加热炉以及加热炉的加热方法.pdf

一种加热炉以及加热炉的加热方法，其中氢减压炉(100)具有：收纳被加热体(10)的处理室(1)；收纳加热灯(25)的加热室(2)；将被加热体(10)与加热灯(25)隔离开的石英板(3)。在氢减压炉(100)中，被加热体(10)通过来自加热灯(25)的辐射线而被辐射加热。在处理室(1)和加热室(2)中均设有气体的导入口(11、21)以及排出口(12、22)，从而可以导入以及排出气体。并且，在进行被加热体(10)的加热处理时，通过气体的进出来调节各室的气氛压力，以使加热室(2)相对处理室(1)变为正压。

1.  一种加热炉，对被加热体进行辐射加热，其特征在于，
具备：
第一室，其收纳被加热体，且具有气体的导入口以及排出口；
第二室，其与上述第一室相邻，且收纳加热源，并具有气体的导入口以及排出口；
隔离部件，其将上述第一室和上述第二室隔离开，且来自上述加热源的辐射线穿过该隔离部件，
上述第一室以及上述第二室的气氛以及气氛压力，能够通过经由导入口以及排出口的气体的进出而变化。

2.  根据权利要求1所述的加热炉，其特征在于，在进行被加热体的加热处理时，使上述第二室的气氛压力高于上述第一室的气氛压力。

3.  根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征在于，在进行上述第一室的加热处理时，形成从上述第二室的导入口朝向排出口流动的惰性气体的气流。

4.  根据权利要求1～3中任一项所述的加热炉，其特征在于，
具备气体检测部，其位于上述第二室内或者从上述第二室排出的气体的排出路上，且检测被导入到上述第一室的气体即第一气体，
在通过上述气体检测部检测到第一气体为规定值以上的情况下，进行安全控制以抑制上述第二室内的第一气体的含有量的上升。

5.  根据权利要求4所述的加热炉，其特征在于，上述安全控制为停止第一气体向上述第一室的导入。

6.  根据权利要求4所述的加热炉，其特征在于，上述安全控制为提高被导入到上述第二室的惰性气体的流速。

7.  根据权利要求1～6中任一项所述的加热炉，其特征在于，
具备：
第一压力计，其测量上述第一室的气氛压力；
第二压力计，其测量上述第二室的气氛压力；
控制部，其基于上述第一压力计的测量结果与上述第二压力计的测量结果，来控制上述第一室的气氛压力与上述第二室的气氛压力，
上述控制部进行控制，以使在进行被加热体的加热处理时，上述第二室的气氛压力高于上述第一室的气氛压力，并使上述第一室的气氛压力与上述第二室的气氛压力之间的压力差成为规定值以下。

8.  一种加热炉的加热方法，该加热炉对被加热体进行辐射加热，且具备：第一室，其收纳被加热体；第二室，其与上述第一室相邻，且收纳加热源；隔离部件，其将上述第一室和上述第二室隔离开，且来自上述加热源的辐射线穿过该隔离部件，该加热方法的特征在于，包括：
准备步骤，其在将被加热体搬入到上述第一室内之前，将上述第二室内置换为惰性气体的气氛，且将上述第二室的气氛压力提高到高于大气压；
减压步骤，其在被加热体被搬入到上述第一室内之后，对上述第一室的气氛进行减压以达到规定的压力；
加热步骤，其在对上述第一室内进行减压之后，进行加热以使被加热体的温度达到规定的温度。

9.  根据权利要求8所述的加热炉的加热方法，其特征在于，包括气流吹送控制步骤，其将上述第二室保持在规定的气氛压力，同时形成从上述第二室的导入口朝向排出口流动的惰性气体的气流。

10.  根据权利要求8所述的加热炉的加热方法，其特征在于，包括压力差控制步骤，其以使上述第二室的气氛压力高于上述第一室的气氛压力，且使上述第一室与上述第二室之间的气氛压力的压力差达到规定值以下的方式，与上述第一室内的气氛压力的变化连动地控制各室的气氛压力。

