DE69603483T2

DE69603483T2 - Kühlsystem mit gasstrahlmesser

Info

Publication number: DE69603483T2
Application number: DE69603483T
Authority: DE
Inventors: Sabi Avramescu; Joel Brad Bailey; Tad Formella
Original assignee: ELECTROVERT CORP
Current assignee: Speedline Technologies Inc
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2016-05-16
Also published as: BR9608999A; CN1188438A; WO1997000752A1; FI112449B; MY115807A; SG92629A1; KR100391219B1; CN1077476C; CA2224772C; AU699983B2; KR19990028362A; DE69603483D1; EP0833716B1; US5577658A; FI974620A; CA2224772A1; FI974620A0; EP0833716A1; JP2001504392A; TW318158B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Aufschmelzlöten und insbesondere ein Verfahren zum Kühlen gelöteter Gegenstände unmittelbar nach dem Löten.
Leiterplattenbaugruppen werden nach dem Aufschmelzlöten gekühlt, um die Temperatur der gelöteten Gegenstände unter die Schmelztemperatur des Lötmittels zu reduzieren. Beim Aufschmelzlöten werden die zu lötenden Gegenstände zunächst mit einer Lötpaste bedeckt, die ein Flußmittel enthält, das dann in wenigstens einer Heizzone erhitzt wird, so daß das Lötmittel schmilzt und das Flußmittel sich verflüssigt, damit das Lötmittel fließen und die/den zu lötende(n) Verbindungsstelle oder Bereich bedecken kann. Nach dem Erhitzen gehen die gelöteten Gegenstände in einen Kühlabschnitt, wo das Lötmittel unter die Schmelztemperatur abgekühlt wird, so daß das Lötmittel auf den Leiterplattenbaugruppen erhärtet. In den meisten Fällen sind auch flüssige oder feste Flußmittelablagerungen auf der Lötstelle vorhanden, die sich im Kühlabschnitt bilden.
Ein Beispiel für eine Aufschmelzlötvorrichtung ist im US-Patent 5,125,556 von Deambrosio offenbart, und ein Beispiel für eine Kühleinheit für ein Aufschmelzlötsystem ist im US-Patent 4,912,857 von Parent et al. offenbart. Die Kühleinheit ist im allgemeinen ein separater Abschnitt und beinhaltet die Übertragung von Umgebungsgas über Lüfter oder Gebläse durch einen Wärmetauscher. Der Umlauf des Umgebungsgases kann Probleme in bezug auf Flußmittelablagerungen in den Wärmetauschern und in den Flußinitiatoren verursachen. Diese Ablagerungen können Verstopfungen in den Wärmetauschern und Flußinitiatoren verursachen, die die Kühlleistung im Laufe der Zeit herabsetzen können. Dies führt zu erhöhtem Wartungsbedarf und zu längeren Standzeiten.
Ein(e) weitere(s) Aufschmelzlötvorrichtung und - verfahren sind im US-Patent 5,345,061 von Chanasyk et al beschrieben (auf dem der einleitende Teil von Anspruch 1 beruht). In dieser Vorrichtung wird eine zu lötende Komponente mit einem Förderband durch eine Mehrzahl identisch konfigurierter Zonen befördert. In jeder Zone wird Gas durch Löcher in einer Platte auf die Komponente gerichtet. In den Anfangszonen, durch die die Komponente transportiert wird, werden die Platten erhitzt, um durchströmendes Gas und demzufolge die Komponente für Lötzwecke zu erhitzen. Die Platte in der letzten Zone wird jedoch nicht erhitzt, so daß Gas, das auf die Komponente darin gerichtet ist, dieselbe kühlt. Die Platte in der letzten Zone kann erhitzt werden, um die Art und Weise flexibel zu machen, in der die Vorrichtung betrieben wird.
Es wurden verschiedene Verfahren zur Reduzierung von Flußmittelablagerungen im Kühlabschnitt ausprobiert. Eine Abhilfe ist ein Filtriersystem, bei dem Gase in den Rückflußerhitzungszonen durch ein Filtermedium strömen, bevor sie in die Kühlzone eintreten. Diese Technik ist nicht immer effektiv, da es schwierig ist, die Flußmittelkomponenten in der Dampfphase auszufiltern. Filtersysteme können somit die Ansammlung von Flußmittelablagerungen in der Kühlzone verlangsamen, aber sie lösen das Problem nicht.
Ein weiterer vorgeschlagener Ansatz ist ein Reinigungszyklus für die gesamte Aufschmelzlötvorrichtung. Bei diesem System werden die Heizzonen und die Kühlzonen auf eine Temperatur erhitzt, bei der Flußmittelablagerungen im Ofen verdampfen können. Ein solches Verfahren ist jedoch mit einer Reihe von Problemen behaftet, von denen eines auf die große thermische Masse der Heizzonen zurückzuführen ist, die eine hohe Heizenergie verlangt, was sowohl kostspielig als auch zeitaufwendig ist. Es gibt einen dreistufigen Prozeß, mit dem die gesamte Vorrichtung erhitzt, ausgetrocknet und abgekühlt wird. Dazu muß die Aufschmelzlötvorrichtung abgeschaltet werden. Ein weiteres Problem besteht darin, daß das umlaufende Kühlmittel vollständig aus dem in der Kühlzone verwendeten Wärmetauscher ausgespült werden muß, da er sonst aufgrund von hohem Druck bei erhöhten Reinigungstemperaturen reißen kann. Dieser letzte Punkt ist besorgniserregend, da ein Ausfall des Spülsystems Verletzungen zur Folge haben kann.
