DE102015106298A1 - Vorrichtung, Verfahren und Anlage zur der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes - Google Patents
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Abstract
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes mit einer ersten Hauptfläche und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche. Hierbei wird der flächige Gegenstand aus Richtung der ersten Hauptfläche von einer Kühleinrichtung gekühlt. Auf die zweite Hauptfläche wirkt eine Heizeinrichtung auf eine erste Teilfläche lokal derart ein, dass der flächige Gegenstand an dieser ersten Teilfläche relativ zu einer an diese erste Teilfläche anschließenden zweiten Teilfläche derart mit Wärme beaufschlagt wird, dass diese erste Teilfläche im Vergleich zur zweiten Teilfläche langsamer abgekühlt wird und somit die zweite Hauptfläche des flächigen Gegenstands während des Abkühlvorgangs zumindest in einem Teilzeitraum der Abkühlung eine inhomogene Temperaturverteilung aufweist.
Description
- Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes insbesondere aus dem Feld der Elektrotechnik. Weiterhin wird die Anwendung der Vorrichtung in einer Anlage, genauer eine Lötanlage für elektrotechnische Bauelemente beschrieben.
- Insbesondere ist es fachüblich Bauelemente der Elektrotechnik mittels einer Lötverbindung miteinander oder mit einem Bauelementeträger zu verbinden. Zur Herstellung einer derartigen Lötverbindung wird verflüssigtes Lot, das zwischen den beiden zu verbindenden Elementen angeordnet ist und in Kontakt mit den zu verbindenden Elementen steht, unter den Schmelzpunkt abgekühlt. Das durch den Abkühlprozess erstarrte Lot bildet eine stoffschlüssige Lotverbindung der beiden Elemente aus.
- Insbesondere bei flächigen Lötverbindungen ist es dabei wünschenswert, dass die Lotverbindung eine homogene Schicht, also eine Schicht ohne Gaseinschlüsse, sog. Lunker ausbildet.
- Aus der
DE 10 2011 081 606 A1 ist eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen des noch flüssigen Lots bekannt, bei der eine komplex ausgebildete und gesteuerte Wärmesenke eine gezielte inhomogene Abkühlung des Lots bewirkt. Die Temperaturverteilung des Lots während des Abkühlungsprozesses soll inhomogen ausgebildet sein um zu bewirken, dass beim Abkühlen des Lot dessen Erstarrungsfront ausgehend von einem Startbereiche nach Außen verläuft. Hierbei soll die Entstehung von Lunkern wirkungsvoll vermieden werden. - Ein Mangel der genannten Kühlvorrichtung gemäß dem Stand der Technik liegt in der komplexen Regelung der gesteuerten Wärmesenke.
- In Kenntnis dieser genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zu schaffen, die auf einfache Weise eine inhomogene Abkühlung einer Hauptfläche eines flächigen Gegenstandes bewirkt, sowie eine Lötanlage anzugeben, in der diese Vorrichtung angeordnet werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13, sowie durch eine Lötanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes mit einer ersten Hauptfläche und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche. Hierbei wird der flächige Gegenstand aus Richtung der ersten Hauptfläche von einer Kühleinrichtung gekühlt. Auf die zweite Hauptfläche wirkt eine Heizeinrichtung auf eine erste Teilfläche lokal derart ein, dass der flächige Gegenstand an dieser ersten Teilfläche relativ zu einer an diese erste Teilfläche anschließenden zweiten Teilfläche derart mit Wärme beaufschlagt wird, dass diese erste Teilfläche im Vergleich zur zweiten Teilfläche langsamer abgekühlt wird und somit die zweite Hauptfläche des flächigen Gegenstands während des Abkühlvorgangs zumindest in einem Teilzeitraum der Abkühlung eine inhomogene Temperaturverteilung aufweist.
