DE10061032A1

DE10061032A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Löten elektronischer Bauelemente auf Leiterplatten

Info

Publication number: DE10061032A1
Application number: DE10061032A
Authority: DE
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2002-06-27
Also published as: WO2002045898A1

Abstract

Bei bekannten Verfahren zum Verlöten elektronischer Bauelemente auf Leiterplatten besteht nach dem eigentlichen Lötvorgang die Gefahr der Bildung von Lotbrücken. Bislang wurden diese Lotbrücken im Anschluss an den Lotvorgang beseitig, entweder durch Verblasen des noch flüssigen Lots mittels eines Gasstroms, der unmittelbar nach dem Benetzungsvorgang auf die Leiterplatte gerichtet wird, oder, nach Verhärtung des Lots, durch eine manuelle Nachbehandlung. DOLLAR A Das Verblasen des flüssigen Lots auf die Leiterplatte führt jedoch zu einer unkontrollierten Verteilung des flüssigen Lots auf der Leiterplatte außerhalb der vorgesehenen Kontaktstellen. Die manuelle Nachbehandlung ist zwar zuverlässig, aber sehr aufwendig und teuer. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Lotwelle mittels einem auf die Abrisskante, also auf die Linie, längs der sich die Leiterplatte nach der Benetzung von der Lotwelle trennt, gerichteten Gasstrom verformt. Der Gasstrom kann dabei über die Breite der Abrisskante ein vorgewähltes Strömungs- und Temperaturprofil aufweisen. DOLLAR A Beim erfindungsgemäßen wird bereits die Bildung von Lotbrücken unterdrückt. Ein unkontrolliertes Verblasen des Lots auf der Leiterplatte findet nicht statt. Die Profilierung des Gasstroms ermöglicht die Berücksichtigung unterschiedlicher Bauelemente auf der Leiterplatte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Löten elektronischer Bauelemente auf Leiterplatten.

Bei bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Löten elektronischer Bauelemente, wie sie beispielsweise aus der DE 197 49 187 A1 bekannt sind, wird eine mit elektronischen Bauelemente bestückte Leiterplatte mit einer Lotwelle in Kontakt gebracht. Die Lotwelle besteht dabei aus flüssigem, auf eine Temperatur von etwa 250°C erhitzten Lot, das in einem Lotbehälter mittels geeigneter Düsen unter Ausbildung eines stationären Zustandes, der Lotwelle, umgewälzt wird. Beim eigentlichen Lötvorgang wird die Leiterplatte entlang der Lotwelle geführt, wobei die der Lotwelle zugewandte Seite der Leiterplatte mit Lot benetzt wird. Nach der Benetzung trennt sich die Leiterplatte von der Lotwelle. Die Linie auf der Lotwelle, entlang der die Trennung der Leiterplatte von der Lotwelle erfolgt, wird hier als Abrisskante definiert. Durch eine geeignete Beschichtung der Leiterplatte wird verhindert, dass das Lot außerhalb vorbestimmter Kontaktstellen dauerhaft an der Leiterplatte anhaftet.

Häufig kommt es dabei jedoch zur Entstehung von unerwünschten elektrischen Verbindungen zwischen zwei oder mehreren Kontaktstellen infolge von Lotbrücken. Um die Funktionsfähigkeit der Leiterplatte sicherzustellen, ist es daher erforderlich, die Leiterplatten nach Abschluss des Lötvorgangs in aufwendiger und kostenintensiver Weise einer Nachbehandlung zu unterziehen, bei der die Lotbrücken manuell entfernt werden.

Die Bildung von Lotbrücken kann durch Veränderung verschiedener Parameter beeinflusst werden. So kann beispielsweise durch die Variation des Transportwinkels der zu verlötenden Leiterplatte oder die Eintauchtiefe der Leiterplatte in das Lot beim Lötvorgang die Ausbildung von Lotbrücken bis zu einem gewissen Grad unterdrückt werden. Auch kann die Bildung von Lötbrücken dadurch vermindert werden, dass durch eine geeignete Umgebungsatmosphäre die Oberflächenspannung der Oberfläche der Lotwelle reduziert wird. Mit diesen Verfahren können Lötbrücken jedoch in einem nur sehr begrenzten Umfang verhindert werden.

