均一な加熱とフラックスの滴下の抑制を実現した、 新リフローはんだ付け装置

1.はじめに

　当社ではこのたび、窒素対応リフローはんだ付け装置『STAR-3312N』を発売することとなった。

　そこで本稿では、実験によって得た結果を踏まえつつ、本製品が有するそれぞれの特徴をご紹介する。

 

2.『STAR-3312N』の特徴

　窒素対応リフローはんだ付け装置『STAR-3312N』（図1）は、遠赤外線の効果を最大限に活用したことにより、熱容量が大きな基板や部品においても安定的なぬれ性を実現する製品である。

 

　以下に、同製品の特徴を列挙すると以下のようになる。

① 遠赤、温風による加熱方式を採用（選択、併用が可能）（図2）

 

　→吹き出しノズルに遠赤効果剤を塗布し、ノズル内にヒータを内蔵してノズルを熱することで温風を発生、ノズルが温風より高い温度となるため遠赤効果が大きく、遠赤の力によって基板を熱し、温風を併用して基板を加熱することで遠赤と温風の加熱力が熱負荷の大きな基板や部品も均一に熱することができる。

② 熱容量が大きな基板や部品においても、安定したぬれ性を　 確保

③ 低風速を実現（FPC対応、省エネ）

④ 基板へのフラックスの滴下を抑制（フラックスの炉内内部　 処理構造の採用）

⑤ 冷却部のフラックス処理

　→冷却ノズルを2重構造にすることで、生産基板へのフラックスの滴下を抑制するような冷却ノズル噴射穴構造を備えている（図3）。

 

⑥ 密閉構造（炉内パッキン温度安定構造）

　→パッキン内にエアを導入して温まったエアを工場排気として排出。パッキン内のエアが外気温度に保たれるため、パッキン本体の温度が上昇しなくなる（250℃雰囲気で180℃）。炉内密閉を長い間、保持できる。

⑦ 回転部分に特殊構造を採用（図4）

 

　→炉内と炉体の密閉を金属のすり合わせで行うため、熱寿命がない。

　→1年に一回程度、耐熱グリスを補給するだけで、密閉状態を保持できる。メンテナンスのみで長期使用が可能。

⑧ リフローのトップ温度から冷却へのタイムラグがない（図5）

 

　→リフローピーク部に特殊冷却ノズルを設けており、温風ノズルよりも近いところで基板冷却を行う。生産が窒素仕様であれば窒素で冷却、大気仕様であれば工場内の空気を噴射。噴射風は冷却部の横から排出される。

　→リフローピークから基板の冷却をコントロール可能。はんだの溶解後、凝固温度217℃までをコントロール可能としている。

⑨ 炉体ゾーン温度コントロール不可部分なし

⑩ メンテナンスフリーな装置内蔵冷却用水冷装置を採用（図6）

 

　→専用ラジエータにより水温を低下させる。冷却水にはクーラントを使用し、さびなどからも防御する。また、炉内から戻る50℃前後のクーラントを30℃前後に冷却する。メンテナンスはクーラントの補給のみである。

⑪ シングルゾーンのデュアル化（図7）

 

⑫ 炉内フラックス除去用配管なし

　→炉内フラックスは循環中にノズル表面で処理。フラックス除去機構を冷却部装置内に装置することで接続パイプをなくしている。

⑬ 炉体断熱ジャケットを採用

　→炉体本体に断熱材を装着し、その断熱材を保持するマジックテープなどを使用し、炉体を包み込むジャケットのように製作した断熱保護材を装着する（図8）。

 

　→炉体を包み込むため、電装部品、センサなどは雰囲気温が下がり低温になるため、長い時間使用できる。また、ジャケット厚を増やすことも可能で、断熱効果も向上できる。

⑭ 窒素削減システム

　→生産中の余分な（生産時不要（待機時など））な窒素をコントロールし、窒素使用量を削減する。

⑮ 生産時および待機時の電力消費量削減、窒素使用量削減

⑯ 瞬間の停電にも強い機構

 

