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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Verbesserungen auf dem Sektor der Elektronikverpackung
und -montage und dem Löten
von ICs oder Passivvorrichtungen auf gedruckte Schaltungen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
fortwährende
Integration und Miniaturisierung von Komponenten für elektronische
Schaltungen ist für
die Grenzen gedruckter Verdrahtungsplatinentechnologie im Verlauf
der letzten zwanzig Jahre zu einer zunehmenden Herausforderung geworden.
Gedruckte Schaltplatinen oder gedruckte Verdrahtungsplatinen (PWB),
wie sie üblicherweise genannt
werden, spielen mehrere Schlüsselrollen. Erstens
werden die elektrischen Komponenten, wie speziell mit Gehäuse versehene
integrierte Schaltkreise, Widerstände, usw., auf der Oberfläche der
flachen, üblicherweise
stabilen kartenartigen Schaltplatine (dem Board) montiert oder getragen.
Die PWB dient somit als Träger
für die
Komponenten. Zweitens bildet die PWB unter Verwendung von chemisch
geätzten
oder plattierten Leitbahnmustern auf der Oberfläche der Platine die gewünschten
elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten. Die PWB kann
zudem einen Metallbereich aufweisen, der als Wärmesenke dient.
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Die
Verdichtung der elektronischen Schaltkreise wurde durch zunehmende
Verwendung integrierter Schaltkreise und der Oberflächenmontagetechnologie
(SMT) beschleunigt. Oberflächenmontagevorrichtungen
(SMD) werden direkt auf die Oberfläche der PWB aufgebracht und
mittels Dampfphasen-Reflow (VPR), Infrarot (IR) oder anderen Massenlöttechniken
gelötet.
Die SMT revo lutioniert die Elektronikfertigungsindustrie, indem
die Montagekosten um etwa 50% reduziert werden, die Komponentendichte
um über
40% erhöht
wird und die Zuverlässigkeit
verbessert wird.
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In
einem konventionellen SMD-Gehäuse (Package)
wird ein Siliciumchip auf einem Chipunterbau eines mehrschichtigen
organischen Substrats montiert. Der gesamte Chipunterbaubereich
des Substrats wird mit einem Klebstoff beschichtet, der den Siliciumchip
an das Substrat bondet. Leider wird Feuchtigkeit im Inneren eines
Kunststoff-SMD-Package zu Wasserdampf und dehnt sich rasch aus, wenn
das Package den hohen Temperaturen von VPR, IR-Löten oder, wenn das Package
in geschmolzenes Lot getaucht wird, Wellenlöten ausgesetzt wird. Der Druck
aus der expandierenden Feuchtigkeit und dem Wasserdampf kann unter
bestimmten Bedingungen zu innerer Delaminierung des Kunststoffs von
dem Chip und/oder dem Substrat, inneren Rissen, die sich nicht bis
zu der Außenseite
des Package erstrecken, Bandbeschädigung, Drahtabschnürung, Anheben
des Bonds, Dünnfilmrissen oder
Kraterbildung unter den Bonds führen.
Im schwerwiegendsten Fall kann die Belastung zu Außenrissen
in dem Package führen.
Dies wird üblicherweise
als das "Popcorn"-Phänomen bezeichnet,
weil die innere Spannung dazu führt,
dass sich das Package aufbläht
und dann mit einem hörbaren "Pop"-Geräusch reißt. Oberflächenmontierte
Vorrichtungen (SMD) sind für
dieses Problem anfälliger
als durchkontaktierte Teile, weil SMDs während des Reflow-Lötens höheren Temperaturen
ausgesetzt sind. Der Grund hierfür
liegt darin, dass der Lötvorgang
an der gleichen Seite der Schaltplatine erfolgen muss wie die oberflächenmontierten
Vorrichtung. Bei durchkontaktierten Vorrichtungen erfolgt der Lötvorgang
unter der Schaltplatine, welche die durchkontaktierten Vorrichtungen
von dem heißen
Lot abschirmt. SMDs haben allgemein auch eine kleinere Mindestkunststoffdicke
von der Chip- oder Montageunterbaugrenzfläche zu der Außenseite
des Kunststoff-Package.
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In
dem Klebstoffmaterial erzeugte Brüche oder Delaminierung an der
Klebstoff-Substrat-Grenzfläche
sind die häufigsten
Ursachen für
Versagen des SMD-Package. Ein derartiges Versagen ist in dem "Popcorn"-Test, der ein Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest
ist, sehr häufig.
Konventionelle SMD-Packages können
nur die Feuchtigkeitsempfindlichkeitstests des Level 3 des Institute
for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits (IPC) und
des Joint Election Device Engineering Council (JEDEC) bestehen.
Einige weiterentwickelte Packages können den Level 2 Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest bestehen,
der Level 1 Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest bleibt jedoch eine
extreme Herausforderung.
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Der
IPC/JEDEC-Feuchtigkeitsempfindlichkeitstest (der Popcorn-Test) hat
drei Schwierigkeitsstufen (Levels). Level 3 Feuchtigkeitsempfindlichkeit erfordert,
dass das SMD-Package 192 Stunden lang 30°C bei 60% relativer Feuchtigkeit
ausgesetzt wird und danach drei IR/Konvektionsheizzyklen im Wechsel
durchläuft,
die speziellen Anforderungen entsprechen. Level 2 Feuchtigkeitsempfindlichkeit
erfordert, dass das Package 168 Stunden lang 85°C bei 60% relativer Feuchtigkeit
ausgesetzt wird und danach drei IR/Konvektionsheizzyklen im Wechsel
durchläuft.
