DE10125552A1

DE10125552A1 - Lötvorrichtung zum Löten von Flachbaugruppen

Info

Publication number: DE10125552A1
Application number: DE2001125552
Authority: DE
Inventors: Jens Tauchmann; Silke Bergheim; Patrick Nieland
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: DE10125552C2; EP1432543A1; WO2002094492A1

Abstract

Bei Lötvorrichtungen zum Löten von Flachbaugruppen nach dem Stande der Technik ist der Lotbehälter unter Aussparung der darin erzeugten Lotwellen mit einer Abdeckung zum Aufnehmen einer Inertgasatmosphäre versehen. DOLLAR A Zwischen jeweils einer Lotwelle und der Abdeckung ist ein Spalt freigehalten, durch den Inertgas aus dem Lotbehälter entlang der Lotwellen geführt wird. Um Druckschwankungen in der Inertgasatmosphäre, durch die die Geometrie der Lotwelle beeinträchtigt werden kann, ausgleichen zu können, muss dieser Spalt zwischen Lotwelle und Lotbehälter jedoch eine gewisse Mindestbreite aufweisen, wodurch jedoch das Auftreten von Turbulenzen begünstigt wird, die zur Durchmischung der Inertgasatmosphäre im Lotbehälter mit sauerstoffhaltiger Umgebungsatmosphäre führen können. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist eine Abdeckung für einen Lotbehälter mit verschließbaren Öffnungen versehen, durch die Inertgas im Falle eines Überdrucks aus dem Bereich zwischen Lotbehälter und Abdeckung entweichen kann. Zum Verschließen der Öffnungen werden beispielsweise Klappen eingesetzt, die - vom Lotbehälter aus gesehen - außen verschwenkbar sind. DOLLAR A Aufgrund der verschließbaren Öffnungen können die Spaltebreiten zwischen Lotwelle und Abdeckung verringert und auf diese Weise turbulente Strömungen vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung zum Löten von Flachbaugruppen mit einem Lotbehälter zur Aufnahme eines Lotbades, in dem wenigstens eine Lötwelle erzeugbar ist, mit einer den Lotbehälter unter Aussparung der Lotwelle überspannenden Abdeckung sowie mit einer mit Gasdüsen versehenen Gaszuführung zur Herstellung einer Schutzgasatmosphäre zwischen Lotbad und Abdeckung.

Beim Löten von Flachbaugruppen in Lötvorrichtungen, bei denen die Oberfläche des Lötbades der Luft ausgesetzt ist, besteht das Problem, dass die Oberfläche des Lötbades mit Luftsauerstoff reagiert und eine Oxidschicht erzeugt, die die Benetzung der zu lötenden Verbindungen mit Lot beeinträchtigt. Durch Strömungen innerhalb des Lotbades wird die Oxidschicht ständig aufgerissen, so dass fortlaufend neue Oberflächenbereiche der Oxidation ausgesetzt sind.

Um den Oxidationsprozess zu unterbinden, erfolgt die Benetzung durch das Lötmittel daher meist in einer Schutzgasatmosphäre mit stark reduziertem Sauerstoffanteil. Hierzu wird üblicherweise die gesamte Löteinrichtung oder - wie in der EP 0 500 135 B1 vorgeschlagen - lediglich der eigentliche Lötbehälter mit einem Gehäuse umgeben, in das ein inertes Schutzgas, beispielsweise Stickstoff eingeführt wird. Die Hauben- oder Tunnel konstruktionen weisen dabei jeweils einen Einlass und einen Auslass für die Flachbaugruppen auf. Um den Anteil des oxidierenden Gases (Sauerstoff) in der Ummantelung möglichst gering zu halten, werden die Ein- und Auslässe durch unterschiedliche Maßnahmen gegen Sauerstoffeintritt abgedichtet, wie sie beispielsweise in den Druckschriften EP 0 500 135 B1, DE 41 42 436 A1, DE 42 19 913 A1, DE 197 49 184 A1 beschriben werden.

Alternativ oder ergänzend zu einer Überdeckung des gesamten Lotbehälters einschließlich des Kanals, in dem die Flachbaugruppen zur Lotwelle geführt werden, kommen auch Lötvorrichtungen zum Einsatz, bei denen der Lotbehälter nur teilweise mit einer schützenden Abdeckung versehen ist. Eine derartige Lötvorrichtung wird beispielsweise in der US 5 203 489 beschrieben. Dabei überspannt die Abdeckung den Lotbehälter, beabstandet von der Oberfläche des Lotbades, unter Aussparung der Lotwellen, wobei zwischen Abdeckung und Lotwelle jeweils ein Spalt offengehalten wird. Zwischen der Lotbadoberfläche und der Abdeckung sind Gasdüsen angeordnet, die zur Erzeugung eines Inertgasatmosphäre zwischen Lotbad und Abdeckung eingesetzt werden. Die Inertgasatmosphäre weist gegenüber der Umgebungsatmosphäre einen geringfügigen Überdruck auf. Das Inertgas strömt durch die Spalte aus dem Lotbehälter aus, und inertisiert dabei zugleich die Lotwelle.

