CH683736A5 - Durchlaufofen zum Reflowlöten von auf Leiterplatten montierten Bauteilen. - Google Patents

Description

1

CH 683 736 A5

2

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchlaufofen zum Reflowlöten von auf Leiterplatten montierten Bauteilen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Durchlauföfen mit einem Transportband mit Auflageelementen für die Leiterplatten sind beispielsweise gemäss der EP-A 0 315 762 bekannt, wobei entlang des Transportbandes oberhalb und/ oder unterhalb der Bandlaufebene Infrarot-Strahler im Abstand dazu angeordnet sind, die mindestens einer Aufheizzone und in Bandlaufrichtung nachfolgend einer Lötzone zugeordnet sind. Um die Temperatur zwischen grossen und kleinen, auf einer Leiterplatte aufzulötenden Bauteilen im Bereich der Lötzone auszugleichen, wird zwischen der Aufheizzone und der Lötzone eine Kühlzone angeordnet, in der eine Zwangskühlung mit einem gasförmigen Medium erfolgt, das mittels eines Gebläses zu in der Kühlzone angeordneten Düsen, im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Transportbandes, strömt.

Abgesehen von den energetisch unwirtschaftlich arbeitenden Kühlzonen, verhindert die Zwangszuführung des Kühlmediums eine gleichmässige Wärmeverteilung und deren Kontrolle, so dass eine genaue Reproduktion der Lötvorgänge erschwert ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik, ist es Aufgabe der Erfindung einen kompakten Infrarot-Durchlaufofen zum Reflowlöten von mit Bauteilen (SMD) bestückten Leiterplatten zu schaffen, bei welchem aufgrund eines vorgegebenen Temperaturprofils ein gleichmässiges, exakt reproduzierbares Aufheizen und Löten auch bei Bestückung mit unterschiedlich grossen Bauteilen gewährleistet ist, wobei gleichzeitig die Temperaturspitzen gering gehalten und zusätzlich ausgeglichen werden sollen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein geschlossener regelbarer Gaskreislauf in jeder Kassette gewährleistet aufgrund des vorgegebenen Temperaturprofils gleichmässigeund exakt reproduzierbare Zustände in den Aufheiz- und den Lötzonen des Wärmebehandlungsraumes des Durchlaufofens.

Der regelbare Gaskreislauf gewährleistet zusätzlich auch in den Randzonen der Kassette gleiche Temperatur, so dass eine optimale Ausnützung der Arbeitsbreite des Wärmebehandlungsraumes möglich ist.

Jede Infrarot-Kassette ermöglicht es, den Wärmebehandlungsraum in eine Infrarotzone und in eine Konvektions-/lnfrarotzone einzuteilen, indem durch zwei oberhalb des Transportbandes übereinander horizontal angeordnete gegeneinander verschiebbare Lochplatten diese Bereiche stufenlos eingestellt werden können.

Ein Vorteil dieser Aufteilung des Wärmebehandlungsraumes innerhalb einer Kassette besteht darin, dass bei etwa gleichem Platzbedarf wie bei den üblichen Durchiauföfen bei Verwendung beispielsweise von sechs lnfrarot-/Konvektions-Kassetten anstelle der üblichen zwölf (oben 6 + unten 6) achtzehn Infrarot-, Konvektions- und Heizzonen (oben

6 + 6 + unten 6) im Durchlaufofen gebildet werden, so dass eine bessere Temperatur-Abstufung der Aufheiz- und Lötzonen möglich ist.

Gegenüber den Infrarot-Kassetten ohne Lochplatten ermöglicht die Aufteilung des Wärmebehandlungsraumes jeder Kassette in eine Infrarot- und eine Konvektions-/lnfrarotzone bei den auf die Leiterplatten aufzulötenden SMD-Bauteiien unterschiedlicher Grösse, jeweils in der Infrarotzone zwischen den grossen Bauteilen und den auf Wärme höher beanspruchten kleinen Bauteilen entstandene Temperaturdifferenzen in der Konvektions-/lnfrarot-zone der nachfolgenden Kassette noch besser auszugleichen.

