JPH088529A - リフロー炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ペースト半田印刷部に実装部品を載置した基
板を送り機構により予熱部および本加熱部を通過させる
ことにより実装部品を基板に半田付けするリフロー炉に
関し、基板内の各実装部品に対応した最適な加熱を行う
ようにする。 【構成】 予熱部の前段に計測手段を設けて基板上の各
実装部品のサイズと位置を計測しておき、基板が本加熱
部を通過するときにそのサイズと位置に対応して本加熱
部に設けられたスポット加熱部により各実装部品を部品
単位で加熱するか或いは上記の計測手段を設ける代わり
に予熱部と本加熱部との間に赤外線分光計を設けこの赤
外線分光計から得られる温度差情報により同様の実装部
品のサイズ情報と位置情報を取り出すことにより同様に
スポット加熱による各実装部品の加熱を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はリフロー炉に関し、特に
プリント基板（以下、単に基板と言う）に電子部品等の
実装部品を装着した後にリフロー半田付けするための加
熱装置としてのリフロー炉に関するものである。

【０００２】基板に対して実装部品を半田付けするため
にはその基板をリフロー炉内において加熱し半田を溶解
させる必要があるが、近年のＳＭＴ(Surface Mount Tec
hnology)の進展に伴い実装部品も様々な形態のＳＭＤ
（Surface Mount Device) が開発され、そのサイズも大
小極端化されて来ているので、リフロー炉内の温度設定
を実装部品に対応して行う必要がある。

【０００３】

【従来の技術】図１１は従来より知られているリフロー
炉の構造を概略的に示した側面図であり、同図（１）に
おいて、このリフロー炉１は送り機構としての基板搬送
コンベア（チェーン）２を備え、基板搬送コンベア２の
両側には前コンベア４と後コンベア５が設置されてい
る。

【０００４】基板搬送コンベア２は、定寸送り停止用の
基板搬入センサ６による検出結果を受けた後述する制御
系統が一定の寸法単位で図の左側から右側に基板２０を
間欠送りするための機構となっている。

【０００５】また、この基板送りコンベア２の上にはカ
バー１０に覆われた二つの予熱部ＰＨ１，ＰＨ２と本加
熱部ＭＨとが設けられており、さらにこれらの予熱部Ｐ
Ｈ１，ＰＨ２およびＭＨ２はそれぞれ基板２０の送り方
向長さにほぼ等しい長さを有するシーズヒーター１１を
備えており、これらの加熱部を通った基板２０はファン
１３で冷却されるようになっている。

【０００６】また、基板２０の上には実装部品２１が用
意されるとともにこの実装部品２１と基板２０との間に
はペースト半田印刷部２２が介在している。

【０００７】このようなリフロー炉１において基板２０
が定寸送り機構２によって予熱部ＰＨ１，ＰＨ２および
本加熱部ＭＨを通過させられるとき、ペースト半田２２
が溶解して基板２０と実装部品２１とを半田付けするこ
ととなる。

【０００８】このような基板２０の半田付けにおいて
は、そのヒーター温度が重要であるため、予熱部ＰＨ
１，ＰＨ２及び本加熱部ＭＨにそれぞれ設けられた温度
センサ（図示せず）からその場所の温度を検出し、図１
２に示すように基板２０が通過する時間と温度とのプロ
ファイルを生成する。

【０００９】そして、これらの温度センサによって検出
される温度が所望のプロファイルに合致しない場合には
予熱部ＰＨ１，ＰＨ２および本加熱部ＭＨのシーズヒー
ター１１の設定温度を変更し、再度基板２０をリフロー
炉１に導入して所望の温度プロファイルが取得出来るま
で同じ操作を繰り返して実行する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような所望の温度プロファイルの取得を試みても良好な
ものを取得するのは難しい。これは、上述したように実
装部品が様々の形態を有しており、小型部品と大型とで
は熱容量が異なるため部品毎の半田付け部に温度差が生
じ小型部品は高温に大型部品は低温になってしまい所望
の温度プロファイルが得られず大型部品の半田付け部の
半田が溶解不良になってしまうという問題点があった。

