-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung für
das Löten
in der Dampfphase.
-
Beim Löten und insbesondere beim Reflow-Löten mit
Weichloten kann es zur Entstehung von Lunkern im Lot kommen. Dabei
handelt es sich in der Regel um gasförmige Einschlüsse oder
Flußmitteleinschlüsse, die
beim Erstarren des Lotes nicht aus der Schmelze des flüssigen Lotes
entweichen konnten. Diese Fehlstellen können nachteilig für die Lötverbindung
sein und behindern die Wärmeableitung
aus Lötstellen
beim Betrieb der gelöteten
Komponenten. Aus diesem Grund ist es bei bestimmten Bauteilen notwendig,
den Lunkeranteil in der Lötstelle
klein zu halten.
-
Es ist bekannt, daß aus Flüssigkeiten
Gasblasen entfernt werden können,
indem ein Unterdruck angelegt wird. Ebenso verwendet man in der Metallographie
Unterdruck , um Blasen aus der zähflüssigen Einbettmasse
zu entfernen. Dasselbe Grundprinzip kann beim Löten Anwendung finden, indem
im Bereich der flüssigen
Lötverbindung
ein Unterdruck erzeugt wird.
-
Die üblichen Reflow-Lötverfahren
arbeiten typischerweise mit Strahlern oder einem heißen Gas zur
Erwärmung
des Lötgutes.
Diese Lötverfahren
haben aber den Nachteil einer langsamen Erwärmung größerer Massen und sind für das Löten von
verdeckt liegenden Teilen weitgehend ungeeignet. Beim sogenannten
Vakuumlöten
werden diese Verfahren in Verbindung mit der Erzeugung eines Unterdrucks
eingesetzt, um den Anteil der Leerstellen in den Lötverbindung
klein zu halten.
-
Die Wärmeübertragung in einer kondensierenden
Dampfphase (sogenanntes Dampfphasenlöten) ist besser geeignet, Lötgut zu
erwärmen.
Zum einen ist eine bessere Wärmeübertragung
gewährleistet,
zum anderen bestimmt die Temperatur des Dampfes die maximale Temperatur,
die das Lötgut erfahren
kann.
-
Eine Druckänderung im Zusammenhang mit Kondensationswärmeübertragung
zu verwenden, ist bereits bekannt. Den Gesetzen der Thermodynamik folgend
kann beispielsweise der Siedepunkt einer Flüssigkeit verändert werden,
indem der Umgebungsdruck der Flüssigkeit
verändert
wird. Dieses Prinzip kommt in der
US-A-4,3952,049 und der
DE-A-196 02 312 zur Anwendung.
Durch Änderung des
Umgebungsdrucks in einer geschlossenen Kammer wird dort die Siedetemperatur
der Flüssigkeit verändert und
somit die Temperatur des Dampfes gesteuert. Der direkte Einsatz
einer Druckänderung
in der Dampfphase ist allerdings dann problematisch, wenn man den
großen
Vorteil der Temperaturkonstanz beim Löten nutzen möchte. Gerade
diese Eigenschaft bietet den Vorteil, daß ein automatischer, physikalisch
bedingter Schutz gegen unerwünschte hohe
Temperaturen gegeben ist.
-
Eine Lösung, dieses Problem besteht
darin, den Prozeß der
Erwärmung
in der Dampfphasenkammer stattfinden zu lassen und dann einen nachgeschalteten
Unterdruckprozeß in
einer Kammer durchzuführen,
die sich außerhalb
der Dampfphasenzone befindet. In der
DE-A-199 11 887 ist eine entsprechende Vorrichtung
beschrieben. Dabei erfolgt zum Löten
die Wärmeübertragung
durch Kondensation und danach wird das schmelzflüssige Lötgut aus der Dampfkammer in
eine angrenzende Kammer gefahren. Dort wird dann mit Hilfe einer
sogenannten Vakuumglocke ein Unterdruck im Bereich der Lötstellen
erzeugt, um die Einschlüsse
im Lot entweichen zu lassen und möglichst lunkerfreie Lötstellen
herzustellen. Dieser Verfahrensablauf ist allerdings mit wesentlichen
Nachteilen verbunden. Wenn dieser Vakuumschritt nämlich nach
dem Lötprozeß erfolgt,
ergibt sich das Problem, daß das
Lötgut
solange schmelzflüssig
gehalten werden muß,
bis aufgrund eines zu erzeugenden Unterdrucks Fremdstoffe, die die
Leerstellen bilden, aus der Lötstelle
entweichen konnten. In der
DE-A-199
11 887 wird dieses Problem dadurch gelöst, daß das Lötgut auf einem Träger sitzt,
der eventuell beheizt werden kann. Dadurch soll die Wärmeabstrahlung
des Lötgutes
in die Umgebung kompensiert werden und die Lötstellen schmelzflüssig gehalten
werden. Dies kann bei einfachen Teilen, die einen guten Flächenkontakt zum
heißen
Träger
haben, funktionieren. Sobald die Teile aber komplexer werden oder
die Zeit zum Evakuieren etwas länger
wird, sind die Ergebnisse dieser Anordnung unbefriedigend. Um diesen
Verfahrensnachteil zu kompensieren und eine unerwünscht frühe Erstarrung
des Lotes zu verhindern, muß das
Lötgut
beim Ausfahren aus der Dampfphase einen möglichst hohen Temperaturunterschied
zum Schmelzpunkt des verwendeten Lotes besitzen. Aus diesem Grund
wird das Lötgut
dabei um ca. 10–15°C über diese
Schmelztemperatur erwärmt.
