JP4468671B2 - プリント配線板組立工程における搭載部品保護装置及び搭載部品保護 - Google Patents

Description

本発明はプリント配線板組立工程における搭載部品保護方法及び装置並びに搭載部品保護機能付きリフロー装置に関する。更に詳しくはプリント配線板のリフロー工程（プリント配線板の表面に部品を実装する工程）或いはリワーク工程（部品取り付けが終了したプリント配線板を目視検査して不良箇所を操作者が手仕事により半田付けする工程）において、プリント配線板上に搭載されている部品を熱から保護し、当該部品が劣化或いは落下するのを防止するプリント配線板組立工程における搭載部品保護方法及び装置並びに搭載部品保護機能付きリフロー装置に関する。

プリント配線板のリフロー工程には、ファーストリフロー工程とセカンドリフロー工程とがある。ファーストリフロー工程とは、プリント配線板の第１の面に部品を搭載し、該プリント配線板をコンベアで半田溶融槽を通過させる間に半田付けする工程であり、セカンドリフロー工程は第１の面に部品の取り付けが終了したプリント配線板の第２の面に部品を搭載し、該プリント配線板をコンベアで半田溶融槽を通過させる間に半田付けする工程である。リフロー工程では、プリント配線板上の部品取り付け箇所にペースト状半田を付着させておき、このペースト状半田面に沿って部品の端子がくるように部品を取り付けた後、２３５゜Ｃ程度の槽を通過させ、半田を融解させて、部品を半田付けするようになっている。

プリント配線板のリフロー工程において、セカンドリフロー時に、プリント配線板の下面に実装する部品の耐熱性が悪く品質が劣化する危険がある場合、当該部品をリフローの後で実装するか、リフロー工程を見直して当該部品が実装される面をセカンドリフロー面とするか、予め当該部品をセカンドリフロー面に搭載するように設計するのが普通である。その理由は、ファーストリフロー時に取り付けられた部品は、セカンドリフロー時に再度融解槽を通ることになるから、その分品質が劣化するおそれがあるからである。

また、プリント配線板のリフロー工程において、セカンドリフロー時に、プリント配線板の下面に実装する部品が重く、半田が融解して落下する危険がある場合は、当該部品をリフロー工程の後で実装するか、リフロー工程を見直して当該部品が実装される面をセカンドリフロー面とするか、接着剤で固定するか、予め当該部品をセカンドリフロー面に搭載するように設計する。

他の方法として、リフロー装置内のプリント配線板を搬送するコンベアの下面空間を冷却し、プリント配線板の下面の全域を低温に保つことにより、プリント配線板下面に実装された部品が劣化し、或いは落下するのを防止する技術がある（例えば特許文献１参照）。更に他の方法として、ファーストリフロー面に融点の高い半田を用い、セカンドリフロー面にはファーストリフロー面に使用した半田よりも融点の低い半田を用いることにより、セカンドリフロー時にプリント配線板下面の半田が再融解するのを防ぎ、プリント配線板に実装された部品が劣化、或いは落下するのを防止する技術がある（例えば特許文献２参照）。

また、リワーク工程においては、取り外そうとする部品の下面に実装されている部品が、劣化或いは落下する危険がある場合には、一度当該部品を取り外すことを余儀なくされているのが実状である。
特開平６−２１６４１号公報（第２頁、第３頁、図１） 特開平６−８５４４５号公報（第２頁、第３頁、図１）

しかしながら、前述した当該部品をリフローの後で実装するには、手作業による半田付け作業が必要となり、生産効率が著しく悪化する。リフローの順番を入れ替える方法は、新たな下面となる面に、耐熱性が悪い部品、或いは重量部品が実装されている場合には採用することができない。接着剤で固定する方法は、部品が固定されていても半田が再溶融し、接続品質の劣化が生じる危険がある。

また、部品上に接着剤を塗布するスペースがない場合もある。予め当該部品をセカンドリフロー面に搭載するように設計するのはパターン引き回しや部品配置等の設計自由度が小さくなってしまう。リフロー槽内のプリント配線板を搬送するコンベアの下面空間を冷却する方法は、リフロー装置に大規模な機能が追加されることになり、設備費の大幅な増加が発生する。また、コンベアの下面空間を冷却するため、正確な温度制御が困難で、かつ部分的な冷却が不可能である。

