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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reflow-Lötvorrichtung und ein Verfahren zum Reflow-Löten.
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Aus der
EP 1 525 067 B1 ist eine Prozesskammer für eine Reflow-Lötvorrichtung bekannt. In dieser Prozesskammer ist eine Fördereinrichtung zum Befördern von Baugruppen vorgesehen. Die Baugruppen sind Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen, wobei die elektronischen Bauteile mit der Leiterplatte verlötet werden. Hierzu wird mittels Gebläsewalzen ein erhitzter Luftstrom erzeugt, der den Baugruppen zugeführt wird. Oberhalb und Unterhalb der Förderbahn der Baugruppen sind zwei Sätze von Gebläsewalzen angeordnet. Die Gebläsewalzen erstrecken sich über die gesamte Breite der Förderbahn, wodurch ein homogener, bandförmiger Luftstrom erzielt wird. Hierdurch wird eine über die gesamte Breite der Förderbahn gleichmäßige Temperaturverteilung erzielt, die sehr exakt einstellbar ist.
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Diese bekannte Reflow-Lötvorrichtung hat sich in der Praxis sehr bewährt, da mit ihr zuverlässig und sehr exakt vorbestimmte Temperaturprofile an den Baugruppen angelegt werden können.
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Aus der
DE 100 31 071 C2 geht eine Anlage zur thermischen Behandlung von Werkstücken, insbesondere zum Löten, hervor bei welcher in jeder Prozess- oder Heizebene jeweils mindestens zwei Transportvorrichtungen nebeneinander angeordnet sind. Die Transportvorrichtungen können nach Art eines Kettenförderers ausgebildet und nebeneinander angeordnet sein.
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Aus der
EP 1 116 147 A1 geht eine weitere Vorrichtung zum Erwärmen von Leiterplatten hervor, bei welcher in einer horizontalen Transportebene zwei Heizstraßen nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind. Hierbei ist es auch möglich, mehrere Heizstraßen übereinander anzuordnen.
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Die
DE 102 26 593 A1 ist Ihre Patentanmeldung, die eine Reflow-Vorrichtung mit einer Gebläsewalze betrifft, die an ihren beiden Stirnseiten offen ist, wobei die Gebläsewalze mit ihrer Rotationsachse quer zur Transportrichtung der zu lötenden Leiterplatten angeordnet ist. Über die Stirnseiten der Gebläsewalze wird die Luft angesaugt und von der Walze radial auf die zu lötenden Leiterplatten abgegeben.
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In der
US 36,941 E ist ein Ofen zum Kochen beschrieben, der zwei Fördereinrichtungen aufweist und ein Umluftgebläse, um den zu beheizenden Gegenstand mit heißer Luft zu beaufschlagen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Reflow-Lötvorrichtung und ein Verfahren zum Reflow-Löten so weiterzubilden, dass ein Temperaturprofil mit im wesentlicher gleicher Qualität und Zuverlässigkeit erzeugt werden kann, wobei bei einer kostengünstigeren Ausbildung der Reflow-Lötvorrichtung ein höherer Durchsatz an zu verarbeitenden Baugruppen erzielt werden soll.
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Die Aufgabe wird durch eine Reflow-Lötvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Die Reflow-Lötvorrichtung umfasst
- – eine Prozesskammer mit einer Fördereinrichtung zum Befördern von einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Leiterplatten,
- – einer Gebläseeinrichtung zum Zuführen eines Luftstroms zu den Leiterplatten,
- – einer Heizeinrichtung zum Erwärmen des Luftstroms.
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Die erfindungsgemäße Reflow-Lötvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Prozesskammer eine Trennwand angeordnet ist, die die Prozesskammer in Querrichtung in zwei Prozessteilkammern unterteilt, wobei in jeder Prozessteilkammer Gebläseeinrichtungen und Heizeinrichtungen vorgesehen sind. Die Gebläseeinrichtungen und Heizeinrichtungen der beiden Prozessteilkammern sind mittels einer Steuereinrichtung unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass in den Prozessteilkammern unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind.
