加熱爐以及加熱爐的加熱方法

2023-09-23 02:39:30 3

專利名稱：加熱爐以及加熱爐的加熱方法
技術領域：
本發明涉及輻射並加熱被加熱體的加熱爐以及加熱爐的加熱方法。 更詳細地說，涉及避免著火且提高安全性的加熱爐以及加熱爐的加熱方 法。
背景技術：
一直以來，在將用於IGBT (絕緣門型場效應電晶體)元件等功率 模塊的半導體元件經焊錫接合到基板上的焊接工序中，採用將處理室即 腔室內形成為氫氣氛，且對氣氛進行減壓並處理的方法(例如，專利文 獻l)。
作為典型的氫減壓爐，具有圖5所示的結構。即，氫減壓加熱爐卯 具有收納被加熱體10的處理室1、收納成為加熱源的加熱燈25的加 熱室2、隔離被加熱體10和加熱室2的石英板3。此外，在處理室l中 設有用於向處理室1內導入氫氣或者氫氣與惰性氣體的混合氣體的導 入口 11;用於排出處理室1內的氣體的排出口 12。在氫減壓爐卯中， 被加熱體IO由加熱燈25發出的輻射線(紅外線等)而被輻射加熱。
具有這樣將加熱燈與被加熱體隔離開的結構的氫減壓爐，與將加熱 燈配置在處理室內的結構相比，具有如下優點。
(1) 氬氣或者氫氣和惰性氣體的混合氣體，與作為點火源的加熱 燈隔離開。
(2) 防止在減壓下加熱時的加熱燈放電。
(3) 可以不汙染處理室內地更換加熱燈(容易維護)。
(4) 降低處理室的容積(抑制氣體使用量)。
(5) 防止雜質(焊錫所包含的助熔劑等)向加熱燈附著。
(6) 抑制由來自加熱燈的雜質(塗覆在加熱燈的表面上的反射膜
4等)引起的處理室的汙染。
專利文獻1:日本特開2005-205418號7>才艮
然而，在上述的現有的氫減壓爐卯中存在以下問題。即，石英板3 由0型環等密封件31被密封，且該密封件31隨著時間而會老化。密封 件31因該老化而破損，從而變得密封不夠。並且，通過密封件31破損， 而使氫氣或者氫氣和惰性氣體的混合氣體急劇地從處理室1向加熱燈 25的周邊流入，加熱燈25會變為點火源。

發明內容
本發明是為了解決上述的現有加熱爐具有的問題而做出的.即，其 該課題在於，提供一種避免著火且提高安全性的加熱爐以及加熱爐的加 熱方法。
以解決該課題為目的的加熱爐，是一種對被加熱體進行輻射加熱的 加熱爐，其特徵在於，具備笫一室，其收納被加熱體，且具有氣體的 導入口以及排出口；第二室，其與第一室相鄰，且收納加熱源，並具有 氣體的導入口以及排出口；隔離部件，其將第一室和第二室隔離開，且 來自上述加熱源的輻射線穿過該隔離部件，其中，第一室以及第二室的 氣氛以及氣氛壓力，能夠通過經由導入口以及排出口的氣體的進出而變 化。
本發明的加熱爐，第一室與笫二室相鄰，來自第二室內的加熱源的 輻射線穿過將兩室隔開的隔離部件而被被加熱體吸收，由此被加熱體被 加熱。在第一室以及第二室均設有氣體的導入口以及排出口，可以導入 以及排出氣體。即，兩室均通過真空吸引和氣體的供給，而可以進行氣 氛的置換和氣氛壓力的調節.
