JP2009081375A - リフロー炉 - Google Patents

Abstract

【課題】リフロー炉に排気ガスの浄化冷却装置を付設することによって、屋内であっても作業環境に影響を与えない機構とし、さらに浄化冷却後のクリーン排気を炉内に循環させることによって、安定した半田付け処理と装置の効率的な稼働を実現したリフロー炉を提供する。
【解決手段】半田ペーストを塗布した基板を搬送する搬送手段、搬送手段によって通過する基板に熱を付加する加熱炉３、加熱炉３に生じる熱ガスを吸入する吸入口１８、吸入された熱ガスを浄化冷却する冷却装置５を備えたリフロー炉１であって、基板の搬送ラインの加熱炉３の下流側に冷却ゾーン９を配置し、冷却装置５によって冷却されたクリーン１１排気を冷却ゾーン８へ循環させる構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明はリフロー炉に関し、特に、リフロー炉に排気ガスの浄化冷却装置を付設することによって、屋内であっても作業環境に影響を与えない機構とし、さらに浄化冷却後のクリーン排気を炉内に循環させることによって、安定した半田付け処理と装置の効率的な稼働を実現したリフロー炉に関する。

リフロー炉は、回路基板に搭載された電子部品をソルダペーストを用いて半田付けするのに用いられている。
半導体素子やコンデンサ、チップ抵抗などの電子部品を搭載するプリント基板の所定位置に、ソルダペーストを印刷機で印刷する。そして、このプリント基板をコンベアに載せてフロー炉へ搬送し、リフロー炉の熱によりソルダペーストを溶着するはんだ付けを行なっている。
また、一般的に、回路基板を搬送するための搬送手段として、炉の入口から出口に亘って連続的に延びるレールを有し、このレールに案内されて移動する無端チェーンによって回路基板の搬送が行われる。
このようなリフロー炉に関する技術として特開２００７−１７３４１０号公報記載の技術が知られている。
特開２００７−１７３４１０号公報

前記従来のリフロー炉においては、コンベアの入口及び出口が外部に連通しているため、そこからの熱ガスの漏洩は避けられない。そのため、屋内では漏れた熱ガスにより作業環境が悪化するという問題があった。
すなわち、電子部品の半田付けのために使用されるソルダペーストは、フラックスと粉末半田とを混合した粘調な半田付け材料であり、フラックスは、松脂、チキソ剤、活性剤などの固形成分を溶剤に溶かして適度な粘度に調整されている。ソルダペーストのフラックスはリフロー炉で加熱されることにより気化するため、この気化したガスにより汚染されるおそれがある。
従来、このような熱ガスはダクトによって屋外へ排出されているが、排気ダクトの配設作業に手間と費用を要するという問題があった。
本発明は係る従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、リフロー炉に排気ガスの浄化冷却装置を付設することによって、屋内であっても作業環境に影響を与えない機構とし、さらに浄化冷却後のクリーン排気を炉内に循環させることによって、安定した半田付け処理と装置の効率的な稼働を実現したリフロー炉を提供することにある。

前記目的を達成するための手段として、請求項１記載のリフロー炉では、半田ペーストを塗布した基板を搬送する搬送手段、搬送手段によって通過する基板に熱を付加する加熱炉、加熱炉に生じる熱ガスを吸入する吸入口、吸入された熱ガスを浄化冷却する冷却装置を備えたリフロー炉であって、基板の搬送ラインの加熱部の下流側に強制冷却部を配置し、冷却装置によって冷却されたクリーン排気を強制冷却部へ循環させる構成とした。

請求項２記載のリフロー炉では、請求項１記載のリフロー炉において、リフロー炉へ搬送する基板種類の切換え時に、冷却装置によって冷却されたクリーン排気を加熱炉へ循環させる構成とした。

請求項３記載のリフロー炉では、請求項１または２記載のリフロー炉において、リフロー炉の基板の入口側及び出口側に吸入口を接続し、それぞれの吸入口に対応する入口側冷却装置と出口側冷却装置を配置したことを特徴とする。

請求項４記載のリフロー炉では、請求項１、２または３記載のリフロー炉において、前記冷却装置は内部に貯留した冷却水を霧化して噴霧する微細水粒発生装置、その微細水粒噴霧器からの霧と導入した熱ガスを接触させる混合室、混合した霧から水分を分離してクリーン排気を生成する気水分離装置を備えたことを特徴とする。

