DE102011081606B4

DE102011081606B4 - Kühlvorrichtung und Lötanlage

Info

Publication number: DE102011081606B4
Application number: DE102011081606.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ulrich Wilke; Maik Lohmann; Carsten Wessel; Thomas Licht; Michael Schmidt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2031-08-27
Also published as: DE102011081606A1; CN102950353B; CN102950353A

Abstract

Kühlvorrichtung zum Abkühlen des noch flüssigen Lotes (23) mindestens einer herzustellenden großflächigen Lötverbindung, wobei die Kühlvorrichtung eine evakuierbare Kammer (1) umfasst, eine in der evakuierbaren Kammer (1) angeordnete Halterung (2), sowie eine in der evakuierbaren Kammer (1) angeordnete Wärmesenke, und wobei die Wärmesenke so gesteuert werden kann, dass eine passgenau in die Halterung (2) eingelegte ebene Kupferplatte (5), die- eine ebene untere Hauptfläche (5b) aufweist,- eine ebene obere Hauptfläche (5t), die in einer vertikalen Richtung (v) von der unteren Hauptfläche (5b) beabstandet ist und die eine Anzahl von N ≥ 2 zwei nebeneinander liegende, rechteckige Oberflächenabschnitte (51) mit einer Fläche von jeweils wenigstens 30 mm x 30 mm,- eine konstante Dicke von 5 mm, sowie- eine homogene Anfangstemperatur von mindestens 220°C, in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck in der evakuierbaren Kammer (1) von 1013,25 hPa gekühlt wird, so dass die Temperatur an der oberen Hauptfläche (5t) in keinem der Oberflächenabschnitte (51) ein lokales Maximum aufweist, das vom Rand (52) des betreffenden Oberflächenabschnitts (51) beabstandet ist, und zwar so lange, bis in keinem der Oberflächenabschnitte (51) eine Mindestabkühltemperatur vorliegt, die wenigstens 200°C beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, die bei der Herstellung von Lötverbindungen zum Beispiel in einer Lötanlage eingesetzt werden kann. Um ein optimales Lötergebnis vor allem bei großflächigen Lötungen zu erzielen, muss das aufgeschmolzene Lot zusammen mit den zu verbindenden Lötpartnern unter den Schmelzpunkt des Lotes abgekühlt werden, so dass dieses erstarrt und die Lötpartner miteinander verbindet.
Aus der EP 1 233 841 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bekannt. Hierbei wird eine Vorrichtung mit einer Abkühlkammer verwendet, die mit einer Kühleinrichtung versehen ist, die mit- konstanter Temperatur betrieben werden kann.
In der DE 601 02 115 T2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schwall-Löten beschrieben, wobei die Vorrichtung eine Kühlkammer aufweist. Hierbei wird zum Abkühlen einer Leiterplatte eine Anzahl von Kaltluftdüsen verwendet.
Beim Gegenstand der DE 11 2009 000 673 T5 erfolgt das Abkühlen einer gelöteten Leiterplatte mittels einer Luftverteilerplatte, die mit Düsenöffnungen versehen ist, welche gekühlte Luft aus einem Luftraum zu der Leiterplatte leitet.
Die DE 697 09 221 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reflow-Löten. Hierbei ist eine Kühlvorrichtung mit kleinen Löchern vorgesehen, aus denen kalte Luft ausgeblasen wird. Weiterhin ist ein Lüfter vorgesehen, gegenüber dem die Kühlvorrichtung mittels eines Zylinders verschiebbar ist.
Die DE 10 2006 034 600 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung. Hierbei wird ein evakuierbarer Zonen-Lötofen mit einer Aufheizzone und einer Abkühlzone eingesetzt. Optional kann der Zonen-Lötofen eine Einlaufschleuse und eine Auslaufschleuse zum Austausch von Schutzgas aufweisen. Zur Kühlung wird das Lötgut auf Kühlplatten aufgesetzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen des noch flüssigen Lotes einer herzustellenden großflächigen Lötverbindung bereitzustellen, sowie eine Lötanlage, mit denen sich qualitativ hochwertige Lötungen erzielen lassen.
Diese Aufgaben werden durch eine Kühlvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch eine Lötanlage gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Als in diesem Sinn großflächige Lötungen werden beispielsweise Lötungen verstanden, bei denen Leistungshalbleiterchips wie z.B. IGBTs, MOSFETs oder Dioden auf metallisierte Keramiksubstrate gelötet werden, oder bei denen metallisierte Keramiksubstrate auf metallische Bodenplatten für ein Leistungshalbleitermodul gelötet werden.
Eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen des noch flüssigen Lotes mindestens einer herzustellenden großflächigen Lötverbindung umfasst eine evakuierbare Kammer, eine in der evakuierbaren Kammer angeordnete Halterung, sowie eine in der evakuierbaren Kammer angeordnete Wärmesenke.
In die Halterung kann eine als Testkörper dienende ebene Kupferplatte eingelegt werden, mit der sich die Wirkungsweise der Kühlvorrichtung testen und überprüfen lässt. Die Kupferplatte weist eine ebene untere Hauptfläche auf, eine ebene obere Hauptfläche, die in einer vertikalen Richtung von der unteren Hauptfläche beabstandet ist, eine konstante Dicke von 5 mm, sowie eine homogene Anfangstemperatur von mindestens 220°C. Auf der oberen Hauptfläche läßt sich eine Anzahl von N ≥ 2 zwei nebeneinander liegender, rechteckiger Oberflächenabschnitte mit einer Fläche von jeweils wenigstens 30 mm x 30 mm oder von jeweils wenigstens 50 mm x 50 mm festlegen. Als obere und untere Hauptflächen werden dabei die einander entgegengesetzten, großflächigsten Seiten der Kupferplatte angesehen.
