JPH0364095A - 加熱炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特に、表面実装プリント基板のりフローはん
だ付けに用いる加熱炉に間するもので、多用な実装内容
のプリント基板の適正な加熱条件を得るに好適な装置の
開発に間する。

［従来技術とその課題］ 従来、プリント基板に部品とはんだを載せて加熱炉内を
搬送し、−括加陥してはんだ付けするりフロー炉におい
ては、搬送によって生じるプリント基板面内のはんだ付
はパッドの温度プロフィールの設計とその安定化が重要
である０例えば、エレクトリ・オニックス第３１巻（１
９８６年）第２６頁から第３０頁（Ｅｌｅｃｔｒｉ　０
ｎｉｃｓ、３１（９１１ｐｐ−２６−３０ｅ１９８６）
において詳しく論じられている如くである。各種の加熱
原理く熱Ｒ）のりフロー炉が考案され、市販されている
が、温度プロフィールの設計とその安定性に着目すると
き、主な項目は次のとおりである。

（ａ）リフロー炉は一般に予熱部、および、はんだ溶融
部、冷却部などに分割しており、それらの各ゾーンの長
さ。

（ｂ）各ゾーンの熱伝達、熱輻射、熟凝縮による発熱な
どの、いわば加熱パワーで、以下は熱伝達・熱伝導によ
る加熱炉のみを代表的にとりあげて熱伝達係数で代表す
る。

（ｃ）プリント基板や部品などの被加熱体の熱光学的特
性値（比熱、比重）と各寸法。

（ｄ）コンベヤ搬送が一般的であるから、その速度（ｅ
）炉内を移動することによる位置間係。

などである。

したがって、種々の実装内容のプリント基板について、
温度プロフィールを設計するためには、実際にプリント
基板の各位置に熱電対をとりつけ、炉の運転条件毎に温
度プロフィールを採取すること、これとはんだ付は品質
や部品やプリント基板の熱損傷有無とを照合して、適正
条件と温度プロフィールの形とを決定するという方法に
よらざるを得なかった。このため多くの労力を要し、ま
た、それにもかかわらず、炉の運転条件は、例えばヒー
タ表面や反射体の汚染による輻射率の低下や電圧変動の
みならず、室内の空気を吸引するために生じる雰囲気変
動などなど、絶えず変動が生じている。このため、多種
類の多用な実装内容のプリント基板について、温度プロ
フィールを安定化することは容易でない欠点があった。

このように従来技術は、実際に炉内で生じている被加熱
体の温度を、リアルタイムで掌握することについて配慮
がなされておらず、このために各種原因による温度プロ
フィールの変化を見過ごし、はんだ付は品質の低下をも
たらす問題があった本発明の目的は、少なくとも、はん
だの溶融ゾーンの直前における予熱最終ゾーンにおいて
、それ以前の予熱ゾーンで到達したリアルタイムの温度
分布を測定し、その分布に判断を下すことにより、仮に
分布が不十分であれば一定の停止加熱を行うための手段
を設けるもので、かつ、これを自動的に行う手段を設け
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 従来技術の課題を解決する本発明の構成は、搬送体によ
りプリント基板を所望の温度プロフィールに連続加熱す
るため、少なくとも、予熱ゾーン、溶融ゾーン、冷却ゾ
ーンの順でこれらを直列に配設した加熱炉において、上
記搬送体の一側に、これの略全長にわたってキャリアレ
ールを配設せしめ、該キャリアレールに、上記搬送体の
プリント基板搬送速度と同調して走行し、かつ、搬送終
端から搬送始端に帰戻するキャリアを搭載するとともに
、該キャリアに、上記プリント基板の上面に接触してプ
リント基板の温度を測温し、少なくとも、上記予熱ゾー
ンの終端部（予熱最終ゾーン）におけるプリント基板温
度を実測温度データと比較し、子離最終ゾーンにおける
プリント基板温度が設定温度に達するまで上記搬送体、
および、キャリアの搬送駆動を一時停止する温度センサ
ーを設けたことと、上記搬送体を、プリント基板の搬送
始端部から予熱ゾーンの終端に至る搬送体と、溶融ゾー
ンの始端部から冷却ゾーンの終端部に至る搬送体とに分
割構成せしめ、温度センサーの信号により上記予熱ゾー
ンに対応する搬送体のみを一時停止するようにしたを特
徴とするものである。

