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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein System und Verfahren für das Aufschmelzen
von bleifreiem Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Befestigung von Elektronikkomponenten auf starren und gedruckten
Leiterplatten ist im Fachgebiet allgemein bekannt. Normalerweise
wird auf Leiteranschlussstellengebiete auf dem starren oder flexiblen
Substrat Lötpaste
aufgebracht. Anschließend
werden Komponenten mit ihren die Lötpaste kontaktierenden Anschlüssen in
den Anschlussstellengebieten platziert. Danach wird das Substrat
relativ hohen Temperaturen zum Aktivieren der Lötpaste ausgesetzt, die daraufhin
schmilzt und anschließend erstarrt,
so dass die Komponenten am Substrat befestigt und elektrisch leitend
angeschlossen werden.
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Eine
Technologie für
eine Komponentenmontage auf flexiblen Polyestersubstraten mit niedrigen
Erweichungstemperaturen wird durch Annable im US-Patent 5,898,992
gelehrt. Das flexible Substrat ist auf einem Transportträgerelement
befestigt. Über
dem Substrat befindet sich eine Abdeckung. Die Abdeckung hat den
Komponentenstandorten entsprechende Öffnungen und bildet zusammen
mit dem Trägerelement
eine Transportbaugruppe. Auf die Leitergebiete des mit Komponentenanschlussstellen
ausgestatteten Substrats wird Lötpaste
aufgebracht. Anschließend
werden die Elektronikkomponenten mit ihren Anschlüssen in
Kontakt mit der Lötpaste
platziert. Dann wird die Transportbaugruppe in einem Aufschmelzofen
auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Lötpaste vorgewärmt. Danach
wird die Baugruppe unter Verwendung einer zusätzlichen Wärmequelle, wie z. B. einem
Heißgasstrahl,
einem schnellen Temperaturanstieg ausgesetzt. Die Abdeckung schirmt
das Substrat gegen die hohen Aufschmelztempraturen ab und minimiert
die Deformation des flexiblen Substrats während des Aufschmelzens.
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Obwohl
die dem Stand der Technik entsprechenden Lehren durchaus ihren vorgesehenen Zweck
erfüllen,
sind erhebliche Verbesserungen erforderlich. Es wäre zum Beispiel
wünschenswert,
die Notwendigkeit einer Spezialabdeckung für das Abschirmen speziel ler
Bereiche des Substrats gegen die durch den Gasstrahl erzeugte Wärme zu eliminieren.
Außerdem
ist ein Prozess für
das Aufschmelzen von bleifreiem Lot, das zwischen einem Substrat
und einer Vielzahl von darauf befindlichen Elektronikkomponenten
angeordnet ist, im Stand der Technik nicht bekannt und ist deshalb
erforderlich.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfinung
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein System für das Aufschmelzen
von Lot zum Verbinden einer Vielzahl von Elektronikkomponenten mit
einem Substrat bereitgestellt. Das System umfasst einen Ofen für das Vorwärmen des
Substrats und der Vielzahl von darauf angeordneten Elektronikkomponenten
und eine innerhalb des Ofens positionierte Zusatzwärmequelle
für die
Bereitstellung zusätzlicher Wärmeenergie
zum Aufschmelzen des Lots. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung
ist die Zusatzwärmequelle
eine innerhalb des Ofens positionierte Düse, wobei die Düse eine
Vielzahl von Lamellen für das
Leiten des Heißgases
quer über
das Substrat hat.
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Die
Schaltungsleiterzüge
bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Als Komponentenanschlussstellen bezeichnete
ausgewählte
Gebiete der Leiterzüge werden
zur Erleichterung des Lötens
an den Anschlussstellen mit einem Oberflächenschutz, wie z. B. aus Zinn
oder Tauchsilber, bereitgestellt. Die Räume zwischen den Leiterzuggebieten
des Substrats können
mit elektrisch isolierenden Gebieten aus Kupfer ausgefüllt sein,
die dieselbe Dicke wie die Leiterzuggebiete aufweisen. Diese Kupferbereiche schirmen
außerdem
das Substrat während
des Aufschmelzens durch selektives Absorbieren von Wärme während des
Aufschmelzprozesses ab.
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Das
Substrat kann aus mehr als zwei Schichten von Schaltungsleiterzügen bestehen,
was gewöhnlich
Mehrlagenschaltungen genannt wird. Bei diesen Schaltungen werden
zwei oder mehr Substratschichten verwendet und zur Bildung von vier
oder mehr Leiterschichten mithilfe eines geeigneten Klebers miteinander
verbunden.
