DE102013106579A1 - Solder mask for wave soldering, has two soldering windows which are connected by channel - Google Patents

Solder mask for wave soldering, has two soldering windows which are connected by channel Download PDF

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Abstract

The solder mask (1) has two soldering windows (2.1-2.3) which are connected by a channel. A support frame is configured record several solder masks and several printed circuit boards (PCB). The support frame is configured to serve the feed of solder mask and to protect the PCB against flooding by plumb bob.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lötmaske für Wellenlötverfahren. The invention relates to a solder mask for wave soldering.

Zum Verlöten von Leiterplatten, die sowohl mit SMD (Surface Mount Device) als auch mit THT (Through Hole Technology) Bauteilen bestückt sind, mit diesen Bauteilen werden oftmals nacheinander zwei Massenlötverfahren angewendet, nämlich das Reflow-Löten der SMD-Bauteile in einem Lötofen und anschliessend das Wellenlöten der THT-Bauteile in einer Wellenlötanlage. Wenn die Leiterplatte z.B. mit SMD-Bauteilen auf der Unterseite bestückt ist, dann müssen diese beim Wellenlöten mittels einer Lötmaske abgedeckt werden. Die Unterseite ist diejenige Seite der Leiterplatte, die der Lotwelle der Wellenlötanlage zugewandt ist. Lötmasken sind beispielsweise bekannt aus EP 346228 , US 4739919 , US 5617990 und EP 2361001 .For soldering printed circuit boards which are equipped both with SMD (Surface Mount Device) and with THT (Through Hole Technology) components, these components are often used successively two mass soldering, namely the reflow soldering of the SMD components in a soldering and then the wave soldering of the THT components in a wave soldering machine. For example, if the circuit board is equipped with SMD components on the underside, then these must be covered by wave soldering using a solder mask. The underside is the side of the circuit board that faces the solder wave of the wave soldering machine. Solder masks are known, for example EP 346228 . US 4739919 . US 5617990 and EP 2361001 ,

Die Lötmaske ist ein Hilfsmittel, welches Bauteile und/oder Sektoren der Leiterplatte auf der Unterseite vor Wärme, Lotwelle und Flussmittel schützt. Die Lötmaske enthält Lötfenster für die Anschlusspins, Anschlussbeine bzw. Anschlussdrähte der THT-Bauteile, damit diese von der Lotwelle benetzt und gelötet werden. Dies ist anschaulich dargestellt in den 1 der US 4739919 wie auch der EP 2361001 .The solder mask is a tool that protects components and / or sectors of the circuit board on the bottom from heat, solder wave and flux. The solder mask contains soldering windows for the connection pins, connecting legs or connection wires of the THT components so that they are wetted and soldered by the solder wave. This is clearly shown in the 1 of the US 4739919 as well as the EP 2361001 ,

Beim Wellenlötverfahren wird flüssiges Lot durch eine Düse gepumpt, um eine Lotwelle, z.B. eine Jetwelle oder Lochwelle zu erzeugen. Die Lötmaske mit der Leiterplatte oder mit mehreren Leiterplatten wird entweder in horizontaler Richtung oder unter einem Winkel von typischerweise 7° so an der Lotwelle vorbei transportiert, dass die Lotwelle auf die Lötmaske auftrifft und das Lot die Lötfenster ausfüllt, so dass die THT-Bauteile mit der Leiterplatte gelötet werden. In the wave soldering process, liquid solder is pumped through a nozzle to form a solder wave, e.g. to create a Jetwelle or hole wave. The solder mask with the circuit board or with multiple circuit boards is transported either in the horizontal direction or at an angle of typically 7 ° past the solder wave, that the solder wave impinges on the solder mask and the solder fills the solder windows, so that the THT components with soldered to the circuit board.

