JPH0741408B2 - リフロー炉およびそれに用いる面吹出し型ヒータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、クリームはんだが塗布されたプリント基板の
はんだ付けに適したリフロー炉およびそれに用いる面吹
出し型ヒータに関する。

（従来の技術） プリント基板をリフロー炉で加熱してはんだ付けする場
合、プリント基板の側部、隅部、中央部等全ての部分が
略同一の温度上昇（温度プロファイルという）にならな
ければならない。つまり、プリント基板の全ての部分の
温度プロファイルが略同一のカーブとなりプリント基板
上の適宜な箇所に塗布されたクリームはんだは全て同時
に溶融し、未はんだや部分的な過熱がなくなることが求
められている。

これまでのリフロー炉はヒータとして赤外線ヒータを使
用し、これをリフロー炉のトンネルの上下に設置したも
のであったが、近時のように実装密度が高くなったプリ
ント基板では、赤外線ヒータを設置しただけのリフロー
炉では均一加熱が行えなくなってきている。これは、赤
外線が直進するためであり、高密度に実装されたプリン
ト基板では、電子部品で影となったところは赤外線が到
達せず、温度が上がらなくなってクリームはんだが完全
に溶けないという未はんだになってしまうものであっ
た。また、高さの高い部品では、頂部が赤外線ヒータに
近づくため、頂部に赤外線が強く当たって過熱され、熱
損傷を起こしてしまうものであった。

ところで、熱風を使ったリフロー炉では上記のような問
題を起こすことがなく、今日では熱風を使ったリフロー
炉が多く採用されるようになってきた。

熱風を使ったリフロー炉としては、次のような方式のも
のがある。

熱風を吹き出させる送風機をトンネルの上部だけに設
置した下方吹出型リフロー炉（特公昭61-38985号、特開
昭63-177960号、実公平1-23666号、実開平1-177076
号）。

送風機をトンネルの上下部に設置した上下方吹出型リ
フロー炉（特開昭63-180368号、同63-278668号、同64-8
3395号、特開平1-186270号、同1-278965号、同1-305594
号）。

下方吹出型リフロー炉は、プリント基板の上面に熱風が
当たるため、片面だけに電子部品を実装した片面実装基
板に対しては均一加熱に非常に効果があるが、今日のよ
うに両面に電子部品を実装した両面実装基板では下面に
熱風が当たらないため、下面は上面よりも温度が低くな
ったり、不均一加熱となって温度プロファイルが上面と
異なってしまうことがあった。

一方、上下方吹出型リフロー炉はプリント基板の両面に
熱風を当てることができるため、両面実装基板での均一
加熱には適したものであり、今日、多く採用されるよう
になってきている。

この点、さらに詳述すると、上下方吹出型のリフロー炉
では、（ａ）上下部の熱風吹出口が相対向し、上下部の
気体吸入口が相対向した対向吹出型（特開昭63-180368
号、特開平1-186270号、同1-278965号）と、（ｂ）上部
の熱風吹出口と下部の気体吸入口が対向し、下部の熱風
吹出口と上部の気体吸入口が対向した相互吹出型（特開
昭64-83395号）とがある。

対向吹出型は、上部から吹出す熱風と下部から吹出す熱
風とが略中間部で衝突するため、プリント基板が走行し
ている時にはプリント基板の両面に均一に熱風が当たる
が、プリント基板が走行していない時には上下からの熱
風が入り乱れ炉内の温度分布が不安定となってしまう。

すなわち、一般に熱風式リフロー炉ではプリント基板の
両面に同じ状態の熱風が当たることが好ましいものであ
るが、対向吹出型のようにプリント基板が存在していな
い時に熱風が入り乱れて温度分布が安定していないと、
そこにプリント基板が走行してきてもプリント基板を均
一加熱することはできない。

一方、相互吹出型では、プリント基板が走行していない
時には上下からの熱風が循環されて炉内温度が均一化す
るが、プリント基板走行時にはそれぞれが一方の面だけ
を熱風加熱することになり、プリント基板は不均一に加
熱されることになる。

