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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren zum Löten von Fügepartnern, insbesondere von elektrischen Bauteilen auf Leiterplatten oder anderen Trägerelementen.
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In der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen zum Löten von Fügepartnern und insbesondere von elektrischen Bauelementen auf Substraten bekannt. Dabei ist es üblich, den Lötvorgang im Vakuum durchzuführen.
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So beschreibt beispielsweise die
EP 1 474 260 B1 ein Mehrkammer-Vakuum-Lötsystem, bei dem Substrate als ein erster Fügepartner auf einem Substratträger, der in der Regel als eine massive steife Platte ausgebildet ist, positioniert werden und ein elektrisches Bauelement als zweiter Fügepartner auf dem Substrat platziert wird. Zwischen den Fügepartnern Substrat/Bauelement ist ein geeignetes Lotmaterial beispielsweise als eine Preform oder als Paste vorgesehen. Der Substratträger wird anschließend innerhalb einer Vakuumkammer mittels Lampenstrahlung, die außerhalb der Vakuumkammer erzeugt und in diese eingekoppelt wird, erwärmt. Der Substratträger erwärmt dann über entsprechende Wärmeleitung das Substrat auf eine Temperatur, die ausreicht, das Lot zu schmelzen, um somit die Fügepartner zu löten.
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Bei solchen Systemen kann sich das Problem ergeben, dass die Wärmeleitung zwischen Substratträger als Auflage und Substrat gestört ist und somit das Lötergebnis nicht reproduzierbar ist. Eine solche Störung der Wärmeleitung kann beispielsweise auftreten, wenn die Substrate und/oder die Substratträger uneben sind, so dass nur punktuelle Kontakte zwischen Substrat und Substratträger gegeben sind, über die eine Wärmeleitung stattfindet.
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Insbesondere bei großflächigen Substraten kann dies zu einer inhomogenen Aufheizung des Substrats führen, so dass gegebenenfalls Bereiche entstehen, in denen das Lot nicht oder nicht vollständig schmilzt und dementsprechend das Lötergebnis schlecht ist. Aber auch bei einer Vielzahl von kleineren Substraten mit entsprechend kleineren Bauelementen als Fügepartner kann es zu entsprechenden Inhomogenitäten der Temperaturverteilung zwischen benachbarten Substraten kommen, so dass keine gleichmäßigen Lötergebnisse erzielbar sind. Bei der steifen Platte besteht darüber hinaus das Problem, dass sie sich mit der Zeit mehr und mehr verformt und eine solche Verformung zu einer verkürzten Lebenszeit führt, da eine solche Verformung ab einem bestimmten Grad einen Austausch der Platte erforderlich machen kann.
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Bei solchen Systemen ist ferner der Anpressdruck zwischen den Fügepartnern nur vom Eigengewicht des oben liegenden Fügepartners abhängig, so dass gelegentlich eine schlechte Verbindung zwischen den Fügepartnern erreicht wird, insbesondere, wenn das dazwischen befindliche Lot nur unzureichend erwärmt wird. Ein weiteres Problem, das bei diesen Systemen auftreten kann, ist, dass der oben liegende Fügepartner in der Regel weniger warm wird als das Lotmaterial, was die Lötverbindung beeinträchtigen kann. Insbesondere kann es zu kalten Lötstellen kommen, welche eine schlechte Verbindung ergeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und ein Verfahren zum Löten von Fügepartnern vorzusehen, die geeignet sind, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden oder abzumildern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 10 oder eine Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich unter anderem aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Insbesondere ist eine Vorrichtung zum Löten von Fügepartnern, wie zum Beispiel von elektrischen Bauteilen auf Leiterplatten oder anderen Trägerelementen, vorgesehen, die