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【発明の名称】 冷却機構を備えたリフロー装置及び該リフロー装置を用いたリフロー炉
【発明者】 【氏名】山根 基宏
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古河電気工業株式会社内

【氏名】松岡 太郎
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古河電気工業株式会社内

【氏名】浅野 将仁
【住所又は居所】東京都港区虎ノ門一丁目７番１２号 沖電気工業株式会社内

【氏名】野末 正仁
【住所又は居所】東京都港区虎ノ門一丁目７番１２号 沖電気工業株式会社内

【氏名】町田 政広
【住所又は居所】東京都港区虎ノ門一丁目７番１２号 沖電気工業株式会社内

【氏名】木部 隆志
【住所又は居所】東京都港区虎ノ門一丁目７番１２号 沖電気工業株式会社内

【氏名】小日向 隆
【住所又は居所】東京都港区虎ノ門一丁目７番１２号 沖電気工業株式会社内
【要約】 【課題】外気を流入させずに雰囲気ガスを冷却して、回路基板上の電子部品の温度を耐熱温度より低い温度に抑えつつ、回路基板上の半田の温度を溶融温度より高い温度に加熱して、半田付けを可能にするリフロー装置と、これを用いたリフロー炉を提供する。

【解決手段】雰囲気ガスが充填されたシール構造のシェル４内で、上面に電子部品が登載された回路基板２を加熱するリフロー装置１であって、シェル４内の回路基板２より下側に設置された遠赤外線ヒータ２１と、シェル４内の回路基板２より上側に設置され、雰囲気ガスをシェル４内で循環させる循環ファン１１と、循環する雰囲気ガスを回路基板２の上面に吹き付けるための吹出ノズル７を備えた吹出パネル９とを備えた熱風吹付機構５と、シェル４内に外気を流入させることなく循環する雰囲気ガスを冷却する冷却機構とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気ガスが充填されたシール構造のシェル内で、上面に電子部品が登載された回路基板を加熱するリフロー装置であって、
前記シェル内の前記回路基板より下側に設置された遠赤外線ヒータと、
前記シェル内の前記回路基板より上側に設置され、前記雰囲気ガスを前記シェル内で循環させる循環ファンと、循環する前記雰囲気ガスを前記回路基板の上面に吹き付けるための吹出ノズルを備えた吹出パネルと、を備えた熱風吹付機構と、
前記シェル内に外気を流入させることなく循環する前記雰囲気ガスを冷却する冷却機構と、
を備えた冷却機構を備えたリフロー装置。
【請求項２】
前記冷却機構が、前記シェルの外面に外気を吹き付けて、循環する前記雰囲気ガスを冷却する請求項１に記載の冷却機構を備えたリフロー装置。
【請求項３】
前記吹出パネルの前記回路基板の上面と対向する面が、遠赤外線に対して高い反射率を有している請求項１又は２に記載の冷却機構を備えたリフロー装置。
【請求項４】
前記熱風吹付機構が、更に、循環する前記雰囲気ガスを加熱するヒータを備えた請求項１から３の何れか１項に記載の冷却機構を備えたリフロー装置。
【請求項５】
前記吹出ノズルから吹き出される前記雰囲気ガスのガス温度を計測するガス温度センサと、
前記遠赤外線ヒータのヒータ温度を計測するヒータ温度センサと、
前記ガス温度センサと前記ヒータ温度センサの計測データに基づいて、前記ガス温度と前記ヒータ温度が所定値となるように制御する制御装置と、
を備えた請求項１から４の何れか１項に記載の冷却機構を備えたリフロー装置。
【請求項６】
前記電子部品の温度が前記電子部品の耐熱温度を下回り、且つ、前記電子部品と前記回路基板の間に設置された半田の温度が前記半田の溶融温度を上回るように、前記所定値を定める請求項５に記載の冷却機構を備えたリフロー装置。
【請求項７】
少なくとも1基の請求項１から６の何れか１項に記載の冷却機構を備えたリフロー装置と、少なくとも1基の冷却機構を備えていない他のリフロー装置が連結され、雰囲気ガスが充填されたシール構造の炉体と、
前記炉体の中を、電子部品が搭載された回路基板を搬送する搬送装置と、
を備え、
