DE4422341C2 - Löteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Löteinrichtung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Aus der Druckschrift DE 36 24 728 A1 geht eine Vorrichtung zum Ab- und Anlöten von Bauteilen mittels eines erhitzten Fluids hervor, wobei das Fluid die Lotmassen an Anschlüssen zum Schmelzen bringt, die sich am Umfang der Bauteile be­ finden. Dabei erfolgt die Zufuhr des heißen Fluids zu den Anschlüssen mit der Hilfe einer Verteilereinrichtung, die das heiße Fluid ausschließlich zum Umfang des Bauteiles leitet.

Aus den Fig. 11 und 14 der US 4 295 596 geht eine ähnli­ che Vorrichtung zum Verlöten von Bauteilen hervor, bei der eine Verteilereinrichtung, die ein heißes Gas zu den am Um­ fang eines Bauteiles angeordneten Anschlüssen leitet, die Form von in der Umfangsrichtung in einem das Bauteil auf­ nehmenden Verteilerknopf nebeneinander angeordneten Öffnun­ gen aufweist, durch die das heiße Gas ausströmt. Diese Öff­ nungen weisen gleiche Abstände voneinander und gleiche Durchmesser auf.

Im Rahmen der Miniaturisierung von integrierten Schaltkrei­ sen ist es bekannt, oberflächenmontierbare Bauteile bzw. Module, z. B. mit sogenannten Ball Grid Anordnungen (BGA-Array) zu versehen, wobei kleine Lotkugeln, die flächig auf der Unterseite des Bauteiles bzw. Moduls rasterförmig ver­ teilt sind, die Anschlüsse bilden. Üblicherweise erfolgt die Verbindung der Ball Grid Anordnung mit einer Leiter­ platte dadurch, daß die Lotkugeln der Ball Grid Anordnung an entsprechenden Lotpasten-Pads, die auf die Leiterplatte aufgedruckt sind, verlötet werden. Beim Aufschmelzen verei­ nigen sich die Lotkugeln und Lotpasten-Pads zu Lötverbin­ dungen, wobei die hohe Oberflächenspannung des geschmolze­ nen Lotes dazu führt, daß sich das Bauteil selbst zen­ triert. Dadurch reicht eine relativ grobe mechanische Zen­ trierung beim Bestücken vollkommen aus. Zum Beispiel werden die einzelnen Lotkugeln der Ball Grid Anordnung bei SMD-Einzel­ bearbeitung dadurch zum Schmelzen gebracht, daß nach der Positionierung des Bauteiles auf der Leiterplatte ent­ weder eine Infrarot-Bestrahlung des Bauteiles von oben vor­ genommen wird oder daß Heißluft in Querrichtung zwischen die Unterfläche des Bauteiles und die obere Fläche der Lei­ terplatte eingeströmt wird, wie dies in "productronic 4", 1994, Seite 91 beschrieben ist. Während die genannte Infra­ rot-Bestrahlung nicht bauteileschonend durchgeführt werden kann, entstehen bei der bekannten Heißluftströmung jedoch Probleme, weil die Lotkugeln infolge der in der Strömungs­ richtung auftretenden Temperaturdifferenz nicht gleichzei­ tig schmelzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Löteinrichtung zu schaffen, die gewährleistet, daß die Anschlüsse eines oberflächenmontierbaren Bauteiles so gleichmäßig erhitzt werden, daß sie im wesentlichen gleich­ zeitig schmelzen, wobei überhöhte Temperaturen im Bauteil und Beschädigungen desselben vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Löteinrichtung mit den Merkma­ den des Patentanspruches 1 gelöst.

Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen. Entge­ gen der bislang vertretenen Meinung, gemäß der beim Verlö­ ten bzw. Entlöten von Bauteilen mit unterseitigen Anschlüs­ sen bzw. mit Ball Grid Array-Anordnungen, die Wärmezufuhr in Querrichtung direkt auf die Anschlüsse bzw. Lotkugeln erfolgen muß, um eine Zerstörung der Bauelemente durch Überhitzung zu vermeiden, die bei einer Infrarot-Bestrah­ lung der Bauteile von oben erfolgt, wurde erstmals erkannt, daß ein Ver- bzw. Entlöten der Bauteile bei SMD-Einzelbear­ beitung ohne Temperaturschädigungen auch durch Erhitzen derselben von der Oberseite her erfolgen kann, sofern dafür Sorge getragen wird, daß die oberseitige Erwärmung des Bau­ teiles durch Heißluft und so erfolgt, daß die Temperatur der Heißluft nach einem vorgegebenen Temperaturprofil gere­ gelt und definiert über der Oberfläche des Bauteiles ver­ teilt wird. Anders ausgedrückt wird die Heißluft entspre­ chend dem Wärmebedarf so auf die Oberfläche des Bauteiles verteilt, daß die Anschlüsse im wesentlichen gleichmäßig erhitzt werden, so daß sie im wesentlichen gleichmäßig schmelzen.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, daß Heißluft auf die Oberfläche des Bauteiles so eingeströmt und verteilt wird, daß sämtliche Anschlüsse an der Unterseite des Bauteiles bzw. Lotkugeln der Ball Grid Anordnung gleichmäßig erhitzt werden und daher im we­ sentlichen gleichzeitig schmelzen, so daß sie sich im we­ sentlichen gleichzeitig und gleichmäßig mit den Lotpasten- Pads der Leiterplatte verbinden. Durch diese Gleichzeitig­ keit wird auch der oben genannte Selbstzentrierungseffekt vorteilhaft optimiert und werden Schädigungen durch erhöhte Temperaturen verhindert.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Leiterplatte im Bereich des Bauteiles untersei­ tig, insbesondere durch eine IR-Strahlung, die nicht gere­ gelt ist, auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf 130° zusätzlich erhitzt wird, so daß die heiße Luft von oben nur noch etwa die Hälfte der Energie übertragen muß, so daß eine Überhitzung des Bauteiles von oben vermieden wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus Unteransprüchen hervor.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der vorliegenden Löt­ einrichtung;

Fig. 2 ein Temperaturprofil der zu erwartenden Pad- Temperaturen.

Gemäß Fig. 1 besteht die vorliegende Löteinrichtung im we­ sentlichen aus einem kastenartigen Gehäuse 1, das einen Zufuhrstutzen 2 besitzt, über den Heißluft in das Innere des Ge­ häuses 1 führbar ist. Vorzugsweise besteht das Gehäuse 1 aus einer rechteckigen oberen Wand 12 und daran vorzugs­ weise unter rechten Winkeln angesetzten Seitenwänden 13. Das Gehäuse 1 ist so dimensioniert, daß es ein Bauteil 3, das unterseitig die Lot-Anschlüsse 4 bzw. Lotkugeln aufweist, haubenartig übergreifen kann. Um ein Ausströmen der über den vorzugsweise mittig durch die obere Wand 11 verlaufen­ den Zufuhrstutzen 2 zugeführten Heißluft aus dem auf der Leiter­ platte 5 aufsitzenden Gehäuse 1 zu ermöglichen, weisen die Seitenwände 13 des kastenartigen Gehäuses 1 an ihren der Leiterplatte 5 zugewandten Endbereichen Aussparungen 6 auf, durch die die Heißluft seitlich ausströmen kann.

