DE69209693T3

DE69209693T3 - Schwall-Löten in einer Hülle mit schützender Atmosphäre über einem Lötbehälter

Info

Publication number: DE69209693T3
Application number: DE69209693T
Authority: DE
Inventors: David Arthur Diamanttopoulous; Lawrence John Hagerty; Mark Stephen Nowotarski
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1991-02-22
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2012-02-22
Also published as: CA2061646C; EP0500135B2; US5176307A; CN1065373A; CN1037227C; KR0139096B1; ES2085504T5; DE69209693D1; KR920017527A; DE69209693T2; EP0500135A2; EP0500135A3; ES2085504T3; BR9200581A; EP0500135B1; CA2061646A1; MX9200746A; JPH0577038A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schwall-Löten und ein Verfahren zur Herstellung gelöteter Verbindungen auf einer mit elektronischen Bauteilen ausgestatteten gedruckten Leiterplatte.

Hintergrund

Das Schwall-Löten ist ein gebräuchliches Verfahren zur Ausformung gelöteter Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen und Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte. Die elektronischen Bauteile werden auf einer Leiterplatte angeordnet und ihre Zuleitungen werden in die Löcher in der Leiterplatte derart eingefügt, dass die Zuleitungen die metallischen Anschlussstellen berühren, auf denen sie angelötet werden. Die Bauteile können auf die Leiterplatte aufgeklebt werden, um sie während des Lötvorgangs zu befestigen.
Befinden sich die Bauteile an Ort und Stelle, trägt eine Appliziereinrichtung Flussmittel in Spray-, Schaum- oder Wellenform auf die Unterseite der Leiterplatte auf. Das Flussmittel gestattet das Löten metallischer Werkstoffe mit schlechter Benetzbarkeit und Lötbarkeit wie zum Beispiel oxidiertes Kupfer. Das Flussmittel gestattet ebenso ein problemloseres Löten zur Auffüllung metallisierter Löcher in der Leiterplatte.
Die mit Flussmittel überzogene Leiterplatte wird vorgewärmt, um das Flussmittel zu trocknen und zu aktivieren und die Leiterplatte thermisch auf den Kontakt mit dem geschmolzenen Lot vorzubereiten, indem die thermische Beanspruchung gering bleibt. Das aktivierte Flussmittel reagiert mit den Metalloxiden auf den Leitungen der Bauteile und den Anschlussstellen und löst die Oxide. Das Vorhandensein von Sauerstoff wie in Luft wurde wegen der Erzeugung von Metalloxiden durch den Sauerstoff für den Vorwärmvorgang als schädlich erachtet.
Die Unterseite der mit Flussmittel überzogenen vorgewärmten Leiterplatte wird mit dem geschmolzenen Lot entweder in einem statischen Bad oder in einer eingepumpten Welle derart in Kontakt gebracht, dass die zu beschichtenden oder zu verbindenden Teile mit Lot benetzt werden. Während des Außereingriffbringens der Leiterplatte vom Lotbad verbleibt eine Lotbeschichtung auf den benetzten Bestandteilen. Das anhaftende Lot erhärtet und bildet elektrisch leitende Verbindungen und Beschichtungen.
Nach dem Löten wird die Leiterplatte gewöhnlich gereinigt, um das verbleibende Flussmittel und Flussmittelrückstände zu entfernen, die jeweils Korrosion, unerwünschte elektrische Leitfähigkeit, schlechtes Aussehen und Störungen bei späteren Prüfungen verursachen können. Wünschenswert ist es jedoch, die Reinigung abzuschaffen, da sie teuer ist und die Reinigungsflüssigkeiten umweltschädlich sind. Eine nachfolgende Inspektion oder Prüfung bestimmt dann, welche erwünschten oder unerwünschten Verbindungen durch das Lot entstanden sind. Das Prüfen geschieht üblicherweise mit einer Gruppierung von Pins, die mit den Anschlussstellen der Leiterplatte in Kontakt gebracht wird und durch die elektrische Messungen ausgeführt werden.
Der größte Teil des auf eine Leiterplatte aufgetragenen Flussmittels verbleibt nach dem Lotkontakt auf der Leiterplatte. Daher kann ein Prüfpin, falls die Flussmittelschicht dick ist, nicht eindringen, um einen leitenden Kontakt mit einer beabsichtigten Prüfstelle auf der Leiterplatte herzustellen, und es wird eine fehlerhafte Kontaktunterbrechung angezeigt. Eine große Verzögerung zwischen dem Löten und der Prüfung ermöglicht es dem Flussmittel zu erhärten, und dieses wird, wenn nicht entfernt, besonders das Eindringen des Pins verhindern.
Verschiedene Arten von Lotfehlern treten häufig auf. Ein üblicher Fehler ist eine unvollständige oder fehlende Lotabscheidung an Stellen, wo eine Verbindung beabsichtigt war, was zu einer Kontaktunterbrechung führt. Ein anderer Fehler besteht in der Brückenbildung mit Lot zwischen metallisierten Bereichen der Leiterplatte an Stellen, wo eine Verbindung unbeabsichtigt war, was zu einem Kurzschluss führt. Ein weiterer Fehler besteht im Versagen des Lots, ein metallisiertes Loch in der Leiterplatte zu füllen.
Um die nach dem Löten erfolgende Reinigung und fehlerhafte Pinprüfergebnisse auszuschalten, wurden nicht-saubere Flussmittel und spezielle Auftragungsverfahren von Flussmitteln entwickelt. Ein nicht-sauberes Flussmittel ist ein Flussmittel, das nach dem Lotkontakt ein geringes Maß an nicht-korrodierenden und nicht-leitenden Rückständen hinterlässt. Vorzugsweise enthält ein nicht-sauberes Flussmittel wenige oder keine Halogenide, vor allem aber eine in einer Lösung wie Ethanol oder Isopropanol gelöste nicht-korrodierende, nicht-leitende organische Säure. Ein gebräuchliches RMA-Flussmittel ist ein nicht-sauberes Flussmittel, bestehend aus einer Mischung von Terpentinharz (Abietinsäure), einem Aktivator (Dimethylamin-Hydrochlorid) und einem Lösungsmittel (Alkohol). Ein anderes nicht-sauberes Flussmittel ist Adipinsäure (1 Gewichtsprozent) in Ethyl- oder Isopropylalkohol. Für die Vermeidung falscher Pinprüfergebnisse, als Kontaktfehler bekannt, wird ein nicht-sauberes Flussmittel vorzugsweise in einer dünnen Schicht aufgetragen. Die folgende Tabelle zeigt die Beziehung zwischen der Dicke einer RMA-Flussmittelschicht und der beobachteten Lot- und Prüfkontaktfehler unter Luftatmosphäre. Die Datenwerte stammen aus "Soldering In Electronics" von Wassink und Klein, 1984, Seite 235.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Reduzierung der Flussmitteldicke die Prüfkontaktfehler abnehmen und die Lotfehler zunehmen.
