DE102009003023A1 - Verfahren zum Betreiben eines Durchlauf-Lötofens und Vorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlauf-Lötofens, insbesondere Reflow-Ofens, zur Fertigung von Lötprodukten, vorzugsweise zum mittels Lötpaste erfolgenden Reflow-Löten von elektrischen/elektronischen Bauteilen auf ein Substrat, wobei während des Lötprozesses der Restsauerstoffgehalt im Inneren des Durchlauf-Lötofens mittels mindestens eines Sensors gemessen wird. Hierbei ist vorgesehen, dass der Sensor während der Messung den Durchlauf-Lötofen durchläuft. Weiter betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlauf-Lötofens, insbesondere Reflow Ofens, zur Fertigung von Lötprodukten, vorzugsweise mittels Lötpaste erfolgendem Reflow Löten von elektrischen/elektronischen Bauteilen auf ein Substrat, wobei während des Lötprozesses der Restsauerstoffgehalt im Inneren des Durchlauf-Lötofens mittels mindestens eines Sensors gemessen wird. Die Erfindung betrifft weiter eine entsprechende Vorrichtung.
- Stand der Technik
- Durchlauf-Lötöfen, insbesondere Reflow Öfen, werden im Stand der Technik zur Fertigung von Lötprodukten eingesetzt, insbesondere zum Auflöten von SMD-Bauteilen auf ein Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte. Neben der Temperatur im Durchlauf-Lötofen und den Strömungsverhältnissen ist der Restsauerstoffgehalt innerhalb des Durchlauf-Lötofens die entscheidende Größe, die die Qualität der Verlötungen und des Lötprozesses als solchem beeinflusst. Insbesondere oxidative Reaktionen sollen durch Absenken des Restsauerstoffgehalts weitestgehend vermieden werden. In aus dem Stand der Technik bekannten Durchlauf-Lötöfen wird der Restsauerstoffgehalt an einigen Stellen gemessen, wobei diese Stellen konstruktiv an bestimmten Positionen innerhalb des Durchlauf-Lötofens angeordnet sind. Es erfolgt an diesen Stellen eine stationäre Entnahme der dort herrschenden Atmosphäre (also des dort vorhandenen Gasgemisches), das, anschließend an die Entnahme, einer Analyseeinrichtung zugeführt und dort ausgewertet wird. Hierdurch lassen sich nur Aussagen über den Restsauerstoffgehalt eben im Bereich der Stellen treffen, an denen die Entnahme tatsächlich stattfindet. Hierdurch kann der Restsauerstoffgehalt über die gesamte Wegstrecke, die das Lötprodukt im Ofen durchläuft, nicht oder bestenfalls durch Interpolation der an den verschiedenen Stellen der Entnahme gemessenen Wer te bestimmt werden. Die Genauigkeit ist häufig ungenügend und führt in ungünstigen Fällen zu einer Verminderung der Qualität des Lötprozesses, die unerwünscht ist. Um diesen Problemen zu begegnen, ist bereits vorgeschlagen worden, ein Rohr als Gasentnahmestelle entlang der Wegstrecke, die das Lötprodukt im Durchlauf-Lötofen durchläuft, zu führen und über das so entlang der Wegstrecke geführte Rohr Gas zu entnehmen. Dies ist mit einem hohen apparativen Aufwand und ebenfalls nur in relativ grober Näherung des tatsächlichen Restsauerstoffgehalts möglich. Insbesondere muss hierbei, gerade bei längeren Wegstrecken, die im Durchlauf-Lötofen durchlaufen werden, die so entnommene Gasprobe durch das Rohr und gegebenenfalls durch weitere Verschlauchungen gepumpt werden und kann erst am Rohrausgang auf den Restsauerstoffgehalt analysiert werden, wodurch sich durch Veränderungen des Gases innerhalb des Rohres signifikante Ungenauigkeiten ergeben können. Der ortsabhängige Restsauerstoffgehalt kann in beiden Varianten nur ungenau bestimmt werden.
