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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reflow-Löten
einer gedruckten Leiterplatte, auf der elektronische Vorrichtungen
montiert sind.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Verschiedene
elektronische Vorrichtungen werden auf der Oberfläche einer
gedruckten Leiterplatte direkt montiert und verlötet. Solches
Löten erfolgt unter Verwendung einer Lötpaste.
Die Lötpaste besteht aus einer Paste aus cremeartigen Flussmittel und
einem pulverisierten Lötmittel und wird durch Drucken oder
von Dispensern oder dergleichen auf die Lötstellen der
gedruckten Leiterplatte aufgebracht. Die Stellen an denen diese
elektronischen Vorrichtungen montiert sind; werden dann durch einen
Reflow-Ofen erhitzt, um dadurch die Leiterplatte und die elektronischen
Vorrichtungen zusammenzulöten.
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Das
Flussmittel der Lötpaste dient als Beschichtungsmaterial,
das die Oxidschicht von der gelöteten Metalloberfläche
entfernt, die Reoxidation bei Erhitzung während des Lötens
verhindert und die Oberflächenspannung des Lötmittels
zur Verbesserung der Benetzung verringert. Es besteht aus Kiefernharz,
einem Thyxotropier-Mittel, einem Aktivator und anderen festen Bestandteilen,
die durch ein Lösungsmittel gelöst sind, so dass,
wenn die Lötpaste im Reflow-Ofen erhitzt wird, diese verdampft
und zu Dunst bzw. Rauch wird. Die verdampften Flussmittelbestandteile
(Flussmitteldampf) kontaktieren Teile des Reflow-Ofens mit niedriger
Temperatur (ca. 110°C oder weniger), verflüssigen
sich und lagern sich auf der Leiterplatte ab, wo sie Lötfehler
verursachen oder an beweglichen Teilen des Reflow-Ofens kleben bleiben,
und dadurch deren Bewegung behindern.
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Um
ferner zu verhindern, dass die Flussmittelbestandteile, die auf
der Leiterplatine festkleben, Lötfehler verursachen, wird
ein Rückgewinnungsgerät vorgeschlagen, das ein
Erwärmen in einer Atmosphäre mit einem Inertgas
ausführt, sowie ein Kühlen und Rückgewinnen
der Flussmittelbestandteile, die in dieser Atmosphäre vermischt
sind.
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Ein
konventionelles Beispiel eines solchen Rückgewinnungsgeräts
(
japanische Patentveröffentlichung
(A) Nr. 7-212028 ) wird nachstehend beschrieben. Elektronische
Vorrichtungen sind auf einer Leiterplatte montiert, die mittels
einer Fördereinrichtung in eine Heizkammer des Reflow-Ofens
befördert wird. Ventilatoren, die durch unterhalb der Fördereinrichtung
vorgesehene Ventilatorenmotoren angetrieben werden, bewirken, dass
atmosphärisches Gas zwischen den Heizeinrichtungen strömt und
zu der Leiterplatte geblasen wird, die zum Erhitzen befördert
wird, und so innerhalb der Heizkammer zirkuliert.
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Das
Flussmittelrückgewinnungsgerät, das mit der Heizkammer
verbunden ist, saugt das atmosphärische Gas aus der Heizkammer
mit einem Gebläse heraus, wodurch die Flussmittelbestandteile, die
beim Löten der Leiterplatte verdampfen, entfernt werden
und in dem atmosphärischen Gas gemischt werden. Zur Entfernung,
innerhalb des Flussmittelrückgewinnungsgeräts
werden die großen Partikel der Flussmittelbestandteile
zunächst in dem atmosphärischen Gas durch einen
Filter herausgefiltert. Als nächstes kühlt ein
Kühlventilator das atmosphärische Gas, wodurch
die Flussmittelbestandteile verflüssigt und entfernt werden;
anschließend wird das atmosphärische Gas mit einem
Heizer erneut erhitzt und zu der Heizkammer zurückgeführt.
