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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Anmeldung betrifft allgemein die Oberflächenmontage von
elektronischen Komponenten auf einer gedruckten Leiterplatte durch
Anwenden eines Aufschmelz(Reflow)-Verfahrens, und insbesondere ein
System und Verfahren zur Extraktion und Sammlung verdampfter Verunreinigungen
(z. B. Schmelzmittel) aus einem Schmelzofen, und Entfernen der gesammelten
Verunreinigungen, ohne die Oberflächenmontageproduktion
zu unterbrechen.
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2. Erörterung des
verwandten Standes der Technik
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Bei
der Herstellung von gedruckten Leiterplatten werden elektronische
Komponenten oft auf einer nackten Platte durch ein als Aufschmelzlöten bzw.
Reflow-Löten bekanntes Verfahren oberflächenmontiert.
Bei einem typischen Aufschmelz-Lötverfahren wird ein Muster
von Lötpaste auf die Leiterplatte abgegeben und die Anschlüsse
von einer oder mehreren elektronischen Komponenten werden in die Lötpaste
eingefügt. Die Leiterplatte wird dann durch einen Ofen
geleitet, wo die Lötpaste in den erhitzten Zonen aufgeschmolzen
wird (d. h. auf eine Schmelz- oder Reflow-Temperatur erhitzt) und
dann in einer Kühlzone abgekühlt wird, um die
Anschlüsse der elektronischen Komponenten mit der Leiterplatte elektrisch
und mechanisch zu verbinden. Der Begriff ”Leiterplatte” wie
hier verwendet, schließt jede Art von Substratanordnung
elektronischer Komponenten ein, zum Beispiel Wafersubstrate.
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Lötpaste
weist typischerweise nicht nur Lötmetall auf, sonder auch
Schmelzmittel, um eine Benetzung des Lötmittels zu fördern
und gute Lötverbindungen bereitzustellen. Andere Additive,
wie z. B. Lösungsmittel und Aktivatoren, können
auch enthalten sein. Nachdem die Lötpaste auf die Leiterplatte
abgegeben wurde, wird die Leiterplatte auf einer Fördereinrichtung
durch einem Mehrzahl von Heizzonen einer Aufschmelz-Lötvorrichtung
geleitet. Wenn die Lötpaste schmilzt, werden flüchtige
organische Komponenten (als ”VOC” bezeichnet),
im Schmelzmittel und andere Additive verdampft und neigen dazu,
in der Aufschmelzvorrichtung zu kondensieren. In vielen der Aufschmelzöfen
wird das Löten in einer inerten Atmosphäre durchgeführt
unter der hauptsächlichen Verwendung von Stickstoff, um
die Oxidation auf Lötoberflächen zu reduzieren.
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Bei
bestimmten Aufschmelzvorrichtungen sind die Heizzonen in eine Anzahl
von unterschiedlichen Zonen aufgeteilt, einschließlich
Vorheizzonen, Einwirkzonen und Spitzenzonen. In den Vorheizzonen
und den Einwirkzonen werden die Produkte erhitzt und die flüchtigen
organischen Komponenten in dem Schmelzmittel verdampfen in der umgebenden Gasatmosphäre.
Die Spitzenzonen sind heißer als die Vorheizzonen und Einwirkzonen
und in den Spitzenzonen schmilzt das Lötmittel.
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Die
Spitzenzonen sind auch die Zonen, wo flüchtige organische
Bestandteile höherer Temperatur, wie z. B. Kolophonium
oder Harz verdampft. Eine Aufschmelz-Lötvorrichtung kann
viele Heizzonen haben, und diese Heizzonen können variiert
werden, je nach den zu lötenden Produkten. Unterschiedliche Produkte
erfordern unterschiedliche Heizprofile, und die Aufschmelz-Lötvorrichtung
sollte so flexibel sein, dass bei einem Beispiel eine Vorrichtung
mit zehn Heizzonen eine Vorheizzone haben kann, gefolgt von sieben
Einwirkzonen und zwei Spitzenzonen für eine Art von Leiterplatte,
und für eine unterschiedliche Art von Leiterplatte kann
sie drei Vorheizzonen, sechs Einwirkzonen und eine Spitzenzone aufweisen.
Eine oder mehrere Kühlzonen folgen den Heizzonen, in welchen
das Lötmittel sich auf den Lötbereichen (z. B.
elektronischen Lötaugen (Pads), typischerweise aus Kupfer
oder einer Kupferlegierung hergestellt) auf der Leiterplatte verfestigt.
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Wenn
flüchtige organische Bestandteile von den Heizzonen in
die Kühlzonen strömen, neigen diese Komponenten
dazu, in den Kühlzonen zu kondensieren. Diese Kondensate
können die Kühlfunktionen beeinträchtigen
und können Verarbeitungsprobleme darstellen. Das häufigste
Problem tritt bei nicht-reinen, verbesserten Druckleistungs-Lötpasten
auf. Diese Pasten verwenden Viskositätsmodifizierer, um eine
höchste Druckleistung zu erreichen. Probleme können
auftreten, wenn die die Viskosität modifizierenden Komponenten
in den Kühlzonen kondensieren. Diese Rückstände
sind von Natur aus eine viskose Flüssigkeit und können
sich ansammeln und auf das gelötete Produkt von den Kühlzonenoberflächen heruntertropfen,
wie z. B. in den Kühlzonen positionierte Wärmetauscher.
