DE10159057B4

DE10159057B4 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Einstellung von Temperaturgradienten insbesondere bei Dampfphasen-Lötanlagen

Info

Publication number: DE10159057B4
Application number: DE2001159057
Authority: DE
Inventors: Claus Zabel
Original assignee: ASSCON SYSTECH ELEKTRONIK GmbH; ASSCON SYSTEMTECHNIK-ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: ASSCON SYSTECH ELEKTRONIK GmbH; ASSCON SYSTEMTECHNIK-ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: DE10159057A1

Abstract

Dampfphasen-Lötanlage (1), aufweisend:
a. eine Vorrichtung zum Messen einer Zeitdauer (T_Löt) nach der Lötgut bei einem ersten Erwärmungsvorgang nach Eintauchen in eine Dampfdecke der Dampfphasen-Lötanlage (1) die Dampftemperatur erreicht hat; und
b. eine Regelvorrichtung, die automatisch einen Anpassungsfaktor für eine Heizleistung in Abhängigkeit der gemessenen Zeitdauer (T_Löt) anpasst, so dass ein Temperaturgradient des Lötguts bei einem zweiten Erwärmungsvorgang an einen vorgegebenen Temperaturgradienten (TG) angepasst wird,
c. wobei die Vorrichtung zum Messen der Zeitdauer (T_Löt), nach der das Lötgut bei einem ersten Erwärmungsvorgang die Dampftemperatur erreicht hat, einen Sensor (4) aufweist, der nach dem Eintauchen das Ansteigen des Niveaus der Dampfdecke erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Einstellung von Temperatur-Gradienten, insbesondere in Dampfphasen-Lötanlagen.
In der Elektronik-Industrie wird die Erwärmung bzw. das Löten von Bauteilen durch die von Herstellern von Bauelementen vorgegebenen, maximalen Prozessgrenzen, insbesondere die Maximaltemperatur und Geschwindigkeit des Aufwärmens, definiert. Hierbei sollte ein Temperaturgradient zum Aufheizen des Bauteils und damit verbunden das Löten des Bauteils mit nicht mehr als z. B. 2°C/Sekunde (Sek) erfolgen, um Schädigungen zu vermeiden. Die Einhaltung dieses Temperaturgradienten (TG) beim Aufheizen ist sehr schwierig und nur mit großem personellen und maschinentechnischen Aufwand zu realisieren.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das automatische Einstellen und Überwachen von Temperaturgradienten in Dampfphasen-Lötanlagen. Durch den Bediener der Anlagen, insbesondere der Dampfphasen-Lötanlagen, wird der gewünschte Temperaturgradient (TG), z. B. 2°C/Sek, in die Steuerung einprogrammiert. Die Maschine regelt sich selbst nach dem erfindungsgemäßen Vorgehen in der Weise, dass dieser Temperaturgradient durch Ausnützen physikalischer Gesetzmäßigkeiten im Erwärmungsprozess selbstständig erreicht und gehalten wird.
In der DE 42 34 128 C2 wird über die Zumischung/Dosierung von verschiedenen Flüssigkeiten (mit unterschiedlichen Siedepunkten) der Siedepunkt verändert und somit die Arbeitstemperatur in den Dampfphasen-Lötanlagen eingestellt.
In der DE 41 03 098 C1 wird die erforderliche Wärme zumindest teilweise mittels einer erwärmten Flüssigkeit der Lotstelle zugeführt. Dabei wird die erwärmte Flüssigkeit nach einem vorgegebenen Temperaturprofil erwärmt und auf das Lötgut gesprüht.
In der DE 198 26 520 C1 wird die erforderliche Wärme durch unterschiedlich tiefes Eintauchen in die Dampfdecke mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erreicht. Das Verfahren beschreibt, dass eine bestimmte Temperatur des Werkstücks durch Absenken oder Anheben des Werkstücks über der Dampfphase geregelt wird.
In der EP 0 966 337 B1 wird die erforderliche Wärmemenge zum Erzeugen eines Temperaturgradienten am Bauteil durch die gesteuerte Dampfmengenerzeugung erreicht. Diese gesteuerte Dampferzeugung wird durch die Regelung der Heizleistung erreicht.
Keines dieser Verfahren überwacht jedoch das sich mit entsprechenden Maschineneinstellungen ergebende Erwärmungsprofil. Die Anlagenbediener müssen über externe Messgeräte Kontrollen durchführen und die Maschinenparameter gegebenenfalls von Hand nach Erfahrungswerten nachregulieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine automatische Einstellung und Überwachung von Temperaturgradienten zu erreichen, die ein Erwärmen der Werkstücke entlang der vorgegebenen Temperaturgradienten (TG) ermöglicht. Die Temperaturgradienten (TG) werden vom Bediener der Anlage bzw. von den Bauteilelieferanten vorgegeben und die Anlage steuert sich so, dass der vorgegebene Temperaturgradient (TG) eingehalten wird.
Die physikalische Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verdampfungswärme oder sogenannte Verdampfungsenthalpie. Die Verdampfungsenthal pie ist die Energie, die zum Verdampfen von z. B. 1 kg einer speziellen Flüssigkeit bei konstantem Druck notwendig ist. Nach dem Verdampfen ist die zugeführte Energie im Dampf gespeichert. Kondensiert dieser vorher produzierte Dampf auf z. B. einer zu erwärmenden Leiterplatte, wird bei der Kondensation diese vorher im Dampf gespeicherte Energie auf die Leiterplatte übertragen. Der Energietransport auf dem Weg Verdampfen und anschließender Kondensation auf dem zu erwärmenden Gut, ist mit nahezu 100% Wirkungsgrad anzusehen.
Überträgt man diese physikalische Beziehung auf eine Dampfphasen-Lötanlage, so ergibt sich folgender Zusammenhang. Wird die doppelte Verdampfungswärme erzeugt, ist die doppelte Heizleistung notwendig. Diese quasidoppelte Verdampfungswärme wird durch Kondensation auf das Lötgut übertragen. Da die Wärmekapazität des Lötgutes konstant ist, wird auch das Lötgut, das einer doppelten Heizleistung und damit Dampfproduktion ausgesetzt ist, einer doppelten Verdampfungswärme ausgesetzt. Somit verdoppelt sich auch der Temperaturgradient für das Aufheizen des Lötgutes. Das bedeutet, dass der Temperaturgradient linear abhängig ist von der Heizleistung mit der die entsprechende zur Kondensation bereitstehende Dampfmenge produziert wird.
Die einzige variable Größe in der Maschine, die als Regelgröße gemessen werden kann, ist die Lötzeit (T_Löt) des Lotgutes.
Die automatische Einstellung der Anlage erfolgt durch eine einmalige Interpolation. Da das Lötgut eine ganz spezifische aber noch unbekannte Aufnahme der Verdampfungswärme hat, ist eine erste Testlötung zur Bestimmung des Wärmehaushaltes des zu erwärmenden Gutes notwendig. Hieraus ergeben sich die Daten, die für diese Baugruppe eingestellt werden müssen.
Um die Zeit (T_Löt) zu beeinflussen, ist es notwendig den Anpassungsfaktor für die Heizleistung (H) zu ändern. Durch die Änderung des Anpassungsfaktors für die Heizleistung (H) und damit die Erhöhung oder Reduzierung der Wärmemenge wird das zu lötende Material schneller oder langsamer gelötet und somit der eingestellte Temperaturgradient (TG) erreicht. Dies kann man bei proportionalen Zusammenhang in folgender Beziehung ausdrücken.
mit

