DE3018512C2

DE3018512C2 -

Info

Publication number: DE3018512C2
Application number: DE3018512A
Authority: DE
Inventors: Peter David Brighton Sussex Gb Bentley; James Francis Hook Hampshire Gb Pollock
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1980-05-14
Publication date: 1989-07-06
Also published as: GB2058335B; DE3018512A1; GB2058335A; NL8002848A; US4392049A; US4327271A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zum Übertragen von Wärme auf einen Gegenstand durch Kondensieren eines Dampfs darauf, und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kondensationslöten.

Das Kondensationslösen ist u. A. beschrieben in

1. R. C. Pfahl Jr., J. C. Mollendorf, T. Y. Chu: "Condensation Soldering", Welding Journal, Januar 1975;
2. US-PS 38 66 307;
3. einem Artikel von T. Y. Chu et al in Western Electric Engineer, April 1975, sowie insbesondere in
4. US-PS 40 77 467.

Das Erhitzen eines Gegenstands durch Kondensations-Wärme übertragung erfordert das Eintauchen des Gegenstands in den gesättigten Dampf einer Arbeitsflüssigkeit. Ist dabei die Temperatur des Gegenstands zunächst niedriger als die Temperatur des gesättigten Dampfs, so konden siert dieser auf dem Gegenstand und überträgt dadurch seine latente Wärme auf diesen. Beim Kondensationslöten wird der heiße Dampf einer geeigneten Flüssigkeit dazu verwendet, Wärme durch Ausnützung der latenten Wärme beim Kondensieren des Dampfs schnell auf einen Lötmetall vorformling zu übertragen, so daß dieser unter Einfluß der Oberflächenspannung fließt und eine Lötverbindung herstellt. Das Kondensat des verwendeten Dampfs ist mit dem geschmolzenen Lot nicht mischbar, so daß beim Kon densationslöten eine saubere Umgebung vorhanden ist, in welcher das Löten gut vonstatten geht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung von der eingangs genannten Art eine verbesserte Technik für das Erhitzen von Gegenständen durch Übertragung von Kondensationswärme zur Verfügung zu stellen, wo durch die Dampfverluste beim Be- oder Entladen der Vorrichtung verrin gert werden, was außerdem die Zykluszeit zwischen dem Beladen mit Gegen ständen und dem Entladen mit Gegenständen verkürzt.

In einer Ausführungsform schafft die Erfindung eine Vor richtung zum Erhitzen eines Gegenstands durch Konden sieren eines Dampfs darauf, mit einer verschließbaren Kammer für die Aufnahme des Gegenstands, einer mit der Kammer verbindbaren, eine strömungsdurchlässige, elek trisch leitende Matrix enthaltenden Dampfquelle und Einrichtungen zum Hindurchleiten einer zu verdampfen den Flüssigkeit durch die Matrix zum Erzeugen eines Dampfs für die Erhitzung des Gegenstands unter Einwirkung der Jouleschen Erwärmung der Matrix.

Die Vorrichtung kann eine Vakuumeinrichtung zum Verrin gern des Drucks innerhalb der Kammer auf einen beträcht lich unter dem atmosphärischen Druck liegenden Wert aufweisen, oder die Kammer kann einen in Abhängigkeit von Druckänderungen innerhalb derselben ausdehnbaren und schrumpfbaren Bereich haben, wodurch in ihrem Inneren im wesentlichen atmosphärischer Druck erhalten bleibt.

In einer anderen Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erhitzen eines Gegenstands durch Kon densieren eines Dampfs darauf, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß man den Gegenstand in eine ver schließbare Kammer bringt, die Kammer verschließt, eine Flüssigkeit durch eine strömungsdurchlässige, elektrisch leitende Matrix hindurchleitet, um aus wenigstens einem Teil der Flüssigkeit Dampf zu erzeugen, und den Dampf in die Kammer leitet, um den Gegenstand durch Konden sieren des Dampfs darauf zu erhitzen.

Bei Durchführung des Verfahrens kann der Innendruck der Kammer vor dem Einleiten des Dampfs auf einen beträchtlich unter dem atmosphärischen Druck liegenden Wert verrin gert werden, oder es kann in einer Kammer im wesentlichen atmosphärischer Druck aufrecht erhalten werden.

