JP2004114143A

JP2004114143A - リフロー炉

Info

Publication number: JP2004114143A
Application number: JP2002284986A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Ikatani; 桴谷　隆宏
Original assignee: Ricoh Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Ricoh Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】段取り切替え時に、窒素の消費量の増加を抑え、炉内の酸素濃度を維持しつつ、自然冷却に比べて加熱ゾーンの温度をより早く設定温度となるように調整できるリフロー炉を提供する。
【解決手段】炉壁の一部を構成するヒータカバー１ａ〜１ｄ内にはコンベア２の移動方向に沿って加熱ゾーン３ａ〜３ｄが設けられ、各加熱ゾーンにはコンベア上の半田付け対象物を加熱するヒータとしての熱風循環ファン７ａ〜７ｄが配置されているリフロー炉において、上記ヒータカバー１ａ〜１ｄ内の外面の上面と側面の少なくとも一方に対して冷却用のエアを吹付けるエア吹付け手段としてのエアパイプ２０ａ〜２０ｄ等を設けた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田付けを行うリフロー炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来のリフロー炉の概略の縦断面図を示し、図６はその横断面図を示したものである。
【０００３】
このリフロー炉においては、横向きのトンネル状の炉壁１内を貫通してチェーンコンベア２が配置され、炉壁１内にはチェーンコンベア２の移動方向に沿って第１，第２，第３，第４の加熱ゾーン３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが隣接して設けられている。入口側の加熱ゾーン３ａには、コンベア２上の電子部品等の半田付け対象物４を加熱する上下のパネルヒータ５ａ，５ｂが配置されており、同様に出口側の加熱ゾーン３ｄにも、上下のパネルヒータ６ａ，６ｂが配置されている。また、第１，第２，第３，第４の加熱ゾーン３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの上部には、熱風循環ファン７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが配置されて、各ゾーン内の熱風を循環させるようになっている。熱風循環ファン７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは、その回転軸８が炉壁１の上面を貫通し、この炉壁１の上面に設けられた軸受９で回転自在に支持されている。軸受９を通り抜けた回転軸８の先端にはスプロケット１０が取り付けられ、このスプロケット１０には炉壁１の外に配置されたモータ１１の出力軸１２の先端のスプロケット１３からチェーン１４を介して回転力が与えられる。これにより、熱風循環ファン７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを回転させるようになっている。このような構成要素は、外装板１５で覆われている。
【０００４】
このような構造のリフロー炉においては、上下のパネルヒータ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂとに通電し、その通電電流の制御と、熱風循環ファン７ａ〜７ｄの運転制御等により、第１〜第４の加熱ゾーン３ａ〜３ｄを独立して温度制御する。そして、第１〜第４の加熱ゾーン３ａ〜３ｄを順次横切って半田付け対象物４がコンベア２で移送される間に電子部品等をクリーム半田で半田付けを行うようになっている。この場合、図５において半田付け対象物４が左から右方向に移送されるとすると、第１〜第４の加熱ゾーン３ａ〜３ｄの温度分布（温度プロファイル）は、例えば図７のグラフ（イ）のようになる。
【０００５】
なお、第１〜第４の加熱ゾーン３ａ〜３ｄの温度分布は、半田付け対象物４の大きさや電子部品の耐熱温度等によって異なるため、半田付け対象物４の種類ごとに切替える必要がある。半田付け対象物４としての回路基板は、例えば、板厚が０．４〜１．６ｍｍ、板幅が５０〜２５０ｍｍ、長さが８０〜５００ｍｍと、小基板から大基板まで多種多様の基板がある。現在では多品種少量生産が主流なため、段取り切替えを頻繁に行うようになっている。
