JP2005125340A

JP2005125340A - リフロー炉およびリフロー炉の立ち上げ方法

Info

Publication number: JP2005125340A
Application number: JP2003361439A
Authority: JP
Inventors: Tadayoshi Ootashiro; 忠義太田代
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】従来の消費電力の大きいリフロー炉は、立ち上げ時、電熱ヒーターに100％の電流を流していたため、大電流を流す設備のない工場ではブレーカーが落ちたりケーブルが焼け焦げたりすることがあった。
【解決手段】本発明のリフロー炉は、リフロー炉の電熱ヒーターには電流を0〜100％可変することができる電力調整器が設置されており、該電力調整器には温度調節器が接続されている。また温度調節器には電熱ヒーターの近傍に設置された温度センサーが接続されている。そして本発明のリフロー炉の立ち上げ方法は、立ち上げ時に通常の電流の約60％を流し、電熱ヒーター近傍が設定温度になった後、電熱ヒーターに100％の電流を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板と電子部品をはんだ付けするリフロー炉およびリフロー炉の使用時における立ち上げ方法に関する。

プリント基板と電子部品をソルダペーストではんだ付けする場合は、リフロー炉で行う。リフロー炉は、トンネル状となっており、入り口方向から出口方向に向かって順次、予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンとなっている。また該トンネル内には入り口方向から出口方向に向かって搬送装置が走行している。該搬送装置は、ソルダペーストが塗布され、該塗布部に電子部品が搭載されたプリント基板を予備加熱ゾーンから冷却ゾーンに向けて搬送する。搬送装置で搬送されるプリント基板は、先ず予備加熱ゾーンで予備加熱され、次いで本加熱ゾーンで本加熱され、そして冷却ゾーンで冷却されてはんだ付けがなされる。

リフロー炉は、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された多数の電熱ヒーターが、それぞれ電源に接続されており、電熱ヒーターと電源間にはスイッチが設置されている。そして多数の電熱ヒーターの近傍には、各電熱ヒーターの近傍の温度を検知する温度センサーが設置されており、該温度センサーは前述スイッチに接続されている。

従来のリフロー炉では、リフロー炉の立ち上げ時に、全ての電熱ヒーターに通電して電熱ヒーターを一度に発熱状態にする。そして各電熱ヒーターの近傍の温度が設定温度に達したならば、その温度を温度センサーが感知し、スイッチに信号として送る。温度センサーからの信号を受けたスイッチは、電熱ヒーターへの通電を停止して電熱ヒーターがそれ以上に昇温しないようにする。その後、電熱ヒーターへの通電を停止したことで電熱ヒーターの近傍の温度が設定温度よりも下がると、それをまた温度センサーが感知して、その信号をスイッチに送り、スイッチは電熱ヒーターに通電するようにして電熱ヒーター周囲を設定温度に戻す。このようにして電熱ヒーター近傍は、或る温度範囲をもって設定温度に保たれる。従って、従来のリフロー炉は、立ち上げ初期は全ての電熱ヒーターに電流が流れるため大電流となるが、それぞれの電熱ヒーター近傍が設定温度になるとスイッチが電熱ヒーターへの通電をON-OFFして、リフロー炉全体の電流量は、立ち上げ初期よりも少なく、立ち上げ初期の略50％で推移する。

一般にリフロー炉の予備加熱温度は、63Sn-Pb（融点：183℃）のソルダペーストが塗布されたプリント基板場合、約100℃であり、鉛フリーはんだ、例えばSn-3Ag-0.5Cu（融点：217℃）のソルダペーストが塗布されたプリント基板の場合、約150℃である。ソルダペーストが塗布されたプリント基板を予備加熱するのは、ソルダペーストの飛散と電子部品の熱損傷を防ぐためである。つまりソルダペーストは溶剤を含むフラックスと粉末はんだとからなるものであるため、ソルダペーストがはんだの溶融温度以上の本加熱温度で急に加熱されると、溶剤が突沸してソルダペーストを不要な箇所に飛散させる。また電子部品を高温に急加熱すると、ヒートショックで電子部品の機能が劣化するため、予備加熱では電子部品を徐々に加熱して本加熱ゾーンでの高温に対するヒートショックを緩和するようにする。