Die vorstehend genannte strömungsdurchlässige und elek trisch leitende Matrix für einen Verdampfer hat vorzugs weise die Form eines zylindrischen Hohlkörpers aus einem strömungsdurchlässigen, elektrisch leitenden Werkstoff, welcher sich zwischen zwei elektrischen Anschlüssen er streckt, an welche eine geeignete Spannung angelegt wer den kann.

Beispiele für derartige Verdampfer sind in den GB-Patentschriften 13 95 494, 14 66 240 und 16 00 253 und DE-OS 22 31 373, DE-OS 24 08 802 und DE-OS 28 22 536 beschrie ben, auf welche hier insoweit bezug genommen wird.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Vorrich tung zum Kondensationslöten,

Fig. 1a eine schematisierte Axialschnittansicht eines in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Ver dampfers und

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer Vorrich tung zum Kondensationslöten in einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 zum Konden sationslöten enthält eine Kammer 12 mit einer druck- und unterdruckdicht verschließbaren Tür 14, durch welche hindurch ein zu lötender Gegenstand 16, z. B. ein mit (nicht gezeigten) Lot-Vorformlingen versehener Schal tungsträger, auf eine Trageinrichtung 18 in der Kammer 12 aufsetzbar ist. Eine an einer Seite der Kammer 12 von einer Stelle nahe dem Boden derselben ausgehende Leitung 20 erstreckt sich aufwärts zu einer Verdampfer kammer 22, in welcher ein Verdampfer 26 der in den vor stehend genannten Veröffentlichungen beschriebenen Art angeordnet ist. Eine vom Boden der Kammer 12 ausgehende Leitung 28 führt über ein Ventil 29 zu einer Kondensa tionskammer 30, welche eine Fluorkohlenstoff-Flüssig keit 31 enthält. Die Kondensationskammer 30 ist von einer Kühlschlange 32 umgeben und enthält eine weitere Kühlschlange 34 für die Umwälzung eines Kühl mittels, z. B. Wasser. Von der Unterseite der Leitung 28 führt eine Zweigleitung 38 zum unteren Teil der Konden sationskammer 30. Vom oberen Teil der Kammer 12 geht eine Entlüftungs- oder Abzugsleitung 40 mit einem Ventil 42 aus. Eine sich vom oberen Teil der Kondensations kammer 30 aufwärts erstreckende Leitung 46 führt über eine Kältefalle 48 und ein Ventil 50 zu einer rotierenden Vakuumpumpe 52, an deren Auslaßseite ein Sprühnebel fänger 54 angeschlossen ist.

Eine vom Boden der Kondensationskammer 30 ausgehende Abzugsleitung 58 führt über eine Pumpe 60 und ein Fil ter 62 zur Verdampferkammer 22. Wie man in Fig. 1a erkennt, ragt ein von Bohrungen 64 durchsetztes End stück 66 der Leitung 58 in den Verdampfer 26 hinein. Dieser weist ein hohles, zylindrisches Heizelement 68 aus einem strömungsdurchlässigen, elektrisch leitenden Material, z. B. Kohle, auf, welches sich zwischen zwei elektrischen Anschlüssen 70, 72 erstreckt. Der Anschluß 70 ist durch eine Isolierbuchse 71 elektrisch gegenüber der Abzugsleitung 58 isoliert. Ein an den Anschlüssen 70, 72 angeschlossener, einen Unterbrecher 76 enthal tender elektrischer Speisekreis 74 dient bei geschlosse nem Unterbrecher 76 dazu, einen elektrischen Heizstrom von beispielsweise 200 A bei 20 V durch das Heizelement 68 hindurchzuleiten.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird die Tür 14 dicht geschlossen, das Ventil 42 abgesperrt und die Ventile 29 und 50 geöffnet. Durch Absaugen von Luft mittels der Vakuumpumpe 52 wird der Innendruck der Kammer 12 auf einen Wert zwischen 1 und 750 Torr (1 Torr 133 Pa) abgesenkt, worauf die Ventile 50 und 29 geschlossen werden und die Vakuumpumpe 52 stillgesetzt wird. Darauf wird die Pumpe 60 in Gang gesetzt, um die Flüssigkeit 31 von der Kondensations kammer über den Verdampfer 26 und die Leitungen 20 und 28 umzuwälzen. Durch Schließen des Unterbrechers 76 wird dann der Verdampfer 26 eingeschaltet, so daß die Flüs sigkeit 31 aufgrund der Jouleschen Erwärmung des Heiz elements 68 verdampft wird. Der gesättigte oder über hitzte Dampf der Flüssigkeit 31 gelangt über die Lei tung 20 in die Kammer 12, in welcher er an deren Wänden, auf dem Gegenstand 16 und auf den Lot-Vorformlingen zu kondensieren beginnt. Die Dampferzeugung wird fortge setzt, bis die Lot-Vorformlinge schmelzen und auf dem Gegenstand 16 zerfließen, um die gewünschten Lotverbin dungen herzustellen. Darauf wird der Unterbrecher 76 geöffnet und die Pumpe 60 stillgesetzt. Dann wird das Ventil 29 geöffnet, so daß der Dampf an den Wänden der Kondensationskammer 30 und an der Kühlschlange 34 kon densiert. Zum Entfernen von nicht kondensiertem Dampf wird dann das Ventil 50 geöffnet und die Vakuumpumpe 52 in Gang gesetzt, wobei der größte Teil des noch vorhan denen Dampfs in der Kältefalle 48 kondensiert und das Kondensat in die Kondensationskammer 30 zurückfließt. Danach werden die Ventile 29 und 50 geschlossen und das Ventil 42 geöffnet, um Luft in die Kammer 12 ein strömen zu lassen, so daß sich die Tür 14 öffnen und der Gegenstand 16 entnehmen läßt.

