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Dokumentenidentifikation DE102006013997A1 11.10.2007
Titel Lagersystem zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile, Verfahren zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte
Anmelder RM Michaelides Software & Elektronik GmbH, 36043 Fulda, DE
Erfinder Michaelides, Robert, 36037 Fulda, DE
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 27.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006013997
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse F24F 11/00(2006.01)A, F, I, 20060713, B, H, DE
Zusammenfassung Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Lagersystem zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile. Das Lagersystem umfasst ein abschließbares Volumen, eine Drucklufttrocknungsvorrichtung und eine Inertgas-Trocknungsvorrichtung zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen und eine Steuerung zum Ansteuern der Drucklufttrocknungsvorrichtung und der Inertgas-Trocknungsvorrichtung nach Maßgabe eines Sollwertes.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lagersystem für feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, Baugruppen und Materialien, bei dem die Atmosphärenfeuchte im Lagervolumen durch Trocknungsvorrichtungen beeinflusst wird, und auf ein Verfahren zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte.

Die die Schaltkreise umgebenden Kunststoffummantelungen können bei offener Lagerung Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft aufnehmen. Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile müssen trocken gelagert werden, um bspw. im Reflowlötprozess nicht zerstört zu werden. Durch die Hitzeentwicklung beim Verlöten der Schaltkreise verdampft die eingelagerte Feuchtigkeit schlagartig mit einem bis zu 1700-fachen Volumen im Vergleich zur Flüssigkeit. Der entstehende Dampf kann meist nicht schnell genug nach außen abgeführt werden, so dass es zu Zerstörungen (Cracks) im Inneren kommt. Ausfälle durch Mikrorisse sind die Folge, die zum Teil erst nach langer Zeit auftreten können. Wegen höherer Temperaturen im Bleifreiprozess nimmt die Gefahr von Beschädigung noch zu, da eingelagerte Feuchtigkeit noch schneller verdampft.

Die Trocknung der Atmosphäre kann entweder durch Anwendung von Druckluft oder von Inertgas wie Stickstoff erreicht werden. Wesentlich hierbei ist, dass (entspannte, ehemalige) Druckluft oder auch Inertgas wegen ihrer vorherigen Bearbeitung oder Herstellung vergleichsweise trocken sind. Die Druckluft zum Trocknen der Atmosphäre in einem Volumen wird in einem mehrstufigen Prozess erzeugt. Zuerst wird Umgebungsluft komprimiert, wobei ein Teil der in der Atmosphäre enthaltenen Feuchte kondensiert und abgeschieden werden kann. Optional kann die komprimierte Luft anschließend in einem weiteren Schritt kältegetrocknet werden. Die komprimierte Luft wird dann wieder entspannt und ist um die abgeschiedene Feuchte trockener als vorher. Sie wird dann in das zu trocknende Volumen geleitet. Dort mischt sie sich mit der schon vorhandenen Atmosphäre bzw. verdrängt diese. Auf diese Weise kann die Atmosphärentrocknung erreicht werden. In einer trockenen Atmosphäre trocknen auch dort eingelagerte Komponenten.

Ein Inertgas zum Trocknen der Atmosphäre stammt aus einem Reservoir, bspw. einer Gasflasche, in dem das industriell hergestellte, relativ trockene Gas aufbewahrt wird. Der Zustrom des relativ trockenen Inertgases in das Volumen wird über ein Ventil geregelt.

Der Nachteil der Drucklufttrocknung ist, dass minimal nur Werte bis ca. 10% Luftfeuchte erreicht werden können. Für niedrigere Luftfeuchtewerte muß ein trockenes Inertgas wie zum Beispiel Stickstoff eingesetzt werden.

Der Nachteil der Inertgas-Trocknung ist, dass die Trocknung durch ein Inertgas viel teurer als die Trocknung durch Druckluft ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lagersystem zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile und ein Verfahren zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte in einem Volumen anzugeben, die kostengünstig in einem weiten Wertebereich einzustellender Feuchten arbeiten können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Die vorliegende Erfindung ist ein Lagersystem zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile. Es weist ein abschließbares Volumen auf. Zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen gibt es eine Drucklufttrocknungsvorrichtung und eine Inertgas-Trocknungsvorrichtung, die je nach gewünschter Atmosphärenfeuchte im Volumen miteinander oder unabhängig voneinander angewendet werden können. Das Lagersystem kann gesteuert oder geregelt sein und eine Vielzahl von Kammern aufweisen, die getrennt voneinander gesteuert bzw. geregelt werden können.