- Offenbarung der Erfindung
- Diese Nachteile werden in vorteilhafter Weise vermieden mittels eines Verfahrens zum Betreiben eines Durchlauf-Lötofens, insbesondere Reflow Ofens, zur Fertigung von Lötprodukten, vorzugsweise zur mittels Lötpaste erfolgenden Reflow Löten von elektrischen/elektronischen Bauteilen auf ein Substrat vorgeschlagen, wobei während des Lötprozesses der Restsauerstoffgehalt im Inneren des Durchlauf-Lötofens mittels mindestens eines Sensors gemessen wird. Hierbei ist vorgesehen, dass der Sensor während der Messung den Durchlauf-Lötofen durchläuft. Anders als im Stand der Technik ist der Sensor, der den Restsauerstoffgehalt misst beziehungsweise die im Durchlauf-Lötofen befindliche Gasatmosphäre analysiert und den Restsauerstoffgehalt bestimmt, nicht außerhalb des Durchlauf-Lötofens angeordnet, wobei das zu analysierende Gas über längere Wegstrecken bis zum Sensor gefördert werden muss. Vielmehr wird der Sensor in den Durchlauf-Lötofen eingebracht und durchläuft diesen während der Messung. Es lässt sich demzufolge während des Durchlaufens des Durchlauf-Lötofens ortsabhängig entlang der Wegstrecke, die auch die zu fertigenden Lötprodukte durchlaufen müssen, der Restsauerstoffgehalt der im Durchlauf-Lötofen befindlichen Atmosphäre genau bestimmen. Aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile wie die Ungenauigkeit oder gar Unzulässigkeit von Aussagen über den Restsauerstoffgehalt fern von Entnahmestellen werden hiermit vermieden.
- In einer Verfahrensausbildung ist vorgesehen, dass der Sensor anstelle eines Lötproduktes oder auf/an einem Lötprodukt oder einem dem Lötprodukt ähnlichen/entsprechenden Produkt durch den Durchlauf-Lötofen bewegt wird. Der Sensor durchläuft demzufolge den Lötofen und die Wegstrecke, die das Lötprodukt zu seiner Herstellung durchläuft, entweder zusammen mit einem solchen Lötprodukt, beispielsweise durch Anordnung auf oder an einem solchen Lötprodukt, oder an oder auf einem dem Lötprodukt ähnlichen oder entsprechenden Produkt, also beispielsweise einer dem Lötprodukt ähnlichen Haltevorrichtung für den Sensor. Die Lötprodukte werden durch den Durchlauf-Lötofen im Regelfall auf Vorrichtungen bewegt, die die Lötprodukte in der für die Verlötung erforderlichen Position halten, beispielsweise auf Förderbändern oder in förderbandähnlichen Vorrichtungen, die Mittel zum Halten je eines Lötprodukts oder mehrerer Lötprodukte in einer solchen Weise aufweisen, dass die Hitzebeaufschlagung der zu verlötenden Bauteile in der erwünschten Weise erfolgt. Nun kann der Sensor zur ortsgenauen Bestimmung des Restsauerstoffgehalts entweder auf oder an einem solchen Lötprodukt oder bevorzugt anstelle eines solchen Lötproduktes durch den Durchlauf-Lötofen bewegt werden. Hierzu wird anstelle eines solchen Lötproduktes eine den Sensor aufweisende, einem Lötprodukt in den Dimensionen zumindest in etwa entsprechende Vorrichtung in die Fördereinrichtung eingelegt, die die Lötprodukte durch den Durchlauf-Lötofen bewegt. In sehr vorteilhafter Weise wird so der Restsauerstoffgehalt an genau der Stelle gemessen, an der die Verlötung und damit die Herstellung der Lötprodukte stattfinden soll. Selbst geringe räumliche Abweichungen werden auf diese Weise vorteilhaft vermieden.