為此，例如通過在進行被加熱體的加熱處理前對兩室內進行真空吸 引，而除去兩室內的氧氣。然後，將第二室的氣氛置換為氮氣。由此， 第二室變為惰性氣氛，而且將氫氣著火條件之一的氧氣濃度抑制得較 低。由此能夠避免著火。
此外，本發明的加熱爐更優選為，在進行被加熱體的加熱處理時， 第二室的氣氛壓力高於第一室的氣氛壓力。即，向第二室內導入惰性氣
5體(例如氮氣)。其結果，第二室變為氣氛壓力比第一室高的狀態。由
此，假使密封第一室與第二室之間的!司隙的密封件破損了，也能夠抑制 進行加熱處理時第一室內的氫氣向第二室的急劇的流入。由此，在第二 室中，不會造成氫氣與點火源混合存在的狀態，從而能夠避免著火。
此外，本發明的加熱爐優選為，在進行被加熱體的加熱處理時，形 成從第二室的導入口朝向排出口流動的惰性氣體的氣流。即，在第二室 內進行惰性氣體的吹送處理。通過該吹送處理，抑制第二室內的氣氛溫 度的上升。伴隨於此，也可抑制隔離部件的溫度上升。第一室內的最高 溫度部位是隔離部件，因此在第一室內也抑制溫度上升，不會造成著火 條件之一的點火源(41ot:以上)，能夠避免在第一室的著火。
此外，本發明的加熱爐優選為具備氣體檢測部，其位於第二室內或 者從第二室排出的氣體的排出路徑上，且檢測被導入到笫 一 室的氣體即 第一氣體，在通過氣體檢測部檢測到第一氣體為規定值以上的情況下， 進行安全控制以抑制第二室內的第一氣體的含有量的上升。
即，通過氣體檢測部檢測在第二室內包含的第一氣體(例如氫氣)。 然後，在檢測出規定值以上的情況下，進行安全控制以抑制第二室內的 第一氣體的含有量的上升。作為安全控制，例如停止第一氣體向第一室 的導入即可。此外，提高被導入到第二室內的惰性氣體的流速也可。由 此，能夠抑制第二室內的第一氣體的濃度，避免著火。
此外，本發明的加熱爐優選為具備第一壓力計，其測量第一室的 氣氛壓力；第二壓力計，其測量第二室的氣氛壓力；控制部，其基於第 一壓力計的測量結果與第二壓力計的測量結果，來控制第一室的氣氛壓 力與第二室的氣氛壓力，其中，控制部進行控制，以使在進行被加熱體 的加熱處理時，第二室的氣氛壓力高於第一室的氣氛壓力，並將第一室 的氣氛壓力與第二室的氣氛壓力的壓力差成為規定值以下。
即，通過控制部將第一室與第二室之間的氣氛壓力維持在壓力差小 的狀態。由此，能夠降低隔離部件的應力負荷，且將隔離部件的厚度變 薄。由此，縮短加熱源與被加熱體之間的距離，提高加熱效率。此外， 能夠實現隔離部件自身的成本降低。此外，由於隔離部件的吸收能量減 少，所以可抑制隔離部件的溫度上升。此外，本發明還包括加熱爐的加熱方法，該加熱爐對被加熱體進行
輻射加熱，且具備第一室，其收納被加熱體；第二室，其與笫一室相 鄰，且收納加熱源；隔離部件，其將第一室和第二室隔離開，以使來自 加熱源的輻射線穿過該隔離部件，該加熱方法的特徵在於，包括準備 步驟，其在將被加熱體搬入到第一室內之前，將第二室內置換為惰性氣 體的氣氛，且使第二室的氣氛壓力提高到高於大氣壓；減壓步驟，其在 被加熱體被搬入到笫一室內之後，對第一室的氣氛進行減壓以達到規定 的壓力；加熱步驟，其在對第一室內進行減壓之後，進行加熱以使被加 熱體的溫度達到規定的溫度。
此外，加熱爐的加熱方法優選包括氣流吹送控制步驟，其將第二室 保持在規定的氣氛壓力，同時形成從第二室的導入口朝向排出口流動的 惰性氣體的氣流。
