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