DE19826520C1 - Verfahren zum Steuern der Wärmeübertragung auf ein Werkstück beim Dampfphasenlöten - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern der Wärmeübertragung auf ein Werkstück beim Dampfphasenlöten zur Verfügung gestellt. Bei dem Verfahren wird ein Werkstück in der Dampfphase zuerst bis zu einer bestimmten Temperatur schnell erwärmt, und dann wird die Temperatur durch Verändern der Dampfmenge an der Werkstoffoberfläche gesteuert. Bevorzugt wird ein Werkstück in der Dampfphase bis unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes erwärmt und dann an der Grenze der Dampfphase gegenüber dem dampffreien Raum langsamer bis zur Schmelztemperatur des Lotes erwärmt. Die Vorteile der Erfindung liegen in einem schnellen Verfahren des Dampfphasenlötens, wobei unerwünschte Nebeneffekte wie z. B. das Entstehen von Lotperlen verhindert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Wärme­ übertragung auf ein Werkstück beim Dampfphasenlöten.

Beim Dampfphasenlöten kommt es beim Eintauchen in die gesät­ tigte Dampfdecke zu einer raschen Erwärmung des Lötgutes. Auch das Umschmelzen des Lotes zum Löten kann sehr schnell erfolgen. Die Folge sind oft unangenehme Nebenwirkungen, wie z. B. das Entstehen von Lotperlen, wenn Lotpaste auf einer Leiterplatte zu schnell umgeschmolzen wird. Daher ist es wünschenswert, die rasche Wärmeübertragung in der Dampfphase zu verlangsamen, um das Lötgut langsamer erwärmen zu können.

Es ist bekannt, daß man eine langsame Wärmeübertragung beim Dampfphasenlöten dadurch erreichen kann, daß man ein Werk­ stück mit dem Lötgut nur im Oberflächenbereich der Dampf­ phase eintauchen läßt. Dadurch kondensiert der Dampf über­ wiegend von unten und nur wenig von oberhalb des Lötgutes.

Üblicherweise verweilt man dann in der oberen Position der Dampfphase, bis die Lotpaste langsam schmilzt. Erst dann fährt man weiter in die Dampfphase nach unten, um die Löt­ stellen aller Bauelement gut durchzuwärmen, damit das Lot alle zu lötenden Teile gut benetzen kann.

Bei der bekannten Methode besteht allerdings eine Schwierig­ keit darin, daß die Wärmeübertragung zwar langsamer erfolgt, jedoch auch der Lötprozeß erheblich verlängert wird. Obwohl das eigentliche Löten z. B. in 30 sec erledigt sein kann, wird bei dem bekannten Verfahren eine Leiterplatte z. B. 180 sec im oberen Bereich der Dampfphase gehalten, um langsam umschmelzen zu können. Dadurch entstehen Probleme bei Pro­ zessen mit kritischer Prozeßzeit, die zu erhöhten Kosten führen können.

Aus der WO 98/41352 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere zum Heißverbinden von elektro­ nischen Bauteilen oder Platinen, mit heißem Dampf in einer Behandlungsvorrichtung mit mindestens einem Dampferzeuger bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Werkstücke mit Dampf in steuerbarer Weise aufgeheizt. Dabei wird die Dampferzeugung in Abhängigkeit von der benötigten Wärmemenge zur Erzeugung eines gewünschten Temperaturgradienten der Werkstücke gesteuert.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern der Wärmeübertragung auf ein Werkstück beim Dampfphasenlöten zur Verfügung zu stellen, bei dem eine schnellere Wärmeübertragung ohne die genannten nachteiligen Nebenwirkungen erfolgt und die Temperatur des Werkstückes in einen engen Temperaturbereich geregelt werden kann.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, ein Werkstück in der Dampfphase bis zu einer bestimmten Tem­ peratur, die gewöhnlich unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegt, schnell zu erwärmen und dann durch Verändern der Dampfmenge oberhalb des Werkstücks die Temperatur zu steuern, wobei vorzugsweise durch Reduzieren der Dampfmenge eine langsame Erwärmung bis zur Schmelztemperatur des Lotes erfolgt.

Insbesondere betrifft die Erfindung auch die Wärmeübertra­ gung an der Grenze zwischen Dampfphase und dampffreien Raum.

Die Erfindung geht davon aus, daß die erzeugte Dampfmenge pro Zeiteinheit eine Regelgröße für die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ist. Ist diese Dampfmenge pro Zeiteinheit entsprechend bemessen, so kondensiert das gesamte Dampfvolu­ men oberhalb des Lötgutes beim Eintauchen desselben in die Dampfphase auf ihm ab. Dies führt zu einem entsprechend ra­ schen Temperaturanstieg. Auf dem Lötgut kann maximal soviel Dampfmenge kondensieren, wie das Lötgut Wärme pro Zeitein­ heit aufnimmt. Die Dampfmenge muß so bemessen sein, daß nur soviel vorhanden ist, als auch abkondensieren kann, wenn das Lötgut in die Dampfphase fährt. In diesem Fall kondensiert das Dampfvolumen auf dem Lötgut, und die obere Grenze der Dampfdecke befindet sich am Berührungsniveau des Lötgutes. Steigt die Temperatur des Lötgutes, kann nicht mehr soviel Dampf auf ihm kondensieren, und die Dampfdecke steigt über das Lötgut. Damit kann auch wieder von oben Dampf kondensie­ ren, was wiederum zu einem schnelleren Temperaturanstieg im Lötgut führt. Steht mehr Dampf zur Verfügung (oder wird er in so kurzer Zeit produziert) als beim Eintauchen in die Dampfphase unmittelbar abkondensieren kann, so befindet sich auch die Grenze der Dampfdecke oberhalb des Lötgutes, und es wird der maximale Wärmeübergang auf das Lötgut von allen Seiten erreicht. In diesem Falle läßt sich das erfindungsge­ mäße Verfahren der langsamen Erwärmung nicht anwenden, da die verzögerte Wärmeübertragung darauf beruht, daß der Dampf bei der langsamen Wärmeübertragung zum größten Teil nur un­ terhalb des Lötgutes kondensiert.