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Bei
einem solchen konventionellen Flussmittelrückgewinnungsgerät,
müssen allerdings die verflüssigten Flussmittelbestandteile
beseitigt werden, indem sie in einer anderen Einrichtung als einem
Filter, beispielsweise in einem Tank gesammelt werden. Daher sind
sowohl ein Filter als auch ein Tank notwendig und verkomplizieren
dadurch das Gerät. Ferner läuft das Flussmittelrückgewinnungsgerät
während des Betriebs des Reflow-Ofens. Der einzige Weg,
um die Temperatur des atmosphärischen Gases stabil zu halten,
besteht darin, dass das Flussmittelrückgewinnungsgerät
nur einen Teil des atmosphärischen Gases allmählich
absaugt. Daher braucht die Entfernung Zeit, und es besteht die Möglichkeit, dass
die Flussmittelbestandteile, die nicht vollständig entfernt
werden können, an Orten mit niedriger Temperatur außerhalb
des Flussmittelrückgewinnungsgeräts anhaften.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben beschriebenen
Probleme geschaffen. Die Erfinder erkannten, dass das in der Lötpaste
enthaltene Flussmittel, in atmosphärischen Gas verdampft, wo
die Flussmittelbestandteile erstarren und verschiedene Probleme
verursachen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, die herkömmlichen
Denkpfade des Stands der Technik zu verlassen und ein Reflow-Lötverfahren
zur Verfügung zu stellen, das das Verdampfen der Flussmittelbestandteile
in das atomsphärische Gas verhindert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Reflow-Lötverfahren
folgende Schritte auf:
Befördern und Einbringen
eines Werkstücks (W) in einer versiegelbaren Behandlungkammer
(1) zum Reflow-Löten (S1), Versiegeln der Behandlungskammer
(1) (S2), Einleiten eines Inertgases in die Behandlungskammer
(1), wobei das ein Inertgas unter einen Druck gesetzt wird,
der höher als der Sättigungsdampfdruck des in
dem Lötmittel (H) enthaltenen, an dem Werkstück
anhaftenden Flussmittels bei einer Lötmittelschmelztemperatur
ist (S3), Aufrechterhalten des Drucks der Behandlungskammer (1), der
höher als der Sättigungsdampfdruck ist, während einem
Erhitzen des Werkstückes (W) auf Schmelzlöttemperatur,
um die Temperatur des Werkstückes (W) konstant zu halten
(S4), Schmelzen des Lötmittels, das an dem Werkstück
bei dem vorherigen Schritt für das Reflow-Löten
anhaftete (S5), Abkühlen des Werkstückes (W) zur
Verfestigung des Lötmittels (S6), Ausleiten des in der
Behandlungskammer (1) befindli chen Inertgases, in die Umgebung
der Behandlungskammer (1), nachdem das Werkstück
(W) bis zu einer festgelegten Temperatur oder darunter abgekühlt
worden ist (S7), und, nach Beenden des Lötvorgangs, Öffnen
der Behandlungskammer (1) und Entnehmen des Werkstückes
(W) (S8).
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In
dem Schritt zum Schmelzen des Lötmittels für das
Reflow-Löten, ist der Atmosphärendruck in der
Behandlungskammer ein Druck, der höher als der Sättigungsdampfdruck
des in dem Lötmittel enthalten Flussmittels, bei Lötmittelschmelztemperatur ist.
Demzufolge verdampft (Verdampfung) das Flussmittel beim Schmelzen
des Lötmittels nicht in dem atmosphärischen Gas.
Als Folge davon Verfestigen sich die Flussmittelbestandteile in
dem atmosphärischen Gas nicht und verursachen keine Probleme.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist das Reflow-Lötverfahren
dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas ein Stickstoffgas ist
und das Stickstoffgas zum Kühlen des Werkstücks (w)
verwendet wird. Indem beide die gleiche Zusammensetzung gegeben
wird, kann das Inertgas und das Kühlmittel zusammen gehandhabt
werden, um dadurch das Gerät zu vereinfachen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform,
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, besser ersichtlich. 1 ist
eine schematische Darstellung eines Geräts zur Ausführung
des Reflow-Lötverfahrens der vorliegenden Erfindung. In der
Figur bezeichnet 100 ein Reflow-Lötgerät, 1 eine Behandlungskammer, 2 einen
Eingang, 3 einen Ausgang, 4 eine Heizvorrichtung,
und 5 einen Ventilator.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Im
folgenden wird anhand 1 ein Gerät 100 zur
Ausführung des Reflow-Lötverfahrens einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieses Ge rät 100 ist
vorgesehen mit: einer Behandlungskammer (Reflow-Ofen) 1,
einem Eingang 2 für die Beförderung einer
gedruckten Leiterplatte W (nachfolgend ein ”Werkstück
W”), auf der elektronischen Vorrichtungen 11 montiert
sind, auf die das Reflow-Löten angewendet werden soll,
in das Innere der Behandlungskammer, sowie einem Ausgang 3 zur
Beförderung des Werkstücks W zu der Außenseite
der Behandlungskammer, einer Heizvorrichtung 4 zum Erhitzen
des Werkstücks W, Gebläsen bzw. Ventilatoren 5 zum
Durchmischen der atmosphärischen Luft in der Behandlungskammer
und einer Fördereinrichtung zum Beladen und Befördern des
Werkstücks W in das Innere der Behandlungskammer. Zwischen
den elektronischen Vorrichtungen 11 und dem Werkstück
W ist Lötpaste H aufgebracht. Diese Lötpaste H
weist einen Sättigungsdampfdruck von ca. 0,1 bis 0,15 MPa
bei einer Schmelztemperatur von ca. 220°C auf. Dieser Zahlenbereich
wird durch den unterschiedlichen Sättigungsdampfdruck in
Abhängigkeit von der Zusammensetzung dieser Lötpaste
verursacht. Ferner wird das atmosphärische Gas, das durch
die Heizvorrichtung 4 erhitzt wird, durch die Ventilatoren°5 durchgemischt
und zirkuliert so in der Behandlungskammer 1.