請求項５記載のリフロー炉では、請求項１、２、３または４記載のリフロー炉において、入口側冷却装置から排出されるクリーン排気及び出口側冷却装置から排出されるクリーン排気を共に冷却ゾーンへ循環させる構成とした。

本発明では、前記構成を採用することにより、以下の効果が得られる。
請求項１記載のリフロー炉では、基板の搬送ラインの加熱部の下流側に冷却ゾーンを配置したので、半田付け処理の直後に急速冷却することができ、半田結晶組織の微細化、結晶強度の確保、表面の光沢の向上等の効果が得られる。
また、冷却装置によって冷却されたクリーン排気を冷却ゾーンへ循環させる構成としたので、排気を再利用して効率的に冷却することができる。

請求項２記載のリフロー炉では、冷却装置によって冷却されたクリーン排気を加熱炉へ循環させる構成としたので、処理基板の切換え時に、加熱炉にクリーン排気を導入してクールダウンすることできる。従って、適正温度プロファイルに素早く切換えが可能となり、稼働切換えに要する時間ロスを短縮できる。

請求項３記載のリフロー炉では、リフロー炉の基板の入口側及び出口部側に吸入口を接続し、それぞれの吸入口に対応する入口側冷却装置と出口側冷却装置を配置したので、熱ガスは２台の冷却装置によって確実に浄化冷却される。

請求項４記載のリフロー炉では、冷却装置は内部に貯留した冷却水を霧化して噴霧する微細水粒発生装置、その微細水粒発生装置からの霧と導入した熱ガスを接触させる混合室、混合した霧から水分を分離してクリーン排気を生成する気水分離装置を備えているので、接触面積の広い微細水粒により熱ガス中のフラックス等の気化物が確実に吸着され、続く気水分離装置によって吸着物とクリーン排気が分離される。

請求項５記載のリフロー炉では、入口側冷却装置から排出されるクリーン排気及び出口側冷却装置から排出されるクリーン排気を共に強制冷却部へ循環させる構成としたので、２台の冷却装置のクリーン排気を有効利用できる。

以下、図面に基づいて本発明のリフロー炉の排気冷却装置の最良の形態を説明する。

図１は本発明のリフロー炉の構造を概略的に示した側面図であり、同図においてリフロー炉１は、リフロー炉１本体内に電子部品搭載基板を搬送するチェーンコンベア２を備え、このチェーンコンベア２に沿って順次設けられた加熱炉３と、入口側からの排気を吸入して浄化冷却する入口側冷却装置４と、出口側からの排気を吸入して浄化冷却する出口側冷却装置５を備えている。
基板搬送コンベア２は、制御系統が一定の寸法単位で図の左側から右側に基板を定寸送りする機構となっており、チェーンコンベア２によりリフロー炉内に搬送される電子部品搭載基板はヒータで順次加熱されてリフロー面の半田が溶融し、電子部品を基板に半田付けする。

加熱炉３は搬送コンベアのライン上流側から昇温ゾーン６、予熱ゾーン７、加熱ゾーン８に設定され、加熱炉の下流に基板の冷却ゾーン９が接続されている。それぞれのゾーンの幅は図に示すとおり、搬送コンベア上において、昇温ゾーン（一区分）、予熱ゾーン（５区分）、加熱ゾーン（２区分）、冷却ゾーン（２区分）となっているが、これらの幅はリフロー炉の規模、処理対象等に応じて適宜設定される。
リフロー炉の入口部分の昇温ゾーン６では基板に徐々に熱が付与される。昇温ゾーン６に続く予熱ゾーン７では徐々に熱が高まり半田付時の急激なヒートショックを和らげる。この昇温ゾーン６と予熱ゾーン７が存在することにより良好な半田ボールの形成及びブリッジ発生等が回避され半田処理の安定性が確保される。
加熱ゾーン８では最も高温となり半田を溶融させて基板上に電子チップを溶着させる。加熱ゾーン８では無酸素状態とするために、Ｎ_２供給装置１０により窒素ガス（Ｎ_２）が供給されて半田ペーストと電子部品の溶着が行われる。
加熱ゾーン８に続く冷却ゾーン９では、クリーン排気１１の噴射を受けて急速冷却され、結晶組織の微細化、結晶強度の確保、表面の光沢の向上等の効果を与える。