In den meisten Kühlabschnitten einer Aufschmelzlötvorrichtung zirkuliert ein starker Umgebungsgasstrom durch einen Wärmetauscher, um das Gas zu kühlen. Die gelöteten Gegenstände werden dann durch das gekühlte Gas befördert. Die beiden in diesem Kühlsystem am häufigsten verwendeten Gase sind Luft und Stickstoff. Stickstoff erzeugt eine inerte Prozeßumgebung, und in einer Stickstoffumgebung werden weitaus hellere Lötverbindungen erzielt, da auf der Oberfläche der Lötstelle keine Oxidation stattfindet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems für Aufschmelzlöten bereitzustellen, das Flußmittelablagerungen auf Wärmetauschern und Flußinitiatoren im Kühlabschnitt eines solchen Systems reduziert. Somit wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Kühlen gelöteter Gegenstände bereitgestellt, die auf einem Förderer von einem Heizungsabschnitt einer Aufschmelzlötvorrichtung zu einem Kühlabschnitt laufen, umfassend die folgenden Schritte:
Leiten von wenigstens einem Gasstrom auf die gelöteten Gegenstände im Kühlabschnitt zum Kühlen der Gegenstände;
gekennzeichnet durch den Schritt des Durchführens von Reinigungszyklen von Zeit zu Zeit, wobei der Gasstrom im Kühlabschnitt auf eine Temperatur über der Flußmittelverdampfungstemperatur von Flußmittelablagerungen von den gelöteten Gegenständen erhitzt wird.
Der hierin verwendete Begriff "Gasdüse" bezieht sich auf eine Vorrichtung, die einen geeigneten Gasstrom erzeugt, oder auf ein beaufschlagendes Strömungskühlsystem zum Kühlen eines Objektes. Eine Gasdüse ist als ein Gasflußinitiator wie z. B. Schlitzdüsen, Runddüsen oder eine Anordnung von Düsen anzusehen, die so positioniert sind, daß sie einen beaufschlagenden Gasfluß erzeugen.
Ein erfindungsgemäßes Betriebssystem kann ein Gasdüsenkühlsystem für eine Aufschmelzlötvorrichtung mit einem Heizungsabschnitt, gefolgt von einem Kühlabschnitt umfassen, wobei ein Förderer zu lötende Gegenstände durch die Vorrichtung befördert, wobei das Gasdüsenkühlsystem wenigstens eine Gasdüse in dem Kühlabschnitt umfaßt, die so positioniert ist, daß sie einen Gasstrom auf gelötete Gegenstände auf dem Förderer richtet, um die Gegenstände zu kühlen, und mit einer Heizung in Verbindung mit der Gasdüse, die für vorbestimmte Reinigungszyklen aktiviert wird, um die Gasdüse auf eine Temperatur über der Flußmittelverdampfungstemperatur von Flußmittelablagerungen von den gelöteten Gegenständen zu erhitzen.
In Zeichnungen, die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung illustrieren, zeigt
Fig. 1 einen schematischen Seitenriß eines Kühlabschnitts einer Aufschmelzlötvorrichtung für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 2 eine isometrische Ansicht einer Gasdüse, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Steuersystems für den Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Kühlsystems.
Fig. 1 zeigt eine Aufschmelzlötvorrichtung 10, bei der eine Leiterplattenbaugruppe 12 oder ein anderer zu lötender Gegenstand auf einem Förderer 14 durch einen Heizungsabschnitt 16 zu einem Kühlabschnitt 18 befördert wird. In dem Heizungsabschnitt 16 sind zwar Infrarot- Heizungen 20 dargestellt, doch sind diese Heizungen nur ein Typ von Heizung, der in einer Aufschmelzlötvorrichtung zum Einsatz kommen kann. Es können Heizgas- Zwangskonvektionsysteme oder ein beliebiges anderes geeignetes Heizsystem verwendet werden, das die auf dem Förderer 14 durch den Heizungsabschnitt 16 laufenden Gegenstände 12 erhitzt.