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Die
Behandlungskammer 1 ist durch eine Wand 10 eingefasst
und mit einer Materialeinfüllöffnung 1a zum
Einleiten des unter Druck gesetzten atmosphärischen Gases
(z. B. Stickstoffgas) in die Behandlungskammer 1 sowie
mit einer Auslassöffnung 1b zum Ausstoßen
des unter Druck gesetzten und zugeführten atmosphärischen
Gases aus der Behandlungskammer 1 vorgesehen. Außerhalb
der Behandlungskammer 1 ist ein erster Tank T1, der mit
atmosphärischen Gas, d. h. Stickstoffgas gefüllt
ist, und einer Druckerzeugungspumpe P, die das Stickstoffgas aus
dem ersten Tank T1 ansaugt und unter Druck setzt, vorgesehen. Eine
Förderleitung 7 ist zwischen der Druckbeaufschlagungspumpe
P und der Materialeinfüllöffnung 1a vorgesehen,
während ein erstes Steuerventil V1 in der Mitte der Förderleitung 7 vorgesehen
ist. Ferner ist eine Rücklaufleitung 8 zwischen
der Auslassöffnung 1b und dem ersten Tank T1 vorgesehen,
und ein zweites Steuerventil (Dreiwegeventil) V2 ist in der Mitte
der Rücklaufleitung 8 vorgesehen.
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Reflow-Lötverfahren
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Als
nächstes wird das Reflow-Lötverfahren der ersten
Ausführungsform, das das Gerät 100 verwendet,
erläutert.
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Ein
Werkstück W, das mit elektronischen Vorrichtungen in einem
vorherigen Schritt bestückt worden ist, wird auf eine externe
Fördereinrichtung (nicht dargestellt) geladen und wird
zu dem Eingang 2 der Behandlungskammer 1 befördert.
Der Eingang 2 wird geöffnet und anschließend
ein Roboter bewegt das Werkstück W von der externen Fördereinrichtung in
den Innenraum der Behandlungskammer 1, wo es dann auf die
Fördereinrichtung 6 geladen wird (Schritt S1).
Als nächstes wird der Eingang 2 geschlossen, dadurch
wird die Behandlungskammer 1 geschlossen (Schritt S2).
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Das
erste Steuerungsventil V1 wird geöffnet, wobei Stickstoff,
der unter einem Druck von z. B. 0,2 MPa (Relativdruck) steht, durch
die Materialeinfüllöffnung 1a einströmt
(Schritt S3). Es ist ausreichend, dass das Stickstoffgas unter einen
Druck gesetzt wird, der höher als der Sättigungsdampfdruck
(z. B. 0,1 bis 0,15 MPa) des an dem Werkstück W anhaftenden,
in dem Lötmittel H enthaltenen Flussmittels bei Lötmittelschmelztemperatur
(z. B. 220°C) ist. Der Druck des Stickstoffgases liegt
vorzugsweise bei 0,15 bis 0,2 MPa.
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Wenn
das Stickstoffgas durch die Materialeinfüllöffnung 1a einströmt,
wird die Luft, die gegenwärtig in der Behandlungskammer 1 ist,
wird durch das Stickstoffgas verdrängt und wird in Richtung
der Pfeile 8a, 9a der Auslassöffnung 1b durch
die Rücklaufleitung 8, Dreiwegeventil V2, in die
Auslassleitung 9 zu der Außenseite der Behandlungskammer ausgestoßen.