Um zu verhindern, dass Druckschwankungen in der Inertgasatmosphäre die Lotwelle deformieren und so das Lötergebnis beeinträchtigen können, weisen die Spalte zwischen der Abdeckung und der Lotwelle eine gewisse Mindestbreite auf. Dabei wird die Spaltbreite um so größer gewählt, je zuverlässiger die Druckschwankungen ausgeglichen werden sollen.

Problematisch dabei ist jedoch zum einen, dass die größere Spaltbreite zu einem erhöhten Verbrauch an Inertgas führt, zum anderen, dass es in der Strömung mit zunehmender Spaltbreite zur verstärkten Entstehung von Turbulenzen kommt, durch die es zum Eintrag von sauerstoffreicher Umgebungsatmosphäre in den Bereich zwischen Lotbad und Abdeckung kommen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Lötvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die den Eintrag von Umgebungsatmosphäre in den durch die Abdeckung geschützten Bereich vermeidet.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einer Lötvorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch, dass die Abdeckung wenigstens eine, eine Strömungsverbindung der Schutzgasatmosphäre mit der Umgebungs atmosphäre herstellenden Öffnung aufweist, welche Öffnung mit einer Schließeinrichtung versehen ist, die in ihrem Schließzustand die Öffnung gasdicht verschließt, unter der Wirkung eines vorbestimmten Gasüberdrucks im Lotbehälter die Öffnung jedoch freigibt.

Die Öffnung ist unter Normalbedingungen, d. h. bei gleichmäßigem Einströmen des Inertgases in den Bereich zwischen Abdeckung und Lotbad, durch die Schließeinrichtung gasdicht verschlossen. Um eine Strömung durch die Spalte zwischen Abdeckung und Lotwelle hindurch entstehen zu lassen, bleibt die Schließeinrichtung auch bis zum Erreichen eines bestimmten Überdrucks im Lotbehälter gegenüber der Umgebungsatmosphäre geschlossen. Erst bei einem Überdruck im Lotbehälter, der diesen Grenzwert überschreitet, wird die Schließeinrichtung geöffnet und Gas kann durch die Öffnung hindurch entweichen. Im Innern des Lotbehälters kann so ein gleichmäßiger Druck aufrechterhalten werden. Dadurch können auch die Spalte zwischen Abdeckung und Lotwelle geringer ausgeführt werden, als diese beim Stande der Technik möglich wäre. Die Ausbildung turbulenter Strömungen in den Spalten wird dadurch weitgehend unterdrückt; zudem wird der Inertgasverbrauch verringert.

Die Lötvorrichtung kann dabei eine Wellenlötanlage oder eine Reflowlötanlage sein. Der Begriff "Wellenlötanlage" bedeutet gemäß der Erfindung eine Anlage in der ein Badlötverfahren mit bewegtem Lotbad zum Einsatz kommt, während unter der Bezeichnung "Reflowlötanlage" hier eine Vorrichtung zu verstehen ist, in der durch unterschiedliche Wärmeenergiequellen bzw. Verfahren zur Erwärmung, z. B. Erwärmung durch Konduktion, Konvektion, Kondensation, Photonen oder eine Kombination dieser Verfahren der Umschmelzvorgang des Lotdepots und damit der Verbindungsbildung zwischen Lötanschluss und Pad- Struktur der Leiterplatte eingeleitet wird. Bei der Auslegung der Lötvorrichtung als Reflowlötanlage ist die Ummantelung zur Aufnahme einer Schutzgasatmo sphäre jeglicher Art vorgesehen, die beispielsweise aus Inertgas bestehen oder eine dampfförmige Atmosphäre sein kann. Als Inertgas kommt ein sauerstoffarmes oder reduzierendes Gas in Betracht, beispielsweise Stickstoff oder ein Gasgemisch, das überwiegend aus Stickstoff besteht und weitere Bestandteile, etwa Wasserstoff, enthält.

Vorteilhafterweise umfassen die Schließeinrichtungen Klappen, die unter der Wirkung eines im Innern des Lotbehälters bestehenden Gasüberdrucks nach außen verschwenkbar sind.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Schließeinrichtungen hinsichtlich ihrer dem Gasdruck aus dem Lotbehälter entgegenwirkenden Kraft eingestellt werden können. Auf diese Weise kann ein den jeweiligen Anforderungen angepasster Überdruck im Innern des Lotbehälters aufrecht erhalten werden werden, ohne dass es zum Entweichern von Inertgas durch die Schließeinrichtung hindurch kommt. Im Falle von Klappen wird die Einstellbarkeit beispielsweise durch die Einstellbarkeit des Eigengewichtes der Klappen hergestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckung mit Mitteln zum Einstellen der Spaltbreite zwischen Abdeckung und Lotwelle versehen. Auf diese Weise kann durch den Spalt ein definierter laminarer Gasstrom erzeugt werden, der insbesondere dem Gasdruck im Innern des Lotbehälters angepasst ist.

