DE20102064U1

DE20102064U1 - Vacuum bell in soldering systems

Info

Publication number: DE20102064U1
Application number: DE20102064U
Authority: DE
Original assignee: FILOR HELMUT
Current assignee: FILOR HELMUT
Priority date: 2000-06-17
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2011-02-08

Description

Vakuumglocke in LötanlagenVacuum bell in soldering systems

Die Erfindung beschreibt eine Lötanlage (z.B. eine Reflow Lötanlage) mit einer integrierten Vakuumglocke die dann mit einem Inertgas belüftet wird. Die Lötanlagen, die auch unter Schutzgas betrieben werden, sind aus der Literatur hinreichend bekannt. Es können Lötanlagen sein die im Inline Betrieb und im Batch Betrieb arbeiten. Die Erwärmungsverfahren können z.B. Infrarot, Konvektion, Mikrowelle oder andere Verfahren sein. Ebenso hat die Erfindung sich zur Aufgabe gestellt eine fehlerfreie, hochproduktive, wirtschaftlich günstigste Lötverbindung für höchste Ansprüche in der Elektronik Industrie vorzustellen, die allen Stand der Technik im einzelnen anhaftenden Fehler ausschließt. Die Erfindung wird anhand eines Beispiels mit einer erfinderischen Anlage und dem dazugehörigen Verfahren in den Schutzansprüchen bzw. in den jeweiligen Unteranspüchen beschrieben.The invention describes a soldering system (e.g. a reflow soldering system) with an integrated vacuum bell that is then ventilated with an inert gas. Soldering systems that are also operated under protective gas are well known from the literature. They can be soldering systems that work in inline operation and in batch operation. The heating processes can be, for example, infrared, convection, microwave or other processes. The invention also has the task of presenting a fault-free, highly productive, economically advantageous solder connection for the highest demands in the electronics industry, which excludes all errors inherent in the state of the art. The invention is described using an example with an inventive system and the associated process in the protection claims or in the respective subclaims.

EP 0 389 218 A1 beschreibt den Reflow Lötprozess in Abhängigkeit mit milden Aktivatoren im Lot und die Erhitzung in des Lötgutes in einer fast oxydations freien Umgebung durch Schutzgase verschiedener Art und Zusammensetzung. Dies betrifft den gesamten Lötprozess.EP 0 389 218 A1 describes the reflow soldering process using mild activators in the solder and the heating of the soldering material in an almost oxidation-free environment using protective gases of various types and compositions. This applies to the entire soldering process.

DE 42 06 563 A1 beschreibt eine Lot oder Schweißvorrichtung wo der Innenraum unter Vakuum gehalten wird. Zusätzlich über eine Betätigungsvorrichtung mit 3 Kurbelhebelantrieben außerhalb mit der Trägerplatte in der Kammer verbunden ist.DE 42 06 563 A1 describes a soldering or welding device where the interior is kept under vacuum. In addition, it is connected to the carrier plate in the chamber via an actuating device with 3 crank lever drives on the outside.

DE 40 17 886 A1 beschreibt ein Formiergasgerät für das Verschweißen von Rohrleitungen unter Formiergas.DE 40 17 886 A1 describes a forming gas device for welding pipelines under forming gas.

Unter dem Stand der Technik ergibt sich folgende Definition des Reflow Verfahrens: Das Aufbringen von Lotpaste auf die Lötstelle mit anschließendem Fixieren des zu lötenden Bauteils und abschließendem Erhitzen dieser Stelle bis zu Temperaturen oberhalb der Lotschmelztemperatur.The state of the art results in the following definition of the reflow process: The application of solder paste to the soldering point, subsequent fixing of the component to be soldered and final heating of this point to temperatures above the solder melting temperature.

Ebenfalls durch die aufkommenden Bleifrei Lote (höhere Liquidustemperatur) müssen in Lötanlagen z.B.den Reflow Lötanlagen höhere Temperaturen eingestellt werden. Höhere Reflowtemperaturen erfordern robuste Pastenflußmittel. Verwendet man rückstandsarme Pasten (No clean Pasten ) benötigt man eine Inertgasatmosphäre beim Löten.Also due to the emergence of lead-free solders (higher liquidus temperature), higher temperatures must be set in soldering systems, e.g. reflow soldering systems. Higher reflow temperatures require robust paste fluxes. If low-residue pastes (no-clean pastes) are used, an inert gas atmosphere is required when soldering.

