JP4887858B2 - リフロー炉 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板に塗布したソルダペーストを溶融させてはんだ付けを行うリフロー炉に関する。

ソルダペーストを用いて、プリント基板と電子部品をはんだ付けする場合、一般にはリフロー炉で行う。リフロー炉とは、トンネル状のマッフル内が予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンとなっており、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンにはヒーターが設置され、冷却ゾーンには冷却機が設置されている。

リフロー炉に用いるヒーターとしては、赤外線ヒーターと熱風吹き出しヒーターがある。赤外線ヒーターは、赤外線がプリント基板や電子機器の内部まで浸透して、はんだ付け部に塗布されたソルダペーストを溶融させるものであるが、赤外線は直進するため、電子部品の影となるはんだ付け部や隙間となるはんだ付け部を充分に加熱できないという問題があった。

一方、熱風吹き出しヒーターは、マッフル内で熱風が対流するため、熱風が電子部品の影となるところや狭い隙間にも侵入することから、赤外線ヒーターに比べてプリント基板全体を均一に加熱することができるという特長を有しており、今日ではリフロー炉に多く使用されているものである。

従来のリフロー炉に設置された熱風吹き出しヒーターは、大きな面積の熱風吹き出し口と該熱風吹き出し口に隣接して小面積の熱風吸い込み口が形成されたものであり、大面積の熱風吹き出し口から熱風を大量に吹き出させてプリント基板に当て、一度にプリント基板の広い面積を加熱するようになっていた。この大面積の吹き出し口から熱風を吹き出させることがプリント基板を均一加熱できるものであると考えられていたが、最近の実験結果からは、大面積から熱風を吹き付けても均一加熱できないことが判明した。即ち、大面積の熱風吹き出し口から熱風を吹き出してプリント基板を加熱後、プリント基板が進行して吸い込み口に到来すると、ここでは熱風が当たらないばかりでなく、熱風を吸い込むことから却ってプリント基板が冷やされることになる。従って、このように大面積の熱風吹き出し口と小面積の熱風吸い込み口が隣接して設置されたリフロー炉で温度プロファイルを描いてみると、熱風吹き出し口では温度は上昇しているが、吸い込み口では温度上昇が止まったり温度が下がったりしてしまっている。このように予備加熱ゾーンや本加熱ゾーンにおいて温度の上下動があると、プリント基板は均一加熱されず、部分的にオーバーヒートや加熱不足になって、電子部品を熱損傷させたりソルダペーストが未溶融となったりすることがある。

これら大面積の吹き出し口から熱風を吹き出すリフロー炉の問題に鑑み、多数の小面積の熱風吹き出し口や連続した熱風吹き出し口を設けるとともに、これらの熱風吹き出し口の近傍に、やはり多数の熱風吸い込み口や連続した熱風吸い込み口を設けたリフロー炉が提案されている（特許文献１〜８）。

特許文献１、４、６はヒーター面から熱風吹き出し用のパイプが突出し、特許文献２、３は条列状の熱風吹き付けノズルがヒーター面から突出し、特許文献５はプレートに熱風吹き付け孔が開いており、特許文献７は長い直線状の板材に多数の噴出孔を穿設してあり、特許文献８は突出した長いジグザグ状の板材に多数の噴出孔を穿設してある。
特開平２−３０３６７４号公報 特開２００１−１４４４２６号公報 特開２００１−１４４４２７号公報 特開２００１−３２６４５５号公報 特開２００２−１９８６４２号公報 特開２００２−３３１３５７号公報 特開２００３−３３２７２５号公報 国際公開WO2006/013895号公報

ところで特許文献１、４、６のリフロー炉は、熱風を吹き出すノズルがパイプであるため、パイプから吹き出た熱風がプリント基板に当たり、プリント基板を加熱して熱を奪われて冷えた熱風がパイプ近傍の吸い込み口に吸い込まれるときに、パイプに接触してパイプを冷却する。すると熱源からパイプに流入した温度の高い熱風が冷えるため、パイプから吹き出る熱風は充分に温度が上がらず、プリント基板の加熱が充分とはならなくなる。

