DE3915040A1 - Verfahren zum vorwaermen und/oder abkuehlen von gegenstaenden vor und/oder nach einer dampfphasenbehandlung - Google Patents
Verfahren zum vorwaermen und/oder abkuehlen von gegenstaenden vor und/oder nach einer dampfphasenbehandlungInfo
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Vorwärmen
und/oder Abkühlen von Gegenständen vor und/oder nach einer
Dampfphasenbehandlung, insbesondere einem Dampfphasen-Löten
von bestimmten Leiterplatten oder Baugruppen. Ein derartiges
Dampfphasen-Löten ist insbesondere zum Simultanlöten von
elektrischen Bauelementen auf Leiterplatten oder von ver
schiedenen elektrischen und/oder mechanischen Bauteilen
unterschiedlichster Funktion und Größe geeignet und be
stimmt.
Obwohl die Erfindung nachstehend im wesentlichen in Verbin
dung mit dem Dampfphasen-Löten erläutert wird, ist die Er
findung hierauf jedoch nicht beschränkt. Selbstverständlich
kann das Verfahren nach der Erfindung auch bei der Be
handlung von anderen Gegenständen in gas- und/oder dampfför
migen Medien angewandt werden.
In der deutschen Patentanmeldung P 38 14 870.6 desselben
Anmelders sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Be
handeln von Gegenständen mit einem einzigen gas- oder dampf
förmigen Medium, insbesondere zum Dampfphasen-Löten von Ge
genständen der vorstehend beschriebenen Art angegeben. Bei
den dort gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen von
bevorzugten Behandlungsanlagen ist auf dem Transportweg
für das Behandlungsgut im Einlaßbereich eine Wärmeschranke
angegeben, die beispielsweise von einem Infrarot-Strahler ge
bildet werden kann. Dieser Infrarot-Strahler kann auch zum
Zwecke des Vorheizens des Behandlungsgutes genutzt werden.
Ferner kommt anstelle einer Strahlungserwärmung zum Vorheizen
beispielsweise mittels eines Infrarot-Strahlers auch eine
Vorheizung mittels Umluft in Betracht. Ein Vorheizen mittels
Umluft bringt große Schwierigkeiten bei der Behandlung zum
Dampfphasen-Löten, insbesondere bei einem Durchlaufverfahren
mit sich, da es sich hierbei um einen auf beiden Seiten, d.h.
auf der Eingabeseite und der Ausgabeseite offenes System
handelt, und daher die Gefahr des Mitreißens und Vermischens
mit dem für die Dampfphasenbehandlung bestimmten Dampfphasen
medium besteht. Selbst bei einer Vorheizung mit Hilfe eines
Infrarot-Strahlers, wie dies in der früheren Patentanmeldung
desselben Anmelders angegeben ist, erfolgt die Vorwärmung in
einer relativ großen Entfernung vor dem eigentlichen Bereich
der Dampfphasenbehandlung, so daß sich das Behandlungsgut auf
dem Transportweg bis zur Dampfphasenbehandlung wiederum ab
kühlen kann. Hierbei hat es sich beispielsweise gezeigt, daß
bei einer Aufwärmung des Behandlungsgutes auf 105°C beispiels
weise sich das Behandlungsgut bis zu dem Bereich der eigent
lichen Dampfphasenbehandlung wiederum auf eine Temperatur von
etwa 75°C abgekühlt hat. Bei der Dampfphasenbehandlung, ins
besondere beim Dampfphasen-Löten herrschen im Dampfphasenbe
reich beispielsweise Temperaturen von ca. 215°C. Da aufgrund
des guten und schnellen Wärmeübergangs bei der Dampfphasenbe
handlung das Behandlungsgut sehr schnell auf die Temperatur
von beispielsweise 215°C im Behandlungsbereich aufgewärmt
wird, treten bei dem Eintritt des Behandlungsgutes in den
Dampfphasenbereich beträchtliche Temperaturgradienten auf,
die zu unerwünschten Spannungen im Behandlungsgut führen kön
nen. Insbesondere in der Anfangsphase beim Eintauchen des Be
handlungsgutes in den Dampfphasenbehandlungsbereich können
in den ersten Sekunden hohe Temperaturgradienten in der
Größenordnung von 15 bis 27°C/sec auftreten. Da ferner
bisher zum Vorwärmen viel Zeit (mehrere Minuten) benötigt
wurde, ferner aufgrund der großen Entfernung der Vorwärmung
von dem eigentlichen Dampfphasenbehandlungsbereich wiederum
eine Abkühlung auftrat und daher keine effektive Vorwärmung
möglich war und sich durch entsprechende Einrichtungen für
das Vorheizen sich eine große Baulänge der gesamten Behand
lungsanlage ergab, hat man meist bisher von einer Vorheizung
des Behandlungsgutes Abstand genommen. Auch kann durch das
Vorheizen das auf das Behandlungsgut bereits aufgebrachte
Lot schon angeschmolzen werden, so daß eine Neigung zur Oxi
dation des Lots besteht, wodurch die eigentliche Dampfphasen-
Lötbehandlung nachteilig beeinflußt wird.
