DE3018512A1

DE3018512A1 - Vorrichtung und verfahren zum erhitzen von gegenstaenden, insbesondere zum loeten

Info

Publication number: DE3018512A1
Application number: DE19803018512
Authority: DE
Inventors: Peter David Bentley; James Francis Pollock
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1980-05-14
Publication date: 1980-12-04
Also published as: NL8002848A; US4392049A; GB2058335A; US4327271A; GB2058335B; DE3018512C2

Description

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Bie Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zum Übertragen von Wärme auf einen Gegenstand durch Kondensieren eines Dampfs darauf, und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kondensationslöten. Das Kondensationslöten ist u.A. beschrieben in

1) R.C. Pfahl Jr., J.C. Mollendorf, T.X. Chu : "Condensation Soldering", Welding Journal, Januar 1975;

2) US-PS 3 866 307 und

3) einem Artikel von T.Y. Chu et al in Western Electric Engineer, April 1975·

Auf diese Veröffentlichungen ist im folgenden Bezug genommen.

Das Erhitzen eines Gegenstands durch Kondensations-warmeübertragung erfordert das Eintauchen des Gegenstands in den gesättigten Dampf einer Arbeitsflüssigkeit. Ist dabei die Temperatur des Gegenstands zunächst niedriger als die Temperatur des gesättigten Dampfs, so kondensiert dieser auf dem Gegenstand und überträgt dadurch seine latente Wärme auf diesen. Beim Kondensationslöten wird der heiße Dampf einer geeigneten Flüssigkeiten dazu verwendet, Wärme durch Ausnützung der latenten Wärme beim Kondensieren des Dampfs schnell auf einen Lötmetallvorformling zu übertragen, so daß dieser unter Einfluß der Oberflächenspannung fließt und eine Lötverbindung

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herstellt. Das Kondensat des verwendeten Dampfs ist mit dem geschmolzenen Lot nicht mischbar, so daß beim Kondensationslöten eine saubere Umgebung vorhanden ist, in welcher das Löten gut vonstatten geht.

In einer Ausführungsform schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erhitzen eines Gegenstands durch Kondensieren eines Dampfs darauf , mit einer verschließbaren Kammer für die Aufnahme des Gegenstands, einer mit der Kammer verbindbaren, eine strömungsdurchlässige, elektrisch leitende Matrix enthaltenden Dampfquelle und Einrichtungen zum Hindurchleiten einer zu verdampfenden Flüssigkeit durch die Matrix zum Erzeugen eines Dampfs für die Erhitzung des Gegenstands unter Einwirkung der Jouleschen Erwärmung der Matrix.

Die Vorrichtung kann eine Vakuumeinrichtung zum Verringern des Drucks innerhalb der Kammer auf einen beträchtlich unter dem atmosphärischen Druck liegenden Wert aufweisen, oder die Kammer kann einen in Abhängigkeit von Drückenderungen innerhalb derselben ausdehnbaren und schrumpfbären Bereich haben, wodurch in ihrem Inneren im wesentlichen atmosphärischer Druck erhalten bleibt.

In einer anderen Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erhitzen eines Gegenstands durch Kondensieren eines Dampfs darauf, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß man den Gegenstand in eine ver-

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schließbare Kammer bringt, die Kammer verschließt, eine Flüssigkeit durch eine strömungsdurchlässige, elektrisch leitende Matrix hindurchleitet, um aus wenigstens einem Teil der Flüssigkeit Dampf zu erzeugen, und den Dampf in die Kammer leitet, um den Gegenstand durch Kondensieren des Dampfs darauf zu erhitzen.

Bei Durchführung des Verfahrens kann der Innendruck der Kammer vor dem Einleiten des Dampfs auf einen beträchtlich unter dem atmosphärischen Druck liegenden Wert verringert werden, oder es kann in der Kammer im wesentlichen atmosphärischer Druck aufrecht erhalten werden.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Kondensationslöten, weshalb sich die Erfindung ferner auf einen Gegenstand richtet, welcher eine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Lötverbindung aufweist.

