(57)【要約】【課題】基板加熱装置において、近年装置の小型化、エネルギー浪費の防止、さらにプロファイル変更に伴う設定変更の繁忙化の低減、部品間差をなくすことが要望されている。【解決手段】本発明は、電子部品をマウントしたプリント基板を垂直方向に上部温度が高温になるよう温度勾配を有する加熱炉内に投入し、上記プリント基板を上下に移動させて所望の温度プロファイルで加熱処理を行うことを特徴とする基板加熱方法を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品をマウントしたプリント基板を垂直方向に上部温度が高温になるよう温度勾配を有する加熱炉内に投入し、上記プリント基板を上下に移動させて所望の温度プロファイルで加熱処理を行うことを特徴とする基板加熱方法。
【請求項２】
電子部品をマウントしたプリント基板を垂直方向に温度勾配を有する加熱炉内に投入し、上記プリント基板を上下に移動させることと同時に上記加熱炉上部に設置された遠赤外線照射装置からの遠赤外線照射量を調整して所望の温度プロファイルで加熱処理を行うことを特徴とする基板加熱方法。
【請求項３】
遠赤外線発生装置が垂直方向に温度勾配を有する加熱炉内で上下動することにより、照射遠赤外線量を調整することを特徴とする請求項２記載の基板加熱方法。
【請求項４】
プリント基板の任意のポジションの温度を測定し、前記プリント基板位置もしくは遠赤外線照射量を調整することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の基板加熱方法。
【請求項５】
垂直方向に配置された加熱炉で加熱炉に垂直方向に上部が高温となるよう温度勾配を形成可能な様配置された加熱要素を有し、加熱要素の各々はそれぞれ独立したコントロールを有して、前記加熱炉内部に処理基板が固定可能な機構を有し、かつ少なくとも上下方向に移動可能なプラットフォームを有してなる基板加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント回路基板等に電子部品をはんだ付けして実装するためのリフロー装置における基板加熱方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリント配線基板に電子部品をはんだ付けして接合するためのリフロー装置の基板加熱方法としては、基板を一定の速度で装置の入り口から出口まで連続搬送しながら加熱炉体部を通過させる方法が一般的である。
【０００３】
図１０を用いて従来のリフロー炉を説明する。図１０において、１はプリント基板、１５の基板搬送ベルトにより図面上部から下部に向かい、一定速度で搬送される構造となっている。１３は炉体部であり、第１予熱部１３ａ、第２予熱部１３ｂ、第３予熱部１３ｃ、第１リフロー部１３ｄ、第２リフロー部１３ｅ、第３リフロー部１３ｆの６セクター構造となっている。
【０００４】
また、１４は冷却部、１５は基板上下部の熱風吹き出し口を示す。このような構成で、プリント基板１全面に加熱エネルギーを供給し、各部を接合するに必要な温度まで昇温する構造となっている。
【０００５】
しかしながら、上記構造を有する基板加熱装置では以下に示す多種多様な課題が存在する。
【０００６】
「装置の大型化」について。近年は忠実な温度プロファイルを再現することが要求されるため、ゾーン数が多くなり、図１０に記載の６ゾーンではなく、１０ゾーン以上に分割されたものもあり、ゾーン数の増大に伴い装置サイズは拡大の一途をたどっている。
【０００７】
「エネルギー浪費」については、装置の大型化に伴い、使用するエネルギー量も格段に大きくなってきた。また搬送レールを有するオープンな構造のため、発生熱風が装置外に多量に放出されエネルギー消費量が増大する傾向にある。また近年は、Ｎ２等の不活性ガスを導入し、プロファイル忠実度の向上が提案されているが、上記オープン構造のため、使用量が膨大となり導入が困難となっている。
【０００８】
「プロファイル変更に伴う設定変更の繁忙化」について。プリント基板の多様化、搭載する部品の多様化に伴い、所望のプロファイルも多種多様化している。各ゾーンの温度設定、熱風流速を基板毎に変更する必要が発生するが、現状の構造では設定変更に長時間を有し、エネルギー消費的に見ても、工業的効率の面からも最適とはいえない。
【０００９】