- Hierbei wird unter dem Begriff „Abkühlen der zweiten Hauptfläche“ insbesondere verstanden, dass das hieran angrenzende Volumen des flächigen Gegenstandes, also sein dortiger sich von der zweiten Hauptfläche ins Innere des Gegenstandes erstreckender Volumenbereich, ebenso mit abgekühlt wird. Analoges gilt für die erste und zweite Teilfäche. Weiterhin ist hier jeweils der Begriff „Fläche“ explizit nicht im mathematischen Sinne zu verstehen, sondern als eine Oberfläche, die somit eine gewisse Topologie, also Höhenunterschiede in ihrem Verlauf aufweisen kann.
- Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere die erste und zweite Teilfläche, auch mehrfach vorhanden sein.
- Vorzugsweise ist der flächige Gegenstand eine Grundplatte eines Leistungshalbleitermoduls mit hierauf angeordneten leistungselektronischen Substraten, wobei zwischen der Grundplatte und dem jeweiligen Substrat Lot angeordnet ist. Alternativ kann der flächige Gegenstand ein leistungselektronisches Substrat mit hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen sein, wobei zwischen dem Substrat und dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement Lot angeordnet ist.
- Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung als Wasserkühleinrichtung oder als Luftkühleinrichtung ausgebildet. Grundsätzlich kann jegliche Kühleinrichtung während der Abkühlung mit der ersten Hauptfläche des flächigen Gegenstandes in thermischen Kontakt stehen oder von der ersten Hauptfläche des flächigen Gegenstandes beabstandet angeordnet sein. Ebenso kann jegliche Kühleinrichtung dazu ausgebildet sein die erste Hauptfläche homogen zu kühlen, wobei hierbei eine im Rahmen der technischen Ausführbarkeit gleichmäßige Kühlung der ersten Hauptfläche verstanden wird.
- In besonders bevorzugter Weise ist die Heizeinrichtung von der zweiten Hauptfläche beabstandet angeordnet. Dabei ist die Heizeinrichtung bevorzugt als eine IR-LED (Infrarot Leuchtdiode) oder als technische Realisierung eines schwarzer Strahlers ausgebildet, der wiederum bevorzugt als eine Halogenlampe ausgebildet ist, wobei die jeweils bevorzugte Peak-Wellenlänge zwischen 0,7 Mikrometer und 10 Mikrometer, bevorzugt 0,7 bis 3 Mikrometer, beträgt.
- Häufig wird der als IR-LED oder schwarzer Strahler ausgebildeten Heizeinrichtung ein zusätzlichen Strahlformer zugeordnet sein. Dieser kann insbesondere als eine Blende, eine Blendenmatrix, ein Filter, eine Filtermatrix, ein Hologramm, eine Hologrammmatrix, ein Axicon, eine Axiconmatrix, ein Spiegel, eine Spiegelmatrix, eine Linse oder eine Linsenmatrix, oder als eine Kombination hieraus ausgebildet sein.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verwendung einer oben genannten Vorrichtung zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes mit einer ersten Hauptfläche und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche, weist folgende Schritte auf:
- a. Der flächige Gegenstand wird aus Richtung der erste Hauptfläche von einer Kühleinrichtung für einen ersten Zeitraum gekühlt.
- b. Für einen zweiten Zeitraum wirkt eine Heizeinrichtung auf eine Teilfläche der zweite Hauptfläche lokal derart ein, dass der flächige Gegenstand an diese Teilfläche relativ zur zweiten Teilfläche mit Wärme beaufschlagt und hierdurch der flächige Gegenstand an dieser erste Teilfläche im Vergleich zur zweiten Teilfläche für einen dritten Zeitraum langsamer abgekühlt wird und somit in diesem dritten Zeitraum eine inhomogene Temperaturverteilung aufweist.
- Hierbei ist es bevorzugt, wenn der zweite Zeitraum ganz oder teilweise vor, während oder nach dem ersten Zeitraum liegt. Der Begriff Zeitraum ist hier nicht ausschließlich als zusammenhängender Zeitraum zu verstehen, vielmehr kann ein Zeitraum auch mehrere Teilzeiträume einschließen, d.h. in anderen Worten ein Zeitraum kann auch unterbrochen sein.