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In
einer noch anderen Ausgestaltung der Erfindung kann eine zum Aktivieren
des Lots verwendete Zusatzwärmequelle
durch einen oder mehrere auf die ungeschützten Substratbereiche gerichtete
Heißgasströme bereitgestellt
werden. Der Heißgasstrahl erstreckt
sich vorzugsweise quer über
die Breite des Substrats.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren für das Aufschmelzen
von Lot zum Verbinden einer Vielzahl von Elektronikkomponenten mit
einem Substrat bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Einführen des
Substrats in einen Ofen, das Vorwärmen des Substrats und der
Vielzahl der darauf angeordneten Elektronikkomponenten und das Bereitstellen
zusätzlicher
Wärmeenergie zum
Aufschmelzen des Lots mithilfe einer innerhalb des Ofens positionierten
Zusatzwärmequelle.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Apparats
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem auf einer Palette montierten Substrat.
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Die 2a und 2b sind eine Schnittdarstellung bzw.
eine Draufsicht einer Vorzugsausgestaltung einer erfindungsgemäßen Phasenübergangspalette.
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Die 3a bis 3d sind Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Phasenübergangspalette mit
einem Substrat, auf dessen beiden ungeschützten Seiten Elektronikkomponenten
montiert sind.
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Die 4a und 4b sind schematische Darstellungen eines
erfindungsgemäßen Systems
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat mithilfe einer Schablone.
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5 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat mithilfe einer Anordnung von Heißgasdüsen.
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6 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat mithilfe einer Infrarotlichtquelle.
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Die 7a und 7b sind schematische Darstellungen eines
erfindungsgemäßen Systems
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat unter Verwendung einer Schutzabdeckung.
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8 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat unter Verwendung einer Palette mit Wärmerohren.
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9 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat unter Verwendung einer Palette mit thermoelektrischen Kühlern.
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10 ist eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
für das
Aufschmelzen von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat unter Verwendung einer Gasdüse mit Lamellen, die das Gas
in eine Querrichtung leiten.
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11 ist eine Schnittdarstellung
der Gasdüse
von 10, die mit das
Gas in eine Querrichtung leitenden Lamellen ausgestattet ist.
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12 ist ein Schaubild der
Temperatur eines Substrats über
der Zeit in einem Aufschmelzofen entsprechend der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes System 10 für das Aufschmelzen
von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem flexiblen, halbflexiblen oder starren Substrat dargestellt.
Das System 10 enthält
eine Palette 14, die eine Möglichkeit zur Montage von Schaltungskomponenten
auf einem Substrat 12 bietet, ohne dass die Materialeigenschaften
des Substrats beeinträchtigt
werden. Das System 10 enthält außerdem einen Aufschmelzofen 13,
ein Fördersystem 16,
eine Gasdüse 18 und
eine Palette 14. Der Aufschmelzofen 13 ist mit
einer Vielzahl von Heizern 22 zum Vorwärmen des Substrats 12 auf
eine Solltemperatur ausgestattet. Das Fördersystem 16 ist
auf herkömmliche
Weise zur gemeinsamen Aufnahme von Paletten 14 zwecks deren
Bewegung durch den Aufschmelzofen 13 hindurch konfiguriert.
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Die
Palette 14 ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise
eine Phasenübergangspalette 14 für das Aufschmelzen
von Lötpaste
zum Verbinden von Elektronikkomponenten 24 mit den Substraten 12.
Die Phasenübergangspalette 14 ist
für das
Abstützen
des Substrats 12 konfiguriert und kooperiert zum Transport
des Substrats 12 durch den Ofen 13 mit dem Fördersystem 16.
Die Heizer 22 des Ofens 13 wärmen das Substrat 12 vor,
und die Heißgasdüse 18 stellt
eine Zusatzheizung bereit. Die Lötpaste 26 wird
auf die auf dem Substrat 12 angeordneten Leiteranschlussstellen 28 gedruckt,
auf die die Komponenten 24 platziert werden.
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In
den 2a und 2b ist die erfindungsgemäße Phasenübergangspalette 14 im
Schnitt bzw. in einer Draufsicht dargestellt. Wie dargestellt, enthält die Palette 14 mindestens
einen inneren Hohlraum 40 mit einem darin befindlichen
Phasenänderungsmaterial 42.
