되어 특정한 납땜 동작동안 특히 문제가 많은 부품에 대해 선택적으로 급기할 수도 있다. 이런 식으로, 선택된 부품을 선택적으로 냉각하거나 가열하여 기판상의 다양한 성분의 더 평분화되고 일관된 온도를 달성함으로써 반사율, 차광, 네스팅에 기인한 각 성분의 다른 적외선 흡수율이 보상될 수 있다. 당업자라면, 간결성을 위해 특별히 도시되거나 설명되지는 않았지만, 예열 구역(Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ)의 각각에 대한 장치는 특정 동작에서 필요로 하는 개별적인 온도 제어하에서, 개별적으로 범프, 혼합 및/또는 가열될 수 있음을 인식할 것이다.

양호하게는, 예열 구역(Ⅲ)의 열기 나이프(76)는 예열 구역(Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ)에 사용된 것보다 더 고속인 가열된 공기(60)의 흐름을 산출하고, 필요할 경우, 그 급기 플리넘(78) 내에 개별 히터를 포함할 수도 있다.

구역(Ⅴ)은 본 발명에 따라 이루어진 납땜 시스템의 리플로우부를 포함한다. 본 발명의 양호한 실시예에서 구역(Ⅴ)은, 해롤드 티, 오르케(Harold T. O'Rourke)에게 허여되어 공동 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제4,410,126호에 교시된 열기 나이프와 구조가 유사한 3개의 개별 제어된 열기 나이프(80,82,84)를 포함한다. 열기 나이프(80,82,84)는 전술된 예열 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)의 열기 노즐보다 고온 및 교유량에서 동작된다. 온도 평분화를 주목적으로 하는 예열 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)의 열기 노즐과는 달리, 예열 구역(Ⅴ)의 열기 나이프는 가판 및 성분의 온도를 , 기판상의 납땜 크림이나 연고 및/또는 납땜 예비성형체를 리플로우할 정도의 충분히 높은 온도로 사실상 균일하게 상승시키기에 충분한 추가열을 입력하도록 설계 및 동작된다. 따라서, 예열 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)에 사용된 공기는 통상 주위온도로부터 약 350℉에 이르는 온도 범위에 있지만, 리플로우 구역(Ⅴ)에 사용된 열기는 약 350℉로 부터 약 900℉ 이상의 범위에 있는 온도가 되어야 한다.

특정 응용에서, 예열 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)에 사용된 공기는 예컨대 약 500℉ 이상의 약간 더 높은 온도가 될 수도 있다. 그러나, 예열 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)에 사용된 비교적 낮은 공기 유량은 통상 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)에서 리플로우를 초래하기에는 불충분할 것이다. 공기 유량은, 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)에서 원하는 온도 평준화를 달성하고 구역(Ⅴ)에서 원하는 리플로우를 달성하도록 경험적으로 조절될 수 있다. 실제 유량은, 목표 온도, 적외선 히터로 부터의 열입력, 공기 노즐 또는 공기 나이프의 개수, 크기, 구성 및 간격, 주위 온도 및, 작업 부하를 포함하는 다수의 변수에 의존한다. 일반적으로, 비교적 저속인 대류 가열 수단을 공기 노즐이나 공기 나이프의 배출구에서 측정했을 때 초당 10 내지 50피트의 범위의 유량에서 동작시키고, 비교적 고속인 대류가열 수단을 공기 노즐이나 공기 나이프의 배출구에서 측정했을 때 초당 약 50피트 이상의 유량에서 동작시킨 경우에 양호한 결과가 달성되었다.

초기 시험은 본 발명의 열평준화에 의해 처리량(process throuput)이 순수한 적외선 리플로우 시스템에 대한 통상의 1.0 내지 1.5fpm에서 적어도 2.5 내지 3.5fpm으로 향상될 수 있음을 나타낸다. 또한, 전술된 설명으로부터 쉽게 인식되겠지만, 예열 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)에서 수행된 열평준화로 인해, 열충격 및/또는 과열에 의한 부품 또는 기판 손상의 가능성이 사실상 제거된다.

부품 및 회로 기판 상부 표면의 더 양호한 가열 균일성을 달성하기 위해, 예열 구역(들)에서의 가열된 대류 가스는 적외선 예열과 함께 비교적 저속으로 흐른다. 가열된 대류 공기의 저압, 저속의 흐름은 부품 및 기판 표면 온도의 개선된 분포를 초래한다. 명백히, 예열 구역(Ⅰ 내지 Ⅳ)의 대류 가스는 표면 온도를 더 균등화하면서 부품을 손상시키지 않을 정도의 속도로 회로 기판 및 부품상에서 흐른다. 이와같이, 대류 공기의 흐름은, 적외선 흡수율이 높은 성분의 온도는 떨어뜨리고 적외선 흡수율이 낮은 부품의 온도는 상승시킨다.

