(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板を加熱する加熱ゾーンと、加熱ゾーンに回路基板を搬送する搬送路とを備えたリフロー炉において、加熱ゾーンの後段又は加熱ゾーンの一部に、回路基板を一定ピーク温度に維持又は加熱維持するピーク加熱ゾーンと、一定ピーク温度状態の回路基板を冷却する冷却ゾーンと、ピーク加熱ゾーンと冷却ゾーンの長さの比率を変更するゾーン長比率変更手段とを設け、
前記ゾーン長比率変更手段は、ピーク加熱ゾーンと冷却ゾーンとの境界部分に、回路基板の搬送方向に沿って前後に移動調節可能に配設される仕切り体と仕切り体移動調節機構とを備えたことを特徴とするリフロー炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント配線板（ＰＷＢ）、回路基板等（以下回路基板と総称する）に実装されるコイル、抵抗体、コンデンサ、半導体部品、素子等の電気、電子部品にはんだ付けをするリフロー炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、回路基板に実装されるコイル、抵抗体、半導体部品等の電気、電子部品にはんだ付けをするために、リフロー炉が広く用いられている。
このリフロー炉は、例えば、図８に示すように、はんだ付けを行う回路基板１を加熱する加熱ゾーン２と、加熱ゾーン２に回路基板１を搬送する搬送路３とを備えている。
【０００３】
加熱ゾーン２は、更に予備加熱ゾーン４、中間加熱ゾーン５、６及びリフローゾーン７で形成され、各々独立して温度制御される。予備加熱ゾーン４は搬送路３の上下に配置され、回路基板１を輻射加熱する輻射パネルヒータ８と、上部の輻射パネルヒータ８の外側（上方）に配置され、ヒータ９で加熱された熱風を循環させて、回路基板１を対流加熱する熱風循環器１０とを有する。中間加熱ゾーン５、６はいずれも搬送路３の上方に配置された熱風循環器１０を有する。更にリフローゾーン７は搬送路３の上下に配置された輻射パネルヒータ８と、上部の輻射パネルヒータ８の外側（上方）に配置された熱風循環器１０とを有している。
【０００４】
このリフロー炉により、回路基板１に実装される電気、電子部品にはんだ付けを行う場合には、先ず、搬送路３により、はんだ付けを行う回路基板１を搬送してリフロー炉の左側から加熱ゾーン２内に投入し、該ゾーン内を矢印方向へ搬送させる。次に、加熱ゾーン２における予備加熱ゾーン４で、回路基板１を図９に示すように、常温Ｔａから温度Ｔｂまで予備加熱する。次に、中間加熱ゾーン５、６で温度Ｔｂに保持した後、リフローゾーン７で、温度Ｔｂからはんだの溶融温度である温度Ｔｃまで更に加熱し、前記部品にはんだ付けを行う。
【０００５】
なお、図９において、太線は回路基板に実装された熱容量の小さい部品の接合部（はんだ付け部）における温度プロファイルを示し、細線は熱容量の大きい部品の接合部（はんだ付け部）における温度プロファイルを示し、全体的に熱容量の小さい部品の方が、熱容量の大きい部品よりも接合部の温度が高くなる。そして、リフローゾーン７の出口付近で両部品の接合部の温度がピークに達し、温度プロファイルピーク部でΔＴの温度差を生じる。
【０００６】
ところで、回路基板１に実装される電気、電子部品には、熱容量の大きい部品と熱容量の小さい部品とが混在している場合が多い。このため、各接合部間に温度差が生じる。そこで、はんだ付け不良を防止するため、熱容量の大きい部品に合せて加熱ゾーン２におけるリフローゾーン７の温度を上昇させると、熱容量の小さい部品が過熱して劣化するという問題がある。
【０００７】
更に、最近では、地球環境保護対策として、回路基板１のはんだ付けに多用されていた錫−鉛はんだの使用を差し控える動きが加速している。これに代わる材料としては、錫−銀はんだ、錫−亜鉛はんだの実用化が検討されている。錫−亜鉛はんだは接合強度が弱いため、すぐに実用化される可能性が小さく、現在有力視されているのが錫−銀はんだの方である。
【０００８】
