DE3309839C2

DE3309839C2 - Vorrichtung zum Löten von Werkstücken

Info

Publication number: DE3309839C2
Application number: DE3309839A
Authority: DE
Inventors: Heino 3549 Twistetal Pachschwöll
Original assignee: Zevatron Gesellschaft fur Fertigungseinrichtungen Der Elektronik 3548 Arolsen De GmbH; Zevatron Gesellschaft Fuer Fertigungseinrichtungen Der Elektronik 3548 Arolsen GmbH
Current assignee: Zeva 3548 Arolsen De GmbH
Priority date: 1982-04-02
Filing date: 1983-03-18
Publication date: 1984-07-12
Also published as: DE3309839A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Löten von Werkstücken (29) weist ein Hauptlötbad (20) mit einer Hauptlötwelle (15) auf, mit deren Oberfläche das Werkstück (29) in Berührung gebracht wird. Um auch eng bestückte Leiterplatten durch vollständige Benetzung aller Lötstellen einwandfrei zu löten, ist die Oberfläche durch wenigstens eine zusätzliche Lotaustritts- oder -eintrittsdüse (11) modulierbar.

Description

Die Frrindung betrifft eine Vorrichtung zum Löten von Werkstücken, vorzugsweise von Leiterplatten und Substraten, die mit Chip-Bauelementen und/oder Mikrobausteinen und/oder daraus zusammengesetzten Baugruppen bestückt sind, mit einem Hauptlötbad oder wenigstens einer Hauptlötwelle, mit deren Oberfläche das Werkstück in Berührung gebracht wird.

so Bei Werkstücken mit sehr dichter Bauteilbelegung, wie sie vor allem bei der Chip-Bestückung von Leiterplatten und AbO3-Substraten gegeben ist, besteht sowohl beim Wellen- als auch beim Badlöten das Problem, daß alle zu lötenden Stellen in der erforderlichen Weise vom Lot erfaßt werden.

Aufgrund von Kapillarwirkung und der sich durch die enge Bauteilanordnung bildenden Lufttaschen und Flußmitteleinschlüsse sowie bedingt durch unzureichende adhäsive Wirkung der relativ kleinflächigen Lot-Stützpunkte ist die Benetzung der Lötstellen mit dem ruhenden oder bewegten Lot mittels der bisher bekannten Verfahren nicht oder nur sehr unzureichend möglich.

Die Benetzung wird noch durch die heutzutage ini-

b5 mer mehr gebräuchlichen Legierungen oder Oberflächenbeschichtungen auf den Substraten und den Komponenten erschwert, bei denen es sich vielfach um Nikkei- und Palladiumverbindungen handelt.

Es ist schon bekannt der Hauptlötwelle durch eine Steuerplatte eine bestimmte Struktur zu verleihen (DE-OS 24 58 203, 24 55 629). Auch hat man schon versucht, nacheinander mehrere Lötwellen an der Unterseite des darüber geförderten Werkstückes wirksam werden zu lassen (DD-PS 1 34 437, EP-AS 55 323;. All diese vorbekannten Vorrichtungen lösen aber noch nicht das Problem, daß es immer wieder bei enger Bauteilanordnung zu nicht gelöteten Passagen wegen des Einschlie'jens von Luft oder Flußmittel kommt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung zum Löten von Werkstükken der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der auch eng bestückte Leiterplatten durch vollständige Benetzung aller Lötstellen einwandfrei gelötet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Oberfläche des Hauptlötbades oder der Hauptlötwelle mehrere im Abstand in einer Reihe angeordnete, nach außen vorstehende Kuppen aufweisen.

Bei einer Vorrichtung, bei der die Werkstücke über das Hauptlötbad oder die Hauptlötwelle hinweggeführt und dabei ihre Unterseiten mit dem Lot in Berührung gebracht werden, soll die Ausbildung erfindungsgemäß so sein, daß die Reihe der Kuppen im wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung verläuft.

Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß die Unterseite des zu lötenden Werkstückes mit allseits abfallenden Lötbadkuppen in Berührung gebracht wird. Beim Hinwegführen eines Werkstückes über derartige Kuppen wird den Lufttaschen und etwa noch vorhandenem Flußmittel die Gelegenheit gegeben, vor dem herangeführten flüssigen Lot auszuweichen. Selbst bei enger Bestückung mit Bauteilen wird auf diese Weise eine vollständig gleichmäßige Lötung erzielt. Weiter kann mittels der Kuppen eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Stellen der zu lötenden Werkstücke vorgenommen werden.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung wird also die durch kohäsive Bindung und entsprechende Oberflächenspannung in ihrer Oberflächenform bestimmte Schmelze mittels zusätzlich eingebrachter lokaler Strömungsenergie so in ihrer Oberflächenform verändert, daß ein lokales Eindringen des Lotes in kapillare Hohlräume, sogenannte Nester und Kavernen, ermöglicht wird. Die Modulation der Oberfläche ist demnach dem zu verarbeitenden Werkstück anzupassen. Besonders wichtig ist es, daß durch die Modulation der Oberfläche kleinere konvexe Lotoberflächen (mit größerer Krümmung) auf der Lotschmelze entstehen, welehe vorzugsweise mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit in innigen Kontakt mit den Einzelkonturen der Bauteile gelangen.

Eine vorteilhafte praktische Ausführungsiorm kennzeichnet sich dadurch, daß die Kuppen durch zusätzliehe Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen gebildet sind

In erster Linie wird die Modulation der Oberfläche durch aus den zusätzlichen Lotaustrittsdüsen austretendes Lot hervorgerufen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß durch Loteintrittsdüsen Lot aus dem eo Hauptlötbad oder Hauptlötwelle abgesaugt wird und es dadurch zu einer Depression in der Oberfläche kommt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Durch die individuelle Steuerungsmöglichkeit der beiden ineinanderverschachtelten Haupt- und Zusatzlötsysteme ist es möglich, sowohl die nötige Benetzung durch entsprechende Oberflächenrauhigkeit der Lotschmelze einerseits als auch die erforderliche Konturenschärfe durch den Abriß des Werkstückes aus dem beruhigten Teil der Lotschmelze zu erzielen.

Aufgrund der Tatsache, daß es sich um die Kombination zweier autarker Lötsysteme handelt, ist es möglich, ohne Einbuße der einen Wirkung (z. B. erwünschte Turbulenz) die entgegengesetzte Wirkung (z. B. besonders beruhigte Oberfläche an der Abrißstelle Werkstück/ Lotschmelze) zu erzielen. Mit anderen Worten ist es ein besonderer Vorteil, daß erfindungsgemäß Haupt- und Zusatzlötsystem unabhängig voneinander steuerbar sind. Da sich die Parameter ständig ändern lassen, ist z. B. über ein Codiersystem eine automatische und individuelle Ansteuerung — jeweils auf die gestellte Lötaufgabe bezogen — möglich.

Durch eine periodische Horizontalbewegung der Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen und die daraus resultierende horizontale alternierende Bewegung der aufmodulierten Kuppen senkrecht zur Förderrichtung ist eine direkte Benetzung benachbarter Positionen auf dem Werkstück möglich, ohne daß die Adhäsion unterbrochen wird, so daß damit die Benetzung nicht immer wieder neu wie bei pulsierenden Systemen herbeigeführt werden muß.

Bevorzugt sind die Amplituden der Kuppen periodisch veränderbar, wobei die Veränderung zweckmäßig nicht gleichphasig ist, derart, daß eine in seitlicher Richtung fortschreitende wellenartige Bewegung der Kuppenanordnung entsteht. Durch dieses Pulsieren der Kuppen wird ein besonders gutes Austreiben von Luftoder Flußmitteleinschlüssen gewährleistet. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die periodische Horizontalbewegung der Düsen und die Veränderung der Amplitude kombiniert angewandt werden.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es möglich, Baugruppen mit den vorgenannten Anforderungen und Voraussetzungen unter bekannten Betriebsbedingungen mit arteigenen Betriebsstoffen zu bearbeiten. Die Anwendung artfremder Betriebsstoffe, wie z. B. das Einbringen von Gasen sowie die Unterteilung des Fügeprozesses in getrennte Verfahren, ist hierbei nicht erforderlich. Wenn sich z. B. im Hinblick auf eine günstige Beeinflussung der Oberflächenspannung der Lotschmelze die Notwendigst ergeben sollte, zusätzliche Materialien in die Schmelze einzubringe:: (z. B. oberflächenentspannte Öle, Flußmittel oder Gaskomponenten), so ist ein Zudosieren über das Zusatzlötsystem möglich.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Vorderansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Löten von Werkstükken,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht dieser Ausführungsform,

F i g. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 und

F i g. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer mit einem ruhenden Lötbad arbeitenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Löten von Werkstücken.