folgendes aufweist: eine Vakuumkammer, die mit einer Vakuumeinheit verbindbar ist, ein erstes Plattenelement in der Vakuumkammer, ein zweites Plattenelement in der Vakuumkammer, das zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei das zweite Plattenelement in der geschlossenen Position dem ersten Plattenelement gegenüberliegt, um zwischen den Plattenelementen aufgenommene Fügepartner zusammendrücken zu können, wobei eines der Plattenelemente flexibel und das Andere steif ausgebildet ist, eine Vielzahl von elastisch vorgespannten Elementen, die geeignet sind das flexibel ausgebildete Plattenelement zu kontaktieren und elastisch in Richtung des anderen Plattenelements vorzuspannen, und wenigstens eine erste Heizeinheit, die geeignet ist zum Heizen des flexibel ausgebildeten Plattenelements. Eine solche Vorrichtung mit flexiblem Plattenelement ermöglicht unter anderem eine Anpassung an Unebenheiten der Fügepartner, was unter anderem das Verlöten von unebenen großflächigen Substraten oder von Einzelsubstraten unterschiedlicher Höhe oder Toleranz verbessert. Eine gegebenenfalls alterungsbedingte Plattenverbiegung eines der Plattenelemente spielt auf Grund der Anpassbarkeit des flexiblen Plattenelements eine untergeordnete Rolle. Die Qualität der Lötverbindung steigt aufgrund einer gleichmäßigeren Temperaturübertragung zwischen flexiblem Plattenelement und dem hiermit in Kontakt stehenden Fügepartner(n) und somit ergibt sich eine verbesserte Wiederholbarkeit der Prozessergebnisse. Auch führt der gezielt anlegbare Zusammenpressdruck zwischen den Fügepartnern zu einer guten Lötverbindung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Heizeinheit auf, die zum Heizen des anderen Plattenelements geeignet ist, und die unabhängig von der ersten Heizeinheit ansteuerbar ist. Hierdurch kann eine entsprechende Beheizung beider Fügepartner vorgenommen werden, wodurch kalte Lötstellen vermieden werden können. Insbesondere können durch die unabhängige Ansteuerbarkeit unterschiedliche Temperaturen an die Fügepartner angelegt werden, was das Löten von Fügepartnern mit unterschiedlichen Temperaturvermögen oder unterschiedlichen thermischen Eigenschaften verbessert.
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Vorzugsweise ist die Vielzahl von elastisch vorgespannten Elementen beweglich in einer Grundplatte geführt und über wenigstens eine Feder vorgespannt.
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Hierdurch ergibt sich ein einfacher Aufbau und auch bei den auftretenden Temperaturen eine gute Funktionssicherheit.
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Die erste Heizeinheit weist vorzugsweise wenigstens einen Strahlungsheizer, insbesondere in der Form einer Heizlampe auf, die ein schnelles Ansprechverhalten zeigt. Die Heizeinheit ist bevorzugt zwischen der Grundplatte und dem flexiblen Plattenelement angeordnet und kann somit direkt auf das flexible Plattenelement wirken. Zum Erreichen der Flexibilität weist das flexible Plattenelement bevorzugt eine geringe Dicke von ≤ 5 mm, bevorzugt ≤ 2 mm auf und dementsprechend eine geringe thermische Masse, sodass das flexible Plattenelement auch rasch auf die Strahlungsheizung der Heizeinheit anspricht.
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Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Bewegungseinheit auf, die geeignet ist, die Vielzahl von elastisch vorgespannten Elementen als Einheit und somit das flexibel ausgebildeten Plattenelement in Richtung des anderen Plattenelements zu bewegen. Eine entsprechende Bewegung ermöglicht das Zusammendrücken der Fügepartner zwischen den Plattenelementen mit einer einzigen Bewegung, wobei die elastische Vorspannung einen Ausgleich der Andrückkraft über das flexible Plattenelement hinweg vorsieht. Bevorzugt erfolgt die Bewegung über die Grundplatte, in der die elastisch vorgespannten Elemente gelagert sind.