リフロー炉の本加熱ゾーンでは、プリント基板をソルダペースト中の粉末はんだの融点以上に加熱して粉末はんだを溶融させることにより、はんだ付け部にはんだを付着させる。本加熱は、ソルダペーストの粉末はんだが63Sn-Pbである場合、約220℃であり、粉末はんだが前述鉛フリーはんだの場合、約240℃である。

従って、リフロー炉では、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンの温度が所定の温度、即ち予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された多数の電熱ヒーター近傍が設定温度になっていないと、はんだ付け不良や電子部品の熱損傷等という不都合を生じさせる原因となる。そのためリフロー炉ではんだ付けを行う場合、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンは、必ず所定の温度になっていなければならない。

リフロー炉における加熱は、電熱ヒーターの輻射熱だけのものと、熱風だけのもの、或いは輻射熱と熱風を併用したもの等がある。輻射熱は当然電熱ヒーターを使用しているが、熱風も必ず電熱ヒーターを使用している。つまり熱風を用いたリフロー炉は、熱風を発生する箱内に電熱ヒーターが設置され、該電熱ヒーターの発熱で加熱された気体をファンで吹き出させてプリント基板に当て、プリント基板を加熱するようになっている。

従来のリフロー炉における立ち上げ方法は、輻射熱だけのものに限らず熱風のものも立ち上げ初期から、電熱ヒーターには通常使用時の電流、即ち電熱ヒーターの発熱効率が100％発揮できる最適な電流を流していた。例えば、一つの電熱ヒーターの発熱に最適な電流が15Aであれば、立ち上げ初期から電熱ヒーターに15Aの電流を流して、電熱ヒーターの発熱効率を最大限に活用していたものである。

図３に示すグラフのLとM1の線は、従来のリフロー炉の立ち上げ時における一カ所の電熱ヒーターの通電状態を説明したものである。従来のリフロー炉の立ち上げ時には、電熱ヒーターに通常使用時の100％の電流Ｌを連続して流し、或る時間αが経過すると、電熱ヒーター近傍設定温度になる。すると、この温度電熱ヒーター近傍に設置された温度センサーが検知し、スイッチに信号を送る。スイッチは、この信号により電熱ヒーターへの通電を停止する。その後、通電停止により電熱ヒーター近傍の温度が設定温度よりも下がると、それを温度センサーが検知し、スイッチに信号を送り、スイッチは電熱ヒーターに通電する。このようにリフロー炉では、電熱ヒーター近傍が設定温度になると電熱ヒーターへのON-OFFが行われ、断続的な電流M1となって設定温度が保たれる。

ところでリフロー炉では、ソルダペーストを加熱溶融したときに、ソルダペーストのフラックスがフュームとなり、それがリフロー炉を構成する金属に付着して結露し、やがてそれが大量に堆積する。するとソルダペーストのフラックス中に含まれているハロゲン化物のような活性剤が金属部分を腐食させるようになる。そこでトンネルを構成するマッフル、プリント基板を搬送する搬送装置、電熱ヒーターを収納する箱、等は、フラックスが付着しても腐食しにくいステンレスで構成されている。しかしながらステンレスは、熱伝導が悪く、しかもリフロー炉は安全構造にしてあるため、マッフルは板厚が厚く、搬送装置のレールが太くなっていて、トンネル内全体を加熱するためには大きい熱量が必要となる。それ故、リフロー炉では、立ち上げ時に冷えたトンネル内を所定の温度に昇温させるために電熱ヒーターは、電力量の大きいものを使用しなければならない。リフロー炉の各ゾーンに設置されたそれぞれの電熱ヒーターの容量は、前述のようにせいぜい15A程度である。この電熱ヒーターは、小さいリフロー炉でも6個、大きいリフロー炉では16個以上というように多数設置されている。従って、リフロー炉の立ち上げ時に、全ての電熱ヒーターに一度に通電すると、240A以上の大電流が流れるようになる。

