JP2007012874A - 基板加熱方法、基板加熱装置および熱風式リフロー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な電子部品が搭載されている基板を一括でリフロー半田付けできる効率的な熱風リフローを図り、かつ、リフロー半田付けに際しての無駄な電力消費を低減すること。
【解決手段】クリーム半田が付与され該クリーム半田上に電子部品等のデバイスが搭載されている基板にリフロー半田付けのための熱風を供給して加熱する基板加熱方法において、基板に第１の熱風を吹き付けて均一加熱する一方、第１の熱風の通風路外から基板の特定部に第１の熱風とは温度、風速の少なくともいずれか一方が異なる第２の熱風を吹き付けて局所加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板面上のランドにクリーム半田が付与され該クリーム半田上に電子部品が搭載されている基板にリフロー半田付けのための熱風を吹き付けて該基板を加熱する基板加熱方法、該基板加熱方法を実施する基板加熱装置、および該基板加熱装置を用いてクリーム半田を再溶融して搬送機構で搬送される基板上の電子部品を該基板上にリフロー半田付けする熱風式リフロー装置に関する。

上記熱風式リフロー装置は、基板上に塗布や印刷により設けたクリーム半田上に電子部品を搭載し該基板に熱風を吹き付けることによりクリーム半田を再溶融して電子部品を基板にリフロー半田付けするものである。

この熱風式リフロー装置は、一般に、複数の予備加熱室と、１つのリフロー半田付け室とを基板の搬送方向に沿って順に備えている。この熱風式リフロー装置において、予備加熱室によりクリーム半田を所定の昇温速度で所定時間かけて予備加熱してフラックスの活性化温度まで加熱し次いで徐々の昇温速度で所定時間かけてフラックス活性化温度からクリーム半田融点まで昇温させ、次いでリフロー半田付け室で所定の昇温速度で所定時間かけピーク温度が電子部品の耐熱温度以下で本加熱するという温度プロファイルでリフロー半田付けするようになっている。

このような熱風式リフロー装置においては室内にボックス構造とされた熱風吹き出しヘッドを備える。この熱風吹き出しヘッドは室内の入口から出口までを一定速度で搬入され搬出される基板全体に熱風を吹き付けて基板を均一に加熱する多数の熱風吹き出しノズルを備え、この熱風吹き出しノズルからの熱風で基板上のすべての電子部品を一様に均一加熱するようになっている。

しかしながら、基板上には同一温度の熱風が吹き付けられても他の電子部品よりも熱容量が大きくて昇温し難い電子部品が搭載されていることが多く、また、基板上における電子部品の配置位置によっても昇温し難い場合があったり、さらには、電子部品それぞれには耐熱温度や耐熱保証温度にも差異がある場合が多い。

このような電子部品が搭載されている基板においては同一温度の熱風を吹き付けて均一加熱して一括でリフロー半田付けすることができなくなる。そのため、従来技術には、基板の特定部に他の部品よりも熱容量が大きい部品（例えばQuad Flat Package 以下 QFP等のデバイス）が配置されているときには、その特定部に局所的に熱風を吹き付けて他の部分よりも多くの熱風エネルギを供給可能とした基板加熱方法、基板加熱装置、リフロー装置が提供されている。詳細は特許文献１等参照。

しかしながら、上記特許文献１等で示す従来技術では、熱風吹き出し口からの第１の熱風（均一加熱用の熱風）の通風路内に、基板の特定部に第２の熱風（局所加熱用の熱風）を供給するパイプを設置し、そのパイプに設けた熱風吹き出しノズルから第２の熱風を吹き出す構成になっている。

そのため、この従来技術では、第１の熱風が上記パイプで大きく遮蔽されてしまい、基板に対する第１の熱風による均一加熱の効率が大きく低下してくるという課題があるのみならず、気体を加熱して第１の熱風とするために用いた送風機やヒータ等の駆動源における消費電力エネルギの損失が極めて大きくなるという課題があった。
特開２００１−３２０１６３号公報

したがって、本発明により解決すべき主たる課題は、様々な電子部品が搭載されている基板を一括でリフロー半田付けできる効率的な熱風リフローを図り、かつ、リフロー半田付けに際しての無駄な電力消費を低減することである。