Die Gefahr der Lunkerbildung bei flächigen Lötstellen ist in Abhängigkeit von der Größe der Lötflächen vorhanden. Durch Einschluß von Bestandteilen der Lotpaste sind Lunkerbildungen vorprogrammiert sie stellen einen systematischen potentiellen Fehler in der Qualität dar.The risk of voids forming in flat solder joints depends on the size of the soldering surfaces. The inclusion of components in the solder paste means that voids are inevitable and represent a systematic potential defect in quality.

Zur Vermeidung von Lunkern und Blasen in den Lötstellen wird bei dem Reflowlöten die ganze Lötanlage evakuiert was einen sehr hohen Kosten- und Verschmutzungsfaktor darstellt.To avoid voids and bubbles in the soldering joints, the entire soldering system is evacuated during reflow soldering, which represents a very high cost and contamination factor.

Bei Lötanlagen z.B. Reflow Lötanlagen die mit Konvektion arbeiten entstehen durch die Bauteilegeometrie und Anordnung unterschiedliche Reflexions und Absorbtionsflächen des Lötgutes, was zu unterschiedlichen Temperaturen in verschiedenen Lötregionen führt. Dies führt bei den Lotpasten zu Spaltprodukten der Flußmittel was zur Beeinträchtigung derIn soldering systems, e.g. reflow soldering systems that work with convection, the component geometry and arrangement result in different reflection and absorption surfaces of the soldering material, which leads to different temperatures in different soldering regions. This leads to fission products of the flux in the solder pastes, which impairs the

Lötverbindung führt. Wegen der erhöhten Reflowtemperaturen muss man die Belastbarkeit der Bauteile in Betracht ziehen.solder joint. Due to the increased reflow temperatures, the load capacity of the components must be taken into account.

Die Lösung der Aufgabenstellung war die Kombination der beiden Verfahren (Vakuum und Inertgas) in einer Art Vakuumglocke in Lötanlagen z.B. einer Reflow Lötanlage, zu integrieren. Einmal die Inertgasathmosphäre und die Evakuierung durch eine Vakuumglocke. Durch diese Erfindung wird selbst bei großen Lötflächen eine Lunkerfreie Lötung gewährleistet. Das Lötgut wird bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes aus der Lötzone transportiert. Die einsetzende Abkühlung wird das Lötgut einer Vakuumbehandlung unterzogen. Das eigentliche Aufschmelzen der Lotpaste findet unter einer Inertgasathmosphäre statt. Das Belüften der Vakuumeinheit erfolgt ebenfalls mit einem Inertgas, Luft oder einem ähnlichen Gas. Der gesamte Vorgang ist bei reduzierter Qualität auch mit Luft durchführbar.The solution to the problem was to combine the two processes (vacuum and inert gas) in a kind of vacuum bell in soldering systems, e.g. a reflow soldering system. Firstly, the inert gas atmosphere and the evacuation through a vacuum bell. This invention ensures that soldering is free of cavities even with large soldering surfaces. The soldering material is transported out of the soldering zone at a temperature above the melting point of the solder. As it cools down, the soldering material is subjected to vacuum treatment. The actual melting of the solder paste takes place under an inert gas atmosphere. The vacuum unit is also ventilated with an inert gas, air or a similar gas. The entire process can also be carried out with air, albeit with reduced quality.

Der Vorteil der Erfindung ist, nicht die ganze Reflow Lötanlage zu evakuieren. Dies bringt einen großen Kostenvorteil. Auch der Verschmutzungsgrad beschränkt sich nur auf den Bereich der Vakuumglocke. Der Vorteil der Inertgasathmosphäre bringt ein Oxydationsfreies Löten. Damit ist die Aufgabenstellung erfüllt eine fehlerfreie, hochproduktive, wirtschaftlich günstigste Lötverbindung für höchste Ansprüche in der Elektronik Industrie vorzustellen, die allen Stand der Technik im einzelnen anhaftenden Fehler ausschließt.The advantage of the invention is that the entire reflow soldering system does not have to be evacuated. This brings a major cost advantage. The level of contamination is also limited to the area of the vacuum bell. The advantage of the inert gas atmosphere means that soldering is oxidation-free. This fulfills the task of presenting a faultless, highly productive, economically advantageous solder joint for the highest demands in the electronics industry, which excludes all errors inherent in the state of the art in individual parts.

