PT1275462E

PT1275462E - Processo e dispositivo de soldadura de componentes eléctricos sobre uma folha de material de plástico

Info

Publication number: PT1275462E
Application number: PT02014075T
Authority: PT
Inventors: Rolf Ludwig Diehm; Volker Liedtke
Original assignee: Seho Systemtechnik Gmbh
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2007-01-31
Also published as: US20030024966A1; DE50207975D1; DK1275462T3; US6726087B2; ES2269565T3; DE10133217A1; EP1275462A1; EP1275462B1; ATE337882T1

Description

ΕΡ 1 275 462 /PT

DESCRIÇÃO "Processo e dispositivo de soldadura de componentes eléctricos numa folha de material de plástico" 0 invento refere-se a um processo de soldadura de componentes eléctricos em pontos de soldadura providos de material de soldadura numa folha de material de plástico com pistas condutoras dispostas na mesma.

As folhas de material de plástico com pistas condutoras dispostas sobre as mesmas e soldadas com componentes eléctricos podem ser utilizadas vantajosamente no caso de uma colocação de linhas eléctricas, de tal forma que o respectivo suporte tenha de apresentar uma certa flexibilidade.

Por estas razões foram já empregues folhas de material de plástico como suportes de pistas condutoras e de componentes eléctricos que têm de apresentar, em consequência das temperaturas que são necessárias durante a soldadura dos componentes eléctricos, quer dizer, temperaturas aproximadamente de 210°C, uma resistência correspondente ao calor. Os materiais de plástico deste tipo são bastante dispendiosos. Neste contexto, tem sido utilizada até agora a poliamida (PI) como material de plástico básico. Em consequência dos custos elevados deste material de plástico, não é aconselhável, em muitas técnicas, a utilização de uma folha produzida à base deste material de plástico como suporte de pistas condutoras. Por estes motivos não se utilizam as referidas folhas, particularmente na produção de automóveis, em virtude de terem de ser colocados em muitos lugares feixes de pistas condutoras dentro do automóvel, sendo os respectivos suportes expostos a esforços excessivos na introdução das referidas pistas condutoras num automóvel em fase de produção. A tentativa de se utilizarem matérias plásticas menos dispendiosas como suporte de pistas condutoras não resultou em consequência dos materiais de plástico tecnicamente adequados e mais económicos não suportarem as temperaturas que surgem durante a soldadura. O objectivo do invento consiste em realizar o processo inicialmente descrito de tal maneira que o mesmo seja apto para matérias plásticas conhecidas e relativamente mais baratas, tais como derivados 2 ΕΡ 1 275 462 /PT de poliéster (PEN, PEPT), sem que estes materiais de plástico utilizados possam ser danificadas de qualquer forma na soldadura.

Este objectivo realiza-se, de acordo com o invento, pelo facto da folha de material de plástico ser aquecida até a uma temperatura inferior à temperatura prejudicial, a partir da superfície afastada da superfície equipada com os componentes, sendo a referida superfície provida, após o aquecimento, de um isolamento térmico. Seguidamente, para a superfície equipada com os componentes é admitida uma corrente de gás de aquecimento concentrada nos pontos a serem solados através de uma matriz com janelas.