Level 1, welches das höchste
Level der Feuchtigkeitsunempfindlichkeit ist, erfordert, dass das
Package 168 Stunden lang 85°C
bei 85% relativer Feuchtigkeit ausgesetzt wird und danach drei Zyklen von
IR/Konvektionsheizung ausgesetzt wird (siehe JEDEC-Dokument Nr. JESD22-A112-A
Moisture-Induced Stress Sensitivity for Plastic Surface Mount Devices).
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Es
sind verschiedene Techniken verwendet worden, um die Menge der Feuchtigkeit,
der ein SMD-Package zwischen Fertigung des Package und der Zeit
des Lötens
an eine gedruckte Schaltplatine ausgesetzt ist, zu begrenzen. Es
sind auch Techniken entwickelt worden, um das SMD-Package darin zu
unterstützen,
höhere
Level des Popcorn-Tests zu bestehen.
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Um
die Feuchtigkeitsmenge zu begrenzen, der ein SMD-Package vor dem Löten an eine gedruckte Schaltplatine
ausgesetzt ist, werden derartige Packages verpackt und in hermetischen
Beuteln transportiert, um die Absorption von Feuchtigkeit aus der
Umgebung zu verhindern. Es ist bei SMD-Packages, die nicht in hermetischen
Beuteln verpackt sind oder einige Zeit der Umgebung ausgesetzt gewesen
sind, ein Industriestandard, die Packages vor der Oberflächenmontage
trockenzubrennen. Die zusätzlichen
Schritte, in denen die SMD-Packages entweder in hermetischen Beuteln
angeordnet oder gebrannt werden, erhöhen die Fertigungskosten einer Vorrichtung
oder eines Produkts.
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Kunststoff-
und nicht-hermetische Oberflächenmontagevorrichtungen
können
durch Überdruck aus
absorbierter Feuchtigkeit bei Reflow-Löten ernsthaft beschädigt werden.
Damit dies nicht geschieht, sind herstellerseitig verschiedene präventive
und reaktive Ansätze
unternommen worden. Eine übliche Strategie
beinhaltet das Lagern der Oberflächenmontagevorrichtungen
in Trockenschränken,
die eine Atmosphäre
von weniger als 5% relativer Feuchtigkeit (RH) aufrechterhalten
können.
Damit diese niedrigen RH% in einer dynamischen Umgebung möglich sind,
muss man die Trockenschränke
mit hohen Durchflussraten von Trockengas (in der Regel N2) spülen.
Infolgedessen wird das Betreiben dieser Schränke in Bezug auf die Betriebskosten
teuer. In vielen Fällen
haben sich die N2-Anforderungen als Hürde erwiesen,
die das Einrichten des Prozesses in einer Fertigungsanlage verhindert
hat.
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US-A-6,560,839, übertragen
auf Integrated Device Technology, Inc., schützt auch eine feuchtigkeitsempfindliche
Komponente vor Feuchtigkeitseinwirkung oberhalb eines bestimmten
Schwellenwerts, indem die Vorrichtung in einem Behälter mit
einem Trockenmittel angeordnet wird und der Behälter dann versiegelt wird.
Wenn die feuchtigkeitsempfindlichen Komponenten bewertet werden
sollen, wird die Versiegelung des Behälters aufgebrochen und die
Komponenten aus ihrem Behälter
entfernt. Nach der Bewertung werden die Komponenten wieder in den
Behälter
zurückgebracht,
der dann erneut versiegelt wird. Die obigen Schritte werden wiederholt,
bis die Komponenten zum Verschiffen oder Transport außerhalb
der lokalen Testumgebung in ihre Behälter verbracht werden. Der
Schutzbehälter
ist jeder beliebige Umhüllungstyp,
der die Einwirkung der Umgebung auf feuchtigkeitsempfindliche Komponenten
minimiert. Wegen der Wirksamkeit der Eindämmung der Feuchtigkeitsakkumulation
ist keine Brennstufe unmittelbar vor dem Verschiffen erforderlich.
Das wiederholte Öffnen,
Testen und Wiederverschließen des
Behälters
sind offensichtlich zusätzliche
Schritte, die die Fertigungs- und Handhabungskosten der Vorrichtung
erhöhen.
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In
US-A-5,603,892 ist ein System offenbart, um elektronische Komponenten,
wie integrierte Schaltkreis-Chips, in einer verunreinigungsfreien kontrollierten
Atmosphäre
zu halten. Die Komponenten, die auf einem Multichipmodul montiert
sein können,
sind in einer versiegelten Umhüllung
untergebracht, und innerhalb der Umhüllung wird ein Positivdruck
von verunreinigungsfreiem Gas, wie Reinstickstoff, aufrechterhalten.
Eine Quelle für
Druckgas, die kontrollierbar mit der Umhüllung verbunden ist, wird bereitgestellt,
und es wird vorzugsweise ein Abgasventil verwendet, um den Druck
in der Umhüllung nach
Bedarf auszugleichen, wenn zu Wartungs- oder Reparaturzwecken auf
das Innere zugegriffen werden muss.
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Geräte, die
von Seika Instruments kommerzialisiert worden sind, verwenden ein
Selbsttrocknungsmaterial, um die Atmosphäre eines Trockenschranks zu
trocknen. Die Schränke
von Seika Instruments halten jedoch keinen RH% von weniger als 5%
in einer dynamischen Umgebung aufrecht.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Trockenschrank, der zur
Aufbewahrung von SMDs bei niedriger Feuchtigkeit verwendet wird
und feuchtigkeitsinduzierte Ausfälle
der Vorrichtungen verhindert. Um die mit Trockenschränken des
Standes der Technik verbundenen Kosten zu reduzieren, besteht der
erfindungsgemäße Schrank
aus dem Aufbau von N2- oder Trockengaslagerungs schränken, die
ein N2- oder Trockengaserzeugungssystem enthalten.