前記加熱炉３、冷却ゾーン９では図２に示すように、モータ１２によって駆動されるファンが１３上部に配置されている。
ヒータ１４の熱はファン１３によって、風調節板１５、ネット１６を通過して下に吹き付けられ基板１７に照射される。下に吹き付けられた熱風は基板の下側に回り込んだ後に循環路を経由して上に達し、再びファン１３により下に吹き付けられる。このように、ヒータ１４から発生する熱は、上方から下方に吹き付けられながら炉内で循環してプリント基板１７を加熱する。
加熱ゾーン８においては、基板の下側への熱風の入り込みは阻止されて基板の半田処理面である上側のみに照射される。
冷却ゾーン９ではクリーン排気１１が導入されて、ファン１３によって基板に吹き付けられ、吹きつけられたクリーン排気は基板下側に回り込んだ後に循環路を経由して上に達し、再びファン１３により下に吹き付けられる。

前記加熱炉３では炉内の熱ガスは循環して利用されるが、プリント基板の搬入口（入口）、及び出口は外部に連通しているために、ここから内部の熱ガスがわずかに漏れてしまう。従来ではこれらはダクトにより外に排出していたが、その排出ダクトの配設に手間を要していた。そこで、本発明は熱ガスの冷却装置を設け、作業所内に放出しても作業環境に影響を与えないクリーン排気に変換している。

前記冷却装置は入口側と出口側に２台配置され、図１、３に示すように、リフロー炉１の入口部及び出口部に備えられた吸入口１８と、吸入口１８から吸入した熱ガスをダクト１９を介して熱ガスを噴射するブロアー２０と、ブロアー２０から送られた熱ガスが導入される混合室２１と、混合室２１に微細水粒を噴射する微細水粒発生装置２２と、混合室２１の霧状体から気水分離する気水分離器２３と、冷却水２４を貯留する貯留槽２５を備えている。

吸入口１８はリフロー炉の入口及び出口の上部に配置されて、入口と出口から外部に漏れようとする熱ガスをブロアー２０の圧力によって吸入する。
混合室２１は一方側に熱ガスの導入管２６が接続され、他方側に霧状体の排出管２７が接続された一連の中空部を有する閉塞空間である。ここでは、吸入された熱ガスが微細水粒と接触し、熱ガス中に含まれるフラックス等の気化ガスが微細水粒に吸着され、吸着された後に排出管２７から気水分離装置２３へ送られることになる。

微細水粒発生装置２２は微細水粒の発生に特化されたノズル及び気流発生器、または超音波処理装置等を備えて、ポンプ２８から吸入した冷却水２４を微細水粒として混合室２１に噴霧する装置である。この装置によって形成される水粒は通常ノズルからの圧縮噴霧に比較して特に微細な水粒によって構成される。微細水粒発生装置２２からの噴霧は混合室２１全体に均一に広がって導入ガスと混合される。この微細水粒発生装置２２の一例として特許第３７６５７５９号公報記載の装置を採用することができる。
この微細水粒による吸着方法では、水槽のエアレーションによる気液の接触に比較すると、気液の接触面積が増大するために、確実にガス中に含まれる気化物を吸着する。

気水分離装置２３は、混合室から送られる霧状体から液体を分離する装置であり、遠心力を利用して水分を除去するサイクロン式の装置が使用される。この気水分離装置２３により、フラックス等の気化ガスを吸着した液体成分は冷却水に戻され、気体（クリーン排気１１）のみが取り出され冷却ゾーン９に循環、あるいは一部排気されることになる。

前記貯留槽２５は微細水粒発生装置、気水分離装置と一体的に構成されており、アルミニウム、ステンレス等の耐腐食性の金属によって構成され、貯留槽２５には冷却水２４の水位を確認する水位確認窓、あるいは水位検知器が備えられる。

尚、図示していないが、微細水粒発生装置２２には冷却水２４へ向かって噴射するノズルが設けられ、このノズルから噴射されたナノバブル水は冷却水２４に衝突し、冷却水２４との衝突による衝撃を利用して、冷却水に溶融した気化成分、つまり有害物質、臭気成分を分解除去する構成となっている。

