JP2006156487A - リフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置とその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素型リフロー炉の窒素ガス消費量を低減する。
【解決手段】回路基板の上下から窒素ガスの熱風を吹き付けて半田溶融するリフロー炉内に、回路基板の搬送方向と同一または反対方向にわずかな量の窒素ガスを吹き出すことにより、炉内の窒素ガスの流動を制御して、リフロー炉の窒素ガス消費量を低減する。また炉内の窒素ガスの流動を制御することにより、炉内のフラックスの拡散を防ぎ、フラックス除去のための設備稼働コストも低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に窒素など不活性ガスの中で電子部品を搭載した回路基板を加熱して、半田付けを行うリフロー炉に関する。

現在、種々の電子部品が回路基板の表面に搭載されて半田付けされたＳＭＤ（Surface Mounted Device）が電子機器に広く用いられている。このＳＭＤを製作する方法には、部品を基板に挿入後、裏面を半田槽により半田付けするフロー工程と、クリーム半田を印刷した基板に実装部品を装着し、リフロー炉と呼ばれる加熱装置により基板を加熱してクリーム半田を溶融させるリフロー工程がある。

クリーム半田とは、回路基板上に実装部品を装着する際に保持する為の材料であり、半田の粒子を溶剤とフラックスと呼ばれる触媒で練ってクリーム状にした半田のことをいう。クリーム半田に含まれるフラックスは、半田溶融後炉内に充満し、これをフラックス回収装置で回収する。

またリフロー炉とは、電子部品が搭載された回路基板を、チェーンコンベアからなる搬送装置により搬送する間に、回路基板に熱風を吹き付け又は赤外線ヒータ等による加熱を行うことによって、半田を溶融させて回路基板と電子部品の半田付けを行う加熱炉である。
以下、半導体基板の加熱装置をリフロー炉又は単に炉と呼ぶ。

リフロー炉には外気の侵入を許す大気炉と、半田のぬれ性（溶融の状態）を良くする為に炉内に窒素ガスを充填して外気の進入を防ぐ窒素炉型リフロー炉がある。本発明の主な実施態様である窒素炉型リフロー炉を例に、背景技術を説明する。以下、外気又は窒素ガスのいずれも含む概念として雰囲気ガスと呼ぶ。

従来技術のリフロー炉の構造について、特許文献１の特開２００１−３０８５１２号公報の図面を参照しながら説明する。
図８に従来技術の窒素炉型リフロー炉の構造例を示す。このリフロー炉には複数のゾーンが設けられており、図左側の入口から５つが加熱ゾーン（すなわち予熱ゾーン１１７及びピーク加熱ゾーン１２３）、出口手前の１ゾーンが冷却ゾーン１３５となっている。この加熱ゾーン、冷却ゾーンの数はリフロー炉の種類によってそれぞれ異なる。
炉内にはレール間幅が可変な図示しない搬送レールが設けられており、この搬送レール上を複数の回路基板が、順次入口から出口に向かってチェーンコンベアによって炉内を搬送される。回路基板の大きさに応じて、可動レールが幅方向に移動し搬送レール間の幅が調整される。
リフロー炉の入口と出口には、図８に模式的に示されているラビリンスと呼ばれる空気流動防止装置が設けられている。ラビリンスはフィン状の複数の金属板からなり、この金属板の形状により空気の渦流を発生させて外気の侵入を防止している。

加熱ゾーンの内、最初の３ゾーンは余熱ゾーン１１７と呼ばれ、このゾーンでクリーム半田に含まれているフラックスを十分活性化させる。
その後、半田を溶融させるピーク加熱ゾーン１２３（以下リフローゾーンと呼ぶ）で回路基板２は所定の温度まで昇温される。半田が溶融されたあと回路基板２は冷却ゾーン１３５で冷却される。

炉内温度は予熱ゾーン１１７からリフローゾーン１２３にかけて上昇し、リフローゾーンで回路基板２の半田の溶融が行われる。その後冷却ゾーン１３５で冷やされて出口から搬出される。
リフロー炉の入口と出口には、上述したようにラビリンスと呼ばれる空気流動防止装置が外気のリフロー炉内への侵入を防止している。しかし、搬送レール上を流れる回路基板が次々に入口から搬入されるために、外気の進入を完全に防ぐことは困難である。従って、一般に炉内の窒素ガスの圧力を外気圧より高くして、ラビリンス近傍でのガスの流れが炉内から炉外に向かうように設定されている。