Aus der Praxis sind auch noch höhere
Temperaturen bekannt.
-
Die Problematik einer zu frühen Erstarrung des
Lotes bringt zum einen Unsicherheiten für den Fertigungsprozeß mit sich,
da bereits kleine Änderungen
der Randbedingungen beim Evakuieren oder Zeitverzögerungen
durch Störungen
zu einer Verschlechterung des gewünschten Ergebnisses führen. Zum
anderen werden durch die ausführungsbedingte Beschränkung des
Zeitbereichs für
das Einwirken des Unterdrucks die Möglichkeiten von Verfahrensvarianten
wie z.B. wechselnde Druckverhältnisse
etc. eingeschränkt
oder unmöglich
gemacht. Je höher
die Temperatur des Lötgutes
aber steigt, desto nachteiliger ist sie für die Qualität der Lötstellen
und Materialien. Neben der Zunahme von Ablegiervorgängen ist es
auch bekannt, daß höhere Temperaturen
bei bleifreien Loten offensichtlich zur Zunahme der Leerstellen
im Lot führen.
So ist es aus verschiedenen Gründen
wünschenswert,
die Lötung
bei Temperaturen durchzuführen,
die nur geringfügig
oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Verfügung zu
stellen, wobei Fehlstellen (Lunker) im Lot zuverlässig verhindert
werden. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
-
Bei der Lösung geht der Erfindung von
dem Grundgedanken aus, in der Dampfphasenzone um das Lötgut herum
einen Unterdruck zu erzeugen, wodurch das Lot ausgast. In einer
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist eine Unterdruck-(Evakuierungs)kammer
vorgesehen, in die das Lotgut verbracht wird. Die Unterdruckkammer
nimmt die Temperatur des Dampfes an, da sie sich in der Dampfphase
befindet. Eine zusätzliche
Heizung kann verwendet werden, ist aber nicht notwendig. Die Unterdruckkammer
wird gegen die Dampfphase abgeschlossen, und das Gasvolumen wird
aus ihr abgesaugt, um einen Unterdruck einer gewünschten Größenordnung zu erzeugen und
Gaseinschlüsse aus
dem Lot zu beseitigen.
-
Die Erfindung hat folgende Vorteile.
-
Da die Dampfphase die Unterdruckkammer umgibt,
kann diese nicht abkühlen
und wirkt deshalb als „Komplett-Strahler",
der das Lotgut mit maximaler Temperatur der Dampfphase bestrahlt
und somit sehr zuverlässig
ein zu frühes
Abkühlen
des Lotes verhindert. Der Siedepunkt des die Dampfphase erzeugenden
Mediums muß nur
geringfügig über der Schmelztemperatur
des Lotes liegen, da keine Temperaturreserve gegen ein unerwünscht frühes Abkühlen vorhanden
sein muß.
So genügt
beispielsweise bereits ein Temperaturüberschuß von nur 5°C über der Schmelztemperatur des
Lotes, um zuverlässig
zu löten
und anschließend
Leerstellen zu beseitigen.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 einen
vereinfacht Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform, und
-
2 das
Lötgut
gemäß 1 in der geschlossenen Unterdruckkammer.
-
1 zeigt
eine erste Kammer 5 mit einer Dampfphasenzone 1.
Die Dampfphase wird durch das am Boden der Kammer 5 sichtbare
flüssige
Medium 13, das vorzugsweise eine inerte organische Flüssigkeit
ist, erzeugt. In der Dampfphasenzone 1 befindet sich auf
einer Ablage 4 Lötgut 2.
In der Dampfphasenzone befindet sich weiterhin eine zweite Kammer 6 zum
Erzeugen eines Unterdrucks um das Lötgut 2 herum. Das
Lötgut 2 wird
mittels eines Transportsystems 9 aus einer angrenzenden
dritten Kammer 10 in Pfeilrichtung A in die Kammer 5 gefahren.