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In den beiden Prozessteilkammern können somit unterschiedliche Produkte bzw. unterschiedliche Baugruppen mit unterschiedlichen Temperaturprofilen verarbeitet werden. Durch das Integrieren zweier Prozessteilkammern mit einem unterschiedlichen Temperaturprofil in einer Reflow-Lötvorrichtung wird ein doppelt so hoher Durchsatz wie mit einer herkömmlichen Reflow-Lötvorrichtung erzielt. Durch das Vorsehen von zwei Prozessteilkammern ist es nicht notwendig, dass alle Bauteile der Lötvorrichtung doppelt vorgesehen werden müssen. So sind die beiden Prozessteilkammern in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Steuereinrichtung zum Ansteuern der einzelnen Komponenten der Lötvorrichtung umfasst ein Hardware-Modul (Prozessoreinheit, Tastatur, Bildschirm, etc.), das im wesentlichem dem Hardware-Modul der eingangs genannten Reflow-Lötvorrichtung entspricht. Lediglich die hierbei verwendete Steuerungssoftware zum unabhängigen Ansteuern der beiden Prozessteilkammern ausgebildet.
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Vorzugsweise sind in den Prozessteilkammern jeweils eine Fördereinrichtung angeordnet ist, welche unterschiedlich ansteuerbar sind, so dass die Temperaturprofile unterschiedlich schnell durchfahren werden können.
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Die Reflow-Lötvorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem die beiden Prozessteilkammern ausgebildet sind, und es ist vorzugsweise eine einzige elektrische Steuereinheit zum Ansteuern beider Prozessteilkammern vorgesehen.
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Die Reflow-Lötvorrichtung ist vorzugsweise mit einer einzigen Kühleinrichtung zum Kühlen der Leiterplatten in beiden Prozessteilkammern ausgebildet.
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Die Reflow-Lötvorrichtung weist als Gebläseeinrichtungen vorzugsweise Radialventilatoren auf, die seitlich von einer Förderbahn für die Leiterplatten angeordnet sind.
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Durch die Verwendung eines seitlich der Förderbahn angeordneten Radialventilators ersetzt ein Radialventilator zwei Gebläsewalzen der eingangs erläuterten Reflow-Lötvorrichtung. Dies erlaubt trotz des Vorsehens von zwei Prozessteilkammern die Anzahl der Ventilatoren bzw. Gebläse im Vergleich mit der eingangs erläuterten Reflow-Lötvorrichtung etwa konstant zu halten.
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Die Trennwand zwischen den beiden Isolationsteilkammern ist vorzugsweise mit einem thermischen Isolationsschicht versehen.
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Die mit der erfindungsgemäßen Reflow-Lötvorrichtung erzielten Vorteile gegenüber zweier herkömmlicher Lötvorrichtungen, mit welchen der gleiche Durchsatz erzielt wird, sind:
- – Geringere Stellfläche
- – Weniger Bedarf an Medien (Strom, Stickstoff, etc.)
- – Geringerer Verschleiß
- – Verminderter Wartungsaufwand
- – Höhere Flexibilität
- – Geringere Personalkosten
- – Höhere Wirtschaftlichkeit
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Reflow-Lötvorrichtung mit geöffnetem Deckel in perspektivischer Ansicht,
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2 die Lötvorrichtung nach 1 im Querschnitt,
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3 die Querschnittsansicht nach 2 in einer schematisch vereinfachten Darstellung, wobei in einer Hälfte der Lötvorrichtung die Strömungsrichtungen der Luftströmung eingezeichnet sind, und
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4 eine Hälfte der Lötvorrichtung mit einem Schnitt in Längsrichtung und in Querrichtung schematisch vereinfacht, wobei die Strömungsrichtungen durch Pfeile dargestellt sind.
