JP3729689B2

JP3729689B2 - リフロー方法及び装置

Info

Publication number: JP3729689B2
Application number: JP22585999A
Authority: JP
Inventors: 博之内山; 良典酒井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: JP2001053434A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クリーム半田を付与して電子部品が搭載されたプリント回路基板を移動経路に沿って搬送して、その搬送中に前記クリーム半田を溶融させてプリント回路基板に前記電子部品を実装するリフロー方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、高機能化の要求に伴なって、クリーム半田などによるリフロー半田付け技術が進歩し、プリント基板への電子部品の高密度実装化が進められている。
例えばクリーム半田を用いたリフロー半田付けは、クリーム半田をプリント回路基板に印刷する工程と、印刷したクリーム半田に電子部品を搭載する工程と、プリント回路基板を加熱し半田付けを行うリフロー工程とからなる。
【０００３】
図３は、プリント回路基板への電子部品の実装状態を示し、図４は、従来のリフロー装置を示す。
図３（ａ）に示すように、リフロー前のプリント回路基板８には、所定の電極１１上にクリーム半田１２が印刷されており、クリーム半田１２により電子部品１３の部品電極１４と電極１１とが電気的に接続されるように、電子部品１３が正確に位置決めされて搭載されている。
【０００４】
この電子部品１３が搭載されたプリント回路基板８は、図４に示すように、搬送装置６の搬送経路を矢印Ａ方向へ搬送され、炉体３に設けられた５組の加熱ユニット１９ａ〜１９ｅの内部を通過する。
加熱ユニット１９ａ〜１９ｅにはそれぞれヒータ１５が設けられており、矢印ａで示すヒータ１５で加熱された空気がノズル１８を介して矢印ｂで示すように整流されて吹き出され、その空気の一部は矢印ｃで示すように加熱ユニット１９ａ〜１９ｅの外部に流出て、矢印ｄで示すように炉体３の上部に設けられた排気口１６より排出される。残りの空気は、搬送装置６を介して各加熱ユニット１９ａ〜１９ｅと対向する位置に設けられたシロッコファン１７により炉体３の内部で循環する。
【０００５】
このようにして各加熱ユニット１９ａ〜１９ｅ内の空気をヒータ１５にて所定の温度に加熱した熱風と各ヒータ１５の輻射熱により、プリント回路基板８が均一に加熱される。
そして、クリーム半田１２の溶融点以上にプリント回路基板８が加熱されると、一旦クリーム半田１２が溶融して電極１１と部品電極１４の両者に均等に半田が分散する。
【０００６】
加熱ユニット１９ａ〜１９ｅを通過したプリント回路基板８は、冷却ファン７により冷却され、図３（ｂ）に示すように、クリーム半田１２が固化して電極１１と電子部品１３の部品電極１４とが接合される。
クリーム半田１２は、直径３０〜６０μｍ程度の半田粉末をフラックスと混合し、クリーム状にした物質である。フラックスは、リフロー時における電極１１と部品電極１４の酸化物の除去と保護を目的として配合されるものであり、主成分であるロジンを溶剤に溶融して、少量の添加物を加えて成分調整したものである。
【０００７】
詳しくは、プリント回路基板８を半田１２の溶融点以上に加熱する際に、加熱とともに電極１１や部品電極１４が激しく酸化し始める。特に電極１１は、一般的に銅で形成されているため酸化が著しい。
酸化により電極１１の表面が酸化物で被われると、溶融したクリーム半田１２が電極１１と金属間化合物を形成することができず、溶融したクリーム半田１２がはじかれて、半田付けできなくなる。
【０００８】
