DE3879529T2

DE3879529T2 - Verfahren und vorrichtung zum aufschmelzloeten mittels fokussierter konvektion.

Info

Publication number: DE3879529T2
Application number: DE8888301182T
Authority: DE
Inventors: Karl E Bahr; Sedrick, Jr
Original assignee: Hollis Automation Inc
Current assignee: Electrovert Usa Corp (ndgesd Staates Delaw
Priority date: 1987-02-20
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2008-02-13
Also published as: KR970004026B1; EP0279604A3; IE880283L; US4771929A; ATE87253T1; EP0279604A2; EP0279604B1; JPS63215371A; DE3879529D1; CN88100726A; BR8800682A; KR880010645A

Description

Diese Erfindung betrifft Systeme zum Löten von elektrischen und elektronischen Bauteilen auf Trägerkarten, und speziell eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Komplettaufschmelzlöten von elektrischen und elektronischen Bauteilen auf der oberen und/oder unteren Fläche von Trägerschaltungskarten oder ähnlichem in einem einzigen Durchgang. Die Erfindung wird besonders zum Löten von oberflächenmontierten Einrichtungen (SMDs) wie Chips oder ähnlichem auf gedruckten Schaltungskarten angewendet und wird in Verbindung mit einer solchen Anwendung beschrieben.
Als Antwort auf jüngste Forderungen nach kompakten elektronischen Vorrichtungen und Instrumenten gibt es das Bestreben, kleine, dünne elektronische Chipbauteile zu verwenden, z. B. oberflächenmontierte Bauteile oder Einrichtungen zum Anbringen auf gedruckten Schaltungskarten anstelle von konventionellen, diskreten Bauteilen mit Anschlußleitern. Das Aufkommen der Technologie der oberflächenmontierten Bauteile erforderte von den Entwicklern der Schaltungskarten eindrucksvolle, neue Ebenen der Leistungsfähigkeit und stellte gleichzeitig dem Produktionsingenieur neue Herausforderungen.
In der Technik sind verschiedene Verfahren zum Komplettlöten von oberflächenmontierten Bauteilen (und/oder Trägern hierfür) auf einer Schaltungskarte vorgeschlagen. Ein Verfahren enthält das Befestigen der Bauteile auf einer Schaltungskarte, z. B. mittels Epoxy oder ähnlichem, dann wird die Karte gedreht und die gedrehte Karte und die befestigten Bauteile mit geschmolzenem Lot in Berührung gebracht, indem die gedrehte Karte und die befestigten Bauteile durch geschmolzenes Lot, z. B. durch den Kamm einer stehenden Lotwelle, geführt werden. Ein solches Verfahren wird im U.S. Patent Nr. 4 465 219 von Kenshi Kondo beschrieben.
Es wurde auch vorgeschlagen, oberflächenmontierte Bauteile auf einer Schaltungskarte durch Verwendung einer Lötcreme oder -paste oder eines Lötformteils oder ähnlichem zu löten. Bei diesen Verfahren nach dem Stand der Technik sind die oberflächenmontierten Bauteile ausgerichtet auf einer Schaltungskarte zusammen mit geeigneten Lötformteilen oder einer Lötcreme oder -paste aufgesetzt, und die Schaltungskarte und die aufgesetzten Bauteile werden auf eine Temperatur aufgeheizt, die ausreichend ist, das Lot aufzuschmelzen. Das Aufheizen des Lots zum Aufschmelzen kann erreicht werden durch das Backen der Schaltungskarte und der Bauteile in einem Strahlungsofen oder ähnlichem. Alternativ können die Schaltungskarte und die Bauteile in einen Dampf eingetaucht werden, der auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Lots aufgeheizt ist, was dem sogenannten Dampfphasenlöt- oder Kondensationslötverfahren entspricht. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in den U.S. Patenten Nr. 3 866 307 und 4 321 031 beschrieben. Das Aufschmelzlöten mit einer Wärmestrahlungsheizung und das Dampf- bzw. Kondensationslöten haben einen gewissen Grad von gewerblicher Nutzung erreicht, obwohl jedes Verfahren einige Nachteile aufweist. Das Aufschmelzlöten mit Wärmestrahlungsheizung weist die Gefahr auf, daß Bauteile überhitzt werden, was eine Beschädigung der hitzeempfindlichen Bauteile verursachen kann, außerdem ist das Aufschmelzlötverfahren mit Wärmestrahlungsheizung empfindlich gegen Abschattung von hintereinanderliegenden Bauteilen und/oder Unterschiede der thermischen Absorption aufgrund von unterschiedlichen optischen und/oder Massenmerkmalen der Bauteile, wodurch es für viele Anwendungen nicht völlig zufriedenstellend ist. Außerdem ist das zum Bilden des Dampfes beim Kondensationslöten verwendete Fluid sehr teuer, und die durch thermische Zersetzung erzeugten Produkte des Fluids sind gesundheitsschädlich. Ferner erfordert sowohl das Lötverfahren mit Wärmestrahlungsheizung wie auch das Kondensationslötverfahren relativ lange Aufwärmzeiten und Umwandlungszeiten für das Lot.
Das U. S. Patent Nr. 4 600 137 von Matthias F. Comerford mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR MASS SOLDERING WITH SUBSEQUENT REFLOW SOLDERING, welches auf den gemeinsamen Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein verbessertes Komplettlötsystem, welches die vorgenannten und anderen Nachteile des Standes der Technik überwindet und auch das Komplettlöten von Bauteilen auf beiden Seiten einer gedruckten Schaltungskarte in einem einzigen Durchgang erlaubt. Genauer gesagt, in Übereinstimmung mit dem von Comerford patentierten Lötverfahren wird eine Schaltungskarte, die sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Karte angeordnete Bauteile enthält, zuerst einem ersten Komplettlötarbeitsschritt ausgesetzt, bei dem die obere Fläche der Karte und die darauf befindlichen Bauteile in Berührung mit geschmolzenem Lot gebracht