この段取り切替えは、半田付け対象物４のセットや、デジタル温度調節器の設定温度の変更等であるため、通常数分あれば完了する。しかし、各加熱ゾーン３ａ〜３ｄが所定の温度になるまでには時間を要する。特に、大基板から小基板への切替えで加熱ゾーンの温度を下げて半田付けを行う場合には、図７のグラフ（イ）からグラフ（ロ）の温度プロファイルに変更するようになり、自然冷却のため、設定温度に達するまでに時間を要する。パネルヒータ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは外気に触れているので比較的早く温度変化が見られるが、熱風循環ファン７ａ〜７ｄは外気に直接触れていないので温度変化が緩慢なためである。例えば、加熱ゾーンの温度を２２０℃から１６０℃に下げる場合、加熱ゾーンが設定温度に達するまでに６０分以上かかってしまう場合もある。
このような問題を解決するために、外装板１５又は外装板１５と炉壁１の一部とを開放して、炉内部に空気を送り込んで冷却し、加熱ゾーンの温度を下げることが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半田付け対象物４の種類によっては、電子部品等の酸化を防ぐために炉内に窒素を充填して酸素濃度を下げた状態で半田付けする、いわゆるＮ_２リフローが行われている。
しかしながら、このＮ_２リフローの場合、段取り切替え時に炉内に空気を流入させて冷却を行うと、炉壁１を閉めた後、再び窒素を充填して炉内の酸素濃度を安定させるまでに時間がかかってしまうという問題がある。また、窒素の消費量が増加してしまうという問題もある。例えば、炉内温度を２２０℃から１６０℃に下げる場合、ヒータ電源をＯＦＦにして炉を開放し、冷却後炉を閉じて炉内の酸素濃度が安定するまで約２５分かかってしまう。
【０００７】
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、段取り切替え時に、炉内の酸素濃度を維持しつつ、自然冷却に比べて加熱ゾーンの温度をより早く設定温度となるように調整できるリフロー炉を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、炉壁内にはコンベアの移動方向に沿って加熱ゾーンが設けられ、該加熱ゾーンには該コンベア上の半田付け対象物を加熱するヒータが配置されているリフロー炉において、上記炉壁の外面の上面と側面の少なくとも一方に対して冷却用のエアを吹付けるエア吹付け手段を設けたことを特徴とするものである。この請求項１のリフロー炉によれば、炉壁の外面の上面と側面の少なくとも一方に冷却用エアを吹付けることで、該炉壁の外面からの放熱を積極的に行わせることができる。よって、自然冷却に比べ冷却時間の短縮を図ることができる。また、炉を開放することなく加熱ゾーンを冷却できるので、炉内の酸素濃度を維持したまま冷却を行うことができる。
また、請求項２の発明は、請求項１のリフロー炉において、上記エア吹付け手段を、エアパイプと、該エアパイプへのエア供給を制御する手動バルブとを用いて構成したことを特徴とするものである。この請求項２のリフロー炉によれば、オペレータが手動バルブの開閉を行なうことで、容易に加熱ゾーンの冷却を行なうことができる。また、低コストで加熱ゾーンの冷却システムを構成することができる。
また、請求項３の発明は、請求項１のリフロー炉において、上記エア吹付け手段を、エアパイプと、該エアパイプへのエア供給を制御する電磁弁と、上記加熱ゾーン内の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段の測定結果に基づいて該電磁弁を制御する制御手段とを用いて構成したことを特徴とするものである。この請求項３のリフロー炉によれば、加熱ゾーンの温度が低下すると自動的に圧縮エアの吹付けを止めることが可能となり、加熱ゾーンの温度を必要以上に低下させないようにすることが可能となる。また、オペレータは加熱ゾーンの温度を常時監視していなくてもよいので、この間に他の作業を行えるため作業効率が向上する。
また、請求項４の発明は、請求項１、２または３のリフロー炉において、上記炉壁内に窒素ガスを充填しながら半田付けを行うことを特徴とするものである。この請求項４のリフロー炉によれば、炉壁の一部を開放して冷却を行なうリフロー炉に比べ、冷却による酸素濃度の変化を抑えて酸素濃度の安定に要する時間を短縮できるとともに、窒素の使用量の低減を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１は本発明に係るリフロー炉の実施形態の第１例を示したものである。また、図２は第３加熱ゾーン３ｃと第４加熱ゾーン３ｄの炉壁の一部をなすヒーターカバー１ｃ、１ｄ近傍の斜視図である。なお、前述した図５，図６と対応する部分には、同一符号を付けて示している。
【００１０】
