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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen einer Baugruppe, wobei die Baugruppe mindestens ein Bauteil und eine Leiterplatte umfasst, wobei das mindestens eine Bauteil mittels mindestens einer Lotverbindung mit der Leiterplatte verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zum Trennen einer Baugruppe.
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Eine Lotverbindung wird durch ein Lötverfahren erhalten, welches mittels eines thermischen Verfahrens eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt.
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Leiterplatten mit darauf gelöteten Bauteilen werden in den von der Endress+Hauser Gruppe hergestellten und vertriebenen Feldgeräten der Automatisierungstechnik in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen eingesetzt. Feldgeräte werden zur Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessgrößen eingesetzt. Als Feldgeräte werden dabei im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Dabei handelt es sich beispielsweise um Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Feldgeräte weisen oftmals eine, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zumindest abschnittsweise mit einem Prozessmedium in Kontakt stehende Sensoreinheit auf, welche der Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Signals dient. Ferner weisen diese oftmals eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit auf, wobei die Elektronikeinheit der Verarbeitung und/oder Weiterleitung von von der Sensoreinheit erzeugten Signalen, insbesondere elektrischen und/oder elektronischen Signalen, dient.
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Elektronikeinheiten umfassen oftmals mindestens eine Leiterplatte mit darauf in einem oder mehreren Lötverfahren aufgelöteten Bauteilen. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Lötverfahren bekannt, deren Auswahl durch die Anwendung, insbesondere der zu verlötenden Bauteile und/oder des Lots bestimmt wird.
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Ein in industriellen Fertigungslinien zur Herstellung von Leiterplatten weit verbreitetes Lötverfahren ist das Reflow-Löten oder auch Wiederaufschmelzlöten (englisch: reflow soldering), bei dem oberflächenmontierbare Bauteile, so genannte ‚Surface Mounted Devices‘ (kurz: SMD-Bauteile) direkt auf vorgesehene Kontaktflächen aufgelötet werden. Hierzu werden die SMD-Bauteile mit Bestückungsautomaten maschinell auf die mit Lotpaste versehene Kontaktfläche auf der Leiterplatte platziert und gemeinsam mit einem Reflow-Lötprozess in einem Reflow-Lötofen aufgelötet. Damit wird gleichzeitig eine Vielzahl von Lotverbindungen erzeugt.
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Neben den SMD Bauteilen gibt es spezielle Bauteile, die bedingt durch ihre Funktion größere Abmessungen aufweisen. Diese Bauteile sind bevorzugt als Through Hole Technology-Bauteile - kurz THT-Bauteile ausgebildet. THT-Bauteile werden typischerweise in einem Wellenlötverfahren verlötet. Dabei wird die Leiterplatte über eine sogenannte Lotwelle gefahren, die dadurch erzeugt wird, dass flüssiges Lot durch einen schmalen Spalt gepumpt wird.
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Sowohl dem Reflow-Löten als auch das Wellenlöten ist dabei gemein, dass das Lot (bzw. das Lötgut) während dem Lötprozess einem sogenannten Temperaturprofil ausgesetzt wird. Damit wird ein Temperatur-Zeit-Verlauf beim Löten bezeichnet. Das Temperaturprofil umfasst typischerweise ein Vorheizen des Lots und/oder des Lötguts, das Erreichen einer maximalen Temperatur, welche oberhalb der Liquidustemperatur des Lots liegt, und einem anschließenden Abkühlen. Im Stand der Technik ist man bemüht, kleine Abkühlraten zu erreichen, um damit Lotverbindungen von ausreichend hoher Qualität, d.h. beispielsweise hochfeste Lotverbindung mit ausreichend großer mechanischer Beständigkeit, herzustellen.
