(57)【要約】【課題】不活性ガスの供給コストを削減できるリフロー炉を提供する。【解決手段】プリント基板３０に部品を半田付けするリフロー炉１０５は、半田付けに関連する半田材の状態を検出する半田材状態検出装置からの半田材の状態を入力する制御部２０を含む。制御部２０は、入力された半田材の状態に応じて弁１４，１５を制御して炉内の酸素濃度を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に部品を半田付けするリフロー炉であって、
半田付けに関連する半田材の状態を検出する半田材状態検出手段と、
前記半田材状態検出手段によって検出された前記半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を制御する制御手段とを含む、リフロー炉。
【請求項２】
前記半田材は、半田付けに使用する半田ペースト、前記部品のメッキ、および、前記部品が半田付けされる基板ランドのうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のリフロー炉。
【請求項３】
前記半田材の状態は、前記半田ペースト、前記部品のメッキ、および、前記基板ランドのうちのいずれかの酸化値を含む、請求項２に記載のリフロー炉。
【請求項４】
前記半田材の状態は、前記半田ペースト、または、前記基板ランドの還元値を含む、請求項２または３に記載のリフロー炉。
【請求項５】
前記半田材の状態は、前記半田ペースト、前記部品のメッキ、および、前記基板ランドの酸化値、または、還元値の組み合わせを含む、請求項２に記載のリフロー炉。
【請求項６】
前記制御手段は、前記半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を段階的に制御する、請求項１から５のいずれかに記載のリフロー炉。
【請求項７】
前記制御手段は、前記半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を無段階に制御する、請求項１から５のいずれかに記載のリフロー炉。
【請求項８】
基板に部品を半田付けする炉において使用される酸素濃度制御装置であって、
半田付けに関連する半田材の状態を検出する半田材状態検出手段と、
前記半田材状態検出手段によって検出された前記半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を制御する制御手段とを含む、酸素濃度制御装置。
【請求項９】
基板に電子部品を半田付けするためのリフロー炉における炉内の酸素濃度の制御方法であって、
前記半田材の状態を検出するステップと、
検出された半田材の状態に応じて前記炉内の酸素濃度を制御するステップとを含む、炉内の酸素濃度の制御方法。
【請求項１０】
リフロー炉に接続されたコンピュータに、請求項９に記載の酸素濃度の制御方法を実行させる、酸素濃度制御用プログラム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の酸素濃度制御用プログラムを格納したコンピュータ読取可能記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リフロー炉、酸素濃度制御装置、炉内の酸素濃度の制御方法、酸素濃度制御用プログラムおよび酸素濃度制御用プログラムを格納した記録媒体に関し、特に、ランニングコストの低減が可能な、リフロー炉、酸素濃度制御装置、炉内の酸素濃度の制御方法、酸素濃度制御用プログラムおよび酸素濃度制御用プログラムを格納した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電子部品実装装置のリフロー炉内において基板に電子部品を実装する際に、半田付けする部分に予め半田を供給しておき、これを熱源で溶かして半田付けを行っている。この際に、加熱雰囲気が空気であると、基板上の銅製プリント箔表面（基板の基板ランド）、電子部品のリード線（部品）、半田ペーストの表面が酸化してしまい、良好な半田付けができなくなる。この現象を防止するため、一般的には、加熱時の酸化進行を防止するために、窒素ガスなどの不活性ガスがリフロー炉内に供給されている。このような不活性ガスの供給にはコストがかかるため、その消費量を減らすことが望まれている。
【０００３】
この不活性ガスの消費量を減らすための方法が、たとえば、特開平６−９７６４５号公報（特許文献１）や、特開平７−２１２０３２号公報（特許文献２）や、特開２００６−１５６４８７号公報（特許文献３）等に開示されている。
【０００４】