In der deutschen Patentanmeldung P 38 40 098.7-24 desselben
Anmelders sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ent
fernen von Lötrückständen bei mittels des Dampfphasen-Lötens
behandelten Gegenständen angegeben. Bei einer im Durchlauf
verfahren arbeitenden Anlage ist hierbei beispielsweise nach
dem Austauchen des Behandlungsgutes aus dem Dampfphasenbe
reich eine Reinigungsanlage zur Entfernung von Lötrückständen
vom Behandlungsgut vorgesehen. Am Beginn dieser Reinigungs
anlage kann eine Temperiereinrichtung vorgesehen sein, die
eine rasche und schonende Abkühlung des Behandlungsgutes auf
eine Temperatur von etwa 175°C gestattet. Hierbei wird das
Dampfphasenmedium in flüssigem Zustand auf das Behandlungsgut
in Form eines Sprühnebels gesprüht. Die Reinigungsbehandlung
erfolgt im Anschluß daran mit Hilfe einer inerten Reinigungs
flüssigkeit, welche zweckmäßigerweise die flüssige Zustands
form des Wärmeübertragungsmediums von der Dampfphasen-Löt
behandlung ist. Diese Reinigungsflüssigkeit wird zweckmäßi
gerweise mit einer Temperatur in einem Bereich von 150 bis
180°C aufgesprüht. Ferner umfaßt die Reinigungsanlage im An
schluß an die vorstehend beschriebene Reinigungsstation eine
Kühlstufe, in der das Behandlungsgut mittels Kondensations
kühlung gekühlt werden kann. Diese Kühlstufe liegt in einer
beträchtlichen Entfernung von dem Dampfphasen-Behandlungs
bereich und arbeitet mit Umluftkühlung, wodurch sich Nach
teile bei einem Durchlaufbehandlungsverfahren ergeben. Daher
wurde bisher eine Kühlung des Behandlungsgutes, d.h. des
Lötgutes, meist nach dem Verlassen der nach dem Durchlauf
prinzip arbeitenden Dampfphasen-Lötanlage vorgenommen.
Da somit die Abkühlung des Behandlungsgutes zu einem rela
tiv späten Zeitpunkt vorgenommen wird, kann es zu einem unerwünschten
Phasenwachstum der intermetallischen Phasen im Lotgefüge kom
men, da dieses Wachstum sich nach der Lötbehandlung auch nach
der Erstarrung des Lotes bei höheren Temperaturen fortsetzen
kann. Diese intermetallischen Phasen haben einen unmittel
baren Einfluß auf die Festigkeit der mittels Dampfphasen-Lö
tens hergestellten Lötverbindung.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, unter Überwindung der zu
vor geschilderten Schwierigkeiten ein Verfahren zum Vorwärmen
und/oder Abkühlen von Gegenständen, insb. vor und/oder nach einer
Dampfphasenbehandlung der gattungsgemäßen Art bereitzustel
len, mittels dem eine effektive Vorwärmung und/oder Abküh
lung des Behandlungsgutes zur Verhinderung von sogenannten
Temperaturschocks auf verfahrenstechnisch möglichst einfache
Weise erreicht werden.