【００１１】図１３はこのような問題点を示したもの
で、同図（１）に示すように一つの基板２０において大
型部品２１１と中型部品２１２と小型部品２１３とが混
載している場合、それぞれの部品の温度差例が同図
（２）に示されており、大型部品２１１の温度は小型部
品２１３よりもより低くなっていることが判る。

【００１２】一方、特開平2-96394 号公報、同2-137667
号、同4-288967号公報などのように基板毎の熱容量に応
じて加熱温度を制御する技術が提案されているが、いず
れも基板全体に対しての加熱温度制御であり一つの基板
内における実装部品の様々な形態に対応した制御が出来
ないという問題点があった。

【００１３】従って本発明は、ペースト半田印刷部に実
装部品を載置した基板を送り機構により予熱部および本
加熱部を通過させることにより実装部品を基板に半田付
けするリフロー炉において、基板内の各実装部品に対応
した最適な加熱を行うようにすることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

〔１〕上記の目的を達成するため、本発明（その１）に
係るリフロー炉は、予熱部の前段に設けた実装部品のサ
イズと位置を所定面積単位に計測する手段と、本加熱部
に設けられ該所定面積単位に加熱可能なスポット加熱部
と、該基板が該本加熱部を通過するときに該計測手段か
ら得られる該サイズ及び位置に対応して該スポット加熱
部を制御して該実装部品を加熱させる制御手段と、を備
えている。

【００１５】この場合、該計測手段は、該サイズとして
該実装部品の高さも合わせて計測することにより体積を
計測し、該制御手段が、該実装部品の体積に対応した熱
容量に合わせて該スポット加熱部を加熱させることがで
きる。

【００１６】〔２〕本発明（その１）に係るリフロー炉
は、予熱部と本加熱部との間に設けられ該予熱部を通過
した実装部品の温度差を計測する赤外線分光計と、該本
加熱部に設けられ該所定面積単位に加熱可能なスポット
加熱部と、該基板が該本加熱部を通過するときに該赤外
線分光計から得られる温度差情報により該実装部品のサ
イズ情報及び位置情報を取り出しこれらに対応して該ス
ポット加熱部により該実装部品を加熱させる手段と、を
備えている。

【００１７】〔３〕上記の本発明においては、該スポッ
ト加熱部のヒータは該実装部品の基板形態に従って位置
調整が可能となっており、また、送り機構が、該基板を
該予熱部と本加熱部に通過させるとき定寸だけ送ること
が可能である。

【００１８】

【作用】

〔１〕本発明（その１）に係るリフロー炉においては、
予熱部で加熱を行う前に予熱部の前段に設けた計測手段
により基板上の実装部品のサイズと位置を所定の面積
（枡目）単位に計測する。

【００１９】そして従来と同様に予熱部で加熱を行った
後、本加熱部に送られると、この本加熱部には上記の所
定面積単位に加熱可能なスポット加熱部が設けられてい
るので、基板がこの本加熱部に送られると先に計測して
おいた実装部品のサイズと位置に対応して制御手段がス
ポット加熱部を制御して実装部品を部品単位に加熱する
こととなる。

【００２０】この場合、実装部品の高さが異なることを
考慮して上記の計測手段は、該サイズとして該実装部品
の高さも合わせて計測することができるので、これによ
り実装部品の体積が分かる。

【００２１】従って制御手段は、該実装部品の体積に対
応した熱容量（これは予め用意した体積と熱容量との関
係から求められる）に合わせて該スポット加熱部を加熱
させることができ、面積だけを考慮する場合に比べてよ
り正確な部品加熱を行うことができる。

