(57)【要約】【課題】リフロー半田付け装置において炉内の窒素ガス中の酸素濃度を所望の値に維持できる炉内雰囲気管理方法及びそれを実現するリフロー半田付け装置を提供する。【解決手段】窒素ガスが供給されている炉１内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置は、窒素ガスを炉１内に供給可能な窒素ガス供給手段８〜２３、２６と、炉１内の酸素濃度を検出する手段２４と、この検出手段２４によって検出された炉１内の酸素濃度に応じて、前記窒素ガス供給手段８〜２３、２６から供給される窒素ガスの酸素濃度を制御する制御手段２５，２６とを備えてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、炉内の酸素濃度に応じて、炉内に供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されることを特徴とするリフロー半田付け装置の炉内雰囲気管理方法。
【請求項２】
窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、炉内の酸素濃度に応じて、炉内に供給される窒素ガスの窒素濃度が自動調整されることを特徴とするリフロー半田付け装置の炉内雰囲気管理方法。
【請求項３】
窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、窒素ガスを炉内に供給可能な窒素ガス供給手段と、炉内の酸素濃度を検出する手段と、この検出手段によって検出された炉内の酸素濃度に応じて、前記窒素ガス供給手段から供給される窒素ガスの酸素濃度を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とするリフロー半田付け装置。
【請求項４】
窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、窒素ガスを炉内に供給可能な窒素ガス供給手段と、炉内の酸素濃度を検出する手段と、この検出手段によって検出された炉内の酸素濃度に応じて、前記窒素ガス供給手段から供給される窒素ガスの窒素濃度を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とするリフロー半田付け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、炉内雰囲気の酸素濃度を一定に管理するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リフロー半田付け装置は、電子部品を搭載したプリント基板をコンベヤで搬送しながら、炉内の高温雰囲気中で基板上のクリーム半田を加熱溶融してリフロー半田付けを行う。この際、炉内が空気で満たされていると、酸素によってクリーム半田が酸化し、半田付け部の品質が低下するため、現在では、炉内に窒素ガスを供給してリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置が一般に使用されている。
【０００３】
一方、炉内の窒素ガス中の酸素濃度に変動があると、半田付け部の品質が一定に維持されないため、炉内の酸素濃度を所望の低酸素濃度に維持するように炉内雰囲気を管理している（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３−１０１２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の技術は、炉内に低酸素濃度（例えば５０〜３０ｐｐｍ）の窒素ガスを連続的に供給し、炉内の酸素濃度が不必要な低酸素濃度となったとき、空気（酸素）を補充するもので、効率のよい制御方式とは言えない。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、上記のような無駄をなくし、リフロー半田付け装置において炉内の窒素ガス中の酸素濃度を所望の値に維持できる炉内雰囲気管理方法及びそれを実現するリフロー半田付け装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明のリフロー半田付け装置の炉内雰囲気管理方法は、窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、炉内の酸素濃度に応じて、炉内に供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のリフロー半田付け装置は、窒素ガスが供給されている炉内でリフロー半田付けを行うリフロー半田付け装置において、窒素ガスを炉内に供給可能な窒素ガス供給手段と、炉内の酸素濃度を検出する手段と、この検出手段によって検出された炉内の酸素濃度に応じて、前記窒素ガス供給手段から供給される窒素ガスの酸素濃度を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００８】
なお、上記において、炉内に供給される窒素ガスが空気から分離して生成される場合は、窒素ガスの酸素濃度を制御する代わりに、窒素ガスの窒素濃度を制御しても実質的に同じである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は以上の構成を有しているため、炉内雰囲気中の酸素濃度の増加・減少に応じて、炉内に供給される窒素ガスの酸素濃度が減少・増加され、炉内雰囲気が常に所定の酸素濃度に管理される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい一実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１１】