雰囲気ガスの中で、前記回路基板を搬送しながら、加熱して半田付けを行うリフロー炉。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、雰囲気ガスの中で、電子部品を登載した回路基板を加熱して半田付けを行うリフロー装置、及び、このリフロー装置を備えたリフロー炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、種々の電子部品が回路基板の表面に登載されて半田付けされたＳＭＤ（Surface Mounted Device）が、電子機器に広く用いられている。このＳＭＤを製作するには、多くの場合、クリーム半田が印刷された回路基板に電子部品が登載され、リフロー炉によって加熱されて半田付けが行われている。このリフロー炉は、炉内を、電子部品が搭載された回路基板を搬送装置で搬送する間に、回路基板に熱風を吹き付けて行なう加熱や、遠赤外線ヒータによる加熱を行なうことによって、半田を溶融させて、回路基板と電子部品の半田付けを行う加熱炉である。また、半田付け時の酸化を防ぐために、窒素等の雰囲気ガスの中で加熱が行われる場合が多い。
【０００３】
例えば、熱風を用いて加熱する場合においては、回路基板の上面と下面に、半田の溶融温度を超えた温度の熱風を吹き付けて加熱する必要がある。その場合、回路基板に登載された電子部品も同じ温度で加熱されることになる。近年主流となっている鉛フリー半田では、従来の半田よりも溶融温度が高く２２０℃前後あるため、加熱に用いる熱風の温度は、２３０℃から２４０℃程度にする必要がある。一方、電子部品の中には耐熱性の低いものがあり、２３０℃以上の熱風で加熱するとダメージを受けて、その信頼性が失われる場合がある。
【０００４】
従って、回路基板の上面に登載された電子部品は極力加熱せずに、電子部品の下側と回路基板の間にある半田を溶融する必要がある。つまり、電子部品の載せられた回路基板の上面側の加熱を弱くして、下面側の加熱を強くする必要がある。この場合、半田は上側からだけでなく、回路基板の下面側からの熱伝導によって加熱される。実際に、回路基板の上面側と下面側の加熱に差をつけるためには、上面側は回路基板に熱風を吹き付けて加熱を行い、下面側は、遠赤外線ヒータで加熱を行う方法が広く用いられている。
【０００５】
図７に、熱風の吹き付けと、遠赤外線ヒータの加熱を行う従来のリフロー装置の一例を示す。回路基板１０２は、上面にクリーム半田が印刷されており、その上に電子部品が登載され、搬送装置１０３によってリフロー炉内を水平方向に搬送される。そして、回路基板１０２は、搬送されながら加熱帯のリフロー装置で加熱されて半田付けが行われる。
【０００６】
図７は、リフロー炉の加熱帯を構成する複数のリフロー装置のうち、半田を溶融するリフロー装置１０１を、回路基板１０２の搬送方向に対して直角に切った断面図である。従って、回路基板１０２は、搬送装置１０３によってリフロー炉の中を、図の紙面と直角方向へ搬送される。
【０００７】
リフロー装置１０１は、図７に示されるように、シール構造のシェル１０４で覆われ、窒素等の雰囲気ガスが充填されている。ほぼシェル１０４の中央を搬送される回路基板１０２の上面側に、この上面に熱風を吹き付けて加熱する熱風吹付機構１０５が備えられ、回路基板１０２の下面側に、遠赤外線ヒータ１０６が備えられている。この遠赤外線ヒータ１０６は、回路基板１０２の下面を遠赤外線で加熱するだけでなく、シェル１０４内の雰囲気ガスも加熱している。
【０００８】
まず、熱風吹付機構１０５の構成機器を説明する。回路基板１０２の上側一面に、熱風の吹出口１０７と吸込口１０８を有する吹出パネル１０９が備えられ、この吹出パネル１０９によって、シェル１０４が上下に仕切られている。吹出パネル１０９の上部には、吸込口１０８を介して吹出パネル１０９と接続された吸込チャンバ１１０と、更にその上に、ファンモータ１１２によって駆動されて、シェル１０４内の雰囲気ガスを循環させる循環ファン１１１と、循環される雰囲気ガスを加熱する電熱ヒータ１１３が設置されている。
また、シェル１０４の外周部は断熱材１１４で覆われており、外気で冷やされて雰囲気ガスの温度が低下しないようになっている。
【０００９】
