DE19602312C2 - Verfahren zur Verbindung von Gegenständen mit metallischen Werkstoffen und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbin­ dung von Gegenständen mit metallischen Werkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Die körperliche Verbindung von Gegenständen, die metallische Werkstoffe aufweisen mittels eines Weichlötvorganges ist be­ kannt. Bei einem solchen Vorgang werden die miteinander zu verbindenden Gegenstände, beispielsweise Gebrauchsgegenstände aus oder mit metallischen Werkstoffen an denjenigen Flächen, an denen sie später verbunden sein sollen, mit Aktivatoren und einer Lötpaste oder dergleichen versehen. Mittels Energiezu­ fuhr werden zumindest diese Bereiche der späteren körperlichen Verbindung der Gegenstände erwärmt.

Diese Erwärmung wird üblicherweise mit einem erwärmten Kupfer­ kolben, einem Brenner, einem Heizofen, durch einen elektri­ schen Widerstand oder aber auch im Schmelzbad des Lotmetalls durchgeführt.

Die Erwärmung im Schmelzbad des Lotmetalls ist oftmals bei ei­ ner sogenannten Lötwelle anzutreffen, welche bei der Leiter­ plattenfertigung eingesetzt wird. Hierdurch werden die an der Leiterplatte angeordneten beispielsweise elektronischen Bau­ teile mit ihren Anschlußstücken in der Form von Pins oder Pads an der Leiterplatte befestigt, wodurch auch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem elektronischen Baustein und der Leiterplatte hergestellt wird.

Diese beim Weichlöten eingesetzten Lote sind überwiegend Me­ talllegierungen, die Blei, Zinn, Antimon, Kadmium und Zink enthalten, also solche Metalle, die auf den menschlichen Orga­ nismus gesundheitsschädlich wirken und für die Anwendung des Weichlötens von Aluminiumwerkstoffen solche Metalllegierungen, die Zink, Zinn und Kadmium und gegebenenfalls Zusätze von Alu­ minium aufweisen, welche ebenfalls gesundheitsschädlich wir­ ken.

Neben diesen gesundheitsschädlichen Auswirkungen der einge­ setzten Lote führen die vorstehend erwähnten Arten der Erwär­ mung oftmals zu einer punktuellen Erwärmung derart, daß das Lot zwar an einigen zu lötenden Stellen schmilzt, an anderen Stellen aber aufgrund der ungleichmäßigen Erwärmung die Schmelztemperatur nicht erreicht und sich auf diese Weise so­ genannte kalte Lötstellen ausbilden. Auch ist es insbesondere bei der Leiterplattenfertigung erforderlich, im Bereich der metallischen Werkstoffe der zu verbindenden Gegenstände eine gleichmäßige homogene Erwärmung zu erzielen, da beispielsweise bei einer punktuellen und zu starken Erwärmung einer inte­ grierten Schaltung eines elektronischen Bausteines eine Zer­ störung dieses Bausteines erzeugt werden kann derart, daß an­ schließend zwar die mechanische und elektrische Verbindung der Leiterplatte mit diesem Baustein zufriedenstellend ist, der Baustein selbst aber nicht mehr funktionsfähig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher zur Beseitigung der ge­ schilderten Nachteile die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung von Gegenständen mit metallischen Werkstoffen durch einen Weichlötvorgang zu schaffen, mit dem eine homogene Er­ wärmung der miteinander zu verbindenden metallischen Flächen möglich ist und mit dem gesundheitliche Schäden für den Benut­ zer des Verfahrens ausgeschlossen sind. Gleichzeitig soll eine zur Verwendung mit dem Verfahren geeignete Vorrichtung ge­ schaffen werden.

Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vor­ teilhafte Verfahrensausgestaltungen sind in den weiteren An­ sprüchen beschrieben. Die Erfindung weist darüber hinaus zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung die im An­ spruch 5 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Verbindung von Gegen­ ständen mit metallischen Werkstoffen mittels eines Weichlöt­ vorganges vorgesehen, bei dem die für den Weichlötvorgang er­ forderliche Wärmemenge mittels eines Fluids übertragen wird. Dieses Fluid ist dabei in vorteilhafter Weise eine verdampf­ bare Flüssigkeit, die während der gesamten Zeitdauer der Über­ tragung der Wärmemenge auf das Lötgut im gasförmigen Aggre­ gatzustand verbleibt. Dies ist deshalb von Vorteil, da das Fluid im gasförmigen Zustand mehr Wärme als im flüssigen Zu­ stand überträgt.