- Wesentlich für das Verfahren ist es, dass die jeweiligen Zeiträume derart ausgewählt werden, dass die Erstarrung des Lots, durch das lokale, relative Erwärmen, im Bereich der ersten Teilfläche solange verzögert wird, bis die Erstarrung im Bereich der zweiten Teilfläche eingesetzt hat. Somit kann der zeitliche Verlauf einer Erstarrungsfront derart gesteuert werden, dass eine Lunkerbildung wesentlich verringert wird und damit die entstandene Lotschicht eine hohe Qualität aufweist.
- Eine erfindungsgemäße Lötanlage mit einer oben genannten Vorrichtung ist als Durchlauflötanlage mit einer Mehrzahl von Kammern ausgebildet. Solche Lötanlagen sind mit verschiedenen Lötverfahren, beispielhaft als Dampfphasenlötanlagen, bekannt. Meist weise diese Lötanlangen drei Prozesskammern, eine Vorkammer zur Vorerwärmung unterhalb der Lottemperatur, ein Hauptkammer in der das Lot verflüssigt wird und ein Abkühlkammer auf. In dieser Abkühlkammer ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in angeordnet.
- Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen.
- Insbesondere sind die vorstehend genannten und hier oder im Folgenden erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen sich nicht ausschließenden Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den
1 bis6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon. -
1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands in seitlicher Ansicht. -
2 zeigt den ersten flächigen Gegenstand und eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. -
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zweiten Ausgestaltung des flächigen Gegenstands. -
4 zeigt den ersten flächigen Gegenstand in Draufsicht. -
5 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur der zweiten Hauptfläche des ersten flächigen Gegenstands während des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
6 zeigt eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem ersten flächigen Gegenstand. -
1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines flächigen Gegenstands2 in seitlicher Ansicht. Bei dieser Ausgestaltung weist der flächige Gegenstand2 eine Grundplatte20 auf. Diese ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine Grundplatte eines Leistungshalbleitermoduls und besteht aus Kupfer oder eine Legierung mit dem Hauptanteil Kupfer. Weiterhin weist diese Grundplatte20 eine lotfähige Oberflächenbeschichtung beispielhaft aus einer dünnen Schicht Nickel auf. - Auf einer Oberfläche der Grundplatte
20 sind zwei leistungselektronische Substrat22 angeordnet und stoffschlüssig, mittels einer nicht dargestellten Lotschicht mit der Grundplatte20 verbunden. Diese leistungselektronischen Substrate22 sind im übrigen fachüblich ausgebildet und weisen jeweils eine Schichtfolge beginnend mit einer lotfähigen Schicht, die mit der Grundplatte verbunden ist, auf. Auf diese Schicht folgt eine Schicht aus einer Industriekeramik, auf die wiederum eine leitfähige Schicht folgt, die in sich strukturiert ist und somit Leiterbahnen ausbildet. Auf diesen Leiterbahnen sind Leistungshalbleiterbauelemente24 angeordnet und auf fachübliche Weise stoffschlüssig damit verbunden. - Diese Komponenten
20 ,22 ,24 ,26 bilden hier den ersten flächigen Gegenstand2 aus, dessen erste Hauptfläche200 ausgebildet wird durch die den leistungselektronischen Substraten22 abgewandte Oberfläche der Grundplatte20 . Die zweite, der ersten gegenüberliegende Hauptfläche202 des flächigen Gegenstands2 wird gebildet durch die frei liegenden Oberflächen der Grundplatte20 , der leistungselektronischen Substrate22 und der Leistungshalbleiterbauelemente24 . Diese zweite Oberfläche weist somit eine gewisse Topographie, also eine Oberflächenkontur auf, die in dieser Darstellung nicht maßstäblich wiedergegeben ist. Diese erste flächige Gegenstand2 bildet eine fachübliche Komponente eines Leistungshalbleitermoduls aus. -
