DE3715940A1 - Infrarot-loetofen zum aufschmelzloeten von elektronischen bauelementen auf leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Lötofen zum Auf­ schmelzlöten von elektronischen Bauelementen auf Leiter­ platten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei dem Aufschmelzlöten werden elektronische Bauelemente insbesondere sogenannte OMB mit Anschlußleitern, wie Quad Packages und Chip Carriers auf Leiterplatten mittels Lot­ pasten aufgelötet. Die Leiterplatten bestehen dabei ins­ besondere aus Epoxydharz mit verzinnten Kupferbahnen. Auf den Leiterplatten wird eine Lotpaste durch Siebdruck, Maskendruck, Stempeldruck oder Dosierer aufgebracht. An­ schließend werden die Bauelemente mit einem Kleber fixiert. Um die Bauelemente mittels der Lotpaste zu fügen, gehört das Infrarotlöten zum Stand der Technik. Um die temperatur­ kritischen Bauelemente zuverlässig aufzulöten und gleich­ zeitig die Prozeßzeiten niedrig zu halten, sind ver­ schiedene Infrarotsysteme entwickelt worden. Diese wirken üblicherweise als Durchlaufsysteme mit einem Wärmezonen­ aufbau oder Heizprofil, welches - abgesehen von einem Vor­ trocknen der Lotpaste - eine Aufheizphase, eine Schmelz­ phase und eine Abkühlphase umfaßt. Für jede Schaltung wird ein geeignetes Heizprofil durch Versuche ermittelt. Dazu müssen der Schmelzpunkt des Lotes, die Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials (Leiterplatten) und die Temperatur­ empfindlichkeit der Flußmittel sowie der Bauelemente be­ rücksichtigt werden. Die Lotpaste erfordert in einer Auf­ heizphase Temperaturen zwischen ca. 130-150°C. In der sich daran anschließenden Schmelzphase soll eine Temperatur von mindestens 20°C über der Schmelztemperatur des Lotes erreicht werden. Die Schmelzphase soll lange genug an­ dauern (ca. 10 Sekunden), um eine ausreichende Benetzung und homogene Verteilung des Lotes zu ermöglichen. Üblich ist es zum Erreichen dieser Temperaturen die Leiterplatten, die für kurzwellige Infrarot-Strahlung durchlässig sind, beidseitig zu bestrahlen. Anschließend sollen die heißen Lötstellen schnell abgekühlt werden. Während des voran­ gehenden Aufheizens soll eine ausreichende Absaugung vor­ handen sein (Druckschrift der Firma DEMETRON "Lotpasten"; Prof. H. Müller "OMB/SMD Oberflächenmontierte Bauelemente in der Leiterplattentechnik", Saulgau 1986).

In den bekannten als Durchlaufsysteme ausgebildeten Infrarot- Lötofen wird das Heizprofil mit der Aufheizphase und der Schmelzphase dadurch erzeugt, daß die bestückten Leiter­ platten oder Substrate durch verschiedene Heizzonen, die in dem Infrarot-Lötofen vorgesehen sind, auf einem Träger hindurchbewegt werden. Jede Zone, die durch Infrarot- Strahler über und unter der Trägerbahn realisiert ist, stellt dabei eine Zone einer zeitlich konstanten Temperatur dar. Die bestückten Leiterplatten oder Substrate werden somit während Zeitabschnitten mit den in den einzelnen Zonen erzeugten Temperaturen beaufschlagt, welche sich aus der Durchlaufgeschwindigkeit des Trägers und der Erstreckung der Zonen in Durchlaufrichtung ergeben. Nachteilig ist dabei, daß sich das Heizprofil nur beschränkt und in auf­ wendiger Weise einstellen läßt, insbesondere da die Aus­ dehnung der Heizzone nicht ohne weiteres variierbar ist und da der Träger sämtliche Zonen mit gleicher Geschwindig­ keit durchläuft. Da mehrere nebeneinanderliegende Heizzonen gebildet werden, beansprucht der Infrarot-Lötofen ein großes Bauvolumen.

