JP3581828B2 - 半田付け用加熱炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗、コンデンサ、ＩＣチップ、トランジスタ等の電気、電子部品を配線基板、プリント基板等の回路基板に半田付けする半田付け用加熱炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気、電子部品を回路基板に半田付けにより実装する場合には、回路基板の所定位置に電気、電子部品を搭載し、半田付けを必要とする基板と部品との接合部にペースト状のクリーム半田を塗り、該基板を半田付け用加熱炉内に搬送し、加熱炉内で、該基板を加熱し、半田を溶融して、電気、電子部品を基板の回路に半田付けを行う。
【０００３】
ところで、前記電気、電子部品の半田付けに用いられるクリーム半田としては、融点が比較的低くて接合強度が大きい錫―鉛半田が多く用いられていたが、近年、地球環境保護対策として、錫−鉛はんだの使用を差し控える動きが活発化してきている。これに代わる半田としては、錫−銀はんだ、錫−亜鉛はんだの実用化が検討されている。後者のはんだは接合強度が弱いため、すぐに実用化される可能性が低く、現在有力視されているのが、前者の錫−銀はんだである。
【０００４】
ところが、このはんだは、融点が２１０〜２２０℃程度と従来の錫−鉛はんだの融点１８３℃よりも３０℃程度高い。そうすると、配線回路基板上に部品を半田付けする場合、基板上に熱容量の大きい部品と小さな部品が混在していると、各接合部間の温度差が無視できなくなってくる。
【０００５】
即ち、従来の錫−鉛はんだの場合、熱容量の大きい部品の接合部の温度を２００℃程度とすると、熱容量の小さい部品の接合部の温度を２４０℃程度におさえることができたが、錫−銀はんだを使用することにより、２６５℃程度まで上昇してしまい、もはや部品自身の耐熱温度を越して、熱容量の小さい部品が劣化、破損する恐れがある。
【０００６】
このような問題を解消するために、回路基板を熱風により対流加熱して、すべての部品接合部間の温度を均一化しようとすることが一般的に行われている。この場合、熱風による対流加熱で回路基板に伝えることができる伝熱量は下記の数式で求めることができる。即ち、
【０００７】
Ｑｃ＝α・Ｓ・（Ｔｈ−Ｔｓ）
Ｑｃ：伝熱量（Ｗ）
α ：熱伝達率（Ｗ／℃・ｍ^２）
Ｓ ：回路基板表面積（ｍ^２）
Ｔｈ：熱風温度（℃）
Ｔｓ：回路基板温度（℃）
【０００８】
この数式によると、回路基板を一定温度に均一に加熱するために、熱風温度（Ｔｈ）は回路基板の到達目標温度としなければならない。また、回路基板表面積Ｓは回路基板によって決定されるパラメータであり、回路基板温度（Ｔｓ）が従属パラメータである。従って、伝熱量（Ｑｃ）を増大させるためには、熱伝達率（α）を増大させればよい。熱伝達率（α）は、熱風の風速、回路基板への熱風の吹付け方法で決まる。
【０００９】
ところが、熱風の風速を増加させると、回路基板上に搭載された電気、電子部品の位置ずれが生じる恐れがあるため、風速増加には限界がある。
また、回路基板への熱風の吹付け方法が図２（イ）（ロ）（ハ）に示すように異なると、熱伝達率が下記表１に示すように変化する。図２（イ）は熱風を回路基板に平行に吹き付けた場合（平行流）、図２（ロ）は熱風を回路基板に対し垂直方向から吹き付けた場合（垂直流）、図２（ハ）は熱風を回路基板に対し垂直方向で、複数の吹付口から分岐させて吹き付けた場合（垂直分岐流）である。これによると、表１から明らかなように、図２（ハ）に示す垂直分岐流の熱伝達率が１６７と一番大きくなる。
【００１０】
【表１】

【００１１】
そこで、熱風により回路基板を加熱する場合は、回路基板を加熱のために該基板に吹き付けられた熱風をどう回収するかに留意する必要がある。特に加熱炉内で使用される熱風の場合、省エネルギの観点から、または、熱風が不活性雰囲気ガス、例えば、窒素ガスで構成されるところから、熱風を循環して使用することが望ましい。従来の熱風循環方式（輻射加熱方式を併用する場合を含む）の半田付け用加熱炉は、図３（イ）（ロ）及び図４に示すような構成になっている。