次に熱風吹付機構１０５による加熱方法を説明する。シェル１０４内の吹出パネル１０９の下側にある雰囲気ガスが、熱風ファン１１１の吸引力で、矢印Ｊに示すように、吸込口１０８から吸込チャンバ１１０へ吸い込まれる。そして、吸い込まれた雰囲気ガスは、熱風ファン１１１によって、矢印Ｋに示すように、吸込チャンバ１１０の両脇に吹き出される。このとき、電熱ヒータ１１３によって加熱される。そして、加熱された雰囲気ガスは、矢印Ｌに示すように、吹出口１０５から回路基板１０２の上面へ吹き付けられる。その後、雰囲気ガスは、再び吸込口１０８から吸い込まれ、同じサイクルを繰り返す。
【００１０】
この吹出口１０５を有する吹出パネル１０９の下面は、より効率よく輻射熱を吸収して温度を上げるために、通常は、表面が黒色に塗装されている。
一方、回路基板１０２の下面側は、回路基板１０２の下側に設置された遠赤外線ヒータ１０６によって加熱される。
【特許文献１】特願平２−３４２７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
回路基板１０２上の電子部品の温度をその耐熱温度以下として、半田の温度をその溶融温度以上にするためには、経験的に、下側の遠赤外線ヒータ１０６の温度を４００℃前後にして、上側の吹出パネル１０９の吹出口１０５からの吹き出す雰囲気ガスの温度を２１０℃前後にすればよいことがわかっている。しかし、図６に示される従来型のリフロー装置１０１において、温度設定を４００℃と２１０℃にしても、下側の遠赤外線ヒータ１０６の温度が４００℃という高温なので、上側の電熱ヒータ１１３の電源をオフにしても、吹出口１０５から吹き出す雰囲気ガスの温度は、設定の２１０℃よりも高い２４０℃前後になる。
【００１２】
雰囲気ガスの冷却手段がなく、吹出パネル１０９の表面が黒色に塗装されているため輻射熱を吸収し易くなっているので、これ以上雰囲気ガスの温度を下げることは困難である。従って、この雰囲気ガスの吹き出し温度では、電子部品の耐熱温度を越えておりダメージを与えると考えられる。
【００１３】
逆に、熱風吹出温度が２１０℃より上に上がらないようにするために、下面の遠赤外線ヒータ１０６の温度を下げていくと、今度は、回路基板１０２上の半田の温度が溶融温度の２２０℃以上に上がらないため、半田を溶融することができない。
【００１４】
冷却に関しては、特許文献１に、回路基板の下面側に冷却風を流して、温度上昇を抑える加熱炉が示されている。しかし、この加熱炉では、炉外から外気を流入させて冷却しており、雰囲気ガスが充填されたシール構造のリフロー装置では適用できない。
また、この加熱炉では、回路基板の下面に対して、平行に冷却風を流しているので冷却効率が低く、実際には、回路基板の上面と下面との温度差は大きく付けることはできない。更に、冷却風の温度制御がなされていないので、温度のバラつきが大きく、近年主流となっている鉛フリー半田には対応できない。
【００１５】
従って、本発明の目的は、シェル内に外気を流入させることなく雰囲気ガスを冷却して、回路基板上の電子部品の温度をその耐熱温度より低い温度に抑えつつ、回路基板上の半田の温度をその溶融温度より高い温度にまで加熱して、半田付けを可能にするリフロー装置及びそのリフロー装置を用いたリフロー炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、上述した従来の問題を解決すべく、鋭意研究を重ねた。その結果、以下に示すように、従来技術では解決が不可能であった問題を解決して、回路基板に登載された電子部品にダメージを与えないで、回路基板と電子部品の半田付けが行える冷却機構を備えたリフロー装置及びそのリフロー装置を用いたリフロー炉を知見した。
【００１７】
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の第１の態様は、雰囲気ガスが充填されたシール構造のシェル内で、上面に電子部品が登載された回路基板を加熱するリフロー装置であって、
前記シェル内の前記回路基板より下側に設置された遠赤外線ヒータと、
前記シェル内の前記回路基板より上側に設置され、前記雰囲気ガスを前記シェル内で循環させる循環ファンと、循環する前記雰囲気ガスを前記回路基板の上面に吹き付けるための吹出ノズルを備えた吹出パネルと、を備えた熱風吹付機構と、
前記シェル内に外気を流入させることなく循環する前記雰囲気ガスを冷却する冷却機構と、
を備えた冷却機構を備えたリフロー装置である。
【００１８】
