Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auf¬ löten von Bauelementen auf Platinen nach der Gattung des Hauptan¬ spruchs. Bei bekannten Lötvorrichtungen, sogenannten Reflowlötöfen, werden die Platinen vor dem Lötvorgang auf den für die Bauelemente vorgesehenen Plätzen mit Lotpaste bedruckt, danach die Bauelemente mit ihren Anschlüssen auf diese Plätze aufgebracht und in einem an¬ schließenden Erwärmungsprozeß die Lotpaste aufgeschmolzen, wodurch eine dauerhafte Verbindung zwischen den Bauelementen und der Platine hergestellt wird. Der Wärmeeinbringungsprozeß ist dabei so ge¬ staltet, daß die Platine samt den Bauelementen linear bis kurz unterhalb der Schmelztemparatur des Lotes erwärmt, dann kurzfristig über die Schmelztemperatur erhitzt und möglichst rasch wieder ab¬ gekühlt wird.

Aufgrund unterschiedlicher Masse/Oberfläche-Verhältnisse freier Platinenbereiche und Stellen mit großvolu igen Bauelementen bzw. hoher Bauteildichte kann sich bei der Erwärmung innerhalb einer Platine ein Temperaturunterschied ergeben, der unter Umständen dazu führt, daß Randbereiche der Platine schon durch Überhitzung zerstört werden, während die Bereiche mit großvolumigen Bauelementen bzw.

hoher Bauteildichte die Schmelztemperatur des Lotes noch nicht er¬ reicht haben. Es ist hierzu bereits bekannt, die Platine langsam aufzuheizen und somit durch Wärmeleitung zwischen heißen und kalten Stellen auf der Platine über einen längeren Zeitraum einen Tempera¬ turausgleich zu schaffen. Dies ist jedoch unbefriedigend mit Blick auf eine optimale Ausnutzung der Anlagenkapazität. Ferner ist es durch die DE-OS 38 06 753 bekannt, mit einem Sensor bzw. eine\'r Bilderkennungseinrichtung die Platine abzutasten und gezielt ein¬ zelnen Bereichen Wärme zuzuführen. Dieses System ist jedoch auf¬ wendig und entsprechend störanfällig und deshalb für Platinenserien, die in großer Stückzahl gefertigt werden, nicht geeignet.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, daß an der Platinenoberfläche weniger Strahlung absorbiert wird, als an den Seitenwänden der großvolumigen Bauteile bzw. in den Bereichen mit hoher Bauteildichte. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Wärme genau dort zugeführt wird, wo sie benötigt wird.

Die kreuzweise Anordnung der sich längs bzw. quer erstreckenden Infrarotstrahler ermöglicht in einfacher Weise, jeden Punkt bzw. jede senkrechte Wand auf der Platinenoberfläche gleichermaßen zu erwärmen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. Insbesondere bewirkt eine Schrägstellung, bei der die Achse der Strahlrichtung der Infrarotstrahler mit der Platinennormalen einen Winkel zwischen 45 und 75 Grad, vorzugsweise einen Winkel von

65 Grad, einschließt, daß den senkrecht auf der Platine stehenden Wänden eine größtmögliche Strahlungsleistung zugeführt wird. Das Anbringen eines rückseitigen Reflektors an die Infrarotstahler ver¬ mindert Abstrahlverluste und ermöglicht ferner bei entsprechender Formgebung des Reflektors, den Strahlkegel zu variieren, insbeson¬ dere kann eine homogene Intensitätsverteilung über der Platinenober¬ fläche erreicht werden.

Der Einsatz sehr heißer Quarzstrahler bewirkt einen vorteilhaften Strahlungsenergietransport, welcher unabhängig von der Platinen¬ temperatur ist. Ferner lassen sich solche Quarzstrahler schnell und einfach regeln, so daß die Vorrichtung rasch aufgeheizt und kurz¬ fristig eingeregelt werden kann.

Eine gleichmäßige Temperaturverteilung über der Platinenoberfläche kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß mittels eines Gebläses ein Gas, vorzugsweise ein inertes Gas, über die Platinenoberfläche geführt wird. Die Platine selbst kann gegen Uberhitzung dadurch geschützt werden, daß sie beispielsweise von unten mit einem Gas vorbestimmter Temperatur gekühlt wird. Die großen, kälteren Bauteile auf der Oberseite bleiben von dieser Wärmeabfuhr unberührt, wodurch der Temperaturunterschied besonders vorteilhaft zwischen der Platine und den großen Bauteilen minimiert wird. In manchen Fällen kann es günstig sein, die Platinenunterseite mit vorgeheiztem Gas anzu¬ blasen, wobei der Grundgedanke der Wärmeabfuhr auch hier gültig ist.