Das selbstenthaltene N2- oder Trockengaserzeugungssystem
beseitigt den Bedarf an einem zentralisierten Stickstoff- oder Reintrockenluftsystem.
Dies senkt die Betriebskosten, während
andere Installationskosten wegfallen, die mit einer N2-Infrastruktur
zusammenhängen.
Der Schrank wird somit unabhängig,
indem er seinen Trockengasbedarf selbst produziert. Dies wird mit
minimalen Kosten durchgeführt
und eliminiert andere teure Installationskosten für die N2-Infrastruktur. Das zusätzliche Drucklufttrocknermodul
oder N2-Membranerzeugungssystem kann an
allen Typen von Trockenlagerungsschränken, klein oder sehr groß, installiert
werden, einschließlich
Schränken
zur Lagerung von Böden,
Spulen, Aufgeberwagen, einseitig montierten PWBs oder SMDs.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Figur ist eine teilweise weggeschnittene Vorder- und Seitenaufrissansicht eines erfindungsgemäßen Trockenschranks,
der eine selbsterzeugende Trockengasquelle enthält.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Einführung
von Oberflächenmontagevorrichtungen
(SMDs) hat erheblich zu dem Fortschritt in der Elektronikmontage
beigetragen. Insbesondere Kunststoff-SMDs sind sehr populär geworden,
da diese Vorrichtungen Vielseitigkeit und die inhärent geringen
Kosten der Kunststoff-Packages bieten. Diese Vorrichtungen haben
jedoch den Nachteil, dass sie feuchtigkeitsempfindlich sind. Feuchtigkeit aus
atmosphärischer
Feuchtigkeit diffundiert durch das permeable SMD-Package, und wenn
das Feuchtigkeitsniveau im Inneren des Package einen kritischen
Punkt erreicht, kann die Vorrichtung beschädigt werden, wenn sie während des
Reflow-Lötprozesses
auf die Temperatur gebracht wird. Der rasche Anstieg und der hohe
Dampfdruck in dem Package führen
in Kombination mit der fehlenden Wärmeangleichung zu Belastung
der Komponente. Zu typischem Komponentenversagen gehört Riss
des Chips, innere Korrosion, Bond-Verdrahtungs-Schaden und im schlimmsten
Fall Außenrissbildung.
Dies wird wegen des hörbaren
Popgeräusches
beim Versagen auch als Popcorn-Effekt bezeichnet.
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Um
feuchtigkeitsinduziertes Versagen und Popcornbildung zu vermeiden,
muss man sich gewissenhaft an die Innenraumlebensdauer halten, die
von dem Hersteller der Komponente empfohlen wird. Der Feuchtigkeitsempfindlichkeits-(MS)-Level,
für den sich
das Produkt qualifiziert hat (IPC/JEDEC J-STD-033A), zeigt die Innenraumlebensdauer.
In der alltäglichen
Praxis ist das aus praktischen Gründen (Verfolgung) nicht immer
möglich.
Vorsichtshalber, und wenn die Innenraumlebensdauer abgelaufen ist,
empfehlen die JSTD-033A-Spezifikationen das "Brennen" der Komponenten, um die Feuchtigkeit
zu entfernen, die sie aus der Einwirkung von Umgebungsfeuchtigkeit
aufgenommen haben können. Standardgemäßes Brennen
erfolgt normalerweise bei einer erhöhten Temperatur für einen
Zeitraum, der von 24 Stunden (125°C)
bis 8 Tagen (oder länger, 40°C) variiert.
Das Brennen betrifft normalerweise nur Komponenten von Level 3 bis
6 aufgrund ihrer relativ kurzen Innenraumlebensdauer.
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Während Brennen
feuchtigkeitsinduziertes Versagen und Popcornbildung verhindert,
gibt es andere Ansätze,
die von eher vorbeugender Natur sind. Die Überarbeitung von IPC/JEDEC
J-STD-033 im Juli 2002 erarbeitet alternative Lösungen. Typische Lösungen und
Strategien beinhalten oft die Verwendung von Trockenschränken, die
eine Atmosphäre von
weniger als 5% RH aufrechterhalten können. Wenige der existierenden
Trockenschränke
sind jedoch in der Lage, dieses Niveau in einer Produktionsumgebung
zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Die wenigen Schränke, die
diese niedrigen RH% erreichen, spülen die Trockenschränke mit
relativ hohen Durchflussraten an Trockengas (in der Regel N2 aus einer kryogenen Quelle, es kann jedoch
Trockenluft oder Membran-N2 verwendet werden).
Infolgedessen wird das Betreiben dieser Schränke in Bezug auf die Betriebskosten
teuer, die mit der Verwendung von Stickstoff zusammenhängen. Da
Trockenschränke
in PCB-Montageumgebungen zunehmend angenommen werden, steigt der
Bedarf an Schränken
mit niedrigeren Betriebskosten. Dies ist besonders in Anlagen kritisch,
in denen derzeit kein Stickstoff zur Verfügung steht. Das Installieren
einer zentralisierten Stickstoffquelle kann teuer sein.
