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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfphasen-Lötanlage
und insbesondere eine Dampfphasen-Lötanlage zum Absenken
der Dampfdecke ohne Änderung der Heizleistung.
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2. Stand der Technik
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Lötprozesse
spielen in vielen Bereichen der Industrie eine wichtige Rolle. Damit
werden viele kleine einfache Bauteile, wie etwa Widerstände
und große hochkomplexe Bauteile, beispielsweise Mikroprozessoren,
auf Platinen verbunden. Durch die rasanten Fortschritte der Mikroelektronik
werden immer feinere Strukturen auf Halbleiter-Chips und für
deren Anschlusstechnik realisiert. Dadurch wird gleichzeitig die
weitere Verarbeitung dieser Bauteile immer aufwändiger.
Insbesondere können große Temperaturänderungen
in einem kleinen Zeitintervall zu großen mechanischen Spannungen
innerhalb dieser Bauteile führen, was deren Beschädigung
oder vorzeitigen Ausfall hervorrufen kann. Um die thermische Belastung
während des Lötprozesses innerhalb zulässiger
Grenzen zu halten, geben die Hersteller vieler elektronischer Bauelemente
ein Lötprofil vor, anhand dessen sie exakt festlegen wie
der Aufheiz- und Abkühlvorgangs zu erfolgen hat. In der 1 ist schematisch
der zeitliche Verlauf eines Lötprofils dargestellt.
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Auf
der anderen Seite stellen gesetzgeberische Maßnahmen zum
Umweltschutz, wie etwa das Verbot von Blei in Lotmaterialien zusätzliche
Anforderungen an moderne Lötanlagen.
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Dampfphasen-Lötanlagen
sind gut geeignet, diese hohen Anforderungen zu erfüllen.
So offenbart die Gebrauchsmusterschrift
DE 297 04 629 U1 der Anmelderin
eine Vorrichtung zum Steuern der Heizleistung von Dampfphasen-Lötanlagen.
In der
DE 101 59 057
B4 beschreibt die Anmelderin ein Verfahren und eine Vorrichtung,
mittels derer der Temperaturgradient während der Aufheizphase
automatisch ermittelt und geregelt werden kann.
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Bei
Dampfphasen-Lötanlagen, die mit gesättigtem Dampf
arbeiten, befindet sich eine Flüssigkeit mit definiertem
Siedepunkt, die nachfolgend Prozessflüssigkeit genannt
wird, auf dem Boden einer Prozesskammer. Von einer oder mehreren
außerhalb der Prozesskammer angebrachten Heizungen wird die
Prozessflüssigkeit bis zum Siedepunkt erwärmt. Bei
weiterer Energiezuführung bildet sich über der Prozessflüssigkeit
in der Prozesskammer eine Dampfzone aus, die im Folgenden als Dampfdecke bezeichnet
wird. Über den Phasenübergang vom flüssigen
in den dampfförmigen Aggregatszustand speichert der Dampf
Energie in Form latenter Wärme. Beim Einbringen der zu
lötenden Baugruppe in die Dampfzone oder die Dampfdecke
in der Prozesskammer kondensiert der Dampf auf der Baugruppe und
bildet einen die Baugruppe komplett ein- und abschließenden
Flüssigkeitsfilm. Beim Kondensieren wird die latente Wärme
des Dampfes in den Flüssigkeitsfilm abgegeben. Aus dem
heißen Flüssigkeitsfilm wird die Energie durch
Wärmeleitung kontinuierlich auf die kalte Baugruppe abgegeben
und die Bauteile auf der Baugruppe werden bei Erreichen der Löttemperatur
verlötet.
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Neben
der Kondensation des Dampfes auf der Baugruppe kondensiert allerdings
ein Großteil des durch die Heizungen erzeugten Dampfes
an den kalten Seitenwänden der Prozesskammer. Wie die 2 schematisch
zeigt, stellen die Seitenwände der Prozesskammer eine sehr
große Wärmekapazität dar. Daher muss
bei jedem Aufheizvorgang einer Baugruppe eine große Menge
an Prozessflüssigkeit unter großem Energieaufwand
zur Erwärmung der Seitenwände der Prozesskammer
verdampft werden. Der gesamte Aufheiz- und Abkühlvorgang
eines Lötpro zesses wird dadurch sehr träge. Er
dauert sehr lange und ist nur sehr schwer reproduzierbar; kurz er ist
unwirtschaftlich.
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Dieses
Problem kann vermieden werden, indem die Seitenwände der
Prozesskammer auf der Temperatur der siedenden Prozessflüssigkeit
gehalten werden. Dies beispielsweise kann erreicht werden, indem
die Seitenwände vollflächig mit Heizungen versehen
werden und entsprechend beheizt werden. Diesen Ansatz verbieten
jedoch die sehr aufwändige und teure Montage der Heizungen,
die damit einhergehenden hohen Energieverluste und die daraus resultierenden
Energiekosten während des Betriebs der Anlage.
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Alternativ
kann der durch die Heizung aus der Prozessflüssigkeit erzeugte
Dampf zum Beheizen der Seitenwände der Prozesskammer verwendet werden.
Dazu müssen die Seitenwände der Prozesskammer
zumindest bis zu der Höhe in der Prozesskammer auf der
die Baugruppe während des Lötvorgangs gehalten
wird, vollständig mit Dampf befüllt sein. Diese
Position der Baugruppe wird nachfolgend Behandlungsposition genannt.
