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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Löten von Baugruppen, insbesondere zum Konvektionslöten oder zum Dampfphasenlöten oder zum Wiederaufschmelzlöten von Baugruppen, die bzw. das dazu geeignet ist, Lötverbindungen an Baugruppen besonders einfach bzw. kostengünstig bei hoher Qualität der Lötverbindungen herzustellen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2019 213 511 A1 ist eine Vorrichtung zum Konvektionslöten von Baugruppen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem sich in einer Förderrichtung von zu verlötenden Baugruppen betrachtet an eine Vorheizzone eine Heizzone anschließt, in deren Bereich die Baugruppen auf eine Löttemperatur erwärmt werden. An die Heizzone schließt sich eine Kühlzone an, in der die Temperatur der verlöteten Baugruppen reduziert wird, bevor die Baugruppen aus dem Gehäuse der Vorrichtung ausgeschleust werden. Innerhalb des Gehäuses erfolgt der Transport der Baugruppen zwischen den einzelnen Zonen durch eine bzw. mehrere Fördereinrichtungen. Eine derartige Vorrichtung kann im Durchlaufverfahren betrieben werden und weist dann eine relativ hohe Leistung auf.
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Weiterhin ist es aus der
DE 10 2019 2010 582 A1 der Anmelderin bekannt, eine zum Kondensationslöten vorgesehene Vorrichtung mit einer Ein- und Ausgabekammer zu versehen, die einer eigentlichen Prozesskammer vorgeschaltet ist. Über die Ein-/Ausgabekammer werden zu verlötende Bauteile der Baugruppen zunächst vorgewärmt, anschließend der Prozesskammer zugeführt und nach dem Verlöten in der Ein-/Ausgabekammer anschließend abgekühlt. Die Prozesskammer selbst weist einen Bereich auf, in dem reduzierende, gasförmige bzw. flüssige Säure in Form von Ameisensäure vorhanden ist, die auf das flussmittelfreie Lot der Baugruppen einwirkt. Nach dem Einwirken der Ameisensäure wird das Lot bis auf seine Schmelztemperatur erwärmt bzw. verflüssigt, um die Lötverbindungen auszubilden. Die soweit beschriebene Vorrichtung eignet sich insbesondere dazu, jeweils eine relativ geringe Anzahl von Baugruppen chargenweise zu verlöten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Löten von Baugruppen (1), insbesondere zum Konvektionslöten oder zum Dampfphasenlöten oder zum Wiederaufschmelzlöten von Baugruppen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie bei relativ einfachem vorrichtungstechnischem Aufbau bei Verwendung eines flussmittelfreien Lots und einer reduzierenden Säure eine relativ hohe Produktivität bzw. Leistung aufweist. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, in einer separaten Prozesskammer die chargenweise zugeführten Baugruppen der reduzierenden Säure (Ameisensäure) auszusetzen. Insbesondere ermöglicht es die separate Prozesskammer im Zusammenhang mit einem Gehäuse, in dem eine Vorheizzone und eine Heizzone angeordnet ist, einen kontinuierlichen Durchlauf der Baugruppen durch die Vorrichtung zu erzielen.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Löten von Baugruppen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass zwischen der Vorheizzone und der Heizzone eine Prozesskammer für die Baugruppen angeordnet ist, die dazu ausgebildet, ist die Baugruppen einer reduzierenden Säure, insbesondere Ameisensäure, auszusetzen
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Löten von Baugruppen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Prozesskammer ist es vorgesehen, dass die Prozesskammer als evakuierbare Prozesskammer ausgebildet ist und zumindest einen ersten Anschluss zum Zuführen der Säure in die Prozesskammer, einen zweiten Anschluss zum Zuführen eines Inertgases, vorzugsweise Stickstoff, in die Prozesskammer und einen dritten, mit einer Vakuumquelle verbindbaren Anschluss zum Evakuieren der Prozesskammer aufweist. Die drei Anschlüsse ermöglichen somit zum einen das Fluten der Prozesskammer mit den benötigen Medien (Säure und Stickstoff bzw. Inertgas) sowie andererseits einen raschen Austausch bzw. ein Entfernen der angesprochenen Medien aus der Prozesskammer.
