JP2008130587A - リフロー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーはんだのように溶融温度が比較的高いはんだをリフローはんだ付けする場合であっても、基板上の温度分布のバラツキを低減することができ、さらに、基板や実装部品への熱的な負荷を低減する。
【解決手段】リフロー装置１０は、実装部品６０が配置された基板２０を搬送する搬送手段２２と、基板２０に予備加熱を施した後、リフローはんだ付けを行う加熱部１４と、リフローはんだ付けが施された基板２０を冷却する冷却部１６とを有する。搬送手段２２には、基板２０が載置される載置面３４ａに樹脂シート３６が敷設されたワーク載置部３４が備えられる。また、加熱部１４には、ワーク載置部３４の下部を加熱する加熱プレート部３８が備えられ、冷却部１６には、ワーク載置部３４の下部を冷却する冷却プレート部５０が備えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、部品を実装した基板にリフローはんだ付けを施すリフロー装置に関する。

近年、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）が開発され、使われ始めている。このような鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（スズ・銀・銅）系、Ｓｎ−Ｃｕ（スズ・銅）系、Ｓｎ−Ｚｎ（スズ・亜鉛）系の３種類の合金が多く使用されている。特に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系は、接合強度が高く、信頼性にも優れるため現在の主流となっている。

しかしながら、鉛フリーはんだの融点は約２２０℃であり、従来のスズと鉛の合金からなるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点（１８３℃）に比べて相当に高く、例えば、一般的な実装部品の耐熱温度（はんだ付け温度）を２４０℃とすると、はんだ付け時に許容される温度範囲は非常に狭いものとなる。従って、基板に実装された部品の信頼性を確保するためには、はんだ付け時の温度の上がりすぎを防止して、実装部品の熱的なダメージを軽減する必要がある。さらに、はんだ付け時の温度が上がりすぎた場合には、基板自体が変形し、結局、はんだの接合不良を引き起こす可能性があり、その温度管理には注意が必要となる。

一般に、電子機器の基板と、表面実装型の実装部品とをはんだ付けする際には、赤外線や熱風による加熱を行うリフロー装置を使用するリフロー方式が広く用いられている。このようなリフロー方式では、基板上の部品を実装する箇所に、予め鉛フリーはんだをペースト状に印刷しておき、その上に自動実装機（チップマウンタ）で部品を載置した後、リフロー装置（加熱炉）により基板ごと加熱し、はんだを溶かすことではんだ付けを行っている。

ところで、上記リフロー方式では、例えば、熱容量の異なる実装部品や基板材料を一括してリフローする場合、基板上の温度分布を均一化し、各実装部品及びはんだ付け部のピーク温度のバラツキを可能な限り小さくする必要がある。

そこで、特許文献１には、リフロー装置に、予備加熱部とリフロー部と冷却部とを設け、これらに基板を搬送する際、予備加熱部内の搬送速度と、リフロー部内の搬送速度と、冷却部内の搬送速度とを相違させることにより、溶融温度の高い鉛フリーはんだであっても、寸法や熱容量が異なる部品や耐熱性が劣る部品を載置した基板をリフローさせることが記載されている。

特開２０００−１８３５１１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、アルミニウム基板等の金属基板をリフローする場合、金属部（アルミニウム）の熱容量の大きさの影響によって、基板上の温度分布を均一化することが困難であると共に、リフロー後の急速な冷却が困難である。従って、結果として、前記金属部からの熱により、基板や実装部品へと熱的な負荷（ダメージ）が与えられる可能性がある。

本発明は上記課題を考慮してなされたものであり、鉛フリーはんだのように溶融温度が比較的高いはんだをリフローはんだ付けする場合であっても、基板上の温度分布のバラツキを低減することができ、さらに、基板や実装部品への熱的な負荷を低減することができるリフロー装置を提供することを目的とする。

本発明に係るリフロー装置は、電気部品が配置された基板を搬送する搬送手段と、前記基板に予備加熱を施した後、前記電気部品のリフローはんだ付けを行う加熱部と、前記リフローはんだ付けが施された基板を冷却する冷却部とを有するリフロー装置であって、前記搬送手段には、前記基板が載置される載置面が樹脂製材料により構成されるワーク載置部が備えられ、前記加熱部には、前記ワーク載置部の下部を加熱する加熱プレート部が備えられ、前記冷却部には、前記ワーク載置部の下部を冷却する冷却プレート部が備えられていることを特徴とする。

このような構成によれば、前記加熱プレート部からの熱が、リフローはんだ付けがなされる基板の下部から樹脂製材料により構成される載置面を介して該基板へと伝導される。同様に、前記載置面を介して、基板からの熱が冷却プレート部へと伝導される。この場合、前記基板は樹脂製材料に接触されているため載置面との密着性が高く、熱伝導性が向上する。このため、例えば、前記基板として熱容量の大きな金属基板を用いた場合であっても、基板の温度をリフロー装置の温度プロファイルに迅速に追従させることができ、基板に実装される部品への熱的な負荷による破損を防止すると共に、サイクルタイムを短縮することができる。