すなわち 相互吹出型リフロー炉は、上下部の一対の熱
風装置間で熱風が循環するためのリフロー炉内での熱風
同志の衝突はなく、プリント基板が走行していない時
は、炉内温度を一定に保つことができる。しかしなが
ら、このリフロー炉はプリント基板が走行してくるとプ
リント基板で熱風の循環通路が遮断されプリント基板の
片面だけの加熱となりプリント基板は不均一加熱になっ
てしまうことがあった。特に、一方の面における熱風吹
出口と他方の面における熱風吹出口とが長手方向に離れ
ている場合、プリント基板の各面における加熱が時間を
おいて交互に行われることになる結果、不均一加熱は免
れない。

しかもそのときの両面の加熱循環領域が長手方向にずれ
ていて重なることがないためにそのような傾向が増長さ
れ、プリント基板からすれば全体の均一加熱は十分に実
現されない。

したがって、これまでの相互吹出型リフロー炉では両側
の熱風吹出口を接近させて配置し、しかもそのような縦
長の加熱ガス循環径路を狭い領域に多数並べる構成を採
る必要があり、そのためリフロー炉自体も高さが高くな
りそれによる熱損失も免れない。

（発明が解決しようとする課題） ここに、本発明の目的は、プリント基板の速やかな均熱
加熱を可能にするとともに、効率的な均熱加熱を実現す
る手段を提供することである。

また、本発明のより具体的目的は、プリント基板のより
高度の温度管理が実現できるとともに速やかにかつ均一
に所定温度にまで加熱するという効率的加熱技術を可能
とするリフロー炉およびそれに使用する面吹出し型ヒー
タを提供することである。

（課題を解決するための手段） これまでも本件出願人は高密度実装基板のリフローはん
だ付けに適した面吹出し型ヒータを多数提案してきた
（参照：実願昭62-20683号、同62-195583号、同63-1633
6号、同63-31547号、同63-43297号、実願平1-145514
号）。なお、これらの出願に云う「熱風赤外線ヒータ」
とは、セラミックスを被覆した金属の多孔質板を箱体に
設置し、その後方から気体を箱体内に流入して気体を加
熱し、熱風にして多孔質板から吹き出させ、またセラミ
ックスからはプリント基板全体を均一加熱することに適
した波長の遠赤外線を放出するヒータであって、これは
本発明に言う「面吹出し型ヒータ」に包含されるもので
ある。

本発明者らは、従来装置において上下対になって設置さ
れている面吹出し型ヒータを互いにコンベアの長手方向
にわずかにずらすことにより、プリント基板の走行時ば
かりでなく、走行していない時も、リフロー炉内を均一
の温度状態にし、プリント基板を上下両面から同時に加
熱でき、均一かつ効率的な加熱が可能になることを知
り、本発明を完成させた。

本発明は、コンベア通路を介して上下対向して設置され
た面吹出し型ヒータと、上下対の該面吹出し型ヒータ点
対称となるように配置してコンベア通路に沿って相互に
反対方向に一部づらして配置されるようにし、これら上
下対の面吹出し型ヒータの間に加熱ガス上向き通路領
域、加熱ガス衝突領域、および加熱ガス下向き通路領域
とを備えた加熱帯域を形成され、該加熱帯域をコンベア
通路に沿って複数並べて構成したことを特徴とするリフ
ロー炉である。

ここに、「面吹出し型ヒータ」は、加熱面全体から加熱
ガスの吹出しが行われるものであれば特に制限はない。

上述のように上下対の面吹出し型ヒータの設置位置をず
らすときの位置関係は、両者の間に加熱ガス上向き通路
領域、加熱ガス衝突領域、および加熱ガス下向き通路領
域とが形成される限り特に制限ない。しかし、例えば、
上下対になって配置された面吹出し型ヒータの重なり量
をゼロとした場合には、従来の相互吹出型ヒータを備え
たリフロー炉と同一となり、一方完全に両者を重なるよ
うにした場合には従来の対向吹出型と同一となる。した
がって、本発明においてそのような重なりの割合はゼロ
％超、100％未満であり、好ましくは1/4〜3/4、つまり2
5％〜75％である。