Zur Entfernung der Lotbrücken wurde in der GB 2 009 012 A vorgeschlagen, die Leiterplatte im Anschluss an den Lötprozess mit heißer Luft oder Gas zu beaufschlagen, um die Lotbrücken zu entfernen. Dieses, als "hot air knife" (HNK) bekannt gewordene Verfahren führt jedoch dazu, dass Lot teilweise von den vorgesehenen Kontaktstellen verblasen und über die Fläche der Leiterplatte verteilt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Löten elektronischer Leiterplatten zu schaffen, bei der die Gefahr der Bildung von Lotbrücken vermindert ist.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Abrisskante der Lotwelle, längs der sich - nach Benetzen der Kontaktstellen mit Lot - die Leiterplatte von der Lotwelle löst, mit einem Gasstrom beaufschlagt. Im Unterschied zu bekannten Verfahren, bei denen die Leiterplatte angeblasen wird, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren der Gasstrom auf die Abrisskante der Lotwelle gerichtet, um deren Geometrie in einer für die Vermeidung von Lotbrücken vorteilhaften Weise zu verändern. Die Entstehung von Lotbrücken wird so unterdrückt. Zugleich werden durch den Gasstrom mögliche Unebenheiten in der Oberflächenstruktur der Lotwelle geglättet und auf diese Weise die Qualität der Lötverbindungen insgesamt verbessert.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Gasstrom mit einem vorgegebenen Strömungsprofil auszustatten. Häufig werden Leiterplatten mit sehr unterschiedlichen Bauteilen bestückt, die auch hinsichtlich der Lötkontakte unterschiedliche Anforderungen stellen. So finden sich beispielsweise auf einer Leiterplatte neben SMD-Bauteilen auch Steckerleisten. Das Strömungsprofil des Gasstroms wird in diesen Fällen vor dem Lötvorgang individuell für die Erfordernisse der jeweils zu verlötenden Bauelemente auf der Leiterplatte eingestellt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, den Gasstrom auf eine Temperatur zu heizen, die gleich oder größer als die Temperatur der Lotwelle im Bereich der Abrisskante ist. Die Aufheizung, in der Regel um einige Kelvin über die Temperatur des Lotbades, verflüssigt das Lot und erleichtert dadurch die Beseitigung von Lotbrücken.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Inertgases im Gasstrom, das eine Oxidation des Lots und damit die Bildung von Krätze verhindert. Als preisgünstiges und wirksames Inertgas bietet sich beispielsweise Stickstoff an.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist neben einem zur Aufnahme wenigstens einer Lotwelle bestimmten Lotbehälter und einer Transportvorrichtung, mittels der eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatte derart entlang der Lotwelle geführt wird, dass die Leiterplatte auf ihrer der Lotwelle zugewandten Seite mit Lot benetzt wird, zusätzlich eine mit einer Gaszuführung strömungs verbundene Düsenvorrichtung auf, die eine auf die Lotwelle gerichtete Mündungs öffnung aufweist. Mittels der Düsenvorrichtung ist die Lotwelle mit einem entgegen der Bewegungsrichtung der Leiterplatte gerichtetem Gasstrom beaufschlagbar. Der Gasstrom verändert die Geometrie der Lotwelle zumindest in dem Bereich, in dem sich die Leiterplatte nach vollzogener Benetzung von der Lotwelle löst.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Düsenvorrichtung mehrere parallel zueinander angeordnete Flachdüsen umfasst, deren Gasstrom jeweils separat einstellbar sind. Dadurch kann ein den Erfordernissen entsprechendes Strömungsprofil eingestellt werden.

Um ein zumindest über die gesamte Breite einer zu verlötenden Leiterplatte durchgehendes Strömungsprofil herzustellen, empfiehlt es sich, die Flachdüsen mit quer zur Bewegungsrichtung der Leiterplatten aneinander angrenzenden Mündungsöffnungen zu versehen.

In einer zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung werden den Flachdüsen jeweils Heizeinrichtungen zugeordnet, um den jeweiligen Gasstrom zu temperieren. Hierdurch kann unabhängig von dem vorerwähnten Strömungsprofil ein Temperaturprofil des Gasstroms eingestellt werden.

Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei, die den Flachdüsen zugeordneten Heizeinrichtungen jeweils separat ansteuern zu können.