加热炉以及加热炉的加热方法
技术领域
本发明涉及辐射并加热被加热体的加热炉以及加热炉的加热方法。更详细地说，涉及避免着火且提高安全性的加热炉以及加热炉的加热方法。
背景技术
一直以来，在将用于IGBT(绝缘门型场效应晶体管)元件等功率模块的半导体元件经焊锡接合到基板上的焊接工序中，采用将处理室即腔室内形成为氢气氛，且对气氛进行减压并处理的方法(例如，专利文献1)。
作为典型的氢减压炉，具有图5所示的结构。即，氢减压加热炉90具有：收纳被加热体10的处理室1、收纳成为加热源的加热灯25的加热室2、隔离被加热体10和加热室2的石英板3。此外，在处理室1中设有：用于向处理室1内导入氢气或者氢气与惰性气体的混合气体的导入口11；用于排出处理室1内的气体的排出口12。在氢减压炉90中，被加热体10由加热灯25发出的辐射线(红外线等)而被辐射加热。
具有这样将加热灯与被加热体隔离开的结构的氢减压炉，与将加热灯配置在处理室内的结构相比，具有如下优点。
(1)氢气或者氢气和惰性气体的混合气体，与作为点火源的加热灯隔离开。
(2)防止在减压下加热时的加热灯放电。
(3)可以不污染处理室内地更换加热灯(容易维护)。
(4)降低处理室的容积(抑制气体使用量)。
(5)防止杂质(焊锡所包含的助熔剂等)向加热灯附着。
(6)抑制由来自加热灯的杂质(涂覆在加热灯的表面上的反射膜等)引起的处理室的污染。
专利文献1：日本特开2005-205418号公报
然而，在上述的现有的氢减压炉90中存在以下问题。即，石英板3由O型环等密封件31被密封，且该密封件31随着时间而会老化。密封件31因该老化而破损，从而变得密封不够。并且，通过密封件31破损，而使氢气或者氢气和惰性气体的混合气体急剧地从处理室1向加热灯25的周边流入，加热灯25会变为点火源。
发明内容
本发明是为了解决上述的现有加热炉具有的问题而做出的。即，其该课题在于，提供一种避免着火且提高安全性的加热炉以及加热炉的加热方法。
以解决该课题为目的的加热炉，是一种对被加热体进行辐射加热的加热炉，其特征在于，具备：第一室，其收纳被加热体，且具有气体的导入口以及排出口；第二室，其与第一室相邻，且收纳加热源，并具有气体的导入口以及排出口；隔离部件，其将第一室和第二室隔离开，且来自上述加热源的辐射线穿过该隔离部件，其中，第一室以及第二室的气氛以及气氛压力，能够通过经由导入口以及排出口的气体的进出而变化。
本发明的加热炉，第一室与第二室相邻，来自第二室内的加热源的辐射线穿过将两室隔开的隔离部件而被被加热体吸收，由此被加热体被加热。在第一室以及第二室均设有气体的导入口以及排出口，可以导入以及排出气体。即，两室均通过真空吸引和气体的供给，而可以进行气氛的置换和气氛压力的调节。
为此，例如通过在进行被加热体的加热处理前对两室内进行真空吸引，而除去两室内的氧气。然后，将第二室的气氛置换为氮气。由此，第二室变为惰性气氛，而且将氢气着火条件之一的氧气浓度抑制得较低。由此能够避免着火。
此外，本发明的加热炉更优选为，在进行被加热体的加热处理时，第二室的气氛压力高于第一室的气氛压力。即，向第二室内导入惰性气体(例如氮气)。其结果，第二室变为气氛压力比第一室高的状态。由此，假使密封第一室与第二室之间的间隙的密封件破损了，也能够抑制进行加热处理时第一室内的氢气向第二室的急剧的流入。由此，在第二室中，不会造成氢气与点火源混合存在的状态，从而能够避免着火。