Neste processo consegue-se que a alimentação de calor da folha de material de plástico seja limitada a um mínimo e que seja atingido um valor superior que possibilita a fusão do metal de adição para a soldadura somente nos lugares onde já esta previsto o material de soldadura. Este objectivo realiza-se pelo facto da energia total a ser aduzida à folha de material de plástico se encontrar consideravelmente limitada em consequência do aquecimento da folha de material de plástico até a uma temperatura um pouco abaixo da temperatura prejudicial. Em virtude da pouca condutividade térmica, o aquecimento da folha de material de plástico vai permanecer, necessitando apenas de relativamente pouco calor provocado por uma energia mínima, face à diferença de temperatura entre a folha de material de plástico e a temperatura de fusão do metal de adição para soldar. 0 calor mais elevado produzido pela corrente de gás de aquecimento que tem de ser abastecido nos pontos de soldadura pode ser tão precisamente concentrado através da matriz com janelas de maneira que apenas os pontos a serem soldados sejam expostos a um fluxo térmico mais elevado, o que faz com que as zonas circundantes da folha de material de plástico não sofram praticamente nenhum aquecimento adicional e que, assim, não possa surgir uma danificação da folha de material de plástico face a um aumento de aquecimento. Para evitar a saída do calor da folha de material de plástico aquecida, o que causava na referida folha de material de plástico necessidades térmicas adicionais indesejadas, a superfície da folha de material de plástico oposta à superfície equipada com os componentes da referida folha de material de plástico é provida de um isolamento térmico. Enquanto este isolamento 3 ΕΡ 1 275 462 /PT térmico permanece, a folha de material de plástico mantém, assim, a temperatura fornecida pelo aquecimento. Chama-se ainda a atenção para o facto de no requerimento de patente internacional WO 94/21415, no contexto de soldadura Reflow de módulos achatados, o aquecimento dos pontos de soldadura se efectuar por meio de radiação numa câmara de aquecimento. Neste documento que exclui a radiação em zonas escolhidas na câmara de aquecimento durante a operação, é proposto um suporte de máscara que pode ser deslocado a partir de uma posição de fora da câmara de aquecimento para dentro da mesma, sendo o referido suporte rebaixado sobre o módulo achatado (platina) , o que faz com que a zona escolhida fique durante um intervalo predefinido sombreada relativamente à radiação. Este método de soldadura não é adequado para as folhas de material de plástico por causa da emissão de calor elevada que surge nesta operação, uma vez que os derivados de poliéster utilizáveis no invento se fundiriam imediatamente na câmara de aquecimento aquecida pela radiação.

Para concentrar tanto quanto possível a operação de alimentação de calor e, neste sentido, a mesma poder ser realizada no mais curto espaço de tempo exequível, realizam-se convenientemente o aquecimento da folha de material de plástico e a aplicação de calor da superfície da folha de material de plástico equipada com os componentes, de tal maneira que estas acções se efectuem, no essencial, em simultâneo.

Para a execução do processo de soldadura, a temperatura da corrente de gás de aquecimento é regulada na folha de material de plástico fixa na prática de tal maneira que inicialmente se efectua um pré-aquecimento dos pontos de soldadura, durante um tempo determinado, durante o qual o material de soldadura é activado, sendo seguidamente a temperatura da corrente de gás de aquecimento aumentada por pouco tempo até que se verifique a fusão do metal adicional contido no material de soldadura, e, posteriormente, a temperatura seja rapidamente reduzida. Através de um procedimento deste género é garantido que a própria soldadura que se realiza na fusão do metal adicional contido no material de soldadura necessita somente de um tempo mínimo, em virtude do pré-aquecimento dos pontos de soldadura se realizar antes da fusão do material de soldadura durante um certo tempo de actuação do referido material de soldadura, de 4 ΕΡ 1 275 462 /PT modo que seja necessário apenas um impulso de temperatura de duração bastante reduzida para provocar a fusão do metal adicional do material de soldadura, o que faz com que a folha de material de plástico seja protegida seguramente contra um aquecimento demasiado elevado. A redução da temperatura da corrente de gás de aquecimento após a soldadura efectua-se convenientemente pela interrupção da corrente de gás de aquecimento após a fusão. Para além disso, é também possível transformar a corrente de gás de aquecimento numa corrente de refrigeração, o que se realiza através de um processo particularmente rápido, de modo que nenhum calor prejudicial possa permanecer no âmbito da folha de material de plástico.

