JP2011245529A - リフロー半田付け装置の加熱炉内への窒素ガス供給システムおよび供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素ガスの消費量を削減できるリフロー半田付け装置の加熱炉内への窒素ガス供給システムおよび供給方法を提供する。
【解決手段】本発明の窒素ガス供給システムは、第１および第２の窒素ガス供給手段と搬送コンベア上の半田付け対象のワークを加熱炉の入り側手前で検知する検知センサーを備え、ワークが加熱炉内に搬送されていないときは第１の窒素ガス供給手段から窒素ガスを供給し、ワークが加熱炉内に搬送されているときは、第１および第２の窒素ガス供給手段から窒素ガスを供給して、加熱炉内においてワーク搬送時のみ低酸素雰囲気でリフロー半田付けを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板等の基板に電子部品等の部品を半田付けするリフロー半田付け装置の加熱炉内への窒素ガス供給システムおよび供給方法に関するものである。

電子機器の各種回路が構成されている基板、例えばプリント基板に対して、各種回路を構成するための電子機器の実装を行う技術がある。実装されたチップ部品等の電子部品は、プリント基板の配線部に対して半田付けにより電気的に接続を行うが、このような半田付けの技術として、リフロー半田付けが通常行われている。リフロー半田付けは、プリント基板の所定の部位に対してクリーム半田等を塗布した後に、これらのプリント基板、電子部品等からなる半田付け対象物のワークを加熱炉（リフロー炉）内に搬送し、プリント基板の半田付け部を加熱して、プリント基板と電子部品を半田付けする技術である。

このようなリフロー半田付けを実施するリフロー半田付け装置は、プリント基板を搬送するコンベアが取付けられたリフロー半田付け装置本体の加熱炉内に、コンベアの搬送方向に並べられた予熱ゾーン、中間加熱ゾーン、リフロー加熱ゾーンおよび冷却ゾーンを有し、これらのゾーンに夫々設けられた加熱手段でプリント基板及びその上に搭載された電子部品全体（ワーク）を加熱するものである（特許文献１）。
なお、中間加熱ゾーンや冷却ゾーンは特に設けないこともある。

予熱ゾーンはワークを急速に加熱する昇温ゾーン、中間加熱ゾーンは、ワークの各部の温度を均一にして、所定の予熱温度にまで加熱するゾーン、リフロー加熱ゾーンは、半田溶融温度を超える温度までワークを加熱してワークの基板と電子部品等を半田付けする加熱ゾーン、冷却ゾーンは半田付け後のワークを冷却するゾーンである。

ワークを加熱する手段としては、熱風による対流加熱するものと、パネルヒータ等の赤外線による輻射加熱するもの、さらにはそれらの加熱を併用するものとが知られている。
また、冷却ゾーンでは、リフロー加熱ゾーンから搬送されるワークをプロペラファンなどの送風機により送風して冷却している（特許文献１参照）。また、これに、クーラーなどの冷房機器を冷却ゾーンに設けて冷却能力を高めることもある。

リフロー半田付けは通常、低酸素化雰囲気で行われるが、この雰囲気を維持するために不活性ガス、一般には窒素ガスが炉内に供給されている。
炉内の酸素濃度は、クリーム半田に含まれるフラックスの種類や量によってもことなるが、およそ１００〜１０００ｐｐｍの範囲にすることが求められる。

ところで近年、地球温暖化などの環境問題がクローズアップされ、製造現場においても省エネルギー、省資源が求められている。
しかし、従来のリフロー半田付け装置によるワークの製造においては、加熱炉は、昼休み等の定時休憩時や、前工程や後工程でトラブル発生時のように、基板を搬送していないときも、半田付けを即座に再開できるように、半田付け時の供給量と同じ量の窒素ガスを炉内に供給して、加熱炉内を低酸素化雰囲気に維持していた。

特開２００３−１３３７１８号公報

このように、従来のリフロー半田付け装置の使用状況では、半田付けを実施していないときにも、窒素ガスが無駄に消費されていた。
本発明の目的は、このような問題を解決するリフロー半田付け装置の加熱炉内への窒素ガス供給システムおよび供給方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の窒素ガス供給システムは、第１および第２の窒素ガス供給手段と搬送コンベア上の半田付け対象のワーク（電子部品を搭載されたプリント基板等）を加熱炉の入り側手前で検知する検知センサーを備えている。

