DE4238597A1 - Heizstrahler insbesondere für Lötofen zum Aufschmelzlöten von elektronischen Bauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizstrahler, insbesondere für Lötofen zum Aufschmelzlöten (Reflowlöten) von elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im bekannten Infrarot-Lötofen zum Aufschmelzlöten sind ober­ halb und unterhalb eines zur Infrarot-Strahlung durchlässigen Trägers Infrarot-Flächenstrahler angeordnet, die bevorzugt Infrarot-Strahlung mittlerer Infrarot-Wellenlange abgeben (DE-OS 38 08 073). Es können dabei zur Bildung der gewünschten Heizfläche mehrere Flächenstrahler nebeneinander angeordnet werden. Bisher wurden mittelwellige Infrarot- Strahler handelsüblicher Bauweise eingesetzt, die beispielsweise unter der Typen-Bezeichnung FS 400 der Firma Thermal Quartz-Schmelzen GmbH angeboten werden. Die sich über mindestens die Fläche einer Leiterplatte erstreckende Heizfläche ist nach bisherigem Wunsch gleichmäßig durch die infrarot-Strahler zu bestrahlen, deshalb eine Reihe solcher infrarot-Strahler benötigt werden kann. Bei Ausfall eines dieser Infrarot-Strahler wird die Heizfläche ungleichmäßig erwärmt. Die handelsüblichen Heizstrahler sind außerdem relativ aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizstrahler, insbesondere zur Verwendung in Infrarot- Lötofen, so weiterzubilden, daß der Heizstrahler ohne Zusammensetzung aus mehreren Strahlerelementen an eine gewünschte Heizfläche angepaßt werden kann, außerdem robust, zuverlässig und in der Herstellung wenig aufwendig ist.

Diese Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß der Heizstrahler eine begrenzte Fläche eines Drahtgewebes umfaßt, welche an wenigstens zwei Randbereichen mit Elektroden leitend verbunden ist.

In einer alternativen Ausführungsform nach Anspruch 2 besteht der Heizstrahler im wesentlichen aus einer begrenzten Fläche eines Bleches, das ebenfalls an mindestens zwei Randbereichen mit Elektroden in leitender Verbindung steht.

Diese Heizstrahler zeichnen sich durch geringe Herstellungs­ kosten aus, da sie, wie noch gezeigt wird, mit handels­ üblichen Drahtgeweben oder Stahlblechen realisiert werden können. Sie lassen sich in betriebssicherer Weise mit Schutz­ kleinspannungen bis 24 Volt, typisch 12 Volt betreiben. Bevorzugt wird der Heizstrahler mit einer Gleichspannung bzw. einem Gleichstrom beheizt, der für die verschiedenen Phasen des Aufheizens und Abkühlens bei dem Aufschmelzlötverfahren eine gute Regelbarkeit mit wenig aufwendigen Mitteln ge­ stattet.

Bei der Verwendung eines Drahtgewebes als Heizstrahler nach Anspruch 1 bleibt dieser Heizstrahler weitgehend funktions­ fähig, auch wenn ein stromführender Draht des Drahtgewebes unterbrochen sein sollte. Die Heizfläche wird trotzdem annähernd gleichmäßig durch die benachbarten Drähte des Drahtgewebe s beheizt.

Nach Anspruch 3 ist das Drahtgewebe besonders zweckmäßig zwischen den Elektroden eingespannt, indem es mittels wenig­ stens einer Feder unter Zugspannung gehalten ist. Damit wird erreicht, daß das sich bei Erwärmung dehnende Gewebe nicht aus einer planen Ebene nennenswert ausbiegt, was den Abstand zu der Heizfläche in welcher die Leiterplatte mit den aufzulötenden elektronischen Bauelementen liegt, störend beeinflussen würde. Im einzelnen bleibt durch entsprechende Anordnung der Feder oder mehrerer Federn das Draht­ gewebe straff gespannt, indem durch die Federn dessen Längs­ dehnung aufgenommen wird. Eine Querdehnung des Drahtgewebes wird teilweise durch die Gewebeart unterdrückt.