Nach der Erfindung zeichnet sich ein Verfahren zum Vorwärmen
und/oder Abkühlen von Gegenständen vor und/oder nach einer
Dampfphasenbehandlung, insbesondere einem Dampfphasen-Löten
von bestimmten Leiterplatten oder Baugruppen dadurch aus, daß
das Vorwärmen und/oder das Abkühlen in gesteuerter Weise vor
genomnen wird. Hierbei kann das Vorwärmen und/oder das Ab
kühlen schrittweise oder kontinuierlich erfolgen, wobei bei
einer schrittweisen Vorwärmung beispielsweise in einem ersten
Schritt eine Vorwärmung auf etwa 80°C und in einem zweiten
Schritt eine Vorwärmung auf etwa 120°C erfolgen kann.
Insbesondere wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Vor
wärmen und/oder Abkühlen vorzugsweise das Dampfphasenmedium
in flüssiger Form verwendet und mit entsprechend geeigneten
Einrichtungen auf das Behandlungsgut aufgesprüht. Vorzugs
weise läßt sich nach der Erfindung das Verfahren ferner derart
durchführen, daß dieses Dampfphasenmedium in flüssiger Form un
mittelbar vor und/oder nach der Dampfphasenbehandlung einge
setzt wird. In besonders vorteilhafter Weise kann sogar eine
derartige Verfahrensführung erreicht werden, daß das Aufwärmen
und/oder Abkühlen unmittelbar in den Dampfphasenbehandlungs
bereich beim Dampfphasenlöten integriert wird, um möglichst
kurze Wege zu dem eigentlichen Dampfphasenbehandlungsbereich
zu haben.
Im Hinblick auf das Verfahren beim Vorwärmen kann somit das
Dampfphasenmedium in flüssiger Form so gezielt zum Vorwärmen
bzw. Aufheizen genutzt werden, daß man beispielsweise ein
entsprechend auf das Behandlungsgut abgestimmtes vorbestimmtes
Temperaturprofil bei der Vorwärmung erreichen kann. Dieser
aufgesprühte Flüssigkeitsnebel führt zu einer optimalen Vor
wärmung des Behandlungsguts, d.h. des Lötgutes, vor der eigent
lichen Dampfphasenbehandlung. Durch diese Vorwärmung läßt
sich der Temperaturgradient des Behandlungsgutes auf solche
Werte herabsetzen, daß keine Gefährdung des Behandlungsguts,
wie der zu verlötenden Bauelemente, besteht. Bei diesem Ver
fahren ist es im Hinblick auf das Aufwärmen daher möglich, daß
Temperaturgradienten bei dem Eintritt in den Dampfphasenbe
handlungsbereich erreicht werden können, die kleiner als 8°C/s
sind.
Da die Vorwärmung beim erfindungsgemäßen Verfahren unmittelbar
vor dem Eintauchen des Behandlungsgutes in den Dampfphasen
behandlungsbereich vorgenommen wird, besteht nicht die Ge
fahr einer Abkühlung des Behandlungsgutes, so daß sich nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren eine energiesparende und ef
fiziente Aufwärmung verwirklichen läßt. Ferner läßt sich dann,
wenn das Vorwärmungsmedium vom Dampfphasenmedium in flüssi
gem Zustand gebildet wird, eine wesentliche Reduzierung der
Gesamtabmessungen einer derartigen Dampfphasen-Lötanlage er
zielen, daß sich das Verfahren zum Vorwärmen unmittelbar in
die Lötanlage integrieren läßt. Da das Dampfphasenmedium
ein inertes Medium ist, wird bei der erfindungsgemäßen Vor
wärmung auf das Behandlungsgut ein inerter Flüssigkeitsfilm
aufgetragen, welcher einen Kontakt der Lotoberfläche mit Sauer
stoff unterbindet. Durch die Integration des Vorwärmverfah
rens in die eigentliche Dampfphasenbehandlung, wie das Dampf
phasen-Löten wird darüber hinaus erreicht, daß sich die Tem
peraturgradienten beim Vorwärmen in entsprechender Weise ge
nau und gesteuert auf die jeweiligen Eigenschaften des Be
handlungsgutes abstimmen lassen.