No documento US-PS 5,433,368 encontra-se descrito um dispositivo equipado com elementos de aquecimento previstos em ambos os lados de um transportador no qual os componentes a serem soldados são transportados. Este dispositivo é constituído de tal maneira que na superfície do transportador que suporta os componentes se encontram dispostos radiadores térmicos estacionários cuja radiação é canalizada através de matrizes. Na superfície oposta do transportador estão previstos ventiladores de gás de aquecimento que dirigem uma corrente quente sobre o avesso do transportador. 0 invento refere-se, para além disso, a um dispositivo para a execução do processo anteriormente descrito. Trata-se de um dispositivo para soldar componentes eléctricos em pontos de soldadura providos de material de soldadura sobre uma folha de material de plástico munida com pistas condutoras dispostas na mesma e que é aquecida até a uma temperatura abaixo de uma temperatura prejudicial, a partir da superfície afastada da superfície equipada com os componentes, sendo que a referida superfície é provida, após o aquecimento, de um isolamento térmico, sendo seguidamente admitida para a superfície equipada com os componentes uma corrente de gás de aquecimento concentrada nos pontos a serem solados através de uma matriz com janelas, dispositivo esse que apresenta na superfície da folha de material de plástico na qual se encontram fixos os componentes um ventilador de aquecimento de gás diante do qual pode ser posicionada a folha de material de plástico, sendo que a matriz se encontra disposta de forma a poder ser intercalada entre o ventilador 5 ΕΡ 1 275 462 /PT de aquecimento de gás e a folha de material de plástico. Este dispositivo é caracterizado por estar prevista na superfície afastada da superfície onde se encontra disposto o ventilador de aquecimento de gás uma placa de aquecimento destinada ao pré-aquecimento da folha de material de plástico que se encontra distanciada da folha de material de plástico de forma regulável, de tal maneira que seja mantida pelo menos a uma pequena distância da folha de material de plástico, a fim de efectuar o aquecimento da referida folha de material de plástico, e, a uma distância aumentada da folha de material de plástico, para realizar o isolamento da folha de material de plástico. 0 aquecimento da folha de material de plástico por meio de uma placa de aquecimento reduz as necessidades de calor para a soldadura dos componentes eléctricos. Para evitar uma alimentação de calor excessiva durante a fase do processo de soldadura através da placa de aquecimento, a mesma é rebaixada, efectuando-se, assim, pelo aumento da distância da placa de aquecimento em relação à folha de material de plástico um intervalo maior cheio de gás que produz o mesmo efeito de um isolamento.

Para concentrar também por parte do ventilador de aquecimento a energia relativamente aos pontos a serem admitidos, o ventilador de aquecimento de gás é munido convenientemente de saídas posicionáveis, o que faz com que possa ser realizada qualquer concentração da corrente nos pontos escolhidos, particularmente, como é óbvio, nos pontos a serem soldados. Para a produção da matriz pode ser utilizado vantajosamente um material plano que possua pouca condutividade térmica. Neste caso, a matriz pode ser apertada levemente contra a folha de material de plástico e, desta maneira, fixar a mesma durante o processo de soldadura. No entanto, é também possível produzir a matriz em chapa metálica que tem de estar, neste caso, distanciada desta folha de material de plástico, devido a uma condutibilidade térmica elevada do metal. Para além disso, é possível criar um espaço interior na matriz para a recepção de um fluido refrigerante. Desta maneira pode ser garantido por meio da matriz arrefecida que as zonas da folha de material de plástico cobertas pela matriz sejam, adicionalmente, bastante protegidas através das temperaturas baixas da própria matriz. 6

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Nas figuras encontram-se representados exemplos de execução do invento. As figuras mostram: a Fig. 1 mostra o posicionamento do material de soldadura (folha de material de plástico equipada com pistas condutoras dispostas na mesma e componentes eléctricos) no dispositivo; a Fig. 2 mostra o pré-aquecimento do material de soldadura; a Fig. 3 mostra a soldadura com gás de aquecimento; a Fig. 4 mostra a saida do material de soldadura para fora do dispositivo; a Fig. 5 mostra a disposição de uma matriz metálica relativamente ao material de soldadura; a Fig. 6 mostra a disposição de uma matriz num material com baixa condutibilidade térmica; a Fig. 7 mostra a disposição de uma matriz com refrigeração interna relativamente ao material de soldadura; a Fig. 8 mostra uma alimentação de gás de aquecimento com extensão completa; a Fig. 9 mostra uma alimentação de gás de aquecimento concentrada através de injectores; a Fig. 10 mostra um exemplo de execução de material de soldadura formada como condutor flexível; a Fig. 11a, b, c mostra o material de soldadura aplicado de modos diferentes; a Fig. 12 mostra um perfil índice para soldar por meio de pasta de brasagem.