しかしながら、クリーム半田１２に混入されたフラックスに含有されるロジンは、１４０〜１６０℃程度に加熱されると軟化すると同時に活性化し、電極１１の表面に発生した酸化物に対して還元反応を起こして酸化物を除去し、純粋な金属表面を露出させる。さらに、軟化したロジンは電極１１を被っているため、雰囲気中の酸素と電極１１との接触が阻害され、再酸化が抑制される。
【０００９】
このようなフラックスの効果を有効にするために、一般的にリフロー半田付けにおいては、図５に示すような温度プロファイルの設定が必要となる。
図５に示すプリント回路基板８の温度プロファイルを実現するために、各加熱ユニット１９ａ〜１９ｅは、以下のように温度設定される。この例では、プリント回路基板８の投入側から３組の加熱ユニット１９ａ〜１９ｃが後述のプリヒート工程で使用され、残りの２組の加熱ユニット１９ｄ、１９ｅが本加熱に使用される。
【００１０】
加熱ユニット１９ａ〜１９ｃのうち最初の加熱ユニット１９ａは、プリヒート工程の設定温度に速やかに到達できるように、プリヒート工程で必要とされる温度より１０℃〜３０℃程度高めの温度に設定され、加熱ユニット１９ｂ、１９ｃは、プリヒート工程で必要とされる温度に設定される。
本加熱工程で使用される加熱ユニット１９ｄ，１９ｅのうち、加熱ユニット１９ｄは、リフロー工程中の最高温度である２３０℃よりも少し高めに設定され、加熱ユニット１９ｅは２３０℃程度に設定される。
【００１１】
このように構成された加熱ユニット１９ａ〜１９ｃを通過することで、プリント回路基板８はまず１６０℃程度まで加熱され、その状態で４０秒程度保持される。この時、上述した酸化物還元反応が進行して、電極１１の表面に発生した酸化物が除去される。この工程は一般的にプリヒート工程と呼ばれる。
このプリヒート工程は、上記のようなフラックスの酸化物除去効果を有効にするだけでなく、プリント回路基板８の上の温度ばらつきを少なくする効果もある。すなわち、プリント回路基板８には大小様々な電子部品１３が様々な部品間隔で搭載されており、大きな電子部品と小さな電子部品とでは熱容量に差があるため、所定の温度に上昇する時間が異なってくる。従って、プリヒート工程をある程度長くとることで、プリント回路基板８の上の温度ばらつきを小さくできる。
【００１２】
プリヒート工程に次いで、２００℃以上の本加熱を行う。ここでは、プリント回路基板８を２３０℃程度まで加熱し、クリーム半田１２を溶融して半田付けが行われる。
一般的に、クリーム半田１２で使用される半田は、錫と鉛の共晶半田がクリーム半田の半田成分として使用されており、その融点は１８３℃である。従って、プリント回路基板８は１８３℃以上に加熱すればよいが、より短時間で半田付けを行うために２３０℃程度まで加熱することが多い。
【００１３】
この時、２００℃以上に保持される時間は、２０秒以下であることが望ましい。２０秒よりも加熱すると、電子部品１３が加熱により劣化する可能性が高くなる。
なお、プリント回路基板８の温度プロファイルの調整は、上記のような各加熱ユニット１９ａ〜１９ｅの設定温度の調節だけでなく、搬送速度により行うこともでき、例えば加熱に要する時間が不足する場合には、加熱ユニット１９ａ〜１９ｅのヒータ１５の設定温度を上げる他に、プリント回路基板８の搬送速度を遅くしてもよい。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように構成されたリフロー装置では、温度プロファイルの設定に熟練を要し、最適な温度設定値を決定するのに時間がかかるという問題がある。
温度プロファイルの設定には、上述のように加熱ユニット１９ａ〜１９ｅのヒータ温度の設定と、プリント回路基板８の搬送速度を考慮する必要がある。
【００１５】
特に、プリント回路基板８の搬送速度は、どの加熱ユニット１９ａ〜１９ｅを通過する速度も全て同じであるため、加熱ユニット１９ａ〜１９ｅのヒータ設定温度を調節しながら最適な温度設定値を見つける必要がある。