一方、雰囲気ガスとして用いられる窒素ガスは製造コストの一部であり、従って製造コストを下げるためには、この窒素ガスの消費量の低減が求められる。

このリフロー炉の各ゾーンでの加熱方法を図９により説明する。
図９は図８のＸ―Ｘ線に沿った断面図である。回路基板１０２は、搬送レール１０３上を紙面に直角、手前方向に搬送される。
モータ１０９で駆動される循環ファン１０８により、炉内窒素ガスが上方から吸引されて下方に吹き出される。この吸引の際、窒素ガスはヒータ１１０により加熱される。加熱された窒素ガスと赤外線ヒータ１２５により回路基板１０２が加熱される。
赤外線ヒータ１２５は、回路基板１０２の下方にも設けられており、回路基板下部も同時に加熱される。
回路基板を加熱した窒素ガスはヒータ１１０で加熱された後、循環ファン１０８により吸引されて再び下方に向かって吹き出される。図示しない封入口から新たな窒素ガスが供給され、炉内の窒素ガスの圧力が一定の値に保たれ、リフロー炉への外気の侵入を防いでいる。

近年、環境調和型製品開発の観点から鉛を含まない半田（以下、鉛フリー半田と呼ぶ）が主流となっている。従来多く使用されていた錫―鉛共晶半田の融点は１８３℃であるのに対し、鉛フリー半田は融点が２２０℃前後と高いため、回路基板を加熱する温度は２３０℃から２４０℃程度にする必要がある。

一方、電子部品の中には耐熱性の低いものがあり、２４０℃以上に加熱すると損傷を受けてその信頼性が失われる場合がある。
従来の錫―鉛半田では融点が１８３℃であり、回路基板の耐熱温度限界が２４０℃であって、その差が約５０℃だったものが、鉛フリー半田では、融点が２２０℃と高くなったにもかかわらず、回路基板の耐熱温度限界は同じく２４０℃である。従って許容温度差は２０℃以下となる。従って、リフロー炉での回路基板を加熱する温度調整が、鉛フリー半田の採用によって更に厳しいものとなっている。

そこで、回路基板の温度制御が難しい赤外線ヒータによる加熱方法を避け、回路基板の上下ともに所定の温度に加熱された熱風により回路基板を加熱する熱風方式が採用されることが多くなっている。一般に、回路基板面に熱風を吹き付けて回路基板を加熱する方式は、衝突噴流式と呼ばれ熱伝達率が高く、加熱能力に優れているという特長がある。
特開２００１−３０８５１２号

上述したとおり、近年環境調和性のある鉛フリー半田を回路基板に使用することが多くなっている。しかし、鉛フリー半田は融点が高いにもかかわらず、電子部品の耐熱温度が変わらないためにリフロー炉の加熱に厳しい温度コントロールが求められるようになった。その為、熱風と赤外線ヒータなどを併用して回路基板を加熱する従来型のリフロー炉から、もっぱら熱風により回路基板を加熱するタイプのリフロー炉が近年主流となってきている。

一方、半田付けの際の酸化による回路基板の劣化を防ぎ回路基板の高信頼性を確保するために、低酸素濃度での半田付け作業を要求するユーザも増えている。上述したように炉の構造の制約上、炉の入口または出口からの外気の侵入を完全に防げない窒素型リフロー炉においては、炉内の低酸素濃度を実現するためには多量の窒素を絶えず炉内に吹き込むことが必要となるため、製造コストにおいて無視できなくなっている。従って窒素型リフロー炉では、所定の半田溶融温度を低酸素状態で実現し、しかも窒素の消費量を減らす必要があるという課題があった。

一般にリフロー炉では、回路基板の移動に伴って入口から出口方向への窒素ガスの流動が生じやすい。その他に回路基板の有無によっても窒素ガスの流れは変化する。この窒素ガスの流れの変動に伴って、炉内には予測不可能な窒素ガスの流動が発生する。この流動により炉入口又は出口から外気が進入して、炉内酸素濃度が上昇する。
これを防止する為には窒素ガスの流量を増やし、炉内ガス圧力を増やす方法がある。しかし、この方法は窒素ガスの消費量の増加につながることになる。

一方、炉内ガスの流動を打ち消すために炉入側又は出側から窒素ガスを吹き込む方法が考えられる。しかし、鉛フリー半田の採用に伴って、上述したとおり回路基板の上下方向から熱風を吹き付ける構造のリフロー炉が採用され、炉内には定常的に強力な上下方向の窒素ガスの流れが存在する。従って、炉入側又は出側からの窒素ガスの吹込みでは、炉内の窒素ガスの流動を抑えることが困難であった。各ゾーンの上下方向の強力な窒素ガスの流れが、いわゆるエアカーテンの働きをしているためと考えられる。
そこで発明者等は様々な実験、研究を繰り返し、リフロー炉内の窒素ガスの流動を以下に述べる手段で抑止できることを発見した。

上記課題を解決するために、発明者等は鋭意研究、実験を重ねた。その結果、リフロー炉内の所定の場所に回路基板の搬送方向と同一又は反対方向に窒素ガスを吹き出す舵取り機構を設けることによって、炉内の窒素ガスの流動を抑え、炉内窒素ガスの静止化が図れ、その結果として所定の酸素濃度を保持するために必要な窒素量を大きく軽減できることを見出した。
また、本舵取り機構により炉内の窒素ガスの流動が抑えられるために、炉の入口/出口でエアカーテン状に上下方向に窒素ガスを吹き出して外気の進入を防止する方法等に比べて、炉内で発生したフラックスの拡散を防止することも可能となることも判明した。フラックスの拡散を防止することにより、炉内装置に付着したフラックスの除去作業が減り、リフロー炉の稼動コストを下げることができる。

