DE102004018640B4

DE102004018640B4 - Lotaufschmelzofen

Info

Publication number: DE102004018640B4
Application number: DE102004018640A
Authority: DE
Inventors: Lakhi Nandlal Ann Arbor Goenka
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: US20040200877A1; DE102004018640A1; US6794616B1; JP2004306140A

Abstract

Lotaufschmelzofen (30), der eine Aufschmelzzone (50) zum Erwärmen eines ein Lot enthaltenden Werkstücks (32) auf eine Aufschmelzen des Lots bewirkende Temperatur enthält und eine Voraufschmelzzone (54) und eine Nachaufschmelzzone (56) um die Aufschmelzzone (50) herum umfasst, außerdem umfassend:
– eine Fördereinrichtung (44) zum sequenziellen Transport des Werkstücks (32) in eine Förderrichtung (46) durch die Voraufschmelzzone (54), die Aufschmelzzone (50) und die Nachaufschmelzzone (56);
– eine Luftkammer (62) zur Lieferung von Heißluft in die Aufschmelzzone (50), wobei die Luftkammer (62) eine Vorderseite (63) und eine Rückseite (63) in einem Abstand zueinander quer zur Förderrichtung (46) umfasst, die eine Luftkammeröffnung zwischen sich bilden, wobei die Luftkammer (62) ein erstes Maß (d₁) in Förderrichtung (46) hat;
– eine Düse (80) zum Empfangen von Heißluft aus der Luftkammer (62) und zum Leiten der Heißluft in Richtung Fördereinrichtung (44), wobei die Düse (80) Vorder- und Hinterlamellen (84) umfasst, die zueinander divergieren und...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lotaufschmelzofen, der zur Erwärmung eines Werkstücks auf eine Lotaufschmelzen bewirkende Temperatur Heißluft verwendet wird. Speziell bezieht sich die Erfindung auf einen Lotaufschmelzofen, bei dem die Heißluft durch eine Streudüse geleitet wird, um die Strecke oder die Zeitdauer zu verlängern, über die das Werkstück zwecks Aufschmelzen des Lots erwärmt wird.
Eine typische Mikroelektronikbaugruppe umfasst auf einer Leiterplatte mithilfe von Lötverbindungen befestigte Elektronikkomponenten. Lötverbindungen werden gewöhnlich mithilfe einer Lötpaste gebildet, die aus in einer verdampfbaren Trägersubstanz verteilten Lotteilchen besteht. Die Lötpaste wird auf Verbindungsstellen auf der Leiterplatte aufgebracht und die Elektronikkomponente in Kontakt mit der Lötpaste angeordnet. Die Anordnung wird dann zwecks Verdampfung der Trägersubstanz und Schmelzens und Zusammenfließen der Lotteilchen erwärmt, was als Aufschmelzen bezeichnet wird. Beim Abkühlen erstarrt das Lot und verbindet die Elektronikkomponente mit der Leiterplatte.
Das Lotaufschmelzen wird durch Fördern des Werkstücks durch einen Ofen ausgeführt, wobei das Werkstück die Anordnung der Elektronikkomponente und der Leiterplatte mit der Lötpaste umfasst. Ein Beispiel eines Ofens wird in der US 2003/0102297 A1 beschrieben. Innerhalb des Ofens wird das Werkstück zunächst auf eine Temperatur knapp unterhalb des Lotschmelzpunkts vorgewärmt. Anschließend wird das Werkstück mithilfe heißer Luft auf eine Lotaufschmelzen bewirkende Temperatur erwärmt. In der Aufschmelzzone wird wiedererwärmte Luft durch ein Luftverteilungssystem verteilt, das eine langgestreckte Düse zum Leiten der Luft in das Werkstück enthält. Entsprechend der zuvor erwähnten US 2003/0102297 A1 enthält eine Düse Lamellen, um die Heißluft zwecks gleichmäßigerer Erwärmung quer zur Förderrichtung des Werkstücks zu leiten.
