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Die Erfindung betrifft eine Reflowlötanlage zum Löten unterschiedlichster Baugruppen. Das Reflowlöten ist dadurch charakterisiert, dass mittels einer Lotpaste oder Lötmittel gelötet wird, die durch Erhitzen aufgeschmolzen wird. Die zu lötende Baugruppe wird hierzu an den Lötstellen mit einer Lotpaste und den zu lötenden Bauteilen versehen. Die so bestückte Baugruppe wird beispielsweise in einen Ofen eingebracht und so weit aufgeheizt, dass der Schmelzpunkt der Lotpaste erreicht wird. Anschließend wird die Baugruppe wieder abgekühlt, wodurch das Lot erstarrt und eine feste leitfähige Lotverbindung ergibt. Es sind unterschiedliche Bauformen von Reflowlötanlagen bekannt. Am weitesten verbreitet sind Durchlaufanlagen, bei denen die zu lötende Baugruppe mehr oder weniger kontinuierlich durch die Anlage gefördert wird und hierbei so stark durch Konvektion oder Strahlung erhitzt wird, dass die Lotpaste ihren Schmelzpunkt erreicht und danach wieder abgekühlt wird, so dass die Baugruppe in einem Zustand der Anlage entnommen werden kann, in dem die Lotpaste nicht mehr flüssig ist und eine stabile Verbindung von Basis- oder Leiterplatte und gelöteten Bauteilen gewährleistet ist.
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Die meisten Anlagen verfügen über eine Vorwärmphase, in der die Baugruppe langsam erwärmt wird, einer eigentlichen Lötzone, in der die Baugruppe so stark erhitzt wird, dass der Schmelzpunkt der Lötpaste erreicht wird und einer anschließenden Abkühlphase, in der die Baugruppe langsam wieder abgekühlt wird.
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Wenngleich mit derartigen Anlagen gute Lötergebnisse erzielbar sind, kommen konventionelle Anlagen bei großen Oberflächenmontierten Bauteilen an ihre Grenzen. Der Grund dafür liegt darin, dass derartige Bauteile große Lötflächen zur Übertragung hoher elektrischer Leistung benötigen, wobei diese großen Lötflächen zumindest weitgehend fehlerfrei gelötet werden müssen, da andernfalls der Widerstand stark zunimmt und die erforderliche elektrische Leistung nicht hinreichend übertragen werden kann oder aufgrund des hohen elektrischen Widerstands eine zu starke Erwärmung der Lötfläche eintritt. Der Grund hierfür ist in erster Linie in Einschlüssen zu sehen, die durch Flussmittelreste und andere Verunreinigungen in der großen flächigen Lötfläche entstehen und somit den Kontakt zwischen Leiterplatte und Bauteil beeinträchtigen. Dabei wird angestrebt, die Baugruppe einschlussfrei, das heißt ohne Einschlüsse wie Lunkerblasen oder andere Einschlüsse jeglicher Art zu löten. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, wurde vorgeschlagen, ein Vakuum in der Lötphase zu erzeugen, so dass, wenn die Lötpaste den Schmelzpunkt erreicht, Luftblasen Flussmittelüberreste und andere Verunreinigungen durch das Vakuum oder Unterdruck abgezogen werden, um so die Qualität der Lötverbindung zu erhöhen, da insbesondere bei flächigen Lötverbindungen zumindest im inneren Bereich beim konventionellen Reflowlöten häufig Einschlüsse verbleiben.