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Diese
Erfindung reduziert die mit dem adäquaten Betreiben eines Trockenlagerungsschranks verbundenen
Kosten, welcher zum Management feuchtigkeitsempfindlicher Vorrichtungen
in einer PWB-Montageumgebung verwendet wird. Die Schrankeinheit
dieser Erfindung hat eine selbsterzeugende Trockengasquelle, die
lediglich etwas elektrischen Strom und leicht verfügbare Druckluft benötigt. Die
Schrankeinheit erzeugt Trockengas mit sehr geringen marginalen Kosten.
Daher kann sich die Trockenbox oder der Trockenschrank irgendwo
in einer PWB-Montageanlage befinden und erfordert nicht die Notwendigkeit
eines zentralisierten N2-Systems.
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Der
erfindungsgemäße Trockenschrank
beinhaltet ein selbstenthaltenes Trockengaserzeugungssystem und
wird in der Figur allgemein durch Bezugsziffer 10 wiedergegeben.
Der Schrank 10 enthält
in der Regel eine Zugangstür 12 mit
Griff 13, um Tür 12 zu öffnen und
zu schließen
und Eintritt und Austritt in das Innere des Schranks 10 zu
ermöglichen.
Die Zugangstür 12 kann
ein oder mehrere Fenster oder Sichtstellen 14 aufweisen,
damit das Innere des Schranks von außen betrachtet werden kann.
Der Schrank 10 enthält
in der Regel eine Vielzahl von Regalen 16, um die Oberflächenmontagevorrichtungen
zu lagern. Obwohl in der Figur ein rechteckiger oder kastenförmiger Schrank
gezeigt ist, bildet die spezielle Form des Schranks keinen wesentlichen
Teil der vorliegenden Erfindung. Schrank 10 kann, wenn
dies auch nicht gezeigt ist, Räder
an seinem Boden aufweisen, damit die leichte Bewegung des Schranks
in der SMT-Produktionseinrichtung möglich ist.
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Um
in dem Schrank eine Umgebung mit niedriger Feuchtigkeit aufrechtzuerhalten,
wurden im Stand der Technik in der Regel hohe Durchflussraten eines
Trockengases, in der Regel Stickstoff, das aus einer zentralisierten
Stickstoffquelle erhalten wurde, wie einer Stickstoffzufuhr oder
einem Erzeugungssystem vom kryogenen Typ, in den Schrank gelenkt. In
dem erfindungsgemäßen Trockenschrank
wird ein in die Schrankstruktur integriertes Trockengaserzeugungssystem
bereitgestellt. Das Trockengaserzeugungssystem nimmt eine Quelle
für Druckluft
auf, die in Form einer modularen Quelle oder einer zentralisierten
Quelle vorliegen kann, um das gewünschte Trockengas in dem Schrank
zur Verfügung
zu stellen. Die Verwendung einer zentralisierten oder modularen
Druckluftquelle und die Erzeugung des gewünschten Trockengases in dem
Schrank reduziert die Kosten der Bereitstellung der gewünschten
Umgebung im Inneren des Trockenschranks, bezogen auf die Kosten
der Bereitstellung von zentralisiertem Stickstoff oder Stickstofferzeugungsquellen
des Standes der Technik, wesentlich.
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In
der Figur tritt wiederum Druckluft aus irgendeiner verfügbaren Quelle,
ob einer modularen Druckluftzufuhr oder einem zentralisierten Druckluftsystem, über Leitung 20 in
den Trockenschrank 10 ein. Ein Ventil 22 kann
die Druckluft über
Leitung 20 zu einem Lufttrocknungssystem 24 oder
Stickstofferzeugungssystem 26 oder beiden führen, die
in der Struktur von Schrank 10 enthalten sind. Der Lufttrockner 24 und
das Stickstofferzeugungssystem 26 sind innerhalb der Basis 18 von
Schrank 10 gebaut. Die spezielle Position des Trockengaserzeugungssystems
innerhalb des Trockenschranks 10 ist für die Erfindung nicht entscheidend.
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Druckluft
wird über
Leitung 20 über
Ventil 22 zu einem oder beiden von dem Lufttrockner 24 und dem
Stickstoffgenerator 26 geführt. Wenn die Druckluft zu
dem Lufttrockner geführt
wird, tritt sie durch Ventil 22 in Leitung 28 und
danach einen Filter 30 ein, um so luftgetragene Verunreinigungen
zu entfernen, wie Schwebeteilchen und dergleichen. Der Druckluftstrom
tritt aus dem Filter 30 über Leitung 31 in
den Lufttrockner 24 ein. Der Lufttrockner 24 ist
ein Exsikkator, der eine Masse an Trockenmittel enthält, das im
Wesentlichen den gesamten Wasserdampf aus dem Druckluftstrom entfernt,
der über
Leitung 20 in Schrank 10 eintritt. Es ist, wie
bereits gesagt, erwünscht,
die Umgebung im Inneren des Schranks 10 auf einer relativen
Feuchtigkeit von weniger als 5% zu halten.
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Beispiele
für Trockenmittel,
die sich eignen können,
sind in der folgenden, nicht erschöpfenden Liste aufgeführt: Tonerde,
Aluminiumoxid, Aktivkohle, Bariumoxid, Bariumperchlorat, Calciumbromid,
Calciumchlorid, Calciumhydrid, Calciumoxid, Sulfat, Glycerin, Glykole,
Lithiumaluminiumhydrid, Lithiumbromid, Lithiumchlorid, Lithiumiodid,
Magnesiumchlorid, Magnesiumperchlorat, Magnesiumsulfat, Molekularsiebe,
Phosphorpentoxid, Kaliumhydroxid (geschmolzen, Stäbchen, usw.),
Kaliumcarbonat, Harze, Silikagel, Natriumhydroxid, Natriumiodid,
Schwefelsäure,
Titansilikat, Zeolithe, Zinkbromid, Zinkchlorid und Kombinationen
dieser Trockenmittel. Die Trockenmittel können in verschiedenen Formen
verwendet werden. Das Trockenmittel kann beispielsweise ein Feststoff
und/oder eine Flüssigkeit
sein. Das Trockenmittel kann auch ein Teil einer wässrigen
Lösung sein.
