DE102011001236B4

DE102011001236B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Verzinnen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102011001236B4
Application number: DE102011001236.2A
Authority: DE
Inventors: Lutger Brosch; Maik Dörr; Reiner Zoch; Markus Walter
Original assignee: Seho Systemtechnik GmbH
Current assignee: Seho Systemtechnik GmbH
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2031-03-12
Also published as: DE102011001236A1

Abstract

Verfahren zum Verzinnen von Werkstücken, wobei das Werkstück zumindest teilweise mit geschmolzenem Zinn oder einer geschmolzenen Zinnlegierung in Kontakt gebracht wird, und das geschmolzene Zinn oder die Zinnlegierung in einem Schmelzebecken und in einem vom Schmelzebecken separat ausgeführten Reinigungsbecken vorgehalten wird, wobei das geschmolzenen Zinn oder die Zinnlegierung im Reinigungsbecken abgekühlt wird, so dass sich Verunreinigungen an der Oberfläche des geschmolzenen Zinns oder der Zinnlegierung oder als Bodensatz absetzen und abgezogen werden können, wobei während dieses Reinigungsvorganges im Schmelzebecken das Zinn oder die Zinnlegierung auf ihrer Prozesstemperatur gehalten wird und das Verzinnen von Werkstücken kontinuierlich fortgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Zinn oder die Zinnlegierung mittels einer Umwälzpumpe zwischen den beiden Becken umgewälzt wird, wobei während des Reinigungsvorganges keine Umwälzung stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verzinnen von Werkstücken, insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verzinnen von Drähten, vor allem von supraleitenden Drähten.
Tieftemperatur-supraleitende Drähte weisen in der Regel mehrere Adern aus supraleitendem Material, wie z. B. NbTi bzw. NbSn auf, die in eine bei Normaltemperatur gut leitende Matrix eingebettet sind. Diese Matrix ist in der Regel eine Kupferlegierung.
Derartige Tieftemperatur-supraleitende Drähte sind bei der Firma Bruker EAS GmbH, Hanau, Deutschland erhältlich.
Für bestimmte Anwendungen müssen diese Drähte vollständig oder partiell verzinnt werden.
Herkömmlicherweise erfolgt das Verzinnen, indem die Drähte mit geschmolzenem Zinn in Kontakt gebracht werden, wobei das geschmolzene Zinn in einem Schmelzebecken vorgehalten wird. Aufgrund der Kupfermatrix der Drähte geht ein Teil des Kupfers in Lösung über und verunreinigt das geschmolzene Zinn. Das geschmolzene Zinn kann in einer Legierung mit einer oder mehrerer weiterer Komponenten vorliegen. Durch das Kupfer wird das geschmolzene Zinn bzw. die geschmolzene Zinnlegierung verunreinigt, wodurch sich das Eutektikum verändert. Dies führt zu einem instabilen Produktionsvorgang.
Je komplexer eine Zinnlegierung ausgebildet ist, d. h. je mehr Komponenten darin enthalten sind, desto empfindlicher ist sie gegenüber Verunreinigungen.
Es ist bekannt, das Zinn bzw. die Zinnlegierung im Schmelzebecken gezielt abzukühlen, wodurch sich Verunreinigungen, die leichter als das Zinn bzw. die Zinnlegierung sind an der Oberfläche absetzen und Verunreinigungen, wie z. B. Schwermetalle, die schwerer sind, als Bodensatz absetzen. Die Verunreinigungen können abgezogen werden und das Verfahren zum Verzinnen kann fortgesetzt werden.
Das Reinigen des Zinns bzw. der Zinnlegierung erfordert eine Unterbrechung des Produktionsverfahrens. Dies ist nachteilig.