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Die erfindungsgemäße Reflow-Lötvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das aus einer unteren Gehäusewanne 3 und einem an der Gehäusewanne schwenkbar angeordneten Deckel 4 besteht. Die Gehäusewanne weist zwei Stirnwandungen 5, zwei Seitenwandungen 6 und eine Bodenwandung 7 auf. In den Stirnwandungen 5 sind horizontale Schlitze 5a ausgebildet, durch welche elektronische Baugruppen zu- bzw. abgeführt werden können. Zwischen den Schlitzen 5a sind Fördereinrichtungen (nicht dargestellt) zum Transportieren der Baugruppen 8 vorgesehen. Diese Fördereinrichtungen sind herkömmlicherweise durch beispielsweise schmale Förderbänder, auf welche die Baugruppen aufgelegt werden, ausgebildet. Die Fördergeschwindigkeit ist individuell einstellbar. Die Baugruppen werden in Förderrichtung 9 entlang einer Förderbahn durch das Gehäuse befördert. Die horizontale Ebene, in der die Förderbahn liegt bildet eine Symmetrieebene für die wesentlichen Komponenten der Reflow-Lötvorrichtung 1.
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Erfindungsgemäß ist das Gehäuse 2 durch eine in Längsrichtung verlaufende Trennwand 10 unterteilt, so dass zwei Prozessteilkammern 11, 12 ausgebildet sind. Die Prozessteilkammern 11, 12 sind symmetrisch zur Trennwand 10 angeordnet und im wesentlichen symmetrisch zur Trennwand 10 ausgebildet.
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Die Trennwand 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Metallblech ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung kann sie auch einseitig oder beidseitig mit einer Isolationsschicht zum thermischen isolieren der beiden Prozessteilkammern 11, 12 versehen sein. Sie kann auch aus einem anderen Material als Metall ausgebildet sein.
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Oberhalb und unterhalb der Förderbahnen sind Luftleitbecken 13 ausgebildet. Die Luftleitbecken 13 weisen eine Basiswandung 14 auf, die in der Draufsicht rechteckig ausgebildet und parallel zur Ebene der Förderbahn angeordnet ist. Die Basiswandung 14 ist an ihrem Rand mit einer umlaufenden Umfangswandung 15 versehen, die sich von der Basiswandung 14 weg von der Ebene der Förderbahn erstreckt.
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In der Basiswandung 14 sind Düsenschlitze 16 ausgebildet. Die Düsenschlitze 16 können einen in Richtung zur Förderbahn umgebördelten Rand aufweisen. Die Düsenschlitze 16 sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel quer zur Förderrichtung 9 verlaufend ausgebildet.
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In Querrichtung zur Förderrichtung 9 verlaufen Rückleitrohre 17, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der Umfangswandung 15 erstrecken und an diesen jeweils mit einer Öffnung 18 münden. In 4 sind die Umfangswandungen 15 auf der Höhe der Öffnungen 18 mit einer Strichlinie dargestellt.
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An den der Trennwand 10 gegenüberliegenden Seite des Luftleibeckens 13 ist ein in Längsrichtung verlaufender Unterdruck- bzw. Saugkanal 20 ausgebildet. Dieser Unterdruckkanal 20 wird von einem unteren und oberen Unterdruckkanalleitblech 21 begrenzt, das mit einem Rand an die Ränder der von der Trennwand 10 entfernten Abschnitt der Umfangswandung 15 des Luftleibeckens 14 angesetzt ist, sich von dort vertikal weg von den Leitelementen 13 erstreckt, in einen Bogen 22 übergeht und auf der anderen Seite des Bogens in einer vertikalen äußere Begrenzungswandung 25 übergeht, die sich bis etwa auf die Höhe der Förderbahn erstreckt. Von dort wird das Unterdruckkanalleitblech 21 wieder ein Stück in Richtung zur Trennwand 10 zur Ausbildung einer Bodenwandung 23 geführt. Von den Bodenwandung 23 erstreckt sich eine vertikale innere Begrenzungswandung 24, an welche die von der Trennwand 10 entfernte Seite des Luftleitbeckens 13 angrenzt. Im benachbarten Bereich zur Basiswandung 14 des Luftleitbeckens 13 sind an der inneren Begrenzungswandung Öffnungen 19 ausgebildet, so dass der Bereich zwischen der Förderbahn und der Basiswandung 14 kommunizierend mit dem Unterdruckkanal 20 verbunden ist. Der Unterdruckkanal 20 ist weiterhin mit den Rückleitrohren 17 aber die Öffnungen 18 in der Umfangswandung 15 kommunizierend verbunden.