Eine derartige passgenau in die Halterung eingelegte ebene Kupferplatte kann nun in der Kammer mit Hilfe der Wärmesenke gekühlt werden. Als Referenz für die an der Kupferplatte erzielte Kühlwirkung dient dabei eine in der Kammer vorherrschende Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von 1013,25 hPa. Das bedeutet jedoch nicht, dass der Kühlbetrieb grundsätzlich nur bei einem Kammerdruck von 1013,25 hPa und in Stickstoffatmosphäre erfolgen kann. Vielmehr kann der Kühlbetrieb ganz oder teilweise auch bei beliebigen anderen Drücken, beispielsweise bei Unterdruck, erfolgen, z.B. bei einem Absolutdruck, der beispielsweise im Bereich von 1 hPa bis 1013,25 hPa liegen kann, und/oder auch teilweise bei Überdruck, d.h. bei einem Absolutdruck von mehr als 1013,25 hPa. Unabhängig davon kann das Abkühlen in beliebigen Atmosphären, beispielsweise in Luft oder in einer die Oxidation der Lötpartner verhindernden Schutzgasatmosphäre erfolgen, z.B. einer Stickstoffatmosphäre (N2), einer Kohlendioxidatmosphäre (CO2), einer Wasserstoffatmospähre (H2) oder einer Formiergasatmospähre (N2H2).
Das Kühlen der Kupferplatte mit Hilfe der Wärmesenke erfolgt so, dass die Temperatur an der oberen Hauptfläche in keinem der rechteckigen Oberflächenabschnitte ein lokales Maximum aufweist, das vom Rand des betreffenden Oberflächenabschnitts beabstandet ist, und zwar so lange, bis in keinem der Oberflächenabschnitte eine Mindestabkühltemperatur von mehr als 200°C oder von mehr als 150°C vorliegt. Wenn das Lot z.B. bei 200° oder z.B. bei 150°C ausreichend verfestigt ist, so liegt eine fertig gefügte Lötverbindung zwischen den Lötpartnern vor.
Im realen Fertigungsprozess können einer der Lötpartner als unterster Lötpartner passgenau in die Halterung eingelegt und ein oder mehrere weitere Lötpartner auf diesen aufgelegt werden, wobei zwischen die jeweils zu verbindenden Lötpartner noch ein Lot platziert wird. Bei dem Lot kann es sich beispielsweise um ein vorgeformtes Lotplättchen („preform lot“) handeln, oder um eine Lotpaste, die bei einem oder beiden der jeweils zu verbindenden Lötpartner auf die mit dem anderen Lötpartner zu verbindende Fügefläche aufgetragen wird.
Anstelle einen der Lötpartner als untersten passgenau in die Halterung einzulegen, kann dieser auch auf eine Trägerplatte aufgelegt werden, die passgenau in die Halterung eingesetzt wird. Der oder die weiteren Lötpartner werden in gleicher Weise wie oben beschrieben zusammen mit einem Lotplättchen oder einer aufgetragenen Lötpaste auf den untersten Lötpartner aufgelegt. Bei dieser Variante können auch mehrere Gruppen mit zwei oder mehr jeweils miteinander zu verbindender Lötpartner auf dieselbe Weise nebeneinander auf der gemeinsamen Trägerplatte platziert werden. Die Trägerplatte ist nach Abschluß des Lötprozesses kein Bestandteil des gelöteten Verbundes.
Bei der beschriebenen Kühlvorrichtung kann es sich z.B. um einen Teil einer Lötanlage handeln, bei der das Lötgut in der evakuierbaren Kammer der Kühlanlage oder in einer separaten Heizkammer bis über seinen Schmelzpunkt erwärmt wird, so dass es aufschmilzt und danach wie oben erläutert abgekühlt werden kann. Im Fall einer separarten Heizkammer kann zwischen dieser und der evakuierbaren Kammer der Kühlvorrichtung eine Schleuse vorgesehen sein, sowie eine Transportvorrichtung, mit der das über den Schmelzpunkt des verwendeten Lotes erhitzte Lötgut von der Heizkammer in die evakuierbare Kammer der Kühlvorrichtung transportiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgen anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1A einen Vertikalschnitt durch eine mit Lötgut bestückte Kühlvorrichtung;
1B einen Vertikalschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß 1A nach Einsetzen des Lötgutes in eine Halterung der Kühlvorrichtung;
1C einen Vertikalschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß 1A, wobei das Lötgut auf eine in die Halterung eingesetzte Trägerplatte aufgelegt ist;
1D einen Vertikalschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß 1A mit eingelegter Kupferplatte;
2A eine Draufsicht auf die obere Hauptfläche einer auf 220°C aufgeheizten und danach abgekühlten Kupferplatte mit Darstellung der Temperaturverteilung auf der oberen Hauptfläche;
2B eine Draufsicht auf die obere Hauptfläche der Kupferplatte gemäß 2A mit mehreren auf der oberen Hauptfläche dargestellten rechteckigen Oberflächenbereichen;
3A eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Rohrdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Düsenzahl je Reihe angeordnet sind;
3B eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Rohrdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in Reihen mit unterschiedlichen Düsenzahlen je Reihe angeordnet sind;
3C eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Rohrdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in Reihen angeordnet sind, wobei die Rohrdüsen derselben Reihe gleiche Durchmesser und Rohrdüsen benachbarter Reihen unterschiedliche Durchmesser aufweisen;
3D eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Rohrdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in nicht äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Düsenzahl je Reihe angeordnet sind;
4A eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Lochdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Düsenzahl je Reihe angeordnet sind;
4B eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Lochdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in Reihen mit unterschiedlichen Düsenzahlen je Reihe angeordnet sind;
4C eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Lochdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in Reihen angeordnet sind, wobei die Rohrdüsen derselben Reihe gleiche Durchmesser und Rohrdüsen benachbarter Reihen unterschiedliche Durchmesser aufweisen;
