DE2255240C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Lötung von Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lötung von Leiterplatten mit einer stehenden Welle schmelzflüssigen Lötmittels, das durch eine Düse hochgedrückt wird und über deren Rand abfließt, wobei die Welle eine etwa ebene, gegen die Horizontale geneigte Teilfläche aufweist und wobei die Leiterplatten in einer Ebene schräg aufwärts derart quer über die Welle hinweg bewegt werden, daß sie mit deren Vorderseite in Berührung kommen.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 17 77 016 bekannt. Bei der in dieser Druckschrift behandelten Lötvorrichtung wird der in Flußrichtung des Lötmittels hinter der etwa ebenen Teilfläche liegende, gewölbte Bereich, in dem das Lötmittel einen Überfall bildet, mit den zu lötenden Leiterplatten in Berührung gebracht. Das Löten erfolgt also im gekrümmten Bereich der Welle wie bei den ersten bekanntgewordenen Wellenlötbädern. Für die etwa ebene Teilfläche wird bei der bekannten Vorrichtung angestrebt, hier die Strömungsgeschwindigkeit an der Lötmitteloberfläche so gering zu machen, daß diese gerade noch groß genug ist, um ein Abschwimmen der sich an der Oberfläche bildenden Oxydhaut zu gewährleisten.

Es ist weiterhin aus der GB-PS 8 62 722 eine Vorrichtung zur Lötung von Leiterplatten mit einer Düse zur Erzeugung einer Welle bekannt, die auf der Eintrittsseite der Leiterplatten eine starke und auf der Austrittsseite eine schwache Abwärtswölbung aufweist. Die Leiterplatten werden über die Düsenmitte geführt, wo die Welle zwangHufig eine Wölbung bilden muß, die allerdings bei Durchführung einer Leiterplatte durch diese je nach der Tiefe des Eindrückens flachgedrückt wird.

Es ist weiterhin aus der GB-PS 9 18 703 eine Vorrichtung zum Löten von Leiterplatten bekannt, bei der ein ebener, schwach abwärts geneigter Kanal vorgesehen ist, durch den ein Lötmittelstrom geleitet wird. Der Kana· ist innerhalb eines Beckens angeordnet und für Leiterplatten nur von oben her frei zugänglich.' Die Leiterplatten werden mittels einer Transportvorrichtung einzeln in den in dem Kanal fließenden Lötmittelstrom von oben her eingetaucht und aus diesem wieder herausgehoben.

Es sei schließlich noch die US-PS 30 39 185 erwähnt, in der ebenfalls eine Vorrichtung zur Lötung von Leiterplatten beschrieben ist, bei der auf einer leicht abwärts gerichteten Schräge mehrere querverlaufende Stufen angebracht sind, über die ein von oben her der Schräge zugeleiteter Lötmittelstrom fließt und dabei auf Grund der Stufen mehrere hintereinanderliegende Querwellen bildet. Die Leiterplatten werden parallel zu der Schräge über die Stufen hinweggeführt, so daß sich jeweils an den durch die Stufen gebildeten gewölbten Kuppen der einzelnen Wellen eine relativ schmale Berührungszone zwischen dem Lötmittel und der Leiterplatte ergibt. Es handelt sich dabei also im Prinzip um die Anordnung von hintereinanderliegenden einzelnen Lötmittelwellen.

Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen lassen nur eine relativ geringe Transportgeschwindigkeit der Leiterplatten zu. Für das saubere Löten der Kontaktstellen der Leiterplatten ist es nämlich erforderlich, eine ausreichend lange Berührungszeit zwischen Lötmittel und Kontaktstelle vorzusehen, damit sich die Kontaktstellen auf die erforderliche Temperatur erwärmen können und das zum Löten erforderliche Flußmittel verdampft und weggeschwemmt werden kann. Um nun eine ausreichende Berührungszeit zu erzielen, muß entweder eine Leiterplatte mit entsprechend geringer Geschwindigkeit durch die gewölbte Kuppe einer Lötmittelwelle bewegt oder die Leiterplatte so tief in die Kuppe gedrückt werden, daß sich eine größere Berührungsfläche zwischen Leiterplatte und Lötmittelwelle ergibt. Bei letzlerer Methode tritt jedoch leicht durch Löcher in der Leiterplatte Lötmittel auf deren der Welle abgewandte Seite, wo dieses Schaden anrichten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne die Notwendigkeit des tiefen Eintauchens der Leiterplatten in das Lötmittel eine hohe Transportgeschwindigkeit

