CZ303807B6 - Zarízení pro ohrev a chlazení teplovodivé kapaliny pri pájení desky plosných spoju v parách - Google Patents

Abstract

Zarízení je tvorené nádobou (4), jejíz steny jsou z materiálu s nízkou teplotní vodivostí a její dno je tvoreno horní stenou vrchního Peltierova termoelektrického clánku (6) ze skupiny minimálne sesti vrstev Peltierových termoelektrických clánku (6), které jsou navzájem spojeny v sendvicovém provedení tak, ze spodní stena vrchního Peltierova termoelektrického clánku (6) se pres vrstvu (7) tepelne vodivé hmoty dotýká horní steny pod ním umísteného Peltierova termoelektrického clánku (6). Peltierovy termoelektrické clánky (6) jsou vysokoteplotní s teplotní odolností minimálne 250 .degree.C a jejich pocet v jedné vrstve je dán pozadovaným výkonem pro ohrev a chlazení teplovodivé kapaliny (3). Poslední spodní Peltieruv termoelektrický clánek (6) je vrstvou (7) tepelne vodivé hmoty pripevnen na chladic (8). Zarízení je opatreno teplotními snímaci (11) umístenými v oblasti par, v teplovodivé kapaline (3) mezi clánky (6), a v chladicí kapaline (9). Teplotní snímace (11) jsou spojeny prvním kabelovým svazkem (12) se vstupem bloku (14) rízení rídicí a vyhodnocovací jednotky (13), jehoz výstup je propojen pres blok (15) nastavení velikosti proudu a blok (16) zmeny smeru proudu s jednotlivými Peltierovými termoelektrickými clánky (6) druhým kabelovým svazkem (17).

Description

Zařízení pro ohřev a chlazení teplovodivé kapaliny při pájení desky plošných spojů v parách

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízení pro ohřev a chlazení teplovodivé kapaliny při pájení desky plošných spojů. Zařízení je určeno pro pájení elektronických součástek pro povrchovou montáž v parách teplovodivé inertní kapaliny s vysokou teplotní vodivostí.

Dosavadní stav techniky

Pro pájení větších sérií elektronických výrobků, ale i v prototypové výrobě se v současné době používá několik typů pájecích zařízení. Pomine-li se ruční pájení, které není možné nasadit na hromadnou výrobu, používají se tyto systémy, usazení součástek do pájecí pasty a přetavení pájení horkým vzduchem, pájení cínovou vlnou nebo usazení součástek do pájecí pasty a přetavení infra ohřevem.

Nevýhodou pájení horkým vzduchem je malá účinnost ohřevu, velká energetická spotřeba a velká oxidace pájecí pasty při pájení ve vzduchu.

Nevýhodou pájení cínovou vlnou jsou velké rozměry zařízení a oxidace pájecí pasty při pájení ve vzduchu. Nevýhodou je také nutná úprava pájecích plošek součástek na desce pro tento typ pájení a omezená orientace součástek na směr průchodu desky cínovou pájecí vlnou.

Nevýhodou infraohřevu je nehomogenní ohřev, který je způsoben rozdílnými tepelnými vodivostmi materiálu pájené desky i součástek, tepelnými kapacitami součástek i rozdílnou barvou materiálů, velký rozdíl teplot při měření příčného teplotního profilu a skutečnost, že nelze pájet nové generace součástek typu BGA.

V poslední době se začíná používat také pájení v parách teplovodivé kapaliny. Výhodou je, že není možné přehřát pájené součástky ani desku, velmi kvalitní výsledky pájecího procesu, uniformní ohřev, vhodné i pro pájení pouzder BGA. Pájení probíhá bez přítomnosti kyslíku a je proto možno použití tavidla s malou aktivitou. Při tomto způsobu pájení se deska se součástkami v pájecí pastě ponoří nad hladinu horké kapaliny, tedy do oblasti par. Jako kapalina se používají různé sloučeniny fluoru, např. Galden LS230 firmy Solvay Solexis. Jsou známá dvě konstrukční řešení používající tento způsob.

Při prvním řešení se používá hluboká otevřená nádoba a deska se součástkami se postupně ponořuje do nádoby. Regulací polohy desky se reguluje teplota. Nevýhodou tohoto řešení jsou velké rozměry zařízení a úniky par inertní kapaliny, což vzhledem k vysoké ceně kapaliny vede ke značným finančním ztrátám.