「部品間差」について。近年のプリント基板は多種多様な部品が搭載される。たとえば、従来の設備構成では部品間の温度上昇効率に大幅な差異が発生し、部分的な部品破壊、または接合不良などの不具合が多数発生している。
【００１０】
上記課題を解決する方法としては、多数の先行例を紹介することが出来る。例えば、特許文献１には、基板プリヒート、リフロー、冷却の３ゾーンを縦に配置した構造が提案されてる。縦型の加熱炉を用い、上層をプリヒート温度に、中層をリフロー温度に、下層を冷却温度にそれぞれ設定し、各層でプラットフォームを静止させることで、プリント基板を所望の温度に設定せんとするものである。図１１を用いて上記特許文献１に記載されている発明の概要を説明する。
【００１１】
縦型の密閉可能なプロセスチューブ２４の外側に、筒状の第１のヒーター（加熱手段）２１、第２のヒーター（加熱手段）２２、及び筒状のウォータジャケット（冷却手段）２３を配置して、当該プロセスチューブ２４の内部空間を本加熱ゾーンＡ、予備加熱ゾーンＢ、冷却ゾーンＣにそれぞれ分ける。被処理物２８を搭載したボード（昇降手段）２７を上記空間内に配置し、制御部（制御手段）３１が上記ボード２７を予備加熱ゾーンＢ、本加熱ゾーンＡ、及び冷却ゾーンＣの順に昇降させるとともに、所望の処理条件にしたがって、各ゾーンに静止させることに特徴を有する。
【００１２】
上記特許文献１によれば、大まかには密閉された縦型チューブを適正温度に加温するだけの構造であるため、従来のリフロー炉と比較し格段に消費エネルギーを削減することが可能である。また、密閉方式を有するため、不活性ガスを導入する場合など、その使用量は従来型と比較し格段に節約することが可能である。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００２−１４４０７６号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１では上記課題点の装置大型化、エネルギー浪費の２点のみ解決案が提案されるのみで、他の２課題（プロファイル変更に伴う設定変更の繁忙化、部品間差）を解決することはできない。４課題すべてに解決策を有する画期的な加熱処理方法、加熱処理装置が熱望されているのは言うまでも無い。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
発明者、上記４課題すべてを解決する方法として、縦型に設置した加熱炉に縦方向に温度勾配を作成し、上記加熱炉内で基板を保持するプラットフォームを上下させる構造が有効であることを見出した。温度勾配は加熱炉上部に沿って高温化する方法と、加熱炉上部に沿って低温化する２種類のプロファイルが考えられるが、高温気体が低密度で上昇する傾向にあることを考慮し、省エネルギーの観点から上部に沿って高温化する構造を選択すべきであると考える。
【００１６】
縦型に設置した加熱炉に縦方向に温度勾配を作成し、上記加熱炉内で基板を保持するプラットフォームを上下させることで、必要な温度勾配を作成が可能となり、所望の温度プロファイルに限りなく近いプロファイルを実現できる。本構造は、上記特許文献１のものと同様、小さな縦型炉を使用し、縦方向に段階的に加温するのみであるため、加熱に必要なエネルギーは小さくてよく、また密閉構造を簡単に実現できるため、省エネルギー、省資源効果も期待できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明に係るリフロー炉の構造を、図１を用いて説明する。下部に開閉機能を有する密閉可能な縦型の加熱炉２の周辺に複数の加熱機構３を設ける。複数の加熱機構３はそれぞれ独立したコントローラーを有し、加熱炉２内に垂直方向に温度分布を発生するよう温度制御系４コントロールされる。基板１は上下動可能なプラットフォーム５上に設置され所望温度プロファイルになるよう位置を調整可能な位置制御系６でコントロールされる。
【００１８】
また、上記構成のリフロー炉は温度プロファイル変更も上下動のシーケンスを変更するのみで対応が可能であるため、従来のよう、各ゾーンの温度設定を変更し、炉内温度の安定のための待機時間が必要なくロスタイム無く温度プロファイルの変更に対応が可能である。そのため実効的なスループットは格段に向上し、生産効率が向上すると共に、省エネルギーにも寄与することとなる。
【００１９】