特許文献１によれば、炉内に窒素ガス以外に可燃性ガスを送入し、この可燃性ガスを燃焼させて炉内の酸素濃度を低下させることにより、置換用の窒素ガスの量を減少させている。
【０００５】
特許文献２によれば、炉内の酸素濃度を濃度計によりサンプリングしながら、ＰＩＤコントローラを用いて炉内を設定された酸素濃度に安定させている。
【０００６】
特許文献３によれば、炉内に、回路基板の搬送方向と同一または反対方向にわずかな量の窒素ガスを吹き出すことによって、炉内の窒素ガスの流動を制御して、炉内の窒素ガスの消費量を低減している。
【特許文献１】特特開平６−９７６４５号公報（要約）
【特許文献２】特開平７−２１２０３２号公報（要約）
【特許文献３】特開２００６−１５６４８７号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のリフロー炉における不活性ガスの消費を低減させるには、上記のような方法が行われていた。上記のように、一般的には、炉内の酸素濃度が所定の濃度になるように制御されていた。
【０００８】
しかしながら、特許文献１のような方法では、可燃性ガスの送入や、その燃焼設備が必要になるという問題があった。特許文献２のような方法では、炉内の酸素濃度のサンプリング計や、ＰＩＤコントローラ等が必要であった。また、特許文献３のような方法では、炉内に、回路基板の搬送方向と同一または反対方向に窒素ガスを吹き出すための設備が必要であった。
【０００９】
すなわち、従来の方法では、不活性ガスの消費量を低減しようとすると、そのための装置が複雑になり、高価になるという問題があった。
【００１０】
また、不活性ガスの制御は半田材劣化に影響があるため最適な制御が難しいという問題があった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、不活性ガスの供給コストを削減できるリフロー炉、炉内の酸素濃度の制御方法、酸素濃度制御用プログラムおよび酸素濃度制御用プログラムを格納した記録媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る、基板に部品を半田付けするリフロー炉は、半田付けに関連する半田材の状態を検出する半田材状態検出手段と、半田材状態検出手段によって検出された半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を制御する制御手段とを含む。
【００１３】
基板に電子部品を半田付けするための炉内もしくは炉外における半田材の状態を検出し、検出された半田材の状態に応じて、炉内の酸素濃度を変化させるようにしたため、半田材の状態に応じて最適な量の不活性ガスを供給できる。
【００１４】
その結果、不活性ガスの供給コストを削減できるリフロー炉を提供できる。
【００１５】
好ましくは、半田材は、半田付けに使用する半田ペースト、電子部品のメッキ、および、電子部品が半田付けされる基板ランドのうちの少なくとも一つを含む。
【００１６】
さらに好ましくは、半田材の状態は、半田ペースト、部品のメッキ、および、基板ランドのうちのいずれかの酸化値を含む。
【００１７】
なお、半田材の状態は、半田ペースト、または、基板ランドの還元値を含んでもよい。
【００１８】
また、半田材の状態は、半田ペースト、部品のメッキ、および、基板ランドの酸化値、または、還元値の組み合わせを含んでもよい。
【００１９】
酸化値とは金属の酸化度を表し半田付け(金属接合)を阻害する要因の値である。また還元値とはフラックスの還元能力であり半田付けにおける濡れ性等に影響する要因の値である。部品メッキには一般的にフラックスが使われないため、実施の形態では部品メッキの還元値を利用していないが、部品メッキにフラックスが含まれていれば還元値を利用してもよい。
【００２０】
なお、制御手段は、半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を段階的に制御してもよいし、無段階に制御してもよい。
【００２１】
この発明の他の局面においては、基板に部品を半田付けする炉において使用される酸素濃度制御装置は、半田付けに関連する半田材の状態を検出する半田材状態検出手段と、半田材状態検出手段によって検出された半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を制御する制御手段とを含む。
【００２２】
この発明の他の局面においては、基板に電子部品を半田付けするためのリフロー炉における炉内の酸素濃度の制御方法は、半田材の状態を検出するステップと、検出された半田材の状態に応じて炉内の酸素濃度を制御するステップとを含む。