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Derartige Lotverbindungen haben allerdings den Nachteil, dass zum Entfernen des Bauteils von der Kontaktfläche dessen Lotverbindung(en) wieder aufgeschmolzen werden muss/müssen. Dies ist zum einen energieintensiv, zum anderen können dabei giftige Dämpfe entstehen. Zum Schutz der Umwelt und zu einer verbesserten Möglichkeit des Recyclings von Leiterplatten ist es wünschenswert, eine einfachere Möglichkeit zum Entfernen der Bauteile anzugeben. Dies gilt insb. für Leiterplatten, welche in Geräten mit vergleichsweise kurzer Lebensdauer wie bspw. zwischen 2 bis 10 Jahren eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zum Trennen eines Bauteils von der Leiterplatte anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Anlage nach Anspruch 6.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Trennen einer Baugruppe, wobei die Baugruppe mindestens ein Bauteil und eine Leiterplatte umfasst, wobei das mindestens eine Bauteil mittels mindestens einer Lotverbindung mit der Leiterplatte verbunden ist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:
- - Durchführen einer thermischen Konditionierung der mindestens einen Lotverbindung, umfassend die Schritte:
- ◯ Aufheizen der mindestens einen Lotverbindung,
- ◯ Nach dem Aufheizen, Abkühlen der mindestens einen Lotverbindung mit einer Abkühlrate, so dass die mindestens eine Lotverbindung erstarrt, wobei die Abkühlrate größer als 6°C/s ist,
- - Trennen des mindestens einen Bauteils von der Leiterplatte mittels Einwirkung einer Kraft, so dass ein Sprödbruch der mindestens einen Lotverbindung erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird eine bereits vorhandene Lotverbindung einer Baugruppe derart thermisch konditioniert, dass diese sprödbrechend wird. Dabei führt die thermische Konditionierung, d.h. das Aufheizen und schnelle Abkühlen der Lotverbindung zu einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der plastischen Eigenschaften, der mindestens einen Lotverbindung. In der Regel werden Lotverfahren so gestaltet, dass eine über einen längeren Zeitraum stabile Lotverbindung erhalten wird. Die beim Lotverfahren erzeugte Lotverbindung ist damit typischerweise nicht-spröde bzw. duktil, wobei nicht-spröde und duktil im Sinne dieser Anmeldung bedeuten, dass die Lotverbindung nicht durch einen Sprödbruch trennbar ist. Mit Sprödbruch wird in der Bruchmechanik ein schlagartig auftretendes Materialversagen bezeichnet. Sprödbrechende Werkstoffe bzw. Lotverbindungen zeichnen sich im Spannungs-Dehnungs-Diagramm durch einen steilen Anstieg der Hook'schen Geraden aus, an deren Ende der Bruch ohne plastische Deformation erfolgt.
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Um eine durch einen Sprödbruch trennbare Lotverbindung zu erzeugen, kann die bereits vorhandene Lotverbindung nachträglich thermisch konditioniert werden. Das Aufheizen der mindestens einen Lotverbindung kann dazu führen, dass eine Liquidustemperatur der mindestens einen Lotverbindung überschritten wird. Jedoch stellt dies keine Bedingung dar, sondern das Aufheizen kann auch ein Erwärmen der mindestens einen Lotverbindung auf Temperaturen unterhalb einer Liquidustemperatur der mindestens einen Lotverbindung sein, insbesondere von bspw. mindestens 20 °C, insbesondere mindestens 40 °C, unterhalb der Liquidustemperatur der mindestens einen Lotverbindung. Entscheidend beim Konditionieren ist das rasche Abkühlen der mindestens einen Lotverbindung bei einer Abkühlrate von mindestens 6°C/s. Bei dieser Abkühlrate ändern sich die Eigenschaften der mindestens eine Lotverbindung derart, dass eine sprödbrechende Lotverbindung erzeugt wird. Diese wird im Anschluss unter Einwirkung einer Kraft sprödgebrochen, so dass das mindestens eine Bauteil von der Leiterplatte getrennt wird. Der Verfahrensschritt des Trennens des mindestens einen Bauteils von der Leiterplatte kann insbesondere bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Mithilfe der thermischen Konditionierung der mindestens einen Lotverbindung wird somit erreicht, dass das mindestens eine Bauteil auf einfache Weise von der Leiterplatte getrennt werden kann.