Na Fig. 1 são mostrados os componentes necessários para a execução do processo numa representação básica, mais precisamente a folha de material de plástico 1 equipada com os componentes eléctricos 2, 3 aplicados na mesma 7 ΕΡ 1 275 462 /PT (componentes individuais e circuitos integrados) que se encontram ligados na respectiva superfície da folha de material de plástico 1 através de pistas condutoras não visíveis na Fig. 1 (ver Fig. 10) . Por baixo da folha de material de plástico 1 encontra-se disposta a placa de aquecimento 4 que serve para aquecer a folha de material de plástico 1, e por cima da referida folha de material de plástico 1 encontra-se colocada a matriz 5 que pode ser intercalada e extraída, e da qual foram cortadas janelas 6 e 7, o que faz com que a alimentação de calor que será explicada mais abaixo seja limitada ao âmbito destas janelas. A Fig. 1 mostra o dispositivo no estado de posicionamento do material de soldadura, sendo que a placa de aquecimento 4 e a matriz 5 mantêm, primeiramente por razões espaciais, uma certa distância do material de soldadura.

Na Fig. 2 encontra-se representada a fase do processo de aquecimento da folha de material de plástico 1 por meio da placa de aquecimento 4 que se encontra aduzida, segundo a seta representada ao lado da placa de aquecimento 4, à folha de material de plástico 1, e, mais precisamente, à superfície afastada da superfície equipada com os componentes eléctricos. Por meio da placa de aquecimento 4 adjacente à folha de material de plástico 1 que pode ser mantida a pouca distância da mesma, a referida folha de material de plástico 1 é agora aquecida, o que faz com que, como já foi anteriormente mencionado, as necessidades térmicas posteriores para a soldadura dos componentes eléctricos possam ser reduzidas em correspondência com o calor já existente. Durante este processo de aquecimento realiza-se já a alimentação de calor da superfície da folha de material de plástico 1 que suporta os componentes eléctricos por meio da corrente de gás de aquecimento 6. Contudo, deve ser feita uma chamada de atenção para o facto de que a adição da corrente de gás de aquecimento não se pode efectuar apenas durante o aquecimento da folha de material de plástico, mas também após o início do aquecimento da folha de material de plástico. A Fig. 3 mostra o dispositivo no estado da fase do processo de soldadura por meio da corrente de gás de aquecimento 6, em que a placa de aquecimento 4 se encontra um pouco rebaixada em relação à sua posição de acordo com a Fig. 2 a fim de evitar uma alimentação de calor excessiva da folha de material de plástico 1 e que, assim, se verifique um 8 ΕΡ 1 275 462 /PT pequeno intervalo 8 entre a folha de material de plástico 1 e a placa de aquecimento 4, no sentido de criar um isolamento térmico de modo que, por um lado, já não possa ser emitido nenhum calor através da placa de aquecimento 4 para a folha de material de plástico 1 e, por outro lado, a referida folha também não perca a sua temperatura. A corrente de gás de aquecimento 9 que actua sobre os componentes eléctricos 2 e 3 através das janelas 6 e 7 da matriz 5 é canalizada através das referidas janelas 2 e 3 e concentrada nos componentes eléctricos 2 e 3, de modo que seja evitado um aquecimento excessivo da folha de material de plástico 1.

Na Fig. 4 encontra-se representado o dispositivo na posição em que a folha de material de plástico 1 equipada tanto com os componentes eléctricos 2 e 3 soldados na mesma, como também com as pistas condutoras que ligam os componentes, é conduzida para fora do dispositivo no estado soldado (vide seta na folha de material de plástico 1), sendo que foram anteriormente deslocadas da folha de material de plástico 1 a matriz 5 e a placa térmica 4.