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の他の態様は、前記冷却機構が、前記シェルの外面に外気を吹き付けて、循環する前記雰囲気ガスを冷却する冷却機構を備えたリフロー装置である。
【００１９】
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の他の態様は、前記吹出パネルの前記回路基板の上面と対向する面が、遠赤外線に対して高い反射率を有している冷却機構を備えたリフロー装置である。
【００２０】
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の他の態様は、 前記熱風吹付機構が、更に、循環する前記雰囲気ガスを加熱するヒータを備えた冷却機構を備えたリフロー装置である。
【００２１】
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の他の態様は、前記吹出ノズルから吹き出される前記雰囲気ガスのガス温度を計測するガス温度センサと、
前記遠赤外線ヒータのヒータ温度を計測するヒータ温度センサと、
前記ガス温度センサと前記ヒータ温度センサの計測データに基づいて、前記ガス温度と前記ヒータ温度が所定値となるように制御する制御装置と、
を備えた冷却機構を備えたリフロー装置である。
【００２２】
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の他の態様は、前記電子部品の温度が前記電子部品の耐熱温度を下回り、且つ、前記電子部品と前記回路基板の間に設置された半田の温度が前記半田の溶融温度を上回るように、前記所定値を定める冷却機構を備えたリフロー装置である。
【００２３】
本発明のリフロー装置を用いたリフロー炉の第１の態様は、少なくとも1基の上記の冷却機構を備えたリフロー装置と、少なくとも1基の冷却機構を備えていない他のリフロー装置が連結され、雰囲気ガスが充填されたシール構造の炉体と、
前記炉体の中を、電子部品が搭載された回路基板を搬送する搬送装置と、
を備え、
雰囲気ガスの中で、前記回路基板を搬送しながら、加熱して半田付けを行うリフロー炉である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置、及び、このリフロー炉を用いたリフロー炉によれば、回路基板上に搭載した電子部品の温度をその耐熱温度を下回る温度に保ったまま、回路基板と電子機器の間の半田の温度をその溶融温度より高い温度に加熱して半田付けを行うことができる。従って、電子部品の信頼性を損なうことなく、回路基板の半田付けを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
（リフロー炉）
図１に、本発明の冷却機構を備えたリフロー装置を用いたリフロー炉の１つの実施形態を示す。電子部品を登載した回路基板は、搬送装置によって、リフロー炉の内部を矢印Ａの方向へ水平に搬送される。リフロー炉は、９基のリフロー装置からなる９ゾーンの加熱帯と、２基のリフロー装置からなる２ゾーンの冷却帯から構成される。各リフロー装置は一体となって１つのリフロー炉の炉体を構成している。この炉体はシール構造になっており、内部に窒素等の雰囲気ガスが充填されている。
【００２６】
回路基板は、上面に鉛フリー半田が印刷されており、その上に電子部品が登載され、本実施形態では、チェーンコンベア方式の搬送装置３よって搬送される。電子部品を載せた回路基板は、加熱帯の１〜６ゾーン中を搬送される間に予熱され、加熱帯の７〜９ゾーン中を搬送される間に、半田が溶融されて半田付けが行われ、冷却帯の１〜２ゾーン中を搬送される間に冷却されて、その後リフロー炉から搬出される。
【００２７】
リフロー炉の入側（図面の左側）の１〜６ゾーンのリフロー装置は、回路基板の上面側と下面側に、熱風を吹き付けて加熱する熱風吹付機構５が備えられている。これらのリフロー装置では、１〜６ゾーンにかけて、徐々に吹き付ける雰囲気ガスの温度が高くなるように、温度制御がなされている。