一般に、家庭用電気製品や通信機器を製造する工場では、消費電力の大きな装置は置かれていないため、工場内に導入する電気は大電流を流すような設備が設置されてなく、また太いケーブルも配備されていない。このような工場で大電流が必要なリフロー炉を立ち上げると、配電盤のブレーカーが落ちたり、ケーブルが発熱したりしてしまう。そこで大電流を使用できない工場におけるリフロー炉の立ち上げ時の不都合を解消するため、リフロー炉の立ち上げ時、全ての電熱ヒーターに一度に通電せず、一定時間経過毎に順次各ゾーンの電熱ヒーターに通電をしていくというヒーターの立ち上げ方法が特許文献１で提案されている。
特開平6-6331号公報

ところでリフロー炉では、プリント基板を所定の予備加熱温度と所定の本加熱温度で加熱しただけでは、部分的に温度が低くてソルダペーストが溶けなかったり、部分的に温度が高すぎて電子部品を熱損傷させてしまったりすることがある。これはリフロー炉の加熱状態がプリント基板の温度プロファイルに適合していないからである。この温度プロファイルとは、プリント基板をリフロー炉で加熱したときのプリント基板の各部分における温度上昇と加熱時間をグラフ化したもので、プリント基板の状態、例えば材質、厚さ、大きさ、電子部品の実装密度、電子部品の大きさ、等によって、それに適した温度プロファイルを描くような加熱条件にしなければならない。該温度プロファイルは、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された全ての電熱ヒーターの設定温度を決めて作られる。

例えば、前日使用したソルダペーストの粉末はんだが63Sn-Pbであり、翌日のソルダペーストの粉末はんだがSn主成分の鉛フリーはんだである場合は、当然温度プロファイルを変えなければならない。この温度プロファイルの変更は、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された電熱ヒーターの設定温度を変えることにより行う。しかしながら特許文献１の立ち上げ方法は、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された全ての電熱ヒーターの設定温度が前日と変わった場合には、その都度、それぞれの電熱ヒーターへの通電時間を測らなければならないという手間がかかるものであった。つまり特許文献１では、それぞれの電熱ヒーターがその設定温度になるまでの時間が分からないため、各電熱ヒーターの設定温度が変わった場合、事前にこの時間を測っておかなければならない。そして実際にリフロー炉の立ち上げを行う場合、事前に測っておいた時間まで加熱してから次の電熱ヒーターに通電するようにしていた。従って、特許文献１の立ち上げ方法は、はんだの種類やプリント基板の条件が変わる度に、それに適した温度プロファイルとなるよう全ての電熱ヒーターがその設定温度になるまでの時間を測らなければならないという手間がかかるものであった。

本発明者は、リフロー炉の立ち上げ時に大電流を流す必要がないばかりでなく、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された全ての電熱ヒーターの設定温度を決めておけば、通電時間の測定を行わなくても済むというリフロー炉およびリフロー炉の立ち上げ方法を提供することにある。

本発明者は、全ての電熱ヒーターへの通電時に電流を少なくしても、各電熱ヒーターは設定温度まで昇温させることができることに着目して本発明を完成させた。

本発明の第１発明は、リフロー炉の予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された複数の電熱ヒーターは、それぞれが電源に接続されており、それぞれの電熱ヒーターと電源間には電熱ヒーターに流す電流を0〜100％に可変可能な電力調整器が設置されているとともに、それぞれの電熱ヒーターの近傍には温度センサーが設置されていて、しかも該温度センサーは温度調節器を介して電力調整器に接続されていることを特徴とするリフロー炉である。

そして本発明の第２発明は、リフロー炉の予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された複数の電熱ヒーター近傍の温度を設定温度まで立ち上げる方法において、リフロー炉の立ち上げ時に全ての電熱ヒーターにはリフロー炉の通常使用の電流に対して20〜80％の電流を連続して流し、それぞれの電熱ヒーター近傍の温度が所定の設定温度に達したならばそれぞれ電熱ヒーターにリフロー炉の通常使用と同一の電流を流すとともに通電のON-OFFを行って設定温度を維持することを特徴とするリフロー炉の立ち上げ方法である。