Da die Kammer 12 vor dem Einleiten des Dampfs und wie derum vor der Entnahme des Gegenstands 16 evakuiert wird, sind die mit dem Teildruck der restlichen vor handenen Luft oder mit dem Austrag von giftigem Dampf bei der Entnahme des Gegenstands 16 zusammenhängenden Schwierigkeiten weitgehend beseitigt. Eine gegebenen falls in der Kammer 12 vorhandene Grenzschicht zwischen Luft und Dampf verläuft vorzugsweise ein gutes Stück über dem Gegenstand 16. Obgleich sich die vorstehende Beschreibung auf die Verwendung eines Fluorkohlenstoffs bezieht, welcher ein beträchtlich größeres Molekular gewicht hat als Luft, können auch Dämpfe mit einem erheb lich niedrigeren Molekulargewicht verwendet werden. Gewisse für das Kondensationslöten verwendete handelsübliche Flüssig keiten zeigen bei Verringerung des Drucks eine beträchtlich niedrigere Sättigungstemperatur. Da durch ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Kondensa tionslöten nicht nur bei der dem atmosphärischen Druck zugeordneten Kondensationstemperatur einer Flüssigkeit durchführbar, sondern auch unter Bestimmung einer gewünschten Kondensationstemperatur durch entsprechende Steuerung des Drucks. Zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens verwendbare Flüssigkeiten sind u. A. ein Polyoxypropylen mit einem Molekulargewicht von 950,16 und einem Siedepunkt von 223,9°C bei atmosphärischem Druck, ein handelsüblicher Perfluorpolyäther, ein handelsüblicher Fluor kohlenstoff und ein Vakuumpumpenöl auf Siliconbasis.

Da sich der Verdampfer 26 innerhalb weniger Sekunden nach dem Einschalten auf seine Betriebstemperatur er wärmt und überschüssiger nicht kondensierter Dampf sehr schnell mittels der Vakuumpumpe 52 abgezogen wird, ist ein ziemlich schneller Arbeitszyklus erzielbar. Das Heizelement 68 kann mit einer relativ hohen Strom dichte von z. B. 1000 W/cm³ Material des Elements betrieben werden, so daß ein sehr kompaktes handelsübliches Heizelement 68 ver wendbar ist.