ところが、このはんだは、融点が２１０〜２２０℃程度と従来の錫−鉛共晶はんだの融点１８３℃よりも３０℃程度高い。一方、回路基板上に前記部品のはんだ付けを行う場合、リフロー炉のような連続炉を使用することが多いので、基板上に熱容量の大きい部品と小さな部品が混在していると、各接合部間に更に大きな温度差を生じ易い。即ち、従来の錫−鉛はんだの場合、熱容量の大きい部品の接合部の温度を２００℃程度とすると、熱容量の小さい部品の接合部の温度を２４０℃の温度に抑えることができたのに対して、錫−銀はんだを使用することにより、熱容量の大きい部品の接合部の温度を２３０℃以上に上昇させる必要があるため、熱容量の小さい部品の温度が２７０℃の高温度にまで上昇し、もはや部品自身の耐熱温度を越して、該部品が劣化、破損する恐れがある。
【０００９】
このような問題を解決するために、リフローゾーン７の後段に、特に熱容量の小さい部品の温度プロファイルピーク部の温度を下げて台形状に平坦にする均熱ゾーンを設けることが提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような均熱手段を設けると、熱容量の小さい部品の温度プロファイル（太線）と熱容量の大きい部品の温度プロファイル（細線）の温度プロファイルピーク部における温度差が、均熱ゾーンを備えないリフロー炉では、図１０（イ）に示すようにΔＴ１と大きくなるのに対し、均熱ゾーンを備えたリフロー炉では、図１０（ロ）に示すようにΔＴ２と小さくなる。従って、熱容量の小さい部品が過熱するのを抑えながら熱容量の大きい部品の温度をはんだの溶融温度にまで上昇させてはんだ付けを行うことが期待できる。
【００１１】
しかしながら、回路基板１に実装される部品がアルミ電解コンデンサ等のような部品の場合、ある温度以上、例えば、はんだの溶融温度又はこれに近い温度に加熱される時間が長過ぎると、容量抜け等の重大な欠陥が発生し、部品を劣化、破損させるという問題がある。
このような問題を解決するために、搬送路３の搬送速度を変更して、回路基板の加熱時間を調整する方法も考えられるが、予熱条件まで変わってしまうので、加熱条件の設定が面倒になり好ましくない。
【００１２】
本発明は上記の問題を解決し、回路基板に実装される電気、電子部品として、熱容量の異なる部品や長い時間の加熱に弱い部品が混在する場合でも、これら部品に熱劣化、破損を起こすことなくはんだ付けをすることができるリフロー炉を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明の請求項１に記載されたリフロー炉は、回路基板を加熱する加熱ゾーンと、加熱ゾーンに回路基板を搬送する搬送路とを備えたものにおいて、加熱ゾーンの後段又は加熱ゾーンの一部に、回路基板を一定ピーク温度に維持又は加熱維持するピーク加熱ゾーンと、一定ピーク温度状態の回路基板を冷却する冷却ゾーンと、ピーク加熱ゾーンと冷却ゾーンの長さの比率を変更するゾーン長比率変更手段とを設けてなるものである。
【００１４】
さらに、前記ゾーン長比率変更手段が、ピーク加熱ゾーンと冷却ゾーンとの境界部分に、回路基板の搬送方向に沿って前後に移動調節可能に配設される仕切り体と仕切り体移動調節機構とを備えて構成されるものである。
【００１５】
本発明の請求項１記載のリフロー炉によると、回路基板に実装される電気、電子部品として、熱容量の大きい部品と熱容量の小さい部品とが混在している場合でも、特に熱容量の小さい部品の温度プロファイルピーク部の温度を下げて台形状に平坦にし、熱容量の小さい部品と大きい部品の温度プロファイルピーク部における温度差を小さくして、加熱温度の均熱化を図ることが可能となる。従って、熱容量の小さい部品が過熱するのを抑えながら熱容量の大きい部品の温度をはんだの溶融温度にまで上昇させることが可能で、これら部品に良好なはんだ付けを行うことができる。
【００１６】
また、ピーク加熱ゾーンと冷却ゾーンの長さの比率を変更できるので、特に熱容量の小さい部品における温度プロファイルピーク部（台形状の頭部平坦部）の長さ、即ち、温度ピーク部分の加熱時間を任意に調整することが可能となる。従って、アルミ電解コンデンサ等のようなはんだの溶融温度に近い高温度に長く曝されることにより熱劣化する恐れのある部品に対しても、良好にはんだ付けを施すことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
次に、本発明に係るリフロー炉の第１実施形態について、図１〜６により詳細に説明する。本実施形態のリフロー炉は、回路基板１１に実装されるコイル、抵抗体、コンデンサ、半導体部品、素子等の電気、電子部品にはんだ付けをするために、回路基板１１を加熱する加熱ゾーン１３と、加熱ゾーン１３内へはんだ付けを行う回路基板１１を搬送するコンベヤ及び搬送レール等からなる搬送路１５とを備えている（図１〜３参照）。