Der Verfahrensablauf erfolgt in Folgender Weise.The procedure is as follows.

Schritt 1 Die Lotpaste wird partiell auf das Lötgut (z.B. Leiterplatte oder ähnliche Substrate) aufgebracht. Dies erfolgt in bekannter Weise. Entweder wird die Lotpaste über Siebdruck Schablonendruck oder über Dispenser aufgebracht.Step 1 The solder paste is partially applied to the item to be soldered (e.g. circuit board or similar substrates). This is done in a known manner. The solder paste is either applied via screen printing, stencil printing or via a dispenser.

Schritt 2 Das Lötgut wird mit den Bauteilen bestückt (manuell oder automatisch).Step 2 The soldering material is fitted with the components (manually or automatically).

Schritt 3 Das Lötgut wird auf den Einlauf der Lötanlage z.B. der Reflow Lötanlage gelegt. Dies ist in der Regel ein Transportband beim Inline Betrieb oder eine Beladeebene bei Batch Systemen.Step 3 The item to be soldered is placed on the inlet of the soldering system, e.g. the reflow soldering system. This is usually a conveyor belt in inline operation or a loading level in batch systems.

Schritt 4 Das Lötgut wird in die jeweilige Anlage eingefahren. In der ersten Station wird das Lötgut getrocknet. Die in der Lotpaste befindlichen Lösemittel entweichen.Step 4 The item to be soldered is fed into the respective system. In the first station, the item to be soldered is dried. The solvents in the solder paste escape.

Schritt 5 In der Lötzone der Inertgasathmosphäre wird die Lotpaste zum Aufschmelzen gebracht.Step 5 The solder paste is melted in the soldering zone of the inert gas atmosphere.

Durch das Inertgas wird eine Oxydation vermieden.The inert gas prevents oxidation.

Schritt 6 und Das Lötgut wird einer Vakuumbehandlung durch eine Vakuumglocke unterzogen. Die Vakuumglocke wird entsprechend auf bzw. ab bewegt. Ebenso kann das Lötgut auch durch Bewegung nach oben an eine feststehende Vakuumglocke bewegt werden.Step 6 and the soldering material is subjected to vacuum treatment by a vacuum bell. The vacuum bell is moved up and down accordingly. The soldering material can also be moved upwards to a fixed vacuum bell.

Schritte Das Lötgut wird in einer Abkühlstation entsprechend den Erfordernissen abgekühlt.Steps The soldering material is cooled in a cooling station according to requirements.

Schritt 9Step 9

Das Lötgut fährt aus der Anlage und kann entnommen werdenThe soldering material leaves the system and can be removed

Fig 1 zeigt den schematischen Aufbau z.B einer Reflow Lötanlage mit den einzelnen Verfahrensschritten. Die Verfahrensschritte 3,4,5,8,und 9 sind Anlagen die dem Stand der Technik entsprechen. Schritt 6 und 7 ist die Kombination der beiden Verfahren einmal die Inertgasathmosphäre und die Vakuumbehandlung.Fig. 1 shows the schematic structure of a reflow soldering system with the individual process steps. Process steps 3, 4, 5, 8 and 9 are systems that correspond to the state of the art. Steps 6 and 7 are the combination of the two processes, the inert gas atmosphere and the vacuum treatment.

Nachdem das Lötgut aus der Aufschmelzzone kommt und die Lotpaste sich in aufgeschmolzenen Zustand befindet, wird das Lötgut unter die Vakuumglocke transportiert. Über eine Hebe und Senkvorrichtung wird die Vakuumglocke durch eine Hubbewegung in die untere Position gefahren. Das Vakuum wird an das Lötgut angelegt. Die Einschlüsse verdampfen in der Flüssigphase des Lotes. Weiter wird noch in der Flüssigphase des Lotes der Rezipient mit Stickstoff oder einem anderen Inertgas beflutet wodurch schließlich in der Endphase des Beflutens der Schmelzpunkt des Lotes unterschritten wird. Damit sind die Verfahrensschritte 6 und 7 abgeschlossen und das gelötete Gut kann weitertransportiert werden in die Abkühlstation (Schritt 8).After the soldering material comes out of the melting zone and the solder paste is melted, the soldering material is transported under the vacuum bell. The vacuum bell is moved to the lower position by a lifting and lowering device. The vacuum is applied to the soldering material. The inclusions evaporate in the liquid phase of the solder. The recipient is then flooded with nitrogen or another inert gas while the solder is still in the liquid phase, which ultimately causes the melting point of the solder to fall below the melting point in the final flooding phase. This completes process steps 6 and 7 and the soldered material can be transported to the cooling station (step 8).