Auf der Palette 14 werden Haltestifte 44 bereitgestellt,
um das Substrat 12 flach oder eben auf der Palettenfläche 46 zu
halten. Die Stifte 44 können zwecks
Aufbringung einer Spannkraft auf das Substrat 12 durch
Federn 48 vorgespannt oder belastet sein. In einer Ausgestaltung
der Erfindung kann ein Bilderrahmen 50 zum Spannen des
Substrats 12 auf der Palettenfläche 46 verwendet werden.
Wie dargestellt, befestigt und sichert der Bilderrahmen 50 den Umfang
des Substrats 12, um die Kanten des Substrats 12 auf
der Fläche 46 der
Palette zu halten.
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Wie
in 3a dargestellt, ist
in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung eine Phasenübergangspalette 14 für die Aufnahme
eines doppelseitigen Substrats 12' konfiguriert, dessen beide Seiten 60, 62 mit
Elektronikkomponenten 24' bestückt sind. In
verschiedenen Schnittdarstellungen, wie in den 3a bis 3d gezeigt,
hat die Palette 14' mindestens einen
offenen Hohlraum 64 zur Unterbringung von Elektronikkomponenten 24', die auf die
erste ungeschützte
Fläche 60 des
Substrats 12' montiert
worden sind. Der offene Hohlraum 64 kann bei Bedarf mit einem
geeigneten Schaum 66 gefüllt werden, um dem Substrat 12' eine zusätzliche
Abstützung
zu bieten.
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In
einer Vorzugsausgestaltung der Erfindung ist das Substrat 12' eine Polyesterfolie
mit einer Dicke von 0,003 bis 0,010 inch (0,076 bis 0,254 mm). Wie
im Fachgebiet allgemein bekannt ist, können Kupferleiter 68 und
Lötstellen 70 auf
beiden Flächen des
Substrats ausgebildet sein. Eine geeignete (nicht dargestellte)
Lötmaske
wird über
die Kupferleiter 68 aufgebracht, so dass nur die Bereiche
der Anschlussstellen 70 offen liegen, auf denen die Lötpaste aufgedruckt
worden ist. Diese Anschlussstellen 70 weisen eine geeignete
Oberflächenbehandlung,
wie z. B. eine organische Oberflächenbehandlung,
auf um die Anschlussstellenoberflächen vor Oxidbildung zu schützen. Es
kann ein anderer Oberflächenschutz, wie
z. B. durch Tauchsilber oder einen galvanischen Zinnüberzug,
zur Verbesserung der Lötfähigkeit
der Komponenten 24 auf den Anschlussstellen verwendet werden.
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Es
können
Lötpasten 72 mit
bleihaltigen Zusammensetzungen und Lötpasten mit bleifreien Zusammensetzungen
verwendet werden. Die bleihaltigen Lötpasten haben im Allgemeinen
eine niedrigere Schmelztemperatur von etwa 183 °C bis 200 °C, während die bleifreien Zusammensetzungen Schmelztemperaturen
von etwa 220 °C
bis 245 °C haben.
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Im
Betrieb, wenn die Palette 14 oder 14' mit dem darauf
befestigten Substrat 12 oder 12' durch die Vorwärmzonen im Ofen transportiert
wird, wird die Lötpaste 72 aktiviert
und allmählich
auf eine Temperatur knapp unterhalb ihrer Schmelztemperatur erwärmt. Während dieses
Prozesses beginnt das Phasenübergangsmaterial 42 der
Palette Wärme
vom Ofen 13 und vom Substrat 12 oder 12' zu absorbieren,
wodurch die Temperatur des Substrats sinkt. Das ausgewählte Phasenübergangsmaterial 42 hat einen
Schmelzpunkt, der niedriger als der Schmelzpunkt der Lötpaste 72 ist.
Wenn das Phasenübergangsmaterial 42 zu
schmelzen beginnt, beginnt das Material eine Wärme- oder Energiemenge gleich
der latenten Wärme
des Materials zu absorbieren. Folglich wird die Temperatur des Phasenübergangsmaterials 42 konstant
gehalten, bis das Material vollständig geschmolzen ist. Deshalb
verbessert die Erfindung die Wärmeabsorptionseigenschaften
der Palette 14 oder 14' beträchtlich und hält eine abgesenkte Temperatur
des Substrats 12 oder 12' während des Aufschmelzens der
Lötpaste 72 aufrecht.