Es sind gebräuchliche Schwall-Lötvorrichtungen bekannt, die Flussmittel auf eine Leiterplatte auftragen, die Leiterplatte vorwärmen, die Leiterplatte mit einer geschmolzenen Lotwelle in Kontakt bringen und dann die Leiterplatte von der Lotwelle außer Eingriff bringen. Die Leiterplatte wird mittels einer Fördereinrichtung nacheinander durch diese Verfahren transportiert, die an der Luft ausgeführte werden. Typischerweise weist die Vorrichtungsanordnung eine Flussmittelüberzugsanordnung, eine Vorwärmeinrichtung, einen Lötbehälter und eine auf einen Rahmen montierte, von einer anhebbaren Abdeckung auf einer Gelenkverbindung umgebenen Fördereinrichtung auf. Zum Abziehen der von diesen Verfahren herstammenden schädlichen Dämpfe wird ein leichter Unterdruck an einem Anschluss an einem zentralen Punkt in der Abdeckung verwendet. Elektrische Steuerungen, welche von einem Mikroprozessor geregelt werden können, werden für verschiedene Einstellungen bereitgestellt.
Kürzlich wurden Schwall-Lötvorrichtungen zum Überziehen mit Flussmittel, zur Vorwärmung und zum Löten von Leiterplatten in einer inerten oder Schutzatmosphäre entwickelt. Diese Vorrichtungen stellen folgende Vorzüge im Vergleich zu Vorrichtungen bereit, die diese Verfahren an der Luft ausüben:
1. Hohe Reduktion der sich auf den geschmolzenen Lotoberflächen bildenden Lotoxidmenge (Metallschaum);
2. Verbesserte Benetzbarkeit des Lots mit den Metalloberflächen auf einer Leiterplatte;
3. Verbesserte Dochtwirkung des Lots in und durch Löcher in der Leiterplatte;
4. Verminderte Kontaktunterbrechungsfehler;
5. Eliminierung von Tropfnasenformationen des Lots;
6. Fähigkeit zum Löten eng zusammenliegender Bauteile und Anschlussstellen mit akzeptablen Brückenbildungsfehlerraten;
7. Verminderte benötigte Flussmittelmenge;
8. Verminderte Reinigung der Lötvorrichtung und geringere Erfordernisse zur Instandhaltung; und
9. Abschaffung des Reinigens der Leiterplatte nach dem Löten durch Auftragen einer minimalen, nicht-sauberen Flussmittelschicht.
Eine Schutzatmosphäre, unter der das Schwall-Löten mit den oben erwähnten Vorzügen ausgeführt wird, weist ein nicht oxidierendes Gas auf und nicht mehr als 5 Prozent Sauerstoff, vorzugsweise nicht mehr als 100 ppm Sauerstoff, und am bevorzugtesten nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff Stickstoff stellt ein befriedigendes nicht oxidierendes Gas für die Ausführung des Inkontaktbringens mit Lot dar und wegen des niedrigen Preises ist Stickstoff ein bevorzugtes nicht oxidierendes Gas.
Zur Erreichung und Aufrechterhaltung der Schutzatmosphäre werden verschiedene Verfahren in einer langen durchgehenden Ummantelung oder in Reihen miteinander verbundener Tunnel durchgeführt. Eine typische Vorrichtung wird in US-A-4 921 156 beschrieben. Die Schutzatmosphäre wird in einen den Lotbehälter enthaltenden Tunnel eingeleitet und fließt durch den Einlassarbeitstunnel und den Auslassarbeitstunnel. Um den Austritt der Schutzatmosphäre zu begrenzen, sind Dichtungsklappen in den Tunneln vorgesehen. Die Klappen werden in der Transportrichtung durch ein hindurchgeleitetes Werkstück aufgeklappt und anschließend geschlossen. Somit findet das Überziehen mit Flussmittel, das Vorwärmen, das Inverbindungbringen mit dem Lot, das Außereingriffbringen und das Kühlen in einer Schutzatmosphäre statt.
JP-A-61-82965 offenbart eine Schwall-Lötvorrichtung, bei welcher ein schmelzflüssiges Lot in einem Lotbad enthalten ist, in welchem eine Düse angeordnet ist, durch die das schmelzflüssige Lot durch den Betrieb eines innerhalb des Lotbades angeordneten Laufrads ausgegeben wird. Über der Außenseite des Lotbades ist eine Haube luftdicht installiert.
Die US-A-4 610 391 offenbart ein Verfahren zum Schwallöten eines Werkstückes in einer im wesentlichen aus Luft bestehenden Atmosphäre, wobei es einen ersten Teil einer Lotwelle gibt, der einen Schaumbildungsbereich aufweist, und wobei es einen zweiten Teil der Lotwelle gibt, die den letzten Teil der Lotwelle darstellt, mit welcher das Werkstück in Kontakt tritt. Die Atmosphäre in Kontakt mit mindestens 50% der Oberfläche des Schaumbildungsbereiches wird durch ein inertes Gas ersetzt, während die Atmosphäre in Kontakt mit dem zweiten Teil daran gehindert wird, inert zu werden.
Eine Schwall-Lötvorrichtung mit einem Lotbehälter und einer Ummantelung zur Aufnahme einer Schutzatmosphäre, während Leiterplatten mit einer Lotwelle in dem Behälter in Kontakt gebracht werden, wobei die Ummantelung einen Einlass für Leiterplatten auf einer Einlassseite und einen Auslass für Leiterplatten auf einer Auslassseite aufweist, sowie mit einer Versorgung für nicht oxidierendes Gas, das einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 5 Vol.% hat, und mit einer Anordnung zum Einlassen von Gas in die Ummantelung ist aus US-A-4 538 757 bekannt.
In dieser Vorrichtung wurden Gasdüsen zur Ausbildung von Gasvorhängen und zur Bereitstellung von Gasdurchflussbarrieren an bestimmten Orten in den Tunneln verwendet.
Ein weiteres von Schouten in "Circuits Manufacturing", September 1989, Seiten 51-53 beschriebenes Verfahren stellt Kammern in dem Einlass- und dem Auslasstunnel bereit. Leiterplatten passieren zeitweilig die sich öffnenden und schließenden Kammern. Innerhalb einer Kammer wird ein Unterdruck erzeugt, wenn diese sich schließt. Die Kammer wird dann mit einer Schutzatmosphäre gefüllt und überflutet. Dieses Verfahren wird wiederholt und gestattet es, den Sauerstoffgehalt im Lotbereich unterhalb 10 ppm zu halten. Die verwendete Schutzatmosphäre ist Stickstoff.
Viele für den Einsatz in Luft entwickelte Schwall-Lötvorrichtungen sind in industriellem Einsatz. Trotz der Vorzüge des Lötens unter Schutzatmosphäre fällt es einem Leiterplattenhersteller schwer, die Ersetzung einer bestehenden, zum Löten in Luft entwickelten Vorrichtung durch eine neue Vorrichtung zum Löten unter einer Schutzatmosphäre zu rechtfertigen. Die zu erzielenden Kosteneinsparungen beim Betrieb würden mehrere Jahre brauchen, bis sich die Kosten der neuen Maschine amortisiert hätten.
Eine Alternative zu einem neuen für das Löten in einer Schutzatmosphäre entwickelten Lötapparat besteht in der Nachrüstung einer bestehenden Vorrichtung, so dass sie in einer Schutzatmosphäre betrieben werden kann. Zu diesem Zweck stellten Schwall-Lötvorrichtungen, die ursprünglich für das Löten von gedruckten Leiterplatten unter einer Schutzatmosphäre entwickelt wurden, eine Schutzatmosphäre für all die Vorgänge des Überziehens mit Flussmitteln, des Vorwärmens, des Inkontaktbringens mit Lot, des Absonderns von Lot und des Kühlens der Leiterplatte bereit. Es wurde angenommen, dass eine Schutzatmosphäre für all diese Vorgänge notwendig war, um die oben aufgezählten Vorzüge des Lötens in einer Schutzatmosphäre zu erreichen. Allerdings macht sich die Bereitstellung einer Schutzatmosphäre für alle diese Bereiche eines gewöhnlichen Luftlötapparates hinsichtlich der Kosten, der zusätzlichen Komplexität und der Nachrüstungszeit signifikant bemerkbar.