4D eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Lochdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in nicht äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Düsenzahl je Reihe angeordnet sind;
5A eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als äquidistant voneinander beabstandete Schlitzdüsen mit gleichen Schlitzbreiten ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die parallel zueinander angeordnet sind;
5B eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als äquidistant voneinander beabstandete Schlitzdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Schlitzdüsen unterschiedliche Schlitzlängen aufweisen;
5C eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als äquidistant voneinander beabstandete Schlitzdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Schlitzdüsen unterschiedliche Schlitzbreiten aufweisen;
5D eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Schlizdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die gleiche Schlitzbreiten aufweisen, die nicht äquidistant voneinander beabstandet und parallel zueinander angeordnet sind;
6A eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Rohrdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Düsenzahl je Reihe angeordnet sind, wobei die Düsen benachbarter Reihen einen unterschiedlichen Kühlgasstrom bereitstellen;
6B eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Lochdüsen mit gleichen Durchmessern ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die in äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Düsenzahl je Reihe angeordnet sind, wobei die Düsen benachbarter Reihen einen unterschiedlichen Kühlgasstrom bereitstellen;
6C eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als Schlitzdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die gleiche Schlitzbreiten aufweisen, die äquidistant voneinander beabstandet und parallel zueinander angeordnet sind, wobei die benachbarte Schlitzdüsen einen unterschiedlichen Kühlgasstrom bereitstellen;
7A eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als identische Rohrdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, bei denen der Kühlgasstrom zu unterschiedlichen Zeiten eingeschaltet wird;
7B eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als identische Lochdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, bei denen der Kühlgasstrom zu unterschiedlichen Zeiten eingeschaltet wird;
7C eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als identische Schlitzdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, bei denen der Kühlgasstrom zu unterschiedlichen Zeiten eingeschaltet wird;
8 eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als identische Rohrdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, deren Abstand zur Halterung und damit zum Lötgut veränderlich ist;
9A eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als identische Rohrdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die jedoch unterschiedliche Kühlgasströme abgeben;
9B eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als identische Lochdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die jedoch unterschiedliche Kühlgasströme abgeben;
9C eine perspektivische Ansicht einer Wärmesenke, die als identische Schlitzdüsen ausgebildete Kaltgasdüsen umfasst, die jedoch unterschiedliche Kühlgasströme abgeben;
10 einen Vertikalschnitt durch eine Kühlvorrichtung, die sich von der Kühlvorrichtung gemäß 1D dadurch unterscheidet, dass anstelle der Kaltgasdüsen eine Wärmesenke vorgesehen ist, sowie ein zwischen der Wärmesenke und der Halterung angordneter inhomogener Wärmeleiter.
11 einen Vertikalschnitt durch eine Kühlvorrichtung, die sich von der Kühlvorrichtung gemäß 1D dadurch unterscheidet, dass anstelle der Kaltgasdüsen eine Wärmesenke vorgesehen ist, die mehrere nebeneinander angeordnete Kühlelemente umfasst, die unabhängig voneinander in vertikaler Richtung beweglich sind.
12 einen Vertikalschnitt durch eine Kühlvorrichtung, die sich von der Kühlvorrichtung gemäß 11 dadurch unterscheidet, dass die unabhängig voneinander in vertikaler Richtung beweglichen Kühlelemente ineinanderschiebbar sind.
13 einen Vertikalschnitt durch eine Lötanlage mit einer Kühlvorrichtung, die gemäß den vorangehenden Figuren ausgebildet ist, und die außerdem eine separate Heizkammer aufweist, die mit der evakuierbaren Kammer der Kühlvorrichtung über eine Schleuse gekoppelt ist.

Firgur 1A zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Kühlvorrichtung. Diese umfasst eine evakuierbare Kammer 1, in welcher sich eine Halterung 2 befindet. Die Halterung 2 dient zur Aufnahme von Lötgut.
1B zeigt die Kühlvorrichtung gemäß 1A mit einem ersten Lötpartner 21, der passgenau in die Halterung 2 eingesetzt ist. Auf dem ersten Lötpartner 21 ist mindestens ein mit dem ersten Lötpartner 21 zu verbindender zweiter Lötpartner 22 angeordnet. Anstelle einen der Lötpartner direkt in die Halterung 2 einzusetzen, kann auch eine Trägerplatte 4 passgenau in die Halterung 2 eingesetzt werden, auf der der erste Lötpartner 21 mit einem oder mehreren darauf angeordneten zweiten Lötpartnern 22 plaziert ist oder zu einem späteren Zeitpunkt patziert wird, was im Ergebnis in 1C veranschaulicht ist. Bei den ersten Lötpartnern 21 kann es sich z.B. um voll- oder teilmetallische Bodenplatten für ein Leistungshalbleitermodul handeln, bei den zweiten Lötpartnern 22 z.B. um metallisierte Keramiksubstrate. Im Fall einer voll- oder teilmetallischen Bodenplatte kann diese als Kupferplatte, als Aluminumplatte, als Metall-Matrix-Komposit-Platte (MMC) oder als Aluminium-Silizium-Karbidplatte (AlSiC) ausgebildet sein und eine Dicke im Bereich von 2 mm bis 10 mm oder von 3 mm bis 5 mm aufweisen. Ebenso kann es sich bei den ersten Lötpartnern 21 z.B. um metallisierte Keramiksubstrate handeln und bei den zweiten Lötpartnern 22 um Leistungshalbleiterchips wie z.B. IGBTs, MOSFETs oder Dioden.