Die vorliegende Löteinrichtung weist eine Vertei­ lereinrichtung 7, 8 auf, die dafür Sorge trägt, daß die über den Zufuhrstutzen 2 in das Innere des Gehäuses 1 zugeführte Heißluft definiert zur Oberfläche des Bauteiles 3 strömt. Dadurch wird erreicht, daß das gesamte Bauteil 3 von seiner oberen Fläche her gleichmäßig erwärmt wird und die Lot-Anschlüsse 4 gleichzeitig schmelzen. Vorzugsweise wird die genannte Ver­ teilereinrichtung durch eine Trennwand 7 gebildet, in der Ausströmöffnungen 8 angeordnet sind. Die Trennwand 7 ver­ läuft vorzugsweise parallel zur oberen Wand 12 des Gehäuses 1 über den gesamten Querschnitt des Gehäuses 1, so daß sie eine Vorkammer 10 bildet, in die die Öffnung 9 des Zufuhrstutzens 2 mündet. Wie dies durch Pfeile angedeutet ist, strömt die in die Vorkammer 10 eingeführte Heißluft durch die Ausströmöffnungen 8 der Trennwand 7 auf die obere Flä­ che des Bauteiles 3. Um eine definierte Verteilung der durch die Ausströmöffnungen 8 ausströmenden Heißluft auf der oberen Fläche des Bauteiles 3 zu erreichen, weisen die Ausströmöffnungen 8 zweckmäßigerweise unterschiedliche Durchmesser auf, wobei sich die genannten Durchmesser vom Bereich des Zufuhrstutzens 2 ausgehend radial nach außen vergrößern. Es ist somit einfach, diese Ausströmöffnungen 8 auch in Abstimmung auf die Bauteilekonfiguration so zu variieren, daß gewährleistet ist, daß alle Lot-Anschlüsse 4 na­ hezu gleichzeitig schmelzen. Es wird darauf hingewiesen, daß die definierte Verteilung der aus der Vorkammer 10 aus­ tretenden Heißluft auch in einer anderen Weise erreicht werden kann. Beispielsweise können alle Ausströmöffnungen 8 den gleichen Durchmesser aufweisen, wenn die Trennwand 7 vom Bereich unterhalb des Stutzens 2 nach außen in Richtung auf die Leiterplatte 5 schräg nach unten verläuft, wie dies in der Fig. 1 durch die gepunktete Linie schematisch ange­ deutet ist.

Vorzugsweise befindet sich im Bereich des Zufuhrstutzens 2 ein Fühler 11, der zweckmäßigerweise an einem am Zufuhrstutzen 2 angeschlossenen Heizelement zum Erwärmen der Luft angeordnet ist. Mit diesem Fühler 11 wird die Temperatur der aus dem Stutzen 2 ausströmenden Heißluft zur Temperaturregelung gemessen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Löt­ einrichtung wird neben der auf die obere Fläche eines Bau­ teiles 3 in der beschriebenen Weise zugeführten Heißluft die Leiterplatte 5 von unten her zusätzlich erwärmt, so daß die zum Schmelzen der Lot-Anschlüsse 4 erforderliche Temperatur nicht allein durch die Heißluft aufgebracht werden muß. Be­ sonders vorteilhaft wird die von unten auf die Leiterplatte 3 eingestrahlte Wärme durch eine Heizeinrichtung 15, vorzugsweise eine Infrarotstrahlungs-Quelle erzeugt, die insbesondere auf eine konstante Temperatur, z. B. auf etwa 100°C-130°C eingestellt ist. Da die Schmelztemperatur der Lot-Anschlüsse 4 bei etwa 190°C liegt, muß die Differenz zwischen dieser Schmelztemperatur und der durch die Heizeinrichtung 15 erzeugten Temperatur durch die auf die obere Fläche des Bauteiles 3 eingeströmte Heißluft aufgebracht werden. Dabei wird die Temperatur der Heißluft vorteilhafterweise nach einem genau vorgegebenen Tempera­ turprofil geregelt, wie dies beispielsweise aus der Fig. 2 hervorgeht, die die Temperatur der Heißluft (rechte Skala) und die zu erwartende Temperatur der Lot-Anschlüsse 4 (linke Skala) als Summe der Temperaturen der geregelten Heißluft und der konstanten Infrarot-Strahlung in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.

