(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に送り込まれる気体により被加熱物を加熱する加熱炉の制御方法であって、
前記気体の流量を予め設定された質量流量に調整する流量調整工程と、
この流量調整工程で調整された前記気体を予め設定された温度に加熱する気体加熱工程と、
前記流量調整工程と前記気体加熱工程とを協働させて、前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整する熱エネルギー調整工程と
を備えることを特徴とする加熱炉の制御方法。
【請求項２】
前記エネルギー調整工程は、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が増加したとき、前記気体加熱工程に前記気体の温度を低下させる指令を与える一方、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が減少したとき、前記気体加熱工程に前記気体の温度を上昇させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整するものである請求項１に記載の加熱炉の制御方法。
【請求項３】
前記エネルギー調整工程は、前記加熱炉の温度が上昇したとき、前記流量調整工程に前記気体の流量を減少させる指令を与える一方、前記加熱炉の温度が低下したとき、前記流量調整工程に前記気体の流量を増加させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整するものである請求項１に記載の加熱炉の制御方法。
【請求項４】
炉内に送り込まれる気体により被加熱物を加熱する加熱炉の制御装置であって、
前記加熱炉に前記気体が送り込まれる配管に介挿されて、この配管に流れる前記気体の流量を予め設定された質量流量に調整する流量調整部と、
この流量調整部の後段の配管に設けられて、前記流量調整部で調整された前記気体を予め設定された温度に加熱する気体加熱部と、
前記流量調整部と前記気体加熱部とを協働させて、前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整する熱エネルギー調整部と
を備えることを特徴とする加熱炉の制御装置。
【請求項５】
前記熱エネルギー調整部は、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が増加したとき、前記気体加熱部が加熱する前記気体の温度を低下させる指令を与える一方、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が減少したとき、前記気体加熱部が加熱する前記気体の温度を上昇させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整するものである請求項４に記載の加熱炉の制御装置。
【請求項６】
前記熱エネルギー調整部は、前記加熱炉の温度が上昇したとき、前記流量調整部に前記気体の流量を減少させる指令を与える一方、前記加熱炉の温度が低下したとき、前記流量調整部に前記気体の流量を増加させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整するものである請求項４に記載の加熱炉の制御装置。
【請求項７】
前記加熱炉は、電子部品を実装する配線基板の予め形成されたランドに塗布されたはんだペーストを溶融して上記電子部品を取り付けるリフロー炉である請求項４〜６のいずれかに記載の加熱炉の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱炉の制御方法および制御装置に係り、特に所定の温度を維持して被加熱物を加熱するに好適な加熱炉の制御方法および制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から加熱した気体によって被加熱物を加熱する加熱炉が用いられている。この加熱炉としては、例えば電子基板に搭載された表面実装部品をはんだ付けするリフロー炉などがある。このリフロー炉は、図８に示すように配線基板３の予め形成された複数のランド（図示せず）に、はんだペースト４が塗布された後、図示しないマウンタによって電極を各ランドに位置付けながら載置された電子部品２をリフロー炉１内の所定の温度の雰囲気中で所定時間加熱して、はんだ付けする装置である。
【０００３】
このリフロー炉１には、配管９に流れる気体を一定の圧力に調整するレギュレータ（整圧器）８を通してボンベ６に蓄えられた所定の気体７（例えば、空気、窒素ガス等）がリフロー炉１に送り込まれるようになっている。そして、レギュレータ８の後段には、リフロー炉１に送り込まれる気体を加熱する温度調節部１０が設けられている。この温度調節部１０は、温度設定部１１からの温度設定指令を受けて、この温度設定指令とリフロー炉１内の温度を検出する温度センサ１２が検出した温度情報とを比較し、ヒータ１３によってリフロー炉１に送り込まれる気体の温度を調整してリフロー炉１内を設定された温度に調整する気体加熱部１４を構成する。
