DE4242820A1 - Lötverfahren mit Abgasreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten von Bauteilen, insbesondere bestückten Leiterplatten, in weitgehend geschlossenen Anlagen beispielsweise nach dem Wellenlötprinzip oder dem Reflowlötprinzip.

Das automatisierte Verlöten von elektrischen und elek­ tronischen Bauelementen, insbesondere bestückten Leiter­ platten, nimmt in der Technik immer weiter an Umfang und Bedeutung zu. Heute sind in der Praxis vor allem zwei Verfahren zur Verlötung entsprechender Teile von großer Bedeutung: Zum einen wird eine Verlötung sehr häufig mit dem sogenannten Wellenlöten ausgeführt, bei dem Lot durch eine oder mehrere, die jeweiligen Werkstücke an der Verlö­ tungsstelle berührende Lotwellen aufgebracht wird und so letzlich die Verlötung der Teile erfolgt (siehe z. B. DE-C 39 36 955), zum anderen wird beim sogenannten Reflow­ löten lediglich ein Aufschmelzen des in Form von Lotpaste oder Lotdepots bereits an der Lötstelle vorhandenem Lots bewirkt (siehe DE-A 40 16 366).

Zu einem großem Anteil erfolgt die Ausführung der geschil­ derten Verfahren in tunnelartig ausgebildeten Durchlauf­ anlagen, in denen die verschiedenen Behandlungsstufen wie Erwärmen, Verlöten mit Temperaturen über 200°C und an­ schließendes Abkühlen in unterschiedlichen Anlagenberei­ chen erfolgen. Als umgebende Atmosphäre ist dabei in den Anlagentunneln häufig Luft vorhanden, mit steigender Tendenz werden jedoch immer häufiger auch bestimmte Schutz- oder Reaktionsgase in Lötanlagen eingesetzt. Mit letzteren ergeben sich Verbesserungen in der Qualität der Lötstellen, und es ist - bei sauerstofffreien Schutzgasen - eine Oxidation von Lotschmelze und Lötpartner ausge­ schlossen. Die Ausgestaltung solcher, unter einer Luft- oder Gasströmung zu betreibenden Anlagen ist im allge­ meinen sehr unterschiedlich, es ergibt sich jedoch in jedem Fall schließlich ein mit Schadstoffen beladener Gasstrom, der als Abgas aus den Anlagen abzuführen ist (siehe z. B. Artikel "Weichlöten unter aktiviertem Schutz­ gas - ein Beitrag zum Umweltschutz" aus ELEKTRONIK PRODUK- TION & PRÜFTECHNIK, April 1989, Seiten 37 bis 39, insbe­ sondere Seite 38).

Die aus Lötanlagen stammenden Abgase enthalten Harz-, Säure- und Lotdämpfe sowie Kohlenwasserstoffe und sonstige Dämpfe, die von den zu verlötenden Bauteilen oder Hilfsstoffen stammen. Die Löt-Abgase werden heute üblicherweise in die Umgebung entlassen. Dies ist jedoch allein aus Gründen des Umweltschutzes ein immer weniger vertretbares Vorgehen, selbst wenn, wie bekannt, beim Schutzgaslöten in diesem Sinne verbesserte Flußmittel zum Einsatz kommen. Darüber hinaus stellt ebenso der Umstand, daß mit den Abgasen auch in großer Menge Schutz- oder Reaktionsgasbestandteile nach einmaligem Durchlauf durch eine Lötanlage verworfen werden, einen sehr unbefriedi­ genden Aspekt der bestehenden Situation dar.

Die Aufgabenstellung vorliegender Erfindung besteht daher darin, ein Lötverfahren mit niedrigem Schadstoffausstoß auf kostengünstige Weise zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das im Verfahrensablauf entstehende Luft- oder Behandlungsgas-Schadstoffgemisch gesammelt und einer Kondensation mit Temperaturen wenigstens unterhalb von 5°C unterzogen wird (mit dem Begriff "Behandlungsgas" sind sowohl Luft als auch Schutz- und Reaktionsgase umfaßt<.

Eine besonders vorteilhafte Variante des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, daß als Kältelieferant für die Kondensation ein tiefkaltes Flüssiggas, welches in gas­ förmigem Zustand als Behandlungsgas oder Behandlungs­ gasbestandteil verwendbar ist, herangezogen wird.