Die vorstehend genannte strömungsdurchlässige und elektrisch leitende Matrix für einen Verdampfer hat vorzugsweise die Form eines zylindrischen Hohlkörpers aus einem strömungsdurchlässigen, elektrisch leitenden Werkstoff, welcher sich zwischen zwei elektrischen Anschlüssen erstreckt, an welche eine geeignete Spannung angelegt werden kann. Beispiele für derartige Verdampfer sind in den GB-Patentschriften 1 395 494 und 1 466 240 beschrieben, sowie in der GB-Patentanmeldung 21 702/77 (DE-0S28 22 536.7; US-Ser.ITo. 908 681), auf welche hier insoweit bezug genommen wird.

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Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der,Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtungzum Kondensationslöten,

Fig. la eine schematisierte Axialschnittansicht eines ; in der Vorrichtung nach I¹Ig. 1 verwendeten Verdampfers und

lig. 2 eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zum Kondensationslöten in einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Eine in Pig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 zum Kondensationslöten enthält eine Kammer 12 mit einer druck- und unterdrückdicht verschließbaren Tür 14, durch welche hindurch ein zu lötender Gegenstand 16, z.B. ein mit (nicht gezeigten) Lot-Vorformlingen versehener Schaltungsträger, auf eine Trageinrichtung 18 in der Kammer 12 aufsetzbar ist. Eine an einer Seite der Kammer 12 von einer Stelle nahe dem Boden derselben ausgehende Leitung 20 erstreckt sich aufwärts zu einer Verdampferkammer 22, in welcher ein Verdampfer 26 der in den vorstehend genannten Veröffentlichungen beschriebenen Art angeordnet ist. Eine vom Boden der Kammer 12 ausgehende Leitung 28 führt über ein Ventil 29 zu einer Kondensationskammer 30, welehe eine Pluorkohlenstoff-Flüssigkeit (JPomblin) 31 enthält. Die Kondensationskammer 30 ist von einer Kühlschlange 32 umgeben und enthält eine weitere Kühlschlange 34- für die Umwälzung eines Kühl-

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mittels, z.B. Wasser. Von der Unterseite der Leitung führt eine Zweigleitung 38 zum unteren Teil der Kondensationskammer 30. Vom oberen Teil der Kammer 12 geht eine Entlüftungs- oder Abzugsleitung 40 mit einem Ventil 42 aus. Eine sich vom oberen Teil der Kondensationskammer 30 aufwärts erstreckende Leitung 46 führt über eine Kältefalle 48 und ein Ventil 50 zu einer rotierenden Vakuumpumpe 52, an deren Auslaßseite ein Sprühnebelfänger 54 angeschlossen ist.

Eine vom Boden der Kondensationskammer 30 ausgehende Abzugsleitung 58 führt über eine Pumpe 60 und ein Filter 62 zur Verdampferkammer 22. Wie man in Pig. 1a erkennt, ragt ein von Bohrungen 64 durchsetztes Endstück 66 der Leitung 58 in den Verdampfer 26 hinein. Dieser weist ein hohles, zylindrisches Heizelement aus einem strömungsdurchlässigen, elektrisch leitenden Material, z.B. Kohle, auf, welches sich zwischen zwei elektrischen Anschlüssen 70, 72 erstreckt. Der Anschluß 70 ist durch eine Isolierbuchse 71 elektrisch gegenüber der Abzugsleitung 58 isoliert. Ein an den Anschlüssen 70, 72 angeschlossener, einen Unterbrecher 76 enthaltender elektrischer Speisekreis 74 dient bei geschlossenem Unterbrecher 76 dazu, einen elektrischen Heizstrom von beispielsweise 200 A bei 20 V durch das Heizelement hindurchzuleiten.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird die Tür 14 dicht geschlossen, das Ventil 42 abgesperrt und die Ventile