【００２２】〔２〕本発明（その２）に係るリフロー炉
によれば、上記のような計測手段は特に設けず、その代
わりに予熱部と本加熱部との間に予熱部を通過した実装
部品の温度を計測する赤外線分光計を設けておき、この
赤外線分光計から得られる温度差情報により各実装部品
のサイズ情報と位置情報とを取り出し、これらに対応し
て基板が本加熱部を通過するときにやはり同様に本加熱
部に設けられたスポット加熱部により各実装部品を加熱
させるように構成している。

【００２３】この場合の赤外線分光計による温度差情報
から得られる実装部品のサイズ情報には実装部品全体の
体積情報が含まれることは言うまでもない。

【００２４】〔３〕なお、上記のスポット加熱部のスポ
ットヒーターは各実装部品の基板形態に従って位置調整
が可能にすることが出来る。

【００２５】また、送り機構は基板を予熱すると本加熱
部に通過させるときに定寸だけ送ることも可能である。

【００２６】

【実施例】

〔１〕図１は本発明（その１）に係るリフロー炉の実施
例を示したものであり、特に同図（１）はその概略的な
側面図を示し、同図（２）は同図（１）におけるＡ矢視
図に相当するものである。

【００２７】この実施例と図１１に示した従来例との違
いは、予熱部ＰＨ１の前段に計測手段としてのＸ−Ｙ駆
動型ＣＣＤカメラ１４と実装部品２１の高さを計測する
ためのＸ−Ｙ駆動型レーザーユニット１５とを設け、基
板２０における実装部品２１のサイズと位置を計測する
とともに、本加熱部ＭＨにスポット加熱部としてのスポ
ットヒーター１２が設けられている点である。

【００２８】図２には図１に示した加熱部の平面図が示
されており、特に同図（１）には予熱部ＰＨ１，ＰＨ２
の平面図が示されており、同図（２）には本加熱部ＭＨ
の平面図が示されている。

【００２９】即ち、予熱部ＰＨ１，ＰＨ２においては予
熱部の枠体１６にシーズヒーター１１が基板２０の送り
方向と直角に取り付けられており、本加熱部ＭＨにおい
ては予熱部ＰＨ１，ＰＨ２と同様のシーズヒーター１１
とともにこれらのシーズヒーター１１の間に所定の面積
単位（枡目状）にスポットヒーター１２を設けている。

【００３０】図３は図２（２）に示した本加熱部の斜視
図を示しており、図示のようにシーズヒーター１１は枠
体１６の側面に設けたスライド孔１７からその一部が細
いボルトになって出ておりナット１８で締め付けること
により固定するようになっているため、図示の如くＸ方
向に移動可能であり、またスポットヒーター１２はこの
シーズヒーター１１がＸ方向に動くことにより同様にＸ
方向に動くとともにＹ方向にも移動可能となっている。

【００３１】図４はスポット加熱部の実施例を示したも
ので、まずこのスポット加熱の加熱源としてのキセノン
ランプ３１を設け、このキセノンランプの発射光を反射
板３２で反射し、これをスポットヒーター１２から基板
２０の実装部品２１に照射するようにしている。

【００３２】各スポットヒーター１２にはシャッター３
３が設けられており、このシャッター３３を開閉するこ
とにより反射板で反射したキセノンランプ３１の発射光
をレンズ３４を通して光束３５として実装部品２１に与
えるようになっている。なお、このシャッター３３は単
にＯＮ／ＯＦＦ式の動作をするだけでなく光束３５の量
を調節する中間開度にも制御可能となっている。

【００３３】また図５は上記の図１〜図４に示した本発
明の実施例の制御系統を示したもので、ＣＣＤカメラ１
４の出力信号は画像処理部３１を経由して制御ユニット
３２に与えられるようになっており、またレーザーユニ
ット１５の出力信号も制御ユニット３２に与えられるよ
うになっている。