Um unkontrollierte Beiträge zum Wärmetransport zu verhindern, ist es von Vorteil, die Wände der Vorrichtung bzw. die Transporteinrichtung auf einer konstanten, vorbestimmten Temperatur zu halten.

Insbesondere beim Einstellen der Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn auf der Platine mindestens ein die Temperatur der Platine er¬ fassender Sensor vorgesehen ist, mit dem in Verbindung mit den schnell regelbaren Quarzstrahlern eine Echtzeitregelung aufgebaut werden kann und so mit nur einem Platinendurchlauf die neuen Be¬ triebsparameter, wie Transportgeschwindigkeit, Leistung der Infra¬ rotstrahler, Einblasen eines heißen, bzw. kalten Gases usw., be¬ stimmbar sind. Dabei kann aus den gemessenen Werten der Vorwärmzone analytisch auf die Regelparameter der Lötzone geschlossen werden.

Durch die beanspruchten Verfahren wird es möglich, die Vorrichtung einfach und schnell an einen bestimmten Platinentyp anzupassen, das heißt, die Prozeßparameter, wie Strahlungsleistung und Transportge- schwindigkeit, festzulegen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Vor¬ richtung ein homogenes Strahlungsfeld aufweist und die Wärme ver¬ stärkt an den Wandbereichen der zu verlötenden Bauteile zugeführt wird; es ist jedoch nicht zwingend erforderlich.

Werden auf der Meßplatine mindestens zwei Temperatursensoren, mög¬ lichst an den Orten höchster und niedersten Temperatur, angeordnet, läßt sich auf diese Weise die Temperaturdifferenz innerhalb einer Platine bestimmen, wodurch auf zusätzliche Maßnahmen, wie beispiels¬ weise Anblasen der Platinenunterseite mit Gas vorbestimmter Tem¬ peratur, geschlossen werden kann.

Wird die Strahlungsleistung von einem in der Vorrichtung angeordne¬ ten Sensor aufgenommen, kann die tatsächliche Strahlungsleistung bestimmt werden, frei von Einflüssen, wie beispielsweise Wirkungs¬ grad oder Anordnung der Infrarotstrahler.

Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Auführungsbeispiele dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile be¬ schrieben. Es zeigen Figur 1 eine Ansicht des ersten Ausführungs¬ beispiels von oben ohne zu verlötende Platine, Figur 2 einen Schnitt gemäß Linie II/II in Figur 1 und Figur 3 einen Schnitt gemäß Linie III/III in Figur 1, jeweils mit eingelegter Platine. In Figur 4 ist ein typisches Temperaturprofil eines Lötvorganges und in Figur 5 eine Strahlungsleistungsverteilung einer erfindungsgemäßen Vor¬ richtung gezeigt. Figur 6 zeigt eine Ansicht des zweiten Aus¬ führungsbeispiels von oben ohne zu verlötende Platine.

Beschreibung

In Figur 1 ist das Prinzip eines Reflowofens gemäß dem ersten Aus¬ führungsbeispiel mit einer Vorwärmzone 10 und einer Lötzone 12 innerhalb begrenzender Wände 14 von oben gezeigt. Eine Transportein¬ richtung, bestehend aus zwei Transportbändern 16, erstreckt sich zwischen den Wänden 14 durch die Vorwärmzone 10 und die Lötzone 12 hindurch und transportiert aufgelegte Schaltungsplatinen 18 in Pfeilrichtung 20. In der Vorwärmzone 10 sind über den Transport¬ bändern 16 sich parallel zu den Transportbändern erstreckende Infrarotstrahler 22 angeordnet. In der Lötzone 12 sind über den Transportbändern 16 sich quer zu den Transportbändern 16 erstrecken¬ de Infrarotstrahler 24 angeordnet.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Figur 6) sind in der Vorwärm¬ zone 10 beziehungsweise in der Lötzone 12 Infrarotstrahler 60, 62, beziehungsweise 64, 66 über den Transportbändern 16 angeordnet, die mit der Transportrichtung 20 einen Winkel von vorzugsweise 45 Grad einschließen. Die Infrarotstrahler 60 und 62, beziehungsweise 64

und 66 sind so angeordnet, daß sie einen Winkel von näherungsweise 90 Grad einschließen, wobei, wie in der Vorwärmzone 10 gezeigt, die Infrarotstrahler 60, 62 hintereinander oder, wie in der Lötzone 12 gezeigt, die Infrarotstrahler 64, 66 übereinander liegen können. Es ist auch denkbar, daß alle Infrarotstrahler 60, 62, beziehungsweise 64, 66, einer Zone 10, beziehungsweise 12, parallel zueinander und im Winkel zu den Infrarotstrahlern der anderen Zone angeordnet sind.