また、ファーストリフロー面に融点の高い半田を用い、セカンドリフロー面にはファーストリフロー面に使用した半田より融点の低い半田を用いる方法は、ファーストリフローとセカンドリフローで半田印刷機の半田ペーストの入れ替え、リフロー温度の設定変更等が必要となるか、或いはファーストリフロー用とセカンドリフロー用それぞれに設備を用意する必要が生じるため、生産効率の悪化、設備投資の増加の原因となる。リワーク工程では、リワーク対象外の部品の取り外し、及び再実装作業が発生するため、効率が悪い。

一方、近年は環境対策として鉛フリーの半田の使用が増加しているが、一般に鉛フリーの半田の融点は従来の半田に比べて融点が高い。そのため、リフロー工程においてリフロー炉の温度を上げる必要があるが、その結果、耐熱温度の低い部品はセカンドリフロー工程で劣化する可能性があり、リフロー工程の後で手作業により実装せざるを得ない。

また、ドーター基板上に電子部品を実装したモジュールを使用する事例が増加しているが、モジュールは複数の電子部品が実装されているために重量が大きく、セカンドリフロー時に下面となる面に実装すると落下の危険がある上、プリント配線板上の半田のみならず、モジュール上の半田が再溶融することにより、モジュール内で接続不良が発生する危険性がある。しかしながら、プリント配線板の高密度実装化により、重量部品をプリント配線板の両面に実装することが強く求められている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、プリント配線板のリフロー工程、或いはリワーク工程において、プリント配線上に搭載されている部品を熱から保護し、当該部品が劣化或いは落下するのを防止することができるプリント配線板組立工程における搭載部品保護方法及び装置並びに搭載部品保護機能付きリフロー装置を提供することを目的としている。

図１は本発明方法の原理を示すフローチャートである。本発明は、プリント配線板のリフロー半田付け工程において、セカンドリフロー時におけるプリント配線板の下面に取り付けられた部品を冷却するための、任意の領域が所定温度になるように制御するフィードバック回路を有する冷却手段を設け（ステップ１）、該冷却手段によりプリント配線板の下面に取り付けられた部品をリフロー時に冷却する（ステップ２）、ようにしたことを特徴とする。
（１）請求項１記載の発明は、以下の通りである。図２は本発明の原理構成図である。図において、１はプリント配線板、２は該プリント配線板１の上面に取り付けられた部品、３は該プリント配線板１の下面に取り付けられた部品、４は同じくプリント配線板１の下面に取り付けられた部品で、冷却の対象となる部品である。５は部品４及びその周辺に設けられた部品４を冷却するための冷却手段である。該冷却手段５は任意の領域が所定の温度になるように制御するフィードバック回路を設けたものである。
（２）請求項２記載の発明は、冷却手段を反り防止治具に取り付け、プリント配線板を反り防止治具に取り付けることを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、プリント配線板に部品を半田付けする自動搬送式リフロー装置において、請求項２記載の搭載部品保護装置を有することを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、リフロー時にプリント配線板の下面に取り付けられた部品を冷却手段によりリフロー時に冷却することで、部品の劣化或いは落下を防止することができる。また、プリント配線板に冷却手段を配置する空きスペースがない場合でも、冷却しようとする部品、及び部品周囲の半田の温度上昇が抑えられるため、部品の劣化、或いは落下が防止できる。
（２）請求項２記載の発明によれば、冷却手段とプリント配線板を反り防止治具に取り付けることで、リフロー工程において、冷却しようとする部品、及び部品周囲の半田の温度上昇が抑えられるため、反り防止と同時に、部品の劣化、或いは落下が防止できる。また、反り防止治具上に冷却回路を配置するため、専用のパレットを用意する必要がなく経済的である。
（３）請求項３記載の発明によれば、パレットが自動搬送であるため、手作業によりプリント配線板をパケットに取り付ける必要がないため、生産効率を落とすことなく、部品の劣化、或いは落下が防止できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。