Claims (10)

1. Löteinrichtung mit einem Gehäuse (1), das ein auf einer Leiterplatte (5) angeordnetes Bauteil (3) haubenartig übergreift, wobei in das Gehäuse (1) Heißluft einführbar ist, und mit einer im Gehäuse (1) angeordneten Vertei­ lereinrichtung (7, 8) zum Verteilen der in das Gehäuse (1) eingeführten Heißluft, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verteilereinrichtung (7, 8) eine definierte Verteilung der von oben auf die der Leiterplatte abgewandte Fläche des Bauteiles (3) aufströmenden Heißluft erreichbar ist, so daß die an der der Leiterplatte (5) zugewandten Fläche des Bauteiles angeordneten Lot-Anschlüsse (4) im wesentlichen gleichmäßig erhitzbar sind, so daß sie im wesentlichen gleichmäßig schmelzen.

2. Löteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verteilereinrichtung die Form einer Trennwand (7) mit Ausströmöffnungen (8) besitzt, die im Inneren des Gehäuses (1) eine Vorkammer (10) bildet, der die Heißluft zugeführt wird.

3. Löteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (1) die Form eines zur Leiter­ platte (5) geöffneten, rechteckigen Kastens aufweist, der durch eine obere Wand (12) und daran angesetzte Seitenwände (13) gebildet ist, daß die Trennwand (7) parallel zur oberen Wand (12) verläuft, daß die Vorkammer (10) zwischen der oberen Wand (12) und der Trennwand (7) gebildet ist und daß ein Zufuhrstutzen (2) zum Zuführen der Heißluft in die Vorkammer (10) durch die obere Wand (12) geführt ist.

4. Löteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zufuhrstutzen (2) mittig in der oberen Wand (12) angeordnet ist und daß die Ausströmöffnungen (8) ausgehend vom Bereich unterhalb des Stutzens (2) sich nach außen vergrößernde Durchmesser aufweisen.

5. Löteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) die Form eines zur Leiterplatte (5) geöffneten, rechteckigen Kastens aufweist, der durch eine obere Wand (12) und daran angesetzte Seitenwände (13) gebildet ist, daß die Vorkammer (10) zwischen der oberen Wand (1) und der Trennwand (7) gebildet ist, daß ein Luftzufuhrstutzen (2) zum Zuführen der Heißluft in die Vorkammer (10) mittig durch die obere Wand geführt ist, daß die Ausströmöffnungen (8) denselben Durchmesser aufweisen und daß die Trennwand (7) vom Bereich unterhalb des Stutzens (2) schräg nach unten verläuft.

6. Löteinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (13) in ihren der Leiterplatte (5) zugewandten Endbereichen Aussparungen (6) aufweisen, durch die die Heißluft aus dem Inneren des Gehäuses (1) seitlich ausströmen kann.

7. Löteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Leiterplatte (5) eine zusätzliche Heizeinrichtung (15) zur zusätzlichen Erwärmung des Bauteiles (3) von der Seite der Leiterplatte (5) her auf eine vorbestimmte Temperatur vorgesehen ist.

8. Löteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zusätzliche Heizeinrichtung (15) eine Infrarotstrahlung aussendet.

9. Löteinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine die Heißluft erzeugende Heizein­ richtung die Heißluft auf eine Temperatur regelt, die we­ nigstens der Differenz zwischen der Schmelztemperatur der Lot-Anschlüsse (4) und der vorbestimmten Temperatur der Heizeinrichtung (15) entspricht.

10. Löteinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Heißluft erhitzende Heizeinrichtung eine nach einem vorgegebenen Temperaturprofil geregelte Heizeinrichtung ist, wobei das Profil die der Differenz entsprechende Temperatur kurzzeitig umfaßt, um die Lot- Anschlüsse (4) kurzzeitig zu schmelzen.