본 발명의 특징 및 장점은, 시스템이 시스템 봉합체내의 적외선 파생열을 재순환시킨으로써, 통상 낭비되었던 열을 이용한다는 점이다. 그러나, 재순환된 공기가 예열 또는 리플로우 납땜을 위한 원하는 범위보다 높은 정상 상태에 도달하면, 서미스터(thermistor) 제어된 감쇄 흡입구를 통해 주위 공기가 쉽게 부가될 수 있다. 원한다면, 분기관(air manifold) 내의 열원에 의해 추가열이 제공될 수 있다.

전술된 것처럼, 리플로우 구역(Ⅴ)은 공기와 같은 비교적 고압 가열된 유체가 기판의 상부 표면으로 흐르도록 하는 80,82,84로 표시된 하나 또는 다수의 열기 나이프, 유체 분출구, 슬롯, 노즐 등등을 포함한다. 어떤 환경에서는 단일 열기 나이프가 사용될 수 있지만, 열평준화의 원하는 개선을 달성하고 동시에 양호한 납땜 리플로우를 달성하기 위해서는 최소한 2개, 양호하게는 3개의 열기 나이프가 바람직하다는 것이 밝혀졌다. 또한 리플로우 구역(Ⅴ)에 다수의 열기 나이프가 사용될 때, 납땜의 통상 리플로우 온도에서, 또는 심지어 그보다 약간 더 낮은 온도에서 제1열기 나이프를 동작시키면, 열평준화를 더 개선시킬 수 있음을 알 수 있다. 그 경우, 나머지 열기 나이프, 즉, 열기 나이프(82,84)는 리플로우 온도를 달성하기에 필요한 열입력을 제공하기 위해 공기를 약 400℃ 이상의 온도로 예열시켜야 한다. 물론 열기 나이프(82)로부터 나온 공기의 흐름은, 적절한 열입력을 제공하여 리플로우 납땜을 달성하기 위해 원하는 열전달을 제공하기에 충분한 속도가 되어야 하는데, 이것은 부품 밀도 등에 의존할 것이다.

목표 동작 온도는 또한 어떤 납땜 합금이 사용되었는지에 따라 변할 것이다.

본 발명의 장치는 주로 12로 표시된 컨베이어 시스템에 의해 완성된다. 컨베이어 시스템은 종래의 구성으로 되어 있으며, 통상 한쌍의 이격된 컨베이어 레일 및 적합한 구동 수단(도시안됨)을 포함한다. 양호하게는, 컨베이어 시스템(12)은, 처리되고 있는 기판이 컨베이어(12)에 의해 사실상 수평 이동 경로를 따라 운반 되도록 사실상 수평면에서 동작한다. 수평 모드에서의 동작은 기판 상부면에서의 부품 시프팅의 문제를 최소화시키고, 로딩과 언로딩(loading and unloadung)을 간편화한다.

본 발명의 특별한 특징 및 장점은, 부품은 온도 및 색특성, 반사율, 차광 및 네스팅 등에 상관없이, 리플로우 처리에서 회로 기판의 부품 표면을 사실상 균일하게 가열하여, 부품을 더 균일하게 가열 및 납땜할 수 있고 각 부품의 열손상을 방지할 수 있다는 것이다. 본 발명의 다른 특징 및 장점은, 적외선 가열된 공기를 회수하여 재순환시킴으로써 에너지 효율이 개선되고, 기상 리플로우 납땜 시스템에 필요한 고가의 위험성이 높은 화학 물질을 사용할 필요가 없다는 것이다. 또한, 본 발명은, 기판 손상의 가능성이 제거되나 적어도 사실상 감소되는 상태에서 급정지(emergency shutdown)를 허용하고, 간편하면서 신속한 정비 및 수리를 허용하면, 난기 운전(warm-up) 및 생성물 전환이 신속하고도 간편하게 달성될 수 있도록 전체 시스템 온도의 신속한 조절을 허용한다. 또한, 리플로우 온도에서의 노출 시간은 매우 짧으므로, 본 발명에 따라 집중된 대류 가열 공기에 의해 신속한 리플로우가 달성되면, 접합부에서 금속간 성장(intermetallic growth)이 최소화된다.

본 발명은 다양한 변경이 가능하다. 예컨대, 적외선 히터는 리플로우 구역(Ⅴ)에 포함되어 추가 열입력을 제공할 수도 있다. 적외선 가열과 대류 가열의 결합은 코머포드의 미합중국 특허 제4,600,137호의 대량 납땜 시스템에서의 온도 평준화를 위해서도 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 원한다면, 리플로우 구역 바로 다음에 강제 냉각 수단이 포함될 수도 있다.