此外，上述的加熱爐的加熱方法優選包括壓力差控制步驟，其以使 上述第二室的氣氛壓力高於第一室的氣氛壓力，並且使第一室與第二室 之間的氣氛壓力的壓力差達到規定值以下的方式，與第一室內的氣氛壓 力的變化連動地控制各室的氣氛壓力。
根據本發明，可實現避免著火且提高安全性的加熱爐以及加熱爐的 加熱方法。


圖l是表示實施方式的氫減壓爐的構成的圖。
圖2是表示以圖1的氫減壓爐為中心的加熱控制系統的構成的圖。 圖3是表示在焊接工序中的溫度以及壓力的分布的曲線圖。 圖4是表示處理室與加熱室獨立形成的氫減壓爐的構成的圖。 圖5表示以往實施方式涉及的氫減壓爐的構成的圖。
具體實施例方式
以下，針對將本發明涉及的加熱爐具體化了的實施方式，參照附圖 進行詳細說明。本實施方式是將本發明適用於在IGBT元件與陶瓷基板 的焊接工序中利用的氫減壓爐的例子。[氫減壓爐的構成]
本實施方式的氳減壓爐100，如圖1所示，具有收納被加熱體10， 並用於被加熱體10的焊接處理的處理室1;收納成為被加熱源的加熱燈 25的加熱室2;將被加熱體10與加熱燈25隔離開的石英板3;在處理 室1內變為規定值以上的氣氛壓力時被打開的安全閥4。在氫減壓爐100 中，被加熱體10通過從加熱燈25被放射出的輻射線而被輻射並加熱。
被加熱體10由IGBT元件、陶資基板、以及將IGBT元件和陶瓷基 板接合的焊錫條構成。IGBT元件是利用公知的半導體製造技術形成的。 作為焊錫，是實質上不含鉛的無鉛焊錫(本實施方式中是Sn-In、 Sn-Cu-Ni、 Sn-Cu-Ni-P、 Sn-Ag-Cu等)。被加熱體10通過未圖示的保 持部來保持被加熱體10的端部。
此外，在處理室l設有用於向處理室1內供給氫氣或者氫氣和惰 性氣體的混合氣體(在本實施方式中為氮氣)的導入口 11;排出處理室 1內的氣體的排出口 12;測定被加熱體10的溫度的溫度計14。
此外，在加熱室2設有用於向加熱室2內導入惰性氣體(在本實 施方式中為氮氣)的導入口 21;排出加熱室2內的氣體的排出口 22; 放射規定的波長區域的輻射線(在本實施方式中為紅外線)的加熱燈25 (在本實施方式中為卣素燈)；反射從加熱燈25放射的輻射線，且具有 置物面的反射板26。反射板26以將來自加熱燈25的輻射線朝向處理室 l反射的方式被配置。
此外，石英板3是長度為400m、寬度為400mm、厚度為10mm的 石英玻璃板，且位於處理室l和加熱室2之間而將兩室隔離開。石英板 3具有使從加熱燈25放射出的輻射線穿過的功能。此外，石英板3的端 部由在處理室1以及加熱室2的壁面上設置的保持部13、 23來保持， 該保持部13、 23與石英板3之間的間隙被0型環31密封。由此，處理 室1和加熱室2之間保持氣密性。
接著，針對利用了本實施方式的加熱控制系統的焊接工序的動作順 序進行說明。以下，以第一實施方式為基本例，以第二實施方式為應用 例，i^明兩個動作順序。
首先，作為將工件即被加熱體10搬入之前的運轉前準備，對處理
9室1以及加熱室2的兩室進行氮氣置換(步驟l)。即，通過泵73對兩 室進行真空吸引。其後，將氮氣導入到兩室。由此，將兩室內的氧氣除 去直至氧氣濃度達到10ppm以下，從而兩室變為氮氣氣氛。
接著，在以能夠將加熱室2內的氣氛壓力保持在l.latm的方式調節 洩壓閥74，同時將20升/min的氮氣導入到加熱室2 (步驟2)。由此， 在加熱室2內，形成氮氣氣體從導入口 21向排出口 22吹送流動的氣流 (以下將本處理稱為"氮氣吹送(blow)處理")。通過該步驟2，完成 運轉前準備，從兩室內除去了氧氣，並成為加熱室2內的氣氛壓力高於 大氣壓的狀態。