Zum Erreichen relativ niedriger Atmosphärenfeuchtewerte im Volumen kommt trockenes Inertgas zum Einsatz. Das Inertgas verdrängt je nach Umfang nach seinem Einströmen in das Volumen einen größeren oder kleineren Teil der darin enthaltenen Artmosphäre zusammen mit der Feuchtigkeit darin. Das Resultat kann eine Atmosphärenfeuchte im Volumen von weniger als 1% sein.

Die vorliegende Erfindung beschreibt zudem ein Verfahren zur Steuerung der Atmosphärenfeuchte im Volumen eines Lagersystems durch Einsatz einer Drucklufttrocknungsvorrichtung und einer Inertgas-Trocknungsvorrichtung.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine schematische Darstellung eines Lagersystems.

2 ist eine schematische Darstellung von Lagerschränken mit einzelnen Kammern und mit zugehörigern Steuereinheiten und Zuleitungen für die Gase.

3 ist eine schematische Darstellung einer Drucklufttrocknungsvorrichtung.

4 ist eine schematische Darstellung einer Inertgas-Trocknungsvorrichtung.

In 1 wird ein schematischer Aufbau eines Lagersystems beschrieben.

Ein Lagersystem (10) zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile mit einem abschließbaren Volumen (11) hat eine Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen (11), eine Inertgas-Trocknungsvorrichtung (13) zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen (11) und eine Steuerung (14) zum Ansteuern der Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) und der Inertgas-Trocknungvorrichtung (13) nach Maßgabe eines Sollwertes (16).

In 2 wird der detaillierte Aufbau des Lagersystems bestehend aus Schränken, Kammern, Trocknungsvorrichtungen, Gaszuleitungen, Steuerung und Sensoren beschrieben.

Das Lagersystem (10) kann aus einem oder mehreren Lagerschränken (30) bestehen. Auch ein oder mehrere Zimmer oder Gebäude können das Lagersystem bilden. Jeder Lagerschrank (30) bzw. jedes Trocknungssystem kann aus mehreren separat ansteuerbaren Kammern (31) aufgebaut sein. In jeder Kammer (31) kann ein Feuchtigkeitssensor (32) installiert sein, um die Atmosphärenfeuchte für die Regelung zu messen. Zudem kann in den Kammern ein Temperatursensor (33) platziert sein, dessen Messwerte ebenfalls zur Steuerung ausgelesen werden. Eine einzige Steuerung (14) kann zur Ansteuerung mehrerer Lagerschränke (30) oder mehrerer Kammern (31) ausgelegt sein. Eine einzige Anzeige-Einheit (15) mit einem Grafikdisplay kann Ausgaben zu mehreren Lagerschränken (30) oder mehreren Kammern (31) anzeigen. Das Lagersystem (10), insbesondere die Steuerung (14) kann über eine Schnittstelle (36) zu einem Datennetz (37) zum Senden und/oder Empfangen von Daten etwa für Fernüberwachung und/oder Fernsteuerung verfügen. Die aufgezeichneten Daten könne via Bluetooth, WLAN oder Internet an jeden beliebigen PC übertragen werden. Für jede Kammer können separat steuerbare Einlassventile für relativ trockene Druckluft und/oder für relativ trockenes Inertgas vorgesehen sein. Die Ventile können gleichzeitig die Flussregulierung und die Druckminderung bewirken.

Die Steuerung (14) ist dazu ausgelegt, insbesondere nach Maßgabe des Sollwerts (16) entweder die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) oder die Inertgas-Trocknungvorrichtung (13) zu betreiben. Alternativ kann die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) zusammen mit der Inertgas-Trocknungvorrichtung (13) betrieben werden.

Der Sollwert (16), der eingestellt werden kann, kann der Wert einer relativen Atmosphärenfeuchte sein. Die Luftfeuchtigkeit ist als der Wasserdampfgehalt in der Luft definiert. Die relative Luftfeuchtigkeit ist das prozentuale Verhältnis zwischen dem momentanen Wasserdampfdruck und dem Sättigungsdampfdruck. Zum Beispiel enthält die Luft bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% nur die Hälfte der gasförmigen Wasserdampfmenge, die maximal enthalten sein könnte. Die Wasserdampfkapazität der Luft nimmt mit steigender Temperatur zu. Eine Druckerhöhung führt zur Kondensation einer bestimmten Wassermenge, die abgeschieden werden kann. Analoge Überlegungen gelten allgemein zu Gasen bzw. Atmosphären.