- In einer weiteren Verfahrensausbildung werden vom Sensor gelieferte Messdaten mittels einer Datenverbindung zu einer außerhalb des Durchlauf-Lötofens befindlichen Auswerteeinheit übertragen. Der Sensor liefert Daten, die in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, die außerhalb des Durchlauf-Lötofens angeordnet ist. Die Datenübertragung erfolgt mittels einer Datenverbindung. Als Datenverbindung kommt hierbei eine vorzugsweise hitzefeste Kabelverbindung oder auch eine kabellose Verbindung zum Einsatz, beispielsweise eine Funkverbindung.
- In einer anderen Verfahrensausbildung wird die Auswerteeinrichtung zusammen mit dem Sensor durch den Durchlauf-Lötofen bewegt. Hierdurch wird eine lokale Auswertung im Bereich des Sensors ermöglicht. Die Auswerteeinrichtung ist hierzu bevorzugt in ein hitzefestes Gehäuse eingehaust. Diese Methode hat den Vorteil, dass Sensor und Auswerteeinrichtung in kompakter Bauform oder auch als Baueinheit (Modul) eingesetzt werden können, so dass eine hohe Flexibilität der Auswerteeinrichtung und des Sensors ermöglicht wird, insbesondere ein Einsatz in unterschiedlichen Durchlauf-Lötöfen.
- In einer wiederum anderen Verfahrensausbildung wird dem Sensor eine die Messdaten aufnehmende Datenspeichereinheit zugeordnet, die zusammen mit dem Sensor durch den Durchlauf-Lötofen gefahren wird. Die Auswertung erfolgt demzufolge in einer Auswerteeinrichtung, die außerhalb des Durchlauf-Lötofens angeordnet ist. Die vom Sensor aufgenommenen Messdaten hingegen werden während der Montage in die Datenspeichereinheit eingespeichert, die mit dem Sensor den Durchlauf-Lötofen durchläuft.
- In einer bevorzugten Verfahrensausbildung wird als Sensor eine Lambda-Sonde verwendet. Lambda-Sonden sind üblicher Weise aus dem Bereich der Abgasbehandlung von Kraftfahrzeugen bekannt und werden dort als Sauerstoffsonde eingesetzt. Zusammen mit an den Betrieb eines Lötofens angepassten Auswertegeräten für Lambda-Sonden und entsprechender Software lassen sich Auswerteeinrichtungen zum Restsauerstoffgehalt im Durchlauf-Lötofen ausbilden.
- Besonders bevorzugt ist mindestens ein weiterer Sensor vorgesehen, um weitere Parameter, insbesondere die Temperatur und/oder die Strömungsverhältnisse der Lötatmosphäre zu messen. In dieser Verfahrensausbildung können sehr vorteilhaft verschiedene Parameter mit einer Vorrichtung ortsabhängig während des Durchlaufens des Durchlauf-Lötofens bestimmt werden. Insbesondere kann sehr zuverlässig und punktgenau die lokale Temperatur sowie die Strömung der Lötatmosphäre ermittelt und aufgezeichnet beziehungsweise ausgewertet werden.
- Es wird weiter eine Vorrichtung vorgeschlagen zum Messen des Restsauerstoffgehalts im Inneren eines Durchlauf-Lötofens, insbesondere Reflow Ofens, zur Fertigung von Lötprodukten, vorzugsweise zum mittels Lötpaste erfolgenden Reflow Löten von elektrischen/elektronischen Bauteilen auf ein Substrat, wobei während des Lötprozesses der Restsauerstoffgehalt von mindestens einem Sensor gemessen wird. Hierbei ist eine den Sensor aufweisende Messsonde zur Messung beim Durchfahren des Durchlauf-Lötofens vorgesehen. Die Messsonde weist hierbei den vorstehend bereits beschriebenen Sensor auf, der den Restsauerstoffgehalt im Inneren des Durchlauf-Lötofens bestimmt. Die Messsonde wird als Vorrichtung durch den Durchlauf-Lötofen bewegt, insbesondere indem sie den Durchlauf-Lötofen in einer solchen Weise durchfährt wie ein zu fertigendes Lötprodukt.