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Beim
Verwenden des Dampfes zum Heizen der Seitenwände tritt
jedoch das Problem auf, dass das Dampfvolumen, das zum Beheizen
der Seitenwände der Prozesskammer dient, mit dem Einbringen
der Baugruppe in die Dampfzone oder die Dampfdecke schlagartig auf
der kalten Baugruppe kondensiert. Durch die durch die Kondensation
sofort auf die Baugruppe abgegebene Energie werden die Oberflächen
der Bauteile der Baugruppe und die Platine selber praktisch instantan
um eine bestimmte Temperaturdifferenz angehoben. Diese Temperaturdifferenz ΔT
hängt von der Größe der Baugruppe und dem
vorhandenen Dampfvolumen ab. Sie ist schematisch in der 3 dargestellt
und wird im weiteren Verlauf als Eintauchpeak bezeichnet. Nach einem ersten
sehr starken Temperaturanstieg auf der Oberfläche eines
Bauelements sinkt die Oberflächentemperatur innerhalb eines
kurzen Zeitraums wieder ab, da die Wärme von der Oberfläche
des Bauelements in dessen Inneres geleitet wird und die Dampfdecke kurzzeitig
nicht mehr genug Energie zur Verfügung stellt, um die Leitungsverluste
in das Innere des Bauelements auszugleichen. Dieser Eintauchpeak
kann im Extremfall zu Beschädigungen oder Zerstörungen elektrischer
Bauteile auf der Baugruppe führen. Ferner kann er Verzüge
und Spannungen in mechanischen Komponenten der Baugruppe auslösen,
was den vorzeitigen Ausfall der Baugruppe zur Folge haben kann.
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In
der Literatur sind mehrere Möglichkeiten beschrieben, um
den Eintauchpeak durch Vorwärmen der Baugruppe zumindest
zu verringern. So offenbaren die Patentschriften
EP 0 340 275 B1 und
US 4 762 264 Dampfphasen-Lötanlagen,
deren Prozesskammer eine Vorheizkammer vorgeschaltet ist, in der
die Baugruppe auf eine einstellbare Temperatur vorgewärmt
werden. Die
DE 39 15
040 A1 beschreibt das Vorwärmen der Baugruppe
durch Besprühen mit Prozessflüssigkeit einer bestimmten Temperatur.
Die
DE 38 14 870 C1 offenbart
ein Verfahren bei dem die Baugruppe von deren Eintritt in die Prozesskammer
durch eine Einstrahlung von infrarotem Licht vorgewärmt
wird. Die Patentanmeldungen
DE
38 11 031 A1 und
EP
0 205 309 A1 offenbaren eine Schichtung von zwei Dampfphasen übereinander,
wobei die obere Dampfzone eine Temperatur unterhalb der Löttemperatur
aufweist und zum Vorwärmen der Baugruppe eingesetzt wird.
Allen Verfahren zur Vorerwärmung ist gemeinsam, dass sie
einen erheblichen konstruktiven und apparativen zusätzlichen
Aufwand für Dampfphasen-Lötanlagen mit sich bringen.
Darüber hinaus führen diese Verfahren zum Teil
zu komplexen prozesstechnischen Abläufen.
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Der
Eintauchpeak kann ferner reduziert oder ganz vermieden werden, indem
die Dampferzeugung durch Abschalten der Heizung(en) unterbrochen
wird und mit dem Einbringen der Baugruppe in die Prozesskammer solange
gewartet wird, bis die Dampfdecke vollständig oder zumindest
teilweise zusammengebrochen ist. Dieses Vorgehen hat allerdings lange
Wartenzeiten zur Folge und bewirkt dadurch lange Zykluszeiten für
einen Lötvorgang. Der Durchsatz der Baugruppen durch die
Dampfphasen-Lötanlage sinkt durch die Wartezeiten deutlich
und macht damit diese Verfahrensweise unwirtschaftlich.
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Ferner
kann der Eintauchpeak zumindest verringert werden, indem Zusatzkörper
unterhalb der Baugruppe angebracht werden. Diese nehmen beim Einbringen
der Baugruppe in die Dampfdecke zumindest einen Teil der im Dampf
gespeicherten latenten Energie zunächst auf und verhindern
dadurch eine unmittelbare Energieübertragung auf die Baugruppe selbst.
Der Nachteil dieser Methode liegt allerdings in der schlechten Steuerbarkeit
bzw. Regelbarkeit des Aufheizvorgangs aufgrund der großen
Masse der Zusatzkörper, die zusätzlich zur Baugruppe
erwärmt werden müssen. Die große Wärmekapazität
der Zusatzkörper macht den gesamten Prozess sehr träge und
langsam. Darüber hinaus ist die Energiebilanz des gesamten
Prozesses schlecht und damit die Methode insgesamt unwirtschaftlich.
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Indem
die Baugruppe nicht direkt auf die eigentliche Behandlungsposition
gebracht wird, sondern langsam in die Dampfdecke eintaucht, kann ebenfalls
der Eintauchpeak reduziert werden. Allerdings ist bei diesem Vorgehen
die Reproduzierbarkeit der Prozessführung schlecht, da
das thermische Verhalten beim Einbringen in die Dampfdecke stark von
den Massen und der genauen Anordnung der Bauteile der einzelnen
Baugruppen abhängen. Dieses Verfahren ist deshalb für
eine Serienfertigung nur bedingt geeignet.
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Das
Lötprofil der 1 zeigt, dass in dem Zeitintervall
zwischen t2 und t3 die
Temperatur der Baugruppe nicht ansteigen soll. Dieses Temperaturplateau
oder diese Rampe wird in das Lötprofil eingeführt,
um Baugruppen auf denen Bauteile mit deutlich unterschiedlichen
Massen verbaut werden, während des Aufheizvorgangs die
Möglichkeit zu geben, Temperaturdifferenzen auszugleichen.