werden, indem sie durch den Kamm einer stehenden Lotwelle geführt werden. Wie berichtet, führt der erste Komplettlötarbeitsschritt der Karte einen wesentlichen Wärmestrom zu, der durch die obere Fläche der Karte geleitet wird. Ein zusätzlicher Wärmestrom wird dann der oberen Fläche der Karte zugeführt, um vorher aufgebrachte Lötcreme oder -paste oder Lötformteile auf der oberen Kartenseitenfläche aufzuschmelzen. Das von Comerford patentierte Lötsystem enthält eine Flußmittelstation, bei der Flußmittel auf die Unterseite der Schaltungskarte aufgebracht werden kann, eine Vorheizstation, bei der das Flußmittel verflüssigt wird und die Karte zum Löten vorbereitet wird, eine erste Komplettlötstation, bei der die untere Fläche der gedruckten Schaltungskarte in Berührung mit einem Becken mit geschmolzenem Lot gebracht wird, und eine zweite Komplettlötstation, bei der vorher aufgebrachte Lötcreme oder -paste oder Lötformteile auf der oberen Fläche der gedruckten Schaltungskarte erhitzt werden, so daß sie aufschmelzen. In einer bevorzugten Ausführung des von Comerford patentierten Lötsystems enthält die erste Lötstation eine Schwallöteinrichtung, die aus zwei eine Welle bildenden Lotsammelbehältern besteht, die eine erste Düse zum Ausbilden einer zweiseitigen Welle und eine zweite Düse zum Ausbilden einer zweiten, im wesentlichen einseitigen Welle enthalten, und die zweite Komplettlötstation eine Konvektionsheizungsanordnung, die aus einer geheizten Düse oder mehreren geheizten Düsen zum im wesentlichen vertikalen Leiten eines erhitzten Fluidstroms nach unten auf die obere Fläche der Karte besteht. In einer besonderen, bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält das geheizte Fluid geheizte Luft. Die von Comerford patentierte Vorrichtung wird vervollständigt durch Mittel zum Befördern der zu lötenden Schaltungskarten nacheinander in einer zeitlich bestimmten Abfolge zwischen der ersten Komplettlötstation und der zweiten Komplettlöt- bzw. Aufschmelzstation.
In dem Patent von Comerford wird auch erwähnt, daß die Wärmestrahlungs- und Konvektionsheizmittel miteinander kombiniert werden können.
Das von Comerford patentierte Komplettlötsystem ist in von Hollis Automation, Inc., beziehbaren Komplettlötsystemen enthalten und wird als entscheidender Vorteil und Beitrag zur Technik des Komplettlötens angesehen. Obwohl das oben oben beschriebene, von Comerford patentierte Komplettlötsystem zum Komplettlöten von ausschließlich oberflächenmontierte Bauteilen enthaltenden Schaltungskarten verwendet werden kann, ist das von Comerford patentierte Komplettlötsystem zu komplex zum Löten von Schaltungskarten, die keine mit Anschlüssen versehenen Bauteile aufweisen.
Es wird anerkannt, daß es aus der US-A-3 515 330 bekannt ist, eine kontinuierlich und mit heißer Luft arbeitende Durchsteck-Komplettlötvorrichtung zu verwenden, die eine thermostatische Steuerung der Temperatur in einem eine Konvektionsheizung verwendenen Heizbereich benutzt.
Die Erfindung stellt eine wie in Anspruch 1 abgegrenzte Vorrichtung und ein wie in Anspruch 6 abgegrenztes Verfahren bereit, die jeweils im Oberbegriff die in dem Patent von Comerford offenbarten Merkmale aufgreifen.
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung bezieht sich der Begriff "Bauteil" auf sogenannte oberflächenmontierte Bauteile oder Einrichtungen, wie Chipbauteile und auch Träger für diese. Der Begriff "Bauteilanschluß" bezieht sich auf den Teil des Metalleiters eines elektrischen oder elektronischen Bauteils, der mit der Struktur einer gedruckten Schaltungskarte verbunden ist. Der verwendete Begriff "Kontaktfläche" bezieht sich hier auf den Abschnitt der metallischen Struktur auf der gedruckten Schaltungskarte, mit dem ein Bauteil oder ein Bauteilanschluß mittels Lot verbunden ist, die hier mit Bezug auf die Schaltungskarte verwendeten Begriffe "obere Fläche" und "untere Fläche" beziehen sich einfach auf entgegengesetzte Kartenflächen der Schaltungskarte; die Begriffe "oben" bzw. "unten" kennzeichnen die räumliche Ausrichtung der Schaltungskarte nur insoweit, als sie in der Lötvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bearbeitet wird. Der Begriff "Komplettaufschmelzlöten" bezieht sich auf das Lötverfahren, bei dem die Lötverbindungen durch Aufschmelzen von vorher auf eine Schaltungskarte aufgebrachten Lötformteilen oder von Lötcreme bzw. -paste ausgebildet werden. Der hier mit Bezug auf die Konvektionsheizmittel verwendete Begriff "Zwangskonvektion" soll angetriebene Konvektionsheizmittel, wie in der Erfindung angewendet, von natürlicher Konvektionsbewegung unterscheiden. Die hier mit Bezug auf die Konvektionsheizmittel verwendeten Begriffe "relativ geringe Geschwindigkeit" und "relativ hohe Geschwindigkeit" werden als relative Begriffe verwendet.
In einer bevorzugten Ausführung weist das System Mittel zum Befördern der zu lötenden Schaltungskarten nacheinander in einer zeitlich bestimmten Abfolge zwischen der ersten Zone (Vorheizzone) und der zweiten Zone (Aufschmelzzone) auf.
Für ein besseres Verständnis des Ziels der vorliegenden Erfindung wird auf die nachfolgende, ausführliche Beschreibung einer auschließlich beispielhaft gegebenen bevorzugten Ausführung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Nummern gleiche Teile bezeichnen. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1 eine Seitenansicht, die schematisch ein die vorliegende Erfindung enthaltendes Komplettlötsystem darstellt;