Aus der JP 3-229845 A ist eine Vorrichtung zum Verzinnen von Werkstücken bekannt, bei der Zinn aus einem Schmelzebecken, in dem die Werkstücke verzinnt werden, abgeleitet und dann nacheinander mehreren Reinigungsbecken zugeführt wird, um Verunreinigungen aus dem Zinn zu entfernen. Anschließend wird das Zinn in ein Aufschmelzbecken verbracht, in dem das Zinn wieder auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Das wiedererwärmte Zinn kann dann erneut dem Schmelzebecken zugeführt werden. Diese Vorrichtung ist äußerst kompliziert aufgebaut, da eine Vielzahl von verschiedenen Becken und diese untereinander verbindenden Leitunger vorgesehen werden müssen. Mit der beschriebenen Vorrichtung soll eine kontinuierliche Produktion, d. h. ein kontinuierliches Verzinnen von Werkstücken, ermöglicht werden.
Weitere vergleichbare Vorrichtungen sind aus der JP 5-171386 A , der JP 4-221050 A und der JP 8-060319 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ein kontinuierliches Verzinnen von Werkstücken erlauben, wobei auch eine Reinigung des Zinns bzw. der Zinnlegierung möglich ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verzinnen von Werkstücken wird ein Werkstück zumindest teilweise mit geschmolzenem Zinn in Kontakt gebracht. Das geschmolzene Zinn wird in einem Schmelzebecken und in einem vom Schmelzebecken separat ausgeführten Reinigungsbecken vorgehalten. Zum Reinigen des geschmolzenen Zinns wird dieses im Reinigungsbecken abgekühlt, so dass sich Verunreinigungen an der Oberfläche des geschmolzenen Zinns oder als Bodensatz absetzen und abgezogen werden können. Während dieses Reinigungsvorganges im Reinigungsbecken wird im Schmelzebecken das Zinn auf seiner Prozesstemperatur gehalten. Dadurch ist es möglich das Verzinnen von Werkstücken kontinuierlich fortzusetzen, während gleichzeitig eine Reinigung im Reinigungsbecken ausgeführt wird.
Das Schmelzebecken und das Reinigungsbecken sind kommunizierend miteinander verbunden, wobei das geschmolzene Zinn mittels einer Pumpe zwischen den beiden Becken umgewälzt werden kann. Während des Reinigungsvorganges wird das Umwälzen des Zinns eingestellt.
Der Reinigungsvorgang wird vorzugsweise in regelmäßigen Abständen ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verzinnen von Werkstücken umfasst ein Schmelzebecken, das eine erste Heizeinrichtung aufweist, um Zinn oder eine Zinnlegierung auf eine Prozesstemperatur zu schmelzen, ein Reinigungsbecken, das eine zweite Heizeinrichtung aufweist, und mit dem Schmelzebecken kommunizierend verbunden ist, wobei die zweite Heizeinrichtung unabhängig von der ersten Heizeinrichtung angesteuert werden kann, so dass im Schmelzebecken und im Reinigungsbecken unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind.
Die Vorrichtung weist eine Steuereinrichtung auf, die die erste und zweite Heizeinrichtung und die Pumpe derart ansteuert, dass das oben erläuterte Verfahren in der Vorrichtung ausgeführt wird.
Vorzugsweise ist eine Pumpe vorgesehen, mit welcher das geschmolzene Zinn oder die geschmolzene Zinnlegierung zwischen dem Schmelzebecken und dem Reinigungsbecken umgewälzt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend kurz anhand eines in den Figuren beispielhaft und schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese Figuren zeigen:
1 Die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Draufsicht,
2 Die Vorrichtung aus 1 in einer Ansicht von vorne,
3 Die Vorrichtung aus 1 in einer Schnittansicht gemäß der Linie A-A aus 1, und
4 Die Vorrichtung aus 1 in einer Schnittansicht gemäß der Linie B-B.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verzinnen von Werkstücken ist zum Verzinnen eines Drahtes 2 ausgebildet.