特許文献２、３のリフロー炉は、熱風吹き出しノズルがパイプではないが、薄い板材を折り曲げ加工したものであるため、やはり冷えた熱風を吸い込むときに冷やされてしまう。また特許文献２のリフロー炉は、直線状の熱風吹き出しノズルがプリント基板の進行方向に対して直交して配置されているため、プリント基板は直線状の熱風吹き出しノズルの真下に到来したときだけ熱風が当たって加熱されるが、直線状ノズルと隣接した直線状ノズル間の域では熱風が当たらないため、この域では加熱が行われないという不連続加熱となる。そして特許文献３は直線状ノズルがクランク状、X状、Z状、W状のように屈曲しているが、プリント基板の進行方向に対して、やはり加熱できない域が存在しているため連続した加熱が行えない。

特許文献５のリフロー炉は、プレートに熱風の噴出孔を穿設し、その近傍に吸い込み孔を穿設したものであるが、吹き出す熱風と吸い込まれる熱風が干渉して乱流を起こすことがある。

特許文献８は、熱風を吹き出すノズルがジグザグ状であり、必ず加熱域が存在しているため、不連続加熱となることはない。しかしながらジグザグ状の熱風吹き出しノズルは長さが決まっており、通常はプリント基板の大きさよりも余裕をもって大きくしてある。従って、ジグザグ状ノズルの長さよりも小さいプリント基板のはんだ付けを行うときには、プリント基板以外の箇所まで熱風が吹付けられるという無駄があった。またジグザグ状の熱風吹き出しノズルは、前述のように不連続加熱はないが、ジグザグ状以外にも連続加熱を可能にする形状、例えば波形やルーバー状等の形状があるが、その形状にするには、改めてその形状の熱風吹き出しノズルを作製しなければならなかった。

本発明は、プリント基板に当たって冷やされた熱風がノズルを冷やさず、また不連続加熱域がなく、さらにまた吹き出す熱風と吸い込まれる熱風が干渉を起こして乱流となることがなく、そしてまたプリント基板の大きさに合わせたノズルにすることができるばかりでなく複雑形状のノズルの形成も容易であるというリフロー炉を提供することにある。

本発明者は、熱風を吹き出すノズルを縦方向に孔が穿設された板状のヒーターブロックにすると、孔の周囲は肉厚となって熱容量が大きくなるため板状の側面に冷えた熱風が接触してもヒーターブロックは冷えにくくなること、またアルミニュームは加工がしやすく如何なる形状にも容易に成形できること、ヒーターブロックを各種適宜な形状にすると、ヒーターブロックを組み合わせることにより、プリント基板の大きさや実装された電子部品に適合した形状のユニットノズルにできること、等に着目して本発明を完成させた。

本発明は、プリント基板に塗布したソルダペーストを溶融させてはんだ付けを行うリフロー炉において、板状のヒーターブロックには縦方に多数の噴出孔が穿設され、当該穿設面が山と谷を有した曲げ形状を成していて、該ヒーターブロックを複数個組み合わせてユニットノズルが形成されており、該ユニットノズルはヒーター面から突出して配置されているとともに、ユニットノズルの近傍には吸い込み口が形成されていて、しかも複数のユニットノズルが予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンの上部または上下部に設置されていることを特徴とするリフロー炉である。

本発明では、ユニットノズルを予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンの上部または上下部に配置するが、該配置は上部だけでもよい。つまり一般にプリント基板は上部にソルダペーストを塗布し、該塗布部に電子部品を搭載することが多いため、プリント基板の上部だけを熱風で加熱すれば、ソルダペーストを溶融させることができる。しかしながら、プリント基板全体を均一加熱するためには、ユニットノズルをプリント基板の下部も加熱することが必要であり、この場合は本発明に使用するような各種形状のユニットノズルから吹き出す熱風でなく、従来のリフロー炉に使用されていたノズルから吹き出す熱風でもよく、或いは遠赤外線であってもよい。本発明のリフロー炉において、ユニットノズルを上下部に配置すれば、さらにプリント基板を均一加熱することが可能となる。

本発明では、吸い込み口がユニットノズルの近傍に形成されているが、該吸い込み口はユニットノズルの形状にあわせてユニットノズルに沿って形成したり、或いは隣接したユニットノズル間の略中央に形成したりしてもよい。ヒーター面に形成する吸い込み口はユニットノズルと同一形状にすることが好ましいが、その他の形状、例えばヒーター面に多数の穴が形成されたパンチングプレートや多数のスリットが形成されたスノコ等でもよい。パンチングプレートやスノコは、市販のものを利用できるため、吸い込み口形成の手間が省ける。

