DE4422341C2 - Löteinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Löteinrichtung nach dem Oberbe
griff des Patentanspruches 1.
Aus der Druckschrift DE 36 24 728 A1 geht eine Vorrichtung
zum Ab- und Anlöten von Bauteilen mittels eines erhitzten
Fluids hervor, wobei das Fluid die Lotmassen an Anschlüssen
zum Schmelzen bringt, die sich am Umfang der Bauteile be
finden. Dabei erfolgt die Zufuhr des heißen Fluids zu den
Anschlüssen mit der Hilfe einer Verteilereinrichtung, die
das heiße Fluid ausschließlich zum Umfang des Bauteiles
leitet.
Aus den Fig. 11 und 14 der US 4 295 596 geht eine ähnli
che Vorrichtung zum Verlöten von Bauteilen hervor, bei der
eine Verteilereinrichtung, die ein heißes Gas zu den am Um
fang eines Bauteiles angeordneten Anschlüssen leitet, die
Form von in der Umfangsrichtung in einem das Bauteil auf
nehmenden Verteilerknopf nebeneinander angeordneten Öffnun
gen aufweist, durch die das heiße Gas ausströmt. Diese Öff
nungen weisen gleiche Abstände voneinander und gleiche
Durchmesser auf.
Im Rahmen der Miniaturisierung von integrierten Schaltkrei
sen ist es bekannt, oberflächenmontierbare Bauteile bzw.
Module, z. B. mit sogenannten Ball Grid Anordnungen (BGA-Array)
zu versehen, wobei kleine Lotkugeln, die flächig auf
der Unterseite des Bauteiles bzw. Moduls rasterförmig ver
teilt sind, die Anschlüsse bilden. Üblicherweise erfolgt
die Verbindung der Ball Grid Anordnung mit einer Leiter
platte dadurch, daß die Lotkugeln der Ball Grid Anordnung
an entsprechenden Lotpasten-Pads, die auf die Leiterplatte
aufgedruckt sind, verlötet werden. Beim Aufschmelzen verei
nigen sich die Lotkugeln und Lotpasten-Pads zu Lötverbin
dungen, wobei die hohe Oberflächenspannung des geschmolze
nen Lotes dazu führt, daß sich das Bauteil selbst zen
triert. Dadurch reicht eine relativ grobe mechanische Zen
trierung beim Bestücken vollkommen aus. Zum Beispiel werden
die einzelnen Lotkugeln der Ball Grid Anordnung bei SMD-Einzel
bearbeitung dadurch zum Schmelzen gebracht, daß nach
der Positionierung des Bauteiles auf der Leiterplatte ent
weder eine Infrarot-Bestrahlung des Bauteiles von oben vor
genommen wird oder daß Heißluft in Querrichtung zwischen
die Unterfläche des Bauteiles und die obere Fläche der Lei
terplatte eingeströmt wird, wie dies in "productronic 4",
1994, Seite 91 beschrieben ist. Während die genannte Infra
rot-Bestrahlung nicht bauteileschonend durchgeführt werden
kann, entstehen bei der bekannten Heißluftströmung jedoch
Probleme, weil die Lotkugeln infolge der in der Strömungs
richtung auftretenden Temperaturdifferenz nicht gleichzei
tig schmelzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin,
eine Löteinrichtung zu schaffen, die gewährleistet, daß die
Anschlüsse eines oberflächenmontierbaren Bauteiles so
gleichmäßig erhitzt werden, daß sie im wesentlichen gleich
zeitig schmelzen, wobei überhöhte Temperaturen im Bauteil
und Beschädigungen desselben vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Löteinrichtung mit den Merkma
den des Patentanspruches 1 gelöst.
Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen. Entge
gen der bislang vertretenen Meinung, gemäß der beim Verlö
ten bzw. Entlöten von Bauteilen mit unterseitigen Anschlüs
sen bzw. mit Ball Grid Array-Anordnungen, die Wärmezufuhr
in Querrichtung direkt auf die Anschlüsse bzw. Lotkugeln
erfolgen muß, um eine Zerstörung der Bauelemente durch
Überhitzung zu vermeiden, die bei einer Infrarot-Bestrah
lung der Bauteile von oben erfolgt, wurde erstmals erkannt,
daß ein Ver- bzw. Entlöten der Bauteile bei SMD-Einzelbear
beitung ohne Temperaturschädigungen auch durch Erhitzen
derselben von der Oberseite her erfolgen kann, sofern dafür
Sorge getragen wird, daß die oberseitige Erwärmung des Bau
teiles durch Heißluft und so erfolgt, daß die Temperatur
der Heißluft nach einem vorgegebenen Temperaturprofil gere
gelt und definiert über der Oberfläche des Bauteiles ver
teilt wird. Anders ausgedrückt wird die Heißluft entspre
chend dem Wärmebedarf so auf die Oberfläche des Bauteiles
verteilt, daß die Anschlüsse im wesentlichen gleichmäßig
erhitzt werden, so daß sie im wesentlichen gleichmäßig
schmelzen.
Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
daher darin, daß Heißluft auf die Oberfläche des Bauteiles
so eingeströmt und verteilt wird, daß sämtliche Anschlüsse
an der Unterseite des Bauteiles bzw. Lotkugeln der Ball
Grid Anordnung gleichmäßig erhitzt werden und daher im we
sentlichen gleichzeitig schmelzen, so daß sie sich im we
sentlichen gleichzeitig und gleichmäßig mit den Lotpasten-
Pads der Leiterplatte verbinden. Durch diese Gleichzeitig
keit wird auch der oben genannte Selbstzentrierungseffekt
vorteilhaft optimiert und werden Schädigungen durch erhöhte
Temperaturen verhindert.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung,
bei der die Leiterplatte im Bereich des Bauteiles untersei
tig, insbesondere durch eine IR-Strahlung, die nicht gere
gelt ist, auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf
130° zusätzlich erhitzt wird, so daß die heiße Luft von
oben nur noch etwa die Hälfte der Energie übertragen muß,
so daß eine Überhitzung des Bauteiles von oben vermieden
wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen
aus Unteransprüchen hervor.
Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen
im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der vorliegenden Löt
einrichtung;
Fig. 2 ein Temperaturprofil der zu erwartenden Pad-
Temperaturen.
Gemäß Fig. 1 besteht die vorliegende Löteinrichtung im we
sentlichen aus einem kastenartigen Gehäuse 1, das einen
Zufuhrstutzen 2 besitzt, über den Heißluft in das Innere des Ge
häuses 1 führbar ist. Vorzugsweise besteht das Gehäuse 1
aus einer rechteckigen oberen Wand 12 und daran vorzugs
weise unter rechten Winkeln angesetzten Seitenwänden 13.
Das Gehäuse 1 ist so dimensioniert, daß es ein Bauteil 3,
das unterseitig die Lot-Anschlüsse 4 bzw. Lotkugeln aufweist,
haubenartig übergreifen kann. Um ein Ausströmen der über
den vorzugsweise mittig durch die obere Wand 11 verlaufen
den Zufuhrstutzen 2 zugeführten Heißluft aus dem auf der Leiter
platte 5 aufsitzenden Gehäuse 1 zu ermöglichen, weisen die
Seitenwände 13 des kastenartigen Gehäuses 1 an ihren der
Leiterplatte 5 zugewandten Endbereichen Aussparungen 6 auf,
durch die die Heißluft seitlich ausströmen kann.