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In
einer Vorzugsausgestaltung der Erfindung weist das Phasenübergangsmaterial 42 eine
niedrigere Schmelztemperatur als Lot auf und kann aus leitfähigen Metallen,
wie z. B. Gallium, Galliumlegierungen oder Legierungen von Zinn
und Blei, bestehen. Andere geeignete Phasenübergangsmaterialien enthalten
Chlorfluorkohlenstoffe und ihre Verbindungen.
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Die
von der Gasdüse 18 erzeugte
Zusatzwärme
wird zur Bereitstellung einer fokussierten und konzentrierten Wärmequelle
verwendet. Die Gasdüse 18 liefert
für eine
kurze Dauer Wärme
an die freiliegende Substratfläche.
Vorzugsweise die Lötpaste 26,
die Leiteranschlussstellen 28 und die Kupferbereiche des
Substrats absorbieren Wärme
aufgrund ihres hohen Wärmediffusionsvermögens, während das
Substrat 12 oder 12' durch
die Palette 14 oder 14', die ihrerseits durch das Phasenübergangsmaterial 42 auf
einer niedrigeren Temperatur gehalten wird, auf einer niedrigeren
Temperatur gehalten wird. Auf diese Weise wird eine Erweichung und
Schädigung
des Substrats 12 oder 12' während des Aufschmelzprozesses
verhindert.
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Nachdem
die exponierte Region des Substrats unter der Gasdüse 18 vorbeibewegt
worden ist, fällt
die Temperatur der freiliegenden Elektronikkomponente 24 und
des Substrats 12 oder 12' schnell ab, so dass sich das aktivierte
Lot abkühlt
und verfestigt. Damit wird eine zuverlässige elektrisch leitende Verbindung
zwischen den Leitern oder Anschlussstellen 28 und den Komponenten 24 oder 24' gebildet. Während dieses
Prozesses erstarrt das Phasenübergangsmaterial 42 ebenfalls,
so dass die Palette 14 oder 14' für eine Wiederverwendung zur
Verfügung steht.
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In
den 4a und 4b ist eine andere Ausgestaltung
der Erfindung dargestellt, bei der eine Schablone 80 zwischen
Gasdüse 18 und
Substrat 12 oder 12' eingesetzt
ist. In der Schablone 80 sind eine Vielzahl von Öffnungen 82 angeordnet.
Die Öffnungen 82 setzen
zum Aufschmelzen der Lötpaste 72 bestimmte
Bereiche des Substrats 12'' und/oder der Komponenten 24'' der Gasdüse 18 aus. Die Schablone 80 schirmt
außerdem
Bereiche des Substrats 12'' und/oder der
Komponenten ab, so dass sie nicht dem Gasstrahl ausgesetzt ist/sind.
Auf diese Weise wird die Lötpaste
in den entsprechenden Bereichen geschmolzen und eine durch Erwärmung des
Substrats auf erhöhte
Temperaturen verursachte mögliche Beschädigung vermieden.
In einer anderen Ausgestaltung werden, wie in 4a gezeigt, die Palette 14'' und die Schablone 80 stationär gehalten,
während
die Gasdüse 18' zwecks selektiver
Erwärmung der
Substratbereiche die Schablone überquert.
In einer anderen Ausgestal tung wird, wie in 4b gezeigt, eine Gasdüse 18'' stationär gehalten,
während die
Palette 14''' und die Schablone 80 unter
der Gasdüse 18'' bewegt werden. Diese Ausgestaltung
würde zum
Erwärmen
und Aufschmelzen der gewünschten
Bereiche des Substrats und der Elektronikkomponenten mehrere Schablonen
erfordern.
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In 5 ist in einer noch anderen
Ausgestaltung der Erfindung ein System 90 für das Lotaufschmelzen
dargestellt. Die Erfindung bezieht sich auf das System 90 mit
einer über
einem Fördersystem 94 befindlichen
Anordnung von Gasdüsen 92.