【００１８】
加熱ゾーン１３は、予備加熱ゾーン１７、中間加熱ゾーン１９、２１及びリフローゾーン２３からなり、各々独立して温度制御される。
予備加熱ゾーン１７は搬送路１５の上下に配置され、回路基板１１を赤外線加熱方式により輻射加熱する輻射加熱する輻射パネルヒータ２５と、上部の輻射パネルヒータ２５の外側（上方）に配置され、ヒータ２７で加熱された熱風を循環させて、回路基板１１を対流加熱する送風ファン、送風機等からなる熱風循環器２９とを有する。中間加熱ゾーン１９、２１はいずれも搬送路１５の上方に配置された熱風循環器２９を有する。更にリフローゾーン２３は搬送路１５の上下に配置された輻射パネルヒータ２５と、上部の輻射パネルヒータ２５の外側（上方）に配置された熱風循環器２９とを有している。
【００１９】
熱風循環器２９はモータ、チェーン等の駆動源３１からの動力を得て、熱風を加熱ゾーン１３の各ゾーン内に循環するようになっており、熱風循環器２９より吐出された熱風を輻射パネルヒータ２５に設けられた複数の通し穴（図示せず）を通して、搬送路１５に沿って矢印方向に搬送される回路基板１１に供給し、回路基板１１を前記輻射パネルヒータ２５により輻射加熱するほかに、対流加熱するようになっている。
【００２０】
前記加熱ゾーン１３の後段、即ち、そのリフローゾーン２３の後段には、図１、３に示すように、回路基板１１をはんだの溶融温度（一定ピーク温度）に維持し、熱容量の小さな部品の過熱を抑えて、熱容量の小さい部品と大きい部品との温度プロファイルピーク部における温度差を小さくするピーク加熱ゾーン３３と、一定ピーク温度に到達した回路基板１１を冷却する冷却ゾーン３５と、ピーク加熱ゾーン３３と冷却ゾーン３５の長さの比率を変更するゾーン長比率変更手段３７とが設けられている。ピーク加熱ゾーン３３はリフローゾーン２３側に配設され、冷却ゾーン３５はピーク加熱ゾーン３３の後段に隣接させて配設される。また、ピーク加熱ゾーン３３及び冷却ゾーン３５は断熱性を有する仕切り壁３６に遮断され、各々独立して温度制御されるようになっている。
【００２１】
ピーク加熱ゾーン３３は搬送路１５の下方に配置され、回路基板１１を下側から輻射加熱する輻射パネルヒータ２５と、搬送路１５の上方に、前記加熱ゾーン１３の各ゾーンに配置された熱風循環器２９と同じ高さ位置に配置された熱風循環器２９とを有している。この熱風循環器２９も同様にヒータ２７で加熱された熱風を循環させて、回路基板１１を対流加熱するようになっている。
【００２２】
冷却ゾーン３５はピーク加熱ゾーン３３の後段に配置される。この冷却ゾーン３５は、その搬送路１５の上方にピーク加熱ゾーン３３の熱風循環器２９と同じ高さ位置に配置された熱風循環器２９を有している。このゾーン３５ではヒータ２７の温度をピーク加熱ゾーン３３のヒータ２７の温度よりも下げて、ピーク加熱ゾーン３３内を循環する熱風よりも低い温度の熱風を循環させて、ピーク加熱ゾーン３３で一定ピーク温度に到達した回路基板１１を冷却するようになっている。この熱風循環器２９はピーク加熱ゾーン３３内に設けられた熱風循環器と同様に回路基板１１を対流加熱することも可能な構成を備えている。
【００２３】
なお、ピーク加熱ゾーン３３では、該ゾーン３３内の回路基板１１を一定ピーク温度に維持するために必要なければ、搬送路１５の下方に配置した輻射パネルヒータ２５を撤去してもよいし、逆に、そこへ熱風循環器２９を配置して、回路基板１１を上下方向から対流加熱するようにしてもよい。更に、冷却ゾーン３５において、搬送路１５の下方にも熱風循環器２９を配置して回路基板１１を上下方向から冷却するようにしてもよい。
【００２４】
ゾーン長比率変更手段３７は、ピーク加熱ゾーン３３と冷却ゾーン３５との境界部分に、回路基板１１の搬送方向に沿って前後に移動調節可能に配設される仕切り体３９と仕切り体移動調節機構４１とを備えている。
仕切り体３９は、例えば、仕切り板からなり、ピーク加熱ゾーン及び冷却ゾーンに跨って前記仕切り壁３６の下部に設けられたガイド枠４３に沿って前後に移動可能に支持される。
【００２５】