In einer herkömmlichen Düse wird der Luftaustritt durch Bleche gebildet, die senkrecht zum Werkstück angeordnet sind. In 1 ist ein Beispiel einer herkömmlichen Düse 20 zum Leiten der Heißluft in ein eine Elektronikkomponente 12 und eine Leiterplatte 14 umfassendes Werkstück 10 dargestellt. Das Werkstück 10 wird auf einer Fördereinrichtung 16 in Pfeilrichtung 18 durch die Aufschmelzzone transportiert. Die Öffnung der Düse wird durch Lamellen 21 gebildet, die senkrecht zur Richtung 18 angeordnet sind. Die aus der Düse zwischen den Lamellen 21 austretende Luft bildet Scherschichten 22, die durch Turbulenzen gekennzeichnet sind, die ein Vermischen der Heißluft mit der umgebenden, relativ kühleren Luft bewirken. Diese Vermischung senkt die Temperatur innerhalb der Scherschichten unter die wirksame Aufschmelztemperatur. Dadurch wird das Werkstück nur auf einer relativ kurzen Strecke zwischen den Scherschichten über die Lotaufschmelztemperatur hinaus erwärmt. Um das Werkstück 10 über eine zum Aufschmelzen ausreichende Zeitdauer zu erwärmen, ist es erforderlich, die Geschwindigkeit der Fördereinrichtung zu verringern. Es kann zwar die Temperatur der Heißluft innerhalb der Scherzonen erhöht werden, was jedoch zur Überhitzung des Werkstücks innerhalb der Region zwischen den Scherschichten führen kann und deshalb nicht erwünscht ist. Außerdem wird das Luftversorgungssystem durch räumliche Zwänge innerhalb des Ofens eingegrenzt, so dass zur Verlängerung der Aufschmelzzone nicht einfach die Öffnungsweite vergrößert werden kann.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Lotaufschmelzofen bereitzustellen, der mit einer Aufschmelzzone ausgestattet ist, die Heißluft zur Erwärmung eines Werkstücks auf eine Lotaufschmelzen bewirkende Temperatur verwendet und mit der die Strecke, über die das Werkstück auf Lotaufschmelztemperatur erwärmt wird, ohne Konflikte mit den vor- und nachgelagerten Ofenbereichen verlängert werden kann.
Entsprechend der Lösung der Aufgabe der Erfindung umfasst ein Lotaufschmelzofen eine Heizzone zur Erwärmung eines ein Lot enthaltenden Werkstücks auf eine ein Aufschmelzen des Lots bewirkende Temperatur. Der Ofen enthält eine Fördereinrichtung zum sequentiellen Transport des Werkstücks in eine Richtung durch eine Voraufschmelzzone, die Heizzone und eine Nachaufschmelzzone. Eine Luftkammer liefert Heißluft in die Heizzone und besitzt Seiten, die eine Luftkammeröffnung mit einem ersten Maß in Förderrichtung bilden. Zwischen der Luftkammeröffnung und der Fördereinrichtung ist eine Düse angeordnet, die Heißluft von der Luftkammer empfängt und diese Heißluft in Richtung auf die Fördereinrichtung leitet. Die Düse enthält eine Vorderwand und eine Rückwand, die zueinander divergieren und eine an die Fördereinrichtung angrenzende Düsenöffnung bilden, die ein Maß kleiner als das oder gleich dem Maß der Luftraumöffnung ist. Auf diese Weise befindet sich die Düse innerhalb der Heizzone und leitet die an die aus der Düse austretende Luft gekoppelten Scherschichten zur Vor- bzw. Nachschmelzzone, wodurch sich die Strecke, über die das Werkstück auf die Lotaufschmelztemperatur erwärmt wird, verlängert. Das erfolgt ohne die Notwendigkeit einer Temperaturerhöhung der Heißluft und bei Einschluss der Luftkammer und der Düse in die Aufschmelzzone, so dass Ausrüstung und Betrieb in benachbarten Zonen nicht gestört werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird weiter mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei sind:
1 eine schematische Ansicht einer Lotaufschmelzzone eines dem Stand der Technik entsprechenden Lotaufschmelzofens;
2 eine schematische Ansicht eines der Erfindung entsprechenden Lotaufschmelzofens;
3 eine in Pfeilrichtung verlaufende Schnittdarstellung des Ofens von 2; und
4 eine schematische Ansicht, die Details der Heizzone im Lotaufschmelzofen von 3 zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Unter Bezug auf die 2 bis 4 wird ein der Vorzugsausgestaltung der Erfindung entsprechender Lotaufschmelzofen 30 zur Erwärmung eines Werkstücks 32 zwecks Bildung einer Mikroelektronikbaugruppe bereitgestellt. Das Werkstück 32 umfasst eine Leiterplatte 34 und eine oder mehrere Elektronikkomponenten 38. Die Leiterplatte 34 enthält eine Vielzahl von Verbindungsstellen 36, auf denen eine Lötpaste 40 aufgebracht ist. Die Lötpaste 40 besteht aus in einer verdampfbaren Trägersubstanz verteilten Teilchen einer Lotmetalllegierung. Die Paste kann ein geeignetes Flussmittel zur Verbesserung der Benetzung der Verbindungsstellen 36 und der Komponente durch flüssiges Lot enthalten. Zur Vorbereitung der Baugruppe wird die Lötpaste 40 auf die Verbindungsstellen 36 aufgebracht, und die Elektronikkomponenten 38 werden auf der Leiterplatte in Kontakt mit der Lötpaste positioniert. Danach wird das Werkstück 32 zur Erleichterung der Handhabung und des Transports des Werkstücks 32 durch den Ofen auf eine Palette 42 gespannt.
