DE4416959C2 - Reflow-Lötanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prozesskammer einer Lötanlage zum Löten von in Förderrichtung transportierten Leiterplatten, insbesondere einer Reflow- Lötanlage, bei der mittels eines am Rande der Prozesskammer angeordneten Rotationsgebläses durch oberhalb der Leiterplatten angeordnete Öffnungen Gas auf die Leiterplatten aufgeblasen und im Kreislauf abgesaugt wird, wobei die Gebläsewelle des Rotationsgebläses im wesentlichen parallel zu den Leiterplatten verläuft.

Eine derartige Prozesskammer ist in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 92 15 5­ 53 beschrieben und in seiner Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Prozesskammer ist an ihrem Rande ein Rotationsgebläse angeordnet, das eine Gasströmung erzeugt, die über entlang der Prozesskammer einzeln angeordnete Öffnungen auf zu verlötende Leiterplatten aufgeblasen wird. Die von den Leiterplatten und einem Transport-Gitterband reflektierte Gasströmung wird dann am Ende der Prozesskammer von dem Rotationsgebläse abgesaugt und im Kreislauf wieder den Öffnungen zugeführt. Die von dem Rotationsgebläse in den Innenraum der Prozesskammer eingeblasene Gasströmung wird in zwei Gasteilströme aufgeteilt, deren jeweilige Intensität der Beaufschlagung der Leiterplatten im Wesentlichen von zwei Durchlässen abhängt, die dem Rotationsgebläse nachgeschaltet und in Durchlaufrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Eine günstige Verteilung der beiden Gasströme in Bezug auf die Leiterplatten lässt sich hierdurch nicht erzielen und ist offensichtlich auch nicht beabsichtigt.

Aus der nachveröffentlichten DE 44 01 790 C1 ist eine Prozesskammer zum Löten von Leiterplatten bekannt, wobei ein Heissluftstrom zwischen benachbarten, zur Leiterplatte hin offenen Profilteilen hindurch zur Leiterplatte strömt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prozesskammer zu schaffen, die, ausgehend von dem eingangs herausgestellten grundsätzlichen Aufbau, eine Zuleitung des Gases zu den Leiterplatten ermöglicht, bei der sich die Strömung des Gases in Bezug auf die Leiterplatten in günstiger Weise beeinflussen lässt.

Dies geschieht dadurch, dass an das Rotationsgebläse ein Prozessgastunnel anschließt, der sich über den Bereich der als Schlitze ausgebildeten Öffnungen erstreckt, wobei die Schlitze quer zur Förderrichtung der Leiterplatten verlaufen, und dass der Prozessgastunnel zwei übereinander angeordnete Tunnelbleche aufweist, wobei zwischen dem unteren Tunnelblech und den Schlitzen ein Anströmkanal und neben dem Prozessgastunnel ein Raum zur Rückführung des Gases zum Rotationsgebläse gebildet ist.

Bei einer so gestalteten Prozesskammer wird das von dem Rotationsgebläse abströmende Gas vollständig durch den Prozessgastunnel geleitet, der von zwei sich über die Schlitze erstreckenden, übereinander angeordneten Tunnelblechen gebildet ist. Die Schlitze werden gemeinsam von dem Prozessgastunnel her mit Gas versorgt, das dann nach Überströmen der Leiterplatten seitlich abgeleitet wird und in einem Raum neben dem Prozessgastunnel gelangt, wo es dann in das Rotationsgebläse wieder eingesaugt und danach im Kreislauf wieder dem Prozessgastunnel zugeführt wird. Mit der Anordnung des einzigen Prozessgastunnels in der Prozesskammer und seiner Ausrichtung auf sämtliche Schlitze ergibt sich eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Gasströmung auf die einzelnen Schlitze und damit eine genau vorhersehbare Beaufschlagung der Leiterplatten bei deren Durchlauf durch die Prozesskammer. Die Anordnung des Prozessgastunnels mit zwei übereinander angeordneten Tunnelblechen stellt dabei eine einfache konstruktive Lösung dar, den Verlauf der Gasströmung durch den Prozessgastunnel gezielt auszurichten.

Eine besondere gleichmäßige Beaufschlagung der Leiterplatten durch die Gasströmung erhält man dann, wenn das untere Tunnelblech in Richtung der Gasströmung gegenüber einer Reihe von benachbarten Schlitzen geneigt angeordnet ist. Aufgrund einer Annäherung des unteren Tunnelblechs an die Schlitze wird das Abfließen des Gases über die von diesem zunächst erreichten Schlitze kompensiert, so dass die einzelnen Schlitze jeweils gleichmäßig mit Gas versorgt werden.