本発明に係るリフロー炉の第１の態様は、搬送装置によって搬送される回路基板を加熱するリフロー炉であって、雰囲気ガスを循環させる循環ファンと、当該雰囲気ガスを加熱するヒータと、当該ヒータによって加熱された前記雰囲気ガスを前記回路基板に吹き付ける吹付ノズルと、前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスを吸引する吸込口と、前記回路基板の搬送方向と同一又は逆方向に前記雰囲気ガスを吹き出す舵取り機構を備えることを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置である。

本発明に係るリフロー炉の第２の態様は、前記雰囲気ガスが窒素等の不活性ガスであり、前記リフロー炉内に充填されることを特徴とする第１の態様に記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置である。

本発明に係るリフロー炉の第３の態様は、前記舵取り装置が前記リフロー炉内の前記予熱ゾーン、前記加熱ゾーン又は前記冷却ゾーン内の１又は複数箇所に、前記吹出ノズルが１又は複数個設けられていることを特徴とする第１又は第２の態様に記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置である。

本発明に係るリフロー炉の第４の態様は、前記リフロー炉入側又は出側から当該リフロー炉の中央部に向かって配設された１又は複数の配管に、前記吹出ノズルがそれぞれ１又は複数個付設されていることを特徴とする第１乃至第３のいずれか１つの態様に記載するリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置である。

本発明に係るリフロー炉の第５の態様は、前記配管が前記リフロー炉の稼動搬送レール及び/又は固定搬送レールに沿って配設されていることを特徴とする第１乃至第４のいずれか１つの態様に記載するリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置である。

本発明に係るリフロー炉の第６の態様は、前記吹出ノズルが、Ｕ字型形状であって前記配管が前記リフロー炉入側又は出側から前記リフロー炉中央部に向かう方向と逆方向に雰囲気ガスを吹き出す前記吹出ノズルであることを特徴とする第１乃至第５のいずれか１つの態様に記載するリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置である。

本発明に係るリフロー炉の第７の態様は、前記リフロー炉に、更に当該リフロー炉内の温度測定器が１又は複数個設置され、当該測定器の測定温度変化により前記舵取り機構の前記雰囲気ガス吹出方向及び吹出量を制御する装置からなる、第１乃至第６のいずれか１つの態様に記載するリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置である。

本発明に係るリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法の第８の態様は、搬送装置によって搬送される回路基板を加熱するリフロー炉であって、雰囲気ガスを前記循環ファンにより循環させ、当該雰囲気ガスをヒータにより加熱し、当該ヒータによって加熱された前記雰囲気ガスを前記回路基板に噴出ノズルにより吹き付け、前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスを吸込口から吸引し、前記回路基板の搬送方向と同一又は逆方向に、舵取り機構により前記雰囲気ガスの吹出方向、吹出量を変化させることにより、前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスの流動を制御することを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法である。

本発明に係るリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法の第９の態様は、第８の態様に更に、前記リフロー炉内に１又は複数個設置された当該リフロー炉内の温度測定器からの温度変化を基に、前記雰囲気ガスの流動方向を検出し、これを打ち消す方向に前記舵取り機構の前記雰囲気ガス吹出方向及び吹出量を制御することにより、前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスの流動を制御することを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法である。

本発明に係るリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法の第１０の態様は、前記舵取り機構が、前記リフロー炉内の予熱ゾーン、加熱ゾーン又は冷却ゾーン内の１又は複数箇所に、前記吹出ノズルが１又は複数個配設されていることを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法である。

本発明に係るリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法の第１１の態様は、前記吹出ノズルが、前記リフロー炉入側又は出側から当該リフロー炉の中央部に向かって配設された１又は複数の配管にそれぞれ１又は複数個付設されていることを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法である。

本発明に係るリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法の第１２の態様は、前記配管が、前記リフロー炉の稼動搬送レールおよび/又は固定搬送レールに沿って配管されていることを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法である。

本発明に係るリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法の第１３の態様は、前記吹出ノズルが、Ｕ字型形状であって前記配管が前記リフロー炉入側又は出側から前記リフロー炉中央部に向かう方向と逆方向に雰囲気ガスを吹き出すことを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法である。