Die Gasdüsen 92 der
Anordnung sind computergesteuert und können programmiert werden, so
dass sie über eine
definierte Zeitspanne separat angesteuert werden. Die Gasdüsen 92 sind
zum Ansteuern und Freigeben von Hochtemperaturgas auf ausgewählte Bereiche
eines bestückten
Substrats 96 programmiert, um die Lötpaste aufzuschmelzen, wenn
die Komponenten 98 unter der Gasdüsenanordnung 91 vorbeibewegt
werden. Vorzugsweise wird eine abwärts gerichtete Kamera 100 oder
ein optischer Scanner zum Lesen eines auf das Substrat 96 aufgedruckten Strichcodes 102 verwendet,
um das Substrat 96 zu erkennen und die Ansteuerung der
Gasdüsenanordnung 91 zu
programmieren. Die Anordnung 91 kann aus einer feinstbearbeiteten
Siliziumkonstruktion bestehen und feinstbearbeitete Siliziumventile
enthalten. Mit der Gasdüsenanordnung 91 können andere selektive
Heiztechniken, wie z. B. ein energiearmer Strahl, verwendet werden.
Die Erfindung bezieht sich außerdem
auf die Verwendung unterschiedlicher Gasdrücke in verschiedenen Gasdüsen der
Anordnung 91.
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In 6 ist in einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung ein System 149 für das Lotaufschmelzen
mithilfe einer Infrarot-(IR-)Lichtquelle 150 als Zusatzwärmequelle
dargestellt. In dieser Ausgestaltung ist ein Substrat 152 mit
einer für
IR-Strahlung undurchlässigen
Schutzabdeckung 154 abgedeckt. Die Schutzabdeckung 154 hat
eine Vielzahl von Öffnungen 156 für das Freilegen
der an das Substrat 152 zu lötenden Elektronikkomponenten 158.
Die IR-Lichtquelle 150 kann eine Vielzahl von IR-Geräten zur
Erzielung eines gewünschten
Heizeffekts enthalten. Außerdem
ist eine Kollimationslinse 160 zum Fokussieren des auf
das Substrat gerichteten Lichts zwischen der IR-Lichtquelle 150 und
dem bestückten Substrat 152 platziert.
Wenn die Schutzabdeckung 154 angebracht ist, wird die aus
Palette 162, Substrat 152 und Abdeckung 154 bestehende
Baugruppe auf dem Fördersystem 16 platziert
und durch den Ofen 13 transportiert. Die Temperatur des
Ofens 13 kann auf eine Temperatur eingestellt sein, die
das Substrat 152 nicht beschädigt. Die zum Aufschmelzen
der zwischen den Elektronikkomponenten 158 und den Lötstellen
auf dem Substrat angeordnete Lötpaste
erforderliche zusätzliche
Wärmeenergie
wird von der IR-Lichtquelle 150 geliefert.
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Die 7a und 7b stellen eine Schutzabdeckung 200 für das Abschirmen
von Abschnitten des Substrats gegen die aus der Gasdüse 202 ausströmenden heißen Gase
dar. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzabdeckung 200 aus
isolierenden Materialien, wie z. B. FR4-Material, Aluminium oder Ähnliches,
gefertigt. Diese Abdeckungsart kann mit jeder zuvor beschriebenen
Ausgestaltung entsprechend kombiniert werden.
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8 ist die Darstellung eines
Schnitts durch eine Palette 300. Die Palette 300 stützt ein
mit Elektronikkomponenten 304 bestücktes Substrat 302 ab.
Die Palette 300 enthält
eine Vielzahl von Wärmerohren 306,
die Wärme
vom Substrat 302 weg zu kühleren Bereichen der Palette 300 ziehen.
Außerdem
stehen die Wärmerohre
in Kommunikation mit den Phasenübergangsbereichen 310,
die Phasenübergangsmaterial
enthalten, wie zuvor beschrieben. Die Wärmerohre und die Phasenübergangsbereiche 310 kooperieren
zur Kühlung
des Substrats 302 miteinander, um abzusichern, dass das
Substrat keinen Schaden nimmt, wenn es der Zusatzwärmequelle ausgesetzt
ist.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird, wie in den 9a und 9b gezeigt, eine Palette 400 mit
einem thermoelektrischen Kühler 403 zur
Absorption von Wärme
aus dem Substrat 402 bereitgestellt. Wie in den zuvor beschriebenen
Ausgestaltungen wirkt eine Zusatzwärmequelle auf das mit Elektronikkomponenten 404 bestückte Substrat 402 ein;
um das dazwischen angeordnete Lot aufzuschmelzen. Wie in 9a dargestellt, bezieht
sich die Erfindung auf eine in der Palette 400 angeordneten
Anordnung 408 von thermoelektrischen Kühlern 403. Die Anordnung 408 kann
zur Bereitstellung lokalisierter Kühlung unabhängig betrieben und gesteuert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird, wie in 10 dargestellt, eine Querstrahldüse 500 für das Leiten
von Heißgas
quer über
das Substrat bereitgestellt. Die Düse 500 ist im Allgemeinen
innerhalb eines mit (nicht dargestellten) herkömmlichen Heizern oder Wärmequellen
ausgestatteten Aufschmelzofens 502 angeordnet. Die Heizer sind über und
unter dem Substrat angeordnet. Die unteren Heizer im Ofen werden
auf einer 5 bis 10 °C niedrigeren
Temperatur als die oberen Heizer gehalten. Die Düse kann an einer (nicht dargestellten) schwenkbaren
Konstruktion montiert sein, um das Schwenken der Düse zum Leiten
des Gases auf das Substrat in Transportrichtung vor oder hinter
dem Substrat zu ermöglichen.
