(57)【要約】 電子部品20の実装処理のためのシステムであって、フレーム11はプリント回路基板25を保持するように構成され、ツールヘッド12は、プリント回路基板25上に電子部品20を置くようにフレーム11に接続されるように構成され、ヒーター14は電子部品20に指向させて熱を伝達するようにツールヘッド12に配置され、二段式の予熱器30がフレーム11に接続され、二段式の予熱器30がプリント回路基板25を加熱する。予熱器30はプリント回路基板25の広い領域を加熱する第１ステージ部32と、電子部品20に隣接したプリント回路基板25の集中領域を加熱する第２ステージ部34とを備える。
2007511072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の実装のためのシステムであって、
プリント回路基板を保持するように構成されたフレームと、
前記フレームに接続されるとともに、前記プリント回路基板上に電子部品を位置決めするように構成されたツールヘッドと、
前記ツールヘッドに配置されるとともに、熱を前記電子部品に向けて指向させるように構成されたヒーターと、
前記フレームに接続されるとともに、熱を前記電子部品に向けて指向させるように構成されたニ段式の予熱器とを備え、
前記予熱器は、前記プリント回路基板の広い領域に渡り熱を指向させるように構成された第１ステージ部と、
前記プリント回路基板の前記電子部品に隣接した集中領域を加熱するように構成された第２ステージ部と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記予熱器の前記第１ステージ部と前記第２ステージ部の夫々は、空気対流式ヒーターを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記予熱器の前記第１ステージ部と前記第２ステージ部の夫々は、前記プリント回路基板の下方に位置決めされるとともに、前記第１ステージ部は、前記プリント回路基板を概ね一様に加熱するように構成され、前記第２ステージ部は、前記電子部品の集中している前記プリント回路基板の前記集中領域を、前記電子部品の下から直に加熱するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記予熱器の前記第１ステージ部と前記第２ステージ部の夫々は、独立して制御可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記予熱器の前記第１ステージ部と前記第２ステージ部は、互いに同心状となる加熱空気流を供給するように配置されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記予熱器の前記第２ステージ部の出力側に接続される絞りチャンバを、さらに備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記絞りチャンバは、円錐形状であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ニ段式の予熱器は、前記予熱器の前記第１ステージ部と前記第２ステージ部の夫々から供給される空気流を渦状に流入させる容器を、さらに備えることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
前記容器は、２つのチャンバを備え、前記予熱器の前記第１ステージ部と前記第２ステージ部は、前記チャンバの内の一つに空気流を供給することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記予熱器の前記第１ステージ部と前記第２ステージ部の夫々は、加熱手段と送風機とを備えることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ツールヘッドの前記ヒーターは、前記プリント回路基板に向けられる総熱量の60%未満を供給することを請求項２に記載のシステム。
【請求項１２】
前記予熱器の前記第２ステージ部は、前記予熱器の前記第１ステージ部に対して相対的に移動可能であることを請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
電子部品を実装したプリント回路基板を加熱する二段式の予熱器であって、
前記プリント回路基板を一様に加熱するように構成された第１強制空気対流ステージ部と、
前記プリント回路基板の集中領域を加熱するように構成された第２強制空気対流ステージ部と、を備えることを特徴とする二段式の予熱器。
【請求項１４】
前記二段式の予熱器は、前記プリント回路基板の裏側に向けて空気流が指向するように電子部品の実装組立体および再作業台に接続されて構成されることを特徴とする請求項１３に記載の二段式の予熱器。
【請求項１５】
前記第１強制空気対流ステージ部は、前記プリント回路基板の裏側を一様に加熱するとともに、前記第２強制空気対流ステージ部は、前記電子部品の集中している前記プリント回路基板の集中領域を、前記電子部品の下側から直に加熱することを特徴とする請求項１４に記載の二段式の予熱器。
【請求項１６】