Nach Fig. 1 und 2 ist in einem Behälter 19 eine Loischmelze 20 untergebracht, deren Oberfläche 21 sich deutlich unterhalb der oberen Berandung 22 des Behälters 19 befindet.

Innerhalb des Behälters 19 ist ein rlauptlötsystem 23 untergebracht, welches aus einem eine untere Öffnung

24 aufweisenden Pumpenaggregat 25 und einer von diesem gespeisten Hauptlötdüse 17 besteht, die über die Oberfläche 21 der Lotschmelze vertikal nach oben deutlich hinausragt und einen rechteckigen Querschnitt besitzt.

Durch einen nicht dargestellten, geeigneten Antrieb des Pumpenaggregats 25 wird aus der Lotschmelze 20 Lot abgesaugt und entsprechend dem in F i g. 1 wiedergegebenen Pfeil V der Hauptlotaustrittsdüse 17 zugeführt. Dadurch überströmt das Lot die Seiten wände der ι ο Hauptlotaustrittsdüse 17 in der dargestellten Weise und steht oben — wie beim Wellenlöten üblich — über die Lotaustrittsdüse 17 vor. Das Werkstück wird entlang einer strichpunktiert angedeuteten Bahn 26 über die Hauptlotaustrittsdüse 17 hinweggeführt, wo es mit der Hauptlötweüe 15 in Berührung kommt.

Erfindungsgemäß sind innerhalb der Hauptlotaustrittsdüse 17, welche in seitlicher Richtung eine Erstrekkung entsprechend der Breite der Werkstücke 29 hat, nebeneinander zusätzliche Lotaustrittsdüsen 11 mit run- 2ü dem Querschnitt angeordnet, welche unterhalb der oberen Berandung der Hauptlotaustrittsdüse 17 münden und sämtlich die gleiche Höhe aufweisen. Es sind insgesamt fünf derartige Düsen 11 nebeneinander im Abstand vorgesehen. Sie werden über ein Rohr 27 von einem zweiten Pumpenaggregat 13 gespeist, welches ebenfalls eine nach unten zur Lotschmelze 20 offene Ansaugöffnung 28 aufweist. Auf diese Weise wird innerhalb des Hauptlötsystems 23 ein Hilfslötsystem 31 geschaffen.

Indem das zweite Pumpenaggregat 13 durch einen nicht dargestellten Antrieb so in Gang gesetzt wird, daß die Lotschmelze im Sinne des Pfeiles W den Düsen 11 zugeführt wird, tritt aus den oberen Enden der Düsen 11 zusätzlich Lot aus, welches auf der Hauptlötweüe 15 zusätzlich einen seitlichen Abstand aufweisende Kup-ρςη 12 erzeugt, wie das in Fig. 1 im einzelnen dargestellt ist. Durch umgekehrten Antrieb des Pumpenaggregats 13, d. h. durch Absaugen von Lot aus der Hauptlötwelle 15 in die Düsen 11 hinein könnte eine Modulation entsprechend der gestrichelten Darstellung in F i g. i erzielt werden.

Durch vorzugsweise periodische horizontale Hin- und Herverschiebung der Düsen 11 im Sinne des Doppelpfeiles Pin F i g. 1 können die Kuppen 12 der Hauptlötwelle 15 in Querrichtung ständig hin- und herverschoben werden, was den Vorteil hat, daß auch benachbarte Stellen des Werkstückes sicher vom Lot erfaßt und Lufttaschen beseitigt werden, ohne daß die Adhäsion unterbrochen wird. Die Frequenz der Seitenbewegung muß auf die Fördergeschwindigkeit der Werkstükke 29 derart abgestimmt werden d°ß ¹^*⁰ J imarraUa Λο«· Werkstückes 29 vollständig vom Lot benetzt wird.