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Hierzu wird in der
US 2009/0014503 A1 eine Reflowlötanlage vorgeschlagen, bei der die Lötzone mit einer Vakuumeinrichtung versehen ist, so dass beim Erreichen des Schmelzpunkts der Lotpaste Vakuum vorliegt, um die Qualität der Lötung zu erhöhen. Wie gut aus
3 dieses Dokuments zu ersehen ist, verfügt auch diese Anlage über die klassische Aufteilung in eine Vorwärmphase, eine Lötphase und eine Abkühlphase. Am Ende der Vorwärmphase oder Vorwärmzone wird eine Temperatur von 221°C erreicht. In der sich daran anschließenden Lötzone wird die Temperatur relativ kontinuierlich auf eine Arbeitstemperatur von 260°C gesteigert, wobei, wie ausgeführt, dies unter Vakuumbedingungen geschieht. Ist der Schmelzpunkt der Lotpaste erreicht, wird bereits in der Lötzone die Temperatur wieder kontinuierlich verringert, so dass die Baugruppe mit einer Temperatur von etwa 221°C, also deutlich unterhalb des Schmelzpunkts und auf der Höhe der Eintrittstemperatur in die Lötzone die Lötzone verlässt und an die Abkühlphase bzw. Kühlstrecke übergeben wird. In dieser Kühlstrecke wird die Temperatur der Baugruppe bis auf 25°C heruntergefahren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reflowlötanlage zu schaffen, die durch die Anwendung von Vakuum mit hoher Zuverlässigkeit deutlich verbesserte Lötverbindungen auch bei großen oberflächenmontierten Bauteilen mit großen Lötflächen gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung wird eine Reflowlötanlage geschaffen, die über eine konventionelle Vorheizzone und eine solche Lötzone verfügt. In der Lötzone wird die Lotpaste auf eine Temperatur erhitzt, die zumindest der Schmelztemperatur entspricht, aber auch darüberliegen kann. Dadurch wird die Lotpaste flüssig. Im Anschluss daran wird das Lötgut an eine Vakuumzone übergeben, in der ein Vakuum erzeugt wird und das Lötgut für eine vorbestimmte Zeitspanne zumindest auf einer Temperatur gehalten wird, die der Schmelztemperatur entspricht, oder darüber liegt. Im Anschluss an die Vakuumbehandlung wird das Lötgut an eine konventionelle Kühlzone übergeben. Das heißt, das Lötgut wird auf herkömmliche Weise in der Lötzone so weit erhitzt, dass die Schmelztemperatur der Lotpaste erreicht wird. Dabei kann die Temperaturregelung exakt auf die Schmelztemperatur einregeln oder auf eine darüberliegende Temperatur. Entscheidend ist dabei lediglich, dass die Lotpaste komplett aufschmilzt und andererseits Bauteile nicht durch zu hohe Temperaturbelastung geschädigt werden. In diesem Zustand, das heißt, in einem Zustand, in dem die Lotpaste in aufgeschmolzenem flüssigem Zustand vorliegt, wird das Lötgut in eine Vakuumzone eingebracht und dort für eine vorbestimmte Zeit einem Vakuum ausgesetzt. Die Temperaturregelung bzw. die Steuerung des Temperaturprofils erfolgt dabei so, dass für eine vorbestimmte Zeitspanne auch in der Vakuumzone die Lotpaste zumindest auf Schmelztemperatur gehalten wird, so dass die Lotpaste während der Vakuumbehandlung zumindest für eine bestimmte Zeitdauer in flüssiger Form vorliegt und auf diese Weise Einschlüsse, Verunreinigungen, etc. mittels des Vakuums entfernt werden können.
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In der Vakuumzone wird für eine vorbestimmte Zeitdauer ein Vakuum erzeugt, um das Lötgut bzw. die verflüssigte Lötpaste einem Vakuum auszusetzen. Die Temperaturregelung bzw. das Temperaturprofil der Anlage kann so ausgelegt sein, dass während der gesamten Vakuumbehandlung die Lotpaste in flüssiger Form vorliegt, also zumindest die Schmelztemperatur der Lotpaste erreicht wird, oder die Anlage kann so ausgelegt bzw. geregelt sein, dass nur für einen Teil der Zeitdauer der Vakuumbehandlung, also eine vorbestimmte Zeitdauer, die Schmelztemperatur erreicht wird und während der verbliebenen Dauer der Vakuumbehandlung das Lötgut bzw. die Lotpaste bereits wieder auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur abkühlt.