前記第１強制空気対流ステージ部および前記第２強制空気対流ステージ部は、互いに同心状となる加熱空気流を供給するように位置決めされることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記予熱器の前記第２強制空気対流ステージ部の出力側に接続される絞りチャンバを、さらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記絞りチャンバは、円錐形状に形成されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記二段式の予熱器は、前記予熱器の前記第１強制空気対流ステージ部と前記第２強制空気対流ステージ部の夫々から供給される空気流を渦状に流入させる容器を、さらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
前記容器は、２つのチャンバを備え、前記予熱器の前記第１強制空気対流ステージ部と前記第２強制空気対流ステージ部は、前記チャンバの内の一つに空気流を供給することを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記予熱器の前記第１強制空気対流ステージ部と前記第２強制空気対流ステージ部の夫々は、加熱手段と送風機とを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項２２】
プリント回路基板の上に電子部品をはんだ付けするかまたははんだを除去する方法であって、
前記プリント回路基板の上に前記電子部品を配置する工程と、
二段式の予熱器により前記プリント回路基板の裏側を予熱する工程と、
前記予熱器の第１ステージ部により前記プリント回路基板の裏側を一様に加熱する工程と、
前記予熱器の第２ステージ部により前記プリント回路基板の集中領域を、前記電子部品の下側から直に加熱する工程と、
前記電子部品の上面を、前記電子部品の上方に位置する熱源により加熱する工程と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記電子部品は、可動式ツールヘッドにより前記プリント回路基板上に位置決め載置され、前記電子部品の上方に位置する熱源は、前記可動式ツールヘッド内の熱源を備えることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記予熱器の前記第１ステージ部は、前記プリント回路基板を一様に加熱し、前記電子部品の上方に位置する前記熱源および前記予熱器の前記第２ステージ部は、前記プリント回路基板の表側および裏側に対して夫々集中した加熱を行うことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記プリント回路基板の表側および裏側に対する集中した加熱は、前記電子部品と前記プリント回路基板との間ではんだリフローによるはんだ付けを行うことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記はんだ付けに使用されるはんだは、鉛を含有しない無鉛はんだであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記予熱器の前記第１ステージ部および前記第２ステージ部は、強制空気対流システムによる加熱を行うことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記電子部品の上方に配置された前記熱源は、前記プリント回路基板に向けて指向される総熱量の60%未満を供給することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
プリント回路基板の上に電子部品をはんだ付けまたははんだを除去するためのキットであって、
請求項１に記載の電子部品の実装組立体および再作業台のシステムと、請求項２２に記載の方法を記入した使用説明書と、を備えることを特徴とするキット。
【請求項３０】
電子部品の実装処理のシステムであって、
プリント回路基板を保持するように構成されたフレームと、
前記フレームに接続されるとともに、前記プリント回路基板の上に電子部品を位置決めするように構成されたツールヘッドと、
前記ツールヘッドに配置されるとともに、熱を前記電子部品に向けて指向させるように構成されたヒーターと、
前記フレームに接続されるとともに、熱を前記電子部品に向けて指向させるように構成された二段式の予熱器とを備え、
前記予熱器は、
第１ステージ部と、
第２ステージ部と、を備え、前記第１ステージ部と前記第２ステージ部とが独立して制御可能であることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
電子部品の実装処理のシステムであって、
プリント回路基板を保持するように構成されたフレームと、
前記フレームに接続されるとともに、前記プリント回路基板の上に電子部品を位置決めするように構成されたツールヘッドと、
前記ツールヘッドに配置されるとともに、熱を前記電子部品に向けて指向させるように構成されたヒーターと、
前記フレームに接続されるとともに、熱を前記電子部品に向けて指向させるように構成された二段式の予熱器とを備え、