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Bekannte
Verfahren zur Entfernung dieser flüchtigen organischen
Bestandteile verwenden Wärmetauscher, welche einen heißen
Gasstrom kühlen, welcher aus einer Prozesskammer entfernt
wurde, und kondensieren dadurch organische Verbindungen im Gasstrom
auf einer Oberfläche des Wärmetauschers. Das Kondensat
kann dann mit einem Kondensatfilter entfernt werden, bevor der Gasstrom
in die Prozesskammer zurückgeführt wird. Bei solchen bekannten
Verfahren muss der Kondensatfilter periodisch gereinigt werden,
was die Unterbrechung des Aufschmelzofens erforderlich macht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausführungsformen
der Erfindung liefern Verbesserungen von Aufschmelzofen-Schmelzmittelextraktionssystemen,
wie die oben beschriebenen auf. Ein Aspekt der Erfindung ist auf
eine Aufschmelzvorrichtung zur Lötverbindung von elektronischen
Komponenten mit einem Substrat gerichtet. Die Vorrichtung weist
eine Aufschmelzkammer, eine Fördervorrichtung zur Förderung
eines Substrats in der Kammer, mindestens ein Heizelement zur Bereitstellung
von Wärme zum Aufschmelzen von Lötmittel auf dem
Substrat und mindestens ein Filtrationssystem auf, um durch das
Aufschmelzlötmittel erzeugte Verunreinigungen zu entfernen.
Das mindestens eine Filtrationssystem ist mit der Kammer zum Durchgang eines
Dampfstromes aus der Kammer durch das Filtrationssystem gekoppelt.
Das mindestens eine Filtrationssystem weist eine Primäreinheit
auf, welche eine Kühlvorrichtung und eine Filtervorrichtung
einschließt, welche zur Kühlvorrichtung benachbart
angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung hat eine Vielzahl von
Kühlrippen, um den Dampfstrom, welcher in die Primäreinheit
eintritt, zu kühlen. Die Anordnung ist derart, dass Verunreinigungen
im Dampfstrom an den Kühlrippen kondensieren, wenn der
Dampfstrom über die Kühlrippen geleitet wird,
und durch die Filtervorrichtung eingefangen werden.
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Ausführungsformen
der Vorrichtung können die Primäreinheit aufweisen,
welche ferner ein Heizelement aufweist, um an den Kühlrippen
kondensierte und durch den Filter eingefangene Verunreinigungen
zu erhitzen. Die Primäreinheit weist ferner mindestens
einen Sammelbehälter auf, um erhitzte Verunreinigungen
von den Kühlrippen und der Filtervorrichtung zu sammeln.
Bei einer Ausführungsform weist die Primäreinheit
ferner eine Basis auf, an welcher die Kühlrippen montiert
sind, und eine wassergekühlte Kühlplatte an der
Basis befestigt ist. Bei einer anderen Ausführungsform
weist die Primäreinheit ferner eine Basis auf, an welcher
die Kühlrippen montiert sind, und ein thermisches Abzugselement an
der Basis befestigt ist. Das thermische Abzugselement weist eine
Vielzahl von Wärmeabzugsrippen auf. Die Vorrichtung kann
ferner eine Sekundäreinheit in Fluidverbindung mit der
Primäreinheit aufweisen, um weiter Verunreinigungen in
dem Dampfstrom zu entfernen. Die Sekundäreinheit weist
eine Rohrschlange und einen Sammelbehälter auf. Die Rohrschlange
ist so ausgelegt, dass sie gekühltes Gas oder erhitztes
Gas darin aufnimmt. Die Anordnung ist derart, dass wenn gekühltes
Gas in die Rohrschlange eingeführt wird, Verunreinigungen
im Dampfstrom an der Rohrschlange kondensieren, und wenn erhitztes Gas
in die Rohrschlange eingeführt wird, Verunreinigungen im
Dampfstrom aus der Rohrschlange freigesetzt und in dem Sammelbehälter
gesammelt werden. Bei einer besonderen Ausführungsform
ist die Rohrschlange in Fluidverbindung mit einem Gaszufuhrrohr
und das Gaszufuhrrohr ist ein Wirbelrohr.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist auf eine Aufschmelzvorrichtung
zur Lötverbindung elektronischer Komponenten mit einem
Substrat gerichtet. Eine bestimmte Ausführungsform ist
auf die Vorrichtung gerichtet, welche eine Aufschmelzkammer, eine Fördervorrichtung
zur Förderung eines Substrats in der Kammer, mindestens
ein Heizelement zur Bereitstellung von Wärme zum Aufschmelzen
von Lötmittel auf das Substrat und mindestens ein System
aufweist, um durch das Aufschmelzlötmittel erzeugte Verunreinigungen
zu entfernen. Das mindestens eine System ist mit der Kammer zum
Durchgang eines Dampfstromes aus der Kammer durch das System gekoppelt.
Das mindestens eine System weist eine Verunreinigungssammeleinheit
in Fluidverbindung mit dem Dampfstrom auf. Die Verunreinigungssammeleinheit
weist eine Rohrschlange und einen Sammelbehälter auf. Die
Rohrschlange ist so ausgelegt, dass sie gekühltes Gas darin
aufnimmt. Die Anordnung ist derart, dass wenn gekühltes
Gas in die Rohrschlange eingeführt wird, Verunreinigungen
im Dampfstrom an der Rohrschlange kondensieren, und wenn das Einführen
von gekühltem Gas in die Rohrschlange beendet wird, Verunreinigungen
im Dampfstrom aus der Rohrschlange freigesetzt und in dem Sammelbehälter
gesammelt werden.
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Ausführungsformen
der Vorrichtung können die Rohrschlange aufweisen, welche
mit einem Gaszufuhrrohr in Fluidverbindung ist, wobei das Gaszufuhrrohr
ein Wirbelrohr ist. Ein Heizelement kann vorgesehen sein, um Gas
zu erhitzen, welches in die Rohrschlange eingeführt wird.
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Noch
ein anderer Aspekt der Erfindung ist auf ein Verfahren zum Entfernen
von verdampften Verunreinigungen aus dem Inneren einer Aufschmelzvorrichtung
gerichtet. Bei einer bestimmte Ausführungsform weist das
Verfahren auf: Abziehen eines Dampfstromes, welcher verdampfte Verunreinigungen
enthält, aus einer Aufschmelzvorrichtung; Richten des Dampfstromes
auf ein System, das ausgelegt ist, Verunreinigungen aus dem Dampfstrom
zu entfernen; Leiten des Dampfstromes über Kühlrippen des
Systems; Kondensieren verdampfter Verunreinigungen an den Kühlrippen;
periodisches Erhitzen der Kühlrippen, um Verunreinigungen
von den Kühlrippen zu entfernen; und Sammeln der entfernten
Verunreinigungen von den Kühlrippen.
