EP2301311A1 - Vorrichtung zur thermischen behandlung von werkstücken - Google Patents

Vorrichtung zur thermischen behandlung von werkstücken

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Publication number
EP2301311A1
EP2301311A1 EP09775874A EP09775874A EP2301311A1 EP 2301311 A1 EP2301311 A1 EP 2301311A1 EP 09775874 A EP09775874 A EP 09775874A EP 09775874 A EP09775874 A EP 09775874A EP 2301311 A1 EP2301311 A1 EP 2301311A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe sections
heating
workpieces
process chamber
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09775874A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Kressmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ersa GmbH
Original Assignee
Ersa GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ersa GmbH filed Critical Ersa GmbH
Publication of EP2301311A1 publication Critical patent/EP2301311A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3494—Heating methods for reflowing of solder
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/07—Treatments involving liquids, e.g. plating, rinsing
    • H05K2203/0736—Methods for applying liquids, e.g. spraying
    • H05K2203/0746—Local treatment using a fluid jet, e.g. for removing or cleaning material; Providing mechanical pressure using a fluid jet
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/08—Treatments involving gases
    • H05K2203/081—Blowing of gas, e.g. for cooling or for providing heat during solder reflowing

Definitions

  • the invention relates to a device for the thermal treatment of workpieces according to the preamble of patent claim 1.
  • the heat transfer to the printed circuit boards depends essentially on the temperature and the flow velocity of the gas within the process chamber.
  • the fan motors of such convection modules are speed controlled to affect heat transfer rates.
  • a device for reflow soldering in which the assembly to be soldered is transported along a transport plane through a heating field. Above the transport plane, a nozzle with a slot-shaped nozzle opening and a slot-shaped channel cross-section is provided, which essentially corresponds to the width of the assembly.
  • the process gas jet is widened over a baffle which is spaced from the nozzle opening.
  • the process gas is used in this device to supply the necessary amount of heat to the component. This has the disadvantage that a very large amount of process gas has to be introduced into the process chamber.
  • the apparatus for the thermal treatment of workpieces in particular printed circuit boards equipped with electrical and electronic components or the like, has a process chamber in which at least one heating or cooling zone having a heating or cooling device is formed or arranged. It is possible, workpieces under heating or cooling along a transit route through these zones to transport.
  • Such devices are preferably modular, with cooling and heating modules can be added one behind the other. Thus, a component which is transported along the various cooling or heating zones can be heated or cooled accordingly. The temperature in the various modules is measured with temperature sensors or pyrometers and can then be controlled.
  • a pressurized gaseous fluid can be introduced via inlet openings into the heating or cooling zones.
  • the gaseous fluid is blown through the inlet openings at a high speed in relation to the volume of the process chamber and tears the surrounding gas atmosphere in the process chamber in the region of the inlet openings.
  • This larger and, in particular, highly swirled volumetric flow promotes in particular the radiant heat transfer from the heating or cooling to the workpieces and vice versa with an additional convective heat transfer.
  • such a device makes it possible to increase the efficiency of heat transfer by increasing the amount of heat transferred by introducing a gas by convection.
  • the gaseous fluid can consist of compressed air, but also of inert gas or other customary process gases, which are introduced through the inlet openings into the process chamber.
  • the temperature of the gas is not crucial because of the low volume flow.
  • preheated compressed air from a compressed air reservoir.
  • the gas merely serves to set the gas in the chamber in motion.
  • the inflow openings may be nozzle-shaped and corresponding to their openings Create flow type. It is provided by way of example to apply pressure to the fluid source by means of a compressor or a compressed gas cylinder or to connect it to an existing compressed air network.
  • Another preferred embodiment provides to arrange the inflow openings on at least one wall of a hollow chamber which is connected to a pressurized fluid source.
  • the hollow chamber can be arranged at any point in the process chamber, so that the fluid can be guided to almost any point of the process chamber via the inflow openings in the wall or the walls of the hollow chamber.
  • the wall having the inflow openings is part of the outer wall of the process chamber.
  • the arrangement of the pipe sections is basically arbitrary and depends essentially on where the process chamber, the fluid to be introduced is to be brought.
  • the process chamber the fluid to be introduced is to be brought.
  • Concentrating flow in the region of the passage it is provided according to a preferred embodiment, to arrange a plurality of pipe sections in the process chamber, which are substantially parallel to the passage line.
  • the pipe sections can be arranged one behind the other and / or next to each other.
  • a further preferred embodiment provides to arrange the pipe sections substantially transversely or at an angle to the passage of the workpieces.
  • a different type of gas can be supplied to the continuous workpieces from different pipe sections in different areas of the process chamber.
  • the arrangement of the inlet openings on the pipe sections is basically also arbitrary.
  • the openings can be se be distributed statistically distributed to the pipe sections.
  • the inlet openings are arranged on the pipe sections linearly one behind the other to ensure a uniform flow distribution and thus a uniform convection.
  • the inlet openings may for example be arranged next to each other or angularly offset from each other.
  • a broader flow characteristic can be generated, with the other parts of the process chamber can be achieved with a larger gas volume movement.
