JP4713444B2 - Reflow device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a reflow apparatus for performing reflow soldering on a board on which a component is mounted.
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。 In recent years, lead-free solder (lead-free solder) has been developed and used. As such a lead-free solder, three types of alloys of Sn-Ag-Cu (tin / silver / copper), Sn-Cu (tin / copper), and Sn-Zn (tin / zinc) are often used. Has been. In particular, the Sn—Ag—Cu system is currently mainstream because of its high bonding strength and excellent reliability.
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。 However, the melting point of lead-free solder is about 220 ° C., which is considerably higher than the melting point (183 ° C.) of a conventional Sn—Pb eutectic solder made of an alloy of tin and lead. If the heat-resistant temperature (soldering temperature) is 240 ° C., the temperature range allowed during soldering is very narrow. Therefore, in order to ensure the reliability of the component mounted on the board, it is necessary to prevent the temperature of the solder from being excessively increased during soldering and to reduce the thermal damage of the mounted component. Furthermore, if the temperature at the time of soldering increases too much, the substrate itself may be deformed, eventually causing a solder joint failure. Care must be taken in managing the temperature.
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。 In general, when soldering a substrate of an electronic device and a surface-mount type mounting component, a reflow method using a reflow device that performs heating with infrared rays or hot air is widely used. In such a reflow method, a lead-free solder is preliminarily printed in a paste form at a location where a component is mounted on a substrate, and the component is placed thereon by an automatic mounting machine (chip mounter), and then a reflow device. The whole board is heated by a (heating furnace), and soldering is performed by melting the solder.
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。 By the way, in the above reflow method, for example, when mounting components and board materials having different heat capacities are collectively reflowed, the temperature distribution on the board is made uniform, and the variation in the peak temperature of each mounting part and soldering portion is as much as possible. It needs to be small.
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。 Therefore, in Patent Document 1, the reflow apparatus is provided with a preheating unit, a reflow unit, and a cooling unit, and when the substrate is transferred to these, the transfer speed in the preheating unit, the transfer speed in the reflow unit, and the cooling unit It is described that, even if lead-free solder having a high melting temperature is used, the substrate on which components having different dimensions and heat capacities and components having inferior heat resistance are placed is reflowed.
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。 However, in the method described in Patent Document 1, when reflowing a metal substrate such as an aluminum substrate, it is difficult to make the temperature distribution on the substrate uniform due to the influence of the heat capacity of the metal part (aluminum). In addition, rapid cooling after reflow is difficult. Accordingly, as a result, there is a possibility that a thermal load (damage) is given to the substrate or the mounted component due to the heat from the metal part.
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。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and can reduce variations in temperature distribution on a substrate even when reflow soldering is performed on a solder having a relatively high melting temperature such as lead-free solder. Furthermore, it aims at providing the reflow apparatus which can reduce the thermal load to a board | substrate or a mounting component.
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。 The reflow apparatus according to the present invention includes a transport means for transporting a substrate on which electrical components are arranged, a heating unit for performing reflow soldering of the electrical components after preheating the substrate, and the reflow soldering A reflow apparatus having a cooling unit that cools the applied substrate, wherein the transport unit includes a workpiece mounting unit in which a mounting surface on which the substrate is mounted is made of a resin material, The heating unit includes a heating plate portion that heats a lower portion of the workpiece placement portion, and the cooling portion includes a cooling plate portion that cools a lower portion of the workpiece placement portion. And
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。 According to such a configuration, heat from the heating plate portion is conducted from the lower part of the substrate to be reflow soldered to the substrate through the mounting surface made of the resin material. Similarly, heat from the substrate is conducted to the cooling plate portion through the mounting surface. In this case, since the substrate is in contact with the resin material, the adhesiveness with the mounting surface is high, and the thermal conductivity is improved. For this reason, for example, even when a metal substrate having a large heat capacity is used as the substrate, the temperature of the substrate can be made to quickly follow the temperature profile of the reflow device, and the components mounted on the substrate can be thermally It is possible to prevent damage caused by a heavy load and to shorten the cycle time.
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。 In this case, the resin material is preferably used when the continuous use temperature is 250 ° C. or higher, for example, even when lead-free solder having a high melting point can be used for reflow soldering. In addition, it is more preferable that the resin material is a fluororesin because it has high heat resistance and less wear.