本発明のリフロー炉に使用するヒーターブロックは、板状物に縦方に複数の孔を穿設したものであり、孔を穿設した面は長方形、「く」字形、波形の一部、等の各種の形状のものである。これらのヒーターブロックを組み合わせて所望のユニットノズルに形成する。ヒーターブロックとして板状物を用いたことによりパイプよりも熱容量が大きくなる。その結果、プリント基板に当たって温度の下がった熱風がヒーターブロックの側面に接触してもヒーターブロックの温度が下がりにくくなり、ヒーターブロックに流入する高温となった熱風の温度を下げるようなことがない。ヒーターブロックは、機械加工が容易で、しかも加熱されたときに短時間で昇温するアルミニューム製のものがよい。

本発明では、予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンには前述のヒータブロックを組み合わせたユニットノズルが配置されている。ユニットノズルの形状としては、プリント基板を加熱したときに不連続加熱域のない形状であれば如何なる形状でも良い。不連続加熱域のない形状としては、ジグザグ形状、波形形状、ルーバーの断面形状、等がある。

ユニットノズルにおけるジグザグ形状や波形形状で不連続加熱域をなくすには、ジグザグ形状や波形形状がプリント基板の進行方向に対してジグザグと波が横切る方向であり、また隣接したユニットノズルとはプリント基板の進行方向に対してジグザグや波の山と山、谷と谷が一致するように配置する。このようにユニットノズルのジグザグや波の山と山、谷と谷を一致させて配置すると、プリント基板は、先ず最初のユニットノズルの山近くの噴出孔で加熱され、そしてプリント基板の進行にともなって、順次谷に向かう途中の噴出口で加熱され、そして谷に到達するときには次のユニットノズルの山近くの噴出孔で加熱される。従って、プリント基板は、最初のユニットノズルと、それに隣接した次のユニットノズル板で加熱されるため、不連続な加熱はなく、常に加熱されている状態となる。

ルーバーの断面形状のユニットノズルとは、長方形のヒーターブロックがルーバーの断面のように斜めにして複数個配置されたものでプリント基板の進行方向に対して一列並んだものをユニットノズルとした。該ユニットノズルは、複数列並べるが、一列のユニットノズルのヒーターブロックに対して隣接したユニットノズルのヒーターブロックが一部入り込むように配置する。このように隣接したユニットノズルに対してヒーターブロックが一部入り込むようにすると不連続加熱域がなくなる。

本発明のリフロー炉は、各種形状のヒーターブロックを組み合わせてユニットノズルを形成するため、ユニットノズルを如何なる形状、即ちプリント基板の大きさや電子部品の実装状況に適合した大きさや形状にすることができるという汎用性に優れたものであり、またユニットノズルを形成するヒーターブロックの板厚の厚い板状物に縦方に穴を穿設したものであることから、熱容量が大きくなり、プリント基板に当たって温度の下がった熱風がヒーターブロックの側面に接触してもヒーターブロックの噴出孔を流動する熱風の温度を下げないという熱安定性に優れているものである。

以下、図面に基づいて本発明のリフロー炉を説明する。図１は本発明リフロー炉の正面断面図、図２は本発明リフロー炉に設置する熱風吹き出しヒーターの正面断面図、図３は同側面断面図、図４はユニットノズルを形成する各種ヒーターブロックの斜視図、図５はユニットノズルがジグザグ形形状である熱風吹き出しヒーターの平面図、図６は図５の部分拡大斜視図、図７はユニットノズルが波形形状である熱風吹き出しヒーターの平面図、図８は図７の部分拡大斜視図、図９はユニットノズルがルーバー断面形状である熱風吹き出しヒーターの平面図である。

図１に示すように本発明のリフロー炉１は、長手方向にトンネル状のマッフル２が形成されており、該マッフルが予備加熱ゾーン３、本加熱ゾーン４、冷却ゾーン５となっている。予備加熱ゾーン３の上下部には複数（三対）の熱風吹き出しヒーター６・・・が設置されており、本加熱ゾーン４の上下部には複数（二対）の熱風吹き出しヒーター７・・・が設置されている。予備加熱ゾーン３に設置する熱風吹き出しヒーター６と本加熱ゾーン４に設置する熱風吹き出しヒーター７は構造がほとんど同一であるが、本加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーター７は予備加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーター６よりも搬送方向の巾が短くなっている。そして冷却ゾーン５には、はんだ付け後のプリント基板を冷却する一対の冷却機８、８(構造不明示）が設置されている。マッフル２内には予備加熱ゾーン３から冷却ゾーン５方向（矢印Ｘ）にプリント基板Pを搬送するコンベア９が走行している。