【００２３】
この発明のさらに他の局面においては、酸素濃度制御用プログラムは、リフロー炉に接続されたコンピュータに上記の酸素濃度の制御方法を実行させる。
【００２４】
上記酸素濃度制御プログラムは、コンピュータ読取可能記録媒体に格納されるのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、この実施の形態に係るリフロー炉が組み込まれた電子部品実装装置周りの構成を示す模式図である。図１を参照して、電子部品実装装置１００は、電子部品が実装される基板の流れる上流側から下流側に向かって配列された印刷工程と、マウント工程と、リフロー工程とを含む。各工程間は、コンベヤ、ロボット、その他の搬送装置によって連結されている。各工程には、その工程の処理を行なうための装置が設けられている。
【００２６】
印刷工程には、基板のランドに半田ペーストを印刷するための印刷機１０１と、印刷後の検査を行なう印刷後検査機１０２とが設けられる。マウント工程には、基板に部品をマウントするためのマウンタ１０３と、マウント後の検査を行なうマウント後検査機１０４とが設けられる。リフロー工程には、電子部品のメッキされた端子を基板ランドに半田付けをするためのリフロー炉１０５と半田付け後の検査を行なうリフロー後検査機１０６とが設けられる。
【００２７】
図２は、この発明に係るリフロー炉１０５の概略構成を示す模式図である。図２を参照して、リフロー炉１０５は、窒素ガス等が供給される不活性雰囲気室１０を含み、その中にコンベヤ１１が設けられ、これによって半田付けの準備ができたプリント基板３０が搬送される。不活性雰囲気室１０は、コンベヤ１１用の開口部が設けられているため、供給された不活性ガスは自動的に外部へ漏れる。
【００２８】
不活性雰囲気室１０には、不活性ガスとして，例えば、窒素ガスをするための窒素ガス供給口１６と、空気を供給するための空気供給口１８と、室内のガス成分を取り出すサンプリング口１７とが設けられる。窒素ガスは、図示のない窒素ガスボンベから弁１４および流量計１３を介して窒素ガス供給口１６へ供給される。空気は、弁１５を介して空気供給口１８へ供給される。
【００２９】
リフロー炉１０５には、炉内の雰囲気を制御するための制御部として機能する、ＣＰＵを有する制御部２０が設けられている。サンプリング口１７から取り出された不活性雰囲気室１０の室内のガスは、酸素濃度計１２で酸素濃度が測定され、その値が制御部２０へ入力される。流量計１３で測定された供給される窒素ガス量も制御部２０に入力される。一方、プリント基板３０の半田付けに関連する半田材の状態が予め測定されて、制御部２０に入力される。制御部２０は、入力された半田材の状態に応じて、後に説明する半田状態値を演算して、弁１４,１５の開度を制御して窒素ガスおよび空気の不活性雰囲気室１０への供給量を制御する。
【００３０】
なお、この半田材の状態の測定は、図示のない、半田材状態検出手段によって行われる。この半田材状態検出手段は公知であるため、その説明は省略する。
【００３１】
図３は、プリント基板３０上に半田付けされる電子部品の一例としての、ＩＣチップの取付け状態を示す図である。図３を参照して、基板３５上には印刷工程で形成された基板ランド３４ａ，３４ｂの上にＩＣチップ３１のメッキされた脚３２ａ，３２ｂが載置されるようにマウント工程でマウントされ、脚３２ａ，３２ｂが基板ランド３４ａ，３４ｂに半田ペースト３３ａ，３３ｂで半田付けされる。これらの各要素が半田付けに関連する。
【００３２】
図４は、半田材状態検出手段によって検出される半田状態の一例としての、半田ペーストの酸化値（還元値）ごとの状態を示す図である。（Ａ）は周囲環境が窒素ガスの供給なしで空気中にある状態を示し、（Ｂ）は窒素ガスの供給がある状態で酸素濃度が９０００ｐｐｍである状態を示す。縦方向は、半田ペーストの状態値を酸化値と還元値とで表している。すなわち、一番上の欄は、半田ペーストの酸化値が０（還元値も０）の場合で、中央は、半田ペーストの酸化値が０．０２（還元値は−０．０９）の場合で、一番下は、半田ペーストの酸化値が０．０４（還元値は−０．１８）の場合を示す。図４においては、半田ペーストの状態が記号で表示されている。「○」は、半田ペーストの状態が良好（半田溶融光沢度が８０以上）であることを示し、「△」は多少劣化が進んだ状態である（半田溶融光沢度が６０〜８０程度）ことを示し、「×」は劣化した状態（半田溶融光沢度が６０程度）を示す。
【００３３】