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Der
Druckluftstrom, aus dem nun im Wesentlichen der gesamte anfangs
enthaltene Wasserdampf entfernt wurde, wird aus Lufttrockner 24 in
das Innere des Schranks geleitet, um den Schrank zu spülen und
eine innere Umgebung aufrechtzuerhalten, die weniger als 5% relative
Feuchtigkeit enthält. Die
trockene Luft wird somit von dem Lufttrockner 24 über Leitung 32 zu
einem Durchflussregler 34 geleitet, der das Volumen der
trockenen Luft einstellen kann, das über Leitung 36 in
das Innere des Schranks geführt
wird. Der Durchflussregler sollte auch einen Ein/Aus-Schalter aufweisen,
um den Gasstrom nach Wunsch beginnen zu lassen oder zu beenden.
Die trockene Luft wird aus Durchflussregler 34 und Leitung 36 durch
eine Reihe von Trockengasinjektoren 38 geführt. Die
Injektoren 38 lenken das Trockengas, ob die trockene Luft
oder, wie nachfolgend erläutert
wird, Stickstoff aus Stickstoffgenerator 26, in das Innere
des Schranks. Die genaue Zahl und der genaue Typ der Gasinjektoren,
die das Trockengas in das Innere des Schranks 10 führen, ist
für diese
spezielle Erfindung nicht entscheidend, und ein Fachmann kann die
Menge, die Größe und den
Typ der Trockengasinjektoren bestimmen, die für den individuellen Innenraum
des Schranks erforderlich sind.
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Es
ist in der Figur gezeigt, dass die trockene Luft aus Lufttrockner 24 zu
einem Lagertank 40 geführt
werden kann, bevor sie zu Leitung 32 und schließlich in
das Innere des Schranks geführt
wird. Der Lagertank 40 ist optional und kann verwendet werden,
um den Fluss des Trockengases in das Innere des Schranks 10 genauer
zu regeln. Die Umgebung innerhalb des Schranks 10 kann
sich somit zeitweise in einem Zustand befinden, bei dem kein weiteres
Gas zum Spülen
des Schrankinneren verwendet werden muss. Zu diesen Zeiten kann
die trockene Luft oder der trockene Stickstoff in dem optionalen Lagertank 40 gelagert
werden. Obwohl ein Lagertank gezeigt ist, kann ein separater Lagertank
für jeden der
Luftexsikkator(en) 24 oder Stickstoffgenerator(en) 26 verwendet
werden. Es kann ferner auch ein einzelner Lagertank mit separaten
und abgeschlossenen Kammern für
die trockene Luft beziehungsweise den trockenen Stickstoff verwendet
werden.
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Anstatt
den Wasserdampf aus dem Druckluftstrom zu entfernen, kann das Trockengas,
das in das Innere des Schranks injiziert wird, Stickstoff sein, der
durch einen in Schrank 10 enthaltenen Stickstoffgenerator
gebildet wird. Vor dieser Erfindung wurde Stickstoff somit zum Spülen von
Trockenschränken verwendet,
um eine Umgebung mit niedriger relativer Feuchtigkeit für die Lagerung
von SMDs in dem Schrank zum letztendlichen Transport zu spülen. Diese
Schränke
waren jedoch mit einer zentralisierten Stickstofferzeugungsquelle
verbunden, deren Bau und Unterhalt sehr kostspielig sein kann. In
dieser Erfindung wird somit ein modularer Stickstoffgenerator in
den erfindungsgemäßen Trockenschrank 10 eingebaut.
Der Stickstoffgenerator ist als Bezugsziffer 26 gezeigt
und umfasst allgemein ein oder mehrere Membranmodule, die zum Abtrennen
von Stickstoff aus dem Druckluftstrom 20 und zur Herstellung eines
konzentrierten trockenen Stickstoffgasstroms verwendet werden. Beispielsweise
können
eine oder mehrere Membranen, wie Polyimid-, Polycarbonat-, Nylon
6,6-, Polystyrol- oder Celluloseacetatmembranen, verwendet werden.
In dieser Erfindung wird Druckluft über Leitung 20 mindestens
teilweise durch Ventil 22 zu Leitung 42 und danach
durch Filter 44 geführt,
um Teilchenmaterial aus dem Druckluftstrom zu entfernen. Der filtrierte
Druckluftstrom aus Filter 44 und Leitung 46 wird
zu Stickstoffgenerator 26 geführt, der als Membranmodule 27 und 29 gezeigt
ist, wo die Luft behandelt wird, um Sauerstoff von Stickstoff in
dem Luftstrom abzutrennen und einen hochkonzentrierten N2-Strom zu erzeugen.