Für die Gestaltung des Rotationsgebläses verwendet man zweckmäßig ein Schaufelrad.

Um der Gasströmung die notwendige Temperatur zu geben, ist vorteilhaft im Ansaugbereich des Rotationsgebläses eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Gases auf eine Prozesstemperatur vorgesehen. Zur Temperatursteuerung der Heizeinrichtung kann man vorteilhaft gasstromaufseitig der Heizeinrichtung einen Temperaturfühler zur Steuerung der Leistung der Heizeinrichtung anordnen.

Die Weiterleitung des Gases nach Überströmen der Leiterplatten wird zweckmäßig so gestaltet, dass der Raum durch eine Prozesskammerwand und eine von dieser beabstandete Prozesskammerdoppelwand zur Rückführung des Gases zum Rotationsgebläse gebildet ist. In diesem Strömungsbereich wird gewissermaßen das von den Leiterplatten abströmende Gas kanalisiert und auf diese Weise gezielt in den Raum oberhalb des oberen Tunnelblechs geleitet, von wo aus das Gas dann in den Ansaugbereich des Rotationsgebläses gelangt.

Zur Bildung der Schlitze verwendet man zweckmäßig zu den Leiterplatten hin offene Profilteile, wobei zur Bestrahlung der zu behandelnden Oberflächen der Leiterplatten IR-Strahler in mindestens einem Profilteil angeordnet ist.

Zum Aufbau einer Lötanlage wird eine Vielzahl von Prozesskammern in einer Reihenanordnung gebildet, in der sich ein Transportband mindestens über die Länge der Lötanlage erstreckt. Zur Erhöhung der Wärmeleistung in einem Peak- Bereich werden zweckmäßig Prozesskammern zu beiden Seiten des Transportbandes angeordnet. Dabei kann man den Peak-Bereich so gestalten, dass in ihm jeweils zwei Prozesskammern auf jeweils einer Seite des Transportbandes angeordnet sind. Um den zu verlötenden Leiterplatten die im Peak-Bereich erforderliche hohe Temperatur wieder zu nehmen, wird zweckmäßig dem Peak- Bereich eine Kühlvorrichtung nachgeordnet.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Lötanlage nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittansicht einer Prozesskammer nach der Erfindung;

Fig. 3 eine Perspektivansicht der Prozesskammer.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Lötanlage der Erfindung. Die Lötstrecke 1 besteht aus einer Vielzahl von hintereinander angeord­ neten Prozeßkammern 2. Über die gesamte Länge der Anordnung von Prozeßkammern und darüber hinaus verläuft ein Transportband 3. Auf dem Transportband 3 können Leiterplatten befördert werden, die mit elektrischen Bauelementen bestückt sind, welche mit der Leiterplatte zu verlöten sind. An einem Ende der Anordnung der Prozeßkammern 2 ist ein Zuführbereich 4, bei dem die Leiterplatten auf das Transportband 3 aufgegeben werden. Die Prozeßkammern 2 werden bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben, so daß in Förderrichtung des Transportbandes 3 sich jeweils eine höhere Temperatur einstellt. In einem Peakbereich 6 ist die Temperatur eingestellt, bei der das Verlöten der elektrischen Bauelemente mit der Leiterplatte stattfindet. Zur Erhöhung der Wärme­ leistung in diesem Peakbereich 6 sind dort Prozeßkammern 2 zu beiden Seiten des Transportbandes 3 angeordnet.

An den Peakbereich 6 schließt sich ein Kühlbereich 7 an, in welchem die Leiterplatten abgekühlt werden. Der Kühlbereich 7 besteht aus einer Kühlvorrichtung 42 und einem dahinter angeordneten Auslaufbereich. Die Lötstrecke 1 hat eine Länge von zwischen 2 m und 10 m, vorzugs­ weise 3 m bis 8 m. Die Breite des Transports ist zwischen 25 mm und 600 mm, vorzugsweise zwischen 25 mm und 460 mm.

Zur Erzeugung einer laminaren Strömung um den Peakbereich 6 herum können die vor dem Peakbereich 6 benachbarte Prozeßkammerkassette 2 und die nach dem Peakbereich 6 angeordnete Kühlvorrichtung 42 in einem gewissen Abstand vom Peakbereich 6 angeordnet sein. Auf diese Weise kann der Verbrauch von Schutzgas verringert werden.