前記予熱器は、
広い領域に熱を分配するように構成された第１ステージ部と、
集中した領域に熱を分配するように構成された第２ステージ部と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
電子部品がその上に位置決めされたプリント回路基板を加熱するニ段式の予熱器であって、
熱を広い領域に渡り指向させるように構成された第１強制空気対流ステージ部と、
熱を集中した領域を加熱するように構成された第２強制空気対流ステージ部と、を備えることを特徴とするニ段式の予熱器。
【請求項３３】
プリント回路基板の上に電子部品をはんだ付けするかまたははんだを除去する方法であって、
前記電子部品を前記プリント回路基板の上に配置する工程と、
二段式の予熱器により前記プリント回路基板の裏側を予熱する工程と、を備え、
前記予熱する工程は、前記プリント回路基板の裏側を一様に加熱する工程と、前記プリント回路基板の集中領域を、前記電子部品の下側から直に加熱する工程と、
前記電子部品の上面を、前記電子部品の上方に位置する熱源により加熱する工程と、によるものであることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品をプリント回路基板上に実装および再配置するための技術一般に係り、特にプリント回路基板の上に電子部品をはんだ付けまたははんだを除去する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品は、はんだ付によってプリント回路基板、複数のプリント回路基板上に実装される。電子部品をプリント回路基板上にはんだ付けまたははんだを除去するときに、プリント回路基板のはんだ付け接続部がはんだリフロー状態になる温度まで加熱される。しかしこのリフローを適切に実行することは、単にはんだをリフロー温度に加熱するよりもはるかに複雑な作業である。この理由は、時間経過につれて変化するはんだの温度勾配を短時間内において正確に維持する必要があることによる。言い換えれば、プリント回路基板に電子部品をはんだ付け接続するためのはんだの温度は、適切なはんだリフローを達成する時間内において狭い温度範囲に維持されることが条件となる。電子部品とプリント回路基板自体を扱うときに、これらが温度上昇する問題がある。例えば、電子部品を通る余分な温度差は電子部品を損傷する傾向があろう。また、電子部品への損傷は長期間に渡り過度に高い温度に晒されることにより引き起こされる場合がある。また、プリント回路基板自体のソリ返りを防止するために、プリント回路基板の両面側における温度差を避けることも必要である。このように、はんだの温度範囲、電子部品およびプリント回路基板が明確に規定された基準限界値内に全て維持されなければならない多数の理由がある。
【０００３】
典型的な組立作業または再組立作業によれば、はんだの温度は一連の制御工程または段階により増加され、各段階で総合的なはんだ付けリフロー処理が達成される。第一段階では単に低温の「予熱」が行われる。この予熱段階では、プリント回路基板と電子部品から全ての余分な湿気が取り除かれる。次に「浸し、soak」温度工程においてプリント回路基板の温度が上昇されて全体の温度が均等化される。これに続いて、「傾斜、ramp」温度工程で、加熱される（その結果として、はんだ付接続のための急速な加熱およびフラックスの熔融が行われる)。その後は、温度は実際の「リフロー」 温度工程で一時的に上昇される。この後に冷却工程が行われる。
【０００４】
このリフロー工程において、はんだのリフロー温度が過剰に長く継続しないようにすることが重要である。この理由は、このような高温(特に、長引く場合には)は電子部品自体を損傷する傾向があるためである。この結果、はんだの温度をリフロー状態を引き起こすための温度よりわずかに高い温度に、短時間維持することが必要となる。このように、リフロー処理での総合的なはんだ付け作業は、時間経過にともなう狭い温度範囲で行うことが必要となる。
【０００５】
上記の問題は、今日の無鉛はんだを使用するときにさらに深刻化する。この主な理由は、無鉛はんだにはより高いリフロー温度が必要となる事実による。したがってリフロー状態を達成するためには、無鉛はんだをより高い温度まで加熱することが必要となる。しかし、プリント回路基板が反り返ることがないように最高温度(または温度差)を超えないようにすることも重要である。この結果、無鉛はんだを使用するときには、はんだ温度を従来よりもはるかに厳格な温度勾配、温度範囲およびはるかに厳格な温度管理で行える制御系が必要となる。
【０００６】
プリント回路基板に電子部品を接続するためにはんだを加熱するための様々なシステムが提案されている。しかしながら、残念ながらこれらの既存のシステムには様々な欠点がある。
【０００７】