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In einer weiteren konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung der Prozesskammer ist es vorgesehen, dass diese dazu ausgebildet ist, jeweils eine bestimmte Anzahl von Baugruppen zu behandeln, und dass eine Handlingseinrichtung zum zumindest mittelbaren Zuführen der Baugruppen aus einer Fördereinrichtung in die Prozesskammer und zum Überführen der Baugruppen aus der Prozesskammer in die Fördereinrichtung vorhanden ist, wobei die Fördereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Baugruppen von der Vorheizzone in Richtung der Heizzone und der Kühlzone zu fördern.
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In einer optionalen Weiterbildung der Vorrichtung kann es vorgesehen sein, dass sich an die Heizzone eine Vakuumkammer anschließt, oder dass die Heizzone als Vakuumkammer ausgebildet ist. Diese Vakuumkammer dient dazu, die Qualität der Lötverbindungen weiter zu steigern.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Löten von Baugruppen (1), insbesondere zum Konvektionslöten oder zum Dampfphasenlöten oder zum Wiederaufschmelzlöten von Baugruppen, insbesondere mittels einer soweit beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die Baugruppen zunächst in einer Vorheizzone auf eine Temperatur unterhalb einer Löttemperatur erwärmt, anschließend zur Verflüssigung eines Lots in einer Heizzone auf eine Löttemperatur weiter erwärmt und zuletzt in einer Kühlzone abgekühlt werden, wobei insbesondere ein flussmittelfreies Lot an den Baugruppen verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Baugruppen zwischen der Vorheizzone und der Heizzone in einer Prozesskammer einer reduzierenden Säure, insbesondere Ameisensäure, ausgesetzt werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung dieses Verfahrens sieht vor, dass die Prozesskammer nach dem Einführen der Baugruppen und Verschließen der Prozesskammer zunächst evakuiert wird, dass anschließend die Vakuumkammer mit der Säure geflutet wird, woran sich eine Aktivierungszeit für die Säure anschließt, dass danach die Prozesskammer evakuiert und zuletzt mit einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, geflutet wird, bevor die Baugruppen anschließend aus der Prozesskammer ausgeschleust und der Heizzone zugeführt werden.
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Um zu gewährleisten, dass die Baugruppen während dem Aussetzen der Säure sich nicht abkühlen, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Baugruppen in der Prozesskammer weiter erwärmt werden oder deren Temperatur zumindest näherungsweise gehalten wird. Dies kann beispielsweise mittels einer (zusätzlichen) Heizeinrichtung erfolgen, die in der Prozesskammer im Übrigen dazu dient, Säure zu verdampfen.
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Zuletzt umfasst die Erfindung auch die Verwendung der soweit beschriebenen Vorrichtung bzw. des soweit beschriebenen Verfahrens bei Baugruppen, die mit einem flussmittelfreien Lot versehene Schaltungsträger aufweisen, die unter Zwischenlage von Klebstoff mit Bauelementen verbunden sind.
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Bevorzugt ist eine Verwendung, bei der die zu verlötenden Bauelemente der Baugruppen als LGA (Land Grit Array) - Bauelemente oder QFN (Quad Flat No-Lead) - Bauelemente ausgebildet sind. Deraartige Bauelemente weisen eine Vielzahl von in geringen Abständen zueiander angeordneten Lötverbindungen auf, bei denen es in besonderem Maße auf eine hohe Qualität und Genauigkeit der Lötverbindungen ankommt, um die Funktion der Baugruppen zu gewährleisten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt in einem Längsschnitt eine Baugruppe, bestehend aus einem auf einem Schaltungsträger angeordneten Bauelement vor dem Verlöten,
- 2 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Konvektionslöten der Baugruppen und
- 3 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der einzelnen Prozessschritte in einer Prozesskammer der Vorrichtung gemäß der 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine Baugruppe 1 dargestellt, die aus einem Schaltungsträger 2 besteht, auf der ein (elektronisches) Bauelement 3 angeordnet ist. Bei dem Substrat bzw. Schaltungsträger 2 kann es sich um einen beliebigen Schaltungsträger 2 handeln, z.B. um eine Leiterplatte, ein Dickschichtsubstrat, ein Glassubstrat oder auch um eine Leistungselektronik-Keramik (DCB oder AMB). Bei dem Bauelement 3 kann es sich ebenfalls grundsätzlich um ein beliebiges (elektronisches) Bauelement handeln, insbesondere jedoch um ein LGA- oder QFN-Bauelement 3.