Bei beiden anhand der 1B und 1C erläuterten Varianten befindet sich zwischen dem ersten Lötpartner 21 einem jeden der zweiten Lötpartner 22 ein flüssiges Lot 23, welches mit der Kühlvorrichtung gezielt bis unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt werden soll. Bei dem Lot kann es sich z.B. um ein Sn-basiertes, ein SnAg-basiertes, ein SnSb-basieres oder ein SnCu-basieres Lot handeln. Der Schlezpunkt des Lotes 23 kann im Bereich von beispielsweise 210°C bis 250°C liegen. Das Lot 23 kann beispielsweise als vorgeformtes Lotplättchen („preform Lot“) oder als Lotpaste zwischen die jeweils zu verbindenden Fügepartner 21, 22 eingebracht und dann aufgeschmolzen werden. Im Fall eines Lotplättchens wird das Lot zwischen die jeweils zu verbindenden Fügepartner 21, 22 eingelegt, im Fall einer Lotpast wird diese auf eine oder beide der einander zugewandten und miteinander zu verbindenen Seiten des ersten bzw. zweiten Lotpartners 21, 22 aufgetragen. Das Auftragen kann z.B. mittels eines maskierten Siebes oder mittels einer Schablone erfolgen.
Unterhalb der Halterung 2 befinden sich als Wärmesenke mindestens zwei Kaltgasdüsen 3, mit Hilfe derer das Lötgut 21, 22, 23 gekühlt werden kann. Um das flüssige Lot abzukühlen, werden dieses Kältquellen 3 aktiviert, so dass in dem Lot 23 eine geeignete Temperaturverteilung vorliegt, die sicherstellt, dass innerhalb eines jeden Lotes 23 während des Abkühlens keine aufeinander zu wandernden Erstarrungfronten entstehen, die zu einem Auftreten von Lunkern führen. Hierzu ist die Kühlvorrichtung so beschaffen, dass sie an der oberen Hauptfläche 5t einer wohldefinierten, gemäß 1D passgenau in die Halterung 2 eingelegten ebenen Kupferplatte 5 eine bestimmte Kühlwirkung hervorruft, d.h. ein bestimmtes Temperaturprofil hervorrufen kann. Die Kupferplatte 5 weist eine ebene untere Hauptfläche 5b auf, sowie eine zu der unteren Hauptfläche 5b parallele und von dieser in einer vertikalen Richtung v beabstandete ebene obere Hauptfläche 5t. Außerdem besitzt die Kupferplatte 5 eine konstante Dicke von 5 mm. Die vertikale Richtung v verläuft parallel zu den Richtungen der Flächennormalen der ersten und zweiten Hauptflächen 5t, 5b.
Vor dem Abkühlvorgang weist die in die Halterung 2 eingelegte Kupferplatte 5 eine homogene Anfangstemperatur von mindestens 220°C auf. Das bedeutet, dass die Temperatur an der Oberseite 5t konstant ist und mindestens 220°C beträgt. Nach dem Aktivieren der mindestens zwei Kaltgasdüsen 3 wird die Kupferplatte 5 langsam abgekühlt. Dabei entsteht an der oberen Hauptfläche 5t ein Temperaturprofil, wie es in der Draufsicht gemäß 2A schematisch erläutert wird. In dieser Ansicht wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung der Halterung 2 und der evakuierbaren Kammer 1 verzichtet. Die unter der Kupferplatte 5 befindlichen Kaltgasquellen 3 sind gestrichelt dargestellt. Die Temperaturverteilung an der oberen Hauptfläche 5t der Kupferplatte 5 ist anhand von Isothermen für Temperaturen T51, T52 und T53 veranschaulicht ist, wobei gilt, dass T51 < T52 < T53 ist.
Wie weiter in 2B gezeigt ist, können auf dieser oberen Hauptfläche 5t eine Anzahl von N ≥ 2 nebeneinander liegende, rechteckige Oberflächenabschnitte 51 so festgelegt werden, dass die Temperatur an der oberen Hauptfläche 5t in keinem der Oberflächenanschnitte 51 ein lokales Maximum aufweist, das vom Rand 52 des betreffenden Oberflächenabschnitts 51 beabstandet ist. Dabei weisen die rechteckigen Oberflächenabschnitte 51 eine Fläche von jeweils wenigstens 30 mm x 30 mm oder von jeweils wenigstens 50 mm x 50 mm und optional jeweils höchstens eine Fläche von 500 mm x 500 mm auf. Grundsätzlich ist die Anzahl der rechteckigen Oberflächenabschnitte 51 beliebig. Die Oberflächenabschnitte 51 können beispielsweise matrixartig in wenigstens zwei Reihen und wenigstens zwei Spalten angeordnet werden.