In dem Kühlabschnitt 18 ist über einer Mehrzahl von oberen Gasdüsen 24, die Gasströme auf die Oberseite der auf dem Förderer 14 passierenden gelöteten Gegenstände 12 richten, ein Wärmetauscher 22 montiert. Eine untere Gasdüse 25 ist unterhalb des Förderers 14 positioniert dargestellt, so daß ein Gasstrom auf die Unterseite der gelöteten Gegenstände 12 gerichtet wird. Der Wärmetauscher 22 kühlt und stabilisiert die Umgebungstemperatur des Gases im Kühlabschnitt 18. Diese Stabilisierung ist dann wünschenswert, wenn sich eine starke Produktlast durch den Kühlabschnitt 18 bewegt. Jeder der gelöteten Gegenstände 12 wird gekühlt und gibt Wärme ab, die im Kühlabschnitt 18 abgeführt wird. Ein separates Kühlsystem enthält ein Umlaufkühlmittel, bei dem es sich um Luft oder ein anderes Gas, um Wasser oder ein Wasser/Glykol-Gemisch oder um andere Kühlmittelgemische handelt und das durch den Eingang 26 in den Wärmetauscher 22 eintritt und ihn durch den Ausgang 28 verläßt. In anderen Typen von Aufschmelzlötvorrichtungen kann der Wärmetauscher mit Konvektionskühlung über Wärmeableitungsrippen oder mit elektronischer Kühlung oder mit einem anderen geeigneten Kühlmittel arbeiten. Ein Wärmetauscher 22 kann sich unter der unteren Gasdüse 25, unter dem Förderer 14 oder vollkommen außerhalb des Kühlabschnittes befinden. Das Wärmetauscher-Kühlsystem ist von den Gasströmen von den Gasdüsen 24, 25 völlig getrennt. In bestimmten Anwendungen wird kein Wärmetauscher 22 benötigt.
Da die Gasdüsen 24, 25 einen gerichteten Gasstrom und nicht den typischeren Gasumlauf erzeugen, wie er mit Gebläsen entsteht, tritt das Problem der Kondensation oder Verstopfung des Wärmetauschers 22 mit Flußmittelablagerungen nicht auf, weil die Prozeßgase darin nicht umlaufen.
Der Gasfluß zu den Gasdüsen 24, 25 stammt von einer separaten Quelle und wird im allgemeinen nicht rezirkuliert. Die Druckgasquelle kann ein Luftkompressor, komprimiertes Flaschengas, ein Stickstofftank oder eine andere geeignete Quelle sein. Das Gas wird etwa mit Raumtemperatur oder geringfügig kühler zugeführt und wird daher nicht gekühlt, bevor es durch die Gaseintrittsleitung 30 in die Gasdüsen 24, 25 eintritt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, hat die Gasdüse 24 eine elektrische Heizung 32, die auf ihrer Rückseite positioniert ist, um die Gasdüse 24 zu erhitzen. Auch das durch die Gasdüse 24 strömende Gas erfährt ein gewisses Maß an Erhitzung. Die Temperatur der Gasdüsen 24, 25 für einen Reinigungszyklus muß oberhalb der Verdampfungstemperatur des Flußmittels liegen, damit die Flußmittelablagerungen verdampfen, und dadurch wird ein Aufbau von Flußmittelablagerungen auf den Gasdüsen 24, 25 verhindert. Der Reinigungszyklus findet über einen Zeitraum statt, der ausreicht, um die Flußmittelrückstände zu verdampfen, wodurch die Wartung des Kühlabschnitts im Vergleich zu den existierenden Kühlabschnittstypen für Aufschmelzlötvorrichtungen wesentlich vereinfacht wird, bei denen ein aufwendiger Heizzyklus zur Beseitigung von Flußmittelablagerungen notwendig ist.
Die verdampften Flußmittelablagerungen treten im allgemeinen aus Auslässen an jedem Ende der Lötvorrichtung 10 aus. Da das den Gasdüsen 24, 25 zugeführte Gas von einer separaten Quelle stammt, gibt es einen kontinuierlichen Fluß von Gas aus dem Kühlabschnitt 18. Dieser kontinuierliche Gasfluß evakuiert den Flußmitteldampf teilweise, so daß er durch die Auslässe am Ende der Lötvorrichtung 10 aus dem System entfernt werden kann. Ein Teil des Flußmitteldampfes kann an den Wänden der Lötvorrichtung kondensieren, und ein Teil kann auch an den Gasdüsen 24, 25 neu kondensieren. Da jedoch der Oberflächenbereich der Gasdüsen im Vergleich zum gesamten Oberflächenbereich der Vorrichtung klein ist, findet nur eine geringe Ansammlung von Flußmittelablagerungen statt.
Anzahl und Ort von Gasdüsen 24, 25 richten sich nach der Menge an gewünschter Wärmeübertragung. Die Gasdüsen werden durch einen Durchflußregler, wie in Fig. 3 gezeigt, mit Gas gespeist. Wenigstens eine Gasdüse weist ein Thermoelement 33 auf, das in Fig. 3 als Temperatursensot gekennzeichnet ist. Das Thermoelement 33 bewirkt eine Regelung der Heizung.
Es sind zwar zwei obere Gasdüsen 24 und eine untere Gasdüse 25 dargestellt, aber bei einigen Typen von Aufschmelzlötvorrichtungen wird nur eine einzige Gasdüse benötigt, die vorzugsweise einen Gasstrom auf die Oberfläche des gelöteten Gegenstandes richtet.
Zweck des Wärmetauschers ist es, die benötigte Temperatur im Kühlabschnitt aufrechtzuhalten. Beim Betrieb wird Kühlgas von einer Außenquelle von den Gasdüsen 24, 25 auf die gelöteten Gegenstände 12 gerichtet. Der Fluß von Gas durch die Gasdüsen ist im Vergleich zu einem normalen konventionellen Kühlabschnitt reduziert.