Daher besteht Bedarf für eine Vorrichtung zum Nachrüsten eines Luftlötapparates, welche die Menge an zusätzlich notwendigen Einrichtungen minimiert. Eine Vorrichtung, die eine Schutzatmosphäre nur über dem Lotbereich der Vorrichtung selbst benötigt, wäre besonders wünschenswert.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, wobei bestehende, ursprünglich für den Betrieb unter Luft entwickelte Schwall-Lötvorrichtungen nachgerüstet werden, um die Vorzüge von für den Betrieb unter einer Schutzatmosphäre entwickelten Lötapparate zu erreichen.
Es ist weiterhin eine Aufgabe dieser Erfindung, einen ökonomischen Entwurf für neue Schwall- Lötvorrichtungen bereitzustellen, die ursprünglich für einen Betrieb unter einer Schutzatmosphäre konzipiert waren.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt eine Schwall-Lötvorrichtung bereit, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung muss nur der Lotbehälter und der unmittelbar angrenzende Raum über dem Lotbehälter mit einer Schutzatmosphäre versehen werden, während das Überziehen mit Flussmitteln, das Vorwärmen und das Kühlen an der Luft ausgeführt werden.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Nachrüstung der für den Betrieb an der Luft entwickelten Schwall-Lötvorrichtungen ökonomisch und schnell zu bewerkstelligen ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass mit der verminderten Verwendung von Flussmitteln geringe Lotfehlerraten erreicht werden und die Notwendigkeit der Leiterplattenreinigung nach dem Löten entfällt.
Darüber hinaus ist die Erfindung insofern vorteilhaft, als dass die Schutzatmosphäre durch die Trennung von Luft mittels Membran- oder Druckwechseladsorption oder durch teilweise Luftverbrennung erzeugt werden kann.
Die Schwall-Lötvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist mit einer Haube zum Einschließen und zur Bereitstellung einer Schutzatmosphäre über der Lotwelle im Lotbehälter einer Schwall-Lötvorrichtung versehen, während die anderen Verrichtungsbereiche einer nicht- schützenden Atmosphäre ausgesetzt bleiben. Unter nicht-schützender Atmosphäre wird jede Gasmischung mit einer Sauerstoffkonzentration von oder einer Oxidationsfähigkeit äquivalent zu 5 Volumenprozent oder größer, also beispielsweise Luft verstanden. Die Haube hat eine Öffnung für einen Einlass auf einer Seite und eine Öffnung für einen Auslass auf der anderen Seite zur Hindurchleitung einer Leiterplattenfördereinrichtung über der Lotwelle. Optional kann ein kurzer, sich von einer Haubenseite erstreckender Kanal für einen Haubeneinlass oder -auslass vorgesehen sein. Das untere Ende der Haube ist an drei Seiten des oberen Endes des Lotbehälters angepasst und an diesen mit einer Elastomerdichtung abgedichtet. Die verbleibende Haubenseite weist eine Elastomerdichtung auf und stößt gegen ein aufrecht stehendes Schott, dessen unteres Ende in das Lot eingetaucht und zu den Innenseiten des Lotbehälters abgedichtet ist. Die Lotbehälterhöhe ist steuerbar, während die Dichtung beibehalten wird. Der Lötbehälter und sein Schott können auch seitlich unter der Haube austreten.
Die Luft wird durch Vorhänge aus dünnem festen Werkstoff daran gehindert, in die Einlass- und Auslassöffnungen der Haube einzudringen. Der Vorhangwerkstoff ist elektrisch leitend, um den Aufbau statischer Ladung durch das Reiben an einer Leiterplatte bei ihrer Passage durch den Vorhang zu verhindern.
Die Schutzatmosphäre wird durch einen oder mehrere Verteiler unter die Haube eingeleitet. Eine vorzugsweise Ausführung verwendet drei Gasverteiler. Ein Verteiler ist direkt über der Lotwelle und über der Fördereinrichtungsbahn angeordnet. Ein anderer Verteiler ist auf der vorderen Seite der Lotwelle unter der Fördereinrichtungsbahn platziert. Der dritte Gasverteiler ist an der rückwärtigen Seite der Lotwelle unter der Fördereinrichtungsbahn angeordnet. Die Verteiler sind poröse Röhren aus gesintertem Metall und ermöglichen dem Schutzgas die Einleitung in einem laminaren Durchfluss.
Um den die Lotwelle erzeugenden Pumpenschaft herum befindet sich eine Abdeckung, deren unteres Ende sich zur Ausformung einer Dichtung in das Lot im Lotbehälter erstreckt. Außerhalb der Haube über der Einlassöffnung und der Auslassöffnung befinden sich Kollektorkanäle zur Sammlung des von der Haube durch diese Öffnungen austretenden Abgases.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Gesamtansicht eines Lötapparats mit der durch diese Erfindung vorgesehenen Vorrichtung.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Querschnitts durch den Mittelpunkt der durch diese Erfindung vorgesehenen Haube, wobei der Lotbehälter teilweise unter der Haube herausgezogen ist.
Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines Haubenquerschnitts und dem oberen Teil des Lotbehälters.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Sauerstoffkonzentration in der Schutzatmosphäre unter einer gemäß dieser Erfindung hergestellten Haube als Funktion des inerten Gasdurchflusses und den nicht mit Vorhang versehenen Öffnungshöhen.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Auswirkung der Sauerstoffkonzentration auf die Lotbrückenbildung im Bereich des Außereingriflbringens des Werkstückes aus dem geschmolzenen Lot.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In den Zeichnungen sind die betreffenden Bestandteile einer mit einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ausgestatteten Schwall-Lötvorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist einen (nicht dargestellten) Rahmen auf, auf welchem eine Fördereinrichtung 2 zur Beförderung der gedruckten Leiterplatten 4 montiert ist. Nach der Beschickung mit einer Leiterplatte transportiert die Fördereinrichtung die Leiterplatte durch eine in Umgebungsluft angeordnete Flussmittelappliziereinrichtung 6.
Das in dieser Erfindung gebräuchliche Flussmittel ist nicht-sauberes Flussmittel. Ein bevorzugtes nicht-sauberes Flussmittel besteht in 1 Gewichtsprozent von in Ethanol oder Isopropanol gelöster Adipinsäure.
In der Praxis wird das Flussmittel durch gebräuchliche Verfahren auf die Leiterplattenunterseite aufgetragen, um nach der Verdunstung der Lösungsmittel eine Schicht mit einer Dicke von 4 Mikrometer oder weniger, vorzugsweise jedoch 2 Mikrometer oder weniger bereitzustellen. Die Verwendung eines Flussmittels ermöglicht das Löten von Werkstoffen mit schlechter Benetzbarkeit und Lötbarkeit wie oxidiertes Kupfer, und das effektive Auffüllen der mit Metall überzogenen oder metallisierter Löcher der Leiterplatte mit Lot. Mit der dünnen Schicht des in dieser Erfindung verwendeten nicht-sauberen Flussmittels wird die Reinigung der Leiterplatten nach dem Lötvorgang in den meisten Fällen überflüssig.