本発明は、具体的には以下の手段を採用する。
［１］加熱炉内を搬送される半田付け対象のワークを加熱してリフロー半田付けを行う
リフロー半田付け装置の加熱炉内への窒素ガス供給システムであって、加熱炉内
に窒素ガスを供給する第１の窒素ガス供給手段、第２の窒素ガス供給手段および
加熱炉の入り側手前に搬送コンベア上のワークを検知するワーク検知センサーを
備え、リフロー半田付け装置の起動後は第１の窒素ガス供給手段から窒素ガスを
供給し、ワーク検知センサーによりワークを検知して、ワークが加熱炉内に搬送
されている間は、第２の窒素ガス供給手段からも窒素ガスを加熱炉内に供給する
ことにより、加熱炉内での半田付けをワーク搬送時のみ低酸素雰囲気で行うこと
を特徴とする、リフロー半田付け装置の窒素ガス供給システム。
［２］リフロー半田付け装置の起動後は、第１の窒素ガス供給手段により加熱炉内に窒
素ガスを供給し、ワーク検知センサーによりワークを検知して、ワークが加熱炉
内に搬送されている間は、さらに第２の窒素ガス供給手段からも窒素ガスを加熱
炉内に供給することにより、加熱炉内での半田付けをワーク搬送時のみ低酸素雰
囲気で行うことを特徴とする、［１］に記載のリフロー半田付け装置の窒素ガス
供給システムによる窒素ガス供給方法。
［３］前記の低酸素雰囲気が２００ｐｐｍ以下の酸素濃度であることを特徴とする、
［２］に記載のリフロー半田付け装置の窒素ガス供給システムによる窒素ガス供
給方法。

本発明の窒素ガス供給システムでは、第１の窒素ガス供給手段、第２の窒素ガス供給手段および加熱炉入り側手前にワークを検知するワーク検知センサーを設け、リフロー半田付け装置の起動後は第１の窒素ガス供給手段から比較的小さな流量で窒素ガスを供給し、該検知センサーでワークを検知後は、ワークが加熱炉内に搬送されている間のみ、第２の窒素ガス供給手段からも窒素ガスを加熱炉内に供給して低酸素雰囲気を形成しているので、従来のように、窒素ガスを無駄に消費することがない。また、第１と第２の窒素ガス供給手段により窒素ガスを供給するようにしたので、加熱炉内へ供給される窒素ガスの流量の変更が安定して行え、ワークの半田付け時に要求される低酸素濃度を精度よく達成することができる。

本発明のリフロー半田付け装置の実施形態の縦断面図およびリフロー半田付 け装置の窒素ガス供給システムを概略的に示す。 本発明の実施形態の動作フローを示す。 設定酸素濃度２００ｐｐｍ以下時における加熱炉の窒素ガス供給量の推移を 示す。 設定酸素濃度２００ｐｐｍ以下時における加熱炉の酸素濃度の推移を示す。

図１は、本発明のリフロー半田付け装置の実施形態の縦断面図およびリフロー半田付け装置の窒素ガス供給システムを概略的、図２は、本発明の実施形態の動作フローをそれぞれ示す図である。
図１において、１は半田付け対象のワーク（プリント基板、電子部品等）、２はワークを搬送する搬送コンベア、３は加熱炉であり、予熱ゾーン３１、中間加熱ゾーン３２、リフロー加熱ゾーン３３ら、および冷却ゾーン３４からなる。ゾーン３１〜３３には、ワークを上下から加熱する上部および下部のヒーター４及びファン５が設けられている。冷却ゾーン３４には、ワークに送風する上下のファン５が設けられている。

６は窒素ガス供給源、７は第１の窒素ガス供給手段、８は第２の窒素ガス供給手段であり、低酸素雰囲気でリフロー半田付けを行うために、供給源６からの窒素ガスを窒素ガス供給手段７、８によりリフロー加熱ゾーン３３から炉内に供給している。この図１では、窒素ガスは、リフロー加熱ゾーンの上部から供給しているが、上部からのみならず、該ゾーンの下部からも供給することもできる。また、窒素ガスの供給は、リフロー加熱ゾーン以外のゾーンからも行うことができる。
窒素ガス供給手段は電磁弁と絞り弁より構成して、供給のオンオフや流量調整を素早く行うことができるが、これに限るものではない。
９は加熱炉入り側の手前に設けられ、搬送コンベア２により搬送される半田付け対象のワークを検知するワーク検知センサーである。

本発明の窒素ガス供給システムは、以下のように作動する。
まず、リフロー半田付け装置に起動のスイッチが入れられると、搬送コンベア２が動き出し、ワークが加熱炉に向かって搬送される。これと同時に加熱炉３内には、第１の窒素ガス供給手段７によりリフロー加熱ゾーン３３の上部あるいは上部と下部から比較的小さな流量で加熱炉内に窒素ガスが供給される。