Infolge der hohen Bauteiledichte auf heutigen Leiterplatten sind die Platzverhältnisse sehr beschränkt. Die abzudeckenden Bauteile sind zudem meistens verschieden gross und verschieden hoch. Dies führt dazu, dass die seitlichen Abmessungen der Lötfenster sehr unterschiedlich sein können. Wenn die Leiterplatte mit relativ grossen Bauteilen wie Stecker, Spulen oder anderen Spezialbauteilen bestückt ist, dann kann die Tiefe der Lötfenster ohne weiteres 10 bis 12 mm oder mehr erreichen. Dies führt zum Problem, dass das Lot beim Wellenlöten die Leiterplatte nicht immer erreicht, das Prozessfenster sehr klein wird oder im Extremfall sogar kein Prozessparameter gefunden werden kann, um alle Anschlüsse der Bauteile gleichzeitig gut zu löten. Due to the high component density on today's printed circuit boards, the space available is very limited. The components to be covered are also usually different sizes and different heights. This results in that the lateral dimensions of the soldering windows can be very different. If the printed circuit board is equipped with relatively large components such as plugs, coils or other special components, then the depth of the soldering windows can easily reach 10 to 12 mm or more. This leads to the problem that the solder does not always reach the circuit board during wave soldering, the process window becomes very small or in extreme cases even no process parameter can be found in order to solder all connections of the components simultaneously.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Wellenlöten mit Lötmasken zu ermöglichen, deren Lötfenster eine vergleichsweise grosse Tiefe von typischerweise 10 bis 12 mm und stark unterschiedliche seitliche Abmessungen im Bereich von 1 bis 2 mm bis zu mehreren Millimetern haben. The invention has for its object to enable wave soldering with solder masks whose soldering windows have a comparatively large depth of typically 10 to 12 mm and very different lateral dimensions in the range of 1 to 2 mm to several millimeters.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. The stated object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Eine grundsätzliche Betrachtung des Erfinders hat die Erkenntnis gebracht, dass in einem Lötfenster zwei Drücke und zwei Kräfte auf das Lot einwirken, nämlich der hydrostatische Druck des Lots und der hydrodynamische Druck des Lots, die Schwerkraft des Lots und Oberflächenkräfte zwischen Lot und Lötmaske. Der hydrostatische Druck und der hydrodynamische Druck des Lots bewirken, dass das Lot im Lötfenster aufsteigt, während die Schwerkraft und die Oberflächenkräfte dem entgegenwirken. Weil die Lötmaske aus einem Material besteht, das vom Lot nicht benetzt wird, z.B. aus Glasfaserverbundstoffen oder Titan, muss das Lot beim Aufsteigen in den Fenstern die Oberflächenkräfte überwinden. Die Stärke der einwirkenden Oberflächenkräfte hängt von dem Benetzungswinkel und von den seitlichen Abmessungen des Lötfensters ab. Dies führt dazu, dass das Lot in den grossen Lötfenstern höher aufsteigt als in den kleinen Lötfenstern. A fundamental consideration of the inventor has been the realization that in a soldering window two pressures and two forces act on the solder, namely the hydrostatic pressure of the solder and the hydrodynamic pressure of the solder, the gravity of the solder and surface forces between solder and solder mask. The hydrostatic pressure and the hydrodynamic pressure of the solder cause the solder to rise in the soldering window while the force of gravity and the surface forces counteract it. Because the solder mask is made of a material that is not wetted by the solder, e.g. made of glass fiber composites or titanium, the solder must overcome the surface forces when rising in the windows. The strength of the applied surface forces depends on the wetting angle and the lateral dimensions of the soldering window. As a result, the solder rises higher in the large soldering windows than in the small soldering windows.

Die Erfindung schlägt vor, wenigstens zwei Lötfenster durch einen Kanal miteinander zu verbinden. Die Erfindung schlägt insbesondere vor, die kleinen Lötfenster einer Lötmaske mit den grösseren und grossen Lötfenstern der Lötmaske durch Kanäle zu verbinden. Die Unterseite der Lötmaske ist mit Ausnahme der Lötfenster und der Verbindungskanäle mit Vorteil eine ebene Fläche. The invention proposes to connect at least two soldering windows by a channel with each other. The invention proposes, in particular, to connect the small soldering windows of a solder mask with the larger and larger soldering windows of the solder mask through channels. The bottom of the solder mask is advantageously a flat surface except for the solder windows and the connection channels.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and with reference to the drawing.