この場合、前記樹脂製材料は、連続使用温度が２５０℃以上であると、例えば、融点の高い鉛フリーはんだをリフローはんだ付けする場合であっても好適に用いることができるため好ましい。また、前記樹脂製材料がフッ素樹脂であると、耐熱性が高く、しかも磨耗が少ないため一層好適である。

また、前記ワーク載置部に載置される前記基板を支持するワーク治具を有し、前記ワーク治具は、前記載置面と前記基板の間に配置される治具プレート部と、前記治具プレート部の基板側の面に設けられ、前記基板を前記治具プレート部から所定の高さ位置で且つ３つの支持面で支持する基板支持部とを備えると、該基板支持部による３点支持により、前記加熱プレート部から基板への熱伝導を適切に設定することができる。このため、基板の過熱を抑制することができると共に、過熱のバラツキを低減することができ、安定したリフローはんだ付けを行うことが可能となる。

この場合、前記治具プレート部及び前記基板支持部をチタンを含む金属で形成することにより、治具プレート部や基板支持部の反りや捩じれを有効に防止することができるようになり、製造ロットごとの基板への熱伝導を一層均一化させることができると共に、該治具プレート部等の耐久性を向上させることができる。

さらに、１個当りの前記支持面の面積を、前記支持面が当接する前記基板の面積に対して、０．２８〜０．８３％とし、前記基板支持部の高さを、前記治具プレート部と前記基板の間を０．０８〜０．１２ｍｍと設定すると、基板支持部を介した前記加熱プレート部から基板への熱伝導を一層均一化させることができる。このため、基板上の温度差を一層低減することができるため、温度プロファイルを簡単に設定することが可能となる。

本発明によれば、リフロー装置に備えられる加熱プレート部からの熱が、リフローはんだ付けがなされる基板の下部から樹脂製材料により構成される載置面を介して該基板へと伝導される。同様に、前記載置面を介して、基板からの熱が冷却プレート部へと伝導される。従って、例えば、前記基板として熱容量の大きな金属基板を用いた場合であっても、基板の温度をリフロー装置の温度プロファイルに迅速に追従させることができ、基板に実装される部品への熱的な負荷による破損を防止すると共に、サイクルタイムを短縮することができる。

以下、本発明に係るリフロー装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るリフロー装置１０の構成を示す概略側面図である。図２は、図１に示すリフロー装置１０の搬送手段２２を示す概略平面図である。

リフロー装置１０は、搬入部１２、加熱部（リフロー部）１４、冷却部１６及び搬出部１８が順に配設され、部品が配置され且つはんだ（鉛フリーはんだ）が印刷された基板（部品実装基板）２０を搬送しながら加熱部１４にて前記部品のリフローはんだ付けを行い、冷却部１６で冷却する装置である。なお、本実施形態のリフロー装置１０において、前記基板２０は、ワーク治具１９で支持された状態（以下、ワークＷともいう）で上記各部を搬送される。

このようなリフロー装置１０は、搬送手段２２を構成するベルトコンベア２１が、搬入部１２から加熱部１４を通過して冷却部１６まで架け渡されており、これらの間でワークＷ（ワーク治具１９で支持された基板２０）を連続して搬送することができる。さらに、冷却部１６の下流側には、前記搬出部１８を構成する回転ローラ部２４が、その上面位置が前記ベルトコンベア２１と略面一となるように配設される。

また、リフロー装置１０は、搬入部１２、加熱部１４、冷却部１６、搬出部１８及び搬送手段２２等の駆動を制御する制御部（制御盤）２６を有する。該制御部２６には、操作者がリフロー装置１０の運転や各種条件設定等を行うために、例えば、タッチパネル式に構成される操作部２８が設けられる。

前記搬送手段２２は、装置本体３０の上部に形成された開口３０ａを臨むベルトコンベア２１と、該ベルトコンベア２１を循環駆動するローラ駆動部３２ａ、３２ｂとから構成される。前記ローラ駆動部３２ａ、３２ｂの一方側には、例えば、ＡＣサーボモータから構成される駆動源（図示せず）が設けられる。これにより、ベルトコンベア２１は、所定速度（例えば、１ｍｍ／ｓ〜１０ｍｍ／ｓ）で所定時間、高精度に駆動可能である。

ベルトコンベア２１は、上記のように搬入部１２から冷却部１６までの間に架け渡され、加熱部１４内に位置する部分以外は外部に露呈しており、搬送するワークＷの搬入、搬出等が容易である。該ベルトコンベア２１は、加熱部１４内を通過するため十分な耐熱性を持った材質、例えば、ステンレス鋼により構成される。該ステンレス鋼は、防錆等の観点からも有効である。