  • each adjacent pipe sections between 10 mm and 100 mm, on the one hand, a sufficiently high gas flow rate can be generated and at the same time can radiate sufficient heat between the pipe sections.
  • the pipe sections are arranged for example parallel.
  • the distance of the pipe sections to the workpieces to be thermally treated is preferably between 20 mm and 50 mm.
  • the pipe sections in their distance from each other and / or to arrange changeable from the workpieces to be treated. This can be done, for example, via a manually or motor-operated adjusting device, which can also be controlled or regulated depending on process parameters, such as temperature of the atmosphere of the process chamber or the like.
  • the diameter of the inlet openings is particularly in consideration of the throw distance, the gas pressure and the distance of the inlet Set flow openings to each other. This is preferably between 2 mm and 0.01 mm, in particular between 0.5 mm and 0.05 mm.
  • the incoming gas can entrain the ambient atmosphere in the process chamber and, as a result, generate a relatively high gas flow to the workpieces.
  • the proposed small diameter allow high flow rates for the incoming gas with low gas consumption.
  • the gas flow brings no amount of heat in the chamber, but only supports the heat transfer from the heated process gas atmosphere in the process chamber to the workpiece. Thus, in addition to the radiant heat transfer, a convective heat transfer.
  • the distance between respectively adjacent inflow openings is preferably between 5 mm and 100 mm.
  • a further preferred embodiment provides that the pressure difference between the process chamber and the pressurized fluid is between 1 bar and 50 bar. This allows high flow velocities to be generated through the inlet openings into the process chamber, which form the basis for a high degree of turbulence, a high effective volume flow to the workpieces to be treated and thus a high convective energy transfer. This pressure range also allows a high inflow, as well as the variation of the same.
  • the heating or cooling device has at least one communiquénworks- or cooling element, wherein the pipe sections between the workpiece and the réellenitz- or cooling element are arranged.
  • a wall area of the process chamber can also be used as area heating element. serve chamber, which is heated according to the outside or has an infrared heating element.
  • the heating or cooling devices has at least one rod-shaped or tubular heating or cooling element.
  • these can be tubes through which superheated steam, hot water or a cooling medium flows.
  • the heating or cooling elements can be arranged between the pipe sections, between the pipe sections and the workpieces to be treated or between the pipe sections and a wall of the process chamber.
  • FIG. 1 shows a process chamber with top and bottom arranged, adjacent pipe sections and heating or cooling elements.
  • FIG. 3 shows a process chamber with piping sections and heating or cooling elements arranged at the top and at the bottom, wherein the heating elements are partially shielded with a reflector element;
  • 4 shows a process chamber with a surface heating element in which a plurality of inflow openings are provided; 5 shows a section through a pipe section with two inlet openings;
  • FIG. 7 shows a module with a register of pipe sections and a heating or cooling device
  • FIG. 8 is a sectional view showing the arrangement of a register of piping sections and heating and cooling elements of the module shown in FIG. 7;
  • FIG. 11 shows the arrangement of a plurality of tube registers and heating or cooling modules along a passage.
  • the process chamber 1 shown in FIG. 1 is passed through in the middle by a transport unit 2, which enters the process chamber 1 through a first chamber opening 3, until the transport unit 2 emerges from the process chamber through the second chamber opening 4.
  • a transport unit 2 which enters the process chamber 1 through a first chamber opening 3, until the transport unit 2 emerges from the process chamber through the second chamber opening 4.
  • pipe sections 5 are provided, from which a gas flow 6 flows to the chamber axis.
  • a heating element 7 is alternately provided, from which a heat radiation 8 also radiates to the center of the chamber, which is illustrated by the curved vector.
  • This alternate arrangement of heat radiation elements 7 and pipe sections 5 increases the efficiency of heat transfer to a component. This is transported by the transport unit 2 along the passage path through the process chamber 1 and additionally by heated the gas flow 6, which was heated by contact with the heat radiation elements 7 and the heated by these surfaces within the process chamber.
  • FIG. 2 illustrates the variable arrangement of the heating elements 7 and inlet openings 5 in relation to the passage section of the transport unit 2.
  • a process chamber 1 is moved by a transport unit 2 from a first chamber opening 3 to a second chamber opening 4, the inlet openings 5 being in a first part and heating elements 7 are arranged in a first position 9, which is closer to the passage line, and in another part in a second position 10, which is further apart relative to the passage line.
  • the lateral distance of the heating elements 7 and pipe sections 5 is also illustrated as variable by the distance between two pipe sections 5 has a first width 1 1 and a second width 12.
  • a heating element 7 is provided alternately next to each inlet element 5 .
  • reflector elements 13 are provided, which lie between the heating elements 7 and the passage section of the transport unit 2 and thus deflect the emanating from the heating elements 7 heat radiation 8 to the side, whereby a higher proportion of the heat radiation 8 directly to the pipe sections 5 and the inflow openings arranged therein arrives.
  • the gas flow 6 can thereby be heated efficiently and move this absorbed amount of heat to the transport unit 2 and a component lying thereon.