また、プリント回路基板８の温度上昇は、プリント回路基板８の大きさや搭載されている部品の密度によっても変化することから、例えば、熱容量が大きく異なる電子部品が搭載されている場合には、温度のばらつきを小さくするためにプリヒート工程を長く取る必要がある。
【００１６】
プリヒート工程を長くするためには、プリント回路基板８の搬送速度を遅くするが、必然的にプリント回路基板８が本加熱工程を行う加熱ユニット１９ｄ，１９ｅを通過する時間も長くなり、熱容量の小さい電子部品には温度補償範囲を超える熱量が加わり損傷する場合がある。
このようにプリント回路基板８の温度プロファイルの設定には慎重さが求められ、時間のかかる作業となる。
【００１７】
また、上記のようなリフロー装置は、一般に大きなプリント回路基板８でもリフローができるように大型の装置が用いられることから、装置の持つ熱容量が大きくなり、稼動中の消費エネルギーが大きくなるという問題がある。
具体的には、奥行きが８００ｍｍ〜１２００ｍｍ程度、長さが２５００ｍｍ〜４０００ｍｍ程度、高さが１５００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度と大型のリフロー装置では、炉体３の容量が大きくなるため、製造ラインにおいて常温から装置を稼動させた際に、ヒータ１５にて炉体３の内部の空気を加熱して一定温度にするには大きな熱容量が必要となり、一定温度になるまでに３０分から１時間の立ち上げ時間がかかり、生産性が低下する。
【００１８】
そのため、立ち上げ時間を短縮するために、休憩時など製造が行われていない時間でも常時ヒータ１５に通電する方法が取られているが、実際の稼働率と比較して消費される電力が大きくなる。
また、上記のような大型のリフロー装置では、装置の熱容量が大きいため、機種の切り替え時間が長くなるという問題もある。
【００１９】
すなわち、機種切り替えによって設定温度が上がる場合には、加熱方向であるので比較的短時間で温度を変更できるが、設定温度を下げる場合には、装置全体が設定温度を一定に保ちやすいよう断熱構造となっていること、また炉体３全体を冷却する機構を持っていないため、一旦温度の上がった炉体３を冷却するには自然放熱になることなどから、時間がかかることとなる。
【００２０】
本発明は、前記問題点を解決し、温度プロファイル設定の自由度が向上でき、リフロー装置のエネルギー消費量の削減が図れ、機種切り替え時間の短縮を実現できるリフロー方法および装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のリフロー方法および装置は、プリント回路基板の搬送経路に沿って輻射加熱体とこれに作用する磁界発生手段を設けたことを特徴とする。
この本発明によると、温度プロファイル設定の自由度が向上でき、リフロー装置のエネルギー消費量の削減と、機種切り替え時間の短縮とを実現できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載のリフロー半田付け装置は、搬送経路を搬送される実装基板を半田付けするリフロー半田付け装置であって、前記搬送経路に沿って広がる板状で誘導磁界が作用して発熱する輻射発熱体と、輻射加熱体の前記実装基板と対向する面とは反対側に設けられ前記輻射発熱体に誘導磁界を供給する誘導磁界発生手段とを設け、前記輻射発熱体と前記実装基板との距離を、誘導磁界発生手段によって発生した誘導磁界が前記実装基板に到着しない距離に設定して前記輻射発熱体の輻射熱で前記実装基板をリフロー半田付けすることを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項２記載のリフロー半田付け方法は、搬送経路を搬送される実装基板を半田付けするに際し、前記搬送経路に沿って広がる板状で誘導磁界が作用して発熱する輻射発熱体を、輻射加熱体の前記実装基板と対向する面とは反対側に設けられた誘導磁界発生手段によって誘導加熱し、かつ前記輻射発熱体と前記実装基板との距離を、誘導磁界発生手段によって発生した誘導磁界が前記実装基板に到着しない距離に設定し、板状の前記輻射発熱体の輻射熱で実装基板をリフロー半田付けすることを特徴とする。