リフロー半田付け装置は、図１に示されているように、炉１内に、３個の予熱室２と、１個のリフロー室３と、１個の冷却室４とをコンベヤ５の搬送方向に沿って順に有している。６は送風機、７はヒータである。窒素ガス供給管８の供給口が炉１の壁面を貫通して炉１内に臨んでおり、窒素ガス供給管８を通じて窒素ガス供給システム９から一定量の窒素ガスが炉１内に連続的に供給されるようにされている。
【００１２】
本発明の方法を実施するための窒素ガス供給システム９は、原料ガスから窒素ガスを分離して窒素ガスを生成するＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式の窒素ガス生成方式を採用しており、吸着剤として分子篩炭（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｓｅｉｖｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ）を用いている。分子篩炭は窒素と酸素の吸着速度差が異なり、加圧下において酸素を優先的に吸着し、空気から窒素を分離できる。吸着した酸素は減圧すると脱着でき、分子篩炭を再生できる。
【００１３】
窒素ガス供給システム９は、図２に示されているように、分子篩炭を充填した２基の吸着槽１０，１１を備え、この２基の吸着槽１０，１１が、それぞれ高圧吸着工程・低圧脱着（再生）工程を交互に繰り返すことにより、連続的に空気から窒素を分離し、窒素ガスを供給する。以下、図２〜図６に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図２において、１２は圧縮空気を供給するインバータ式の圧縮機、１３はインバータ、１４，１５はエアー供給弁、１６，１７は排気弁、１８，１９は製品供給弁、２０，２１は均圧弁、２２は製品排出弁であり、いずれの弁１４〜２２も電磁弁で構成されている。２３は、窒素ガスを貯蔵する製品窒素ガスの貯槽である。２４は、炉１内雰囲気の酸素濃度を検出するための酸素濃度計であり、酸素濃度計２４の検出端２４ａが炉１内に挿入されている。酸素濃度計２４の出力端はＰＩＤコントローラ２５に接続されており、酸素濃度計２４で検出された酸素濃度の値はコントローラ２５に入力される。コントローラ２５は、酸素濃度計２４の検出値と炉１内雰囲気の設定酸素濃度の値との偏差に基づいてインバータ１３の周波数を制御して圧縮機１２の回転数をコントロールする。また、酸素濃度計２４の検出値と設定酸素濃度の値がコントローラ２５を通じてシーケンサ（ＰＬＣ）２６に入力される。シーケンサ２６は、各弁１４〜２２の開閉を制御し、例えば、酸素濃度計２４の検出値と炉１内雰囲気の設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期を自動調整する。
【００１５】
以下、上記窒素ガス供給システム９の作用を説明する。
【００１６】
ＰＳＡ方式の本システム９は、圧縮機１２により加圧された空気が２基の吸着槽１０，１１に交互に選択的に送り込まれ、加圧空気が送り込まれた吸着槽で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽２３に送られる。すなわち、一方の吸着槽１０が吸着工程、他方の吸着槽１１が脱着工程にあるとき、弁１４〜２２は次の状態にある。エアー供給弁１４、排気弁１７、及び製品供給弁１８は開、エアー供給弁１５、排気弁１６、製品供給弁１９、及び均圧弁２０，２１は閉の状態にある。この状態で、圧縮機１２によって加圧された空気は一方の吸着槽１０に送り込まれ、その加圧空気は一方の吸着槽１０内で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽２３に送られる。一方、他方の吸着槽１１では、前の吸着工程で吸着された酸素が脱着され、排気される。
【００１７】
上記の吸着工程と脱着工程が所定時間行われると、次に、一方の吸着槽１０が脱着工程、他方の吸着槽１１が吸着工程に切り替わる。すなわち、エアー供給弁１５、排気弁１６、及び製品供給弁１９は開、エアー供給弁１４、排気弁１７、製品供給弁１８、及び均圧弁２０，２１は閉の状態になり、この状態で、圧縮機１２によって加圧された空気は他方の吸着槽１１に送り込まれ、その加圧空気は他方の吸着槽１１内で酸素が吸着除去され、窒素ガスが製品貯槽２３に送られる。そして、一方の吸着槽１０では、前の吸着工程で吸着された酸素が脱着され、排気される。
【００１８】
なお、均圧弁２０，２１は吸着工程から脱着工程に切り替わる途中で、開になり、２基の吸着槽１０，１１を均圧化する。すなわち、吸着工程終了時、弁１４〜１９が一旦、全て閉になり、均圧弁２０，２１が開になる。均圧工程終了後、上記脱着工程に移る。
【００１９】
このように、弁１４〜１９を開閉させることにより、一方の吸着槽１０が吸着時は、他方の吸着槽１１は脱着を行い、次のサイクルで、一方の吸着槽１０は脱着、他方の吸着槽１１は吸着を行うよう構成されている。これらが所定の切り替え周期で繰り返されて窒素ガスが連続的に生成される。上記吸着・脱着工程を切り替える弁１４〜１９及び均圧弁２０，２１の開閉制御はシーケンサ２６により行われている。なお、製品排出弁２２は、装置運転後所定時間が経過した後、シーケンサ２６により開になるようにされている。
【００２０】