【００１２】
図３（イ）（ロ）に示すものは、加熱室１内に複数の熱風吹付口３を形成した熱風吹付用プレート２（図３（ロ）参照）を設け、該プレート２の背面側に、回路基板Ａを対流加熱するために、熱風循環機４から吐出された熱風を熱風吹付用プレート２の熱風吹付口３へ供給する熱風供給ゾーン５を設け、更に、熱風吹付口３から回路基板Ａに吹き付けられた後の熱風を回収して熱風循環機４へ戻す熱風回収通路６を、回路基板Ａ及び熱風吹付用プレート２の両側方に設けて構成される。そして、熱風循環機４から吐出された熱風を熱風供給ゾーン５に通し、熱風吹付用プレート２の熱風吹付口３から回路基板Ａに吹き付け、吹き付け後の熱風を回収して熱風回収通路６に通し、熱風循環機４に戻して循環させるようになっている。なお、７は熱風回収通路６内に設けられた熱風加熱用の棒状ヒータである。
【００１３】
図４に示すものは、加熱室１内に複数の熱風吹付回収用二重口９を形成した熱風吹付回収用プレート８を設け、その熱風吹付回収用二重口９の内口９Ａと熱風循環機４の吐出側に設けられた熱風供給ゾーン１０とを熱風供給通路１１で接続し、熱風吹付回収用プレート８の背面側に、該プレート８と接触するように、且つ、熱風吹付回収用二重口９の外口９Ｂと連通するように熱風回収ゾーン１２を設け、熱風回収ゾーン１２と熱風循環機４とを熱風回収通路１３で接続して構成される。そして、熱風循環機４から吐出された熱風を熱風供給ゾーン１０及び熱風供給通路１１に通し、熱風吹付回収用プレート８における熱風吹付回収用二重口９の内口９Ａから回路基板Ａに吹き付け、熱風吹付回収用二重口９の外口９Ｂから回収された熱風を熱風回収ゾーン１２及び熱風回収通路１３を通し、熱風循環機４へ戻して循環させるようになっている。なお、熱風回収通路１３内には同様に熱風加熱用の棒状ヒータ７が設けられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３（イ）（ロ）に示す構成のものは、熱風吹付用プレート２の熱風吹付口３から回路基板Ａに向けて吹き付けられた熱風（垂直流）が、図５に示すように、回路基板Ａに衝突後、直角に曲げられて、回路基板Ａに沿って横方向に大きく流れる平行流になる。このため、その平行流が隣接する他の熱風（垂直流）と相互に干渉し合って、その熱風（垂直流）の流れ形状が乱され、その熱風（垂直流）が前記図２（ハ）に示すような垂直分岐流になりにくい。そうすると、前記したように、伝熱量（Ｑｃ）を増大させる大きなファクタである熱伝達率（α）が低下し、回路基板Ａを効率よく加熱することができないという問題があった。
【００１５】
図４に示すものは、熱風吹付回収用プレート８における熱風吹付回収用二重口９の内口９Ａから回路基板Ａに向けて熱風を吹き付けた後、その熱風を外口９Ｂから直ちに回収するので、回路基板Ａに衝突した熱風が回路基板Ａに沿って横方向に大きく流れず、図５に示すような平行流が形成されにくい。従って、回路基板Ａに垂直に吹き付けられる熱風の形状が乱れず、垂直分岐流となり易いため、熱伝達率（α）の低下が生じない。
【００１６】
しかしながら、回路基板Ａに吹き付けられ、その加熱に供せられた熱風は温度が低下するので、その温度低下した熱風が熱風吹付回収用二重口９の外口９Ａから回収され、熱風回収ゾーン１２を通るとき、熱風吹付回収用プレート８の背面に接触して該プレート８を冷やすことになる。そうすると、熱風吹付回収用プレート８の回路基板Ａ側の表面、即ち、放射面の温度が低下し、回路基板Ａを加熱する放射エネルギが減少するため、回路基板Ａをこれまた効率よく加熱することができないという問題があった。
【００１７】