上記面吹出し型ヒータは前述の熱風赤外線ヒータをも含
有するものであって、要するに面吹出し型であれば特に
制限はなく、それらを上下対に設けしかも一部長手方向
に設置位置をずらすことによって両者の間に効果的な加
熱領域を出現させればよく、そのかぎりにおいて特定の
ものに制限されない。

かくして、本発明によれば加熱領域にあってコンベア通
路の実質上全長に亘ってプリント基板に対する上下面か
らの加熱が同時に行われることになり、高さの低い全体
として熱効率のすぐれた横長のリフロー炉が提供され
る。

しかしながら、これらの面吹出し型ヒータは、箱体への
気体導入に長いダクトを設置したり、ただファンだけで
気体を導入させるものであったため、これをリフロー炉
に設置する場合、複雑なダクト配管を行う必要があるこ
とから、これらの点については改良が求められる。

すなわち、本発明は、別の面からは、箱体と、該箱体の
一面を構成するセラミックス被覆多孔質板と、前記箱体
内に設置された加熱ヒータ要素と、前記箱体の他の面に
設けた、気体を箱体内に流入させる開口と、該開口と連
通した気体吸入口と、該気体吸入口と前記箱体の開口と
を連通させる通路内に設置したファンとを備えたことを
特徴とする面吹出し型ヒータである。

なお、上記面吹出し型ヒータにおいて、加熱ガスを吹出
す前記多孔質板の平面面積を気体吸入口の平面面積の２
倍以上とすることが好ましい。

（作用） 面吹出し型ヒータを上下に対向させ、プリント基板の進
行方向に対して交互ずらして設置することにより、加熱
ガス上向き通路領域、加熱ガス衝突領域および加熱ガス
下向き通路領域から成る加熱帯域が形成されることか
ら、プリント基板の上下方向から同時に加熱され、しか
も面吹出し型ヒータを赤外線放射型とした場合、その赤
外線と循環する熱風との相乗効果でプリント基板は速や
かにかつ均一に所定温度にまで加熱される。

前述のように、より好ましくは、上下対向した面吹出し
型ヒータがその少なくとも長さの1/4以上が重なるよう
に互いにコンベア走行方向にずらして配置するのがよ
い。かかる配置によって上述の加熱ガス衝突領域を大き
くとってプリント基板の両面からの加熱領域を十分なも
のとし、一方、気体吸入口の領域を可及的に狭くして、
プリント基板の上下面の不均一加熱面を可及的少とする
ことができる。

加熱効率がよく速やかな均一加熱が可能となることから
上述の加熱帯域は予備加熱ゾーンに設けることが好まし
いが、予備加熱ゾーンばかりでなく、本加熱ゾーンにも
上述のように配置された面吹出し型ヒータを設置する
と、ここでプリント基板は一気にはんだ付け温度まで上
昇させられ、未はんだをなくすことができる。

また、本発明の改良例として予備加熱ゾーンに前記配置
の面吹出し型ヒータと赤外線ヒータを交互に設置し、し
かも最終加熱ゾーンである本加熱ゾーンに面吹出し型ヒ
ータを設置すると外部の空気は両側の面吹出し型ヒータ
で阻止され炉内に侵入しにくくなる。

前述のように面吹出し型ヒータとしては、特定のものに
制限されないが、好ましくは、セラミックス被覆多孔質
板を備えたものであって、それによれば、被覆セラミッ
クスからはセラミックス特有の赤外線、特にプリント基
板と電子部品を同時に加熱することのできる遠赤外線が
放射される。

多孔質板から吹き出される熱風は実装密度の高い電子部
品間に侵入して狭い部分も加熱ができる。また金属の多
孔質は循環する熱風中に含まれるフラックスフュームを
吸着させるとともに、触媒作用で無煙・無臭にする。

つまり、従来の熱風式のリフロー炉では、対向吹出型あ
るいは相互吹出型のいずれであってもトンネル内で発生
したフラックスフュームが熱風の吹出口や送風機等に付
着し、それが溜まるとタレ落ちてプリント基板に付着し
て、プリント基板の絶縁抵抗を劣化させたり、美観を悪
くするという問題もあったが、本発明によれば、多孔質
金属板、特にセラミックス被覆多孔質金属板を備えた面
吹出し型ヒータを用いることにより、そのような問題も
効果的に解決できるのである。