Ein Zeitintervall, in dem kein Temperaturanstieg stattfindet, wird
im Folgenden als Haltezeit bezeichnet. Im Stand der Technik ist
es zum Erreichen einer Rampe oder eines Temperaturplateaus notwendig,
die Dampferzeugung zu drosseln oder ganz zu unterbrechen, so dass
während der Dauer dieser Unterbrechung die Baugruppe möglichst
nicht weiter erwärmt wird. Wie bereits oben diskutiert
und in der 4 schematisch dargestellt, führt
eine Verringerung und noch schlimmer eine Unter brechung der Dampferzeugung
aufgrund der Trägheit des thermisches Systems bestehend
aus den Heizung(en), der Prozesskammer, der Prozessflüssigkeit,
der Dampfdecke und der Baugruppe sehr leicht zu langen Zykluszeiten
und zu Schwierigkeiten bei der Reproduzierbarkeit des Zeitintervalls
der Haltezeit.
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Die
Patentschrift
DE 198
26 520 C1 offenbart zur Unterbrechung des Erwärmungsvorgangs
das Entfernen der Baugruppe aus der Dampfdecke. Die Energiezufuhr
auf die Baugruppe wird nach dem Verlassen der Dampfdecke sofort
unterbrochen. Wie in der
1 dargestellt, dürfen
sich während der Haltezeit die Baugruppe oder aber einzelne
Bauteile auf der Baugruppe nicht abkühlen. Zudem muss während
der Dauer der Unterbrechung ein vollständiger Sauerstoffabschluss
der Baugruppe gewährleistet sein, um äußerst
unerwünschte Oxidationsreaktionen auf der Baugruppe zu
verhindern. Dies ist nicht mehr gewährleistet sobald sich
die Baugruppe außerhalb der Dampfdecke befindet. Ferner
führt das Wiedereintauchen der Baugruppe in die Dampfdecke erneut
zu dem bereits ausführlich diskutierten Eintauchpeak. Schließlich
muss in dem Verfahren der oben erwähnten Patentschrift
die Baugruppe während des Ausheizvorgangs in der Prozesskammer bewegt
werden. Diese Bewegung kann zum Verrutschen von Bauteilen führen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung
anzugeben mit der der Eintauchpeak ohne die diskutierten Nachteile vermieden
werden kann und die es ferner ermöglicht die beschriebenen
Nachteile beim Ausbilden eines Temperaturplateaus innerhalb eines
Aufheizvorgangs zumindest teilweise zu vermeiden.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dieses
Problem durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
In einer Ausführungsform weist eine Dampfphasen-Lötanlage
eine Prozesskammer zur Aufnahme einer zu lötenden Baugruppe
auf, eine in der Prozesskammer angeordnete Prozessflüssig keit,
ferner eine Heizvorrichtung zum Heizen der Prozessflüssigkeit
zum Ausbilden einer Dampfdecke, und eine Vorrichtung, die ausgebildet
ist, um die Dampfdecke bei unveränderter Heizleistung der
Heizvorrichtung auf ein vorgegebenes Niveau unterhalb einer Oberkante
der Prozesskammer und oberhalb der Prozessflüssigkeit abzusenken.
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Die
Anmelderin hat durch umfangreiche Untersuchungen herausgefunden,
dass durch eine Vorrichtung, die das rasche Entfernen eines überschüssigen
Dampfvolumens aus der Prozesskammer ermöglicht, ein zusätzlicher
Parameter für Dampfphasen-Lötanlagen geschaffen
wird, der dazu verwendet werden kann den Aufheizvorgang einer Dampfphasen-Lötanlage
wirksam zu steuern. Dadurch kann ein vorgegebenes Lötprofil
im Wesentlichen trägheitsfrei nachgebildet werden. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Änderung
der Heizleistung während eines Aufheizvorgangs einer Baugruppe überflüssig
machen, bzw. eine nur geringfügige Änderung der
Heizleistung ausreichen lassen, um ein vorgegebenes Lötprofil
nachzubilden. Der Eintauchpeak wird vollständig vermieden,
indem die erfindungsgemäße Vorrichtung vor dem
Anbringen der Baugruppe auf die Behandlungsposition die Dampfdecke
auf oder knapp unterhalb die Behandlungsposition absenkt. Danach
wird der Dampfentzug durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung so eingestellt, dass sich der gewünschte erste
Temperaturanstieg einstellt. Bei einer beliebigen Temperatur kann
ein Temperaturplateau mit frei wählbarer Zeitdauer in den
Aufheizvorgang eingeführt werden, indem die Steuerung der
Vorrichtung den Dampfentzug aus der Dampfdecke so stark erhöht,
dass ein weiteres Kondensieren der pro Zeiteinheit erzeugten Dampfmenge
auf dem die Baugruppe einhüllenden Flüssigkeitsfilm
im Wesentlichen nicht mehr stattfindet. Um den weiteren Temperaturanstieg
auf der Baugruppe nach dem Ablauf der Haltezeit zu ermöglichen,
drosselt die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die pro Zeiteinheit der Dampfdecke entzogene Dampfmenge, so dass sich
der für die weitere Temperaturerhöhung gewünschte
Gradient einstellt. Das Ausbilden weiterer Temperaturplateaus mit
beliebigen Haltezeiten bei frei wählbaren Tem peraturen
ist durch Wiederholen der oben beschriebenen Einstellungen der Steuerung
der Vorrichtung möglich.
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Indem
die erfindungsgemäße Vorrichtung den Aufheizvorgang
direkt über eine zusätzliche, einstellbare Dampfverlustquelle
steuert, treten die Probleme, die mit der indirekten Steuerung über
die Variation der Heizleistung oder dem Ein- und Ausschalten der
Heizung(en) verbunden sind, nicht länger auf. Die direkte
Steuerung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergibt reproduzierbare Prozessbedingungen. Wartezeiten treten nicht
länger auf, was zu kurzen Prozess- oder Zykluszeiten führt.