第１のタイプのシステムとして簡単な強制空気対流システムが挙げられる。このような強制空気対流システムに関する事例としては、コネチカット州のエス・アール・ティー社（SRT, Inc.）により製造されているサミット1100（Summit  1100）がある。このシステムによれば、プリント回路基板の底面に対して上向きに加熱空気を指向させるためにプリント回路基板の下に予熱器が配置されることで、プリント回路基板の温度を周囲温度より高い温度に上昇させる。続いて、ツールヘッドのヒーターによる強制空気対流が電子部品の上方を加熱するために使用される。はんだに加えられる熱量は、実際に上方から(すなわち、ツールヘッドのヒーターから)供給される。このようにして供給される熱により実際にはんだがリフロー状態になる。
【０００８】
しかしながら、これらのタイプのシステムには欠点がある。例えば、強制空気対流のための予熱器が大き過ぎるかまたは小さ過ぎる場合に(予熱器の上方に配置されたプリント回路基板の大きさに対して）問題が発生する。特に、予熱器が大き過ぎると、熱の大部分がプリント回路基板の側面の周囲から逃げることで失われるので、システムの熱効率が非常に悪くなる。さらに、システム動作中に熱が上向きに作業員の顔と手に単純に指向されるので作業員は非常に不愉快となる。これとは逆に予熱器が小さ過ぎると、出力される熱の大部分はプリント回路基板の中心に焦点が合わせられることとなる。この結果、プリント回路基板を横切る不均等な温度勾配（すなわち、X軸方向およびY軸方向)となってしまう。このようなプリント回路基板の不均等な温度状態はプリント回路基板が反り返ることで変形する状態をもたらす。また同じ予熱器が、異なる大きさの電子部品と異なるプリント回路基板のために使用されるので、作業員は絶えず予熱器が過剰に加熱するか、過小に過熱しているかに注意を払わなければならない。
【０００９】
第二のタイプのシステムはプリント回路基板の加熱のために赤外線を使用する。このような赤外線の加温装置に関する事例としては、台湾のフォントン社（Fonton Inc.）によって製造されている936Aシステムが挙げられる。この赤外線式の加熱にもそれ自体の特有の欠点がある。例えば、温度変化の反応速度が遅い問題がある。特に、各加熱段階で様々なはんだリフロー状態にするために、狭い温度範囲が要求される無鉛はんだを扱うときには、必要な温度勾配を達成することが困難となる。さらに赤外線加熱による不都合な点は、プリント回路基板上が不均一な温度分布状態となることである。この原因は、プリント回路基板の異なる一部表面に、異なる赤外線の吸収特性があるので当然なことである。
【００１０】
他のタイプの既存のシステムでは「ホットプレート、hot plate」式予熱器を用いてプリント回路基板を加熱する。このようなシステムに関する事例としては、コネチカット州の  エアバック社（Airvac Corporation）によって製造されているシステムがある。このホットプレート式加熱は、放射か自然対流により熱を伝達するためにプリント回路基板組立体の下方に配置される加熱されたメタルプレートを使用する。しかしながら、ホットプレート式加熱によれば、ホットプレートの設定目標値の温度に到達するまでの時間が非常に遅くなる欠点がある。したがってホットプレート式加熱は、温度変化の制御が遅い。この結果、特に各段階でリフロー状態にするために、狭いはんだの温度範囲が要求される無鉛はんだを扱うときに必要となるはんだ温度勾配を達成することが困難となる。
【００１１】
無鉛はんだを使用する法律が義務的になっている。あいにく上述したように無鉛はんだはリフロー状態にするためには高いリフロー温度が必要となる。一方、電子部品に対して適用される温度が高くなり過ぎると電子部品に損傷を与えるかもしれない。この結果、はんだリフロー状態にするための様々な段階において、電子部品の実装工程および再実装工程を非常に狭い温度範囲で処理することが必要になる。
【００１２】
上述したシステムのさらなる欠点として、実際にリフロー状態になるようにはんだを加熱するときに、大量の熱量はツールヘッドに配置されたヒーターから下向きに適用される加熱による点であることである。この加熱によれば、はんだ付接続された部分(この部分は主に電子部品の底面に存在する)は、電子部品の上に適用される(および電子部品自体を通して下向きに伝導される)熱によって主に加熱されることになる。したがって、この手法における欠点として電子部品のZ-軸方向に望ましくない温度差が起こることが挙げられる。特に、電子部品の上面はリフロー状態にはんだを熔融するために必要となるより高い温度まで上昇させなければならない。この電子部品を通る温度差が大きければ大きいほど、電子部品が損傷うる危険性が高まる。
【００１３】
したがって、上記の各技術に代えて望まれていることは、電子部品組立体および再作業システムにおいて、短時間かつ狭い温度範囲ではんだ接続部の制御可能な加熱が提供される一方で、電子部品を通るZ-軸方向(すなわち、垂直面方向)の最小限度の温度差を提供することのできるシステムである。このようなシステムによれば、プリント回路基板の表面のX軸方向とY軸方向(すなわち、水平面方向)の温度差を最小にすることでプリント回路基板の反り返りが最小になることがさらに望ましい。
【００１４】
以下に説明するように本発明によれば上記のようなシステムが提供されるとともに、他の多くの利点がある。
【特許文献１】米国特許出願番号10/053,512号
【発明の開示】
【００１５】
「発明の概要」