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Ausführungsformen
des Verfahrens können ferner aufweisen das Leiten des Dampfstromes durch
eine Filtervorrichtung. Das Verfahren kann ferner aufweisen eines
oder mehrere von (a) Leiten des Dampfstromes über mindestens
eine Kühlrohrschlange und Kondensieren verdampfter Verunreinigungen
an der Kühlrohrschlange, (b) periodisches Anheben der Temperatur
der Kühlrohrschlange, um Verunreinigungen von der Rohrschlange
zu entfernen, und (c) Sammeln der entfernen Verunreinigungen von
der Kühlrohrschlange.
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Und
schließlich ist ein weiterer Aspekt der Erfindung auf ein
Verfahren zur Entfernung verdampfter Verunreinigungen aus dem Inneren
einer Aufschmelzvorrichtung gerichtet. Bei einer besonderen Ausführungsform
weist das Verfahren auf: Abziehen eines Dampfstromes, welcher verdampfte
Verunreinigungen enthält, aus einer Aufschmelzvorrichtung;
Richten des Dampfstromes auf ein System, das ausgelegt ist, Verunreinigungen
aus dem Dampfstrom zu entfernen; Leiten des Dampfstromes über mindestens
eine Kühlrohrschlange des Systems; Kondensieren verdampfter
Verunreinigungen an der Kühlrohrschlange; periodisches
Erhitzen der Kühlrohrschlange, um Verunreinigungen von
der Kühlrohrschlange zu entfernen; und Sammeln der entfernten
Verunreinigungen von der Kühlrohrschlange.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
beiliegenden Zeichnungen sollen nicht maßstabsgerecht gezeichnet
sein. In den Zeichnungen ist jede identische oder nahezu identische
Komponente, welche in verschiedenen Figuren dargestellt ist, durch
eine gleiche Bezugszahl bezeichnet. Zum Zweck der Klarheit braucht
nicht jede Komponente in jeder Zeichnung bezeichnet sein. In den Zeichnungen
sind:
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1 eine
schematische Ansicht, welche einen Aufschmelzlötofen einer
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 eine
schematische Ansicht eines Filtrationssystems einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
schematische Ansicht eines Filtrationssystems einer anderen Ausführungsform
der Erfindung; und
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4 eine
schematische Ansicht eines Schmelzmittel-Sammelsystems einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese
Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails
und die Anordnung von Komponenten beschränkt, welche in
der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen dargestellt
sind. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen in
der Lage und dazu, auf verschiedene Arten ausgeübt oder
ausgeführt zu werden. Auch ist die hier verwendete Ausdrucksweise
und Terminologie zum Zweck der Beschreibung und sollte nicht als beschränkend
betrachtet werden. Die Verwendung von ”einschließend”, ”aufweisend”, ”habend”, ”enthaltend”, ”einbeziehend” und
Variationen davon, soll hier bedeuten, dass sie die danach aufgelisteten
Gegenstände und Äquivalente davon sowie zusätzliche
Gegenstände umfassen.
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Ausführungsformen
der Erfindung können auf die Verwendungen eines zweistufigen
Schmelzmittel-Abzugs- und Filtrationssystems gerichtet sein, welches
mit einer Aufschmelz-Lötvorrichtung verwendet wird. Obwohl
das zweistufige System insbesondere nützlich ist bei Aufschmelz(Reflow)-Lötanwendungen,
können Ausführungsformen des zweistufigen Systems
auch bei anderen Anwendungen angewendet werden. Zum Beispiel im
Zusammenhang mit gedruckten Leiterplattenanordnungen kann das zweistufige
System alternativ dazu verwendet werden, ähnliche Schmelzmittelrückstände,
welche von anderen Arten von Lötvorrichtungen abgegeben werden,
zu extrahieren und zu filtrieren, wie z. B. von einer Wellenlötvorrichtung.
Außerdem kann das System nur eine von den beiden Einheiten
anwenden, um die Schmelzmittelextraktionsfunktion zu erzielen.
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Lötpaste
wird routinemäßig bei der Montage von gedruckten
Leiterplatten verwendet, wo die Lötpaste dazu verwendet
wird, elektronische Komponenten mit der Leiterplatte zu verbinden.
Lötpaste weist Lötmitte auf zur Verbindungsformation
und Schmelzmittel zur Vorbereitung von Metalloberflächen
zur Lötmittelanbringung. Die Lötpaste kann auf die
Metalloberflächen (z. B. elektronische Pads) abgegeben
werden, welche auf der Leiterplatte vorgesehen sind, durch Anwendung
einer beliebigen Anzahl von Auftragsverfahren. Bei einem Beispiel
kann ein Schablonendrucker ein Rakel verwenden, um Lötpaste
durch eine metallische Schablone zu drängen, welche über
eine freigelegte Leiterplattenoberfläche gelegt wird. Anschlüsse
elektronischer Komponenten werden mit den Lötmittelablagerungen ausgerichtete
und in sie hineingepresst, um die Anordnung zu bilden. Bei Aufschmelzlötverfahren
wird das Lötmittel dann auf eine Temperatur erhitzt, welche
ausreichend ist, das Lötmittel zu schmelzen, und abgekühlt,
um die elektronische Komponente sowohl elektrisch als auch mechanisch
dauerhaft mit der Leiterplatte zu koppeln. Das Lötmittel
weist typischerweise eine Legierung auf, welche eine Schmelztemperatur
hat, welche niedriger ist als die der zu verbindenden Metalloberflächen.
die Temperatur muss auch ausreichend niedrig sein, um nicht eine
Beschädigung der elektronischen Komponente zu verursachen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Lötmittel
eine Zinn-Blei-Legierung sein. Es können jedoch auch Lötmittel
verwendet werden, welche bleifreie Materialien anwenden.
