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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dampfphasenlöten mit
einer von oben zu beschickenden Lötzone und einer Zuführzone sowie
einer dazwischen angeordneten Kühlzone.
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Beim
Dampfphasenlöten,
das auch als Kondensationstöten
bekannt ist, wird eine elektrisch inerte Flüssigkeit auf Siedetemperatur
erhitzt. Es bildet sich damit über
der Flüssigkeit
eine gesättigte,
chemisch inerte Dampfzone, deren Temperatur im Wesentlichen mit
dem Siedepunkt der Flüssigkeit
identisch ist. Für
diese Flüssigkeiten
werden üblicherweise
Perfluoropolyether benutzt, die z.B. unter der Marke „Galden" gehandelt werden.
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Diese
Flüssigkeiten
sind nicht brennbar oder explosibel und sind insbesondere bis hin
zu hohen Temperaturen gewöhnlich
inert gegenüber
allen Chemikalien; sie reagieren nicht mit Säuren, Alkalien oder starken
Oxydantien und sind außerdem
verträglich
mit allen bekannten Kunststoffen, Metallen und Elastomeren. Bei
bestimmungsgemäßem Einsatz, d.h.
unter normalen Druckbedingungen im Siedebetrieb, sind diese Flüssigkeiten
somit thermisch stabil.
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In
der sich oberhalb der Flüssigkeit
bildenden Dampfzone ist aufgrund der hohen Dichte des dampfförmigen Perfluoropolyethers
eine inerte Atmosphäre
vorhanden, so dass in diese Dampfphase eingetauchtes Lötgut zuverlässig vor
Oxydation geschützt
wird.
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An
entsprechendem Lötgut,
das als Werkstück
in diese Dampfphase eingebracht wird, kondensiert so lange Dampf,
bis es die Temperatur des Dampfes angenommen hat. Entsprechende
Lötlegierungen
mit darunterliegender Schmelztemperatur sind dann bereits flüssig.
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Das
Dampftöten
hat dabei den Vorteil, dass die zu verlötenden Bauelemente nicht durch
eine lediglich lokale Wärmezufuhr
in unerwünschter
Weise überhitzt
werden können,
da der Siedepunkt und damit die maximale Temperatur der Dampfphase
auch die maximale Löttemperatur
bestimmt. Somit kann dieses Verfahren auch für die Verarbeitung von Baugruppen
mit bleifreien Loten eingesetzt werden. Die Baugruppen werden dabei
insbesondere auch gleichmäßig erwärmt, auch
bei unterschiedlichen Bauteilen und Massen, so dass eine unerwünschte Bildung
von „kalten
Lötstellen" vermieden wird.
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Das
dabei der, wie oben bereits diskutierte, oxidationsfreie Lötprozess
ohne zusätzlichen
Einsatz von Schutzgasen erzeugt werden kann, sei lediglich noch
einmal am Rande erwähnt.
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Damit
die dampfförmige
Phase in ihrer Ausdehnung beschränkt
bleibt, wird bekanntermaßen oberhalb
der mit Dampfphase gefüllten
Lötzone
eine Kühlzone
vorgesehen, in der in sie eintretender Dampf gekühlt und damit kondensiert wird.
Diese Kühlzone
bildet somit einen Abschluss der Lötzone nach oben. Die Kühlzone kann
nach oben oder aber zur Seite in eine Zuführzone übergehen, aus der heraus Werkstücke durch
sie hindurch in die Lötzone verbracht
werden.
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Problematisch
bei dem beschriebenen Verfahren ist jetzt, dass die Hersteller von
Loten oder Lötpasten
gewisse Temperatur-Zeit-Profile empfehlen, die gefahren werden sollen,
um bestmögliche
Lötergebnisse
zu erzielen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Dampfphasenlötanlage
dahingehend weiterzubilden, dass mit ihr eine Lötung entsprechend der vorgegebenen
Temperatur-Zeit-Profile durchgeführt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Dampfphasenlötvorrichtung gemäß der Erfindung
wenigstens eine Temperatursonde aufweist zur Ermittlung des vertikalen
Temperaturverlaufes zumindest im oberen Bereich der Lötzone.