Während des weiteren Abkühlens gilt die Bedingung, dass die Temperatur an der oberen Hauptfläche 5t in keinem der Oberflächenabschnitte 51 ein lokales Maximum aufweist, das vom Rand 52 des betreffenden Oberflächenabschnitts 51 beabstandet ist. Diese Bedingung kann durch die Kühlvorrichtung so lange eingehalten werden, bis in keinem der Oberflächenabschnitte 51 mehr eine Temperatur von über 200°C oder von über 150°C vorliegt.
Wie 2B ebenfalls zu entnehmen ist, können die rechteckigen Oberflächenabschnitte 51 nicht nur aneinander angrenzen, sondern auch voneinander beabstandet sein. Unabhängig davon ist es zulässig, dass die Temperatur an der oberen Hauptfläche 5t ein lokales Maximum annimmt, sofern sich dieses lokale Maximum nicht innerhalb eines der Oberflächenabschnitte 51 befindet. Grundsätzlich ist es zulässig, dass sich ein solches Temperaturmaximum am Rand eines Oberflächenabschnitts 51 befindet, oder außerhalb eines jeden Oberflächenabschnitts 51, beispielsweise zwischen zwei benachbarten Oberflächenabschnitten 51. Im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt ein „lokales Temperaturmaximum“ dann vor, wenn die Temperatur der oberen Hauptfläche 5t ausgehend von der Stelle des lokalen Temperaturmaximums in jeder zur vertikalen Richtung v senkrechten Richtung abnimmt. Bei der gezeigten Anordnung befindet sich ein derartiges lokales Maximum beispielsweise zwischen den einander zugewandten Ecken der rechteckigen Oberflächenabschnitte 51.
Die Kaltgasdüsen 3 können beispielsweise als Düsen ausgestaltet sein, die jeweils einen Kühlluftstrahl in Richtung der Halterung 2 abgeben. Bei solchen Düsen kann es sich z.B. um Rohrdüsen, um Lochdüsen oder um Schlitzdüsen handeln. Sie können dabei jeweils gleiche oder unterschiedliche Durchmesser, Längen und Breiten aufweisen. Die einzelnen Düsen 3 können unabhängig voneinander, beispielsweise durch Regelventile, angesteuert werden, die den Fluss eines Kühlgases durch die jeweilige Düse 3 regeln. Ebenso ist es möglich, eine unterschiedliche Kühlwirkung verschiedener Düsen dadurch zu erreichen, dass die Düsen aufgrund unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte und/oder aufgrund zeitlich zueinander versetzter Aktivierung unterschiedliche Kühleffekte bewirken. Um anzudeuten, dass die Kaltgasdüsen 3 dazu ausgebildet sein, einen Kältestrom bereitzustellen, sind sie in den 1A bis 1D mit Pfeilen gekennzeichnet, die jeweils die Richtung des Kältestroms angeben.
Nachfolgend werden hierzu einige Ausführungsbeispiele gezeigt. Dargestellt sind jeweils nur die Kühlelemente, sowie zur Verdeutlichung der relativen Anordnung der Düsen zueinander eine zur Unterseite 5b der Kupferplatte 5 parallele Ebene. Die nicht dargestellte Kupferplatte 5 befindet sich dabei jeweils oberhalb der Kaltgasdüsen 3.
Bei den Anordnungen gemäß den 3A bis 3D sind die Kaltgasdüsen 3 als Rohrdüsen ausgebildet. In 3A weisen sämtliche Rohrdüsen 3 gleiche Durchmesser und gleiche Öffnungsquerschnitte auf. Sie sind außerdem in äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Anzahl von Düsen 3 je Reihe angeordnet. Bei der Anordnung gemäß 3B besitzen die Kaltgasdüsen ebenfalls gleiche Durchmesser und gleiche Öffnungsquerschnitte, allerdings sind sie in parallelen Reihen angeordnet, bei denen benachbarte Reihen eine unterschiedliche Anzahl von Düsen aufweisen. Bei dem Beispiel gemäß 3C sind die Düsen 3 in Reihen angeordnet, wobei die Rohrdüsen jeweils innerhalb derselben Reihe gleiche Durchmesser und Öffnungsquerschnitte aufweisen, wobei sich die Durchmesser und Öffungsquerschnitte benachbarter Reihen voneinander unterscheiden können.. In 3D besitzen die Düsen 3 gleiche Durchmesser gleiche Öffnungsquerschnitte. Sie sind in nicht äquidistant voneinander beabstandeten Reihen mit der gleichen Düsenzahl je Reihe angeordnet sind.
Die Düsenanordnungen gemäß dem 4A, 4B, 4C und 4D entsprechen den Düsenanordnungen gemäß den 3A, 3B, 3C bzw. 3D mit dem Unterschied, dass die Düsen nicht als Rohrdüsen sondern als Lochdüsen ausgebildet sind.
Bei den Düsenanordnungen gemäß den 5A bis 5D sind die Düsen 3 als parallel zueinander verlaufende Schlitzdüsen 3 ausgebildet. In den 5A und 5B sind die Düsen äquidistant zueinander angeordnet und besitzen gleiche Breiten, in 5A außerdem gleiche Längen, während gemäß 5B benachbarte Düsen 3 unterschiedliche Längen aufweisen können. Bei der Düsenanordnung gemäß 5C besitzen die Düsen 3 gleiche Längen aber unterschiedliche Breiten. In 5D besitzen die Düsen 3 gleiche Breiten und gleiche Längen, allerdings sind sie nicht äquidistant voneinander beabstandet.