  • FIG. 4 shows a further possibility for heating the gas flow 6, with a variation of the flow.
  • the process chamber 1 is parallel to the direction of the passage of the transport unit 2 on the walls of the process chamber 1, a surface heating element 14 is provided, which radiates the heat radiation in the process chamber 1 area.
  • the inflow openings 5 are provided in front of the surface heating element 14 in order to move the amount of heat emitted by this to the transport unit 2.
  • the effluent from the pipe sections 5 gas jet 6 is divided into a first partial beam 15 and a second partial beam 16, whereby a broader distribution of the gas flow and thus an increase in the volume flow is made possible.
  • FIG. 5 shows the section through a pipe section 5 with an inlet opening 18 and next to it a further inlet opening 19.
  • the gas flow is thereby divided into a first partial jet 15 and a second partial jet 16.
  • This embodiment of a divided process gas jet is also indicated in FIG. 4, for example.
  • the outer diameter 20 and the inner diameter 21 are unique characteristics for the pipe section, as it can be influenced at a fixed gas pressure, the flow rate or the flow shape.
  • FIG. 6 shows a section through a pipeline section 5 with only one inflow opening 18, which only generates a first partial stream 17. This is particularly advantageous for locally generated flows.
  • FIG. 7 shows a module according to the invention in which a pressurized fluid source 22 is connected to a pipe register consisting of five pipe sections 5. From each pipe section 5 flows a gaseous fluid. Furthermore, as a heating element 7, a heating coil is shown, which extends substantially over the surface of the tube register. The pressurized fluid source 22 shown enables a uniform distribution of the gas pressure in the various pipe sections 5 in the module.
  • FIG. 8 shows a section through the module shown in FIG. 7, wherein a first partial jet 15 and a second partial jet 16, which are warmed up by the heat emitted by the heating elements 7, flow out of the pipeline sections 5. Furthermore, reflector elements 13 are provided, which ensure that the heat is efficiently moved to the pipe sections 5.
  • Fig. 9 and Fig. 10 shows the arrangement of the pipe sections 5 with respect.
  • Fig. 9 shows accordingly the arrangement of the pipe sections 5 parallel to the direction of the passage section 23 of the transport unit 2.
  • Correspondingly rectangular is the arrangement the inlet openings 5 transversely to the direction of the passage section 23 in Fig. 10.
  • FIG. 11 shows the embodiment of a soldering device with a plurality of heating or cooling modules arranged side by side, as explained in FIG. 7.
  • a process chamber 1 of eight modules is constructed, each having a register of pipe sections 5 and a heating element 7 in the form of a heating coil. These can be connected via a connection element 24 to a pressurized fluid source and via a connection 25 to a heating device.
  • the embodiment of the invention is not limited to the embodiments described in FIGS. 1 to 1 1, but also a plurality of variants is possible.
  • the type and arrangement of the heating and cooling elements and the arrangement of the transport unit and the geometry of the process chamber may differ from the devices shown.
  • the invention thus makes a decisive contribution to improving the efficiency of the heat transport in soldering devices, in addition to the heat radiation, the amount of heat transferred by the heated fluid flow is increased.
  • Process chamber Transport unit First chamber opening Second chamber opening Pipe section Gas flow Heating element Heat radiation First position Second position First width Second width Reflector element Surface heating element First partial jet Second partial jet Single jet Inlet opening Additional inlet opening Outside diameter Inside diameter Pressurized fluid source Transport direction Connection to pressurized fluid source Connection to heater

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken, insbesondere mit elektrischen und elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatten oder dergleichen, mit einer Prozesskammer (1), in der mindestens eine eine Heiz- oder Kühlvorrichtung aufweisende Heiz- oder Kühlzone ausgebildet bzw. angeordnet ist, durch die die Werkstücke unter Aufheizung oder Abkühlung entlang einer Durchlaufstrecke transportiert werden, wobei ein druckbeaufschlagtes gasförmiges Fluid über Einströmöffnungen (18) in die Heiz- oder Kühlzone einleitbar ist.

Description

Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wie bei im Stand der Technik gezeigten Reflow-Lötanlagen bekannt ist, werden mehrere nacheinander angeordnete Prozesskammern mit Heizbzw. Kühlzonen auf eine jeweils vorbestimmte Temperatur gebracht, wobei insbesondere eine Vorheizzone, eine Reflowzone und eine Kühl- zone dazu vorgesehen sind, das zu lötende Bauteil bzw. die Leiterplatte unterschiedlichen Temperaturen auszusetzen. Es ist üblich, mittels Konvektion den zu lötenden Bauteilen die Wärme eines Heizelements unter Verwendung von Lüftern derart zuzuführen, dass ein temperierter Luftstrom die Bauteile umströmt. Der Wärmeübergang auf die Leiterplat- ten hängt im Wesentlichen von der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases innerhalb der Prozesskammer ab. Die Lüftermotoren derartiger Konvektionsmodule sind drehzahlgeregelt, um die Wärmetransferraten zu beeinflussen. Die Erzeugung des Luftstroms mittels Lüftern kann als sehr aufwendige Technik betrachtet werden, wobei sich insbesondere bei hohen Strömungsleistungen ein Nachteil hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit diesbezüglicher Systeme ergibt. Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Heizmodule für Lötanlagen weisen mittel- bis langwellige Infrarotstrahler auf. Diese Vorheizmodule heizen die Bauteile durch Strahlungswärmeübergang auf. Ein Nachteil dieser Heizkassetten liegt in der Effizienz der Energieübertragung.