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Die
permeablen Membranen, die zur Durchführung der Erfindung verwendet
werden können, werden üblicherweise
in Membranbaugruppen verwendet, die in der Regel in Umhüllungen
angeordnet sind, um ein Membranmodul zu bilden, welches das Hauptelement
eines Membransystems ausmacht. Wir gehen in Bezug auf die Erfindung
davon aus, dass ein Membransystem ein Membranmodul oder eine Anzahl
derartiger Module umfasst, die für
entweder parallelen (wie gezeigt) oder seriellen Betrieb angeordnet
sind. Die Membranmodule können
in zweckmäßiger Hohlfaserform
oder in spiralig gewundenen, gefalteten, flachen Folienmembranzusammenstellungen
oder in jeder anderen gewünschten Konfiguration
aufgebaut sein. Membranmodule sind so aufgebaut, dass sie eine Oberflächenseite
für die Zufuhrluft
und eine gegenüberliegende
Permeatgasaustrittseite haben. Bei Hohlfasermembranen kann die Zufuhrluft
entweder an der Lumenseite oder an der äußeren Oberflächenseite
der Hohlfasern zugeführt
werden.
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Es
ist auch zu erkennen, dass das für
die Lufttrennungsmembran verwendete Membranmaterial jedes geeignete
Material sein kann, das eine leichter permeierende Komponente des
Zufuhrgases, d. h. Luft, selektiv permeieren lassen kann. Stellvertretend
für solche
Materialien sind Cellulosederivate, wie Celluloseacetat, Celluloseacetatbutyrat
und dergleichen, Polyamide und Polyimide einschließlich Arylpolyamiden
und Arylpolyimiden, Polysulfone, Polystyrole und dergleichen.
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Wie
bereits gezeigt wurde, können
die permeablen Membranen, die das in dem erfindungsgemäßen Schrank 10 angeordnete
Membransystem ausmachen, in jeder gewünschten Form vorliegen, wobei
Hohlfasermembranen allgemein bevorzugt sind. Es ist zu erkennen,
dass das Membranmaterial, das in irgendeiner speziellen Gastrennanwendung verwendet
wird, jedes geeignete Material sein kann, das selektiv eine leichter
permeierende Komponente eines Gases einer Fluidmischung permeieren
lässt, die
eine weniger leicht permeierende Komponente enthält. Die bereits erörterten
Polymere sind repräsentative
Beispiele dieser Materialien. In der Technik ist bekannt, dass zahlreiche
andere permeable Membranmaterialien in der Technik bekannt und zur
Verwendung in der Lufttrennung geeignet sind. Die Membranen können, wie
sie zur Durchführung
der Erfindung verwendet werden, wie gesagt in einer beliebigen derartigen
Form vorliegen, die für
die Lufttrennung brauchbar und wirksam ist, die mit dem erfindungsgemäßen System
und dem erfindungsgemäßen Verfahren
durchgeführt
wird.
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Eine
ist eine sogenannte "Kompositmembran", bei der die aktive
Schicht deckungsgleich an einem strukturell stützenden und üblicherweise
porösen
Substrat angeordnet ist. In einer Kompositmembran sind die aktive
Schicht und das Substrat keine Teilelemente einer einzelnen monolithischen
Schicht. Sie werden üblicherweise
produziert, indem eine Schicht auf die andere gelegt wird, wie durch
Laminieren von zwei getrennten Schichten. Das Substrat kann ein
selektiv gaspermeables Material sein, in der Regel ist dies jedoch
nicht so. Das Substrat hat, wie erwähnt, infolge der Porosität vernachlässigbare Gastrenneigenschaften
und bietet dem Fluss durch die Membran hindurch wenig widerstand.
Das Substrat liefert in erster Linie strukturelle Integrität für die aktive
Schicht, die selbst normalerweise zu dünn ist, um eine selbsttragende
Folie zu bilden oder den Druckgradienten über der Membran auszuhalten,
der dieser während
des Routinebetriebs auferlegt wird.
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Ein
bevorzugter Membrantyp ist als asymmetrische Membran bekannt. Diese
Membran ist durch eine anisotrope Struktur im Querschnitt charakterisiert,
der zu der Richtung des Permeatflusses senkrecht ist. Eine asymmetrische
Membran hat in der Regel eine aktive Schicht, die durch eine kontinuierliche,
dichte, dünne
Haut an einer Oberfläche
und eine poröse, üblicherweise
dickere Trägerschicht
gebildet wird, die deckungsgleich neben der Haut liegt und dazu
neigt, mit Abstand von der Haut zunehmend porös zu sein. Die aktive Schicht
und Trägerschicht
der asymmetrischen Membran sind üblicherweise
aus der gleichen, selektiv gaspermeablen Substanz zusammengesetzt.
Die Haut hat üblicherweise weniger
als 1/10 der Dicke der asymmetrischen Membran. Die Dicke der Haut
ist in der Regel etwa 50 bis 3000 Å, vorzugsweise etwa 50 bis
1500 Å und insbesondere
etwa 50 bis 1000 Å.
Die asymmetrische Membran kann entweder monolithisch oder ein Komposit
sein. In einer monolithischen asymmetrischen Membran sind somit
die aktive Schicht und die Trägerschicht
Teile einer integrierten monolithischen Struktur. In einer asymmetrischen
Kompositmembran enthält
die asymmetrische Membran ein Substrat neben der asymmetrischen
Membranschicht. Eine typische Hohlfaserkompositmembran kann beispielsweise
durch einen ringförmigen
Kern aus einem porösen
Substrat gebildet werden, der von einer koaxialen ringförmigen Hülle aus
der asymmetrischen Membran umgeben ist. In einer asymmetrischen Kompositmembran
werden die nicht aktive Schicht der asymmetrischen Membran und die
Substratschicht mitunter kollektiv als die "Trägerschicht" bezeichnet. Die
asymmetrische Membranschicht und das Substrat haben in der Regel
unterschiedliche Zusammensetzungen.