本発明による基板加熱方法は、クリーム半田が付与され該クリーム半田上にデバイスが搭載されている基板にリフロー半田付けのための熱風を供給して加熱する基板加熱方法において、基板に第１の熱風を吹き付けて均一加熱する一方、第１の熱風の通風路外から基板の特定部に第１の熱風とは温度、風速の少なくともいずれか一方が異なる第２の熱風を吹き付けて局所加熱することを特徴とするものである。

本発明の基板加熱方法は、熱風リフローに限定されず、赤外線リフローにも適用することができる。

本発明において基板は片面実装に限定されず、両面実装にも適用することができる。

本発明によると、第１の熱風（均一加熱用熱風）とは温度、風速の少なくともいずれか一方が異なる第２の熱風（局所加熱用熱風）を均一加熱用熱風の通風路外から基板の特定部に吹き付けるようにしたから、均一加熱用熱風が局所加熱用熱風により阻害されることなく基板の均一加熱を行うことが可能となり、様々な電子部品が搭載されている基板を一括でリフロー半田付けできることで、均一加熱効率が大きく向上するとともに、気体を加熱して均一加熱用熱風とするために用いた消費電力エネルギを無駄にせずに済むことに加えて、均一加熱用熱風が基板の特定部に対する局所加熱に用いられずに済み、局所加熱用熱風による基板の特定部に対する加熱精度が向上する。

本発明によれば、基板上の温度ばらつきを低減することができ、基板の均一加熱の効率が低下することを抑制し、均一加熱に用いた送風機やヒータ等の駆動エネルギの損失を低減し、局所加熱の精度を向上することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るリフロー装置を説明する。

図１は、実施の形態の熱風リフロー装置の断面構成と電気的回路ブロック構成とを示す図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は熱風吹き出しプレートの斜視図、図４は熱風吹き出しプレートの平面図、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図、図６は図４のＣ−Ｃ線断面図、図７はリフロー装置を制御する制御部の制御手順を示す図である。実施の形態のリフロー装置は、複数の予備加熱室と１つのリフロー室とを備えている。予備加熱室またはリフロー室の少なくともどこか一室に本発明が適用されていればよい。

これらの図を参照して、リフロー装置１０は、基板搬送部１２、加熱部１４、均一加熱用熱風供給ヘッド１６、熱風供給ダクト１８、局所加熱用熱風供給ヘッド２０、ダクト通路開閉部２２、ダクト駆動部２４、を備えている。実施の形態の基板加熱装置は、少なくとも、均一加熱用熱風供給ヘッド１６、および熱風供給ダクト１８を含む。

これらは装置外殻２５内部に収納されている。

リフロー装置１０はまた、操作制御部２６および通電制御部２８を備える。

基板搬送部１２は、図１で左右一対で紙面垂直方向に延びるＬ形搬送レール１２ａを備えるとともに、両搬送レール１２ａ間に基板３０が載置され図１の紙面を垂直方向に図示略の駆動モータで一定速度で搬送されるようになっている。

基板３０は、基板面上の複数のランド３０ａにクリーム半田３０ｂが付与され該クリーム半田３０ｂ上に電子部品等のデバイス３２がリフロー半田付け対象である部品として搭載されているものであり、プリント基板あるいはプリント配線基板とも称することができる。３２ａはデバイス３２のリードである。

基板３０には、形状や用途、また、熱容量や耐熱温度、耐熱保証温度等が各種に異なる電子部品等のデバイス３２が搭載されている。これら電子部品等のデバイス３２が搭載されている基板３０は均一加熱されるべき加熱面や基板３０の特定部として局所加熱されるべき加熱面を有する。

加熱部１４は、基板搬送部１２の下側に配置されて基板３０を下側から熱風等により加熱している。この加熱部１４は実施の形態の特徴ではないのでその加熱形態の詳細な説明は略する。

均一加熱用熱風供給ヘッド１６は、その内部にヒータ１６ａが配置されているとともにヒータ１６ａの上部に送風機１６ｂが配置されている。送風機１６ｂは均一加熱用熱風供給ヘッド１６上面に載置固定したモータ１６ｃのモータ軸１６ｄに連結されて回転駆動されるようになっている。