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。 In addition, a work jig for supporting the substrate placed on the work placement unit, the work jig, the jig plate portion disposed between the placement surface and the substrate, Provided with a substrate support portion provided on a surface of the jig plate portion on the substrate side and supporting the substrate at a predetermined height position from the jig plate portion with three support surfaces; By point support, heat conduction from the heating plate portion to the substrate can be set appropriately. For this reason, while being able to suppress overheating of a board | substrate, the variation in overheating can be reduced and it becomes possible to perform the stable reflow soldering.
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。 In this case, by forming the jig plate portion and the substrate support portion with a metal containing titanium, it becomes possible to effectively prevent warpage and twisting of the jig plate portion and the substrate support portion, and the production lot. The heat conduction to each substrate can be made more uniform, and the durability of the jig plate portion and the like can be improved.
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。 Furthermore, the area of the support surface per piece is 0.28 to 0.83% with respect to the area of the substrate with which the support surface abuts, and the height of the substrate support portion is the jig plate. When the distance between the portion and the substrate is set to 0.08 to 0.12 mm, the heat conduction from the heating plate portion to the substrate via the substrate support portion can be made more uniform. For this reason, since the temperature difference on the substrate can be further reduced, the temperature profile can be easily set.
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。 According to the present invention, heat from the heating plate portion provided in the reflow apparatus is conducted from the lower part of the substrate to be reflow soldered to the substrate through the mounting surface made of the resin material. Similarly, heat from the substrate is conducted to the cooling plate portion through the mounting surface. Therefore, for example, even when a metal substrate having a large heat capacity is used as the substrate, the temperature of the substrate can be made to quickly follow the temperature profile of the reflow device, and the components mounted on the substrate While preventing damage due to the load, the cycle time can be shortened.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a reflow apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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。
FIG. 1 is a schematic side view showing a configuration of a
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。
The
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。
In such a
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。
Further, the
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。
The conveying means 22 includes a
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。
The
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。
Further, in such a
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。
The
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。
As such a
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。
The
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。
The carry-in
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。
The
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。
Six
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。
As described above, in the
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。
Note that if the number of
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。
In order to prevent an excessive temperature rise (overheating) in the
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。
The cooling
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。
The
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。
In such a
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。
The
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。
Next, the workpiece | work W is demonstrated with reference to FIG.3 and FIG.4. FIG. 3 is a schematic sectional side view in which the
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。
As described above, the workpiece W is obtained by supporting the
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 5, three support tables 65 are provided on the upper surface of the
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。
The
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。
Therefore, in the workpiece W, after the
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。
In such a
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。
Note that the
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。
Further, for example, when the
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)。
As described above, in the workpiece W conveyed by the
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。
In this case, the heat transfer from the
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。
By the way, when the
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)
In the present embodiment, the height of the support base 65 (hereinafter also referred to as the support base height) is set to a very small value, for example, 0.1 mm, so that heat conduction is higher than heat transfer. It becomes sufficiently large and the heat transfer during heat transfer is extremely small. That is, the heat quantity by heat conduction is Q1 [J], the heat quantity by heat transfer is Q2 [J], the heat conductivity is λ [W / (m · K)], and the heat transfer coefficient is h [W / (m 2 · K). )], The rising temperature is ΔT [K], the height of the support base (shim height) is d [m], and the area of the substrate 20 (metal substrate 58) (hereinafter also referred to as the substrate area) is S1 [m 2 ]. When the heating time (temperature rise time) is t [s], the heat quantities Q1 and Q2 are expressed by the following equations (1) and (2).
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。
Here, the thermal conductivity of titanium constituting the
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。
Furthermore, the heat radiation from the
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。 Therefore, first, an examination experiment for setting the area of the surface where the support table contacts the substrate 20 (hereinafter also referred to as the support table area) was performed.
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。
That is, as shown in FIG. 6, an experiment was performed in which the test work TW on which the
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。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the support base area S2 when heated by the
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。
As shown in FIG. 7, the support base area S2 is 60 mm 2 , and the temperature difference between the temperature T1 at the center of the
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。
In this case, when the support base area S2 is smaller than 30 mm 2 , the thermal difference is small and the temperature difference between the center portion T1 and the end portion T2 tends to increase. It was shown that the lead-free solder recommended lower temperature (230 ° C) may be exceeded. Further, when the support base area S2 is larger than 90 mm 2, the influence of the flatness on the upper surface of the
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。 Next, a test experiment for setting the support base height d was performed using the test work TW shown in FIG. 6 in the same manner as the test experiment for setting the support base area S2.