Dadurch steigt auch der Durchsatz an Baugruppen bei Dampfphasen-Lötanlagen,
die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet
sind, deutlich an. Trotz der zusätzlich in den Aufheizprozess
eingeführten thermischen Verlustquelle ist die Energiebilanz
einer mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgestatteten Dampfphasen-Lötanlage gut, da die mit den
Temperaturänderungen des großen trägen
Systems verbundenen Energieverluste entfallen. Überdies
wirken sich die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung möglich
werdenden kurzen Zykluszeiten günstig auf die Energiebilanz
des Lötprozesses aus.
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Die
Energiebilanz einer Dampfphasen-Lötanlage kann noch weiter
gesteigert werden, indem neben der Steuerung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zusätzlich die Heizleistung gesteuert wird, so
dass beispielsweise während der Temperaturanstiege innerhalb
des Aufheizvorgangs die erfindungsgemäße Vorrichtung
ausgeschaltet bleiben kann. Diese zusätzliche Energieoptimierung
des Aufheizvorgangs hat auf die Reproduzierbarkeit der Prozessbedingungen
und die Prozesszeiten und damit auf den Durchsatz an Baugruppen
keine merkliche Auswirkung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist diese innerhalb der Prozesskammer in der Höhe
veränderlich. Damit kann die Vorrichtung einer Höhenvariation
der Behandlungsposition aufgrund unterschiedlicher zu lötender
Baugruppen folgen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung eine erste Kühlvorrichtung. In einer weiteren
besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste
Kühlvorrichtung zumindest ein Rohr, das an zumindest einer
Seitenwand der Prozesskammer angeordnet ist und durch das ein Kühlmedium
geleitet werden kann.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste
Kühlvorrichtung mehrere übereinander angeordnete
Rohre, durch die einzeln oder in Kombination ein Kühlmedium
geleitet werden kann. Damit kann zum einen das Absenken der Dampfdecke
beschleunigt werden und zum anderen kann das Niveau der Dampfdecke
an sich ändernde Behandlungspositionen angepasst werden,
ohne dass die Kühleinrichtung bewegt werden muss.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das
Kühlmedium ein Gas oder eine Mischung verschiedener Gase,
insbesondere Luft. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst
das Kühlmedium eine Flüssigkeit oder eine Mischung
aus verschiedenen Flüssigkeiten, insbesondere Wasser.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Prozesskammer
einer Dampfphasen-Lötanlage eine zweite Kühleinrichtung
auf, die im Bereich der Oberkante der Prozesskammer angeordnet ist.
Die zweite Kühleinrichtung verhindert, dass die Dampfdecke über
die Oberkante der Prozesskammer hinaus ansteigen kann. Falls die
zweite Kühleinrichtung höhenveränderlich
ausgeführt wird, kann diese auch zum Absenken der Dampfdecke
auf ein vorgegebenes Niveau verwendet werden. Die erste Kühleinrichtung
kann in diesem Ausführungsbeispiel entfallen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung zum Absenken der Dampfdecke eine Abgabevorrichtung für
Prozessflüssigkeit in die Prozesskammer. Die Prozessflüssigkeit
muss regelmäßig gereinigt werden und anschließend
in kaltem Zustand wieder in die Prozesskammer eingeführt
werden.
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Geschieht
diese Zufuhr kontrolliert, so kann damit die Höhe der Dampfdecke
gesteuert werden. Durch Zugabe einer definierten Menge von Prozessflüssigkeit,
die eine zudem bekannte Temperatur aufweist, in die am Boden der
Prozesskammer siedende Prozessflüssigkeit, sinkt deren
Temperatur für eine definierte Zeitdauer unterhalb des
Siedepunktes. Dadurch wird für eine bestimmte Zeitdauer
die Dampferzeugung unterbrochen und die Dampfdecke oberhalb der
Prozessflüssigkeit bricht zusammen. Durch eine gleichmäßige
Verteilung der Zugabe kalter Prozessflüssigkeit in die
siedende Prozessflüssigkeit am Boden der Prozesskammer
wird ein inhomogenes Zusammenbrechen der Dampfdecke vermieden. Diese
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist aus energetischen Gesichtspunkten günstig.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Vorrichtung zum Absenken der Dampfdecke eine Absaugeinrichtung,
die die Dampfdecke durch Absaugen von Dampf aus der Dampfdecke absenkt.
Dieses Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist eine sehr schnelle Ansprechzeit aus, d. h. sie
ist im Wesentlichen thermisch trägheitslos oder weist keine
Nachlaufzeiten auf, da sie auf jeglichen Wärmeübergang
in der Prozesskammer verzichtet. Zudem ist die Ansaugöffnung
der Absaugeinrichtung leicht in der Höhe verstellbar ausführbar.
Dies ermöglicht eine präzise Einstellung der Höhe
der Dampfdecke. Der apparative Aufwand durch die notwendige Behandlung
des heißen Dampfes der Prozessflüssigkeit ist
jedoch höher verglichen mit der oben beschriebenen Kühleinrichtung.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung
ferner ausgebildet, um die Dampfdecke vor einem Positionieren der
zu lötenden Baugruppe in einer Behandlungsposition in der
Prozesskammer abzusenken. In einer weiteren besonders bevorzugten
Ausführungsform wird die Dampfdecke durch die Vorrichtung
im Wesentlichen auf die Höhe der Behandlungsposition der
zu lötenden Baugruppe abgesenkt. Beim Einbringen der zu lötenden
Baugruppe auf die Behandlungsposition in der Prozesskammer findet
kein unkontrolliertes Kondensie ren von Dampf auf der Baugruppe statt
und ein Eintauchpeak kann sich somit nicht ausbilden.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt
das Absenken der Dampfdecke während eines Aufheizungsvorgangs
der zu lötenden Baugruppe. Damit lassen sich Temperaturplateaus
von einstellbarer Zeitdauer bei frei wählbaren Temperaturen
realisieren.