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Für eine gute Positionierung der Fügepartner zueinander weist wenigstens eines der Plattenelemente wenigstens eine Positionierungsvertiefung zur wenigstens teilweisen Aufnahme eines der Fügepartner auf. Bevorzugt weisen beide Plattenelemente entsprechende Positionierungsvertiefungen auf, insbesondere wenn eine Vielzahl von kleineren Fügepartnern gemeinsam verlötet werden soll.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das flexibel ausgebildete Plattenelement aus Graphit und/oder besitzt eine Dicke von ≤ 2 mm. Graphit besitzt eine gute thermische Stabilität, stellt für die meisten Prozesse keine Verunreinigung dar und besitzt bei einer entsprechenden Dicke auch eine ausreichende Flexibilität. Diese sollte beispielsweise bei einer dem A3-Format entsprechenden Grundfläche über das Plattenelement hinweg ungefähr bei wenigstens 1 bis 2 mm liegen, wobei eine Graphitplatte ggf. keine sprunghaften Höhenunterschiede ausgleichen kann.
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Die Vakuumkammer kann so aufgebaut sein, dass sie wenigstens ein Unterteil und einen hierzu beweglichen Deckel aufweist, wobei das steif ausgebildete Plattenelement am Deckel und das flexibel ausgebildete Plattenelement am Unterteil befestigt ist. Ein solcher Aufbau ermöglicht einen einfachen Aufbau, sowie das einfache Öffnen und Schließen der Vakuumkammer. Bevorzugt weist das steif ausgebildete Plattenelement eine Unterdruck-Halteeinheit zum Halten wenigstens eines Fügepartners, insbesondere einer Vielzahl von Fügepartnern auf. Eine solche Halteeinheit ermöglicht zum Beispiel das Beladen beider Plattenelemente sowie das Halten der Fügepartner – vor dem Fügen – in einer beabstandeten Beziehung zueinander.
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Bei dem Verfahren zum Löten von Fügepartnern, insbesondere von elektrischen Bauteilen auf Leiterplatten oder anderen Trägerelementen, ist insbesondere folgendes vorgesehen: Positionieren der Fügepartner mit einem dazwischen befindlichen Lot zueinander in einer Vakuumkammer derart, das sie zwischen ersten und zweiten Plattenelementen aufgenommen sind, wobei eines der Plattenelemente flexibel und das das Andere steif ausgebildet ist und wobei eine Vielzahl von elastisch vorgespannten Elementen in Kontakt mit dem flexibel ausgebildeten Plattenelement steht, um dieses in den Kontaktbereichen elastisch zu lagern, Erzeugen eines Vakuums in der Vakuumkammer, Bewegen wenigstens eines der Plattenelemente in Richtung des anderen, um die Fügepartner zwischen den Plattenelementen zusammenzudrücken, wobei das flexible Plattenelement wenigstens teilweise verformt wird, um einen guten Kontakt zu wenigstens einem der Fügepartner zu erhalten, und Erwärmen wenigstens des flexibel ausgebildeten Plattenelements und hierüber den/die hiermit in Kontakt stehenden Fügepartner auf eine Temperatur, die ausreicht, das Lot zu schmelzen. Ein solches Verfahren bieten die schon oben genannten Vorteile.
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Vorzugsweise wird zusätzlich das steif ausgebildete Plattenelement und hierüber der hiermit in Kontakt stehende Fügepartner erwärmt, wobei die Erwärmung des steif ausgebildeten Plattenelements unabhängig von der Erwärmung des flexibel ausgebildeten Plattenelements erfolgen kann. Hierdurch lassen sich kalte Lötstellen vermeiden.
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Für ein schnelles Ansprechverhalten beim Aufheizen wird das flexibel ausgebildete Plattenelement mittels Strahlungsheizung, insbesondere über eine Vielzahl von Heizlampen, erwärmt.