Como foi já anteriormente mencionado, podem ser utilizados vários materiais para o fabrico das matrizes. Na Fig. 5 está indicada esquematicamente a utilização de uma matriz metálica 10 que é mantida na soldadura a uma certa distância da folha de material de plástico 1. Na representação de acordo com a Fig. 6 trata-se de uma matriz com baixa condutibilidade térmica, portanto, eventualmente, de um material de plástico resistente ao calor e que é colocado na soldadura sobre a folha de material de plástico 1. A Fig. 7 mostra a utilização da matriz 12 provida de refrigeração interna. Trata-se, neste caso, de uma matriz com espaço oco 13 percorrido por um fluido refrigerante. Por meio desta matriz pode ser conseguida uma refrigeração rápida eventualmente desejada da folha de material de plástico com os componentes a serem soldados, o que se torna vantajoso em virtude da folha de material de plástico ser protegida particular e eficazmente em relação a danos provocados pelo arrefecimento rápido da folha de material de plástico após a soldadura. 9

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Nas Figs. 8 e 9 encontra-se representada, por comparação, a aplicação da folha de material de plástico pela corrente de gás de aquecimento 9, e, mais precisamente de acordo com a Fig. 8, com a alimentação completa (ver as Figs. 2 e 3), e na Fig. 9, com a alimentação da corrente de gás de aquecimento através de injectores 14 esquematicamente representados que causam, adicionalmente às janelas 6 e 7 da matriz 5, uma concentração especial da corrente de gás de aquecimento 9 e que suprimem, assim, um aquecimento da folha de material de plástico 1 no âmbito fora dos componentes eléctricos.

Na Fig. 10 encontra-se representado um exemplo de execução em forma de um chamado condutor flexível que consiste nas áreas maiores da folha 15, 16 e 17 e nas linhas condutoras 18 e 19 que interligam as mesmas, sendo que estas linhas formam faixas estreitas sobre as quais se encontram aplicadas as pistas condutoras eléctricas. Os condutores flexíveis deste tipo permitem uma colocação dentro de espaços estreitos, por exemplo, no chassis de um automóvel no qual as ligações têm de ser colocadas muitas vezes de forma estreitamente curvada e devem ser adaptadas com precisão em correspondência com a forma do chassis. Estas exigências podem ser cumpridas na utilização de condutores flexíveis de forma particularmente simples e, por isso, vantajosamente em relação à cablagem normal, uma vez que as cablagens deste modo são expostas sempre a esforços extremos e podem romper-se nesta operação.

Nas Figs. 11a, b e c encontram-se representados diferentes materiais de soldadura aplicados sobre a folha de material de plástico 1 e que podem ser soldados por meio do processo anteriormente descrito. Na Fig. 11a trata-se de uma pasta para soldar estampada, na Fig. 11b de uma pré-aplicação de material de soldadura Reflow e na Fig. 11c de uma pré-formação de material de soldadura colado sobre a folha.