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In
einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform weist
die Vorrichtung ferner eine Steuerung auf, die ausgebildet ist,
um die Vorrichtung so zu steuern, dass ein Temperaturverlauf des
Aufheizvorgangs einem vorgegebenen Lötprofil mit zumindest
einem Temperaturanstieg und zumindest einem Temperaturplateau unterhalb
der Löttemperatur folgt.
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In
einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Vorrichtung ferner eine Steuerung auf, die ausgebildet
ist, um die Vorrichtung und die Heizleistung so zu steuern, dass
ein Temperaturverlauf des Aufheizvorgangs einem vorgegebenen Lötprofil
mit zumindest einem Temperaturanstieg und zumindest einem Temperaturplateau unterhalb
der Löttemperatur folgt.
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Weitere
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind in weiteren abhängigen Patentansprüchen
definiert.
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4. Beschreibung der Zeichnungen
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 eine
schematische Darstellung eines Lötprofils für
ein Bauteil einer Baugruppe darstellt;
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2 einen
schematischen Schnitt durch eine Prozesskammer einer Dampfphasen-Lötanlage zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung eines Eintauchpeaks wiedergibt;
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4 schematisch
einen Temperaturverlauf auf der Oberfläche einer Baugruppe
angibt (durchgezogene Kurve) bei dem die Heizleistung variiert wurde,
um das Lötprofil der 1 (gestrichelte
Linie) nachzubilden;
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5 einen
schematischen Schnitt durch eine Prozesskammer einer Dampfphasen-Lötanlage zeigt,
in der eine Kühleinrichtung als ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in die Prozesskammer
einer Dampfphasen-Lötanlage montiert wurde;
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6 gemessene
Aufheizkurven nach dem Stand der Technik mit Eintauchpeak (graue
Kurve) und mit in die Dampfphasen-Lötanlage eingebauter und
in Betrieb befindlicher Kühleinrichtung (schwarze Kurve);
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7 gemessene
Aufheizkurven nach dem Stand der Technik (graue Kurve) und mit in
die Dampfphasen-Lötanlage eingebauter und in Betrieb befindlicher
Kühleinrichtung mit signifikant verringerter Ansprechzeit
der Anlage (schwarze Kurve); und
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8 schematisch
den Temperaturanstieg dreier Bauelemente darstellt, wobei eine Kühleinrichtung
als ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in die Prozesskammer einer Dampfphasen-Lötanlage
das Temperaturprofil der 1 alleine oder in Kombination
mit der Heizvorrichtung nachbildet.
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5. Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung genauer erläutert.
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Die 5 zeigt
schematisch einen Schnitt durch eine Prozesskammer 10 einer
Dampfphasen-Lötanlage 1. Die Prozessflüssigkeit 30 füllt
die Prozesskammer 10 bis zu einer bestimmten Höhe.
In einer häufig gewählten Ausführungsform
weist die Prozessflüssigkeit 30 eine Höhe
von etwa einem Zentimeter auf. Als Prozessflüssigkeit 30 kann
beispielsweise Perfluoropolyether oder eine Flüssigkeit, die
bei einer vorgegebenen Temperatur siedet, eingesetzt werden. Die
Prozessflüssigkeit 30 wird so gewählt,
dass ihr Siedepunkt der Löttemperatur der zu lötenden
Baugruppe 70 entspricht.
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Mit
einer Heizvorrichtung 40, die sich aus einer oder mehreren
Heizungen zusammensetzt, wird die Prozessflüssigkeit 30 zunächst
bis zu ihrem Siedepunkt erwärmt. Bei weiterer Energiezufuhr
in die siedende Prozessflüssigkeit 30 steigt deren
Temperatur nicht weiter an, sondern die Prozessflüssigkeit 30 verdampft.
Der entstehende Dampf bildet eine Dampfdecke 60 über
der Prozessflüssigkeit 30. Ein Teil des Dampfes
kondensiert an den kalten Seitenwänden 20 der
Prozesskammer 10 und erwärmt diese. Bei genügender
Energiezufuhr durch die Heizvorrichtung 40 steigt die Dampfdecke 60 in
der Prozesskammer 10 nach oben und erreicht schließlich
die Oberkante der Prozesskammer 10. Bei einem weiteren
Anstieg der Dampfdecke 60 über die Oberkante der
Prozesskammer 10 hinaus würde ein Verlust der teueren
Prozessflüssigkeit 30 aus der Prozesskammer 10 hinaus
eintreten. Um dies zu verhindern, ist an der Oberkante der Prozesskammer 10 vorzugsweise
eine zweite Kühleinrichtung 80 angebracht, an der
der Dampf, der das obere Ende der Prozesskammer 10 erreicht,
kondensiert.
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Würde
in dieser Ausgangslage, d. h. die Dampfdecke 60 reicht
im Wesentlichen bis an die Oberkante der Prozesskammer 10,
die zu lötende Baugruppe 70 auf die Behandlungsposition 90 in
der Prozesskammer 10 eingefahren, so würde – wie
bereits zweiten Abschnitt beschrieben – die Energie, die in
dem Dampfvolumen zwischen der Behandlungsposition 90 und
der zweiten Kühleinrichtung 80 gespeichert ist
praktisch instantan auf die zu lötende Baugruppe 70 übertragen
und den oben beschriebenen Eintauchpeak zur Folge haben.