2 zeigt den ersten flächigen Gegenstand2 und eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die hier dazu dient die stoffschlüssige, hier lottechnische, Verbindung der Grundplatte20 mit den beiden leistungselektronischen Substraten22 , wobei hier die Leistungshalbleiterbauelemente24 mit den Substraten22 bereits stoffschlüssig verbunden sind, auszubilden. Ausschließlich zur Verdeutlichung sind die Grundplatte20 , die Lotschicht26 und die Substrate22 beabstandet dargestellt. - Die erste erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Kühleinrichtung
1 auf, die hier als Wasserkühleinrichtung10 , mit schematisch dargestellten Kühlkanälen, ausgebildet ist. Die Kühlwirkung dieser Kühleinrichtung10 kann in Ihrer Gesamtheit über die Menge des durchfließenden Wassers und dessen Temperatur geregelt werden. Es entsteht somit auf der der Grundplatte20 , also der ersten Hauptfläche200 des flächigen Gegenstandes2 zugewandten Oberseite eine im Rahmen der techniküblichen Genauigkeit eine homogene Temperaturverteilung. - Die Kühleinrichtung
10 kann beabstandet aber auch in direktem thermischen Kontakt mit der ersten Hauptfläche200 des flächigen Gegenstandes2 stehend angeordnet sein. Im Rahmen des Verfahrens kann es auch vorteilhaft sein, die Kühleinrichtung10 zu schnellen, initialen Abkühlung in Kontakt mit der Grundplatte20 zu bringen und in einem späteren Schritt von dieser beabstandet zu verwendet, um die Kühlleistung zu verringern. Die konkrete Ausgestaltung dieses Verfahrensschritts ist grundsätzlich abhängig von der notwendigen Kühlleistungen. Wesentlich ist hier allerdings, dass eine lokale Temperaturregelung der aktiven Oberfläche der Kühleinrichtung10 nicht erfolgt. - Die erste erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin eine Heizeinrichtung
4 auf, die hier aus einer Kombination eines Infrarotstrahlers40 , beispielhaft einer Halogenlampe mit einer Peak-Wellenlänge von 1,2 Mikrometer mit einer Anordnung eines konvexen Spiegels50 und einer Spiegelmatrix52 , sowie mit nicht dargestellten Blenden besteht. Das von der Halogenlampe40 ausgehende Licht400 wird über die Spiegel und Blenden derart geführt, dass es auf dem Randbereich der leistungselektronischen Substrate22 auftrifft. Zur Wirkung wird hier besonders auf die Beschreibung zur4 verwiesen. -
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem zweiten flächigen Gegenstand2 . Bei dieser zweiten Ausgestaltung des flächigen Gegenstands2 weist dieser ein leistungselektronisches Substrat22 auf. Dieses leistungselektronische Substrat22 ist im übrigen fachüblich ausgebildet und weist eine Schichtfolge aus einer unteren metallischen Schicht auf, die allerdings nur optional ist. Auf diese Schicht folgt eine Schicht aus einer Industriekeramik, oder einer anderen elektrisch isolierenden Schicht, auf die wiederum eine leitfähige Schicht folgt, die in sich strukturiert ist und somit Leiterbahnen ausbildet. Auf diesen Leiterbahnen sind Leistungshalbleiterbauelement24 angeordnet und lottechnisch damit verbunden. Ausschließlich zur Verdeutlichung sind das leistungselektronische Substrat22 die Lotschicht26 und die Leistungshalbleiterbauelemente24 beabstandet dargestellt. - Diese Komponenten
22 ,24 ,26 wilden hier den zweiten flächigen Gegenstand2 aus, dessen erste Hauptfläche200 ausgebildet wird durch die Unterseite des leistungselektronischen Substrats22 . Die zweite, der ersten gegenüberliegende Hauptfläche202 des flächigen Gegenstands2 wird gebildet durch die frei liegenden Oberflächen des leistungselektronischen Substrats22 und der Leistungshalbleiterbauelemente24 . Diese zweite Oberfläche202 weist somit eine gewisse Topographie, also eine Oberflächenkontur auf, die in dieser Darstellung nicht maßstäblich wiedergegeben ist. Diese zweite flächige Gegenstand2 bildet ebenfalls eine fachübliche Komponente eines Leistungshalbleitermoduls aus. - Die zweite erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls eine Kühleinrichtung