- Fig. 2 eine Draufsicht eines Abschnitts des in Fig. 2 gezeigten Komplettlötsystems;
- Fig. 3 eine Ansicht der Rückseite des in Fig. 1 gezeigten Komplettlötsystems;
- Fig. 4 eine graphische Darstellung von Messungen, die das Profil der Temperatur über der Zeit auf der oberen Fläche von Schaltungskarten darstellt, die das in den Figuren 1 bis 3 dargestellte und in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung arbeitende Komplettlötsystem durchlaufen; und
- Fig. 5 eine vergrößerte und vereinfachte Zeichnung, die die in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung erzielten Heizwirkungen darstellt.
Mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 wird eine gedruckte Schaltungskarte 14 an einer nicht dargestellten Einsetzstation mit mehreren elektrischen oder elektronischen Bauteilen 18 auf der oberen Fläche 20 der Karte bestückt. Zur günstigeren Darstellung sind nur die auf die obere Fläche der Karte aufgesetzten Bauteile dargestellt. Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird, ist die Erfindung ebenso zum Aufschmelzlöten von Bauteilen auf der oberen und/oder unteren Fläche einer Schaltungskarte verwendbar. Die Karte 14 ist eine isolierte Verdrahtungskarte, die einen oder mehrere metallische, nicht dargestellte Leiter auf der oberen Fläche 20 der Karte aufweist. Die Bauteile 18 sind in bekannter Weise an geeigneten Stellen auf der oberen Fläche der Karte mittels einer auf die Bauteilanschlüsse und die Kontaktflächen der Schaltung aufgebrachten Lötpaste oder ähnlichem zeitweilig befestigt. Falls gewünscht, können die Bauteile 18 auch mittels eines auf die Bauteilkörper aufgebrachten Epoxyklebers oder ähnlichem an der Schaltungskarte befestigt werden.
Die die Bauteile tragende Karte wird dann in ein Fördermittel 12 zum Befördern durch die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführte Aufschmelzlötvorrichtung, die allgemein mit 30' bezeichnet wird, eingelegt. Die Aufschmelzvorrichtung 30' ist unterteilt in eine Vorheizzone, die mehrere funktionale, mit den nachfolgend beschriebenen Hitzebehandlungszonen und der Temperaturbeschreibungszone aus Fig. 4 übereinstimmende und mit den römischen Nummern I bis IV bezeichnete Hitzebehandlungszonen enthält, und eine mit der römischen Nummer V bezeichnete Aufschmelzzone. Wie nachfolgend beschrieben wird, erlaubt das Unterteilen der Aufschmelzvorrichtung 30' in mehrere Hitzebehandlungszonen ein Steuern des Aufheizens, wodurch ein gewünschter Temperaturanstieg und eine Stabilisierung der Temperatur erreicht, ein Überhitzen und/oder ein ungenügendes Aufheizen von einzelnen Bauteilen jedoch vermieden wird.
Ausführlicher mit Bezug auf die Figuren 1 und 4, und wie detailliert nachfolgend beschrieben werden wird, wird in der Vorheizzone I das Aufheizen hauptsächlich durch eine Infrarot-Wärmequelle bei gleichzeitig wenig oder keiner zusätzlichen Erhitzung durch Gaskonvektion bewirkt. In der Vorheizzone II wird die Infrarotheizung durch eine Konvektionsheizung mit einem heißen Gas mit relativ geringer Geschwindigkeit ergänzt, um den Temperaturanstieg aufrechtzuerhalten, während teilweise die Temperaturunterschiede ausgeglichen werden, die aus von Reflektionen, Abschattungen und Verschachtelungen der Bauteile untereinander beeinflußten Infrarot-Absorptionsverhältnissen resultieren. In der Vorheizzone III wird ein Aufheizen hauptsächlich durch eine Konvektionsheizung mit erhitztem Gas mit relativ niedriger Geschwindigkeit erreicht, wobei wahlweise eine Infrarotheizung vorgesehen ist. Die Vorheizzone III trägt zum Temperaturanstieg bei, während sie weiter die Temperaturunterschiede der Bauteile ausgleicht und einen Energieausgleich zwischen der Bauteiltemperatur und der Lufttemperatur herstellt. Die Vorheizzone IV enthält zusätzlich Konvektionsheizmittel mit einem heißen Gas mit relativ geringer Geschwindigkeit zum Aufheizen der Schaltungskarte und der Bauteile bis gerade unterhalb der Aufschmelztemperatur des Lotes. In der Aufschmelzzone V wird schließlich ein Aufheizen durch ein oder mehrere heiße Gasmesser erreicht, die einen Konvektionsgasstrom mit relativ hoher Geschwindigkeit ausbilden, der die Bauteile und die obere Fläche der Schaltungskarte auf eine Temperatur oberhalb der Aufschmelztemperatur des Lotes aufheizt.
Mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 der Zeichnungen werden nun die von der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Hitzebehandlungszonen detailliert beschrieben. Obwohl in einigen Fällen andere Strömungsmittel als Luft für das Heißgasarbeitsfluid der Konvektionsheizung verwendet werden können und als innerhalb des Bereiches und des Geistes der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden, ist im allgemeinen das bevorzugte Arbeitsfluid Luft. Insbesondere enthält die Vorrichtung ein elektrisch angetriebenes Gebläse 38 mit veränderbarer Geschwindigkeit, welches zwischen seinem Einlaßrohr 40 und einem Zufuhrluftverteiler 42 eingesetzt ist, welcher wiederum zum Führen von Luft zu verschiedenen kleineren Verteilern und Düsen, die ausführlich nachfolgend beschrieben werden, ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Steuersystem 44 angeschlossen, welches Temperatureingangssignale von innerhalb des Gehäuses 46 der Aufschmelzstation 30' angebrachten Sensoren empfängt, die beispielhaft durch den mit 48 bezeichneten Sensor dargestellt sind. Vorzugsweise sind Temperatursensoren innerhalb der einzelnen Verteiler angeordnet. Temperatursensoren und die verschiedenen, sie verwendenden Steuersysteme sind in der Technik gut bekannt und im Handel erhältlich, weshalb sie zur Vereinfachung und zur Vermeidung von Überflüssigem nicht ausführlich beschrieben werden.