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Im Falle, dass das mindestens eine Bauteil mehrere Lotverbindungen aufweist oder dass die Leiterplatte mit mehreren Bauteilen verbunden ist, so kann vorteilhafterweise ein Großteil der Bauteile im Wesentlichen gleichzeitig von der Leiterplatte unter Einwirkung einer Kraft auf die jeweilige Lotverbindung mittels Sprödbruch getrennt werden.
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Insbesondere wird als Abkühlrate eine Abkühlrate von größer 8°C/s, insbesondere von größer 10°C/s, verwendet. Die Abkühlrate kann kleiner sein als 50°/s.
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In einer Ausgestaltung wird die Abkühlrate mittels Zuführen eines flüssigen Mediums zu der mindestens einen Lotverbindung eingestellt. Das flüssige Medium kann insbesondere flüssiger Stickstoff sein, aber auch andere flüssige Medien sind möglich, wie beispielsweise Wasser oder Öl oder Medien, die Wasser oder Öl enthalten. Das flüssige Medium dient insbesondere als Kühlmittel.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird für das Trennen des mindestens einen Bauteils von der Leiterplatte eine Krafteinwirkung von weniger als 40 N, insbesondere weniger als 30 N, insbesondere weniger als 20 N, insbesondere weniger als 10 N, eingesetzt.
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Bevorzugt wird das mindestens eine Bauteil von der Leiterplatte mittels Verwinden, Unterdruck, Ultraschall, Trockeneis, einer Luftklinge, freien Falls, einer schlagartigen mechanischen Beanspruchung und/oder einer Bürste getrennt. Als Verwinden wird insbesondere ein Verformen bzw. Verbiegen der Leiterplatte bezeichnet. Als Luftklinge wird eine Düse bezeichnet, aus welcher ein Luftstrahl mit einer hohen Geschwindigkeit austritt. Hinsichtlich des freien Falls kann eine Fallvorrichtung verwendet werden, in welche die Baugruppe eingesetzt und unter Einwirkung der Erdbeschleunigung über eine definierte Strecke fallengelassen wird, bis die Baugruppe auf eine Aufprallfläche auftrifft. Mittels der Bürste kann das mindestens eine Bauteil von der Leiterplatte abgeschert werden.
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Hinsichtlich der Anlage wird die der vorliegenden Anmeldung zugrundeliegenden Aufgabe ferner gelöst durch eine Anlage zum Trennen einer Baugruppe, wobei die Baugruppe mindestens ein Bauteil und eine Leiterplatte umfasst, wobei das mindestens eine Bauteil mittels mindestens einer Lotverbindung mit der Leiterplatte verbunden ist, mit
- - einem Heizbereich, welcher dazu ausgestaltet ist, die mindestens eine Lotverbindung aufzuheizen,
- - einem Abkühlbereich, welcher dazu ausgestaltet ist, die mindestens eine Lotverbindung nach dem Aufheizvorgang bei einer Abkühlrate abzukühlen, so dass die mindestens einen Lotverbindung erstarrt, wobei die Abkühlrate größer als 6°C/s ist,
- - einem Trennbereich, welcher dazu ausgestaltet ist, das mindestens eine Bauteil mittels Einwirkung einer Kraft von der Leiterplatte zu trennen, so dass ein Sprödbruch der mindestens einen Lotverbindung erfolgt.