本発明の望ましい形態によれば、電子部品組立体の実装時および再作業時においてX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に沿う温度差が夫々最小になる効果がある。このため、取り付けられるべき電子部品またはプリント回路基板が損傷される潜在的な危険性を最小にできる利点がある。
【００１６】
また望ましい形態によれば、本発明はプリント回路基板が反り返る状態になることを防止するために、プリント回路基板を一様に加熱することができるシステムが提供される。しかし、さらにまた、本発明によれば集中加熱を電子部品または電子部品を実装したプリント回路基板の直接下方の位置に適用することができる。この結果、本発明によればプリント回路基板の温度が略一定に維持されている間、電子部品において低い温度差を維持できるシステムが提供される。
【００１７】
これによれば、リフロー状態にはんだを熔融するためのツールヘッドのヒーター加熱を最小にできる利点がある。従って本システムの上下面への集中加熱によれば、Z軸方向に沿う電子部品の温度差が低くなる利点がある。
【００１８】
図示されるように、本発明によればプリント回路基板の下側を一様に加熱するか電子部品の下側となるプリント回路基板を集中的に加熱をする状態との間で切り換えることが可能となるシステムが提供される。また、図示される望ましい形態によれば、非常に短時間かつ狭い温度範囲の中で正確に電子部品/プリント回路基板インタフェースにおけるはんだ接続部の温度を制御することができるシステムが提供される。
【００１９】
望ましい実施形態によれば、二段式の予熱器の第１ステージ部がプリント回路基板の下方に配置されている状態で、一様な基板加熱が達成される。この第１ステージ部は、プリント回路基板の底面の大きい領域(望ましくは、表面全体)に渡り空気を指向させるために使用することができる。この予熱器の第２ステージ部は、プリント回路基板の電子部品の下方となる集中した領域に空気を指向させるために使用される。しかしながら、本発明はこのような使用方法に制限されない。例えば、予熱および浸し段階では一様にプリント回路基板が加熱される。この加熱は、第１ステージ部のみを使用することで行われるが、第１ステージ部および第２ステージ部の双方を同時に使用しても良い。さらに、予熱および浸し段階での加熱を行うために単独で第２ステージ部を使用する(例えば、小さいプリント回路基板を加熱する場合)ようにしても良い。システムが「傾斜、ramp」および「リフロー」段階になるとプリント回路基板への集中加熱が重要になる。空気流を増加させて温度を上げるかまたは第２ステージ部を設けることによって追加熱が適用されるかもしれないが、本発明はこれらの組合せによる加熱手法のすべてを可能にするシステムが含まれるものである。
【００２０】
集中加熱を電子部品の直接下の位置のプリント回路基板に適用する利点としては、リフロー状態にはんだを熔融させるためにツールヘッドのヒーターから供給される熱量を減少させることができる点がある。このため、電子部品自体を通してZ軸方向に沿う温度差を減少させる効果がある。
【００２１】
また本発明の望ましい実施形態は、電子部品の実装処理のシステムであって、プリント回路基板を保持するように構成されたフレームと、前記フレームに接続されるとともに、プリント回路基板の上に電子部品を位置決めするように構成されたツールヘッドと、ツールヘッドに配置されるとともに、熱を電子部品に向けて指向させるように構成されたヒーターと、フレームに接続されるとともに、熱を電子部品に向けて指向させるように構成されたニ段式の予熱器とを備え、予熱器は、プリント回路基板の広い領域に渡り熱を指向させるように構成された第１ステージ部と、プリント回路基板の電子部品に隣接した集中した領域を加熱するように構成された第２ステージ部とを備えている。また、望ましくは、第１ステージ部は、プリント回路基板を概ね一様に加熱するように構成され、第２ステージ部は、電子部品の集中しているプリント回路基板の領域を電子部品の下から直接的に加熱するように構成されている。また、望ましくは第１ステージ部は第２ステージ部よりも広い領域を加熱するように構成される。このようにして第２ステージ部は第１ステージ部よりも集中的な領域への加熱を行う。これらの各ステージ部は、同じタイミングまたは異なるタイミングで独立または双方とも同時に同じ電圧または異なる電圧で動作される。第１ステージ部と第２ステージ部において、第１ステージ部はプリント回路基板インタフェースにおけるはんだリフロー状態となるように一様にプリント回路基板の底面を加熱するために使用することができ、第２ステージ部は集中加熱をプリント回路基板の底面（電子部品の配置された下方）に適用するために使用することができ、電子部品/プリント回路基板インタフェースにおけるはんだ接続部がリフロー状態になることを補助する。
【００２２】
望ましい形態によれば、予熱器の第２ステージ部は最初の二つの加熱段階(すなわち「予熱」および「浸し」加熱段階）で一様な加熱をするために使用できる。また最後の２つの加熱段階(すなわち「傾斜」および「リフロー」の少なくともいずれか）での集中加熱は、気流状態を変えるか温度を変えることによって提供される。これに加えて、大きいプリント回路基板の場合には第１ステージ部と第２ステージ部によるプリント回路基板への一様な加熱を行った後に、集中加熱を行うために第２ステージ部の加熱速度を切り換えるようにしても良い。
