DE102005053779A1

DE102005053779A1 - Trägerelement zur Verwendung in der Elektronikindustrie

Info

Publication number: DE102005053779A1
Application number: DE102005053779A
Authority: DE
Inventors: Ralf Rumpen
Original assignee: ROESNICK VERTRIEBS GmbH; Rosnick Vertriebs GmbH
Current assignee: ROESNICK VERTRIEBS GmbH; Rosnick Vertriebs GmbH
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: DE102005053779B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trägerelement zur Verwendung in der Elektronikindustrie. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Lötmaske zum Verlöten von Elektronikbauteilen in einer Schwalllötanlage. Um eine Verlängerung der Standzeit zu erreichen, wird ein Trägerelement vorgeschlagen mit einem Grundkörper aus Leichtmetall, wobei der Grundkörper zumindest teilweise mit einer Antihaft-Beschichtung auf Polytetrafluorethylenbasis versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägerelement zur Verwendung in der Elektronikindustrie. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Lötmaske zum Verlöten von Elektronikbauteile in einer Schwalllötanlage.

Schwalllötmasken kommen innerhalb der Elektronikfertigung zur Verlötung von konventionell bestückten THT (Through Hole Technology)-Komponenten zur Anwendung. Hierbei ist das Lötgut (Leiterplatte) mit den lose bestückten Komponenten (insbesondere elektronischen Bauelementen) in rahmenartigen Lötmasken angeordnet, die in einem definiertem Lötwinkel zur Verlötung der Komponenten über eine Industrielötanlage gefahren werden. Bei den Lötmasken handelt es sich in der Regel um speziell für die zu lötende Leiterplatte angefertigte Träger. Die Herstellung der Lötmasken erfolgt mittels CNC-gesteuerten Fräsanlagen. Die Leiterplatte wird je nach Komplexität der Anwendung mittels eines umlaufenden Auflagestegs oder einer teilweisen Abdeckung der Leiterplattenunterseite in der Lötmaske aufgenommen.

Der Fertigungsablauf ist wie folgt: Nach dem Einlegen der Leiterplatte in die Lötmaske wird die Lötmaske innerhalb der Lötanlage zu einer Fluxstation transportiert. Dort wird das Flußmittels zur Aktivierung der Lötoberfläche aufgetragen. Bei dem Flußmittel handelt es sich in der Regel um eine Monocarbonsäure, wie beispielsweise Ameisensäure. Anschließend wird die Lötmaske zu einer Vorheizzone transportiert, wo eine Aktivierung des Flußmittels bei Temperaturen um 120°C bis 170°C erfolgt. Danach erfolgt ein Transport der Lötmaske zu einer Lötwelle, wo die eigentliche Verlötung der THT-Komponenten mittels einer flüssigen Zinn/Blei-Welle erfolgt. Im Zuge der Umstellung auf bleifreie Lötanwendungen findet die Verlötung immer öfter auch mittels einer Zinn/Silber-Welle statt. Bei der Verlötung wird das Lötgut sowie die Lötmaske mit Temperaturen von 250°C bis 285°C bei Kontaktzeiten von circa 3 Sekunden beaufschlagt. Anschließend erfolgt die Ausschleusung und Kühlung der Lötmaske. Der Vorgang wird mit der Entnahme der fertig verlöteten Leiterplatte abgeschlossen.

Aus dem Stand der Technik bekannte Lötmasken sind aus Kunststoffen gefertigt. Häufig kommen dabei hochtemperaturfeste, ESD (electro static discharge)-gerechte glasfaserverstärkte Kunststoffe (sogenannte GFK-Materialien), insbesondere Duroplastlaminate, zum Einsatz.

Aufgrund des stetigen Temperaturwechselspiels in Verbindung mit den zum Einsatz kommenden aggressiven Flußmitteln sowie der Reinigung der Lötmasken von Flußmittelresten mit Hilfe alkalischer oder alkoholbasierender Medien kommt es zu Schädigungen der Oberflächenstruktur bei GFK-Laminaten. Hierbei bricht die Duroplastmatrix auf, die Verstärkungsfaser liegt teilweise frei und die Oberfläche wird faserig und wirkt aufgeblüht. Die Oberflächenschädigung der Laminate führt zur Verschleppung von Lötzinn und zur Verunreinigung des Lötbades durch herausgelöste Harz- und Glasfaserreste. Dies führt zu Lötfehlern und daraus resultierender Reduzierung der Lötqualität. Eine Aufbereitung der Lötmasken durch unterseitiges Schleifen ist bedingt möglich, anderenfalls muß die betreffende Lötmaske aus dem Produktionsablauf entfernt werden. Die durchschnittliche Standzeit einer solchen herkömmlichen Lötmaske beträgt daher nur etwa 3000 bis 10000 Zyklen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Standzeit derartiger Trägerelemente zur Verwendung in der Elektronikindustrie zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch ein Trägerelement nach Anspruch 1 gelöst. Danach ist es vorgesehen, daß das Trägerelement einen Grundkörper aus Leichtmetall aufweist, der zumindest teilweise mit einer Antihaft-Beschichtung auf Polytetrafluorethylenbasis versehen ist.