【０００４】
尚、ボンベ６に代えて図示しないファン等の送気装置や加圧装置等によってリフロー炉１内に空気や窒素ガス等を送り込むように構成されたリフロー炉もあるが説明は省略する。
このようなリフロー炉１は、溶解したはんだペースト４によって電子部品２（表面実装部品）が確実に配線基板３に取り付けられるようにするため、炉内の温度管理が重要である。特に最近は、地球環境保全の観点から鉛を含まない鉛フリーはんだが用いられるようになっている。この鉛フリーはんだは、従来の鉛とスズの合金のはんだに比べて電子部品２を配線基板３にはんだ付けする際の温度条件が厳しい。このためリフロー炉１内の温度管理は、製造品質を高めるうえで極めて重要なポイントとなっている。
【０００５】
ところで配線基板３には、図示しないコンベアによってリフロー炉１内を移動しながら加熱されて電子部品２がはんだ付けされる。このコンベアの移動速度、リフロー炉１内の温度等の設定は、配線基板３の面積、材質、搭載される電子部品２の点数および種類、電子部品２を配線基板３の片面に実装するのか、または両面に実装するのかの取付け方法等のはんだ付け条件によってリフロー炉１内の温度およびコンベア速度の設定（温度プロファイル）がなされる。
【０００６】
一般にこの温度プロファイルは、上述したはんだ付け条件によって異なったものとなる。そして、はんだ付け条件が異なる配線基板３をリフロー炉１にてはんだ付け処理する場合、その都度、温度プロファイルの設定をする必要がある。
ちなみにリフロー炉１は、炉内の温度を保持するため熱容量を大きくしてあり、異なる配線基板３をリフロー処理するための炉内の温度調整にはおおむね１０分〜３０分程度が必要である。また、従来のリフロー炉１は、温度プロファイルの設定および調整を行っているとき、炉内に配線基板３を投入することができず、特に少量多品種生産を行う場合、リフロー炉１の温度設定、雰囲気調整が、はんだ付けする配線基板３の種類が異なる毎に必要であり生産効率が著しく低下するという問題があった。
【０００７】
そこでこの種の問題を解決するべくリフロー装置とその制御方法が提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。
ちなみにリフロー炉１の温度プロファイルは、例えば図９に示すようにはんだ付けに先立つ予熱工程（プレヒート）があり、それ故、複数の温度に設定されたリフロー炉が横並びに並べられて長尺のラインとして構成されている。
【特許文献１】特開２００１−１６０６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述のリフロー装置にあっては、リフロー炉近傍の気圧、温度等の環境条件のほか、リフロー炉内に送り込まれる気体の圧力が変化すると、炉内に与えられる熱風の流量が変化してしまうという問題がある。この種の問題を解決するには、炉内に送り込まれる気体の圧力を一定に維持すればよいと考えられる。しかしながらこの方法は、炉内に送り込まれる熱風の体積流量を一定に維持することはできるものの、リフロー炉近傍の気圧変化および温度変化等の外乱によって、炉内に与えられる熱エネルギーが変化してしまい、最適なはんだ付け条件を逸脱するという懸念がある。このため、従来のリフロー炉は、製造品質の高いはんだ付けを安定して維持することが難しいという問題があった。
【０００９】
また、リフロー炉は、予熱工程を備えているため、その炉長が長くなり、リフロー炉の設置面積が広くなることが否めない。
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、加熱炉近傍の気圧および温度等の環境条件、炉内に送り込まれる気体の圧力が変化、あるいは配線基板の状態が変化したとしても炉内に送り込まれる気体を被加熱物の加工に最適な温度および流量に調整すると共に、設置面積が少ない加熱炉の制御方法および制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
例えは、加熱炉としてのリフロー炉は、そもそも炉内に送り込まれる気体（例えば空気、窒素ガス等）の分子がヒータによって加熱されることによって熱エネルギーをもち、この熱エネルギーがはんだペーストに伝達されることによってはんだペーストが溶解して配線基板に搭載された電子部品がはんだ付けされるのである。つまりリフロー炉は、被加熱物（はんだペースト）に熱を伝達することが主目的であり、温度を一定に保つには炉内に送り込む気体のエネルギーを一定に制御すること、すなわち炉内に送り込まれる気体の分子量を一定に制御することが望ましいのである。
【００１１】
本発明の加熱炉の制御方法は、このような知見に基づいて上述した目的を達成すべくなされたものであり、炉内に送り込まれる気体により被加熱物を加熱する加熱炉の制御方法であって、
前記気体の流量を予め設定された質量流量に調整する流量調整工程と、この流量調整工程で調整された前記気体を予め設定された温度に加熱する気体加熱工程と、前記流量調整工程と前記気体加熱工程とを協働させて、前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整する熱エネルギー調整工程とを備えることを特徴としている。