Es bedeutet dies mit anderen Worten, daß gemäß dem erfindungs­ gemäßen Verfahren die zum Weichlöten erforderliche Wärmemenge über ein Fluid, beispielsweise eine verdampfbare Flüssigkeit auf die körperlich zu verbindenden Gegenstände, insbesondere auf deren metallische Flächen, an denen die zu verbindenden Gegenstände verbunden werden sollen, übertragen wird.

Hierzu wird in vorteilhafter Weise eine gesättigte Gasphase verwendet derart, daß über eine Steuerung des Sättigungsgrades des Gases die Höhe der Temperatur der gasförmigen Atmosphäre gesteuert wird. Es wird dabei in vorteilhafter Weise von der Eigenschaft des eingesetzten Fluids Gebrauch gemacht, im gasförmigen Aggregatzustand eine große Wärmemenge auf die zu verlötenden Gegenstände, beispielsweise Werkstücke zu über­ tragen. Die vom gasförmigen Fluid während des Lötvorganges übertragene Wärmemenge ist deutlich höher als beispielsweise diejenige Wärmemenge, die von einer erwärmten Flüssigkeit auf die Lötstellen übertragen werden könnte. Dies ermöglicht nicht nur eine relativ schnelle Aufwärmung der Werkstücke auf die zum Weichlötvorgang erforderliche Temperatur, sondern auch aufgrund der Eigenschaft des gasförmigen Mediums, sich in dem ihm zur Verfügung stehenden Raum nahezu gleichmäßig zu verteilen, eine überaus vorteilhafte gleichmäßige Erwärmung der gesamten Werkstücke, so daß eine lediglich punktuelle Er­ wärmung sicher vermieden ist und beispielsweise auch bei empfindlichen integrierten Schaltkreisen keine Gefahr der Be­ schädigung oder Zerstörung des integrierten Schaltkreises be­ steht.

In Fortführung der Erfindung ist es dabei vorgesehen, daß die miteinander zu verbindenden Gegenstände, d. h. also beispiels­ weise neben den bereits erwähnten integrierten Schaltkreisen auch metallische Werkstoffe aus Baustahl, höherwertigem Edel­ stahl oder Aluminium auch bei dickwandigen Werkstücken mit entsprechend großen Materialansammlungen mit gleichwertigen dünnen Werkstücken verbunden werden können dadurch, daß eine entsprechende Vorerwärmung der metallischen Werkstoffe durch­ geführt wird. Dies heißt mit anderen Worten, daß die miteinan­ der zu verbindenden Werkstücke mittels der vorstehend erwähn­ ten Steuerung des Sättigungsgrades der gasatmosphäre langsam auf die für die Ausführung des Weichlötvorganges erforderliche Temperatur gebracht werden.

Während des gesamten Vorganges der Erwärmung der metallischen Werkstoffe wird eine geringe Gasmenge zur behutsamen, gleichmäßigen Erwärmung des Lötgutes eingebracht. Während des gesamten Vorganges der Erwärmung und des sich hieran an­ schließenden Lötvorganges nach dem Erreichen der Weichlöttem­ peratur innerhalb eines vorzugsweise weitgehend geschlossenen Gehäuses mit darin enthaltener gasförmiger Atmosphäre wird der gasförmige Zustand des wärmeübertragenden Fluides auf­ rechterhalten. Aufgrund dieser Wärmeübertragung können in der Lötzone, d. h. in dem Bereich der miteinander zu verbindenden metallischen Werkstoffe der Gegenstände eingebrachte Lötaktivatoren schmelzen und für eine dauerhafte körperliche Verbindung der Gegenstände sorgen.

Nach dem Lötvorgang kann das in flüssiger Phase vorliegende Wärmeübertragungsfluid aus der weitgehend geschlossenen Vor­ richtung beispielsweise mittels einer Pumpe abgesaugt und so in vorteilhafter Weise in einem geschlossenen Kreislauf ge­ führt werden, derart daß es bei einem nächsten durchzufüh­ renden Lötvorgang wieder in der weitgehend geschlossenen Vor­ richtung gasförmig vorliegt.

Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß als das Fluid ein gesättigtes Gas verwendet wird, mittels dessen innerhalb der weitgehend geschlossenen Vorrichtung zumindest im Bereich der Lötzone eine von Sauerstoff weitgehend befreite Atmosphäre ge­ schaffen wird. Es bedeutet dies, daß dafür Sorge getragen wird, daß sich der gesättigte Dampf aufgrund seines Molekular­ gewichtes insbesondere in den Bereich der Lötzone absenkt und somit einen in diesem Bereich vorhandenen Sauerstoff verdrän­ gen kann, so daß eine durch die hohen Temperaturen des Weichlötvorganges andernfalls beschleunigt stattfindende Oxi­ dation nicht stattfinden kann. Es wird auf diese Weise gleich­ sam eine Schutzgasatmosphäre innerhalb der weitgehend ge­ schlossenen Vorrichtung geschaffen, ohne daß hierfür neben dem gasförmigen Fluid ein zusätzliches Schutzgas in die Lötzone eingebracht werden müßte. Dies ist insbesondere bei der Ver­ bindung großflächiger integrierter Schaltkreise mit der sie aufnehmenden Leiterplatte von Vorteil.

Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, daß die Temperatur zumindest im Bereich der Lötzone mittels einer Steuerung des Sättigungsgrades des gasförmigen Fluids im Bereich der Löt­ zone verändert werden kann. Hierzu ist es beispielsweise mög­ lich, das Fluid für die Wärmeübertragung in flüssiger Form auf eine innerhalb der weitgehend geschlossenen Vorrichtung ange­ ordnete Heizeinrichtung in vorbestimmter Menge aufzubringen, welches dann verdampft. Über den Sättigungsgrad dieses Gases ist es möglich, die Temperatur in der Lötzone unmittelbar zu beeinflussen, so daß bei verschiedenen miteinander zu verbin­ denden Gegenständen unterschiedliche metallische Werkstoffe verbunden werden können.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Fluid im gasförmigen Aggregatzustand weitgehend inert reagiert, d. h. ein weitgehend inert reagierendes Fluid verwendet wird, beispielsweise ein perfluorhaltiges Fluid (Fluorcarbon). Hierdurch kann die vor­ stehend erwähnte Schutzgasatmosphäre in vorteilhafter Weise positiv aufrechterhalten bzw. beeinflußt werden.

Die zur Durchführung des vorbezeichneten Verfahrens geschaf­ fene Vorrichtung weist ein Gehäuse zur Aufnahme der miteinan­ der zu verbindenden Gegenstände auf, eine innerhalb des Gehäu­ ses angeordnete Heizeinrichtung, eine Einrichtung zur Einbrin­ gung eines Fluides in das Gehäuse und besitzt zudem eine Ein­ richtung zur zumindest teilweisen Evakuierung des Gehäuses.

Hierbei kann die Heizeinrichtung in Form einer Heizplatte aus­ gebildet sein, auf die mittels eines an dem Gehäuse vorgese­ henen Düsenkörpers ein im gasförmigen Aggregatzustand weit­ gehend inertes Fluid aufgebracht wird. Die zu verbindenden Ge­ genstände können daher in das Gehäuse, beispielsweise direkt oberhalb der dort vorgesehenen Heizplatte eingebracht werden, so daß sie mittels der Heizplatte unter Berücksichtigung der Materialanhäufungen zunächst durch die Heizeinrichtung vorer­ wärmt werden können. Auf diese Heizeinrichtung kann dann über den am Gehäuse vorgesehenen Düsenkörper ein Fluid in flüssigem Aggregatzustand aufgespritzt werden, das dann an der Heiz­ platte verdampft und das Gehäuse zumindest in seinen unteren Flächenbereichen ausfüllt, da es ein höheres Molekulargewicht besitzt als die im Gehäuse verbliebene Luft. Es heißt dies mit anderen Worten, daß diesers chemisch inerte Gas den in der Lötzone ansonsten vorhandenen Restsauerstoff verdrängt. Nach dem Erreichen der Löttemperatur in dem somit innerhalb des Gehäuses geschaffenen Arbeitsraum findet der Lötvorgang in weiterhin gasförmiger Atmosphäre statt, da das gasförmige Fluid im Vergleich zu beispielsweise einem flüssigen Fluid we­ sentlich höhere Wärmemengen auf das Lötgut übertragen in der Lage ist. Nach vollständigem Abschluß des Lötvorganges kann das wärmeübertragende Fluid kondensieren. Nach dieser Konden­ sation liegt das Fluid im Arbeitsraum in flüssiger Form vor, fließt also an der Gehäusewand nach unten und kann mittels ei­ ner im Bereich der Bodenfläche des Gehäuses als geneigte Flä­ che ausgebildeten Sammelfläche gesammelt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Diese zeigt in der einzigen Figur in schematischer Weise die Vorrichtung nach der Erfindung.