上述のように、部品を実装したプリント基板をコンベヤ
で炉内を搬送することによって生じる温度プロフィール
は、加熱炉の構成、熱源の性質、および、被加熱材の熱
光学的特性値に影響を受けるのみならず、搬送により少
なくともその先頭部と後尾部とに温度差が生じる。した
がって、予熱最終ゾーンで温度差があると次の溶融ゾー
ンの温度差は拡大する。

第９図には、部品を実装しないプリント基板単体につい
て、プリント基板内位置イと口についてその温度プロフ
ィールを比較しているが、最終予熱ゾーンの最終位置に
おいてプリント基板内各部の温度の差は約５℃であり、
これを均一にするための条件は、 （ａ）少なくとも、一定条件にある熱源下において一定
時間の停止加熱が必要なこと。

（ｂ）該熱源が有する被加熱体の加熱パワーが、被加熱
材の熱光学的特性値に著しく影響を受けないこと。

である。

後者は被加熱材の光学的吸収率や表面性状が影響しやす
い輻射線加熱を回避すべきことを示唆し、遠赤外線領域
の熱源下で加熱パワーとなる熱伝達、および、熟伝導の
みを利用することが有利なことを意味しており、問題解
決の手段のひとつである。

［作　用］ 以下に遠赤外線炉の典型例として、アルミナなど近赤外
線波長成分を減衰させる材料で被覆されたヒータに風を
送り、これによって生じる熱流をプリント基板に還流せ
しめる形式の熱風式加熱炉について説明する。

第１．２図において、炉は４分割されている。

第１〜３ゾーンは順次所定の予熱温度にプリント基板を
加熱するための予熱ゾーンである。

第４のゾーンは予熱終了後に、はんだ溶融温度より凡そ
３０〜５０℃高い温度に急速加熱するための溶融ゾーン
である。本発明の主たる目的は、予熱ゾーン最終位置に
おいて、プリント基板内のはんだ付はパッドの温度をプ
リント基板内で均一にすることにあり、第１の手段は、
予熱ゾーンにおいてコンベヤを停止すること、第２の手
段は、停止状態においてプリント基板内の温度分布を高
温環境下で繰り返し測定し、その温度値と分布とを分析
する手段を確認した後に、コンベヤを自動的に移動させ
るシステムであること、第３の手段は、前記温度分布を
プリント基板の上面に接触させた温度センサーにより測
定することである。

上記第１の手段は、予熱最終ゾーンの後部においてプリ
ント基板の有無を検出し、その信号を用いてコンベヤを
停止すると同時に、その前方においてコンベヤ上に搭載
されている他のプリント基板を予熱ゾーンに搬送させな
いようにストップさせることが要請される。また、分割
され、かつ、溶融ゾーン上を通る他の一方のコンベヤは
、常時運転条件に保つべきことは当然である。

次に上記第２の手段は、温度測定装置とその熱像を分析
するコンピュータシステム、並びに、被加熱物との間に
設けた耐熱性フィルターとで構成される。

上記第３の手段は、一般的に加熱炉が耐熱金属製であり
、その熱流がコンベヤの方向に向かい、かつ、還流すべ
き必要があり、本質的に送風用ファン、および、ヒータ
とは、予熱ゾーン上部とコンベヤ上に搭載されているプ
リント基板とをさえぎらない構造でなければならない。

［実施例］ 次に、図面似ついて本発明実施例の詳細を説明する。

第１図、および、第２図は本発明加熱炉の概略説明図、
第３図はキャリア構造の斜視図、第４図は同上縦断正面
図、第５図はキャリア部の正面斜視図、第６図は同上背
面斜視図、第７図は同上分解斜視図、第８！ｙＪ＆−’
−ｆは温度センサーの動きを示す流れ図、第９図は部品
を実装しないプリント基板単体における２部位の温度プ
ロフィール図。