Na Fig. 12 encontra-se representado o gráfico de temperaturas do processo anteriormente descrito acima do eixo t. Conforme se pode verificar nesta representação, primeiramente efectua-se o pré-aquecimento da material de soldadura no âmbito 19, seguidamente, após se ter conseguido a temperatura de pré-aquecimento, a mesma é mantida sobre a zona 20 na qual a material de soldadura é activado e, 10 ΕΡ 1 275 462 /PT posteriormente, realiza-se a soldadura por meio de um aumento de temperatura dos pontos de soldadura durante um curto espaço de tempo até atingir a temperatura máxima 21. Seguidamente, efectua-se sobre a área 22 um abaixamento rápido do calor abastecido, o que pode também realizar-se por meio de uma corrente de gás arrefecida que, como se pode notar, baixa rapidamente a temperatura da material de soldadura que, finalmente, se reduz sobre a zona 23 à temperatura ambiental. Pode verificar-se no diagrama, de acordo com a Fig. 12, que a temperatura necessária para a soldadura é conseguida através de um impulso de temperatura de pequena duração, até à temperatura máxima 21, de modo que portanto a carga de temperatura da material de soldadura e, assim, a carga de temperatura da folha de material de plástico, seja limitada a um minimo.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 275 462 /PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Processo de soldadura de componentes eléctricos (2, 3) em pontos de soldadura, providos de material de soldadura numa folha de material de plástico (1) com pistas condutoras dispostas na mesma, caracterizado por a folha de material de plástico (1) ser aquecida, numa superfície afastada da superfície equipada com os componentes (2, 3), a uma temperatura inferior a uma temperatura prejudicial, sendo a referida superfície, após o aquecimento, isolada termicamente e, seguidamente, na superfície equipada com os componentes (2, 3) actuar uma corrente de gás de aquecimento (9), a qual se concentra nos pontos a serem soldados através de uma matriz (5) que apresenta janelas (6, 7).
2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aquecimento da folha de material de plástico (1) e a aplicação de calor da superfície da folha de material de plástico (1) equipada com os componentes (2, 3) serem realizados, no essencial, em simultâneo.
3 - Processo de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por a temperatura da corrente de gás de aquecimento (9) ser regulada de tal maneira que, com a folha de material de plástico fixa (1), se efectuar inicialmente um pré-aquecimento dos pontos de soldadura, durante um tempo determinado, no qual o material de soldadura é activado, sendo seguidamente a temperatura da corrente de gás de aquecimento (9) aumentada por pouco tempo até que se verifique a fusão do metal adicional, contido no material de soldadura, e, posteriormente, a temperatura é rapidamente reduzida.
4 - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a corrente de gás de aquecimento (9) ser interrompida após a fusão.
5 - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a corrente de gás de aquecimento (9) ser transformada numa corrente de refrigeração.
6 - Dispositivo para soldar componentes eléctricos em pontos de soldadura, providos com material de soldadura numa folha de material de plástico (1) com pistas condutoras dispostas na mesma, que são aquecidas na superfície afastada ΕΡ 1 275 462 /PT 2/2 da superfície equipada com os componentes (2, 3), a uma temperatura inferior a uma temperatura prejudicial, sendo a superfície afastada, após o aquecimento, isolada termicamente e, sequidamente, na superfície equipada com os componentes (2, 3) actua uma corrente de gás de aquecimento (9), concentrada nos pontos a serem solados através de uma matriz (5) com janelas (6, 7), apresentando o dispositivo na superfície da folha de material de plástico (1), na qual se encontram fixos os componentes (2, 3), um ventilador de aquecimento de gás (9), diante do qual a folha de material de plástico (1) pode ser posicionada, estando que a matriz (5) disposta de forma que pode ser intercalada entre o ventilador de aquecimento de gás (9) e a folha de material de plástico (1), caracterizado por uma placa de aquecimento (4) destinada ao pré-aquecimento da folha de material de plástico (1) estar prevista na superfície da folha de material de plástico (1) afastada do ventilador de aquecimento de gás (9) que se encontra distanciada, de forma regulável, da folha de material de plástico (1), de tal maneira que é mantida, pelo menos, uma pequena distância a fim de se efectuar o aquecimento da folha de material de plástico (1), e a uma distância aumentada da mesma para se realizar o isolamento da folha de material de plástico (1).
7 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o ventilador de aquecimento de gás estar provido com saídas (14), que podem ser posicionadas de tal maneira para realizar a concentração da corrente nos pontos escolhidos.
8 - Dispositivo de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado por a matriz (10) que consistir numa chapa metálica que é mantida a uma certa distância da folha de material de plástico (1).
9 - Dispositivo de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado por a matriz (11) consistir num material plano de baixa condutibilidade térmica.
10 - Dispositivo de acordo com as reivindicações 8 ou 9, caracterizado por a matriz (12) apresentar um espaço interior (13) para a recepção de um fluido refrigerante. Lisboa,