また、このようなベルトコンベア２１において、ワークＷが載置される上面部であるワーク載置部３４には樹脂シート３６が敷設された載置面３４ａが設けられる。本実施形態の場合、ワーク治具１９の底面は金属（例えば、チタン）であり、該金属製のワーク治具１９と、同じく金属製（例えば、ステンレス鋼）のベルトコンベア２１とを接触させた場合には、見かけ上は面接触であっても、微視的には点接触となってしまうことが考えられる。そこで、樹脂製材料から構成される樹脂シート３６を設けることにより、ワーク治具１９の底面とワーク載置部３４との密着性を高め、これにより、ワーク載置部３４とワークＷとの間の熱伝導性を向上させている。

前記樹脂シート３６は、加熱部１４の通過を考慮して十分な耐熱性（例えば、連続使用温度で２５０℃以上）が必要であり、また、前記熱伝導性を考慮して適度な薄さ（例えば、厚さ０．２４ｍｍ程度）とすることが好ましい。

このような樹脂シート３６としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素樹脂材料を好適に用いることができるが、連続使用温度が所定の温度（例えば、２５０℃）以上の樹脂製材料であれば適用可能である。なお、前記ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂材料は、連続使用温度が２６０℃であり、耐熱性が非常に高い上に難燃性であり、しかも弾性を有し、磨耗や摩擦係数が非常に小さいため特に好適である。また、樹脂シート３６の厚さは、例えば、０．２４ｍｍ程度で比較的薄く形成され、適度な弾性を有するため、ローラ駆動部３２ａ、３２ｂでも亀裂や脱落を生じることなくロール可能である。

なお、樹脂シート３６はベルトコンベア２１のワーク載置部３４に着脱自在に敷設されることにより、経年劣化等で交換が必要となった場合には容易に交換することができる。

前記搬入部１２は、装置本体３０の開口３０ａから外部に露出した前記載置面３４ａ（樹脂シート３６）に、ワークＷ（ワーク治具１９で支持された基板２０）を載置する部分であり、搬送手段２２の最も上流側に位置している。

前記加熱部１４は、搬入部１２の下流側に設けられ、ベルトコンベア２１の往路と復路の間に配設されてワークＷを下部から加熱する加熱プレート部３８と、該加熱プレート部３８とベルトコンベア２１を挟んで対向配置されてワークＷを上部から加熱する赤外線ヒータ４０とを備える。該赤外線ヒータ４０には温風ファン４２が近接配置される。前記加熱プレート部３８には、例えば、ヒータ３８ａが収納される（図４参照）。前記赤外線ヒータ４０及び温風ファン４２は、装置本体３０の上方に設けられる装置上部カバー４４の内側に配置されており、ベルトコンベア２１が前記装置上部カバー４４の下方をトンネル状に通過する。

前記赤外線ヒータ４０、温風ファン４２及び加熱プレート部３８は、ワークＷの搬送方向に各６個ずつ並設され、例えば、最高３００℃までの温度調整を、デジタル温調計により６ゾーン分割でＰＩＤ制御している。このため、ワークＷへの予備加熱工程や本加熱工程等を容易に且つ柔軟に設定することができる。

このように、加熱部１４では、ベルトコンベア２１によって通過するワークＷを、上部からは赤外線ヒータ４０及び温風ファン４２により輻射加熱し、下部からは加熱プレート部３８により直接（伝導）加熱することにより、ワークＷを上下から挟むようにして十分に且つ迅速に加熱することができる。これにより、基板２０での温度分布のバラツキを小さくすることができ、基板に実装される実装部品６０への熱的な負荷（ダメージ）を抑えることができる。この際、ワークＷを下部から加熱する加熱プレート部３８の熱は、ワーク載置部３４から樹脂シート３６を介してワークＷへと伝えられる。

なお、赤外線ヒータ４０や加熱プレート部３８の設置数を増加させて、より細かなゾーン分割を行うと、リフロー装置１０内の温度を一層細かく多段階に制御できるため、基板２０での温度のバラツキを一層低減することができる。

このような加熱部１４における過剰な温度上昇（過熱）防止のため、リフロー装置１０では、図示しないサーモスタット等による温度管理も実施される。

前記冷却部１６は、加熱部１４にて加熱されリフローはんだ付けが施された基板２０を含むワークＷを冷却する部分である。該冷却部１６は、冷却水を循環することによりワークＷを下部から直接（伝導）冷却する水冷部４６と、ワークＷを上部から冷却する冷却ファン４８とから構成される。なお、冷却ファン４８は、必ずしも設置する必要はなく、適宜設置すればよい。