Die Vakuumphase in Schritt 6,7 ermöglicht es, großflächige Lotverbindungen lunkerfrei auszuführen. Das Zusammenwirken der Inertgasathmosphäre mit der Oberfläche aller zu lötenden Teile und das anschließende Evakuieren führen zu einer Lösung der gestellten Aufgabe.The vacuum phase in steps 6 and 7 makes it possible to create large-area solder joints without cavities. The interaction of the inert gas atmosphere with the surface of all parts to be soldered and the subsequent evacuation lead to a solution to the problem.

Fig 2 zeigt die Vakuumglocke 2. Diese kann entsprechend auf und ab bewegt werden. Ebenso die Dichtplatte 1. Die Vakuumglocke 2 reicht über das Transportband 4. Bei geschlossener Vakuumglocke 2 wird über den Stutzen 7 die Vakuumglocke entvakuumisiert. Über die Dichtlippe 8 an der Vakuumglocke 2 und die Dichtplatte 1 ist das System von der äußeren Atmosphäre abgeschlossen. Für das Belüften wird beim Stutzen 6 entweder Stickstoff oder Luft eingeblasen. Das Lötgut 9 bleibt so lange unter der Vakuumglocke bis der Erstarrungspunkt des Lotes erreicht ist. Das Transportband ist durch die Ausführung der Vakuumglocke in Segmente aufgeteilt. Dadurch können unterschiedliche Geschwindigkeiten in den jeweiligen Segmenten gefahren werden.Fig. 2 shows the vacuum bell 2. This can be moved up and down accordingly. The same applies to the sealing plate 1. The vacuum bell 2 extends over the conveyor belt 4. When the vacuum bell 2 is closed, the vacuum bell is de-vacuumed via the nozzle 7. The system is sealed off from the outside atmosphere via the sealing lip 8 on the vacuum bell 2 and the sealing plate 1. For ventilation, either nitrogen or air is blown in at the nozzle 6. The soldering material 9 remains under the vacuum bell until the solidification point of the solder is reached. The conveyor belt is divided into segments by the design of the vacuum bell. This means that different speeds can be driven in the respective segments.

Bezugszeichenliste Fig. 1 z.B. Reflow LötanlageList of reference symbols Fig. 1 e.g. reflow soldering system

3. Einlauf3. Enema

4. Troknen4. Drying

5. Aufschmelzen in Inertgas5. Melting in inert gas

6. und 7. Vakuumbehandlung6. and 7. Vacuum treatment

8. Abkühlen8. Cooling down

9. Auslauf9. Outlet

¹ O ¹ O

Bezugszeichenliste Fig.2List of reference symbols Fig.2

1. Dichtplatte1. Sealing plate

2. Vakuumglocke2. Vacuum bell

3. Transportband Einlauf3. Conveyor belt inlet

4. Transportband unter Vacuumglocke4. Conveyor belt under vacuum bell

5. Transportband Auslauf5. Conveyor belt outlet

6. Belüftung6. Ventilation

7. Vakuumabsaugung7. Vacuum extraction

8. Dichtlippe8. Sealing lip

9. Lötgut9. Soldering material

Claims

1. Soldering systems which work both in inline operation and in batch operation, which use infrared, convection, hot air, microwave or other methods (except vapor phase) to heat the item to be soldered, for example, and which pass through the following stations: introduction into the system, drying station, melting station with inert gas, a vacuum station, a cooling station and removal from the system, generally referred to as reflow soldering systems, characterized in that a vacuum bell 2 is located in the reflow soldering system.

2. Reflow soldering system according to claim 1, characterized in that the vacuum bell 2 and/or sealing plate 1 are vertically displaceable.

3. Reflow soldering system according to claim 1-2, characterized in that the vacuum bell 2 is closed with the sealing plate 1 .

4. Reflow soldering system according to claims 1-3, characterized in that the vacuum bell can be flooded with nitrogen or air.

5. Reflow soldering system according to claims 1-4, characterized in that the transport in the reflow soldering system is divided into individual segments.