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In der erfindungsgemäßen Anlage wird eine Baugruppe thermisch konditioniert und anschließend mittels eines Sprödbruchs in ihre Komponenten, d.h. Leiterplatte und Bauteil(e), getrennt. Dabei ist die Anlage derart ausgestaltet, dass die Baugruppe zunächst den Heizbereich, dann den Abkühlbereich und schließlich den Trennbereich passiert. Die erfindungsgemäße Anlage ist insbesondere dazu geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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In einer Ausgestaltung weist der Heizbereich mindestens ein Heizelement auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Abkühlbereich mindestens einen Wärmetauscher auf.
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In einer Weiterbildung weist der Abkühlbereich eine Öffnung auf, mittels welcher ein flüssiges Medium in den Abkühlbereich zuführbar ist. Das flüssige Medium kann insbesondere flüssiger Stickstoff sein, aber auch andere flüssige Medien sind möglich, wie beispielsweise Wasser oder Öl oder Medien, die Wasser oder Öl enthalten.
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Bevorzugterweise weist die Anlage ferner ein Transportmittel zur Aufnahme der Leiterplatte auf, wobei das Transportmittel dazu ausgestaltet ist, die Baugruppe durch den Heizbereich, den Abkühlbereich und den Trennbereich zu transportieren. Das Transportmittel kann in Form eines Transportbands ausgestaltet sein. Das Transportband kann einteilig oder in Form von mehreren modularen Abschnitten ausgestaltet sein.
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Insbesondere kann das Transportmittel dazu ausgestaltet sein, die Leiterplatte und das mindestens eine Bauteil im Trennbereich nach dem Trennen des mindestens einen Bauteils von der Leiterplatte separat zu transportieren. Beispielsweise kann das Transportmittel zwei Bereiche aufweisen, von denen einer zum Transportieren der Leiterplatte und der andere zum Transportieren des mindestens einen Bauteils ausgestaltet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Trennbereich ein Trennmittel aufweist, welches dazu ausgestaltet ist, die Kraft auf die mindestens eine Lotverbindung einzuwirken.
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Insbesondere ist das Trennmittel eine Bürste, eine Luftklinge, ein Ultraschallgerät, eine Fallvorrichtung, ein Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks und/oder ein Mittel zum Verwinden der Leiterplatte.
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Die Erfindung soll im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert werden. Sie zeigen:
- 1a-b: schematische Darstellung der Baugruppe vor und nach dem Trennens des mindestens einen Bauteils von der Leiterplatte.
- 2: eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage.
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Die erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage sind auf Baugruppen umfassend mindestens ein Bauteil und eine Leiterplatte, welche mittels mindestens einer Lotverbindung verbunden sind, anwendbar.
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Eine Baugruppe 1 wird durch ein Lötverfahren, bspw. ein Reflow-Löten, hergestellt. Dabei wird ein Lot, bspw. in Form einer Lotpaste, auf eine dafür vorgesehene Kontaktfläche des mindestens einen Bauteils 2 oder der Leiterplatte 3 aufgetragen. Anschließend wird das mindestens eine Bauteil 2 auf der Leiterplatte 3 platziert und mit der Leiterplatte 3 in einem thermischen Prozess verlötet. Eine solche Baugruppe 1 ist schematisch in 1a dargestellt. Die Baugruppe 1 kann nach ihrer Herstellung in unterschiedlichsten elektrischen oder elektronischen Geräten zum Einsatz kommen, wie bspw. Feldgeräten, Messgeräten, Laborgeräten oder Consumergeräten. Nach Ablauf des Lebenszyklus des Geräts wird dieses in der Regel entsorgt. Um die Baugruppe 1 zu recyclen, muss diese aus dem Gerät entfernt und in ihre einzelnen Komponenten aufgetrennt werden, wofür die mindestens eine Lotverbindung 4 getrennt werden muss.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine die mindestens eine Lotverbindung 4 der Baugruppe 1 thermisch konditioniert wird, indem diese zunächst aufgeheizt und anschließend bei einer Abkühlrate von mindestens 6°C/s abgekühlt wird. Aufgrund der hohen Abkühlrate verändern sich die mechanischen Eigenschaften der mindestens einen Lotverbindung 4, so dass diese sprödbrechende Eigenschaften erhält. Nach der thermischen Konditionierung wird das mindestens eine Bauteil 2 von der Leiterplatte 3 unter Einwirkung einer Kraft F getrennt, so dass ein Sprödbruch an der mindestens einen Lotverbindung 4 erfolgt. Bei diesem Trennungsschritt wird insbesondere eine Kraft F von weniger als 40 N, insbesondere weniger als 30 N, insbesondere weniger als 20 N, insbesondere weniger als 10 N, eingesetzt. 1b zeigt eine schematische Darstellung der Baugruppe 1 nach dem Trennungsschritt. Die Lotverbindung 4 ist sprödgebrochen; das mindestens eine Bauteil 2 und die Leiterplatte 3 liegen getrennt vor.