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In
dem Lötmittel weist das Schmelzmittel typischerweise eine
Trägersubstanz, Lösungsmittel, Aktivatoren und
andere Zusatzstoffe auf. Die Trägersubstanz ist eine feste
oder nicht-flüchtige Flüssigkeit, welche die zu
lötende Oberfläche bedeckt und kann Kolophonium,
Harze, Glykole, Polyglykole, Polyglykol-Tenside und Glyzerin aufweisen.
Das Lösungsmittel, welches während des Vorheiz-
und Lötverfahrens verdampft, dient dazu, die Trägersubstanz-Aktivatoren
und andere Additive zu lösen. Beispiele typischer Lösungsmittel
schließen Alkohole, Glykole, Glykolester und/oder Glykolether
und Wasser ein. Der Aktivator verstärkt die Entfernung
von Metalloxid von den zu lötenden Oberflächen. Übliche Aktivatoren
schließen Aminhydrdochloride, Dicarbonsäuren,
wie z. B. Adipin- oder Bernsteinsäure ein, und organische
Säuren, wie z. B. Zitronensäure, Maleinsäure
oder Abietinsäure. Andere Schmelzmitteladditive können
Tenside, Viskositätsmodifizierer und Additive zur Bereitstellung
von geringen Rutsch- oder guten Hafteigenschaften aufweisen, um
die Komponenten vor dem Aufschmelzen an Ort und Stelle zu halten.
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Eine
Ausführungsform einer Aufschmelzlötvorrichtung
zum Löten der Leiterplattenanordnung ist in 1 dargestellt.
Solche Vorrichtungen werden manchmal als Aufschmelzöfen
in der Technik der Leiterplattenherstellung und -montage bezeichnet.
Die Vorrichtung, allgemein mit 10 in 1 bezeichnet, weist
eine Kammer in der Form eines thermisch isolierten Tunnels 12 auf,
welcher einen Durchgang zum Vorerhitzen, Aufschmelzen und dann Abkühlen
von Lötmittel auf einer Leiterplatte definiert, welche
durch ihn hindurch verläuft. Der Tunnel 12 erstreckt
sich über eine Vielzahl von Heizzonen, einschließlich,
in einem Beispiel, zweier Heizzonen 14, 16, gefolgt
von drei Einwirkzonen 18, 20, 22, wobei
jede Zone obere bzw. untere Heizelemente 24, 26 aufweist.
Den Einwirkzonen 18, 20, 22 folgen zum
Beispiel drei Spitzenzonen 28, 30, 32,
welche in gleicher Weise Heizelemente 24, 26 aufweisen.
Und schließlich folgen zwei Kühlzonen 34, 36 den
Spitzenzonen 28, 30, 32.
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Eine
Leiterplattenanordnung 38, welche abgelagerte Lötpaste
und elektronische Komponenten aufweist, wird (z. B. in 1 von
links nach rechts) durch jede Zone des thermisch isolierten Tunnels 12 auf
einer Fördervorrichtung mit fester Geschwindigkeit geleitet,
angegeben durch gestrichelte Linien bei 40 in 1,
wobei ein gesteuertes und allmähliches Vorerhitzen, Aufschmelzen
und Abkühlen nach dem Aufschmelzen der Leiterplattenanordnung
ermöglicht wird. Bei einer Ausführungsform können
die Heizelemente 24, 26 Widerstandsheizvorrichtungen
darstellen, welche die Leiterplattenanordnung über Konvektionserhitzung
aufwärmen. In den anfänglichen Vorheizzonen 14, 16 wird
die Platte von Raumtemperatur auf die Schmelzmittel-Aktivierungstemperatur
erhitzt, welche zwischen ungefähr 130°C und ungefähr 150°C
für auf Blei basierenden Lötmitteln liegen kann und
höher bei bleifreien Lötmitteln.
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In
den Einwirkzonen 18, 20, 22 werden Temperaturvariationen über
die Leiterplattenanordnung stabilisiert und es wird dem aktivierten
Schmelzmittel Zeit gegeben, die Komponentenanschlüsse,
die elektronischen Pads und das Lötmittelpulver vor dem Aufschmelzen
zu reinigen. Außerdem werden flüchtige organische
Bestandteile in dem Schmelzmittel verdampft. Die Temperatur in den
Einwirkzonen 18, 20, 22 ist typischerweise
ungefähr 140°C bis ungefähr 160°C
für Lötmittel auf Bleibasis und höher
bei bleifreien Lötmitteln. Bei bestimmten Ausführungsformen
kann die Leiterplattenanordnung ungefähr dreißig
bis ungefähr vierzig Sekunden zum Durchgang durch die Einwirkzonen 18, 20, 22 brauchen.
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In
den Spitzenzonen 28, 30, 32 erhöht
sich die Temperatur schnell auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt
des Lötmittels, um das Lötmittel aufzuschmelzen.
Der Schmelzpunkt für ein eutektisches oder nahezu eutektisches
Zinn-Blei-Lötmittel liegt ungefähr bei 183°C,
wobei die Aufschmelzspitze typischerweise ungefähr 25°C
bis ungefähr 50°C über dem Schmelzpunkt
liegt, um einen pastösen Bereich geschmolzenen Lötmittels
zu überwinden. Für Lötmittel auf Bleibasis
liegt eine typische Maximaltemperatur in den Spitzenzonen im Bereich
von ungefähr 200°C bis ungefähr 220°C.
Temperaturen über ungefähr 225°C können
ein Einbrennen des Schmelzmittels bewirken und eine Beschädigung
der Komponenten und/oder opfern die Verbindungsintegrität. Temperaturen
unter ungefähr 200°C können verhindern,
dass die Verbindungen vollständig aufschmelzen. Bei einer
Ausführungsform wird die Leiterplattenanordnung typischerweise
für ungefähr eine Minute bei einer Temperatur
in den Spitzenzonen 28, 30, 32 über
der Aufschmelztemperatur gehalten.