前記水冷部４６は、ベルトコンベア２１の往路と復路の間に配設されてワークＷを冷却する冷却プレート部５０と、該冷却プレート部５０でワークＷを冷却することにより昇温された冷却水が循環路５２を介して導入される冷却器５４とを備える。前記冷却プレート部５０は、例えば、循環路５２に接続された図示しない配管が蛇行形状に配設された熱交換器として構成される。前記冷却器５４は、前記昇温された冷却水を冷却すると共に、循環路５２へと再循環させる装置であり、冷却ポンプ５６や冷却ファン（図示せず）等が配設される。なお、冷却器５４においても、例えば、循環路５２に接続された図示しない配管を蛇行形状に配設し、前記冷却ファン等を用いて冷却してもよい。

このような冷却部１６では、循環される冷却水の温度は、例えば、５℃〜３５℃に設定される。また、前記冷却プレート部５０の温度は、測温抵抗体等にて検出され、冷却器５４にフィードバックされることで温度管理が行われる。

前記搬出部１８は、ベルトコンベア２１の下流側の端部から連続して配置され、ベルトコンベア２１で搬送されたワークＷが回転ローラ部２４上へと滑るようにして移動すると、該回転ローラ部２４上で滑らかに停止する。このため、作業者又は所定のロボット（自動機）は、リフローはんだ付けが完了し、所定温度（例えば、６０℃）まで冷却されたワークＷを容易に搬出することができる。なお、搬出部１８の上部には、冷却ファン５７が設置されており、冷却部１６で冷却されたワークＷを一層十分に冷却することができるため、搬出作業を一層迅速に行うことができる。

次に、ワークＷについて、図３及び図４を参照して説明する。図３は、ワークＷを構成するワーク治具１９及び基板２０を分解した概略断面側面図である。図４は、図２中の線ＩＶ−ＩＶにおける一部省略断面図であり、搬送手段２２により搬送されながら加熱部１４にて加熱されているワークＷを示している。

上記のように、ワークＷは、リフロー装置１０でリフローはんだ付けが施される基板２０をワーク治具１９で支持したものである。図３に示すように、基板２０は、金属基板５８の上に、配線パターンがプリントされ且つ実装部品６０がはんだ付けされるプリント基板６２が取り付けられ、これら金属基板５８及びプリント基板６２の周囲が基板ケース６４により囲繞されて構成される。

前記金属基板５８は、例えば、アルミニウムにより構成され、基板２０の剛性を向上させると共に、基板２０が自動車等の搭載対象に搭載された際の放熱部として機能する。前記実装部品６０としては、例えば、アルミ電解コンデンサや抵抗器、半導体部品等の電気部品が挙げられる。前記基板ケース６４は、基板２０を、例えば、自動車等に搭載する際の取付部として機能する。

前記ワーク治具１９は、上面に支持台（基板支持部、シム）６５が設けられ、基板２０が載置されるプレート部（治具プレート部）６６と、該プレート部６６に載置される基板２０を位置決めする位置決め部（治具位置決め部）６８とを有する。さらに、ワーク治具１９には、前記プレート部６６及び位置決め部６８にて位置決め載置された基板２０を固定支持するハンドリング部（治具ハンドリング部）７０が設けられる。

図５に示すように、前記支持台６５は、プレート部６６の上面に３個設けられ、すなわち、プレート部６６は支持台６５を介して基板２０を３点支持している。この場合、支持台６５の高さは、０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍに設定され、特に好ましくは、０．１ｍｍに設定される。また、１つの支持台６５が基板２０に接触する面の面積は、基板２０（金属基板５８）の面積の０．２８％〜０．８３％に設定され、特に好ましくは、約０．６％に設定される。なお、支持台６５は、例えば、４個設ける４点支持よりも３個設ける３点支持の方が全点が確実に接触してガタツキがなく、基板２０の安定性が高いため、支持台６５をプレート部６６上に３個設けるものとする。

前記ハンドリング部７０は、プレート部６６の上面の左右両端側に各２本ずつ立設される支柱７２と、該支柱７２の軸方向（上下方向）に移動自在に設けられると共に、図示しない位置決め固定手段により所望の位置（高さ）で位置決め固定される可動プレート７４とから構成される。

従って、ワークＷでは、基板２０を位置決め部６８の位置決め作用下にプレート部６６（支持台６５）上に載置した後、可動プレート７４を押し下げて挟み込むと共に、該可動プレート７４を所望の位置で固定することにより、基板２０がワーク治具１９によって確実に支持された状態となる（図４参照）。これにより、ワークＷでは、ベルトコンベア２１での搬送中での基板２０の位置ズレが防止される。また、作業者又は所定のロボット（自動機）は、ハンドリング部７０（可動プレート７４）を把持してワークＷを容易に取り扱うことができ、搬入部１２や搬出部１８での作業性が向上する。