Im Hinblick auf die nach der Erfindung beschriebenen Abküh
lung des Behandlungsgutes kann auch diese unmittelbar im An
schluß an das Löten in dem Dampfphasen-Lötbereich vorgenommen
werden, so daß man eine rasche Abkühlung des Behandlungsgutes
auf eine vorgegebene Temperatur auf effiziente Weise erreichen
kann. Daher läßt sich das interkristalline Phasenwachstum in
starkem Maße einschränken, wodurch man qualitativ wesentlich
bessere Lötverbindungen hinsichtlich ihres Gefüges erhält.
Durch die Abkühlung wird daher eine nennenswerte Qualitäts
verbesserung bei den Lötverbindungen hergestellt mittels
des Dampfphasen-Lötens in überraschender Weise erzielt. Dies
wird im wesentlichen noch dadurch unterstützt, daß die Ab
kühlung unmittelbar nach dem Ausfahren des Behandlungsgutes
aus dem Dampfphasenbehandlungsbereich bewirkt wird. Wenn - wie
dies in bevorzugter Weise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgenommen wird - dasselbe Medium wie beim Dampfphasen-Löten
jedoch in flüssigem Zustand eingesetzt wird, sind auch keine
Schwierigkeiten im Hinblick auf chemische Reaktionen beim Ge
samtablauf des Dampfphasen-Lötens zu befürchten. Ähnlich wie
bei der Vorwärmung kommt es bei dem erfindungsgemäßen Abküh
lungsverfahren auch in Betracht, die Abkühlungsphase in einer
sogenannten Gesamtbehandlungskammer vorzusehen, die nicht
nur die Vorwärmphase und den eigentlichen Dampfphasenbe
handlungsbereich, sondern auch den Abkühlungsbereich umfaßt.
Daher können beim erfindungsgemäßen Verfahren komplizierte
und nachgeschaltete Kühlstufen entfallen, so daß man für die
Gesamtanlage für eine derartige Dampfphasen-Lötbehandlung
wesentlich weniger Platz benötigt.
Obgleich voranstehend die Verfahrensweise nach der Erfindung
zum Vorwärmen und/oder Abkühlen erläutert worden ist, fällt
jedoch unter den Erfindungsgedanken auch eine solche Verfah
rensweise, bei der lediglich eine Vorwärmung vorgenomnen
wird. Andererseits sind auch Verfahrensführungen möglich, bei
denen nur die Abkühlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
durchgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachstehenden
Figurenbeschreibung.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist schematisch eine
Dampfphasen-Lötanlage als bevorzugtes Beispiel gezeigt.
Die in der einzigen Figur gezeigte Dampfphasen-Lötanlage ist
in der deutschen Patentanmeldung P 38 40 098.7-24 des gleichen
Anmelders näher beschrieben. Diese Dampfphasen-Lötanlage um
faßt einen Dampfphasen-Lötbereich 2 und einen Reinigungsbe
reich 1. Wie angedeutet, wird das Behandlungsgut ausgehend
von einem Aufgabeende 3 mittels einer Fördereinrichtung 4
auf mehreren Werkstückträgern 5 durch den Dampfphasen-Lötbe
reich 2 und den Reinigungsbereich 1 bis zu einem Ausgabeende
6 der Lötanlage transportiert. Bei dem Beispiel handelt es
sich somit um eine nach dem Durchlaufprinzip und kontinuier
lich arbeitende Dampfphasen-Lötanlage. Natürlich läßt sich
das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Lötanlagen anderer
Bauart, die beispielsweise nach dem Pendelbetriebsystem ar
beiten, anwenden.