此外，本发明的加热炉优选为，在进行被加热体的加热处理时，形成从第二室的导入口朝向排出口流动的惰性气体的气流。即，在第二室内进行惰性气体的吹送处理。通过该吹送处理，抑制第二室内的气氛温度的上升。伴随于此，也可抑制隔离部件的温度上升。第一室内的最高温度部位是隔离部件，因此在第一室内也抑制温度上升，不会造成着火条件之一的点火源(410℃以上)，能够避免在第一室的着火。
此外，本发明的加热炉优选为具备气体检测部，其位于第二室内或者从第二室排出的气体的排出路径上，且检测被导入到第一室的气体即第一气体，在通过气体检测部检测到第一气体为规定值以上的情况下，进行安全控制以抑制第二室内的第一气体的含有量的上升。
即，通过气体检测部检测在第二室内包含的第一气体(例如氢气)。然后，在检测出规定值以上的情况下，进行安全控制以抑制第二室内的第一气体的含有量的上升。作为安全控制，例如停止第一气体向第一室的导入即可。此外，提高被导入到第二室内的惰性气体的流速也可。由此，能够抑制第二室内的第一气体的浓度，避免着火。
此外，本发明的加热炉优选为具备：第一压力计，其测量第一室的气氛压力；第二压力计，其测量第二室的气氛压力；控制部，其基于第一压力计的测量结果与第二压力计的测量结果，来控制第一室的气氛压力与第二室的气氛压力，其中，控制部进行控制，以使在进行被加热体的加热处理时，第二室的气氛压力高于第一室的气氛压力，并将第一室的气氛压力与第二室的气氛压力的压力差成为规定值以下。
即，通过控制部将第一室与第二室之间的气氛压力维持在压力差小的状态。由此，能够降低隔离部件的应力负荷，且将隔离部件的厚度变薄。由此，缩短加热源与被加热体之间的距离，提高加热效率。此外，能够实现隔离部件自身的成本降低。此外，由于隔离部件的吸收能量减少，所以可抑制隔离部件的温度上升。
此外，本发明还包括加热炉的加热方法，该加热炉对被加热体进行辐射加热，且具备：第一室，其收纳被加热体；第二室，其与第一室相邻，且收纳加热源；隔离部件，其将第一室和第二室隔离开，以使来自加热源的辐射线穿过该隔离部件，该加热方法的特征在于，包括：准备步骤，其在将被加热体搬入到第一室内之前，将第二室内置换为惰性气体的气氛，且使第二室的气氛压力提高到高于大气压；减压步骤，其在被加热体被搬入到第一室内之后，对第一室的气氛进行减压以达到规定的压力；加热步骤，其在对第一室内进行减压之后，进行加热以使被加热体的温度达到规定的温度。
此外，加热炉的加热方法优选包括气流吹送控制步骤，其将第二室保持在规定的气氛压力，同时形成从第二室的导入口朝向排出口流动的惰性气体的气流。
此外，上述的加热炉的加热方法优选包括压力差控制步骤，其以使上述第二室的气氛压力高于第一室的气氛压力，并且使第一室与第二室之间的气氛压力的压力差达到规定值以下的方式，与第一室内的气氛压力的变化连动地控制各室的气氛压力。
根据本发明，可实现避免着火且提高安全性的加热炉以及加热炉的加热方法。
附图说明
图1是表示实施方式的氢减压炉的构成的图。
图2是表示以图1的氢减压炉为中心的加热控制系统的构成的图。
图3是表示在焊接工序中的温度以及压力的分布的曲线图。
图4是表示处理室与加热室独立形成的氢减压炉的构成的图。
图5表示以往实施方式涉及的氢减压炉的构成的图。
具体实施方式
以下，针对将本发明涉及的加热炉具体化了的实施方式，参照附图进行详细说明。本实施方式是将本发明适用于在IGBT元件与陶瓷基板的焊接工序中利用的氢减压炉的例子。
[氢减压炉的构成]
本实施方式的氢减压炉100，如图1所示，具有：收纳被加热体10，并用于被加热体10的焊接处理的处理室1；收纳成为被加热源的加热灯25的加热室2；将被加热体10与加热灯25隔离开的石英板3；在处理室1内变为规定值以上的气氛压力时被打开的安全阀4。在氢减压炉100中，被加热体10通过从加热灯25被放射出的辐射线而被辐射并加热。