炉内の所定の場所に設けられた吹出ノズルから吹き出されるわずかな量の窒素ガスによって、炉内の窒素ガスの流動が制御される。その結果、所定の炉内酸素濃度を保持するために必要な窒素ガスの量を軽減することが可能となり、設備稼働のコストを低減できる。また必要な窒素ガス流量が低減されることにより関連する設備も小さくできる。
また本発明によりリフロー炉内の雰囲気ガスの流動を制御できるために、炉内のフラックスの拡散を防ぐことができる。これによりフラックスが炉内設備に広範に付着することを防止でき、フラックス除去のための設備稼働コストも合わせて低減できる。この効果は窒素型リフロー炉に限らず、大気の侵入を許す大気型リフロー炉でも同様に発揮できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒素型リフロー炉の全体構成を表す図である。図１左側に図示する炉の入側から、図示しない搬送ラインに搭載された複数の図示しない回路基板が図の右側の炉出側に向かって矢印Ａの方向に搬送される。
入側、出側には上述したラビリンスと呼ばれる空気流動防止装置が設けられている。図１ではその構造が模式的に表されている。このラビリンスにより炉の入側、出側からの外気の侵入を防止している。しかし、搬送ライン上を回路基板が搬入されるために、完全に外気の進入を防止することはできないのは、上記背景技術の説明で説明したとおりである。

炉の入側から炉の中央部に向かって伸びているのは、本発明に係る舵取り機構の吹出ノズル用配管である。この配管に１あるいは複数の吹出ノズルが付設され、回路基板の搬送方向と同一あるいは逆方向に窒素ガスを吹き出し、炉内の窒素ガスの流動を制御する構造となっている。

第１の実施形態による窒素型リフロー炉では、炉の入側から計７ゾーンが加熱ゾーンとなっている。この加熱ゾーンは、最初の４ゾーンが予熱ゾーン、続く３ゾーンがリフローゾーン（ピーク加熱ゾーン）となっている。このリフローゾーンで回路基板のクリーム半田を溶融する。リフローゾーンの後に冷却ゾーンが２つ設けられており、半田溶融後に回路基板を冷却し、炉出側より搬出する。
リフロー炉により、加熱ゾーン、冷却ゾーンの数は異なり、加熱ゾーン中の予熱ゾーン、リフローゾーンの数もそれぞれ異なる。

予熱ゾーンを移動中に回路基板は予熱され、上述したようにクリーム半田に含まれているフラックスが活性化される。十分予熱された回路基板はリフローゾーンに移動し、ここで半田溶融に必要な温度まで更に加熱される。
半田が溶融された回路基板は冷却ゾーンで冷却される。冷却された回路基板は炉の出側から搬出される。この出側にも入側と同様にラビリンスが設けられ、外気の侵入を防いでいる。

次にリフロー炉の熱風加熱方式を図２を用いて説明する。
図２は、図１のＢ―Ｂ線に沿った断面図である。図中、１は炉の外郭構造（シェル）の断面を示す。シェルは図示しない断熱材で覆われている。外気と炉内窒素ガスとの熱交換を防ぐためである。
２は、回路基板である。搬送レール３ａおよび３ｂにより、紙面と直角方向に手前に向かってチェーンコンベアによって移動する。
搬送レールは、固定搬送レール３ａと可動搬送レール３ｂから構成されている。可動搬送レール３ｂは搬送する回路基板のサイズに従って、幅方向（図２の左右方向）に移動する構造となっている。
５はチャンバーである。回路基板２を加熱した後、循環ファン８によって吸収される窒素ガスと、ヒータ１０で加熱された加熱用窒素ガスとを分離するために設けられた囲いである。
１１は吹出パネルである。吹出パネルにはヒータ１０により加熱された窒素ガスを吹き出す吹付ノズル６が多数設けられている。この吹付ノズル６から加熱された窒素ガスの噴流（Ｅ）が回路基板２に衝突することにより回路基板２が加熱される。上述したとおり、本衝突噴流式は熱伝達率が高く、加熱能力に優れているという利点を持つ。
１２は、シール装置である。このシール装置１２によってリフロー炉への外気の進入を防止している。
１５は、本発明に係る吹出ノズルの配管である。本実施形態では上述したとおり炉の入口より炉の中央部に向かって配管され、所定のゾーンで先端に図示しない吹出ノズルが設けられている。

次に、炉内の窒素ガスの動きについて同じく図２を用いて説明する。
モータ９で駆動される循環ファン８により、炉内窒素ガスが下部より吸引され、図中符号Ｄで示すように循環ファン８の両側から吹き出される。また図示しない窒素ガス封入口より新たな窒素ガスが吹き込まれる。この新たに吹き込まれた窒素ガスと、循環ファン８から吹き出された窒素ガスは電熱ヒータ１０により加熱される。
所定の温度に昇温された窒素ガスの流れＤは吹付ノズル６から回路基板２に向かって吹き付けられる。Ｅがこのときの窒素ガスの流れを示す。
上述した窒素ガス吹付装置と同じ構造の装置が、回路基板の下部側にも設けられている。