Fig. 3 illustriert eine Regleranordnung zum Regeln des Gasflusses für eine normale Prozeßkühlung und für einen Reinigungszyklus. Für normale Prozeßkühlung strömt das Versorgungsgas durch ein erstes Ventil 34, das offen ist, ein Reduzierventil 36, und tritt dann durch die Leitung 30 in die Gasdüsen 24, 25 ein. Das zweite Ventil 38, das eine zweite Gaszufuhr bereitstellt, ist während des normalen Kühlvorgangs geschlossen. Während des Reinigungszyklus ist das erse Ventil 34 geschlossen und das zweite Ventil 38 ist offen, das zugeführte Druckgas strömt durch ein zweites Reduzierventil 40, das im Vergleich zum normalen Prozeßkühlfluß einen reduzierten Gasfluß für den Reinigungszyklus zuläßt. Wenn der Reinigungszyklus beginnt, aktiviert der Regler 42 auch die Heizungen 32 in den Gasdüsen 24, 25, die Temperatur der Heizung 32 wird durch das Thermoelement 33 geregelt. Die Heizung 32 erhitzt die Gasdüsen 24, 25 bis auf eine Temperatur über der Verdampfungstemperatur des Flußmittels, so daß die Flußmittelablagerungen an den Gasdüsen verdampfen.
Der Gasdurchfluß pro Düse liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 2,83 m³/Std und 70,8 m³/Std (100 bis 2500 ft³/Std) bei einem Eingangsdruck von 207 kPa-827 kPa (30 bis 120 psi). Als Gas wird Stickstoff bevorzugt, es können aber auch andere Typen von geeigneten Gasen verwendet werden. In einigen Fällen kann Luft in dem Kühlabschnitt zirkuliert werden. Die Prozeßströmungsrate wird auf der Basis des benötigten Wärmeaustauschbetrags eingestellt, das heißt, die Kühlrate wird durch den Gasfluß und die Gastemperatur geregelt. Der Reinigungszyklus wird in Intervallen eingeleitet, die ausreichen, um eine Ansammlung von Flußmittelrückständen an den Gasdüsen zu verhindern. Beim Einleiten des Zyklus wird der Gasfluß auf einen niedrigen Strömungszustand geschaltet, und die Heizungen an den Düsen werden erregt. Dadurch steigt die Düsentemperatur und wird auf einem voreingestellten Niveau oberhalb der Verdampfungstemperatur von Flußmittelrückständen gehalten. Der Reinigungszyklus läuft über einen Zeitraum, der ausreicht, um die Flußmittelrückstände zu beseitigen. Danach schaltet der elektronische Regler die Heizungen ab und schaltet die Strömungsbedingung auf den hohen Prozeßströmungszustand zum Kühlen.
Es wurde experimentell festgestellt, daß die Wärmeleistung der Druckgasdüsen gegenüber der von existierenden Kühlmodulen gleichwertig oder überlegen ist.
Eine Leiterplatte mit niedriger Komplexität mit einer Größe von 12,7 · 17,8 cm (5 Zoll · 7 Zoll) ergab eine durchschnittliche Liquiduszeit von 44,25 Sekunden und einen Δt-Wert von 3ºC mit einem standardmäßigen Kühlmodul. Mit dem Gasdüsenmodul der vorliegenden Erfindung wurde die Liquiduszeit auf einen Durchschnittswert von 37,0 Sekunden mit einem Δt-Wert von 5ºC reduziert. Auch eine äußerst komplexe Platte zeigte gute Ergebnisse. Das standardmäßige Kühlmodul ergab eine durchschnittliche Liquiduszeit von 83,2 Sekunden und einen Δt-Wert von 47ºC, während das Gasdüsenmodul der vorliegenden Erfindung eine durchschnittliche Liquiduszeit von 80,8 Sekunden und einen Δt-Wert von 32ºC zeigte.
Es wurden Experimente durchgeführt, um den Effekt des Hochgeschwindigkeitsgasstroms von der Gasdüse zu testen, der auf Lötverbindungsstellen auftrifft. Es wurden Tests mit einem Zwei-Düsen-Modul durchgeführt, das mit Eingangsdrücken von 303 und 552 kPa (44 und 80 psi) und Strömungsraten von 7 und 17 m³/Std. (250 und 600 ft³/Std) arbeitete. Als Referenz wurden auch Platten ohne Verwendung einer Gasdüse gelötet. Die beurteilten Parameter waren Anzahl der Lötbrücken und Anzahl der bewegten Komponenten. Eine statistische Analyse der Daten zeigte keine Korrelation zwischen Komponentenbewegung und den Gasdüsen.
In dem Gasdüsenmodul zirkulieren die Gasströme nicht durch den Wärmetauscher, und daher entstehen im allgemeinen keine Flußmittelablagerungen im Wärmetauscher. Die Gasdüsen 24, 25 ergeben im allgemeinen die kühlste Oberfläche im Kühlabschnitt, und demzufolge bilden sich Flußmittelablagerungen darauf.
Es sind verschiedene Änderungen an den hier gezeigten Ausgestaltungen möglich, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die nur durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen (12), die auf einem Förderer (14) von einem Heizungsabschnitt (16) einer Aufschmelzlötvorrichtung (10) zu einem Kühlabschnitt (18) laufen, umfassend die folgenden Schritte:

Leiten von wenigstens einem Gasstrom auf die gelöteten Gegenstände (12) im Kühlabschnitt (18) zum Kühlen der Gegenstände;

gekennzeichnet durch den Schritt des Durchführens von Reinigungszyklen von Zeit zu Zeit, wobei der Gasstrom im Kühlabschnitt (18) auf eine Temperatur über der Flußmittelverdampfungstemperatur von Flußmittelablagerungen von den gelöteten Gegenständen erhitzt wird.

2. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen nach Anspruch 1, bei dem der Gasstrom von einer Gasdüse (24, 25) auf gelötete Gegenstände (12) ausgestoßen wird, die auf dem Förderer (14) passieren, und die Gasdüse (24, 25) auf eine Temperatur über der Flußmittelverdampfungstemperatur von Flußmittelablagerungen von den gelöteten Gegenständen erhitzt wird.

3. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens zwei Gasströme bereitgestellt werden, einer von einer Gasdüse (24), die über dem Förderer (14) angeordnet ist, um Gas auf die Oberseite der gelöteten Gegenstände (12) zu leiten, und einer von einer Gasdüse (25), die unterhalb des Förderers (14) angeordnet ist, um Gas auf die Unterseite der gelöteten Gegenstände (12) zu leiten.

4. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen (12) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem Heizungen (32) auf den Gasdüsen (24, 25) vorgesehen sind, um die Gasdüsen auf eine Temperatur über der Flußmittelverdampfungstemperatur zu erhitzen.

5. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem ein Temperatursensor (33) und ein Temperaturregler (42) vorgesehen sind, um die Temperatur der Gasdüsen (24, 25) auf einem vorbestimmten Wert zu regeln.

6. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Gasstrom für einen normalen Prozeßfluß eine höhere Strömungsrate hat als für die Reinigungszyklen.

7. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Gas Stickstoff ist.

8. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gas Luft ist.

9. Verfahren zum Kühlen von gelöteten Gegenständen nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Wärmetauscher (22), um die Prozeßtemperatur innerhalb des Kühlabschnitts (18) zu stabilisieren.