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Dies
verhindert die im Wesentlichen auf der Höhe der Behandlungsposition
angebrachte erste Kühleinrichtung 50 als eine
erfindungsgemäße Vorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel.
Die Kühleinrichtung 50 umfasst in der einfachsten
Ausführung ein Rohr, das entlang einer oder mehrerer Seitenwände 20 an
der Prozesskammer 10 angebracht ist. In einer alternativen
Ausführungsform weist die Kühleinrichtung 50 mehrere übereinander
liegende Rohre auf, durch die einzeln oder in Kombination Kühlmittel
geleitet werden kann. In einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann die Kühleinrichtung in der Höhe variabel
an zumindest einer Seitenwand 20 der Prozesskammer 10 angebracht
sein. Der Ausdruck „im Wesentlichen” bedeutet
hier wie an den weiteren Stellen dieser Beschreibung eine Angabe
von Messdaten innerhalb der in der Fachwelt üblichen Fehler- und
Produktionstoleranzen.
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Durch
kontrolliertes Durchführen eines Kühlmittels durch
die Kühleinrichtung 50 wird diese unterhalb die
Siedetemperatur der Prozessflüssigkeit 30 abgekühlt,
so dass das sich oberhalb der Kühleinrichtung 50 befindliche
Dampfvolumen an der Kühleinrichtung 50 kondensiert
und die Dampfdecke 60 somit auf das Niveau der Kühleinrichtung 50 oder
der Behandlungsposition 90 absinkt. Dieses Absinken der
Dampfdecke 60 kann sehr rasch erfolgen; es ist nur durch
den Wärmeübergangswiderstand von dem Dampf zu
dem Kühlmedium der Kühleinrichtung 50 begrenzt.
An das Kühlmedium werden keine besonderen Anforderungen
gestellt, da es nicht in direkten Kontakt mit dem Dampf in der Prozesskammer 10 kommt.
Als einfachste Kühlmedien sind Gase zu verwenden. Sie haben
den Vorteil, dass sie in der Kühleinrichtung 50 auch
bei hohen Temperaturen über 200°C keinen Phasenübergang
durchführen, was in der Kühleinrichtung 50 zu
Problem führen könnte. Als derzeit bevorzugtes
Kühlmedium wird deshalb einfach Luft eingesetzt. Gase haben
in der Regel eine geringere Wärmekapazität als
Flüssigkeiten, dies begrenzt zwar den Energietransport
aus dem Dampf. Andererseits reduziert die geringe Wärmekapazität von
Gasen die thermische Trägheit oder Nachlaufzeiten der Kühleinrichtung 50.
Dies führt zu einem schnellen Reagieren der Kühleinrichtung 50 auf
die Steuerung 100 ohne nennenswerte Ansprechzeiten. Die
thermische Trägheit der Kühleinrichtung 50 ist gering
im Vergleich zu der thermischen Trägheit der Heizvorrichtung 40.
Sie kann im Wesentlichen ganz vermieden werden, indem die Kühleinrichtung 50 in der
Prozesskammer 10 höhenverstellbar ausgeführt wird.
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Neben
Gasen können als Kühlmedium in der Kühleinrichtung 50 auch
Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Insbesondere kann die
Prozessflüssigkeit selber als Kühlmedium in der
Kühleinrichtung 50 verwendet werden. Indem sie
die Energie des überschüssigen Dampfvolumens übernimmt,
wird sie erwärmt und kann dann bereits vorgewärmt
in die Prozesskammer 10 eingebracht werden.
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Die
Steuerung 100 kontrolliert über die Verbindung 110 den
Durchsatz des Kühlmediums in der Kühleinrichtung 50.
Die Steuerung reguliert den Durchsatz des Kühlmittels,
so dass die Dampfdecke 60 rasch von dem Niveau der zweiten
Kühleinrichtung 80 auf die Höhe der Behandlungsposition 90 sinkt
und auf dieser Position verharrt bis die Baugruppe 70 die
Behandlungsposition 90 in der Prozesskammer 10 erreicht
hat. Danach sollte die Kühleinrichtung 50 die
Wärmeübertragung an die Baugruppe 70 nicht
länger behindern bzw. nur in kontrollierter Weise, um den
Gradienten des Temperaturanstiegs zu steuern. Zur Minimierung der
Wärmekapazität der Kühleinrichtung 50,
wird der Durchmesser des bzw. der die Kühleinrichtung 50 bildenden
Rohre entsprechend dimensioniert.
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Neben
der Kühleinrichtung 50 ermöglicht die Steuerung 100 auch
die Kontrolle der Heizeinrichtung 40 über die
Verbindung 120. Zur Energieoptimierung kann die Steuerung 100 die
Temperaturanstiege des Aufheizvorgangs durch Kontrollie ren der Heizleistung
der Heizvorrichtung 40 durchführen, wobei die
Kühleinrichtung 50 ausgeschaltet ist. Vor dem eigentlichen
Aufheizvorgang und während eines oder mehrerer Temperaturplateaus
schaltet die Steuerung 100 zusätzlich die Kühleinrichtung 50 ein
und steuert deren Kühlmitteltransport.
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In
einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel wird eine
erfindungsgemäße Vorrichtung durch Einbringen
eines oder mehrerer Festkörper in die Dampfdecke 60 der
Prozesskammer 60 auf die Höhe der Behandlungsposition 90 der
zu lötenden Baugruppe 70 realisiert. Der bzw.
die Körper weisen vor dem Einbringen in die Dampfdecke
eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur der Prozessflüssigkeit
auf; bevorzugt die Temperatur die in der Dampfphasen-Lötanlage 1 oberhalb
der Prozesskammer 10 herrscht. Ihr Schmelzpunkt liegt deutlich oberhalb
der Siedetemperatur der Prozessflüssigkeit 10.
