WO1998048606A1 - Vorrichtung zum selektiven bearbeiten einzelner bauteile einer elektronischen flachbaugruppe - Google Patents

Vorrichtung zum selektiven bearbeiten einzelner bauteile einer elektronischen flachbaugruppe Download PDF

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    • B23K3/00—Tools, devices, or special appurtenances for soldering, e.g. brazing, or unsoldering, not specially adapted for particular methods
    • B23K3/04—Heating appliances
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/42—Printed circuits

Definitions

  • the invention relates to a device for the selective processing of individual components of an electronic printed circuit board under predetermined environmental conditions.
  • the invention is based on the object of specifying a device of the type mentioned at the outset which makes it possible to produce and maintain the specified environmental conditions for the assembly with little effort and still allow access to the component to be machined.
  • a device of the type mentioned according to the invention comprises a container intended for receiving the assembly, in the top surface of which there is an opening for introducing a processing tool, the opening being formed eccentrically in a disk which is rotatably mounted in the top surface.
  • the desired environmental conditions for the assembly and for the machining process can be stored in the container. will create. Through the opening in the top surface, it is possible to insert the machining tool into the receiving space of the container, the opening being able to be adjusted in a certain area above the assembly by means of the disk, so that it lies above the component to be machined. This makes it possible to avoid having to provide a separate cover for each component to be machined, in which the opening is arranged at the appropriate point.
  • the disk is preferably mounted eccentrically in a second disk, which in turn is rotatably mounted in the top surface. This means that the opening can be adjusted not only in a circle, as in the solution mentioned above, but practically without gaps over the entire area within the circumference of the second disk.
  • the cover surface is preferably made transparent.
  • the container comprises a box-shaped lower part which can be closed by a cover forming the cover surface.
  • the container is designed as a heating cell, the machining tool being a hot air nozzle for soldering and plumbing a selected component of the assembly.
  • the adjustable arrangement according to the invention of a passage opening for a machining tool in the top surface can be used with advantage.
  • Figure 1 is a partially schematic cross section through an inventive device for input
  • FIG. 2 shows a plan view of a special embodiment of a cover that can be used in the device according to FIG. 1.
  • the device shown in Figure 1 comprises a heating cell, generally designated 10.
  • the heating cell consists of a box-shaped lower part 12 which is open at the top and has a base 14 and side walls 16, and a cover 18 which closes the lower part 12.
  • the lower part 12 and the cover 18 delimit a receiving space 20 for a flat module, generally designated 22.
  • This comprises a printed circuit board 24 on which a plurality of components 26, in particular BGA (ball grid array) components using SMD technology, are soldered.
  • the printed circuit board 24 rests on supports 28, which in turn are placed on the bottom 14 of the lower part 12 or fastened to this. In this case, there is expediently the possibility of displacing the supports 28 in order to be able to put on different flat assemblies 22.
  • the lower part 12 is double-walled with an outer shell 30 and an inner shell 32, which enclose an air circulation space 34 between them.
  • Air inlet openings 36 are formed in the bottom region of the inner shell 32.
  • Air outlet openings 38 are provided in the side wall region of the inner shell 32.
  • an opening 44 is formed through which a hot air nozzle 46 can be inserted, which is placed on the circuit board 24 so that it completely surrounds a component 26 to be soldered or to be soldered.
  • the hot air flow generating the soldering temperature thus only reaches the component 26 to be soldered or desoldered, while the other components of the printed circuit board 22 are shielded from the hot air flow.
  • the assembly 22 After the assembly 22 has been positioned in the receiving space 20 of the heating cell 10 and closed by means of the cover 18, the assembly 22 is first heated to about 90 ° C. within half an hour to an hour. This ensures that the entire printed circuit board is heated to an almost identical temperature level. Shading effects and a different mass distribution on the printed circuit board 24 no longer play an important role.
  • the component to be repaired or replaced is then unsoldered in approx. 45 seconds. Now the module is allowed to cool to room temperature over a period of about two hours.
  • the cooling phase like the heating phase, can be regulated by a suitable control of the blowers 40 and the heating element 42.
  • the component is then placed and the cover 18 is replaced. Subsequently, the assembly 22 is warmed up again for about half an hour to an hour to the desired preheating temperature of about 90 ° C. The component is soldered in and the assembly 22 is then cooled again over a period of approximately two hours.
  • This method prevents local overheating of the printed circuit board 22, which can otherwise lead to deformation of the printed circuit board.