Die Verbindung zwischen der ersten Kammer 5 und der dritten
Kammer 10 wird von einem Kühlrohr 11 umgeben,
das dafür
sorgt, daß die
Dampfphase in der ersten Kammer zurückgehalten wird und nicht in die
Kammer 10 eintritt. Die zweite Kammer 6 zur Erzeugung
des Unterdrucks wird in Pfeilrichtung B über die Ablage 4 mit
dem Lötgut 2 gefahren,
so daß die senkrechte
Wand der Ablage 4 die zweite Kammer 6 abschließt. Danach
erfolgt während
einer vorbestimmten Zeit die Evakuierung der Kammer 6 über den
Anschluß 7 auf
einen vorbestimmten Unterdruck. Dann wird die zweite Kammer 6 wieder
von der Ablage 4 mit dem Lötgut entfernt, das Transportsystem 9 nimmt
das Lötgut 2 auf
und fährt
es aus der ersten Kammer 5 in die dritte Kammer 10.
Von dort wird es zur weiteren Bearbeitung (nicht gezeigt) transportiert.
-
Wahlweise besteht die Möglichkeit,
die Höhe der
Dampfphase 1 zu verändern,
um für
eine vorbestimmte Zeit die Wärmeübertragung
auf die in der Dampfphasenzone befindlichen Teile zu verringern. Es
besteht auch die Möglichkeit,
die Dampfphase 1 beim Schließen der Unterdruckkammer 6 kurzzeitig abzusenken
und anschließend
wieder anzuheben, so daß die
Kammer 6 möglichst
wenig Dampfphase enthält,
wodurch das Evakuieren erleichtert wird. Außerdem kann die Kammer 6 mit
dem Lötgut 2 bereits vor
oder während
des Schmelzvorgangs des Lotes geschlossen werden und dann die Wärme über die Strahlungswärme der
Kammer 6 auf das Lötgut übertragen
werden. In diesem Fall erfolgt die Wärmeübertragung durch diffuse Strahlung
der Kammerwände. Die
Evakuierung der Kammer 6 kann nach dem Schließen der
Kammer mit einer Zeitverzögerung
beginnen und auch mit einem sehr langsam ansteigenden Unterdruck
beaufschlagt werden, da aufgrund des Aufenthalts in der Dampfhase
nicht befürchtet werden
muß, daß das Lot
der Lötstellen
vorzeitig erstarrt.
-
Die Unterdruckkammer kann wahlweise auch
von oben auf das Lötgut
abgesenkt werden (nicht dargestellt). In diesem Fall kann die Erwärmung über die
Kammerwände
verzögert
erfolgen, wenn der obere Teil der Kammer sich nicht ständig oder
nur unvollständig
in der Dampfphase befindet und Strahlungswärme überwiegend über den unteren Teil der Kammer
auf das Lötgut übertragen
wird.
-
2 zeigt
die Ablage 4 mit dem Lötgut 2 gemäß 1, nachdem die zweite Kammer 6 gemäß 1 in Pfeilrichtung B über die
Ablage 4 und das Lötgut 2 geschoben
und durch die senkrechte Wand der Ablage 4 verschlossen
wurde.
-
Um zum Beispiel Flußmittelanteile
bereits vor dem Schmelzen aus den Lötstellen zu entfernen, kann
die Evakuierung der Kammer 6 mit dem Lötgut auch bereits vor dem Schmelzen
des Lotes erfolgen. Anschließend
wird dann ein Druckausgleich hergestellt und der Lötprozeß durchgeführt.
-
In der Unterdruckkammer 6 kann
das Lötgut gereinigt
oder anderweitig behandelt werden. Die Kammer 6 kann z.B.
eine Vorrichtung zur Erzeugen eines Plasmas enthalten. Durch eine
geeignete Plasmabehandlung des Lötgutes
werden Verschmutzungen auf dem Lötsubstrat
beseitigt und die Benetzungsfähigkeit
wird erhöht.
Plasmabehandlung kann sowohl vor dem Löten als auch während des
Lötprozesses
oder danach erfolgen. Wahlweise kann die Kammer 6 auch
mit einem Überdruck
beaufschlagt werden. Desweiteren kann das Lötgut mit einer Prozeßflüssigkeit
behandelt werden, die zum Beispiel über den Anschluß 11 in
die Kammer 6 eingeführt wird
und über
den Anschluß 12 aus
der Kammer 6 wieder abgeführt wird. Durch die Prozeßflüssigkeit kann
zum Beispiel eine Abkühlung
des Lotgutes nach dem Löten
oder eine Reinigung vorgenommen werden.
-
Nach dem Evakuieren durch die Leitung 7 kann
der Druckausgleich mittels eines Schutzgases oder anderen Gases über die
Leitung 8 erfolgen. Beim Druckausgleich kann das Lötgut gekühlt werden,
indem das Gas die Kammer 6 länger als bis zum Druckausgleich
nötig durchströmt.