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Schließlich
fällt in den Kühlzonen 34, 36 die Temperatur
unter die Aufschmelztemperatur und die Leiterplattenanordnung wird
ausreichend gekühlt, um die Verbindungen zu verfestigen
und dadurch die Verbindungsintegrität zu bewahren, bevor
die Anordnung den Tunnel 12 verlässt.
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Noch
mit Bezug auf 1 ist ein Eingangsgasrohr 42 dargestellt,
welches zwischen der zweiten Vorheizzone 16 und der ersten
Einwirkzone 18 austritt, dann durch ein Schmelzmittel-Extraktions-/Filtrationssystem
verläuft, welches allgemein bei 44 angegeben ist,
und in ein Ausgangsgasrohr 46. Das Ausgangsgasrohr 46 verbindet
sich wieder mit dem Tunnel zwischen der ersten und der zweiten Vorheizzone 14, 16.
Im Betrieb wird ein Dampfstrom aus dem Tunnel 12 durch
das Eingangsgasrohr 42 abgezogen, durch das System 44,
dann durch das Ausgangsgasrohr 46 und zurück im
Tunnel. Ähnliche Konstruktionen von Eingangsgasrohren 42,
von Systemen 44 und Ausgangsgasrohren 46 sind
in gleicher Weise angeordnet, um Dampfströme von zwischen
der zweiten und dritten Einwirkzone 20, 22 und
von zwischen den zweiten und dritten Spitzenzonen 30, 32 und
der dritten Spitzenzone und der ersten Kühlzone 34 abzuziehen.
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Bei
einer bestimmten Ausführungsform ist eines der Extraktions-/Filtrationssysteme 44 schematisch
in 2 dargestellt. Wie dargestellt, weist das System 44 ein
Primäreinheit, allgemein mit 48 bezeichnet, und
eine Sekundäreinheit, allgemein mit 50 bezeichnet,
auf. Ein gemeinsames Gehäuse 52 kann vorgesehen
sein, um die Komponenten der ersten und zweiten Einheit 48, 50 zu
halten.
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Alternativ
können zwei separate Gehäuse (nicht dargestellt)
vorgesehen sein, ein Gehäuse für die Primäreinheit 48 und
ein separates Gehäuse für die Sekundäreinheit 50.
Das Gehäuse 52 weist eine Kammer 54 auf,
welche in Fluidverbindung ist mit dem Tunnel 12 mittels
eines Einlasses 56, welcher das System 44 mit
dem Eingangsgasrohr 42 verbindet. Die Anordnung ist derart,
dass ein Dampfstrom vom Tunnel 12 in die Kammer 54 der
Primäreinheit 48 über den Einlass 56 eintritt,
um Verunreinigungen aus dem Dampfstrom zu entfernen. Wie oben erörtert,
ist das System 44 im allgemeinen und die Primäreinheit 48 im
besonderen so ausgelegt, dass sie im Lötmittel enthaltenes
Schmelzmittel entfernt, aber andere Verunreinigungen können
ebenfalls entfernt werden.
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Die
Primäreinheit 48 weist eine Vielzahl von Kühlrippen
auf, welche mit 58 bezeichnet sind, durch welche der Dampfstrom
verläuft, wenn er zuerst in die Primäreinheit
des Systems 44 eintritt. Bei einer Ausführungsform
sind die Kühlrippen 58 an einer Basis 60 befestigt,
welche in der Kammer 54 vorgesehen ist. Wie in 2 dargestellt,
kann die Basis 60 an einer Kühlplatte 62 befestigt
sein, welche ausgelegt ist, ein Kühlfluid, wie z. B. gekühltes
Wasser, durch die Kühlplatte durch eine Rohrschlange 64 fließen
zu lassen. Bei einer bestimmten Ausführungsform befestigen
unter Federspannung stehende Verriegelungen die Kühlplatte 62 lösbar
an der Basis 60. Bei einer anderen Ausführungsform,
welche in 2 dargestellt ist, kann ein
pneumatisch betätigter Kühlplatten-Hebemechanismus 66 angewendet
werden. Die Kühlrippen 58, die Basis 60 und
die Kühlplatte 62 können aus einem thermisch
leitfähigen Material hergestellt sein, wie z. B. Aluminium.
Das Kühlfluid, welches durch die Rohrschlange 64 verläuft,
kühlt die Kühlplatte 62, die Basis 60 und
die Kühlrippen 58, wodurch der Dampfstrom abgekühlt
wird, wenn der Dampfstrom durch die Kühlrippen strömt.
Die Kühlrippen 58 sind so ausgelegt, dass Verunreinigungen, z.
B. Schmelzmittel, an den Kühlrippen kondensiert, wenn der
Dampfstrom hindurchströmt. Die Entfernung der angesammelten
Verunreinigungen von den Kühlrippen 58 wird später
detaillierter erörtert.
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Unterhalb
den Kühlrippen
58 in der Kammer
54 des
Gehäuses ist eine Filtervorrichtung
68 vorgesehen.
Die Filtervorrichtung
68 kann Filtrationsmaterialien des
im
US-Patent Nr. 6 749 644 mit
dem Titel ”Filtration of Flux Contaminants” (Filtration
von Schmelzmittelverunreinigungen) offenbarten Typs, welches am
15. Juni 2004 erteilt wurde und welches hier durch Bezugnahme eingeschlossen
wird und welches auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde, aufweisen. Die Filtervorrichtung
68 kann zum Beispiel
Stahlkugeln und eine Rohrschlange aufweisen, welche ausgelegt sind,
flüchtige organische Komponenten und andere Verunreinigungen
einzufangen. Die Filtrationsvorrichtung kann auch andere Materialien
aufweisen, wie z. B. Drahtgitter oder Stoffmaterialien. Verunreinigungssammelbehälter
oder -gefäße
70 können unter der
Filtervorrichtung
68 vorgesehen sein. Diese Konfiguration
ermöglicht, dass die angesammelten Verunreinigungen, welche
auf der Filtervorrichtung kondensieren, in die Gefäße
70 tropfen.
die Gefäße können periodisch entfernt
werden, ohne den Betrieb der Aufschmelzvorrichtung
10 zu
unterbrechen, um geleert und ersetzt zu werden. Die Anordnung ist
derart, dass der Dampfstrom expandiert und im Druck zunimmt, wenn
der Dampfstrom in die Kammer
54 eintritt, wodurch bewirkt
wird, dass die Verunreinigungen als Tröpfchen auf den Kühlrippen
58 und
der Filtervorrichtung
68 kondensieren.