Im folgenden werden anhand schematischer Zeichnungen Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Durchlaufofens mit sechs Kassetten;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungs-gemässe lnfrarot-/Konvektions-Kassette;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungs-gemässe Infrarot-Kassette.

Ein Durchlaufofen 10 weist ein auf einem Ständer 16 angeordnetes umlaufendes Transport-Gitterband 20 auf, welches am Eintritt 11 und am Austritt 12 über jeweils zwei Umienkrollen 24 und in der unteren Ebene über weitere zwei Umlenkrollen 24 mit einer dazwischen angeordneten Spann-/An-triebswalze 22 geführt ist. Durch einen an der Spann-/Antriebswalze 22 angeordneten, drehzahlgeregelten Gleichstrommotor ist die Durchlaufgeschwindigkeit des Transport-Gitterbandes 20 stufenlos regelbar. Die Durchlaufgeschwindigkeit beträgt 0,3 bis 1,0 m/min, vorzugsweise 0,6 m/min.

Der Durchlaufofen ist beispielsweise für die Aufnahme von sechs als lnfrarot-/Konvektions-Kasset-ten 30/1 bis 30/6 ausgebildete Heizeinheiten ausgelegt, wobei zwischen der ersten und zweiten bzw. der fünften und sechsten Kassette 30/1 und 30/2 bzw. 30/5 und 30/6 jeweils eine Inertgas-Düsen-Einspritzung 28, sowie eine Sichtkontrolle 18 mit Beleuchtung vorgesehen sind. Zwischen der zweiten und dritten bzw. der vierten und fünften IR-/Konvektions-Kassette 30/2 und 30/3 bzw. 30/4 und 30/5 oberhalb und unterhalb des Transport-Gitterbandes 20 sind Lötdampf-Absaugungen 26, 26' angeordnet. Der Wärmebehandlungsraum 72 (Fig. 2) des Durchlaufofens 10 ist in sechs Bestrahlungsräume 72/1 bis 72/6 durch die IR-/Kon-vektions-Kassetten 30/1 bis 30/6 gebildet, wobei jede Kassette 30/1 bis 30/6 eine Infrarotzone B1 bis B6 und eine Konvektions-Infrarotzone A1 bis A6 aufweist, deren Bereiche voneinander abhängig durch zwei oberhalb des Transport-Gitterbandes 20 übereinander horizontal angeordnete und gegeneinander verschiebbare Lochplatten 61, 62 stufenlos einstellbar sind. Unterhalb des Transport-Gitterbandes 20 jeder Kassette 30/1 bis 30/6 ist eine Heizzone, vorzugsweise Infrarotzone C1 bis C6 vorgesehen, so dass gemäss der Fig. 1 der gesamte Wärmebehandlungsraum 72 des Durch-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 683 736 A5