本発明の構成では各部品の温度に従い、雰囲気温度を詳細に調整することが可能なため部品間の昇温速度差を最小化することも可能となる。発明者らは加熱炉上部に遠赤外線照射装置を設置し、雰囲気温度調整と併用して基板温度をコントロールすることでさらに正確なプロファイル作成が可能となることを見出した。
【００２０】
遠赤外線はその加熱温度で照射量がコントロールされるが、遠赤外線ヒーターに上下動の機構を設け、周辺温度による照射量コントロールを行う方法と、遠赤外線ヒーターに温度調整機能を設け、照射赤外線料を調整する方法が考えられるが、どちらの方法でも照射量をコントロール可能であるため特に限定されるものではない。もちろん上記２手法を併用することも可能である。また、遠赤外線照射ＯＮ、ＯＦＦにみの切り替えであれば加熱炉上部に設置された遠赤外線照射装置に加熱炉内外に移動可能なる機構を付加してもよい。
【００２１】
このように急速な昇降温を正確に基板上の各部品に与えるには、基板温度を正確にモニターする方法が必要である。本発明の方式では基板の移動方向は縦方向であるため、比較的簡単、低コストで温度モニター機能を付加することが可能である。
【００２２】
温度モニターは最低１点で温度プロファイルを確認できるものでよいが、搭載部品間差を考慮する場合は異なる２部品以上の温度をモニターすることが好ましい。例えば、熱照射で温度上昇が見込まれる電解コンデンサーと、遠赤外線で温度上昇が見込まれる半導体部品を測定し、それぞれの温度上昇プロファイルをモニターし、電解コンデンサーは基板位置（熱量）で温度をコントロールし、半導体は遠赤外線の照射量で温度コントロールを行うことが好ましい。なお本温度コントロール機能は複数台の同一仕様の設備を有する大型工場などにおいては、各設備に装備する必要はなく、新しい基板の条件設定のときのみに使用すれことが出来ればよい。
【００２３】
温度測定方法は部品温度を直接的に測定できることが好ましく、例えばパイロメーターなどが理想的である。もちろん、このような機能を有さずとも、他の方法（熱電対を用いた温度測定、サーマルシールを用いた温度測定、目視方法など）でコントロールのシーケンスを決定することが出来るならそれでもよく、これらに限定されるものではない。
【００２４】
近年の実装基板は単位面積あたりの実装部品数を多くする目的で、表裏両面に部品実装する場合が多い。両面実装を実現するには、半面毎の実装、リフロー工程が必要となるが、裏面実装のリフロー工程で加熱される際、背面に実装済みの部品が落下するケースがある。これを防止するため、発明者らは本発明にかかるリフロー炉に背面温調機能を付加することを見出した。
【００２５】
本発明のリフローは加熱炉上部に高温となる温度プロファイルを有するため、背面（下面）部は比較的低温となるため、背面実装部品の落下に危険は小さいと考えられるが、ここに温調機能を付加することで、さらに落下のリスクを低減することが可能となる。下部独立温調機能はこれを加温に用いることで、基板縦方向に雰囲気と逆（上部が低温、下部が高温）の温度プロファイルを形成することも可能である。
【００２６】
また基板下部を高温化することで半導体部品のようなリードが長い部品では、はんだ溶融時の濡れ上がりを防止することも可能である。
【００２７】
本発明では加熱炉上下方向に温度分布を発生させ、横方向には温度分布が発生しない構造が理想的である。しかしながら、発明者らが実験の結果水平方向にも若干の温度分布が確認された。これを平均化させる方法として基板を回転させることを考案し、実験を行った結果基板内の温度分布を縮小することが出来た。
【００２８】
基板を回転させる方法としては、基板のみを回転させる方法や、基板を保持するプラットフォームを回転させる方法があるが、どちらの方法を用いても基板均一性の向上効果に差異は無く、良好な結果が得られた。回転速度に関しては、搭載部品の位置ずれが発生しない程度であれば良く、目安としては１０ｒｐｍ程度以下で良いが、搭載部品の大きさ、形状等に依存するところが多く、これに限定されるものではない。
【００２９】
はんだペーストから蒸発するフラックスは、多数枚に基板処理を行った場合、加熱炉内部もしくは基板上に付着し、目視上ならびに特性上の不具合をもたらす。加熱時に蒸発発生したフラックスは早期に炉外に放出してやることが望ましいのは言うまでも無い。
【００３０】
