JPH0679774B2 - リフローはんだ付け用加熱炉 - Google Patents

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リフローはん
だ付けに用いる加熱炉に関するもので、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
改善に関する。

［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、一括加熱してはんだ付けするリフロー炉におい
ては、搬送によって生じるプリント基板面内のはんだ付
け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。例えば、エレクトリ・オニックス第31巻（1986
年）第26頁から第30頁（Electri Onics,31（９）, pp.2
6-30,1986）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（熱源）のリ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，熱凝縮による発熱な
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関係。

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，これとはんだ付け品質
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、はんだ付け品質の低下をも
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、上記予熱ゾーンと溶
融ゾーンとの境目部位で上記搬送体を分割したリフロー
はんだ付け用加熱炉において、前記予熱ゾーンの搬送体
を停止可能とするとともに、溶融ゾーンの搬送体を常時
運行するよう構成し、上記予熱ゾーンの終端部上方に耐
熱性ガラスを張設した観察窓を設け、この観察窓の外方
に上記プリント基板内の温度分布を非接触手段で自動計
測し、この得られた温度測定信号により上記予熱ゾーン
に対応する搬送体の停止時間を制御する温度測定装置を
配設したものである。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２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10と11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３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、熱伝導の
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け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、前記温度分布を非
接触的手段で測定するため、該当する予熱ゾーンの上方
に観察窓を有することである。

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、一般的に加熱槽が耐熱金属製であ
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、なおかつ、その上方に観察用開孔部を
必要とすることからして、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］ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

２、および、３はそれぞれ第１、および、第２予熱ゾー
ンA,Bの送風ファン、および、ヒータである。このよう
な構成は第３の予熱最終ゾーンＣにも用いられており、
６は本発明になる予熱最終ゾーンＣのファン、および、
ヒータ構造であり、その上部には観察窓７を設けてい
る。また、観察窓７の上に温度測定装置として赤外線映
像装置８を設置する。上記観察窓７には、これに必要な
シリコンなどの耐熱性を有するフィルター材7aを設ける
ことが可能である。図中Ｅは冷却ゾーンである。

コンベヤ４と５とは上記予熱最終ゾーン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９は予熱最終ゾーンＣの直下で停止させる。上
記赤外線映像装置８は該プリント基板９の上面の温度分
布を観測し、赤外線映像装置８の熱像出力を適応したマ
イクロコンピュータ（図示略）で処理する。この方法に
より、プリント基板９内の温度が所定の温度差以内に入
るまで観測と熱像処理を繰り返す。温度差が所定値以内
に達したことが確認されたら、上記コンベヤ４を駆動さ
せ、これとは別に常時駆動しているコンベヤ５にプリン
ト基板９を移送し、はんだを溶融する。

本実施例においては、はんだ溶融ゾーンＤにも予熱最終
ゾーンＣと同一構造のファン，ヒーター６を用いてお
り、この上に設けた観察窓７に透明の耐熱性ガラス7aを
取り付けているため、炉のカバー１の上方からはんだの
溶融する状態が観察できる。同様に予熱ゾーンのいずれ
の位置にでも、本実施例からなる観察窓の配置は可能で
ある。

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
その変化の観測が可能である。

本実施例において、予熱最終ゾーンＣにおけるコンベヤ
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行
う。

本実施例は遠赤外線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るこ
とは云うまでもない。

また、赤外線映像出力の観測は、必要であればこれをプ
リント基板一枚毎に実施でき、これは同一板幅で多数種
の実装プリント基板を混合搬送する場合に好適である。
一方、同一実装内容のロットが搬送される場合には、運
転条件に対して稼働状態の温度モニターとして有用であ
り、時々使用することで前記停止時間を自動的に修正し
たり、あるいは、無停止とする。

次に熱像処理においては、赤外線映像装置８、並びに、
マイコンによる処理時間を考慮しなければならない。本
実施例においては、プリント基板一枚の熱像出力に0.5
秒，マイコンによる処理に４秒を要し、１回の温度分布
判定時間は約５秒であることが実験の結果確認されてい
る。しかるに、長さ300mmのプリント基板の温度が一定
になる時間は、コンベヤ速度0.8m/minにおいて約14秒で
あり、全体として約19秒間プリント基板を停止する必要
がある。この時間間隔は、部品を装着する前工程に対し
て何等障害をもたらさない。しかしながら、マイコン処
理時間の短縮は赤外線映像装置使用の経済的理由から要
請される。この目的に対して、プリント基板内の全面に
ついて温度分布を処理する必要はなく、プリント基板内
の前と後，中央部などの特定領域について熱像を処理す
る方法が有用である。本実施例によれば、マイコン処理
時間を約１秒に短縮でき、コンベア停止時間を約14秒に
短縮できる。

本実施例による温度プロフィールの例を第３図に示す
が、12はプリント基板の先頭部,13は後部である。12と1
3の最終予熱ゾーン３の終端における温度差はなく、ま
た、その後の溶融部温度差は約２℃である。

［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リ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モニターし、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図は本発明加熱炉の概略説明図，第２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３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図である。 １……炉のカバー,2……ファン,3……ヒータ,4,5……コ
ンベヤ,6……ファンヒータ,7……観察窓,7a……フィル
タ材,8……赤外線映像装置,9……プリント基板,A,B……
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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 恭二 東京都中央区銀座７丁目13番８号 株式会 社弘輝内 (56)参考文献 特開 昭63−84767（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−35986（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、上記予熱ゾーンと溶融ゾーンとの境目部位で上記搬
   送体を分割したリフローはんだ付け用加熱炉において、 前記予熱ゾーンの搬送体を停止可能とするとともに、溶
   融ゾーンの搬送体を常時運行するよう構成し、上記予熱
   ゾーンの終端部上方に耐熱性ガラスを張設した観察窓を
   設け、この観察窓の外方に上記プリント基板内の温度分
   布を非接触手段で自動計測し、この得られた温度測定信
   号により上記予熱ゾーンに対応する搬送体の停止時間を
   制御する温度測定装置を配設したことを特徴とするリフ
   ローはんだ付け用加熱炉。