本例のリフロー炉においては、第１〜第４の加熱ゾーン３ａ〜３ｄにおける炉壁１の一部を構成するヒータカバー１ａ〜１ｄの外面の上面と上部側面とに対して圧縮エアを吹付けて冷却を行うエアパイプ２０ａ〜２０ｄが設けられている。これらエアパイプ２０ａ〜２０ｄは、操作盤１６に設けられた手動バルブ２１ａ〜２１ｄに接続されている。また、手動バルブ２１ａ〜２１ｄには、圧力計２２、減圧弁２３、エアフィルタ２４、及び圧縮エア供給源２５が接続されている。その他の構成は、前述した図５及び図６に示したと同様になっている。
【００１１】
このように構成することで、オペレータが手動バルブ２１ａ〜２１ｄの開閉を操作して、ヒータカバー毎に対してエア吹付けのＯＮ／ＯＦＦができるようになっている。
【００１２】
さらに詳しく説明すると、図２において、例えば、第４加熱ゾーン３ｄの炉壁１の一部を構成するヒータカバー１ｄを冷却するエアパイプ２０ｄは４本に分岐して配設されている。これら４本に分岐したエアパイプ２０ｄは２つのブラケット２６，２７で支持されている。また、４本に分岐したエアパイプ２０ｄには、図示例では、それぞれ３つのエア吹き出し口が形成されている。これにより、ヒータカバー１ｄの外面の上部と上部側面とに圧縮エアを吹付けて、ヒータカバー１ｄからの放熱を促進させることができるようになっている。なお、他の加熱ゾーン３ａ〜３ｃのヒータカバー１ａ〜１ｃの冷却についても同様なので詳しい説明は省略する。
【００１３】
次に、このようなリフロー炉の段取り切替え時における温度制御方法の一例について説明する。このリフロー炉においては、第１〜第４の加熱ゾーン３ａ〜３ｄの温度を図示しない温度センサで検出している。段取り切替え時に、例えば第２，第３の加熱ゾーン３ｂ，３ｃの温度が設定温度より高い場合に、オペレータは手動バルブ２１ｂ，２１ｃを開いて、その加熱ゾーンのヒータカバー１ｃ，１ｄの外面の上面と上部側面とに対して圧縮エアを吹付けて冷却を行う。そして、温度センサの検出結果により、加熱ゾーンの温度が低下したら、圧縮エアの吹付けを停止させるべく、対応する手動バルブを閉じる。そして、オペレータは各加熱ゾーンが設定温度に達したことを確認した後、リフロー炉を運転し半田付け作業を開始する。
【００１４】
このように、圧縮エアを吹付けて炉壁の一部を構成するヒータカバーからの放熱を促進させるので、自然冷却に比べて、より早く加熱ゾーンの温度を設定温度まで低下させることができる。これにより、段取り切替え時に加熱ゾーンの冷却にかかっていた時間を短縮させることができる。また、炉壁１を開放しないため炉内に空気が進入せず酸素濃度を維持したまま冷却を行えるので、Ｎ_２（窒素）リフローに適した冷却方法となる。
【００１５】
炉内温度が２２０℃から１６０℃に下降する冷却時間を、ヒータをＯＦＦにして自然冷却する従来のリフロー炉と、本例のリフロー炉とで比較した。その結果、従来のリフロー炉では約６０分であったのに対し、本例のリフロー炉では約１３分であり、約８０％の冷却時間短縮を図ることができた。
また、Ｎ_２リフローの場合、ヒータ電源をＯＦＦにして、炉を開放し空気を流入させて冷却する冷却方式では、酸素濃度が安定するまでに約２５分かかったので、これに比べても約５０％の冷却時間短縮を図ることができた。さらに、炉を開放する場合に比べＮ_２の消費量を減らすことができた。
【００１６】
次の表１は本実施例１と比較例１〜３の冷却実験の結果をまとめたものである。
【表１】

【００１７】
なお、本実施例では４つの加熱ゾーンを有するリフロー炉について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つ以上の加熱ゾーンを有するリフロー炉に同様にして適用できるものである。
【００１８】
〔実施例２〕
上記実施例１では、オペレータが温度センサの温度を見ながら手動バルブの開閉を行なって圧縮エアを吹付ける構成について説明したが、圧縮エアの吹付けを自動的に行なう構成とすることもできる。図３は本実施例に係るリフロー炉の、エア配管図等を示す構成図である。なお、前述した図１及び図２と対応する部分には、同一符号を付けて示している。
【００１９】
本例のリフロー炉においては、上記実施例１で用いていた手動バルブ２１ａ〜２１ｄの代わりに、第１〜第４の電磁弁３０ａ〜３０ｄが設けられている。また、上記実施例１では図示を省略した各加熱ゾーン内の温度を測定する第１〜第４の温度センサ３１ａ〜３１ｄが設けられている。さらに、自動冷却スイッチ３２と、制御装置としてプログラマブルコントローラ３３とが設けられている。
【００２０】
次に、このようなリフロー炉の段取り切替え時における温度制御方法の一例について説明する。このリフロー炉においては、第１〜第４の加熱ゾーン３ａ〜３ｄの温度を、それぞれ温度センサ３１ａ〜３１ｄで検出している。段取り切替え時に、例えば第２，第３の加熱ゾーン３ｂ，３ｃの温度が設定温度より高い場合に、オペレータは自動冷却スイッチ３２をＯＮにする。すると、プログラマブルコントローラ３３は、第２，第３の電磁弁３０ｂ，３０ｃをＯＮにして、第２，第３のエアパイプ２０ｂ，２０ｃにエアを供給し、その加熱ゾーンのヒータカバーの外面の上面と上部側面とに対して圧縮エアを吹付けて冷却を行う。