Bei den Düsenanordnungen gemäß den 6A und 6B weisen die Düsen 3 gleiche Durchmesser und gleiche Öffnungsquerschnitte auf. Sie sind außerdem in äquidistant zueinander beabstandeten parallelen Reihen mit der gleichen Anzahl von Düsen 3 je Reihe angeordnet. Innerhalb einer jeden Reihe geben die Düsen 3 denselben Kühlgasstrom ab, wobei sich aber die Kühlgasströme der Düsen 3 benachbarter Reihen unterscheiden können. Bei der Anordnung gemäß 6A sind die Düsen 3 als Rohrdüsen, bei der Anordnung gemäß 6B als Lochdüsen ausgebildet.
Bei der Anordnung gemäß 6C sind die Düsen 3 als äquidistant voneinander beabstandete, parallele Schlitzdüsen mit gleichen Schlitzbreiten und gleichen Schlitzlängen ausgebildet. Dabei können benachbarte Schlitzdüsen unterschiedliche Kühlgasströme bereitstellen.
Bei den Düsenanordnungen gemäß den 7A und 7B weisen die Düsen 3 gleiche Durchmesser und gleiche Öffnungsquerschnitte auf. Sie sind außerdem in äquidistant zueinander beabstandeten parallelen Reihen mit der gleichen Anzahl von Düsen 3 je Reihe angeordnet. Dabei können die von den Düsen 3 der verschiedenen Reihen bereitgestellten Kühlgasströme zu verschiedenen Zeitpunkten tl, t2, t3 aktiviert und/oder deaktiviert werden, wobei die Düsen 3 innerhalb der gleichen Reihe zum gleichen Zeitpunkt tl, t2, t3 aktiviert und/oder deaktiviert werden können. Bei der Anordnung gemäß 7A sind die Düsen 3 als Rohrdüsen, bei der Anordnung gemäß 7B als Lochdüsen ausgebildet.
Bei der Anordnung gemäß 7C sind die Düsen 3 als äquidistant voneinander beabstandete, parallele Schlitzdüsen mit gleichen Schlitzbreiten und gleichen Schlitzlängen ausgebildet. Dabei können die von den Düsen 3 bereitgestellten Kühlgasströme zu verschiedenen Zeitpunkten tl, t2, t3 ein- und/oder ausgeschaltet werden. Bei der Anordnung gemäß 7A sind die Düsen 3 als Rohrdüsen, bei der Anordnung gemäß 7B als Lochdüsen ausgebildet.
Bei der Anordnung gemäß 6C sind die Düsen 3 als äquidistant voneinander beabstandete, parallele Schlitzdüsen mit gleichen Schlitzbreiten und gleichen Schlitzlängen ausgebildet. Dabei können von verschiedenen Schlitzdüsen bereitgestellten Kühlgasströme zu verschiedenen Zeitpunkten tl, t2, t3 aktiviert und/oder deaktiviert werden.
Eine weitere Möglichkeit, die beim Abkühlen der Kupferplatte 5 erreichte Temperaturverteilung auf deren oberer Hauptfläche 5t einzustellen, läßt sich wie in 8 veranschaulicht dadurch erreichen, dass der Abstand zwischen der Halterung 2 (nicht gezeigt), in die die Kupferplatte 5 eingelegt ist, und einzelnen oder sämtlichen Düsen veränderlich ist, was durch Doppelpfeile angedeutet wird.
Noch eine andere Möglichkeit wird anhand der 9A bis 9C veranschaulicht. Hier weisen von verschiedenen Düsen 3 bereitgestellte Kühlgasströme unterschiedliche Temperaturen T1, T2, T3 auf. Bei den Düsenanordnungen gemäß den 9A und 9B weisen die Düsen 3 gleiche Durchmesser und gleiche Öffnungsquerschnitte auf. Sie sind außerdem in äquidistant zueinander beabstandeten parallelen Reihen mit der gleichen Anzahl von Düsen 3 je Reihe angeordnet. Die Düsen 3 derselben Reihe stellen dabei jeweils denselben Kühlgasstrom bereit. Allerdings können die Düsen 3 benachbarter Reihen unterschiedliche Kühlgasströme bereitstellen. Bei der Anordnung gemäß 9A sind die Düsen 3 als Rohrdüsen, bei der Anordnung gemäß 9B als Lochdüsen ausgebildet
Bei der Anordnung gemäß 9C sind die Düsen 3 als äquidistant voneinander beabstandete, parallele Schlitzdüsen mit gleichen Schlitzbreiten und gleichen Schlitzlängen ausgebildet. Dabei können die von benachbarten Düsen 3 bereitgestellten Kühlgasströme unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Die Anordnung gemäß 10 zeit einen Vertikalschnitt durch eine Kühlvorrichtung, die sich von der Kühlvorrichtung gemäß 1D dadurch unterscheidet, dass anstelle der Kaltgasdüsen eine Wärmesenke 10 vorgesehen ist, sowie ein zwischen der Wärmesenke 10 und der Halterung 2 angordneter inhomogener Wärmeleiter 9. Die Wärmesenke 10 kann beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise kann es sich um eine wassergekühlte Platte handeln. Der inhomogene Wärmeleiter 9 ist zwischen der Wärmesenke 10 und der Halterung 2 angeordnet und umfasst zumindest zwei Teilelemente 9a, 9b umfasst, welche unterschiedliche spezifische Wärmeleitfähigkeiten besitzen. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Teilelemente 9a und 9b jeweils keilförmig ausgebildet und so zusammengesetzt, dass sie einen Quader bilden. Das Teilelement 9a weist eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit auf als das Teilelement 9b. Wenn sich die Wärmesenke 10 auf einer konstanten Temperatur befindet, so nimmt die Kühlwirkung, mit der die Kupferplatte 5 durch die Wärmesenke 10 gekühlt wird, von links nach rechts ab. Hierdurch entsteht an der oberen Hauptfläche 5t der Kupferplatte 5 ein Temperaturgefälle von links nach rechts.