4

laufofens 10 aus sechs oberen Infrarotzonen B1 bis B6 und sechs oberen Konvektions-/lnfrarotzo-nen A1 bis A6 und aus sechs unteren Heizzonen C1 bis C6 d.h. ingesamt 18 Zonen gebildet ist. Die IR-Strahler 36, 37 sind oberhalb des Transport-Gitterbandes 20 im Abstand zur Laufrichtung in zwei getrennt voneinander temperaturregelbare Abschnitte aufgeteilt und bestehen beispielsweise aus Widerstandsspiralen, wobei an der Eingangs- 11' und Ausgangsseite 12' jeder Kassette 30/1 bis 30/ 6 jeweils ein senkrecht verlaufender Gaskanal 39 bzw. ein Saugkanal 39' angeordnet ist und die IR-Strahler 36, 37 dazwischen angeordnet sind. Demgegenüber sind die IR-Strahler 36', 37' unterhalb des Transport-Gitterbandes 20 im Abstand zur gesamten Kassetten-Länge in einem temperaturregelbaren Abschnitt angeordnet. Die IR-Strahler 36, 37, 36', 37' sind an der dem Wärmebehandlungsraum 72/1 bis 72/6 abgewandten Seite mit einer Wärmeisolation 38, 38' versehen. In allen Abschnitten werden bevorzugt langwellige IR-Strahler 36, 37, 36', 37' eingesetzt, so dass das Temperatur-Niveau mit 300 bis 350°C relativ niedrig gehalten werden kann. Die IR-Strahler-Abschnitte 36, 37; 36', 37' sind im Abstand zum Transport-Gitterband 20 mit je einer IR-Strahlen durchlässigen Ab-deckplatte, vorzugsweise einer Glas-Keramikplatte 40, 40' abgedeckt, so dass der Wärmebehandlungsraum 72/1 bis 72/6 vor Verschmutzungen geschützt wird. Das konstant umlaufende, als Gitter ausgebildete Transportband ist infrarotstrahlungs-und gasdurchlässig. Der IR-Strahler-Abschnitt 36 weist im Gaskanal 39 einen Temperaturfühler 42, der IR-Strahler-Abschnitt 37 einen mit der Glas-Ke-ramikplatte 40 in Kontakt stehendem Temperaturfühler 43 auf und die IR-Strahler-Abschnitte 36', 37' sind mit einem weiteren gemeinsamen mit der Glas-Keramikplatte 40' in Kontakt stehendem Temperaturfühler 44 versehen.

Wie bereits erwähnt sind die IR-/Konvektions-Kassetten 30/1 bis 30/6 jeweils in zwei Zonen A, B stufenlos einstellbar, wobei die mit den Lochplatten 61, 62 abgedeckten IR-Strahler 36, 37 die Konvek-tions-/lnfrarotzonen A1 bis A6 bilden. Demgegenüber bilden die mit Lochplatten 61, 62 nicht abgedeckten IR-Strahler-Bereiche 36, 37 die eigentlichen Infrarotzonen B1 bis B6. Die obere Lochplatte 61 ist starr angeordnet und die darunter liegende untere Lochplatte 62 ist mittels einer Verschiebeeinrichtung 60 aus ihrer Ausgangpositions 62 in die Arbeitsposition 62' verschiebbar ausgebildet. Die Mini-mal-/Maximal-Bereiche der Infrarotzonen B1 bis B6 gegenüber der Konvektions-/lnfrarotzonen A1 bis A6 sind im Verhältnis 20:80 bis 80:20 stufenlos einstellbar, wobei die entsprechenden Lochplatten-Paare 61, 62, insbesondere für die Extremwerte je nach Bedarf austauschbar sind.