ここで、半田溶融光沢度とは、リフロー炉における溶融後の半田フィレットの光沢度を示す値である。半田材の劣化により、半田未溶融となり凹凸が表面にできる、あるいはフラックス残渣の発生により光沢度が低下する。この光沢度は、可視光等をフィレットに照射し正反射で返ってくる光の量などで計測可能である。半田溶融光沢度の値は高いほど半田材の品質が良い状態を示し、値が低くなると不良であることを示す。
【００３４】
日本工業規格（ＪＩＳ）では、可視光を６０°で入射したときの鏡面反射率が１０％となる、屈折率１．５６７のガラス面を光沢度１００と規定しているが、半田溶融光沢度については必ずしもこの光沢度を使用する必要はなく、半田材について独自に定義した光沢度を使用してもかまわない。
【００３５】
図４から解るように、半田ペーストの酸化値が低いほど（還元値が高いほど）、また、酸素濃度が低いほど、半田ペーストの状態は良くなることが解る。このことから、半田ペーストの状態に応じて、雰囲気を変えれば適切な半田付けができることが解る。
【００３６】
次に、半田状態の一例としての半田ペースト酸化値によって半田溶融光沢度がどのように変化するのかについて説明する。図５は、この変化を示す図である。
【００３７】
図５を参照して、図中実線で示す空気中であれば、半田ペーストの酸化値が０．００であれば、半田溶融光沢度は約８０程度であるが、半田ペーストの酸化値が上がるにつれて劣化し、光沢度は６０程度まで低下する。一方で、酸素濃度が９０００ｐｐｍ程度であれば、半田ペーストの酸化値に応じて、一点鎖線で示すように徐々に低下する。酸素濃度が５０００ｐｐｍであれば、半田ペーストの酸化値に応じて、点線で示すように、ほとんど変化しない。
【００３８】
従来は、この図において、点線、または一点鎖線で示すように、不活性雰囲気室１０内の酸素濃度は所定の一定濃度に維持されていた。
【００３９】
これに対して、この実施の形態においては、半田ペーストの酸化値に応じて、酸素濃度を変化させる。すなわち、半田ペーストの酸化値が０．００であれば、空気（エア）中でも、酸素濃度が９０００ｐｐｍでも、５０００ｐｐｍでも半田溶融光沢度はほとんど変わらないため、空気中で半田付けを行う。半田ペースト酸化値が０．０２程度になると、空気中では半田溶融光沢度が大幅に下がるため、酸素濃度が９０００ｐｐｍで半田付けを行う。半田ペーストの酸化値がさらに増えて、０．０４程度になると、酸素濃度を５０００ｐｐｍに下げる。このように半田ペーストの酸化値に応じて酸素濃度を変化させる制御を行うことによって、ほぼ一定の半田溶融光沢度で半田付けができ、且つ、窒素ガスの供給量を減らすことが可能になる。
【００４０】
なお、ここでは、半田ペーストの酸化値を例に上げて説明したが、これに限らず、半田ペーストの還元値を用いても同様である。また、半田ペーストの酸化値を還元値とを別に規定するのは、半田ペーストは金属粉（酸化材）とフラックス（還元材）とから構成されており、この配合割合に応じて、酸化値と還元値とは独立して変化し、これらの値は必ずしも一方が決まれば他方が決まるというものではないためである。
【００４１】
次に、制御部２０で行う具体的な制御内容について説明する。ここでは酸素濃度を３段階に分けて制御する例について説明する。図６は、不活性雰囲気室１０の酸素濃度に応じて３段階に分けて制御する場合の閾値を示す図であり、図７は制御部２０が行う処理内容を示すフローチャートである。
【００４２】
上記したように、半田ペーストの酸化値（および／または還元値）によって半田付けの状態が変化する。同様に、図３に示した半田付けに関連する各要素、すなわち、部品のメッキの酸化の程度（酸化値）、基板ランドの酸化値（および／または還元値）等によっても半田付けの状態が変化する。そこで、ここでは、これらを全て考慮した値として、半田状態値Ｄという概念を導入する。
【００４３】
半田状態値Ｄ＝ａ×│Ｐｏ│+ｂ×│Ｐｒ│+ｃ×│Ｍｏ│+ｄ×│Ｌｏ│+ｅ×│Ｌｒ│
ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは係数であり、Ｐｏは半田ペースト酸化値であり、Ｐｒは半田ペースト還元値であり、Ｍｏは部品メッキの酸化値であり、Ｌｏは基板ランドの酸化値であり、Ｌｒは、基板ランドの還元値である。また、Ｔｈ１およびＴｈ２は、半田状態値を三段階に分けるための閾値である。
【００４４】
なお、半田状態値Ｄとしては、まず考慮すべきなのは、半田ペーストの酸化値または還元値であり、次に、部品メッキの酸化の程度であり、その次に基板の基板ランドの酸化値または還元値の順に考慮すべきである。
【００４５】
なお、部品メッキには一般的にフラックスが使われないため、本実施の携帯では部品メッキの還元値を利用していないが、部品メッキにフラックスが含まれていれば還元値を利用してもよい。
【００４６】