【００３４】この制御ユニット３２は後述する演算処理
を行うためのＣＰＵ３３に接続されて制御手段を構成す
ると共に、図示の如くコンベア制御Ｃ１、ヒーター制御
Ｃ２、スポットヒーター制御Ｃ３などを行うとともに赤
外線分光計（これについては後述する）からの出力信号
も受けるようになっている。なお、これらの制御Ｃ１〜
Ｃ３は従来から良く知られた制御処理であるのでここで
は省略する。

【００３５】なお、後述するようにＣＰＵ３３には、予
め、サイズ、熱容量等の実装部品情報や大中小部品の占
有率、温度条件等の実装パターンがデータベースとして
記憶されている。

【００３６】図６は本発明（その１）に関してＣＰＵ３
３で実行される制御処理のフローチャートを示したもの
で、以下、このフローチャートを参照して上記の実施例
の動作を説明する。

【００３７】まず、ＣＰＵ３３は基板２０を定寸送り機
構２によって前コンベア４からＣＣＤカメラ１４及びレ
ーザーユニット１５で構成された計測手段の所に搬入す
る（ステップＳ１）。これは基板搬入センサ６の出力信
号を用いてコンベア制御Ｃ１により行うことが出来る。

【００３８】これにより、ＣＣＤカメラ１４及びレーザ
ーユニット１５は基板２０をＸ−Ｙ平面で走査すること
により、その各出力信号（ＣＣＤカメラ１４は画像処理
部３１で画像処理された出力信号）は制御ユニット３２
を介してＣＰＵ３３に与えられることとなる。これによ
りＣＰＵ３３は実装部品のサイズと位置を計測する（ス
テップＳ２）。

【００３９】このＣＣＤカメラ１４及びレーザーユニッ
ト１５による実装部品２１の計測サブルーチンが図７に
具体的に示されており、まず実装部品２１のサイズを計
測し（ステップＳ２１）、このサイズと位置から基板の
平面的な実装マップＭ１を図示のような形で作成する。

【００４０】また、レーザーユニット１５ではレーザー
光を発射して実装部品２１に照射することによりその反
射光からその高さ情報を生成することができるので、上
記の平面的な実装マップＭ１を加味すると実装部品２１
の体積が分かる。

【００４１】従って、部品体積毎の熱容量を記憶した部
品情報ファイル（サイズ別熱容量）を予め求めておき、
このファイルと実測した体積情報のマッチング処理を行
うとともにこのマッチング処理結果を基に実装マップＭ
１に均等基準加熱（シーズヒーター加熱）時との温度差
マップＭ２を作成する（ステップＳ２３）。

【００４２】なお、この温度差マップＭ２においては
はスポットヒーター１２によるスポット加熱を必要とし
ない基準加熱レベル（半田溶解可能レベル）を示し、
〜は値が小さくなるに従って基準加熱レベルとの差
分だけスポット加熱が必要であるレベルを示している。

【００４３】即ち、この温度差マップＭ２において実装
部品の高さが同じであれば、例えば温度差の実装部品
に対して図４に示したシャッター３３の内の一つを開け
ばよいが、温度差の実装部品に対しては２つのシャッ
ター３３を開く必要があることを示している。

【００４４】一方、この温度差マップＭ２においては、
同じ面積であるにも関わらず温度差がとというよう
に異なった実装部品があるのは、上記のように実装部品
の高さが異なっているためであり、この場合には、温度
差の方がの方より一つのシャッター３３の開度を大
きくすることによって均等加熱を実現することができ
る。

【００４５】なお、温度差マップＭ２の作成について
は、レーザーユニット１５を用いずにＣＣＤカメラ１４
による実装部品の面積（基板実装マップＭ１）だけを用
いてもよく、その場合には、ステップＳ２３におけるマ
ッチング処理は図示のような所定面積の枡目のどれに各
実装部品が対応するかを判定してシャッター３３をＯＮ
／ＯＦＦ制御すれば良い。