本発明の好適例によれば、熱風を吹き出す面と気体の吸
入口とが同一面にくるように配置するが、そうすると複
雑なダクト配管が不要となる。

さらに、好ましくは、熱風吹出口の平面面積が気体吸入
口の平面面積の２倍以上となった面吹出し型ヒータをト
ンネルの上下部に、それぞれの熱風吹出口と気体吸入口
を向かい合わせて設置すると、上側の熱風吹出口の一部
が下側の熱風吹出口の一部と対向するとともに上側の熱
風吹出口の一部と下側の気体吸入口が対向するため、対
向吹出型リフロー炉と相互吹出型リフロー炉と両方の特
徴を生かすことができる。

なお、上記熱風は一般には窒素、アルゴンガスなどの不
活性ガスを加熱したものであるが、場合によっては空気
を加熱したものであってもよい。

（実施例） 第１図は本発明のリフロー炉の正面中央断面図である。
なお、第１図は炉入口部に従来の赤外線ヒータ４を設け
た例を示すが、この赤外線ヒータ４は、熱風吹出し型で
なくてもよくまたその設置は必ずしも必要としない。

リフロー炉１は予備加熱ゾーンＰ、本加熱ゾーンＲおよ
び冷却ゾーンＣから成り、リフロー炉内には図示しない
プリント基板を矢印Ａ方向に搬送するコンベア２が走行
している。本加熱ゾーンＲの上下部には一組の面吹出し
型ヒータ３、３が長手方向に互いにわずかにずらして設
置されており、その間に加熱ガス上向き通路領域
（Ｘ）、加熱ガス衝突領域（Ｙ）および加熱ガス下向き
通路領域（Ｚ）が形成されている。図示例では、面吹出
し型ヒータ３は熱風吹出口５と気体吸入口６とが同一面
にあり、内部のファン７で気体吸入口６から気体を吸込
み、それを例えば電熱ヒータである加熱ヒータ要素８で
加熱して熱風吹出口５から吹出すものである。熱風吹出
口５は気体透過性の多孔質板から構成されている。図
中、加熱気体の流れは矢印でもって表す。

本加熱ゾーンＲと予備加熱ゾーンＰのそれぞれに設けら
れた加熱帯域は、コンベア通路を介してそれぞれ上下部
に設置された対向する面吹出し型ヒータ３、３と、上部
ヒータの熱風吹出口５から下部ヒータの気体吸入口６′
へ向かう加熱ガス下向き通路（Ｚ）と、下部ヒータの熱
風吹出口５から上部ヒータの気体吸入口６へ向かう加熱
ガス上向き通路（Ｘ）と、さらにその間に形成された加
熱ガス衝突領域（Ｙ）とから構成されており、かかる加
熱帯域を備えることで、加熱の均一化および効率化、さ
らには熱消費の節約が図られている。

冷却ゾーンＣにはコンベア２を挟んで上下部に冷却装着
９、９が設置されている、この冷却装置９は前記面吹出
し型ヒータと同一構造であるが前述の電熱ヒータ８が設
置されていない。従って上下の冷却装置９、９間では冷
風が循環するようになっており、外部の空気の侵入はこ
こでも阻止できる。

次に、本発明にかかるリフロー炉におけるプリント基板
の加熱状態について説明する。

図示しないプリント基板をコンベア２で矢印Ａ方向に走
行させると、プリント基板は先ず入口近くに設置された
赤外線ヒータ４での加熱から始まる。ここでは、プリン
ト基板は緩かに加熱されるが、搭載された電子部品の影
となったところは、赤外線が直接当たらないため、他の
部分より温度は低くなっている。プリント基板が次の面
吹出し型ヒータ３、３の設置箇所に入ると、ここでは熱
風が上下間で循環しているため、先の赤外線ヒータ４に
よる加熱時、温度が低かった部分は循環する熱風で加熱
されて上昇し均一温度となる。通常、面吹出し型ヒータ
３、３での加熱は加熱が早急に行われ、被加熱物が急加
熱されるものであるが、加熱時間が短いと急加熱とはな
らない。つまり、図示装置のような場合、プリント基板
が短時間で面吹出し型ヒータ３、３の設置箇所を通過し
てしまうため、左程に温度上昇はしないものである。し
かしながら、本発明にかかる加熱帯域における加熱で
は、プリント基板は、面吹出し型ヒータ３、３から構成
される各加熱帯域を順次通過する間連続して加熱が行わ
れるため、効果的な均一加熱が短時間で行われる。この
ように、予備加熱されたプリント基板は本加熱ゾーンＲ
の面吹出し型ヒータ３、３の設置箇所に入り、ここで一
気に温度上昇する加熱が行われ、クリームはんだが溶融
して未はんだのないはんだ付けが行われる。熱風温度は
電熱ヒータ８の加熱量を調節することにより行える。