第１Ｏ図は部品を実装したプリント基板における２部位
の温度プロフィールである。

第１図はプリント基板を搬送始端部から搬送終端部まで
１個の搬送体、即ち、コンベアで搬送する実施例を示し
ており、１は加熱炉を構成する加熱炉本体、該本体ｌは
４分割してあり、Ａは第１予熱ゾーンＢはｔ４２予熱ゾ
ーン、Ｃは第３の予熱最終ゾーンで、予熱ゾーンは上記
Ａ、Ｂ、Ｃのゾーンで構成されている。また、Ｄは溶融
ゾーン。

Ｅは冷却ゾーンである。上記加熱炉本体ｌには、上記第
１予熱ゾーンＡから冷却ゾーンＥに至るプリント基板搬
送用のコンベア２が設けられている、上記第１．第２予
熱ゾーンＡ、Ｂは、送風ファン３とヒータ４とによって
構成され、また、第３の予熱最終ゾーンＣと溶融ゾーン
Ｄには送風ファンヒータ５，６が設けられている。

第２図は上記コンベア２を２分割し、上記第１、第２予
熱ゾーンＡ、Ｂと第３の予熱最終ゾーンＣに対応するコ
ンベア２ａと、溶融ゾーンＤと冷却ゾーンＥに対応する
コンベア２ｂとによって構成した実施例で、コンベア２
ａと２ｂとは第３の予熱最終ゾーンＣと溶融ゾーンＤと
の境目部位で分割されており、搬送されてきたプリント
基板７は、後述するように、予熱最終ゾーンＣの直下で
停止するようにしである。

上記コンベア２、または、コンベア２ａ　、　２ｂとか
らなる搬送体の一側に、これの略全長にわたってキャリ
アレール８を配設せしめ、このキャリアレール８に、上
記コンベア２．２ａ、２ｂのプリント基板搬送速度と同
調して走行し、かつ、搬送終端から搬送始端に帰戻する
キャリア９を搭載する。上記キャリアレール８は第３，
４図から明らかなように、断面形状が上向きコ字形のチ
ャンネル構造に形成されており、このキャリアレール８
の溝内に上記キャリア９は移動可能に装入されるととも
に、キャリア９の上部前後左右に夫々転輪１０を軸支し
、この各転輪ＩＯを上記キャリアレール８の上端縁上に
夫々転勤可能に乗載せしめる。上記キャリア９の下面は
、上記キャリアレール８内に挿通したキャリア搬送ベル
）１１の中央部に固定せしめられ、また、該キャリア搬
送ベル）１１の一端は、キャリアレール８の搬送始端側
に設けられ、かつ、モータ１２によって駆動される巻取
り１巻戻し用のり−ル１３に捲回され、また、キャリア
搬送ベルトｌ！の他端は、キャリアレール８の搬送終端
側に設けられ、かつ、モータ１４によって駆動される巻
取り４巻戻し用のクラッチ付きり−ル１５に捲回されて
いる。

上記キャリア９の上部中央には、キャリア９の搬送方向
と直交する軸１６が回動可能に貫通軸支されており、こ
の軸１６の内側端、即ち、プリント基板７に対応する側
の端部には、先端に屈曲部１８ａを形成した温度センサ
ーを構成する熱伝導度の高い金属材料よりなるバイブ１
８の基部をとりつけ、このバイブ１８の内部には、例え
ば、熱電対などの温度センサー１７を封入させる。また
、上記軸１６の外側端には、−側端部にカム面１９ａを
もつカム杆１９の中央部を固定し、該カム杆１９の回動
作用により、上記バイ１１８が同時に回動し、温度セン
サー１７がプリント基板７の上面に押し付けられたり、
離反されたりするようにしたものである。上記軸１６に
は、第７図から明らかなように、上記キャリア９に形成
された空洞９ａ内に収容され、一端が上記軸１６に、他
端が空洞９３内に設けられたビン２ｏに掛は止めされた
ゼンマイばね２１により一方向回動作用を付与する。１
！Ｉ中２２はストッパービンで、このストッパービン２
２に上記カム杆１９が度当たりし、カム杆１９が略１回
転以上回動するのを規制している。また、上記キャリア
レール８の搬送始端部と搬送終端部の外側には、上記カ
ム杆１９に形成したカム面１９ａに当接してカム杆１９
を介し軸１６を回転させる上向きカム面２３ｍをもつ水
平姿勢のカム杆２３と、下向きカム面２４ａをもつ水平
姿勢のカム杆２４が配設されている。