【００２３】
望ましい実施形態によれば、二段式の予熱器の第１ステージ部と第２ステージ部の夫々は、互いに同心状となる加熱空気流を供給するように配置される。また、任意の望ましい形態によれば、予熱器の第２ステージ部の出力側に絞りチャンバが接続される。この絞りチャンバは、円錐形状である。予熱器の第２ステージ部は本発明の範囲に含まれるように第１ステージ部に対して相対移動可能に設けられる。
【００２４】
また、望ましい実施形態によれば、二段式の予熱器は容器を備え、予熱器の第１ステージ部と第２ステージ部の夫々から供給される空気流を渦状に流入させる。これらの容器は、２つのチャンバを任意に備え、予熱器の第１ステージ部と第２ステージ部の夫々から供給される加熱空気流が一方に流入するようにしている。
【００２５】
また、本発明によれば、電子部品がその上に位置決めされたプリント回路基板を加熱するニ段式の予熱器であって、熱を広い領域に渡り指向させるように構成された第１強制空気対流ステージ部と、熱を集中した領域を加熱するように構成された第２強制空気対流ステージ部とを備えている。
【００２６】
また、本発明によればプリント回路基板の上の電子部品をはんだ付けまたははんだを除去する方法も提供され、プリント回路基板の上に前記電子部品を配置する工程と、二段式の予熱器によりプリント回路基板の裏側を予熱する工程と、予熱器の第１ステージ部によりプリント回路基板の裏側を一様に加熱する工程と、予熱器の第２ステージ部によりプリント回路基板の集中領域を電子部品の下側から直接的に加熱する工程と、電子部品の上面を電子部品の上方に位置する熱源により加熱する工程とを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図1は、電子部品組立体と再作業のための作業台を本発明の二段式の予熱器とともに図示した外観斜視図である。図2から図7は、本発明の二段式の予熱器の種々の別形態を図示した図である。
【００２８】
最初に図1を参照して、電子部品組立体と再作業のためのシステムまたは作業台10が図示されている。このシステム10はフレーム11および可動式のツールヘッド12を備えており、これら選択的にX軸方向およびY軸方向に配置可能となるように構成されている。ツールヘッド12は、電子部品20をプリント回路基板25上の所望位置に位置決め載置するために使用される。望ましい形態では、ツールヘッド12がまず最初にX軸方向およびY軸方向の所望の位置に移動されることで、電子部品20がプリント回路基板25にはんだ付けされる位置の直上に置かれる。(プリント回路基板25は図4と図5にも図示されている)  次に、電子部品20をプリント回路基板25上（図4、図5にも図示されている）に載置するために格納式の真空吸着管13が下方に拡張される。さらにツールヘッド12自体も電子部品20がプリント回路基板25上に置かれることを補助するように垂直に駆動される。
【００２９】
二段式の予熱器30は、図示されるようにプリント回路基板25の下方に位置するように作業台10に組み付けられる。ここで、本発明の二段式の予熱器30は、本発明の請求項に規定される範囲において、様々なはんだ付け組立作業および再作業のために使用されることが理解されよう。また二段式の予熱器30はそれ自体が発明品であるので単独で製造でき販売されることが理解されよう。このようにシステム10として図示されている事例は単に代表的なものである。
【００３０】
この事例のシステム10の動作およびその様々な望ましい任意の特徴的構成については、平成13年（2001年）11月2日に出願された米国特許出願番号10/053,512号に記載されている。この出願明細書に記載されているように、X軸方向とY軸方向の位置決めシステム10によればフレーム11に対してプリント回路基板25を相対移動可能にしている。しかし、本発明はこのような構成に制限されない。例えば、静止状態のプリント回路基板25に対して予熱器30を相対移動可能にすることも本発明の範疇に含まれることになる。いずれにせよ、上記のどちらの形態のシステム10であっても、予熱器30に対するプリント回路基板25の相対移動が可能となる。したがって、電子部品20の取り付けられるべきプリント回路基板25の位置を、容易に予熱器30の直上の中心に置くことができるようになる。この結果、予熱器30で集中された熱を、電子部品20の下方位置となるプリント回路基板25に伝達できるようになる。この結果、本発明では種々の異なるサイズのプリント回路基板に柔軟に対応可能なシステムが提供されることとなる。
【００３１】
ヒーター14(または熱源からの出力)は、ツールヘッド12に設けられる。ヒータ14は電子部品20の上面に対して下向きに熱線を直接的に指向させるように構成されている。
【００３２】
このような熱線は、図4と図5で空気流線H1で図示されている。(ここで、ヒーター14がツールヘッド12に設けられる加熱要素と送風機システムを含むこと、またはそれは単にシステム10のほかの場所に配置された加温装置の出力部を含むことが理解されよう。）