【００１２】
好ましくは、前記エネルギー調整工程は、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が増加したとき、前記気体加熱工程に前記気体の温度を低下させる指令を与える一方、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が減少したとき、前記気体加熱工程に前記気体の温度を上昇させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整することが望ましい。
【００１３】
より好ましくは、前記エネルギー調整工程は、前記加熱炉の温度が上昇したとき、前記流量調整工程に前記気体の流量を減少させる指令を与える一方、前記加熱炉の温度が低下したとき、前記流量調整工程に前記気体の流量を増加させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整することが望ましい。
上述の加熱炉の制御方法を適用した加熱炉の制御装置は、炉内に送り込まれる気体により被加熱物を加熱する加熱炉の制御装置であって、
前記加熱炉に前記気体が送り込まれる配管に介挿されて、この配管に流れる前記気体の流量を予め設定された質量流量に調整する流量調整部と、この流量調整部の後段の配管に設けられて、前記流量調整部で調整された前記気体を予め設定された温度に加熱する気体加熱部と、前記流量調整部と前記気体加熱部とを協働させて、前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整する熱エネルギー調整部とを備えることを特徴としている。
【００１４】
上述の加熱炉の制御装置は、加熱炉に送り込まれる気体（例えば、空気、窒素ガス等）の質量流量を流量調整部にて予め定められた値に調整するとともに、気体加熱部が備える例えばヒータ等によってこの気体を予め設定された温度に加熱する。したがって上述のリフロー炉の制御装置は、所定の質量流量Ｑ、すなわち所定の分子量の気体をヒータによって予め設定された温度ΔＴ（加熱温度−周囲温度）に加熱しているので、気体のもつ熱エネルギー［Ｑ×ΔＴ］を一定に維持することができ、被加熱物を熱加工するのに最適な熱量を与える。
【００１５】
好ましくは前記熱エネルギー調整部は、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が増加したとき、前記気体加熱部が加熱する前記気体の温度を低下させる指令を与える一方、前記加熱炉に流入する前記気体の流入量が減少したとき、前記気体加熱部が加熱する前記気体の温度を上昇させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整することが望ましい。
【００１６】
上述の加熱炉の制御装置は、加熱炉の周囲温度の変化、炉内で処理される被加熱物の熱負荷が変化した等の理由によって加熱炉に流れ込む気体の流量が変化したとき、この流量変化分に見合う分の温度調整を前記気体加熱部に指令を与えて、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持する。したがって、上述の加熱炉の制御装置は、炉内で処理される被加熱物に熱処理に最適な熱エネルギーを与える。
【００１７】
より好ましくは、前記熱エネルギー調整部は、前記加熱炉の温度が上昇したとき、前記流量調整部に前記気体の流量を減少させる指令を与える一方、前記加熱炉の温度が低下したとき、前記流量調整部に前記気体の流量を増加させる指令を与えて前記炉内に送り込まれる前記気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整することが望ましい。
上述の加熱炉の制御装置は、加熱炉の周囲温度の変化や加熱炉内で処理される被加熱物の熱負荷が変化した等の理由によって加熱炉の温度が変化したときでも、この温度変化分に見合う分の気体の分子量を前記流量調整計に指令を与えて、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持する。したがって上述の加熱炉の制御装置は、炉内で処理される被加熱物に熱処理に最適な熱エネルギーを与える。
【００１８】
また前記加熱炉は、電子部品を実装する配線基板の予め形成されたランドに塗布されたはんだペーストを溶融して上記電子部品を取り付けるリフロー炉として構成される。