Das Steuersystem 44 ist wirkungsmäßig verbunden mit dem Gebläse 38 zum Steuern seiner Geschwindigkeit, einem Schieber 50 zum Steuern der Mischung von Außenluft 52 mit rückgeführter Gehäuseluft 54, die aus dem Gehäuse 46 zum Verteiler 42 gepumpt wird, einem oder mehreren nicht dargestellten Schiebern oder Ventilen zum Steuern des Volumens und der Temperatur von zu den verschiedenen und nachfolgend im Detail beschriebenen Luftauslaßdüsen geleiteter, erhitzter Luft, und (wahlweise) einer in Reihe geschalteten Heizung 56, um dem System Wärme zuzuführen, wenn die Gehäuseluft 54 allein keine ausreichende Temperatur aufweist, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.
Eine typische Anordnung der Vorheizzonen I, II und III ist in der Draufsicht von Fig. 2 und in der Ansicht der Rückseite von Fig. 3 dargestellt. Ein Satz von beabstandeten Verteilern 58A, 58B, 58C ist oberhalb und unterhalb des die gedruckten Schaltungskarten 14 tragenden Fördermittels 12 angeordnet. Die Verteiler 58A, 58B, 58C sind mit dem Zufuhrluftverteiler 42 verbunden, um Konvektionsluft 60 durch Einlaßöffnungen 59 zu erhalten, und enthalten mehrere nach oben und nach unten gerichtete Düsen 61, aus denen erhitzte Luft 60 austritt, um über die Kartenfläche der gedruckten, zwischen ihnen hindurchgeleiteten Schaltungskarte 14 zu strömen. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Düsen 61 zwischen Reihen von untereinander beabstandeten Infrarotheizmitteln 28A, 28B, 28C angeordnet. Diese enthalten vorzugsweise Quarzlampen oder Heizungen mit hoher Leistung, wie sie üblicherweise in Infrarot-Vorheizmitteln in Komplettlötsystemen verwendet werden. In gleicher Weise sind Seitenverteiler 63 auf gegenüberliegenden Seiten des Fördermittels 12 angeordnet und ebenso mit dem Zufuhrheißluftverteiler 42 verbunden, um Konvektionsluft 60 durch Einlaßöffnungen 62 zu erhalten. Die erhitzte Luft kann durch geeignete, nicht dargestellte Rückführmittel in der Nähe der Enden des Gehäuses 46 eingefangen und zurückgeführt werden. Alternativ können die Seitenverteiler als Rückführung ausgebildet werden.
Eine Reihe oder mehrere Reihen von Infrarot-Heizmitteln 28A, 28B und 28C in der Vorheizzone können unabhängig voneinander betrieben werden und enthalten eine unabhängige Prozeßsteuerung. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält die Vorheizzone sechs getrennt gesteuerte Reihen von Infrarot- Heizmitteln, die in drei Reihen oberhalb und drei Reihen unterhalb der Bewegungsbahn der Schaltungskarten angeordnet sind. Die Verteiler 58A, 58B, 58C und 63 sind in gleicher Weise angeordnet, so daß der aus diesen Verteilern ausströmende Luftstrom und die Lufttemperatur getrennt gesteuert werden können. In einer besonderen, bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Temperatur der aus den ersten Reihenverteilern 58A und 63A ausströmenden Luft so eingestellt, daß sie geringfügig kälter ist als die erwartete Temperatur, die von der Schaltungskarte und den Bauteilen erreicht wird, wodurch ein Temperaturausgleich bewirkt wird. In den Vorheizzonen II, III und IV ist die Temperatur der aus dem Verteiler ausströmenden Luft gleich oder geringfügig höher als die Vorheizzieltemperatur für die Karte und die Bauteile.
Die Auswirkung dieser Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Niedrige Bauteile 66 werden durch höhere Bauteile 68 von der Aufnahme der durch die Linien 70 dargestellten Infrarotstrahlung abgeschattet. Unter der Annahme, daß eines der abschattenden Bauteile 68 die Infrarotstrahlung absorbiert und die durch die Wellenlinien 72 dargestellte Rückstrahlungswärme abgibt, strömt die Konvektionsluft 60, die durch die gestrichelten und so bezeichneten Linien dargestellt ist, über, unter, um und durch die Bauteile 66, 68, wobei sie Wärme von den überhitzten, abstrahlenden Bauteilen aufnimmt und diese kühlt und diese Wärme zu den kälteren, nicht genügend geheizten Bauteilen überträgt. Der Gesamteffekt besteht aus einer Stabilisierung des gesamten Temperaturprofils der Karte 14 und der Bauteile 66, 68 bei einer Temperatur in der Nähe der Temperatur der Luft 60. Folglich kann durch Steuern der Geschwindigkeit des Gebläses 38 und der Mischung von Außenluft 52 und Innenluft 54 (und, falls notwendig, des in Reihe geschalteten Heizmittels 56) ein gewünschtes Temperaturprofil erreicht werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt, können eine oder mehrere einstellbare Düseneinheiten 74, die zum wahlweisen Erhalten von erhitzter Luft 60 angeschlossen sind, vorgesehen werden, um selektiv einen Luftstrom auf besonders problematische Bauteile während eines speziellen Lötvorganges zu richten. Auf diese Weise können ausgewählte Bauteile selektiv gekühlt oder erhitzt werden, wodurch eine gleichmäßigere und stetigere Temperatur der verschiedenen Bauteile auf der Karte erreicht wird und folglich die unterschiedlichen Infrarot-Absorptionsverhältnisse aufgrund von Reflexionen, Abschattungen und Verschachtelungen ausgeglichen werden. Obwohl aus Gründen der Vereinfachung nicht speziell gezeigt oder hier beschrieben, wird der Fachmann erkennen, daß jede der Vorheizzonen I, II und IV der Vorrichtung getrennt von einer Pumpe versorgt, gemischt und/oder von einer getrennten Temperatursteuerung nach den Erfordernissen des jeweiligen Vorgangs beheizt werden kann.