Ferner ist aus der DE 202 03 599 Ul eine Vorrichtung zum Reflow-Löten bekannt, bei der die zu lötende Baugruppe entlang einer Transportebene durch ein Heizfeld transportiert wird. Oberhalb der Transportebene ist eine Düse mit einer schlitzförmigen Düsenöffnung und einem schlitzförmigen Kanalquerschnitt vorgesehen, der im Wesentlichen der Breite der Baugruppe entspricht. Der Prozessgasstrahl wird über eine Prallfläche, die beabstandet der Düsenöffnung liegt, verbreitert. Das Prozessgas dient bei dieser Vorrichtung dazu, dem Bauteil die nötige Wärmemenge zuzuführen. Dies hat den Nachteil, dass eine sehr große Menge an Prozessgas in die Prozesskammer eingeleitet werden muss.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken zur Verfügung zu stellen, mit der sich die im Stand der Technik vorzufindenden Nachteile überwinden lassen, um insbesondere eine effizientere Wärmeübertragung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In zunächst für sich bekannter Weise weist die Vorrichtung zur thermi- sehen Behandlung von Werkstücken insbesondere mit elektrischen und elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatten oder dergleichen eine Prozesskammer auf, in der mindestens eine eine Heiz- oder Kühlvorrichtung aufweisende Heiz- oder Kühlzone ausgebildet bzw. angeordnet ist. Es ist dabei möglich, Werkstücke unter Aufheizung oder Abkühlung entlang einer Durchlaufstrecke durch diese Zonen zu transportieren. Derartige Vorrichtungen sind bevorzugt modular aufgebaut, wobei sich Kühl- und Heizmodule hintereinander anfügen lassen. Damit kann ein Bauteil, welches entlang der verschiedenen Kühl- oder Heizzonen trans- portiert wird, entsprechend erhitzt oder abgekühlt werden. Die Temperatur in den verschiedenen Modulen wird mit Temperatursensoren bzw. Pyrometern gemessen und kann daraufhin gesteuert werden.
Erfindungsgemäß ist ein druckbeaufschlagtes gasförmiges Fluid über Einströmöffnungen in die Heiz- oder Kühlzonen einleitbar. Das gasför- mige Fluid wird dabei als im Verhältnis zum Volumen der Prozesskammer kleiner Volumenstrom mit hoher Geschwindigkeit durch die Einströmöffnungen geblasen und reißt im Bereich der Einströmöffnungen die umgebende Gasatmosphäre in der Prozesskammer mit. Dieser größere und insbesondere stark verwirbelte Volumenstrom unterstützt insbeson- dere den Strahlungswärmeübergang von der Heizung bzw. Kühlung auf die Werkstücke und umgekehrt mit einem zusätzlichen konvektiven Wärmeübergang. Im Ergebnis ermöglicht eine derartige Vorrichtung eine Steigerung der Effizienz der Wärmeübertragung, indem die übertragene Wärmemenge durch das Einleiten eines Gases mittels Konvektion erhöht wird. Das gasförmige Fluid kann dabei im einfachsten Fall aus Druckluft, aber auch aus Inertgas oder anderen üblichen Prozessgasen bestehen, welche durch die Einströmöffnungen in die Prozesskammer eingeleitet werden. Die Temperatur des Gases ist aufgrund des geringen Volumenstroms nicht von entscheidender Bedeutung. So kann insbeson- dere nicht vorgeheizte Druckluft aus einem Druckluftspeicher Verwendung finden. Das Gas dient lediglich dazu, das in der Kammer befindliche Gas in Bewegung zu versetzen.
Es ist bevorzugt vorgesehen, die Einströmöffnungen an mindestens einem Rohrleitungsabschnitt anzuordnen, der mit einer druckbeauf- schlagten Fluidquelle verbunden ist. Die Einströmöffnungen können düsenförmig ausgebildet sein und einen ihren Öffnungen entsprechenden Strömungstyp erzeugen. Es ist beispielhaft vorgesehen, die Fluidquelle mittels eines Kompressors oder einer Druckgasflasche mit Druck zu beaufschlagen oder an ein bestehendes Druckluftnetz anzuschließen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, die Einström- Öffnungen an mindestens einer Wand einer Hohlkammer anzuordnen, die mit einer druckbeaufschlagten Fluidquelle verbunden ist. Dabei kann die Hohlkammer an beliebiger Stelle in der Prozesskammer angeordnet sein, so dass über die Einströmöffnungen in der Wand oder den Wänden der Hohlkammer das Fluid an nahezu beliebige Stellen der Prozesskammer geführt werden kann. In einer weiteren Realisierung ist jedoch vorgesehen, dass die die Einströmöffnungen aufweisende Wand Teil der Außenwand der Prozesskammer ist.
