(57)【要約】【課題】  処理するプリント配線板に熱電対を取り付けることなくリフロー時の基板温度分布を取得でき、使用するリフロー炉固有の炉内温度分布特性にも十分に対応可能なリフロー温度管理方法を提供する。【解決手段】  処理するプリント配線板上に設定した複数の測定点における熱容量データを測定するとともに、使用するリフロー炉の炉内温度分布特性をリフローセンサを用いて測定する。そして、各測定点の熱容量データと炉内温度分布データとから各測定点における温度の時間的変化を算出し、それらのデータに基づいてリフロー時の基板温度分布を取得する。これにより、プリント配線板をリフロー炉に流さずにリフロー時における基板温度分布を取得することができるとともに、的確なリフロー温度管理を行うことができる。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面実装用部品が搭載されたプリント配線板のリフロー温度管理方法であって、
前記プリント配線板上の複数の測定点における基板または部品の熱容量を測定する第１のステップと、
使用するリフロー炉の温度プロファイルに対応させて前記各測定点における温度の時間的変化を演算する第２のステップと、
得られた各測定点における温度の時間的変化に基づいて、前記リフロー炉に流すプリント配線板の面内温度分布データを取得する第３のステップとを有する
ことを特徴とするリフロー温度管理方法。
【請求項２】
前記第１のステップでは、前記測定点に対する加熱操作時における当該測定点の温度追従性を評価することにより、当該測定点の熱容量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のリフロー温度管理方法。
【請求項３】
前記リフロー炉の温度プロファイルは、測定面に複数の温度センサが取り付けられた炉内温度測定用基板を前記リフロー炉に流し、前記各温度センサの出力に基づいて取得される当該基板の面内温度分布の時間的変化を参照する
ことを特徴とする請求項１に記載のリフロー温度管理方法。
【請求項４】
前記第３のステップは、前記各測定点の温度データに数学的な補間処理を施して得られる前記プリント配線板の面内温度分布データを、表示手段に表示することにより行う
ことを特徴とする請求項１に記載のリフロー温度管理方法。
【請求項５】
表面実装用部品が搭載されたプリント配線板のリフロー温度管理装置であって、
前記プリント配線板上の複数の測定点における基板または部品の熱容量を測定する基板特性測定手段と、
使用するリフロー炉の炉内温度分布特性を測定するためのリフロー炉特性測定手段と、
前記基板特性測定手段の出力および前記リフロー炉特性測定手段の出力に基づいて、前記リフロー炉へ流す前記プリント配線板の面内温度分布の時間的変化を演算する演算手段と、
前記面内温度分布の時間的変化データを表示する表示手段とを備えた
ことを特徴とするリフロー温度管理装置。
【請求項６】
前記基板特性測定手段は、前記プリント配線板上の複数の測定点を局所的に加熱する加熱手段と、この加熱手段により加熱された測定点の温度変化を検出する検出手段とを備え、前記各測定点における基板または部品の熱容量を取得することを特徴とする請求項５に記載のリフロー温度管理装置。
【請求項７】
前記リフロー炉特性測定手段は、測定面に複数の温度センサが取り付けられた炉内温度測定用基板と、この炉内温度測定用基板を前記リフロー炉へ流して得られる前記各温度センサの出力に基づいて炉内温度分布特性を取得する処理手段とを有する
ことを特徴とする請求項５に記載のリフロー温度管理装置。
【請求項８】
前記各温度センサは、雰囲気温度検出部、対流加熱温度検出部および輻射温度検出部をそれぞれ有している
ことを特徴とする請求項７に記載のリフロー温度管理装置。
【請求項９】
前記各温度センサは、感熱材に熱電対が設けられて成り、内部に空洞を有する構成であることを特徴とする請求項８に記載のリフロー温度管理装置。
【請求項１０】
処理するプリント配線板上の複数の測定点における基板または部品の熱容量を入力させる手順と、
使用するリフロー炉の炉内温度分布特性データを入力させる手順と、
入力された前記プリント配線板の各測定点における熱容量および入力された前記リフロー炉の炉内温度分布特性データを用いて、前記リフロー炉に流すプリント配線板の面内温度分布データを演算する手順と、
得られた面内温度分布データを表示手段へ表示させる手順とを、
コンピュータに実行させるためのリフロー温度管理プログラム。
【請求項１１】
処理するプリント配線板上の複数の測定点における基板または部品の熱容量を入力させる手順と、
使用するリフロー炉の炉内温度分布特性データを入力させる手順と、
入力された前記プリント配線板の各測定点における熱容量および入力された前記リフロー炉の炉内温度分布特性データを用いて、前記リフロー炉に流すプリント配線板の面内温度分布データを演算する手順と、
得られた面内温度分布データを表示手段へ表示させる手順とを、