冷却装置４，５は入口側と出口側に２台備えられているが、入口側の冷却装置４によって冷却浄化されたクリーン排気は装置外郭を構成するフレーム内に排出されて装置全体を外から冷却した後に装置外へ排出される。
このクリーン排気１１は冷却装置４によって浄化されているので、屋内に排出しても作業環境に影響を与えない。
出口側の冷却装置５から排出されるクリーン排気１１は、導入管２９によって冷却ゾーン９に循環され、冷却ゾーン９のファン１３によって基板１７に吹き付けられて冷却し、その後のクリーン排気は熱ガスと一部混ざり合って再び吸入口１８から吸入される。
したがって、吸入口１８から吸い込む気流には、熱ガスと、循環するクリーン排気が含まれるが、これらの吸入された気流は混合室２１と気水分離装置２３を経由して一部は循環に利用され、一部は装置外へ排気されることになる。このクリーン排気は冷却浄化されているため作業所内に放出しても作業環境に影響を与えない。
クリーン排気１１は微細水粒との接触により冷却されるため、外気よりも低い温度に維持することが可能であり、外気を導入するよりも高い冷却効果が得られる。

ところで、リフロー炉１においては適切な温度プロファイルによりプリント基板に対して処理を行う必要がある。この温度プロファイルは、制御装置のコンピュータが予め記憶しておき、最適なヒータ設定温度を維持するしくみとなっているが、半田付けされる電子部品の数などの諸条件ごとに異なるものが要求される。
半田付けに最適な温度プロファルを得るためには、試料をリフロー炉に通して温度測定を行ない、その測定データを基にして、ヒータ温度の設定値を補正変更するという操作を何回か繰り返すことにより、あるいは経験値を基に設定されるが、従来では、基板の搬送速度を変えることにより受熱量の調整を行う手法が採用されている。しかし、この搬送速度の調整のみでは、細かな温度プロファイル設定に十分対応することができない。

産業構造上、多品種、少量生産が求められる状況では、処理基板の切換えをいかに迅速に行うかが生産効率上の観点から重要となる。この基板の切換えに際しては、炉の温度を下げるために、炉を分解開放することも可能であるが、熱ガスが放散されるという問題、ラインの停止作業、分解作業等の煩わしさがある。

そこで、本発明では冷却装置５のクリーン排気１１を加熱炉３へ循環させる構成としている。
出口側冷却装置５からクリーン排気導入管（図示せず）を伸ばして、加熱炉３の加熱ゾーン８に接続し、加熱ゾーン８では上部または下部からクリーン排気を送出する。クリーン排気が導入された加熱ゾーンではファンによりクリーン排気が拡散されて、内部の温度が低下する。
クリーン排気の導入管は、加熱炉３の一カ所から噴出させる構成の他、加熱炉３に設定した各区分ごとに搬送方向上に複数設けることも可能であり、これらの導入管に同時にクリーン排気１１を導入することにより迅速な冷却が可能となる。
加熱炉３へのクリーン排気１１の導入は、冷却ゾーン９に送られていたクリーン排気を切換弁操作により加熱ゾーン８へ送ることにより可能となる。

加熱炉３へのクリーン排気導入時にはリフロー炉の半田付け処理は停止することになるが、冷却装置４，５は稼働させて、クリーン排気導入による炉内の熱ガスの排出分を吸入口から吸入して冷却浄化する。冷却浄化した後のクリーン排気の一部は装置外へ排出され、一部は再び循環する。
これにより、熱ガスの浄化が行われると共に、加熱炉のクールダウンが素早く行われ、適切な温度プロファイルの設定が短時間で可能となり、効率的に装置を稼働できる。

次に、第２実施例のリフロー炉を説明する。
前記実施例では、出口側冷却装置５のクリーン排気を冷却ゾーンに循環させる構成としたが、第２実施例のリフロー炉では、出口側冷却装置５に加えて入口側冷却装置４のクリーン排気も冷却ゾーンに循環させる構成である。
第２実施例のリフロー炉では、入口側冷却装置４のクリーン排気１１の排気管を冷却ゾーンへの導入管２９と合流させて冷却ゾーン９へ送り込む。
冷却ゾーン９ではクリーン排気１１が増量して送り込まれることになるが、出口側冷却装置５がその増量分を吸入口から吸い込み、吸い込んだ後に一部は再び冷却ゾーン９へ循環し、その他は装置外へ排出する。
加熱炉３のクールダウン操作については、前記第１実施例と同様に冷却ゾーン９に送られていたクリーン排気１１を切換弁操作により予熱ゾーン７及び加熱ゾーン８へ送ることにより行う。
本実施例のリフロー炉によれば、２台の冷却装置のクリーン排気を有効利用することができると共に、熱ガスが確実に浄化冷却される。