Der Ofen 30 umfasst eine Fördereinrichtung 44 zum Transport des Werkstücks 32 durch den Ofen in Pfeilrichtung 46. Der Ofen 30 umfasst eine Aufschmelzzone 50, die ein Heißluftversorgungssystem 52 zur Erwärmung des Werkstücks 32 auf eine Lotaufschmelzen bewirkende Temperatur enthält. Der Ofen 30 umfasst außerdem eine Voraufschmelzzone 54, die Heizer 55 zum Vorwärmen des Werkstücks 32 auf eine niedrigere Temperatur als die Lotaufschmelztemperaturen enthält. Die Zone 54 kann mehrere Heizregionen umfassen, die mit Trennwänden und Lüftern zur Erwärmung des Werkstücks entsprechend einer gewünschten Zeit und einem Temperaturregime ausgerüstet sind. Der Ofen 30 umfasst außerdem eine Nachaufschmelzzone 56, in die das Werkstück 32 aus der Aufschmelzzone transportiert wird. In Region 56 unterliegt das Werkstück 32 einer kontrollierten Abkühlung zum Erstarren des Lots und zur Bildung der gewünschten Verbindungen.
Speziell in 3 ist der Querschnitt des Luftversorgungssystems 52 dargestellt. Das System 52 umfasst ein innerhalb der Luftkammer durch Träger 64 abgestütztes Luftverteilungsrohr 60. Die Luftkammer 62 umfasst Vorder- und Rückseiten 63. Das Rohr 60 umfasst einen Einlass 66 zum Empfangen von Luft von einem (nicht dargestellten) Heizer und von der Fördereinrichtung 44 weggerichtete Auslässe 61. Die Heißluft strömt von den Auslässen 61 durch die Luftkammer 62 um das Rohr 60 herum, wie durch die Lamellen 65 gezeigt, und tritt durch eine dem Werkstück 32 und der Fördereinrichtung 44 benachbarte Öffnung aus. Ein Lochblech 76 an der Öffnung zwischen den Seiten 63 gewährleistet einen diffusen Luftstrom aus der Luftkammer heraus.
Eine der Erfindung entsprechende Düse 80 wird zum Leiten der Heißluft aus der Luftkammer 62 zum Werkstück 32 mit einem optimalen Strömungsverlauf bereitgestellt. Die Düse 80 enthält eine Vielzahl von in 3 dargestellten Lamellen 72 zur Leitung des Luftstroms quer zur Richtung 18, der Förderrichtung des Werkstücks 32, wie in 3 durch die Pfeile 74 gezeigt wird. Die Strömungsführung wird durch ein Paar an den Enden der Düse 80 angeordneten Deflektoren 77 unterstützt. Es wurde festgestellt, dass der quergerichtete Luftstrom seitwärts über das Werkstück 32 eine gleichmäßigere Erwärmung des Werkstücks innerhalb der Aufschmelzzone gewährleistet. Außerdem enthält die Düse 80 eine Einschnürungssektion 82, die in Richtung 46 eingeschnürt ist, und divergierende Lamellen 84, die eine Austrittsöffnung 86 in der Nähe des Werkstücks bilden. Hilfslamellen 85 begünstigen die Bereitstellung eines gewünschten divergierenden Luftstroms und schneiden die Lamellen 72 in einem Kreuzmuster. In 4 zeigt das Maß d₁ die Abmessung der Öffnung zwischen den Seitenwänden 63 in der Luftkammer 62 parallel zur Richtung 46, der Förderrichtung des Werkstücks 32, an. Die Einschnürung 82 hat eine in Richtung 46 kleinere Weite d₂ als das Öffnungsmaß d₁. Die Öffnung 86 in den divergierenden Blechen 84 hat in Richtung 46 ein Maß d₃, das größer als die Weite d₂ der Einschnürung 82 ist. Außerdem ist in einer Vorzugsausgestaltung das Maß d₃ der Öffnung 86 nicht größer als das Maß d₁ des Luftraums 62, so dass sich die Düse in der Aufschmelzzone 50 befindet und nicht in die benachbarten Zonen 54 und 56 ragt.