Wie leicht ersichtlich, weist die Vorrichtung in der darge­ stellten Ausführungsform im wesentlichen ein Gehäuse 1, einen Vakuumkolben 2 und einen Vorratsbehälter 3 auf.

Das Gehäuse 1 setzt sich dabei aus einem trogähnlichen Unter­ teil 4 und einem Deckel 5 zusammen. Innerhalb des so gebilde­ ten Gehäuses 1 wird ein Arbeitsraum 6 zur Aufnahme nicht dar­ gestellter zu verbindender Gegenstände ausgebildet.

Diese Gegenstände können aber auf einer an der Unterseite des Gehäuses 4 im Arbeitsraum 6 angeordneten Siebplatte 7 angeord­ net werden.

Unterhalb dieser Siebplatte 7 ist eine geneigte Fläche 8 vor­ gesehen, die in der dargestellten Ausführungsform sowohl als Heizplatte als auch als Sammelfläche für kondensiertes Fluid dient.

Über eine in der dargestellten Ausführungsform unterhalb der Siebplatte 7 und oberhalb der geneigten Fläche 8 angeordneten Düse 9 kann mittels einer nicht näher beschriebenen Pumpe ein aus dem Vorratsbehälter 3 stammendes verdampfbares Fluid in steuerbar vorbestimmter Weise auf die heiße Heizplatte 8 ge­ spritzt werden, wo es verdampft und den Arbeitsraum 6 mit den darin angeordneten Gegenständen zumindest teilweise ausfüllt.

Nachfolgend wird ein Weichlötvorgang beschrieben werden:

Auf der Siebplatte 7 werden die zu verbindenden Gegenstände angeordnet, wobei die Lötstellen vorher mit einer Lötpaste und den zum Lötvorgang erforderlichen Lötaktivatoren versehen wor­ den sind. Nach Aufsetzen des Deckels 5 auf das Unterteil 4 wird der Vakuumkolben 2 in Bewegung versetzt und evakuiert den innerhalb des Gehäuses 1 gebildeten Arbeitsraum 6 bis sich hier nur mehr ein Druck von etwa 200 mbar einstellt. Hierzu ist zwischen dem Deckel 5 und dem Unterteil 4 des Gehäuses 1 eine Dichtungsanordnung, beispielsweise in der Form eines O- Ringes vorgesehen.

Nach einer bedarfsweise möglichen weiteren Evakuierung des Ar­ beitsraumes 6 durch den Vakuumkolben 2 wird die Heizplatte 8 aktiviert und somit das auf der Siebplatte 7 angeordnete Löt­ gut vorgewärmt, wobei die Vorwärmzeit entsprechend den Materi­ alstärken bzw. Materialanhäufungen ausgewählt und unter Be­ rücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des metallischen Werk­ stoffes eingestellt werden kann.

Als nächstes wird über die Düse 9 aus dem Vorratsbehälter 3 stammendes Fluid auf die heiße Heizplatte 8 aufgesprüht und durch die Verdampfung des Fluids sich eventuell noch in der Lötzone befindlicher Restsauerstoff verdrängt. Aufgrund seines Molekulargewichtes senkt sich nämlich das Gas im Arbeitsraum 6 ab und umgibt somit das auf der Siebplatte 7 angeordnete Lötgut einschließlich der Lötzone. Durch eine mengenmäßige Steuerung des durch die Düse 9 auf die Heizplatte 8 gespritz­ ten Fluids kann die gesättigte Zone innerhalb des Arbeitsrau­ mes 6 hinsichtlich ihrer Höhe eingestellt werden derart, daß weiteres Fluid durch die Düse 9 auf die Heizplatte 8 gesprüht wird.

Durch die somit mögliche Einstellung des Sättigungsgrades des Gases kann die Temperatur innerhalb der Arbeitskammer unmit­ telbar beeinflußt werden, so daß sich über eine genaue Dosie­ rung der Einbringung des Fluids durch die Düse 9 die Tempera­ tur im Arbeitsraum 6 sehr feinfühlig steuern läßt.

Durch die Verwendung eines Fluides, das zumindest im dampfför­ migen Aggregatzustand chemisch inert ist, wird die Lötzone mit einer Schutzgasatmosphäre umgeben, wobei dieser Effekt noch dadurch verstärkt wird, daß sich die dampfförmige Phase auf­ grund ihres Molekulargewichtes über die Lötzone senkt und so­ mit eventuell im Arbeitsraum 6 vorhandenen Restsauerstoff ver­ drängt.