Als bevorzugte Mittel zum Einstellen der Spaltbreite kommen beispielsweise Schiebbleche in Betracht, die derart an der Abdeckung angeordnet sind, dass sie in Richtung auf die Lotwelle bzw. von dieser weg bewegbar sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Lotbehälter mehrere Lotwellen erzeugt werden, denen jeweils mindestens ein Öffnung zugeordnet ist. Dierdurch wird die Ausbildung einer gleichmäßigen Verteilung des Inertgases im Lotbehälter unterstützt.

Die erfindungsgemäße Lötvorrichtung kann in zweckmäßiger Weise auch mit einem Löttunnel versehen sein, in dem die Flachbaugruppen zum Kontaktieren mit der Lotwelle führbar sind. Ein derartiger Löttunnel, wie er beispielsweise in der DE 200 02 038 U1 beschrieben ist, dient zum Aufrechterhalten einer Schutzgasatmosphäre im Bereich über dem Lotbehälter.

Anhand der Zeichnungen sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden.

In einer schematischen Ansicht zeigt

Fig. 1 eine Lötvorrichtung im Draufsicht und

Fig. 2 die Lötvorrichtung aus Fig. 1 in einem Längsschnitt entlang der Linie II-II.

Die Lötvorrichtung 1 umfasst einen Lötbehälter 2, im Ausführungsbeispiel ein Wellenlöttiegel, zur Aufnahme eines Lotbades 7. Im Lotbad 7 sind zwei Lötwellen 3, 4 erzeugbar, eine Vorlötwelle 3 und eine Endlötwelle 4. Die Mittel zur Erzeugung der Lötwellen 3, 4 entsprechen denen, die im Stande der Technik üblich sind; sie sind daher in den Figuren nicht gezeigt.

Der Lotbehälter 2 ist mit einer Abdeckung 5 versehen, die an den Seitenwänden 6 des Lotbehälters 2 gasdicht mit diesem verbunden ist. Die den gesamten Lotbehälter 2 überspannende Abdeckung 5 weist im Bereich der Lotwellen 3, 4 Aussparungen 8, 9 auf. Die Aussparungen 8, 9 sind in ihrer Größe den Lotwellen 3, 4 derart angepasst, das im bestimmungsgemäßen Betriebszustand der Lötvorrichtung 1 zwischen der Abdeckung 5 und den Lotwellen 3, 4 jeweils ein Spalt 10 geringer Breite besteht. Die Breite eines Spaltes 10 kann jeweils durch ein Schiebblech 11 variiert und damit, wie weiter unten beschrieben, den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.

In die Abdeckung 5 ist eine mit Gasdüsen 13 versehene Gaszuführung integriert. Die Gasdüsen 13 erstrecken sich über nahezu die gesamte Breite des Lotbehälters und sorgen für einen gleichmäßigen Zulauf von Inertgas in den Lotbehälter. Bei der Gaszuführung handelt es sich vorzugsweise um eine Gaszuführung, wie sie in der DE 197 49 185 A1, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, beschrieben ist, jedoch können auch andere Gaszuführungen, etwa konventionelle Gasdüsen, zum Einsatz kommen.

In der Abdeckung 5 sind, seitlich zu den Aussparungen 8, 9, Öffnungen 15 vorgesehen, die mit Klappen 16 versehen sind. Die - vom Lotbehälter 2 aus gesehen - nach außen verschwenkbaren Klappen 16 liegen in ihrem Schließzustand gasdicht an der Oberfläche der Abdeckung 5 an, um ein Eindringen von Umgebungsatmosphäre zu verhindern. Die Klappen 16 können mit einem zusätzlichen Gewicht beschwert werden, wodurch die Kraft, die sie einem aus dem Innern des Lötbehälters 2 wirkenden Inertgasdruck entgegensetzen, den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden kann.