Die Vorrichtung weist ein Schmelzebecken 3 auf, das in der Draufsicht rechteckförmig ausgebildet ist und nach oben offen ist. Das Schmelzebecken 3 weist zwei Stirnwandungen 4 und zwei Längsseitenwandungen 5 auf.
Angrenzend an einer Längsseitenwandung 5 ist ein Reinigungsbecken 6 angeordnet, das in der Draufsicht wiederum etwa rechteckförmig ausgebildet ist und nach oben hin offen ist. Das Reinigungsbecken weist wiederum zwei Stirnwandungen 7 und zwei Längsseitenwandungen 8 auf.
Sowohl das Schmelzebecken als auch das Reinigungsbecken sind nach unten hin dicht mit jeweils einer Bodenwandung 9, 10 abgeschlossen. Im Bereich der Bodenwandungen sind Heizeinrichtungen 11, 12 vorgesehen, die die Becken 3, 6 derart erwärmen, dass darin befindliches Zinn bzw. eine darin befindliche Zinnlegierung schmilzt.
Die erste Heizeinrichtung 11 ist dem Schmelzebecken 3 und die zweite Heizeinrichtung 12 dem Reinigungsbecken 6 zugeordnet. Die beiden Heizeinrichtungen 11, 12 sind mit einer Steuereinrichtung 13 verbunden, die derart ausgebildet ist, dass die Temperaturen in den beiden Becken 3, 6 unabhängig voneinander einstellbar sind.
Das Schmelzebecken 3 ist mit einer Längsseitenwandung 5 unmittelbar benachbart an einer Längsseitenwandung 8 des Reinigunsbeckens 6 angeordnet, wobei zwischen diesen beiden Längsseitenwandungen 5, 8 Durchgänge 14, 15 ausgebildet sind, so dass geschmolzenes Zinn von einem Becken zum anderen Becken fließen kann. Der Durchgang ist gegenüber der Umgebung abgedichtet. Die beiden Becken können auch mit Abstand zueinander angeordnet sein, wobei dann die Durchgänge mit entsprechenden Rohrleitungen verbunden sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Reinigungsbecken 6 eine Umwälzpumpe 16 angeordnet, die flüssiges Zinn bzw. eine flüssige Zinnlegierung zwischen den beiden Becken 3, 6 umwälzen kann, d. h., dass beispielsweise durch den ersten Durchgang 14 das flüssige Zinn bzw. die Zinnlegierung vom Reinigungsbecken 6 in das Schmelzebecken 3 (Pfeil 17) und durch den zweiten Durchgang 15 vom Schmelzebecken 3 in das Reinigungsbecken 6 (Pfeil 18) fließt.
Im Schmelzebecken 3 ist eine langgestreckte Düse 19 angeordnet, die an ihrem oberen Ende eine streifenförmige Düsenöffnung 20 aufweist und an ihrem unteren Ende eine Ansaugöffnung (nicht dargestellt) besitzt, die einen größeren Querschnitt als die Düsenöffnung 20 aufweist. Unterhalb der Ansaugöffnung ist eine Förderpumpe 21 (4) an der Düse 19 befestigt, die flüssiges Zinn bzw. eine Zinnlegierung durch die Düse 19 nach oben befördert, so dass sich oberhalb der Düse 19 eine stehende Welle aus flüssigem Zinn bzw. aus einer flüssigen Zinnlegierung ausbildet.
An den Stirnwandungen 4 des Schmelzebeckens 3 sind Führungselemente 22, 23 angeordnet, welche dünne Bleche sind, die sich von der Oberkante der Stirnwandungen 4 ein Stück nach oben erstrecken und jeweils eine Bohrung aufweisen, durch die der zu verzinnende Draht 2 geführt wird. Diese Bohrungen sind derart angeordnet, dass der durch sie hindurch laufende Draht sich unmittelbar oberhalb der Düsenöffnung 20 befindet und bei einer stehenden Welle sich innerhalb der stehenden Welle aus flüssigem Zinn bzw. aus der flüssigen Zinnlegierung befindet. Benachbart zu einem der beiden Führungselemente 22, 23 ist eine Transporteinrichtung 24 angeordnet, die mittels zweier Rollen den Draht durch die Führungselemente 22, 23 und damit durch die stehende Welle befördert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Düse eine Länge von 180 mm auf. Die Düse 19 kann auch segmentweise aus mehreren einzelnen Düsen ausgebildet sein.