Das Heißluftmesser 76 der Vorheizzone III bildet vorzugsweise einen Heißluftstrom 60 mit höherer Geschwindigkeit aus als der in den Vorheizzonen I, II und IV verwendete und kann, falls gewünscht, auch ein getrenntes Heizmittel innerhalb seines Zufuhrverteilers 78 enthalten.
Die Zone V enthält den Aufschmelzabschnitt des in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Lötsystems. In der bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält die Zone V drei getrennt gesteuerte Heißluftmesser 80, 82 und 84, deren Ausführung den Heißuftmessern entspricht, die aus dem U.S. Patent Nr. 4 410 126 von Harold T. O'Rourke, welches auf den gemeinsamen Rechtsnachfolger übertragen wurde, bekannt sind. Die Heißluftmesser 80, 82 und 84 werden mit einer höheren Temperatur und einer höheren Durchflußrate als die der oben beschriebenen Heißluftdüsen der Vorheizzonen I bis IV betrieben. Anders als die Heißluftdüsen der Vorheizzonen I bis IV, die hauptsächlich zur Steigerung des thermischen Ausgleichs betrieben werden, sind die Heißluftmesser der Vorheizzone V hauptsächlich dafür ausgelegt und werden betrieben, um ausreichend zusätzliche Wärme zum im wesentlichen gleichmäßigen Erhöhen der Temperatur der Karte und der Bauteile zuzuführen, damit die Lötcreme oder -paste und/oder die Lötformteile auf der Karte aufschmelzen. Während die in den Vorheizzonen I bis IV verwendete Luft im allgemeinen eine Temperatur in einem Bereich von Umgebungstemperatur bis ungefähr 177ºC (350ºF) aufweist, sollte die in der Aufschmelzzone V verwendete Luft folglich eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 180ºC bis 480ºC (ungefähr 350ºF bis ungefähr 900ºF) oder höher aufweisen.
Bei einigen Anwendungen kann die in den Vorheizzonen I bis IV verwendete Luft etwas höhere Temperaturen aufweisen, z. B. bis zu ungefähr 260ºC (500ºF) oder noch höher. Jedenfalls ist aufgrund der in den Vorheizzonen I bis IV verwendeten relativ geringen Luftströmungsraten beim Betrieb mit diesen höheren Temperaturen die Wärmezufuhr im allgemeinen nicht ausreichend, um ein Aufschmelzen in den Zonen I bis IV zu bewirken. Die Luftströmungsraten können empirisch eingestellt werden, um in den Zonen I bis IV die gewünschte Temperaturangleichung und in der Zone V das gewünschte Aufschmelzen zu erreichen. Die jeweiligen Strömungsraten hängt von einer Vielzahl von Variablen ab, die die Zieltemperaturen, die Wärmezufuhr von den Infrarot-Heizmitteln, die Anzahl, Größe, Anordnung und Beabstandung der Luftdüsen oder Luftmesser, Umgebungstemperaturen und Arbeitslast enthalten. Entsprechend dem Ziel dieser Erfindung sind im allgemeinen gute Ergebnisse erreicht worden, wenn die Konvektionsheizmittel mit relativ geringer Geschwindigkeit mit einer an der Luftdüsen- bzw. Luftmesserauslaßöffnung gemessenen Luftströmungsrate von ungefähr 3 m/s bis 15 m/s (ungefähr 10 bis ungefähr 50 Fuß pro Sekunde) betrieben werden, und das Konvektionsheizmittel mit relativ hoher Geschwindigkeit mit an der Luftdüsenbzw. Luftmesserauslaßöffnung gemessenen Luftströmungsraten von ungefähr 15 m/s (50 Fuß pro Sekunde) betrieben wird.
Vorversuche zeigen, daß der thermische Ausgleich der vorliegenden Erfindung den Verfahrensdurchsatz von üblicherweise 470 bis 710 cm³ (1,0 bis 1,5 fpm) eines reinen Infrarot-Aufschmelzsystems auf mindestens 1200 bis 1650 cm³ (2,5 bis 3,5 fpm) steigern kann. Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, verhindert außerdem der in den Vorheizzonen I bis IV erzielte thermische Ausgleich fast völlig die Möglichkeit einer Bauteil- oder Kartenbeschädigung aufgrund eines thermischen Schocks und/oder aufgrund von Überhitzung.
Um ein gleichmäßigeres Aufheizen der Bauteile und der Oberfläche der Schaltungskarte zu erreichen, ergießt sich oder strömt das erhitzte Konvektionsgas mit relativ geringer Geschwindigkeit in Verbindung mit der Infrarot-Vorheizung in die Vorheizzone bzw. die Vorheizzonen. Die Strömung der erhitzten Konvektionsluft mit niedrigem Druck und niedriger Geschwindigkeit bewirkt eine verbesserte Verteilung der Bauteil- und Kartenoberflächentemperatur. Offensichtlich muß die Strömung des Konvektionsgases in den Vorheizzonen I bis IV über die Schaltungskarte und die Bauteile mit einer Geschwindigkeit strömen, die ausreicht, die Oberflächentemperaturen gleichmäßiger zu verteilen, die aber nicht so hoch ist, daß sie die Bauteile beeinträchtigt. Die Strömung der Konvektionsluft vermindert folglich die Temperatur von Bauteilen mit einer hohen Infrarotabsorption und erhöht die Temperatur von Bauteilen mit einer niedrigeren Infrarotabsorption.
Ein Merkmal und Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das System üblicherweise verschwendete Wärme verwendet, indem die von den Infrarotmitteln erzeugte Wärme innerhalb des Systemgehäuses zurückgeführt wird. Wenn aber die zurückgeführte Luft einen stabilen Zustand erreicht, der höher liegt als der gewünschte Bereich zum Vorheizen oder zum Aufschmelzlöten, kann ohne weiteres zusätzliche Umgebungsluft durch eine von einem Heißleiter gesteuerte Schiebereinlaßöffnung zugeführt werden. Falls nötig, kann zusätzliche Wärme durch eine Wärmequelle innerhalb des Luftverteilers bereitgestellt werden.