コンピュータに実行させるためのリフロー温度管理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリント配線板に対して表面実装用部品をリフローはんだ付けする工程に用いて好適なリフロー温度管理方法およびリフロー温度管理装置、ならびにリフロー温度管理プログラムおよびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント配線板に対する電気・電子部品の表面実装工程では、プリント配線板の片面又は両面に形成された接続ランド上にクリームはんだを介して部品をマウントした後、リフロー炉においてクリームはんだを溶融しその後冷却固化させることによって部品のはんだ付けを行っている。このとき、実装基板上の部品に対して必要以上の熱を与えず、かつクリームはんだを溶融しなければならない。
従来から、クリームはんだの材料には、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだが広く用いられており、特に、その共晶はんだ（６３Ｓｎ−３７Ｐｂ）は、融点が１８３℃と低く、はんだ付け性に優れている。
【０００３】
ところで、近年、環境負荷低減の観点から、環境汚染物質であるＰｂを使用しない、いわゆる無鉛はんだを電子機器の製造に使用する動きが強まっている。
無鉛はんだ材料としては、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系等の組成が開発、提案されている。無鉛はんだは、有鉛共晶はんだに比べて融点が高く、例えばＳｎ−Ａｇ系無鉛はんだでは２２０〜２３０℃である。
従って、クリームはんだとして無鉛はんだ材料を用いた表面実装工程においては、従来よりもリフロー炉におけるはんだ付け温度が高くなる。
【０００４】
リフローはんだ付け工程では、プリント配線板の面内温度バラツキに起因するはんだ接合不良の発生を回避するために、はんだ溶融温度より高い温度にリフロー温度が設定されている。
プリント配線板の面内温度バラツキは、基板形状や、部品の形状・種類・大きさ・表面の反射率、実装密度あるいは配線密度の疎密等に応じて異なる熱容量の大小の分布が原因である。
従って、無鉛はんだ材料を部品接合材として用いることにより、従来の有鉛はんだ材料に比べて、部品に熱ダメージを与えることなくはんだを十分に溶融させることができる温度マージンが小さくなる。その結果、はんだ付け品質を確保するため、リフロー温度におけるプリント配線板の面内温度分布をより厳密に管理する必要性が生じる。
プリント配線板の面内温度分布を充分に管理していないと、面内温度のバラツキのために、ある部品では耐熱温度を超えた状態になったり、クリームはんだが融けない状態が起こったりして、はんだ品質に大きく影響することになる。
【０００５】
そこで、従来から、測定面に複数の熱電対を取り付けたプリント配線板を実際にリフロー炉に流すことによって、リフロー炉内におけるプリント配線板の面内温度分布特性を評価するリフロー温度管理方法が広く行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、測定面に複数の熱電対を取り付けたプリント配線板をリフロー炉に流すかわりに、複数の熱電対を備えた測定装置を作製し、この測定装置をリフロー炉に流すことにより、リフロー炉内の温度分布を測定することも行われている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、はんだ接合部を有する部品を搭載したプリント配線板に関して、基板の形状や寸法のデータ、部品の種類や形状のデータ、部品の位置データ、配線パターンのデータ、リフロー炉のヒーター温度やコンベア速度等の加熱条件データ等が蓄積されたデータベースを予め構築しておき、設計時にこれら格納データを選択入力してリフロー時の基板温度分布をシミュレーションする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３４９４３１号公報
【特許文献２】国際公開第０１／０５０３５６号パンフレット
【特許文献３】特開平９−３１８４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来のリフロー温度管理方法においては、プリント配線板に対して複数の熱電対を取り付けなければならず、取り付け作業に時間、神経を使うため、作業に手間と負担がかかるという問題がある。
また、基板のどの位置に熱電対を取り付ければよいかという基準も明確でなく、測定面内の熱容量差が大きな基板に対しては、作業者の経験と勘に頼らざるを得ず、的確なリフロー温度管理が困難となる。
【００１０】
一方、上記特許文献２に記載された方法においては、基板および部品に関する上述した各種データ、物性値を予め用意しておかなければならず、また、蓄積したデータが莫大な量となるため、設計時にはこれらデータ類から適当なデータを選択する操作が必要となり、その結果、作業が煩雑になるという問題がある。
また、得られたシミュレーション結果は、実際に処理するプリント配線板とは異なるサンプルのデータを基にして得られたものであるために、参考程度にしか使用できない。
特に、リフロー炉に炉内温度バラツキがある場合には、シミュレーションの結果が実際とは大きく異なることになる。
このため、現実的には、上述した従来例のように熱電対を取り付けたプリント配線板をリフロー炉に流すことによって、基板温度分布を厳しくチェックする必要がある。