Im Betrieb wird ein Substrat 504, auf dem eine Vielzahl
von Leiterzügen
befestigt ist, mithilfe einer gefurchten Palette 506, wie
z. B. die voranstehend offenbarten Paletten, in den Ofen 502 befördert. Es
können
andere Paletten, wie z. B. Paletten, die aus einem einzigen Material,
wie z. B. Glastik, oder aus einem Verbund, wie z. B. Aluminium für die Kontaktfläche und
einem Isolator, wie z. B. FR4 für
die Rückseite
(Bodenfläche)
der Pa fette, gefertigt sind, verwendet werden. Der Isolator würde die Wärme von
der Bodenseite abschirmen, während das
Aluminium eine Wärmesenke
zur Palette darstellt und die Temperatur des Substrats niedrig hält. Wie
voranstehend gezeigt, würde
die Palette einen Hohlraum zur Unterbringung von Elektronikkomponenten
haben, die auf der anderen Seite des Substrats befestigt sind. Das
Substrat 504 und die Palette 506 werden über ein
Förderbandsystem 508 durch den
Ofen 502 transportiert. Die Geschwindigkeit des Fördersystems 508 reicht
von 10 inches (25,4 cm) pro Minute bis 50 inches (127 cm) pro Minute.
Normalerweise hat das Substrat 504 eine Vielzahl von (nicht
dargestellten) Leiterzügen,
die auf einer Oberseite 510 des Substrats 504 befestigt
sind. Eine Vielzahl von Elektronikkomponenten 512, wie
z. B. flächenmontierte
Geräte,
sind auf den Leiterzügen
platziert, und zwischen den flächenmontierten
Geräten und
den Leiterzügen
ist (nicht dargestellte) Lötpaste angeordnet.
Die Düse
hat eine Düsenaustrittsweite
d und ist in einem Abstand l zum Substrat positioniert, wobei das
Verhältnis
l/d kleiner als 14 ist. Dadurch wird abgesichert, dass der zentrale
Kegel 513 des etwa 14 Strahldurchmesser (d) langen Heißgasstrahls
ungestört
ausgeprägt
ist, wenn der Strahl auf das Substrat auftrifft. Außerdem wird
dadurch ein verbesserter Wärmeübergang
vom Strahl auf das Substrat gesichert. Der Heißgasstrahl besteht vorzugsweise
aus erwärmter
Luft. Das Substrat kann Polyetylentherephtalat mit einer Glasumwandlungstemperatur
von 85 °C
sein. [0039] Das mit Elektronikkomponenten bestückte Substrat wird durch den Ofen 502 transportiert,
der die Temperatur des Substrats auf ein festgelegtes Niveau, vorzugsweise
auf etwa 130 °C,
erhöht.
Die Düse 500 empfängt Heißgas mit
einer Temperatur von 200 °C
bis 500 °C,
wie durch Pfeil i in 11 dargestellt.
Das Heißgas
wird zur weiteren Erwärmung
der Komponenten 512, der (nicht dargestellten) Lötpaste und
des Substrats 504 auf etwa 250 °C über die Breite des Substrats
verteilt. Auf diese Weise wird die Lötpaste verflüssigt. Die Konfiguration
der Düse
sowie die auf das Substrat bezogene Positionierung der Düse erzeugt,
wie nachfolgend beschrieben wird, einen gut ausgeprägten Gasstrahl 514.
Der Gasstrahl 514 erwärmt
nur einen gewünschten
Bereich des Substrats, während
er andere Bereiche des Substrat nicht erwärmt. Damit verhindert die Erfindung
eine Schädigung
des Substrats, weil das Heißgas
fokussiert wird und nur gewünschte
Bereiche des Substrats dem Gas ausgesetzt werden.