Diese Nachteile gelten im wesentlichen auch für einen anderen bekannten Infrarot-Lötofen, der nach einem variierten Durchlaufprinzip arbeitet: In diesem Infrarot-Lötofen werden zwei Heizzonen jeweils mittels Heizplatten unter einem Träger und Strahlern über einem Träger gebildet, auf dem die bestückten Substrate aufliegen. Die Substrate werden zunächst auf dem Träger in eine erste derartige Heizzone zum Aufheizen bzw. Aktivieren der Lotpaste eingeführt. Wenn die Lotpaste genügend erwärmt ist, erfolgt ein Vor­ schub des Trägers in eine zweite Temperaturzone, in der die Lotpaste zum Schmelzen gebracht wird. Die Bedienung dieses Infrarot-Lötofens erfordert eine verhältnismäßig große Aufmerksamkeit.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Infrarot-Lötofen der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß er bei kompakter Bauweise einfach und flexibel auf die jeweils gewünschten Heizprofile einge­ stellt werden kann. Dieser Infrarot-Lötofen soll trotzdem mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden können. Die mit ihm erzielten Aufschmelzlötungen sollen sich durch gleichmäßige Ergebnisse auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung des Infrarot-Löt­ ofens mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß nach der Be­ schickung des Infrarot-Lötofens mit dem als Schieblade ausgebildeten Träger, auf dem die Substrate aufliegen, diese in dem Infrarot-Lötofen fixiert bleiben, während das Heizprofil mit der Aufheizphase und der Schmelzphase durch zeitabhängige Steuerung der über eine geringe Wärme­ trägheit aufweisenden Infrarot-Strahler erfolgt. Die Infrarot-Strahler sind dabei als Flächenstrahler ausge­ bildet und in einem solchen Abstand zu dem Träger ange­ ordnet, daß trotz der festen Relativlage der Substrate zu dem Strahler sämtliche Substrate auf ihrer Auflage­ fläche auf dem Träger gleichmäßig beheizt werden. Die sich an die Schmelzphase zeitlich anschließende Abkühlphase kann ebenfalls in dem Infrarot-Lötofen erfolgen, in welchem die Substrate auf dem Träger in dem Abluftschacht liegen, welcher zur Absaugung der während des Aufheizens und Schmelzens der Lotpaste entstehenden Dämpfe und Gase vor­ gesehen ist. Obwohl mit dem Abluftschacht in dem Infrarot- Lötofen eine geeignete Wärmeisolierung zwischen dem Ofen­ inneren und der Umgebung des Ofens erzielt werden kann, besteht ein besonderer Vorteil des Infrarot-Lötofens darin, daß die mittlere Erwärmung im Inneren des Ofens verhältnis­ mäßig niedrig ist, da die höchste Temperatur während der Schmelzphase nur kurzzeitig eingeregelt wird, während sich daran anschließend das Innere in der Abkühlphase abkühlen kann. Ein wesentlicher Vorteil ist weiter darin zu sehen, daß sich unterschiedliche Heizprofile lediglich durch Einstellung der zeitgesteuerten Temperaturregeleinrichtung erzeugen lassen. Beispielsweise kann die Temperaturregel­ einrichtung durch einen wenig aufwendigen Mikroprozessor und dessen Programmierung erzeugt werden. Es sind jedoch auch andere elektrische Temperaturregeleinrichtungen ein­ setzbar, die von einem Zeitgeber gesteuert werden.

Die Temperaturregeleinrichtung, die den Strom durch die Infrarot-Strahler steuert, kann in einer geschlossenen Regelschleife liegen, in der annähernd die maßgebliche Temperatur durch einen in der Nähe des Trägers angeord­ neten Temperaturfühler erfaßt wird. Die Temperaturregel­ einrichtung regelt dann in Abhängigkeit von einem zeit­ abhängigen Temperatur-Sollwert den entsprechenden Tempera­ tur-Istwert ein.

Als Infrarot-Flächenstrahler, die auf den Ausgangsstrom der Temperaturregeleinrichtung rasch ansprechen, haben sich insbesondere solche mit einer Aufheizzeit von 10 sek. und weniger als geeignet herausgestellt. Geeignete Hochleistungs- Infrarot-Flächenstrahler sind beispielsweise solche der Firma Thermal Quarz-Schmelze GmbH, die als mittelwellige Infrarot-Strahler unter der Typenbezeichnung FS 400 angeboten werden.