Die Anordnung der Rohrleitungsabschnitte ist grundsätzlich beliebig und hängt im Wesentlichen davon ab, an welche Stelle der Prozesskammer das einzuleitende Fluid gebracht werden soll. Um insbesondere die
Strömung im Bereich der Durchlaufstrecke zu konzentrieren, ist es nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, eine Mehrzahl von Rohrleitungsabschnitten in der Prozesskammer anzuordnen, die im Wesentlichen parallel zur Durchlaufstrecke verlaufen. Die Rohrleitungs- abschnitte können dabei hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, die Rohrleitungsabschnitte im Wesentlichen quer oder winklig zur Durchlaufstrecke der Werkstücke anzuordnen.
Dabei kann zum Beispiel in verschiedenen Bereichen der Prozesskammer den durchlaufenden Werkstücken aus verschiedenen Rohrleitungsabschnitten eine unterschiedliche Gasart zugeführt werden.
Die Anordnung der Eintrittsöffnungen an den Rohrleitungsabschnitten ist grundsätzlich ebenfalls beliebig. So können die Öffnungen beispielswei- se statistisch verteilt an den Rohrabschnitten angeordnet sein. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch sind die Einströmöffnungen an den Rohrleitungsabschnitten linear hintereinander angeordnet, um eine gleichmäßige Strömungsverteilung und damit eine gleichmäßige Konvektion zu gewährleisten.
Alternativ dazu können die Einströmöffnungen beispielsweise nebeneinander angeordnet oder winklig gegeneinander versetzt sein. Damit kann eine breitere Strömungscharakteristik erzeugt werden, mit der weitere Teile der Prozesskammer mit einer größeren Gasvolumenbewegung erreicht werden können.
Bevorzugt ist der Abstand jeweils benachbarter Rohrleitungsabschnitte zwischen 10 mm und 100 mm, wobei einerseits ein genügend hoher Gasvolumenstrom erzeugt werden kann und gleichzeitig zwischen den Rohrleitungsabschnitten genügend Heizwärme durchstrahlen kann. Die Rohrleitungsabschnitte sind dazu beispielsweise parallel angeordnet.
Der Abstand der Rohrleitungsabschnitte zu den thermisch zu behandelnden Werkstücken beträgt vorzugsweise zwischen 20 mm und 50 mm.
Es ist gemäß einer weiteren Aus führungs form vorgesehen, die Rohrleitungsabschnitte in ihrem Abstand voneinander und/oder von den zu behandelnden Werkstücken veränderbar anzuordnen. Dies kann beispielsweise über eine manuell oder motorisch betriebene Einstelleinrichtung erfolgen, die zudem in Abhängigkeit von Prozessparametern, wie beispielsweise Temperatur der Atmosphäre der Prozesskammer oder dergleichen, gesteuert oder geregelt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Realisierung ist es vorgesehen, die Rohrleitungsabschnitte um ihre Längsachse drehbar anzuordnen. Damit kann in einfacher Weise die Richtung des Volumenstroms eingestellt werden.
Der Durchmesser der Einströmöffnungen ist insbesondere unter Berücksichtigung der Wurfweite, des Gasdrucks und des Abstandes der Ein- Strömöffnungen zueinander festzulegen. Vorzugsweise liegt dieser zwischen 2 mm und 0,01 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 0,05 mm. Damit kann ein geringer Gasverbrauch bzw. ein zum Volumen der Prozesskammer ausreichend geringer Volumenstrom des einströmenden Fluides gewährleistet werden. Das einströmende Gas kann die Umgebungsatmosphäre in der Prozesskammer mitreißen und so im Ergebnis eine relative hohe Gasströmung an die Werkstücke erzeugen. Die vorgeschlagenen kleinen Durchmesser ermöglichen für das einströmende Gas bei geringem Gasverbrauch hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Der Gasstrom bringt dabei keine Wärmemenge in die Kammer ein, sondern unterstützt nur die Wärmeübertragung von der aufgeheizten Prozessgasatmosphäre in der Prozesskammer auf das Werkstück. So kann neben dem Strahlungswärmeübergang eine konvektive Wärmeübertragung erfolgen.
Der Abstand zwischen jeweils benachbarten Einströmöffnungen liegt vorzugsweise zwischen 5 mm und 100 mm.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Druckdifferenz zwischen der Prozesskammer und dem druckbeaufschlagten Fluid zwischen 1 bar und 50 bar beträgt. Damit können hohe Strömungs- geschwindigkeiten durch die Einströmöffnungen in die Prozesskammer erzeugt werden, die die Grundlage für einen hohen Verwirbelungsgrad, einen hohen effektiven Volumenstrom auf die zu behandelnden Werkstücke und damit einen hohen konvektiven Energieübertrag bilden. Dieser Druckbereich ermöglicht zudem eine hohe Einströmtiefe, sowie die Variation derselben.