この構成によると、誘導加熱により輻射加熱体の温度を短時間で変更できるため、温度プロファイルの設定の自由度が上がり、プリント基板への電子部品の搭載密度にかかわらず、最適な温度設定が実現できる。
【００２６】
以下、本発明の各実施の形態を図１と図２を用いて説明する。
【００２７】
なお、上記従来例を示す図３〜図５と同様をなすものについては、同一の符号を付けて説明する。
（実施の形態１）
図１と図２は、本発明の（実施の形態１）を示す。
図１は、リフロー装置の構成を示し、図２はこれに使用する輻射加熱体と磁界発生手段の構成を示し、従来よりも温度プロファイルの設定を容易にするために、プリント回路基板８の加熱手段を上記従来例を示す図３のリフロー装置とは異なる構成とした。
【００２８】
詳しくは、図１に示すように、炉体３の内部には、クリーム半田を付与して電子部品が搭載されたプリント回路基板８を、移動経路に沿って矢印Ａ方向に一定速度で搬送する搬送装置６が設けられている。
また、炉体３の内部には、搬送装置６が一定速度で通過するよう構成された予備加熱部４ａ，４ｂと本加熱部５とが設けられており、予備加熱部４ａ，４ｂと本加熱部５との間およびその前後には空間が形成され、炉体３の上部には排気口１６が配設されている。
【００２９】
各予備加熱部４ａ，４ｂと本加熱部５の搬送装置６の搬送面の上側には、輻射加熱体としての鉄製プレート１が配置されている。
それぞれの鉄製プレート１には、図２に示すように、磁界発生手段としての複数の誘導加熱コイル２が設けられている。これらの誘導加熱コイル２は、鉄製プレート１のプリント回路基板８と対向する面とは反対側の面に設けることが好ましい。
【００３０】
鉄製プレート１に載置されたそれぞれの誘導加熱コイル２は、導線９にて制御回路ユニット１０と接続されており、電流が通電されると磁界２０が発生し、誘導磁界が作用して鉄製プレート１を昇温する。
上記予備加熱室４ａ，４ｂおよび本加熱室５において、鉄製プレート１と搬送装置６の距離は、誘導加熱コイル２により発生する磁界２０が搬送装置６まで到達しない距離に設定している。
【００３１】
搬送装置６の搬送方向の下手側には、予備加熱部４ａ，４ｂと本加熱部５とを通過したプリント回路基板８を、送風により冷却する冷却ファン７が設けられている。
以下、具体例に基づき、上記のように構成されたリフロー装置のリフロー方法を説明する。
【００３２】
リフロー装置の外形は、奥行き１０００ｍｍ、長さ２４００ｍｍ、高さ１１５０ｍｍであり、これに使用される鉄製プレート１は、縦６００ｍｍ、横６００ｍｍ、厚み１０ｍｍである。また、鉄製プレート１は、その下面と搬送装置６との距離が１００ｍｍとなるように配置した。
クリーム半田を付与して電子部品が搭載されたプリント回路基板８は、搬送装置６によって一定の速度で予備加熱部４ａ，４ｂに搬入される。
【００３３】
予備加熱部４ａ，４ｂでは、誘導加熱コイル２に一定の周波数で電流が通電されて鉄製プレート１を貫通する磁界２０が発生し、誘導加熱により鉄製プレート１が加熱される。鉄製プレート１の温度は、誘導加熱コイル２に供給する電流量と周波数とで制御する。
プリント回路基板８の表面は、誘導加熱により一定温度に保持された鉄製プレート１からの輻射加熱により昇温される。
【００３４】
プリント回路基板８の表面を１６０℃に昇温するためには、鉄製プレート１の表面温度を２５０℃になるように設定すると良好な結果が得られ、通電開始より２分程度でプリント回路基板８の表面を１６０℃に昇温できた。
このように、上記（実施の形態１）では、誘導加熱により鉄製プレート１のみを加熱しその輻射熱でプリント回路基板８を加熱するため、従来は炉内３全体の空気を加熱するために大きな熱容量が必要であったプリント回路基板８の昇温を、少ない熱容量で行えることから短時間で実現できる。