この１〜６ゾーンのリフロー装置のシェルは、外気によって熱風の温度が下がらないように、外面を断熱材で覆われている。また、これらのリフロー装置では、より多くの輻射熱を吸収するため、熱風吹付機構５の一部である熱風の吹出口を有する吹出パネル（矢印Ｃで示す部分）の表面を黒色に塗装している。これら1〜６ゾーンの熱風の温度は半田の溶融温度よりも低く、リフロー装置の基本的な構造は、従来のリフロー装置と同様である。
【００２８】
入側の１〜６ゾーンで搬送されながら徐々に加熱された回路基板は、７〜９ゾーンで、半田が溶融されて半田付けが行われる。この７〜９ゾーンに、本発明の冷却機構を備えたリフロー装置が用いられる。
【００２９】
加熱帯の７〜９ゾーンで半田付けが行われた後、回路基板は冷却帯の1〜2ゾーンで徐々に温度が下げられ、リフロー炉の出側（図の右側）から搬出される。冷却帯の１ゾーンのリフロー装置の構造は、ほぼ加熱帯の１〜6ゾーンのリフロー装置と同様である。また冷却帯２ゾーンのリフロー装置には、上側にだけ熱風吹付機構５が設置されている。冷却帯のリフロー装置の基本的な構造は、従来のリフロー装置と同様である。
【００３０】
（冷却機構を備えたリフロー装置）
次に、図２を用いて、本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の実施形態の説明を行う。図２は、図１の矢印Ｂで示す加熱帯７ゾーンのリフロー装置の断面を示した図であるが、８ゾーンと９ゾーンのリフロー装置の構造も全く同様である。
【００３１】
リフロー装置１は、シール構造のシェル４を備え、内部には雰囲気ガスが充填されている。このシェル４のほぼ中央を、回路基板２が搬送装置３によって、紙面と垂直に搬送される。回路基板２の上側には、熱風を回路基板２の上面に吹き付けて加熱する熱風吹付機構５が備えられ、下側には、遠赤外線ヒータ６が備えられている。この遠赤外線ヒータ６は、回路基板６の下面を加熱するだけでなく、シェル４内の雰囲気ガスも加熱する。
【００３２】
初めに、回路基板２より上側の構造を説明する。
まず、熱風吹付機構５の構成機器を説明する。回路基板２の上側一面に、雰囲気ガス（熱風）の吹出口７と吸込口８を有する吹出パネル９が備えられ、この吹出パネル９によって、シェル４が上下に仕切られている。吹出パネル９の上部には、筒状の吸込口８を介して吹出パネル９と接続された吸込チャンバ１０と、更にその上に、ファンモータ１２で駆動されてシェル４内の雰囲気ガスを循環させる循環ファン１１と、必要に応じて循環される雰囲気ガスを加熱する電熱ヒータ１４が設置されている。ファンモータ１２は、シェル４の外側（上側）に設置されており、外気が流入しないように、シール装置１３を介して、循環ファン１１に連結されている。
【００３３】
本実施形態では、従来のリフロー装置と異なり、シェル４の下面と側面は断熱材２２で覆われているが、上面は断熱材に覆われておらず冷却面１５となっている。この冷却面１５の上方はフード１６で覆われ、フード１６には、モータ１７ａで駆動される空冷ファン１７と、排気口１８が備えられている。
冷却面１５、フード１６、空冷ファン１７、排気口１８によって、冷却機構を構成し、空冷ファン１７で、冷却面１５の外面に外気を吹き付けて、シェル４内を循環する雰囲気ガスを冷却できる。
【００３４】
次に、シェル４の内の回路基板２から下側を説明すると、遠赤外線ヒータ６が設置されている。遠赤外線ヒータ６は、図３に示すように、アルミニウムでできた箱型のケース６ａに、棒状の電熱ヒータ６ｂが、ケース６ａの全面に渡って配置されており、取付部材６ｃによって、ケース６ａに取り付けられている。従って、回路基板２の下面を均一に加熱することができる。また、加熱効果を高めるために、ケース６ａの回路基板２の下面と対向する面は黒色に着色されている。
【００３５】
続いて、本実施態様のリフロー装置による回路基板２の加熱の方法を説明する。
シェル４内の吹出パネル９の下側にある雰囲気ガスが、循環ファン１１の吸引力で、矢印Ｄに示すように、吸込口８から吸込チャンバ１０へ吸い込まれる。そして、吸い込まれた雰囲気ガスは、熱風ファン１１によって、矢印Ｅに示すように、冷却面１５の内面に沿って左右へ流れ、吸込チャンバ１０の両脇に吹き出される。このとき、必要に応じて、電熱ヒータ１４によって加熱することができる。
【００３６】