【００２１】
そして、プログラマブルコントローラ３３は、第２，第３の温度センサ３１ｂ，３１ｃの検出結果に基づいて、各加熱ゾーン３ｂ，３ｃの温度が低下したと判断したら、圧縮エアの吹付けを停止させるべく、第２，第３の電磁弁３０ｂ，３０ｃをＯＦＦにする。
【００２２】
操作盤１６には、図４に示すように、クーリングモニターランプ３４ａ〜３４ｄが設けられており、圧縮エアの吹付け開始と同時に点灯し、吹付け終了と同時に消灯するようになっている。全ての加熱ゾーン３ａ〜３ｄの温度が低下するとクーリングモニターランプ３４ａ〜３４ｄは全て消灯する。よって、オペレータは全てのクーリングモニターランプ３４ａ〜３４ｄが消灯したことを確認し、各加熱ゾーンが設定温度に達したことを確認した後、リフロー炉を運転し半田付け作業を開始する。
なお、全ての加熱ゾーン３ａ〜３ｄの温度が低下してクーリングモニターランプ３４ａ〜３４ｄが消えたときに、図示しないパイロットランプを点滅させて、オペレータに報知してもよい。
【００２３】
このような構成とすることで、加熱ゾーンの温度が低下すると自動的に圧縮エアの吹付けが止まり、加熱ゾーンの温度を必要以上に低下させることがない。また、オペレータは加熱ゾーンの温度を常時監視していなくてもよいので、この間に他の作業を行えるため作業効率が向上する。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１乃至４の発明によれば、段取り切替え時に、炉内の酸素濃度を維持しつつ、自然冷却に比べて加熱ゾーンの温度をより早く設定温度となるように調整できるという優れた効果がある。また、従来に比べて生産効率を向上させることができるという優れた効果もある。
また、請求項２の発明によれば、低コストで加熱ゾーンの冷却システムを構成することができるという優れた効果がある。
また、請求項３の発明によれば、加熱ゾーンの温度を必要以上に低下させないことが可能になるという優れた効果がある。また、オペレータの作業効率が向上するという優れた効果もある。
また、請求項４の発明によれば、炉壁の一部を開放して冷却を行なうリフロー炉に比べ、冷却による酸素濃度の変化を抑えて酸素濃度安定に要する時間を短縮できるという優れた効果がある。また、窒素消費量の増加を防ぐことができるという優れた効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係るリフロー炉の横断面図。
【図２】リフロー炉の第３、第４の加熱ゾーンのヒータカバー等の斜視図。
【図３】実施例２に係るリフロー炉の自動冷却システムのエア配管等の構成図。
【図４】操作盤の正面図。
【図５】従来のリフロー炉の縦断面図。
【図６】従来のリフロー炉の横断面図。
【図７】リフロー炉の各加熱ゾーンの２種の温度分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１　　　炉壁
１ａ〜１ｄ　　炉壁の一部を構成するヒータカバー
２　　　コンベア
３ａ〜３ｄ　　第１〜第４の加熱ゾーン
４　　　半田付け対象物
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ　　パネルヒータ
７ａ〜７ｄ　　熱風循環ファン
８　　　回転軸
９　　　軸受
１０　　スプロケット
１１　　モータ
１２　　出力軸
１３　　スプロケット
１４　　チェーン
１５　　外装板
１６　　操作盤
２０ａ〜２０ｄ　　エアパイプ
２１ａ〜２１ｄ　　手動バルブ
２２　　圧力計
２３　　減圧弁
２４　　エアフィルタ
２５　　圧縮エア発生源
３０ａ〜３０ｄ　　電磁弁
３１ａ〜３１ｄ　　温度センサ
３２　　自動冷却スイッチ
３３　　プログラマブルコントローラ
３４ａ〜３４ｄ　　クーリングモニターランプ

Claims

炉壁内にはコンベアの移動方向に沿って加熱ゾーンが設けられ、該加熱ゾーンには該コンベア上の半田付け対象物を加熱するヒータが配置されているリフロー炉において、
上記炉壁の外面の上面と側面の少なくとも一方に対して冷却用のエアを吹付けるエア吹付け手段を設けたことを特徴とするリフロー炉。
請求項１のリフロー炉において、
上記エア吹付け手段を、
エアパイプと、該エアパイプへのエア供給を制御する手動バルブとを用いて構成したことを特徴とするリフロー炉。
請求項１のリフロー炉において、
上記エア吹付け手段を、
エアパイプと、
該エアパイプへのエア供給を制御する電磁弁と、
上記加熱ゾーン内の温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段の測定結果に基づいて該電磁弁を制御する制御手段とを用いて構成したことを特徴とするリフロー炉。
請求項１、２または３のリフロー炉において、
上記炉壁内に窒素ガスを充填しながら半田付けを行うことを特徴とするリフロー炉。