Im Betrieb wird durch die Düse 19 die stehende Welle erzeugt, durch welche der Draht 2 hindurchgezogen wird, wobei der Draht 2 vollständig von flüssigem Zinn bzw. von der flüssigen Zinnlegierung umgeben ist.
Im Betrieb werden vorzugsweise ein Reinigungsvorgang und ein Umwälzvorgang abwechselnd ausgeführt.
Beim Umwälzvorgang ist die Umwälzpumpe 16 eingeschaltet und wälzt das flüssige Zinn bzw. die flüssige Zinnlegierung zwischen den beiden Becken um. Hierbei ist die Temperatur in beiden Becken 3, 6 über der Schmelztemperatur des Zinnes bzw. der Zinnlegierung eingestellt.
Beim Reinigungsvorgang ist die Umwälzpumpe 16 abgestellt. Im Schmelzebecken 3 wird die Temperatur des Umwälzvorganges unverändert beibehalten und die Verzinnung des Drahtes wird kontinuierlich fortgesetzt. Im Reinigungsbecken hingegen wird die Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Zinns bzw. unter das Eutektikum der Zinnlegierung abgesenkt oder zumindest nahe an die Schmelztemperatur bzw. an das Eutektikum vermindert. Hierdurch setzen sich Verunreinigungen an der Oberfläche des flüssigen Zinns im Reinigungsbecken 6 oder am Boden des Reinigungsbeckens 6 ab. Diese Verunreinigungen können dann mit entsprechenden Schabern abgezogen werden. Die im Reinigungsbecken 6 enthaltene Zinnlegierung oder das darin enthaltene Zinn sind danach gereinigt. Der Betrieb der Vorrichtung kann damit wieder mit dem Umwälzvorgang fortgesetzt werden.
Hierdurch ist es möglich, im Betrieb Verunreinigungen aus dem geschmolzenen Zinn, bzw. der geschmolzenen Zinnlegierung zu entfernen, wobei die Verzinnung des Werkstückes kontinuierlich fortgesetzt wird.
Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung ist zum Verzinnen eines Drahtes vorgesehen. Mit geringfügigen Änderungen an der Vorrichtung ist es auch möglich andere Werkstücke, wie z. B. Bänder zu verzinnen. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, eine solche Vorrichtung mit Schmelzbecken 3 und Reinigungsbecken 6 an einer Lötvorrichtung mit einer Lötwelle vorzusehen. Die Dose 19 ist dann entsprechend als Lötdüse auszubilden, die an sich bekannt sind. Die Vorrichtung kann dann noch durch eine Transporteinrichtung für die zu lötenden Bauträger ergänzt werden, die über die Lötwelle transportiert wenden. Beim Löten von Baugruppen ist die Verunreinigung durch Kupfer nicht so stark, wie beim Verzinnen von supraleitenden Drähten. Jedoch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr vorteilhaft sein, wenn eine Zinnlegierung als Lot verwendet wird, die mehrere Komponenten umfasst, da derartige Zinnlegierungen sehr empfindlich gegen Verunreinigungen sind.
Die Erfindung wurde oben anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, bei dem der Umwälzvorgang und der Reinigungsvorgang abwechselnd ausgeführt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, zwischen dem Umwälzvorgang und dem Reinigungsvorgang auch einen zusätzlichen Vorgang auszuführen, bei dem weder das flüssige Zinn bzw. die flüssige Zinnlegierung umgewälzt wird, noch der Reinigungsvorgang ausgeführt wird. Bei diesem Vorgang wird in beiden Becken die gleiche Temperatur gehalten und das Werkstück kontinuierlich verzinnt, ohne dass die Umwälzpumpe eingeschaltet ist.