본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않은 채, 본 발명에 따른 또다른 변경도 가능하다. 따라서, 상기 설명에 포함하고 첨부된 도면에 도시된 모든 내용은 한정적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

1. 회로 기판상에 배치된 전기 및 전자 부품을 납땜에 의해 대량 결합하고 예열 구역과 납땜 리플로우 구역의 조합으로 이루어진 납땜 리플로우 장치에 있어서, 상기 예열 구역은 상기 기판 및 부품을 납땜 리플로우 온도 직전의 온도로 가열하는 적외선 가열 수단과 대류 가열 수단의 조합으로 구성되는데, 상기 적외선 가열 수단과 상기 대류 가열 수단은 온도의 경사화(ramping) 및 인정화를 제공함으로써, 상기 기판과 각 부품간의 온도차를 평준화하는 동안 각 부품의 과열을 방지하도록 되어 있으며 ; 상기 납땜 리플로우 구역은, 상기 기판 및 부품을 가로질러 가열된 가스류가 흐르게 하여 상기 기판 및 부품상의 납땜 예비형성체(preforms), 납땜 연고나 크림을 리플로우하기에 충분할 정도로 상기 기판 및 부품의 온도를 상승시키는 대류 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 납땜 리플로우 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 예열 구역은, 가스를 포함하는 봉합체내에 포함되며, 상기 부품으로부터의 복사에 의해 가열된 열가스를 상기 봉합체로부터 회수하고 회수된 가스의 적어도 일부분을 상기 대류의 가스류로서 재순환시키는 재순환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 납땜 리플로우 장치.
3. 제2항에 있어서, (a) 상기 재순환 수단과 일렬로 배치되어 상기 재순환 가스류를 상기 대류의 가스류로서 상기 봉합체내로 재주입하기 전에 가스류를 재순환 가스률에 추가열을 가하는 히터 수단으로서, 상기 봉합체내의 온도를 감지하고 상기 재순환 가스류를 소정 온도로 가열하도록 상기 히터 수단을 조절하는 온도 제어 수단을 구비하는 히터 수단, 또는 (b) 상기 재순환 수단에 접속되어 상기 재순환 가스률을 상기 봉합체 내로 재주입하기 전에 상기 재순환 가스률에 냉각된 외부 가스를 주입하는 수단으로서, 상기 봉합체내의 온도를 감지하고 상기 외부 가스와 상기 재순환 가스류의 혼합물을 소정 온도로 조절하는 온도 제어 수단을 구비하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납땜 리플로우 장치.
4. 제1항 내지 3항중 어느 한 항에 있어서, 선택된 부품 및 그 주위로 상기 대류 가스류의 일부가 흐르도록 하는 조절가능한 노즐 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 납땜 리플로우 장치.
5. 제1항 내지 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선 가열 수단과 상기 대류 가열 수단은, 온도의 경사화 및 안정화를 제공함으로써, 상기 기판과 상기 각 부품간의 온도차를 균등화하는 동안 각 부품의 과열 및 가열 부족을 방지하도록 되어 있으며 ; 상기 납땜 리플로우 구역은 상기 가열된 가스류가 상기 기판 및 부품을 향해 흐르도록 하는 적어도 하나의 나이프 에지형(knife-edged) 열가스 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 납땜 리플로우 장치.
6. 회로 기판상의 임의의 전기 및 전자 부품을 상기 기판에 전기적 및 기계적으로 결합시키도록, 상기 기판의 상부 표면상에 배치된 전기 및 전자 부품을 납땜 예비형성체(performs), 납땜 연고나 크림을 리플로우할 정도로 충분히 가열함으로써 상기 기판 및 부품을 대량 리플로우 납땜하는 방법에 있어서, (a) 적외선 가열과 대류 가열을 조합하여 상기 기판 및 부품에 가함으로써, 상기 기판 및 부품의 온도를 상기 납땜 리플로우 온도 직전의 온도로 예열시키는 단계 및 ; (b) 예열된 기판 및 부품에 가열된 가스류가 흐르게 함으로써, 상기 기판 및 부품상의 임의의 납땜 예비형성체, 납땜 연고나 납땜 크림을 리플로우하기에 충분한 정도로 상기 기판 및 부품의 온도를 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대량 리플로우 납땜 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 예열 단계는, 가스를 포함하는 봉합체내에서 수행되며, 상기 부품으로부터의 복사에 의해 가열된 열가스를 상기 봉합체로부터 회수하고 상기 대류 가열동안 상기 회수된 가스의 적어도 일부를 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대량 리플로우 납땜 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 봉합체내의 온도를 감지하는 단계 및 ; (a) 상기 재순환 가스를 소정 온도로 가열하는 단계, 또는 (b) 소정 온도가 되도록 상기 재순환 가스에 외부 가스를 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대량 리플로우 납땜 방법.
9. 제6항 내지 8항중 어느 한 항에 있어서, 선택된 부품 및 그 주위로 상기 재순환 가스의 일부가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 대량 리플로우 납땜 방법.
10. 제6항 내지 8항중 어느 한 항에 있어서, 리플로우전에, 상기 기판, 성분 및 납땜과 그 주위로 제1의 비교적 저속인 가열된 가스류가 흐르게하여 저온 부품은 가열하고 고온 부품은 냉각시킴으로써, 납땜의 리플로우 온도보다 약간 낮은 실질상 균등한 온도로 상기 부품을 안정화시키고 ; 상기 부품 및기판에 대해 나이프 에지형 협기유(narrow knife- ddged stream)로서 제 2의 비교적 교속인 가열된 가스류가 흐르게 함으로써 납땜의 리플로우 온도보다 높은 온도로 상기 기판, 납땜 및 부품의 상부 표면을 추가 가열하는 것을 특징으로 하는 대량 리플로우 납땜 방법.

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