DE3915040A1 - Verfahren zum vorwaermen und/oder abkuehlen von gegenstaenden vor und/oder nach einer dampfphasenbehandlung - Google Patents

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.