Den bzw. die Festkörper charakterisieren eine gute thermische
Leitfähigkeit und ferner weisen sie bevorzugt ein großes
Oberflächen-/Volumenverhältnis auf. Die getrennt
von der zu lötenden Baugruppe 70 in die Dampfdecke 60 eingebrachten
kalten Festkörper können nach dem Absenken der
Dampfdecke 60 auf das gewünschte Niveau wieder
soweit in der Prozesskammer 10 angehoben werden, dass sie
auf den weiteren Aufheizvorgang der Baugruppe 70 nicht länger
Einfluss nehmen. Damit machen diese temporär in die Dampfdecke
eingebrachten Festkörper im Gegensatz zu fest an der Baugruppe
angebrachten Zusatzkörpern (vgl. Abschnitt 2)
den Aufheizvorgang nicht mit und daher energieaufwändig
und träge und somit letztlich unwirtschaftlich. Durch das
Entfernen der Festkörper aus der Dampfdecke entstehen keinerlei
thermische Nachlaufeffekte.
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Die
oben beschriebenen weiteren Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Form einer Absaugeinrichtung und einer Abgabevorrichtung
für Prozessflüssigkeit in die Prozesskammer 10 weisen
ebenfalls eine Steuerung 100 auf, um das Absenken der Dampfdecke 60 in
der Prozesskammer 10 zu kontrollieren.
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Die 6 zeigt
zwei in einer Dampfphasen-Lötanlage gemessene Aufheizkurven,
wobei bei der grauen Messkurve die Kühleinrichtung 50 nicht
in Betrieb war. Das Einbringen der Baugruppe 70 in die Dampfdecke 60 führt
zu einem Eintauchpeak von etwa 80°C. Wird die Kühleinrichtung 50 vor
dem Einbringen der Baugruppe 70 auf die Behandlungsposition 90 eingeschaltet
verbleibt noch ein Temperaturanstieg von etwa 15°C. In
diesem Versuch wurde Luft als Kühlmedium in der Kühleinrichtung 50 eingesetzt.
Durch Verwenden eines Kühlmediums mit einer größeren
Wärmekapazität, wie etwa einer Flüssigkeit,
lässt der verbleibende unkontrollierte Temperaturanstieg
im Wesentlichen zum Verschwinden bringen.
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Ähnlich
wie die 6 gibt die 7 wiederum
zwei in einer Dampfphasen-Lötanlage gemessen Aufheizkurven
wieder. Die graue Kurve zeigt ein Temperaturplateau ohne Betrieb
der Kühleinrichtung 50, d. h. nur durch Ändern
der Heizleistung der Heizvorrichtung 40. Die schwarze Kurve
wurde durch geringes Ändern der Heizleistung der Heizvorrichtung 40 und
durch zusätzliches Einschalten der Kühlvorrichtung 50 gemessen.
Das Temperaturplateau der schwarzen Kurve ist während der
Haltezeit nahezu perfekt eben, so dass – wie gefordert – während
dieser Zeit keine Temperaturerhöhung der Baugruppe stattfindet.
Dies bedeutet dass die Kühleinrichtung 50 der
Dampfdecke 60 Energie in genau der erforderlichen Quantität
entzieht.
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Wie
oben ausführlich diskutiert, reduziert die Kühleinrichtung 50 die
thermische Trägheit der Dampfphasen-Lötanlage 1 erheblich.
Dies führt in der 7 zu einem
schnellem Wiederanstieg der Temperatur auf der Baugruppe 70 nach
dem Ende der Haltezeit verglichen mit der grauen Kurve. Wie der 7 zu
entnehmen ist, erreicht die schwarze Kurve erreicht die Löttemperatur
etwa 60 s früher wie die graue Kurve bei gleichem Startpunkt
oder Änderungspunkt der Heizleistung der Heizvorrichtung 40. Durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung lässt
sich somit der Aufheizvorgang um etwa 20% verkürzen, was
sich direkt einer entsprechenden Verringerung der Zykluszeit niederschlägt.
Umgekehrt ermöglicht dies eine nicht unerhebliche Erhöhung
des Durchsatzes der mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ausgerüsteten Dampfphasen-Lötanlage 1.
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Die 8 zeigt
schematisch wie eine Kühleinrichtung 50 als ein
Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das
Lötprofil der 1 im Wesentlichen fehlerfrei
nachbildet. Das kleine Bauteil 200 auf der zu lötenden
Baugruppe 70 (der 5) folgt
dem vorgegebenen Sollprofil des Temperaturverlaufs im Wesentlichen
verzögerungslos. Das größere massereichere
Bauteil 210 zeigt aufgrund seiner größeren thermischen
Trägheit eine Verzögerung oder einen Nachlauf
in seinem Temperaturanstieg verglichen mit dem Sollprofil des Temperaturverlaufs
und dem Temperaturanstieg des Bauteils 200 der Baugruppe 70. Innerhalb
der Haltezeit des Temperaturplateaus bei der Temperatur T2 erreicht das Bauteil 210 jedoch
die Temperatur T2. Das große sehr
massereiche Bauteil 220 zeigt in Folge seiner großen
thermischen Trägheit einen ausgedehnten Nachlaufeffekt.
Am Ende der Haltezeit des Temperaturplateaus erreicht das Bauteil 220 gerade
die Temperatur T2 und kurz vor Ende des
Lötvorgangs die Löttemperatur T3.