Diese Ausbildung der Erfindung eignet sich also in besonderem Maße, wenn Lötprozesse unter bestimmten Schutz- oder Reaktionsgasen ausgeführt werden, da damit eine doppelte Nutzung des ohnehin zur Verfügung zu stellenden Gases möglich wird. Dem Mehraufwand, der erfin­ dungsgemäß durch die Ausführung einer Kondensation impliziert ist, können in diesem Fall Einsparungen an Liefergas gegenübergestellt werden. Beispielsweise werden beim gängigen Fall des Schutzgaslötens unter Stickstoff mit dieser Verfahrensvariante neben guten, funktionalen Ergebnissen Gasersparnisse erzielt, die in einer länger­ fristigen Kalkulation auch ökonomisch vorteilhaft sind. In günstigen Fällen kann mit dieser Verfahrensweise der Gas­ bedarf um bis zu 60% reduziert werden.

In einer einfachen Variante wird die erfindungsgemäße Kondensation hinsichtlich der Temperatur so ausgeführt, daß die Schadstoffe überwiegend als Flüssigkeit ausge­ schieden werden. Dies ist vor allem im Temperaturbereich zwischen 0 und 5°C der Fall und weist den Vorteil auf, daß ein permanenter Betrieb des jeweiligen Kondensators ohne Vereisen möglich ist und ferner das Sammeln und Entsorgen der aus dem Abgas entfernten Bestandteile, da sie flüssig gewonnen werden, einfach ausgeführt werden kann. Bei dieser Variante ergibt sich jedoch keine sehr hochwertige Abgasreinheit.

In dieser Hinsicht deutlich vorteilhafter ist eine Verfahrensführung derart, daß eine weitgehende Entfernung von Schadstoffen durch eine Kondensation bei Temperaturen von -10 bis -40°C ausgeführt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht ferner darin, daß die im Verfahren eingesetzte Konden­ satoreinheit mit aus dem tiefkalten Flüssiggas erzeugtem Kaltgas gekühlt wird und dieses Kühlgas im weiteren als Schutzgas verwendet wird. In bestimmten Fällen kann auch auch die Möglichkeit von Vorteil sein, daß eine zuge­ hörige Kondensatoreinheit unmittelbar mit tiefkaltem Flüssiggas gekühlt wird und das entstehende Gas dann ebenfalls wieder im weiteren als Schutzgas verwendet wird.

Besonders vorteilhaft ist ferner auch eine Variante derart, daß die Kondensation mit einer Vorrichtung gemäß der deutschen Patentanmeldung 41 25 216 durchgeführt wird.

Mit Vorteil wird die erfindungsgemäße Kondensation schließlich auch in der Weise durchgeführt, daß zur Abscheidung der Kondensate und Ausfrierprodukte zwei vertauschbar geschaltete Kondensatoren vorgesehen werden, wovon jeweils einer abscheidet, während der andere regeneriert wird.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figur näher erläutert werden.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel für eine Konden­ satoranlage zur Reinigung und Aufbereitung des Abgases einer Lötanlage dargestellt. Das von einer Lötanlage 1 kommende Abgas wird über einen Vorkühler 3 durch ein Gebläse 4 angesaugt und in einen von zwei vorhandenen und auch parallel verschalteten Kondensatoren 5, 6 weiter­ transportiert. In der Einstellung, wie sie in der Zeich­ nung durch auf die Leitungen aufgesetzte Pfeile darge­ stellt ist, ist der Kondensator 5 als Abscheider geschal­ tet, wogegen sich der Abscheider 6 in Regenerations­ schaltung befindet.