上記ＰＳＡ方式の窒素ガス供給システム９において、分子篩炭は窒素と酸素の吸着速度差が吸着時間によって変化するので、吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期を変化させれば、生成する窒素ガスの酸素濃度は変化する（図４参照）。
【００２１】
また、上記ＰＳＡ方式の窒素ガス供給システム９において、加圧空気の圧力すなわち加圧空気の供給量例えば圧縮機１２の回転数が変化することによっても、生成する窒素ガスの酸素濃度は変化する（図６参照）。
【００２２】
本実施形態の窒素ガス供給システム９は、吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期、すなわちエアー供給弁１４，１５、排気弁１６，１７、及び製品供給弁１８，１９の開閉をシーケンサ２６で自動調整し、更に、圧縮機１２の回転数すなわちインバータ１３の周波数をコントローラ２５で制御することによって、異なる酸素濃度の窒素ガスが生成されるように構成されている。
【００２３】
以下、炉１内雰囲気の設定酸素濃度が５００ｐｐｍの場合を例にとって説明する。
【００２４】
シーケンサ２６による吸着槽１０，１１における吸着・脱着の切り替え周期の自動調整を図３に示すフローチャートに基づいて説明する。図３に示されているように、最初は、吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期がシーケンサ２６に初期値として入力されている時間に設定される。この切り替え周期の初期値は、炉１内雰囲気の設定酸素濃度よりも低い酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期であればよいが、低酸素濃度の窒素ガスができるだけ多量に生成されるよう設定するのが好ましい。したがって、酸素濃度が０ｐｐｍ又はそれにより近い酸素濃度で、切り替え周期は最短時間に設定するのが好ましい。本実施形態では、図４に示す周波数及び切り替え周期と酸素濃度との関係を示す試験データから、３５秒（周波数が５０Ｈｚで酸素濃度０ｐｐｍ）に設定してある。
【００２５】
圧縮機１２から２基の吸着槽１０，１１に交互に選択的に送り込まれた加圧空気は、３５秒の切り替え周期で、吸着・脱着が繰り返され、酸素が吸着除去されて生成された窒素ガスが製品貯槽２３に送られる。
【００２６】
炉１内雰囲気の酸素濃度が酸素濃度計２４で検出され、その検出値とコントローラ２５に入力された設定酸素濃度の値（５００ｐｐｍ）がシリアル通信によってシーケンサ２６に入力される。シーケンサ２６は、検出値＜（設定値＋一定値）を判断し、これを満足しない場合は、上記３５秒の切り替え周期で運転が続行される。なお、上記の一定値は任意の値でよく、本実施形態では３００ｐｐｍに設定してある。
【００２７】
上記の切り替え周期での運転により、炉１内雰囲気の酸素濃度は低下してくる。そして、検出値＜（設定値＋一定値）を満足することがシーケンサ２６によって判断されると、シーケンサ２６は吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期を設定酸素濃度に応じた切り替え周期に変更する。この切り替え周期は、次のようにして決定されている。すなわち、図４に示されているように、インバータ周波数（すなわち圧縮機１２の回転数）が相異すれば、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度の値は相異している。そして、最小の酸素濃度の値が高くなるほど周波数は低くなっている。したがって、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度が設定酸素濃度となる周波数によれば、最小の消費電力で設定酸素濃度の窒素ガスを得ることができる。したがって、この周波数で圧縮機１２が運転されたときに設定酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期が選択される。すなわち、生成される窒素ガスの最小の酸素濃度が設定酸素濃度となる周波数で設定酸素濃度の窒素ガスを生成できる切り替え周期が選択される。これにより、圧縮機１２の消費電力を最小限にできる。
【００２８】
図４及び図５により説明すると、生成される窒素ガスにおいて設定酸素濃度５００ｐｐｍが酸素濃度の最小値となるのは、周波数が３２Ｈｚのときである。この周波数で圧縮機１２を運転すれば、低消費電力で設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）の窒素ガスを生成できる。したがって、この周波数の下で酸素濃度が設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）になる切り替え周期、すなわち６０秒が選択される。したがって、検出値＜（設定値＋一定値）が満足されると、吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期は、シーケンサ２６によって６０秒に変更され、以後、この切り替え周期で運転が続行される。
【００２９】
このように、吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期は、シーケンサ２６によって、最初は初期値に設定され、炉１内雰囲気の酸素濃度が設定酸素濃度に近づくと、設定酸素濃度に応じた切り替え周期に変更され、以後、この切り替え周期で運転される。
【００３０】