der Leiterplatten zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß das aus der Düse nach vorn überlaufende Lötmittel an seiner Unterseite so abgestützt wird, daß sich ?n seiner Oberseite eine in Bewegungsrichtung der Leiterplatten ausgedehnte, hierzu parallele, im wesentlichen ebene F!äche mit anschließender Wölbung ausbildet, mit der die Leiterplatten in Berührung gebracht werden.

Durch diese Gestaltung und Ausnutzung der Welle wird erreicht, daß die Leiterplatten mit dem ausgedehnten, ebenen Bereich in Kontakt kommen, so daß ihre Kontaktstellen auch bei einer hohen Transportgeschwindigkeit der Leiterplatten relativ lange in der Welle verbleiben. Durch die Ausnutzung der ebenen, gegen die Horizontale geneigten Teilfläche für den Lötvorgang ergibt sich darüber hinaus ein relativ kleiner Austriuswinkel der Leiterplatten, wodurch das Abkühlen der Lötstellen entsprechend langsam vor sich geht, so daß überschüssiges Lötmittel in die Welle zurückfließen kann, ohne Brücken od. dgl. zu hinterlassen.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Neigung des ebenen Teils der Vorderseite der Lötmittelwelle in bezug auf die Horizontale herausgestellt, die 3 bis 10°, vorzugsweise 4 bis 6° beträgt.

Vorteilhaft verwendet man eine Düse, die auch an ihrer Rückseite einen Teil des Lötmittels überlaufen läßt. Durch diesen Überlauf läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Lötmittels im Austrittsbereich der Leiterplatte vergrößern, wodurch die Reiativgeschwindigkeit zwischen der Leiterplatte und dem Lötmittel im Austrittsbereich der Leiterplatte verrmgert wird. Dies wirkt der Bildung von Brücken u. dgl. entgegen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist so ausgebildet, daß der vordere Rand der Düse in eine den ebenen Teil der Welle tragende Stützplatte ausläuft, die eine ballistische Krümmung aufweist. Soll ein Teil des Lötmittels an der Rückseite der Düse überlaufen, so kann man durch eine Verstellbarkeit des hinteren Randes der Düse in der Höhe zusätzlich erreichen, daß die nach vorn und hinten überlaufenden Anteile der Welle einstellbar sind, wodurch sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Leiterplatte und Lötmittel weiterhin verringern läßt, bis schließlich sogar der Geschwindigkeitswert 0 erreicht wird, bei dem sich trotz der Bewegung der Leiterplatten in Förderrichtung Verhältnisse einstellen, wie sie sich bei einem Herausheben von Leiterplatten aus einem Lötmittel in vertikaler Richtung ergeben würden, wobei das Lötmittel besonders gut abfließen kann. Zweckmäßig läßt man auch den hinteren Rand der Düse in eine zweite nach hinten und unten geneigte Stützfläche für den Überlauf nach hinten auslaufen. Hierdurch kann man die Strömungsverhältnisse im Austrittsbereich der Leiterplatten beeinflussen. Dabei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, der zweiten Stützfläche anschließend an den Rand der Düse einen ansteigenden Bereich zu geben. Durch Verstellbarkeit der zweiten Stützfläche in der Höhe kann man dann wahlweise auf die Verhältnisse im Austrittsbereich der Leiterplatten einwirken.