このようなワーク治具１９において、少なくとも前記支持台６５を含むプレート部６６は、例えば、チタンにより形成される。なお、ワーク治具１９を構成する要素を全てチタンにより形成することも当然可能である。チタンは、常温では酸化被膜を形成するため耐食性に優れ、錆を生じにくく、表面の汚れやゴミ等の付着物を簡単に除去することができるためメンテナンス性が良好である。また、チタンの比重は、鉄とアルミニウムの中間に位置した比較的軽い金属である一方、実用金属としては比較的高強度であるが、比較的加工性が良いという性質を有する。

なお、ステンレス系、アルミニウム系や鉄系の材料によりワーク治具１９を形成してもよいが、この場合には、リフロー装置１０で繰り返し使用されると、加熱や冷却により反りや捻れを生じる場合がある。ところが、チタンは、融点が比較的高く、熱収縮し難い超硬合金であり、前記反りや捻れを有効に防止できるため、特にプレート部６６の材質としては好適である。

さらに、例えば、アルミニウムにより形成される金属基板５８に対し、プレート部６６をアルミニウムで形成すると、治具である支持台６５やプレート部６６の磨耗が促進されてしまうことになる。一方、チタンの場合には経時的な磨耗を遅らせることが可能となる。なお、ワーク治具１９には、例えば、ＪＩＳ２種（ＪＩＳ Ｈ４６５０）の純チタンやチタン合金等、チタンを含む材料であれば有効に用いることができる。

上記のように、加熱部１４を搬送されるワークＷでは、加熱プレート部３８からの熱が、ベルトコンベア２１及び樹脂シート３６を介してワーク治具１９のプレート部６６へと伝導され、該プレート部６６から支持台６５を介して基板２０へと高効率で伝導される（図４参照）。

この場合、加熱プレート部３８から基板２０への伝熱を均一化し、基板２０での温度分布を均一化させることにより、実装部品６０のリフローはんだ付けを確実に行うことができる。つまり、前記のようなチタン（この場合、純チタンＪＩＳ２種とする）により形成される支持台６５を含むプレート部６６の設計時には、次の（ａ）〜（ｃ）の熱の移動を考慮する必要がある。すなわち、（ａ）固体内での熱の移動である「熱伝導」、（ｂ）固体から流体（液体や気体）への熱の移動である「熱伝達」、（ｃ）電磁波を放射することによる熱の移動である「熱輻射」である。

ところで、基板２０を構成する金属基板５８に対してプレート部６６を点で接触させた場合には、その点接触部分での磨耗が生じるため、プレート部６６から金属基板５８への熱伝導が経時的な変化を生じることになる。そこで、このような磨耗を低減するため、プレート部６６と金属基板５８とを広い面で接触させたとしても、結局は接触面内のいくつかの不特定な点で接触することになる。このため、熱伝導や熱伝達にバラツキを生じ、基板２０の温度分布が一様でなくなってしまう。従って、金属基板５８とプレート部６６（支持台６５）との接触は、点より大きな面で、且つ、全面より小さな面で、しかも、磨耗を最小限とする必要がある。

そして、本実施形態では、支持台６５の高さ（以下、支持台高さともいう）を、例えば、０．１ｍｍと微小な値に設定しており、そのため、熱伝導が熱伝達に比べて十分に大きくなり、熱伝達での熱の移動は極微小なものとなる。すなわち、熱伝導による熱量をＱ１［Ｊ］、熱伝達による熱量をＱ２［Ｊ］、熱伝導率をλ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、熱伝達率をｈ［Ｗ／（ｍ²・Ｋ）］、上昇する温度をΔＴ［Ｋ］、支持台高さ（シム高さ）をｄ［ｍ］、基板２０（金属基板５８）の面積（以下、基板面積ともいう）をＳ１［ｍ²］、加熱時間（温度上昇時間）をｔ［ｓ］とすると、熱量Ｑ１、Ｑ２は次式（１）、（２）により示される。
Ｑ１＝λ・ΔＴ／ｄ・Ｓ１・ｔ （１）
Ｑ２＝ｈ・ΔＴ・Ｓ１・ｔ （２）

ここで、支持台６５及びプレート部６６を構成するチタンの熱伝導率λ＝２１．９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］であり、静止した空気の熱伝達率ｈ＝４．６４［Ｗ／（ｍ²・Ｋ）］であることから、Ｑ１とＱ２とを比較すると、Ｑ１／Ｑ２＝λ／（ｈ・ｄ）＝４．７２・１０⁴となる。これにより、熱伝導の影響が熱伝達に比べて極めて大きいことが容易に理解される。

さらに、ワークＷを上部から加熱する赤外線ヒータ４０からの熱輻射は、前記熱伝導に比べて極微小であり、その他に電磁波を発生させるものは加熱部１４には備えられていないため、熱輻射での熱の移動は極微小なものであると言える。従って、加熱部１４でのワークＷへの熱の移動については、熱伝導について考慮することで略正確なものとなる。