図３は冷却手段における冷却回路の構成ブロック図である。この回路で、図２の冷却手段５を構成している。図において、６は電源、７は周囲温度を検出する温度検出素子、８は該温度検出素子７の出力を受けて温度制御を行なう温度制御回路、９は該温度制御回路８により駆動される冷却素子である。温度検出素子７としては、種々のものがあるが、例えば熱電対が用いられる。冷却素子９としては、例えばペルチエ素子が用いられる。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。

リフロー工程において、図に示す回路は溶融槽に入っている。温度検出素子７は溶融槽の温度を検知して温度制御回路８に与える。温度制御回路８は、周囲温度を受けて冷却素子９を駆動する。この冷却素子９は冷却しようとする部品に絶縁物を介して直接接触されているか、あるいは熱伝導性のよい媒体を介して冷却しようとする部品に接触している。この結果、部品は冷却素子９により冷却される。そして、部品が冷却される結果、部品に付着している半田が溶融して部品が落下することはなくなる。また、部品が冷却される結果、特性が劣化することも防止することができる。

図４は本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。図２，図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、冷却素子９を任意に移動できる機構を持つパレット１０を用いるようにしたものである。そして、該パレット１０はプリント配線板１に取り付けられている。４は冷却対象部品、１１は冷却対象部品４を冷却するための冷却回路である。該冷却回路１１としては、例えば図３に示すような回路が用いられる。この実施の形態例は、プリント配線板１に空きスペースがない場合においても、パレット１０に取り付けられた冷却素子９を任意に移動できるようにして、冷却対象部品４を冷却するようにしたものである。このように構成すれば、プリント配線板に冷却手段を配置する空きスペースがない場合でも、冷却しようとする部品、及び部品周囲の半田の温度上昇が抑えられるため、部品の劣化、或いは落下が防止できる。また、冷却素子を任意に配置できるため、異なる種類のプリント配線板に対して有効である。

図５は本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。図４と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、冷却手段とプリント配線板を反り防止金具に取り付けるようにしたものである。図に示すように、反り防止冶具１５に冷却回路１１を有し、プリント配線板１に搭載された冷却対象部品４の下部に冷却素子９を配置し、該冷却素子９により冷却対象部品４を冷却するようにしたものである。固定金具１６は、反り防止冶具１５に備えられたプリント配線板１の反りを防止するためのものである。このように構成すると、冷却手段とプリント配線板を反り防止冶具に取り付けることで、リフロー工程において、冷却しようとする部品、及び部品周囲の半田の温度上昇が抑えられるため、反り防止と同時に、部品の劣化、或いは落下が防止できる。また、反り防止冶具上に冷却回路を配置するため、専用のパレットを用意する必要がなく経済的である。

図６は本発明の第３の実施の形態例を示す構成図であり、リワーク装置の構成例を示したものである。図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。プリント配線板１上の取り外そうとする部品２１に、熱風路２３を介して熱風を当てて部品２１を取り外す。熱風路２３は、断熱壁２４により周囲を囲まれている。プリント配線板１は、支柱２６に固定されている。この場合において、冷却素子２５を、ボールネジ等により高さ調整可能な高さ調整機構２７に取り付け、冷却しようとする冷却対象部品２２の下部に配し、冷却素子２５により冷却対象部品２２を冷却するようにしたものである。このように構成すれば、冷却しようとする部品、及び部品周囲の半田の温度上昇が抑えられるため、部品を取り外し、更に再実装する作業を排除することが可能である。

図７は本発明の第４の実施の形態例を示す構成図である。図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示すように、プリント配線板１に穴２９を設け、冷却素子３１を金具３２とネジ等の締結部品３３を介して穴２９に取り付けるようにしたものである。３０は冷却対象部品である。このように構成すれば、部品近傍の穴を利用して冷却素子をプリント配線板に容易に着脱することができ、作業が効率化される。

図８は本発明の第５の実施の形態例を示す構成図である。図に示すように、ペルチエ素子等の冷却素子３７に熱伝導シート３６を貼り付け、反対側に放熱フィン３８を取り付けるようにしたものである。このように構成することにより、冷却素子３７は熱伝導シート３６を介して部品３５を冷却し、放熱フィン３８により冷却素子３７の熱が逃がされ、効果的に部品の劣化、或いは落下が防止できる。