Das Vermeiden von Lötmittelüberschuß zusammen mit dem Ausschalten von Lötmittelbärten unter gesteuerten Bedingungen bei Lötgeschwindigkeiten, die die bei konventionellen Horizontalwellen-Lötverfahren üblichen Geschwindigkeiten um ein vielfaches übersteigen, bzw. bei Geschwindigkeiten, die die bei bekannten Wellenlötverfahren vom Typ des Schrägtransports üblichen Geschwindigkeiten zumindest übersteigen, ohne daß Öl verwendet zu werden braucht, ist ein Vorteil der Erfindung. Selbstverständlich kann aber auch mit öl gearbeitet werden, wenn die Umstände dies erfordern. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Bildung von Lötmittelbriicken zwischen den Leitern und/oder den Anschlußstiften, Sockelstiften oder ähnlichen Elementen von gedruckten Leiterplatten vermieden wird, und daß dieser günstige Umstand auch dann im wesentlichen Umfang vorhanden ist, wenn dünne und dick bepackte sogenannte gedruckte »Feinleitungsw-Leiterplatten bei Geschwindigkeiten gelötet werden sollen, die die bei bekannten Lötverfahren üblichen Geschwindigkeiten übersteigen. Solche Vorteile sind auch dann gegeben, wenn für den Lötvorgang kein öl verwendet wird. Alle die erwähnten günstigen Eigenschaften, die die neue Technik mit sich bringt, erleichtern die Qualitätskontrolle, verbessern die Zuverlässigkeit und haben eine Einsparung an Lötmittel zur Folge.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. t eine Draufsicht auf die Lötvorrichtung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß F i g. 1 längs der Linie 2-2,

F i g. 3a und b schematische Querschnitte durch Düsen mit in der Höhe verstellbarem hinterem Rand,
F i g. 4a, b, c schematische Querschnitte durch Lötmittelwellen, wie sie bei Verwendung der Düsen gemäß F i g. 3a und b entstehen,

F i g. 5 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Düse mit verstellbarer Stützfläche am hinteren Rand der Düse.

Gemäß den F i g. 1 und 2 enthält ein thermisch isolierter Lötmitteltank bzw. ein Lötmittelbad 1 Heizelemente 2, die dazu dienen, das Lötmittel 3 in schmelzflüssigem Zustand zu halten. Eine Pumpe 4 dient dazu, auf das schmelzflüssige Lötmittel im Tank 1 einen Druck auszuüben, so daß dieses in Richtung von Pfeilen 5 durch einen im wesentlichen senkrecht verlaufenden langgestreckten Kanal 6 hindurch nach oben und in eine Düse hineinfließt, die durch eine rückwärtige Platte 7 und einen Teil 8 einer Stützplatte 9 gebildet wird.

Das obere Ende des Kanals 6 weist horizontale Flanken 6a auf, auf denen horizontale Flanken der rückwärtigen Platte 7 und des Teils 8 der Stützplatte 9 aufliegen, wobei die jeweils aufeinanderliegenden Flanken miteinander verbunden sind. Darüber hinaus kann sich eine Stützrippe 9a längs der Stützplatte 9 erstrecken.

Das schmelzfiüssige Lötmittel, das durch den Kanal 6 nach oben fließt, bewegt sich über die Stützplatte 9 hinweg und kehrt zum Lötmittelbad bzw. Lötmittelgefäß 1 zurück, was durch den Pfeil 10 angedeutet ist. Die Oberfläche des Lötmittels kann mit einem Film von öl überzogen sein, das aus einem Reservoir bzw. einem Behälter 11 stammt, der über die Leitung 12 mit öl gefüllt wird. Die Längskanten der Lötmittelwelle werden durch die Seitenplatten bzw. Leitplatten 13 und 14 zustande gebracht.