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Eine eigenständige alternative Vorrichtung zum Löten von Fügepartnern, insbesondere von elektrischen Bauteilen auf Leiterplatten oder anderen Trägerelementen, weist folgendes auf: eine Vakuumkammer, die mit einer Vakuumeinheit verbindbar ist, ein erstes Plattenelement in der Vakuumkammer, ein zweites Plattenelement in der Vakuumkammer, das zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei das zweite Plattenelement in der geschlossenen Position dem ersten Plattenelement gegenüberliegt, um zwischen den Plattenelementen aufgenommene Fügepartner zusammendrücken zu können, wenigstens eine erste Heizeinheit, die geeignet ist zum Heizen des ersten Plattenelements, und wenigstens eine zweite Heizeinheit, die geeignet ist zum Heizen des zweiten Plattenelements, die unabhängig von der ersten Heizeinheit ansteuerbar ist. Eine solche Vorrichtung sieht eine gute Wärmeeinbringung in die Fügepartner vor und kann das Entstehen kalter Lötstellen vermeiden. Diese Vorrichtung kann bevorzugt mit den Merkmalen der zuvor beschriebenen Vorrichtung kombiniert werden. Entsprechend der Vorrichtung kann auch ein Verfahren vorgesehen werden, bei dem unabhängig von einer flexiblen Platte, zu verlötende Fügepartner zwischen Plattenelementen zusammengedrückt werden, die beide beheizt werden. Ein solches beidseitiges Heizen kann insbesondere vor und oder während des Zusammendrückens von Vorteil sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vakuum-Lötvorrichtung in einem geöffneten Zustand;
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2 eine schematische Querschnittansicht der Vakuum-Lötvorrichtung gemäß 1 im geöffneten Zustand
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3 eine schematische Querschnittansicht der Vakuum-Lötvorrichtung gemäß 1 im geschlossenen Zustand vor einem Lötvorgang;
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4 eine schematische Querschnittansicht der Vakuum-Lötvorrichtung gemäß 1 im geschlossenen Zustand während eines Lötvorgangs;
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5 eine schematische Schnittansicht der Vakuum-Lötvorrichtung gemäß 4 entlang Schnittebene, die senkrecht zur Schnittebene der 4 verläuft.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Orts- bzw. Richtungsangaben beziehen sich primär auf die Darstellung in den Zeichnungen und sollten daher nicht einschränkend gesehen werden, wobei sie sich aber auch auf eine bevorzugte Endanordnung beziehen können.
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Die Figuren zeigen unterschiedliche Ansichten einer Vakuum-Lötvorrichtung 1, die für das gleichzeitige Löten einer Vielzahl von Paaren aus Fügepartnern ausgelegt ist. Die Vakuum-Lötvorrichtung 1 kann aber auch für das Löten eines einzelnen Paars großflächiger Fügepartner oder eines großflächigen Fügepartners mit einer Vielzahl von kleineren Fügepartnern eingesetzt werden.
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Die Vakuum-Lötvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem beweglichen Deckel 3 und einem stationären Unterteil 5, die über einen Schwenkmechanismus 7 miteinander verbunden sind, sowie eine Löteinheit 9.
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Der Schwenkmechanismus 7 ist so ausgelegt, dass der Deckel 3 bezüglich des Unterteils 5 zwischen einer offenen Position (siehe 1 und 2) und einer geschlossenen Position (siehe 3 bis 5) um ungefähr 180° schwenkbar ist. Der Schwenkmechanismus wird im Wesentlichen durch einfache Schwenkstifte 10 gebildet, die in entsprechenden Flanschen 11, 12 am Deckel 3 bzw. am Unterteil 5 gelagert sind. In der Darstellung sind zwei Schwenkstifte 10 mit entsprechenden Flanschen 11, 12 dargestellt. Es sind aber auch andere Schwenkmechanismen denkbar, wobei auch ein Schwenken um weniger als 180° denkbar wäre. Auch wäre eine Linearbewegung zwischen Deckel 3 und Unterteil 5 zum Öffnen/Schließen denkbar.