一方、上記吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期の下で、炉１内の酸素濃度が設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）になるように、酸素濃度計２４による検出値と設定酸素濃度の値との偏差に応じて、インバータ１３の周波数がコントローラ２５によって自動調整されて圧縮機１２の回転数が制御され、吸着槽１０，１１へ送り込まれる加圧空気の供給量が調整されて、炉１内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整される。
【００３１】
以上のようにして、吸着槽１０，１１の吸着・脱着の切り替え周期が、酸素濃度の検出値に応じてシーケンサ２６により適切に自動調整されるとともに、圧縮機１２の回転数が酸素濃度の検出値に応じてコントローラ２５により制御され、炉１内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉１内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整される。
【００３２】
以下、本発明の作用を説明する。
【００３３】
炉１内の窒素ガス雰囲気は、上述のようにして、窒素ガス供給システム９によって酸素濃度が設定酸素濃度例えば５００ｐｐｍにされている。電子部品を搭載したプリント基板２７は、コンベヤ５によって炉１内を基板搬入口１ａから基板搬出口１ｂへ搬送されながら、プリント基板２７上のクリーム半田が、加熱された窒素ガス雰囲気中で予熱室２で予熱され、リフロー室３で加熱溶融され、冷却室４で溶融半田が冷却固化されて、電子部品が基板上に半田付けされる。
【００３４】
そして、設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）よりも高い酸素濃度が酸素濃度計２４によって検出されると、酸素濃度の検出値に応じて酸素濃度を低くした窒素ガスが窒素ガス供給システム９によって炉１内に供給され、炉１内は酸素濃度が常に５００ｐｐｍになるようにされる。また、設定酸素濃度（５００ｐｐｍ）よりも低い酸素濃度が酸素濃度計２４によって検出されると、酸素濃度の検出値に応じて酸素濃度を高くした窒素ガスが窒素ガス供給システム９によって炉１内に供給され、炉１内は酸素濃度が常に５００ｐｐｍになるようにされる。このように、炉１内の酸素濃度が設定酸素濃度に対して増加・減少した場合、窒素ガス供給システム９から供給される窒素ガスの酸素濃度が減少・増加され、炉１内は常に設定酸素濃度になるように管理される。
【００３５】
なお、本発明で使用するＰＳＡ方式の窒素ガス供給システムは、炉内の酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期と原料ガスの供給量を調整して、炉内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されるように構成しているが、酸素濃度の調整を次のように行うことも可能である。すなわち、炉内の酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、吸着槽の吸着・脱着の切り替え周期を調整して、炉内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されるように構成することもできる。あるいは、炉内の酸素濃度を酸素濃度計で検出した値と、設定酸素濃度の値との偏差に基づいて、原料ガスの供給量を調整して、炉内の酸素濃度が設定酸素濃度になるよう炉内へ供給される窒素ガスの酸素濃度が自動調整されるように構成することもできる。
【００３６】
また、上記実施形態では、コントローラ２５はＰＩＤ制御のコントローラを用いたが、他の制御方式のコントローラでも勿論よい。また、圧縮機の回転数を制御したが、原料ガスの供給量を制御できれば他の方式でもよい。また、本発明は上述のような閉ループ制御によって炉内の酸素濃度を管理したが、炉内の酸素濃度は、上記本発明のような閉ループ制御の他に、予め、決められた手順に従って圧縮機の回転数や吸着槽の吸着・脱着の切り換え周期を変更するシーケンス制御による開ループ制御を採用して管理することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のリフロー半田付け装置を示す断面図である。
【図２】ＰＳＡ方式の窒素ガス供給システムの構成例を示す図である。
【図３】シーケンサによる吸着・脱着の切り替え周期の自動調整を示すフローチャートである。
【図４】周波数及び切り替え周期と酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図５】図４の一部分の拡大図である。
【図６】切り替え周期が３０秒の下でのインバータ周波数と酸素濃度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１・・炉、１ａ・・基板搬入口、１ｂ・・基板搬出口、２・・予熱室、３・・リフロー室、４・・冷却室、５・・コンベヤ、６・・送風機、７・・ヒータ、８・・窒素ガス供給管、９・・窒素ガス供給システム、１０，１１・・吸着槽、１２・・圧縮機、１３・・インバータ、１４，１５・・エアー供給弁、１６，１７・・排気弁、１８，１９・・製品供給弁、２０，２１・・均圧弁、２２・・製品排出弁、２３・・製品貯槽、２４・・酸素濃度計、２４ａ・・検出端、２５・・コントローラ、２６・・シーケンサ、２７・・電子部品を搭載したプリント基板。
【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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