Das Abkühlen der Substrate mit den aufgelöteten Bauelementen kann durch die Zwangsbelüftung mit einem Lüfter erfolgen, der in dieser Phase durch die Temperaturregeleinrichtung eingeschaltet oder auf höhere Leistung umgeschaltet wird.

Zusätzlich kann die Temperatur in der Nähe des Trägers durch den in dessen Nähe angeordneten Temperaturfühler und einer Temperaturanzeigeeinrichtung, die auf der Frontseite des Infrarot-Lötofens ablesbar ist, nach Anspruch 5 überwacht werden.

Zum Beschicken des Infrarot-Lötofens und zur Entnahme der Substrate mit den aufgelöteten Bauelementen ist der Infrarot- Lötofen zweckmäßig nach Anspruch 3 ausgebildet. Die Be­ schickung kann somit durch Betätigung des Elektromotors halb-automatisch erfolgen. Sie kann aber auch rein manuell durchgeführt werden, ohne die Antriebseinrichtung mit dem Elektromotor zu beschädigen, da in diesem Fall der Elektro­ motor durch den Reibradantrieb von der Schieblade im wesent­ lichen entkoppelt wird.

Eine Steuerung des Elektromotors zum Beschicken des Infra­ rot-Lötofens und zur Entnahme der Substrate ist in Anspruch 4 angegeben.

Eine besonders zweckmäßige Ausbildung der Schieblade, welche mit dem Träger die Auflagefläche der Substrate umfaßt, ist in Anspruch 6 dargestellt. Der aus einem Drehgitter be­ stehende horizontale Teil der Schieblade kann dabei von den unter der Schieblade angeordneten Infrarot-Strahlern weitgehend ungehindert durchstrahlt werden. Die vordere vertikale Schiebladenwand ist dagegen wärmeisolierend aus­ gebildet, damit wenig Wärme nach außen dringt und die Schieblade auch manuell ohne weiteres betätigt werden kann. Zusätzlich dient eine hintere ebenfalls vertikale Schiebladenwand dazu, daß Innere des Infrarot-Lötofens nach außen dann abzuschotten, wenn die Schieblade herausgezogen ist, damit auch in diesem Fall ein Abluftstrom in dem Ab­ luftschacht ungestört geführt wird und das Innere des Infrarot-Lötofens weiter abgekühlt werden kann.

In der besonders zweckmäßigen Ausführungsform nach Anspruch 7 sind die Temperaturregeleinrichtung und die Steuerung des mit der Schieblade gekuppelten Elektromotors ebenfalls in dem kompakten Infrarot-Lötofen gegenüber den Infrarot- Strahlern temperaturisoliert angeordnet. Zweckmäßig ist weiter eine Kühlung der Temperaturregeleinrichtung und der Steuerung des Elektromotors vorgesehen, die wirkungs­ mäßig von dem Abluftschacht getrennt ist.

Im einzelnen weist der Aufbau des Infrarot-Lötofens zweck­ mäßig die Merkmale nach Anspruch 8 auf. Danach erfolgt eine thermische Trennung des Abluftschachts und der in dem Ab­ luftschacht liegenden Infrarot-Strahler sowohl gegenüber der verhältnismäßig wärmeempfindlichen Temperaturregel­ einrichtung und der Steuerung des Elektromotors als auch gegenüber der äußeren Umgebung des Infrarot-Lötofens.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit fünf Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Infrarot-Lötofen von der Seite gesehen,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Infrarot-Lötofen von vorne gesehen entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 eine Vorderansicht auf den Infrarot-Lötofen,

Fig. 4 eine Seitenansicht auf die Schieblade und deren Antriebsorgane, und

Fig. 5 die Schieblade und deren Antriebsorgane in einer Draufsicht.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird in einem Gehäuse 1 des Infrarot-Lötofens ein inneres Gehäuse durch die Wände 3-8 seitlich begrenzt. Das innere Gehäuse stellt einen Abluftschacht 2 dar, der in einen oberen Stutzen 9 zum Abzug der Abluft übergeht. Der Abluftschacht wird durch einen Querstromlüfter 10, der Luft aus der in der Zeichnung im einzelnen nicht dargestellten Öffnung 11 ansaugt, zwangs­ belüftet. Einige der Pfeile, welche die Luftströmung dar­ stellen, sind mit 12-22 bezeichnet. Aus Fig. 2 ist ins­ besondere ersichtlich, daß die Luftströmung nicht nur innerhalb des inneren Gehäuses verläuft, sondern auch außerhalb dieses Gehäuses, siehe Pfeile 21 und 22. Die Zwangsbelüftung durch den Querstromlüfter 10 wird durch die Kaminwirkung in dem inneren Gehäuse unterstützt. Die Luftströmung zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse bildet im wesentlichen die Wärmeisolierung nach außen.