接著，轉移到焊接處理，並進行下一個動作。首先，將被加熱體IO 搬入到處理室1內(步驟3)。其後，將處理室1內的氣氛從氮氣置換為 氫氣(步驟4)。即，通過泵73對處理室l進行真空吸引。其後，向處 理室l導入氫氣。由此，處理室l變為氫氣氣氛。
接著，打開加熱燈25，對被加熱體10加熱直至焊錫的熔點(焊接
的固相線溫度235x:)以下的預熱目標溫度(本實施方式中為200x:)，
其後，對加熱燈25進行開閉，而將該溫度保持規定時間(步驟5)。通 過該預備加熱來淨化被加熱體10的表面。
接著，才艮據焊錫內的氣泡壓縮等理由，處理室1內減壓到2kPa(步 驟6)。由此，處理室1內的氣氛壓力變得大幅度地小於加熱室2的氣氛 壓力。其後，將被加熱體10加熱到焊錫的熔點(焊接的液相線溫度240 ■C )以上的到達目標溫度(本實施方式中為280C )(步驟7)。通過該 正式加熱，焊錫被熔融而潤開擴展到規定的面積。
其後，關閉加熱燈25，將處理室1內再次置換為氮氣，將處理室l 內恢復到大氣壓(步驟8)。其後，將被加熱體10冷卻到室溫附近，使 焊錫固化，結束焊接處理。其後，搬出被加熱體IO。這樣，在焊接處理 (步驟3 步驟8)時，加熱室2的氣氛壓力被維持在高於處理室1的氣 氛壓力的狀態。
另外，氮氣吹送處理中，由氫氣檢測器78檢測氫氣的流量。即， 判斷被導入到處理室1中的氫氣是否漏到加熱室2中。在檢測到規定值 以上的氫氣時，進行安全控制以抑制加熱室2內的氫氣含有量上升。由此，即使有微量的氫氣流入到加熱室2內，也可以避免著火.
作為安全控制，例如，通過將加熱燈25非常停止，而消除點火源 的存在來實現。或者，通過提高氮氣吹送處理中的氮氣的流量而清除加 熱室2內的氫氣來實現。即，使得不造成氫氣和點火源共存的條件。
如以上詳細的說明那樣，本實施方式的焊接工序中，作為運轉前準 備對兩室內進行真空吸引，除去兩室內的氧氣(步驟l)。並且，將兩室 的氣氛置換為氮氣。由此，特別是在加熱室2內，成為惰性氣氛，並且 將氧氣濃度抑制得較低。由此能夠避免著火.
此外，在本實施方式中，在進行被加熱體10的加熱處理時，加熱 室2的氣氛壓力高於處理室1的氣氛壓力。即，在加熱室2中，通過向 加熱室2內導入氮氣而將氣氛壓力提高(步驟2)。另一方面，在處理室 l中，以減壓後的狀態進行加熱處理(步驟6).由此，在進行被加熱體 IO的加熱處理時，加熱室2相對於處理室1為正壓。由此，假使密封件 31破損，也可以抑制處理室1內的氫氣向加熱室2的急劇的流入。由此， 在加熱室2中，不會造成氫氣和點火源混合存在的狀態，從而能夠避免 著火。
此外，在本實施方式中，在進行被加熱體10的加熱處理時，進行 氮氣吹送處理(步驟2)。通過該氮氣吹送處理，可抑制加熱室2內的氣 氛溫度的上升。伴隨於此，石英板3的溫度上升也被抑制。由於處理室 1內的最高溫度部位是石英板3的表面，所以即使在處理室1內溫度上
升也被抑制，也不會造成著火條件之一的點火源Uior以上)，從而能
夠避免著火。
此外，在本實施方式中，將加熱室2內的氧氣除去直到10ppm以下。 因此，能夠抑制加熱燈25的氧化帶來的老化。特別是，在本實施方式 中，由於利用滷素燈，所以加熱燈25的密封件的氧化對加熱器的壽命 影響很大。因此，抑制氧化對延長壽命特別有效。