本発明によれば、リフロー炉の立ち上げ時に大電流を流さないため、大電流使用設備のない工場であても配電盤のブレーカーが落ちたり、リフロー炉まで這わす配線ケーブルが焼け焦げたりするような問題をおこすことがないばかりでなく、前日と相違するはんだのソルダペーストを用いたりプリント基板の種類が変わったりした場合、それぞれの電熱ヒーターの設定温度を決めておくだけで、それらに適したプロファイルを描けるという安全性と合理性に優れたはんだ付け作業が行える。

本発明では、リフロー炉の立ち上げ時に、全ての電熱ヒーターに通電するが、このときの電流は通常使用の電流に対して20〜80％である。従って、立ち上げ時に全ての電熱ヒーターに通電しても、電流の合計量は少ない。本発明で全ての電熱ヒーターに流す電流が通常使用の20％よりも少ないと、設定温度に達するまでに時間がかかりすぎて作業開始が遅れてしまったり、設定温度まで昇温しなかったりする。しかるに、その電流が80％よりも多くなると、各電熱ヒーターに流れる電流の合計量が大電流となり、配電盤のブレーカーを落としたり配線のケーブルを焼け焦げさせたりするようになる。

以下、図面に基づいて本発明を説明する。図１は本発明のリフロー炉の正面断面図、図２は本発明のリフロー炉における電気回路図、図３はリフロー炉の立ち上げ状態における一カ所の電熱ヒーターへの通電状態を示すグラフである。

リフロー炉１には細長いトンネル２が形成されており、該トンネルは予備加熱ゾーンＰ、本加熱ゾーンＲ、冷却ゾーンＣとなっている。予備加熱ゾーンＰと本加熱ゾーンＲの上下部には熱風吹き出し型ヒーター３…が設置されており、冷却ゾーンＣ上下部には冷却機４、４が設置されている。トンネル２内には、搬送装置５が矢印Aのように予備加熱ゾーン方向から冷却ゾーン方向にむかって走行するようになっている。

トンネル２の上下部に熱風吹き出し型ヒーターが一対設置された部分を、予備加熱ゾーンＰから本加熱ゾーンＲに向かって順次第一ゾーンX、第二ゾーンY、第三ゾーンZという。実施例では説明に容易なように第三ゾーンまでのもので示したが、実際のリフロー炉では、大きいリフロー炉となると第八ゾーン以上あるものもある。

熱風吹き出し型ヒーター３には、吸い込み口６が形成されており、該吸い込み口の両側に多数の穴が穿設された吹き出し口７、７が形成されている。吸い込み口６の中には電熱ヒーターが配設されている。ここではそれぞれのゾーンに設置された一対の電熱ヒーターを後の説明に便宜なように、第一ゾーンの上部の電熱ヒーターをＪX、第一ゾーンの下部の電熱ヒーターをＫX、第二ゾーンの上部の電熱ヒーターをＪY、第二ゾーンの下部の電熱ヒーターをＫY、第三ゾーンの上部の電熱ヒーターをＪZ、第三ゾーンの下部の電熱ヒーターをＫZとする。これらの電熱ヒーターの近傍には温度センサー８が設置されている。また電熱ヒーター上部または下部にはシロッコファン９設置されており、該シロッコファンは熱風吹き出し型ヒーター３の外部に置かれたモーター１０と連動している。従って、熱風吹き出し型ヒーター３では、モーター１０を稼働させると、シロッコファン９が回転し、両側の吹き出し口７から気体を吹き出して中央の吸い込み口６から吸い込むようになる。吸い込み口６から吸い込まれた気体は、電熱ヒーターで加熱されて再度吹き出し口７、７から吹き出し、搬送装置５で搬送されるプリント基板Ｂを加熱する。

次に本発明のリフロー炉における電熱ヒーターの電気回路を図２で説明する。三相の電源１１から導出されたケーブルＵ、Ｖ、Ｗには、第一ゾーンXの電熱ヒーターＪX、ＫXと第二ゾーンYの電熱ヒーターＪYがデルタ接続されており、また第二ゾーンYの電熱ヒーターＫYと第三ゾーンZの電熱ヒーターＪZ、ＫZがデルタ接続されている。