Mit der Erfindung wird ein Trägerelement geschaffen, das eine gegenüber herkömmlichen Trägerelementen deutlich verlängerte Standzeit aufweist. Die durchschnittliche Standzeit einer solchen erfindungsgemäßen Lötmaske kann das 1,5- bis 2,5 fache der üblichen Standzeit erreichen.

Bei dem Trägerelement handelt es sich vorzugsweise um eine Lötmaske zum Verlöten von Elektronikbauteile in einer Schwalllötanlage. Die Erfindung kann jedoch auch für andere Trägerelemente in der Elektronikindustrie eingesetzt werden, beispielsweise für Lötmasken oder Lötrahmen zur Verwendung in Lötanlagen mit anderem Arbeitsprinzipien, beispielsweise Reflow-Lötanlagen, oder für Lackierrahmen, Lackiergestelle oder Lackiergehänge zum Lackieren von Elektronikbauteilen in einer Lackieranlage.

Eine grundlegende Idee der Erfindung besteht in der Verwendung einer Beschichtung eines Grundkörpers mit einer Antihaft-Beschichtung auf Polytetrafluorethylen (PFTE)-Basis. PFTE ist ein vollfluoriertes Polymer und gehört zur Klasse der Polyhalogenolefine. Es zeichnet sich u.a. durch seine Reaktionsträgheit aus. Darüber hinaus besitzt PTFE einen sehr geringen Reibungskoeffizienten und eine extrem niedrige Oberflächenspannung, so daß aufgrund der PFTE-basierten Beschichtung des Grundkörpers so gut wie kein Lötzinn und dergleichen haften bleibt oder verschleppt wird. Das Flußmittel wird restlos aktiviert und von der Lötwelle abgespült. Hierdurch können u.a. die Reinigungsintervalle der Lötmasken erheblich verlängert werden. Flußmittelrückstände auf der Leiterplatte werden insbesondere im Bereich von Auflagestegen deutlich reduziert. Dies trifft speziell auf die im Zuge der Umstellung auf bleifreie Lötanwendungen immer populärer gewordenen wasserbasierenden Flußmittel zu.

Eine Beschichtung eines herkömmlichen Kunststoff-Grundkörpers mit der beschriebenen Antihaft-Beschichtung scheidet wegen der hohen Beschichtungstemperaturen aus. Eine weitere grundlegende Idee der Erfindung ist daher die Verwendung eines Grundkörper aus Leichtmetall. Dies steht völlig im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen die Verwendung von Metallen als Material für Lötmasken aufgrund ihrer hohen Wärmeaufnahmefähigkeit und ihrer starken Wärmeausdehnung, nie in Betracht gezogen wurde.

Die Verwendung eines Leichtmetall-Grundkörpers hat nicht nur den Vorteil eines geringen Gewichtes. Auch die gute Wärmeleitfähigkeit von Leichtmetallen wird vorteilhaft genutzt. So werden bei partiellen Lötsystemen im 3D-Design, bei denen unterseitig reflow-gelötete SMD (surface mounted device)-Komponenten über die Lötmaske abgedeckt und nur noch die THT-Komponenten mittels des Lötschwalles gelötet werden, Lötperlen durch die nahezu vollständige Durchwärmung des Trägermaterials vermieden. Zugleich wird – insbesondere bei einer vollständigen Beschichtung des Grundkörpers – eine Verunreinigung des Lötbades durch aus dem Grundkörper austretende Metallmoleküle verhindert.

Neben einer verlängerten Standzeit liegt ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß beschädigte oder defekte Lötmasken nach einer Aufarbeitung wieder beschichtet und somit beliebig oft wiederverwendet werden können. Schließlich ist ein weiterer Vorteil der Erfindung in den im Vergleich zu den sich derzeit im Einsatz befindlichen GFK-Werkstoffen geringer Materialkosten zu sehen. Insgesamt ergibt sich daher mit der Erfindung eine deutliche Verbesserung der Lötmaskenqualität und somit auch der Qualität der herzustellenden Lötverbindungen unter Einhaltung der ESD-Anforderungen bei zugleich verringerten Gesamtkosten.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Besteht der Grundkörper aus einem Aluminiummaterial, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, so ist er besonders einfach herstellbar. Zugleich zeichnet sich ein solcher Grundkörper durch sein geringes Gewicht und durch seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aus.

Die Beschichtung des Grundkörpers kann im Prinzip durch ein beliebiges Beschichtungsverfahren hergestellt werden. Besonders bewährt hat sich jedoch die Verwendung eines Pulverbeschichtungsverfahrens. So lassen sich sehr gute Beschichtungsergebnisse mit verhältnismäßig geringem Aufwand erzielen. Die Schichtdicken liegen vorzugsweise zwischen 40 μm und 120 μm; vorzugsweise beträgt die Schichtdicke etwa 80 μm.