Die Infrarotstrahler 22, 60, 62 der Vorwärmzone 10 sind so justiert, daß ihre Hauptstrahlachse 26 (Figur 2) schräg auf die Oberflächen der darunter durchgeführten Schaltungsplatinen 18 weist. Mit der Platinennormalen 28, die senkrecht auf dem Platinenboard 30 steht, schließt die Hauptstrahlachse 26 einen Winkel 32 zwischen 45 und 75 Grad, vorzugsweise von 65 Grad ein. Diese Schrägstellung bewirkt, daß die Strahlungsintensität auf die Oberfläche der auf die Schaltungsplatine 18 aufzulötenden Bauteile, insbesondere inte¬ grierte Schaltkreise 34 oder SMD-Bauteile 36, kleiner ist, als auf die Seitenfläche dieser Bauteile. Es werden somit bevorzugt die Berührungsstellen zwischen den Anschlußbeinen 38 der ICs 34 und den Kontaktstellen auf dem Platinenbord 30 bzw. die Kontaktflächen 40 der SMD-Bauteile 36 und der Kontaktstelle auf dem Platinenbord 30 erwärmt. Daraus resultiert eine geringere Temperaturdifferenz zwischen großen Bauteilen und freien Platinenbereichen, wodurch die thermische Belastung der Platinenbereiche und den elektronischen Bauteile verringert und deshalb die Strahlleistung erhöht und die Aufheizzeit in der Vorwärmzone 10 verkürzt werden kann.

Die Infrarotstrahler 22, 60, 62 sind gestaffelt und so angeordnet, daß auch nebeneinander sitzende Bauteile in ausreichendem Maße erwärmt werden, ohne daß eine Schattenwirkung auftritt.

In der Lötzone 12 (Figur 3), in der eine rasche Erwärmung der Kontaktstellen 38, 30 und 40, 30 bis über den Schmelzpunkt des Lotes erfolgt, sind die Infrarotstrahler 24, 64, 60 quer beziehungsweise im Winkel zur Transportrichtung 20 angeordnet und weisen mit ihrer Hauptstrahlachse 42 schräg auf die Schaltungsplatine 18, wobei die Hauptstahlachse 42 mit der Platinennormalen 28 ebenfalls einen Winkel 44 zwischen 45 und 75 Grad, bevorzugt einen Winkel von 65 Grad einschließt. Dadurch werden Bereiche, die in der Vorwärmzone 10 eher tangential angestrahlt wurden, hier direkt getroffen, wodurch eine intensive Erwärmung erfolgt. Auch hier sind die Infrarot¬ strahler 24 gestaffelt angeordnet, um eine Schattenwirkung zu ver¬ meiden.

Durch die spezielle Anordnung der Infrarotstrahler 22, 60, 62 und 24, 64, 66 in der Vorwärm- und Lötzone 10, 12 ist es möglich, sehr heiße, d.h. mit einer Temperatur von mehr als 2000 Grad Celcius strahlende, Quarzstrahler einzusetzen, die einen Strahlungsenergie¬ transport bewirken, welcher in erster Näherung unabhängig von der momentanen Platinentemperatur ist. Die Infrarotstrahler 22, 24, 60, 62, 64, 66 weisen an ihrer Rückseite Goldreflektoren 46 auf, um die Strahlungsleistung in Richtung der Platinen zu erhöhen. Die Form der Reflektoren 46 ist dabei so gewählt, daß eine optimale, homogene Ausleuchtung der Platinenoberfläche erzielt wird.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der Reflowofen ein Zuluft¬ system 48 auf, zum Beispiel in der Form von Ventilatoren oder eines oder mehrerer Gebläse, mittels dem heißes Gas über die zu verlöten¬ den Bereiche geführt wird. Das Zuluftsystem 48 muß dabei nicht zwangsweise seitlich der Transportbänder 16 angeordnet sein, wie in Figur 2 gezeigt. Wichtig ist hierbei nur, daß durch die erzeugte Konvektion eine möglichst homogene Temperaturverteilung über der Platinenoberfläche erreicht wird.

Ein weiteres Zuluftsystem 50 zur Zuführung eines kühlenden Gas¬ stromes ist beispielsweise unterhalb der Transportbänder 16 ange¬ ordnet, das auf diese Weise die Unterseite der Schaltungsplatinen 18 kühlt.