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Der
Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Temperatur
in Vertikalrichtung zwischen dem am unteren Ende der Lötzone befindlichen,
zur Verdampfung gebrachten Wärmeübertragungsmedium
und dem oben liegenden Bereich, in dem der erzeugte Dampf in der
Kühlzone
kondensiert wird, nicht konstant ist sondern sich eine gewisse „Temperaturschichtung" feststellen lässt, wobei
die höchste
Temperatur einen vertikalen Abstand zu der obenliegenden Kühlzone aufweist.
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Die
sich ergebende Temperaturschichtung kann nun mittels einer Temperatursonde,
die in Vertikalrichtung verfahrbar ist, ermittelt werden. Das zu
lötende
Werkstück
kann dann auf die Höhe
gefahren werden, auf der die Temperatur herrscht, die für das Abfahren
eines Temperatur-Zeit-Profiles gewünscht wird.
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Es
ist in diesem Zusammenhang angedacht worden, die Temperatursonde
direkt an den Träger zu
montieren, mit dem das zu lötende
Werkstück üblicherweise
transportiert bzw. in die Lötzone
verfahren wird. Dies hat aber den Nachteil, dass hier ein Sensor
verwandt werden müsste,
der sehr schnell die sich ändernden
Temperaturen erfasst und dass hier auch eine sehr schnelle Auswerteeinheit
nachgeschaltet werden müsste.
Für solche
Elemente sind erhebliche Kosten aufzuwenden.
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Unter
diesem Aspekt wird bevorzugt, die Temperatursonde unabhängig von
dem Werkstückträger verfahrbar
zu gestalten, um somit erst eine Temperaturschichtung ermitteln
zu können
und dann das Werkstück
in die Höhe
der gewünschten
Temperatur zu verfahren.
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Es
hat sich allerdings auch herausgestellt, dass die Temperaturschichtungen
relativ labil sind, so dass sie nicht nur durch das Verfahren des
Werkstückes
gestört
werden können,
sondern gegebenenfalls bereits durch das Verfahren der Temperatursonde
beim Abtasten der Temperaturschichtung.
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Unter
diesem Aspekt wird insbesondere vorgeschlagen, eine Mehrzahl von
Temperatursonden in Vertikalrichtung verteilt zu installieren. Mit
dieser Vielzahl von Temperatursonden kann dann auch nach einer Bewegung
eines Werkstückes
und sich dabei ändernder
Temperaturschichtung diese neue Temperaturschichtung unmittelbar
wieder erfasst werden. So wird eine Möglichkeit gegeben, das Werkstück dann in
eine Höhe
zu verfahren, in der die nächste
gemäß Temperatur-Zeit-Profil
vorgeschriebene Temperatur herrscht.
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Ein
derartiges Temperaturlineal aus eine Vielzahl von Temperatursonden
kann dabei zwar wiederum zusammen mit dem Träger für das Werkstück verfahren
werden. Bevorzugt ist allerdings, diese Mehrzahl von Sonden bezüglich des
Gehäuses
in Vertikalrichtung fixiert zu installieren, vorzugsweise auf einem
gemeinsamen Träger.
Dieser Träger
kann dabei nicht nur in einer reinen Vertikalrichtung ausgerichtet
sein, sondern kann auch eine Neigung aufweisen, so dass die mit
den einzelnen Sonden ermittelten Temperaturschichten in Vertikalrichtung
enger beieinanderliegen.
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Es
ergibt sich aus der vorliegenden Beschreibung, dass die hier beschriebene
Dampfphasenlötanlage
mit einer Steuerung versehen ist, die ein Lötgut gemäß einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Profil
auf eine die jeweils geforderte Temperatur aufweisende Höhe insbesondere
innerhalb der Lötzone
verfährt
und dort für
eine vorgeschriebene Zeit hält,
bevor sie das Lötgut
auf eine neue Höhe
mit der nächsten
geforderten Temperatur verfährt,
dort hält,
usw. Am Ende des durch sie gesteuerten Verfahrens kann die Steuerung
das Lötgut
dann auch noch in die Kühlzone
verfahren, wo es entsprechend abkühlt und auch gegebenenfalls
noch an ihr haftendes Wärmeübertragungsmittel
verdampfen kann, damit es wieder in die darunterliegende Lötzone zurückzubringen
ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Dabei zeigt
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1 die
teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Prinzipskizze.