それぞれの電熱ヒーターには、電流の流量を0〜100％可変可能な電力調整器Ｄが接続されている。また該電力調整器には温度調節器Ｔが接続されており、さらに該温度調節器には電熱ヒーターの近傍に設置された温度センサー８と接続されている。電力調整器とは、図示しない外部からの入力により電熱ヒーターに流れる電流を適宜な電流量に設定したり、温度センサーからの信号により電流の通電をON-OFFしたりするものである。

ここで本発明のリフロー炉における立ち上げ方法について説明する。先ず、それぞれの電熱ヒーター近傍の設定温度を決めておき、電力調整器Ｄを調整して電熱ヒーターに流れる電流量をリフロー炉の通常使用時の電流量に対して60％となるようにしておく。そして、それぞれの電熱ヒーターに60％の電流を通電後、電熱ヒーター近傍が電熱ヒーターの設定温度に達したならば電力調整器Ｄが100％の電流切り換えるように入力しておく。電熱ヒーター近傍の温度は、温度センサー８で検知する。この状態に準備してリフロー炉の立ち上げを行うと、全ての電熱ヒーターには60％の電流が流れ、リフロー炉を暖める。この時、リフロー炉の電熱ヒーター全体に流れる電流は、リフロー炉の通常使用時よりも少ないため、ブレーカーが落ちたりケーブルが焼け焦げたりしない。そしてそれぞれの電熱ヒーターが設定温度に達すると、電力調整器Dが稼働して電熱ヒーターに100％の電流を流す。それぞれの電熱ヒーターに100％の電流が流れるときには、電熱ヒーター近傍が設定温度になっているため、電熱ヒーターに流れる100％の電流は電力調整器でON-OFFされ、リフロー炉全体としては少ない電流量となる。

ここで本発明のリフロー炉における一カ所の電熱ヒーターの通電状態を図３で説明する。本発明のリフロー炉の立ち上げ時には、それぞれの電熱ヒーターに通常使用時の電流に対して60％の電流Ｎを連続して流す。そして60％の電流を或る時間β流して電熱ヒーター近傍の温度が設定温度に達したならば、それを温度センサーが検知し、一度通電を切るとともに、次に通電するときには、電熱ヒーターに100％の電流が流れるように切り換える。その後、通電停止で電熱ヒーター近傍の温度が設定温度よりも下がったならば、それを温度センサーが検知し、温度調節器が電力調整器に信号を送って100％の電流M2を断続的に流すようにする。

本発明は、赤外線リフロー炉、熱風リフロー炉以外にも高沸点の溶剤を用いたベーパーリフロー炉にも応用可能である。

本発明のリフロー炉の正面断面図である本発明のリフロー炉における電熱ヒーターの電気回路図である。本発明のリフロー炉の立ち上げを説明する総電流グラフである。

符号の説明

１リフロー炉
２トンネル
３熱風吹き出し型ヒーター
４冷却機
８温度センサー
Ｔ温度調節器
JX、KX 第一ゾーンの電熱ヒーター
JY、KY 第二ゾーンの電熱ヒーター
JZ、KZ 第三ゾーンの電熱ヒーター

Claims

リフロー炉の予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された複数の電熱ヒーターは、それぞれが電源に接続されており、それぞれの電熱ヒーターと電源間には電熱ヒーターに流す電流を0〜100％に可変可能な電力調整器が設置されているとともに、それぞれの電熱ヒーターの近傍には温度センサーが設置されていて、しかも該温度センサーは温度調節器を介して電力調整器に接続されていることを特徴とするリフロー炉。
リフロー炉の予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンに設置された複数の電熱ヒーター近傍の温度を設定温度まで立ち上げる方法において、リフロー炉の立ち上げ時に全ての電熱ヒーターにはリフロー炉の通常使用の電流に対して20〜80％の電流を連続して流し、それぞれの電熱ヒーター近傍の温度が所定の設定温度に達したならばそれぞれ電熱ヒーターにリフロー炉の通常使用と同一の電流を流すとともに通電のON-OFFを行って設定温度を維持することを特徴とするリフロー炉の立ち上げ方法。