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und 50 geöff net* Durch Absaugen von Luft mittels der /Vakuumpumpe 52 wird der Innendruck der Kammer 12 auf einen Wert zwischen 1 und 750 Torr abgesenkt, worauf die Ventile 50 und 29 geschlossen werden und die Vakuumpumpe 52 stillgesetzt wird. Darauf wird die Pumpe 60 in Gang gesetzt, um die Flüssigkeit 31 von der Eondensationskämmer über den Verdampfer 26 und die Leitungen 20 und umzuwälzen. Durch Schließen des Unterbrechers 76 wird dann der Verdampfer 26 eingeschaltet, so daß die Flüssigkeit 31 aufgrund der Jouleschen Erwärmung des Heizelements 68 verdampft wird. Der gesättigte oder überhitzte Dämpf der Flüssigkeit 31 gelangt über die Leitung 20 in die Kammer 12, in welcher er an deren Wänden, auf dem Gegenstand 16 und auf den Lot-Vorformlingen zu kondensieren beginnt. Die Dampferzeugung wird fortgesetzt, bis die Lot-Vorformlinge schmelzen und auf dem Gegenstand 16 zerfließen, um die gewünschten Lotverbindungen herzustellen. Darauf wird der Unterbrecher 76 geöffnet und die Pumpe 60 stillgesetzt. Dann wird das Ventil 29 geöffnet, so daß der Dampf an den Wänden der Kondensationskammer 30 und an der Kühlschlange 54 kondensiert. Zum Entfernen von nicht kondensiertem Dampf wird dann.das Ventil 50 geöffnet und die Vakuumpumpe in Gang gesetzt, wobei der größte Teil des noch vorhandenen Dampfs in der Kältefalle 48 kondensiert und das Kondensat in die Kondensationskammer 30 zurückfließt. Danach werden die Ventile 29 und 50 geschlossen und das Ventil 42 geöffnet, um Luft in die Kammer 12 ein-

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strömen zu lassen, so daß sick die Tür 14- öffnen und der Gegenstand 16 entnehmen läßt.

Da die Kammer 12 vor dem Einleiten des Dampfs und wiederum vor der Entnahme des Gegenstands 16 evakuiert
wird, sind die mit dem Teildruck der restlichen vorhandenen Luft oder mit dem Austrag von giftigem Dampf bei der Entnahme des Gegenstands 16 zusammenhängenden Schwierigkeiten weitgehend beseitigt. Eine gegebenenfalls in der Kammer 12 vorhandene Grenzschicht zwischen Luft und Dampf verläuft vorzugsweise ein gutes Stück über dem Gegenstand 16. Obgleich sich die vorstehende Beschreibung auf die Verwendung eines Fluorkohlenstoffs bezieht, welcher ein beträchtlich größeres Molekulargewicht hat als Luft, können auch Dämpfe mit einem erheblich niedrigeren Molekulargewicht verwendet werden.
Gewisse für das Kondensationslöten verwendete Flüssigkeiten, z.B. FOMBLIN, zeigen bei Verringerung des Drucks eine beträchtlich niedrigere Sättigungstemperatur. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Kondensationslöten nicht nur bei der dem atmosphärischen Druck zugeordneten Kondensationstemperatur einer Flüssigkeit durchführbar, sondern auch unter Bestimmung einer
gewünschten Kondensationstemperatur durch entsprechende Steuerung des Drucks. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbare Flüssigkeiten sind u.A. ein Polyoxypropylen mit einem Molekulargewicht von 950»16 und einem Siedepunkt von 223,9 ⁰C bei atmosphärischem

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Druck, ein unter dem eingetragenen Warenzeichen FOMBLIN erhältlicher Perflüorpolyäther, ein unter dem eingetragenen Warenzeichen FLUOEINERT erhältlicher Fluorfcohlenstoff und ein Vakuumpumpenöl auf Siliconbasis.

Da sich der Verdampfer 26 innerhalb weniger Sekunden nach dem Einschalten auf seine Betriebstemperatur erwärmt und überschüssiger nicht kondensierter Dampf sehr schnell mittels der Vakuumpumpe 52 abgezogen wird, ist ein ziemlich schneller Arbeitszyklus erzielbar. Das Heizelement 68 kann mit einer relativ hohen Stromdichte von z.B. 1000 W/cm* Material des Elements betrieben werden, so daß- ein sehr kompaktes Heizelement 68 verwendbar ist. Geeignete Heizelemente sind von der Firma Porous Element Heating Ltd., Bosten, England beziehbar.