上向きにプリント回路基板25の底面に熱を指向させるように構成されたニ段式の予熱器30がフレーム11に接続されている。二段式の予熱器30は、第１ステージ部32と第２ステージ部34を備える。望ましくは第１ステージ部32と第２ステージ部34は、空気対流ヒーターシステムを備えると良い。しかし本発明はこのような構成に制限されず、第１ステージ部32と第２ステージ部34は一つ以上の赤外線ヒーターまたはあらゆるタイプの予熱器であっても良い。このような任意の実施形態では、第１ステージ部が一様にプリント回路基板を加熱し、第２ステージ部は電子部品20の集中している領域を加熱をするように構成すると良い。しかしながら、第１ステージ部32と第２ステージ部34の一方または双方が、本発明のシステムと方法において使用されることとなるであろう。第１ステージ部32と第２ステージ部34は、はんだリフロー処理を行う間、互いに独立して（異なる電圧強度で）制御されるであろう。
【００３３】
第１ステージ部32は、概ね一様にプリント回路基板25の底面(または底面のかなりの部分)を加熱するように構成される。すなわち、第１ステージ部32はプリント回路基板25全体がX軸方向とY軸方向に概ね一様に効果的に加温されることを確実にする。このことは、プリント回路基板25が反り返ることを減少できるので特に重要なことである。第１ステージ部32からの熱線は図2、図4および図5中の熱量H2で図示されている。
【００３４】
図示されるように、望ましくは第２ステージ部34は、第１ステージ部32から供給される加熱された気流と同心状に加熱された気流を供給するように配置される。ここで、第２ステージ部34の全体が第１ステージ部32中に物理的に同心状に配置されている構成が図示されているが、この代わりに第２ステージ部34によって供給された加熱された気流の出力通路のみを第１ステージ部32の加熱気流の出口通路に対して同心状に配置しても良い。任意の実施形態では、第２ステージ部34は、可動式であり集中加熱の予熱器であっても良い。この実施形態では、電子部品20がプリント回路基板の縁部の近くに配置される場合に特に有利となろう。このような本発明の実施形態によれば、より小さいシステムの構成が可能になろう。
【００３５】
望ましくは第２ステージ部34はプリント回路基板25の集中している領域のみを加熱するだけに構成される。最も望ましくは、この集中している領域は電子部品20の直接下方の領域となる。後述するように、ヒーター14と第２ステージ部34は電子部品20に対して上方向と下方向からそれぞれ焦点を合わせた加熱を行うようにしている。第２ステージ部34で加熱された熱量H3は、図4および図5に図示されている。
【００３６】
図2から図6において、予熱器30はそれぞれの第１ステージ部32と第２ステージ部34において容器33を備え、この容器33中に加熱された気流を供給するように構成されている。図2と図3から分かるように、第１ステージ部32と第２ステージ部34から供給される加熱空気は、容器33中に渦状の気流を導入する。図4に図示されるように容器33にはそれぞれの第１ステージ部32と第２ステージ部34からの気流が流入する２つのチャンバ36、38を備えている。ここで、本発明は、この構成に制限されないことが理解されよう。例えば、この代わりに両方の第１ステージ部32と第２ステージ部34から供給される加熱空気を受け入れる単一のチャンバを使用することができる。
【００３７】
図3、図5および図7は、予熱器30の第２ステージ部34に対して任意に接続される焦点合せ用のチャンバ35を含むことが図示されている。図示されるように焦点合せ用チャンバ35は、単に最先端を開放した円錐形状のものを含むことになる。この焦点合せ用チャンバ35は、第２ステージ部34で加熱された気流の焦点を合わせることで電子部品20の直下の集中領域のプリント回路基板25の下側に加熱空気を指向できるようにしている。
【００３８】
また、図4と図5に模式図的に図示したように、それぞれの第１ステージ部32と第２ステージ部34は加熱要素40と送風機システム42を設けても良い。加熱要素と送風機の様々な個々の構成と位置決め構成がシステム40とシステム42とに使用されるであろう。したがってシステム40とシステム42については単に模式図として図示されていることが理解されよう。なお、本発明の範疇において、これらのシステムの代替構成が可能なことは言うまでもない。
【００３９】
特に、作業員の制御によりシステム40とシステム42とを独自に操作することができる。このような構成として、第１ステージ部32と第２ステージ部34(またはシステム40とシステム42)は、それぞれ専用の温度センサと制御装置を備えている。この構成により第１ステージ部32と第２ステージ部34は作業員により独自に制御可能となる。この結果、作業員が容易に第１ステージ部32と第２ステージ部34を切り換えることで、これらによる熱の発生を制御できる。このように操作できることは、システムの動作状態を保存し、また温度勾配を管理する点において有利となる。
【００４０】