このとき、ワークは検知センサー９に検知される位置に達しておらず、加熱炉内には搬入されていない。したがって、加熱炉内で最も高温になり半田が溶融してリフロー半田付けが行われるリフロー加熱ゾーンの雰囲気を要求される低酸素雰囲気にする必要はないので、第１の窒素ガス供給手段７から供給する窒素ガスの流量は小さくてよい。

次いで、ワークが加熱炉入り側手前に達し、ワーク検知センサー９がこれを検知した後は、ワークが加熱炉内に搬送されている間は、第２の窒素ガス供給手段８を作動させ、第２の窒素ガス供給手段８からもリフロー加熱ゾーン３３の上部あるいは上部と下部から加熱炉内に窒素ガスが供給される。
したがって、検知センサー９がワークを検知して後は、ワークが加熱炉内に搬送されている間は、炉内には第１と第２の窒素ガス供給手段７、８の両方の供給手段から窒素ガスが供給される。

加熱炉のリフロー加熱ゾーン３３では半田が溶融して半田付けが行われるので、このゾーンは高温であり酸化が進行しやすいため低酸素雰囲気にしておかねばならない。半田のフラックスの種類等により要求される酸素濃度は異なるが、通常は１００〜１０００ｐｐｍの範囲内の値である。

このため、第２の窒素ガス供給手段８から炉内に供給される窒素ガスの流量は、第１の窒素ガス供給手段９からの窒素ガスの流量と併せて、半田が溶融して半田付けが行われるリフロー加熱ゾーンの雰囲気が目標とする低酸素濃度になるような流量でなければならない。

また、リフロー半田付け装置が起動してワーク検知センサーがワークを検知してワークがリフロー加熱ゾーンに達するまでの時間の間に、リフロー加熱ゾーンが目標とする低酸素濃度になるようにしなければならない。この時間は搬送コンベアの搬送速度に依存しているから、予めこの搬送速度を変えた試験などを行うことにより、この時間内に目標の酸素濃度とする酸素濃度を得るために必要な窒素ガス供給量（Ｌ／分）を求めておいて、第１の窒素ガス供給手段および第２の窒素ガス供給手段の窒素ガス供給量を決定すればよい。第１の窒素ガス供給手段からの窒素ガスの供給は、加熱炉内にワークが搬送されないときも供給されているから、その供給量は小さいほど、窒素ガスの無駄な消費も少なくできる。

以下、本発明を実施例により詳しく説明する。
図１に示すリフロー半田付け装置を使用して、窒素ガスを炉内に供給し低酸素雰囲気においてリフロー半田付けを行った。
リフロー半田付け装置の加熱炉は全長が１５８７ｍｍ、加熱炉入口からリフロー加熱ゾーン入口までの距離が１０７５ｍｍ、搬送コンベアの搬送速度は０．５ｍ／分に設定した。窒素ガスの供給はリフロー加熱ゾーンの上部と下部から行った。

ワークとして、１６０×１６０×１．６ｍｍの基板を搬送した。
ワーク検知センサーは加熱炉入り側手前５５ｍｍのところでワークの基板を検知できるようにした。
加熱炉内のリフロー加熱ゾーンで半田付けが行われるときの目標酸素濃度を２００ｐｐｍ以下とした。

リフロー半田付け装置が起動すると、搬送コンベア２がワークの基板を搬送し始め、加熱炉の各ゾーンが設定された温度になるように、図示しない加熱手段（ヒーター）に電力が印加される。
本発明では、リフロー半田付け装置の起動後、第１の窒素供給手段から３０Ｌ／分の窒素ガスを加熱炉内に供給した。
次いで、ワーク検知センサーがワーク（基板）を検知した後は、さらに第２の窒素供給手段から１００Ｌ／分の窒素ガスを加熱炉内に供給した。すなわち、ワークを検知した後は、第１および第２の窒素ガス供給手段から計１３０Ｌ／分の窒素ガスが供給した。

本発明例では、ワークが加熱炉入口からリフロー加熱ゾーン入口までの距離１０７５ｍｍを通過するには１２９秒を要するので、１２９秒以内の１２０秒程度の時間内に、リフロー加熱ゾーンの酸素濃度が２００ｐｐｍ以下にする必要がある。
第１の窒素ガス供給手段からの流量を３０Ｌ／分を下回ると、リフロー加熱ゾーンが２００ｐｐｍ以下の低酸素濃度に達するのに時間がかかり、１２９秒以内の１２０秒程度の時間内に目標の低酸素濃度２００ｐｐｍ以下にすることが難しくなる。