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In dem geschlossenen Zustand bilden der Deckel 3 und das Unterteil 5 eine Vakuum-Lötkammer 14, die in geeigneter Weise über eine nicht dargestellte Unterdruckquelle, wie beispielsweise eine Vakuumpumpe auf einen geeigneten Unterdruck abgepumpt werden kann. Die Unterdruckquelle kann sowohl über den Deckel 3 als auch das Unterteil 5 mit der Vakuum-Lötkammer 14 in Verbindung stehen. Jedoch ist eine Verbindung über das Unterteil 5 bevorzugt, da dieses in der dargestellten Ausführungsform stationär ausgebildet ist.
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Der Deckel 3 besitzt in der Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Form. In einer Unterseite des Deckels 3 ist ein Vertiefung 18 ausgebildet und auf der Oberseite ist ein Mittig vorstehender Flansch 19 ausgebildet, über den beispielsweise ein Anschluss an eine oder mehrere externe Versorgung(en) erfolgen kann, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Das Unterteil 5 besitzt in einer Draufsicht ebenfalls eine im Wesentlichen rechteckige Form und zwar entsprechend der Form und Größe des Deckels 3. Das Unterteil 5 weist im Schnitt eine Wannenform mit einem Boden 20 und Seitenwänden 21 auf, die an ihrem oberen Ende einen umlaufenden Auflageflansch 22 für den Deckel 3 aufweisen. Im Bereich des Auflageflanschs 22 des Unterteils 5 oder entsprechender Anlageflächen des Deckels 3 können Dichtmittel vorgesehen sein, wie der Fachmann erkennen wird. Im Boden 20 ist eine Öffnung 24 vorgesehen, die radial von einem nach unten vorstehenden Flansch 25 umgeben ist. Die Öffnung kann einerseits als eine Durchführung für einen Hubmechanismus dienen, der nachfolgend noch näher erläutert wird, kann andererseits aber auch als Anschluss für die Unterdruckquelle oder auch andere externe Versorgung(en) dienen.
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Die Löteinheit 9, die im geschlossenen Zustand der Vakuum-Lötvorrichtung 1 in der Vakuum-Lötkammer 14 liegt, besteht aus einer ersten, am Deckel 3 angebrachten Teileinheit 30 und einer zweiten, am Unterteil 5 angebrachten Teileinheit 31.
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Die Teileinheit 30 besteht im Wesentlichen aus einem Plattenelement 35, einer optionalen Halteeinheit und einer Heiz/Kühleinheit.
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Das Plattenelement 35 ist eine starre Platte, die teilweise in der Vertiefung 18 aufgenommen und fest am Deckel 3 befestigt ist. Das Plattenelement 35 weist eine erste Seite 40 auf, die vom Deckel 3 weg weist und die über die Vertiefung 18 im Deckel vorsteht. Im geschlossenen Zustand des Deckels 3 weist die Seite 40 nach unten und ist im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. In der Seite 40 ist eine Vielzahl von Vertiefungen ausgebildet, die Aufnahmetaschen 41 zur jeweiligen Aufnahme eines Fügepartners, wie beispielsweise eines elektrischen Bauelements, bilden. Bei der Darstellung sind 128 Aufnahmetaschen 41 vorgesehen, bei einem beispielhaften A3 Format der Seite 40. Natürlich kann aber auch eine unterschiedliche Anzahl an Aufnahmetaschen 41 vorgesehen sein, oder es kann ganz auf Aufnahmetaschen verzichtet werden, insbesondere wenn großflächige Fügepartner verlötet werden.