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Materialien,
die für
Gastrennmembranen verwendet werden, sind häufig polymer. Es können viele
ver schiedene Polymere für
das Stützsubstrat
einer Kompositmembran verwendet werden. Zu repräsentativen Substratpolymeren
gehören
Polysulfone, Polyethersulfone, Polyamide, Polyimide, Polyetherimide,
Polyester, Polycarbonate, Copolycarbonatester, Polyether, Polyetherketone,
Polyvinylidenfluorid, Polybenzimidazole, Polybenzoxazole, Cellulosederivative,
Polyazoaromaten, Poly(2,6-dimethylphenylenoxid), Polyarylenoxid,
Polyharnstoffe, Polyurethane, Polyhydrazide, Polyazomethine, Celluloseacetate,
Cellulosenitrate, Ethylcellulose, bromiertes Poly(xylylenoxid),
sulfoniertes Poly(xylylenoxid), Polychinoxalin, Polyamidimide, Polyamidester,
Gemische davon, Copolymere davon, substituierte Materialien davon
und dergleichen. Dies sollte nicht als einschränkend angesehen werden, da
jedes Material, das zu einer anisotropen Substratmembran verarbeitet
werden kann, als erfindungsgemäße Substratschicht
verwendet werden kann. Zu bevorzugten Materialien für die Substratschicht
gehören
Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyimid, Polyamidzusammensetzungen
und Copolymere und Gemische davon.
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Ein
weiter Bereich von Polymermaterialien hat erwünschte selektive Gaspermeationseigenschaften
und kann in der aktiven Schicht verwendet werden. Zu repräsentativen
Materialien gehören
Polyamide, Polyimide, Polyester, Polycarbonate, Copolycarbonatester,
Polyether, Polyetherketone, Polyetherimide, Polyethersulfone, Polysulfone,
Polyvinylidenfluorid, Polybenzimidazole, Polybenzoxazole, Polyacrylonitril,
Cellulosederivative, Polyazoaromaten, Poly(2,6-dimethylphenylenoxid),
Polyphenylenoxid, Polyharnstoffe, Polyurethane, Polyhydrazide, Polyazomethine,
Polyacetale, Celluloseacetate, Cellulosenitrate, Ethyl cellulose,
Styrol-Acrylonitril-Copolymere, bromiertes Poly(xylylenoxid), sulfoniertes Poly(xylylenoxid),
tetrahalogen-substituierte Polycarbonate, tetrahalogen-substituierte Polyester,
tetrahalogen-substituierte Polycarbonatester, Polychinoxalin, Polyamidimide,
Polyamidester, Gemische davon, Copolymere davon, substituierte Materialien
davon und dergleichen. Zu geeigneten Membranmaterialien für die Gastrennschicht
können
auch jene gehören, die
sich in der dichten Trennschicht von Komposit-Gastrennmembranen
als brauchbar erwiesen haben. Zu diesen Materialien gehören Polysiloxane, Polyacetylene,
Polyphosphazene, Polyethylene, Poly(4-methylpenten), Poly(trimethylsilylpropin),
Poly(trialkylsilylacetylene), Polyharnstoffe, Polyurethane, Gemische
davon, Copolymere davon, substituierte Materialien davon und dergleichen.
Bevorzugte Materialien für
die dichte Gastrennschicht umfassen aromatisches Polyamid, aromatische
Polyimidzusammensetzungen, Polysulfon, Polyethersulfon und Gemische
davon.
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Für die Gastrennung
sind Hohlfasermembranen mit dichten Regionen bevorzugt. Bei asymmetrischen
Hohlfasermembranen kann der unterscheidende Bereich entweder an
der Außenseite
der Hohlfaser, an der Innenseite (Lumenoberfläche) der Hohlfaser oder irgendwo
innen zwischen der Außenseite und
der Innenseite der Hohlfasermembran liegen. In der Ausführungsform,
wobei der unterscheidende Bereich der Hohlfasermembran innenständig von beiden
Hohlfasermembranoberflächen
ist, sind die Innenseiten-(Lumen)-Oberfläche und die Außenseitenoberfläche der
Hohlfasermembran porös,
dennoch zeigt die Membran die Fähigkeit
zur Trennung von Gasen. In einer Ausführungsform, wobei Gase getrennt
werden, umfassen die bevorzugten Polymermaterialien für Membranen
Polyestercarbonate, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyimide und
Polycarbonate. Polycarbonate und Polyestercarbonate gehören zu den
bevorzugteren Polymermaterialien für Gastrennmembranen. Zu bevorzugten
Polycarbonat- und Polyestercarbonatmembranen für die Gastrennung gehören jene,
die in US-A-4,874,401; US-A-4,851,014;
US-A-4,840,646 und US-A-4,818,254 beschrieben sind; die relevanten Teile
jedes Patents werden hier für
alle rechtlichen Zwecke, denen damit gedient werden kann, zum Zweck
der Bezugnahme zitiert. In einer bevorzugten Ausführungsform
werden diese Membranen nach dem in US-A-4,772,392 beschriebenen
Verfahren hergestellt; die relevanten Teile werden hier für alle rechtlichen
Zwecke, denen damit gedient werden kann, zum Zweck der Bezugnahme
zitiert. Besonders brauchbare Membranen für die Lufttrennung und Erzeugung
eines konzentrierten trockenen N2-Gasstroms
sind Hohlfaserpolymermembranen, die durch den vorliegenden Rechtsnachfolger,
Air Liquide, unter dem Handelsnahmen MEDAL produziert werden.