Entsprechend diesem Prinzip können zwischen der Halterung 2 und der Wärmesenke 10 auch zwei oder mehr kleinere inhomogene Wärmeleiter 9 nebeneinander in einer Reihe oder matrixartig in mindestens zwei Reihen und mindestens zwei Spalten angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren, anhand von 11 gezeigten Ausgestaltung kann eine Wärmesenke mehrere nebeneinander angeordnete Kühlelemente 11a, 11b, 11c umfassen, die einzeln oder in Gruppen unabhängig voneinander in der vertikalen Richtung v beweglich sind. Da die von einem einzelnen Kühlelement lla, 11b, 11c ausgehende Kühlwirkung mit zunehmender Annäherung an die Kupferplatte 5 zunimmt, kann das Temperaturprofil an der oberen Hauptfläche 5t der Kupferplatte 5 eingestellt werden, indem die Vertikalpositionen der einzelnen Kühlelemente lla, 11b, 11c, d.h. die Positionen, die die einzelnen Kühlelemente lla, 11b, 11c in der vertikalen Richtung v einnehmen, geeignet angepasst werden. Außerdem kann ein gewünschtes Temperaturprofil auch dadurch erreicht werden, dass die Vertikalpositionen der einzelnen Kühlelemente lla, 11b, 11c während des Kühlprozesses zeitlich verändert werden.
Bei dem Beispiel gemäß 11 bilden die Kühlelemente lla, 11b, 11c drei Gruppen: eine erste Gruppe mit den Kühlelementen lla, eine zweite Gruppe mit den Kühlelementen 11b, sowie eine dritte Gruppe mit den Kühlelementen 11c. Wenn beispielsweise sämtliche Kühlelemente 11a, 11b und 11c dieselbe Temperatur und dieselbe Wärmekapazität aufweisen, dann können zunächst zu einem ersten Zeitpunkt t1 die erste Gruppe mit den Kühlelementen 11a, danach zu einem zweiten Zeitpunkt t2 die zweite Gruppe mit den Kühlelementen 11b und danach zu einem dritten Zeitpunkt t3 die dritte Gruppe mit den Kühlelementen 11c in der vertikalen Richtung v nach oben, d.h. in Richtung der Halterung 2 und der Kupferplatte 5 bewegt werden, so dass an der oberen Hauptfläche 5t ein Temperaturgefälle entsteht, bei dem die Temperatur von dem oberhalb der ersten Gruppe befindlichen Bereich der oberen Hauptfläche 5t zu deren entgegengesetzten seitlichen Rändern (in 11 der linke und der rechte Rand der Oberseite 5t) hin abfällt.
12 zeigt eine vom Prinzip her identische Ausgestaltung, allerdings weisen die Kühlelemente 11a, 11b und 11c eine andere Geometrie auf, die so gewählt ist, dass sich die Kühlelmemente lla, 11b, 11c ineinander schieben lassen. Bei dem gezeigten Beispiel wird zunächst das Kühlelement 11a, dann das Kühlelement 11b und schließlich das Kühlelement 11c durch verändern der jeweiligen Vertikalposition an die Kupferplatte 5 angenähert, so dass auch hier an der oberen Hauptfläche 5t ein Temperaturprofil entsteht, wie es bereits anhand von 11 beschrieben wurde.
Bei allen anhand der 10 bis 12 erläuterten Beispielen entsteht eine von Kühlwirkung ausgehende Kühlwirkung bereits dann, wenn die die Kühlwirkung vermittelnden Komponente (in 10 der inhomogene Wärmeleiter 9, in den 12 und 13 die Kühlelemente 11a, 11b und 11c) von der oberen Hauptfläche 5t beabstandet ist. Um eine noch stärkere Kühlwirkung einer solchen Komponente zu erreichen, kann die betreffende Komponente jedoch auch mit der unteren Hauptfläche 5b der Kupferplatte 5 in Kontakt gebracht werden. Dieser Effekt kann sowohl bei nur einigen als auch bei allen vorhandenen Komponenten durch gleichzeitiges oder zeitlich versetztes Herstellen und/oder Aufheben eines Kontaktes mit der unteren Hauptfläche 5b genutzt werden.
Bei den erläuterten Beispielen lassen sich verschiedenste Temperaturprofile an der oberen Hauptfläche 5t der Kupferplatte 5 einstellen. Grundsätzlich können die gezeigten Varianten auch auf beliebige Weise und ohne Einschränkung miteinander kombiniert werden. In jedem Fall ist die Wärmesenke innerhalb der evakuierbaren Kammer angordnet. Je nach Einstellung können dabei an der oberen Hauptfläche andere als die in den 2A und 2B gezeigten Temperaturverteilungen auftreten.