均一加熱用熱風供給ヘッド１６の下面は開口していて、この開口に熱風吹き出しプレート１６ｅが装着されている。この熱風吹き出しプレート１６ｅには、平面視矩形をなす複数の均一加熱用熱風吹き出しノズル（第１の熱風吹き出しノズル）１６ｆがマトリクス状に分散形成されている。

モータ１６ｃが通電されて回転駆動して送風機１６ｂが回転し同時にヒータ１６ａが通電されて発熱すると、均一加熱用熱風供給ヘッド１６内部の空気あるいは窒素ガス等の気体が加熱されてなる熱風が均一加熱用熱風吹き出しノズル１６ｆから基板３０に向けて吹き出される。

基板３０に吹き出された熱風は熱風吹き出しヘッド１６の外周面と装置外殻２５内周面との間に形成される点線矢印で示す還流・循環通路から熱風吹き出しヘッド１６の側面に設けた吸い込み口から吸い込まれて還流・循環するようになっている。

熱風吹き出しプレート１６ｅには基板３０の搬送方向を横切る方向に等間隔に複数の、実施の形態では２つの熱風供給ダクト収納溝１６ｇが形成されている。

熱風供給ダクト１８は、一端側が局所加熱用熱風供給ヘッド２０に接続され他端側が熱風供給ダクト収納溝１６ｇに収納されている。熱風供給ダクト１８は、その一端側から内部に熱風供給ヘッド２０からの局所加熱用熱風が導入圧送されるようになっている。熱風供給ダクト１８の他端側は基板方向に折曲げられて局所加熱用熱風吹き出しノズル（第２の熱風吹き出しノズル）１８ａを形成している。

熱風供給ヘッド２０からの局所加熱用熱風は局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａから吹き出される。この局所加熱用熱風は、熱容量が大きいデバイス３２のリフロー半田付け用として、均一加熱用熱風とは温度もしくは風速の少なくともいずれか一方が異なる熱風である。

これら熱風供給ダクト１８は、均一加熱用熱風の通風を阻害しないように均一加熱用熱風の通風路外に配置されているとともに、それら局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａからの局所加熱用熱風を基板３０の特定部に吹き付けることができるようになっている。

局所加熱用熱風供給ヘッド２０は、局所加熱用熱風を熱風供給ダクト１８に供給するものであり、その内部にはヒータ２０ａと送風機２０ｂとが配置されているとともに送風機２０ｂはモータ２０ｃで回転駆動される。

ダクト通路開閉部２２は、熱風供給ダクト１８からの局所加熱用熱風の吹き出しとその吹き出し停止とを制御するためのものであり、熱風供給ダクト１８内部に配置された電磁開閉弁２２ａにより構成されている。この電磁開閉弁２２ａは通電制御部２８を介する操作制御部２６からの開閉信号に応答して開閉動作するようになっている。

ダクト駆動部２４は、熱風供給ダクト１８を熱風供給ダクト収納溝１６ｇ内に沿って移動させるためのものであり、熱風供給ダクト１８は、複数段に伸縮可能に接続され、外周面にねじ溝１８ｂが形成され、このねじ溝１８ｂに送りねじ１８ｃが外装され、この送りねじ１８ｃを、操作制御部２６からの制御信号により駆動されるモータ２４ａにより回転させることにより熱風供給ダクト１８を移動させることができるようになっている。

以上の構成を備えた実施の形態のリフロー装置１０においては、操作制御部２６により通電制御部２８を制御して、基板搬送部１２のモータ、均一加熱用熱風供給ヘッド１６のヒータ１６ａおよび送風機１６ｂ、局所加熱用熱風供給ヘッド２０のヒータ２０ａおよび送風機２０ｂ、ダクト通路開閉部２２の電磁開閉弁２２ａ、ダクト駆動部２４のモータ等２４ａを制御する。

操作制御部２６は、マイクロコンピュータ２６ａ、キーボード２６ｂ、表示部２６ｃ等を備えている。マイクロコンピュータは、ＣＰＵ、フラッシュＲＯＭ等の各種のＲＯＭ、各種のＲＡＭを備え、書き換え可能なＲＯＭに基板情報データベースを内蔵し、キーボード等の操作によりＣＰＵに読み込み可能になっている。

