Vapourphase-Reflowlöten

Transkript

1 rehm Anlagenbau GmbH Vapourphase-Reflowlöten Wärmeübertragung und Handhabung der Medien 5. Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg Colonia San Jordi März 2002

2 Hans Bell rehm Anlagenbau GmbH Blaubeuren, Deutschland Harry Berek FNE Forschungsinstitut für Nichteisen-Metalle Freiberg, Deutschland Heinz Herwig Technische Universität Hamburg-Harburg Hamburg, Deutschland Andreas Moschallski Technische Universität Hamburg-Harburg Hamburg, Deutschland Mathias Nowottnick Fraunhofer IZM Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration Berlin, Deutschland Folie 2

3 Konventionelles Dampfphasen-Lötsystem Dampf kondensiert Kühlung Vapour Dampf Fluid Flüssigkeit Heizung Erste veröffentliche Dampfphasen-Lötanlage von R.C. Pfahl und H.H. Ammann 1975 Folie 3

4 Ziele des neuen Konzeptes Echtes (horizontales) Inline-Transportsystem Variable Temperaturprofilierung in der Vorheiz- und der Kühlzone Reduzierung der Betriebskosten Folie 4

5 Prinzip der Lötanlage Vorheizzone 1 Vorheizzone 2 Dampfphasenlötzone Kühlzone 1 Kühlzone 2 Folie 5

6 Eigenschaften des Perfluorpolyether (PFPE) Schutzatmosphäre Keine Oxydation und Korrosion während dem Lötvorgang Keine Auswirkungen auf Physiologie oder Umwelt Verfügbar für verschiedene Löttemperaturen bis zu 280 C Folie 6

7 Physikalische Eigenschaften PFPE HS260 im Vergleich zu H 2 O bei 1 bar Dichte der Flüssigkeit ρ L [kg/m 3 ] HS Wasser 958 Siedetemperatur T S [ C] Spezifische Verdampfungs-Enthalpie h v [kj/kg] Thermische Leitfähigkeit λ [W/mK] 0,047 0,677 Prandtl Zahl Pr bei T=T S ; flüssige Phase 13,77 1,756 Folie 7

8 Der Wärmeübergangskoeffizient α Definition : q = α =. t mit : q t = Wärmestromdichte = Temperaturunterschied Im Falle einer turbulenten Filmkondensation hängt der Wärmeübergangskoeffizient α von der Wärmeleitfähigkeit λ und von der Prandtl-Zahl Pr ab. α ~ Pr 0,4 λ Folie 8

9 Der Wärmetransfer q Im Falle einer turbulenten Filmkondensation hängt der Wärmetransfer q von der Wärmeleitfähigkeit λ=und von der Filmdicke δ ab. q = q Wand = λ t δ Te m p era tu r- profil λ δ Folie 9

10 Einfluss der Schrägstellung der Leiterplatte auf die Effizienz der Wärmeübertragung horizontal, hoch Lage der Leiterplatte diagonal horizontal, tief Zeit zum Erreichen der Peaktemperatur (240 C), in Sek. Quelle: Wittke, Klaus; Interner Untersuchungsbericht; Fraunhofer IZM Berlin; Januar 2000 Folie 10

11 Experimentelle Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten im Lötprozess Temperatur-Zeit-Verhalten für die Erwärmung bzw. Abkühlung eines Körpers (eines Würfels) mit speziellen Voraussetzungen T T B T0 T = exp( α=a c ρv t) B0 0 p mit: T B Temperatur des Körpers zu Zeit t T O Umgebungstemperatur T B0 Temperatur des Körpers zu Zeit 0 α Wärmeübergangskoeffizient A strahlende Oberfläche des Körpers V Volumen des Körpers c p spezifische Wärmekapazität des Körpers ρ Dichte des Körpers t Zeit Folie 11

12 Experimentelle Bestimmung des Wärmeüber- gangskoeffizienten α in einem Anpassungsprozess C Temperatur, C errechnet gemessen Typische Werte: 0 0:16:40 0:21:40 Ve rs uchs dauer Konvektions-Reflowlöten α = W/m 2 K Dampfphasenlöten α = W/m 2 K Kondensationslöten ( T O =212 C ) Errechneter Temperaturverlauf mit α=95 W/m 2 K und entsprechenden experimentellen Werten Folie 12

13 Spezielle zu berücksichtigende Effekte Druck [mbar] Dampfdruckkurve für HS % Luft 600 0% Luft Wenn das Wärmetransfermedium nur mit seinem Partialdruck zum Gesamtdruck beiträgt, kann die Siedetemperatur reduziert werden Temperatur [ C] Folie 13

14 Geschlossenes Kreislaufsystem für die Destillation der Medien Dampferzeuger 1 Dampferzeuger 2 Kondensation Rücklauf Kopf Vorwärmzone 1 Vorwärmzone 2 Lötzone Kühlzone 1 Kühlzone 2 Reservoir Gemisch Sumpf Folie 14

15 Destillation der Medien 300 Temperaturen ( C) unten oben Zeit (Sek.) Destillationskurven für eine Mischung von zwei verschiedenen Perfluorpolyether-Flüssigkeiten Folie 15

16 Untersuchung der Verunreinigungen nach der Destillation der Medien Rot: unbenutztes HS240 Blau: HS240 nach zwei Jahren Betrieb Intensität Wellenlänge Infrarot Spektrum vom Perfluorpolyether HS240 nach zwei Jahren Betrieb im Vergleich zu einem unbenutzen Medium zeigt keinen Hinweis auf Verunreinigungen Folie 16

17 Laboranlage zur experimentellen Untersuchung des Inline-Kondensationslötens Folie 17

18 Temperaturmessboard für praktische Untersuchungen (Siemens ICN Berlin) Folie 18

19 Gemessene Temperaturprofile beim Löten in der Inline-Kondensationslötanlage Temperaturen, C Atmosphäre LP-Oberfläche BE-Oberfläche unter dem BE Ausgewählte Temperaturen ( C) Atmos- LP BE- unter Zeit phäre Oberfl. Oberfl. dem BE 30 sek 259,5 252,5 254,5 249,5 1 min 260,5 255,5 256, min ,5 max ,5 257 Prozesszeit, St.:Min.:Sek. Folie 19

20 Vergleich der Temperaturanstiege Standard-Batchanlage / Inline-Kondensationslötanlage Batch-Dampfphasenlötanlage Inline-Kondensationslötanlage Normalisierte Temperatur Zeit: St.:Min:Sek Folie 20

21 Benetzungstest mit differenten Lotpasten Sn Pb Ag2 Sn Ag3.8 Cu 0.7 Folie 21

22 Lötergebnisse / Schliffbilder Gull Wing - Power IC Chip Resistor 1812 Ball Grid Array Folie 22

23 Zusammenfassung Der Kondensationslötprozess ist von folgenden Hauptergebnissen gekennzeichnet: Effektiver Wärmetransfer durch Kondensation der Wärmeübertragunsmedien Kontrollierbares Temperaturprofil durch Benutzung von Medien mit unterschiedlichen Siedetemperaturen In-situ Regeneration der Medien in einem geschlossenen Kreislaufprozess durch Destillation Kein bedeutender Einfluss durch Verunreinigungen Folie 23