本加熱ゾーンでクリームはんだが溶かされたプリント基
板は、次の冷却ゾーンＣに入り、ここで冷却装置９によ
り冷やされて溶融していたはんだが凝固してはんだ付け
は終了する。

本発明にかかる第１図の実施例では、予備加熱ゾーンの
入り口に従来の赤外線ヒータ設けた例を示すが、必要に
よりこの赤外線ヒータ４は各面吹出し型ヒータの間に介
在させてもよい。急激な温度変化を防止できる。

第２図は、本発明において利用できる面吹出し型ヒータ
３の好適態様を示す略式斜視断面図である。

本発明の面吹出し型ヒータ10は箱体12の一面に設置され
た金属の多孔質板13から構成されている。該多孔質板13
は気体を容易に通過させるものであれば特定のものに制
限されないが、例示すれば、金属を電鋳法で成形して得
た三次元メッシュ体（商品名：セルメット）や金属粉を
焼結して得た多孔質焼結体等である。多孔質板13の表面
にはセラミックス被覆層14が被覆されている。

多孔質板13へのセラミックス被覆層14は溶射によって行
うと多孔質板の気孔を詰まらせることなく、多孔質板に
強固に被覆させることができる。セラミックスとしては
Si、Ti、Zr、Al等の酸化物系のものがある。多孔質板13
の上方には電熱ヒータなどの加熱要素15が蛇行して取付
けられている。箱体12の上面、すなわち多孔質板13の設
置面と反対側となるところには細長の開口16が穿設され
ており、該開口16の上流にはファン17が設置されてい
る。ここに設置するファンとしては多数の細長の羽根が
円筒状となったクロスファンが適している。開口16に一
辺からファン17に沿ってダクト18が設置されており、該
ダクトは多孔質板13を設置した面と隣接したところに開
口しており、気体吸入口19を形成している。多孔質板13
の面積は気体吸入口19の面積の２倍以上となっている。
符号20はファン17を回動させるモータである。

ここで、上記構造を有する本発明の面吹出し型ヒータの
加熱形態について説明する。

加熱ヒータ要素である電熱ヒータ15に通電すると、電熱
ヒータ15は箱体内を加熱するとともに、多孔質板13を加
熱し、加熱された多孔質板13がその表面のセラミックス
被覆層14を加熱する。そのため多孔質板13の表面からは
セラミックス特有の波長の遠赤外線が放射される。そし
て、モータ20でファン17を回動させると外部にあった気
体は、気体吸入口19から吸い込まれ、箱体12の開口16か
ら箱体内に流入していく。箱体内に流入した気体は電熱
ヒータ15、多孔質板13等で熱せられ、多孔質板13の全面
から熱風となって吹き出される。

従って、本発明にかかる上述の面吹出し型ヒータは、熱
風を吹き出すとともに、遠赤外線を放射して被加熱物を
両者で加熱するものであり、高密度実装プリント基板の
ように電子部品間が狭く、熱容量が各部で異なるものに
は、それらの相乗作用で均一加熱がより一層効果的に行
われる。

一般にクリームはんだは加熱されると、フラックスフュ
ームが発生し、それがリフロー炉のいたるところに付着
して取扱時に作業者の手や衣服に付着したり、はんだ付
け時のプリント基板に付着して悪影響を与えるものであ
るが、本発明の面吹出し型ヒータは、金属の多孔質板と
その表面に被覆したセラミックスに触媒作用があるた
め、ここに通過するフラックスフュームは大部分が浄化
されてしまうものである。