In Abhängigkeit von der in der Lötzone benötigten Temperatur kann das Fluid ausgewählt werden, wobei lediglich dafür Sorge zu tragen ist, daß die Temperatur, bei der das Fluid im gas­ förmigen Aggregatzustand vorliegt, oberhalb derjenigen Tempe­ ratur liegt, die für die Lötung benötigt wird, damit das Fluid während des gesamten Lötvorganges gasförmig verbleibt.

Aufgrund der somit innerhalb des gesamten Arbeitsraumes homo­ genen Temperaturverteilung erwärmen sich die zu verlötenden Werkstücke in homogener Weise, was insbesondere bei elektroni­ schen Leiterplatten mit empfindlichen integrierten Schaltkrei­ sen von großem Vorteil ist.

Nach dem Erreichen der Löttemperatur im Arbeitsraum 6 und nach Abschluß des Lötvorganges kann die Heizplatte 8 abgeschaltet und mittels des Vakuumkolbens 2 die Gasdichte und damit die Temperatur innerhalb des Arbeitsraumes 6 reduziert werden. Das Gas kondensiert und kann mittels einer Leitung 10 vom Vaku­ umkolben 2 aus dem Arbeitsraum 6 abgepumpt und/oder über eine weitere Leitung 11 dem Vorratsbehälter 3 rückgeführt werden. Eine Leitung 12 dient dazu, der Düse 9 im flüssigen Zustand vorliegendes Wärmeübertragungsfluid zuzuleiten. In vorteilhaf­ ter Weise sind in allen Leitungen Ventileinrichtungen vorgese­ hen. Auf diese beschriebene Weise ist ein geschlossener Kreis­ lauf des Fluides möglich, so daß Verluste weitgehend vermieden werden, wodurch einerseits über das während des Betriebs ge­ schlossene Gehäuse 1 der Benutzer vor gesundheitlichen Risiken sicher ist und andererseits auch die Umweltbelastung deutlich reduzierbar ist.

Die gesamte Lötvorrichtung wird daher in einem geschlossenen Kreislauf betrieben und arbeitet nach der Art einer Thermos­ kanne, damit die im Lötraum und den diesen umgebenden Vakuum­ raum vorhandene innere Wärme isoliert wird, wodurch Wärmever­ luste wirksam vermieden und die Gefahr von Verbrennungen beim Benutzer beseitigt werden. Darüber hinaus kommt der Benutzer während des gesamten Lötvorganges mit den für ihn gesundheits­ schädlich wirkenden Loten nicht in Kontakt.

Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verbindung von Gegenständen mit metallischen Werkstoffen mittels eines Weichlötvorganges, wobei die für den Weichlötvorgang erforderliche Wärmemenge mittels eines Fluides übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid innerhalb eines weitgehend geschlossenen Arbeitsraumes in gasförmigen Aggregatzustand versetzt wird und in der Gasphase verbleibt, wobei die Temperatur innerhalb des Arbeitsraumes ständig gleichmäßig über den Sättigungsgrad des Gases reguliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid innerhalb der weitgehend geschlossenen Vorrichtung in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, wobei das flüssige Fluid über einen Düsenkörper auf eine innerhalb des Arbeitsraumes angeordneten Heizeinrichtung aufgespritzt und in die Gasphase versetzt wird, nach Erreichen der Löttemperatur in der Arbeitskammer der Lötvorgang stattfindet und abschließend das wärmeübertragende Fluid kondensiert und gesammelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in Form eines Gases innerhalb der weitgehend geschlossenen Arbeitskammer, zumindest den unteren Bereich der Lötzone ausfüllt, wobei der Restsauerstoff verdrängt wird und eine weitgehend vom Sauerstoff befreite Atmosphäre geschaffen wird.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein im gasförmigen Aggregatzustand weitgehend inertes Fluid, insbesondere ein Perfluor-haltiges Fluid ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1) zur Aufnahme der Gegenstände in Form eines Arbeitsraumes (6), eine innerhalb des Arbeitsraumes (6) angeordneten Heizeinrichtung (8), einer Einrichtung (9) zur Einbringung eines Fluides in den Arbeitsraum (6), einer Einrichtung (2) zur Evakuierung des Arbeitsraumes.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Heizplatte (8) ist, auf die mittels eines an dem Gehäuse vorgesehen Düsenkörpers (9) ein im gasförmigen Aggregatzustand weitgehend inertes Fluid zur beschleunigten Verdampfung aufgebracht wird, wobei der Sättigungsgrad des Gases reguliert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) im Bereich seiner inneren Bodenfläche als geneigte Fläche ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (1) Mittel zur Führung des Fluides im Kreislauf vorgesehen sind.