ϑ₂: : Dampftemperatur
ϑ₁: : Raumtemperatur

Die Zeit (T_Löt) bis das Bauteil die Dampftemperatur erreicht hat, ermittelt die Anlage über Sensoren selbstständig, siehe 1. Sobald das zu erwärmende Gut in die Dampfphasen-Lötanlage (1) führt und den Sensor (4) passiert hat, beginnt die Zeitmessung. Da das Lötgut deutlich tiefer in den Dampf einfährt als der Sensor (4) positioniert ist, fällt die Dampfzone unter den Sensor (4) ab. Somit fällt auch die Temperatur am Sensor (4), da dieser keinen Kontakt mehr mit dem Dampf hat. Da das Lötgut unterschiedliche Größen haben kann, wird über eine Sensorenleiste am Einlauf der Anlage und über den Vorschub, die Größe der zu verlötenden Teile bestimmt. Über die Fläche des zu verlötenden Gutes wird über die Anlagensteuerung ein Startwert für die Dampfmengenproduktion zur Testmessung vorgegeben. Dieser Startwert wird aus einer hinterlegten Datenbank in Abhängigkeit der Lötgutgröße oder einem Vorgabenwert, z. B. 10 Watt/cm², ermittelt. Nachdem das Lötgut in die Anlage eingefahren ist, wird das Lötgut in die Lötposition gefahren.
Sobald das Lötgut in die Dampfzone eingefahren ist, kondensiert der vorhandene Dampf und das Niveau des Dampfes pendelt sich in Höhe des zu erwärmenden Gutes ein. Sobald das Lötgut die Dampftemperatur erreicht hat, stoppt die Kondensation des Dampfes und das Dampfniveau beginnt wieder über das Lötgutniveau zu steigen. Sobald der Dampf-Sensor (4) erreicht ist (die Temperatur am Sensor steigt wieder), ist die Zeit (T_Löt) abgelaufen; das Lötgut fährt in die Abkühlposition und ist verlötet. War jetzt die Zeit (T_Löt) zu lange oder zu kurz, in Abhängigkeit mit dem vom Bediener eingestellten Temperaturgradienten (TG), so errechnet die Anlage automatisch einen höheren oder niedrigeren Anpassungsfaktor für die Heizleistung (H).
Der Vorteil der Erfindung ist eine automatische Regelung und Überwachung für das Aufheizen der Bauteile in Lötanlagen (Dampfphasen-Lötanlagen), die sich ausdrücken lässt mit dem Temperaturgradienten (TG) für die Bauteile. Alle anderen Parameter steuert die Anlage selbst bzw. ermittelt die Anlage aufgrund der physikalischen Beziehungen selbst und stellt sich auf die neuen Daten automatisch ein.