回路基板を加熱した窒素ガスは吸引口７から吸引され、循環ファン８により再び循環ファン８の両側に吹き出され、ヒータ１０で加熱される。吸引される前の、温度の低下した窒素ガスと循環器から吹き出された高温の窒素ガスはチャンバー５により隔離されている。

図３で、本発明に係る吹出ノズルの配管と吹出ノズルの設置例について説明する。
図中、左側が炉の入口、右側が炉の出口である。入口出口には上述したラビリンスが設けられている。３ａおよび３ｂは図示しない回路基板を入口から出口に向かって搬送する搬送レールである。内３ａは固定搬送レールである。
３ｂは可動搬送レールである。回路基板のサイズに応じて、可動搬送レール３ｂは図３の上下方向に移動することにより搬送レール間幅が調整される。
図３ａは、炉の入口から炉の中央に向かって吹出ノズル用配管１５が設置されている例を示す。この例では1本の配管は固定搬送レール３ａに沿って配管され、もう1本の配管は可動搬送レール３ｂに沿って配管されている。すなわち可動搬送レール３ｂが移動するとこの搬送レール３ｂに沿って配管された配管も炉内幅方向に移動し、配管の先に付設された吹出ノズルから吹き出される窒素ガスの吹き出し位置も変化する。

一般に、回路基板のサイズによって、また回路基板の有無によって炉内の窒素ガスの流れは変動する。吹付ノズルから吹き出される窒素ガスの流れは回路基板に当たって反射するからである。
回路基板はリフロー炉内の搬送レール上を移動する。回路基板の移動に伴って、リフロー炉内の各ゾーンでは回路基板が存在する場合と存在しない場合がある。
図２で説明したように吹付ノズル６から吹き出される窒素ガスの流れＥは、回路基板２がある場合には回路基板で反射されたあと上部吸引口７から吸い込まれ、回路基板がない場合にはそのまま進み、反対側の下部吸引口７に吸い込まれる。このように回路基板２の位置によって炉内の窒素ガスの流れが変化することから、炉内の窒素ガスの流動を抑える吹出ノズルも、搬送レール間幅の違いによって、窒素ガスを吹き出す場所を変化させる必要がある。

また、既設のリフロー炉に本発明に係る対吹出ノズルを設ける場合には、固定、又は可動搬送レールに沿って配管する方法は新たな設備を設ける必要がなく、リフロー炉の改修が少なくて済むという利点がある。

図３は、本発明に係る吹出ノズルの設置例を示す。
図３（ａ）は、リフロー炉の入口から炉の中央に向かって吹出ノズル用配管１５が設置されている例を示している。同様の構成は、図３（ｂ）に示すように炉の出口から中央に向かって配管することも可能である。
また、配管の先頭に取り付ける吹出ノズルをＵ字管状として、配管方向とは反対方向に窒素ガスを吹き出すようにすることも可能である。

通常、この吹出ノズルは予熱ゾーンと加熱ゾーンの境界付近に設けるのがもっとも効果的であるが、炉の構造によっては他の部分に設けることにより更に効果があがることもある。

図４に、本発明に係る吹出ノズルの様々な形態を示す。
図４（ａ）（ｂ）は、配管と同一方向に窒素ガスを吹き出すための吹出ノズルである。炉内の窒素ガスの流動が炉の出側から入側に向かっているリフロー炉で、吹出ノズル用配管を炉の出口から炉の中央部に向かって設置するとき、又は流動が入側から出側に向かっているときに炉の入口から配管するときに有効である。
配管パイプのルートを炉の入口からとするか、出口からとするかは、配管パイプ内を窒素ガスが流れるとき、通過するゾーンによる予熱効果を得るためである。
図４（ｃ）（ｄ）に示すＵ字管状吹出ノズルは、配管方向と逆方向に窒素ガスを吹き出すときに有効である。炉の入口から炉の中央部に向かって配管１５内を窒素ガスが流れ、予熱ゾーン、加熱ゾーンで配管内の窒素ガスが余熱され、リフローゾーンと冷却ゾーンの境で炉の入側に向かって、すなわち配管方向とは逆方向に窒素ガスを吹き出すときなどに適している。

図５（ａ）（ｂ）に示す吹出ノズルは、回路基板下方に向かって窒素ガスを吹き出す際に有効である。配管上の制約から、水平方向に窒素ガスを吹き出した場合に窒素ガスが回路基板に当って回路基板を冷却するおそれがあるとき、このタイプのノズルが適している。
図５（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、１つの配管に１つのノズルを設けるタイプである。回路基板のサイズに応じて炉内幅方向の窒素ガス吹出量を増減させ又は吹出方向を変更する場合に適している。
配管内に分岐弁を設けて、配管に付設された複数のノズル毎の窒素ガス吹出量、方向をそれぞれ変化させることも可能である。