Fig. 2 zeigt in Querschnittansicht eine Prozeßkammerkassette 2. Die Prozeßkammerkassette 2 wird an fünf Seiten von einer Prozeßkammer­ wand 16 begrenzt. An einer sechsten Seite der Prozeßkammerkassette 2 verläuft das Transportband 3, auf dem Leiterplatten 8 befördert wer­ den können. Die Prozeßkammerkassette 2 ist für einen reinen Konvektionsbetrieb zum Reflow Löten ausgelegt. Wie später gezeigt werden wird, können jedoch auch IR Strahler bereitgestellt sein.

Die Wärmeübertragung durch Konvektion von einer Heizeinrichtung 14 zu den Leiterplatten 8 wird durch eine schaufelradähnliche Gebläsewalze 13 aufrechterhalten. Die Gebläsewalze 13 bewirkt einen umlaufenden Prozeßgasstrom von der Heizeinrichtung 14 zu den Leiterplatten 8 und zurück. Der Prozeßgasstrom von der Heizeinrichtung 14 zu den Leiter­ platten 8 ist mit durchgehenden Pfeilen dargestellt, während der Prozeß­ gasstrom von den Leiterplatten 8 zu der Heizeinrichtung 14 mit gestri­ chelten Pfeilen dargestellt ist.

Durch ein erstes Tunnelblech 10 und ein zweites Tunnelblech 11 werden an der schaufelradähnlichen Gebläsewalze 13 ein radialer Ansaugbereich A und ein radialer Ausstoßbereich B festgelegt. Vom Ausstoßbereich B wird das Prozeßgas in einen Prozeßgastunnel 30 geführt, der ebenso vom ersten Tunnelblech 10 und vom zweiten Tunnelblech 11 begrenzt ist. Der Prozeßgastunnel 30 mündet in einen keilförmigen Anströmkanal 12, der vom ersten Tunnelblech 10 und einer Anordnung einer Vielzahl von Reflektoren 9 begrenzt wird.

Ein Reflektor 9 ist ein im wesentlichen U-förmiges Profilteil. Die offene Seite des U-Profilquerschnitts weist dabei in Richtung auf das Trans­ portband 3 mit den darauf beförderten Leiterplatten 8. Zwischen zwei benachbarten Reflektoren 9 gibt es eine schlitzförmige Durchführung, durch die der Prozeßgasstrom vom Anströmkanal 12 in den Verwirbe­ lungsraum 40 geleitet wird. Die Schenkel des U-Profils sind dabei leicht angewinkelt, so daß sich der Schlitz zwischen zwei benachbarten Reflek­ toren 9 in Strömungsrichtung trichterförmig verengt. Nach dem Durch­ tritt durch die trichterförmigen Schlitze trifft der Prozeßgasstrom auf eine Leiterplatte 8 und wird dort in Richtung auf die Reflektoren 9 reflek­ tiert. Im Reflektor 9 kommt es zu weiteren Reflexionen der Strömung, so daß aus dem ursprünglich laminar anströmenden Prozeßgasstrom im Bereich der Leiterplatten 8 eine stark turbulente Strömung entsteht. Durch die Reflektoren 9 und die Leiterplatten 8 wird ein Verwirbelungs­ raum 40 festgelegt. Um den Verwirbelungsraum 40 auch bei Nicht­ vorhandensein einer Leiterplatte 8 auf dem für die Strömung durch­ lässigen Transportband 3 zu begrenzen, ist unterhalb des Transportbandes 3 eine Bodenplatte mit Verwirbelungslamellen 35 angeordnet. Die Lamellen stellen sicher, daß aufgrund des Nichtvorhandenseins einer Leiterplatte 8 auch im dann größeren Verwirbelungsraum 40 eine starke Verwirbelung gewährleistet ist. Es wird dadurch vermieden, daß sich im Bereich des Transportbandes 3 eine laminare Strömung ausbildet, die sich über die Grenzen der Prozeßkammerkassette 2 erstrecken würde, wodurch unerwünschte Verunreinigungen von Kassette zu Kassette wei­ tergetragen werden könnten.