U druhého způsobu je použita relativně mělká, uzavřená nádoba. Ve spodní části nádoby je teplovodivá kapalina a nad ní oblast par. Deska se součástkami se vloží do nádoby na držák tvořený mřížkou a uzavře. Během pájecího cyklu je deska postupně ručně nebo automaticky spouštěna do oblasti par, kde nastává tavení cínové pájecí pasty. Vytahováním desky z oblasti par se teplota snižuje a pájka tuhne. Tím se uzavře pájecí cyklus. Jako teplovodivá kapalina se používají např. sloučeniny na bázi fluoru, např. kapalina Galden LS230. Pro ohřev kapaliny se používá odporový ohřev spirálou umístěnou v teplovodivé kapalině nebo ve dně nádoby. Pro chlazení se používá trubkový chladič nad, nebo v oblasti par. Na konci pájecího procesu trubkami chladiče prochází chladicí kapalina, například destilovaná voda, která ochladí teplovodivou kapalinu a její páry.

- 1 CZ 303807 B6

Nevýhodou tohoto řešení je, že pro ohřev a chlazení kapaliny jsou použita dvě rozdílná zařízení a dochází tak ke zvětšení rozměrů celého zařízení a potřebě disponovat nádrží a systémem pro řízení průtoku chladicí kapaliny. Další nevýhodou je, že pájená deska se pohybuje a dochází tak k nebezpečí posunu součástek v okamžiku, kdy je pájka tekutá. Nevýhodou odporového ohřevu je také nerovnoměrný ohřev kapaliny, kde může docházet k lokálnímu přehřátí a rozkladu kapaliny na životu nebezpečné látky.

Oba existující systémy využívají pro svou činnost oddělené zařízení pro ohřev a jiný chladicí člen pro následné chlazení.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro ohřev a chlazení teplovodivé kapaliny při pájení desky plošných spojů uložené na mřížce podle předkládaného vynálezu. Podstatou nového řešení je, že zařízení pro ohřev a chlazení pájené desky plošných spojů je tvořeno nádobou, jejíž stěny jsou z materiálu s nízkou teplotní vodivostí, a jejíž dno je tvořeno homí stěnou vrchního Peltierova termoelektrického článku ze skupiny minimálně šesti vrstev Peltierových termoelektrických článků. Tyto Peltierovy termoelektrické články jsou navzájem spojeny v sendvičovém provedení tak, že spodní stěna vrchního Peltierova termoelektrického článku se přes vrstvu tepelně vodivé hmoty dotýká homí stěny pod ním umístěného Peltierova termoelektrického článku. Peltierovy termoelektrické články jsou vysokoteplotní s teplotní odolností minimálně 250 °C. Jejich počet v jedné vrstvě je dán požadovaným výkonem pro ohřev a chlazení teplovodivé kapaliny v závislosti na výrobcem udávaném maximálním teplotním rozdílu na jednom Peltierově termoelektrickém článku. Poslední spodní Peltierův termoelektrický článek je vrstvou tepelně vodivé hmoty připevněn na chladič ponořený do chladicí kapaliny. Dále je zařízení opatřeno teplotními snímači umístěnými v oblasti par, tedy v teplovodivé kapalině mezi Peltierovými termoelektrickými články a také v chladicí kapalině. Tyto teplotní snímače jsou spojeny prvním kabelovým svazkem se vstupem bloku řízení řídicí a vyhodnocovací jednotky, jehož výstup je propojen přes blok nastaví velikosti proudu a blok změny směru proudu s jednotlivými Peltierovými termoelektrickými články druhým kabelovým svazkem.

V jednom možném provedení jsou stěny nádoby z keramiky.

V jednom možném provedení jsou stěny nádoby z materiálu s nízkou teplotní vodivostí. Ve výhodném provedení jsou Peltierovy termoelektrické články vysokoteplotní s teplotní odolností minimálně 250 °C.

Většinou je chladič umístěn v nádobě naplněné chladicí kapalinou. Chladicí kapalinou může být např. destilovaná voda. Tato nádoba je s výhodou uzavřena víkem.

Výhodou uvedeného řešení je, že zkonstruované zařízení umožňuje přímý ohřev dna a přímé chlazení pomocí pouze jednoho členu. Dno je zde tvořeno stěnou vysokoteplotního Peltierova termoelektrického článku. Regulací velikosti proudu je možné regulovat výkon topení. Při změně směru proudu dochází ke chlazení teplovodivé kapaliny. Pájecí zařízení tak nevyžaduje další přídavné chlazení pro fázi ochlazování. Další výhodou je rovnoměrný ohřev kapaliny po celé ploše dna, na rozdíl od odporového vytápění nedochází k lokálnímu přehřívání kapaliny a k jejímu rozkladu, který produkuje zdraví nebezpečné látky. Také pájená deska je prohřívána rovnoměrně. Dosud nikde neexistuje zanzení, které by používalo Peltierovy články pro přímý ohřev a chlazení pro pájení součástek v parách. Dochází tím ke zmenšení rozměrů zařízení a snížení ceny, jak to nabízí zařízení, jež je předmětem tohoto patentu.