1 auf, die hier als Luftkühleinrichtung12 , mit schematisch dargestellten Kühlfinnen, ausgebildet ist. Die Kühlwirkung dieser Kühleinrichtung12 erfolgt insgesamt sehr homogen und ist üblicherweise geringer als diejenige einer Wasserkühleinrichtung. Dies kann vorteilhaft sein für eine besonders schonende Abkühlung des flächigen Gegenstandes2 . Die Kühleinrichtung12 ist bevorzugt in direktem thermischen Kontakt mit der ersten Hauptfläche200 des flächigen Gegenstandes2 stehend angeordnet. - Die zweite erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin eine Heizeinrichtung
4 auf, die hier aus einer Kombination einer Mehrzahl von IR-LEDs42 , mit einer Peak-Wellenlänge von 0,9 Mikrometer mit jeweils zugeordneten Linsen54 , beispielhaft einem Mikrolinsenraster, sowie von zugeordneten Blenden56 besteht. Das von den IR-LEDs42 ausgehende Licht400 wird über die jeweils zugeordneten Linsen und Blenden derart geführt, dass es auf dem Randbereich der Leistungshalbleiterbauelemente24 auftrifft. Zur grundsätzlichen Wirkung einer derartigen Heizeinrichtung wird hier zudem auf die Beschreibung zur den5 und6 verwiesen. - Die Wirkung der Heizeinrichtung
4 ist schematisch durch einen Temperaturverlauf600 , wie er sich im Verlauf des Verfahrens auf der zweiten Hauptfläche202 einstellt dargestellt. An den Rändern der Leistungshalbleiterbauelemente24 herrscht jeweils während der Abkühlphase in der das Lot erstarrt eine höher Temperatur als in der Mitte des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements24 . -
4 zeigt den ersten flächigen Gegenstand2 in Draufsicht. Dargestellt ist hier eine Grundplatte20 mit zwei leistungselektronischen Substraten22 , wobei nur auf einem der beiden Leistungshalbleiterbauelemente24 dargestellt sind. - Weiterhin dargestellt ist die Wirkung der Heizeinrichtung. Die schraffierten Flächen entsprechen hier den ersten Teilflächen
204 der zweiten Hauptfläche202 , die gegenüber sie umgebenden und wie hier gegenüber durch sie eingeschlossene zweite Teilflächen206 eine höhere Temperatur aufweisen. - Das wesentliche der Heizeinrichtung ist, dass diese die erste Teilfläche
204 lokal gegenüber der Gesamtfläche, und konkret gegenüber einer zweiten Teilfläche206 erwärmen kann. Bei dieser Erwärmung handelt es sich hier und auch allgemein im Rahmen der Erfindung insbesondere nicht um eine absolute Erwärmung gegenüber einer Starttemperatur der zweiten Hauptfläche, auch wenn dies zu Verfahrensbeginn kurzfristig möglich ist, sondern um eine relative Erwärmung der ersten Teilfläche204 relativ zur zweiten Teilfläche206 . In anderen Worten heißt dies, dass absolut betrachtet die Wirkung der Kühleinrichtung diejenige der Heizeinrichtung wesentlich übersteigt. Dies ist explizit notwendig um eine Abkühlung des gesamten flächigen Gegenstandes und insbesondere der Lotschicht, zum Übergang vom flüssigen in den festen Zustand, zu bewirken. Die Heizeinrichtung wirkt also der Kühleinrichtung derart entgegen, dass die erste Teilfläche sich langsamer abkühlt als die benachbarte zweite Teilfläche. Somit erstarrt das Lot beginnend in der zweiten Teilfläche und die Erstarrungsfront wandert in Richtung der stärksten Erwärmung durch die Heizeinrichtung, wodurch beispielhaft Gaseinschlüsse, sog. Lunker, in der Lotschicht deutlich reduziert werden. -
5 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur60 ,602 ,603 ,604 ,605 der zweiten Hauptfläche202 entlang des Schnitts A-A des ersten flächigen Gegenstands aus4 , während des zeitlichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt sind jeweils relative Temperaturen. - Zu einem ersten Zeitpunkt (1. Kurve) nach Verfahrensbeginn sind die Bereiche am Rand der leistungselektronischen Substrate geringfügig wärmer als deren mittige Bereiche, die die gleiche Temperatur wie die Grundplatte aufweisen.