In F i g. 1 ist auch noch eine weitere Variante gestrichelt veranschaulicht, welche aus einem unterhalb der Mündungen der Lotaustrittsdüsen 11 angeordneten Schieber 10 besteht, der in geeigneten Abständen Öffnungen 9 aufweist und in Richtung des Doppelpfeiles F hin- und herverschiebbar ist In der dargestellten Position sind die erste, dritte und fünfte öffnung 9 des Schiebers 10 mit den zugeordneten Lotaustrittsdüsen 11 ausgerichtet, so daß nur aus diesen Lotaustrittsdüsen Lot nach oben austreten kann, während die zweite und vierte Lotaustrittsdüse 11 abgesperrt sind Wird nunmehr der Schieber 10 nach links verschoben, so werden die erste, dritte und fünfte Lotaustrittsdüse 11 stetig mit weniger Lot versorgt während die zweite und vierte Lotaustrittsdüse stetig geöffnet werden, so daß dort zunehmend immer mehr Lot zugeführt wird. Auf diese Weise wird insgesamt die Queranordnung von Kuppen 12 wellenartig seitlich bewegt, was der Vermeidung von Lufteinflüssen ebenfalls dienlich ist. Bevorzugt wird die Querbewegung in Richtung des Pfeiles P mit der Wellenmodulation gemäß dem Doppelpfeil F kombiniert angewendet.

Statt des gestrichelt angedeuteten Schiebers 10 könnte auch eine stetig drehende, entsprechend ausgebildete Schnecke oder ein anderes periodisch arbeitendes Sperrelement verwendet werden.

Abweichend von der Darstellung in F i g. 1 und 2 könnten auch mehrere Lotaustrittsdüsen 11 in Förderrichtung hintereinander angeordnet werden, um die Gleichmäßigkeit der Lötung zu begünstigen.

Mof^h P i or' 9 bann Hi/* ÄnnrHniincr unn 7iicäf7lir»hpn

Lotaustrittsdüsen 11 zusätzlich um eine senkrecht auf der Zeichnungsebene der Fi g. 2 stehende Achse 16 im Sinne des Doppelpfeiles / verschwenkbar sein, wodurch die von den Düsen 11 erzeugten Kuppen 12 auf der Hauptlötwelle 15 entsprechend modifiziert werden können.

Entsprechend kann auch das Hauptlötsystem 23 um die Achse 16 oder eine andere Achse im Sinne des Doppelpfeils G verschwenkbar sein, wodurch eine weitere Anpassung an verschiedene Lötprobleme möglich ist.

Auch kann — wie in F i g. 2 dargestellt ist — die Förderbahn 26 des Werkstückes 29 schräg aufwärts oder abwärts gerichtet werden, um die optimale Anpassung an die Kuppen 12 der Lötwelle 15 zu gewährleisten.

In den folgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen.

Fig.3 sind die zusätzlichen Lotaustrittsdüsen 11 vor der Hauptlötdüse 17 und etwas tiefer als diese angeordnet Zwischen den Düsen 17 bzw. 11 befindet sich-eine kaskadenartige Wand 18, welche etwas niedriger liegt als die in Förderrichtung befindliche andere Wand der Hauptlötdüse 17, so daß das vom Pumpenaggregat 25 aus der Hauptlötdüse 17 ausgestoßene Lot über die Lotaustrittsdüsen 11 hinweg zur Lotschmelze 20 zurückströmt, und zwar entgegen der Werkstückförderrichtung.

Das durch das Pumpenaggregat 13 aus den Düsen 11 oben ausgestoßene Lot erzeugt auf der Hauptlötwelle 11 wieder Kuppen 12, welche eine stark gekrümmte konvexe Oberfläche aufweisen und so eine verbesserte Lötung an der Unterseite des Werkstückes 29 ermöglichen.

Nach Fig.4 sind die zusätzlichen Lotaustrittsdüsen 11 unter der Oberfläche 21 eines ruhenden Lötbades 14 angeordnet Durch Betätigung des nicht dargestellten Pumpenaggregats 13 tritt oben aus den Düsen 11 zusätzlich Lot aus und erzeugt eine Reihe nebeneinanderliegender Kuppen 12 mit stark konvex gekrümmter Oberfläche, welche mit der Unterseite des Werkstückes 29 in Berührung kommen.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß nach F i g. 2 an der Stelle, wo das Werkstück 29 sich von der Hauptlötwelle 15 trennt, die aus der Hauptlotaustrittsdüse 17 austretende Hauptlötwelle 15 sehr ruhig gestaltet werden kann, wodurch die erforderliche Konturenschärfe gewährleistet wird.