Während die vorstehend beschriebene Vorrichtung Einrichtungen zum Verringern des Innendrucks der Kammer aufweist , enthält eine in Fig. 2 dargestellte andere Ausführungsform der Vorrichtung Einrichtungen zum Aufrechterhalten eines im wesentlichen atmosphärischen Drucks in der Kammer. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 80 hat eine Kammer 82, welche eine der vorstehend genannten Flüssigkeiten 85,deren Molekulargewicht größer ist als das der Luft, enthält und einen abnehmbaren Deckel 84 aufweist. Nach Abnahme des Deckels 84 ist ein Gegenstand, z.B. ein Schaltungsträger, mit darauf angeordneten Lot-Vorformlingen auf eine Unterlage 88 in der Kämmer 82

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aufsetzbar. Eine sich von der Kammer 82 abwärts zu einer Pumpe 92 erstreckende Leitung 88 führt anschließend über eine Kältefalle 92 und ein Filter 94- zu einem oberhalb der Kammer 82 angeordneten Verdampfer 26 der vorstehend anhand von Fig. 1 beschriebenen Art. Der Verdampfer 26 ist in einer Verdapmferkammer 96 enthalten und für die Stromspeisung über einen einen Unterbrecher 99 aufweisenden elektrischen Speisekreis 98 eingerichtet. Die Verdampferkammer 96 ist über eine abwärts führende Leitung 110 mit dem unteren Teil der Kammer 82 verbunden. Der Deckel 84 trägt einen aufrecht stehenden Faltenbalg 112, und im oberen Teil der Kammer 82 ist eine Kühlschlange 114 angeordnet.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird der Gegenstand mit den darauf angeordneten Lot-Vorformlingen auf die Unterlage 88 aufgesetzt und die Kammer 82 mit dem Deckel 84 verschlossen. Dann wird die Pumpe 90 in Gang gesetzt, um die Flüssigkeit 85 über den Verdampfer 26 umzuwälzen, worauf der Unterbrecher 99 geschlossen wird, um den Verdampfer 26 einzuschalten, so daß die Flüssigkeit aufgrund der Joulesehen Erwärmung des "erdampfers 26 verdampft. Der gesättigte oder überhitzte Dampf der Flüssigkeit 83 strömt über die Leitung 110 abwärts in die Kammer 82, in welcher er die darin vorhandene Luft auf derartige Weise verdrängt, daß sich eine scharf begrenzte Grenzschicht zwischen Dampf und Luft oberhalb des Gegenstands und vorzugsweise unterhalb der Kühl-

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schlänge 114· ausbildet. Der Dampf kondensiert an den Wänden der Kammer 82, am Gegenstand 86 und an den Lotvorförmlingen, so daß diese auf dem Gegenstand 86 zerfließen, wie vorstehend anhand von Fig. 1 erläutert. Darauf wird dann die Pumpe 90 stillgesetzt und der Unterbrecher 99 geöffnet. Nach einer gewissen Zeit, wahrend welcher die Flüssigkeit vomGegenstand 86 ablaufen kann, wird dann der Deckel 84- abgenommen und der Gegenstand aus der Kammer 82 entnommen.

Durch Ausdehnen und Zusammenziehen des Faltenbalgs 112 wird im Inneren der Kammer 82 im wesentlichen atmosphärischer Druck aufrechterhalten, wodurch sich die Auswirkungen des von der Luft in der Zaramer 82 ausgeübten Teildrucks auf ein Mindestmaß verringern. Hinsichtlich der schnellen Inbetriebnahme und Stillsetzung bietet die Vorrichtung nach Fig^ 2 zwar die gleichen Vorteile wie die anhand von Fig. 1 beschriebene, es besteht bei ihr jedoch das Problem des Austrage von Dampf bei der Abnahme des Deckels 84- und Entnahme des Gegenstands 86.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 kann jede für die Kondensationserhitzung geeignete Flüssigkeit unabhängig von ihrem Molekulargewicht verwendet werden, beispielsweise Siliconöle, soweit deren latente Kondensationswärme und andere Eigenschaften annehmbar sind. Dadurch lassen sich die Kosteh für die anfängliche Flüssigkeitsfüllung erheblich verringern, ebenso wie die bei Verwendung-gewisser Flüssigkeiten austretenden Gefahren für

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die Gesundheit.

Die Erfindung ist vorstellend zwar im Zusammenhang mit dem Kondensationslöten beschrieben, sie ist jedoch auch für andere Verfahren anwendbar, in denen ein Gegenstand durch die latente Kondensationswärme eines Dampfs erhitzt werden soll.

Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen besteht darin, daß jeweils ein Teil der !flüssigkeit unverdampft bleibt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Temperatur des erzeugten Dampfs an der Außenseite des Heizelements im wesentlichen konstant ist und im wesentlichen der Sättigungstemperatur für die betreffende Flüssigkeit bei dem gegebenen Betriebsdruck entspricht.