ここで本発明のリフロー炉に設置する熱風吹き出しヒーターについて説明する。予備加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーターと本加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーターは、同一構造であるため、ここでは予備加熱ゾーンに設置する熱風吹き出しヒーターで説明する。熱風吹き出しヒーターはマッフルの上下部に設置するため、熱風吹き出しヒーターに上下はないが、図で説明する熱風吹き出しヒーターはマッフルの下部に設置した場合を想定して、図で見る通りの上下で説明する。

熱風吹き出しヒーター６は箱状であり、上下方向に四室に分かれている。この四室は下から送風室１０、加熱室１１、熱風室１２、吸い込み室１３となっている。

送風室１０の中央には送風機１４が置かれている。この送風機はシロッコファンであり、外部に置かれたモーター１５と連動している。送風室１０の両側には隔壁１６（一方は図示せず）があり、該隔壁の一端は開口１７となっている。それぞれの隔壁の開口は、相対向する位置ではなく離れた端部である。

加熱室１１には、両側に流路１８、１８が形成されており、また加熱室の内部には複数の電熱ヒーター１９・・・が配置されている。加熱室１１と送風室１０を隔てている仕切板２０には吸い込み穴２１が穿設されている。該吸い込み穴は、送風機１４の真上となるところであり、その直径は送風機であるシロッコファンの直径よりも少し小径である。

熱風室１２は前述送風室１０の開口１７と連通しており、送風室１０から熱風が送り込まれるようになっている。熱風室１２と吸い込み室１３間には仕切板２２が張設されており、吸い込み室１３は流路１８で加熱室１１と連通している。また吸い込み室１３の上はヒーター面２３となっている。

仕切板２２にはユニットノズル２４がヒーター面２３より突出して立設されている。本発明に使用するユニットノズルは、図５、６に示すようなジグザグ形状、図７、８に示すような波形形状、図９に示すようなルーバーの断面形状等である。ユニットヒーターは、図４に示すような各種形状のヒーターブロックを複数個組み合わせて形成したものである。ヒーターブロックは、図に示すように肉厚の厚い板状のものに縦方に複数の噴出孔２５・・・を穿設してある。ヒーターブロックAは噴出孔の穿設面が「く」字形形状であり、ヒーターブロックBは噴出孔の穿設面が湾曲した波形の一部であり、そしてヒーターブロックC、Dは噴出孔の穿設面が長方形である。図５、６に示すジグザグ形状のユニットノズルは、図４のAとCを組み合わせたものであり、図７、８に示す波形形状のユニットノズルは、図４のBを複数個組み合わせたものであり、また図９に示すルーバーの断面形状のユニットノズルは、図４のCとDを斜めにして複数個配置して一列にしたものである。図２、３のユニットノズルは、Aのヒーターブロックを組み合わせたものとする。

ジグザグ形状と波形形状のユニットノズルは、プリント基板の進行方向（矢印X)に対して横切る方向に配置されている。またルーバーの断面形状のユニットノズルは、穿設面が長方形のヒーターブロックが複数個並んでルーバーの断面形状となったものがプリント基板の進行方向に対して横切る方向に配置されている。

本発明に使用する熱風吹き出しヒータは、ユニットノズルの近傍に吸い込み口が形成されている。実施例に示すユニットノズルでは、ユニットノズルの全周に沿って吸い込み口２６が形成されている。

熱風吹き出しヒーター６のヒーター面２３は、アルミニューム、ステンレス、鉄等の金属板であり、その表面には黒色のセラミック２７が被覆してある。このように吸い込み板の表面に黒色セラミックを被覆しておくと、吸い込み板が熱風で加熱されたときに、黒色セラミックから遠赤外線が放射され、プリント基板は熱風加熱とともに遠赤外線で加熱されるため、熱風加熱だけよりもさらに均一加熱されるようになる。