3.フィルタがフラックスを的確に捕集し滴下による不良を防止

　前記の特徴のうち、まず「④ 基板へのフラックスの滴下を抑制（フラックスの炉内内部処理構造の採用）」について、以下に詳述する。

　通常、リフロー炉の冷却部、及び入口側には、フラックスが蓄積する。そしてこのフラックスが滴下することによって、生産基板が汚れ、不良となってしまっている。そのため定期的な清掃が不可欠であるが、1週間もすると図9のように汚れてしまうので、清掃は頻繁に行わなければならない。

 

　そこで本製品には特殊フィルタを採用しており、炉内に蓄積したフラックスの滴下を防止する。

　本フィルタの耐熱温度は400℃で、装着することにより上部ノズルから垂れるフラックスを捕捉可能。フラックスが滴下しても、その捕捉限界まではフラックスが本フィルタを通過することがない。

　また、フラックスを捕捉した状態であっても気孔率95％以上を実現。取り外しも簡単で、洗浄機で繰り返し、清掃することができる。

　このフィルタが採用しているのは金属多孔質焼結体。空隙率90％のオープンセル構造で、SH径により空孔径を変えた金属多孔質焼結体を作製、初期圧力損失を評価するとともに炭素微粒子を用いて捕集性能を実現している。隣接する空孔間が空孔よりも小さい連通孔で結ばれ、セル壁の面積が大きく、さらにセル壁が凹凸の大きな金属粉末の焼結構造である多孔質構造で、セル壁をもたない細く滑らかな骨格の3次元網目構造であるウレタンフォームに金属めっきをして製作された構造と比べて捕集性能が優れる。これは、炭素微粒子を捕集するセル壁の面積が大きく、また空孔内で気流が大きく乱れるために流体がセル壁と接触する頻度も高く、さらに、いったん捕集された炭素微粒子も安定してセル壁に保持されるためであると考えられる。

　空孔径が小さいほど捕集率は高くなるが、捕集率の高い多孔質構造は、同時に初期圧力損失、及び捕集量の増加にともなう圧力損失の上昇が大きい。

　フィルタ形態面ではフィルタをコーン形状にしてフィルタ面積をフォルダの通風断面への投影面積に対して増加させることによって、捕集率を下げることなく初期圧力損失を低減し、さらに捕集量の 増加にともなう圧力損失の上昇を抑えることができる。

　また、本フィルタは簡単に取り外すことができ、洗浄機で繰り返し清掃が可能である。なお、フィルタの素材は耐熱性があるが熱による変形が生じるため、変形防止ケースで対応している。

　図10は、同フィルタを取り付けた効果と、使用後1週間の様子である。

 

4.シングルゾーンのデュアル化を実現

　次に、「⑪ シングルゾーンのデュアル化」についてご紹介する。

　当社がラインアップするシングルリフロー炉を、「左⇒右」／「右⇒左」それぞれの炉を接続することで、デュアルリフロー炉に変化可能。生産使用工程に応じてシングルレーンとデュアルレーンと変化できる。個別温度プロファイルの測定が可能である他、片側のみの生産も行える。

 

5.炉体断熱ジャケットを採用

　次に、「⑬ 炉体断熱ジャケット」の採用について説明する。

　現在のリフロー炉の多くは、炉体外装に断熱材を取り付け、断熱ボードなどで固定されている。また、本体高温時については、外装に断熱材を処理する方法などが施されているものの、外装を断熱材で保護すると装置内の電装部品、センサなどが保温され、温度が高温になるためにそれらを破壊する原因となってしまう。

　本製品では、炉体本体に断熱材を装着してその断熱材を保持する機構を採用。マジックテープなどを使用した炉体を包み込むジャケットのような断熱保護材を装着する。この方式では炉体を包み込むため、電装部品、センサなどは雰囲気温度が下がって低温になるため、機器寿命の長期化が期待できる。また、ジャケット厚を増やすことも可能で、断熱効果も向上できる。

 