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Vorteilhaft kühlt das Lötgut bzw. die Lotpaste in der Vakuumzone auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Lotpaste ab, bevor das Lotgut an die Kühlzone übergeben wird. Zu diesem Zweck kann, wie ausgeführt, die Temperaturregelung während der Vakuumbehandlung entsprechend beschaffen sein, oder es kann das Lötgut nach der eigentlichen Vakuumbehandlung noch für eine bestimmte Zeitdauer in der Vakuumzone verweilen und während dieser Zeit so weit abkühlen, dass die Schmelztemperatur unterschritten wird, bevor dieses an die Kühlzone übergeben wird. Eine Übergabe des Lötguts von der Vakuumzone an die Kühlzone in einem Zustand, in dem die Lotpaste bereits unter Schmelztemperatur abgekühlt hat, hat den Vorteil, dass durch eventuelle Erschütterungen eine Depositionierung von Bauteilen nicht mehr befürchtet werden muss, da durch die zumindest teilweise erstarrte Lotpaste eine relativ stabile Verbindung von Leiterplatte und Bauteilen gegeben ist.
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Vorteilhaft erfolgt der Transport des Lötguts durch die Reflowlötanlage kontinuierlich oder getaktet. In der Vakuumzone erfolgt der Transport vorteilhaft getaktet, so dass während der Vakuumbehandlung kein Transport des Lötguts stattfindet und die Vakuumzone mit relativ einfachen Mitteln wirksam geschlossen werden kann. Es ist aber auch ein vollständig kontinuierlicher Transport möglich, wenn das Lötgut mit hinreichend großen Abständen auf die Transporteinrichtung gesetzt wird, so dass während der Vakuumbehandlung die Vakuumzone geschlossen werden kann, da während dieser Zeitspanne kein weiteres Lötgut über die Transporteinrichtung an die Vakuumzone herantransportiert wird. Auch eine Kombination von vollständig kontinuierlichem Transport, z. B. durch die Vorheizzone, Lötzone und Kühlzone, oder ein getakteter Transport durch die Vakuumzone sind möglich durch geeignete Übergabe an entsprechende Fördereinrichtungen. Zusätzlich ist jedoch auch ein kontinuierlicher Transport in der Vakuumkammer möglich.
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Vorteilhaft verfügt die Vakuumzone über eine Heizeinrichtung, mittels der die Temperatur der Vakuumzone einstellbar ist. Hierdurch kann das Lötprofil während der Phase in der Vakuumzone entsprechend gestaltet werden und die Zeitspanne, während der die Lötpaste zumindest auf Schmelztemperatur gehalten wird, geregelt werden. Gegebenenfalls kann auch ein Abkühlprofil in der Vakuumzone bzw. der Gradient der Abkühlung durch die Heizeinrichtung entsprechend eingestellt werden. Vorteilhaft arbeitet diese Heizeinrichtung ohne Konvektion, da zumindest in der Phase, in der das Vakuum erzeugt wird, ein Heizen mittels Konvektion nicht möglich ist. Es ist aber denkbar, die Vakuumzone in der Zeitspanne, in der das Vakuum nicht erzeugt wird, mittels Konvektionsheizung aufzuheizen und diese Heizeinrichtung während der Phase, in der das Vakuum erzeugt wird, auszusetzen. Als vorteilhaft haben sich Wärmestrahler oder auch Widerstandsheizeinrichtungen erwiesen.
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Die Vakuumbehandlung in der Vakuumzone erfolgt über eine Vakuumpumpe, die jedoch nicht kontinuierlich laufen muss, sondern vorteilhaft getaktet ist und lediglich dann das gewünschte Vakuum erzeugt, wenn das Lötgut in die Vakuumzone eingebracht wurde, diese verschlossen wurde, und dann auch nur für die Dauer der gewünschten Vakuumbehandlung, wobei wie ausgeführt das Lötgut unter Umständen auch länger in der Vakuumzone verbleiben kann, um unter die Schmelztemperatur abzukühlen.