さらに、物性値を精度良く入力しないと、精度の良いシミュレーションができないことから、多くの物性値が必要であり、またシミュレーションの結果を得るまでに長い時間を要する。特に、生産現場では、短時間で結果が得られることが求められるため、長い時間かかることは好ましくない。
【００１１】
また、上記特許文献１に記載された方法や、上記特許文献３に記載された方法では、部品が実装された実装基板ではなく、熱電対が取り付けられたプリント基板や、熱電対が取り付けられた測定装置を用いて温度測定を行っているため、温度分布が実装基板とは異なることも考えられる。
【００１２】
ところで、生産現場において、リフロー温度を管理する際には、最適な温度プロファイルが得られるまで、温度測定とリフロー炉の条件調整とを行っている。例えば、リフロー炉のゾーン毎のヒーター温度、コンベアスピード、風速等の条件を変更して調整を行っている。
【００１３】
この方法で得られた条件で、実際の生産を行うが、例えば毎日生産を行う前に、リフロー炉内の加熱状態を確認する作業が必要になる。
この確認作業の方法としては、次の２つの方法が採用されている。
まず、第１の方法として、熱電対を取り付けた実装基板（部品が実装されたプリント基板）をリフロー炉内に流し、調整時の状態であることを確認する方法がある。
また、第２の方法として、測定用基板や部品が実装されていないプリント基板をリフロー炉内に流し、調整時の状態であることを確認する方法がある。
【００１４】
しかしながら、第１の方法は、実装基板に耐久性がないため、測定用実装基板の枚数がある程度必要になる。
また、製品毎に測定用実装基板を用意して、製品が変わるたびにその基板での測定を行うことが必要になる。
このため、管理が煩雑になり、また実装基板が高価であることから、生産コストを増大させることになる。
さらに、実装基板に熱電対を取り付けて製作するため、その測定精度（トレーサビリティー）の保証が必要になる。
さらに、第１の方法では、リフロー炉内の加熱状態の評価が基準に基づいて行われていないため、客観的な評価ができない。そのため、リフロー炉の調整を作業者の経験と勘に頼らざるを得なくなる。
【００１５】
一方、第２の方法は、直接実装基板を温度測定していないため、測定して得られた温度分布が実装基板とは異なることも考えられる。
【００１６】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、処理するプリント配線板に熱電対を取り付けることなくリフロー時の基板温度分布を取得でき、使用するリフロー炉固有の炉内温度特性にも十分に対応可能なリフロー温度管理方法およびリフロー温度管理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以上の課題を解決するに当たり、本発明のリフロー温度管理方法は、プリント配線板上の複数の測定点における基板または部品の熱容量を測定する第１のステップと、使用するリフロー炉の温度プロファイルに対応させて上記各測定点における温度の時間的変化を演算する第２のステップと、得られた各測定点における温度の時間的変化に基づいて、リフロー炉に流すプリント配線板の面内温度分布データを取得する第３のステップとを有している。
【００１８】
プリント配線板としては、リフロー処理を行う実際の基板が適用され、単一の製品サイズのプリント配線板に限らず、一枚の基材上に複数枚のプリント配線板が共通に面付けされた、いわゆる集合基板的なものであってもよい。
【００１９】
プリント配線板上の複数の測定点は、マトリクス状（グリッド状）あるいはその変形でもよく、測定位置や測定間隔は任意であり、処理するプリント配線板の種類や搭載される部品の種類、実装密度等に応じて決定できる。測定点は、プリント配線板の基板部分（絶縁層、配線層）でもよいし部品部分でもよい。測定は、部品が搭載された基板に対して直接行ってもよく、部品搭載前の基板単位で行った後、部品搭載位置に対して当該部品の測定データを挿入補正してもよい。
【００２０】
各測定点における熱容量は、例えば、測定点に対する加熱操作時における当該測定点の温度追従性を評価することにより算出することができる。測定点の温度検出には、熱電対や放射温度計等を用いることができる。
【００２１】
次に、第１のステップにおいて得られた各測定点の熱容量をもとに、使用するリフロー炉の温度プロファイルに対応させて各測定点における温度の時間的変化を演算し、プリント配線板を当該リフロー炉に流したときの基板温度変化を各測定点毎に予測する。これにより、プリント配線板を実際にリフロー炉へ流すことなく各測定点の温度変化を評価できるようになる。
【００２２】
続いて、演算した各測定点の温度の時間的変化を基に、例えば数学的な補間処理を施すことによってプリント配線板の面内温度分布を取得する。取得した面内温度分布データを適当な表示手段に表示（例えば画像表示）させることにより、プリント配線板のリフロー時における各はんだ付け領域の温度遷移を容易に把握できるようになる。また、理想的な均一炉でのプリント配線板の温度分布を確認でき、基板試作時の目安にできる。そして、補間処理により、測定していない箇所の温度も把握できるため、作業者の勘や経験に頼った場合のような見落としをなくすことができる。
【００２３】