そこで、先ず、支持台が基板２０に接触する面の面積（以下、支持台面積ともいう）を設定するための検討実験を行った。

すなわち、図６に示すように、基板２０をテスト治具８０上に載置したテストワークＴＷをリフロー装置１０にて熱処理する実験を行った。この場合、テストプレート部８２上に設けたテスト支持台８４の高さｄ（支持台高さｄ）を０．１ｍｍとし、支持台面積（シム面積）Ｓ２を、５ｍｍ²、６０ｍｍ²、５００ｍｍ²、１０００ｍｍ²、１５００ｍ²と変化させ、基板２０の温度を熱電対（図示せず）により測定することで、支持台面積Ｓ２の基板２０の温度に対する影響を検討した。なお、温度の測定位置は、基板２０において、最も温度が高くなると考えられる中央部の温度Ｔ１と、最も温度が低くなると考えられる端部の温度Ｔ２に設定した。また、基板２０（金属基板５８）に接触させるテスト支持台８４の面（上面）の平面度は、０．０５ｍｍとした。実験回数は２回とした。

図７は、加熱部１４で加熱される際の支持台面積Ｓ２と、テストワークＴＷを構成する基板２０の温度Ｔ１、Ｔ２との関係を示すグラフである。

図７に示すように、支持台面積Ｓ２が６０ｍｍ²で、基板２０の中央部の温度Ｔ１と端部の温度Ｔ２との間の温度差が最も小さく、すなわち、基板２０での温度分布のバラツキが少なかった。

この場合、支持台面積Ｓ２が３０ｍｍ²より小さい場合には、熱伝導が小さいため中央部Ｔ１と端部Ｔ２との間の温度差が拡大する傾向にあり、また、端部の温度Ｔ２では、鉛フリーはんだ推奨下限温度（２３０℃）を下回ることもあることが示された。また、支持台面積Ｓ２が９０ｍｍ²より大きい場合には、テスト支持台８４の上面での平面度の影響が大きくなるため、温度Ｔ１、Ｔ２の夫々において温度のバラツキが大きくなる傾向が示された。従って、支持台面積Ｓ２は、３０ｍｍ²〜９０ｍｍ²が好ましく、特に、６０ｍｍ²が好ましいとの結果が得られた。

次に、支持台高さｄを設定するための検討実験を、上記支持台面積Ｓ２を設定するための検討実験と同様に、図６に示すテストワークＴＷを用いて行った。

この場合、支持台面積Ｓ２を６０ｍｍ²とし、テスト支持台８４の高さｄ（支持台高さｄ）を、０ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍと変化させ、基板２０の温度を熱電対により測定することで、支持台高さｄの基板２０の温度に対する影響を検討した。なお、温度の測定位置やテスト支持台８４の平面度等の実験条件は、上記支持台面積Ｓ２を設定するための検討実験と同一とした。また、実験回数は３回とした。

図８は、加熱部１４で加熱される際の支持台高さｄと、テストワークＴＷを構成する基板２０の温度Ｔ１、Ｔ２との関係を示すグラフである。

図８に示すように、支持台高さｄが０ｍｍでは、全面で接触させるため熱伝導が過剰となり、結果として実装部品推奨上限温度（２５０℃）を超えると共に、接触面全体におけるいくつかの不特定な点で接触するため、温度分布のバラツキが大きくなる傾向となった。このことは、支持台高さｄが０．０８ｍｍより小さい場合に同様な傾向を示した。

一方、支持台高さｄが０．１２ｍｍより大きい場合は、熱伝導が小さいため鉛フリーはんだ推奨下限温度（２２０℃）を下回ることが示された。さらに、このような場合には熱伝導が減少し、熱伝達の変化がない影響によって温度分布のバラツキが大きくなる傾向が示された。該熱伝達は支持台高さｄの影響を受けず、支持台高さｄが大きくなると熱伝導が減少するからである。

従って、支持台高さｄは、０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍが好ましく、特に、０．１［ｍｍ］が好ましいとの結果が得られた。

ところで、支持台面積Ｓ２を上記検討実験により得られた好適な範囲である３０ｍｍ²〜９０ｍｍ²とすると、次式（３）に示す基板２０の基板面積Ｓ１に対する支持台１個当りの面積、すなわち、支持台面積Ｓ２の比率を、次式（４）〜（６）に示すように算出することができる。
Ｓ１＝１２０・９０＝１０８００［ｍｍ²］ （３）
Ｓ２／Ｓ１＝３０／１０８００・１００＝０．２８［％］ （４）
Ｓ２／Ｓ１＝６０／１０８００・１００＝０．５６［％］ （５）
Ｓ２／Ｓ１＝９０／１０８００・１００＝０．８３［％］ （６）