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Vorteilhaft sind im Ansaugbereich der Vakuumpumpe Filtereinrichtung vorgesehen, um Verunreinigungen, insbesondere Flussmittelrückstände, von der Vakuumpumpe fernzuhalten.
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Die Vakuumzone sollte von der Kühlzone thermisch entkoppelt sein. Es ist aber auch eine geteilte Vakuumzone denkbar, in der der in Transportrichtung zweite Teil der Vakuumzone thermisch mit der Kühlzone gekoppelt ist, um eine Abkühlung unter die Schmelztemperatur der Lotpaste zu fördern und ein erster Bereich von dem zweiten Bereich thermisch entkoppelt ist. Auf diese Weise kann in einem ersten Bereich der Vakuumzone die Temperatur des Lötgutes auf einem gewünschten relativ hohen Niveau gehalten werden und dann durch Transport innerhalb der Vakuumzone in den zweiten kühleren Bereich, gegebenenfalls auch während der eigentlichen Vakuumbehandlung eine Abkühlung unter die Schmelztemperatur erfolgen. Die Vakuumkammer kann jedoch auch als ausschließlicher Kühlbereich bzw. Kühlzone vorgesehen sein.
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In der Vakuumzone kann eine Schutzgaseinrichtung vorgesehen sein, mittels der in der Vakuumzone eine Schutzgasatmosphäre geschaffen werden kann. Wie beim Löten unter Schutzgas kann hierdurch, insbesondere während der Phase, während der die Lötpaste in flüssiger Form vorliegt, Oxidation vermieden werden.
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Mit der Reflowlötanlage gemäß der Erfindung ist es möglich, sowohl einseitig als auch zweiseitig bestückte Baugruppen zu löten und in der Vakuumzone zu behandeln. Die zu lötenden Baugruppen können dabei mit unterschiedlich hohen Bauteilen beidseitig bestückt behandelt werden. Weiterhin können auch Baugruppen bzw. Platinen mit Kühlblechen in der Vakuumzone behandelt werden. Diese Baugruppen können dabei mit Kühlkörpern vollflächig oder teilflächig auf der Unterseite gelötet und in der Vakuumzone behandelt werden. Gute Ergebnisse wurden erzielt mit Baugruppen der Materialien FR2, FR3, FR4 und FR5. Aber auch Baugruppen mit anderen Harzzusammensetzungen wurden erfolgreich gelötet.
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Wie ausgeführt, ist als Kern der Erfindung anzusehen, dass das Lötgut in einem Zustand von der Lötzone in die Vakuumzone gefördert wird, in dem die Schmelztemperatur der Lötpaste zumindest erreicht oder gar überschritten ist. In dieser Phase können Erschütterungen des Lötgutes selbstverständlich leicht zu einer Depositionierung von Bauteilen, insbesondere kleinen und leichten Bauteilen, führen. Es kann daher für diese Transportaufgabe eine gesonderte Transporteinrichtung vorgesehen sein, die einen besonders erschütterungsfreien Transport gewährleistet. Für den Transport des Lötgutes durch die Vorheiz- und Lötzone sowie durch die Kühlzone kann eine herkömmliche Transporteinrichtung vorgesehen sein. Diese kann auch zum Einsatz kommen zwischen Vakuumzone und Kühlzone, wenn in der Vakuumzone bereits eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Lotpaste erfolgt.
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Die Erfindung wird näher anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Die Figur zeigt eine Prinzipskizze der neuen erfindungsgemäßen Reflowlötanlage.