Bevorzugt sind die Flachdüsen mit einer Steuer- und Regeleinrichtung wirkverbunden, mittels welcher der jeweils den Flachdüsen entweichende Gasstrom in Gasdruck und/oder Temperatur nach einem vorgegebenem Programm einstellbar ist. Mit dieser Ausgestaltung gelingt es, - in Bewegungsrichtung der Leiterplatte gesehen - hintereinander angeordnete Bereiche einer einzelnen Leiterplatte mit Gasströmen zu beaufschlagen, die der jeweiligen Bestückung, Dichte der Kontaktstellen u. dergl. angepasst sind.

In bevorzugter Weise ist die Düsenvorrichtung zumindest um eine quer zur Bewegungsrichtung der Leiterplatte verlaufenden Achse verschwenkbar, jedoch in vorgegebenen Winkelstellungen arretierbar angeordnet. Auf diese Weise können geometrische Faktoren, wie etwa der Winkel der entlang der Lotwelle geführten Leiterplattenfläche gegenüber der Horizontalen oder die durch die Pumpleistung sowie durch die Art der eingesetzten Düsen im Lotbad bestimmte Form der Lotwelle leicht berücksichtigt werden. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die Düsenanordnung längsbeweglich, jedoch in einem vorgegebenem Abstand zur Lotwelle arretierbar angeordnet sind.

Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.

In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1: Eine erfindungsgemäße Lötvorrichtung im Längsschnitt und

Fig. 2: die Lötvorrichtung aus Fig. 1 in einer Ansicht von oben.

Die in den Zeichnungen dargestellte, als Wellenlötanlage ausgebildete Lötvorrichtung 1 entspricht in Bau und Funktion überwiegend einer Lötvorrichtung, wie sie beispielsweise aus der US 5 240 169 oder der DE 197 49 184 A1 bekannt sind. Derartige Lötvorrichtung weisen einen Lotbehälter 2 auf, der im bestimmungsgemäßen Einsatz mit flüssigem Lot befüllt wird. Das Lot wird mittels einer hierzu geeigneten Pumpeinrichtung 3 unter Ausbildung von wenigstens einer Lotwelle 4 umgewälzt. Eine hier nicht gezeigte, den Lotbehälter 2 überdeckende Ummantelung erlaubt den Betrieb der Lötvorrichtung 1 in einer Inertgas atmosphäre, beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre, durch die eine Oxidation des Lots und eine damit einhergehende Krätzebildung unterdrückt wird.

Beim Löten einer mit elektrischen Bauelementen bestückten Leiterplatte wird diese in an sich bekannter Weise mittels einer hier ebenfalls nicht gezeigten Transportvorrichtung entlang einer in Fig. 1 angedeuteten Transportlinie 5 in Pfeilrichtung geführt und im Bereich der Lotwelle 4 auf ihrer der Lotwelle 4 zugewandten Seite mit Lot benetzt. Die Transportlinie 5 erstreckt sich dabei entweder parallel zur Horizontalen oder - wie in Fig. 1 gezeigt - in einem Winkel von ca. 3° bis 10° in Transportrichtung ansteigend geneigt. Eine teilweise lotabweisende Beschichtung auf der Leiterplatte sorgt dafür, dass nur an vorgegebenen Kontaktstellen eine dauerhafte Verbindung zwischen elektrischen Kontakten der Bauelemente und dem Lot möglich ist. Dabei kann es jedoch zur Bildung sogenannter Lotbrücken kommen, also unerwünschten Lotverbindungen zwischen zwei Kontaktstellen. Zur Unterdrückung der Lotbrückenbildung weist die Lötvorrichtung 1 eine im folgenden beschriebene Beströmungseinrichtung 7 auf.

Die Beströmungseinrichtung 7 umfasst mehrere, im Beispiel drei, parallel zueinander angeordnete Flachdüsen 8, 9, 10, aus denen Gas in Richtung auf die Lotwelle ausgetragen werden kann. Die Flachdüsen 8, 9, 10 sind dabei derart zueinander angeordnet, dass die Mündungsöffnung der mittleren Flachdüse 9 an ihren beiden Schmalseiten jeweils an die Mündungsöffnung einer benachbarten Flachdüse 8, bzw. 10 angrenzt, wodurch ein über die gesamte Breite der Beströmungseinrichtung 7 nahezu ununterbrochener Gasstrom erzeugbar ist. Die Flachdüsen 8, 9, 10 sind auf einer Halterung 11 sowohl in Längsrichtung, also parallel zur bestimmungsgemäßen Strömungsrichtung, verschiebbar, als auch um eine horizontale Drehachse 6 verschwenkbar angeordnet, sie sind dabei jedoch in einer frei wählbaren Einstellung arretierbar.