Die Art der Heiz- oder Kühleinrichtung ist für das Wesen der Erfindung ohne Belang. Nach einem Ausführungsbeispiel weist jedoch die Heizoder Kühlvorrichtung mindestens ein Flächenheiz- oder Kühlelement auf, wobei die Rohrleitungsabschnitte zwischen dem Werkstück und dem Flächenheiz- bzw. Kühlelement angeordnet sind. Im einfachsten Fall kann dabei als Flächenheizelement auch ein Wandbereich der Prozess- kammer dienen, der von außen entsprechend erwärmt wird oder ein Infrarotheizelement aufweist.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Heiz- oder Kühlvorrichtungen zumindest ein stab- oder röhrenförmiges Heiz- oder Kühlelement auf. Dies können im einfachsten Fall von Heißdampf, Heißwasser oder einem Kühlmedium durchströmte Rohre sein. Dabei können die Heizoder Kühlelemente zwischen den Rohrleitungsabschnitten, zwischen den Rohrleitungsabschnitten und den zu behandelnden Werkstücken oder zwischen den Rohrleitungsabschnitten und einer Wand der Prozesskam- mer angeordnet sein.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand lediglich bevorzugter Ausführungsformen darstellender Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prozesskammer mit oben und unten angeordneten, nebeneinander liegenden Rohrleitungsabschnitten und Heiz- oder Kühlelementen;
Fig. 2 eine Prozesskammer mit oben und unten angeordneten, nebeneinander liegenden Rohleitungsabschnitten und Heiz- oder Kühlelementen mit einem variablen Abstand zur Transportebene;
Fig. 3 eine Prozesskammer mit oben und unten angeordneten, nebeneinander liegenden Rohrleitungsabschnitten und Heiz- oder Kühlelementen, wobei die Heizelemente mit einem Reflektor- element teilweise abgeschirmt sind;
Fig. 4 eine Prozesskammer mit einem Flächenheizelement in dem mehrere Einströmöffnungen vorgesehen sind; Fig. 5 Schnitt durch einen Rohrleitungsabschnitt mit zwei Einströmöffnungen;
Fig. 6 Schnitt durch einen Rohrleitungsabschnitt mit einer Einströmöffnung;
Fig. 7 ein Modul mit einem Register aus Rohrleitungsabschnitten und einer Heiz- oder Kühleinrichtung;
Fig. 8 eine Schnittdarstellung der Anordnung von einem Register aus Rohleitungsabschnitten und Heiz- bzw. Kühlelementen des in Fig. 7 dargestellten Moduls;
Fig. 9 die Anordnung der Rohrleitungsabschnitte in Richtung der Durchlauf strecke;
Fig. 10 die Anordnung der Rohrleitungsabschnitte orthogonal zur Richtung der Durchlaufstrecke; und
Fig. 1 1 die Anordnung mehrerer Rohrregister und Heiz- bzw. Kühlmo- dule entlang einer Durchlaufstrecke.
Die in Fig. 1 gezeigte Prozesskammer 1 wird mittig von einer Transporteinheit 2, die durch eine erste Kammeröffnung 3 in die Prozesskammer 1 eintritt, durchlaufen, bis die Transporteinheit 2 durch die zweite Kammeröffnung 4 aus der Prozesskammer austritt. In der Prozesskammer 1 sind jeweils oben und unten gegenüberliegend Rohrleitungsabschnitte 5 vorgesehen, aus denen eine Gasströmung 6 zur Kammerachse strömt. Neben einem Rohrleitungsabschnitt 5 ist abwechselnd jeweils ein Heizelement 7 vorgesehen, von dem eine Wärmestrahlung 8 ebenfalls zur Kammermitte strahlt, was mit dem gebogenen Vektor verdeutlicht ist. Diese abwechselnde Anordnung von Wärmestrahlungselementen 7 und Rohrleitungsabschnitten 5 erhöht die Effizienz des Wärmeübertrags auf ein Bauteil. Dieses wird mit der Transporteinheit 2 entlang der Durchlaufstrecke durch die Prozesskammer 1 transportiert und zusätzlich durch die Gasströmung 6 erwärmt, die durch Kontakt mit den Wärmestrahlungselementen 7 bzw. den von diesen aufgewärmten Oberflächen innerhalb der Prozesskammer erhitzt wurde.
Fig. 2 verdeutlicht die variable Anordnung der Heizelemente 7 und Einströmöffnungen 5 in Bezug zur Durchlaufstrecke der Transporteinheit 2. Dazu wird eine Prozesskammer 1 von einer Transporteinheit 2 von einer ersten Kammeröffnung 3 zu einer zweiten Kammeröffnung 4 bewegt, wobei in einem ersten Teil die Einströmöffnungen 5 und Heizelemente 7 in einer ersten Position 9 angeordnet sind, die näher an der Durchlaufstrecke liegt, und in einem weiteren Teil in einer zweiten Position 10, die relativ zur Durchlaufstrecke weiter auseinander liegt. Der seitliche Abstand der Heizelemente 7 und Rohrleitungsabschnitte 5 ist dabei ebenfalls als veränderbar verdeutlicht, indem der Abstand zweier Rohrleitungsabschnitte 5 eine erste Weite 1 1 und eine zweite Weite 12 aufweist.