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In dem Plattenelement 35 sind ferner zwei Durchführungen 43 sowie eine Vielzahl von Durchführungen 44 ausgebildet, die sich jeweils in Längsrichtung des Plattenelements 35 erstrecken. Die Durchführungen 43 stehen im Inneren jeweils mit einer Vielzahl von Querbohrungen 45 in Verbindung, die über nicht dargestellte Stichleitungen mit nicht dargestellten Öffnungen in der Seite 40, insbesondere in den Aufnahmetaschen 41 in Verbindung stehen. Die Durchführungen 43 stehen über Leitungselemente 46 mit einer nicht dargestellten Druck/Unterdruckquelle in Verbindung, sodass an die Öffnungen in der Seite 40 ein Unter/Überdruck angelegt werden kann. Hierdurch kann mittels Unterdruck eine Haltekraft an entsprechende Fügepartner im Bereich der Öffnungen angelegt werden und/oder über einen Überdruck (insbesondere einen Druckstoß) ein sicheres Lösen der Fügepartner vom Plattenelement 35 erreicht werden. Die Druck/Unterdruckquelle, die Leitungselemente 46, die Durchführungen 43, die Querbohrungen 45, und die Stichleitungen mit nicht dargestellten Öffnungen in der Seite 40 bilden gemeinsam die optionale Halteeinheit.
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Die Durchführungen 44 liegen in einer Ebene in dem Plattenelement 35, die näher an der Seite 40 liegt als eine Ebene durch die Durchführungen 43. In der Darstellung sind 11 Durchführungen 44 vorgesehen, wobei auch eine hiervon abweichende Anzahl vorgesehen sein kann. Die Durchführungen 44 dienen jeweils zu Aufnahme eines Heizelements 48 oder einer Kühlmittelleitung 49 und bilden somit einen Teil der Heiz/Kühleinheit. In der Darstellung der 2 bis 6 zeigen die dünneren Kreise ein Heizelement 48 an, während die dickeren Kreise eine Kühlmittelleitung 49 anzeigen. Wie zu erkennen ist, sind in den Durchführungen 43 somit abwechselnd Heizelemente 48 und Kühlmittelleitungen 49 aufgenommen. Bei der Darstellung sind somit fünf Heizelemente 48 und sechs Kühlmittelleitungen 49 vorgesehen. Natürlich ist auch eine andere Anordnung von Heizelementen 48 und Kühlmittelleitungen 49 möglich.
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Als Heizelemente 48 werden Widerstandsheizelemente in Betracht gezogen. Es sind aber auch andere Heizelemente einsetzbar, insbesondere wäre es auch möglich als Heizelemente einfache Leitungen einzusetzen, die mit einer Quelle eines heißen Fluids in Verbindung stehen. Zum Heizen des Plattenelements 35 könnten die Leitungen dann mit dem heißen Fluid durchströmt werden. Bei einer solchen Ausführungsform wäre es auch möglich die Leitungen für eine Kühlung des Plattenelements 35 anschließend mit einem kühleren Fluid zu durchströmen, wie es bei den Kühlmittelleitungen 49 der Fall ist. Insbesondere wäre es möglich alle Leitungen als kombinierte Heiz/Kühlleitungen einzusetzen. Derzeit ist aber bevorzugt als Heizelemente 48 Widerstandsheizelemente einzusetzen. Da diese unproblematisch und rasch die erforderlichen Temperaturen erzeugen können.
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Die Kühlmittelleitungen 49 stehen in nicht dargestellter Weise mit einer Quelle eines Kühlfluids in Verbindung, wobei eine solche Verbindung (genauso wie eine elektrische Zuleitung für die Widerstandsheizelemente) beispielsweise über den Flansch 19 erfolgen kann.
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Die Teileinheit 31 der Löteinheit 9 besteht im Wesentlichen aus einem flexiblen Plattenelement 50, einer Vielzahl von Tragelementen 52 für das Plattenelement 50, einer Grundplatte 54, einer Hubeinheit 56 für die Grundplatte 54, einer Heizeinheit 58 und einer Kühleinheit.