【００４６】このように計測サブルーチンＳ２を実行し
た後、ＣＰＵ３３は基板定寸送り機構２に対して定寸送
り制御を実行する（ステップＳ３）。

【００４７】この後、ＣＰＵ３３は制御ユニット３２を
介して予熱部ＰＨ１の加熱を実行するため常時通電され
たシーズヒーター１１の下で予熱する（ステップＳ
４）。

【００４８】この後、再び基板２０を定寸送りし（ステ
ップＳ５）、次の予熱部ＰＨ２における常時通電された
シーズヒーター１１の下で二番目の予備加熱を実行する
（ステップＳ６）。

【００４９】そしてさらに基板２０を定寸送りし（ステ
ップＳ７）、次の本加熱部ＭＨにおける常時通電された
シーズヒーター１１とスポットヒーター１２を動作させ
る（ステップＳ８）。

【００５０】このステップＳ８においては通常の如くシ
ーズヒーター１１を加熱するとともに、サブルーチンＳ
２によって計測した温度差マップＭ２に基づいてスポッ
トヒーター１２を加熱する。

【００５１】この後、再び基板２０を定寸送りし（ステ
ップＳ９）、基板２０を冷却ファン１３によって冷却し
（ステップＳ１０）、さらに基板を定寸送りして（ステ
ップＳ１１）、次の行程へ進む。

【００５２】〔２〕図８は本発明（その２）に係るリフ
ロー炉の実施例を示したもので、この実施例と本発明
（その１）の実施例（図１参照）との差異は予熱部ＰＨ
１の前段にＣＣＤカメラ１４及びレーザーユニット１５
からなる計測手段を設けず、予熱部ＰＨ２と本加熱部Ｍ
Ｈとの間に赤外線分光計７を設け、この赤外線分光計の
出力信号を制御ユニット３２を介してＣＰＵ３３に与え
ている点である。従って、図２乃至図４に示した実施例
はこの図８の実施例についても同様に適用可能である。

【００５３】図９は本発明（その２）におけるＣＰＵ３
３の制御フローチャートを示したものであり、この実施
例では図６のフローチャートと同一符号は同一のステッ
プを示しており、図９のステップでは図６のサブルーチ
ンＳ２が削除されている代わりに、ステップＳ７とＳ８
との間に赤外線分光計による実装部品の計測サブルーチ
ンＳ１２が設けられている点が異なっている。

【００５４】この計測サブルーチンＳ１２の具体的な実
施例が図１０に示されており、まず予熱部ＰＨ２を通過
した後の温度分布を赤外線分光計７によって計測し（ス
テップＳ１２１）、この計測結果から温度差マップＭ３
を作成する。

【００５５】この場合、この温度差マップＭ３を作成す
るためには、予め基準温度を記憶しておき、この基準温
度と測定した温度分布とを比較すればよい。

【００５６】即ち、赤外線分光計７では基板２０からの
赤外線７１を受光部７２で受光するが、このとき受光部
７２をスキャンすることにより基板２０の温度分布を計
測することが可能となる。

【００５７】そして、これを画像処理することによりス
キャン情報と分布温度の位置が判るので基板上の各部品
の温度差を基準温度と比較することにより図示のごとく
求めることができる。

【００５８】なお、この温度差マップＭ３は、赤外線分
光計７が検出した各実装部品の体積による温度状態を示
すので、図１のようなＣＣＤカメラ１４やレーザーユニ
ット１５は必要としない。

【００５９】

【発明の効果】以上説明した様に本発明に係るリフロー
炉によれば、予熱部の前段に計測手段を設けて基板上の
各実装部品のサイズと位置を計測しておき、基板が本加
熱部を通過するときにそのサイズと位置に対応して本加
熱部に設けられたスポット加熱部により各実装部品を部
品単位で加熱するか或いは上記の計測手段を設ける代わ
りに予熱部と本加熱部との間に赤外線分光計を設けこの
赤外線分光計から得られる温度差情報により同様の実装
部品のサイズ情報と位置情報を取り出すことにより同様
にスポット加熱による各実装部品の加熱を行うように構
成したので、基板内に大小部品が混在してもその部品毎
に最適な加熱を行うことが出来所望の温度プロファイル
が得られるので、基板品質も向上することとなる。