【００３５】
また、上述のようにプリント回路基板８の加熱に必要な熱容量を小さくできるため、常温から装置を稼動させてもその立ち上げ時間を短くでき、上記従来例のように立ち上げ時間を短縮する目的で製造が行なわれていない時間に通電する必要がなくなり、消費電力を削減できる。
また、上述のようにこの（実施の形態１）では、誘導加熱により鉄製プレート１のみを加熱しているため炉内３全体を冷却する必要がなく、２５０℃まで加熱された鉄製プレート１に対して通電をやめると放熱を始め、１５分で１００℃まで放熱した。
【００３６】
従って、例えば機種切替えにより鉄製プレート１の温度設定を２０℃下げる場合でも、要する時間は５分以内であり、機種切替えの時間を短縮することができた。
次いで、プリント回路基板８は本加熱部５に搬送される。
この本加熱部５においても上記と同様に、誘導加熱コイル２に一定の周波数で電流が通電されて鉄製プレート１を貫通する磁界が発生し、誘導加熱により鉄製プレート１が加熱され、一定温度に保持された鉄製プレート１から輻射加熱されて、プリント回路基板８が加熱される。
【００３７】
ここではプリント回路基板８が２３０℃程度まで加熱され、クリーム半田が溶融する。
このプリント回路基板８は、冷却ファン７の下部で搬送され冷却されて半田付けされ、炉体３の外に排出される。
なお、上記説明では予備加熱部４ａ，４ｂ、本加熱部５にそれぞれ一枚の鉄製プレート１を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、各加熱部に複数の鉄製プレート１を設ける、あるいは複数に分割された形状の鉄製プレート１を設けてもよい。
【００３８】
また、上記図２では、鉄製プレート１に３つの誘導加熱コイル２を設けた例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単数あるいは複数の誘導加熱コイル２を設けてもよい。
また、上記説明では輻射加熱体として鉄製プレート１を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、鉄以外の金属も使用できる。
【００３９】
以上のように、この（実施の形態１）によると、誘導加熱によりプリント回路基板８を加熱することで、短時間での昇温が実現でき、常温から装置を稼動させてもその立ち上げ時間を短くできる。
また、通電開始からの温度応答性が良いため、４分以上プリント回路基板８が投入されない時には通電をやめることができ、不要時の通電をやめることにより消費電力の削減を実現できる。
【００４０】
さらに、加熱された鉄製プレート１の放熱性も良いため、機種切替えにより鉄製プレートの温度設定を下げる場合でも、短時間での機種切替えが実現できる。
（実施の形態２）
リフロー装置の構成は上記（実施の形態１）と同様であるが、この（実施の形態２）では、輻射加熱体である鉄製プレート１の温度をプリント回路基板８の搬送状況に応じて制御した点で異なる。
【００４１】
以下、具体例に基づきこの（実施の形態２）を説明する。
プリント回路基板８を搬送するに際し、まず予備加熱部４ａの鉄製プレート１の表面温度が３００℃となるように、誘導加熱コイル２に通電する。そして、搬入されたプリント回路基板８の表面温度を上昇させる。
この予備加熱部４ａでは、プリント回路基板８の搬送が進行するにつれてプリント回路基板８の表面温度がプリヒート工程として適当である１６０℃を超えないように加熱コイル２への供給電流を減らして、鉄製プレート１の表面温度を下げる。
【００４２】
そして予備加熱部４ｂへと搬送されたプリント回路基板８の表面温度は、予備加熱部４ｂの鉄製プレート１によりプリヒート工程での温度が維持される。
次いで、プリント回路基板８は本加熱部５に搬入される。
本加熱部５においても、プリント回路基板８の投入直後には鉄製プレート１の表面温度を上げておき、プリント回路基板８の表面温度が一定の温度に上昇した後にはプレート１の表面温度を下げて過熱を防止する。