本発明のリフロー炉で、炉下部に吸入口、炉上部に排出口を設置することで、基板部分で発生したフラックス蒸気は炉上部の排出口から排出される。温度の低い下部よりエアを供給することでエアを加温する必要が無く、エネルギー消費を抑制すると共に、高温部からフラックス蒸気を含むエアを放出することで、フラックス蒸気は再液化することなく炉内に残留することができる。
【００３１】
導入エアとしては、空気、窒素などが一般的であるが、その他不活性ガス、もしくははんだ溶融性を加速可能なガスなど特に限定されるものではない。
【００３２】
本発明のリフロー炉は理論上、一本の縦型加熱炉を装備することで、その機能を満足できる。一般的な基板のリフローに要する時間は１８０秒程度の為、一本の加熱炉を有する設備構成ではタクトタイムは１８０秒を下回ることはできない。印刷機、マウント機はそれぞれタクトを１２０秒程度のタクトで運用可能であるため、一本構成のリフロー炉の構成では実装ラインの生産性を低下が発生する。
【００３３】
上記課題の解決には、複数個の加熱炉を直列もしくは並列に設置することで解消が可能である。課題策を図のフローチャートを用いて説明する。
【００３４】
図７は、１つの基板における予備加熱、本加熱を一本の加熱炉を用う事を基本とし、ｎ枚目の基板はＡチャンバー、ｎ＋１枚目に基板をＢチャンバーで処理するフローチャートを示している。上記方法で、実効的タクトは半減され、９０秒程度のタクトを達成可能である。一方、同一使用の加熱炉（温度設定１８０℃〜３５０℃）を２本有する構成となるため、消費エネルギーは２倍となるデメリットを有する。
【００３５】
図８は、１つの基板における予備加熱、本加熱を異なる加熱炉で処理せんとするフローチャート図である。図８に記載の方式では、予備加熱（１２０秒）が律即となるため実効的タクトは２／３程度となるが、予備加熱、本加熱専用の加熱炉を設定できるため、各加熱炉の設定温度域を小さくすることが可能となる（予備加熱炉で１８０℃〜３００℃、本加熱炉で２５０℃〜３５０℃）。そのため図７の構成に比較し格段の省エネルギー化を実現することが可能である。また本構成の場合、予備加熱→本加熱の搬送機構に加熱機能を付加する必要がある。
【００３６】
図９は図８に示す構成の高タクトを達成する一例である。律速である予備加熱を２チャンバー化し、実行タクトを６０秒に短縮可能なシーケンスを提供している。
【００３７】
律速する予備加熱工程を２チャンバー化することで、タクトの削減と、温度範囲の狭い加熱炉を使用することによる省エネルギー化を同時に実現可能な構成となっている。上記構成の場合も予備加熱→本加熱の搬送機構に加熱機能を付加する必要がある。
【００３８】
以下に具体例である実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例になんら限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
高さ１ｍの加熱炉２を下方向に開放した形状で設置し、周辺に高さ１５ｃｍの６個の加熱装置３を装着した（図１）。６個の加熱炉はおのおの独立に温度調節か可能な制御系４で温度調節され下から１８０度、２１０度、２４０度、２７０度、３００度、３３０度に温調した。加熱炉高さ方向と、測定温度の関係を図２に示す。高さ８５ｃｍ近傍までは高さ方向に一次的に温度上昇していることがわかる。
【００４０】
次にＳｎＡｇＣｕで構成されるはんだ接合条件（プリヒート１９０℃、６０秒、ピーク温度２４０℃、２２０℃以上４０秒保持）を想定し、プロファイル作成を行った。図３は測定された基板温度（破線）とプラットフォーム高さ（実線）を時間軸上にプロットしたものである。高温域（加熱炉の高い部分）で保持することで、急速な昇温を実現可能で、設定温度近傍に基板温度が差し掛かると、基板位置を低く（低温域）に保持することで、基板昇温のオーバーシュートを防止可能であることがわかる。ほぼ理想的な温度プロファイル作成が実現可能であった。
【００４１】
（実施例２）
０．４ｍｍピッチのＱＦＰ部品とコネクタ部品をＳｎＡｇＣｕはんだを用いて接合したプリント基板を用意し、第３図に示すプラットフォーム動作でリフロー実験を行った。同時にＱＦＰ部品とコネクタ部品に熱電対を装着し、温度プロファイルを観察した。結果を図４に示す。２部品間で温度プロファイル差は１０℃以下の良好な結果が得られた。
【００４２】
（実施例３）