一方、炉内温度特性にバラツキ（クセ）があるリフロー炉に対しても適用可能である。この場合は、測定面に複数の温度センサが取り付けられた炉内温度測定用基板を当該リフロー炉に流し、各温度センサの出力に基づいて取得される測定用基板の面内温度分布の時間的変化を参照することができる。
【００２４】
上述した本発明のリフロー温度管理方法を実現する本発明のリフロー温度管理装置は、プリント配線板上の複数の測定点における基板または部品の熱容量を測定する基板特性測定手段と、使用するリフロー炉の炉内温度分布特性を測定するためのリフロー炉特性測定手段と、基板特性測定手段の出力およびリフロー炉特性測定手段の出力に基づいて、リフロー炉へ流すプリント配線板の面内温度分布の時間的変化を演算する演算手段と、得られた面内温度分布の時間的変化データを表示する表示手段とを備えている。
【００２５】
基板特性測定手段としては、プリント配線板上の複数の測定点を局所的に加熱する加熱手段と、加熱体により加熱された測定点の温度変化を検出する検出手段とを備えた構成とすることができ、各測定点における基板または部品の熱容量データを取得する。測定点の加熱態様としては、はんだこて等の加熱体を用いた伝導加熱やレーザ等による輻射加熱、ホットエア等による対流加熱が適用できる。
【００２６】
また、リフロー炉特性測定手段としては、測定面に複数の温度センサが取り付けられた炉内温度測定用基板と、この炉内温度測定用基板をリフロー炉へ流して得られる各温度センサの出力に基づいて炉内温度分布特性を取得する処理手段とを有する構成とすることができる。この構成により、リフロー炉固有の炉内温度分布特性を客観的に評価することが可能となるので、プリント配線板の面内温度分布評価を信頼性高く行うことができるようになる。
【００２７】
上述した本発明のリフロー温度管理方法を実現する本発明のリフロー温度管理プログラムは、プリント配線板上の複数の測定点における基板または部品の熱容量を入力させる手順と、使用するリフロー炉の炉内温度分布特性データを入力させる手順と、入力されたプリント配線板の各測定点における熱容量および入力されたリフロー炉の路内温度分布特性データを用いて、リフロー炉に流すプリント配線板の面内温度分布データを演算する手順と、得られた面内温度分布データを表示手段へ表示させる手順とを、コンピュータに実行させるためのものである。
また、本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、この本発明のリフロー温度管理プログラムを記録したものである。
【発明の効果】
【００２８】
以上述べたように、本発明によれば、処理するプリント配線板上に熱電対を取り付けることなくリフロー時の基板温度分布を取得することができるので、作業の簡素化が図れるとともに、精度の高いリフロー温度管理が可能となり、特に、無鉛はんだを接合材として用いたリフローはんだ付けの信頼性を従来よりも大幅に高めることができる。
【００２９】
また、リフロー炉の炉内温度分布特性を加味したプリント配線板のリフローシミュレーションが可能となるので、信頼性の高いリフロー温度プロファイルを予測することができるとともに、得られた炉内温度分布特性を炉内の温度設定や風量設定の際の基準データとして利用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１は、本実施の形態のリフロー管理装置１の概略構成図である。リフロー管理装置１は、処理するプリント配線板２の基板特性を測定する基板特性測定部３と、使用するリフロー炉４の炉内温度分布特性を測定するリフロー炉特性特定部５と、これら基板特性測定部３の出力とリフロー炉特性測定部５の出力とが入力されて、プリント配線板２をリフロー４へ流したときの基板温度分布（面内温度分布）をシミュレーションする演算処理部６とを備えている。
【００３２】
基板特性測定部３の一構成例を図２に示す。
【００３３】
基板特性測定部３において、プリント配線板２は支持台７に固定支持される。この支持台７は、水平移動機構８（図１）によりＸ−Ｙ方向に移動可能とされている。支持台７に支持されるプリント配線板２の直上方には、プリント配線板２を局所的に加熱する加熱体９が鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能に配置されており、この加熱体９の先端（またはその近傍）には熱電対１０が取り付けられている。
【００３４】
この基板温度特性測定部３では、水平移動機構８の駆動を介して、プリント配線板２のはんだ付け面複数箇所における熱容量データがそれぞれ測定される。この熱容量データの測定は、後に詳述するように、はんだこて等のような構成の加熱体９を測定点に接触させたときの当該測定点の温度追従性を評価することによって行われる。熱電対１０は測定点の温度検出を行い、その出力をデータロガー１１に記録する。測定点は、プリント配線板２の基板部分（絶縁層、配線層）と部品１２とが対象とされる。
【００３５】
一方、リフロー炉特性測定部５は、リフロー炉４の炉内温度分布特性を測定、評価するためのもので、例えば図３に模式的に示す炉内温度測定用のベース基板１３を用いて測定される。
【００３６】