Das Prozeßgas wird an den stirnseitigen Enden der Reflektoren 9 gesam­ melt und in einem durch eine seitliche Prozeßkammerdoppelwand 18 (nicht gezeigt in Fig. 2) gebildeten Zwischenraum in den oberen Teil der Prozeßkammerkassette 2 geführt (dargestellt durch gestrichelte Pfeile). Der kühlere Prozeßgasstrom umströmt einen Temperaturfühler 15 und wird dann an die Heizeinrichtung 14 herangeführt. Die Heizeinrichtung 14 wird abhängig vom Ausgangssignal des Temperaturfühlers 15 gesteuert. Der erneut erwärmte Prozeßgasstrom wird nach der Heizeinrichtung 14 von der Gebläsewalze 13 angesaugt, womit der Prozeßgaskreislauf ge­ schlossen ist.

Einige der Reflektoren 9 können mit IR Strahlern 41 versehen sein, so daß die Wirkung der Konvektion mit einer IR Bestrahlung kombiniert werden kann.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht einer Prozeßkammerkasset­ te 2 der Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 3 sind die Elemente des Ausführungsbeispiels mit den jeweils gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung bezüglich Fig. 2 gilt daher auch für Fig. 3. Fig. 3 veranschaulicht insbesondere die Funktion von Seiteninnenreflekto­ ren bzw Leitblechen 44, die auf dem zweiten Tunnelblech 11 im wesent­ lichen senkrecht stehend darauf montiert sind. Die Seiteninnenreflekto­ ren 44 bewirken, daß der Prozeßgasstrom von den stirnseitigen Enden der Anordnung von Reflektoren 9 gleichmäßig dem Ansaugbereich A der Gebläsewalze 13 über deren gesamte Breite zugeführt wird. Zur weite­ ren Erhöhung der Gleichmäßigkeit können mehrere Seiteninnenreflektoren 44 gestaffelt angeordnet sein. Zweckmäßigerweise sind, wie dargestellt, mindestens zwei Seiteninnenreflektoren 44 symmetrisch bezüglich der Transportachse angeordnet.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Konvektions-Reflow-Anlage 1, bei der die Temperaturunterschiede auf der Leiterplatte 8 weitgehend minimiert werden, und der Verbrauch bei Einsatz eines Schutzgases gegenüber konventionellen Anlagen stark verringert wird. Obgleich dieselbe Anlage auch als Konvektionsanlage mit Luft betrieben werden kann, ist sie für Stickstoff oder andere inerte Gase speziell entworfen worden. Das Gesamtkonzept beruht unter anderem auf einem neuen Umluftsystem, bei dem in jeder Prozeßkammer 2 ein schaufelradähnliches Gebläse 13 horizontal angeordnet ist. Diese Lage des Gebläses 13 verhilft mittels Leitblechen 10, 11 zu einer sehr gleichmäßigen Luftströ­ mungsverteilung im gesamten Anströmkanal 12. Der Zutritt der Luft zu den Leiterplatten 8 wird über die gesamte Breite des Transportbandes 3 zwi­ schen den Reflektoren 9 bewerkstelligt, das Absaugen des Prozeßgases erfolgt jedoch über die Seiteninnenreflektoren 44. Dadurch erreicht man eine sehr gleichmäßige, jedoch turbulente Strömung über die gesamte Breite des Transportbandes 3.

Das Einführen des Gases über die gesamte Breite sowie das Absaugen über die Seiten erzeugt eine Art Wabereffekt, der in jeder Prozeßabtei­ lung, d. h. unabhängig gesteuerten Abschnitt im Verwirbelungsbereich 40, einen stabilen Zustand erzeugt. Obgleich die Luftströmung alle 2,5 cm in Transportrichtung eine Richtungsänderung aufweist, wird die Energie­ übertragung in andere Abschnitte oder Prozeßkammerabschnitte mini­ miert. Diese Energiezufuhr auf die Leiterplatte 8 ist speziell in Kon­ vektionsanlagen äußerst wichtig, damit präzise Profile, wie sie von den Anwender für spezielle Lötpasten oder Produkte gefordert werden, auch tatsächlich realisiert werden können.

Das in derartigen Maschinen schwer zu erreichende thermische Gleichge­ wicht wird durch mehrere Maßnahmen ohne zusätzliche Kühlung in diesen Bereichen bewirkt. Die Messung der Temperatur des Gases erfolgt nach Austritt aus der Verwirbelungsbereich und vor dem Auf­ heizen des Gases, so daß die Belastung der Prozeßkammerkassette 2 durch Lotgut in die Steuerung mitaufgenommen wird.