Die Fördereinrichtung 2 beschickt die Leiterplatte anschließend über eine Vorwärmeinrichtung 8, wo die Leiterplatte in einer Luftatmosphäre auf eine Temperatur zwischen 70ºC und dem Schmelzpunkt des verwendeten Lots erhitzt wird. Üblicherweise beträgt die Vorwärmtemperatur 100ºC bis 160ºC. Das Lösungsmittel des Flussmittels wird bei Erreichen einer Temperatur von 70ºC in der Vorwärmeinrichtung verdampft.
Auf dem Vorrichtungsrahmen befindet sich als nächstes in Wegrichtung der Fördereinrichtung ein offener Lotbehälter oder -tank 10. Obgleich sich das Verfahren nicht auf eine bestimmte Lotzusammensetzung beschränkt, weist eine typischerweise verwendete Lotlegierung 62, 5 Gewichtsprozent Zinn, 37 Gewichtsprozent Blei und 0,5 Gewichtsprozent Antimon auf. Die Temperaturen des Lotbades liegen üblicherweise zwischen 190 und 300ºC, und typischerweise zwischen 240ºC und 260ºC.
Der Lotbehälter 10 weist in der Aufsicht im allgemeinen eine rechteckige oder L-förmige Form auf. Der Lotbehälter enthält geschmolzenes Lot 12, eine Pumpenanordnung 14 zur Einleitung des Lots in eine Welle und eine Wellenflussleitvorrichtung 16. Die Pumpenanordnung 14 weist einen teilweise in das Lot eingetauchten Schaft 18 auf. Der eingetauchte Teil des Schaftes ist mit einem Laufrad 20 zum Umwälzen der Lotschmelze versehen. Der nicht eingetauchte obere Schaftteil wird durch einen Motor oder einen Riemen angetrieben. Um das Eindringen von Luft in das um den Pumpenschaft 18 herum befindliche Lot zu verhindern, ist der Schaft mit einer Abdeckung 22 versehen, welche die Form einer auf den Kopf gestellten Tasse aufweist. Der untere, offene Teil der Tasse wird in das Lot eingetaucht, um eine Dichtung bereitzustellen. Für die Zufuhr einer Schutzatmosphäre unter oder in die Abdeckung 22 ist ein Einlass 24 vorgesehen. Zur Ventilation ist die Abdeckung weiterhin mit einem kleinen Loch ausgerüstet. Eine wahlweise Lotpumpenanordnung kann in einer (nicht dargestellten) magnetohydrodynamische Pumpe bestehen.
Ein zur Rückseite des Lotbehälters angeordnetes vertikales Schott 26 ist an seinem unteren Rand in das Lot eingetaucht. Die sich in den Lotbehälter erstreckenden Seitenränder des Schotts sind zu den Innenwänden des Lotbehälters hin mit einem elastomerischen Werkstoff abgedichtet. Das Schott weist eine vertikale vordere Erweiterung 28 auf.
Über dem Lotbehälter 10 befindet sich eine Ummantelung oder Haube 30 zur Beibehaltung einer gesteuerten oder einer Schutzatmosphäre über dem Lotbehälter. Die Haube hat eine erste oder Vorderseite 32 am Aufenthaltsort des Bedienungspersonals, eine zweite oder Einlassseite 34 in Richtung der fortlaufenden Fördereinrichtung, eine dritte oder Auslassseite 36 in Rich tung der rückwärtigen Fördereinrichtung und eine vierte oder Rückseite 38 gegenüber der Vorderseite 32.
Auf der Einlassseite 34 der Haube befindet sich eine Öffnung 40 für einen Einlass, und auf der gegenüberliegenden oder Auslassseite 36 der Haube ist eine Öffnung 42 für einen Auslass angeordnet. Die Fördereinrichtung zum Leiterplattentransport tritt in einem steigenden Neigungswinkel durch den Einlass in der Haube ein, passiert die Lotwelle und tritt durch den Auslass in der Haube aus. Optional kann der Einlass und/oder Auslass für die Leiterplatten einen kurzen, sich von der Haubenseite aus erstreckenden (nicht dargestellten) Kanal aufweisen.
Die unteren Enden der Vorderseite 32, Einlassseite 34 und Auslassseite 36, mit Ausnahme der Einlass- und Auslassöffnungen der Fördereinrichtung (40 bzw. 42) sind um die äußeren oberen Ränder des Lotbehälters 10 eingepasst und mittels einer Elastomerdichtung 44 gegen diese abgedichtet. Die Rückseite 38 der Haube weist eine Elastomerdichtung 46 auf und trifft auf die vordere vertikale Erweiterung 28 des Schotts 26. Der Lotbehälter mit dem Schott ist zur Anpassung der Lotbehälterhöhe in vertikaler Richtung beweglich, ohne dass die Dichtungen beschädigt werden. Zur Erleichterung von Instandhaltungsarbeiten kann der Lotbehälter gleichfalls unterhalb der Haube nach rückwärts gezogen werden.
Die Oberseite der Haube ist mit einem Polykarbonatfenster 48 zur Ansicht der Lotwelle versehen. Eine Fensterkante ist mit einer Gelenkverbindung verbunden, die das Öffnen des Fensters gestattet. Die Fensterkanten sind im geschlossenen Zustand durch eine Elastomerdichtung abgedichtet. Die Vorderseite der Haube 32 hat gleichfalls ein Polykarbonatfenster 50 zur Ansicht der Tiefe des Lotkontakts der Leiterplatten in der Lotwelle, während sie durch die Welle hindurchgeleitet werden. Polykarbonat wird als Fensterwerkstoff wegen seiner Helligkeit, Bruchfestigkeit und maschinellen Bearbeitbarkeit gewählt. Die letztere Eigenschaft gestattet es, das Polykarbonat zu bohren, um Löcher für das Befestigen an Halteanordnungen zu ermöglichen.
Die Verwendbarkeit von Polykarbonat, das bei einer Temperatur von 140ºC weich wird, ist unter Berücksichtigung der Nähe des Polykarbonatfensters zum dem hochtemperierten Lot überraschend. Ohne sich auf die folgende Erläuterung festlegen zu wollen, bewirkt die laminare Einleitung der Schutzatmosphäre offenbar eine geringe Wärmeübertragung von der Lotschmelze zum Fenster.
Innerhalb der Haube wird die Atmosphäre gesteuert. Das Inverbindungbringen einer Leiterplatte mit dem Lot wird in einer Schutzatmosphäre vollzogen. Eine Schutzatmosphäre weist ein nicht-oxidierendes Gas und nicht mehr als 5 Volumenprozent Sauerstoff, vorzugsweise nicht mehr als 100 ppm Sauerstoff und am bevorzugtesten nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff auf. Das nicht-oxidierende Gas muss einen Sauerstoffgehalt aufweisen, der nicht größer als der gewünschte Sauerstoffpegel in der Schutzatmosphäre ist. Vorzugsweise weist das nicht- oxidierende Gas nicht mehr als die Hälfte der in der Schutzatmosphäre gewünschten Sauerstoffkonzentration auf.
Stickstoff ist wegen seines geringen Preises und der Verfügbarkeit ein bevorzugtes nicht- oxidierendes Gas. Andere für diesen Zweck ebenso vorteilhafte Gase sind Kohlendioxid, Argon, Wasserdampf, Wasserstoff und andere nicht-oxidierende Gase sowie Mischungen daraus. Wahlweise können gasförmige Ameisensäure oder andere reaktive Gase wie beispielsweise andere gasförmige Monokarbonsäuren im Schutzgas in Konzentrationen von 10 ppm bis 10 Prozent nach Volumen, vorzugsweise 100 ppm bis 1%, und am bevorzugtesten 500 ppm bis 5000 ppm zugefügt oder eingeleitet werden. Das zugeführte reaktive Gas entfernt die Oxide, welche durch die Flussmittel der metallisierten Leiterplattenbereiche oder der Anschlüsse der Bauteile nicht entfernt werden konnten. Zusätzlich gestattet ein derartiges reaktives Gas einen höheren Sauerstoffgehalt in der Schutzatmosphäre ohne schädliche Auswirkungen. Daher eignet sich Stickstoff mit einem Gehalt von 0,01 bis 5 Volumenprozent an Sauerstoff, der mittels Membranseparation aus der Luft gewonnen wurde, zur Bereitstellung einer Schutzatmosphäre.