Die Flachdüsen 8, 9, 10 sind jeweils über Gaszuleitungen 12, 13, 14 mit einer im Bild nicht gezeigten Gasversorgung, beispielsweise einem Gastank oder einer Gaserzeugungseinrichtung strömungsverbunden, aus der inertes Gas, etwa Stickstoff, unter Druck herangeführt wird. In den Gaszuleitungen 12, 13, 14 ist jeweils eine Heizeinrichtung 15, 16, 17 angeordnet, mittels der das herangeführte Gas auf eine Temperatur gebracht werden kann, die der Temperatur des Lotbades oder darüber knapp entspricht. Die Heizeinrichtung 15, 16, 17 kann dabei jeweils fest mit der zugehörigen Flachdüse 8, 9, 10 verbunden sein, oder aber, wie im Ausführungsbeispiel, über jeweils eine flexible Leitung 18 mit dieser in Strömungsverbindung stehen. Bei diesen flexiblen Leitungen handelt es sich beispielsweise um Schlauchverbindungen aus Kunststoff oder Metall, etwa Teflon- Schläuche oder Teflon-Faltenbälge.

Vor dem Einsatz der Lötvorrichtung 1 werden die Flachdüsen 8, 9, 10 eingestellt. Die Längen- und die Winkeleinstellung der Flachdüsen 8, 9, 10 hängen dabei maßgeblich von der Höhe und der Form der Lotwelle im Lotbehälter, vom Winkel der Transportlinie 5 sowie von der Art der zu lötenden Leiterplatten ab. Für viele Fälle besonders geeignet sind sehr flache Winkel der Flachdüsen 8, 9, 10, beispielsweise Winkel von ca. 1-5° gegenüber der Horizontalen. In jedem Fall sind die Einstellungen so gewählt, dass der den Flachdüsen 8, 9, 10 entweichende Gasstrom auf die Abrisskante 22 der Lotwelle 4, also auf den Bereich der Lotwelle 4, in dem sich die zu lötenden Kontakte einer mit elektronischen Bauteilen bestückten Leiterplatte nach ihrer Benetzung von der Lotwelle 4 trennen, gerichtet ist.

Die Heizeinrichtungen 15, 16, 17 sind über eine Steuereinrichtung 21 manuell oder automatisch nach einem vorgegebenem Programm separat ansteuerbar und können den jeweiligen Gasstrom unterschiedlich stark erwärmen, und zwar auf eine Temperatur, die der des flüssigen Lotes (ca. 250°C) entspricht oder um einiges darüber (250°C bis 300°C) liegt. Je höher die gewählte Temperatur, umso geringer ist die Viskosität des Lots. Des weiteren können die Gasströme der Flachdüsen 8, 9, 10 jeweils unterschiedlich stark eingestellt werden. Entsprechende Steuerbefehle können von der Steuereinrichtung 21 gegeben werden. Auf diese Weise können auf derselben Leiterplatte aufmontierte unterschiedliche Bauteile, wie Strecker und SMD-Bauteile, mit verschiedenen Gasströmen beaufschlagt werden. Durch die den Flachdüsen 8, 9, 10 entweichenden Gasströme wird die Lotwelle 4 im Bereich der Abrisskante 22 derart verformt, dass sie - verglichen mit dem Zustand ohne Gasstrom, also bei ungestörter Lotwelle 23 - im Bereich der Abrisskante 22 von den Kontaktstellen auf der Leiterplatte weggedrückt wird. Dadurch vergrößert sich der Winkel zwischen der Oberfläche der Lotwelle 4 im Bereich der Abrisskante 22 und der Unterseite der Leiterplatte, und die Benetzung der Leiterplatte wird in diesem Bereich verringert. Es ist zu vermeiden, dass der Gasstrom auf die Leiterplatte selbst gerichtet ist, da in diesem Falle flüssiges Lot auf der Leiterplatte verblasen werden und dadurch die Bildung neuer Lotbrücken herbeiführen kann. Die Änderung der Lotwellengeometrie wird insbesondere von der Stärke der Gasströme bestimmt. Die zur Vermeidung von Lotbrücken jeweils optimale Einstellung der Gasströme wird für jeden Leiterplattentyp empirisch ermittelt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 können, nach einer entsprechenden Voreinstellung der Flachdüsen 8, 9, 10, unterschiedliche Typen von Leiterplatten gelötet werden. Durch das Anblasen der Lotwelle 4 an der Abrisskante 22 wird die Wellenform der Lotwelle 4 so verändert, dass die Bildung von Lotbrücken unterdrückt wird. Dadurch kann eine aufwendige manuelle Nachbehandlung der Leiterplatten entfallen. Durch Eindüsen von Inertgas wird auch eine etwa vorhandene Inertgasatmosphäre über dem Lotbehälter 2 nicht beeinträchtigt. Es ist auch möglich, eine Inertgasatmosphäre über dem Lotbehälter 2 zu einem nicht unwesentlichen Teil durch Eindüsen von Inertgas über die Flachdüsen 8, 9, 10 herzustellen.