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An den äußeren Begrenzungswandungen 25 weisen die Unterdruckkanäle 20 jeweils eine halbkreisförmige Öffnung 26 auf, wobei jeweils ein oberhalb und unterhalb der Förderbahn angeordneter Unterdruckkanal 2 sich mit ihrer halbkreisförmigen Öffnung 26 derart ergänzen, dass sie eine kreisförmige Öffnung bilden.
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Die äußere Begrenzungswandung 25 des Unterdruckkanals 20 ist ein Stück beabstandet zur benachbarten Seitenwandung 6 des Gehäuses 2 der Reflow-Lötvorrichtung 1 angeordnet. Die Bögen 22 der Unterdruckkanäle 20 sind ein Stück beabstandet zur Bodenwandung 7 bzw. zum Deckel 4 des Gehäuses 2 angeordnet. Der Zwischenbereich zwischen dem Unterdruckkanalleitblech 21 und des Luftleitbeckens 13 auf der einen Seite und der Seitenwandung 5, der Bodenwandung 7 und des Deckels 4 des Gehäuses 2 auf der anderen Seite begrenzen einen Überdruckkanal 27. In diesem Überdruckkanal 27 ist ein Radialventilator 28 angeordnet. Der Radialventilator 28 weist einen Radialrotor 29 auf, der eine Rotorscheibe 30 und mit am Umfang der Rotorscheibe 30 radial ausgerichteten Rotorschaufeln 31 ausgebildet ist. Die Rotorschaufeln 31 bilden einen Rotorkranz, dessen Innendurchmesser etwa dem Durchmesser der durch die halbkreisförmigen Öffnungen 26 begrenzten Öffnung entspricht, wobei der Rotorkranz fluchtend zu dieser Öffnung angeordnet ist. Die Rotorscheibe 30 weist mittig eine Nabe 32 auf, die auf einer durch die Seitenwandung 6 des Gehäuses 2 geführten Welle 33 sitzt. Die Welle 33 wird außerhalb des Gehäuses 2 von einem Motor 34 angetrieben.
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Der Radialrotor 29 ist derart ausgebildet, dass im Betrieb, wenn der Rotor gedreht wird, Luft aus dem Zentrum des Radialrotors 29 durch die Rotorschaufeln 31 radial nach außen in den Überdruckkanal 27 beschleunigt wird. Der Radialrotor 29 ist von einem Radialheizkörper 35 umgeben, der die vom Radialventilator 28 nach außen beförderte Luft erwärmt.