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In einem vorgelagerten Prozess- bzw. Fertigungsschritt sind auf elektrisch leitenden Bereichen 4 des Schaltungsträgers 2 zunächst Zinnschichten 5 in Form von sogenannten Pads aufgebracht worden. Anschließend ist auf den Zinnschichten 5 Klebstoff 7 aufgebracht worden, der dazu dient, das Bauelement 3 an der gewünschten Stelle auf dem Schaltungsträger 2 zu positionieren bzw. vorzufixieren. Wesentlich ist darüber hinaus, dass die soweit vorgefertigte Baugruppe 1 bzw. die Zinnschichten 5 ein Lot 6 ausbilden, wobei die Zinnschichten 5 bzw. das Lot 6 flussmittelfrei ausgebildet sind.
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In der 2 ist stark vereinfacht eine Vorrichtung 10 zum Konvektionslöten von Baugruppen 1 dargestellt, die in der oben beschriebenen Art und Weise vorbereitet der Vorrichtung 10 zugeführt werden. Hierzu weist die Vorrichtung 10 eine stark vereinfacht dargestellte, typischerweise aus mehreren Förderelementen ausgebildete Fördereinrichtung 12 auf, die ein Gehäuse 14 durchquert, in deren Bereich die Baugruppen 1 verlötet werden. Das Gehäuse 14 weist beispielsweise eine Eintrittsschleuse 16 sowie eine Austrittsschleuse 18 auf, um innerhalb des Innenraums des Gehäuses 14 eine definierte, insbesondere eine inerte Atmosphäre mit geringem Überdruck auszubilden, um eine gewünschte Qualität der Lötverbindungen an den Baugruppen 1 zu gewährleisten. In eine durch den Pfeil 20 bezeichnete grundsätzliche Fördereinrichtung der Baugruppen 1 innerhalb der Vorrichtung 10 werden die Baugruppen 1 zunächst im Bereich einer Vorheizzone 22, die beispielhaft mehrere Heizeinrichtung 24 aufweist, vorgewärmt. Anschließend gelangen die (vorgewärmten) Baugruppen 1 in den Bereich einer Prozesskammer 25. Hierzu wirkt die Prozesskammer 25 mit einer im Detail nicht dargestellten Handlingseinrichtung 28 zusammen, die dazu dient, jeweils eine bestimmte Anzahl bzw. einzelne Baugruppen 1 von der Fördereinrichtung 12 zu entnehmen und zunächst einem Pufferspeicher 30 zuzuführen. Von dem Pufferspeicher 30 gelangt dann jeweils eine bestimmte Anzahl, d.h. eine Charge von Baugruppen 1 in den Bereich der Prozesskammer 25. Nach der Behandlung der Baugruppen 1 innerhalb der Prozesskammer 25 werden die Baugruppen 1 wiederum in den Pufferspeicher 30 überführt und mittels der Handlingseinrichtung 28 an die Fördereinrichtung 12 abgegeben.
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Der Pufferspeicher 30 ermöglicht somit trotz einer beispielsweise kontinuierlichen Förderung der Baugruppen 1 auf der Fördereinrichtung 12 einen chargenweisen Austausch von Baugruppen 1 von der Fördereinrichtung 12 in die Prozesskammer 25 und umgekehrt.
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Nach der Behandlung der Baugruppen 1 in der Prozesskammer 25 gelangen die Baugruppen 1 anschließend in eine Heizzone 32 mit wenigstens einer weiteren Heizeinrichtung 34. Die Heizeinrichtung 34 bzw. die Heizzone 32 dient dazu, die Baugruppen 1 auf eine Temperatur weiter zu erwärmen, die mindestens der Schmelztemperatur des Lots 6 entspricht, sodass die Baugruppen 1 im Bereich der Heizzone 32 verlötet werden.
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Der Bereich der Heizzone 32 kann entweder - wie dargestellt - optional gleichzeitig als Vakuumkammer 35 mit hubbeweglich zueinander angeordneten Halbschalen 36, 37 ausgebildet sein, um eine besonders hohe Qualität der Lötverbindungen an den Baugruppen 1 zu gewährleisten. Alternativ hierzu kann die Vakuumkammer 35 auch als separate, sich an die Heizzone 32 anschließende Einrichtung ausgebildet sein.