上述のリフロー炉の制御装置は、リフロー炉の周囲温度の変化やリフロー炉内ではんだ付けする配線基板の熱負荷が変化した等の理由によってリフロー炉の温度が変化したときでも、この温度変化分に見合う分の気体の分子量を前記流量調整計に指令を与えるとともに、前記気体加熱部が加熱する気体の加熱量を調整して、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持する。したがって上述のリフロー炉の制御装置は、リフロー炉内の配線基板上に塗布されたはんだペーストにはんだ付けに最適な熱エネルギーを与える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の加熱炉の制御方法および制御装置によれば、流量調整部によって加熱炉内に送り込まれる気体（例えば、空気や窒素ガス等）の流量を予め設定された質量流量に調整するとともに、この流量調整部と加熱炉との間に介挿された気体加熱部（例えば、ヒータ）を協働させる熱エネルギー調整部にて、炉内に送り込まれる気体が有する熱エネルギーを所定の値に調整しているので、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持することができ、加熱炉内の被加熱物に最適な熱エネルギーを与えることができる。したがって、本発明の加熱炉の制御方法および制御装置を例えば配線基板に載置された電子部品をはんだ付けするリフロー炉に適用すれば、はんだ付けに適した熱エネルギーをはんだペーストに与えることができ、高品質のはんだ付けを行うことができる。
【００２０】
また前記熱エネルギー調整部は、炉内に流入する気体の流入量が増加したとき、気体加熱部が調整する気体の温度を低下させる指令を与える一方、炉内に流入する気体の流入量が減少したとき、気体の温度を上昇させる指令を与えるものとして構成されているので、加熱炉の周囲温度の変化、炉内で熱処理される被加熱物の熱負荷が変化した等の理由によって炉内に流れ込む気体の流量が変化したとしても、この流量変化分に見合う分の温度になるよう気体加熱部に指令を与えることができ、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持することが可能である。このため本発明加熱炉の制御方法および制御装置は、炉内熱処理される被加熱物に最適な熱エネルギーを与えることができる。
【００２１】
或いは前記熱エネルギー調整部は、炉内の温度が上昇したとき、流量調整部が調整する気体の流量を減少させる指令を与える一方、炉内の温度が低下したとき、流量を増加させる指令を与えるものとして構成しているので、加熱炉の周囲温度の変化、炉内で熱処理される被加熱物の熱負荷が変化した等の理由によって炉内の温度が変化したとしても、流量調整部によってこの温度変化分に見合う分の分子量に調整した気体を炉内に送り込んでいるので、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持することができる。したがって、本発明に係る加熱炉の制御方法および制御装置は、炉内の被加熱物、例えば配線基板上に塗布されたはんだペーストにはんだ付けに最適な熱エネルギーを与えることができ、高品質のはんだ付けが可能となるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の加熱炉の制御方法を適用した加熱炉の制御装置の一実施形態として、電子部品を実装する配線基板の予め形成されたランドに塗布されたはんだペーストを溶融して上記電子部品を取り付けるリフロー炉の制御装置について図面を参照しながら説明する。また、図８に示す従来のリフロー炉の制御装置と同一機能を有する部位には、同符号を付し、その説明を省略する。また、図１〜図７は、本発明の第一の実施形態およびその変形例に係るリフロー炉の制御装置を説明する図面であって、これらの図面によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
尚、詳細は後述するが図１に示すリフロー炉の制御装置が、従来のリフロー炉の制御装置と異なるところは、配管９を介してレギュレータ８とヒータ１３との間に流れる気体を設定された質量流量に調整する流量調整部たる流体流量制御装置（マスフローコントローラ）２０並びにこのマスフローコントローラ２０を流れる気体の質量流量の指令を与える流量設定部２１を設けた点、および入力されたリフロー炉１内に送り込まれる気体の質量流量および炉内温度の設定値並びに配線基板３の状態（配線基板３に搭載された電子部品２の数や種類、配線基板３の大きさおよび材質、はんだペースト４の種類等）によってマスフローコントローラ２０とヒータ１３とを協働させて炉内の温度を制御する制御部（熱エネルギー調整部）２２を備えた点にある。
【００２４】
マスフローコントローラ２０には、質量流量を計測する質量流量センサを備える。この質量流量センサは、例えば図１０に示すようにシリコン基台Ｂ上に設けた発熱抵抗体からなるヒータ素子Ｒｈを間にして、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度センサＲｕ,Ｒｄを設けた素子構造を有する。そして熱式流量計は、上記ヒータ素子Ｒｈから発せられる熱の拡散度合い（温度分布）が前記流体の通流によって変化することを利用し、前記温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記流体の流量Ｑを検出する如く構成される。
【００２５】
具体的にはヒータ素子Ｒｈから発せられた熱が流体の流量Ｑに応じて下流側の温度センサＲｄに加わることで、該温度センサＲｄの熱による抵抗値の変化が上流側の温度センサＲｕよりも大きいこと利用して上記流量Ｑを計測するものとなっている。尚、図中Ｒｒは、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた測温抵抗体からなる温度センサであって、周囲温度の計測に用いられる。