図5は、予熱器30の第２ステージ部34が第１ステージ部32に対して可動式に設けられるオプションの実施形態を図示している。図示される第２ステージ部34は、システム42から供給される熱が通過するように構成された可動アームまたはチューブ37を備えている。望ましくは、この可動アームまたはチューブはX軸方向およびY軸方向の双方向に位置決め可能であり、異なった位置でプリント回路基板25の上に置かれる様々な電子部品の下方に移動できると良い。この結果、図5のシステムによればプリント回路基板25の底面に対する特定位置を集中して加熱できるようになる。このシステムは、フレーム11に対してプリント回路基板25を移動させる（この結果、プリント回路基板25を予熱器30に対して移動させる）システムの代わりとして、または補足的に使用できるであろう。
【００４１】
本発明の望ましい実施形態によれば、ヒーター14と第１ステージ部32と第２ステージ部34によって加えられる熱量(H1)は、ヒーター14によって加えられる総熱量(H1+H2+H3)の60%を超えないように設定される。この状態は、第２ステージ部34により下方から伝導される電子部品20への集中した熱量(H3)により得ることができる。特に、この下方からの集中した熱量(H3)により、はんだリフロー状態を引き起こすために上から(ヒーター14で)供給されなければならない過剰な熱量(H1)を減少できるようになる。この結果、本発明のシステムによれば電子部品20を通るZ軸方向の温度差が効果的に減少できる。これに対して従来のシステムでは、はんだリフロー状態を引き起こすために必要となる総熱量の80%は上方から伝達される。
【００４２】
第１ステージ部32から出力される加熱は、リフローの初期段階で特に有効となる。特に、プリント回路基板25を加熱することで、湿気が電子部品20(およそ100℃で)から除去され、フラックスを活性状態にする温度(およそ150℃)まで加熱するときに役立つことになる。「フラックス」とは、はんだ付け前に添加される金属材料である。「フラックスを活性化させる」とは、はんだ付けに障害となる酸化物を取り除くように加熱してはんだをぬれさせる状態にすることである。
【００４３】
特定の電子部品20の局部に対する加熱をプリント回路基板25に行う本発明のシステムのさらなる利点として、加熱された電子部品のみがリフロー状態になることで、欠陥がある電子部品を簡単に取り外し、正常な電子部品に置換できることが挙げられる。
【００４４】
また、本発明の実施形態によれば、第１ステージ部32によりプリント回路基板25を一様に加熱して、基板のはんだリフロー温度よりわずかに低い温度である、例えば180〜200℃程度の温度範囲まで加熱する。これに続き、第ニ段階部34によりプリント回路基板25の集中している領域を、例えば210〜220℃程度の温度範囲まで加熱してはんだリフロー温度よりわずかに低い温度にする。次にヒーター14によって追加熱が行われ、プリント回路基板25の集中している領域が加熱されて電子部品のはんだリフロー温度である例えば230℃程度以上まで加熱される。
【００４５】
本発明の実施形態によれば、第１ステージ32は、最大で22インチ平方の領域に一様な加熱空気を供給でき、第２ステージ34は最大で10インチ平方の領域に一様な加熱空気を供給できる。
【００４６】
本発明によれば、プリント回路基板25上に電子部品20をはんだ付けするかはんだを除去するための方法が提供される。このために、プリント回路基板25の上に電子部品20を置き、二段式の予熱器30でプリント回路基板25の底面を予熱し、予熱器30の第１ステージ部32でプリント回路基板25の底面を一様に加熱し、プリント回路基板25の集中領域を電子部品20の下方から予熱器30の第２ステージ部34で加熱し、次に電子部品20の上方に位置する熱源14で電子部品20の上面を加熱する。望ましくは、はんだとして無鉛はんだを使用すると良い。
【００４７】
本発明によればプリント回路基板25上に電子部品20をはんだ付けするためのキットが提供されることとなり、本発明のシステムにおいて上述のように再作業を行うとともに、使用方法について詳しく説明した説明書が提供される。この説明書は書面ないし電子的に格納されて提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本発明を以下の図面を参照して詳細に述べる。
【図１】は、電子部品組立体と作業台とを、本発明の二段式の予熱器とともに図示した外観斜視図である。（ここで、二段式の予熱器は、図中破線で図示されており、システムにより保持されたプリント回路基板の直下に位置している）
【図２】は、二段式の予熱器の第１実施形態の平面図である。
【図３】は、さらに二段式の予熱器の第２ステージ部の出力側に接続される円錐形成の絞りチャンバを含む図2の二段式の予熱器の外観斜視図である。その使用の好まれた方法を示して,
【図４】は、本発明の好適な使用方法を部分的に図示した側面模式図である。
【図５】は、本発明の代替実施形態を部分的に図示した側面模式図である。
【図６】は、図2の実施形態に対応する予熱器の外観斜視図である。
【図７】は、図4の実施形態に対応する予熱器の外観斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【国際調査報告】
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