被加热体10由IGBT元件、陶瓷基板、以及将IGBT元件和陶瓷基板接合的焊锡条构成。IGBT元件是利用公知的半导体制造技术形成的。作为焊锡，是实质上不含铅的无铅焊锡(本实施方式中是Sn-In、Sn-Cu-Ni、Sn-Cu-Ni-P、Sn-Ag-Cu等)。被加热体10通过未图示的保持部来保持被加热体10的端部。
此外，在处理室1设有：用于向处理室1内供给氢气或者氢气和惰性气体的混合气体(在本实施方式中为氮气)的导入口11；排出处理室1内的气体的排出口12；测定被加热体10的温度的温度计14。
此外，在加热室2设有：用于向加热室2内导入惰性气体(在本实施方式中为氮气)的导入口21；排出加热室2内的气体的排出口22；放射规定的波长区域的辐射线(在本实施方式中为红外线)的加热灯25(在本实施方式中为卤素灯)；反射从加热灯25放射的辐射线，且具有置物面的反射板26。反射板26以将来自加热灯25的辐射线朝向处理室1反射的方式被配置。
此外，石英板3是长度为400m、宽度为400mm、厚度为10mm的石英玻璃板，且位于处理室1和加热室2之间而将两室隔离开。石英板3具有使从加热灯25放射出的辐射线穿过的功能。此外，石英板3的端部由在处理室1以及加热室2的壁面上设置的保持部13、23来保持，该保持部13、23与石英板3之间的间隙被O型环31密封。由此，处理室1和加热室2之间保持气密性。
[加热控制系统的构成]
包含本实施方式的氢减压炉100的加热控制系统，如图2所示，具有气体流量控制器(MFC)61、62；各种阀63、64、65、66、67、74、75、76、77；压力计(PG)71、72；泵(P)73；控制各设备的动作的控制部5。
具体来说，氢气(H₂)被导入到处理室1。氢气的导入系统，在氢气的输送方向上按照阀66、质量流量控制器61、阀63的顺序被配置，氢气经由处理室1的导入口11被导入。此外，氮气(N₂)被导入到加热室2。氮气的导入系统，在氮气的输送方向上，按照阀67、质量流量控制器62、阀64的顺序被配置，氮气经由加热室2的导入口21被导入。此外，在质量流量控制器62与阀64之间设有分歧路，且经由阀65而与氢气的导入系统相连。即，在本系统中，氮气能够通过阀65的开闭而导入到处理室1。各气体的导入量由质量流量控制器61、62来调节。
此外，处理室1以及加热室2的气氛由泵73而被吸引。具体来说，处理室1的排气系统，从处理室1的排出口12侧开始按照阀75、77、泵73的顺序被配置。另一方面，加热室2的排气系统，从加热室2的排出口22侧开始按照阀76、77、泵73的顺序被配置。即，泵73以及阀77为处理室1以及加热室2的排气所共用。此外，在加热室2的排出口22的前方配置有泄压阀74，通过泄压阀74的开闭而获得氮气流。
此外，在处理室1的排气系统的、处理室1的排出口12的前方配置有压力计71。由此，测量处理室1内的气氛压力。另一方面，在加热室2的排气系统的、加热室2的排出口22的前方配置有压力计72。由此，测量加热室2内的气氛压力。压力计71、72的测量结果被送到控制部5。
此外，在加热室2的排气系统的、加热室2的排出口22的前方配置有检测氢气的氢气检测器78。由此，检测出加热室2的气氛中的氢气浓度。氢气检测器78的检测结果被送到控制部5。
[焊接顺序]