Beim Betrieb wird ein Werkstück 32 auf eine Fördereinrichtung 44 gespannt und nacheinander durch eine Voraufschmelzzone 54, eine Aufschmelzzone 50 und eine Nachaufschmelzzone 56 transportiert. Das Werkstück 32 kann beispielsweise eine Lötpaste 40 tragen, die eine Zinn-Blei-Lotlegierung mit einer Schmelztemperatur von etwa 183 ± 10 °C enthält. Das Werkstück 32 wird in der Voraufschmelzzone 54 auf eine die Verdampfung der Trägersubstanz in der Lötpaste und die Aktivierung des Flussmittels bewirkende Temperatur erwärmt. Danach passiert das Werkstück 32 die Aufschmelzzone 50, in der das Werkstück 32 mithilfe der vom Luftversorgungssystem 52 gelieferten Heißluft erwärmt wird. Die Luft wird durch eine (nicht dargestellte) externe Heizeinrichtung erwärmt und durch den Einlass 66 in das Rohr 60 geleitet, von wo die Luft durch die Öffnungen 61 in die Luftkammer 62 strömt. Die Heißluft strömt von der Luftkammer 62 durch das Lochblech 76 in die Düse 80. Danach strömt die Heißluft durch die Einschnürungssektion 82 und die divergierenden Lamellen 84 und wird durch die Öffnung 86 in Richtung Werkstück 32 ausgeblasen. Der Luftstrom erzeugt nach den divergierenden Lamellen 84 Scherzonen 90, in denen sich aufgrund von Turbulenz die Heißluft mit der umgebenden, relativ kühleren Luft in den benachbarten Zonen 54 und 56 mischt. Im Ergebnis wird die Temperatur in den Scherschichten 90 auf eine niedrigere als die Lotaufschmelzen bewirkende Temperatur abgesenkt. Die divergierenden Lamellen 84 lenken die Scherzonen 90 jedoch in die vorgelagerte Region 54 und die nachgelagerte Region 56 und deshalb verlängert sich die dazwischen befindliche Strecke d₄, in der die Temperatur ein Lotaufschmelzen bewirkt. Die für das Lotaufschmelzen wirksame Strecke d₄ an der Fördereinrichtung 44 ist länger als die Luftkammerweite d₁ oder die Düsenöffnung d₃.
Die Erfindung stellt damit einen Lotaufschmelzofen bereit, der eine Aufschmelzzone umfasst, in der sich eine Strecke erstreckt, über die das Werkstück 32 auf die Lotaufschmelztemperaturen erwärmt wird. Das ist auf die Verwendung einer Düse mit divergierenden Lamellen zurückzuführen. Die divergierenden Lamellen lenken die Scherschichten in die benachbarten Zonen des Hufschmelzofens, wodurch die Strecke in der Aufschmelzzone, über die das Werkstück wirksame Aufschmelztemperaturen aufweist, maximiert wird. Das wird vorzugsweise realisiert, ohne dass die Düse oder die divergierenden Lamellen in die Nachbarzonen hineinragen, so dass sie mit der Ausrüstung und den darin ablaufenden Prozessen nicht in Konflikt geraten.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausgestaltungen beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, sie damit einzuschränken, sondern vielmehr lediglich auf den Bereich, der sich durch die nachfolgenden Patentansprüche ergibt.