Bezugszeichenliste

1

Lötvorrichtung

2

Lotbehälter

3

Pumpeinrichtung

4

Lotwelle

5

Transportlinie

6

Drehachse

7

Beströmungseinrichtung

8

Flachdüse

9

Flachdüse

10

Flachdüse

11

Halterung

12

Gaszuleitung

13

Gaszuleitung

14

Gaszuleitung

15

Heizeinrichtung

16

Heizeinrichtung

17

Heizeinrichtung

18

flexible Leitung

19

-

20

-

21

Steuereinrichtung

22

Abrisskante

23

ungestörte Abrisskante

Claims

1. Verfahren zum Löten elektronischer Bauelemente, bei dem eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatte wenigstens einer Lotwelle (4) zugeführt, mit Lot benetzt und an einer Abrisskante (22) der Lotwelle (4) von dieser getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotwelle (4) mit einem auf die Abrisskante (22) der Lotwelle (4) gerichteten, die Lotwelle (4) verformenden Gasstrom beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gastrom über die Breite der Abrisskante (22) ein vorgegebenes Strömungs- und oder Temperaturprofil aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom auf eine Temperatur, geheizt wird, die gleich oder größer als die Temperatur der Lotwelle (4) im Bereich der Abrisskante (22) ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Gasstroms ein Inertgas, etwa Stickstoff, eingesetzt wird.

5. Vorrichtung zum Löten elektronischer Bauelemente, mit einem Lotbehälter (2) zur Aufnahme wenigstens einer Lotwelle (4) und einer Transporteinrichtung zur Bewegung einer mit elektronischen Bauteilen bestückten Leiterplatte entlang der Lotwelle (4), wobei bei bestimmungsgemäßem Gebrauch die Leiterplatte auf ihrer der Lotwelle (4) zugewandten Seite mit Lot benetzt wird, gekennzeichnet durch eine mit einer Gaszuführung (12, 13, 14) strömungsverbundenen Düsenvorrichtung (7), die eine auf die Lotwelle (4) gerichtete Mündungsöffnung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenvorrichtung (7) mehrere parallel zueinander angeordnete, separat ansteuerbare Flachdüsen (8, 9, 10) umfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdüsen (8, 9, 10) quer zur Bewegungsrichtung der Leiterplatten aneinander angrenzende Mündungsöffnungen aufweisen, mittels derer ein zumindest über die Breite einer Leiterplatte durchgehendes Strömungsprofil des den Flachdüsen (8, 9, 10) entweichenden Gasstroms herstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass den Flachdüsen (8, 9, 10) jeweils eine Heizeinrichtung (15, 16, 17) zur Temperierung des den Flachdüsen (8, 9, 10) jeweils entweichenden Gasstroms zugeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtungen (15, 16, 17) der Flachdüsen (8, 9, 10) jeweils separat ansteuerbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdüsen (8, 9, 10) mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (21) wirkverbunden ist, mittels der der jeweils den Flachdüsen (8, 9, 10) entweichende Gasstrom in Gasdruck und/oder Temperatur nach einem vorgegebenen Programm einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenvorrichtung (7) zumindest um eine quer zur Bewegungsrichtung der Leiterplatte verlaufenden Achse (6) verschwenkbar, jedoch in vorgegebener Winkelstellung arretierbar angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenvorrichtung (7) längsbeweglich, jedoch in einem vorgegebenem Abstand zur Lotwelle (4) arretierbar angeordnet ist.