【００２６】
図１１は上述した質量流量センサを用いた熱式流量計の概略構成を示している。即ち、ヒータ素子Ｒｈの駆動回路は、該ヒータ素子Ｒｈと周囲温度計測用の温度センサＲｒ、および一対の固定抵抗Ｒ１,Ｒ２を用いてブリッジ回路Ｂ１を形成し、所定の電源から供給される電圧ＶccをトランジスタＱを介して前記ブリッジ回路Ｂ１に印加すると共に、該ブリッジ回路Ｂ１のブリッジ出力電圧を差動増幅器Ａ１にて求め、そのブリッジ出力電圧がゼロ（０）となるように前記トランジスタＱを帰還制御して前記ブリッジ回路Ｂ１に加えるヒータ駆動電圧を調整するように構成される。このように構成されたヒータ駆動回路により、前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が、その周囲温度よりも常に一定温度差ΔＴだけ高くなるように制御される。
【００２７】
一方、前記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記質量流量センサに沿って通流する流体の流量Ｑを検出する流量検出回路は、上記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄと一対の固定抵抗Ｒｘ,Ｒｙを用いて流量計測用のブリッジ回路Ｂ２を形成し、温度センサＲｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧（温度差に相当するセンサ出力）を差動増幅器Ａ２を介して検出するように構成される。そして前記ヒータ駆動回路によりヒータ素子Ｒｈの発熱量を一定化した条件下において、差動増幅器Ａ２を介して検出されるブリッジ出力電圧から前記質量流量センサに沿って通流する流体の流量Ｑを求めるものとなっている。
【００２８】
この流量Ｑの算出は、例えば上記ブリッジ出力電圧（センサ出力）を図示しない演算処理装置（ＣＰＵ）等に取り込むことによって行われる。
このように構成されたリフロー炉１には、配線基板３の予め形成されたランドに塗布されたはんだペースト４の位置に図示しないマウンタによって電子部品２の電極が位置するように載置された配線基板３が、図２に示す所定の移動速度ｖ［m/s］で稼働するコンベア１５によって送り込まれるようになっている。
【００２９】
概略的には上述したように構成された本発明の一実施形態に係るリフロー炉の制御装置の作動について理論的に説明する。尚、ここでは理解をしやすくするため、便宜上、気体７は、窒素ガスであるとして説明する。
まずマスフローコントローラ２０は、流量設定部２１から出された流量指令を受けて、配管９を介してリフロー炉１内（以下、炉内と称することがある）に送り込まれる窒素ガス７の質量流量を一定に制御する。このマスフローコントローラ２０を介して炉内に送り込まれる窒素ガスの質量流量は、一定であり、それゆえ配管９を流れる窒素ガス７の単位時間当たりの分子量は一定になる。つまり、リフロー炉１に送り込まれる窒素ガス７の単位時間当たりの分子量は一定となる。
【００３０】
ところで絶対温度Ｔ［K］における分子１個がもつ運動エネルギーＫＥは、気体定数をＲ［J/mol・K］とすれば、
ＫＥ＝(３／２)Ｒ・Ｔ［J］
として示される。したがって、絶対温度Ｔ［K］の窒素ガスｎ［mol］が有する運動エネルギーＫｎは、アボガドロ数をＮＡ［mol−１］とすれば、
Ｋｎ＝(３／２)ｎ・ＮＡ・Ｒ・Ｔ［J］
と求まる。いま、マスフローコントローラ２０から炉内へ送り込まれる窒素ガス７の容積をＶ［m3］とすれば、この窒素ガス７のモル数Ｎは、
Ｎ＝Ｖ／(２２.４×１０−３)［mol］
である。したがって、単位時間当たりの流量をｑ［m3/s］とすれば、この気体が１秒当たりに炉内に送り込まれる窒素ガス７のモル数ｎは、
ｎ＝ｑ／(２２.４×１０−３)［mol/s］
となる。よって、この窒素ガス７がＴ［K］のとき、リフロー炉１に流れ込む熱流Ｉは、
Ｉ＝(３／２)・ｑ／(２２.４×１０−３)ＮＡ・Ｒ・Ｔ［J/s］
＝(３／２)・ｑ／(２２.４×１０−３)ＮＡ・Ｒ・Ｔ［W］
＝Ｋ・ｑ・Ｔ［W］
と求まる。ただし、Ｋ＝３ＮＡ・Ｒ／(２×２２.４×１０−３)である。
【００３１】
この式が示すようにリフロー炉１に与えられる熱流Ｉは、気体流量および気体の絶対温度の積に比例することが導ける。
さて、ここで解析を簡単にするため、配線基板３に搭載された電子部品２およびはんだペースト４を含むすべての物体を含めた基板の熱伝達率α［W/(m2・K)］とし、基板の表面が窒素ガス７と接する接触表面積をＳ［m2］とすれば、基板の表面熱抵抗ＲＳは、
ＲＳ＝１／αＳ［K/W］
である。一方、リフロー炉１の熱容量をＣ［J/K］とし、基板の熱容量はリフロー炉１の熱容量に比べて極めて小さく、これを無視するとともに、リフロー炉１から外部に放散する熱流を無視して単純化すれば、図３に示すように熱容量Ｃと表面熱抵抗Ｒｓとが並列に接続されて、この並列回路に熱流Ｉを供給する等価回路が得られる。
【００３２】