Als heizendes oder kühlendes Gas kann auch inertes Gas oder Gas mit Flußmitteleigenschaften eingesetzt werden, das dann aus externen Behältern unter Druck zugeführt wird. Um mit möglichst wenig ein- zublasendem Gas auszukommen, erfolgt die Zuführung unter Ausnützung des Venturi-Prinzips. Dabei saugt das durch eine Venturi-Düse ein¬ strömende Frischgas sich bereits im Innenraum befindendes Gas an und bewirkt so eine Umwälzung innerhalb einer Zone.

Die Transportbänder 16, auf deren jeweils oberem Strang die Schaltungsplatinen 18 aufliegen, werden je auf einem Hohlprofil 52 geführt, durch dessen hohlen Querschnitt eine temperierte Flüssig¬ keit strömt und so die Transportbänder 16 auf einer vorbestimmten Temperatur halten. Ferner sind die Wände 14 mit flüssigkeitsdurch- strömten Hohlräumen 53 versehen, so daß auch diese auf einer vor¬ bestimmten Temperatur gehalten werden können. Diese Maßnahmen er¬ weisen sich insbesondere dort als vorteilhaft, wo die Vorrichtung unter extremen oder wechselnden Bedingungen betrieben werden muß.

Insbesondere zum Einstellen des Temperaturprofils, d.h. der Er¬ wärmung pro Zeit der Schaltungsplatinen 18, als auch zur Kontrolle und Regelung der Leistung der Infrarotstrahler 22, 24, 60, 62, 64, 66 der Geschwindigkeit der Transportbänder 16 oder anderen Para¬ metern ist auf einer Platine 18, im folgenden Meßplatine 18\' ge¬ nannt, mindestens ein die Temperatur aufnehmender Sensor 54 ange¬ ordnet. Der Sensor 54 wird bevorzugt an Problemzonen, wie zum

Beispiel dem Rand der Schaltungsplatine 18 oder in der Nähe gro߬ dimensionierter Bauteile, angebracht. Es können auch mehrere über die Meßplatine 18\' verteilt angeordnete Sensoren 54 vorgesehen sein. Ferner ist zur Aufnahme der Strahlungsleistung, insbesondere in der Vorwärmzone 10, ein weiterer Sensor 56, vorzugsweise ein Infrarot-Detektor, angeordnet.

Bei einem typischen Lötprozeß durchläuft eine auf den Transport¬ bändern 16 aufliegende, mit Bauelementen 34, 36 bestückte Schaltungsplatine 18 mit vorbestimmter Geschwindigkeit die Vorwärm¬ zone 10 und unterliegt der darin vorherrschenden Strahlungs¬ leistungsdichte (Figur 5). Dabei erhöht sich die Temperatur der Platine, insbesondere der Kontaktstellen 38, 30 bzw. 40, 30 näherungsweise linear bis knapp unter die Schmelztemperatur T des verwendeten Lotes (Figur 4). In der Lötzone 12 wird ein rasches Erhitzen bis über die Schmelztemperatur T aufgrund der darin vorherrschenden Strahlungsleistungsdichte und durch Anblasen der Platinenunterseite ein schnelles Abkühlen nach der Lötzone erreicht.

Um eine Vorrichtung zum Auflöten von Bauelementen auf Platinen, insbesondere eines vorbeschriebenen Lötofens zu justieren, das heißt, die Parameter für einen optimalen Lötvorgang zu finden und einzustellen, wird die Meßplatine 18\' unter dem Strahlungsfeld der Vorwärmzone 10 positioniert. Von einem Regelgerät, beispielsweise einem Computer, wird ein mit der Zeit ansteigender Temperatursoll¬ wert vorgegeben. Diesem Temperatursollwert sollte die Temperatur der zu verlötenden Platinen 18 beim späteren Lötvorgang folgen. Hierzu wird die Strahlungsleistung der Infrarotstrahler 22 beziehungsweise 60, 62 auf einen Anfangswert eingestellt, die Temperatur auf der Meßplatine 18\' vom Sensor 54 aufgenommen und mit dem Temperatursoll¬ wert verglichen. Treten Abweichungen der aufgenommenen Temperatur

vom Temperatursollwert auf, so wird die Strahlungsleistung der Infrarotstrahler 22 beziehungsweise 60, 62 bei zu niedrig gemessener Temperatur erhöht und bei zu hoher Temperatur zurückgenommen. Die während der verstreichenden Zeit abgegebene Strahlungsleistung wird aufgenommen und daraus ein zeitlicher Mittelwert abgeleitet.