  • the cover 18 Since the device described above is primarily intended for repair work, the cover 18 must be designed in such a way that the soldering nozzle 46 can be placed over each of the components that can be soldered in or out by this method. This would require that a correspondingly large number of different lids be available, in which the opening 44 is provided in the correct place in order to be able to position the soldering nozzle 46 correctly.
  • the effort involved is avoided by a cover as shown in FIG. 2.
  • the cover 18 shown there comprises a frame 48 and a plate 50 surrounded by it.
  • the opening 44 for inserting the soldering nozzle 46 is formed eccentrically in a first circular disk 52.
  • the circular disk 52 is also rotatably mounted eccentrically in a second larger circular disk 54.
  • the mounting takes place with a stepped flange 56 on the circumference of the circular disk 52 and retaining tabs 58 which hold the circular disk 52 in the corresponding opening of the circular disk 54.
  • the second circular disk 54 is in the same way with the help of a stepped flange 60 and retaining tabs 62 in a ner opening in the plate 50 rotatably mounted.
  • the opening 44 can be placed anywhere within the circumference of the second circular disc 54.
  • a single cover is sufficient to process all components of an assembly. In any case, it is not necessary to provide a separate cover for each component.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum selektiven Bearbeiten einzelner Bauteile einer elektronischen Flachbaugruppe unter vorgegebenen Umgebungsbedingungen umfaßt einen zur Aufnahme der Baugruppe bestimmten Behälter, in dessen Deckfläche (18) eine Öffnung (44) zum Einführen eines Bearbeitungswerkzeuges vorgesehen ist, wobei die Öffnung (44) exzentrisch in einer Scheibe (52) ausgebildet ist, die drehbar in der Deckfläche (18) gelagert ist.

Description

Vorrichtung zum selektiven Bearbeiten einzelner Bauteile einer elektronischen Flachbaugruppe
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selektiven Bearbeiten einzelner Bauteile einer elektronischen Flach- baugruppe unter vorgegebenen Umgebungsbedingungen.
Fallen in einer komplexen elektronischen Baugruppe einzelne Bauteile aus, so müssen diese ersetzt werden. Hierzu ist es notwendig, das defekte Bauteil auszulöten und ein neues Bauteil wieder einzulöten. Dabei müssen be- stimmte Voraussetzungen erfüllt werden, um sicherzustellen, daß die übrigen Bauteile der Baugruppe bei diesem Prozeß nicht Schaden nehmen. Hierzu kann es beispielsweise erforderlich sein, die gesamte Baugruppe auf eine bestimmte Temperatur vorzuwärmen, die während des Bearbei- tungsschrittes aufrechterhalten werden muß. Oder es ist denkbar, daß ein solcher Bearbeitungsschritt in einer Schutzgasatmosphäre stattfinden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermög- licht, die vorgegebenen Umgebungsbedingungen für die Baugruppe mit geringem Aufwand herzustellen und während des Bearbeitungsvorganges zu halten, und dennoch einen Zugriff zu dem zu bearbeitenden Bauteil zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß einen zur Aufnahme der Baugruppe bestimmten Behälter, in dessen Deckfläche eine Öffnung zum Einführen eines Bearbeitungswerkzeuges vorgesehen ist, wobei die Öffnung exzentrisch in einer Scheibe ausgebildet ist, die drehbar in der Deckfläche gelagert ist.
In dem Behälter können die gewünschten Umgebungsbedingungen für die Baugruppe und für den Bearbeitungsvorgang ge- schaffen werden. Durch die Öffnung in der Deckfläche ist es möglich, das Bearbeitungswerkzeug in den Aufnahmeraum des Behälters einzuführen, wobei mittels der Scheibe die Öffnung in einem gewissen Bereich oberhalb der Baugruppe verstellt werden kann, so daß sie jeweils über dem zu bearbeitenden Bauteil liegt. Dadurch kann vermieden werden, daß für jedes zu bearbeitende Bauteil ein eigener Deckel vorgesehen sein muß, in dem die Öffnung an der geeigneten Stelle angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Scheibe exzentrisch in einer zweiten Scheibe gelagert, die ihrerseits drehbar in der Deckfläche gelagert ist . Damit kann die Öffnung nicht nur wie bei der vorstehend genannten Lösung in einem Kreis sondern praktisch lückenlos über die gesamte Fläche inner- halb des Umfanges der zweiten Scheibe verstellt werden.
Um das Bearbeiten der Flachbaugruppe zu erleichtern, ist die Deckfläche vorzugsweise transparent ausgebildet.