Das Außereingriffbringen der Leiterplatte von dem Lot geschieht in einer gesteuerten Atmosphäre. Üblicherweise wird das Außereingriffbringen in der gleichen Atmosphäre wie das Inverbindungbringen vollzogen. Allerdings kann unter bestimmten Bedingungen wie bei der Reduzierung unerwünschter Lotverbindungen (Brückenbildung) ein höherer Sauerstoffgehalt im Bereich des Außereingriflbringens gegenüber dem Bereich des Inverbindungbringens wünschenswert sein.
Zur Bereitstellung der erwünschten Atmosphäre wird das Gas vorzugsweise unter die Haube durch Verteiler an einer, zwei oder vorzugsweise drei Stellen eingeleitet. Die Verteiler bestehen aus porösen, gesinterten Metallröhren mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge, die ungefähr der Länge der Einlass- und Auslassöffnungen der Haube entsprechen. Sie weisen eine Porengröße von etwa 0,0005 mm bis 0,05 mm, vorzugsweise jedoch von 0,002 mm bis 0,005 mm auf.
Jeder Verteiler erstreckt sich waagrecht in rechtem Winkel zur Förderrichtung der Fördereinrichtung 2. Der erste Verteiler 52 in der Förderrichtung einer Leiterplatte ist unter der Förder einrichtung vor der Lotwelle angeordnet. Der zweite Verteiler 54 ist über der Fördereinrichtung über der Lotwelle angeordnet und der dritte Verteiler 56 ist unter der Fördereinrichtung nach der Lotwelle platziert.
Die beiden unteren Verteiler 52, 56 sind jeweils in einer waagrechten Position von den jeweiligen eintretenden senkrechten Gasversorgungsröhren freitragend gehalten, die von der Oberseite des Schotts 26 abgestützt werden, und sie verlaufen waagrecht unter der Schotterweiterung 28. Die Eindringungstiefe jeder Gasversorgungsröhre ist justierbar, um jeden unteren Verteiler unterhalb der Oberkante des Lotbehälters und nahe der Lotoberfläche anordnen zu können. Der obere Verteiler 54 wird durch eine in die Haubenoberseite eintretende Gasversorgungsröhre in einer waagrechten Stellung gestützt.
Die nur den Lotbehälter umschließende Haube ist so kurz ausgeführt, dass der vorangehende Teil einer Leiterplatte mit der Lotwelle in Kontakt kommen kann, während der nachfolgende Teil aus der Einlassöffnung herausragt. Daher führen der erste und zweite Gasverteiler 52 und 54 hauptsächlich Gase zu, die eine Atmosphäre für die Unter- und die Oberseite einer eintretenden Leiterplatte und das Inverbindungbringen mit einer Welle bereitstellen. Ähnlich dazu kann der vorangehende Teil einer Leiterplatte aus der Auslassöffnung herausragen, während sich der nachfolgende Teil in der Lotwelle befindet. Daher führen der zweite und dritte Gasverteiler 54 und 56 hauptsächlich Gase zu, die eine Atmosphäre für die Unter- und die Oberseite einer austretenden Leiterplatte und das Außereingriffbringen von der Welle bereitstellen. Diese Anordnung gestattet die Verwendung verschiedener Sauerstoffkonzentrationen während des Inverbindungbringens mit der Lotschmelze und während des Außereingrifibringens von dem Lot. Daher kann die Sauerstoffkonzentration im Bereich des Außereingrifibringens unabhängig bei einem optimalen Pegel eingerichtet werden, um eine minimale Brückenbildungsrate für eine gegebene Zusammensetzung und Beschichtungsdicke des Flussmittels zu erhalten. Beispielsweise bewirkt ein RMA Flussmittel mit einer Dicke von 3 Mikrometer geringe Brückenbildungsraten mit Sauerstoffkonzentrationen von 5 bis 21%.
Mit einer Schutzatmosphäre über den Oberflächen des Lots bildet sich keine Oxidschicht auf den Lotoberflächen. Deshalb sind die die Welle bildenden fließenden Lotoberflächen für ein Mitführen des Gases in der Haube als winzige Blasen empfänglich. Die Blasen steigen an die Lotoberfläche auf, platzen und setzen winzige Lotfragmente in der Schutzatmosphäre frei. Diese Fragmente bilden winzige Kugeln oder Bällchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,2 bis 0,5 mm, die sich durch die gesamte Atmosphäre unter der Haube bewegen und sich auf allen bloßliegenden Oberflächen absetzen. Durch regelmäßiges Ausbürsten werden die Bällchen entfernt. Mittels einer Leitvorrichtung oder Rinne wird dafür ge sorgt, dass das Lot von der Welle nach unten strömt, damit kein Gas von dem Lot mitgerissen wird.
Die Gaszufuhr geschieht vorzugsweise mit einer begrenzten Rate, um von den Verteilern in einer laminaren Strömung herauszufließen. Eine laminare Strömung wird dann als bestehend angesehen, wenn das quadratische Mittel der Zufallsfluktuationen in der Fluidgeschwindigkeit, die beispielsweise mit einem Hitzdrahtanemometer gemessen wird, 10% der mittleren Geschwindigkeit nicht überschreitet. Dieses Kriterium sollte günstigerweise nicht nur von der aus den Gasverteilern austretenden Strömung erfüllt werden, sondern im gesamten Haubenraum gültig sein. Die laminare Strömung stellt eine ruhige Atmosphäre zur Verfügung, die das Mitführen von Gas durch die fließenden Lotoberflächen und das Eindringen von Luft durch die Haubenöffnungen minimiert.
Wahlweise kann ein Gas mit geringerer Dichte vom oberen Verteiler (über der Fördereinrichtung) und einem Gas mit höherer Dichte vom unteren Verteiler (unter der Fördereinrichtung) zugeführt werden. Das Gas mit höherer Dichte wird den Haubenraum hauptsächlich unterhalb der Fördereinrichtung ausfüllen und das Gas mit geringerer Dichte den Haubenraum hauptsächlich oberhalb der Fördereinrichtung. Eine derartige Verwendung von Gasen mit verschiedenen Dichten reduziert das Eindringen von Luft in die Haube und ermöglicht das Erreichen geringere Pegel von Sauerstoffkonzentration mit einem niedrigeren Gesamtverbrauch der zugeführten Gase.
Die Einlass- und Auslassöffnungen 40, 42 für die Haube sind vorzugsweise rechteckig ausgebildet und mit Vorhängen 58 aus einem festen Werkstoff versehen, um den Eintritt von Luft in die Haube zu begrenzen. Die Vorhänge bestehen aus einem dünnen flexiblen Werkstoff, der in senkrechte Streifen geschnitten ist, um die während des Eintritts und des Austritts durch diese Öffnungen auf die elektrischen Bauteile ausgeübten Widerstandskräfte zu minimieren. Die bevorzugten Werkstoffstärken reichen von 0,1 bis 0,2 mm. Zu dünne Vorhänge werden durch den Abgasstrom nach oben geblasen, während zu dicke Vorhänge Bauteile von den erwünschten Stellen auf der Leiterplatte wegschieben können.