Unabhängig von der konkreten Ausggestaltung und Ansteuerbarkeit der Wärmesenke kann eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung so gesteuert werden, dass bei einem jeden der Oberflächenabschnitte zwischen der höchsten Temperatur und der niedrigsten Temperatur dieses Oberflächenabschnitts eine Temperaturdifferenz im Bereich von 4°C bis 10°C erreicht und so lange aufrecht erhalten wird, bis in dem betreffenden Oberflächenabschnitt 51 keine Temperatur von mehr als 200°C oder von mehr als 150°C vorliegt.
Eine vorangehend erläuterte Kühlvorrichtung kann in Verbindung mit einer Lötanlage eingesetzt werden, um das aufgeschmolzene Lot 23 mit Hilfe der Kühlvorrichtung bis zu dessen Erstarrung abzukühlen. Um das Lot 23 aufzuschmelzen kann die Wärmesenke ergänzend auch dazu ausgebildet sein, die obere Hauptfläche 5t der Kupferplatte 5 auf eine Temperatur von mindestens 220°C, optional bis 400°C aufzuheizen, d.h. sie kann zusätzlich auch als Wärmequelle wirken.
Ebenso ist es jedoch, wie in 10 gezeigt ist, möglich, eine separate Heizkammer 6 vorzusehen, die über eine Schleuse 7 mit der evakuierbaren Kammer 1 gekoppelt ist, und die dazu ausgebildet ist, die obere Hauptfläche 5t der Kupferplatte 5 mit Hilfe eines Heizelementes 8 auf eine Temperatur von mindestens 220°C oder optional bis mindestens 400°C aufzuheizen. Danach können die Lötpartner 21, 22 zusammen mit dem dazwischen befindlichen flüssigen Lot 23 durch die Schleuse in die evakuierbare Kammer 1 gebracht und wie erläutert abgekühlt werden.

Claims

Kühlvorrichtung zum Abkühlen des noch flüssigen Lotes (23) mindestens einer herzustellenden großflächigen Lötverbindung, wobei die Kühlvorrichtung eine evakuierbare Kammer (1) umfasst, eine in der evakuierbaren Kammer (1) angeordnete Halterung (2), sowie eine in der evakuierbaren Kammer (1) angeordnete Wärmesenke, und wobei die Wärmesenke so gesteuert werden kann, dass eine passgenau in die Halterung (2) eingelegte ebene Kupferplatte (5), die - eine ebene untere Hauptfläche (5b) aufweist, - eine ebene obere Hauptfläche (5t), die in einer vertikalen Richtung (v) von der unteren Hauptfläche (5b) beabstandet ist und die eine Anzahl von N ≥ 2 zwei nebeneinander liegende, rechteckige Oberflächenabschnitte (51) mit einer Fläche von jeweils wenigstens 30 mm x 30 mm, - eine konstante Dicke von 5 mm, sowie - eine homogene Anfangstemperatur von mindestens 220°C, in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck in der evakuierbaren Kammer (1) von 1013,25 hPa gekühlt wird, so dass die Temperatur an der oberen Hauptfläche (5t) in keinem der Oberflächenabschnitte (51) ein lokales Maximum aufweist, das vom Rand (52) des betreffenden Oberflächenabschnitts (51) beabstandet ist, und zwar so lange, bis in keinem der Oberflächenabschnitte (51) eine Mindestabkühltemperatur vorliegt, die wenigstens 200°C beträgt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, bei der N ≥ 4 Oberflächenabschnitte (51) vorhanden sind, die matrixartig in zumindest zwei Reihen und zumindest zwei Spalten angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein jeder der Oberflächenabschnitte (51) eine Fläche von wenigstens 50 mm x 50 mm aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein jeder der Oberflächenabschnitte (51) eine Fläche von höchstens 500 mm x 500 mm aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmesenke mindestens zwei Kaltluftdüsen (3) umfasst.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zwischen der Wärmesenke (10) und der Halterung (2) ein inhomogener Wärmeleiter (9) angeordnet ist, der zumindest zwei Teilelemente (9a, 9b) umfasst, die unterschiedliche spezifische Wärmeleitfähigkeiten besitzen.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmesenke mindestens zwei in der vertikalen Richtung (v) relativ zueinander verschiebbare Kühlelemente (11) umfasst.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die in der vertikalen Richtung (v) relativ zueinander verschiebbaren Kühlelemente (11) ineinanderschiebbar sind.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmesenke so gesteuert werden kann, dass bei einem jeden der Oberflächenabschnitte (51) zwischen der höchsten Temperatur und der niedrigsten Temperatur dieses Oberflächenabschnitts (51) eine Temperaturdifferenz im Bereich von 4°C bis 10°C erreicht und so lange aufrecht erhalten wird, bis in dem betreffenden Oberflächenabschnitt (51) keine Temperatur von mehr als 150°C vorliegt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmesenke bei passgenau in die Halterung (2) eingelegter Kupferplatte (5) auf der der oberen Hauptfläche (51) abgewandten Seite der Kupferplatte (5) angeordnet ist.
Lötanlage mit einer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildeten Kühlanlage.
Lötanlage gemäß Anspruch 11, bei der die Wärmesenke auch dazu ausgebildet ist, die obere Hauptfläche (5t) der Kupferplatte (5) auf eine Temperatur von mindestens 220°C oder von mindestens 400°C aufzuheizen.
Lötanlage gemäß Anspruch 11 oder 12 mit einer Heizkammer (6), die über eine Schleuse (7) mit der evakuierbaren Kammer (1) gekoppelt ist, und die dazu ausgebildet ist, die obere Hauptfläche (5t) der Kupferplatte (5) auf eine Temperatur von mindestens 220°C oder von mindestens 400°C aufzuheizen.