6.「生産時および待機時の電力消費量削減、窒素使用量削減」を実現

　次に、特徴の⑮として挙げた「生産時および待機時の電力消費量削減、窒素使用量削減」についてご紹介する。

　特殊ヒータによる遠赤加熱＋温風加熱（既存のリフロー炉は噴出しノズルの表面温度は温風より低い温度）で、遠赤加熱を強く使用するため温風加熱の風速が遅くなる。

　既存のリフロー炉はピーク温度235℃で風速5m/secから8m/secが一般的であるが、『STAR-3312N』は風速2m/secから3m/secと弱い風速である。

　この仕様による省エネ以外の効果としては、

⃝風速が低いため基板上の部品が動きにくい

⃝風速が低いためフラックスの乾きが遅く、はんだぬれ性がよくなる

⃝風温より吹き出しノズルのほうが温度が高く遠赤効果によって加熱することができる

⃝微風による遠赤効果によりボイドの減少が見込める

などの点が挙げられる。

 

7.「⑯瞬間の停電に強い機構」について

　機器が停電と判断するかしないかの1秒ほどの停電時に既存リフロー炉の場合ヒータが停止し温風発生は不可能となり、はんだ付け不良が発生する場合がある。

　当方採用のノズル一体化ヒータの場合、ヒータノズルの蓄熱によりはんだ不良は起こりにくい構造である。

 

4.シングルゾーンのデュアル化を実現

　次に、「⑪ シングルゾーンのデュアル化」についてご紹介する。

　当社がラインアップするシングルリフロー炉を、「左⇒右」／「右⇒左」それぞれの炉を接続することで、デュアルリフロー炉に変化可能。生産使用工程に応じてシングルレーンとデュアルレーンと変化できる。個別温度プロファイルの測定が可能である他、片側のみの生産も行える。

 

8.『STAR-3312N』の観察実験結果

　このたび、『STAR-3312N』について、「1年間清掃なし（炉内および冷却部ともに清掃なし）」の実証実験を行った。期間は2018年1月からで、実験期間中は機器清掃をしないように使用しており、4ヶ月目に、入り口ラビリンス（スタブルボックス）に特殊フィルタを装着した。

　『STAR-3312N』の炉内、冷却部のフラックス回収、および、付着現象状況について、以下に説明する。

　一般のリフロー炉は冷却部および出入り口スタブルボックスにフラックスが付着し、そのフラックスが機器生産開始時や生産中に滴下する場合がある。

　本製品では、炉内の空気を機器内（ホースおよびダクトを使用せず）で循環することにより、炉内の空気に急激な変化を起こさせないようにしているため、フラックスの変化を抑えている（図11、図12、図13）。

 

 

　特殊フィルタがフラックスを捕らえ、炉内および冷却部の循環時のフラックスの付着を抑制。

　冷却部と加熱部の排気および基板冷却において、独自特殊構造でフラックスを抑えている。また、『STAR-3312N』冷却部構造により冷却部から出口へのフラックスの放出がなく、出口スタブルボックスおよび排気のフラックス付着を抑制した。

　『STAR-3312N』使用加熱ヒータは特殊ヒータノズルを使用し、またパネル表面に高効率の遠赤加工を行い、基板加熱および炉内空気の遠赤による成分変化によりフラックスの付着の現象を実現した。

　『STAR-3312N』の入り口スタブルボックスおよび入り口排気部はフラックスの付着および滴下が発生するため、同

フィルタを装着し、フラックスの蓄積・付着・滴下の防止を実現した。

　特殊フィルタを搭載した『STAR-3312N』においても、フラックスの使用量や基板生産温度に応じて機構を清掃する必要があるが、その頻度は一般的なリフロー炉と比べると軽減できる。

 

9.おわりに

　以上ご紹介したように、この『STAR-3312N』は様々な特徴を有し、これまでのリフロー装置では解決が難しかった課題をクリアし、生産性の向上に貢献する画期的な製品となっている。

　この『STAR-3312N』は、2019年1月16日（水） 〜18日（金）に、東京ビッグサイトで開催される「第48回 ネプコン ジャパン」において、当社のブースでパネル展示を行うので、ぜひご来場いただき、その技術の詳細をご覧いただきたい。