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Die
Erfindung betrifft eine Lötmaske
oder einen Lötrahmen
zum Verlöten
von Elektronikbauteilen in einer Lötanlage. Insbesondere betrifft
die Erfindung eine Lötmaske
oder einen Lötrahmen
zum Verlöten
von Elektronikbauteilen in einer Schwalllötanlage. Lötmasken und Lötrahmen
werden nachfolgend auch allgemein als Trägerelemente bezeichnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
DE 196 18 227
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verlöten von
elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte bekannt, bei
der eine Schablone verwendet wird; Angaben über Material oder Beschichtung
der dort eingesetzten Schablone sind jedoch nicht angegeben. Auch
in
DE 13 00 789 ist
eine Lötvorrichtung
zum gleichzeitigen Löten
mehrerer Lötstellen
bekannt, wobei hinsichtlich des dort zum Einsatz kommenden Materials lediglich
offenbart wird, daß das
Lotleitblech aus lotabweisendem Material gefertigt ist. Weitere
Aussagen über
das Material werden nicht getroffen. In der
DE 40 04 602 A1 wird eine
Lötanlage
beschrieben, bei der eine Folienmaske aus einem ferromagnetischem
Material verwendet wird, welche mit Chrom beschichtet ist. In der
US 4,457,466 ist ein Abdeckstreifen
aus Leichtmetall beschrieben, der verwendet wird, um die goldbeschichteten
Kontakte von Leiterplatten abzudecken. In diesem Zusammenhang wird erwähnt, daß die Abdeckstreifen
mit „Teflon
Polyimide" beschichtet
werden, um zu verhindern, daß Lot an
den Abdeckstreifen anhaftet. Weitere Angaben zu dem Beschichtungsmaterial
sind jedoch nicht vorhanden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Standzeit derartiger
Trägerelemente
zur Verwendung in der Elektronikindustrie zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch
eine Lötmaske
oder einen Lötrahmen
nach Anspruch 1 gelöst.
Danach ist es vorgesehen, daß die
Lötmaske
oder der Lötrahmen
einen Grundkörper
aus Leichtmetall aufweist, der zumindest teilweise mit einer Antihaft-Beschichtung
auf Polytetrafluorethylenbasis versehen ist, wobei die Beschichtung
einen Graphit- oder Kohlenstoffanteil von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent
enthält.
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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 2,5fache der üblichen
Standzeit erreichen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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.
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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
40μm und
120μm; vorzugsweise
beträgt
die Schichtdicke etwa 80μm.
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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.
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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.
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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,