Es zeigt Fig. 3 eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung der Wärmestrahlung 8. Dazu wird in einer Prozesskammer 1 , die von einer Transporteinheit 2 von einer ersten Kammeröffnung 3 zu einer zweiten Kammeröffnung 4 durchlaufen wird, neben jedem Einlasselement 5 abwech- selnd ein Heizelement 7 vorgesehen. Zudem sind Reflektorelemente 13 vorgesehen, die zwischen den Heizelementen 7 und der Durchlaufstrecke der Transporteinheit 2 liegen und so die von den Heizelementen 7 ausgehende Wärmestrahlung 8 zur Seite hin ablenken, wodurch ein höherer Anteil der Wärmestrahlung 8 direkt zu den Rohrleitungsabschnitten 5 und den darin angeordneten Einströmöffnungen gelangt. Die Gasströmung 6 kann dadurch effizient erwärmt werden und diese aufgenommene Wärmemenge zur Transporteinheit 2 und einem darauf liegenden Bauteil bewegen.
In Fig.4 ist eine weitere Möglichkeit zur Erwärmung der Gasströmung 6 gezeigt, mit einer Variation der Strömung. Dazu ist an der Prozesskammer 1 parallel zur Richtung der Durchlaufstrecke der Transporteinheit 2 an den Wänden der Prozesskammer 1 ein Flächenheizelement 14 vorgesehen, welches flächig die Wärmestrahlung in die Prozesskammer 1 abstrahlt. Die Einströmöffnungen 5 sind vor dem Flächenheizelement 14 vorgesehen, um die von diesem abgegebene Wärmemenge zu der Trans- porteinheit 2 zu bewegen. Der aus den Rohrleitungsabschnitten 5 ausströmende Gasstrahl 6 ist in einen ersten Teilstrahl 15 und einen zweiten Teilstrahl 16 unterteilt, wodurch eine breitere Verteilung der Gasströmung und damit eine Vergrößerung des Volumenstromes ermöglicht wird.
Es zeigt Fig. 5 den Schnitt durch einen Rohrleitungsabschnitt 5 mit einer Einströmöffnung 18 und daneben angeordnet einer weiteren Einströmöffnung 19. Die Gasströmung wird dadurch in einen ersten Teilstrahl 15 und eine zweiten Teilstrahl 16 geteilt. Diese Ausführung eines geteilten Prozessgasstrahls ist beispielsweise auch in Fig.4 angedeutet. Der Außendurchmesser 20 und der Innendurchmesser 21 stellen für den Rohrleitungsabschnitt eindeutige Kenngrößen dar, da damit bei einem fest eingestellten Gasdruck die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Strömungsform beeinflusst werden können.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen Rohrleitungsabschnitt 5 mit nur einer Einströmöffnung 18, die nur einen ersten Teilstrahl 17 erzeugt. Dies ist insbesondere für lokal zu erzeugende Strömungen vorteilhaft.
Es zeigt Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Modul, bei dem eine druckbeaufschlagte Fluidquelle 22 mit einem Rohrregister bestehend aus fünf Rohrleitungsabschnitten 5 verbunden ist. Aus jedem Rohrleitungsab- schnitt 5 strömt ein gasförmiges Fluid. Weiterhin ist als Heizelement 7 eine Heizschlange gezeigt, die sich im Wesentlichen über die Fläche des Rohrregisters erstreckt. Die gezeigte druckbeaufschlagte Fluidquelle 22 ermöglicht in dem Modul eine gleichmäßige Verteilung des Gasdrucks in den verschiedenen Rohrleitungsabschnitten 5. Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch das in Fig. 7 gezeigte Modul, wobei aus den Rohrleitungsabschnitten 5 ein erster Teilstrahl 15 und ein zweiter Teilstrahl 16 strömt, die durch die von den Heizelementen 7 abgegebene Wärme aufgewärmt sind. Weiterhin sind Reflektorelemente 13 vorgese- hen, die dafür sorgen, die Wärme effizient zu den Rohrleitungsabschnitten 5 zu bewegen.
Es zeigen Fig. 9 und Fig. 10 die Anordnung der Rohrleitungsabschnitte 5 bzgl. der Richtung der Durchlaufstrecke 23 der Transporteinheit 2. Fig. 9 zeigt dementsprechend die Anordnung der Rohrleitungsabschnitte 5 parallel zur Richtung der Durchlaufstrecke 23 der Transporteinheit 2. Entsprechend rechtwinklig ist die Anordnung der Einströmöffnungen 5 quer zur Richtung der Durchlaufstrecke 23 in Fig. 10 dargestellt.