ベース基板１３は、片面または両面にリフローセンサ（温度センサ）１４が複数個マトリクス状に取り付けられた構成を有している。そして、このベース基板１３をリフロー炉４へ流して、各点における温度変化を領域毎に各リフローセンサ１４で検出するようにしている。なお、リフロー炉４は、第１予熱部ＰＨ１、第２予熱部ＰＨ２、本加熱部ＲＦおよび冷却部ＣＬへ順次被処理基板を搬送するコンベヤ１５を有し、予熱部および本加熱部にはヒーターや熱風ノズル等が設置され、冷却部ＣＬにおいては冷却用ブロワ１６が設置されているが、勿論この構成に限られない。
【００３７】
リフローセンサ１４は単一の熱電対でも構成することができるが、本実施の形態では、図４に模式的に示すように対流加熱温度検出部１４ａおよび輻射加熱温度検出部１４ｂ、更に雰囲気温度（風量）検出部１４ｃを有する構成とされている。これにより、炉内温度を対流加熱温度と輻射加熱温度に分けて測定できるようにしている（図５）。
【００３８】
各検出部１４ａ〜１４ｃは各々熱電対で構成できる。
対流加熱温度検出用（１４ａ）は表面が金めっきされた熱電対で構成されている。
輻射加熱温度検出用（１４ｂ）は表面が黒めっきされた熱電対で構成されている。
また、雰囲気温度検出用（１４ｃ）は何も処理が施されていない通常の熱電対で構成されている。雰囲気温度検出用の熱電対は、基板等には接触させない。
なお、これら熱電対１４ａ〜１４ｃの表面は、球状、半球状またはプレート状等、熱風、輻射の乱れを最小限にする形状が採用されている。
また、リフローセンサ１４の本体部１４ｄは断熱性のある材料で構成され、各熱電対１４ａ〜１４ｃがベース基板１３の熱を直接受けないようにされている。
【００３９】
これらの検出部１４ａ〜１４ｃは、次のような特性がある。
対流加熱温度検出部１４ａは、ある物体に対して熱風によって温度が上がる状況を捕捉する。
輻射加熱温度検出部１４ｂは、輻射温度を捉えるためのものであるが、輻射温度はこの検出部１４ｂ単独では得られず、加熱温度検出部１４ａで検出した温度との差によって求めることができる。
雰囲気温度検出部１４ｃは、周辺の温度を測定する。この検出部１４ｃで捕捉した温度は、ニュートンの冷却法則の式にある雰囲気温度として使用する。
対流加熱温度検出部１４ａもしくは輻射加熱温度検出部１４ｂを使用して、リフロー炉内の熱伝達率を求め、その値をニュートンの冷却法則の式に当てはめると、ある物体の温度上昇を時間の変化に対して予測する計算ができる。
【００４０】
次に、演算処理部６は、パーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータで構成され、上述した構成の基板特性測定部３の出力とリフロー炉特性測定部５の出力とを用いて、リフロー炉４に流すプリント配線板２の面内温度分布データを演算し、その演算結果をＣＲＴやＬＣＤ等の表示部１７へ表示させるプログラムがコンピュータのＲＯＭ／ＲＡＭ等の記憶部に格納されているとともに、このプログラムがコンピュータのＣＰＵ／ＭＰＵ等の制御部によって実行されるように構成されている。
【００４１】
なお、以下に説明する本発明のリフロー温度管理方法は、上記プログラムを実行することによって得られるが、このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータの記憶部に適宜ロードされて実行される。この記録媒体は、光ディスクや磁気ディスク、ＩＣメモリ等の可搬性記録媒体で構成したり、インターネットやＬＡＮ等の回線を介した回線先メモリや、演算処理部６内のＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク装置などで構成したりすることができる。
【００４２】
演算処理部６に対する基板特性測定部３の出力データの入力は、データロガー１１を介して行われるが、データロガー１１と同等の機能を演算処理部６が有している場合は、別途データロガー１１を必要としない。また、データ送信は有線に限らず、無線でもよい。更に、基板特性測定部３の出力結果を光ディスクや磁気ディスク、ＩＣメモリ等の外部記録媒体に記録しておき、処理実行時にこの外部記録媒体に記録されたデータを演算処理部６に読み出させる形態を採用することも可能である。
なお、演算処理部６に対するリフロー炉特性測定部５の出力データの入力も同様に、有線、無線あるいは外部記録媒体を用いて行うことができる。
【００４３】
次に、本発明の実施の形態によるリフロー温度管理方法について説明する。図６は本実施の形態のリフロー温度管理方法を実行する工程手順を示しており、基板特性測定工程（ステップＳ１）と、リフロー炉特性測定工程（ステップＳ２）と、リフローシミュレーション工程（ステップＳ３）とを有している。
【００４４】
先ず、ステップＳ１の基板特性測定工程では、プリント配線板２上の複数の測定点における基板または部品１２の熱容量を測定する。この基板特性測定工程は、基板特性測定部３および演算処理部６により行われ、プリント配線板２上の各測定点に対する加熱操作時における当該測定点の温度追従性を評価することにより、当該測定点の熱容量データを算出する。
【００４５】
図７および図８は、熱容量データの算出工程の一例を示す工程フローおよび説明図である。
【００４６】
先ず、プリント配線板２の予め設定した複数の測定点の１つが加熱体９の真下位置にくるように水平移動機構８（図１）を駆動させた後、図８Ａに示すように、温度Ｔに保持された加熱体９を熱電対１０を介してプリント配線板２に接触させ、当該測定点を局所的に加熱する（ステップＳ１１）。これと同時に、熱電対１０の温度の測定を開始する。ここでは、熱電対１０の測定開始温度はＴとする（図８Ｂ）。