Der als Kondensator geschaltete Abscheider 5 wird in diesem Schaltungszustand mit kaltem Stickstoffgas, kommend von der Zufuhrleitung 7 auf eine geeignet nied­ rige Temperatur gekühlt. Das Stickstoff-Kaltgas wird dabei wie folgt erzeugt: Der Flüssigstickstoff befindet sich zunächst mit einer Temperatur von etwa -196°C und einem Druck von 4 bis 6 bar im Speichertank 8. Nach Öffnung des Hauptventils 10 fließt der Flüssigstickstoff dem Verdampfer 9 zu und wird dort mit Umgebungswärme verdampft. Am Verdampfer sind Abzweigungen 11, 12, 13 und 14 mit zugehörigen, schaltbaren Druckreduzierventilen angeordnet. Ist die Abzweigung 11 geschaltet, erfolgt die Wärmezufuhr zum Stickstoff nur auf einer kurzen Ver­ dampferrohrstrecke, und es ergibt sich zwar die Verdam­ pfung, jedoch keine vollkommene Erwärmung des Stickstoff­ gases nach der Verdampfung. Bei entsprechender Auslegung resultiert mit der Abzweigung 11 z. B. ein Kühlgas mit ca. -120°C beim Austritt aus dem Verdampfer, wobei mit den weiteren Abzweigungen ein entsprechend wärmeres Gas er­ halten wird. Das Kaltgas wird im weiteren in der Abzwei­ gung 11 mittels des zugehörigen Druckreduzierventils auf ein geeignetes Druckniveau gebracht - günstig ist ein ge­ ringer Überdruck - und dann dem aktiven Kondensator 5, genauer dessen Wärmetauscheinheit, zugeführt. Im erfin­ dungsgemäßen Einsatzfall werden mit der vorgegebenen Kalt­ gastemperatur und einer entsprechend passenden Kaltgas­ menge (ist jeweils geeignet aufeinander abzustimmen) vor­ zugsweise Temperaturen zwischen -10 und -40°C im Konden­ sator 5 eingestellt. Vor allem in diesem Temperatur­ bereich ergibt sich, daß alle wesentlichen Schadstoffe weitgehend auskondensieren oder ausfrieren bzw. aus­ kondensiert und ausgefroren bleiben und so verläßt den Kondensator 5 ein weitgehend verunreinigungsfreies Produkt- bzw. Abgas. Dieses kann jedenfalls problemlos in die Atmosphäre entlassen werden, soweit wie möglich wird jedoch das erhaltene, saubere Abgas wieder zur Bildung von Stickstoff-Schutzgas für die Lötanlage 1 herange­ zogen, was über die Gasrückführungsleitung 20 und den Gasmischer 27 erfolgt.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß andererseits zur Bildung des Stickstoff-Schutzgases grundsätzlich das von der Kühlung des Kondensators 5 stammende Stickstoffgas aus Leitung 22 zur Verfügung steht, das über Leitung 24 ebenfalls dem Gasmischer 27 zufließt. Bei Bedarf kann dieses, von der Kühlung des Kondensators kommende, verunreinigungsfreie Stickstoffgas noch durch weiteres, unmittelbar vom Gasspeicher 8 und über Leitung 23 zuzu­ führendes N₂-Gas ergänzt werden. Hinsichtlich der Gas­ mengenanteile hat sich in der Praxis gezeigt, daß in günstigen Fällen bis zu 60% - häufig 20 bis 40% - des gereinigten Abgases einer erneuten Verwendung als Schutz­ gas zugeführt werden können.

Der zur Regeneration geschaltete Kondensator 6 wird wäh­ rend des Kondensationsbetriebes des Parallelkondensators 5 "aufgetaut", und es werden die, während seines Konden­ sationsbetriebes in ihm angesammelten Schadstoffe er­ wärmt, wobei in flüssigem Zustand sich ergebende Schad­ stoffe schließlich in geeignete Behältnisse abgefüllt und gasförmige Stoffe z. B. mit einem geringen Gasstrom geeignet ausgetrieben und entsorgt, beispielsweise abgefackelt, werden. Dabei ist im gezeigten Beispiel darauf hinzuweisen, daß über die Zweigleitung 25 dem jeweils zu regenerierenden Kondensator Spülgas zugeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt durch seine ver­ netzte Ausnutzung vorhandener Eigenschaften und Möglich­ keiten, wie z. B. die Ausnutzung des Kältepotentials des Flüssiggases und der Herstellung eines wiederverwendbaren Gases aus Abgas ein sowohl wirtschaftliches als auch umweltfreundliches Verfahren dar.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verlöten von Bauteilen, insbesondere bestückten Leiterplatten, in weitgehend geschlossenen Anlagen beispielsweise nach dem Wellenlötprinzip oder dem Reflowlötprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß das im Verfahrensablauf entstehende Behandlungs­ gas-Schadstoffgemisch gesammelt und einer Kondensation unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation der Schadstoffe des Abgases vom Lötprozeß mit einer Temperatur von 5°C und darunter, vorzugsweise mit einer Temperatur zwischen -10 und -40°C, durchgeführt wird (bezieht sich auf die Temperatur des aus dem Kondensator austretenden Abgases).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältelieferant ein tiefkaltes Flüssiggas, welches in gasförmigem Zustand als Behand­ lungsgas oder Behandlungsgasbestandteil verwendbar ist, herangezogen wird, insbesondere Flüssig­ stickstoff.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation hinsichtlich der Temperatur so ausgeführt wird, daß die Schadstoffe überwiegend als Flüssigkeit ausgeschieden werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maximum an Schadstoffen auskondensiert und/oder ausgefroren wird und dabei Temperaturen von -10 bis -40°C bei der Kondensation angewandt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zugehörige Kondensatoreinheit mit aus dem tiefkalten Flüssiggas erzeugtem Kaltgas gekühlt wird und dieses Kühlgas im weiteren als Schutzgas verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zugehörige Kondensatoreinheit unmittelbar mit tiefkaltem Flüssiggas gekühlt wird und das entstehende Gas im weiteren als Schutzgas verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation mit einer Vorrichtung gemäß der deutschen Patentanmeldung 41 25 216 durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der Verunreini­ gungen zwei vertauschbar geschaltete Kondensatoren vorgesehen werden, wovon jeweils einer abscheidet, während der andere regeneriert wird.