本発明は前記の問題を解決し、回路基板に吹き付けられる熱風を垂直分岐流に形成することにより熱伝達率の低下を防止すると共に、熱風吹付回収用プレートの放射面の温度低下を防止し、回路基板を効率よく加熱することができるようにした半田付け用加熱炉を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、回路基板を加熱する加熱室と、加熱室内外への回路基板の搬入、搬出を行う基板搬送手段と、回路基板を熱風により対流加熱する熱風循環機とを備えた半田付け用加熱炉において、前記加熱室内に、複数の熱風吹付口及び熱風回収口を形成して、熱風吹付口を熱風回収口と接触しないように熱風回収口から離間させて、これらを交互に配置した熱風吹付回収用プレートを設け、熱風吹付回収用プレートの背面側に、該プレートと接触するように、熱風循環機から熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口へ熱風を供給する熱風供給ゾーンを設け、熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口から回路基板に吹き付けられて熱風回収口から回収された熱風を熱風循環機へ戻す熱風回収通路を熱風供給ゾーンを横切るようにして熱風回収口と熱風循環機との間に接続して構成される。
【００１９】
本発明は、このような構成により、熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口から回路基板に吹き付けられた熱風を熱風吹付口に隣接する熱風回収口から直ちに回収するので、回路基板に衝突した熱風が該基板に沿って横方向に大きく流れて平行流を生じるようなことがなく、従って、回路基板に吹き付けられる熱風はその形状が乱れず、垂直分岐流となり、熱伝達率の低下を防止することができる。
【００２０】
また、熱風吹付回収用プレートの背面側は、熱風供給ゾーンに接触しており、従って、熱風吹付回収用プレートは、常に回路基板に吹き付けられる前の高温の熱風の温度と同一温度に保持される。また、回路基板を加熱して温度低下した熱風は、熱風吹付回収用プレートの熱風回収口で回収され、該プレートの背面側に接触することなく、熱風回収通路を通り熱風循環機に戻される。このため、熱風吹付回収用プレートの回路基板側の表面、即ち、放射面の温度が低下せず、放射エネルギが減少するのを防止することができる。
【００２１】
このため、回路基板を効率よく加熱することが可能となり、基板上に熱容量の大きい部品と小さな部品が混在し、且つ、融点の高い錫−銀はんだを使用して半田付けする場合でも、各部品接合部間の温度差をなくして均一に加熱することができ、回路基板に電気、電子部品を良好に半田付けして実装することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る半田付け用加熱炉の一実施形態を図１により詳細に説明する。この実施形態の半田付け用加熱炉２０は、図１（イ）に示すように、回路基板Ａを加熱する加熱室２２と、加熱室２２内外への回路基板の搬入、搬出を行う、パレット、チェーンコンベア等からなる基板搬送手段２４と、回路基板Ａを熱風により対流加熱する、例えば、シロッコファン送風機からなる熱風循環機２６とを備えている。
【００２３】
加熱室２２内には、基板搬送手段２４の上側に所定間隔隔てて対向するように熱風吹付回収用プレート２８が設けられる。熱風吹付回収用プレート２８は、矩形状をしており、表裏面を貫通するように、複数の熱風吹付口２８Ａ及び熱風回収口２８Ｂが形成され、熱風吹付口２８Ａが熱風回収口２８Ｂと接触しないように熱風回収口２８Ｂから離間されて、これら熱風吹付口２８Ａ及び熱風回収口２８Ｂが交互に配置される。熱風吹付口２８Ａ及び熱風回収口２８Ｂは、図１（ロ）に示すように、前記プレート２８の全面にわたり前後左右に交互に配置されるのが最も望ましい形態である。なお、図示しないが、熱風吹付口２８Ａ及び熱風回収口２８Ｂは、例えば、回路基板Ａが搬送されてくるゾーンや基板を加熱したい部位等に、部分的に、前後左右方向、前後方向又は左右方向に交互に配置されるようにしてもよい。熱風吹付回収用プレート２８はステンレススチール、アルミニウム等の金属板で出来ている。該プレート２８の放射性を高めるために、表裏面に高放射率の表面処理を施すことが望ましい。例えば、耐熱性樹脂のアクリル樹脂にカーボンブラックを混合した顔料を塗布するか、亜酸化銅皮膜を被せる等して黒体化表面処理を施す。
【００２４】