熱流Ｉは、上述したようにマスフローコントローラ２０で一定の質量流量、すなわち単位時間あたり一定の分子量を含む窒素ガス７をヒータ１３で加熱した熱風である。この熱流Ｉは、熱容量Ｃと表面熱抵抗Ｒｓのそれぞれに熱流ＩＣおよび熱流ＩＲとして分流する。ところで一般にリフロー炉１は、炉内の温度変動をおさえるため、熱容量Ｃを大きくした設計がなされている。したがって、熱流ＩＣは、炉内が一定の温度に到達したときには、ほとんど流れないものと考えてよい。勿論、熱容量Ｃから漏れ出す熱流、すなわち炉外に放散される熱は、僅かながらあるものと考えられるが、この場合は、一定の熱流ＩＣが流れるものと考えてよい。
【００３３】
一方、表面熱抵抗ＲＳは、上述したように配線基板３に搭載された電子部品２、はんだペースト４を含むすべての物体を含めた基板の熱伝達率α［W/(m2・K)］および基板の表面積（窒素ガス７）と接する接触表面積Ｓ［m2］が変われば当然ながら変化する。したがって異なる基板ごとの表面熱抵抗ＲＳに応じて最適な熱流Ｉになるように炉内に送り込む窒素ガス７の流量および温度を調整すれば、配線基板３のランドに塗布されたはんだペーストを溶融して電子部品２を高品質にはんだ付けすることが可能となる。
【００３４】
具体的には、はんだ付けする複数種の基板毎に最適なはんだ付け条件が維持できるようリフロー炉１内で予めはんだ付けを実施して評価し、そのとき流量設定部２１に設定した流量条件および温度設定部１１に設定した温度条件をそれぞれ記録して配線基板の状態に応じた最適条件を制御部２２に設定する。そうすることによってコンベア１５によって複数種の基板がリフロー炉１に送り込まれたとしても、制御部２２にてリフロー炉１内を流れている基板に最適な熱流となるよう気体の流量および温度が調整されるので、高品質なはんだ付けができる。
【００３５】
より具体的に本発明の一実施形態に係るリフロー炉の制御装置について、コンベア１５の移動速度ｖに対する配線基板３（配線基板３に搭載された電子部品２およびはんだペースト４を含むすべての物体を含む）がリフロー炉１に要求する必要熱量Ｑと、リフロー炉１が配線基板３に与えることができる供給熱量ＱＷとの関係を示す図４のグラフを用いて説明する。
【００３６】
配線基板３は、コンベア１５の移動速度が速くなるにつれてリフロー炉１内に存在する時間が短くなる。このため移動速度が速くなった分、より多くの熱量を必要とする。一方、配線基板３に与える供給熱量は、リフロー炉１内に供給される熱流Ｉが一定であるとすれば、コンベア１５の移動速度ｖに反比例して減少する。このようなことから図４に示すグラフが得られる。
【００３７】
この図から配線基板３が要求する熱量がＱＡであり、コンベア１５の移動速度がｖであるとすれば、リフロー炉１が配線基板３に供給する供給熱量ＱＷ１は、このＱＡが示す直線と、移動速度ｖとの交点Ｓを通るように設定すれば良いことが導ける。つまりこの交点Ｓは、配線基板３がはんだ付けを行うために必要な熱量と、リフロー炉１に供給される熱量とが等しくバランスする点であり、最適なはんだ付けを行うことができる。
【００３８】
もし、コンベア１５の移動速度ｖを一定にしたまま別の配線基板３をリフロー炉１に投入する場合、その配線基板３が要求する熱量がＱＢに増加したとすれば、このＱＢを示す直線と、移動速度ｖとの交点Ｔを通るように供給熱量を増加させてリフロー炉１が配線基板３に供給する供給熱量をＱＷ２に調整すれば良い。
尚、上述したリフロー炉１の制御は、コンベア１５の移動速度ｖを一定とした場合を例示したが、例えば、同じ配線基板３（配線基板３に搭載された電子部品２およびはんだペースト４を含むすべての物体を含む）の製造枚数を増加させるためにコンベア１５の移動速度ｖを速くする場合にも適用することができる。例えば、図５に示すように配線基板３が要求する熱量がＱで示され、コンベア１５の移動速度をｖ１としてリフロー炉１を稼働させる場合、直線Ｑとコンベア１５の移動速度ｖ１との交点Ｓを通るようにリフロー炉１に供給する熱量（熱流）をＱＷ１に調整する。そして、コンベア１５の速度を増加させて移動速度ｖ２とした場合、配線基板３が要求する熱量Ｑは増加するので、直線Ｑとコンベア１５の移動速度ｖ２との交点Ｔを通るようにリフロー炉１に供給する熱量（熱流）をＱＷ２に調整すればよい。勿論、単位時間当たりの製造枚数を減少させる場合は、上述と逆の考え方を適用して、リフロー炉１に供給する熱量（熱流）を減少させればよい。
【００３９】
或いは、リフロー炉１に供給する熱量（熱流）が一定であり、異なる配線基板３（配線基板３に搭載された電子部品２およびはんだペースト４を含むすべての物体を含む）をリフロー炉１にてはんだ付けする場合、コンベア１５の移動速度ｖを調整すればよい。具体的には図６のグラフに示すように、リフロー炉１に供給する熱量Ｑが一定で、配線基板３の要求する熱量がＱＡである場合、リフロー炉１に供給される供給熱量ＱＷと配線基板３の必要熱量ＱＡとの交点Ｕを見つけ、コンベア１５の移動速度ｖ１とすればよい。そうして、異なる配線基板３が要求する熱量がＱＢである場合、リフロー炉１に供給される供給熱量ＱＷと配線基板３の必要熱量ＱＢとの交点Ｖを見つけ、コンベア１５の移動速度ｖ３とすればよい。
【００４０】