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Zuletzt gelangen die Baugruppen 1 in eine Kühlzone 38, in der die Temperatur der Baugruppen 1 anhand eines definierten Temperaturprofils mittels Heizeinrichtungen 39 reduziert wird. Aus dem Bereich der Kühlzone 38 werden die Baugruppen 1 anschließend über die Ausgangsschleuse 18 des Gehäuses 14 aus der Vorrichtung 10 ausgeschleust und weiteren, nicht dargestellten Prozessschritten zugeführt.
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Die Prozesskammer 25 weist eine lediglich symbolisch dargestellte Verschlusstür 40 auf, die in geöffnetem Zustand dazu dient, die Baugruppen 1 in die Prozesskammer 25 einzuführen bzw. nach der Behandlung aus der Prozesskammer 25 auszuschleusen. Weiterhin weist die Prozesskammer 25 einen ersten Anschluss 41 zum Zuführen von Ameisensäure AS aus einem Vorratsspeicher 42 auf. Ein zweiter Anschluss 44 der Prozesskammer 25 ist mit einer Gasquelle 45 gekoppelt, in der Inertgas, insbesondere Stickstoff, gespeichert ist. Darüber hinaus ist ein dritter Anschluss 48 vorgesehen, der mit einer Vakuumquelle 49 verbunden ist.
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Innerhalb der Prozesskammer 25 kann darüber hinaus eine weitere Heizeinrichtung 50 vorgesehen sein, die dazu dient, im Falle einer flüssigen Ameisensäure diese zu verdampfen. Auch kann die weitere Heizeinrichtung 50 dazu dienen, die Temperatur der vorgewärmten Baugruppen 1 entweder zu halten oder weiter zu erhöhen, jedoch höchstens auf eine Temperatur, die noch unterhalb der Schmelztemperatur des Lots 6 entspricht.
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Die in der Prozesskammer 25 durchgeführten einzelnen Prozessschritte werden nunmehr anhand der 3 wie folgt erläutert: In einem ersten Schritt 101 erfolgt bei geöffneter Prozesskammer 25 das Einführen der Baugruppen 1 in den Innenraum der Prozesskammer 25. Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt 102 das Schließen der Prozesskammer 25 durch die Verschlusstür 38. Anschließend erfolgt in einem dritten Schritt 103 das Evakuieren des Innenraums der Prozesskammer 25 durch Aktivierung der Vakuumquelle 49 bzw. Verbinden der Vakuumquelle 49 mit der Prozesskammer 25. In einem darauffolgenden vierten Schritt 104 wird die Ameisensäure AS im flüssigen oder gasförmigen Zustand, möglichst schnell, über den ersten Anschluss 41 in die Prozesskammer 25 eingeführt. Anschließend erfolgt in einem fünften Schritt 105 das Aussetzen der Baugruppen 1 der Ameisensäure AS, wobei die Aktivierungszeit typischerweise zwischen 20s und 120s beträgt. Anschließend erfolgt in einem sechsten Schritt 106 eine nochmalige Evakuierung des Innenraums der Prozesskammer 25 über die Vakuumquelle 49, um die Ameisensäure AS aus der Prozesskammer 25 zu entfernen. In einem darauffolgenden siebten Schritt 107 erfolgt ein möglichst rasches Fluten der Prozesskammer 25 mit dem Inertgas über den zweiten Anschluss 44. Anschließend erfolgt in einem achten Schritt 108 das Öffnen der Prozesskammer 25, um zuletzt in einem neunten Schritt 109 die behandelten Baugruppen 1 aus der Prozesskammer 25 (über den Pufferspeicher 30) in die Heizzone 32 zu überführen.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 bzw. das soweit beschriebene Verfahren können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, innerhalb der als Konvektionslötanlage ausgebildeten Vorrichtung 10 eine zusätzliche bzw. separate Prozesskammer 25 vorzusehen, die ausschließlich dazu dient, vorerwärmte Baugruppen 1 der Ameisensäure AS auszusetzen, bevor anschließend eine weitere Erwärmung der Baugruppen 1 bis auf eine Schmelztemperatur des Lots 6 und Verlöten der Baugruppen 1 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019213511 A1 [0002]
- DE 1020192010582 A1 [0003]