【００４７】
熱電対１０の測定温度は、図８Ｂに示すように、プリント配線板２と接触した際に瞬間的に下降した後、加熱体９の温度Ｔへ復帰する傾向を示す。そこで、熱電対１０の測定開始温度Ｔから、その温度下降が安定したときの温度Ｔｃまでの温度差（Ｔ−Ｔｃ）を求めた後（ステップＳ１２）、その温度差において、測定開始温度から６３．２％の温度Ｔｐを求める（ステップＳ１３）。そして、測定開始時間から温度Ｔｐに到達するまでの時間τｐを求め、これを熱時定数とする（ステップＳ１４）。
【００４８】
次に、加熱体９とこれに接触するプリント配線板２の測定点との間の接触熱抵抗値を求める（ステップＳ１５）。なお、この接触熱抵抗値には経験値が用いられてもよい。
【００４９】
接触熱抵抗値＝（Ｒｈ＋Ｒｓ）×（（２×Ｈｈ×Ｈｓ）／（Ｈｈ＋Ｈｓ））
×（Ｓｔ／Ｓｒ）＋（Ｈａ×（Ｓｒ−Ｓｔ）／Ｓｒ）  ……（１）
ここで、
Ｒｈ：加熱体９（熱電対１０）の表面粗さ
Ｒｓ：測定点の表面粗さ
Ｈｈ：加熱体９（熱電対１０）の熱伝導率
Ｈｓ：測定点の熱伝導率
Ｈａ：空気の熱伝導率
Ｓｔ：加熱体９（熱電対１０）と測定点との間の真接触面積
Ｓｒ：加熱体９（熱電対１０）と測定点との間の見かけの接触面積である。
【００５０】
続いて、算出した接触熱抵抗値で熱時定数τｐを除算する。その結果、当該測定点における熱容量（ｍｃ）が得られることになる（ステップＳ１６）。
【００５１】
上記各操作は、プリント配線板２の他の全ての測定点に対して行われる。これにより、プリント配線板２上の複数の測定点における熱容量データを取得することができる。この熱容量データは、測定点によって異なる値を示す場合がある。すなわち、測定点がプリント配線板の基板部分か部品１２部分かによりその熱量量は異なり、また、部品１２の種類によっても熱容量は異なる値を示す。
【００５２】
次に、これら各測定点の熱容量データに基づいて、リフロー炉４の温度プロファイルに対応させた各測定点の温度の時間的変化を求める。ここでは、先ず、リフロー炉４が炉内温度分布を持たない理想的な均一炉であるとした場合について説明する。
【００５３】
リフロー炉４の炉内温度特性が一様である場合、このリフロー炉４にプリント配線板２を流すと、コンベア１５（図３）により所定速度で移動しながら例えば図５に示した温度プロファイルに従って加熱処理されることになる。
【００５４】
図５において、実線は炉内雰囲気温度、一点鎖線は輻射加熱温度を示しており、それぞれリフローセンサ１４の出力で得ることができる。即ち、炉内雰囲気温度は、雰囲気温度検出用熱電対１４ｃの出力から得られ、輻射加熱温度は、輻射加熱温度検出用熱電対１４ｂの出力と対流加熱温度検出用熱電対１４ａの出力との差から得ることができる。
【００５５】
炉内温度が一様である場合、これに流されるプリント配線板２の処理面に対して一様な加熱処理がなされることになるが、プリント配線板２の面内各点（測定点）における熱容量の相違により、加熱のされ易さが異なる。即ち、熱容量の大きい領域は、熱容量の小さい領域に比べて加熱されにくい。従って、リフロー炉４を流れるプリント配線板２の処理面は、領域毎に異なる温度を有するとともに、これら各領域の温度は図５に示した温度プロファイルに従って時間毎に変化する。
【００５６】
そこで、本発明では、予め算出したプリント配線板上の各測定点における熱容量データに基づいて、当該プリント配線板２をこのリフロー炉４に流したと仮定したときの各測定点における温度の時間変化を算出する（ステップＳ１７）ことにより、リフロー開始からリフロー終了までの基板温度分布を取得できるようにしている。
【００５７】
リフロー開始時の雰囲気温度をＴ０、スタート開始からｔ秒後の雰囲気温度をＴ１としたとき、ｔ秒後の基板温度（測定点の温度）Ｔは、以下の式で算出することができる。
【００５８】
ｔ秒後の基板温度Ｔ＝Ｔ１−（Ｔ１−Ｔ０）×ｅｘｐ（−ｔ／τｃ）  ……（２）
【００５９】
（２）式において、τｃは時定数項で、
τｃ＝ｍｃ／αＡ  ……（３）で表される。
ここで、ｍｃは測定点の熱容量、αは熱伝達率、Ａは測定点の表面積である。
【００６０】
熱伝達率αは、リフローセンサ１４の輻射加熱温度検出用熱電対１４ｂの出力から以下の式で求めることができる。
【００６１】
α＝−ｌｎ（（Ｔ１−Ｔｂ）／（Ｔ１−Ｔ０））×ｍｃｂ／（Ａｂ×ｔ）  ……（４）
ここで、
Ｔ１：ｔ秒後の雰囲気温度
Ｔ０：リフロー開始時の雰囲気温度
Ｔｂ：輻射加熱温度検出用熱電対１４ｂの検出温度
ｍｃｂ：輻射加熱温度検出用熱電対１４ｂの熱容量
Ａｂ：輻射加熱温度検出用熱電対１４ｂの表面積である。
【００６２】
（２）〜（４）式より、プリント配線板２上の各測定点における温度の時間変化が求められる。
そして、これら各測定点のデータに基づいて、例えばＮＵＲＢＳ、ラグランジェ、ベジェ、Ｂスプライン等の数学的な補間処理を行うことにより、プリント配線板２の温度分布とその時間遷移データが得られる。
特に、補間処理として、ＮＵＲＢＳ（Non-Uniform Rational B-Spline ）による処理を採用すると、補間誤差が少なくなるという利点がある。
【００６３】