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Der Transport des Lötgutes erfolgt in Pfeilrichtung vom Einlass 5 der Reflowlötanlage zum Auslass 6 der Reflowlötanlage. Vom Einlass 5 der Reflowlötanlage wird das Lötgut durch eine Vorheizzone 1 gefördert und in dieser Vorheizzone durch eine nicht dargestellte Konvektionsheizung auf eine Temperatur etwas unterhalb der Schmelztemperatur der Lötpaste erwärmt. In der eigentlichen Lötzone 2, die sich der Vorheizzone 1 anschließt, wird die Schmelztemperatur der Lotpaste erreicht und überschritten. Auch hier wird eine Konvektionsheizeinrichtung eingesetzt. In dem Zustand mit flüssigem aufgeschmolzenem Lot wird das Lötgut dann von der Lötzone 2 in die Vakuumzone 3 eingebracht. Aufgrund des getakteten Transports in der Vakuumzone 3 wird das Lötgut, sobald es in die Vakuumzone 3 eingebracht wurde, angehalten, so dass die Vakuumzone verschlossen werden kann. Hierzu sind am Eingang und Ausgang der Vakuumzone 3 geeignete Schleusen vorgesehen.
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Sobald sich das Lötgut mit aufgeschmolzener Lotpaste in der Vakuumzone 3 befindet, wird mittels einer Vakuumpumpe für eine vorbestimmte Zeitdauer ein Vakuum erzeugt. Aufgrund dieses Vakuums werden aus dem flüssigen Lot Einschlüsse, Verunreinigung und dergleichen entfernt. Auch die Vakuumzone 3 verfügt über eine geeignete Heizeinrichtung. Bei dem beschriebenen konkreten Ausführungsbeispiel wird zum Einen die Innenwandung der Vakuumzone über herkömmliche Heizeinrichtungen erwärmt, zum Anderen werden Wärmestrahler eingesetzt, um das Lötgut, das sich in der Vakuumzone 3 befindet, entsprechend zu beaufschlagen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass für eine vorbestimmte Zeitdauer sich die Lotpaste in der Vakuumzone 3 auf einer Temperatur entsprechend der Schmelztemperatur der Lotpaste oder darüber befindet, also das Lot in flüssigem Zustand vorliegt.
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Nach der eigentlichen Vakuumbehandlung verbleibt das Lötgut so lange in der Vakuumzone 3, bis dieses so weit abgekühlt ist, dass die Schmelztemperatur der Lotpaste unterschritten ist und sich die Lotpaste zumindest in einem zähflüssigen oder erstarrten Zustand befindet. Insbesondere beim Einsatz von Wärmestrahlern kann durch das Ausschalten der Strahler ein entsprechender Temperaturrückgang relativ einfach gewährleistet werden. Weiterhin kann die Temperaturregelung in der Vakuumzone 3 so ausgelegt sein, dass sich das Lötgut von dem Moment, von dem es in die Vakuumzone 3 eingebracht wird, bis zum Verlassen der Vakuumzone 3 beständig abkühlt, wobei der Gradient so ausgelegt wird, dass sich das Lot nach dem Einbringen des Lötguts in die Vakuumzone 3 noch eine vorbestimmte Zeitdauer in flüssigem Zustand befindet, dann aber unter die Schmelztemperatur abkühlt, so dass am Ende der Vakuumbehandlung bereits ein fester Zustand erreicht ist, in dem das Lötgut ohne Probleme an die Kühlzone 4 übergeben werden kann, das heißt, ohne dass befürchtet werden müsste, dass es zu einer Depositionierung von Bauteilen aufgrund von Erschütterungen kommt. Auf diese Weise muss lediglich bei Übergabe von der Lötzone 3 in die Vakuumzone 3 dafür gesorgt werden, dass keine größeren Erschütterungen auf das Lötgut einwirken. In der Kühlzone 4 wird das Lötgut in herkömmlicher Art und Weise weiter abgekühlt und am Ausgang 6 der Maschine in gewohnter Weise abgegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0014503 A1 [0004]