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。
In this case, the support base area S2 is set to 60 mm 2 and the height d (support base height d) of the
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。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the height d of the support base when heated by the
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。 As shown in FIG. 8, when the support base height d is 0 mm, the entire surface is brought into contact, resulting in excessive heat conduction. As a result, the mounting component recommended upper limit temperature (250 ° C.) is exceeded, and there are some problems in the entire contact surface. Due to the contact at a specific point, the variation in temperature distribution tended to increase. This showed the same tendency when the support height d was smaller than 0.08 mm.
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。 On the other hand, when the height d of the support base is larger than 0.12 mm, it is shown that the heat conduction is small and the temperature is lower than the recommended lower limit temperature of lead-free solder (220 ° C.). Furthermore, in such a case, the heat conduction decreased, and the variation in temperature distribution tended to increase due to the effect of no change in heat transfer. This is because the heat transfer is not affected by the height d of the support base, and the heat conduction decreases as the height d of the support base increases.
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。 Accordingly, the result is that the support height d is preferably 0.08 mm to 0.12 mm, and particularly preferably 0.1 [mm].
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)
Incidentally, when the support base area S2 and 30mm 2 ~90mm 2 is a preferred range obtained by the above study experiment, the area of the support per the substrate area S1 of the
S1 = 120 · 90 = 10800 [mm 2 ] (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。
Therefore, in the case of the
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。
And in the
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。
Such a temperature profile is based on these specifications in order to prevent damage or expansion (deformation) of the printed
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。
Further, the
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。
Therefore, the temperature profile in the
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。
As such a temperature condition, first, in the
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。
Secondly, it is necessary that the temperature conditions of the mounting
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。
FIG. 9 shows a temperature profile based on the first and second temperature conditions. As shown in FIG. 9, in the
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。
That is, the workpiece W is subjected to a preheating step and a main heating step in the
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。
In this case, in the temperature profile T3, the upper heat resistance temperature (160 ° C.) of the electrolytic capacitor is set in the preheating step, and is lower than the heat resistance temperature (240 ° C.) of the lower portion, which is a soldered portion of the electrolytic capacitor, in the main heating step. The recommended lower temperature limit for lead-free solder (230 ° C). Thereby, reflow soldering can be reliably performed without damaging the electrolytic capacitor considered to be the mounting
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。
As described above, according to the temperature profiles T <b> 1 to T <b> 3, the uniformity of the temperature distribution of the
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。
In this case, heat from the
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。
That is, it is possible to effectively reduce the temperature difference between the mounting
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。
Furthermore, in the cooling process in the temperature profiles T1 to T3, since cooling is performed at -1 [° C / s] up to 200 [° C] or less, the
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。
Further, in this heating process, the temperature of each part of the
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。
Further, as described above, since the temperature difference on the
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。
In the said embodiment, you may make it carry in and carry out the workpiece | work W in the carrying-in
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。
Moreover, in the
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。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is naturally possible to adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.
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
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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、
さらに、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にある支持面で支持する基板支持部と、を備え、
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。 Transport means for transporting a substrate on which electrical components are arranged;
A heating unit that performs reflow soldering of the electrical component after preheating the substrate;
A reflow apparatus having a cooling unit for cooling the reflow soldered substrate,
The transport means is provided with a work placement portion in which a placement surface on which the substrate is placed is made of a resin material,
The heating part is provided with a heating plate part for heating the lower part of the work placing part,
The cooling part is provided with a cooling plate part for cooling the lower part of the work placing part ,
Furthermore, it has a work jig for supporting the substrate placed on the work placement unit,
The work jig is a jig plate portion disposed between the mounting surface and the substrate,
A substrate support portion provided on a surface of the jig plate portion on the substrate side and supporting the substrate with a support surface at a predetermined height position from the jig plate portion;
The area of the support surface is 0.28 to 0.83% with respect to the area of the substrate with which the support surface abuts,
The height of the said board | substrate support part is a height which sets to 0.08-0.12 mm between the said jig | tool plate part and the said board | substrate, The reflow apparatus characterized by the above-mentioned .
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。 The reflow device according to claim 1,
The resin material has a continuous use temperature of 250 ° C. or higher.
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。 The reflow device according to claim 1,
The reflow apparatus, wherein the resin material is a fluororesin.
基板支持部は、前記基板を3つの前記支持面で支持するとともに、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%であることを特徴とするリフロー装置。 The reflow device according to claim 1,
The substrate support unit supports the substrate by the three support surfaces, and the area of the support surface per piece is 0.28 to 0.83 with respect to the area of the substrate with which the support surface abuts. % Reflow device.
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。 The reflow device according to claim 4 , wherein
The jig plate portion and the substrate support portion are made of a metal containing titanium, and the reflow apparatus is characterized in that
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