- Besonders bevorzugt weist die Messsonde ein Substrat auf, auf dem sich der Sensor befindet. Die Messsonde ist demzufolge so ausgebildet, dass sie gleich oder ähnlich einem Lötprodukt, wie es produziert werden soll, dimensioniert ist und hierbei den Sensor aufweist. Besonders bevorzugt wird ein Substrat verwendet, wie es auch zur Fertigung von Lötprodukten im Durchlauf-Lötofen die elektrischen oder elektronischen Bauteile aufnimmt. Statt solcher zu verlötenden elektronischen Bauteile ist auf dem Substrat der Sensor und/oder eine Datenspeichereinrichtung und/oder eine Auswerteeinrichtung und/oder eine Datenverbindungseinrichtung (Funkeinrichtung oder Anschluss einer kabelgebundenen Datenübertragung) angeordnet. Auf diese Weise kann die Messsonde in den Produktionsvorgang der Lötprodukte eingetaktet werden, dergestalt, dass sie wie die zu fertigenden Lötprodukte im Betrieb und im Prozessablauf den Durchlauf-Lötofen durchfährt und hierbei zuverlässig Daten im laufenden Fertigungsprozess liefern kann.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt zu sein.
- Es zeigen
-
1 einen Durchlauf-Lötofen und -
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen von Restsauerstoffgehalt. -
1 zeigt einen Lötofen1 , nämlich einen Durchlauf-Lötofen2 in einer Ausgestaltung als Reflow Ofen3 . Der Durchlauf-Lötofen2 weist einen mittels eines Gehäuses4 umschlossenen Reaktionsraum5 auf, nämlich einen Lötraum6 . Im Inneren7 des Gehäuses4 , also im Lötraum6 , des Durchlauf-Lötofens2 herrscht eine Lötatmosphäre8 . Die Lötatmosphäre8 im Inneren7 des Durchlauf-Lötofens2 weist hierbei einen Restsauerstoffgehalt co auf, der Einfluss auf die Qualität der Herstellung von Lötprodukten9 im Inneren7 des Durchlauf-Lötofens2 hat. Die Lötprodukte9 weisen elektronische Bauelemente10 auf einem Substrat11 auf, das beispielsweise eine Leiterplatte12 ist. Der Lötofen1 weist eine Beschickungsseite13 und eine dieser gegenüberliegende Abnahmeseite14 auf, wobei zur Herstellung von Lötprodukten9 (nämlich zum Verlöten der Bauelemente10 auf dem Substrat11 im Lötofen1 ) die Lötprodukte9 unverlötet (jedoch vorkonfektioniert, beispielsweise durch per Lötpaste erfolgtem Festlegen der Bauelemente10 auf dem Substrat11 ) auf eine Fördereinrichtung15 aufgebracht werden, beispielsweise in der Fördereinrichtung15 zugeordnete Halter16 . Die Halter16 werden mit den eingelegten Lötprodukten9 mittels der Fördereinrichtung15 von der Beschickungsseite13 in Prozessrichtung R zur Abnahmeseite14 durch den Lötofen1 bewegt. Durch die im Inneren7 des Lötofens1 herrschende Lötatmosphäre8 , insbesondere deren Temperatur, erfolgt der Lötvorgang, nämlich das Auflöten der Bauelemente10 auf das Substrat11 . Die Fördereinrichtung15 transportiert die so gefertigten Lötprodukte9 zur Abnahmeseite14 des Lötofens1 , wo die fertigen Lötprodukte9 abgenommen und ihrer Bestimmung entsprechend weiter verarbeitet werden. Zur Messung des Restsauerstoffgehalts co der Lötatmosphäre8 wird, anstelle eines Lötproduktes9 , auf einem Halter16 eine Messsonde17 durch den Lötofen1 bewegt; die Messsonde17 wird demzufolge gleich einem Lötprodukt9 während des Prozessablaufes durch den Reaktionsraum5 des Lötofens1 gefördert und misst hierbei kontinuierlich oder in periodischen Abständen, die vorzugsweise sehr fein vorgebbar sind, den Restsauerstoffgehalt co der Lötatmosphäre8 im Reaktionsraum5 . Die Messsonde17 weist hierzu einen Sensor18 auf, der an einem einem Lötprodukt9 ähnlichen Produkt19 angeordnet ist, wobei das Produkt19 beispielsweise Substrat11 ist. Das Produkt19 hat hierbei zumindest annähernd die Dimensionen von Substrat11 , so dass sich für die Messsonde17 bevorzugt die Dimensionen von Lötprodukten9 ergeben, wodurch die Messsonde17 ohne Änderung am Halter anstelle eines Lötproduktes9 in den Prozessablauf eingetaktet werden und in sehr vorteilhafter Weise der Sensor18 den Restsauerstoffgehalt co im Reaktionsraum5 an genau den Stellen messen kann, insbesondere in Bezug auf einer Höhe h über der Fördereinrichtung15 , in der die Lötprodukte9 tatsächlich den Reaktionsraum5 des Lötofens1 durchlaufen. Die bei im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Restsauerstoffgehaltbestimmung zwangsläufig resultierenden Ungenauigkeiten aus Abweichungen der Sensorposition von der tatsächlichen Lot-/Prozessposition der Lötprodukte9 wird auf diese Weise vorteilhaft vermieden. Dem Sensor18 ist hierbei entweder auf dem Produkt19 (zur Ausbildung der Messsonde17 ) eine eigene Auswerteeinrichtung20 und/oder eine Datenspeichereinheit21 zugeordnet oder eine solche angeschlossen. Die Messsonde17 haust die Auswerteeinrichtung20 und die Datenspeichereinheit21 bevorzugt in ein hitzefestes, hier nicht dargestelltes Gehäuse ein, damit diese durch die heiße Lötatmosphäre8 im Reaktionsraum5 des Lötofens1 keinen Schaden nehmen. Sobald die Messsonde17 den Lötofen1 durchlaufen hat, also an der Abnahmeseite14 wieder wie ein Lötprodukt9 zu Tage tritt, wird sie abgenommen und der Auswertung zugeführt. Anhand der so gewonnenen Erkenntnisse kann die Zusammensetzung der Lötatmosphäre8 wunschgemäß und zur Herstellung gewünschter Atmosphärenparameter verändert werden. Alternativ zur hier dargestellten Ausbildung der Messsonde17 ist es auch möglich, die Messsonde17 alternativ oder zusätzlich zu der Auswerteeinrichtung20 und/oder der Datenspeichereinheit21 mit einer Sendeeinrichtung22 zur Schaffung einer Datenverbindung23 zwischen der Messsonde17 (genauer: der Sendeeinrichtung22 der Messsonde17 ) und einer Empfangseinrichtung24 einer weiteren Auswerteeinrichtung25 zu schaffen; anstelle der weiteren Auswerteeinrichtung25 kommt die Auswerteeinrichtung20 in Betracht, wenn diese nicht der Messsonde17 selbst zugeordnet sein soll. Die weitere Auswerteeinrichtung25 (oder, falls allein bestehend, die Auswerteeinrichtung20 ) wiederum ist mit einer Steuer- und Regeleinrichtung26 zur Beeinflussung der Lötatmosphäre8 im Reaktionsraum5 des Lötofens1 verbunden, so dass auf Abweichungen des gewünschten Restsauerstoffgehalts co im Reaktionsraum5 des Lötofens1 unmittelbar, gewissermaßen online, reagiert werden kann und insbesondere auch unmittelbar die Änderung der Lötatmosphäre8 , veranlasst aufgrund von Daten der Messsonde17 , unmittelbar überprüft werden kann. -