Um das Einlegen und Herausnehmen der Flachbaugruppe in dem bzw. aus dem Behälter zu erleichtern, umfaßt bei ei- ner bevorzugten Ausfuhrungsform der Behälter ein kastenförmiges Unterteil, das durch einen die Deckfläche bildenden Deckel verschließbar ist.
Um die zu bearbeitende Baugruppe beispielsweise auf eine bestimmte Temperatur vorwärmen zu können, ist bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Behälter als Heizzelle ausgebildet, wobei das Bearbeitungswerkzeug eine Heiz- luftdüse zum Ein- und Ausloten eines ausgewählten Bauteiles der Baugruppe ist. Es sind aber auch andere Bearbeitungsvorgänge denkbar, bei denen die erfindungsgemäße verstellbare Anordnung einer Durchtrittsöffnung für ein Bearbeitungswerkzeug in der Deckfläche mit Vorteil eingesetzt werden kann. Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles. Es zeigen:
Figur 1 einen teilweise schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ein- und
Auslöten von einzelnen Bauteilen in eine bzw. aus einer Flachbaugruppe, und
Figur 2 eine Draufsicht auf eine spezielle Ausführungs- form eines bei der Vorrichtung gemäß Figur 1 verwendbaren Deckels .
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine allgemein mit 10 bezeichnete Heizzelle. Die Heizzelle besteht aus einem kastenförmigen oben offenen Unterteil 12 mit einem Boden 14 und Seitenwänden 16, sowie einem das Unterteil 12 verschließenden Deckel 18.
Das Unterteil 12 und der Deckel 18 begrenzen einen Aufnahmeraum 20 für einen allgemein mit 22 bezeichnete Flachbaugruppe. Diese umfaßt eine Leiterplatte 24, auf der eine Mehrzahl von Bauteilen 26, insbesondere BGA (Ball Grid Array) -Bauteile in SMD-Technik aufgelötet sind. Die Leiterplatte 24 ruht auf Stützen 28, die ihrerseits auf den Boden 14 des Unterteils 12 aufgesetzt oder an diesem befestigt sind. Dabei besteht zweckmäßigerweise die Möglichkeit, die Stützen 28 zu versetzen, um unter- schiedliche Flachbaugruppen 22 auflegen zu können.
Das Unterteil 12 ist doppelwandig ausgeführt mit einer äußeren Schale 30 und einer inneren Schale 32, die einen LuftZirkulationsraum 34 zwischen sich einschließen. Im Bodenbereich der Innenschale 32 sind Lufteintrittsöffnun- gen 36 ausgebildet. Im Seitenwandbereich der Innenschale 32 sind Luftaustrittsöffnungen 38 vorgesehen. Mit Hilfe zweier oder mehrere Gebläse 40 kann Luft aus dem Aufnah- meraum 20 in den Luftzirkulationsraum 34 angesaugt und über die Lufteintrittsöffnungen 36 im Boden 14 des Unterteils in den Aufnahmeraum 20 zurückgefördert werden. Dabei tritt die Luft durch ein unterhalb des Bodenteils der Innenschale 32 angeordnetes elektrisches Heizelement 42. In dieser Heizzelle kann also die Flachbaugruppe 22 durch das Umwälzen und Erwärmen der Luft auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt werden.
Im Deckel 18 ist eine Öffnung 44 ausgebildet, durch die eine Heißluftdüse 46 gesteckt werden kann, die auf die Leiterplatte 24 so aufgesetzt wird, daß sie ein einzulötendes oder auszulötendes Bauteil 26 vollständig umgibt. Damit gelangt der die Löttemperatur erzeugende Heißluft- ström nur an das einzulötende oder auszulötende Bauteil 26, während die anderen Bauteile der Flachbaugruppe 22 gegenüber dem Heißluftstrom abgeschirmt werden.