Gemäß Fig. 1 sind weiterhin Wärmeleitflächen 23, 24 vorge­ sehen, welche das innere Gehäuse zusätzlich gegenüber einer Temperaturregeleinrichtung 25 und Elektromotor- Steuereinrichtung 26 thermisch abschotten.

In dem Gehäuse ist eine allgemein mit 27 bezeichnete Schieb­ lade verschiebbar gelagert. Hierzu umfaßt die Schieblade zwei Schienen 28 und 29, zwischen denen eine Antriebsstange 30 in fester Verbindung mit der Schieblade steht. Die Antriebsstange steht über ein Reibrad 31 und eine Andruck­ rolle 32 mit einem Elektromotor 33 in Verbindung. Die Schieblade weist eine vordere doppelwandige Schiebladen­ wand 34 auf, die wärmeisolierend wirkt, sowie eine hintere Schiebladenwand 35, die als Verschlußblech an der Öffnung 36 dient, wenn die Schieblade herausgezogen ist. Zwischen der vorderen Schiebladenwand 34 und der hinteren Schieb­ ladenwand 35 erstreckt sich ein Gitter als Auflagefläche 37 der Substrate oder bestückten Leiterplatten, von denen eine in Fig. 1 mit 38 bezeichnet ist.

Aus den Fig. 1 und 2 kann entnommen werden, wie parallel zu der Auflagefläche 37 und im Abstand zu der Auflagefläche oberhalb und unterhalb dieser Auflagefläche Infrarot-Flächen­ strahler 39-42 angeordnet sind. Der Abstand der Flächen­ strahler 39-42 zu der Auflagefläche 37 beträgt dabei wenigstens 150 mm. Bei den Flächenstrahlern handelt es sich um mittelwellige Infrarot-Strahler einer geringen Wärmeträgheit. - Aus Fig. 2 sind noch Anschlußkästen für die Infrarot-Strahler ersichtlich, die mit 43 und 44 be­ zeichnet sind.

Aus Fig. 2 kann ferner entnommen werden, wie im einzelnen ein Temperaturfühler 45 in der Nähe der Auflagefläche 37 angeordnet ist, so daß die von den Infrarot-Strahlern in diesem Flächenbereich hervorgerufene Temperatur erfaßt, mit der Temperaturregeleinrichtung 25 zur Erzeugung eines vorgegebenen Heizprofils zeitgesteuert geregelt und zu­ sätzlich mit einer Temperaturanzeigeeinrichtung 46 auf einer Frontseite 47 des Gehäuses angezeigt werden kann.

In der Frontseite sind ferner ein Schalter 48 zum Ein- und Ausschalten des Infrarot-Lötofens, d.h. zur Herstellung dessen Betriebsbereitschaft, sowie eine Starttaste 49 angeordnet. Durch Betätigen der Starttaste 49 wird der zeitliche Ablauf eines Heizprofils einschließlich einer anschließenden Abkühlphase initiiert. Zuvor wird die Schieblade 27 vorzugsweise durch den Elektromotor 33 herausgefahren, damit die Auflagefläche mit den bestückten Substraten bzw. Leiterplatten belegt werden kann. Nach automatischem Einzug der Schieblade - die auch manuell erfolgen kann - werden die Infrarot-Strahler 39-42 mit Strömen zur Erzeugung des gewünschten Heizprofils beauf­ schlagt. Die Kühlung erfolgt dabei durch den Querstrom­ lüfter 10, der eingeschaltet bleibt, wenn in der Abkühlphase die Infrarot-Strahler abgeschaltet sind. Anschließend wird die Schieblade 27 vorzugsweise wiederum mit Hilfe des Elektromotors 33 aus dem Gehäuse 1 herausgeschoben, so daß die Leiterplatten mit den aufgelöteten Bauelementen gegebenenfalls nach weiterer vorangehender Abkühlung außerhalb des Gehäuses 1 bequem entnommen werden können.