【００４３】
この動作は、対象となるプリント回路基板８の面積が大きい場合や搭載されている電子部品の数が多い場合のように、プリント回路基板８の熱容量が大きく、一定温度に維持されたプレート１では昇温能力が不足する場合に有効である。
また、誘導加熱コイル２に供給する電流を切りかえるタイミングについては、プリント回路基板８の位置を検出するセンサーを設けて信号処理をしても良く、搬送速度を一定にしておけば、タイマーにより一定時間後に切り替えても良い。
【００４４】
このように、鉄製プレート１の温度をプリント回路基板８の搬送状況に応じて制御することで、温度プロファイルの設定における自由度を向上させることができ、温度プロファイルを設定しにくいプリント回路基板８に対しても短時間での設定が実現できる。
また、上記説明では、各鉄製プレート１ごとに温度制御を行った例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば１枚の鉄製プレート１に設けられた誘導加熱コイル２へ供給する電流をそれぞれ個別に制御して、一枚の鉄製プレート１において複数の温度分布があるように構成してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明のリフロー半田付け方法によると、基板搬送経路に沿って配設されている輻射加熱体に誘導磁界を作用させて発熱させ、輻射加熱体から発生する輻射熱でプリント回路基板を加熱して前記クリーム半田を溶融させてプリント回路基板に前記電子部品を実装することで、誘導加熱により輻射加熱体の温度を短時間で変更できるため、温度プロファイルの設定の自由度が上がり、プリント基板への電子部品の搭載密度にかかわらず、最適な温度設定が実現できる。
【００４６】
また、本発明のリフロー半田付け装置によると、誘導磁界が作用して発熱する輻射加熱体を前記搬送経路に沿って配設し、輻射加熱体に作用する誘導磁界を発生する磁界発生手段を設けたことで、磁界発生手段により輻射加熱体の温度を短時間に切替えられるため、不要時の通電を行う必要がなくなり、消費電力を削減できるとともに、機種の切替えも短時間で行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の（実施の形態１）におけるリフロー装置の構成を示す図
【図２】本発明の（実施の形態１）におけるリフロー装置の要部拡大図
【図３】リフロー工程前とリフロー工程後のプリント回路基板の模式図
【図４】従来の熱風加熱方式リフロー装置の構成を示す図
【図５】リフロー半田付けにおけるプリント回路基板の温度プロファイルを示す図
【符号の説明】
１鉄製プレート
２誘導加熱コイル
３炉体
４ａ，４ｂ予備加熱部
５本加熱部
６搬送装置
８プリント回路基板
９導線
１０制御回路ユニット
１１電極
１２クリーム半田
１３電子部品
１４部品電極
２０磁界

Claims

搬送経路を搬送される実装基板を半田付けするリフロー半田付け装置であって、
前記搬送経路に沿って広がる板状で誘導磁界が作用して発熱する輻射発熱体と、
輻射加熱体の前記実装基板と対向する面とは反対側に設けられ前記輻射発熱体に誘導磁界を供給する誘導磁界発生手段と
を設け、前記輻射発熱体と前記実装基板との距離を、誘導磁界発生手段によって発生した誘導磁界が前記実装基板に到着しない距離に設定して前記輻射発熱体の輻射熱で前記実装基板をリフロー半田付けする
リフロー半田付け装置。
搬送経路を搬送される実装基板を半田付けするに際し、
前記搬送経路に沿って広がる板状で誘導磁界が作用して発熱する輻射発熱体を、
輻射加熱体の前記実装基板と対向する面とは反対側に設けられた誘導磁界発生手段によって誘導加熱し、かつ前記輻射発熱体と前記実装基板との距離を、誘導磁界発生手段によって発生した誘導磁界が前記実装基板に到着しない距離に設定し、
板状の前記輻射発熱体の輻射熱で前記実装基板をリフロー半田付けする
リフロー半田付け方法。