Beim Betrieb der Lötvorrichtung 1 werden im Lotbehälter 2 die Lötwellen 3, 4 erzeugt. Über die Gasdüsen 13 der Gaszuleitung wird Inertgas zugeführt, bis ein definierter Überdruck im Innern des Lotbehälters 2 erreicht ist. Dieser Überdruck gewährleistet, dass durch die Spalte 10 kein Zustrom von Außenluft erfolgt. Durch eine entsprechende Einstellung des Zustroms aus den Gasdüsen 13, der Breite der Spalte 10 und der Gewichte der Klappen 16 kann die Stärke dieses Überdrucks eingestellt werden. Zur Einstellung der Spaltbreite werden die Schiebbebleche 11 derart angeordnet, dass zum einen das ablaufende Lot der Lotwellen störungsfrei die Spalte 10 passieren kann und zum anderen ein definierter laminarer Inertgasstrom durch die Spalte 10 hindurch aus dem Lotbehälter gewährleistet wird. Zum Löten einer Flachbaugruppe, etwa eine mit elektronischen Bauelementen bestückte Platine, wird diese in bekannter Weise entlang der Lotwellen 3, 4 geführt und mit Lot benetzt. Das aus den Spalten austretende Inertgas strömt dabei zumindest teilweise entlang der Lotwellen 3, 4 und unterdrückt dadurch die Bildung von Krätze, durch welche die Qualität der Lötverbindungen beeinträchtigt werden kann.

Bei einer plötzlichen Druckerhöhung im Innern des Lotbehälters, beispielsweise bei einem unbeabsichtigten verstärkten Zustrom von Inertgas aus den Gasdüsen 13, öffnen die Klappen 16 und das überschüssige Gas kann sofort aus dem Lotbehälter 2 entweichen. Hierdurch wird die Gefahr beseitigt, dass durch Druckschwankungen im Innern des Lotbehälters 2 die Geometrie der Lotwellen 3, 4 verändert und so die Qualität des Lötergebnisses beeinträchtigt wird. Zugleich können die Spalte 10 derart eng gewählt werden, dass zum einen Turbulenzen innerhalb des durch die Spalte 10 geführten Inertgasstrom weitgehend unterdrückt werden und zum anderen der Verbrauch an Inertgas reduziert werden kann.

Die Lötvorrichtung 1 kann auch in hier nicht gezeigter Weise mit einem Löttunnel versehen sein, der zumindest den Lotbehälter 2 und eventuell eine Vorheizzone und/oder weitere Bereiche überdeckt und der der Aufrechterhaltung einer inerten Schutzgasatmosphäre über dem Lotbehälter dient. Der Löttunnel ist dabei beispielsweise separat mit Gasdüsen zum Einleiten eines Inertgases versehen. Ergänzend oder alternativ kann die Zuführung des Inertgases in den Tunnel jedoch auch über die Gasdüsen 13 der Gaszuführung und die Spalte 10 erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

Lötvorrichtung

2

Lötbehälter

3

Vorlötwelle

4

Endlötwelle

5

Abdeckung

6

Seitenwand

7

Lotbad

8

Aussparung

9

Aussparung

10

Spalt

11

Schiebblech

12

-

13

Gasdüse

14

-

15

Öffnung

16

Klappen

Claims

1. Lötvorrichtung zum Löten von Flachbaugruppen mit einem Lotbehälter (2) zur Aufnahme eines Lotbades (7), in dem wenigstens eine Lötwelle (3, 4) erzeugbar ist, mit einer den Lötbehälter (2) unter Aussparung der Lotwelle (3, 4) überspannenden Abdeckung (5) sowie mit einer mit Gasdüsen (13) versehenen Gaszuführung zur Herstellung einer Schutzgasatmosphäre zwischen Lotbad (7) und Abdeckung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (5) wenigstens eine, eine Strömungsverbindung der Schutzgasatmosphäre mit der Umgebungsatmosphäre herstellenden Öffnung (15) aufweist, welche Öffnung (15) mit einer Schließeinrichtung versehen ist, die in ihrem Schließzustand die Öffnung gasdicht verschließt, unter der Wirkung eines vorbestimmten Gasüberdrucks im Lotbehälter (2) die Öffnung (15) jedoch freigibt.

2. Lötvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließeinrichtung wenigstens eine Klappe (16) umfasst, die - vom Lotbehälter (2) her gesehen - nach außen verschwenkbar sind.

3. Lötvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließeinrichtung hinsichtlich ihres dem Gasdruck im Lotbehälter (2) entgegenwirkenden Kraft einstellbar ist.

4. Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (5) mit Mitteln zum Einstellen einer vorbestimmten Spaltbreite zwischen Abdeckung (5) und Lotwelle (3, 4) versehen ist.

5. Lötvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einstellen der Spaltbreite in Richtung auf die Lotwelle/n (3, 4) zu bzw. von diesen weg bewegbare Schiebbleche (11) umfassen.

6. Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Lotbehälter (2) mehrere Lotwellen (3, 4) erzeugt werden, denen jeweils mindestens eine Öffnung (15) zugeordnet ist.

7. Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen den Lotbehälter (2) überdeckenden Löttunnel, in dem die Flachbaugruppen zum Kontaktieren mit der Lotwelle (3, 4) führbar sind.