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Eine
Zusatzheizvorrichtung kann vorgesehen sein, um Wärme in
die Kammer 54 des Gehäuses 52 zu richten,
um die Verunreinigungen, welche an den Kühlrippen 58 kondensiert
sind, und in der Filtervorrichtung 68 gefangen sind, zu
entfernen. Bei anderen Ausführungsformen kann eine in Reihe
geschaltete Heizvorrichtung mit Lufteinblasung verwendet werden.
Die Zusatzheizvorrichtung kann ausgelegt sein, die angesammelten
und eingefangenen Verunreinigungen zu erhitzen, so dass sie in die
flüssige Form zurückkehren. Sobald sie erhitzt
sind, tropfen die verflüssigten Verunreinigungen von den
Kühlrippen 58 herab und fließen durch
die Filtrationsvorrichtung 68, wo sie von den Gefäße 70 aufgesammelt werden,
welche am Boden der Primäreinheit 48 vorgesehen
sind. Die Aufschmelzvorrichtung 10 enthält ferner
eine Steuereinrichtung 74, um den Betrieb der Aufschmelzvorrichtung 10 zu
steuern, einschließlich des Betriebs des Extraktions-/Filtrationssystems 44. Die
Steuereinrichtung 74 ermöglicht der Bedienungsperson
der Aufschmelzvorrichtung 10 eine Zykluszeit festzulegen
und eine Zeitdauer des Betriebs der Zusatzheizung, um die Kühlrippen 58 und
die Filtervorrichtung 68 periodisch zu reinigen.
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Im
Betrieb liefern die Kühlrippen 58 dem Dampfstrom
eine Kühlung, um Verunreinigungen zu sammeln, z. B. Schmelzmittel
aus dem Dampfstrom. Die Zusatzheizvorrichtung kann aktiviert werden,
entweder manuell durch die Bedienungsperson oder periodisch unter
Steuerung der Steuereinrichtung 74, um die Temperatur innerhalb
der Kammer 54 auf eine Temperatur zu erhöhen,
welche ausreichend ist, um die Schmelzmittel-Verunreinigungen zu
schmelzen und die verflüssigten Verunreinigungen in die
Sammelgefäße 70 abzuleiten, während
die Aufschmelzvorrichtung 10 noch in Betrieb ist. Nachdem
der Reinigungszyklus beendet ist, kehrt die Primäreinheit 48 in
ihren normalen Verunreinigungsammelzyklus zurück. Unter
gewissen Umständen kann der Hebemechanismus 66 angewendet
werden, um die Kühlplatte 62 und die Basis 60 zu
trennen, um einen Extratemperaturschub (Erhöhung) zur Selbstreinigung
zu liefern.
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Durch
Anhebung der Kühlplatte 6 von der Basis 60 wird
sich die Wärme innerhalb der Kammer 54 erhöhen,
um die Kammer zu reinigen.
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Mit
Bezug auf 3 ist eine andere Ausführungsform
der Primäreinheit allgemein bei 76 bezeichnet.
Wie dargestellt, sind die meisten der Komponenten der Primäreinheit 76 im
allgemeinen die gleichen wie die Komponenten der Primäreinheit 48, welche
in 2 dargestellt ist, wobei die gleichen Komponenten
durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet sind. Der Hauptunterschied
zwischen der ersten und der zweiten Primäreinheit 48, 76 ist
die Bereitstellung eines thermischen Entfernungselements oder Wärmesenke 78,
welche oben an der Basis 60 anstelle der Kühlplatte 62 befestigt
ist. Die Wärmesenke 78 weist insbesondere eine
Vielzahl von Wärmeabfuhrrippen 80 auf, welche
ausgelegt sind, Wärme von der Basis 60 und den
Kühlrippen 58 abzuziehen, wodurch die Kühlrippen
gekühlt werden. Die Wärmeabfuhrrippen 80 sind
ausgelegt, Wärme von der Basis 60 und den Kühlrippen 58 abzuleiten,
entweder durch Hinzufügen eines Konvektionsgebläses oder
eines Abluftkanals über Rippen außerhalb der Kammer 54.
Diese Anordnung ist insbesondere nützlich in Situationen,
in welchen es keine Zufuhr von Kühlmittel, z. B. gekühltem
Wasser, zur Aufschmelzvorrichtung 10 gibt. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform
verlässt sich das System 44 nicht auf die aktive
Kühlung zum Kondensieren flüchtiger organischer
Komponenten, sondern stattdessen auf die Ableitung der Wärme
durch die Wärmeabfuhrrippen 80.
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Wie
in 2 und 3 dargestellt, strömen ungefähr
fünfzig Prozent des Dampfstromes von der Primäreinheit
(48 oder 76) zu der Sekundäreinheit 50 zur
weiteren Entfernung von Verunreinigungen aus dem Dampfstrom. Die
Entfernung von Verunreinigungen durch die Sekundäreinheit 50 wird
detaillierter unten erörtert. Nach dem Durchströmen
der Sekundäreinheit 50 tritt der Dampfstrom durch
einen Auslass 82 aus, welcher mit dem Ausgangsgasrohr 46 in Fluidverbindung
ist, wo der gereinigte Dampfstrom wieder in den Tunnel 12 eingeführt
wird.