Sobald der Ausstoß der Luft, die in dem Inneren der Behandlungskammer 1 vorhanden ist,
beendet ist, wird das Dreiwegeventil V2 geschlossen. Als ein Ergebnis
füllt das Stickstoffgas das Innere der Behandlungskammer 1,
bis der Druck (Atmosphärengasdruck) in der Behandlungskammer 1 0,2 MPa
(Relativdruck) erreicht ist, wodurch die niedrige Sauerstoffkonzentration
in der Behandlungskammer 1 aufrechterhalten wird.
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Die
Ventilatoren 5 beginnen zur gleichen Zeit zu rotieren,
zu der die Heizvorrichtung 4 eingeschaltet wird. Die Heizvorrichtung 4 wird
so gesteuert, dass die heiße Luft in der Behandlungskammer 1 zirkuliert,
wobei die Temperatur des Werkstücks W auf 240°C
(Reflow-Temperatur) ansteigt und diese Temperatur dann aufrechterhalten
wird (Schritt S4). Die Lötpaste H beginnt bei ca. 220°C
zu schmelzen. Der geschmolzene Zustand wird für ca. 10
Sekunden oder mehr aufrechterhalten, wodurch das Lötmittel vollständig
geschmolzen wird (Schritt S5). Nachdem der geschmolzene Zustand
für ca. 10 Sekunden oder mehr gehalten wird, wird die Heizvorrichtung 4 ausgeschaltet
und die Ventilatoren beenden ebenso den Betrieb.
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Als
Nächstes wird das erste Steuerventil V1 geöffnet,
der Stickstoff, der in den ersten Tank T1 gefüllt ist,
strömt in die Behandlungskammer 1, und das Werkstück
W wird gekühlt, wodurch das geschmolzene Lötmittel
sich verfestigt und die montierten elektronischen Vorrichtungen 11 verlötet
werden (Schritt S6). Damit das Flussmittel nicht verdampft, wenn
das Lötmittel verfestigt, wird das erste Steuerventil V1
geschlossen und das zweite Steuerventil V2 wird geöffnet,
wodurch das unter hohem Druck stehende Stickstoffgas, das die Behandlungskammer 1 füllt,
durch die Rücklaufleitung 8 in Richtung der Pfeile 8a bis 8b läuft
und zu dem ersten Tank T1 zurückkehrt (Schritt S7). Infolgedessen
fällt das Stickstoffgas in der Behandlungskammer 1 von
0,2 MPa (Relativdruck) auf Atmosphärendruck 0 MPa (Relativdruck)
ab. Wenn das Stickstoffgas in der Behandlungskammer 1 zu dem
Atmosphärendruck absinkt, wird das zweite Steuerventil
V2 ebenso geschlossen.
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Ferner
wird der Ausgang 6 der Behandlungskammer 1 geöffnet
und das Werkstück W wird entnommen (Schritt S8). Sobald
das Werkstück fertig herausgenommen wird, wird der Ausgang 6 der
Behandlungskammer 1 geschlossen. Dies beendet das Reflow-Löten.
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Zu
beachten ist, dass das Wärmeübertragungsverfahren
zum Schmelzen des Lötmittels auch von einem Umluftverfahren
mit Ventilator zu einem Wärmestrahlungsverfahren, Wärmeleitungsverfahren,
oder einem Verfahren, das Wärmestrahlung und Wärmeleitung
kombiniert, geändert werden kann. Aus diesem Grund kann
ein Gleichgewichtszustand des Drucks in der Behandlungskammer aufrechterhalten
werden. Darüber hinaus können die Flussmittelbestandteile
vor der Verdampfung bewahrt werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich, ein Reflow-Lötverfahren,
das keine Verdampfung der Flussmittelbestandteile in das atmosphärische
Gas verursacht, zur Verfügung zu stellen, so dass verschiedene
Probleme, die aus der Verdampfung des Flussmittels, das in der Lötpaste
enthalten ist, in das atmosphärische Gas sowie aus der
Verfestigung dieser Flussmittelbestandteile resultieren, zu verhindern.
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Während
die Erfindung unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen,
die zum Zwecke der Darstellung gewählt wurden, beschrieben
wurde, ist es offensichtlich, dass zahlreiche Abänderungen durch
einen Fachmann vorgenommen werden können, ohne dabei von
dem grundlegenden Konzept und dem Umfang von der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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