熱風吹付回収用プレート２８の背面側には、該プレート２８と接触するように、熱風循環機２６から該プレート２８の熱風吹付口２８Ａへ熱風を供給するマニホールド型の熱風供給ゾーン３０が設けられる。そして、該ゾーン３０内には、熱風循環機２６から吐出された熱風が熱風吹付回収用プレート２８の両側方に配置された熱風供給通路３２を介して供給されるようになっている。
【００２５】
また、熱風吹付回収用プレート２８の熱風吹付口２８Ａから回路基板Ａに吹き付けられて熱風回収口２８Ｂから回収された熱風を熱風循環機２６へ戻して循環させるための熱風回収通路３４が、前記熱風供給ゾーン３０を横切るようにして、熱風回収口２８Ｂと熱風循環機２６との間に、直接、又は図示のように、熱風供給ゾーン３０の外側に配設された熱風回収ゾーン３６を介して接続されている。
【００２６】
なお、３８は熱風（不活性雰囲気ガス、例えば、窒素ガスで構成される）を加熱するための棒状のヒータで、図示の例では、熱風回収ゾーン３６内に設けられる。該ヒータ３８は熱風供給ゾーン３０、熱風供給通路３２、熱風回収通路３４側に設けるようにしてもよい。
【００２７】
本実施形態の半田付け用加熱炉２０は前記のような構成になっている。本加熱炉２０を使用する場合には、熱風循環機２６から吐出された熱風を、熱風供給通路３２及び熱風供給ゾーン３０に通し、熱風吹付回収用プレート２８の熱風吹付口２８Ａから、基板搬送手段２４により加熱室２２内に搬入された回路基板Ａに吹き付ける。次に、吹き付けが終了して温度が低下した熱風を、熱風回収口２８Ｂから回収して、熱風回収通路３４及び熱風回収ゾーン３６に通し、該ゾーン３６内でヒータ３８により所望の温度になるよう加熱し、熱風循環機２６へ戻して循環させる。このようにして、回路基板Ａを所定温度に加熱し、半田を溶融して基板に搭載された電気、電子部品を基板の回路に半田付けを行う。このような半田付け用加熱炉２０を用いて回路基板Ａに部品を半田付けすると、回路基板Ａに吹き付けられる熱風同士が相互に干渉し合うことがなく、また、熱風吹付回収用プレート２８が温度低下した熱風で冷やされることもないので、回路基板Ａを効率よく加熱して部品の半田付けを行うことが可能になる。
【００２８】
半田付け用加熱炉２０の加熱室２２は図示しないが、通常、予備加熱ゾーン、中間加熱ゾーン、リフローゾーン（本加熱半田付けゾーン）等、複数の加熱ゾーンに区分されているが、本発明の前記構成手段はどの加熱ゾーンにも適用することができ有効である。特に、リフローゾーンに適用した場合にはより有効である。
【００２９】
前記実施形態の半田付け用加熱炉２０では、回路基板Ａの上側に、熱風吹付回収用プレート２８、熱風供給ゾーン３０、熱風回収通路３４等を設けて、回路基板Ａを上面から熱風により対流加熱する構成にしたが、回路基板Ａの下側に、前記熱風吹付回収用プレート２８等を設けて、回路基板Ａの下面から熱風により対流加熱する構成、又は、回路基板Ａの上下両側に、前記熱風吹付回収用プレート２８等を設けて、回路基板Ａの上下両面から熱風により対流加熱するようにしてもよい。
【００３０】
また、前記実施形態の半田付け用加熱炉２０では、回路基板Ａを熱風により対流加熱する場合だけについて記載したが、加熱室２２内に、更に、面状ヒータを設けて、対流加熱と輻射加熱を併用するようにしてもよい。この場合、前記実施形態では、回路基板Ａの下側に面状ヒータを設けてもよいし、前記熱風吹付回収用プレート２８に別にヒータを取り付けるか、該プレート自体を通電加熱する等して、該プレート２８が面状ヒータを兼ねるように構成してもよい。