Damit ist eine Lötmittelwelle 15 seitlich durch die Leitplatten 13 und 14 begrenzt, die z. B. 10 bis 75 cm voneinander beabstandet sein können, was von der Maximalbreite der zu verarbeitenden gedruckten Leiterplatten und von der Länge der Düse und der rückwärtigen Platte 7 abhängt. Die Stützplatte S für die Welle ermöglicht zusammen mit einer geeignet ausgebildeten Anordnung von Düse und rückwärtiger Platte die BiI-

dung einer vollständig ebenen und in Längsrichtung geneigten Lötmittelwelle.

Im Betrieb wird das schmelzflüssige Lötmittel durch den Kanal 6 nach oben gedruckt, um zwischen den Leitflächen 13 und 14 unter der Wirkung von Gravitationskräften und mit Beschleunigungsgeschwindigkeit in Vorwärtsrichtung bzw. nach links zu fließen, wie dies aus F ι g. 2 ersichtlich ist. Wenn der Lötmittclfluß nicht du-ch eint Stützplatte 9 getührt wäre, hätte die Ober-I lache des schmelzflüssigen Lötmittelstroms eine Krümmung, die derjenigen einer ballistischen Kurve gleichen würde. Wenn eine derartig gewölbte Wellenoberfläche zum Löten gedruckter Leiterplatten verwendet würde, bestände zwischen der unteren Fläche der Leiterplatten und der gewölbten Oberfläche der Lötmittelwelle eine Berührung längs einer Linie. In der Praxis kann jedoch, indem man die Leiterplatte nach unten in die Welle hineindrückt, eine breitere Kontaktflache bzw. Kontaktlänge von ungefähr 2,5 bis 4 cm in Bewegungsrichtung erhalten werden, wobei sich jedoch ungünstige Ergebnisse in Form von sich bildenden Lötmittelbärten ergeben.

Um den Lötvorgang zu verbessern und insbesondere um bei erhöhten Geschwindigkeiten zufriedenstellende Lötergebnisse zu erzielen bzw. um die Herstellungsrate erheblich zu erhöhen, ist die Stützplatte 9 so geformt, daß der Abstand zwischen der Oberfläche der Lötmittelwelle 15 und der Stützplatte 9 an jeder Stelle so groß ist, daß der beschleunigte Strom schmelzflüssigen Lötmitteis eine ebene abfallende Oberfläche zwischen den Punkten 16 und 17 und eine ballistisch gekrümmte untere Fläche aufweist. Diese untere Fläche hat auf Grund der ballistisch gekrümmten Stützplatte 9 eine ballistische Krümmung, wie sich aus F i g. 2 ergibt. Außerdem ändert sich die Querschnittsfläche des fließenden Lötmittels in Flußrichtung in derselben Weise, wie die Querschnittsfläche einer nicht abgestützten Welle, liie einer ballistischen Kurve folgt, sich ändern würde. Hierdurch ist in Bewegungsrichtung das Entstehen einer langgestreckten Berührungsfläche und dementsprechend auch die gewünschte eingestellte Berührungsfläche zwischen der gedruckten Leiterplatte und dem Lötmittel möglich. Außerdem sind, wenn die gedruckte Leiterplatte lediglich die Oberfläche des Lötmittels berührt, die schädlichen Folgen des Herunterdrückens der Leiterplatte in die Welle vermieden.

Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung kann entsprechend der gewünschten Bedingungen jede beliebige Länge der Berührungsfläche zwischen der gedruckten Leiterplatte und der ebenen Oberfläche der Lötmittelwelle zwischen den Punkten 16 und 17 erhalten werden. Die letztgenannten Bedingungen, die auf einer hohen Produktionsrate beruhen, können eine Berührungslänge zwischen den Punkten 16 und 17 von 10 cm erforderlich machen, obwohl es bisher nicht möglich war, einen Lötmittelstrom zu erzeugen, der eine derartige Kontaktbreite und eine abfallende Oberfläche aufwies. Auf Grund der vorliegenden Erfindung ist es hingegen möglich, die Kontaktlänge zwischen den Punkten 16 und 17 sowohl auf 2 cm zu verringern als auch auf mehr als 15 cm zu erhöhen, wenn dies erforderlich sein sollte. Die Wirkung der abfallenden Lötmittelwelle mit einer ausgedehnten ebenen Berührungsfläche ist die, daß sie das Abstreifen von überschüssigem Lötmittel von den gedruckten Leiterplatten veranlaßt, was ein außerordentlich wichtiger Vorteil bei Anwendungen in der Luftfahrt-Industrie ist Außerdem bedeutet die Verringerung des Lötmktelverbrauchs bei jedem Lötvorgang einen wichtigen Faktor zur Kostensenkung.