Um den Aufbau einer statischen Ladung durch Reiben der Vorhänge auf den Leiterplatten zu vermeiden, ist der Vorhangwerkstoff elektrisch leitend und geerdet, da eine statische Ladung die Funktionalität der elektrischen Bauteile auf der Leiterplatte zerstören kann.
Zusätzlich verbreiten die Vorhänge keine Fasern auf der Leiterplatte, sind chemischen Angriffen durch die Flussmittel und Lötdämpfe gegenüber widerstandsfähig; sie widerstehen Temperaturen bis zu 265ºC und dem physikalischen Ausbürsten zur Entfernung der winzigen Lotbällchen, die sich auf der umschlossenen Umgebung des Lots ablagern. Ein geeigneter Werkstoff besteht aus mit Graphitfasern beschwertem Silikongummi.
In der Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung wird eine Leiterplatte in einer Schutzatmosphäre von der Lotwelle außer Eingriff gebracht und beginnt sofort abzukühlen. Wegen der Kürze der Haube tritt eine die Welle verlassende Leiterplatte aus der Auslassöffnung in der Haube schnell aus und kühlt in der Luft ab.
Die Verwendung eines nicht-korrodierenden und nicht-leitenden Flussmittels mit geringen Rückständen ermöglicht das Weglassen einer nach dem Löten ausgeführten Reinigung. Die elektrische Überprüfung wird, falls notwendig, an den abgekühlten Leiterplatten mit wenig auftretenden Kontaktfehlern (falsche Messungen einer Kontaktunterbrechung) ausgeführt.
Hinsichtlich der Verwendung einer kurzen Haube, die das Inverbindungbringen oder das Außereingriffbringen einer Leiterplatte von der Lotwelle und den Austritt durch eine Haubenöffnung ermöglicht, ist es überraschend, dass die Vorteile des Lötens unter Schutzatmosphäre insbesondere mit in Maßen gehaltenen zugeführten Gasdurchflüssen zu verwirklichen sind. Dieses überraschende Ergebnis kommt in verschiedenen Maßen durch die Vorhänge, die Anordnung der Verteiler für zuzuführendes Gas, die Anordnungspunkte der Gasverteiler und durch die Abgabe von zugeführtem Gas in einer laminaren Strömung zustande.
Eine bevorzugte Ausführungsform weist einen Abzugsgaskollektor über der Einlassöffnung zur Haube und einen Abzugsgaskollektor über der Auslassöffnung der Haube auf. Das von der Haube austretende Gas wird vorzugsweise daran gehindert, in die Umgebung der Lötvorrichtung einzutreten, da es in den meisten Fällen zu wenig Sauerstoff zur Atmung aufweist und giftige Flussmitteldämpfe enthält. Ein Kollektor besteht aus einem U-förmigen Kanal, dessen Öffnung auf die Haubenöffnung weist. Wahlweise kann ein Kollektor eine Röhre mit zur Haubenöffnung weisenden Perforierungen aufweisen. Jeder Kollektor führt zum Abziehen der gesammelten Abgase zu seinem eigenen geschlossenen Abzugskanal 64, 66. Wahlweise können Kollektoren zusätzlich oder ausschließlich unterhalb der Haubenöffnungen bereit gestellt werden.
In jedem Abzugskanal befindet sich ein Ventil 68, 70 zur Steuerung der von seinem zugehörigen Kollektor gesammelten Abgasmenge. Durch die Regelung der Ventile in den von den Kollektoren weggeführten geschlossenen Kanälen kann der von jedem Kollektor gesammelte Abgasdurchfluss gesteuert werden. Mit dieser Anordnung kann die Verteilung der Abgase durch die Einlassöffnung der Haube und durch die Auslassöffnung der Haube in hohem Maße gesteuert werden. Die Steuerung der in den Abzugskanälen befindlichen Ventile kann ebenso zur Zählung einer außerhalb einer oder beider Öffnungen in der Haube entstandenen Druckverteilung verwendet werden. Eine derartige Druckverteilung kann in einem von einem auf eine der Öffnungen blasenden, über die Öffnungen hinweg oder von diesen weg blasenden Ventilator erzeugten Luftzug bestehen.
Ein ursprünglich für den Betrieb an der Luft entwickelter Lötapparat mit einer Flussmittelüberzugsanordnung, einer Vorwärmeinrichtung und einem Lotbehälter weist eine anhebbare Abdeckung über diesen Bauteilen auf. Die Abdeckung wird gewöhnlich mit mindestens einer Abzugsöffnung versehen und mit einem leichten Unterdruck betrieben, um die bei diesem Verfahren entstehenden giftigen Dämpfe abzuziehen. Wird eine Schutzatmosphärenhaube über dem Lotbehälter nachgerüstet, ist es deshalb nicht naheliegend, dass über den Haubenöffnungen befindliche Abzugskollektoren zum Abziehen des austretenden Gases wünschenswert sind. Die Abgase in der Abdeckung der Vorrichtung weisen oft eine nicht ausreichende Kapazität auf und befinden sich an einer ungeeigneten Stelle, um die Gasausscheidungen von der Haube abziehen zu können.
Die bevorzugte Ausführungsform weist verschiedene Sicherheitsmerkmale auf: Ein durch ein Elektromagnet betriebenes Sicherheitsschließventil wird in der Schutzgasversorgungsröhre bereitgestellt. Dieses Schließventil wird unter zwei Bedingungen geschlossen gehalten. Eine Bedingung ist, dass ein Kontaktschalter abtastet, dass das obere Haubenfenster offen ist. Die andere Bedingung ist, dass ein Differentialdrucksensor ermittelt, dass der Druck in den Abzugskanälen dem Atmosphärendruck entspricht und daher kein Abgas gesammelt wurde. Zusätzlich wird die Lotpumpe derart gesteuert, dass sie solange nicht betrieben werden kann, bis das Schließventil für zugeführtes Gas geöffnet ist und Schutzgas in die Haube eingeleitet wird.
In einer gemäß dieser Erfindung angeordneten Haube mit 40,7 cm breiten und 10,2 cm hohen Einlass- und Auslassöffnungen, die mit Vorhängen mit Streifen verhangen sind, und durch die Leiterplatten befördert wurden, wurde durch 11 Normalkubikzentimeter pro Sekunde Stickstoff (mit nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff) pro Quadratzentimeter der sich unter der Haube ausbreitenden Haubenöffnung eine Sauerstoffkonzentration in der Haube von 100 ppm aufrechterhalten. Ein hierbei verwendetes normales Gasvolumen ist durch eine Gasmenge gekennzeichnet, die dem Volumen des Gases bei 250ºC und 1 Atmosphäre entspricht. Die Vorzüge des Lötens unter Schutzatmosphäre sind in gemäß dieser Erfindung angeordneten Hauben mit einem Verbrauch der nicht-oxidierenden Gase in einem Bereich zwischen 5 bis 50 Normalkubikzentimeter pro Sekunde pro Quadratzentimeter der Haubenöffnung zu erreichen.
Mit den über den Einlass- und Auslassöffnungen angeordneten Vorhängen können innerhalb der Haube Sauerstoffpegel von 100 ppm und weniger leicht bewerkstelligt werden. Ohne die über den Haubenöffnungen angeordnete Vorhänge ist ein Sauerstoffpegel von 100 ppm immer noch erreichbar, allerdings ist der zugeführte Gasverbrauch höher.