ここで、本発明の好適態様によれば、上記面吹出し型ヒ
ータを用いることにより遠赤外線が放射され、加熱効率
は一層改善される。すなわち、最初に下部の面吹出し型
ヒータの多孔質板から吹き出す熱風と放射される遠赤外
線でプリント基板の下面が加熱され、さらに少し進む
と、上部の面吹出し型ヒータの多孔質板から吹き出す熱
風と放射される遠赤外線でプリント基板の上面が加熱さ
れ、その間は両側から同時に熱風と遠赤外線とで加熱さ
れる。つまり、多孔質板の加熱ガス吹き出し面積が吸入
口の面積の２倍以上となっているため、上下部の多孔質
板は重なる領域ができ、該領域内ではプリント基板は上
下面が熱風と遠赤外線で同時に加熱されることになる。
そして、この上下部の多孔質板の重なる域を出ると、プ
リント基板は上部の多孔質板からの加熱を受ける。従っ
て、上下部一対の面吹出し型ヒータ間を通過するプリン
ト基板は、下面・上下面．上面順で連続して順次加熱さ
れる。

このようにして予備加熱ゾーンＰでは、プリント基板は
約150℃に熱せられ本加熱の準備に入る。そして、同様
の加熱が本加熱ゾーンＲでも行われ、プリント基板は約
230℃に熱せられてクリームはんだが溶融する。

（発明の効果） 本発明のリフロー炉は、プリント基板をたえず上下面か
ら連続的に加熱でき、しかも１つの加熱帯域を高さの低
い横長とすることができ、リフロー炉全体としては非常
にコンパクトな構造とすることができる。さらに、予備
加熱ゾーンの各加熱帯域ではプリント基板の全体を均一
加熱しながら次の本加熱の準備に適した温度にすること
ができ、本加熱ゾーンでは温度上昇を早くするように調
整した面吹出し型ヒータを設置することによって、プリ
ント基板を急激にかつ均一に所定のはんだ付け温度まで
上昇させて未はんだのないはんだ付けを行うことができ
る。

また、本発明のリフロー炉内に窒素を導入して不活性雰
囲気にした場合、面吹出し型ヒータによる窒素ガスの炉
内循環によって外部からの空気の侵入を阻止して炉内の
酸素濃度を低くすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかるリフロー炉の正面断面；およ
び 第２図は、本発明にかかる面吹出し型ヒータの斜視断面
図である。 1:リフロー炉、2:コンベア 3:面吹出し型ヒータ、4:赤外線ヒータ 5:熱風吹出口、6:気体吸入口 7:ファン、8:電熱ヒータ （Ｘ）：加熱ガス上向き通路領域 （Ｙ）：加熱ガス衝突領域 （Ｚ）：加熱ガス下向き通路領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンベア通路を介して上下対向して設置さ
   れた面吹出し型ヒータと、上下対の該面吹出し型ヒータ
   を点対称となるように配置してコンベア通路に沿って相
   互に反対方向に一部づらして配置されるようにし、これ
   ら上下対の面吹出し型ヒータの間に加熱ガス上向き通路
   領域、加熱ガス衝突領域、および加熱ガス下向き通路領
   域とを備えた加熱帯域を形成され、該加熱帯域をコンベ
   ア通路に沿って複数並べて構成したことを特徴とするリ
   フロー炉。
2. 【請求項２】箱体と、該箱体の一面を構成するセラミッ
   クス被覆多孔質板と、前記箱体内に設置された加熱ヒー
   タ要素と、前記箱体の前記一面と同一の平面上に設け
   た、気体を箱体内に流入させる開口と、該開口と連通し
   た気体吸入口と、該気体吸入口と前記箱体の開口とを連
   通させる通路内に設置したファンとを備えたことを特徴
   とする面吹出し型ヒータ。
3. 【請求項３】加熱ガスを吹出す前記セラミックス被覆多
   孔質板の平面面積を前記気体吸入口の平面面積の２倍以
   上にしたことを特徴とする請求項２記載の面吹出し型ヒ
   ータ。
4. 【請求項４】前記面吹出し型ヒータが請求項２または３
   記載の面吹出し型ヒータである請求項１記載のリフロー
   炉。