プリント配線板２の温度分布データは、表示部１７に対して、例えば図９に模式的に示すような、モノクロあるいはカラーの基板温度分布画像として表示することができる。
【００６４】
以上述べたプリント配線板２上の各測定点における熱容量測定、（１）〜（４）式の演算、補間演算によるプリント配線板２の基板温度分布（面内温度分布）データの抽出、および当該基板温度分布画像の表示部１７への表示は、演算処理部６によって行われる。
【００６５】
ところで、以上の例では、リフロー炉４が炉内温度分布を持たない理想的な炉内温度特性を有する場合、即ち、炉内温度分布測定用のベース基板１３上の各リフローセンサ１４が全て一様な検出温度を出力する場合を説明している。
【００６６】
しかし、実際のリフロー炉は、所定の炉内温度分布が存在し、それが各リフロー炉において固有な特性を持っているのが実情である。ここでいう炉内温度分布とは、熱風の不均一照射等により、ベース基板１３の主面に対する加熱作用が領域毎に異なる結果生じる炉内の温度分布を意味し、これにより、ベース基板１３上の複数のリフローセンサ１４間で異なる検出温度が出力されることになる。図１０Ａに対流加熱分布例、図１０Ｂに輻射加熱分布例をそれぞれ示す。
【００６７】
そこで以下、リフロー炉４の炉内温度分布特性を加味したプリント配線板２のリフローシミュレーションについて説明する。
【００６８】
リフロー炉４の炉内温度分布特性は、リフロー炉特性測定部５すなわち炉内温度分布測定用のベース基板１３に取り付けられた複数のリフローセンサ１４によって測定される（図７のステップＳ２）。得られた各リフローセンサ１４の出力は演算処理部６に入力され、演算処理部６は当該リフローセンサ１４の出力に基づいて数学的な補間処理を行って、ベース基板１３上の面内温度分布を演算処理し、これを炉内温度分布として取得する。即ち演算処理部６は本発明の「処理手段」に相当する機能を兼ねている。
【００６９】
続いて、得られた炉内温度分布データと、ステップＳ１において測定したプリント配線板２上の各測定点における熱容量データとに基づいて、演算処理部６によるプリント配線板２のリフローシミュレーションを行う（ステップＳ３）。
【００７０】
本例の場合、プリント配線板２の各測定点における温度の時間変化の演算には、炉内温度分布データから得られる領域毎の雰囲気温度および輻射加熱温度を参照して上記（４）式による熱伝達率αが算出される。この熱伝達率αの値はリフローセンサ１４の取付位置によって異なる。これが（２）式および（１）式を用いた演算に用いられる。
【００７１】
このように領域毎に異なる加熱条件を、プリント配線板の対応する領域上の測定点に対して適用することにより、炉内温度分布の影響下における各測定点の温度の時間的変化を取得することができる。これにより、基板温度特性に加えて炉内温度分布特性が加味されたプリント配線板２の基板温度分布のシミュレーションが可能となり、リフローはんだ付け時におけるプリント配線板２の温度管理を容易に行うことができるようになる。
【００７２】
以上のように、本実施の形態によれば、処理するプリント配線板上に熱電対を取り付けることなくリフロー時の基板温度分布を取得することができるので、作業の簡素化が図れるとともに、精度の高いリフロー温度管理が可能となり、特に、無鉛はんだを接合材として用いたリフローはんだ付けの信頼性を従来よりも大幅に高めることができる。
【００７３】
また、基板試作段階において、基板をリフロー炉に流すことなく熱バランスの予測分析が可能となるので、基板設計工程へのフィードバックも迅速かつ容易に行うことができるとともに、その基板設計の調整作業の支援ツールとして特に効果を発揮させることができる。
【００７４】
また、リフロー炉の炉内温度分布特性を加味したプリント配線板のリフローシミュレーションが可能となるので、信頼性の高いリフロー温度プロファイルを予測することができるとともに、得られた炉内温度分布特性を炉内の温度設定や風量設定の際の基準データとして利用することもできる。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００７６】
例えば以上の実施の形態では、プリント配線板上の測定点における熱容量の測定を、当該基板の表面側においてのみ行う例について説明したが、これに加えて更に、基板の裏面側も同様に測定し、更に基板厚み方向の補間処理を行うようにしてもよい。これにより、基板面内の温度分布をより高精度に取得することができるとともに、部品の両面実装にも対応できるようになる。
【００７７】
また、以上の実施の形態では、プリント配線板の各測定点における熱容量の測定時、当該測定点の温度変化を検出する検出手段として熱電対１０を用いたが、これに代えて又はこれに加えて放射温度計等の非接触温度計を用いることもできる。
【００７８】
特に、熱電対と放射温度計の双方を用いた際には、熱電対による測定温度と放射温度計による測定温度との差から当該測定点の放射率を導き出すことができるので、それをリフローシミュレーション時において補正項として用いることにより、より精度の高い基板温度分布を得ることが可能となる。
【００７９】