10: Werkstück
12: Elektronikkomponente
14: Leiterplatte
16: Fördereinrichtung
18: Pfeilrichtung
20: Düse
21: Lamellen
22: Scherschichten
30: Lotaufschmelzofen, Ofen
32: Werkstück
34: Leiterplatte
36: Verbindungsstellen
38: Elektronikkomponente
40: Lötpaste
42: Palette
44: Fördereinrichtung
46: Pfeilrichtung, Richtung, Förderrichtung des Werkstücks 32
50: Aufschmelzzone
52: Heißluftversorgungssystem
54: Voraufschmelzzone, vorgelagerte Region
55: Heizer
56: Nachaufschmelzzone, nachgelagerte Region
60: Luftverteilungsrohr, Rohr
61: Auslässe, Öffnungen
62: Luftkammer
63: Vorderseite, Rückseite, Seiten, Seitenwände
64: Träger
65: Lamellen
66: Einlass
72: Lamellen
74: Pfeile
76: Lochblech
77: Deflektoren
80: Düse
82: Einschnürung
84: Vorder- und Hinterlamellen, divergierende Bleche
86: Düsenöffnung, Austrittsöffnung, Öffnung
90: Scherschicht, Scherzone
d₁: erstes Maß, Luftkammerweite
d₂: zweites Maß, Weite der Einschnürung 82
d₃: drittes Maß, Düsenöffnung
d₄: Strecke (zwischen Region 54 und Region 56)

Claims

Lotaufschmelzofen (30), der eine Aufschmelzzone (50) zum Erwärmen eines ein Lot enthaltenden Werkstücks (32) auf eine Aufschmelzen des Lots bewirkende Temperatur enthält und eine Voraufschmelzzone (54) und eine Nachaufschmelzzone (56) um die Aufschmelzzone (50) herum umfasst, außerdem umfassend: – eine Fördereinrichtung (44) zum sequenziellen Transport des Werkstücks (32) in eine Förderrichtung (46) durch die Voraufschmelzzone (54), die Aufschmelzzone (50) und die Nachaufschmelzzone (56); – eine Luftkammer (62) zur Lieferung von Heißluft in die Aufschmelzzone (50), wobei die Luftkammer (62) eine Vorderseite (63) und eine Rückseite (63) in einem Abstand zueinander quer zur Förderrichtung (46) umfasst, die eine Luftkammeröffnung zwischen sich bilden, wobei die Luftkammer (62) ein erstes Maß (d₁) in Förderrichtung (46) hat; – eine Düse (80) zum Empfangen von Heißluft aus der Luftkammer (62) und zum Leiten der Heißluft in Richtung Fördereinrichtung (44), wobei die Düse (80) Vorder- und Hinterlamellen (84) umfasst, die zueinander divergieren und eine der Fördereinrichtung (44) benachbarte Düsenöffnung (86) bilden, die ein zweites Maß (d₂) in Förderrichtung (46) hat, das kleiner als das erste Maß (d₁) oder diesem gleich ist.
Lotaufschmelzofen nach Anspruch 1, wobei die Düse (80) eine Einschnürung (82) umfasst, die sich zwischen der Luftraumöffnung und der Düsenöffnung (86) befindet und ein drittes Maß (d₃) in Förderrichtung (46) hat, das kleiner als das erste Maß (d₁) ist.
Lotaufschmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorderlamelle (84) der Düse (80) eine Scherschicht (90) in eine Richtung zur Voraufschmelzzone (54) hin bildet.
Lotaufschmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hinterlamelle (84) der Düse (80) eine Scherschicht (90) in eine Richtung zum Leiten von Luft zur Nachaufschmelzzone (56) hin bildet.
Lotaufschmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Werkstück (32) eine Leiterplatte (34) mit Verbindungsstellen (36), eine auf den Verbindungsstellen (36) aufgebrachte Lötpaste (40) und eine in Kontakt mit der Lötpaste (40) auf der Leiterplatte (34) angeordnete Elektronikkomponente (38) umfasst.
Lotaufschmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Werkstück (32) eine Lötpaste (40) enthält, die aus Lotteilchen und einer verdampfbaren Trägersubstanz besteht.
Lotaufschmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Düse (80) außerdem Lamellen (72) umfasst, die sich in Förderrichtung (46) erstrecken und für ein Leiten des Luftstroms quer zur Förderrichtung (46) geformt sind.
Lotaufschmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, außerdem Hilfslamellen (85) umfassend, die sich zwischen den Vorder- und Hinterlamellen (84) befinden.