1: Dampfhasen-Lötanlage
2: Lötgut
3: Wärmeträgermedium
4: Sensor für Detektion von Dampf
5: Sensor für die Dampftemperatur
6: Sensor für die Raumtemperatur

Claims

Dampfphasen-Lötanlage (1), aufweisend: a. eine Vorrichtung zum Messen einer Zeitdauer (T_Löt) nach der Lötgut bei einem ersten Erwärmungsvorgang nach Eintauchen in eine Dampfdecke der Dampfphasen-Lötanlage (1) die Dampftemperatur erreicht hat; und b. eine Regelvorrichtung, die automatisch einen Anpassungsfaktor für eine Heizleistung in Abhängigkeit der gemessenen Zeitdauer (T_Löt) anpasst, so dass ein Temperaturgradient des Lötguts bei einem zweiten Erwärmungsvorgang an einen vorgegebenen Temperaturgradienten (TG) angepasst wird, c. wobei die Vorrichtung zum Messen der Zeitdauer (T_Löt), nach der das Lötgut bei einem ersten Erwärmungsvorgang die Dampftemperatur erreicht hat, einen Sensor (4) aufweist, der nach dem Eintauchen das Ansteigen des Niveaus der Dampfdecke erfasst.
Dampfphasen-Lötanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Regelvorrichtung ausgebildet ist, um den Anpassungsfaktor für die Heizleistung in proportionaler Abhängigkeit von der gemessenen Zeitdauer (T_Löt) zu bestimmen.
Dampfphasen-Lötanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Startwerts für die Heizleistung der Dampfphasen-Lötanlage (1) für den ersten Erwärmungsvorgang des Lötguts.
Dampfphasen-Lötanlage (1) nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung zur Bestimmung des Startwerts der Heizleistung eine Vorrichtung zum Bestimmen der Größe des Lötguts umfasst.
Dampfphasen-Lötanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zum Messen der Zeitdauer (T_Löt) den Zeitpunkt des Eintauchens des Lötguts in die Dampfdecke erfasst und den Zeitpunkt des Erreichens der Dampftemperatur des Lötguts bestimmt.
Dampfphasen-Lötanlage (1) nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung zum Messen der Zeitdauer (T_Löt) einen Sensor (4), ausgebildet als einen Temperatursensor, umfasst.
Dampfphasen-Lötanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Sensor (6) zur Erfassung einer Raumtemperatur ϑ₁, der sich außerhalb einer Dampfkammer befindet.
Dampfphasen-Lötanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Sensor (5) zur Erfassung einer Dampftemperatur ϑ₂, der sich während eines Erwärmungsvorgangs innerhalb der Dampfdecke befindet.
Ein Verfahren zum Erwärmen eines Lötguts mit einer Dampfphasen-Lötanlage (1), aufweisend: a. Messen einer Zeitdauer (T_Löt) bis ein Lötgut bei einem ersten Erwärmungsvorgang nach einem Eintauchen in eine Dampfdecke der Dampfphasen-Lötanlage (1) Dampftemperatur erreicht hat; und b. automatisches Anpassen eines Anpassungsfaktors für eine Heizleistung (H) Abhängigkeit der gemessenen Zeitdauer (T_Löt), so dass ein Temperaturgradient des Lötguts bei einem zweiten Erwärmungsvorgang an einen vorgegebenen Temperaturgradienten (TG) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das automatische Anpassen des Anpassungsfaktors für die Heizleistung in proportionaler Abhängigkeit von der gemessenen Zeitdauer (T_Löt) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei ein Startwert für die Heizleistung Dampfphasen Lötanlage für den ersten Erwärmungsvorgang des Lötguts bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen des Startwerts der Heizleistung das Bestimmen der Größe des Lötguts umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Messen der Zeitdauer (T_Löt) den Zeitpunkt des Eintauchens des Lötguts in die Dampfdecke erfasst und den Zeitpunkt bestimmt, an dem das Lötgut die Dampftemperatur erreicht.