Mit der zeitgesteuerten Temperaturregeleinrichtung 25 kann insbesondere ein solches Heizprofil auf der Auflagefläche 37 erzeugt werden, daß zum Vortrocknen während etwa einer Minute 80°C erreicht werden, daran anschließend bis etwa 150°C während einer Minute erreicht werden und schließ­ lich während einer Lötphase von etwa 4,5 sek. 220°C auf­ treten, woran anschließend abgekühlt wird.

Claims (8)

1. Infrarot-Lötofen zum Aufschmelzlöten (Reflowlöten) von elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten mittels einer Lotpaste in dem die Leiterplatten auf einem für Infrarot-Strahlung durchlässigen Träger aufliegen, über und unter welchem Träger Infrarot-Strahler angeordnet sind, welche die mit den Bauelementen bestückten und mit der Lotpaste versehenen Leiterplatten während einer Aufheizphase und einer Schmelzphase mit unterschied­ lichen Temperaturen beheizen, wonach die Leiterplatten abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als Schieblade (27) nur zum Einführen der bestückten Leiterplatten (38) in den Infrarot-Lötofen in diesen einschiebbar und zum Kühlen und Entnehmen der Leiterplatten (38) mit den aufgelöteten Bauelementen aus diesem herausschiebbar ist, jedoch im übrigen fixiert ist, daß als Infrarot-Strahler Infrarot-Flächen­ strahler (39-42) mit geringer Wärmeträgheit parallel zu dem Träger (Auflagefläche 37) in so großen Abständen zu diesem angeordnet sind, daß sie eine Auflagefläche der bestückten Leiterplatten (38) gleichmäßig aufheizen, daß der Träger (Auflagefläche 37) und die Infrarot- Strahler in einem zwangsbelüfteten Abluftschacht (2) in dem Infrarot-Lötofen angeordnet sind und daß die Infrarot-Strahler von einer zeitgesteuerten Temperatur­ regeleinrichtung (25) gespeist werden.

2. Infrarot-Lötofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Infrarot-Flächenstrahler (39-42) mit einer Aufheiz­ zeit von 10 sek. und weniger.

3. Infrarot-Lötofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieblade (27) über einen Reibradantrieb (31, 32) durch einen Elektromotor (33) in den Infrarot-Lötofen einschiebbar und aus diesem herausziehbar ist.

4. Infrarot-Lötofen nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine derartige Steuerung des Elektromotors (33), daß dieser die Schieblade (27) mit den Leiterplatten (38) nach Beendigung der Aufheizphase aus dem Infrarot-Löt­ ofen herausschiebt.

5. Infrarot-Lötofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Infrarot-Lötofen ein Temperaturfühler (45) in der Nähe des Trägers (Auflagefläche 37) angeordnet ist und daß der Temperaturfühler (35) mit einer Tempera­ turanzeigeeinrichtung (25) auf der Frontseite (47) des Infrarot-Lötofens verbunden ist.

6. Infrarot-Lötofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Schieblade (27) ausgebildete Träger einen horizontalen, im wesentlichen aus einem Drahtgitter be­ stehenden Teil als Auflagefläche (37) der Leiterplatten (38) aufweist, der zwischen einer vorderen wärme­ isolierenden Schiebladenwand (34) und einer hinteren Schiebladenwand (35) liegt.

7. Infrarot-Lötofen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregeleinrichtung (25) und die Steuerung des mit der Schieblade (27) gekuppelten Elektromotors (33) ebenfalls in dem Infrarot-Lötofen angeordnet sind und gekühlt sind.

8. Infrarot-Lötofen mit einem Gehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) der Abluftschacht (2) von der Temperaturregeleinrichtung (25) und der Steuerung (26) des Elektromotors (33) durch mindestens ein Wärmeleit­ blech (23, 24) getrennt ist und daß weitere Wärmeleit­ bleche (Wände 3-8) den Abluftschacht (2) innen von dem Gehäuse (1) abschirmen.