在本實施方式的焊接工序中，使加熱室2的氣氛壓力追隨處理室1 的氣氛壓力的變動，並且相對處理室1總是為正壓的方式控制各室的氣 氛壓力。在這點上，與不進行精細的壓力控制的第一實施方式不同。以下，基於圖3所示的溫度以及壓力的分布曲線圖，對於本實施方 式的焊接處理的動作進行說明。另外，運轉前準備的動作與第一實施方 式相同。
首先，在被加熱體10從搬入時開始到時間tO期間，作為預備加熱， 將被加熱體10加熱到預熱目標溫度。此期間，加熱室2內被保持為高 於處理室l的氣氛壓力。此外，通過氮氣吹送處理，加熱室2內的氣氛 總是被更新。因此，可抑制加熱室2內的氣氛溫度以及石英板3的溫度 的上升。
接著，從時間tO到時間tl，處理室1內的氣氛被減壓到lkPa.此 時，加熱室2內也停止氮氣吹送處理，以兩室的壓力差不超過lkPa的 方式與減壓時刻相配合地減壓到2kPa。另外，各室的壓力，通過壓力 計71、 72被測量出，基於該測量結果，通過控制部5控制各室的壓力。 具體來說，壓力上升時的壓力控制通過質量流量控制器61、 62進行， 壓力下降時的壓力控制通過真空閥75、 76、 77的開閉來進行。
接著，從時間tl到時間t2，作為正式加熱，將被加熱體10加熱至 到達目標溫度。此期間，通過加熱，處理室1內的溫度慢慢地上升。因 此，根據需要進行處理室1內的真空吸引，以與加熱室2的壓力差不超 過lkPa的方式進行微調。
在時間t2之後，加熱燈25關閉，向兩室內導入氮氣，處理室l內 返回到大氣壓。此時，以加熱室2與處理室l之間的壓力差不超過lkPa 的方式控制氮氣供給量。其後，將被加熱體10冷卻到室溫附近，且使 焊錫固化，結束焊接處理。其後，搬出被加熱體IO。
在本實施方式的焊接工序中，通過控制部5的壓力控制，將處理室 l與加熱室2的氣氛壓力的壓力差維持為不超過lkPa。由此，能夠降低 對石英板3的應力負荷，且將石英板3的厚度變薄。即，雖然在第一實 施方式中需要有10mm左右的厚度，但是在本實施方式中能夠使厚度薄 至5mm左右。由此，加熱燈25與被加熱體10之間的距離被縮短，加 熱效率提高。此外，能夠實現石英板3本身的成本降低。此外，由於減 少石英板3的吸收能量，所以可抑制石英板3的溫度上升。
另外，本實施方式只不過是例示，對本發明沒有任何限定。因此，
12本發明自然可以在不脫離其要領的範圍內進行種種改進、變形。例如，
在本實施方式中，處理室l與加熱室2是一體的腔室，在內部由石英板 3而被隔離開，但是不僅限於此。例如，如圖4所示那樣，也可以是在 處理室1內安裝可減壓的加熱箱20的結構。即，處理室1與加熱室2 也可以是單獨的結構。
此外，壓力計71、 72和氫氣檢測器78，配置在處理室l和加熱室 2的外側，但是不僅限於此。即，也可以配置在處理室1和加熱室2的 夕卜側。
此外，加熱源25不限於卣素燈，也可以是碳加熱器、陶瓷加熱器 等。將處理室1和加熱室2隔離開的隔離部件，不限於石英板，也可以 是透明陶瓷等。
此外，被加熱體IO，除了 IGBT元件等的功率IC和陶瓷基板外， 只要是阻抗元件、電容元件、印刷基板等在氫減壓爐中被加熱處理的部 件即可，不進行限定。此外，焊錫的種類也不限定於無鉛焊錫。
權利要求
1.一種加熱爐，對被加熱體進行輻射加熱，其特徵在於，具備第一室，其收納被加熱體，且具有氣體的導入口以及排出口；第二室，其與上述第一室相鄰，且收納加熱源，並具有氣體的導入口以及排出口；隔離部件，其將上述第一室和上述第二室隔離開，且來自上述加熱源的輻射線穿過該隔離部件，上述第一室以及上述第二室的氣氛以及氣氛壓力，能夠通過經由導入口以及排出口的氣體的進出而變化。