或いは、該プレート２８が面状ヒータを兼ねるようにすると共に、更に、別個の面状ヒータを設けるようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前記加熱室内に、複数の熱風吹付口及び熱風回収口を形成して、熱風吹付口を熱風回収口と接触しないように熱風回収口から離間させて、これらを交互に配置した熱風吹付回収用プレートを設け、熱風吹付回収用プレートの背面側に、該プレートと接触するように、熱風循環機から熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口へ熱風を供給する熱風供給ゾーンを設け、熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口から回路基板に吹き付けられて熱風回収口から回収された熱風を熱風循環機へ戻す熱風回収通路を熱風供給ゾーンを横切るようにして熱風回収口と熱風循環機との間に接続したので、熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口から回路基板に吹き付けられた熱風を熱風吹付口に隣接する熱風回収口から直ちに回収することができ、回路基板に衝突した熱風が該基板に沿って横方向に大きく流れて平行流を生じるようなことがなくなり、熱風の熱伝達率の低下を防止することができる。
【００３２】
また、熱風吹付回収用プレートの背面側は、熱風供給ゾーンに接触しており、熱風吹付回収用プレートは、常に回路基板に吹き付けられる前の高温の熱風の温度と同一温度に保持され、回路基板を加熱して温度低下した熱風は、熱風吹付回収用プレートの熱風回収口で回収され、該プレートの背面側に接触することなく、熱風回収通路を通り熱風循環機に戻されるので、熱風吹付回収用プレートの放射面の温度が低下せず、放射エネルギが減少するのを防止することができる。
【００３３】
このため、回路基板を効率よく加熱することが可能となり、基板上に熱容量の大きい部品と小さな部品が混在し、且つ、融点の高い錫−銀はんだを使用して半田付けする場合でも、各部品接合部間の温度差をなくして均一に加熱することができ、回路基板に電気、電子部品を良好に半田付けして実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半田付け用加熱炉の一実施形態の概要を示すもので、（イ）はその主要部の断面図、（ロ）は（イ）のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図２】回路基板への熱風の吹付け方法の違いを示す図で、（イ）は平行流、（ロ）は垂直流、（ハ）は垂直分岐流の場合である。
【図３】従来の半田付け用加熱炉の概要を示すもので、（イ）はその主要部の断面図、（ロ）は（イ）のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図４】従来の他の半田付け用加熱炉の概要を示すもので、（イ）はその主要部の断面図、（ロ）は（イ）のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図５】図３に示す半田付け用加熱炉の回路基板への熱風の吹き付け状態を示す説明図である。
【符号の説明】
２０ 半田付け用加熱炉
２２ 加熱室
２４ 基板搬送手段
２６ 熱風循環機
２８ 熱風吹付回収用プレート
２８Ａ 熱風吹付口
２８Ｂ 熱風回収口
３０ 熱風供給ゾーン
３２ 熱風供給通路
３４ 熱風回収通路
３６ 熱風回収ゾーン
３８ ヒータ
Ａ 回路基板

Claims (1)

1. 回路基板を加熱する加熱室と、加熱室内外への回路基板の搬入、搬出を行う基板搬送手段と、回路基板を熱風により対流加熱する熱風循環機とを備えた半田付け用加熱炉において、前記加熱室内に、複数の熱風吹付口及び熱風回収口を形成して、熱風吹付口を熱風回収口と接触しないように熱風回収口から離間させて、これらを交互に配置した熱風吹付回収用プレートを設け、熱風吹付回収用プレートの背面側に、該プレートと接触するように、熱風循環機から熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口へ熱風を供給する熱風供給ゾーンを設け、熱風吹付回収用プレートの熱風吹付口から回路基板に吹き付けられて熱風回収口から回収された熱風を熱風循環機へ戻す熱風回収通路を熱風供給ゾーンを横切るようにして熱風回収口と熱風循環機との間に接続したことを特徴とする半田付け用加熱炉。

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