仕切り体移動調節機構４１は、例えば、図４に記載されているように、仕切り体３９の長さ方向（回路基板１１の搬送方向に垂直な方向）の両端に形成され、ガイド枠４３の横長孔４３ａを通して引き出された支持軸３９ａに固定された1対のエンドレスチェーン４５と、仕切り体３９が前後方向へ往復移動する両端位置に設けられて、各エンドレスチェーン４５とかみ合う１対のチェーンホイール４７と、仕切り体３９の長さ方向の両端に設けられたチェーンホイール４７同士を連結する駆動伝動軸４９及び伝動軸５１と、駆動伝動軸４９の一端部に取り付けられて駆動伝動軸４９等を作動させることにより、仕切り体３９を回路基板１１の搬送方向に沿って前後に移動調節するパルス制御型の電動機５３とより構成される。
【００２６】
このリフロー炉を用いて回路基板１１に実装される電気、電子部品にはんだ付けを行う場合には、図１に示すように、搬送路１５により、はんだ付けを行う回路基板１１を搬送して、リフロー炉の左側から加熱ゾーン１３内に投入し、該ゾーン内を矢印方向へ搬送させる。次に、加熱ゾーン１３における予備加熱ゾーン１７で、回路基板１１を図９に示すように、常温Ｔａから温度Ｔｂまで予備加熱する。次に、中間加熱ゾーン１９、２１で温度Ｔｂに保持した後、リフローゾーン２３で、温度Ｔｂからはんだの溶融温度である温度Ｔｃまで更に加熱し、前記部品のはんだ付けを開始する。
【００２７】
引き続いて、この回路基板１１を後段のピーク加熱ゾーン３３及び冷却ゾーン３５内に順次通過させる。そうすると、先ず、ピーク加熱ゾーン３３において、回路基板１１に実装される電気、電子部品のうち、特に熱容量の小さい部品の温度プロファイルが、図５（ロ）、図６（ロ）に示すように、そのピーク部の温度が下がって台形状に平坦となり、一定ピーク温度に維持される。これにより、熱容量の小さい部品と大きい部品の温度プロファイルピーク部における温度差が小さくなり、両部品の加熱温度が均熱化される。このような状態で部品のはんだ付けが行われ、一定ピーク温度状態に所定時間維持された回路基板１１は、冷却ゾーン３５に入って冷却され、はんだ付け作業を終了し、該部品が回路基板１１へ実装される。
【００２８】
特に、回路基板１１に実装される部品として、熱容量の小さい部品が多く混在する場合とか、熱容量のより小さい部品が混在する場合には、図５（イ）に示すように、ピーク加熱ゾーン３３の長さを冷却ゾーン３５の長さよりも長くして、その温度プロファイルを図５（ロ）のように設定する。このようにして、温度プロファイルピーク部（台形状の頭部平坦部）の長さを長くして均熱時間を多くし、熱容量の大きい部品のはんだ付けが終了するまで、これら熱容量の小さい部品が過熱されないようにすることができる。
【００２９】
一方、回路基板１１に実装される部品としては、例えば、アルミ電解コンデンサのように、はんだの溶融温度又はこれに近い高温状態に長く置かれると、容量抜け等の重大な欠陥を生じ易い部品も混在する。このような場合には、図６（イ）に示すように、ピーク加熱ゾーン３３の長さを冷却ゾーン３５の長さよりも短くして、その温度プロファイルを図６（ロ）のように設定する。このようにして、温度プロファイルピーク部（台形状の頭部平坦部）の長さを短くして均熱時間を少なくし、ピーク温度下での加熱時間が過大にならないようにすることができる。
【００３０】
なお、上記のようなピーク加熱ゾーン３３と冷却ゾーン３５の長さの比率を変更することは、前記ゾーン長比率変更手段３７において、前記仕切り体３９を仕切り体移動調節機構４１の電動機５３を正逆転駆動させて、仕切り体３９を図５、６で左右に移動調節することにより行う。仕切り体３９の移動調節はリフロー炉の運転開始前に行うことが理想であるが、必要に応じてリフロー炉運転中に行ってもよい。電動機５３としてパルス制御型のものを用いると、仕切り体３９を所定の位置に迅速且つ正確に移動させることができる。
【００３１】
（実施形態２）