Mit der soweit beschriebenen Vorrichtung erfolgt das Ein- und Auslöten einzelner BGA-Bauteile 26 in der folgenden Weise :
Nach dem Positionieren der Baugruppe 22 in dem Aufnahme- räum 20 der Heizzelle 10 und dem Verschließen derselben mittels des Deckels 18 wird die Baugruppe 22 zunächst innerhalb einer halben Stunde bis einer Stunde auf ca. 90 °C erwärmt. Damit erreicht man, daß die gesamte Flachbaugruppe auf ein fast identisches Temperaturniveau aufge- heizt wird. Abschattungseffekte und eine unterschiedliche Masseverteilung auf der Leiterplatte 24 spielen dabei keine wesentliche Rolle mehr. Anschließend wird das zu reparierende oder zu ersetzende Bauteil in ca. 45 Sekunden ausgelötet . Nun läßt man die Baugruppe über einen Zeitraum von ca. zwei Stunden auf Raumtemperatur abkühlen. Die Abkühlphase kann dabei ebenso wie die Heizphase über eine geeignete Steuerung der Gebläse 40 und des Heizelementes 42 geregelt werden. Nach dem Abnehmen des Deckels 18 kann man nun den Platz für das zu ersetzende BGA-Bauteil 26 säubern und neues Lot auftragen. Danach wird das Bauteil plaziert und der Deckel 18 wieder aufgesetzt. Anschließend wird die Bau- gruppe 22 wieder ca. eine halbe Stunde bis eine Stunde auf die gewünschte Vorwärmtemperatur von ca. 90 °C aufgewärmt. Das Bauteil wird eingelötet und die Baugruppe 22 danach wieder über einen Zeitraum von ca. zwei Stunden abgekühlt .
Durch dieses Verfahren werden lokale Überhitzungen der Leiterplatte 22 vermieden, die sonst zu Verformungen der Leiterplatte führen können.
Da die vorstehend beschriebene Vorrichtung vorwiegend für Reparaturarbeiten bestimmt ist, muß der Deckel 18 so aus- gebildet sein, daß die Lötdüse 46 über jedes der nach diesem Verfahren ein- oder auslötbaren Bauteile gesetzt werden kann. Dies würde voraussetzen, daß man entsprechend viele unterschiedliche Deckel zur Verfügung hat, bei denen die Öffnung 44 jeweils an der richtigen Stelle vorgesehen ist, um die Lötdüse 46 korrekt positionieren zu können.
Der damit verbundene Aufwand wird durch einen Deckel vermieden, wie er in Figur 2 dargestellt ist. Der dort dargestellte Deckel 18 umfaßt einen Rahmen 48 und eine von diesem umgebene Platte 50. Die Öffnung 44 zum Durchstekken der Lötdüse 46 ist in einer ersten Kreisscheibe 52 exzentrisch ausgebildet. Die Kreisscheibe 52 ist in einer zweiten größeren Kreisscheibe 54 ebenfalls exzentrisch drehbar gelagert . Die Lagerung erfolgt mit einem Stufen- flansch 56 am Umfang der Kreisscheibe 52 und Haltelaschen 58, welche die Kreisscheibe 52 in der entsprechenden Öffnung der Kreisscheibe 54 festhalten.
Die zweite Kreisscheibe 54 ist in derselben Weise mit Hilfe eines Stufenflansches 60 und Haltelaschen 62 in ei- ner Öffnung in der Platte 50 drehbar gelagert. Durch Verdrehen der Kreisscheiben 52 und 54 kann die Öffnung 44 an jede beliebige Stelle innerhalb des Umfanges der zweiten Kreisscheibe 54 gesetzt werden. Damit wird in der Regel ein einziger Deckel genügen, um sämtliche Bauteile einer Baugruppe bearbeiten zu können. Jedenfalls ist es nicht erforderlich, für jedes Bauteil einen eigenen Deckel vorzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum selektiven Bearbeiten einzelner Bauteile (26) einer elektronischen Flachbaugruppe (22) unter vorgegebenen Umgebungsbedingungen ge- kennzeichnet durch einen zur Aufnahme der Baugruppe
(22) bestimmten Behälter (10) , in dessen Deckfläche (18) eine Öffnung (44) zum Einführen eines Bearbeitungswerkzeuges (46) vorgesehen ist, wobei die Öffnung (44) exzentrisch in einer Scheibe (52) ausgebil- det ist, die drehbar in der Deckfläche (18) gelagert ist .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (52) exzentrisch in einer zweiten Scheibe (54) gelagert ist, die ihrerseits drehbar in der Deckfläche (18) gelagert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche (18) transparent ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 'dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) ein ka- stenförmiges Unterteil (12) hat, das durch einen die Deckfläche bildenden Deckel (18) verschließbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) als Heizzelle zum Vorwärmen der Flachbaugruppe (22) ausgebil- det ist und daß das Bearbeitungswerkzeug eine Heiz- luftdüse (46) zum Ein-/Auslöten eines ausgewählten Bauteiles (26) der Baugruppe (22) ist.
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