Der Reinigungsvorgang kann dahingehend verfeinert werden, dass ein bestimmtes Temperaturprofil ausgeführt wird, bei dem mehrfach im Reinigungsbecken 6 die Temperatur abgesenkt und erhöht wird, wobei das Temperaturprofil um den Schmelzpunkt des Zinns bzw. um das Eutektikum der Zinnlegierung schwingt. Hierdurch wird das Absetzen der Verunreinigung verstärkt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Draht
3: Schmelzbecken
4: Stirnwandung
5: Längsseitenwandung
6: Reinigungsbecken
7: Stirnwandung
8: Längsseitenwandung
9: Bodenwandung
10: Bodenwandung
11: Heizeinrichtung
12: Heizeinrichtung
13: Steuereinrichtung
14: Durchgang
15: Durchgang
16: Umwälzpumpe
17: Pfeil
18: Pfeil
19: Düse
20: Düsenöffnung
21: Förderpumpe
22: Führungselement
23: Führungselement
24: Transporteinrichtung

Claims

Verfahren zum Verzinnen von Werkstücken, wobei das Werkstück zumindest teilweise mit geschmolzenem Zinn oder einer geschmolzenen Zinnlegierung in Kontakt gebracht wird, und das geschmolzene Zinn oder die Zinnlegierung in einem Schmelzebecken und in einem vom Schmelzebecken separat ausgeführten Reinigungsbecken vorgehalten wird, wobei das geschmolzenen Zinn oder die Zinnlegierung im Reinigungsbecken abgekühlt wird, so dass sich Verunreinigungen an der Oberfläche des geschmolzenen Zinns oder der Zinnlegierung oder als Bodensatz absetzen und abgezogen werden können, wobei während dieses Reinigungsvorganges im Schmelzebecken das Zinn oder die Zinnlegierung auf ihrer Prozesstemperatur gehalten wird und das Verzinnen von Werkstücken kontinuierlich fortgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Zinn oder die Zinnlegierung mittels einer Umwälzpumpe zwischen den beiden Becken umgewälzt wird, wobei während des Reinigungsvorganges keine Umwälzung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zinn Bestandteil einer Legierung, insbesondere Bestandteil einer Legierung mit zumindest drei oder zumindest vier oder zumindest fünf Komponenten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück Kupfer enthält, das sich zum Teil löst und das geschmolzene Zinn verunreinigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein Draht oder ein Band ist, das durch das geschmolzene Zinn kontinuierlich gezogen wird, wobei das Werkstück durch eine von einer Düse erzeugten Zinnwelle gezogen wird oder in das Zinn des Schmelzebeckens getaucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück eine elektronische Baugruppe ist, wobei das Verzinnen zum Löten von Bauelementen an eine Leiterplatte mittels einer Lötdüse ausgeführt wird.
Vorrichtung zum Verzinnen von Werkstücken, umfassend ein Schmelzebecken, das eine erste Heizeinrichtung aufweist, um Zinn oder eine Zinnlegierung auf eine Prozesstemperatur zu schmelzen, ein Reinigungsbecken, das eine zweite Heizeinrichtung aufweist, und mit dem Schmelzebecken kommunizierend verbunden ist, wobei die zweite Heizeinrichtung unabhängig von der ersten Heizeinrichtung angesteuert werden kann, so dass im Schmelzebecken und im Reinigungsbecken unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, die die erste und zweite Heizeinrichtung und die Pumpe derart ansteuert, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe vorgesehen ist, mit welcher das geschmolzene Zinn oder die geschmolzene Zinnlegierung zwischen dem Schmelzebecken und dem Reinigungsbecken umgewälzt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schmelzebecken eine Lötdüse angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schmelzebecken eine Taucheinrichtung angeordnet ist.