図９は本発明の第６の実施の形態例を示す構成図である。図１、図８と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。プリント配線板１には、電源、温度制御部品等から構成される冷却回路４０が、弾性を有する金具４１でプリント配線板１に取り付けられている。冷却回路４０からは、ケーブル４２が配線され、冷却素子であるペルチエ素子３７に結合されている。ペルチエ素子３７は、接着剤等で放熱フィン３８に固定されている。ペルチエ素子３７の冷却面には、熱伝導シート３６が貼り付けられている。

放熱フィン３８は、ネジ４７でプリント配線板１に固定されている。従って、ペルチエ素子３７は、熱伝導シート３６を介して、冷却しようとする部品３５に密着している。プリント配線板１をセカンドリフロー工程に流す時に、適当な電圧を冷却回路４０に印加し、ペルチエ素子３７が部品３５を、耐熱温度以下、或いは半田が再溶融しない温度まで冷却することにより、部品３５の劣化、或いは落下を防止する。

図１０は本発明の第７の実施の形態例を示す構成図である。図９と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、図４に示した基本構成を有するものであり、冷却する部分を拡大して示すものである。ペルチエ素子３７は、放熱フィン３８に接着剤等で固定されている。ペルチエ素子３７の冷却面には、熱伝導シート３６が貼り付けられている。

ペルチエ素子３７には、フッ素樹脂加工等で耐熱性を持たせたケーブル４２が配線され、ケーブル４２は冷却回路（図示せず）につながっている。放熱フィン３８には、バネ等の弾性体５４が設けられており、該弾性体５４は、スペーサ５５に固定されている。該スペーサ５５は、ネジ５６でパレット４９に取り付けられている。従って、ペルチエ素子３７は熱伝導シート３６を介してプリント配線板１上の冷却しようとする部品３５に密着されている。

プリント配線板１をパレット４９に搭載してセカンドリフロー工程に流し、適当な電圧を冷却回路に印加し、ペルチエ素子３７が部品３５を耐熱温度以下、或いは半田が再溶融しない温度まで冷却することにより、部品３５の劣化、或いは落下を防止する。例えば、リフロー内雰囲気温度２３５゜Ｃの時点で、融点１８０゜Ｃの半田が溶融するとすると、部品３５の温度を１６０゜Ｃに保つことにより、部品３５の半田が再溶融するのを防止することができる。

本実施の形態例では、ペルチエ素子が弾性を有して部品の下面に配置され、かつパレットに着脱可能であるため、異なる種類のプリント配線板に実装された、異なる高さの部品に対して使用することが可能となり、汎用性を持たせることができる。

図１１は本発明の冷却回路の他の構成例を示すブロック図である。図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。冷却回路は、電源６、温度検出素子としてのサーミスタ５９、温度制御回路８、ペルチエ素子９、抵抗６１から構成される。ペルチエ素子９と抵抗６１は並列接続されている。抵抗６１は、ペルチエ素子９に流れる電流を調整するものである。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。先ず、周囲温度が低い時にはサーミスタ５９の抵抗は非常に高いので、ペルチエ素子９には電圧が印加されない。この結果、図に示す回路は冷却作用を行なわない。これに対して、周囲温度が高くなってくると、サーミスタ５９の抵抗が極めて小さくなる。この結果、ペルチエ素子９には電圧が印加されるようになり、冷却動作を行なう。この場合、温度制御回路８は殆ど制御回路として機能していない。なお、本回路において、温度制御回路８として温度制御ＩＣ等を使用し、より精度の高い温度制御をすることも可能である。

図１２は本発明の第８の実施の形態例を示す構成図である。図６、図１０と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、図６に示した基本構成を有するものである。プリント配線板１は、リワーク装置の台６３に設けられた支柱６４に固定されている。ペルチエ素子３７は、放熱フィン３８に接着剤等で固定されており、冷却面には熱伝導シート３６が貼り付けられている。放熱フィン３８は、高さ調整機６５に取り付けられており、高さ調整機６５は、ペルチエ素子３７が熱伝導シート３６を介して冷却しようとする部品２２に密着するように高さを調整する。