- Zu einem späteren Zeitpunkt (2. Kurve) ist diese Temperaturdifferenz verstärkt, zudem zeigt sich eine leicht erhöhte Temperatur der Grundplatte zwischen den leistungselektronischen Substraten.
- Zu einem späteren Zeitpunkt (3. Kurve) hat sich dieser Effekt nochmals verstärkt, allerdings bleibt die Temperatur der Grundplatte unter derjenigen der Randbereiche der leistungselektronischen Substrate. Es wird hier deutlich, dass im Prozessverlauf sich die ersten Teilflächen ausdehnen und damit die zweiten Teilfläche schrumpfen. Idealerweise setzt die Erstarrung des Lots bei diesem Zeitpunkt ein, da hier der Erstarrungsbereich sehr begrenzt in der Mitte der jeweiligen leistungselektronischen Substrate liegt. Bei fortschreitender Abkühlung wandert nun die Erstarrungsfront von der Mitte zum Randbereich der leistungselektronischen Substrate.
- Bis nahe an den Abschluss der Abkühlung bei dem zu einem späteren Zeitpunkt (4. Kurve) das Lot fast vollständig erstarrt ist besteht die relativ höhere Temperatur im Randbereich der leistungselektronischen Substrate.
- Ein typische Temperaturen zu Beginn des Verfahrens beträgt 250°C. Bei dieser Temperatur ist das Lot vollständig flüssig. Zudem ist der gesamte flächige Gegenstand im thermischen Gleichgewicht. Das Abkühlen beginnt mit der Abkühlung der ersten Hauptfläche mittels der Kühleinrichtung. Da der Beginn der Abkühlung zeitlich verzögert auf der zweite Hauptfläche erfolgt, kann die Heizeinrichtung entweder kurz vor, gleichzeitig oder auch kurz nach Beginn der Abkühlung der ersten Hauptfläche erfolgen. Es ist hierbei vorteilhaft, wenn die Starttemperatur nicht lokal an der ersten Teilflächen überschritten wird.
- Der hier betrachtet wesentliche Teil des Abkühlvorgang endet, bei dem hier beispielhaft angenommenen Lot mit einer Erstarrungstemperatur von 220°C bei eine homogenen Temperatur des flächigen Gegenstandes von 200°C. In dieser Abkühlphase von 250°C auf 200°C liegt die Temperaturdifferenz ∆ϑ zwischen 2°C und 5°C, wobei dieser Wert insbesondere im Temperaturbereich der Abkühlphase von 230°C bis 210°C eingehalten wird.
-
6 zeigt eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem ersten flächigen Gegenstand2 . Wesentlich ist hierbei, dass die Heizeinrichtung4 einfach und dabei sehr variabel ausgebildet ist. Sie besteht aus einer Matrix von IR-LEDs42 , die einzeln ansteuerbar, idealerweise auch in ihrer Leistung individuell regelbar sind und die oberhalb des relevanten Bereichs der zweiten Hauptfläche angeordnet sind. Zur weiteren Verbesserung, insbesondere Homogenisierung der Leistung können oben genannte und fachübliche Strahlformer für die jeweiligen IR-LEDs42 eingesetzt werden. - Mit dieser dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht nur die abgebildete lokale Erwärmung, sondern eine annährend beliebige Verteilung und Steuerung der lokalen Erwärmung möglich.