Der Vorteil der Erfindung liegt in einem schnellen und ko­ stengünstigen Verfahren für das Dampfphasenlöten und in einer genauen Regelung der Temperatur des Werkstücks.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der einzigen Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Prozeßkammer für das Dampfphasenlöten.

In einer Prozeßkammer E für das Dampfphasenlöten befindet sich im unteren Bereich die Dampfphase B, an die sich ober­ halb der Grenze D ein dampffreier Raum C anschließt. Ein Werkstück A kann aus einer Position 1 in die Positionen 2 bzw. 3 zum Löten in der Dampfphase B eingefahren werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu lötende Werkstück A nach der Zufuhr aus der Position 1 in die Posi­ tion 3 in der Dampfphase B abgesenkt. Das Dampfvolumen ober­ halb des Lötgutes kondensiert auf dem Lötgut, und von unten erfolgt die Kondensation durch neu erzeugten Dampf. Wenn eine bestimmte Temperatur des Lötgutes erreicht ist, fährt das Werkstück nach oben, so daß die Kondensation von unten verringert wird, je nachdem wie schnell die Dampfphase, von unten kommend, dem Lötgut folgt. Das Nachfolgen der Dampf­ phase hängt vor allem von der Dampferzeugung pro Zeiteinheit ab, die das System in der Lage ist zu leisten. Durch ver­ schiedene Positionen 2, 3 des Werkstücks A ist es möglich, das Lötgut auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten, es wieder abkühlen zu lassen, oder einen langsamen Tempera­ turanstieg zuzulassen.

In einem bevorzugten Verfahren wird das Werkstück A aus der Position 1 in dem dampffreien Raum C in die Dampfphase B auf die Position 3 abgesenkt. In dieser Position erfolgt eine schnelle Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes. Danach wird das Werkstück in die Position 2 an der Grenze D der Dampfphase B angehoben. In dieser Position erfolgt eine weitere Erwärmung des Werk­ stückes im wesentlichen von seiner Unterseite aus, so daß die Schmelztemperatur des Lotes langsam erreicht wird, wobei ein schonendes Löten ohne unerwünschte Nebeneffekte erreicht wird. Danach kann das Werkstück A die Dampfphase B verlassen oder zur weiteren Erwärmung nach unten fahren. Die Geschwin­ digkeit der weiteren Erwärmung des Werkstücks A beim Über­ gang in die Positionen 2 wird auch durch die Geschwindigkeit des Anhebens und die produzierte Dampfmenge pro Zeiteinheit bestimmt.

Durch Absenken oder Anheben im Bereich der Position 2 kann die Temperatur des Lötgutes in einem engen Temperaturbereich gehalten werden, indem es z. B. bei einer Temperatur unter­ halb 170°C geringfügig nach unten gefahren wird und bei einer Temperatur von über 170°C geringfügig nach oben gefah­ ren wird, so daß im wesentlichen eine Temperatur von 170°C eingeregelt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Steuern der Wärmeübertragung auf ein Werk­ stück (A) beim Dampfphasenlöten, wobei das Werkstück (A) in der Dampfphase (B) zuerst bis zu einer bestimmten Temperatur schnell erwärmt wird und dann durch Verände­ rung der Dampfmenge an der Werkstückoberfläche die Tem­ peratur gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Erwärmung des Werkstückes (A) durch die erzeugte Dampfmenge pro Zeiteinheit und durch die Position des Werkstücks in der Dampfphase (B) be­ stimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit den Schritten:

• a) Absenken des Werkstücks (A) aus einer Position (1) im dampffreien Raum (C) in die Dampfphase (B) bis zu einer Position (3), in der das Werkstück (A) voll­ ständig von der Dampfphase umgeben ist,
• b) Erwärmen des Werkstücks (A) auf eine bestimmte Tem­ peratur durch Kondensation der Dampfphase (B), und
• c) Anheben des Werkstücks (A) bis höchstens zu einer Position (2) an der Grenze (D) zwischen der Dampf­ phase (B) und dem dampffreien Raum (C).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anheben des Werkstücks (A) in Schritt (c) mit unter­ schiedlichen Geschwindigkeiten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß im Schritt (c) das Werkstück (A) in eine Posi­ tion (2) an der Grenze (D) angehoben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine bestimmte Temperatur des Werk­ stücks (A) durch Absenken oder Anheben des Werkstücks (A) in der Dampfphase (B) geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Temperatur 170°C ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Schritt (b) die bestimmte Tempera­ tur des Werkstücks (A) unterhalb des Schmelztemperatur des Lotes liegt und im Schritt (c) die Schmelztemperatur des Lotes erreicht wird.