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In
der 1 erkennt man die geschnittene Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung als
Prinzipskizze.
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Bei
dieser Vorrichtung ist eine Ablage 1 vorgesehen, auf der
ein Träger
aufzulegen ist, der eine zu lötende
Platine als Werkstück
trägt.
Neben der Ablage 1 ist eine Klappe 2 manuell oder
automatisch zu öffnen
und der Träger
ist durch die sich hinter dieser Klappe befindende Öffnung 3 hindurch
auf einen Gitterträger 4 zu
schieben, der in einer Zuführzone 5 ist. Danach
wird die Klappe 2 geschlossen und der Gitterträger 4 wird über ein
Spindelgetriebe 6 abgesenkt, das über einen Schrittmotor 7 angetrieben wird.
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Bei
diesem Absenken tritt der Gitterträger 4 durch eine Kühlzone 8 und
eine darunterliegende Lötzone 9,
wo er seine Endstellung erreicht, die hier mit 4' bezeichnet
ist.
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Die
Lötzone 9 weist
eine Wanne 10 auf, die durch an deren Unterseite federnd
anliegende Heizplatten 11 beheizt wird.
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Diese
Wanne 10 ist zumindest teilweise mit einem Wärmeübertragungsmittel
gefüllt,
das durch die Heizplatten 11 teilweise verdampft wird,
wobei sich oberhalb des flüssigen
Wärmeübertragungsmittels
ein Wärmeübertragungsmitteldampf
bildet. Dieser kondensiert unter Wärmeabgabe an der in diesem
Dampfbereich über
den Träger 4 eingebrachten Platine,
womit diese erhitzt wird, so dass eine entsprechende Lötung der
in die Dampfphase eingebrachten Platine erfolgen kann.
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Damit
der angesprochene Dampf nicht aus der Lötzone 8 ungehindert
in die Zuführzone 5 strömt, wird
in der dazwischenliegenden Kühlzone 8 über entsprechend
vorgesehene Kühlmittelanschlüsse 12 der
in diese Kühlzone
eintretende Dampf kondensiert und direkt wieder der tieferliegenden
Lötzone 9 zur
Verdampfung zugeführt.
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Am
Rande der Lötzone 9 ist
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Lineal 13 montiert, das eine Vielzahl von Temperatursonden
trägt. Dieses
Lineal 13 ist starr in der Lötzone 9 montiert,
so dass die einzelnen Temperatur sonden in Vertikalrichtung in unterschiedlichen
Höhen liegen
und somit die innerhalb der Lötzone 9 unterschiedlich
geschichteten Temperaturen erfassen können. Diese Temperaturen werden über eine
Leitung 14 an eine Steuerung 15 geliefert. In
dieser sind Sollkurven gespeichert für ein Temperatur-Zeit-Profil, das mit einem
Lot durchlaufen werden soll, das an dem Werkstück/der Platine verwandt wird.
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Über die
einzelnen Temperatursensoren auf dem Lineal 13 ist bekannt
in welcher Höhe
die jeweils entsprechende Temperatur vorherrscht und die Steuerung 15 steuert
den Schrittmotor 7 über
ein Steuerkabel 16 derart an, dass die Platine entsprechend
auf die gewünschte
Höhe gefahren
wird, auf der die gewünschte
Temperatur herrscht. Auf dieser Höhe wird die Platine für eine vorgegebene
Zeit gehalten, bevor sie dann auf die Höhe gefahren wird, auf der zu
diesem Zeitpunkt die Temperatur herrscht, die als nächstes bei
dem Temperatur-Zeit-Profil vorgesehen ist.
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Am
Ende des Lötvorganges
und damit dem Ende des Temperatur-Zeit-Profils wird der Gitterträger 4 wieder
durch oder in die Kühlzone 8 verbracht, wo
das Werkstück
abkühlen
kann und evtl. noch an ihm haftendes Wärmeübertragungsmittel verdampft und
wieder der Lötzone
zugeführt
wird.
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Danach
wird der Gitterträger 4 dann
in die Zuführzone 5 zurückgefahren
und das auf ihm liegende Werkstück
nach Öffnen
der Klappe 2 durch die Öffnung 3 seitlich
entnommen und auf die Ablage 1 gegeben.