- Somit kann dezidiert derjenige Bereich, die erste Teilfläche, bestimmt werden an der das Lot zu erstarren beginnt. Ebenso kann der Verlauf der Erstarrungsfront wie auch deren Ausbreitungsgeschwindigkeit individuell gesteuerte werden. Somit ist durch eine einfache Leistungsregelung der IR-LEDs eine höchst individueller zeitlicher und räumlicher Ablauf der Erstarrung des Lots möglich.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011081606 A1 [0004]
Claims (15)
- Vorrichtung zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes (
2 ) mit einer ersten Hauptfläche (200 ) und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche (202 ), wobei der flächige Gegenstand (2 ) aus Richtung der ersten Hauptfläche (200 ) von einer Kühleinrichtung (1 ) gekühlt wird und wobei auf die zweite Hauptfläche (202 ) eine Heizeinrichtung (4 ) auf eine erste Teilfläche (204 ) lokal derart einwirkt, dass der flächige Gegenstand (2 ) an dieser ersten Teilfläche (204 ) relativ zu einer an diese erste Teilfläche (204 ) anschließenden zweiten Teilfläche (206 ) derart mit Wärme beaufschlagt wird, dass diese erste Teilfläche (204 ) im Vergleich zur zweiten Teilfläche (206 ) langsamer abgekühlt wird und somit die zweite Hauptfläche (202 ) des flächigen Gegenstands (2 ) während des Abkühlvorgangs zumindest in einem Teilzeitraum der Abkühlung eine inhomogene Temperaturverteilung aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der flächige Gegenstand (
2 ) eine Grundplatte (20 ) eines Leistungshalbleitermoduls mit hierauf angeordneten leistungselektronischen Substraten (22 ) ist und zwischen der Grundplatte (20 ) und dem jeweiligen Substrat (22 ) Lot (26 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der flächige Gegenstand (
2 ) ein leistungselektronisches Substrat (22 ) mit hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (24 ) ist und zwischen dem Substrat (22 ) und dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement (24 ) Lot (26 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (
1 ) als Wasserkühleinrichtung (10 ) oder als Luftkühleinrichtung (12 ) ausgebildet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (
1 ) während der Abkühlung mit der ersten Hauptfläche (200 ) des flächigen Gegenstandes (2 ) in thermischen Kontakt steht oder von der ersten Hauptfläche (200 ) des flächigen Gegenstandes (2 ) beabstandet angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (
1 ) dazu ausgebildet ist die erste Hauptfläche (200 ) homogen zu kühlen. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (
4 ) von der zweiten Hauptfläche (202 ) beabstandet angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (
4 ) als ein schwarzer Strahler, insbesondere eine Halogenlampe (40 ), ausgebildet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Heizeinrichtung (
4 ) als eine LED, insbesondere als eine IR-LED (42 ), ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Heizeinrichtung (
4 ) ein zusätzlichen Strahlformer (50 ,52 ,54 ,56 ) zugeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Peak-Wellenlänge der Heizeinrichtung (
4 ) zwischen 0,7 Mikrometer und 10 Mikrometer, insbesondere zwischen 0,7 Mikrometer und 3 Mikrometer, beträgt. - Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Strahlformer als eine Blende (
54 ), eine Blendenmatrix, ein Filter, eine Filtermatrix, ein Hologramme, eine Hologrammmatrix, ein Axicon, eine Axiconmatrix, ein Spiegel (50 ), eine Spiegelmatrix (52 ), eine Linse oder eine Linsenmatrix, oder als eine Kombination hieraus ausgebildet ist. - Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur inhomogenen Abkühlung eines flächigen Gegenstandes (
2 ) mit einer ersten Hauptfläche (200 ) und einer dieser gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche (202 ), wobei a. der flächige Gegenstand (2 ) aus Richtung der erste Hauptfläche (200 ) von einer Kühleinrichtung (1 ) für einen ersten Zeitraum gekühlt wird b. für einen zweiten Zeitraum eine Heizeinrichtung (4 ) auf eine erste Teilfläche (204 ) der zweite Hauptfläche (202 ) lokal derart einwirkt, dass der flächige Gegenstand (2 ) an dieser ersten Teilfläche (204 ) relativ zur zweiten Teilfläche (206 ) mit Wärme beaufschlagt und hierdurch der flächige Gegenstand (2 ) an dieser erste Teilfläche (204 ) im Vergleich zur zweiten Teilfläche (206 ) für einen dritten Zeitraum langsamer abgekühlt wird und somit in diesem dritten Zeitraum eine inhomogene Temperaturverteilung aufweist. - Verfahren nach Anspruch 13, wobei der zweite Zeitraum ganz oder teilweise vor, während oder nach dem ersten Zeitraum liegt.
- Lötanlage mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Lötanlage als Durchlauflötanlage mit einer Mehrzahl von Kammern ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung in einer Abkühlkammer angeordnet ist.
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