次に本発明の作用を説明する。
半田ペーストを塗布したプリント基板を搬送コンベア２によって、昇温ゾーン６、予熱ゾーン７、加熱ゾーン８を通過させる。昇温ゾーン６、予熱ゾーン７では徐々に温度が加えられてヒートショックが緩和され、加熱ゾーン８では半田が溶着される。
加熱ゾーン８の下流に配置された冷却ゾーン９では、冷却装置５からのクリーン排気１１がファンによって噴射されて、半田付け処理が終わったプリント基板を冷却する。プリント基板が急速冷却されることにより、結晶組織の微細化、結晶強度の確保、表面の光沢の向上等の効果が得られる。

加熱炉３ではフラックス中に含まれる成分が熱によって気化し、この気化物が加熱炉の搬送コンベアの入口または出口から漏れようとするが、入口及び出口に設けられた吸入口１８がこの熱ガスを吸入する。
吸入された気化ガスは冷却装置４，５にて微細水粒との接触により冷却除去されて、一部は廃棄され、一部は冷却ゾーン９へ循環する。
循環するクリーン排気１１は冷却されるために、外気よりも低温に維持することが可能であり、半田処理後の基板を効率的に冷却する。
第２実施例のリフロー炉においては、入口側冷却装置４から排出されるクリーン排気及び出口側冷却装置５から排出されるクリーン排気を共に冷却ゾーンへ循環させるので、２台の冷却装置のクリーン排気を有効利用することができると共に、熱ガスが確実に浄化冷却される。
処理基板の切換えを行う場合にはコンベア部は稼働した状態のまま、ヒータ部を停止して加熱炉３内にクリーン排気１１を導入する。これにより、炉内はクールダウンされ、適切な温度プロファイルの設定切換えが迅速に行われる。

以上、実施例を説明したが、本発明の具体的な構成は前記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、冷却装置４，５に電気クーラーを付加し、冷却水を常に低温に維持する機構を採用する場合であっても本発明に含まれる。

リフロー炉の概略側面図である。 リフロー炉内の気流の流れを示す説明図である。 冷却装置の概略説明図である。

符号の説明

１ リフロー炉
２ コンベア
３ 加熱炉
４ 冷却装置
５ 冷却装置
６ 昇温ゾーン
７ 予熱ゾーン
８ 加熱ゾーン
９ 冷却ゾーン
１０ Ｎ_２供給装置
１１ クリーン排気
１２ モータ
１３ ファン
１４ ヒータ
１５ 風調整板
１６ 上ネット
１７ 基板
１８ 吸入口
１９ ダクト
２０ ブロアー
２１ 混合室
２２ 微細水粒発生装置
２３ 気水分離装置
２４ 冷却水
２５ 貯留層
２６ 導入管
２７ 排出管
２８ ポンプ
２９ 導入管

Claims (5)

1. 半田ペーストを塗布した基板を搬送する搬送手段、搬送手段によって通過する基板に熱を付加する加熱炉、加熱炉に生じる熱ガスを吸入する吸入口、吸入された熱ガスを浄化冷却する冷却装置を備えたリフロー炉であって、
   基板の搬送ラインの加熱部の下流側に冷却ゾーンを配置し、冷却装置によって冷却されたクリーン排気を冷却ゾーンへ循環させる構成としたリフロー炉。
2. リフロー炉へ搬送する基板種類の切換え時に、冷却装置によって冷却されたクリーン排気を加熱炉へ循環させる構成とした請求項１記載のリフロー炉。
3. リフロー炉の基板の入口側及び出口側に吸入口を接続し、それぞれの吸入口に対応する入口側冷却装置と出口側冷却装置を配置したことを特徴とする請求項１または２記載のリフロー炉。
4. 前記冷却装置は内部に貯留した冷却水を霧化して噴霧する微細水粒発生装置、その微細水粒発生装置からの霧と導入した熱ガスを接触させる混合室、混合した霧から水分を分離してクリーン排気を生成する気水分離装置を備えたことを特徴とする請求項１、２または３記載のリフロー炉。
5. 入口側冷却装置から排出されるクリーン排気及び出口側冷却装置から排出されるクリーン排気を共に冷却ゾーンへ循環させる構成とした請求項１、２、３または４記載のリフロー炉。

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