従って、本実施形態に係るリフロー装置１０の場合、ワーク治具１９を構成する支持台６５の１個当りの面積である支持台面積Ｓ２は、基板２０の面積である基板面積Ｓ１に対して、０．２８％〜０．８３％が好ましく、特に、約０．６％が好ましい。

そして、以上のように構成されるリフロー装置１０では、基板２０の温度分布を均一化し且つ最適化するための温度プロファイル（温度の時間変化）が設定され、実行されることにより、ワークＷをより均一に加熱する。

このような温度プロファイルは、基板２０に実装されるプリント基板６２や耐熱性の低い実装部品６０（例えば、電解コンデンサ）の破損や膨張（変形）を防止するために、これらの仕様書に基づいた設定とする必要がある。この場合、実装部品６０の推奨範囲外でリフローはんだ付けを行った場合には、製品の信頼性が低下する。さらに、鉛フリーはんだでは、その推奨下限温度（２３０℃）未満ではんだ付けを行った場合、フラックスの活性不足やはんだ未溶接等の実装不具合が発生することがある。

さらに、ワークＷを構成する基板２０は、金属基板５８から構成される。このため、該金属基板５８での金属部（アルミニウム）の熱容量が大きいため、加熱後のワークＷは急速に冷却する必要があり、冷却速度が遅くなってしまうと、前記金属基板５８から放出される熱により、プリント基板６２や実装部品６０へと熱的な負荷（ダメージ）が与えられてしまう。このため、冷却部１６では、冷却プレート部５０を有する水冷部４６と冷却ファン４８とにより強制冷却を行うことで加熱後のワークＷを急速に冷却するものとする。そうすると、冷却時間が短縮されて、全体のサイクルタイムも短縮できるという利点もある。

従って、本実施形態に係るリフロー装置１０での温度プロファイルは、基板２０において、最も温度が高くなると考えられる中央部の温度Ｔ１と、最も温度が低くなると考えられる端部の温度Ｔ２と、最も熱的な影響が大きい実装部品６０であると考えられる電解コンデンサ（図示せず）の上部温度Ｔ３の各温度条件に基づき設定する。

このような温度条件としては、第１に、加熱部１４において、基板２０の全ての温度が前記温度Ｔ１〜Ｔ２の範囲内にあり、実装部品６０が推奨上限温度２５０℃以内となることが必要とされる。

第２に、耐熱性の低い実装部品６０、例えば、電解コンデンサの温度条件が次の（ｄ）〜（ｆ）を満たすことが必要とされる。すなわち、（ｄ）予備加熱工程を１６０［℃］で１２０［ｓ］行うこと、（ｅ）本加熱工程の最高２３０［℃］を５［ｓ］行うこと、（ｆ）冷却工程で２００［℃］以下まで、−１［℃／ｓ］で冷却することである。

上記第１及び第２の温度条件に基づく温度プロファイルを図９に示す。図９に示すように、リフロー装置１０では、基板２０において、最も温度が高くなると考えられる中央部の温度Ｔ１が温度プロファイルＴ１に示す状態で、最も温度が低くなると考えられる端部の温度Ｔ２が温度プロファイルＴ２に示す状態で、最も熱的な影響が大きい実装部品６０であると考えられる電解コンデンサの上部温度Ｔ３が温度プロファイルＴ３に示す状態で加熱及び冷却される。

すなわち、ワークＷは、搬入部１２の搬入工程に続いて、加熱部１４にて予備加熱工程及び本加熱工程が施され、冷却部１６にて冷却工程が施され、搬出部１８の搬出工程で搬出される。

この場合、前記温度プロファイルＴ３では、予備加熱工程において、電解コンデンサの上部耐熱温度（１６０℃）とされ、本加熱工程において、電解コンデンサのはんだ付け部である下部の耐熱温度（２４０℃）より低い鉛フリーはんだの推奨下限温度（２３０℃）とされる。これにより、最も熱的な影響が大きい実装部品６０であると考えられる電解コンデンサを破損させることなく、確実にリフローはんだ付けを行うことができる。また、温度プロファイルＴ１についても、本加熱工程において実装部品の推奨上限温度（２５０℃）とされることから、実装部品への熱的な負荷を一層低減することができる。一方、温度プロファイルＴ２についても、本加熱工程において鉛フリーはんだの推奨下限温度（２３０℃）とされることから、確実にリフローはんだ付けを行うことができる。

このように、温度プロファイルＴ１〜Ｔ３によれば、チタンにより形成されたプレート部６６及び支持台６５を有するワーク治具１９を用いることで、基板２０の温度分布の均一性を一層向上させることができる。

この場合、加熱プレート部３８からの熱が、ワークＷの下部から樹脂シート３６を介して基板２０へと伝導される。同様に、樹脂シート３６を介して、基板２０からの熱が冷却プレート部５０へと伝導される。このため、熱容量の大きな金属基板５８から構成される基板２０であっても、その温度を上記各温度プロファイルＴ１〜Ｔ３に迅速に追従させることができ、基板２０の実装部品６０への熱的な負荷による破損を防止すると共に、サイクルタイムを短縮することができる。