Die Strahlungsleistung kann beispielsweise über die zugeführte elektrische Energie ermittelt werden oder durch einen im Lötofen angeordneten weiteren Sensor 56, insbesondere einem Infrarotdetek¬ tor, aufgenommen werden.

Die Grundeinstellung der Lötvorrichtung kann dann aus den geome¬ trischen Daten - die Gesamtlänge der Lötvorrichtung dividiert durch die maximale Verweildauer jeder Platine 18 in der Lötvorrichtung ergibt die Transportgeschwindigkeit - und dem abgeleiteten Mittel¬ wert, als Einstellgröße für die Strahlungsleistung der Infrarot¬ strahler 22, 24, beziehungsweise 60, 62, 64, 66 ermittelt werden. Wird die Verweildauer verkürzt, muß der Mittelwert bzw. die Strahlungsleistung entsprechend angehoben werden.

Der vom Regelgerät vorzugebende, mit der Zeit ansteigende Tempera¬ turverlauf ergibt sich ebenfalls aus der zu erreichenden Temperatur¬ erhöhung in Abhängigkeit von der Verweildauer der Platinen 18 inner¬ halb der Vorheizzone 10. Dieser muß nicht zwangsläufig linear sein, sondern kann aufgrund von Abstrahlverlusten oder Gasturbulenzen auch andere zeitliche Verläufe aufweisen.

Das vorgenannte Justierverf hren eignet sich besonders für homogene Strahlungsleistungsdichten innerhalb einer Zone 10, 12. Bei Lötöfen, die keine homogene Leistungsdichteverteilung aufweisen, kann vor¬ teilhaft das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Justierung ein¬ gesetzt werden.

Eine Meßplatine 18\' wird mittels der Transportbänder 16 durch min¬ destens die Vorwärmzone 10 oder auch die Lötzone 12 bewegt. Bei vorgegebener Strahlleistung der Infrarotstrahler 22 bzw. 24 erhöht sich die Temperatur auf der Meßplatine 18\'. Diese vom Sensor 54 aufgenommene Temperatur wird mit einem von einem Regelgerät vor¬ gegebenen, mit der Zeit ansteigenden Temperatursollwert verglichen. Bei Abweichungen wird die Strahlleistung entsprechend nachgeregelt. Der Sensor 56 nimmt die Strahlleistung auf und leitet sie an das Regelgerät oder einen separaten Computer weiter, in welchem ein Mittelwert gebildet wird.

Die Einstellparameter ergeben sich für die Transportgeschwindigkeit aus der Länge des Ofens dividiert durch die maximale Verweildauer einer Platine 18 im Ofen und die Strahlleistung der Infrarotstrahler 22, 60, 62 bzw. 24, 64, 66 aus dem ermittelten Mittelwert bzw. den ermittelten Mittelwerten, wenn mehrere Meßplatinen 18\' eingesetzt werden. Der mit der Zeit ansteigende Temperatursollwert ergibt sich aus der benötigten Temperaturerhöhung jeder Platine 18 innerhalb der Verweilzeit einer Platine 18 in einer Zone 10, 12. Auch hier muß der Temperatursollwert nicht zwangsläufig linear ansteigen.

Werden mehrere die Temperatur auf jeder Meßplatine 18\' aufnehmende Sensoren 54 derart angeordnet, daß mindestens die höchste und niederste während eines Lötprozesses auftretende Temperatur erfaßt wird, kann aus der ermittelten Temperaturdifferenz erkannt werden, ob die Gefahr der Überhitzung für einzelne Platinenbereiche besteht. Mindestens diese Bereiche werden dann von unten mit einem kühlenden Gas angeblasen.

Mit dem sich im Ofen befindenden Sensor 56 kann mittels des Regel¬ gerätes oder eines Computers eine Regelung für die Strahlungs¬ leistung während jedes Lötprozesses aufgebaut werden. Es ist auch denkbar, die beschriebenen Verfahren zur Justierung eines Lötofens während des kontinuierlichen Lötprozesses durchzuführen. Dazu müßte jede zu verlötende Platine 18 einen Sensor ^\' 54 aufweisen, der bei¬ spielsweise vor dem Eintritt der Platinen in den Lötofen aufgebracht und hinterher wieder entnommen wird. Auf diese Weise kann aus den Daten der Vorwärmzone 10 auf die benötigte Strahlleistung für die Lötzone 12 geschlossen werden. Durch den Einsatz schnellregelbarer Quarzstrahler kann aber auch eine Regelung innerhalb einer Zone 10, 12 erfolgen.