図６（ａ）は、複数のゾーンで窒素ガスを吹き出すときに有効な配管である。例えば、余熱ゾーンと加熱ゾーンと冷却ゾーンそれぞれの境界部で窒素ガスを吹き出すときなどである。同じく配管内に分岐弁を設けて、配管に付設された複数のノズル毎の窒素ガス吹出量を変化させることも可能である。
以上の配管方法は、特に既設の炉に本発明を追加するときに有効な方法であるが、新設炉でも同じ配管構造にすることができる。
図６（ｂ）は、新設リフロー炉で、あらかじめ複数ゾーン間に吹出ノズル装置を設ける場合の配管例である。
余熱ゾーン、リフローゾーン、冷却ゾーンの各境界に幅方向に３つのノズルをそれぞれ入側方向、出側方向に設けておき、炉内の窒素ガスの流動方向、回路基板のサイズに応じて、それぞれのノズルの吹出量を調節する。
以上説明した配管方法、ノズルの形状は例であり、炉の構造、回路基板のサイズ等により様々な吹出ノズルの適用が考えられる。

以上説明したとおり本発明は、主に回路基板の上部と下部をそれぞれ熱風の衝突噴流方式で加熱するリフロー炉において、特にその効果が発揮される。
従来技術として、リフロー炉の入口又は出口から窒素ガスを吹き込み、リフロー炉内の窒素ガスの流動を防止する様々な方法がある。しかし、上述したように各ゾーンで上下方向に強力な窒素ガスの流れが生じている近年主流のリフロー炉では、入口または出口から吹き込まれた窒素ガスは、各ゾーンにおいて上下方向の窒素ガスの流れがいわゆる複数のエアカーテンの役目を果たし、炉の中央部における窒素ガスの流動を制御することはできなかった。

炉の入口及び出口に炉内ガス流量の計測装置、例えばオリフィス管等を設けて、流動が発生した際には、その流動の方向を打ち消す方向に本発明に係る吹出ノズルにより雰囲気ガスを吹き出すことにより、炉内の流動を制御することができる。また、炉内の流動を制御することにより、フラックスが炉内装置に広範囲に付着することも防止できる。

回路基板の上部に熱風吹付ノズル、回路基板の下部には赤外線ヒータを設けた従来タイプのリフロー炉であっても、本発明に係る吹出ノズルにより炉内の流動を制御することができる。炉内で流動が生じる場所に直接窒素ガスを吹き出すことにより、炉の入口、出口で窒素ガスを吹き込む方法より、効率良く炉内の窒素ガスの流動を制御することができるからである。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態は、炉内複数箇所に温度測定装置（図２の符号１６）、例えば熱電対を設置して各ゾーンでの炉内温度を測定する。この炉内温度変化に応じて吹出ノズルからの窒素ガスの吹出方向、吹出し量を制御するリフロー炉である。

図７（ａ）は炉の入口から出口までの炉内温度分布を示す。縦軸は炉内温度、横軸は炉内ゾーンを示す。
図７に示すリフロー炉では、４つの予熱ゾーン、３つのリフローゾーンそして２つの冷却ゾーンがそれぞれ設けられている。
炉入口での外気温はＴａである。４つの予熱ゾーンで順次炉内温度は上昇する。リフローゾーンで更に加熱され、回路基板の表面がクリーム半田の融点Ｔｂを越えるまで昇温される。リフローゾーンで半田の溶融が行われた後、２つの冷却ゾーンで炉内温度は低下する。

炉内で窒素ガスの流動が発生すると、それにつれて炉内の温度分布も変化する。図７（ｂ）の点線は、炉の入口から出口に向かって窒素ガスの流動が発生しているときの炉内温度分布を示している。高温のリフローゾーンの窒素ガスがわずかに冷却ゾーンに向かって流動することにより、リフローゾーンの炉温が低下し、冷却ゾーンの炉温が上昇する。
逆に炉の出口から入口に向かって窒素ガスの流動が発生しているときは図７（ｃ）の点線が示す温度分布となる。

この温度分布の変化に基づいて炉内の窒素ガスの流れを検出し、上述した本発明に係る吹出ノズルから窒素ガスの流動方向と逆方向に窒素ガスを吹き出すことにより、炉内の窒素ガスの流動を制御することができる。

炉内温度分布の変更に伴う窒素吹出量の具体的な制御方法は、例えば次の手順による。
１．定期的に炉内複数ゾーンでの炉内温度を測定する。炉内温度測定は例えば熱電対により測定する。各ゾーンに温度計を設置してもよいが、特に予熱ゾーンとリフローゾーンの境界、リフローゾーンと冷却ゾーンの境界での温度変化が大切である。
２．炉内温度が一定値以上に変化したとき、各炉内温度の変化から窒素ガスが炉の入側に向かって流動しているのか、又は出側に向かって流動しているのかを判断する。予熱ゾーンとリフローゾーンとの境界の温度が下がり、リフローゾーンと冷却ゾーンの境界での温度が上がっているときには、炉内に入側から出側に向かっての窒素ガスの流動が発生していることが検出できる。３つあるリフローゾーンの中でもそれぞれの温度変化をもとにゾーン間の窒素ガスの流動を検出できる。
３．吹出ノズルから、炉内窒素ガスの流動方向と反対方向に微量の窒素ガスを吹き出す。
４．以降、上記各位置での炉内温度変化から流動が止まったことが検出できれば、吹出ノズルからの窒素ガス吹き出しを停止する。更に細かく、吹出ノズルからの窒素流出量を制御する方法もある。