他方、比較例（従来例）では、加熱炉内の酸素濃度雰囲気を常に酸素濃度２００ｐｐｍ以下にするために、常時１３０Ｌ／分の窒素ガスを加熱炉内に供給した。
図３に、本発明例と比較例の窒素ガス供給量の推移を、また、図４に本発明例と比較例のリフロー加熱ゾーンの酸素濃度の推移を示した。
図３から分かるように、起動後約１０秒を経てワーク検知センサーがワークを検知し、この時点で、加熱炉内へは窒素ガス供給量が３０Ｌ／分から１３０Ｌ／分に増大している。これは、起動後は第１の窒素ガス供給手段から３０Ｌ／分の供給であったが、ワークを検知センサーが検知してワークが加熱炉内で搬送されている間は、さらに第２の窒素ガス供給手段からも１００Ｌ／分の窒素ガスが供給され、加熱炉内に合計１３０Ｌ／分の窒素ガスが供給されたことを示している。

また、ワークは加熱炉の全長１５８７ｍｍを１９０秒程度で通過し、また、ワークがワーク検知センサーから加熱炉出側に達するのに２００秒程度かかるから、最後にワーク検知センサーがワークを検知して後に、約２２０秒経過後も、新たにワークをワーク検知センサーが検知しない場合は、ワークが加熱炉内にないと判断して、第２の窒素ガス供給手段からの窒素ガスの供給は停止される。図３から分かるように、本発明例では約２２０秒後に第２の窒素ガス供給手段からの供給が停止されている。
ここでは加熱炉内でのワークの有無を確実に判断するために、２００秒より長い２２０秒経過しても、ワーク検知センサーがワークを検知しなかった場合に、ワークが加熱炉内にないと判断している。

これに対して、従来例では、常時１３０Ｌ／分の窒素ガスが加熱炉内に供給されており、また、ワークが加熱炉内に搬送されていないときでも、同量の１３０Ｌ／分の窒素ガスが供給されていた。

いま仮にワークが加熱炉内に搬送されていない状態が６０分間続いたとすると、この間の窒素ガス供給量は、本発明例では３０Ｌ×６０分＝１８００Ｌ、比較例（従来例）では１３０Ｌ×６０＝７８００Ｌとなり、約１／４の窒素供給量に削減できる。また、起動後から最初のワークを検知センサーが検知するまでの数秒間においても本発明例では窒素ガスの消費を削減している。
このとき、窒素供給源に窒素発生器を使用しているとすると、この発生器の消費電力量の削減も見込まれる。

上記の結果からも分かるように、本発明の窒素ガス供給システムを採用することにより、窒素ガスの消費を削減することができる。
また、第１と第２の窒素ガス供給手段により窒素ガスを供給するようにしたので、加熱炉内へ供給される窒素ガスの流量の変更が安定して行え、ワークの半田付け時に要求される低酸素濃度を精度よく達成することができる。

１ ワーク（半田付け対象物）
２ 搬送コンベア
３ 加熱炉
３１ 予熱ゾーン
３２ 中間加熱ゾーン
３３ リフロー加熱ゾーン
３４ 冷却ゾーン
４ （上部、下部）ヒーター
５ （上部、下部）ファン
６ 窒素ガス供給源
７ 第１の窒素ガス供給手段
８ 第２の窒素ガス供給手段
９ ワーク検知センサー

Claims (3)

1. 加熱炉内を搬送される半田付け対象のワークを加熱してリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置の加熱炉内への窒素ガス供給システムであって、加熱炉内に窒素ガスを供給する第１の窒素ガス供給手段、第２の窒素ガス供給手段および加熱炉の入り側手前に搬送コンベア上のワークを検知するワーク検知センサーを備え、リフロー半田付け装置の起動後は第１の窒素ガス供給手段から窒素ガスを供給し、ワーク検知センサーによりワークを検知して、ワークが加熱炉内に搬送されている間は、第２の窒素ガス供給手段からも窒素ガスを加熱炉内に供給することにより、加熱炉内での半田付けをワーク搬送時のみ低酸素雰囲気で行うことを特徴とする、リフロー半田付け装置の窒素ガス供給システム。
2. リフロー半田付け装置の起動後は、第１の窒素ガス供給手段により加熱炉内に窒素ガスを供給し、ワーク検知センサーによりワークを検知して、ワークが加熱炉内に搬送されている間は、さらに第２の窒素ガス供給手段からも窒素ガスを加熱炉内に供給することにより、加熱炉内での半田付けをワーク搬送時のみ低酸素雰囲気で行うことを特徴とする、請求項１に記載のリフロー半田付け装置の窒素ガス供給システムによる窒素ガス供給方法。
3. 前記の低酸素雰囲気が２００ｐｐｍ以下の酸素濃度であることを特徴とする、請求項２に記載のリフロー半田付け装置の窒素ガス供給システムによる窒素ガス供給方法。