Werden Fluorkohlenstoffpolyäther-Flüssigkeiten auf etwa 300 bis 350 ⁰C erhitzt, so tritt ihr thermischer Zerfall ein, wobei die Zerfallsprodukte jedoch sämtlich flüchtige Stoffe sind. Die niedrigste Zerfallstemperatur derartiger Flüssigkeiten liegt gewöhnlich über der zu ihrer Verdampfung notwendigen Temperatur, so daß sich die chemische Zusammensetzung des Flüssigkeiten bei normalem Betrieb des Verdampfers 26 kaum verändert. Bei einem Auftreten von "heißen Stellen" oder anderen fehlerhaften Bedingungen kann es jedoch vorkommen, daß sich die Temperatur wenigstens eines Teils der Flüssigkeit soweit erhöht, daß sie zu zerfallen beginnt. Da die Zerfalls-

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; "■' - 15 -

produkte jedoch flüchtige Stoffe sind, können sie aus dem Verdampfer 26 ausgestoßen werden und zusammen mit der •verdampften Flüssigkeit daraus entweichen, so daß die Durchlässigkeit des Materials des Verdampfers 26 kaum beeinträchtigt wird.

Ein zusätzlicher Vorteil der Vorrichtung nach Pig. 1
besteht darin, daß man den Dampfdruck falls erwünscht über den atmosphärischen Druck ansteigen lassen kann.

Ende der Beschreibung

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Leer seife

Claims

DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SaNDMAIR

PATENTANWÄLTE
Postfach 860245 · 8000 München 86

Anwaltsakte 30 W ^' Mai 1980

United Kingdom Atomic Energy Authority

^: 11 Charles II Street, London SWTY 4QP

Großbritannien

Vorrichtung und Verfallren zum Erhitzen von Gegenständen, insbesondere zum Löten

Vorrichtung zum Erhitzen eines Gegenstands durch Kondensieren eines Dampfs darauf _y mit einer Kammer für die Aufnahme des Gegenstands und einer Dampfquelle, dadurch g e k en η ze i c h η e t, daß die Kammer (12) verschließbar ist und daß die Dampfquelle einen außerhalb der Kammer angeordneten und mit dieser verbindbaren

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Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850 ■ (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DEMM

Bayen Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

«(089)988272 Telegramme: 988273 , BERGSTAPFPATENT München 988274 . TELEX: 983310 0524560BERGd

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Verdampfer (26) aufweist, mit einer von einer Flüssigkeit (31) durchströmbaren, elektrisch leitenden Matrix (68) zum Erzeugen des Dampfs durch Verdampfung der Flüssigkeit.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch g e k e η η zeichnet, daß sie eine Vakuumpumpe (52) zum Verringern des Drucks innerhalb der Kammer (12) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Kammer (82) ein flexibles Teil (112) zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen . atmosphärischen Drucks innerhalb der Kammer aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Kondensationskammer (30) zum Kondensieren des Dampfs mit der Kammer (12) verbindbar ist.
5. Verfahren zum Erhitzen eines Gegenstands durch Kondensieren eines Dampfs darauf, dadurch gekennzeichnet, daß man den Gegenstand (16) in eine verschließbare Kammer (12) bringt, daß man die Kammer verschließt, daß man eine Flüssigkeit (31) durch eine strömungsdurchlässige, elektrisch leitende Matrix (68) eines Verdampfers (26) hindurchleitet, um einen Dampf der Flüssigkeit zu erzeugen, und daß man den Dampf in die Kammer leitet, um den Gegenstand durch die Kondensation des Dampfs darauf zu erhitzen.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ ei ch η e t, daß man den Druck innerhalb der Kammer (12) vor dem Einleiten des Dampfs absenkt.
?. Verfahren nach Anspruch 5 ί dadurch g e k e η η ζ ei ohne t, daß man den Innenraum der Kammer (82) auf im wesentlichen atmosphärischem Druck hält.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Dampf aus der Kammer (12) abzieht und ihn in einer Kondensationskammer (30) kondensiert.
9. Gegenstand mit einer Lötverbindung, dadurch g e ken η ze ic h η et, daß die Lötverbindung unter Anwendung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8 hergestellt ist.

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