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11 ist eine Schnittdarstellung
der erfindungsgemäßen Düse 500.
Die Düse 500 umfasst
ein Düsengehäuse 520.
Das Düsengehäuse 520 stützt ein
Gasverteilungsrohr 522 an beiden Seiten des Rohrs durch
Konstruktionsstützelemente 524 und 526 und
entlang des Zwischenabschnitts durch Stützarme 528 ab. Das
Verteilungsrohr 522 verjüngt sich entlang seiner Längsachse,
um eine gleichmäßige Verteilung
des Heißgases
am Düsenaustritt
zu erleichtern, und enthält
eine Vielzahl von Öffnungen, aus
denen das Heißgas
austritt. Ein Paar aus einem Drahtsieb und/oder durchbrochenen Blechen
bestehende Gitter 530 und 532 wirken in Verbindung
mit einer Anzahl von Lamellen 534 zur Verteilung des Heißgases über das
Substrat. Die Lamellen 534 sind von der Mitte der Düse zu den
Enden der Düse
hin verlaufend in einem progressiv ansteigenden Winkel in Bezug
auf die Senkrechte angeordnet. Außerdem können die Lamellen zur Erleichterung
der Querströmung
des Gases gekrümmt
sein. Die Querströmung hier
ist als überwiegend
senkrechte Strömung
zur Bewegung des Substrats durch den Ofen definiert. Außerdem lenkt
ein Paar Deflektoren 536 mit einem Radius r Luft zur Düsenöffnung hin.
Wie durch die Pfeile f gekennzeichnet, wird das Heißgas über eine Breite
w des Substrats in einer Querrichtung verteilt. Deshalb wird ein
eng begrenzter Streifen Heißgas
erzeugt, der nur entlang eines gewünschten Bereichs des Substrats
auftrifft.
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Der
voranstehend beschriebene Prozess des Aufschmelzens der zwischen
den Elektronikkomponenten und dem Substrat angeordneten Lötpaste wird
durch Ausbalancieren der Temperatur innerhalb des Ofens 502,
der Geschwindigkeit des Fördersystems 508,
der Temperatur des aus der Düse 500 austretenden
Gases, des Gasvolumenstroms, der Weite des Austritts der Düse 500 und
dem Abstand der Düse 500 zum
Substrat 504 gesteuert. Die durch die Verwendung der Erfindung
erzielte angemessene Balance zwischen diesen Parametern gewährleistet
ein Aufschmelzen der Lötpaste
ohne Beschädigung
des Substrats.
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In
einer Vorzugsausgestaltung der Erfindung, wie in 1 dargestellt, wird ein Substrat 12 mit
einer Vielzahl von darauf angeordneten Elektronikkomponenten in
einem Aufschmelzofen 13 mit einer Vielzahl von Heizern 22 zum
Vorwärmen
des Substrats 12 platziert. Die Vielzahl von Heizern 22 wird
genau gesteuert, um das Substrats 12 vorzuwärmen, bevor
es der Zusatzwärmequelle 18 ausgesetzt wird.
Die Zusatzwärmequelle 18 kann
eine Heißgasdüse sein,
die einen über
die auf dem Substrat 12 positionierten Elektronikkomponenten 24 gerichteten Gasstrahl
bereitstellt, oder jede andere Wärmeenergiequelle
zum Aufschmelzen der auf dem Substrat angeordneten Lötpaste 26.
In dieser Ausgestaltung ist die Lötpaste 26 eine bleifreie
Variante mit einer Schmelztemperatur in einem Bereich von 217 °C bis 220 °C.
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein bevorzugtes Temperaturprofil des
Ofens 13, wie in 12 dargestellt. 12 ist speziell ein Schaubild
der Substrattemperatur (Ordinate) über der Zeit (Abszisse) im Aufschmelzofen.
Das Ofentemperaturprofil wird durch eine Vielzahl von Heizern 22 sowie
einer Zusatzwärmequelle 18 zur
Bereitstellung eines Gesamtofentemperaturprofils 600 erzeugt.
Das zum Beispiel durch eine Vielzahl von Ofenheizern 22 erzeugte
Temperaturprofil 600 stellt mindestens zwei Heizniveaus 602, 604 zur
allmählichen Verstärkung der
Wärmeeinwirkung
auf das Substrat und zur Erhöhung
der Temperatur des Substrats 12 bereit. Das erste Heizniveau 602 wird
zum Beispiel in einer ersten festgelegten Übergangsdauer 606 mit
einer Geschwindigkeit von nicht höher als 2 °C/s durch Steuerung eines Teils
der Ofenheizer 22 zur Erhöhung der Temperatur des Substrats 12 erreicht.