Andererseits kann durch entsprechende höhere Geschwindigkeit des aus den Lotaustrittsdüsen 11 austretenden Lots eine erhebliche Turbulenz im eigentlichen Lötbereich erzielt werden, was die Benetzung der Werkstückunterfläche erheblich begünstigt.

Es ist auch möglich, die Werkstücke oberhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung fest zu positionieren, wobei sich eine bewegliche Anordnung der Düsen als besonders günstig erweist. Es ist aber auch bevorzugt — wie in der Zeichnung dargestellt — die Werkstücke mittels eines Transportsystems über die erfindungsgemäße Vorrichtung hinwegzuführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Löten von Werkstücken, vorzugsweise von Leiterplatten und Substraten, die mit Chip-Bauelementen und/oder Mikrobausteinen und/oder daraus zusammengesetzten Baugruppen bestückt sind, mit einem Hauptlötbad oder wenigstens einer Hauptlötwelle, mit deren Oberfläche das Werkstück in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Hauptlötbades (14) oder der Hauptlcnvelle (15) mehrere im Abstand in einer Reihe angeordnete, nach außen vorstehende Kuppen (12) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Kuppen geradlinig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Werkstücke über das Hauptlötbad oder die Hauptlötwelle hinweggeführt und dabei ihre Unterseiten mit dem Lot in Berührung gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Kuppen (12) im wesentlichen quer zur Förderrichtung verläuft.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kuppen (12) durch zusätzliche Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen (11) gebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Düsen (11) über ein eigenes Pumpaggregat (13) gespeist sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufmodulierten Kuppen (12) unabhängig von der Grundform der Oberfläche in den Strömungsparametern veränderbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen (U) in einer im we-

' sentlichen senkrecht zur Förderrichtung verlaufenden Reihe mit Abstand innerhalb oder an einer Hauptlötwelle (15) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen relativ zum Lötbad (14) oder zur Lötwelle (15) in ihrer Winkeleinstellung veränderbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptlötwelle (15) unabhängig von den Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen (11) im Winkel veränderbar ist.

10. Vorrichtung nach Ansprüche und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Winkeleinstellungen gleichzeitig oder unabhängig automatisch über ein Codiersystem vornehmbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotaustrittsoder -eintrittsdüsen (11) innerhalb einer größeren Hauptlotaustrittsdüse (17) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen (11) vor oder hinter einer Hauptlotaustrittsdüse (17) angeordnet sind, welche die Hauptlötwelle (15) über eine Wand (18) an den Mündungen der l.otau.stritts- oder -eintrittsdüsen (11) vorbeisirömen läßt.

1 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die I lauptlotausirittsdüse (17) eine gleichmäßige, beruhigte Hauptlötwelle (15) erzeugt, welche am Werkstück

eine konstante und reproduzierbare Abreißkante besitzt

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen (11) in einer im wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung verlaufenden Reihe mit Abstand innerhalb eines ruhenden Lötbades (14) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis

14, dadurch gekennzeichnet daß die Lotaustrittsoder -eintrittsdüsen (11) senkrecht zur Förderrichtung und horizontal hin- und herverschiebbar sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen (11) ein weiteres Hilfsmed'um, z. B: öl, Flußmittel oder eine Gaskomponente, dem Lötbad (14) oder der Lötwelle (15) zuführbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Lotaustritts- oder -eintrittsdüsen (11) eine turbulente Strömung führen und im Modulationsbereich hervorrufen.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Amplitude der Kuppen (12) periodisch veränderbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude benachbarter Kuppen (12) nicht gleichphasig veränderbar ist, derart, daß eine in seitlicher Richtung fortschreitende wellenartige Bewegung der Kuppenanordnung entsteht.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptlötwelle (15) und die Förderbahn (26) so angeordnet sind, daß das Werkstück (29) vor und/oder bevorzugt nach den Kuppen (12) ein weiteres Mal mit der Hauptlötwelle (15) in Berührung kommt.