次に、雰囲気ガスは、矢印Ｆに示すように、吹出口５から回路基板２の上面へ吹き付けられて回路基板２を加熱する。吹出パネル９によってシェル４は、完全に仕切られているので、循環ファン１１で吹き出された雰囲気ガスは、吹出口７以外に流路はなく、吹出口７から回路基板２の上面へ強く吹き付けることができる。その後、雰囲気ガスは、再び吸込口８から吸い込まれ、同じサイクルを繰り返す。
【００３７】
循環する雰囲気ガスは、遠赤外線ヒータ６の発熱によっても加熱されるので、電熱ヒータ１４がオフの状態でも温度が上がりすぎる場合がある。このときには、冷却機構を用いて雰囲気ガスを冷却することができる。
冷却機構では、循環ファン１１から吹き出された雰囲気ガスが、冷却面１５の内面に沿って流れるときに、冷却ファン１７を用いて、冷却面１５の外面に外気を吹き付けることによって冷却する。つまり、冷却面１５を介して、外気と雰囲気ガスの間で熱交換が行われて、雰囲気ガスが冷却される。
外気を冷却面１５に吹き付けることによって、外気を冷却面１５に平行に流す場合よりも、大きな抜熱量を得ることができる。吹き付けられた外気は、その後、排気口１８からフード１６の外へ排気される。
【００３８】
雰囲気ガスの冷却が必要ない場合には、冷却ファン１７を止める。また、循環する雰囲気ガスを更に加熱する必要がある場合には、電熱ヒータ１４によって過熱することも可能であり、回路基板２に吹き付ける熱風の温度を、幅広く制御することができる。
【００３９】
回路基板２の下面は、下側に設置された遠赤外線ヒータ６によって過熱されるが、吹出口７を有する吹出パネル９も、遠赤外線ヒータ６から輻射熱を受けることになるので、吹出口７から吹き出す雰囲気ガスの温度も上昇することになる。従って、この輻射熱による影響を抑えるために、本実施形態では、吹出パネル９の下面は着色せずに、材料であるアルミニウムの原色のままになっている。これによって、この下面は、遠赤外線に対して高い反射率を有する。
【００４０】
次に、本実施形態の温度制御について説明する。
回路基板２を加熱する雰囲気ガス(熱風)と遠赤外線ヒータ６の温度の制御は、温度センサと制御装置によって行われる。図２において、吹出パネル９の吹出口７の近傍にガス温度センサ２０（熱伝対）が取り付けられており、吹出パネル９から吹き出される雰囲気ガスのガス温度を測定して、測定データを制御装置へ送る。また、遠赤外線ヒータ６には、ヒータ温度センサ２１（熱伝対）が取り付けられており、このヒータ温度を測定して、測定データを制御装置へ送る。
【００４１】
図２に示すリフロー装置では、溶融温度の高い鉛フリー半田を溶融する必要があり、且つ、電子機器の表面温度が、耐熱温度を超えることがないように温度制御を行う必要がある。
理論解析や実測データの結果から、回路基板２上の半田の温度が、その溶融温度を超えた２３０℃以上となり、且つ、回路基板上に登載された電子機器の温度が、その耐熱温度を下回る２３０℃以下となるようにするためには、遠赤外線ヒータ６の温度を４００℃前後にして、吹き付ける雰囲気ガス温度を２１０℃前後にすればよいことが判明している。
【００４２】
従来のリフロー炉で、遠赤外線ヒータの温度を４００℃に設定して、吹き付ける雰囲気ガス温度を２１０℃に設定しても、循環する雰囲気ガスを冷却する機構を有さないので、下側の遠赤外線ヒータの影響により、熱風の吹出温度は、２４０℃を下回らない。また、熱風の温度を２１０℃に下げるために、遠赤外線ヒータの温度を下げると、今度は回路基板の半田の温度が溶融温度に達しなくなる。
【００４３】
しかし、図２に示す実施形態では、遠赤外線ヒータ６の温度を４００℃に設定して、吹出口７からの雰囲気ガスの温度を２１０℃に設定すると、上述のように、循環する雰囲気ガスを冷却することができて、吹出パネル９の遠赤外線に対する反射率も高いので、遠赤外線ヒータの設定温度を４００℃にしたまま、吹出口７からの雰囲気ガスの温度を実際に２１０℃まで下げることができる。
従って、溶融温度の高い鉛フリー半田を用いても、電子機器の温度をその耐熱温度より低い温度に保ったまま、容易に半田付けを行うことができる。
【００４４】
（試験１）
本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の性能を検証するため、本発明の冷却機構を備えたリフロー装置を用いたリフロー炉と、従来型のリフロー炉を用いて温度測定を行い、比較試験を行った。試験では、本発明に係るリフロー装置とリフロー炉として、図１に示すリフロー炉と図２に示すリフロー装置を用いた。