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Das flexible Plattenelement 50 besteht aus einem geeigneten Material, das beim Löten keine Verunreinigungen in den Prozess einbringt, und eine ausreichende thermische Stabilität bei den Löttemperaturen, die üblicherweise zwischen 350°C und 500°C liegen, aufweist. Ferner ist das Material so auszugestalten, dass es eine gewisse Flexibilität aufweist, die über die Abmessungen hinweg beispielsweise einen Höhenausgleich von einem bis mehreren mm ermöglicht. Bei der derzeitig bevorzugten Ausführungsform ist das Plattenelement eine Graphitplatte mit einem A3 Format und einer Dicke von ≤ 2 mm. Die flexible Platte liegt auf Auflagestempeln 60 des Unterteils 5 auf, die in geeigneter Weise im wannenförmigen Innenraum des Unterteils 5 angeordnet sind. Insgesamt sind vier dieser Auflagestempel 60 vorgesehen, die gemeinsam eine horizontale Auflageebene für das flexible Plattenelement 50 bilden. Die Auflagestempel 60 können an Ihren oberen Enden jeweils eine Führung aufweisen, die mit einer Führung des flexiblen Plattenelements 50 zusammenarbeitet, um eine genaue Positionierung der beiden zueinander sicherzustellen und ein geführtes abheben des flexiblen Plattenelements 50 von den Auflagestempeln 60 zu erlauben. Bei der Darstellung in den Figuren sind Führungshülsen 60a fest an der Unterseite des flexiblen Plattenelements 50 vorgesehen, die auf den Auflagestempeln 60 in vertikaler Richtung geführt sind. Über die Führungshülsen 60a ist eine genaue Positionierung des flexiblen Plattenelements 50 in dem Unterteil und eine genaue Führung während einer Vertikalbewegung möglich. Der Fachmann wird aber erkennen, dass auch eine andere Art der Führung möglich ist. So können beispielsweise in den Auflagestempeln 60 vertikale Führungsbohrungen vorgesehen sein, in die sich entsprechende Führungsstifte, die mit dem flexiblen Plattenelement 50 in Verbindung stehen hinein erstrecken.
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Das flexible Plattelement 50 besitzt in seiner vom Unterteil weg weisenden Oberseite eine Vielzahl von Vertiefungen zur Bildung von Aufnahmetaschen 61, und zwar entsprechend den Aufnahmetaschen 41 im Plattenelement 35. Mithin sind bei der dargestellten Ausführungsform 128 Aufnahmetaschen 61 vorgesehen. Wiederum kann je nach Anwendung eine andere Anzahl vorgesehen sein, bzw. auf die Aufnahmetaschen 61 ganz verzichtet werden. So ist es auch möglich, dass das flexible Plattenelement 50 Führungen für eine Matrize mit ausschnitten zur Bildung von Aufnahmetaschen aufweist, sodass über einen Austausch der Matrize rasch unterschiedliche Konfigurationen von Aufnahmetaschen vorgesehen werden können. Die Aufnahmetaschen 61 (oder auch 41) können beispielsweise eine Tiefe von 0,5 mm aufweisen. An seiner Unterseite steht die flexible Platte mit den Tragelementen 52 in Kontakt. Dies kann eine fester Kontakt sein, oder auch ein Loser.
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Die Tragelemente 52 bestehen jeweils aus einem Auflageteil 62 und einem Stempelteil 63. Der Auflageteil 62 und der Stempelteil 63 bestehen jeweils aus einem temperaturbeständigen Material, das in den Lötvorgang keine Verunreinigungen einbringt, wie beispielsweise Graphit. Sie können aber auch aus einem anderen geeignet Material bestehen. Die Auflageteile 62 sind jeweils in geeigneter Weise an einem oberen Ende eines jeweiligen Stempelteils 63 angebracht und bilden an ihrer Oberseite eine horizontale Auflagefläche. Bei der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt 32 Tragelemente vorgesehen. Diese sind bezüglich des flexiblen Plattenelements 50 so angeordnet, dass jeweils ein Tragelement/Auflageteil im Projektionsbereich der Ecken von vier Aufnahmetaschen 51 liegt.