図中１７ａは上記温度センサー１７に接続されたケーブ
ルで、このケーブル１７ａは、プリント基板７の上面の
温度検知信号をマイクロコンピュータ（図示略）に接続
される。そして、温度検知信号をマイクロコンピュータ
で処理し、予熱最終ゾーンＣにおけるプリント基板７の
温度が所定の温度差以内に入るまで上記コンベア２、ま
たは、２ａ、および、キャリア９の搬送用モータ！４の
駆動を停止し、温度差が所定値以内に達した信号により
コンベア２．２ａ、２ｂ、キャリア９の搬送を行う、こ
のとき、第２図の実施例ではコンベア２ｂは常時駆動し
ているので、このコンベア２ｂにプリント基板７を移送
し、はんだを溶融する。

また、予熱最終ゾーンＣの温度を、はんだ溶融温度以上
に設定することが可能であり、はんだ溶融時の温度分布
とその変化の測定が可能である。

本実施例において、予熱最終ゾーンＣにおけるコンベア
停止時間が決定されたならば、この時間値を記憶し、同
一ロットのプリント基板について停止時間を自動的に設
定する。

また、本実施例は、遠赤外線加熱炉について説明したが
、これは単にヒータの性質に係わるもので、仮に近赤外
線ヒータ、あるいは、ベーパーを用いた場合でも同様に
実施しうろことはいうまでもない。

また、本実施例の温度プロフィールの例を第１０図に示
すが、ハはプリント基板の先頭部、二は後部である。ハ
と二の予熱最終ゾーンＣの終端における温度差はなく、
また、その後の溶融温度差は約２℃である。

次に、第８図ａ〜ｆについて温度センサー１７とプリン
ト基板７の間係、および、キャリア９の帰戻時における
カム杆１９と温度センサー１７の姿勢の変化について説
明する。

第８図ａは、キャリア９が搬送始端部に俸止されている
状態を示しており、このとき、キャリア９に設けたカム
杆１９はカム杆２３の下面に平行に当接していて、温度
センサー１７は搬送されるプリント基板７の上面から離
反している。この状態でキャリア９のキャリア搬送ベル
ト１１、および、コンベア２．２ａ、２ｂが同調駆動す
ると、第８図すに示すように、ゼンマイばね２１の一方
向回動付勢作用によって軸１６が回動し、温度センサー
１７はプリント基板７の上面に圧接されたまま搬送終端
に至る。

搬送終端にキャリア９が到達すると、第８図すのような
姿勢にあるカム杆１９のカム面１９ａが搬送終端部に配
設されたカム杆２４の下向きカム面２４ａに当接誘導さ
れ、カム杆１９はカム杆２４の下面に平行になるように
回動しカム杆２４の下面に当接せしめられ、この作用で
軸１６が回動して、第８図Ｃで示すように、温度センサ
ー１７はプリント基板７の上面から離反するとともに、
はんだ付けが完了し冷却されたプリント基板７はそのま
ま搬送終端から加熱炉本体１外に搬出せしめられる。

次に、キャリア９を搬送始端部に帰戻する場合は、キャ
リア搬送ベルト１１を巻取ったクラッチ付きリール１５
のクラッチが外れ、モータ１２によってキャリア搬送ベ
ル２１がリール１３に巻取られると、第８図ｄのように
、カム杆１９がカム杆２４から外れる。このとき、温度
センサー１７が当接するプリント基板７が存在しないた
めに、ゼンマイばね２１の作用で軸！６は略１回転、ま
つり、カム杆１９の端部がストッパービン２２に度合た
りするまで回動する。このとき第８図ｅのように、温度
センサー１７は略水平姿勢となる。この状態でキャリア
９が帰戻し、カム杆１９のカム面１９ａがカム杆２３の
上向きカム面２３ａに当接すると、第８図ｆで示すよう
に、カム杆１９は矢印方向に回動し、カム杆２３の下面
に収められ、第８図ａと同じ状態となる。