（実験結果）
発明者等が行った実験結果を図１０に示す。図１０は、実際に窒素型リフロー炉を用いて、本願発明に係る舵取り機構の効果を確認した結果である。
本実験に使用した窒素型リフロー炉は１２の加熱ゾーン、２の冷却ゾーンを有する、回路基板の上部、下部共に熱風で加熱するタイプのリフロー炉である。
本実験において、炉の出側から炉の中央部に向かって配設した配管の先に炉の入口に向かって窒素ガスを吹き出す吹出ノズルを設けた。この配管は可動搬送レール（図３の符号３ｂ）に沿った形で設置して、搬送レール間幅の変動に対応して窒素ガスを吹き出す位置が変わるようにしたものである。
回路基板のサイズにより、すなわち搬送レール間幅の変動によりどのように炉内酸素濃度が変化するか測定した。
窒素供給元圧０．５ＭＰａ、熱風周波数３５Ｈｚで窒素流出量を変化させながらその効果を炉内酸素濃度で観測した。その結果、図１０に示す結果を得た。

吹出ノズルを使用しない、すなわち吹出ノズルから窒素ガスを吹き出さない状態で、搬送レール幅を１００ｍｍから２５０ｍｍまで変化させて、それぞれの炉内酸素濃度を測定した。この時のリフロー炉内窒素流出量は計２００Ｌ/分であった。
結果は、いずれの搬送レール幅でも炉内酸素濃度は１０００ｐｐｍ以上であった。具体的な数値は省略している。ちなみに外気の酸素濃度は２０万ｐｐｍである。

次に、炉内トータル窒素流量は２００Ｌ/分のままで、本発明に係る吹出ノズルから炉内窒素ガスの流動方向と逆向きに２０Ｌ/分の窒素を吹き出した。吹出ノズルは、第１０ゾーンの入口側に設置した。すなわち半田溶融を行うリフローゾーンの手前（予熱ゾーン側）である。
この場合、各搬送レール幅での炉内酸素濃度は、搬送レール間幅１００、１５０、２５０ｍｍにおいて、それぞれ炉内酸素濃度の安定値は１５０、２２５、２１５ｐｐｍであった（図１０参照）。多少のばらつきはあるものの、概ねその値は１５０ｐｐｍから２２５ｐｐｍであった。
炉内窒素流量が同じく２００Ｌ/分であったときに比べて、吹出ノズルを使用したことにより、１０００ｐｐｍ以上であった炉内酸素濃度が２００ｐｐｍ前後まで下がったことを示している。窒素ガスが吹出ノズルから炉の入側方向に吹き出されたことにより、炉内を入側から出側に向かって流れていた窒素ガスの流動が抑制され、それに伴って炉入口からの外気侵入が防止できて、炉内の低い酸素濃度を実現できたことを示している。

更に、吹出ノズルを使用しないで上記と同程度の炉内酸素濃度を得るために、どれだけの炉内トータル窒素流量が必要であるか実験した。
すなわち、各ゾーンでの新たな窒素吹込量を増やし、リフロー炉内の窒素ガスの圧力を高めることにより外気の侵入を防ぎ、それにともなって炉内の酸素濃度が低下する。
実験の結果、トータル窒素流量を２５０Ｌ/分に増やしたときに、搬送レール間幅１００、１５０、２５０ｍｍにおいて、それぞれ炉内酸素濃度の安定値は１２７、２１４、２１５ｐｐｍであった。多少のばらつきはあるものの、概ねその値は１５０ｐｐｍから２２５ｐｐｍであり（図１０参照）、上記とほぼ同等の炉内酸素濃度を得ることができた。
すなわち、本発明の吹出ノズルを使用することにより同等の炉内酸素濃度を得るための窒素流量を２５０Ｌ/分から２００Ｌ/分に軽減できることが判明した。

この実験結果より、炉内の窒素ガスの流動を打ち消す方向にわずかな量（本実験では２０Ｌ/分）の窒素ガスを吹出ノズルから吹き出すだけで窒素ガスの流動を抑えることができ、その結果良好な炉内酸素濃度を実現できることが確認できた。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るリフロー炉の全体図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係るリフロー炉の断面図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る吹出ノズルの設置例を表す炉の平面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る吹出ノズルの例を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る吹出ノズルの例を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る吹出ノズルの例を示す図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係る炉内雰囲気温度の分布図である。 図８は、従来技術に係るリフロー炉の全体図である。 図９は、従来技術に係るリフロー炉の断面図である。 図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る実験結果を表す表である。