接着，针对利用了本实施方式的加热控制系统的焊接工序的动作顺序进行说明。以下，以第一实施方式为基本例，以第二实施方式为应用例，说明两个动作顺序。
[第一实施方式]
首先，作为将工件即被加热体10搬入之前的运转前准备，对处理室1以及加热室2的两室进行氮气置换(步骤1)。即，通过泵73对两室进行真空吸引。其后，将氮气导入到两室。由此，将两室内的氧气除去直至氧气浓度达到10ppm以下，从而两室变为氮气气氛。
接着，在以能够将加热室2内的气氛压力保持在1.1atm的方式调节泄压阀74，同时将20升/min的氮气导入到加热室2(步骤2)。由此，在加热室2内，形成氮气气体从导入口21向排出口22吹送流动的气流(以下将本处理称为“氮气吹送(blow)处理”)。通过该步骤2，完成运转前准备，从两室内除去了氧气，并成为加热室2内的气氛压力高于大气压的状态。
接着，转移到焊接处理，并进行下一个动作。首先，将被加热体10搬入到处理室1内(步骤3)。其后，将处理室1内的气氛从氮气置换为氢气(步骤4)。即，通过泵73对处理室1进行真空吸引。其后，向处理室1导入氢气。由此，处理室1变为氢气气氛。
接着，打开加热灯25，对被加热体10加热直至焊锡的熔点(焊接的固相线温度235℃)以下的预热目标温度(本实施方式中为200℃)，其后，对加热灯25进行开闭，而将该温度保持规定时间(步骤5)。通过该预备加热来净化被加热体10的表面。
接着，根据焊锡内的气泡压缩等理由，处理室1内减压到2kPa(步骤6)。由此，处理室1内的气氛压力变得大幅度地小于加热室2的气氛压力。其后，将被加热体10加热到焊锡的熔点(焊接的液相线温度240℃)以上的到达目标温度(本实施方式中为280℃)(步骤7)。通过该正式加热，焊锡被熔融而润开扩展到规定的面积。
其后，关闭加热灯25，将处理室1内再次置换为氮气，将处理室1内恢复到大气压(步骤8)。其后，将被加热体10冷却到室温附近，使焊锡固化，结束焊接处理。其后，搬出被加热体10。这样，在焊接处理(步骤3～步骤8)时，加热室2的气氛压力被维持在高于处理室1的气氛压力的状态。
另外，氮气吹送处理中，由氢气检测器78检测氢气的流量。即，判断被导入到处理室1中的氢气是否漏到加热室2中。在检测到规定值以上的氢气时，进行安全控制以抑制加热室2内的氢气含有量上升。由此，即使有微量的氢气流入到加热室2内，也可以避免着火。
作为安全控制，例如，通过将加热灯25非常停止，而消除点火源的存在来实现。或者，通过提高氮气吹送处理中的氮气的流量而清除加热室2内的氢气来实现。即，使得不造成氢气和点火源共存的条件。
如以上详细的说明那样，本实施方式的焊接工序中，作为运转前准备对两室内进行真空吸引，除去两室内的氧气(步骤1)。并且，将两室的气氛置换为氮气。由此，特别是在加热室2内，成为惰性气氛，并且将氧气浓度抑制得较低。由此能够避免着火。
此外，在本实施方式中，在进行被加热体10的加热处理时，加热室2的气氛压力高于处理室1的气氛压力。即，在加热室2中，通过向加热室2内导入氮气而将气氛压力提高(步骤2)。另一方面，在处理室1中，以减压后的状态进行加热处理(步骤6)。由此，在进行被加热体10的加热处理时，加热室2相对于处理室1为正压。由此，假使密封件31破损，也可以抑制处理室1内的氢气向加热室2的急剧的流入。由此，在加热室2中，不会造成氢气和点火源混合存在的状态，从而能够避免着火。
此外，在本实施方式中，在进行被加热体10的加热处理时，进行氮气吹送处理(步骤2)。通过该氮气吹送处理，可抑制加热室2内的气氛温度的上升。伴随于此，石英板3的温度上升也被抑制。由于处理室1内的最高温度部位是石英板3的表面，所以即使在处理室1内温度上升也被抑制，也不会造成着火条件之一的点火源(410℃以上)，从而能够避免着火。