Das Temperaturplateau T2 begrenzt die Temperaturdifferenz
zwischen den einzelnen Bauteilen 200, 210 und 220 der
zu lötenden Baugruppe 70.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung für Dampfphasen-Lötanlagen 1 ermöglicht
ein verzögerungsfreies Nachbilden von von Bauteile-Herstellern vorgegebenen
Lötprofilen. Die damit gelöteten Baugruppen zeichnen
sich deshalb durch homogene Lötverbindungen von gleichbleibend
sehr hoher Qualität aus. Probleme, beispielsweise durch
zu große thermische Spannungen welche die Langzeitstabilität
der gelöteten Baugruppen beeinträchtigen könnten,
treten beim Anwenden eines der beschriebenen Prozesse nicht auf.
Die empfindlichen Bauelemente auf den Baugruppen werden nicht länger
als notwendig den für sie belastenden hohen Temperaturen
ausgesetzt. Damit ermöglicht eine erfindungsgemäße
Vorrichtung einen sicheren, die Bauelemente wenig belastenden Lötprozess
bei optimierten Zykluszeiten.
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6. Verfahrensgemäße
Beschreibung erfindungsgemäßer Prinzipien
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Nachfolgend
werden einige erfindungsgemäße Prinzipien verfahrensmäßig
dargestellt.
- 1. Verfahren zum Löten
in einer Dampfdecke (60) über einer siedenden
Prozessflüssigkeit (30), aufweisend:
a. Erzeugen
einer zeitlich konstanten Dampfmenge in die Dampfdecke (60)
durch Energiezufuhr in die Prozessflüssigkeit (60);
b.
Einbringen einer Baugruppe (70) in die Dampfdecke (60);
und
c. Absenken der Dampfdecke (60) unterhalb die Baugruppe
(70) durch ein Entziehen von Dampf aus der Dampfdecke (60).
- 2. Verfahren wie unter 1., wobei ein Ort an dem der Dampf der
Dampfdecke (60) entzogen wird über die Höhe
der Dampfdecke (60) einstellbar ist.
- 3. Verfahren wie unter 1. oder 2., wobei das Entziehen des Dampfes
durch eine Kühlvorrichtung (50) erfolgt.
- 4. Verfahren wie unter 3., wobei das Entziehen des Dampfes durch
zumindest ein Rohr erfolgt, das an zumindest einer Seitenwand (20)
einer Prozesskammer (10) angeordnet ist und durch das ein
Kühlmedium geleitet werden kann.
- 5. Verfahren wie unter 3., wobei das Entziehen des Dampfes durch
mehrere übereinander angeordnete Rohre erfolgt, durch die
einzeln oder in Kombination ein Kühlmedium geleitet werden kann.
- 6. Verfahren wie unter 3.–5., wobei das Kühlmedium
ein Gas oder eine Mischung verschiedener Gase, insbesondere Luft
umfasst.
- 7. Verfahren wie unter 3.–5., wobei das Kühlmedium
eine Flüssigkeit oder eine Mischung aus verschiedenen Flüssigkeiten,
insbesondere Wasser umfasst.
- 8. Verfahren wie unter 1., wobei das Entziehen des Dampfes durch
Zugabe von kalter Prozessflüssigkeit in die siedende Prozessflüssigkeit
(30) erfolgt.
- 9. Verfahren wie unter 1., wobei das Entziehen des Dampfes durch
Absaugen erfolgt.
- 10. Verfahren wie unter 9., wobei der Ort des Absaugens über
die Höhe der Dampfdecke (60) einstellbar ist.
- 11. Verfahren wie unter 1.–10., wobei das Entziehen
des Dampfes vor einem Positionieren der zu lötenden Baugruppe
(70) in der Dampfdecke (60) erfolgt.
- 12. Verfahren wie unter 11., wobei durch das Entziehen des Dampfes
die Dampfdecke (60) im Wesentlichen auf die Höhe
der Behandlungsposition (90) der zu lötenden Baugruppe
(70) abgesenkt wird.
- 13. Verfahren wie unter 1.–10., wobei das Entziehen
des Dampfes während eines Aufheizungsvorgangs der zu lötenden
Baugruppe (70) erfolgt.
- 14. Verfahren wie unter 1.–10. oder 13., wobei das Entziehen
des Dampfes gesteuert wird, so dass ein Temperaturverlauf des Aufheizvorgangs
einem vorgegebenen Lötprofil mit zumindest einem Temperaturanstieg
und zumindest einem Temperaturplateau unterhalb der Löttemperatur
folgt.
- 15. Verfahren wie unter 1.–10. oder 13., wobei das Entziehen
des Dampfes und eine Heizvorrichtung (40) gesteuert werden,
so dass ein Temperaturverlauf des Aufheizvorgangs einem vorgegebenen
Lötprofil mit zumindest einem Temperaturanstieg und zumindest
einem Temperaturplateau unterhalb der Löttemperatur folgt.
- 16. Verfahren wie unter 1.–10. oder 13.–15.,
wobei während eines Zeitintervalls eines Temperaturanstiegs
kein Dampf entzogen wird.
- 17. Verfahren wie unter 1.–10. oder 13.–16.,
wobei der Dampfdecke (60) während eines Zeitintervalls
eines Temperaturplateaus soviel Dampf entzogen wird, dass die Dampfdecke
(60) unterhalb der Baugruppe (70) bleibt.
- 18. Baugruppe, die mittels eines Verfahrens wie unter 1.–17.
gelötet wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29704629
U1 [0004]
- - DE 10159057 B4 [0004]
- - EP 0340275 B1 [0010]
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- - DE 3811031 A1 [0010]
- - EP 0205309 A1 [0010]
- - DE 19826520 C1 [0015]