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In Längsrichtung des Gehäuses 2 der Reflow-Lötvorrichtung 1 sind mehrere Heizsegmente 36 ausgebildet, die jeweils einen Radialventilator 28 mit einem Radialheizkörper 35, einen oberen und einen unteren Unterdruckkanal 20 und ein oberes und unteres Luftleitbecken 13 aufweisen. Die Heizsegmente 36 sind voneinander durch quer zur Förderrichtung 9 verlaufende Segmenttrennwände 37 voneinander getrennt (4). Dadurch ist es möglich, in den einzelnen Heizsegmenten 36 unterschiedliche Temperaturen einzustellen, da die einzelnen Radialventilatoren 28 und Heizkörper 35 mittels einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
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Die von den Radialventilatoren 28 in den Überdruckkanal 27 geförderte Luft wird zunächst von dem Radialheizkörper 35 erwärmt. Die erwärmte Luft strömt entlang der Bögen 22 zu den Luftleitbecken 13. Die Luft aus dem Überdruckkanal 27 passiert die Düsenschlitze 16 Die erhitzte Luft tritt aus den Düsenschlitzen 16 aus und trifft auf die entlang der Förderbahn transportierten Baugruppen 8. Die Baugruppen 8 werden durch die erhitze Luft auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Die Förderbahn wird sowohl von unten als auch von oben mit erhitzter Luft versorgt. Die Luftströme wenden im Bereich der Förderbahn zu der Basiswandung 14 umgelenkt. Die Basiswandung 14 und die aus den Düsenschlitzen 16 austretende Luft drängen die von den Baugruppen reflektierte Luft zur Seite, d. h. quer zur Förderrichtung 9 ab. Hierdurch wird der Luftstrom quer zur Förderrichtung 9 zum Teil in Richtung zur Trennwand 10 und zum anderen Teil in Richtung zum Unterdruckkanal 20 abgeleitet Der zum Unterdruckkanal abgeleitete Teil des Luftstroms fließt direkt über die Öffnungen 19 in den Unterdruckkanal 20 (4). Der andere Teil fließt in Richtung zur Trennwand 10, in den Bereich zwischen der Trennwand 10 und der Umfangswandung 15 des Luftleitbeckens 13 und von dort durch die Rückleitrohre 17 in den Unterdruckkanal 20.
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Im Unterdruckkanal 20 wird die verbrauchte bzw. abgekühlte Luft gesammelt und durch die Öffnungen 26 dem Radialventilator 28 erneut zugeführt. Die Luft wird somit in den einzelnen Heizsegmenten im Kreislauf umgewälzt. Die Umwälzgeschwindigkeit kann durch die Drehgeschwindigkeit des Radialventilators 28 eingestellt werden. Die zugeführte Wärme kann an den Heizkörpern 35 individuell eingestellt werden.
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Weiterhin kann in den Prozessteilkammern 11, 12 die Fördergeschwindigkeit unabhängig eingestellt werden. Somit lassen sich in den beiden Prozessteilkammern völlig voneinander unabhängige Temperaturprofile erzeugen.
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Bei Verwendung einer Metallplatte als Trennwand 10 lassen sich in benachbarten Abschnitten der beiden Prozessteilkammern 11, 12 Temperaturdifferenzen von ca. 40°C einstellen. Ist die Trennwand mit einer thermischen Isolationsschicht versehen, so können wesentlich höhere Temperaturdifferenzen eingestellt werden, die z. B. 80°C oder mehr betragen.
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Die Reflow-Lötvorrichtung weist an ihrem in Förderichtung 9 rückwärtigem Endbereich eine Kühleinrichtung (nicht dargestellt) auf, um die Baugruppen 8 abzukühlen. Es ist eine einzige Kühleinrichtung für beide Prozessteilkammern 11, 12 vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung können auch zwei Kühleinrichtungen für jeweils eine der beiden Prozessteilkammern 11, 12 vorgesehen werden.