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Der
konzentrierte Stickstoffstrom wird von der Druckluft getrennt und
ist im Wesentlichen trocken, da der Wasserdampf durch die Membran
ebenfalls von dem Stickstoffkomponentenstrom getrennt wird. Der
trockene Stickstoffgasstrom, der Generator 26 über Leitung 48 verlässt, kann
gegebenenfalls in Lagerungstank 40 gelagert werden, bevor
er über Leitung 32,
Durchflussregler 34 und Leitung 36 zu den Trockengasinjektoren 38 geführt wird.
Es kann wiederum ein getrennter Tank 40 verwendet werden, um
den N2-Gasstrom von dem Stickstoffgenerator 26 zu
lagern, bezogen auf die Lagerung von trockener Luft aus dem Lufttrockner 24.
Stickstoffer zeugungssysteme mit Massenlagerung und Durchflussregelung
sind in der Technik bekannt und sind speziell in US-A-5,266,101;
US-A-5,284,506; US-A-5,302,189; US-A-5,363,656; US-A-5,439,507 und US-A-5,496,388
beschrieben, deren gesamter Inhalt hier zum Zweck der Bezugnahme
zitiert wird.
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Obwohl
das Stickstofferzeugungssystem 26 als eine oder mehrere
Membranstrukturen oder Membranmodule umfassend beschrieben worden
ist, ist es auch möglich,
aus Druckluft unter Verwendung eines teilchenförmigen Adsorbens in bekannten Druckwechseladsorptions-(PSA)-Systemen
einen konzentrierten Stickstoffgasstrom zu bilden. Teilchenförmige Adsorbentien,
wie Aktivkohle, Silikagele und Molekularsiebe, wie Zeolith oder
Titansilikate, d. h. CTS-1, sind zur Trennung von Luft in ihre individuellen
Komponenten einschließlich
der Bildung eines konzentrierten Stickstoffgasstroms bekannt. Das Stickstofferzeugungssystem 26,
welches in Schrank 10 eingebaut wird, kann ein oder mehrere
Adsorbensbetten umfassen, die unter selektiven Druckbedingungen
Sauerstoff oder Stickstoff adsorbieren können und einen konzentrierten
trockenen Stickstoffgasstrom produzieren können. Der Betrieb von PSA-Systemen
ist in der Technik bekannt, wobei Zyklen der Druckausübung (Adsorption),
Druckentspannung (Regeneration) und Gleichgewichtseinstellung des
Drucks verwendet werden, um eine gasförmige Komponente aus einer
Mischung zu adsorbieren und die adsorbierte Komponente aus dem Adsorbensbett
zu regenerieren. US-A-4,933,314 beschreibt eine spezielle Molekularsiebkohle,
die zum Trennen von Stickstoff oder Sauerstoff von Luft verwendet
wird. US-A-5,288,888 betrifft die Produktion eines mit Stickstoff
angereicherten Produkts, indem Luft durch ein Bett aus gebrochenem
Zeolith geführt wird,
und US-A-6,068,682 offenbart kristalline Titanmolekularsiebe, wobei
CTS-1 ein Beispiel für
bekannte Adsorbentien ist, die zur Bildung eines konzentrierten
Stickstoffstroms aus Luft verwendet werden können. Jedes der aufgeführten US-Patente wird hier
in vollem Umfang zum Zweck der Bezugnahme zitiert.
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Ähnlich dem
Membrantrennsystem kann ein konzentrierter Stickstoffgasstrom, der
ein PAS-Modul verlässt,
gegebenenfalls in Lagerungstank 40 gelagert werden und
danach über
Leitung 32, Durchflussregler 34 und Leitung 36 zu
den Trockengasinjektoren 38 geführt werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Trockenschrank, obwohl der
Trockenschrank 10 besonders brauchbar zur Lagerung von Oberflächenmontagevorrichtungen
während
oder nach dem Zusammenbau ist, weitere Verwendung hat, um zu verhindern,
dass ein beliebiger Vorrichtungstyp während Lagerung oder Transport,
bevor er verwendet wird, durch feuchte Luft nachteilig beeinflusst
wird. Insbesondere kann jeder Typ von Halbleiter, elektronischer,
optischer oder magnetischer Komponente und dergleichen in Schrank 10 gelagert werden.
Die Umgebung ist frei von Wasserdampf, der in jegliche Verpackung
oder jegliche Poren in der Struktur der Vorrichtung permeieren kann
und zu dauerhafter Beschädigung
während
der Lagerung oder während
der Installation und des Gebrauchs führe kann.
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Das
Trockengas wird, nachdem es das Innere von Schrank 10 gespült hat,
um eine sehr niedrige relative Feuchtigkeit im Inneren des Schranks
aufrechtzuerhalten, über
Leitung 50 aus dem Schrank freigesetzt.
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Die
Steuerung der Druckluft durch Leitung 20, Ventil 22 oder
jeglichen optionalen Lagertank 40 und Durchflusssteuerung 34 können den
gewünschten
Druck und die Bedingungen niedriger Feuchtigkeit im Inneren des
Schranks 10 aufrechterhalten. Ein Gas, welches das Innere
von Schrank 10 über Leitung 50 verlässt, kann
somit auf kontinuierlicher oder sogar intermittierender Basis sein.
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Obwohl
mehrere bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben und illustriert worden sind,
ist es für
Fachleute offensichtlich, dass Varianten und Modifikationen möglich sind, ohne
von dem allgemeinen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
der lediglich durch den Schutzumfang der angefügten Ansprüche begrenzt sein soll.