Beispiel 1

Eine Haube wurde gemäß dieser Erfindung hergestellt und betrieben und hatte jeweils 40,7 cm breite und 10,2 cm hohe Einlass- und Auslassöffnungen. Die Haube wurde mit Stickstoff mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 1 ppm gespült. Der Stickstoff hatte anfänglich Raumtemperatur und die Lotwelle war 260ºC heiß. Der Sauerstoffpegel über der Lotwelle wurde gegen die Durchflussmenge des Stickstoffs bei verschiedenen Niveaus der nicht mit Vorhang versehenen Öffnungshöhe gemessen, wobei die nicht mit Vorhang versehene Öffnungshöhe den Abstand vom unteren Ende der Vorhänge zum unteren Ende einer Einlass- oder Auslassöffnung darstellt. Die Öffnungen weisen oft eine bedeutsame nicht mit Vorhang versehene Höhe auf, um das Verrücken hoher instabiler Bestandteile zu verhindern.
Ein Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass niedrige Sauerstoffpegel sogar mit relativ großen nicht mit Vorhang versehenen Öffnungshöhen erreicht werden können. Daher können Leiterplatten mit hohen instabilen Bestandteilen verarbeitet werden, ohne häufig auf die mechanischen Türen zugreifen zu müssen, die sich zur Vermeidung des Eindringens von Luft öffnen und schließen müssen.
Um den Sauerstoffpegel in der Haube auf einen gewünschten maximalen Pegel zu begrenzen, muss der nicht-oxidierende Gasdurchfluss pro Flächeneinheit der nicht mit Vorhang versehenen Öffnung einen bestimmten Minimalwert aufweisen. Fig. 4 zeigt den beobachteten Sauerstoffpegel gegenüber des zugeführten Gasdurchflusses pro Flächeneinheit der nicht mit Vorhang versehenen Öffnung für drei verschiedene, nicht mit Vorhang versehenen Höhen von 10,2 cm, 7,6 cm, und 5,1 cm. Die nicht mit Vorhang versehenen Höhen wiesen für die Einlass- und Auslassöffnungen die gleichen Werte auf.
Der untere und obere Grenzwert des in Fig. 4 beobachteten Sauerstoffpegels ist jeweils durch die folgenden empirischen Beziehungen gegeben:
Unterer Grenzwert ppm O&sub2; = (40/x)¹&sup0;
Oberer Grenzwert ppm O&sub2; = (60/x)¹&sup0;, wobei
"x" der Durchfluss pro Einheit der nicht mit Vorhang versehenen Fläche in Normalkubikzentimeter pro Sekunde pro Quadratzentimeter der nicht mit Vorhang versehenen Öffnung ist. Unter nicht mit Vorhang versehener Öffnung wird die Gesamtfläche des nicht von einem Vorhang bedeckten Einlasses und Auslasses plus alle anderen nicht mit Vorhang versehenen Öffnungen in der Haube wie z. B. die Lecköffnung verstanden. Die numerischen Werte "40", "60" und "10" sind aus den Daten abgeleitete empirische Parameter.
Die obigen empirischen Beziehungen können umgeschrieben werden, um die folgende Beziehung zur Berechnung des gesamten für eine gegebene Haube erforderlichen Durchflusses zu liefern.
Erforderlicher Gasdurchfluss = AB(ppm O&sub2;)-0,1 + C
Der "Erforderliche Gasdurchfluss" stellt den gesamten Stickstoffdurchfluss in Normalkubikzentimeter pro Sekunde dar und "A" ist ein Parameter, der zwischen 40 und 60 variiert. Die Einheiten für "A" sind Normalkubikzentimeter pro Sekunde pro Quadratzentimeter. "B" ist die gesamte nicht mit Vorhang versehene Fläche in Quadratzentimeter. "ppm O&sub2;" ist die Differenz zwischen dem maximalen bei der Lotwelle erwünschten Sauerstoffpegel und dem Sauerstoffgehalt der zugeführten Gase. "C" ist der Stickstoffdurchfluss, der erforderlich ist, wenn die nicht mit Vorhang versehene Fläche den Wert Null aufweist. "C" beträgt etwa 2000 Normalkubikzentimeter pro Sekunde für einigermaßen dichte Hauben.
Die oben angeführten Werte für "A" und "C" eignen sich für alle Gase mit einer Dichte innerhalb von 10 Prozent der Stickstoffdichte. Gase mit niedriger Dichte wie Wasserstoff werden für die Parameter "A" und "C" größere Werte aufweisen, und Gase mit hoher Dichte wie Kohlendioxid und Argon werden niedrigere Werte von etwa der Hälfte der Parameter "A" und "C" aufweisen.
Ein alternatives Verfahren zur Schätzung des dann notwendigen Gasdurchflusses, wenn die nicht mit Vorhang versehene Fläche klein oder unbekannt ist, besteht in der Verwendung des Zusammenhangs:
Notwendiger Durchfluss = E (gesamte Öffnungsfläche)
"E" ist ein empirischer Parameter. Für Stickstoff und Gase mit einer Dichte innerhalb 10% von Stickstoff hat "E" einen Wert zwischen 5 und 50 cm³/s/cm². "E" liegt vorzugsweise im Wertebereich von 8 bis 20 cm³/s/cm². Die "gesamte Öffnungsfläche" ist die Summe der mit Vorhang versehenen und nicht mit Vorhang versehenen Fläche sowohl des Einlasses wie des Auslasses und jeder anderen Öffnung.
Gase mit niedriger Dichte wie Wasserstoff werden für "E" größere Werte aufweisen. Gase mit hoher Dichte wie Kohlendioxid und Argon werden um etwa die Hälfte niedrigere Werte des Parameters "E" aufweisen.
Ein anderes alternatives Verfahren zur Schätzung des erforderlichen Gasdurchflusses, wenn die Öffnungsfläche unbekannt ist, besteht in:
Erforderlicher Durchfluss = F
"F" ist ein empirischer Parameter. Für Stickstoff und Gase mit einer Dichte innerhalb 10% von Stickstoff hat "F" einen Wert zwischen 4.000 und 40.000 cm³/s. "F" liegt vorzugsweise im Bereich von 7.000 bis 16.000 cm³/s.
Gase mit niedriger Dichte wie Wasserstoff werden größere Werte von "F" aufweisen. Gase mit hoher Dichte wie Kohlendioxid und Argon werden um etwa die Hälfte niedrigere Werte von "F" aufweisen.