Die verwendete Druckluft kann so sein bzw. so erzeugt und behandelt werden, dass nach ihrer Entspannung auf Umgebungsdruck die Luft bei 20°C eine relative Feuchte entsprechend einer oder mehreren der folgenden Angaben hat: < 25%, < 15%, < 10%, > 1%, > 3%, > 8%. Das verwendete Inertgas kann so sein bzw. so erzeugt und behandelt werden, dass nach seiner Entspannung auf Umgebungsdruck das Inertgas bei 20°C eine relative Feuchte entsprechend einer oder mehreren der folgenden Angaben hat: < 15%, < 10%, < 5%, > 0,1%, > 0,5%, > 1%. Die obigen Angaben können auch für Temperaturen von 0°C, 10°C, 30°C oder 50°C gelten.

Ein oder mehrere Sensoren (32) können vorgesehen sein, die als Teil einer Rückführung (34) das Sensorsignal an die Steuerung (14) senden, um den Prozeß regeln zu können.

In den getrennt voneinander regelbaren Kammern (31) können als Sollwert Feuchtegrade zwischen < 1% und Umgebungsfeuchte vorzugsweise stufenlos eingestellt werden.

Relativ hohe Sollwerte der Atmosphärenfeuchte über einem ersten Schwellenwert, der aber regelmäßig unter der Umgebungsfeuchte liegt, können allein durch Einsatz von Druckluft als Trockenmedium erreicht werden. Für die meisten Anwendungen reicht der damit erzielbar Trocknungsgrad aus. Müssen relativ niedrige Atmosphärenfeuchten unter einem zweiten Schwellenwert, der gleich dem ersten Schwelenwert sein kann, erzielt werden, kann trockenes Inertgas verwendet werden. In einem Übergangsbereich zwischen erstem und zweitem Schwellenwert können die beiden Trockenmedien auch gleichzeitig eingesetzt werden. Der erste Schwellenwert kann 5%, 10%, 15% oder 20% relative Feuchte sein. Der zweite Schwellenwert kann 1%, 2%, 5% oder 10% relative Feuchte sein.

Durch den Einsatz von Druckluft zum Erreichen von relativ hohen Feuchtegraden unter der Umgebungsfeuchte (bspw. bis hinunter auf 10%) können niedrige Inertgas-Verbrauchskosten realisiert werden.

Ein reines Druckluftsystem zum Trocknen der Atmosphäre in einem Volumen ist dagegen preisgünstiger zu betreiben als ein Inertgassystem.

Die zulässigen Aufbewahrungszeiten sind abhängig von der relativen Feuchte gemessen durch einen Luftfeuchtesensor (32) und von der Lagertemperatur gemessen durch einen Temperatursensor (33). Man teilt die Bauelemente in verschiedene Level der Feuchteempfindlichkeit ein. In der Praxis dürfen mehr als 80% aller feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile bei 10% bis 20% Luftfeuchte gelagert werden. Das Trocknungssystem kann dementsprechend aus mehreren Kammern bestehen, in denen jeweils unterschiedliche Trocknungsmethoden für jeweils unterschiedliche Feuchtegrade angewendet werden können. Die Trocknung kann allein durch Druckluft oder allein durch Inertgas oder durch eine Kombination aus beiden Verfahren erfolgen.

In 3 ist der Aufbau einer Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) dargestellt. Die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) weist einen Kompressor (42), einen Kondensatabscheider (43) und ggf. einen Kältetrockner (55) zur weiteren Trocknung der Luft auf. Mehrere Ventile (41, 45, 47), die durch die Steuerung (14) geregelt sind, steuern den Zu- und Abfluss des Gases durch die und zwischen den Komponenten der Drucklufttrocknungsvorrichtung (12). Durch die Komprimierung der Luft im Kompressor (42) kann sie sehr viel weniger Feuchtigkeit aufnehmen als im entspannten Zustand und gibt diese als Wasser ab.

In 4 ist der Aufbau einer Inertgastrocknungsvorrichtung (13) dargestellt.

Die Inertgas-Trocknungseinrichtung (13) besteht aus einem Reservoir (60) relativ trockenen Inertgases, einem Anschluss (63), einem geregelten Ventil (61), das mittels einer Steuerleitung (62) von der Steuerung (14) gesteuert wird und einer Inertgaszuleitung (20). Das Inertgas kann Stickstoff und/oder Ein Edelgas wie Helium o. ä. sein oder aufweisen.