［発明の効果］ 上述のように本発明の構成によれば、次のような効果が
得られる。

多種類の実装プリント基板のりフローはんだ付けに必要
なプリント基板内温度プロフィール、特に、予熱最終ゾ
ーンにおける温度を検出し、かつ、確実に一定温度に到
達させることができる。このため、その後のはんだ溶融
ゾーンにおける温度差を最小に抑制できるため、予熱最
終温度の補正により溶融ゾーンの温度差を約２℃以内に
でき、はんだ溶融過不足やリードへのはんだ揚がりによ
る未接合などの欠陥を皆無にできるなど優れた効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、および、第２図は本発明加熱炉の概略説明図、
第３図はキャリア構造の斜視図、第４図は同上縦断正面
図、第５図はキャリア部の正面斜視図、第６図は同上背
面図、第７図は同上分解斜視図、第８図ａ−ｆは温度セ
ンサーの動きを示す流れ図、第９図は部品を実装しない
プリント基板単体における２部位の温度プロフィール図
、第１０図は部品を実装したプリント基板における２部
位の温度プロフィールである。 Ａ・・・第１予熱ゾーン、Ｂ・・・第２予熱ゾーン、Ｃ
・・・予熱最終ゾーン、Ｄ・・・溶融ゾーン、Ｅ・・・
冷却ゾーン、ｌ・・・過熱炉本体、　２　、２ａ、２ｂ
・・・コンベア。 ３・・・送風ファン、４・・・ヒータ、５，６・・・送
風ファンヒータ、７・・・プリント基板、８・・・キャ
リアレール、９・・・キャリア、ｌＯ・・・転輪、　１
１・・・キャリア搬送ベルト、　１２・・・モータ、　
＋３・・・リール、！４・・・モータ。 ｌ５・・・クラッチ付きリール、　ＩＳ・・・軸、１７
・・・温度センサー、　！？ａ・・・ケーブル、１８・
・・バ・イブ、　１９・・・カム杆、　ｆ９ａ・・・カ
ム面、２０・・・ビン、　２１・・・ゼンマイばね。 ２２・・・ストッパービン、２３・・・カム杆、２３ａ
・・・上向きカム面、２４・・・カム杆、２４ａ・・・
下向きカム面。 特 許 出 願 人 株式会社日立製作所 株 式 第 ７ 図 第 図 第１０図 時間（ｍｉｎ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）搬送体によりプリント基板を所望の温度プロフィ
   ールに連続加熱するため、少なくとも、予熱ゾーン，溶
   融ゾーン，冷却ゾーンの順でこれらを直列に配設した加
   熱炉において、 上記搬送体の一側に、これの略全長にわたってキャリア
   レールを配設せしめ、該キャリアレールに、上記搬送体
   のプリント基板搬送速度と同調して走行し、かつ、搬送
   終端から搬送始端に帰戻するキャリアを搭載するととも
   に、該キャリアに、上記プリント基板の上面に接触して
   プリント基板の温度を測温し、少なくとも、上記予熱ゾ
   ーンの終端部（予熱最終ゾーン）におけるプリント基板
   温度を実測温度データと比較し、予熱最終ゾーンにおけ
   るプリント基板湿度が設定温度に達するまで上記搬送体
   、および、キャリアの搬送駆動を一時停止する温度セン
   サーを設けたことを特徴とする加熱炉。
2. （２）上記搬送体を、プリント基板の搬送始端部から予
   熱ゾーンの終端に至る搬送体と、溶融ゾーンの始端部か
   ら冷却ゾーンの終端部に至る搬送体とに分割構成せしめ
   、温度センサーの信号により上記予熱ゾーンに対応する
   搬送体のみを一時停止するようにしたことを特徴とする
   請求項１記載の加熱炉。