【００４５】
また、従来型のリフロー炉としては、加熱帯の７〜９ゾーンを除いて、図１に示すリフロー炉と同一のリフロー炉を用いた。７〜９ゾーンについては、図２に示す本発明に係るリフロー装置の代わりに、図７に示す従来型のリフロー装置を用いて試験を行った。つまり、両リフロー炉は、半田を溶融する７〜９ゾーンのリフロー装置のみ異なるリフロー炉である。７〜９ゾーンのリフロー装置は、共に回路基板の上側に熱風吹付機構を備え、下側に遠赤外線ヒータを備える。しかし、本発明のリフロー装置が有している雰囲気ガスの冷却機構は、従来型には備えられていない。
【００４６】
図４に、比較試験の結果を示す。図４（a）が各ゾーンの温度制御の設定温度を示し、図４（ｂ）が、従来型のリフロー炉の実測温度を示す。また、図４(c)が、本発明のリフロー装置を用いたリフロー炉の実測温度を示す。
【００４７】
各表の上の欄（回路基板の上側）の数値は、すべてのゾーンで吹出口からの雰囲気ガスのガス温度を示し、下の欄（回路基板の下側）の数値は、加熱帯の７〜９ゾーンを除き、吹出口からの雰囲気ガスのガス温度を示す。下の欄の７〜９ゾーンの数値は、遠赤外線ヒータのヒータ温度を示す。
【００４８】
温度測定は、吹出口からの雰囲気ガスの温度については、吹出パネルの吹出ノズルの近傍に取り付けた温度センサ（熱伝対）によって行い、遠赤外線ヒータの温度に関しては、遠赤外線ヒータに取り付けた温度センサ（熱伝対）によって行った。
【００４９】
設定温度は、加熱帯の１〜６ゾーンでは、上欄、下欄共に、ガス温度を１２０℃から１８５℃まで徐々に上げていき、７〜９ゾーンでは上欄を２１０℃（ガス温度）、下欄を４００℃（ヒータ温度）に設定している。冷却帯１ゾーンでは、上側、下側共に１５０℃に設定し、２ゾーンでは制御を行っていない。
【００５０】
試験の結果は、加熱帯の１〜６ゾーンと冷却帯については、従来型も本発明に係るリフロー炉も同様に、設定温度どおりに温度制御がなされた。
しかし、実際に半田付けが行われる加熱帯の７〜９ゾーンについては、従来型のリフロー装置では、吹出ノズルから吹き出される雰囲気ガスの温度を、設定の２１０℃まで下げることができず、２４０℃から２４３℃となった。この場合、回路基板に登載された電子機器の耐熱温度を超えるので、ダメージを与えると考えられる。
【００５１】
一方、本発明のリフロー装置を用いたリフロー炉では、下側の遠赤外線ヒータの温度が４００℃を保ったまま、吹出ノズルから吹き出される雰囲気ガスの温度を、２１０℃の設定温度に対して、設定温度どおりの２１０℃になった。
従って、本発明の冷却機構を備えたリフロー装置では、従来型では不可能な、遠赤外線ヒータの温度を４００℃にして、吹出ノズルからの雰囲気ガスの温度を２１０℃に制御することが可能であることが実証された。
【００５２】
（試験２）
次に、試験１で実証された制御温度において、実際に、回路基板に搭載された電子部品と半田の温度が、所定の温度領域に入っているか否かを検証する試験を行った。電子部品を登載した回路基板を、試験１で用いた従来型と本発明のリフロー装置で加熱して、実際に温度測定を行った。
【００５３】
図５に示すように、測定に使用した回路基板２は、１．６ｍｍの厚さのガラスエポキシ両面基板であり、その上面に代表的な電子部品であるＴＱＦＰ２５(Thin Quad Flat Package)とＢＧＡ２６(Ball Grid Alley)を登載した。この場合、上方から高温の雰囲気ガスが吹きつけられて加熱される影響と、下側の回路基板からの熱伝導で加熱される影響を考慮すると、矢印Ｍで示すＴＱＦＰ２５の表面温度が最も上がりやすく、矢印Ｎで示すＢＧＡ２６下のボール半田２７の温度が最も上がりにくいと考えられる。従って、このＴＱＦＰの表面部分（矢印Ｍの部分）とＢＧＡ下のボール半田部分（矢印Ｎの部分）に熱伝対を取り付けて温度測定を行った。
【００５４】
測定の結果は、従来型のリフロー装置では、ＴＱＦＰ２５の表面温度が２５０℃に達し、ＢＧＡ２６下のボール半田２７の温度は２３５℃となった。ボール半田２７の温度はその溶融温度２３０℃を上回っており溶融されるが、ＴＱＦＰ２５の温度が２５０℃に達して、その耐熱温度２３０℃をはるかに越えており、部品の信頼性が損なわれると考えられる。
【００５５】