Da das »Abstreifen« und der Abfluß des Lötmittel!

unter definierten Bedingungen infolge einer in geeigne ter Weise geformten Welle vor sich geht, ist die Ki!

dung nicht poröser und zuverlässiger Lötniiueliicgt sichergestellt.

Sofern die Umstände es erfordern, kann die Lötmittelwelle in bekannter Weise mit Öl bedeckt werden, das aus einem Reservoir oder einem Behältnis Ii heraus ίο geliefert wird. Eine dosierte Ölmenge kann in das Behältnis 11 gepumpt werden, um dann gleichmäßig übei die Oberfläche der Welle verteilt zu werden.

in der Praxis liegt der Winkel der Oberfläche der Lotmittelwelle 15 zwischen den Punkten 16 und 17 zui Horizontalen zwischen 3 und 10", vorzugsweise zwischen 4 und 6°.

Die in der F i g. 3a im Querschnitt dargestellte Anordnung veist eine Stützplatte 20 für die Lötmittelwelle auf. die der Platte 9 in den F i g. 1 und 2 entspricht und die mit ihrem Teil 21 Bestandteil der Düse für der Lötmitteistrom ist. Der andere Teil der Düse wird durch eine feststehende Platte 22 und durch eine Platte 23 gebildet, die mittels geeigneter Elemente, beispielsweise mit Hilfe einer Zahnstange und eines Ritzels 24 in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Die Platte 23 kann ein Behältsnis 25 für öl aufweisen, wenn die Umstände die Verwendung von öl erforderlich machen.

Wenn die Platte 23 angehoben ist, wie dies die Fig.3a zeigt, und wenn schmelzflüssiges Lötmittel nach oben und vorne in Richtung der Pfeile 26 fließt, verleiht die Stützplatte 20 der Oberfläche der Lötmittelwelle eine im wesentlichen ebene geneigte Fläche 27. Gedruckte Leiterplatten, wie sie bei Position 28 und 29 gezeigt sind, werden in Richtung des Pfeiles 30 bewegt, so daß sie die Oberfläche 27 der Lötmittelwelle berühren und in einer Richtung durch sie hindurchbewegt werden, die der Flußrichtung der Lötmittelwelle er.tgegengerichtet ist. Die rückwärtige Platte 23 kann die in F i g. 5 gezeigte Form haben.

In der F i g. 3b ist die Platte 23 in abgesenkter Stellung gezeigt, in die sie mit Hilfe der Zahnstange und des Ritzels gebracht wird, so daß ein Teil des Lötmittels in Richtung des Pfeiles 32 bzw. entgegen der Flußrichtung desjenigen Teils der Lötmittelwelle fließt, der die ebene Fläche 27 aufweist. Hierdurch wird die Flußrate des Lötmittels an der Fläche 33 verändert, was die Art beeinflußt, in der z. B. das Lötmittel von Verbindungsstiften oder ähnlichen körperlichen Bestandteilen 31 der Leiterplatte abgestreift wird. Die Geschwindigkeit an der Oberfläche dieser Abstreifwelle oder rückwärtigen Welle kann so eingestellt werden, daß sie der Geschwindigkeit von Förderelementen angepaßt ist, die die gedruckten Leiterplatten tragen, so daß die Verbindungsstifte 31 oder ähnliche Elemente so aus dem Lötmittel austreten, als ob sie in vertikaler Richtung von ihm abgehoben worden wären. Es ist jedoch auch möglich, die Relativgeschwindigkeiten so einzustellen, daß die Bewegung der Oberfläche 33 schneller als diejenige der die gedruckten Leiterplatten tragenden Förderelemente ist, so daß sich ein »Vorwärts-Wascheffekt« bei den Stiften 31 ergibt oder so, daß die Geschwindigkeit der Welle 33 geringer als diejenige der Förderelemente ist was das Entstehen eines »Rückwärts-Reinigungseffektes« bei den Stiften zur Folge hat