2. 根據權利要求l所述的加熱爐，其特徵在於，在進行被加熱體的加熱處理時，使上述第二室的氣氛壓力高於上述第一室的氣氛壓力。
3. 根據權利要求1或2所述的加熱爐，其特徵在於，在進行上述第一室的加熱處理時，形成從上述第二室的導入口朝向排出口流動的惰性氣體的氣流。
4. 根據權利要求l-3中任一項所述的加熱爐，其特徵在於，具備氣,測部，其位於上述第二室內或者從上述第二室排出的氣體的排出路上，且檢測被導入到上述第一室的氣體即第一氣體，在通過上述氣體檢測部檢測到第一氣體為規定值以上的情況下，進行安全控制以抑制上述第二室內的第一氣體的含有量的上升。
5. 根據權利要求4所述的加熱爐，其特徵在於，上述安全控制為停止第一氣體向上述第一室的導入。
6. 根據權利要求4所述的加熱爐，其特徵在於，上述安全控制為提高被導入到上述第二室的惰性氣體的流速。
7. 根據權利要求1 6中任一項所述的加熱爐，其特徵在於，具備第一壓力計，其測量上述第一室的氣氛壓力；第二壓力計，其測量上述第二室的氣氛壓力；控制部，其基於上述第一壓力計的測量結果與上述第二壓力計的測量結果，來控制上述第一室的氣氛壓力與上述第二室的氣氛壓力，上述控制部進行控制，以使在進行被加熱體的加熱處理時，上述第二室的氣氛壓力高於上述第一室的氣氛壓力，並^Jl述第一室的氣氛壓力與上述第二室的氣氛壓力之間的壓力差成為規定值以下。
8. —種加熱爐的加熱方法，該加熱爐對被加熱體進行輻射加熱，且具備第一室，其收納被加熱體；第二室，其與上述第一室相鄰，且收納加熱源；隔離部件，其將上述第一室和上述第二室隔離開，且來自上述加熱源的輻射線穿過該隔離部件，該加熱方法的特徵在於，包括準備步驟，其在將被加熱體搬入到上述笫一室內之前，將上述第二室內置換為惰性氣體的氣氛，且將上述第二室的氣氛壓力提高到高於大氣壓；減壓步驟，其在被加熱體被搬入到上述第一室內之後，對上述第一室的氣氛進行減壓以達到規定的壓力；加熱步驟，其在對上述第一室內進行減壓之後，進行加熱以使被加熱體的溫度達到規定的溫度。
9. 根據權利要求8所述的加熱爐的加熱方法，其特徵在於，包括氣流吹送控制步驟，其將上述第二室保持在規定的氣氛壓力，同時形成從上述第二室的導入口朝向排出口流動的惰性氣體的氣流。
10. 根據權利要求8所述的加熱爐的加熱方法，其特徵在於，包括壓力差控制步驟，其以使上述第二室的氣氛壓力高於上述第一室的氣氛壓力，且使上述第一室與上述第二室之間的氣氛壓力的壓力差達到規定值以下的方式，與上述第一室內的氣氛壓力的變化連動地控制各室的氣氛壓力。
全文摘要
一種加熱爐以及加熱爐的加熱方法，其中氫減壓爐(100)具有收納被加熱體(10)的處理室(1)；收納加熱燈(25)的加熱室(2)；將被加熱體(10)與加熱燈(25)隔離開的石英板(3)。在氫減壓爐(100)中，被加熱體(10)通過來自加熱燈(25)的輻射線而被輻射加熱。在處理室(1)和加熱室(2)中均設有氣體的導入口(11、21)以及排出口(12、22)，從而可以導入以及排出氣體。並且，在進行被加熱體(10)的加熱處理時，通過氣體的進出來調節各室的氣氛壓力，以使加熱室(2)相對處理室(1)變為正壓。
文檔編號F27D19/00GK101600926SQ200880003700
公開日2009年12月9日 申請日期2008年8月6日 優先權日2007年8月10日
發明者久保田友幸, 大井宗太郎, 松浦昌也, 鶴田昌也 申請人:豐田自動車株式會社;平田機工株式會社