Die vorliegende Löteinrichtung weist eine Vertei
lereinrichtung 7, 8 auf, die dafür Sorge trägt, daß die über den
Zufuhrstutzen 2 in das Innere des Gehäuses 1 zugeführte Heißluft
definiert zur Oberfläche des Bauteiles 3 strömt. Dadurch
wird erreicht, daß das gesamte Bauteil 3 von seiner oberen
Fläche her gleichmäßig erwärmt wird und die Lot-Anschlüsse 4
gleichzeitig schmelzen. Vorzugsweise wird die genannte Ver
teilereinrichtung durch eine Trennwand 7 gebildet, in der
Ausströmöffnungen 8 angeordnet sind. Die Trennwand 7 ver
läuft vorzugsweise parallel zur oberen Wand 12 des Gehäuses
1 über den gesamten Querschnitt des Gehäuses 1, so daß sie
eine Vorkammer 10 bildet, in die die Öffnung 9 des Zufuhrstutzens
2 mündet. Wie dies durch Pfeile angedeutet ist,
strömt die in die Vorkammer 10 eingeführte Heißluft durch
die Ausströmöffnungen 8 der Trennwand 7 auf die obere Flä
che des Bauteiles 3. Um eine definierte Verteilung der
durch die Ausströmöffnungen 8 ausströmenden Heißluft auf
der oberen Fläche des Bauteiles 3 zu erreichen, weisen die
Ausströmöffnungen 8 zweckmäßigerweise unterschiedliche
Durchmesser auf, wobei sich die genannten Durchmesser vom
Bereich des Zufuhrstutzens 2 ausgehend radial nach außen
vergrößern. Es ist somit einfach, diese Ausströmöffnungen 8
auch in Abstimmung auf die Bauteilekonfiguration so zu
variieren, daß gewährleistet ist, daß alle Lot-Anschlüsse 4 na
hezu gleichzeitig schmelzen. Es wird darauf hingewiesen,
daß die definierte Verteilung der aus der Vorkammer 10 aus
tretenden Heißluft auch in einer anderen Weise erreicht
werden kann. Beispielsweise können alle Ausströmöffnungen 8
den gleichen Durchmesser aufweisen, wenn die Trennwand 7
vom Bereich unterhalb des Stutzens 2 nach außen in Richtung
auf die Leiterplatte 5 schräg nach unten verläuft, wie dies
in der Fig. 1 durch die gepunktete Linie schematisch ange
deutet ist.
Vorzugsweise befindet sich im Bereich des Zufuhrstutzens 2 ein
Fühler 11, der zweckmäßigerweise an einem am Zufuhrstutzen 2
angeschlossenen Heizelement zum Erwärmen der Luft
angeordnet ist. Mit diesem Fühler 11 wird die Temperatur
der aus dem Stutzen 2 ausströmenden Heißluft zur
Temperaturregelung gemessen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Löt
einrichtung wird neben der auf die obere Fläche eines Bau
teiles 3 in der beschriebenen Weise zugeführten Heißluft
die Leiterplatte 5 von unten her zusätzlich erwärmt, so daß
die zum Schmelzen der Lot-Anschlüsse 4 erforderliche Temperatur
nicht allein durch die Heißluft aufgebracht werden muß. Be
sonders vorteilhaft wird die von unten auf die Leiterplatte
3 eingestrahlte Wärme durch eine Heizeinrichtung 15, vorzugsweise eine Infrarotstrahlungs-Quelle
erzeugt, die insbesondere auf eine konstante Temperatur,
z. B. auf etwa 100°C-130°C eingestellt ist. Da die
Schmelztemperatur der Lot-Anschlüsse 4 bei etwa 190°C liegt, muß
die Differenz zwischen dieser Schmelztemperatur und der
durch die Heizeinrichtung 15 erzeugten Temperatur durch die
auf die obere Fläche des Bauteiles 3 eingeströmte Heißluft
aufgebracht werden. Dabei wird die Temperatur der Heißluft
vorteilhafterweise nach einem genau vorgegebenen Tempera
turprofil geregelt, wie dies beispielsweise aus der Fig. 2
hervorgeht, die die Temperatur der Heißluft (rechte Skala)
und die zu erwartende Temperatur der Lot-Anschlüsse 4 (linke
Skala) als Summe der Temperaturen der geregelten Heißluft
und der konstanten Infrarot-Strahlung in Abhängigkeit von
der Zeit zeigt.