Oberhalb der IR-/Konvektions-Kassetten 30/1 bis 30/6 ist jeweils ein Umluftgehäuse 46 angeordnet, wobei innerhalb des Umluftgehäuse-Raumes 47 ein Radialventilator 50 mit einer Lüfterwalze 54 von einem drehzahlgeregelten, ausserhalb des Umluftgehäuses 46 angeordneten Wechselstrommotor angetrieben wird. An der Austrittsseite des Ventilatorgehäuses 52 ist eine Heizeinrichtung 58, beispielsweise eine Widerstandswendel, für eine zusätzliche Gaserwärmung vorgesehen. In jeder der IR-/Kon-vektions-Kassetten 30/1 bis 30/6 wird mit einem geschlossenen Gaskreislauf 63-69 gearbeitet, nachdem beim Betriebsbeginn der Wärmebehandlungsraum 72/1 bis 72/6 zur Verdrängung der darin befindlichen Luft mit einem Inertgas gefüllt wird. Im geschlossenen Gaskreislauf 63-69 wird der Hauptstrom 63 durch den Ventilator 50 erzeugt, der aus dem Umluftgehäuse-Raum 47 durch einen Gasein-lass 48 zum ersten IR-Strahler-Abschnitt 36 zur Gasaufwärmung 64 und parallel dazu über einen beim Kassetten-Eingang 11' vertikal angeordneten Gaskanal 39 von oben nach unten ein Gasteilstrom 65 geführt wird und zusammen mit dem erwärmten Hauptstrom 63 durch die Öffnungen der Lochplatten 61, 62 in den Wärmebehandlungsraum 72/1 bis 72/6 auf die mit Bauteilen bestückten Leiterplatten 70 etwa senkrecht und durch Gasabsaugung 68 über einen weiteren vertikal angeordneten Gasansaugkanal 39' an der Austrittsseite 12' der Kassette 30/1 bis 30/6 von unten nach oben durch Gasan-saugung 69 über eine Gasansaugöffnung 56 zurück zum Ventilator 50 gelangt. Der Hauptstrom 63 kann je nach Bedarf durch die am Ventilatorgehäuse-Austritt angeordnete Heizeinrichtung 58 zusätzlich vorgewärmt werden. Der durch die Öffnungen der Lochplatten 61, 62 strömende Gasstrom 67 erwärmt die Lochplatten, wodurch eine gleichmässige Wärmeverteilung erfolgt, wobei der Gasstrom 67 in den Wärmebehandlungsraum 72/1 bis 72/6 etwa quer hineinströmt und die Konvektions-/lnfrarotzone A bildet. Da die Infrarotzone B gegenüber der Kon-vektions-/lnfrarotzone A im grossen Bereich erweitert bzw. verringert werden kann, ist entsprechend dem vorgegebenen Temperaturprofil eine Feineinstellung möglich.

Bei SMD-Bauteilen unterschiedlicher Grösse, die an Leiterplatten aufzulöten sind, ist noch zu beachten, dass grosse Bauteile sich gegenüber kleinen langsamer aufwärmen, so dass derartige Temperaturunterschiede die kleinen Bauteile belasten können. In jeder IR-/Konvektions-Kassette 30/1 bis 30/6 ist es in vorteilhafter Weise möglich, derartige, in den IR Zonen B1 bis B6 entstandene Temperaturdifferenzen zwischen grossen und kleinen Bauteilen auszugleichen, indem jeweils in der Konvek-tions-/lnfrarotzone A1 bis A6 der in Laufrichtung nachfolgenden IR-/Konvektions-Kassette 30/1 bis 30/6 die entstandenen Temperaturspitzen in den kleinen Bauteilen ausgeglichen werden, ohne dass eine Kühl- bzw. eine Zwischenkühlzone erforderlich wäre.

In einem Steuergerät 34 wird für jede IR-/Kon-ventions-Kassette 30/1 bis 30/6 eine Temperaturvorwahl mit IST- und SOLL-Anzeigen, die Drehzahlen der Ventilatoren 50, die Transport-Gitterband-Geschwindigkeit überwacht und geregelt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform einer Kassette 30/1 bis 30/6 erfolgt die Einstellung des vorgegebenen Temperaturprofils allein durch Veränderung der Intensität des Gasstromes im geschlossenen Gaskreislauf über die Drehzahlregelung des Ventilators 50.

Der erfindungsgemässe Durchlaufofen 10 kann in

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 683 736 A5

6

vorteilhafter Weise auch zur Aushärtung von Klebern und Lacken eingesetzt werden.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Durchlaufofen zum Reflowlöten von auf Leiterplatten montierten Bauteilen mittels Infrarot-Bestrah-lung, mit mehreren in einem Wärmebehandlungsraum (72/1 bis 72/6) angeordneten Heizeinheiten zur Bildung von temperaturgesteuerten Aufheiz- und Lötzonen, wobei die Leiterplatten (70) auf einem für Infrarotstrahlung und Gasstrom durchlässigen Transportband (20) aufliegen, oberhalb welchem In-frarot-Strahler (36, 37) angeordnet sind, sowie einer Gasumwälzung, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Heizeinheiten als Infrarot-Kassetten (30/1 bis 30/6) ausgebildet sind und zumindest eine der Kassetten (30/1 bis 30/6) einen geschlossenen regelbaren Gaskreislauf (63-69) aufweist

2. Durchlaufofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Kassette (30/1 bis 30/6) zur Regelung des Gaskreislaufs (63-69) einen drehzahlveränderbaren Ventilator (50) aufweist.

3. Durchlaufofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Heizeinheiten als lnfrarot-/Konvektions-Kassetten (30/1 bis 30/6) ausgebildet sind und dass im Bestrahlungsraum (72/1 bis 72/6) zumindest einer der Infrarot-/ Konvektions-Kassetten (30/1 bis 30/6) jeweils der Bereich einer Infrarotzone (B) und einer Konvekti-ons-/lnfrarotzone (A) voneinander abhängig durch zwei oberhalb des Transportbandes (20) übereinander horizontal angeordnete und gegeneinander verschiebbare Lochplatten (61, 62) stufenlos einstellbar ist.

4. Durchlaufofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Lochplatte (61) starr angeordnet ist und die darunter liegende untere Lochplatte (62) mittels einer Verschiebeeinrichtung (60) verschiebbar ausgebildet ist.

5. Durchlaufofen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatten-Paare (61, 62) austauschbar sind und die Minimal-/Maxi-malbereiche der Infrarotzone (B) gegenüber der Konvektions-/lnfrarotzone (A) 20% : 80% bis 80% : 20% betragen.

6. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportband (20) als ein konstant umlaufendes infrarot-strahiungs- und gasdurchlässiges Gitter ausgebildet ist.

7. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub des Transportbandes (20) stufenlos regelbar ist und dessen Durchlaufgeschwindigkeit 0,3 bis 1,0m/min, vorzugsweise 0,6m/min ist.

8. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahler (36, 37 bzw. 36', 37') oberhalb bzw. unterhalb des Transportbandes (20) gegenüber diesem jeweils mindestens teilweise über die Länge der IR-/Kon-vektions-Kassette (30/1 bis 30/6) horizontal mit je einer IR-Strahlen durchlässigen Abdeckplatte, vorzugsweise einer Glas-Keramikplatte (40, 40') im Abstand dazu abgedeckt ist.

9. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahler (36, 37) oberhalb des Transportbandes (20) im Abstand zur Laufrichtung desselben in zwei getrennte mittels Temperaturfühler (42, 43) regelbare Abschnitte aufgeteilt sind und die IR-Strahler (36', 37') unterhalb des Transportbandes (20) im Abstand dazu einen Temperaturfühler (44) aufweisen.

10. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder IR-/Konvektions-Kassette (30/1 bis 30/6) eine obere Infrarotzone (B1 bis B6) und eine obere Kon-vektions-/infrarotzone (A1 bis A6) sowie eine untere Heizzone, vorzugsweise eine Infrarotzone (C1 bis C6) vorgesehen sind.

11. Durchlaufofen nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder IR-/ Konvektions-Kassette (30/1 bis 30/6) ein geschlossener Gaskreislauf (63-69) mit einem Ventilator (50) für einen Gashauptstrom (63) zu einem Gas-einlass (48) für den ersten Abschnitt der IR-Strahler (36) und parallel dazu ein Umluftgehäuse-Raum (47) mit einem Gaskanal (39) mit vertikal strömendem Gasteilstrom (65) und ein erwärmter Hauptstrom (64) in senkrechter Richtung durch die Offnungen der Lochplatten (61, 62) in den Bestrahlungsraum (72/1 bis 72/6) auf die bestückten Leiterplatten (70) gerichtet ist und zur Gasabsau-gung (68) ein Saugkanal (39') in Gegenrichtung durch Gasansaugung (69) über eine Gasansaugöffnung (56) zurück zum Ventilator (50) führt.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4