Ein handelsübliches, wenig aufwendiges, aber gut geeignetes Drahtgewebe weist eine Struktur der Glatte- oder Leinen­ bindung auf. Hier werden die Drähte in Längsrichtung und Querrichtung durch die Bindung gegenseitig genügend sicher gehalten, wobei sie sich gleichwohl, insbesondere bei Dehnung unter Aufhebung der Haftreibung so zu einander verschieben können, daß die gleichmäßige Struktur des Gewebes erhalten bleibt und das Gewebe nach wie vor in einer im wesentlichen planen Ebene liegt.

Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen elektrischen Durchströmung des Drahtgewebes und damit gleichmäßiger Wärmeabgabe an die beheizte Fläche - die oben als Heizfläche bezeichnet ist- aber auch zur optimalen Streckung bei Wärmeausdehnung des Drahtgewebes weist der Heizstrahler die Kombination der Merkmale nach Anspruch 5 auf, wonach die Fläche des Heizgewebes annähernd rechteckförmig ist, wobei zwei Elektroden entlang zu einander gegenüberstehenden Bereichen an dem Drahtgewebe angebracht sind, der Gestalt, daß die Drähte (Längsdrähte), die an den Elektroden gefestigt sind, annähernd rechtwinklig zu den Elektroden orientiert sind und wobei an wenigstens einer Elektrode wenigstens eine Feder mittelbar oder unmittelbar angreift.

Die gleichmäßige Erwärmung der beheizten Fläche wird weiterhin dadurch wesentlich gefördert, daß das Drahtgewebe bzw. das Blech aus Kaltleitermaterial besteht. Bei diesem Material wirkt sich eine im kalten Zustand, z. B. durch Fer­ tigungsungenauigkeiten gegebene, ortliche Abweichung des elektrischen Leitwerts oder Widerstands nicht in einer ungleichmäßigen Heizleistungsdichte aus, da Stromdichteunter­ schiede sich infolge der Kaltleitercharakteristik selbsttätig weitgehend ausgleichen.

In einer zweckmäßigen, wenig aufwendigen Ausführungsform besteht das Drahtgewebe der oben genannten Eigenschaften aus nichtrostendem Stahldraht.

Insbesondere eignet sich Stahldraht einer Stahl-Chrom- Nickel-Legierung.

Eine solche Legierung ist als Werkstoff Nr. 1.4301 bekannt.

Im praktischen Versuchen hat sich eine Bemessung des Stahl­ drahtgewebes mit einer Maschenweite von 2 mm und einem Draht­ durchmesser vom 0,5 mm als gut geeignet erwiesen.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen Lötofen zum Aufschmelzlöten mit einem Heizraum, der mit einem im wesent­ lichen vertikalen Luftstrom belüftet ist und in dem die Leiterplatten auf einem für Infrarot-Strahlung und für den Luftstrom zumindest teilweise durchlässigen Träger aufliegen, über und unter welchem Träger die Heizstrahler angeordnet sind, welche die mit den Bauelementen bestückten und mit Lötpaste versehenen Leiterplatten beheizen.

Dabei sind die Heizstrahler gemäß Anspruch 11 zweckmäßig mit je einem Reflektor ergänzt, der über dem oberen Heizstrahler bzw. unter dem unteren Heizstrahler angeordnet sind.

Um bei gleichmäßiger Abgabe der Heizleistung durch die hierfür besonders geeigneten Heizstrahler eine gleichmäßige Erwärmung der Leiterplatte auf dem Träger trotz der Belüftung des Heizraums mit einem im wesentlichen vertikalen Luftstrom, insbesondere zum Absaugen der sich während des Lötens entwickelnden Gase und Dämpfe zu erreichen, wird zweckmäßig auch hier, wie an sich bekannt, der Träger mit einer für den Luftstrom undurchlässigen, jedoch für die Infrarot-Strahlung durchlässigen flachen Luftsperre als Auflage der Leiterplatten ausgebildet. Dabei ist die Luft­ sperre so bemessen, daß sie die aufgelegten Leiterplatten seitlich vollständig überragt, jedoch im Abstand gegenüber den Heizraum begrenzenden (vertikalen) Wänden angeordnet ist. Damit soll mindestens ein Spalt für den vertikalen Luftstrom gegeben sein.