Claims (10)
1. Löteinrichtung mit einem Gehäuse (1), das ein auf
einer Leiterplatte (5) angeordnetes Bauteil (3) haubenartig
übergreift, wobei in das Gehäuse (1) Heißluft einführbar
ist, und mit einer im Gehäuse (1) angeordneten Vertei
lereinrichtung (7, 8) zum Verteilen der in das Gehäuse (1)
eingeführten Heißluft, dadurch gekennzeichnet, daß durch
die Verteilereinrichtung (7, 8) eine definierte Verteilung
der von oben auf die der Leiterplatte abgewandte Fläche des
Bauteiles (3) aufströmenden Heißluft erreichbar ist, so daß
die an der der Leiterplatte (5) zugewandten Fläche des
Bauteiles angeordneten Lot-Anschlüsse (4) im wesentlichen
gleichmäßig erhitzbar sind, so daß sie im wesentlichen
gleichmäßig schmelzen.
2. Löteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verteilereinrichtung die Form einer
Trennwand (7) mit Ausströmöffnungen (8) besitzt, die im
Inneren des Gehäuses (1) eine Vorkammer (10) bildet, der
die Heißluft zugeführt wird.
3. Löteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gehäuse (1) die Form eines zur Leiter
platte (5) geöffneten, rechteckigen Kastens aufweist, der
durch eine obere Wand (12) und daran angesetzte Seitenwände
(13) gebildet ist, daß die Trennwand (7) parallel zur
oberen Wand (12) verläuft, daß die Vorkammer (10) zwischen
der oberen Wand (12) und der Trennwand (7) gebildet ist und
daß ein Zufuhrstutzen (2) zum Zuführen der Heißluft in die
Vorkammer (10) durch die obere Wand (12) geführt ist.
4. Löteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Zufuhrstutzen (2) mittig in der oberen
Wand (12) angeordnet ist und daß die Ausströmöffnungen (8)
ausgehend vom Bereich unterhalb des Stutzens (2) sich nach
außen vergrößernde Durchmesser aufweisen.
5. Löteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) die Form eines zur
Leiterplatte (5) geöffneten, rechteckigen Kastens aufweist,
der durch eine obere Wand (12) und daran angesetzte
Seitenwände (13) gebildet ist, daß die Vorkammer (10)
zwischen der oberen Wand (1) und der Trennwand (7) gebildet
ist, daß ein Luftzufuhrstutzen (2) zum Zuführen der
Heißluft in die Vorkammer (10) mittig durch die obere Wand
geführt ist, daß die Ausströmöffnungen (8) denselben
Durchmesser aufweisen und daß die Trennwand (7) vom Bereich
unterhalb des Stutzens (2) schräg nach unten verläuft.
6. Löteinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (13) in ihren
der Leiterplatte (5) zugewandten Endbereichen Aussparungen
(6) aufweisen, durch die die Heißluft aus dem Inneren des
Gehäuses (1) seitlich ausströmen kann.
7. Löteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Leiterplatte (5)
eine zusätzliche Heizeinrichtung (15) zur zusätzlichen
Erwärmung des Bauteiles (3) von der Seite der Leiterplatte
(5) her auf eine vorbestimmte Temperatur vorgesehen ist.
8. Löteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die zusätzliche Heizeinrichtung (15) eine
Infrarotstrahlung aussendet.
9. Löteinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine die Heißluft erzeugende Heizein
richtung die Heißluft auf eine Temperatur regelt, die we
nigstens der Differenz zwischen der Schmelztemperatur der
Lot-Anschlüsse (4) und der vorbestimmten Temperatur der
Heizeinrichtung (15) entspricht.
10. Löteinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die die Heißluft erhitzende Heizeinrichtung
eine nach einem vorgegebenen Temperaturprofil geregelte
Heizeinrichtung ist, wobei das Profil die der Differenz
entsprechende Temperatur kurzzeitig umfaßt, um die Lot-
Anschlüsse (4) kurzzeitig zu schmelzen.
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