1A und B zeigen eine Lötmaske gemäss dem Stand der Technik, und 1A and B show a solder mask according to the prior art, and

2A und B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Lötmaske. 2A and B show an embodiment of a solder mask according to the invention.

Die 1A und 1B zeigen Fotos einer für Experimente verwendeten Lötmaske 1 in einer Ausführung gemäss dem Stand der Technik. Die 1A zeigt die beim Wellenlöten der Lotwelle abgewandte Seite der Lötmaske 1, auf die die (nicht gezeigte) Leiterplatte oder mehrere Leiterplatten aufgesetzt wird/werden. Die 1B zeigt die der Lotwelle zugewandte Seite. Die hier dargestellte Lötmaske 1 hat verschiedene Typen von Lötfenstern 2.1 bis 2.3, nämlich zwei Lötfenster 2.1 des ersten Typs, sechs Lötfenster 2.2 des zweiten Typs und acht Lötfenster 2.3 des dritten Typs. Die unterschiedlichen Lötfenster haben einen unterschiedlichen Grundriss, aber eine gleiche Tiefe. Die Bohrungen entlang des Randes der Lötmaske 1 sind für die Erfindung ohne Bedeutung, sie dienen zur Befestigung der Lötmaske 1 in einem Trägerrahmen, der durch die Wellenlötanlage transportiert wird. Der Trägerrahmen dient einerseits zum Transport der Lötmaske und schützt andererseits die Leiterplatte vor Überflutung durch Lot. Der Trägerrahmen kann mehrere Lötmasken aufnehmen oder auch eine einzige Lötmaske, die ihrerseits mehrere Leiterplatten aufnimmt. Der Trägerrahmen und die Lötmaske können auch ein einziges Teil sein. The 1A and 1B show photos of a solder mask used for experiments 1 in an embodiment according to the prior art. The 1A shows the side facing away from the wave soldering the solder wave solder mask 1 on which the printed circuit board (not shown) or a plurality of printed circuit boards is mounted. The 1B shows the side facing the solder wave. The solder mask shown here 1 has different types of soldering windows 2.1 to 2.3 namely two solder windows 2.1 of the first type, six soldering windows 2.2 of the second type and eight soldering windows 2.3 of the third type. The different soldering windows have a different floor plan, but one same depth. The holes along the edge of the solder mask 1 are of no importance to the invention, they serve to attach the solder mask 1 in a carrier frame, which is transported by the wave soldering system. The support frame serves on the one hand to transport the solder mask and on the other hand protects the circuit board from flooding by solder. The carrier frame can accommodate multiple solder masks or a single solder mask, which in turn receives a plurality of circuit boards. The support frame and the solder mask may also be a single part.

Beim Wellenlöten wird die Lötmaske 3 mit der zu lötenden Leiterplatte in einer vorbestimmten Transportrichtung durch die Wellenlötanlage transportiert, bevorzugt in horizontaler Richtung oder auch unter dem oft üblichen Winkel von 5°–8°. Wave soldering becomes the solder mask 3 transported with the soldered to the circuit board in a predetermined transport direction by the wave soldering, preferably in the horizontal direction or at the often conventional angle of 5 ° -8 °.