Wie oben dargestellt, enthält die Aufschmelzzone V ein oder mehrere Heißluftmesser, Fluidstrahlrohre, Schlitze, Düsen oder dergleichen, die mit 80, 82 und 84 bezeichnet sind und die einen erhitzten Fluidstrom mit relativ hohem Druck (z. B. Luft) auf die obere Fläche der Karte leiten. Unter gewissen Umständen kann ein einziges Luftmesser verwendet werden; jedoch wurde herausgefunden, daß wenigstens zwei oder vorzugsweise drei Luftmesser zum Erreichen der gewünschten Verbesserung des thermischen Ausgleichs beim gleichzeitigen Erzielen eines guten Lotaufschmelzens bevorzugt werden. Wenn mehrere Heißluftmesser in der Aufschmelzzone V verwendet werden, ist zusätzlich festgestellt worden, daß das Betreiben des ersten Heißluftmessers mit der normalen Aufschmelztemperatur des Lotes oder sogar geringfügig unterhalb der Aufschmelztemperatur der thermische Ausgleich weiter erhöht. In diesem Fall sollte das verbleibende Heiß luftmesser oder die verbleibenden Heißluftmesser 82, 84 so ausgelegt werden, daß sie die Luft auf eine Temperatur von ungefähr 400ºC vorheizen, damit die notwendige Wärmezufuhr zum Erreichen der Aufschmelztemperatur bereitgestellt wird. Die Luftströmung von den Heißluftmessern 82 und 84 sollte selbstverständlich eine ausreichende Geschwindigkeit aufweisen, damit der gewünschte Wärmeübergang bereitgestellt wird, so daß eine ausreichende Wärmezufuhr zum Bewirken des Aufschmelzlötens erzielt wird, die von der Bauteildichte, etc. abhängt.
Die Zielbetriebstemperaturen werden sich auch in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Lotlegierung verändern.
Die Vorrichtung wird durch ein allgemein mit 12 bezeichnetes Fördersystem vervollständigt. Dieses ist von üblicher Ausführung und enthält typischerweise ein nicht dargestelltes Paar von beabstandeten Förderschienen und ein nicht dargestelltes, geeignetes Antriebsmittel. Vorzugsweise arbeitet das Fördersystem 12 in einer im wesentlichen horizontalen Ebene, so daß die bearbeiteten Karten durch das Fördermittel 12 entlang einer im wesentlichen horizontalen Bewegungsbahn getragen werden. Das Betreiben in der horizontalen Lage minimiert mögliche Probleme der Bauteilverschiebung auf der Kartenoberfläche und erleichtert auch die Be- und Entladungsübergänge.
Ein spezielles Merkmal und ein spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit, eine im wesentlichen gleichförmige Erhöhung der Temperatur der Bauteiloberfläche einer Schaltungskarte in einem Aufschmelzvorgang auszubilden, die unabhängig von der Temperatur und dem Farbeinfluß auf den Reflexionsgrad der Bauteile, von Abschattung und von Verschachtelung und ähnlichem ist, wodurch eine gleichmäßigere Aufheizung und Lötung der Bauteile bei der Verhinderung einer möglichen thermischen Beschädigung von einzelnen Bauteilen ermöglicht wird. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung beinhalten einen verbesserten Energiewirkungsgrad aufgrund des Einfangens und Rückführens der von den Infrarotmitteln erhitzten Luft und der Vermeidung von teuren und potentiell gefährlichen Chemikalien, wie sie für Dampfaufschmelzlötsysteme benötigt werden. Zusätzlich erlaubt die vorliegende Erfindung eine Notfallabschaltung unter gewissen Bedingungen, die die Möglichkeit einer Beschädigung der Karten verhindert oder wenigstens wesentlich reduziert, sie erlaubt einfache und schnelle Wartung und Reparatur und erlaubt eine schnelle Einstellung der gesamten Systemtemperaturen, so daß Aufwärmphasen und Produktumstellungen schnell und einfach durchgeführt werden können. Zusätzlich minimiert die Schnelligkeit des durch die gebündelte, erhitzte Konvektionsluft in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erzielten Aufschmelzens intermetallisches Wachstum an den Verbindungsstellen, da die Zeit, in der die Anschlüsse der Umgebung ungeschützt ausgesetzt sind, extrem kurz ist.
Es können verschiedene Änderungen ausgeführt werden, z. B. können Infrarot- Heizmittel zum Bereitstellen einer zusätzlichen Wärmezufuhr in der Aufschmelzzone V enthalten sein. Die Verbindung von Infrarotheizmitteln und Konvektionsheizmitteln kann vorteilhaft auch zur Temperaturangleichung in dem Komplettlötsystem von Comerford (U.S. Patent Nr. 4 600 137) verwendet werden. Ebenso können, falls gewünscht, Zwangskühlmittel direkt nach der Aufschmelzzone V vorgesehen sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Aufschmelzlöten für die Komplettlötung von elektrischen und elektronischen Bauteilen, die zumindest auf einer Fläche einer Schaltungskarte (20) angeordnet sind, die als Kombination enthält: mehrere Vorheizzonen (I, II, III, IV) und eine Lotaufschmelzzone (V), und Mittel (12), um die Karte (20) nacheinander durch diese Zonen zu befördern, wobei die Vorheizzonen die Kombination von Infrarotheizmitteln (28) und Konvektionsheizmitteln (58) zum Aufheizen dieser Karte (20) und der Bauteile bis auf eine Temperatur unmittelbar unterhalb der Temperatur des Aufschmelzlötens aufweisen, und wobei die Lotaufschmelzzone Konvektionsheizmittel (80-84) zum Leiten eines erhitzten Gasstroms über die Karte (20) und die Bauteile enthält, um die Temperatur dieser Karte (20) und dieser Bauteile ausreichend zu erhöhen, so daß darauf Lotformteile und/oder Lötpaste oder -creme aufgeschmolzen werden;