In der Erfindung wird ein Verfahren entwickelt, um die Atmosphärenfeuchte im Volumen (11) eines Lagersystems (10) für feuchtigkeitsempfindliche Bauteile zu beeinflussen. Durch Zuführen von Druckluft oder Inertgas oder einer Kombination aus Beiden wird eine Trocknung der Atmosphäre und damit der Bauteile erreicht. Dabei können Druckluft und Inertgas einzeln, in beliebiger Reihenfolge nacheinander oder gleichzeitig angewendet werden.

Bei dem Prozess der Trocknung kann unterschieden werden zwischen Bauteiltrocknung und Atmosphärentrocknung.

Bei der Bauteiltrocknung kann in eine Kammer zuerst vergleichsweise billige, relativ trockene Druckluft eingeleitet werden, bis ein bestimmter Trocknungsgrad der Bauteile erreicht ist, der vom Feuchtegrad der eingeleiteten Druckluft abhängt. Wenn darüber hinaus eine weitere Bauteiltrocknung gewünscht ist, kann der Trocknungsvorgang mit relativ trockenem Inertgas fortgesetzt werden. In der trockenen Atmosphäre in der Kammer geben die Bauteile ihre Feuchtigkeit, die sie zuvor aus der Umgebungsluft aufgenommen hatten, an die umgebende Atmosphäre ab.

Die Atmosphärentrocknung funktioniert ähnlich wie die obige Bauteiltrocknung, wobei der Focus allerdings darauf liegt die Atmosphäre zu entfeuchten, um zum Beispiel Korrosion von Gegenständen in der Kammer zu verhindern. Je nach gewünschter Feuchtigkeit kann von Anfang an entweder Druckluft oder Inertgas oder beides in Kombination verwendet werden. Entscheidend kann der Sollwert der Atmosphärenfeuchte sein, der in der Kammer erreicht werden soll. Er kann festlegen, ob von Anfang an nur mit Druckluft oder nur mit Inertgas oder mit einer Kombination aus Beiden die Atmosphäre getrocknet werden soll.


Anspruch[de]
Lagersystem (10) zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile mit einem abschließbaren Volumen (11), einer Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen (11), einer Inertgas-Trocknungvorrichtung (13) zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen (11) und einer Steuerung (14) zum Ansteuern der Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) und der Inertgas-Trocknungvorrichtung (13) nach Maßgabe eines Sollwertes (16). Lagersystem (10) nach Anspruch 1 mit einem oder mehreren Lagerschränken (30). Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, mit mehreren separat ansteuerbaren Kammern (31). Lagersystem (10) nach Anspruch 1 bis 3 mit einem oder mehreren Feuchtigkeitssensoren (32) im Volumen. Lagersystem (10) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Steuerung (14) zur Ansteuerung mehrerer Lagerschränke (30) oder mehrerer Kammern (31) ausgelegt ist. Lagersystem (10) nach Anspruch 2 oder 3 mit einer einzigen Anzeige-Einheit (15), die dazu ausgelegt ist, Ausgaben zu mehreren Lagerschränken (30) oder mehreren Kammern (31) anzuzeigen. Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, mit einer Schnittstelle (36) zu einem Datennetz (37) zum Senden und/oder Empfangen von Daten. Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Steuerung (14) dazu ausgelegt ist, insbesondere nach Maßgabe des Sollwerts (16) entweder die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) oder die Inertgas-Trocknungvorrichtung (13) zu betreiben. Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Steuerung (14) dazu ausgelegt ist, die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) zusammen mit der Inertgas-Trocknungvorrichtung (13) zu betreiben. Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem der Sollwert (16) der Wert einer relativen Atmosphärenfeuchte ist. Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) einen Kompressor (42) und einen Kondensatabscheider (43) aufweist. Lagersystem (10) nach Anspruch 11, bei dem die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) einen Kältetrockner (55) zur weiteren Trocknung der Luft aufweist. Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Inertgas-Trocknungseinrichtung (13) einen Anschluss (63) für eine Inertgas-Versorgung aufweist. Lagersystem (10) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Sensor (32) vorgesehen ist und die Steuerung (14) eine Rückführung (34) des Sensorsignals aufweist. Verfahren zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen (11) eines Lagersystems (10) für feuchtigkeitsempfindliche Bauteile dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre durch Druckluft oder durch Inertgas oder durch eine Kombination aus Beiden getrocknet wird. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre durch gleichzeitige Anwendung von Druckluft und Inertgas getrocknet wird. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre getrocknet wird, indem die Druckluft und das Inertgas nacheinander in beliebiger Reihenfolge angewendet werden.






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