Die erste festgelegte Übergangsdauer
ist zum Beispiel zwischen 60 s und 120 s lang. Das erste Heizniveau 602 ist
erreicht, wenn die Temperatur des Substrats 12 etwa 130 °C bis 160 °C beträgt. Die
Ofenheizer 22 werden gesteuert, um die Temperatur des Substrats 12 für eine festgelegte
Dauer 608 auf dem ersten Heizniveau 602 zu halten.
Die festgelegte Dauer für
das erste Heizniveau beträgt
zum Beispiel zwischen 120 s und 240 s. Nach Ablauf der festgelegten
Dauer 608 für
das erste Heizniveau werden die Ofenheizer 22 gesteuert,
um für
einen Temperaturanstieg des Substrats 12 mit einer Geschwindigkeit
von nicht höher als
2 °C/s zu
sorgen. Nach einer zweiten festgelegten Übergangsdauer 610 erreicht
das Substrat 12 das zweite Heizniveau 604, das
etwa im Bereich von 190 °C
bis 230 °C
liegt. Die zweite festgelegte Übergangsdauer
ist zum Beispiel zwischen 30 s und 120 s lang. Wiederum werden die
Ofenheizer 22 gesteuert, um die Temperatur des Substrats
für eine
zweite festgelegte Dauer 612 auf dem zweiten Heizniveau zu
halten. Die festgelegte Dauer für
das zweite Heizniveau beträgt
zum Beispiel zwischen 60 s und 180 s. Nach Ablauf der festgelegten
Dauer 612 für
das zweite Heizniveau sorgt die Zusatzwärmequelle 18 für einen
schnellen Anstieg der Temperatur des Substrats 12 auf eine
Spitzentemperatur 614 zwischen 230 °C und 280 °C. Außerdem wird die Zusatzwärmequelle 18 so
gesteuert, dass die Dauer, während der
das Substrat 12 auf einer Temperatur über 225 °C gehalten wird, nicht länger als
15 s ist.
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Eine
bevorzugte Anordnung des Systems 10 enthält eine
Fördereinrichtung,
die das Substrat mit einer Geschwindigkeit von 40 inches (etwa 100
cm) pro Sekunde bewegt. Die Düsentemperatur
der Zusatzwärmequelle 18 beträgt vorzugsweise
300 °C. Das
System 10 erfordert nicht in allen Ausgestaltungen eine
Palette 14 zum Abstützen
und Transportieren des Substrats 12 auf einer Fördereinrichtung 16 und
ebenso wenig eine Palette 14 zum Abführen von Wärme vom Substrat 12.
Eine Abdeckung zum Schutz verschiedener Bereiche der Elektronikkomponente
ist ebenfalls nicht erforderlich. Anstelle des Einsatzes einer Schutzabdeckung
oder einer Palette zur Steuerung der Wärmeeinwirkung und der Wärmeabsorption
durch das Substrat 12 verwendet die Vorzugsausgestaltung
des Systems 10 das Ofentemperaturprofil 600 zum
Lotaufschmelzen ohne Beschädigung
des Substrats 12.
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Die
Vorzugsausgestaltung der Erfindung ist allein für das Aufschmelzen von bleifreiem
Lot mit einer Schmelztemperatur zwischen 217 °C und 220 °C konfiguriert. Das durch den
Ofen 13, die Heizer 22 und die Zusatzwärmequelle 18 bereitgestellte
Temperatur profil 600 verringert oder eliminiert die Wahrscheinlichkeit
des Auftretens von Schädigungen
am Substrat 12, während
zum Aufschmelzen des bleifreien Lots Wärmeenergie in ausreichendem
Maße bereitgestellt
wird.
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Jede
Person, die mit dem Fachgebiet des Systems und Verfahrens für das Aufschmelzen
von Lot zum elektrisch leitenden Verbinden von Elektronikkomponenten
mit einem Substrat vertraut ist, wird aus der voranstehenden ausführlichen
Beschreibung, den Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass Modifikationen
und Änderungen
an den Vorzugsausgestaltungen der Erfindung ausgeführt werden
können,
ohne dass vom durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten
Geltungsbereich der Erfindung abgewichen wird.