次に上記構造を有するリフロー炉での熱風の吹き出しと吸い込み状態について説明する。加熱室１１内に配設された電熱ヒーター１９に通電するとともにモーター１５を駆動させて送風機１４であるシロッコファンを回転させる。すると加熱室１１内にある気体が電熱ヒーター１９で加熱されて高温の熱風となり、送風機１４で送風機の吸い込み側から送風室１０内に引き込まれる。送風室１０内に引き込まれた熱風は、送風機１４で送風機の吹き出し側から開口１７を通って熱風室１２に送られ、さらに多数のヒーターブロックA・・・で形成されたユニットノズル２４の噴出孔２５・・・から吹き出される。マッフル２内ではコンベア９によりプリント基板Pが走行させられており、走行しているプリント基板Pに噴出孔２５・・・から吹き出た熱風が当たって、ここでプリント基板を加熱する。熱風で加熱されたプリント基板は、はんだ付け部に塗布されたソルダペーストが溶融し、プリント基板と電子部品がはんだ付けされる。このとき表面２３からはジグザグ形状のユニットノズル２４・・・が立設されているため、プリント基板に対して熱風の当たらない部分は全く存在せず、全ての部分が熱風で均一加熱される。従って、部分的にオーバーヒートしたりソルダペーストの未溶融が発生したりすることがない。

ユニットノズル２４から吹き出た熱風は熱をプリント基板に奪われるため、温度が下がる。このように温度が下がった熱風は、ユニットノズル２４を立設した近傍の吸い込み口２６に吸い込まれ、流路１８を通って加熱室１１に入る。加熱室１１に入った熱風は、電熱ヒーター１９で所定の温度まで加熱され、送風機１４で送風室１０に吸い込まれる。そして熱風は、開口１７から熱風室１２に送られ、再度ユニットノズル２４の噴出孔２５・・・から吹き出されてプリント基板を加熱する。つまり本発明のリフロー炉は、ユニットノズルから吹き出された熱風がプリント基板を加熱した後に、直ぐ近くの吸い込み口から吸い込まれるため、他のユニットノズルから吹き出した熱風と干渉することがない。従って、本発明のリフロー炉では、マッフル内での乱流がなく、酸素濃度が安定するわけである。

本発明のリフロー炉は、熱風の乱流がないことからマッフル内を不活性ガスで充満させた不活性雰囲気リフロー炉において、優れた効果を奏するものであるが、プリント基板全体を均一加熱できるため、大気リフロー炉にも採用できることはいうまでもない。

本発明リフロー炉の正面断面図 本発明リフロー炉に設置する熱風吹き出しヒーターの正面断面図 同側面断面図 ユニットノズルを形成する各種ヒーターブロックの斜視図 ユニットノズルがジグザグ形形状である熱風吹き出しヒーターの平面図 図５の部分拡大斜視図 ユニットノズルが波形形状である熱風吹き出しヒーターの平面図 図７の部分拡大斜視図 ユニットノズルがルーバー断面形状である熱風吹き出しヒーターの平面図

符号の説明

１ リフロー炉
３ 予備加熱ゾーン
４ 本加熱ゾーン
５ 冷却ゾーン
６ 熱風吹き出しヒーター
２３ ヒーター面
２４ ユニットノズル
A、B、C、D ヒーターブロック
２５ 噴出孔
２６ 吸い込み口

Claims (4)

1. プリント基板に塗布したソルダペーストを溶融させてはんだ付けを行うリフロー炉において、
   予備加熱ゾーンと本加熱ゾーンの上部または上下部に設置された熱風吹き出しヒーターを備え、
   前記熱風吹き出しヒーターは、
   近傍に吸い込み口が形成され、かつ、ヒーター面から突出して配置された複数のユニットノズルから構成され、
   前記ユニットノズルは、
   複数個のヒーターブロックが組み合わされて形成され、
   前記ヒーターブロックは、その縦方に多数の噴出孔が穿設され、当該噴出孔の穿設面が山と谷を有した曲げ形状を成しており、
   前記ユニットノズルは、
   一方の前記ヒーターブロックの山と隣接する他方の前記ヒーターブロックの山とが一列に並べられて配置されることを特徴とするリフロー炉。
2. 前記ヒーターブロックは、アルミニューム製であることを特徴とする請求項１に記載のリフロー炉。
3. 前記ユニットノズルは、
   複数個の前記ヒーターブロックが組み合わされてジグザグ形状を成していることを特徴とする請求項１に記載のリフロー炉。
4. 前記ユニットノズルは、
   複数個の前記ヒーターブロックが組み合わされて波形形状を成していることを特徴とする請求項１に記載のリフロー炉。

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