Fig. 1 1 zeigt die Ausführung einer Lötvorrichtung mit mehreren nebeneinander angeordneten Heiz- bzw. Kühlmodulen, wie sie in Fig. 7 erläu- tert sind. Dazu ist eine Prozesskammer 1 aus acht Modulen aufgebaut, die jeweils ein Register aus Rohrleitungsabschnitten 5 und ein Heizelement 7 in Form einer Heizschlange aufweisen. Diese können über ein Anschlusselement 24 an eine druckbeaufschlagte Fluidquelle und über einen Anschluss 25 an eine Heizvorrichtung angeschlossen werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführung der Erfindung nicht auf die in den Fig. 1 bis 1 1 beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern auch eine Vielzahl von Varianten möglich ist. Insbesondere kann die Art und Anordnung der Heiz- und Kühlelemente sowie die Anordnung der Transporteinheit und die Geometrie der Prozesskammer von den dargestellten Vorrichtungen abweichen.
Die Erfindung liefert damit einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Effizienz des Wärmetransports in Lötvorrichtungen, indem neben der Wärmestrahlung die übertragene Wärmemenge durch die erwärmte Fluidströmung erhöht wird. Bezugszeichenliste
Prozesskammer Transporteinheit Erste Kammeröffhung Zweite Kammeröffhung Rohrleitungsabschnitt Gasströmung Heizelement Wärmestrahlung Erste Position Zweite Position Erste Weite Zweite Weite Reflektorelement Flächenheizelement Erster Teilstrahl Zweiter Teilstrahl Einfacher Strahl Einströmöffnung Weitere Einströmöffnung Außendurchmesser Innendurchmesser Druckbeaufschlagte Fluidquelle Transportrichtung Anschluss an druckbeaufschlagte Fluidquelle Anschluss an Heizvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken, insbe- sondere mit elektrischen und elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatten oder dergleichen, mit einer Prozesskammer (1), in der mindestens eine eine Heiz- oder Kühlvorrichtung aufweisende Heiz- oder Kühlzone ausgebildet bzw. angeordnet ist, durch die die Werkstücke unter Aufheizung oder Abkühlung entlang einer Durchlaufstrecke transportiert werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass ein druckbeaufschlagtes gasförmiges Fluid über Einströmöffnungen (18) in die Heiz- oder Kühlzone einleitbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einströmöffnungen (18) an mindestens einem Rohrleitungsabschnitt (5) angeordnet sind, der mit einer druckbeaufschlagten FIu- idquelle (22) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einströmöffnungen (18) an mindestens einer Wand einer Hohlkammer angeordnet sind, die mit einer druckbeaufschlagten FIu- idquelle (22) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wand Teil der Außenwand der Prozesskammer (1) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Mehrzahl von Rohrleitungsabschnitten (5) in der Prozesskammer (1) angeordnet ist, die im Wesentlichen parallel zur Trans- portrichtung (23) der Werkstücke verlaufen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Mehrzahl von Rohrleitungsabschnitten (5) in der Prozesskammer (1) angeordnet ist, die im Wesentlichen quer oder winklig zur Transportrichtung (23) der Werkstücke verlaufen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, 5 oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einströmöffnungen (18) an den Rohrleitungsabschnitten (5) linear hintereinander mit Abstand angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 5 bis 7, dadurch g e k e n n z e i ch n e t, dass die Einströmöffnungen (18) an den Rohrleitungsabschnitten (5) nebeneinander angeordnet oder winklig gegeneinander versetzt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Abstand jeweils benachbarter Rohrleitungsabschnitte (5) zwischen 10 und 100 mm beträgt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Abstand der Rohrleitungsabschnitte (5) von den zu behandelnden Werkstücken zwischen 20 und 50 mm beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch g ek ennz e i chn et, dass die Rohrleitungsabschnitte (5) in ihrem Abstand voneinander und/oder von den zu behandelnden Werkstücken einstellbar sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch g ekennz ei chnet, dass die Rohrleitungsabschnitte (5) um ihre Längsachse drehbar sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g ekennz e i chn et, dass der Durchmesser der Einströmöffnungen (18) zwischen 2 und
0,01 mm, insbesondere zwischen 0,5 und 0,05 mm, beträgt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g ek ennz ei chn et, dass der Abstand zwischen jeweils benachbarten Einströmöffnungen (18) zwischen 5 und 100 mm beträgt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch g ek ennz ei chn et, dass die Druckdifferenz zwischen der Prozesskammer (1) und dem druckbeaufschlagten Fluid (22) zwischen 1 und 50 bar beträgt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e kenn z ei chnet, dass die Heiz- oder Kühlvorrichtung mindestens ein Flächenheiz- oder -kühlelement (14) aufweist, das auf der zu den behandelnden Werkstücken entgegengesetzten Seite der Rohrleitungsabschnitte (5) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch g ekennzei chnet, dass die Heiz- oder Kühlvorrichtung mindestens ein stab- oder röhrenförmiges Heiz- oder Kühlelement (7) aufweist, das auf der zu den behandelnden Werkstücken entgegengesetzten Seite der Rohrleitungsabschnitte (5), zwischen den Rohrleitungsabschnitten (5) und den zu behandelnden Werkstücken oder zwischen benachbarten Rohrleitungsabschnitten (5) angeordnet ist.
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