Während die vorstehend beschriebene Vorrichtung Einrich tungen zum Verringern des Innendrucks der Kammer auf weist, enthält eine in Fig. 2 dargestellte andere Aus führungsform der Vorrichtung Einrichtungen zum Aufrecht erhalten eines im wesentlichen atmosphärischen Drucks in der Kammer. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 80 hat eine Kammer 82, welche eine der vorstehend genannten Flüssigkeiten 83, deren Molekulargewicht größer ist als das der Luft, enthält und einen abnehmbaren Deckel 84 aufweist. Nach Abnahme des Deckels 84 ist ein Gegenstand 86, z. B. ein Schaltungsträger, mit darauf angeordneten Lot- Vorformlingen auf eine Unterlage 88 in der Kammer 82 aufsetzbar. Eine sich von der Kammer 82 abwärts zu einer Pumpe 90 erstreckende Leitung 88 führt anschließend über eine Kältefalle 92 und ein Filter 94 zu einem ober halb der Kammer 82 angeordneten Verdampfer 26 der vor stehend anhand von Fig. 1 beschriebenen Art. Der Ver dampfer 26 ist in einer Verdampferkammer 96 enthalten und für die Stromspeisung über einen einen Unterbrecher 99 aufweisenden elektrischen Speisekreis 98 eingerichtet. Die Verdampferkammer 96 ist über eine abwärts führende Leitung 110 mit dem unteren Teil der Kammer 82 verbunden. Der Deckel 84 trägt einen aufrecht stehenden Faltenbalg 112, und im oberen Teil der Kammer 82 ist eine Kühl schlange 114 angeordnet.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird der Gegenstand 86 mit den darauf angeordneten Lot-Vorformlingen auf die Unterlage 88 aufgesetzt und die Kammer 82 mit dem Deckel 84 verschlossen. Dann wird die Pumpe 90 in Gang gesetzt, um die Flüssigkeit 83 über den Verdampfer 26 umzuwälzen, worauf der Unterbrecher 99 geschlossen wird, um den Verdampfer 26 einzuschalten, so daß die Flüssigkeit 83 aufgrund der Jouleschen Erwärmung des Verdampfers 26 verdampft. Der gesättigte oder überhitzte Dampf der Flüssigkeit 83 strömt über die Leitung 110 abwärts in die Kammer 82, in welcher er die darin vorhandene Luft auf derartige Weise verdrängt, daß sich eine scharf begrenzte Grenzschicht zwischen Dampf und Luft oberhalb des Gegenstands und vorzugsweise unterhalb der Kühl schlange 114 ausbildet. Der Dampf kondensiert an den Wänden der Kammer 82, am Gegenstand 86 und an den Lot vorformlingen, so daß diese auf dem Gegenstand 86 zer fließen, wie vorstehend anhand von Fig. 1 erläutert. Darauf wird dann die Pumpe 90 stillgesetzt und der Unter brecher 99 geöffnet. Nach einer gewissen Zeit, während welcher die Flüssigkeit vom Gegenstand 86 ablaufen kann, wird dann der Deckel 84 abgenommen und der Gegenstand 86 aus der Kammer 82 entnommen.

Durch Ausdehnen und Zusammenziehen des Faltenbalgs 112 wird im Inneren der Kammer 82 im wesentlichen atmosphä rischer Druck aufrechterhalten, wodurch sich die Aus wirkungen des von der Luft in der Kammer 82 ausgeübten Teildrucks auf ein Mindestmaß verringern. Hinsichtlich der schnellen Inbetriebnahme und Stillsetzung bietet die Vorrichtung nach Fig. 2 zwar die gleichen Vorteile wie die anhand von Fig. 1 beschriebene, es besteht bei ihr jedoch das Problem des Austrags von Dampf bei der Abnahme des Deckels 84 und Entnahme des Gegenstands 86.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 kann jede für die Konden sationserhitzung geeignete Flüssigkeit unabhängig von ihrem Molekulargewicht verwendet werden, beispiels weise Siliconöle, soweit deren latente Kondensations wärme und andere Eigenschaften annehmbar sind. Dadurch lassen sich die Kosten für die anfängliche Flüssigkeits füllung erheblich verringern, ebenso wie die bei Verwen dung gewisser Flüssigkeiten auftretenden Gefahren für die Gesundheit.

Die Erfindung ist vorstehend zwar im Zusammenhang mit dem Kondensationslöten beschrieben, sie ist jedoch auch für andere Verfahren anwendbar, in denen ein Gegenstand durch die latente Kondensationswärme eines Dampfs erhitzt werden soll.

Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen besteht darin, daß jeweils ein Teil der Flüssigkeit un verdampft bleibt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Temperatur des erzeugten Dampfs an der Außenseite des Heizelements im wesentlichen konstant ist und im wesent lichen der Sättigungstemperatur für die betreffende Flüssigkeit bei dem gegebenen Betriebsdruck entspricht.

Werden Fluorkohlenstoffpolyäther-Flüssigkeiten auf etwa 300 bis 350°C erhitzt, so tritt ihr thermischer Zerfall ein, wobei die Zerfallsprodukte jedoch sämtlich flüchtige Stoffe sind. Die niedrigste Zerfallstemperatur derarti ger Flüssigkeiten liegt gewöhnlich über der zu ihrer Verdampfung notwendigen Temperatur, so daß sich die chemische Zusammensetzung des Flüssigkeiten bei normalem Betrieb des Verdampfers 26 kaum verändert. Bei einem Auftreten von "heißen Stellen" oder anderen fehlerhaften Bedingungen kann es jedoch vorkommen, daß sich die Tem peratur wenigstens eines Teils der Flüssigkeit soweit erhöht, daß sie zu zerfallen beginnt. Da die Zerfalls produkte jedoch flüchtige Stoffe sind, können sie aus dem Verdampfer 26 ausgestoßen werden und zusammen mit der verdampften Flüssigkeit daraus entweichen, so daß die Durchlässigkeit des Materials des Verdampfers 26 kaum beeinträchtigt wird.

Ein zusätzlicher Vorteil der Vorrichtung nach Fig. 1 besteht darin, daß man den Dampfdruck falls erwünscht über den atmosphärischen Druck ansteigen lassen kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines Gegenstands durch Kondensieren eines Dampfes darauf, mit einer Kammer für die Aufnahme des Gegenstandes, die verschließbar ist, und einer Dampfquelle, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Dampfquelle (22; 96) außerhalb der Kammer (12; 82) einen Verdampfer (26) mit einer durchströmbaren, elektrisch leitenden Matrix (68) zum Erwärmen einer Flüssigkeit (31; 83) aufweist, wobei die Matrix so angeordnet ist, daß durch sie die Flüssigkeit fließt und dabei verdampft und
- daß die Vorrichtung (10; 80) eine Pumpe (60; 90), welche die Flüssigkeit durch die Matrix drückt, eine erste Leitung (58) von der Pumpe zum Verdampfer, eine zweite Lei tung (20; 110) vom Verdampfer zur Kammer (12), und eine dritte Leitung (38; 88) von der Kammer zur Pumpe zur Bildung eines geschlossenen Um laufs für Flüssigkeit und Dampf aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vakuumpumpe (52) zum Verringern des Drucks innerhalb der Kammer (12) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (82) ein flexibles Teil (112) zur Aufrechterhaltung eines im wesent lichem atmosphärischen Drucks innerhalb der Kammer aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konden sationskammer (30) mit der Kammer (12) über ein Ventil (29) verbind bar angeordnet ist.

5. Verfahren zum Erhitzen eines Gegenstandes durch Kondensieren eines Dampfes darauf, mit den folgenden Schritten:

- Einsetzen des Gegenstandes in das Innere einer verschließbaren Kammer,
- Verschließen der Kammer, und
- Erzeugen eines Dampfes aus einer Flüssigkeit auf eine solche Weise, daß der Dampf in der Kammer den Gegenstand durch Kondensieren hier auf erwärmt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Dampf dadurch erzeugt wird, daß man die Flüssigkeit (31; 83) durch eine durchströmbare, elektrisch leit fähige Matrix (68) eines Verdampfers (26) hindurchleitet, der außer halb der Kammer (12; 82) angeordnet ist,
- daß die Kammer (12, 82) und der Verdampfer (26) als Teile eines geschlossenen Umlaufs für die Flüs sigkeit und den Dampf betrieben werden und
- daß der kondensierte Dampf aus der Kammer (12; 82) zum Verdampfer (26) zurückgeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb der Kammer (12) vor dem Einleiten des Dampfes abgesenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Innen raum der Kammer (82) auf atmosphärischem Druck hält.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf aus der Kammer (12) abgezogen und in einer Kondensationskammer (30) kon densiert wird.