このように本発明の加熱炉の制御方法および制御装置は、被加熱物１を加熱処理するために要する熱エネルギーＫＥ、気体７の流量Ｑおよび加熱温度ΔＴ（処理温度−周囲温度）をパラメータとして［ＫＥ＝Ｑ×ΔＴ］を満足するように制御部２２（熱エネルギー調整部）が制御している。つまり、これら３つのパラメータのうち、いずれか２つが定まれば残りのパラメータは、一義的に定まることになる。よって、制御部２２が、この演算を行うことにより被加熱物１を加熱処理するために最適な熱量を供給することができる。
【００４１】
かくして本発明の加熱炉の制御方法を適用した加熱炉の制御装置は、マスフローコントローラ２０（流量調整部）によってリフロー炉１に送り込まれる気体（例えば、空気や窒素ガス等）９の流量を予め設定された質量流量に調整するとともに、このマスフローコントローラ２０とリフロー炉１との間に介挿されたヒータ１３（気体加熱部）を協働させて、予め設定された温度に気体を加熱・制御する制御部２２（熱エネルギー調整部）を備えているので、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持することができ、リフロー炉１内の配線基板上に塗布されたはんだペーストにはんだ付けに最適な熱エネルギーを与えることができる。したがって、本発明の加熱炉の制御方法を適用した加熱炉の制御装置は、高品質のはんだ付けを行うことができる。
【００４２】
次に本発明の一実施形態に係るリフロー炉の制御装置の変形例を図７に示す図面を参照しながら説明する。この変形例は、マスフローコントローラ２０が制御する質量流量一定制御の変動に応じてヒータ１３の加熱温度を制御する流量追従制御と、温度調節部１０が制御する温度一定制御の変動に応じてマスフローコントローラ２０の流量制御量を調整する温度追従制御をもったリフロー炉の制御装置であって、上述した実施形態と同機能を有する部位には同符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
マスフローコントローラ２０は、配管９を流れる気体７の流量を調整する可動弁２０ａ、この可動弁２０ａを介して流れる気体７の質量流量を検出して質量流量情報を出力する質量流量検出部２０ｂ、流量設定部２１から出される流量指令と質量流量検出部２０ｂが検出した質量流量情報とを比較してその偏差情報を出力する比較部２０ｃおよびこの比較部２０ｃが求めた偏差情報を受けて可動弁２０ａの弁開度を調整し、気体７の質量流量が、流量設定部２１から与えられた流量になるよう調整する弁調節部２０ｄを備えて構成される。
【００４４】
一方、温度コントローラ３０は、リフロー炉１内の温度を一定に維持するべく配管９を流れる気体７を加熱するヒータ１３と、このヒータ１３によって加熱されてリフロー炉１内に送り込まれる熱風の温度を検出する温度検出部（温度センサ）１２、温度設定部１１から出される温度指定と、温度検出部１２が検出した熱風の温度とを比較して、その偏差情報を出力する比較部３１およびこの比較部３１が求めた偏差情報を受けてヒータ１３に通電する電流値を調整して、気体７の温度が温度設定部１１から与えられた温度に調整するヒータ調節部（温度調節部）１０を備えて構成される。
【００４５】
またマスフローコントローラ２０の質量流量検出部２０ｂが検出した質量流量情報は、流量追従制御部４０に与えられる。この流量追従制御部４０は、制御部２２が流量設定部２１に与える流量設定値と比較する比較部４１を備える。この比較部４１は、制御部２２が流量設定部２１に与える流量設定値から質量流量検出部２０ｂが検出した質量流量情報を差し引いた値（流量差分値）を求めて出力される。そして比較部４１から出力された流量差分値は、所定のゲインに増幅して出力するゲイン調整部４２を介して、増幅された流量差分値（流量変化分）に対する設定温度近傍の温度変化を求める微分回路（ｄＴ／ｄＱ）４３に与えられる。この微分回路４３の出力は、制御部２２が温度設定部１１に与える温度指令値と、加算部４４に加えられて温度設定部１１に与えられる。
【００４６】
このように構成することで気体７の質量流量が何らかの要因で変動したとしても、流量追従制御部４０がその変動分を抑えるようにしてヒータ１３の温度を調整する。具体的には、リフロー炉１に流入する気体７の流入量が増加したとき、流量追従制御部４０は、ヒータ１３が調整する気体７の温度を低下させる指令を出力する一方、リフロー炉１に流入する気体７の流入量が減少したとき、ヒータ１３が調整する気体７の温度を上昇させる指令を出力する。したがって、リフロー炉１の周囲温度の変化、リフロー炉１内ではんだ付けする配線基板３の熱負荷が変化した等の理由によってリフロー炉１に流れ込む気体７の流量が変化したとしても、流量追従制御部４０は、この流量変化分に見合う分の温度補正をして温度設定部１１に与えているので、気体７がもつ熱エネルギーを一定に維持することができる。このため本発明に係る加熱炉の制御方法および制御装置は、リフロー炉１内の配線基板３上に塗布されたはんだペーストにはんだ付けに最適な熱エネルギーを与えることができる。
【００４７】