符号の説明

１：シェル（外郭構造）
２：回路基板
３：搬送装置
３ａ：固定搬送レール
３ｂ：可動搬送レール
４：リフロー炉チャンバー
５：チャンバー
６：吹付ノズル
７：吸込口
８：循環ファン
９：ファンモータ
１０：ヒータ
１１：吹出パネル
１２：シール装置
１５：吹出ノズル
１６：温度測定器
２３：ピーク加熱ゾーン
２５：赤外線ヒータ
２９：熱風循環器
１０２：回路基板
１０３：搬送装置
１０９：ファンモータ
１１０：電熱ヒータ
１１７：予熱ゾーン
１１９：中間加熱ゾーン
１２３：ピーク加熱ゾーン
１２５：赤外線パネルヒータ
１２９：熱風循環器
１３５：冷却ゾーン

Claims (13)

1. 搬送装置によって搬送される回路基板を加熱するリフロー炉であって、
   雰囲気ガスを循環させる循環ファンと、
   当該雰囲気ガスを加熱するヒータと、
   当該ヒータによって加熱された前記雰囲気ガスを前記回路基板に吹き付ける吹付ノズルと、
   前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスを吸引する吸込口と、
   前記回路基板の搬送方向と同一又は逆方向に、前記雰囲気ガスを吹き出す舵取り機構を、
   備えることを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置。
2. 前記雰囲気ガスが窒素等の不活性ガスであって、前記リフロー炉内に当該不活性ガスが充填されることを特徴とする請求項１に記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置。
3. 前記舵取り機構が、前記リフロー炉内の予熱ゾーン、加熱ゾーン又は冷却ゾーン内の１又は複数箇所に配設された、少なくとも１つの吹出ノズルからなる請求項１又は２に記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置。
4. 前記リフロー炉入側又は出側から当該リフロー炉の中央部に向かって配設された１又は複数の配管に、少なくとも１つの前記吹出ノズルが付設されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置。
5. 前記配管が、前記リフロー炉の可動搬送レール及び/又は固定搬送レールに沿って配設されていることを特徴とする請求項４に記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置。
6. 前記吹出ノズルが、Ｕ字型形状であって前記配管が前記リフロー炉入側又は出側から前記リフロー炉中央部に向かう方向と逆方向に雰囲気ガスを吹き出す前記吹出ノズルであることを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれか１つに記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置。
7. 前記リフロー炉に、更に当該リフロー炉内の温度測定器が１又は複数個配設され、当該温度測定器の前記リフロー炉内の測定温度変化により前記舵取り機構の前記雰囲気ガス吹出方向及び吹出量を制御する装置からなる、請求項１乃至６のうちいずれか１つに記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減化装置。
8. 搬送装置によって搬送される回路基板を加熱するリフロー炉であって、
   雰囲気ガスを循環ファンにより循環させ、
   当該雰囲気ガスをヒータにより加熱し、
   当該ヒータによって加熱された前記雰囲気ガスを前記回路基板に吹付ノズルから吹き付け、
   前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスを吸込口から吸引し、
   前記回路基板の搬送方向と同一又は逆方向に、舵取り機構により前記雰囲気ガスの吹出方向及び吹出量を変化させることにより前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスの流動を制御することを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法。
9. 請求項８に記載の加熱方法に更に、
   前記リフロー炉内に１又は複数個配設された当該リフロー炉内の温度測定器からの前記リフロー炉内の温度変化を基に、前記雰囲気ガスの流動方向を検出し、これを打ち消す方向に前記舵取り機構の前記雰囲気ガス吹出方向及び吹出量を制御することにより、前記リフロー炉内の前記雰囲気ガスの流動を制御することを特徴とするリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法。
10. 前記舵取り機構が、前記リフロー炉内の予熱ゾーン、加熱ゾーン又は冷却ゾーン内の１又は複数箇所に配設された、少なくとも１つの吹出ノズルからなることを特徴とする、請求項８および９のうちいずれか１つに記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法。
11. 前記吹出ノズルが、前記リフロー炉入側又は出側から当該リフロー炉の中央部に向かって配設された１又は複数の配管に、少なくとも１つの前記吹出ノズルが付設されていることを特徴とする請求項８乃至１０のうちいずれか１つに記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法。
12. 前記配管が、前記リフロー炉の可動搬送レール及び/又は固定搬送レールに沿って配設されていることを特徴とする請求項８乃至１１のうちいずれか１つに記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法。
13. 前記吹出ノズルが、Ｕ字型形状であって前記配管が前記リフロー炉入側又は出側から前記リフロー炉中央部に向かう方向と逆方向に雰囲気ガスを吹き出すことを可能とする前記吹出ノズルであることを特徴とする請求項８乃至１２のうちいずれか１つに記載のリフロー炉窒素ガス消費量の低減方法。

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