2 zeigt in schematischer Darstellung die Messsonde17 mit dem Sensor18 auf einem Produkt19 , insbesondere Substrat11 , zum Beschicken eines hier nicht dargestellten Halters16 (wie in1 dargestellt) der in1 dargestellten Fördereinrichtung15 . Über eine Datenverbindung23 ist der Messsonde17 eine Auswerteeinrichtung20 angeschlossen, die insbesondere als weitere Auswerteeinrichtung25 außerhalb der Messsonde17 im Bereich des in1 dargestellten Lötofens1 angeordnet ist. Dieser zugeordnet ist eine Regelung27 zur Beeinflussung der in1 dargestellten Lötatmosphäre8 im Reaktionsraum5 des Lötofens1 , wie in1 beschrieben. Der Auswerteeinrichtung20 ist ein Messsignalausgang28 zugeordnet, der das Messsignal29 einer weiteren Weiterverarbeitungseinrichtung30 zuführt, die der Auswerteeinrichtung20 nachgeordnet oder angeschlossen ist. Zum Betrieb der Anordnung ist eine angeschlossene Spannungsversorgungseinrichtung31 vorgesehen. Als Sensor18 kommt bevorzugt eine Lambda-Sonde32 zum Einsatz, wobei die Datenverbindung23 in solchen Fällen, in denen eine auf dem Substrat11 im Bereich der Messsonde17 mitgeführte Spannungsversorgung, beispielsweise über Akkumulatoren oder Batterien, nicht ausreichen sollte, die Datenverbindung23 beispielsweise als hitzefeste Kabelverbindung33 ausgeführt ist und überdies die Spannungszuleitung von der Spannungsversorgungseinrichtung31 über die Auswerteeinrichtung20 zur Lambda-Sonde32 oder generell den Sensor18 vornimmt.
Claims (10)
- Verfahren zum Betreiben eines Durchlauf-Lötofens, insbesondere Reflow Ofens, zur Fertigung von Lötprodukten, vorzugsweise zum mittels Lötpaste erfolgenden Reflow Löten von elektrischen/elektronischen Bauteilen auf ein Substrat, wobei während des Lötprozesses der Restsauerstoffgehalt im Inneren des Durchlauf-Lötofens mittels mindestens eines Sensors gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor während der Messung den Durchlauf-Lötofen durchläuft.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor anstelle eines Lötproduktes oder auf/an einem Lötprodukt oder einem dem Lötprodukt ähnlichen/entsprechenden Produkt durch den Durchlauf-Lötofen bewegt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Sensor gelieferte Messdaten mittels einer Datenverbindung zu einer außerhalb des Durchlauf-Lötofens befindlichen Auswerteeinrichtung übertragen werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine die vom Sensor gelieferten Messdaten aufnehmende Auswerteeinrichtung zusammen mit dem Sensor durch den Durchlauf-Lötofen bewegt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor eine die Messdaten aufnehmende Datenspeichereinheit zugeordnet wird, die zusammen mit dem Sensor durch den Durchlauf-Lötofen gefahren wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor eine Lambda-Sonde verwendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Sensor vorhanden ist, um weitere Parameter, insbesondere die Temperatur und/oder die Strömungsverhältnisse der Lötatmosphäre zu messen.
- Vorrichtung zum Messen des Restsauerstoffgehaltes (co) im Inneren eines Durchlauf-Lötofens (
2 ), insbesondere Reflow Ofens (3 ), zur Fertigung von Lötprodukten (9 ), vorzugsweise zum mittels Lötpaste erfolgenden Reflow Löten von elektrischen/elektronischen Bauteilen auf ein Substrat (11 ), wobei während des Lötprozesses der Restsauerstoffgehalt (co) von mindestens einem Sensor (18 ) gemessen wird, gekennzeichnet durch eine den Sensor (18 ) aufweisende Messsonde (17 ) zur Messung beim Durchfahren des Durchlauf-Lötofens (2 ). - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (
17 ) ein Substrat (11 ) aufweist, auf dem sich der Sensor (18 ) befindet. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
11 ) ein dem Lötprodukt (9 ) ähnliches oder entsprechendes Substrat (11 ) ist.
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