一方、温度コントローラ３０の温度検出部１２が検出した炉内の温度情報は、温度追従制御部５０に与えられる。この温度追従制御部５０は、制御部２２が温度設定部１１に与える温度設定値と比較する比較部５１を備える。この比較部５１は、制御部２２が温度設定部１１に与える温度設定値から温度検出部１２が検出した温度情報を差し引いた値（温度差分値）を求めて出力される。この比較部５１から出力された温度差分値は、所定のゲインに増幅して出力するゲイン調整部５２を介して、増幅された温度差分値（温度変化分）に対する設定流量近傍の流量変化を求める微分回路（ｄＱ／ｄＴ）５３に与えられる。そして微分回路５３の出力は、制御部２２が流量設定部２１に与える流量指令値と加算して出力する加算部５４に加えられて流量設定部２１に与えられる。
【００４８】
このように構成することで、温度コントローラ３０が制御して出力される気体７の温度が何らかの要因で変動したとしても、温度追従制御部５０がその変動分を抑えるようにして気体７の質量流量を調整する。具体的に本発明の加熱炉の制御方法および制御装置は、リフロー炉１の温度が上昇したとき、マスフローコントローラ（流量調整計）２０が調整する気体７の流量を減少させる指令を与える一方、リフロー炉１の温度が低下したとき、気体７の流量を増加させる指令を与えるものとしている。このためリフロー炉１の周囲温度の変化、リフロー炉１内ではんだ付けする配線基板３の熱負荷が変化した等の理由によってリフロー炉１の温度が変化したとしても、気体のもつ熱エネルギーを一定に維持することができる。
【００４９】
したがって本発明の加熱炉の制御方法および制御装置は、リフロー炉１内の配線基板３上に塗布されたはんだペースト４にはんだ付けに最適な熱エネルギーを与えることができ、高品質のはんだ付けが可能となる。
次に、本発明の加熱炉の制御方法を適用した加熱炉の制御装置における第二の実施形態について説明する。この第二の実施形態が前述した実施形態と異なるところは、コンベアを用いず、マウンタによって電子部品２の電極が位置するように載置された配線基板３をリフロー炉１内に載置し、はんだ付け処理を行うもので、少量多品種の生産に適した加熱炉の制御装置とした点にある。
【００５０】
前述したように配線基板３に載置された電子部品２をはんだ付けするには、図９に示すような予熱工程（プレヒート）が必要である。そこで、本発明の加熱炉の制御装置を適用した加熱炉は、リフロー炉１に送り込む気体の流量および温度を、温度プロファイルに合致するように制御部２２が制御することで、はんだ付けに相応しい温度プロファイルを実行することができる。したがって、本発明の加熱炉の制御装置を適用した加熱炉は、少量多品種の配線基板３をはんだ付けする際、温度プロファイルの再設定に要する時間を不要とすると共に、予熱のための加熱炉が不要であり、設置面積を削減することができる等の多大なる効果を奏する。
【００５１】
尚、本発明の加熱炉の制御方法および制御装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、炉内に送り込まれる気体により被加熱物を加熱する加熱炉に適用可能である他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態に係るリフロー炉の制御装置の全体構成を示す概略ブロック図。
【図２】図１に示すリフロー炉にコンベアにて搬送される配線基板を模式的に表した図。
【図３】図１に示すリフロー炉の熱回路を示す等価回路。
【図４】コンベアの搬送速度に対する配線基板が要求する必要熱量とリフロー炉が配線基板に供給できる供給熱量との関係を一例として示すグラフ。
【図５】コンベアの搬送速度を変化させたとき、リフロー炉が配線基板に供給すべき供給熱量の関係を一例として示すグラフ。
【図６】配線基板の状態（表面熱抵抗）を変化させたとき、設定すべきコンベアの移動速度の関係を一例として示すグラフ。
【図７】図１に示すリフロー炉を変形した実施形態に係るリフロー炉の制御装置の全体構成を示す概略ブロック図。
【図８】従来のリフロー炉の制御装置の全体構成を示す概略ブロック図。
【図９】リフロー炉における温度プロファイルの一例を示す図。
【図１０】質量流量センサの概略構成図。
【図１１】図１０の質量流量センサに適用されるヒータ駆動回路と流量検出回路の構成例を示す図。
【符号の説明】
【００５３】
１    リフロー炉
２    電子部品
３    配線基板
４    ペースト
６    ボンベ
７    気体
８    レギュレータ
９    配管
１０  温度調節部
１１  温度設定部
１２  温度検出部
１３  ヒータ
２０  マスフローコントローラ
２１  流量設定部
２２  制御部
３０  温度コントローラ
【図１】
0004766554.tif 000002
【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】
0004766554.tif 000008
【図８】
0004766554.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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