Im einzelnen besteht der Träger nach Anspruch 13 zweckmäßig, wie ebenfalls an sich bekannt, aus einem Gitter, während auf dem Gitter ein Zuschnitt einer hitzebeständigen, für Infra­ rot-Strahlung mittlerer Infrarot-Wellenlänge durchlässige Folie als Luftsperre angebracht ist.

Obwohl es ein Vorzug der erfindungsgemäßen Heizstrahler ist, eine gleichmäßige Heizleistungsdichte zu erzeugen, kann es für Sonderfälle wünschenswert sein, daß die Heizleistungs­ dichte in bestimmten Segmenten des Heizstrahlers reduziert wird, um eine entsprechende Erwärmung der gegenüberliegenden beheizte Fläche der Leiterplatte(n) zu erhalten. Zu diesem Zweck wird gemäß Anspruch 14 eine Gasdüse auf das betreffende Segment des Heizstrahlers gerichtet, welches weniger Wärme an die beheizte Fläche abgeben soll. Die Gasdüse ist zweckmäßig absperrbar, um bei anderen Bedarfsfällen eine gleichmäßige wirksame Abstrahlung zu der beheizten Fläche zu erzielen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit 4 Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Lötofen zum Aufschmelzlöten,

Fig. 2 eine Einzelheit hiervon, nämlich einen Heizstrahler ebenfalls als vertikalen Schnitt,

Fig. 3 den Heizstrahler nach Fig. 2 in einer Ansicht von unten und

Fig. 4a, 4b, 4c jeweils eine Draufsicht, eine Seitenan­ sicht und eine Vorderansicht auf eine Teilfläche des für den Heizstrahler verwendeten Drahtgewebes.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Gehäuse des Lötofens bezeichnet. Das Gehäuse stellt innen einen Abluftschacht für vertikale Abluft dar, welcher das Gehäuse, z. B. an Spalten 2 durchströmt. Der Abluftschacht wird durch einen nicht dargestellten Lüfter zwangsbelüftet, wobei die Abluft über einen ebenfalls nicht dargestellten oberen Stutzen entweichen kann. Ein Träger für ein Substrat, nämlich eine oder mehrere Leiterplatten 3 ist mit der strichpunktierten Linie 4 angedeutet. Er besteht insbesondere aus einem Gitter. Auf dem Gitter ist eine flache Luftsperre 5 angebracht, die hier aus einer Polyimid- Folie besteht. Die Luftsperre bedeckt die Fläche des Trägers weitgehend, jedoch unter Freilassung der Spalte, über die Erstreckung der Leiterplatte(n) hinaus. Die Polyimid-Folie ist für Infrarot-Strahlung durchlässig.

Über und unter dem Träger 4 ist jeweils ein Heizstrahler angeordnet, der allgemein mit 6 bzw. 7 bezeichnet ist. Jeder Heizstrahler weist als wichtigste Komponente eine begrenzte Fläche eines Drahtgewebes 8 bzw. 9 auf.

Zur weiteren Beschreibung des oberen Heizstrahlers 6 wird auch auf die Fig. 2 bis 4a, b, c bezuggenommen. Der untere Heizstrahler 7 ist spiegelbildlich symmetrisch zu dem oberen Heizstrahler aufgebaut, wobei die Symmetrieebene zwischen beiden Heizstrahlern parallel zu diesen und parallel zu der Ebene des Trägers 4 liegt. Die spiegelbildliche Ausbildung bezieht sich vor allem darauf, daß über dem oberen Heiz­ strahler ein Reflektor 10 angebracht ist, während ein Reflektor 11 unterhalb des unteren Heizstrahlers sitzt.