Beispiel 2

Leiterplatten mit 120 nahe beieinander liegenden potentiellen Brückenbildungspunkten wurden mit einer Spray-Flussmittelüberzugsanordnung mit Flussmittel überzogen. Das aufgetragene Flussmittel war Hi-Grade 784, hergestellt von der Hi-Grade Alloy Corp, East Hazelcrest, IL. Hi-Grade 784 ist ein RNA-Flussmittel, das nicht-korrodierende und nicht-leitende Rückstände hinterlässt. Die auf die Leiterplatten aufgetragene Flussmittelmenge wurde durch eine variierende Spraydauer gesteuert. Die Flussmitteldicke wurde aus dem auf der Leiterplatte abgeschiedenen Flussmittelgewicht und der Flussmitteldichte (0,8 g/cm³) errechnet. Die Leiterplatten wurden dann über eine Vorwärmeinrichtung geleitet, die sie auf etwa 70ºC an der Luft erwärmten.
Anschließend traten die Leiterplatten in eine gemäß obiger Beschreibung angeordnete Lotbehälterhaube ein. Die Haube wies 40,7 cm lange und 10,3 cm hohe Einlass- und Auslassöffnungen auf Sich 25 cm von jeder Haubenöffnung aus in rechtem Winkel erstreckend und in die Haube integriert, befand sich ein Kanal aus Metallblech mit einem der Öffnung identischen Querschnitt. Am Ende jedes die jeweilige Öffnung vollständig überdeckenden Kanals befand sich ein Vorhang der weiter oben beschriebenen Art.
In diesen Tests wurden allerdings nur zwei Gasverteiler verwendet. Ein Verteiler wurde über der Lotwelle angeordnet und nahm 8 Normalliter Stickstoff pro Sekunde auf, der nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff enthielt. Dieser Verteiler hielt die Sauerstoffkonzentration im Bereich des Inverbindungbringens während allen Tests bei 100 ppm aufrecht. Ein anderer Verteiler wurde auf der stromabwärtigen Seite der Welle unter der Leiterplattenfördereinrichtung angeordnet und nahm 1,57 Normalliter Stickstoff pro Sekunde auf, der die in den verschiedenen Testdurchläufen erwünschten Sauerstoffpegel von 0,01% bis 20% enthielt. Ein Deflektor aus Metallblech steuerte diesen Durchfluss in dem Bereich, wo die Leiterplatten von der Lotwelle außer Eingriff gebracht wurden. Die Sauerstoffkonzentration wurde in diesem Bereich des Außereingriflbringens mittels einer Sonde gemessen. Nach dem Außereingriffbringen von dem Lot traten die Leiterplatten von der Auslassöffnung in der Haube aus und kühlten an der Luft ab.
Die Haubenoberseite wies ein Polykarbonatfenster zur Ansicht der Welle auf. Das Fenster weichte nicht auf oder wurde schwächer, und seine Außentemperatur betrug etwa 60ºC.
Die Testergebnisse sind in Fig. 5 graphisch dargestellt. Mit einer Flussmitteldicke von 1 Mikrometer wurden Brückenbildungsraten von 4 pro Leiterplatte bei 0,5% Sauerstoff im Bereich des Außereingriffbringens, 8 pro Leiterplatte bei 5% Sauerstoff und 22 pro Leiterplatte bei 20% Sauerstoff erhalten.
Allerdings konnten mit einer Flussmitteldicke von 2,5 Mikrometer oder größer sehr niedrige Brückenbildungsraten von 1 pro Leiterplatte bei Sauerstoffkonzentrationen im Bereich des Außereingriffbringens von 5% und 20% Sauerstoff erhalten werden. Eine höhere, jedoch moderate Brückenbildungsrate von 6 pro Leiterplatte wurde mit einer Sauerstoffkonzentration von 0,5% im Bereich des Außereingriffbringens erreicht.
Bei allen dieser drei untersuchten Sauerstoffkonzentrationen betrug die Anzahl der Kontaktunterbrechungsfehler unter Einschluss der nichtaufgefüllten Löcher Null pro Leiterplatte. Mit der verwendeten niedrigen Dicke des RMA-Flussmittels von 2,5 Mikrometer war die Rate der bei der elektrischen Überprüfung erwarteten Kontaktfehler gleichfalls niedrig.
In ähnlichen Untersuchungen ohne jedes Flussmittel wurde eine Brückenbildungsrate von 7 pro Leiterplatte, mehrere Kontaktunterbrechungsfehler pro Leiterplatte und eine schlechte Auffüllung der Löcher erzeugt. Ähnliche Untersuchungen, in denen 1% Adipinsäure in Ethyl alkohol zur Erzeugung einer Flussmittelschicht mit einer Dicke von etwa 2,5 Mikrometer aufgetragen wurden, führten bei Sauerstoffkonzentrationen im Bereich des Außereingrifibringens von 3 ppm bis 20% zu einer Brückenbildungsrate von 1 pro Leiterplatte, keinen Kontaktunterbrechungen und einer guten Auffüllung der Löcher.
Daher ermöglicht die mäßige Dicken von nicht-sauberem Flussmittel verwendende Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung das Schwall-Löten mit minimalen Raten an Lot- und Kontaktfehlern, die Beseitigung des Reinigungsvorgangs, einen mäßigen Verbrauch an Schutzatmosphärengas und niedrige Kosten der Vorrichtung.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es verständlich sein, dass sie sämtliche Modifikationen und gleichwertige Ausführungen innerhalb des Bereichs der folgenden Ansprüche einschließt.

Claims

1. Schwall-Lötvorrichtung mit einem Lotbehälter (10) und einer Ummantelung (26, 30) zur Aufnahme einer Schutzatmosphäre, während Leiterplatten mit einer Lotwelle (12) in dem Behälter in Kontakt gebracht werden, wobei die Ummantelung einen Einlass (40) für Leiterplatten auf einer Einlassseite (34) und einen Auslass (42) für Leiterplatten auf einer Auslassseite (36) aufweist, sowie mit einer Versorgung für nicht oxidierendes Gas, das einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 5 Vol.% hat, und mit einer Anordnung (52, 54, 56) zum Einlassen von Gas in die Ummantelung,

wobei die Ummantelung (26, 30) ein Schott (26) und eine Haube (30) aufweist;

wobei das Schott (26) an dem Lotbehälter (10) angebracht ist und das untere Ende des Schotts (26) in das in dem Lotbehälter (10) befindliche Lot (12) eintaucht;

wobei sich die Haube (30) am oberen Endbereich des Lotbehälters (10) befindet und eine Ummantelung über nicht mehr als dem Lotbehälter bildet, wobei die Haube die Einlass- und Auslassseiten (34, 36) bildet, und wobei die unteren Enden einer Vorderseite (32), der Einlassseite (34) und der Auslassseite (36) der Haube (30) so geformt sind, dass sie um den äußeren oberen Endbereich des Lotbehälters (10) passen;

wobei Mittel (44, 46) zum Abdichten der Haube (30) gegenüber dem Lotbehälter (10) vorgesehen sind, wobei die Dichtmittel (44, 46) eine erste Elastomerdichtung (44) an den Innenflächen der unteren Endbereiche der Vorder-, Einlass- und Auslassseiten (32, 34, 36) der Haube (30) für einen Kontakt mit den oberen Außenflächen des Lotbehälters (10) sowie eine zweite Elastomerdichtung (46) an der Außenfläche der Hinterseite (38) der Haube (30) für einen Kontakt mit dem Schott (26) aufweisen;

wobei der Lotbehälter (10) zusammen mit dem Schott(26) ausgelegt ist, seitlich unter der Haube (30) herausgezogen zu werden; und

wobei der Lotbehälter (10) zusammen mit dem Schott(26) ausgelegt ist, vertikal bewegt zu werden, ohne die von den Dichtmitteln (44, 46) erreichte Dichtwirkung zu unterbrechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner versehen mit einem Vorhang (58) aus einem dünnen festen Werkstoff, der in lotrechte Streifen geschnitten ist, um den Eintritt von atmosphärischer Luft in den Einlass (40) und/oder den Auslass (42) zu beschränken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei dem der Vorhangwerkstoff über dem Einlass (40) elektrisch leitend und an Masse angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Vorhangwerkstoff eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm hat.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Vorhang (58) aus Silikongummi besteht, das mit Graphitfasern beladen ist.

6 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Vorhangwerkstoff flexibel ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem der Einlass und/oder der Auslass (40, 42) ferner einen Kanal aufweist/aufweisen, der mit einem ersten Ende eine Öffnung in der Einlass- oder Auslassseite (34, 36) abdeckt, wobei sich der Kanal zwecks einem Durchtritt von Leiterplatten (4) von der Haubenseite zu einem zweiten Ende erstreckt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Haube (30) einen Abzugskollektorkanal (64) mit einem benachbart dem Einlass angeordneten Kollektor (60) und einen Abzugskollektorkanal (66) mit einem benachbart dem Auslass angeordneten Kollektor (62) aufweist, um Abgas aufzufangen, das aus der Haube über den Einlass und den Auslass ausströmt, und um dessen Entweichen in die Umgebung der Haube zu verhindern, wobei jeder Abzugskollektorkanal mit einer Anordnung (68, 70) zur Stromsteuerung versehen ist, wodurch die Verteilung von Gas, das über den Einlass und über den Auslass abströmt, gesteuert werden kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Anordnung (52, 54, 56) zum Einlassen von Gas in die Haube (30) einen Gasverteiler (52, 56) aufweist, der von einem lotrechten Gasversorgungsrohr, das an dem an dem Lotbehälter angebrachten Schott (26) abgestützt ist, in waagrechter Position freitragend gehalten ist.