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Mit
Bezug auf 4 ist die Sekundäreinheit 50,
welche in 2 und 3 dargestellt
ist, detaillierter dargestellt. Wie dargestellt tritt der Dampfstrom von
der Primäreinheit (48 oder 76) in eine
Kammer 84 der Sekundäreinheit 50 durch
einen Einlass 86 ein. Die Sekundäreinheit 50 weist
bei einer Ausführungsform eine Rohrschlange 88 auf,
welche den Einlass 86 umgibt, und einen Sammelbehälter 90, welcher
unterhalb der Rohrschlange vorgesehen ist, um Verunreinigungsmaterial,
z. B. Schmelzmittel, zu sammeln. Die Rohrschlange 88 und
der Sammelbehälter 90 sind in der Kammer 84 der
Sekundäreinheit 50 angeordnet. Die Rohrschlange 88 ist
ausgelegt, gekühltes Gas darin aufzunehmen mittels des
Gaszufuhrrohres 92, welches in Fluidverbindung mit der Rohrschlange
steht. Bei einer gewissen Ausführungsform kann das Gaszufuhrrohr 92 ein
Wirbelrohr sein und das gekühlte Gas kann Stickstoff sein.
Das Wirbelrohr 92 wirkt insbesondere durch Aufnahme von
Luft und Rotieren der Luft um eine Achse. Das Rohr erzeugt kalte
und heiße Luft durch Drängen von komprimierter
Luft mit einer hohen Geschwindigkeitsrate, z. B. 1 000 000 U/min
in einen Wirbel. Die Hochgeschwindigkeitsluft erhitzt sich, wenn
sie sich längs den inneren Wänden des Rohres zu
einem Ende des Rohres dreht. Ein Prozentsatz der heißen Luft
verlässt das Rohr durch ein Ventil (nicht dargestellt).
Die kühlere Luft wird dann in einem zweiten Wirbel nach
oben durch das Zentrum des Hochgeschwindigkeitsluftstromes gedrängt.
Diese sich langsamer bewegende Luft wird kalt. Die Wirbelrohre können
Temperaturen bis auf ungefähr 100°F herab unter
die Temperatur der Einlassluftzufuhr erzeugen. Bei anderen Ausführungsformen
kann auch komprimierte Luft angewendet werden.
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Das
Rohr 92 ist mit der Rohrschlange 88 durch einen
Gaseinlass 98 verbunden. Die Rohrschlange gibt Luft durch
den Gasauslass 100 ab. Ein besonderer Vorteil bei einem
Wirbelrohr ist dass, es keine zu verschleißenden oder zu
brechenden Teile aufgrund einer Beschädigung gibt. Die
Anordnung ist derart, dass wenn gekühltes Gas in die Rohrschlange 88 über
das Rohr 92 eingeführt wird, Verunreinigungen
im Dampfstrom an der Rohrschlange kondensieren. Sobald die Rohrschlange 88 eine
ausreichende Menge an angesammelten Verunreinigungen gesammelt hat,
wird die Einführung von gekühltem Gas in die Rohrschlange
beendet. Wenn die Zufuhr von gekühltem Gas in die Rohrschlange 88 beendet
wird, werden an der Rohrschlange angesammelte Verunreinigungen freigesetzt
und im Sammelbehälter 90 gesammelt. Bei einer
Ausführungsform kann ein in Reihe geschaltetes Heizelement 94 vorgesehen sein,
um das Gas zu erhitzen, welches in die Rohrschlange 88 eingeführt
ist. Die erhitzte Rohrschlange schmilzt die angesammelten Verunreinigungen,
welche in den Behälter 90 fallen.
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Der
Betrieb der Sekundäreinheit 50, welche in 4 dargestellt
ist, ist wie folgt. Das Einlassrohr 92 führt das
gekühlte Gas in die Rohrschlange 88, um eine gekühlte
Sammeloberfläche an der Rohrschlange zu erzeugen. Schmelzmittel-Verunreinigungen,
zum Beispiel, die in dem Dampfstrom enthalten sind, kondensieren
an der gekühlten Rohrschlange 88 und sammeln sich
an, um an der Rohrschlange zu bleiben. Während des Betriebs
beeinflusst die Zufuhr von gekühltem Gas in die Rohrschlange 88 nicht
die Temperatur in dem Tunnel 12 der Aufschmelzvorrichtung 10,
da das Gas in der Rohrschlange enthalten ist. Sobald das kühle
Gas in der Rohrschlange 88 durch den Dampfstrom erhitzt
ist, kann das Gas aus der Rohrschlange ausgeblasen werden, entweder außerhalb
der Aufschmelzvorrichtung 10 oder irgendwo in der Aufschmelzvorrichtung
wieder verwendet werden. Die Wände des Gehäuses 52 des Systems 44 bleiben
warm aufgrund der durch den Aufschmelzofen erzeugten Wärme,
so dass wenig oder keine Verunreinigung oder Rückstände
an den Wänden des Gehäuses gesammelt werden. Sobald die
Rohrschlange 88 eine ausreichende Menge an Verunreinigungsdämpfen,
z. B. Schmelzmitteldämpfen an ihrer äußeren
Oberfläche angesammelt hat, kann die Zufuhr von gekühltem
Gas in die Rohrschlange beendet werden. Wenn kein kühles
Gas in die Rohrschlange 88 eintritt, steigt die Temperatur der
Rohrschlange und Verunreinigungen, die sich an der äußeren
Oberfläche der Rohrschlange angesammelt haben, kehren in
ihre flüssige Form zurück. Das in Reihe geschaltete
Heizelement 94 kann alternativ angewendet werden, um die
Rohrschlange 88 zu erhitzen. Sobald die Verunreinigungen
verflüssigt sind, tropfen sie von der Rohrschlange 88 herunter
und werden in dem Sammelbehälter 90 gesammelt,
welcher genau unter der Rohrschlange positioniert ist. Sobald sie
gereinigt ist, kann die Zufuhr von kühlem Gas zur Rohrschlange 88 gestartet
werden, um den Prozess wieder zu beginnen.