更に、以上の実施の形態では、リフロー炉４の対流加熱分布、輻射加熱分布、雰囲気温度分布を検出するのに、上記各加熱温度を検出する熱電対１４ａ〜１４ｃをユニット化したリフローセンサ１４を複数配置した炉内温度測定用のベース基板１３を用いたが、これに代えて、対流加熱温度センサ、輻射加熱温度センサおよび雰囲気温度センサをそれぞれ別々のベース基板上に取り付け、これら各ベース基板を別々にリフロー炉に流して炉内温度分布を得るようにしてもよい。
【００８０】
ここで、センサの他の形態として、上述のように、対流加熱温度センサ、輻射加熱温度センサおよび雰囲気温度センサをそれぞれ別々のベース基板上に取り付ける場合の、センサの概略構成図を図１１Ａ〜図１１Ｃに示す。
【００８１】
図１１Ａに示すセンサ２０は、リング状の断熱材２１の上に、銅等の金属から成る感熱材２２が取り付けられており、この感熱材２２の内部に熱電対２３が設けられている。
感熱材２２は、角材の角部が除去されて、角錐の頂部を水平に切断除去したような形状になっている。このような形状であるので、曲面形状とした場合と比較して、容易にかつ安価に製造できる利点を有する。
また、断熱材２２がリング状になっているため、内部に空洞２４を有しており、この空洞２４内の気体も断熱材として作用する。これにより、比較的高価な断熱材を節約することが可能である。
【００８２】
図１１Ｂに示すセンサ３０は、下部の薄い筒状の部分３１Ａと上部の塊状の部分３１Ｂとを有する感熱材３１により構成されている。感熱材３１の上部３１Ｂの内部に熱電対３２が設けられている。感熱材３１の下部３１Ａが薄く形成されているため、ベースとの接触面積が小さくなっており、これにより熱が逃げにくくなっている。また、内部の空洞３３が広いため、この空洞３３内の気体により充分な断熱効果が得られる。
【００８３】
図１１Ｃに示すセンサ４０は、ドーム形状を有する薄い感熱材４１により構成されている。そして、感熱材４１の内側に熱電対４２が取り付けられている。このセンサ４０も、感熱材４１が薄く形成されているため、ベースとの接触面積が小さくなっており、これにより熱が逃げにくくなっている。また、内部の空洞４３が広いため、この空洞４３内の気体により充分な断熱効果が得られる。
この図１１Ｃでは、感熱材４１の表面に、金メッキや黒色塗料等の被膜４４が形成されている。対流温度検出用のセンサとして用いる場合には、被膜４４として、金メッキを形成する。輻射加熱温度検出用のセンサとして用いる場合には、被膜４４として、黒色塗料等を形成する。雰囲気温度検出用のセンサとして用いる場合には、被膜４４を形成しないで感熱材４１のみでセンサを構成する。
なお、図１１Ａのセンサ２０および図１１Ｂのセンサ３０も、対流温度検出用や輻射加熱温度検出用のセンサとして用いる場合には、同様に、上部の感熱材２２，１３Ｂの周囲に金メッキや黒色塗料等を塗布する。
【００８４】
また、図１１Ａのセンサ２０や図１１Ｂのセンサ３０と同様の構成で、上部の感熱材を曲面形状としてもよく、図１１Ｃのセンサと同様の構成で、上部を図１１Ａのセンサ２０や図１１Ｂのセンサ３０と同様の形状としてもよい。
センサの構成は、図１１Ａ〜図１１Ｃに示した以外にも様々な構成が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態によるリフロー管理装置１の概略構成図である。
【図２】リフロー温度管理装置１の基板特性測定部の概略構成図である。
【図３】リフロー温度管理装置１のリフロー炉特性測定部５の概略構成図である。
【図４】リフローセンサ１４の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】リフローセンサ１４が検出するリフロー炉の温度プロファイルの一例である。
【図６】本発明の実施の形態のリフロー温度管理方法を説明する工程フローである。
【図７】基板特性測定工程の工程フローである。
【図８】基板特性測定工程の概要を説明する図である。
【図９】リフローシミュレーションの結果得られる基板温度分布の概略図である。
【図１０】リフローセンサ１４の出力に基づいて取得されたリフロー炉の対流加熱分布（Ａ）と輻射加熱分布（Ｂ）の概略図である。
【図１１】Ａ〜Ｃ  リフローセンサのセンサの他の形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  リフロー温度管理装置、２  プリント配線板、３  基板特性測定部、４  リフロー炉、５  リフロー炉特性測定部、６  演算処理部、９  加熱体、１０  熱電対、１２  部品、１３  ベース基板、１４  リフローセンサ、１４ａ  対流加熱温度検出用熱電対、１４ｂ  輻射加熱温度検出用熱電対、１４ｃ  雰囲気温度検出用熱電対、１７  表示部、２０，３０，４０  センサ
【図１】
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【図２】
2006013418.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006013418.tif 000009
【図８】
2006013418.tif 000010
【図１１】
2006013418.tif 000011
【図９】
2006013418.tif 000012
【図１０】
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