-2CZ 303807 B6

Přehled obrázku na výkrese

Vynález ajeho účinky jsou blíže vysvětleny v popisu příkladu jeho provedení podle přiloženého výkresu, kteiý znázorňuje celkové uspořádání zařízení včetně řídicí jednotky.

Příklad provedení vynálezu

Příklad provedení vynálezu je patrný z přiloženého výkresu. Osazená deska i plošných spojů je položena na mřížku 2. Mřížka 2 udržuje definovanou vzdálenost desky od hladiny kapaliny 3 a umožňuje postup par. Stěny nádoby 4 jsou tvořeny materiálem s nízkou teplotní vodivostí, např. keramikou A1₂O₃. Výška stěny musí být taková, aby hladina par kapalin byla dostatečně pod vrcholem nádoby 4 a nedocházelo tak k unikání par z nádoby 4. Nádoba 4 může být také uzavřena víkem 5, které zamezí unikání par a sníží potřebnou výšku nádoby 4. Dno nádoby 4 je tvořeno homí stěnou vrchní vrstvy Peltierova termoelektrického článku 6. Peltierovy termoelektrické články 6 jsou spojeny v sendvičovém provedení tak, že spodní stěna vrchního Peltierova termoelektrického článku 6 se dotýká homí stěny Peltierova termoelektrického článku 6 pod ním. Mezi Peltierovými termoelektrickými články 6 je vrstva 7 tepelně vodivé hmoty, například tepelně vodivého lepidla nebo silikonu, pro zvýšení přestupu tepla mezi Peltierovými termoelektrickými články 6. Peltierovy termoelektrické články 6 musí být vysokoteplotní typy, např. ze slitiny Be₂Ti₃ aby odolaly teplotě minimálně 250 °C. Počet Peltierových termoelektrických článků 6 ajejich výkon musí být navržen tak, aby byl dodržen výrobcem článku udávaný maximální teplotní rozdíl na jednom článku, který se pohybuje mezi 30 až 60 °C a dále aby byl k dispozici dostatečný výkon pro ohřev a chlazení. Vrstvy Peltierových termoelektrických článků 6 mohou být provedeny podle rozměrů nádoby 4 zjednoho kusu Peltierova termoelektrického článku 6 nebo z více paralelně zapojených Peltierových termoelektrických článků 6 spojených opět vrstvou 7 tepelně vodivé hmoty, tedy například teplovodivým lepidlem nebo silikonem. Poslední Peltierův termoelektrický článek 6 je opět vrstvou 7 tepelně vodivé hmoty připevněn na chladič

8. Chladič 8 slouží pro odvod tepla z Peltierových termoelektrických článků 6 ve fázi ohřevu a pro přívod tepla ve fázi chlazení teplovodivé kapaliny 3. Chladič 8 je ponořen do chladicí kapaliny 9, např. destilované vody nebo je ofukován proudícím vzduchem. Chladicí kapalina 9 je umístěna v chladicí nádobě 10. V oblasti par, v teplovodivé kapalině 3, mezi jednotlivými Peltierovými termoelektrickými články 6 a v chladicí kapalině 9 jsou umístěny teplotní snímače 11. Tyto teplotní snímače 11 jsou spojeny prvním kabelovým svazkem 12 se vstupem bloku 14 řízení řídicí a vyhodnocovací jednotky 13. Výstup bloku 14 řízení je propojen přes blok 15 nastavení velikosti proudu a blok 16 změny směru proudu s jednotlivými Peltierovými termoelektrickými články 6 druhým kabelovým svazkem 17.

Pájecí proces probíhá tak, že pájená deska 1 je vložena ručně do nádoby 4 na pevnou mřížku 2. Nádoba 4 je uzavřena víkem 5, aby se zabránilo úniku par z nádoby 4. Zapnutím proudu do Peltierových termoelektrických článků 6 blokem 14 řízení začíná pájecí cyklus. Pájecí profil, tedy závislosti teploty na čase, je daná výrobcem pájené součástky nebo pájecí pasty. Velikost proudu Peltierovými termoelektrickými články 6 je regulována blokem 15 nastavení velikosti proudu a určuje rychlost nárůstu teploty. Pro regulaci teploty na správnou úroveň je zavedena zpětná vazba z teplotních snímačů 11 tvořených například termočlánky, do bloku 14, například 217 °C, přepne blok 1_4 řízení směr proudu pro Peltierovy termoelektrické články 6 blokem _16 změny směru proudu. Změnou směru proudu Peltierových termoelektrických článků 6 se změní směr toku tepla a nastává fáze chlazení teplovodivé kapaliny 3. Průběh poklesu teploty teplovodivé kapaliny 3 je opět dán výrobcem pájené součástky nebo pájecí pasty. Rychlost poklesu teploty teplovodivé kapaliny je dána velikostí proudu Peltierových termoelektrických článků 6 aje řízena blokem 15 nastavení velikosti proudu. Ve fázi ochlazování teplovodivé kapaliny 3 se chladicí kapalina 9 ohřívá teplem odebíraným z chladiče 8. Po poklesnutí teploty teplovodivé kapaliny 3 na hodnotu doporučenou výrobcem součástky nebo pájecí pasty je pájecí cyklus ukončen, otevře se víko 5 a ručně se vyjme zapájená deska i se součástkami.