Die F i g. 4a, 4b und 4c steilen Querschnitte durch die Oberflächen von Lötmittelwellen dar, die sich auf

Grund der Einstellung der geeignet ausgebildeten Platte 23 ergeben, um die dre! gerade erwähnten Bedingungen der rückwärtigen Welle bzw. Abstreifwelle 33 einzustellen, während eine ebene geneigte Fläche 27 bei der Lötmittelwelle aufrechterhalten bleibt und als Berührungsfläche für die zu lötenden Werkstücke dient.

Gemäß F i g. 5 wird das Lötmittel durch eine Düse nach oben gepreßt, die durch Teile 35 und 36 der Stiitzplatien 37 und 38 gebildet wird. Letztgenannte Platten haben eine derartige Gestalt, daß sie in Richtung des Pfeiles 40 einen Lötmittelfluß und in Richtung des Pfei-

les 43 einen weiteren Lötmittelfluß veranlassen, der zur Bildung einer rückwärtigen Abstreifwelle mit einer Oberfläche 42 führt. Die Stützplatten 37 und 38 können bei Wunsch eine derartige Gestalt haben, daß bei Position 45 ein Lötmittelfluß mit einer ebenen oder mit einer gekrümmten Oberfläche entsteht, wobei diese Fläche Teile aufweist, bei denen die Flußrichtung entgegengesetzt ist. Die Stützfläche 38 kann feststehend oder in der Höhe einstellbar sein und gegen die Stützfläche 23 gemäß F i g. 3a ausgetauscht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Lötung von Leiterplatten mit einer stehenden Welle schmelzflüssigen Lötmittels, das durch eine Döse hochgedrückt wird und über deren Rand abfließt, wobei die Welle eine etwa ebene, gegen die Horizontale geneigte Teilfläche aufweist und wobei die Leiterplatten in einer Ebene schräg aufwärts derart quer über die Welle hinweg bewegt werden, daß sie mit deren Vorderseite in Berührung kommen, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Düse (7,8,9) nach vorn überlaufende Lötmittel (3) an seiner Unterseite so abgestützt wird, daß sich an seiner Oberseite (16, 17, 27,

41) eine in Bewegungsrichtung der Leiterplatten ausgedehnte, hierzu parallele, im wesentlichen ebene Fläche mit anschließender Wölbung ausbildet, mit der die Leiterplatten in Berührung gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des ebenen Teils (16, 17, 27, 41) der Vorderseite der Lötmittelwelle (15) in bezug auf die Horizontale 3 bis 10°, vorzugsweise 4 bis 6° beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Verwendung einer Düse (20, 21, 22, 23; 35, 36, 37, 38), die auch an ihrer Rückseite (33,

42) einen Teil des Lötmittels (26.39) überlaufen läßt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Rand (8, 21, 35) der Düse in eine den ebenen Teil der Welle tragende Stützplatte (9, 20, 37) ausläuft, die eine ballistische Krümmung aufweist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Rand (23, 38) der Düse in der Höhe derart verstellbar ist, daß die nach vorn und hinten überlaufenden Anteile der Welle (27, 41; 33, 42) einstellbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Rand (36) der Düse in eine zweite nach hinten und unten geneigte Stützfläche (38) für den Überlauf nach hinten ausläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stützfläche (38) anschließend an den Rand (36) der Düse einen ansteigenden Bereich aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stützfläche (38) in der Höhe verstellbar ist.