Statt zusätzliche Kühlungen in den Prozeßkammerkassetten 2 vorzusehen, wird die thermische Isolation der Prozeßkammerkassette 2 so abgestimmt, daß ein Luftstrom zwischen Prozeßraum 17 und Außenhaut der Kassette 2 hinreicht, um überschüssige Wärme abzuführen.

Ein turbulenter Gasstrom zur Erzielung eines guten Wärmeübergangs auf die Leiterplatte 8 hat zur Folge, daß Umgebungsluft und damit Sauer­ stoff in die Lötanlage 1 gelangen kann. Diesem Problem wird durch eine spezielle Konvektionsführung in der Prozeßkammer entgegengewirkt. Während im Inneren der Prozeßraums 17 der Wabereffekt erzeugt wird, erreicht man durch einen Überdruck, daß sich am Ein- und Ausgang der Kassette 2 ein laminarer Fluß ergibt. Dieses Überdruckprinzip erzeugt einen laminaren Fluß, der etwas höhere Geschwindigkeit aufweist als die Konvektionsgasbewegung im Inneren der Kassette. Ein Zutritt von Luft und somit Sauerstoff wird vermieden. Lamellen 35 auf der Unterseite des Transportbandes 3, die entweder vertikal, in einem Winkel oder unregel­ mäßig angeordnet sind, verhindern, daß sich durch die gesamte Lötanlage 1 ein Laminarfluß ausbilden kann.

Claims (11)

1. Prozesskammer einer Lötanlage zum Löten von in Förderrichtung trans­ portierten Leiterplatten, insbesondere einer Reflow-Lötanlage, bei der mittels eines am Rande der Prozesskammer angeordneten Rotationsgeblä­ ses (13) durch oberhalb der Leiterplatten (8) angeordnete Öffnungen Gas auf die Leiterplatten (8) aufgeblasen und im Kreislauf abgesaugt wird, wo­ bei die Gebläsewelle (17) des Rotationsgebläses (13) im wesentlichen par­ allel zu den Leiterplatten (8) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass an das Rotationsgebläse (13) ein Prozessgastunnel (30) anschließt, der sich über den Bereich der als Schlitze ausgebildeten Öffnungen erstreckt, wo­ bei die Schlitze quer zur Förderrichtung der Leiterplatten (8) verlaufen, und dass der Prozessgastunnel (30) zwei übereinander angeordnete Tun­ nelbleche (10, 11) aufweist, wobei zwischen dem unteren Tunnelblech (10) und den Schlitzen ein Anströmkanal (12) und neben dem Prozessga­ stunnel (30) ein Raum zur Rückführung des Gases zum Rotationsgebläse (13) gebildet ist.

2. Prozesskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Tunnelblech (10) in Richtung der Gasströmung gegenüber einer Reihe von benachbarten Schlitzen geneigt angeordnet ist.

3. Prozesskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationsgebläse (13) in Schaufelrad aufweist.

4. Prozesskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugbereich des Rotationsgebläses (13) eine Heizeinrichtung (14) zur Erwärmung des Gases auf eine Prozesstemperatur vorgesehen ist.

5. Prozesskammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass gasstrom­ aufseitig der Heizeinrichtung (14) ein Temperaturfühler (15) zur Steuerung der Leistung der Heizeinrichtung (14) angeordnet ist.

6. Prozesskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum durch eine Prozesskammerwand (16) und eine von dieser be­ abstandete Prozesskammerdoppelwand (18) zur Rückführung des Gases zum Rotationsgebläse (13) gebildet ist.

7. Prozesskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schlitze durch zu den Leiterplatten (8) hin offene Profilteile (9) gebildet sind und zur Bestrahlung der zu behandelten Oberfläche der Leiterplatten (8) in mindestens einem dieser Profilteile (9) ein IR-Strahler (41) angeordnet ist.

8. Lötanlage mit einer Reihenanordnung einer Vielzahl von Prozesskammern (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Transport­ band (3), das sich mindestens über die Länge der Lötanlage erstreckt.

9. Lötanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Peak- Bereich (6) Prozesskammern (2) zu beiden Seiten des Transportbandes (3) an­ geordnet sind.

10. Lötanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Peak- Bereich (6) jeweils zwei Prozesskammern (2) auf jeweils einer Seite des Transportbandes (3) angeordnet sind.

11. Lötanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Peak-Bereich (6) eine Kühlvorrichtung (42) nachgeordnet ist.