Jeder Heizstrahler besteht aus der rechteckförmigen Fläche des Drahtgewebes, insbesondere des Drahtgewebes 8 des oberen Heizstrahlers, siehe Fig. 3. Das Drahtgewebe ist an Randbereichen 12, 13, die sich gegenüberliegen, in leisten­ förmigen Elektroden 14, 15 eingespannt. Die Art der Einspan­ nung bzw. die Konfiguration des Drahtgitters 8 zu den leistenförmigen Elektroden 14, 15 ist aus Fig. 3 ersichtlich. Danach stoßen Längsdrähte 16, 17 des Drahtgitters rechtwinklig auf die leistenförmigen Elektroden, während Querdrähte, z. B. 18, 19 desselben Drahtgitters parallel zu den leistenförmigen Elektroden angeordnet sind. Dadurch bleibt die gleichmäßige rechtwinklige Struktur des Drahtgitters erhalten, wenn dieses, wie in folgendem beschrieben, unter Zugspannung gesetzt wird:

Die Zugspannung, um Wärmeausdehnungen des Drahtgitters im Betrieb in ihren störenden Folgen hinsichtlich der Planlage des Drahtgitters in einer Ebene zu beseitigen, wird durch Zugfedern 20, 21 eingeführt, die an der in Richtung der Längsdrähte beweglichen Elektrode 15 angreifen. Die Elektrode 15 versucht das Drahtgitter von der gegenüber­ stehenden Elektrode 14 wegzuziehen, die ortsfest ist. Dadurch bleibt das Drahtgitter 8 stets in einer Planenebene straff gespannt, unabhängig von Längenänderungen. Die Querdehnung wird teilweise durch die Gewebeart unterdrückt, die eine Glatte- oder Leinenbindung wie in den Fig. 4a, 4b, 4c dargestellt ist. Es versteht sich, daß die Fig. 4a, 4b, 4c nur ein Ausschnitt aus der größeren begrenzten Fläche des Drahtgitters (8) gemäß Fig. 3 darstellen.

In Fig. 1 ist über dem oberen Drahtgitter noch eine ab­ sperrbare Gasdüse (22) angedeutet, durch welche Gas auf ein Segment des Drahtgitters 8 geleitet werden kann, um dieses dort gegenüber dem umgebenden Drahtgitter abzukühlen. Dies wirkt sich in einer entsprechend veränderten Wärmeabgabe auf die beheizte Fläche aus, die in der Ebene des Trägers 4 liegt. Durch mehrere Gasdüsen, die nicht in Fig. 1 dargestellt sind, können auch kompliziertere Konfigurationen der Wärme­ abgabe über der Fläche des Drahtgitters 8 geschaffen werden.

Die Stromzufuhr zu den Elektroden 14, 15 für das obere Draht­ gitter 8 bzw. 23, 24 zu dem unteren Drahtgitter 9 erfolgt so, daß die Längsdrähte der Drahtgitter mit im wesentlichen gleichen Teilströmen durchflossen werden. Dies gilt auch dann, wenn einzelne Längsdrähte oder Stellen dieser Längs­ drähte unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit oder Wider­ standswerte aufweisen, da die Drahtgewebe aus Kaltleiter­ material, insbesondere einer Stahl-Chrom-Nickel-Legierung bestehen.

Die beschriebenen Heizstrahler sind, da aus handelsüblichen Drahtgewebe bestehend, wenig aufwendig, aber sehr robust. Sie ermöglichen eine gleichmäßige Wärmeabgabe an die beheizte Fläche, in welcher die Leiterplatte(n) liegt bzw. liegen, können aber auch Wärme örtlich ungleichmäßig abgeben, wenn sie in der beschriebenen Weise durch Gasströme aus Gasdüsen beaufschlagt werden. Bei großflächigen Heizstrahlern gleichmäßiger Wärmeabgabe kann der Abstand zu der beheizten Fläche klein und das Gehäuse kompakt gehalten werden.