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Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage 5, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann, ist in 2 dargestellt. Die Anlage 5 weist drei Bereiche auf: einen Heizbereich 6 zum Aufheizen der mindestens einen Lotverbindung 4, einen Abkühlbereich 7 zum Abkühlen der mindestens einen Lotverbindung 4 und einen Trennbereich 8 zum Trennen des mindestens einen Bauteils 2 von der Leiterplatte 3. Die Baugruppe 1 wird auf ein optionales Transportmittel 12 gesetzt, welches dazu ausgestaltet ist, die Baugruppe 1 durch den Heizbereich 6, den Abkühlbereich 7 und den Trennbereich 8 zu transportieren. Die Baugruppe 1 passiert zunächst den Heizbereich 6, welches optional zwei Heizelemente 9 zum Aufheizen der mindestens einen Lotverbindung 4 aufweist.
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Anschließend wird die Baugruppe 1 in den Abkühlbereich 7 transportiert, welcher zwei optionale Wärmetauscher 10 aufweist. Die Wärmetauscher 10 sind dazu ausgestaltet, die mindestens eine Lotverbindung 4 mit der Abkühlrate von mindestens 6°C/s abzukühlen. Der Abkühlbereich 7 kann ferner eine Öffnung 11 aufweisen, mittels welcher ein flüssiges Medium in den Abkühlbereich 7 zuführbar ist. Das flüssige Medium ist dazu ausgestaltet, den Abkühlprozess zu unterstützen.
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Nachdem die mindestens eine Lotverbindung 4 im Abkühlbereich 7 abgekühlt und thermisch konditioniert wurde, wird die Baugruppe 1 in den Trennbereich 8 eingebracht. Dort ist beispielsweise ein Trennmittel 13 angeordnet, welches dazu ausgestaltet ist, eine Kraft F auf die mindestens eine Lotverbindung 4 auszuüben bzw. einzuwirken, so dass die mindestens eine Lotverbindung 4 sprödbricht und das mindestens eine Bauteil 2 von der Leiterplatte 3 getrennt wird. Das Trennmittel 13 kann eine Bürste sein, welche dazu ausgestaltet ist, das mindestens eine Bauteil 2 von der Leiterplatte 3 abzuscheren. Das Trennmittel 13 kann eine Luftklinge zum Erzeugen eines Luftstroms mit einer hohen Geschwindigkeit, ein Ultraschallgerät zum Erzeugen von Ultraschallwellen, ein Mittel zum Erzeugen eines Unterdrucks, wie bspw. eine Pumpe, eine Fallvorrichtung zum definierten Fallenlassen der Baugruppe und Aufprallen der Baugruppe auf eine Aufprallfläche und/oder ein Mittel zum Verwinden der Baugruppe sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Baugruppe
- 2
- Bauteil
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Lotverbindung
- 5
- Anlage
- 6
- Heizbereich
- 7
- Abkühlbereich
- 8
- Trennbereich
- 9
- Heizelement
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- Öffnung
- 12
- Transportmittel
- 13
- Trennmittel
- F
- Kraft