すなわち、温度が上昇し易い基板中央部に設けられる実装部品６０と、温度が上昇し難い基板端部に設けられるの実装部品６０との間での温度差を有効に小さくすることができ、各実装部品６０の熱的負荷を軽減することができる。

さらに、温度プロファイルＴ１〜Ｔ３における冷却工程では、２００［℃］以下まで、−１［℃／ｓ］で冷却されるため、熱容量の大きな金属部（アルミニウム部）を有する金属基板５８で構成される基板２０においても、加熱後の金属部からの熱の影響によりプリント基板６２や実装部品６０が熱的な負荷を受けることが有効に防止される。

また、本加熱工程において、基板２０の各部温度を確実に鉛フリーはんだの融点（２２０℃）以上とすることができるため、該鉛フリーはんだの未溶融状態がなくなり、基板２０の信頼性を向上させることができる。

さらに、上記のように、基板２０上の温度差を一層低減することができるため、温度プロファイルを簡単に作成できるという利点もある。

上記実施形態において、搬入部１２及び搬出部１８でのワークＷの搬入及び搬出は、図示しないロボットを用いて行うようにしてもよい。

また、加熱部１４において、赤外線ヒータ４０を遠赤外線ヒータに変更してもよく、加熱プレート部３８を赤外線ヒータや遠赤外線ヒータに変更してもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。

本発明の一実施形態に係るリフロー装置の構成を示す概略側面図である。 図１に示すリフロー装置の搬送手段を示す概略平面図である。 ワークを構成するワーク治具及び基板を分解した概略断面側面図である。 図２中の線ＩＶ−ＩＶにおける一部省略断面図である。 ワークを構成するワーク治具のプレート部を示す概略平面図である。 図５に示すプレート部の仕様を設定するためのテストワークを示す概略断面側面図である。 図１に示す加熱部で加熱される際の支持台面積Ｓ２と、テストワークを構成する基板の温度との関係を示すグラフである。 図１に示す加熱部で加熱される際の支持台高さｄと、テストワークを構成する基板の温度との関係を示すグラフである。 図１に示すリフロー装置に用いられる温度プロファイルを示す図である。

符号の説明

１０…リフロー装置 １２…搬入部
１４…加熱部 １６…冷却部
１８…搬出部 １９…ワーク治具
２０…基板 ２１…ベルトコンベア
２２…搬送手段 ２６…制御部
３０…装置本体 ３４…ワーク載置部
３４ａ…載置面 ３６…樹脂シート
３８…加熱プレート部 ４０…赤外線ヒータ
４６…水冷部 ５０…冷却プレート部
５８…金属基板 ６０…実装部品
６２…プリント基板 ６４…基板ケース
６５…支持台 ６６…プレート部
６８…位置決め部 ７０…ハンドリング部
Ｗ…ワーク

Claims (6)

1. 電気部品が配置された基板を搬送する搬送手段と、
   前記基板に予備加熱を施した後、前記電気部品のリフローはんだ付けを行う加熱部と、
   前記リフローはんだ付けが施された基板を冷却する冷却部とを有するリフロー装置であって、
   前記搬送手段には、前記基板が載置される載置面が樹脂製材料により構成されるワーク載置部が備えられ、
   前記加熱部には、前記ワーク載置部の下部を加熱する加熱プレート部が備えられ、
   前記冷却部には、前記ワーク載置部の下部を冷却する冷却プレート部が備えられていることを特徴とするリフロー装置。
2. 請求項１記載のリフロー装置において、
   前記樹脂製材料は、連続使用温度が２５０℃以上であることを特徴とするリフロー装置。
3. 請求項１記載のリフロー装置において、
   前記樹脂製材料は、フッ素樹脂であることを特徴とするリフロー装置。
4. 請求項１記載のリフロー装置において、
   前記ワーク載置部に載置される前記基板を支持するワーク治具を有し、
   前記ワーク治具は、前記載置面と前記基板の間に配置される治具プレート部と、
   前記治具プレート部の基板側の面に設けられ、前記基板を前記治具プレート部から所定の高さ位置で且つ３つの支持面で支持する基板支持部と、
   を備えることを特徴とするリフロー装置。
5. 請求項４記載のリフロー装置において、
   １個当りの前記支持面の面積は、前記支持面が当接する前記基板の面積に対して、０．２８〜０．８３％であり、
   前記基板支持部の高さは、前記治具プレート部と前記基板の間を０．０８〜０．１２ｍｍに設定する高さであることを特徴とするリフロー装置。
6. 請求項４又は５記載のリフロー装置において、
   前記治具プレート部及び前記基板支持部は、チタンを含む金属で形成されていることを特徴とするリフロー装置。

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