図７は、この場合の制御部２０が行う処理内容を示すフローチャートである。図７を参照して、リフロー炉に搬入されてくるプリント基板上の半田付けに関連する各部の半田状態を予め、上記した半田状態検出手段によって検出しておき（ステップＳ１１、以下ステップを省略する）、それの基づいて制御部２０は、上記した半田状態値Ｄを演算する。そして、半田状態値Ｄの値が閾値Ｔｈ１より小さければ（Ｓ１２でＤ＜Ｔｈ１）、酸素濃度をレベル１、すなわち、不活性雰囲気室１０を空気に設定する。半田状態値Ｄの値が閾値Ｔｈ１より小さければ（Ｓ１２でＴｈ1≦Ｄ＜Ｔｈ２）、酸素濃度をレベル２、すなわち、９０００ｐｐｍ以下に設定する。半田状態値Ｄの値が閾値Ｔｈ２より大きければ（Ｓ１２でＤ＞Ｔｈ２）、酸素濃度をレベル３、すなわち、５０００ｐｐｍ以下に設定する。この動作をプリント基板ごとに繰り返す。
【００４７】
図８は、制御部２０が図７で設定した酸素レベルとなるように不活性雰囲気室１０を制御する処理内容を示すフローチャートである。図８を参照して、まず酸素濃度計１２で不活性雰囲気室１０の酸素濃度を計測する（Ｓ２１）。この計測値によって、酸素濃度が図７で設定した目標レベルよりも高ければ（Ｓ２１で目標レベル＜酸素濃度）、弁１４を開いて、弁１５を閉じる（Ｓ２３）。酸素濃度が図７で設定した目標レベルよりも低ければ（Ｓ２１で目標レベル＞酸素濃度）、弁１５を開いて、弁１４を閉じる（Ｓ２４）。酸素濃度が図７で設定した目標レベルであれば（Ｓ２１で目標レベル＝酸素濃度）、なにもしないで処理を終了する。
【００４８】
なお、上記実施の形態においては、半田状態値Ｄとして、半田ペーストの酸化値、半田ペースト還元値、部品メッキの酸化値、基板ランドの酸化値、基板ランドの還元値を含めたが、これに限らず、このうちの少なくとも一つを用いればよい。
【００４９】
また、上記実施の形態においては、半田状態値Ｄに応じて、三段階に分けて制御する場合について説明したが、これに限らず、任意の段階に分けて制御してもよいし、段数を分けずに、半田状態値Ｄの値に応じた最適酸素濃度値を定め、その値を基準として、比例するように、あるいはＰＩＤ制御等を使用して無段階で制御してもよい。これにより、酸素濃度をより正確に制御することが可能になる。
【００５０】
また、上記実施の形態においては、不活性雰囲気室に空気を供給するための弁を設けてこれを制御部で制御する場合について説明したが、空気は制御しなくてもよい。これにより、弁を減らして、装置をより簡単なものにすることができる。
【００５１】
また、上記実施の形態においては、図７の処理をプリント基板ごとに繰り返す場合について説明したが、これに限らず、プリント基板の一定枚数ごとに、あるいは一定時間ごとに繰り返すようにしてもよい。これにより、プリント基板１枚あたりの半田状態値Ｄの変化が微少である場合などに、処理の回数を減らすことができる。
【００５２】
また、上記実施の形態においては、電子部品実装装置におけるリフロー炉において、酸素濃度を制御する場合について説明したが、これに限らず、基板に部品を半田付けする任意の炉において酸素濃度を制御するようにしてもよい。
【００５３】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】電子部品実装装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】リフロー炉の概略構成を示す模式図である。
【図３】プリント基板上に半田付けされるＩＣチップの取付け状態を示す図である。
【図４】周囲環境ごとの半田ペーストの状態を示す図である。
【図５】周囲の雰囲気ごとに半田ペースト酸化値によって半田溶融光沢度がどのように変化するのかを示す図である。
【図６】濃度制御を行う場合の一例を示す図である。
【図７】半田状態値に応じて制御部が行う処理内容を示すフローチャートである。
【図８】酸素濃度に応じて制御部が行う処理内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５５】
１０  不活性雰囲気室、１１  コンベヤ、１２  酸素濃度計、１３  流量計、１４，１５  弁、１６  窒素ガス供給口、１７  サンプリング口、１８  空気供給口、２０  制御部、３０  プリント基板、１０１  印刷機、１０３  マウンタ、１０５  リフロー炉。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008112822.tif 000009
【図４】
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