一方、本発明のリフロー装置においては、ＴＱＦＰ２５の表面温度が２２５℃であり、ＢＧＡ２６下のボール半田２７の温度は２３５℃であった。
ボール半田２７の温度はその溶融温度２３０℃を上回り、ＴＱＦＰ２５の温度はその耐熱温度２３０℃を下回っており、当初の温度目標を達成していることが判明した。従って、本発明の冷却機構を供えたリフロー装置を用いれば、電子部品の信頼性を損なう恐れなく、鉛フリー半田の半田付けを行うことができることが実証された。
【００５６】
(その他の実施形態)
図６に、本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の、その他の実施形態を示す。この実施形態では、循環する雰囲気ガスを、空冷ではなく水冷によって冷却している。図６は、図１の矢印Ｂで示す断面図である。
冷却面１５の上部に冷却水の流れる水冷ジャケット３０が備えられている。水冷ジャケット３０には、入側ポート３１と出側ポート３２が備えられており、各々のポートには冷却水配管が接続されている。ポンプ等で送られた冷却水が、入側ポート３１から水冷ジャケット３０に入り、矢印Ｈに示すように、冷却面１５の外面に沿って流れ、出側ポート３２から配管へ流れ出す。冷却水が冷却面１５の外面に沿って流れる間に、冷却壁１５の内面に沿って流れる雰囲気ガスと熱交換を行って冷却を行う。本実施形態では、水冷ジャケット３０は高さを低くできるので、コンパクトなリフロー炉が期待できる。
【００５７】
上述の実施形態では、本発明の冷却機構を備えたリフロー装置を、回路基板を搬送させながら半田付けを行うリフロー炉に適用しているが、このリフロー装置を単体で用いて、バッチ式の加熱装置として用いることも可能であるし、又、他の装置と組み合わせることも可能である。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、更に様々な実施形態が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の冷却機構を備えたリフロー装置を用いたリフロー炉の実施形態の全体図。
【図２】本発明の冷却機構を備えたリフロー装置の実施形態の断面図。
【図３】遠赤外線ヒータの構造図。
【図４】本発明に係るリフロー炉と従来型のリフロー炉の温度測定の結果を示す表。
【図５】温度測定を行った電子部品を登載した回路基板の説明図。
【図６】水冷式の冷却機構を備えたリフロー装置の断面図。
【図７】従来型のリフロー装置の断面図。
【符号の説明】
【００５９】
１ リフロー装置
２ 回路基板
３ 搬送装置
４ シェル
５ 熱風吹付機構
６ 遠赤外線ヒータ
６ａ ケース
６ｂ 電熱ヒータ
６ｃ 取付部材
７ 吹出口
８ 吸込口
９ 吹出パネル
１０ 吸込チャンバ
１１ 循環ファン
１２ ファンモータ
１３ シール装置
１４ 電熱ヒータ
１５ 冷却面
１６ フード
１７ 空冷ファン
１８ 排気口
２０ ガス温度センサ
２１ ヒータ温度センサ
２２ 断熱材
２５ ＴＱＦＰ
２６ ＢＧＡ
２７ ボール半田
３０ 水冷ジャケット
３１ 入側ポート
３２ 出側ポート
１０１ リフロー装置
１０２ 回路基板
１０３ 搬送装置
１０４ シェル
１０５ 熱風吹付機構
１０６ 遠赤外線ヒータ
１０７ 吹出口
１０８ 吸込口
１０９ 吹出パネル
１１０ 吸込チャンバ
１１１ 循環ファン
１１２ ファンモータ
１１３ 電熱ヒータ
１１４ 断熱材
【出願人】 【識別番号】０００００５２９０
【氏名又は名称】古河電気工業株式会社
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内２丁目６番１号
【識別番号】００００００２９５
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
【住所又は居所】東京都港区虎ノ門１丁目７番１２号
【出願日】 平成１５年９月２日（２００３．９．２）
【代理人】 【識別番号】１００１０１７６４
【弁理士】
【氏名又は名称】川和 高穂
【公開番号】 特開２００５−７９４６６（Ｐ２００５−７９４６６Ａ）
【公開日】 平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願番号】 特願２００３−３１０４３５（Ｐ２００３−３１０４３５）