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Bei
der Ausführungsform mit dem in Reihe geschalteten Heizelement 94 kann
das gekühlte Gas, das durch das Rohr 92 bereitgestellt
wird, in das in Reihe geschaltete Heizelement geleitet werden, was
hilft, die Selbstreinigungsfunktion zu erzeugen, um die Rohrschlange 88 zu
reinigen. Durch Erhitzen des Gases wird der Prozess des Erhitzens
der Rohrschlange 88 abgekürzt, wodurch der Reinigungszyklus
verkürzt wird. Sobald die Rohrschlange 88 eine ausreichende
Menge an Verunreinigungen angesammelt hat, wird das kalte Gas abgeschaltet
(durch ein Magnetventil oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung)
und das Gas wird in das in Reihe geschaltete Heizelement 94 zurückgeleitet,
um das Gas zu erhitzen, welches durch die Rohrschlange strömt. Ein
Luftverstärker oder Gebläse 96 kann ferner
angewendet werden, um Gas vom Tunnel 12 der Aufschmelzvorrichtung 10 zum
System 44 strömen zu lassen und um das Gas in
den Tunnel zurückzubringen. Solch ein Luftverstärker 96 hat
keine Teile, welche verstopfen oder verschleißen können.
Der Dampfstrom bewegt sich dann von der Rohrschlange 88 zum
Auslass 82 und zurück zum Tunnel 12 über das
Ausgangsgasrohr 46.
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Folglich
ist das System 44 der Ausführungsformen der Erfindung
insbesondere ausgelegt zum Abscheiden von Dampfströmen
unterschiedlicher Temperaturen, welche aus unterschiedlichen Positionen
längs der Länge des Tunnels 12 zu separaten Systemen
abgezogen werden. Wenn zum Beispiel ein Hochtemperatur-Dampfstrom
aus einer Spitzenzone (28, 30 oder 32)
abgezogen wird und mit einem Niedertemperatur-Dampfstrom aus einer
Vorheizzone (14 oder 16) oder einer Einwirkzone
(18, 20 oder 22) in einem besonderen
System 44 gemischt wird, können Abflüsse,
welche aus dem Niedertemperatur-Dampfstrom kondensiert und gefiltert
werden, durch den Hochtemperatur-Dampfstrom wieder verdampft werden,
wodurch die Leistungsfähigkeit des Systems verringert wird.
Die vier Systeme 44, welche in 1 dargestellt
sind, sind folglich so ausgelegt, dass sie eine separate Extraktion
und Filtration aus vier verschiedenen Bereichen des Tunnels 12 bieten. Das
Abziehen von Dampfströmen aus unterschiedlichen Abschnitten
des Tunnels 12 fördert auch ein größeres
Erfassen von Verunreinigungen, da jede Zone im Tunnel unabhängig Temperatur-gesteuert wird
und unterschiedliche Komponenten der Lötpaste in unterschiedlichen
Zonen ausbrennen.
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Folglich
entfernt die Filtrations-Fähigkeit des Filtrationssystems
der Ausführungsformen der Erfindung flüchtige
organische Bestandteile und andere Verunreinigungen, welche von
der Lötpaste in einer Aufschmelzvorrichtung abgegeben werden,
ohne den Betrieb der Aufschmelzvorrichtung abbrechen zu müssen.
Da flüchtige organische Bestandteile und andere Verunreinigungen
aus den Heizzonen des Aufschmelztunnels entfernt werden, können
die Leiterplattenanordnungen über die Fördervorrichtung
in die Kühlzonen zugeführt werden mit verringerten Konzentrationen
an flüchtigen organischen Komponenten und anderen Verunreinigungen
und folglich einem verringerten Potential für Beschädigungen
der Leiterplattenanordnungen und Komponenten im Tunnel aufgrund
einer Ansammlung von Verunreinigungen und Rückständen.
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Daher
sollte beachtet werden, dass das Schmelzmittel-Extraktionssystem
der Ausführungsformen der Erfindung im Design einfacher
und im Betrieb effizienter ist. Insbesondere sowohl die Primäreinheit
als auch die Sekundäreinheit verwenden Schmelzmittel-Sammelbehälter,
welche leicht zum Reinigen entfernt werden können, ohne
den Betrieb des Ofens beenden zu müssen. Insbesondere die Sekundäreinheit
benötigt keinen Filter wie bei anderen Systemen.
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Da
so verschiedene Aspekte der mindestens einen Ausführungsform
dieser Erfindung beschrieben wurden, ist anzunehmen, dass verschiedene Änderungen,
Modifikationen und Verbesserungen einem Fachmann schnell sichtbar
werden. Solche Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen
sollen Teil dieser Offenbarung sein und sollen im Gedanken und Umfang
der Erfindung liegen. Folglich sind die vorstehende Beschreibung
und die Zeichnungen nur beispielhaft.
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Was
beansprucht wird ist:
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Zusammenfassung
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Eine
Aufschmelzvorrichtung (10) zur Lötverbindung von
elektronischen Komponenten mit einem Substrat weist eine Aufschmelzkammer,
eine Fördervorrichtung, mindestens ein Heizelement und
mindestens ein System auf, um durch das Aufschmelzlötmittel
(44) erzeugte Verunreinigungen zu entfernen. Das System
ist mit der Kammer für den Durchgang eines Dampfstromes
von der Kammer durch das System gekoppelt. Das System weist eine
Verunreinigungssammeleinheit mit einer Rohrschlange (88)
und einem Sammelbehälter (90) auf. Die Rohrschlange
ist so ausgelegt, dass sie gekühltes Gas darin aufnimmt
und Verunreinigungen im Dampfstrom an der Rohrschlange kondensieren,
und wenn das Einführen von gekühltem Gas in die
Rohrschlange beendet wird, Verunreinigungen im Dampfstrom von der
Rohrschlange freigesetzt und in dem Sammelbehälter gesammelt
werden. Andere Ausführungsformen zur Entfernung von Verunreinigungen offenbaren
ferner eine andere Kühlvorrichtung, welche eine Vielzahl
von Kühlrippen (58) aufweist, um den Dampfstrom
zu kühlen, welcher in die Vorrichtung eintritt. Das System
zur Entfernung der Verunreinigungen weist auch ein Filtrationssystem
mit einem Filter (68) auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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