dadurch gekennzeichnet, daß jede Vorheizzone (I, II, III, IV) Heizmittel zumindest auf der gleichen Seite der Schaltungskarte wie die oder eines der Konvektionsheizmittel (80-84) der Lotaufschmelzzone besitzt, so daß die Fläche der Schaltungskarte direkt von allen Vorheiz- und Lotaufschmelzzonen (I bis V) erhitzt werden kann, und daß die Vorrichtung ein Steuersystem (44) für die Konvektionsheizmittel (58) besitzt, das auf die Temperatur im Gehäuse anspricht, um den Durchsatz und die Temperatur des erhitzten Gasstroms an jeder entsprechenden Vorheizzone (I, II, IV) auf vorbestimmte Werte festzulegen, damit die Wärmezufuhr zu jeder Vorheizzone eingestellt wird, um eine vorbestimmte stetige Temperaturerhöhungsrate der Karte (20) und der Bauteile zu liefern, während sie durch diese Vorheizzone befördert werden, wobei die Temperatur als eine Funktion der Zeit über aufeinanderfolgende Vorheizzonen eingestellt wird, wodurch ein Überhitzen von einzelnen Bauteilen vermieden wird, die Temperaturunterschiede zwischen Abschnitten der Karte (20) und einzelnen Bauteilen jedoch ausgeglichen werden.