Claims (13)

1. Heizstrahler insbesondere für Lötofen zum Aufschmelzlöten (Reflowlöten) von elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten, wobei der Heizstrahler als Flächenstrahler ausgebildet ist, der insbesondere eine Infrarot-Strahlung mittlerer Infrarot-Wellenlänge abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrahler (6, 7) eine begrenzte Fläche eines Drahtgewebes (8, 9) umfaßt, welches an wenigstens zwei Randbereichen (12, 13) mit Elektroden (14, 15; 23, 24) leitend verbunden ist.

2. Heizstrahler, insbesondere für Lötofen zum Aufschmelzlöten (Reflowlöten) von elektronischen Bauelementen auf Leiterplatten, wobei der Heizstrahler als Flächenstrahler ausgebildet ist, der insbesondere eine Infrarot-Strahlung mittlerer Infrarot-Wellenlänge abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrahler eine begrenzte Fläche eines Bleches umfaßt, welches an wenigstens zwei Randbereichen mit Elektroden leitend verbunden ist.

3. Heizstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe (8, 9) zwischen den Elektroden (14, 15; 23, 24) eingespannt ist, in dem es mittels wenigstens einer Feder (20, 21) unter Zugspannung gehalten ist.

4. Heizstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe eine Struktur der Glatte- und Leinenbindung aufweist.

5. Heizstrahler nach den Ansprüchen 1, 2, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Drahtgewebes (8, 9) annähernd rechteckförmig ist, daß zwei Elektroden (14, 15; 22, 23) entlang zwei einander gegenüberstehenden Randbereichen (12, 13) an dem Drahtgewebe angebracht sind, der Gestalt, daß die Drähte (Längsdrähte 16, 17), die an den Elektroden (14, 15) befestigt sind, annähernd rechtwinklig zu den Elektroden (14, 15) orientiert sind, und daß an wenigsten einer Elektrode (14, 15) wenigstens eine Feder (20, 21) angreift.

6. Heizstrahler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe (8, 9) bzw. das Blech aus Kaltleitermaterial besteht.

7. Heizstrahler nach den Ansprüchen 1, 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe (8, 9) aus nichtrostendem Stahldraht besteht.

8. Heizstrahler nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von Stahldraht aus einer Stahl-Chrom- Nickel-Legierung.

9. Heizstrahler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe (8, 9) aus Stahldraht eine Maschenweite von 2 mm und einen Drahtdurchmesser von 0,5 mm aufweist.

10. Lötofen zum Aufschmelzlöten mit einem Heizraum, der mit einem im wesentlichen vertikalen Luftstrom belüftet ist und in dem die Leiterplatten auf einem für die Infrarot­ strahlung und für den Luftstrom zumindest teilweise durchlässigen Träger aufliegen, über und unter welchem Träger Heizstrahler angeordnet sind, welche die mit den Bauelementen bestückten und mit Lotpaste versehenen Leiterplatten heizen, gekennzeichnet durch Heizstrahler (6, 7) nach den Ansprüchen 1 bis 9.

11. Lötofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß über einem oberen Heizstrahler (6) und unter einem unteren Heizstrahler (7) je ein Reflektor (10, 11) angeordnet ist.

12. Lötofen nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Infrarot-Strahlung durchlässige Träger (4) eine für den Luftstrom undurchlässige, jedoch für die Infrarot-Strahlung durchlässige flache Luftsperre (5) als Auflage der Leiterplatten (3) aufweist, daß die Luftsperre (5) die aufgelegten Leiterplatten (3) seitlich vollständlich überragt, jedoch im Abstand gegenüber den Heizraum begrenzenden Wänden angeordnet ist und damit mindestens einen Spalt (2) für den vertikalen Luftstrom begrenzt.

13. Lötofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) im wesentlichen aus einem Gitter besteht und daß auf dem Gitter ein Zuschnitt einer hitzebeständigen, für Infrarot-Strahlung mittlerer Infrarot-Wellenlänge durchlässige Folie als Luftsperre (5) angebracht ist.