Die geforderten ESD-Eigenschaften der Lötmaske werden vorzugsweise dadurch erreicht, daß Beschichtung Graphit- oder Kohlenstoffanteile enthält. So bewegt sich der Oberflächenwiderstand der fertig beschichteten Lötmaske vorzugsweise zwischen 10⁵ und 10⁹ Ω. Insbesondere wird dem für die Beschichtung verwendeten Beschichtungspulver Graphit- oder Kohlenstoffpulver zugegeben. Dies ist bei Anwendung eines Pulverbeschichtungsverfahrens besonders einfach möglich. Der Graphit- oder Kohlenstoffanteil am Beschichtungspulver beträgt insbesondere zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent; vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Gewichtsprozent.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung eine Temperaturbeständigkeit von 260°C (stetig) und größer als 300°C (kurzzeitig) aufweist. So ist ein dauerhafter Einsatz in heißen Umgebungen, insbesondere in Lötanlagen, möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. Eine Lötmaske zum Verlöten von Elektronikbauteile in einer Schwalllötanlage weist einen Grundkörper aus einer Aluminiumlegierung auf, der zumindest teilweise mit einer Antihaft-Beschichtung auf Polytetrafluorethylenbasis versehen ist. Insbesondere handelt es sich bei der Beschichtung um eine speziell auf die vorliegende Erfindung abgestimmte Teflon^®-Modifikation. Durch die erreichten Antihaft-Eigenschaften wird dabei ein Anhaften von Flußmittelresten, Zinnperlen usw. wirkungsvoll vermieden.

Der Grundkörper ist spannungsfrei ausgetempert und nahezu verzugsfrei. Damit wird verhindert, daß sich der Grundkörper unter Temperatureinfluß verformt. Er weist beispielsweise die Form eines Rahmens mit einer Anzahl von Aussparungen auf, wobei die Aussparungen an die Form der von der Lötmaske aufzunehmenden Leiterplatten oder dergleichen angepaßt sind.

Die Beschichtung wird zumindest auf Teile des Grundkörpers mit Hilfe eines Pulverbeschichtungsverfahrens aufgebracht, wobei das Beschichtungspulver zur Erlangung der gewünschten ESD-Eigenschaften eine bestimmte Menge Kohlenstoffpulver enthält; im vorliegenden Fall zwischen 0,5 und 2 Gewichtsprozent. Die Schichtdicke beträgt etwa 80 μm.

Zur Entfaltung der optimalen Eigenschaften wird die Beschichtung bei 360°C eingebrannt. Die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers wird vor dem Beschichtungsvorgang vorbehandelt und/oder aktiviert. Ein besonders guter Schutz des Grundkörpers wird erzielt, wenn der Grundkörper vollständig beschichtet ist. Jedoch ist – je nach Anwendungsfall – auch eine Teilbeschichtung möglich.

Bei der verwendeten Beschichtung handelt es sich um eine hitzebeständige, abriebfeste Pulverschicht für stark beanspruchte Antihaft-Anwendungen bei hohen Temperaturen. Die Beschichtung zeichnet sich durch hervorragende Antihaft- sowie Gleiteigenschaften aus, wobei es Einsatztemperaturen bis über 300°C standhält. Insbesondere weist die Beschichtung eine Temperaturbeständigkeit von 260°C (stetig) und größer als 300°C (kurzzeitig) auf.

Die Beschichtung ist dank der porenarmen Oberfläche beständig gegen alle gängigen neutralen Lösungsmittel, gegen Fette, Öle sowie selbst konzentrierten Säuren und Laugen. Die Beschichtungsoberfläche weist eine feine Struktur auf und ist glatt und wachsartig anzufühlen. Die Beschichtung weist eine sehr gute Haftfestigkeit auf (Gitterschnitt nach DIN 53151: GT 0–1 (gestrahltes und grundiertes Stahlblech)). Die Beschichtung ist warmfest und weist eine hohe Zähigkeit auf. Die MIT-Falzfestigkeit beträgt 50000 Lastspiele (180–200 mm). Die Durchschlagfestigkeit der Beschichtung beträgt etwa 80 V/mm. Der Oberflächenwiderstand liegt zwischen 10⁵ und 10⁹ Ω. Die Beschichtung weist eine schwarze Farbe auf und ist metallisch glänzend.

Claims

Trägerelement zur Verwendung in der Elektronikindustrie, insbesondere Lötmaske zum Verlöten von Elektronikbauteile in einer Schwalllötanlage, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement einen Grundkörper aus Leichtmetall aufweist, der zumindest teilweise mit einer Antihaft-Beschichtung auf Polytetrafluorethylenbasis versehen ist.
Trägerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einem Aluminiummaterial besteht.
Trägerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper pulverbeschichtet ist.
Trägerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung Graphit- oder Kohlenstoffanteile enthält.
Trägerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Temperaturbeständigkeit von 260°C (stetig) und größer als 300°C (kurzzeitig) aufweist.