【００６０】また、従来リフロー半田付けが出来なかっ
た部品（大型部品）も一括してリフロー半田付けが可能
となり工数削減が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明（その１）に係るリフロー炉の側面図及
び平面図を示したものである。

【図２】本発明に係るリフロー炉に用いる加熱部の平面
図を示したものである。

【図３】本発明に係るリフロー炉に用いる本加熱部の斜
視図である。

【図４】本発明に係るリフロー炉に用いられるスポット
加熱部の実施例を示した図である。

【図５】本発明に係るリフロー炉の制御系統を示したブ
ロック図である。

【図６】本発明（その１）の制御フローチャート図であ
る。

【図７】図６におけるＣＣＤカメラ及びレーザーユニッ
トによる実装部品の計測サブルーチンを具体的に示した
フローチャート図である。

【図８】本発明（その２）に係るリフロー炉の実施例を
示した側面図である。

【図９】本発明（その２）に係るリフロー炉の制御フロ
ーチャート図である。

【図１０】図９に示した赤外線分光計による実装部品の
計測サブルーチンを具体的に示した図である。

【図１１】従来から知られているリフロー炉を示した側
面図である。

【図１２】リフロー炉によって得られる一般的な温度プ
ロファイルを示した波形図である。

【図１３】従来例の欠点を説明するための図である。

【符号の説明】

１ リフロー炉 ２ 基板搬送コンベア ６ 基板搬入センサ ７ 赤外線分光計 １４ レーザーユニット １５ ＣＣＤカメラ ＰＨ１，ＰＨ２ 予熱部 ＭＨ 本加熱部 １１ シーズヒーター １２ スポットヒーター ２０ 基板 ２１ 実装部品 ２２ ペースト半田印刷部 図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペースト半田印刷部に実装部品を載置し
   た基板を送り機構により予熱部及び本加熱部を通過させ
   ることにより該実装部品を該基板に半田付けするリフロ
   ー炉において、 該予熱部の前段に設けた該実装部品のサイズと位置を所
   定面積単位に計測する手段と、該本加熱部に設けられ該
   所定面積単位に加熱可能なスポット加熱部と、該基板が
   該本加熱部を通過するときに該計測手段から得られる該
   サイズ及び位置に対応して該スポット加熱部を制御して
   該実装部品を加熱させる制御手段と、を備えたことを特
   徴とするリフロー炉。
2. 【請求項２】 該計測手段が、該サイズとして該実装部
   品の高さも合わせて計測することにより体積を計測し、
   該制御手段が、該実装部品の体積に対応した熱容量に合
   わせて該スポット加熱部を加熱させることを特徴とした
   請求項１に記載のリフロー炉。
3. 【請求項３】 ペースト半田印刷部に実装部品を載置し
   た基板を送り機構により予熱部及び本加熱部を通過させ
   ることにより該実装部品を該基板に半田付けするリフロ
   ー炉において、 該予熱部と本加熱部との間に設けられ該予熱部を通過し
   た該実装部品の温度差を計測する赤外線分光計と、該本
   加熱部に設けられ該所定面積単位に加熱可能なスポット
   加熱部と、該基板が該本加熱部を通過するときに該赤外
   線分光計から得られる温度差情報により該実装部品のサ
   イズ情報及び位置情報を取り出しこれらに対応して該ス
   ポット加熱部により該実装部品を加熱させる手段と、を
   備えたことを特徴とするリフロー炉。
4. 【請求項４】 該スポット加熱部のヒータが該実装部品
   の基板形態に従って位置調整が可能となっていることを
   特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載のリフロー
   炉。
5. 【請求項５】 該送り機構が、該基板を該予熱部と本加
   熱部に通過させるとき定寸だけ送ることを特徴とした請
   求項１乃至４のいずれかに記載のリフロー炉。