冷却回路７３は、電源、温度センサ等から構成されており、ペルチエ素子３７とケーブル７４で接続されている。取り外そうとする部品２１には、熱風路６６から熱風が送り込まれ、半田を溶融することにより部品２１は取り外される。この実施の形態例では、熱風が周囲の部品に当たらないように、熱風路６６は断熱壁２４によって周囲を囲まれている。部品２１を取り外すため、熱風をプリント配線板１に当てる時に、適当な電圧を冷却回路７３に印加し、ペルチエ素子３７が部品２２を耐熱温度以下、或いは半田が再溶融しない温度まで冷却することにより、部品２２の劣化、或いは落下を防止することができる。

このように、本発明によれば、プリント配線板のリフロー工程、或いはリワーク工程において、プリント配線板上に搭載されている部品を熱から保護し、当該部品が劣化、或いは落下するのを防止することが可能となる。

（付記１） プリント配線板のリフロー半田付け工程において、セカンドリフロー時におけるプリント配線板の下面に取り付けられた部品を冷却するための冷却手段を設け（ステップ１）、該冷却手段によりプリント配線板の下面に取り付けられた部品をリフロー時に冷却する（ステップ２）、
ようにしたことを特徴とするプリント配線板組立工程における搭載部品保護方法。

（付記２） プリント配線板のリフロー半田付け工程において、セカンドリフロー時におけるプリント配線板の下面に取り付けられた部品を冷却するための冷却手段を設けたことを特徴とするプリント配線板組立工程における搭載部品保護装置。

（付記３） プリント配線板に空きスペースがない場合にも冷却手段を取り付けるため、該冷却手段を任意に移動できる機構をパレット上に設け、プリント配線板を該パレットに取り付けることを特徴とする付記２記載のプリント配線板組立工程における搭載部品保護装置。

（付記４） 冷却手段を反り防止冶具に取り付け、プリント配線板を反り防止冶具に取り付けることを特徴とする付記２記載のプリント配線板組立工程における搭載部品保護装置。

（付記５） プリント配線板に部品を半田付けする自動搬送式リフロー装置において、
冷却手段を任意に移動できる機構をパレット上に設け、該冷却手段の反りを防止する反り防止冶具を有することを特徴とする搭載部品保護機能付き自動搬送式リフロー装置。

（付記６） 両面実装されたプリント配線板のリワーク工程において、リワーク側の反対側に冷却手段と、該冷却手段を固定する位置調整可能な機構を有し、リワーク時にリワーク対象部品の下面に実装された部品を冷却することを特徴とする搭載部品保護機能付きリワーク装置。

（付記７） 前記プリント配線板の設計時に予め冷却手段を取り付けるための穴をあけておくことを特徴とする付記２記載のプリント配線組立工程における搭載部品保護装置。

（付記８） 前記冷却手段は、冷却素子を駆動する冷却回路、熱伝導シート、熱冷却素子及び放熱フィンで構成されることを特徴とする付記２乃至４の何れかに記載のプリント配線板組立工程における搭載部品保護装置。

本発明方法の原理を示すフローチャートである。 本発明の原理構成図である。 冷却回路の構成ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第３の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第４の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第５の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第６の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第７の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の冷却回路の他の構成例を示すブロック図である。 本発明の第８の実施の形態例を示す構成図である。

符号の説明

１ プリント配線板
２ 部品
３ 部品
４ 部品
５ 冷却手段

Claims (3)

1. プリント配線板のリフロー半田付け工程において、セカンドリフロー時におけるプリント配線板の下面に取り付けられた部品を冷却するための冷却手段を設け、
   該冷却手段は任意の領域が所定の温度になるように制御するフィードバック回路を設けたものであることを特徴とするプリント配線板組立工程における搭載部品保護装置において、
   プリント配線板に空きスペースがない場合にも冷却手段を取り付けるため、該冷却手段を任意に移動できる機構をパレット上に設け、プリント配線板を該パレットに取り付けることを特徴とするプリント配線板組立工程における搭載部品保護装置。
2. 冷却手段を反り防止治具に取り付け、プリント配線板を反り防止治具に取り付けることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板組立工程における搭載部品保護装置。
3. プリント配線板に部品を半田付けする自動搬送式リフロー装置において、
   請求項１記載の搭載部品保護装置を有することを特徴とする搭載部品保護機能付きリフロー装置。

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