前記実施形態１のリフロー炉では、加熱ゾーン１３の後段にピーク加熱ゾーン３３と冷却ゾーン３５を設ける構成になっているが、加熱ゾーンの一部に、ピーク加熱ゾーン３３と冷却ゾーン３５を設けるようにしてもよい。実施形態２のリフロー炉は、例えば、図７に示すように、実施形態１の加熱ゾーン１３におけるリフローゾーン２３に代わってピーク加熱ゾーン３３と冷却ゾーン３５を設けるようにしたものである。従って、実施形態２の加熱ゾーン５５は予備加熱ゾーン１７、中間加熱ゾーン１９、２１、ピーク加熱ゾーン３３及び冷却ゾーン３５で構成される。この場合、ピーク加熱ゾーン３３はリフローゾーンとしての機能を兼ねるので、回路基板１１をはんだの溶融温度（一定ピーク温度）に加熱維持する機能を有する。その他の構成部品の構成及び機能は実施形態１に示すものと実質的に同じなので、これらの詳細説明を省略する。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るリフロー炉は、加熱ゾーンの後段又は加熱ゾーンの一部に、回路基板を一定ピーク温度に維持又は加熱維持するピーク加熱ゾーンと、一定ピーク温度状態の回路基板を冷却する冷却ゾーンと、ピーク加熱ゾーンと冷却ゾーンの長さの比率を変更するゾーン長比率変更手段とを設けて構成される。
【００３３】
これにより、回路基板に実装される部品に熱容量の大きい部品と熱容量の小さい部品が混在していても、両部品の温度プロファイルピーク部における温度差が小さくなり、加熱温度の均熱化を図ることが可能となる。従って、熱容量の小さい部品が過熱するのを抑えながら熱容量の大きい部品の温度をはんだの溶融温度にまで上昇させることが可能となり、両部品に熱劣化を生じさせずに、良好なはんだ付けを施すことができる。
【００３４】
また、ピーク加熱ゾーンと冷却ゾーンの長さの比率を変更できるようにしたので、特に熱容量の小さい部品における温度プロファイルピーク部（台形状の頭部平坦部）の長さ、即ち、温度ピーク部分の加熱時間を長短任意に調整することが可能となる。このため、アルミ電解コンデンサ等のようなはんだの溶融温度に近い高温度に長く曝されることにより熱劣化する恐れのある部品に対しても、良好にはんだ付けを施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリフロー炉の実施形態１を示す全体構成図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ矢視断面図である。
【図４】実施形態１のリフロー炉において、仕切り体移動調節機構の概要を示すもので、（イ）は平面図、（ロ）は側面図である。
【図５】実施形態１のリフロー炉において、ピーク加熱ゾーンの長さを冷却ゾーンの長さよりも長くした場合を示すもので、（イ）は概要図、（ロ）は熱容量の小さい部品の温度プロファイル図である。
【図６】実施形態１のリフロー炉において、ピーク加熱ゾーンの長さを冷却ゾーンの長さよりも短くした場合を示すもので、（イ）は概要図、（ロ）は熱容量の小さい部品の温度プロファイル図である。
【図７】本発明に係るリフロー炉の実施形態２を示す全体構成図である。
【図８】従来のリフロー炉の全体構成図である。
【図９】従来のリフロー炉の加熱ゾーンにおける部品の接合部の温度プロファイルを示す図である。
【図１０】従来のリフロー炉のリフローゾーン内における部品の各接合部の温度プロファイルを示すもので、（イ）は均熱ゾーンを備えないリフロー炉の温度プロファイル図、（ロ）は均熱ゾーンを備えたリフロー炉の温度プロファイル図である。
【符号の説明】
１１    回路基板
１３    加熱ゾーン
１５    搬送路
１７    予備加熱ゾーン
１９    中間加熱ゾーン
２１    中間加熱ゾーン
２３    リフローゾーン
２５    輻射パネルヒータ
２７    ヒータ
２９    熱風循環器
３１    駆動源
３３    ピーク加熱ゾーン
３５    冷却ゾーン
３６    仕切り壁
３７    ゾーン長比率変更手段
３９    仕切り体
３９ａ  支持軸
４１    仕切り体移動調節機構
４３    ガイド枠
４３ａ  横長孔
４５    エンドレスチェーン
４７    チェーンホイール
４９    駆動伝動軸
５１    伝動軸
５３    パルス制御型電動機
５５    加熱ゾーン
【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】
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【図９】
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【図１０】
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