図７を参照して操作制御部２６によるリフロー半田付けの制御手順を説明すると、操作制御部２６は、リフロー半田付けされる基板３０の形式をキーボード等により入力する。操作制御部２６は入力された基板形式に基づいて基板情報データベース内の基板情報を読み込む。

基板情報は、基板サイズ、搭載するデバイス３２の位置、数量、材質、形状等の熱容量を決定するための情報である。操作制御部２６は、読み込んだ基板情報に従い基板加熱位置、加熱条件（熱風温度、熱風の風速、加熱時間等）を設定する。

操作制御部２６はこの設定後、ダクト駆動部２４のモータ２４ａを制御して熱風供給ダクト１８を移動させて局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａの位置を補正する。

操作制御部２６は、局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａの位置補正が完了すると、基板３０を搬入し、その搬入が完了すると、基板搬送部１２のモータを駆動するとともに、均一加熱用熱風供給ヘッド１６と局所加熱用熱風供給ヘッド２０それぞれのモータ１６ｃ，２０ｃ、ヒータ１６ａ，２０ａを駆動して均一加熱用熱風吹き出しノズル１６ｆと局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａそれぞれから熱風を基板３０に供給して均一加熱と局所加熱とを開始する。

この加熱開始後から設定時間が経過して加熱が完了すると、それらの駆動を停止して基板搬送部１２のモータを駆動して基板３０を搬出する。局所加熱においてはこの場合、ダクト通路開閉部２２の電磁開閉弁２２ａを制御することにより局所加熱用熱風を吹き出す局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａを選択し、また、局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａからの熱風の吹き出しの開始と停止とを制御する。また、ダクト駆動部２４を制御して熱風供給ダクト１８を移動制御して局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａの位置を制御する。また、局所ノズルの先端において、ノズルを回転することにより、噴出する位置を調整するように構成してもよい。

以上の構成および動作を行う実施の形態のリフロー装置１０においては、局所加熱用熱風を局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａから吹き出すことにより基板３０の特定部を局所的に加熱して基板に熱容量が大きい等のデバイス３２をリフロー半田付けすることができる。

この場合、局所加熱用熱風は、均一加熱用熱風の通風路外から基板３０の特定部を吹き付けるから、均一加熱用熱風が局所加熱用熱風により阻害されることがなく基板３０の均一加熱を行うことが可能となり、均一加熱効率が大きく向上するとともに、気体を加熱して均一加熱用熱風となしかつ送風等のために用いた電力エネルギを無駄に消費せずに済む。

なお、図８で示すように、ダクト長さを順次に短くした複数の熱風供給ダクト１８を重ね配置し、各熱風供給ダクト１８のダクト端部を基板方向に折り曲げ該ダクト端部開口を局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａとすることができる。こうした場合、熱風供給ダクト１８の設置スペースを節約することができ、また、局所加熱用熱風吹き出しノズル１８ａ同士の衝突を防止することができる。

また、図９で示すように、均一加熱用熱風を供給するための複数の均一加熱用熱風供給ダクト３４を所定間隔で並置し、局所加熱用熱風を供給する複数の局所加熱用熱風供給ダクト３６をこれら均一加熱用熱風供給ダクト３４と交差するよう所定間隔で並置し、均一加熱用熱風供給ダクト３４に局所加熱用熱風供給ダクト３６と交差しない部分に均一加熱用熱風吹き出しノズル３４ａを設け、局所加熱用熱風供給ダクト３６には局所加熱用熱風吹き出しノズル３６ａを設けた構成とすることができる。

この構成によっても、局所加熱用熱風供給ダクト３６は均一加熱用熱風の通風路外に配置されているので、均一加熱用熱風は局所加熱用熱風供給ダクト３６に阻害されることなく基板を均一加熱することができる。

なお３６aの開閉に関しては、局所熱風を吹き込むダクト入口で開閉することが出来る。

局所加熱用ノズルの個々の吹き出し口の制御をする場合は、局所加熱用ダクト内に複数のノズルを配置して、個別に吹き出すことができる。

なお上記実施例では熱風リフローについて説明したが、赤外線パネルヒータ等を用いて、赤外線パネルヒータ等の隙間から局所加熱用熱風を吹きつけるように構成してもよい。

本発明の実施の形態に係るリフロー装置の断面構成と電気的回路ブロック構成とを示す図である。 図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３は熱風吹き出しプレートの斜視図である。 図４は熱風吹き出しプレートの平面図である。 図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。 図６は図４のＣ−Ｃ線断面図である。 図７はリフロー装置を制御する制御部の制御手順を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るリフロー装置の要部を概略的に示す図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係るリフロー装置の要部のみを概略的に示す図である。