Wie mit einem Pfeil 7 angedeutet, kann beispielsweise eine
entsprechende Vorwärmungseinrichtung unmittelbar vor dem
Eintauchen des Behandlungsgutes auf den Werkstückträgern 5
in den Dampfphasen-Bereich 8 der Anlage vorgesehen sein.
Zweckmäßigerweise weist die Vorwärmungseinrichtung ein oder
mehrere Sprühdüsen und/oder Sprühdüsengruppen (nicht darge
stellt) auf, mittels welchen auf das Behandlungsgut ein
Sprühnebel aus dem Dampfphasenmedium in flüssigem Zustand
aufgebracht wird. Entsprechend der jeweils gewünschten Ver
fahrensführung nach der Erfindung wird hierdurch das Be
handlungsgut schrittweise oder kontinuierlich mit Hilfe einer
jeweils geeigneten Steuerung so vorgewärmt, daß man bei dem
Übergang von dem Vorwärmbereich (Pfeil 7) zu dem Dampfphasen-
Bereich 8 einen möglichst geringen Temperaturgradienten am
Behandlungsgut erhält.
Zweckmäßigerweise lassen sich die Verfahrensschritte zum Ab
kühlen bei der in der einzigen Figur dargestellten Lötanlage
mit der Reinigungsbehandlung im Reinigungsbereich 1 kombi
nieren. Der Abkühlungsbereich ist mit 9 angedeutet und
schließt sich zweckmäßigerweise unmittelbar an den Dampfpha
sen-Bereich 8 an, so daß das Behandlungsgut auf den Werkstück
trägern 5 unmittelbar nach dem Austauchen aus dem Dampfphasen-
Bereich 8 einer gesteuerten Abkühlung nach der Erfindung un
terworfen wird. Hierzu wird das Dampfphasenmedium im flüssigen
Zustand auf das Behandlungsgut beispielsweise mit Hilfe von
Sprühdüsen gesprüht, und es kann eine kombinierte Reinigung
und Abkühlung des Behandlungsgutes erzielt werden.
Gegebenenfalls können im Anschluß an den Reinigungsbereich 1
noch weitere Abkühlungsschritte eingeschlossen werden, um
das Behandlungsgut bis zum Ausgabeende 6 beispielsweise auf
Umgebungstemperatur abzukühlen.
Claims (12)
1. Verfahren zum Vorwärmen und/oder Abkühlen von Gegen
ständen vor und/oder nach einer Dampfphasenbehandlung, ins
besondere einem Dampfphasen-Löten von bestimmten Leiterplat
ten oder Baugruppen, dadurch gekennzeichnet,
daß das Vorwärmen und/oder das Abkühlen in gesteuerter Weise
vorgenommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Vorwärmen und/oder das Abkühlen stufenweise vorge
nommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Vorwärmen in einer ersten Stufe eine Aufwärmung auf
etwa 80°C und in einer zweiten Stufe eine Aufwärmung auf
etwa 120°C erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Vorwärmen und/oder Abkühlen kontinuierlich vorge
nommen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Vorwärmen und/oder Abkühlen unmittelbar
vor und/oder nach der Dampfphasenbehandlung vorgenommen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Vorwärmen und/oder Abkühlen das
Dampfphasenmedium in flüssigem Zustand eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Dampfphasenmedium in flüssigem Zustand auf das Be
handlungsgut gesprüht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Abkühlen mit einer Reinigung des
Behandlungsguts kombiniert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Dampfphasenbehandlungsmedium im
flüssigen Zustand mit einer Temperatur zwischen Umgebungs
temperatur und seinem Siedepunkt auf das Behandlungsgut auf
gebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Vorwärmen und/oder Abkühlen
direkt in den Verfahrensablauf zum Dampfphasenlöten inte
griert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Vorwärmen und/oder Abkühlen in der
Behandlungskammer für die Dampfphasenbehandlung vorgenommen
wird.
12. Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 11.
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