Die 2A und 2B zeigen Fotos einer für Experimente verwendeten Lötmaske 3 gemäss der Erfindung. Diese Lötmaske 3 hat die gleichen Lötfenster 2.1 bis 2.3 wie die Lötmaske 1 und hat zusätzlich Kanäle 4, die die Lötfenste 2.1 bis 2.3 verbinden. Die Kanäle 4 sind – von der der Lotwelle zugewandten Seite aus gesehen – Vertiefungen, die weniger tief als die Lötfenster 2.1 bis 2.3 sind. Die Kanäle 4 können überall dort angebracht werden, wo die darunterliegenden SMD-Bauteile eine Höhe haben, die kleiner als die Differenz zwischen der Tiefe der Lötfenster und der Tiefe der Kanäle ist. Die Kanäle 4 nützen also den Umstand aus, dass nur wenige der SMD-Bauteile die maximale Höhe haben, die die grosse Tiefe der Lötfenster erfordert. The 2A and 2 B show photos of a solder mask used for experiments 3 according to the invention. This solder mask 3 has the same solder windows 2.1 to 2.3 like the solder mask 1 and has additional channels 4 that the soldering windows 2.1 to 2.3 connect. The channels 4 are - seen from the side facing the solder wave - depressions that are less deep than the soldering windows 2.1 to 2.3 are. The channels 4 can be mounted anywhere where the underlying SMD components have a height that is less than the difference between the depth of the solder windows and the depth of the channels. The channels 4 So use the fact that only a few of the SMD components have the maximum height that requires the large depth of the soldering windows.

Bei dem in den 2A und 2B dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Kanäle 4 vorhanden, nämlich in Bezug auf die Transportrichtung vier Querkanäle und zwei Längskanäle, wobei jedes der Lötfenster 2.1 bis 2.3 mit mindestens einem Kanal 4 verbunden ist. Bei anderen Anwendungen mit anderer Anordnung und Geometrie der Lötfenster kann es ausreichen, wenn nur einzelne Lötfenster durch Kanäle 4 miteinander verbunden sind. So kann es für eine spezifische Lötmaske durchaus ausreichen, wenn nur zwei ihrer Lötfenster durch einen Kanal verbunden sind. Da die Herstellung der Kanäle 4 technisch aufwendig und dementsprechend teuer ist, werden sie in der Praxis nur dort angebracht, wo sie für einen stabilen Lötprozess erforderlich sind. Es kann auch sein, dass die Kanäle 4 nur quer zur Transportrichtung oder nur entlang der Transportrichtung der Lötmaske ausgerichtet sind. In the in the 2A and 2 B illustrated embodiment are six channels 4 present, namely with respect to the transport direction four transverse channels and two longitudinal channels, wherein each of the soldering windows 2.1 to 2.3 with at least one channel 4 connected is. In other applications with different arrangement and geometry of the soldering windows, it may be sufficient if only individual soldering windows through channels 4 connected to each other. So it may be sufficient for a specific solder mask, if only two of their soldering windows are connected by a channel. Since the production of the channels 4 is technically complex and therefore expensive, they are in practice only where they are required for a stable soldering process. It can also be that the channels 4 only aligned transversely to the transport direction or only along the transport direction of the solder mask.

Wie aus den 2A und 2B ersichtlich ist, verbinden die Kanäle 4 die Lötfenster miteinander, erstrecken sich aber nicht bis zum Rand der Lötmaske 3. Die Kanäle 4 bewirken dadurch einen Druckausgleich zwischen den verbundenen Lötfenstern. Die Kanäle 4 ermöglichen jedoch nicht das Abfliessen von Lot zur Seite, weder in Transportrichtung noch quer zur Transportrichtung, und ermöglichen somit auch keinen Druckabbau. Like from the 2A and 2 B it can be seen connect the channels 4 the soldering windows with each other, but do not extend to the edge of the solder mask 3 , The channels 4 cause pressure equalization between the connected soldering windows. The channels 4 However, do not allow the flow of solder to the side, neither in the transport direction nor transverse to the transport direction, and thus also allow no pressure reduction.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 5617990 [0002] US 5617990 [0002]
  • EP 2361001 [0002, 0003] EP 2361001 [0002, 0003]

Claims (1)

Lötmaske (3) für Wellenlötverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Lötfenster (2.1, 2.2, 2.3) durch einen Kanal (4) miteinander verbunden sind. Solder mask ( 3 ) for wave soldering processes, characterized in that at least two soldering windows ( 2.1 . 2.2 . 2.3 ) through a channel ( 4 ) are interconnected.
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