加熱炉上部に７遠赤外線照射装置を装着した。遠紫外線照射装置は水平方向に可動が可能で、加熱炉内外に移動が可能な構造とした。図５に概略を示す。遠赤外線照射装置は一定の温度に保たれ、加熱炉内に移動した時点（７ａ）を可動時、加熱炉外に移動した時点（７ｂ）を停止時とした。同時に加熱炉上部に非接触温度測定器（８．パイロメーター）を２基装着した。
【００４３】
パイロメーターは基板上のＱＦＰ部品とコネクタ部品の温度測定が可能な様、位置調整を施した。パイロメーターはリアルタイムに２部品の温度情報を取り出し、雰囲気加熱では温度上昇の遅いＱＦＰ部品と、雰囲気過熱で温度上昇の早いコネクタ部品の温度監査が大きくなる時間帯のみ遠紫外線照射を実施した。その結果を第６図に示す。２部品間の温度差がさらに減少している事がわかる。
【００４４】
なお、本実施例では、部品実装を施したプリント基板に限定して説明したが、加熱処理を有する工法なら何にでも応用が可能で、たとえば、半導体基板の加熱処理等を挙げる事ができるがもちろんこれに限定されるものではない。また、処理温度、処理時間は一般的なＳｎＡｇＣｕはんだを例にした数値で記載したが、はんだ合金に依存してまた基板構造に依存して最適な温度、最適な時間を設定することが必要でこれら実施例に記載される数値に何ら限定されるものではない。温度モニター機能としてパイロメーターを挙げて説明したが、他にサームグラフィシステム、熱電対などが上げられるが、温度測定機能を有するものであればなんでも良くこれらに限定されるものではない。
【００４５】
また設備構成においてもさまざまな付加機能（遠赤外線併用、温度測定システムの付加、複数温度測定機能など）を説明したが、加熱処理に必要不可欠な機能のみを付加すればよく、このすべての機能を付加する必要性はない。たとえば、複数台を必要とする工場に於いて、１台のみ温度測定機能を有する設備を導入し、他の設備はそのプラットフォーム上下動情報をコピーするのみでよく、工場内の設備費用を低減することも可能である。
【００４６】
【発明の効果】
上記発明によれば、従来リフロー炉の課題である、設備小型化、省エネルギー省資源化、設定変更に伴うダウンタイムレス化、部品間の温度差のすべての課題を工業的生産性を犠牲にすることなく克服することが可能で工業的価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の加熱装置の断面図
【図２】本発明の一実施例の加熱炉内温度分布図
【図３】本発明の一実施例の基板加熱工程における、基板高さと基板温度図
【図４】本発明の一実施例における基板中部品の温度プロファイル図
【図５】本発明の一実施例の加熱装置の断面図
【図６】本発明の一実施例の基板加熱工程における、基板高さと基板温度図
【図７】本発明の一実施例における基板加熱フローチャート
【図８】本発明の一実施例における基板加熱フローチャート
【図９】本発明の一実施例における基板加熱フローチャート
【図１０】従来の加熱装置の断面図
【図１１】従来の加熱装置の断面図
【符号の説明】
１  プリント基板
２  加熱炉
３  加熱機構
４  プラットフォーム
５  温度制御系
６  位置制御系
７  遠赤外線照射部
８  パイロメーター
９ａ  ガス噴出し口
９ｂ  ガス吸入口
１３  炉体部
１３ａ  第１予熱部
１３ｂ  第２予熱部
１３ｃ  第３予熱部
１３ｄ  第１リフロー部
１３ｅ  第２リフロー部
１３ｆ  第３リフロー部
１４  冷却部
１５  基板搬送ベルト
１５  基板上下部の熱風吹き出し口
２１  筒状の第１のヒーター（加熱手段）
２２  第２のヒーター（加熱手段）
２３  筒状のウォータジャケット（冷却手段）
２４  縦型の密閉可能なプロセスチューブ
２７  被処理物を搭載したボード（昇降手段）
２８  被処理物
【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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【図８】
2004311680.tif 000010
【図９】
2004311680.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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