此外，在本实施方式中，将加热室2内的氧气除去直到10ppm以下。因此，能够抑制加热灯25的氧化带来的老化。特别是，在本实施方式中，由于利用卤素灯，所以加热灯25的密封件的氧化对加热器的寿命影响很大。因此，抑制氧化对延长寿命特别有效。
[第二实施方式]
在本实施方式的焊接工序中，使加热室2的气氛压力追随处理室1的气氛压力的变动，并且相对处理室1总是为正压的方式控制各室的气氛压力。在这点上，与不进行精细的压力控制的第一实施方式不同。
以下，基于图3所示的温度以及压力的分布曲线图，对于本实施方式的焊接处理的动作进行说明。另外，运转前准备的动作与第一实施方式相同。
首先，在被加热体10从搬入时开始到时间t0期间，作为预备加热，将被加热体10加热到预热目标温度。此期间，加热室2内被保持为高于处理室1的气氛压力。此外，通过氮气吹送处理，加热室2内的气氛总是被更新。因此，可抑制加热室2内的气氛温度以及石英板3的温度的上升。
接着，从时间t0到时间t1，处理室1内的气氛被减压到1kPa。此时，加热室2内也停止氮气吹送处理，以两室的压力差不超过1kPa的方式与减压时刻相配合地减压到2kPa。另外，各室的压力，通过压力计71、72被测量出，基于该测量结果，通过控制部5控制各室的压力。具体来说，压力上升时的压力控制通过质量流量控制器61、62进行，压力下降时的压力控制通过真空阀75、76、77的开闭来进行。
接着，从时间t1到时间t2，作为正式加热，将被加热体10加热至到达目标温度。此期间，通过加热，处理室1内的温度慢慢地上升。因此，根据需要进行处理室1内的真空吸引，以与加热室2的压力差不超过1kPa的方式进行微调。
在时间t2之后，加热灯25关闭，向两室内导入氮气，处理室1内返回到大气压。此时，以加热室2与处理室1之间的压力差不超过1kPa的方式控制氮气供给量。其后，将被加热体10冷却到室温附近，且使焊锡固化，结束焊接处理。其后，搬出被加热体10。
在本实施方式的焊接工序中，通过控制部5的压力控制，将处理室1与加热室2的气氛压力的压力差维持为不超过1kPa。由此，能够降低对石英板3的应力负荷，且将石英板3的厚度变薄。即，虽然在第一实施方式中需要有10mm左右的厚度，但是在本实施方式中能够使厚度薄至5mm左右。由此，加热灯25与被加热体10之间的距离被缩短，加热效率提高。此外，能够实现石英板3本身的成本降低。此外，由于减少石英板3的吸收能量，所以可抑制石英板3的温度上升。
另外，本实施方式只不过是例示，对本发明没有任何限定。因此，本发明自然可以在不脱离其要领的范围内进行种种改进、变形。例如，在本实施方式中，处理室1与加热室2是一体的腔室，在内部由石英板3而被隔离开，但是不仅限于此。例如，如图4所示那样，也可以是在处理室1内安装可减压的加热箱20的结构。即，处理室1与加热室2也可以是单独的结构。
此外，压力计71、72和氢气检测器78，配置在处理室1和加热室2的外侧，但是不仅限于此。即，也可以配置在处理室1和加热室2的外侧。
此外，加热源25不限于卤素灯，也可以是碳加热器、陶瓷加热器等。将处理室1和加热室2隔离开的隔离部件，不限于石英板，也可以是透明陶瓷等。
此外，被加热体10，除了IGBT元件等的功率IC和陶瓷基板外，只要是阻抗元件、电容元件、印刷基板等在氢减压炉中被加热处理的部件即可，不进行限定。此外，焊锡的种类也不限定于无铅焊锡。