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Nachfolgend sind zwei Gruppen von Anwendungsfällen angegeben, die jeweils ein unterschiedliches Lötprofil erfordern. Diese unterschiedlichen Lötprofile können gleichzeitig in der erfindungsgemäßen Reflow-Lötvorrichtung ausgeführt werden. Die Förderbahnen in den beiden Prozessteilkammern 11, 12 werden als Spur1 bzw. Spur 2 bezeichnet:
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SPUR1:
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Lötprofil mit niedriger Spitzentemperatur von ca. 200°C–220°C → Peak, für einfache Baugruppen
- – Thermisch sensitive Baugruppen
- – Dünne Leiterplatten
- – Einfache Cu-Lagen
- – Geringe Bestückdichte mit homogener Struktur Wenig massereiche Bauteile
- – Thermisch gering anspruchsvoll
- – Bleihaltige Legierung (SN63 Pb37; Schmelzpunkt 183°C)
- – Delta-Temp. >/= 0
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SPUR 2:
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Lötprofil mit erhöhter Spitzentemperatur von ca. 290°C–300°C → Peak, für komplexe Baugruppen.
- – Thermisch anspruchsvolle Baugruppen
- – Dicke Leiterplatten
- – Starke Cu-Lagen
- – Dichte Bestückung mit inhomogener Struktur.
- – Viele Massereiche und Großflächige Bauteile
- – Thermisch sehr anspruchsvoll
- – Bleifreie Legierung (SnAg3, 8Cu0,7; Schmelzpunkt 217°C)
- – Delta-Temp. > 0
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Die erfindungsgemäße Reflow-Lötvorrichtung, ist auch für die automatische Durchführung eines Klebebeprozess geeignet. Hierbei können, parallel, zwei unterschiedliche Klebeprofile gefahren werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Lötvorrichtung lassen sich unterschiedlichste thermische Prozesse ausführen, wobei grundsätzlich auch andere Produkte als Leiterplatten hiermit bearbeitet werden können. Die erfindungsgemäße Reflow-Lötvorrichtung ist jedoch vor allem zur Bearbeitung von Leiterplatten bzw. Leiterplatten enthaltenden Baugruppen ausgelegt.
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Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert worden, bei dem eine Luftleitbecken verwendet wird. im Rahmen der Erfindung kann anstelle eines Luftleitbeckens auch eine andere geeignete Luftleiteinrichtung vorgesehen werden, solange sie die Luftführung aus dem Überdruckkanal 27 zu den Baugruppen 8 und von dort die Ableitung zum Unterdruckkanal 20 erlaubt. Vorzugsweise wird der Rückgeführte Luftstrom aufgeteilt und ein Teil mittels der Rückleitrohre 17 zurück geleitet. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Düsen zum Zuführen der erhitzten Luft zu den Baugruppen direkt an den Rückleitrohren auszubilden, indem bspw. Die Seitenwände etwas in Richtung zur Förderbahn jeweils durch einen Vorsprung verlängert sind. Diese Vorsprünge begrenzen dann die Düsen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reflow-Lötvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Gehäusewanne
- 4
- Deckel
- 5
- Stirnwandung
- 5a
- Schlitz
- 6
- Seitenwandung
- 7
- Bodenwandung
- 8
- Baugruppe
- 9
- Förderrichtung
- 10
- Trennwand
- 11
- Prozessteilkammer
- 12
- Prozessteilkammer
- 13
- Luftleitbecken,
- 14
- Basiswandung
- 15
- Umfangswandung
- 16
- Düsenschlitz
- 17
- Rückleitrohr
- 18
- Öffnung
- 19
- Öffnung
- 20
- Unterdruck- bzw. Saugkanal
- 21
- Unterdruckkanalleitblech
- 22
- Bogen
- 23
- Bodenwandung
- 24
- innere Begrenzungswandung
- 25
- äußere Begrenzungswandung
- 26
- halbkreisförmige Öffnung
- 27
- Überdruckkanal
- 28
- Radialventilator
- 29
- Radialrotor
- 30
- Rotor
- 31
- Rotorschaufeln
- 32
- Nabe
- 33
- Welle
- 34
- Motor
- 35
- Radialheizkörper
- 36
- Heizsegment
- 37
- Segmenttrennwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1525067 B1 [0002]
- DE 10031071 C2 [0004]
- EP 1116147 A1 [0005]
- DE 10226593 A1 [0006]
- US 36941 E [0007]