符号の説明

１０ リフロー装置
１２ 基板搬送部
１４ 加熱部
１６ 均一加熱用熱風供給ヘッド
１６ｇ 均一加熱用熱風吹き出しノズル（第１の熱風吹き出しノズル）
１８ 熱風供給ダクト
１８ａ 局所加熱用熱風吹き出しノズル（第２の熱風吹き出しノズル）
２０ 局所加熱用熱風供給ヘッド
２２ ダクト通路開閉部
２４ ダクト駆動部
３０ 基板

Claims (8)

1. クリーム半田が付与され該クリーム半田上にデバイスが搭載されている基板にリフロー半田付けのための熱風を供給して加熱する基板加熱方法において、
   基板に第１の熱風を吹き付けて均一加熱する一方、
   第１の熱風の通風路外から基板の特定部に第１の熱風とは温度、風速の少なくともいずれか一方が異なる第２の熱風を吹き付けて局所加熱する、ことを特徴とする基板加熱方法。
2. クリーム半田が付与され該クリーム半田上にデバイスが搭載されている基板にリフロー半田付けのための熱風を供給して加熱する基板加熱装置において、
   基板に第１の熱風を吹き付けて均一加熱する第１の熱風吹き出しノズルと、
   第１の熱風の通風路外から基板の特定部に第１の熱風とは温度、風速の少なくともいずれか一方が異なる第２の熱風を吹き付けて局所加熱する第２の熱風吹き出しノズルと、
   を備えたことを特徴とする基板加熱装置。
3. クリーム半田が付与され該クリーム半田上にデバイスが搭載されている基板にリフロー半田付けのための熱風を供給して加熱する基板加熱装置において、
   基板に第１の熱風を吹き付けて均一加熱する第１の熱風吹き出しノズルを備えた熱風吹き出しヘッドと、
   第１の熱風の通風路外に配置された第２の熱風供給ダクトとを備え、
   第２の熱風供給ダクトに第１の熱風とは温度、風速の少なくともいずれか一方が異なる第２の熱風を基板の特定部に吹き付けて局所加熱する第２の熱風吹き出しノズルを設けた、
   ことを特徴とする基板加熱装置。
4. クリーム半田が付与され該クリーム半田上にデバイスが搭載されている基板にリフロー半田付けのための熱風を供給して加熱する基板加熱装置において、
   複数の第１の熱風供給ダクトを所定間隔で配置し、
   これら第１の熱風供給ダクトと交差させて複数の第２の熱風供給ダクトを所定間隔で配置し、
   第１の熱風供給ダクトにおける第２の熱風供給ダクトと交差しない部分に第１の熱風を吹き出して基板を均一加熱する第１の熱風吹き出しノズルを設け、
   第２の熱風供給ダクトには第１の熱風とは温度、風速の少なくともいずれか一方が異なる第２の熱風を吹き出して基板の特定部を局所加熱する第２の熱風吹き出しノズルを設けた、ことを特徴とする基板加熱装置。
5. 第２の熱風供給ダクトをダクト長さを順次に短くして重ね配置するとともに各第２の熱風供給ダクトのダクト端部を基板方向に折り曲げ該ダクト端部開口を第２の熱風吹き出しノズルとした、ことを特徴とする請求項３または４に記載の基板加熱装置。
6. 第２の熱風吹き出しノズルからの第２の熱風の供給および供給停止の制御を可能とした、ことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の基板加熱装置。
7. 第２の熱風供給ダクトをダクト長さ方向に任意の位置に移動可能とした、ことを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の基板加熱装置。
8. 基板を搬送する基板搬送部と、搬送される基板に相対向した位置に配置されて該基板にリフロー半田付けのための熱風を供給して基板を加熱する基板加熱装置とを備えた熱風式リフロー装置において、予備加熱室もしくはリフロー加熱室の少なくとも１室に、前記基板加熱装置が、請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の基板加熱装置である、ことを特徴とする熱風式リフロー装置。

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