2. Vorrichtung zum Aufschmelzlöten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizzonen (I, II, III, IV) in einem Gas enthaltenden Gehäuse (46) aufgenommen sind, wobei die Vorrichtung Rückführungsmittel zum Entziehen von heißem Gas, das durch Wärmestrahlung von den Bauteilen erhitzt worden ist, aus dem Behälter und zum Rückführen von zumindest einem Teil des entzogenen Gases als Konvektionsstrom für die Konvektionsheizmittel (58, 80-84) enthält.

3. Vorrichtung zum Aufschmelzlöten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich enthält:

a) Heizungsmittel (56), die in Reihe mit den Rückführungsmitteln angeordnet sind, um dem rückgeführten Gasstrom zusätzliche Wärme zuzuführen, bevor er in das Gehäuse (46) als dieser Konvektionsstrom rückgeführt wird, und Temperatursteuerungsmittel (48) zum Erfassen der Temperatur im Gehäuse (46) und zum Einstellen der Heizungsmittel (56) enthalten, um den rückgeführten Gasstrom auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen; oder

b) Mittel, die wirkungsmäßig an die Rückführungsmittel angeschlossen sind, um ein kühleres, äußeres Gas in den rückgeführten Strom vor dem Wiedereinführen desselben in das Gehäuse (46) einzuführen, und Temperatursteuerungsmittel (56) zum Erfassen der Temperatur in dem Gehäuse und zum Einstellen des Gemisches des äußeren Gases und des rückgeführten Stroms auf eine vorbestimmte Temperatur enthalten.

4. Vorrichtung zum Aufschmelzlöten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich enthält: einstellbare Düsenmittel (61) zum Führen eines Teils des Konvektionsstroms über und um ausgewählte Bauteile.

5. Vorrichtung zum Aufschmelzlöten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotaufschmelzzone (V) zumindest eine messerschneidenartige Heißluftdüse zum Führen des erhitzten Gasstroms auf die Karte (20) und die Bauteile besitzt.

6. Verfahren zum Komplettaufschmelzlöten von elektrischen und elektronischen Bauteilen, die zumindest auf der oberen Fläche (20) einer Schaltungskarte angeordnet sind, durch ausreichendes Erhitzen der Karte und der Bauteile, so daß darauf Lotformteile, Lötpaste oder -creme aufschmelzen, um darauf beliebige Bauteile mit der Karte zu verbinden, das die Schritte in der folgenden Reihenfolge enthält:

a) Aussetzen der Karte und der Bauteile einer Kombination von Infrarot- und Konvektionserhitzung, wobei die Temperatur der Karte und der Bauteil bis unmittelbar unter die Lotaufschmelztemperatur erhöht wird; und

b) Führen eines erhitzten Gasstroms über die obere Fläche der vorgeheizten Karte und der Bauteile, wobei die Temperatur der Karte und der Bauteile ausreichend erhöht wird, so daß darauf beliebige Lötformteile, Lötpaste oder Lötcreme aufschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schritt a) zumindest die obere Fläche der Karte und die Bauteile darauf der Kombination von Infrarot- und Konvektionserhitzung in mehreren aufeinanderfolgenden Vorheizzonen (I, II, III, IV) ausgesetzt werden, und die Wärmezufuhr zu jeder Vorheizzone eingestellt wird, in dem die Konvektionsheizwerte so gesteuert werden, daß der Durchsatz und die Temperatur des erhitzten Gasstroms bei jeder entsprechenden Vorheizzone (I, II, IV) so festgelegt werden, daß eine vorbestimmte stetige Temperaturerhöhungsrate der Karte und der Bauteile erhalten wird, während sie aufeinanderfolgenden Vorheizzonen ausgesetzt werden, wobei die Temperatur als Funktion der Zeit über aufeinanderfolgende Vorheizzonen eingestellt ist, wodurch ein Überhitzen einzelner Bauteile vemieden wird, die Temperaturunterschiede zwischen Abschnitten der Karte und einzelnen Komponenten jedoch ausgeglichen werden.

7. Verfahren zum Komplettaufschmelzlöten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorheizen innerhalb eines Gas enthaltenden Gehäuses (46) durchgeführt wird und den Schritt des Entziehens eines heißen Gases, das durch die Wärmestrahlung von den Bauteilen erhitzt worden ist, aus dem Gehäuse und des Rückführens von zumindest einem Teil des entzogenen Gases für die Konvektionserhitzung umfaßt.

8. Verfahren zum Komplettaufschmelzlöten nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Schritte des Erfassens der Temperatur im Gehäuse (46) und entweder des Erhitzens des rückgeführten Gases auf eine vorbestimmte Temperatur, oder anderenfalls des Mischens eines äußeren Gases mit dem rückgeführten Gas auf eine vorbestimmte Temperatur.

9. Verfahren zum Komplettaufschmelzlöten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Führen eines Teils des rückgeführten Gase über und um einige ausgewählte Bauteile.

10. Verfahren zum Komplettaufschmelzlöten nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch Führen eines ersten, mit relativ geringer Geschwindigkeit strömenden erhitzten Gasstroms über und um die Karte, Bauteile und Lot, wodurch kühlere Bauteile erhitzt und heißere Bauteile gekühlt werden, um dadurch die Bauteile bei einer im wesentlichen gleichmäßigen Temperatur wenig unterhalb der Lotaufschmelztemperatur vor dem Aufschmelzen zu stabilisieren, wobei das den Schritt a) darstellt, und Führen eines zweiten, mit relativ hoher Geschwindigkeit strömenden erhitzten Gasstroms als schmaler messerschneidenartiger Strom gegen die Bauteile und die Karte, wodurch zusätzlich zumindest die obere Fläche der Karte (20), das Lot und die Bauteile auf eine Temperatur oberhalb der Lötaufschmelztemperatur erhitzt werden, wobei das den Schritt b) darstellt.