-3CZ 303807 B6

Teplota par teplovodivé kapaliny 3, teplovodivé kapaliny 3, Peltierových termoelektrických článků 6 a chladicí kapaliny 9 je měřena snímači teploty 11. Změřené informace z teplotních snímačů Π. jsou prvním kabelovým svazkem 12 zavedeny do řídicí jednotky JJ3, do bloku 14 řízení, který informace vyhodnocuje a na jejich základě a na základě zadaného požadovaného teplotního profilu upravuje nezávisle na sobě proudy blokem 15 nastavení velikosti proudu pro jednotlivé Peltierovy termoelektrické články 6, připojené přes blok 16 změny směru proudu druhým kabelovým svazkem 17. Změnou polarity proudu Peltierových termoelektrických článků 6 dochází ke změně směru toku tepla a nastává chlazení kapaliny 3.

Výhodou tohoto řešení je, že při pájecím procesu nedochází k pohybům pájené desky a tím je eliminováno nebezpečí pohybu součástek důsledkem vibrací. Další výhodou je, že pro ohřev a chlazení je použit pouze jeden prvek - Peltierův termoelektrický článek 6. Tím dojde ke zmenšení rozměrů zařízení.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro ohřev a chlazení teplovodivé kapaliny při pájení desky plošných spojů v parách je využitelné pro pájení součástek pro povrchovou montáž jak pro hromadnou tak i pro prototypovou výrobu. Svými malými rozměry umožňuje použití i v malých laboratořích. Dále je využitelné např. pro cyklické ohřevy nejrůznějších komponent a součástí, testy stárnutí apod.

Claims (5)

1. Zařízení pro ohřev a chlazení teplovodivé kapaliny při pájení desky plošných spojů v parách, kdy chladicí kapalina (9) je umístěna v nádobě (10), v y z n a č u j í c í se t í m , že je tvořeno nádobou (4) pro umístění teplovodně kapaliny (3), jejíž dno je tvořeno horní stěnou vrchního Peltierova termoelektrického článku (6) ze skupiny minimálně šesti vrstev Peltierových termoelektrických článků (6), které jsou navzájem spojeny v sendvičovém provedení tak, že spodní stěna vrchního Peltierova termoelektrického článku (6) se přes vrstvu (7) tepelně vodivé hmoty dotýká homí stěny pod ním umístěného Peltierova termoelektrického článku (6), kde počet Peltierových termoelektrických článků (6) je dán požadovaným výkonem pro ohřev a chlazení teplovodivé kapaliny (3) v závislosti na výrobcem udávaném maximálním teplotním rozdílu na jednom Peltierově termoelektrickém článku (6), přičemž poslední spodní Peltierův termoelektrický článek (6) je vrstvou (7) tepelně vodivé hmoty připevněn na chladič (8) ponořený do chladicí kapaliny (9) v chladicí nádobě (10) a dále je zařízení opatřeno teplotními snímači (11) umístěnými nad teplovodivou kapalinou (3) v oblasti par z této teplovodivé kapaliny (3), v teplovodivé kapalině (3) , mezi jednotlivými Peltierovými termoelektrickými články (6) a také v chladicí kapalině (9), kde tyto teplotní snímače (11) jsou spojeny prvním kabelovým svazkem (12) se vstupem bloku (14) řízení řídicí a vyhodnocovací jednotky (13), jehož výstup je propojen přes blok (15) nastaví velikosti proudu a blok (16) změny směru proudu s jednotlivými Peltierovými termoelektrickými články (6) druhým kabelovým svazkem (17).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že stěny nádoby (4) jsou z keramiky·

3. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že stěny nádoby (4) jsou z materiálu s nízkou teplotní vodivostí.

-4CZ 303807 B6

4. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že Peltierovy termoelektrické články (6) jsou vysokoteplotní s teplotní odolností minimálně 250 °C.

5 5. Zařízení podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, že nádoba (4) je uzavřena víkem (5).