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Die Stempelteile 63 erstrecken sich jeweils zwischen der Grundplatte 54 und dem flexiblen Plattenelement 50. Die Stempelteile 63 sind in Führungen der Grundplatte 54 angeordnet und sind über die Führungen in der Grundplatte 54 verschiebbar gelagert. Im Bereich der Führungen sind in der Grundplatte 54 elastische Vorspannelemente, wie beispielsweise Federn, aufgenommen, um die Stempelteile nach oben (aus den Führungen heraus) vorzuspannen. Dabei kann eine Bewegung der Stempelteile durch geeignete Anschläge begrenzt sein. Die Vorspannelemente sind bevorzugt der Art, dass sie über Ihren Hub hinweg eine im Wesentlichen konstante Kraft vorsehen.
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Die Grundplatte 54 weist in einer Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Form entsprechen der Form der flexiblen Platte 50 auf. Sich vertikal in der Grundplatte erstreckend sind die schon oben genannten Führungen für die bewegliche Aufnahme der Stempelteile 63 und der entsprechenden Vorspannelemente ausgebildet. Die Grundplatte 54 weist im Bereich der Führungen an ihrer Unterseite jeweilige Vorsprünge 65 auf, die eine Verlängerung der Führungen bilden und einen ausreichenden Raum für die Aufnahme der Vorspannelemente zur Verfügung stellen. Hierdurch kann die Dicke der Grundplatte 54 (außerhalb der Vorsprünge 65) relativ klein gehalten werden. An der Unterseite der Vorsprünge 65 können in bekannter Weise Einstellelemente, wie Beispielsweise Schrauben, für eine Positionierung der Vorspannelemente innerhalb der Führungen vorgesehen sein. Hierüber kann ggf. auch die Vorspannkraft eingestellt werden.
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Neben den Führungen für die Stempelteile 63 der Tragelemente 52 weist die Grundplatte auch noch vertikale Führungsöffnungen für die Auflagestempel 60 auf, um eine Bewegung der Grundplatte 54 entlang der Auflagestempel 60 nach oben und nach unten zu ermöglichen.
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In der Grundplatte 54 ist eine Vielzahl von (hier fünf) Durchgangsöffnungen 66 vorgesehen, die sich in Längsrichtung horizontal durch die Grundplatte 54 erstrecken. Die Durchgangsöffnungen 66 können über Zuleitungen 67 und eine externe, nicht dargestellte Kühlmittelversorgung mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden, um die Grundplatte 54 im Betrieb zu kühlen. Diese Elemente bilden gemeinsam die Kühleinheit 59. Die Oberseite der Grundplatte 54 weist eine reflektierende Beschichtung auf oder ist inhärent reflektierend ausgeführt.
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An ihrer Unterseite steht die Grundplatte 54 mit der Hubeinheit 56 in Verbindung, die zu Vereinfachung der Darstellung als ein Stempel 69 dargestellt ist, der in nicht näher dargestellter Weise in Richtung des Doppelpfeils A bewegbar ist. Entsprechende Hubvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Die Hubvorrichtung ermöglicht somit eine Bewegung der Grundplatte 54 in vertikaler Richtung und somit auch des flexiblen Plattenelements 50 (über die Tragelemente), wie nachfolgenden noch näher erläutert wird. Die Durchführung des Stempels 69 ist beispielsweise in geeigneter Weise über eine Balgeneinheit zur Umgebung hin abgedichtet.
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Die Heizeinheit 58 der Teileinheit 31 besteht aus einer Vielzahl von (hier fünf) langgestreckten Heizelementen 72, die als Strahlungsheizer in Form von Heizlampen, wie beispielsweise Wolfram-Halogenlampen, ausgebildet ist. Die Heizelemente 72 erstrecken sich in dem Raum zwischen der Grundplatte 54 und dem flexiblen Plattenelement 50 zwischen den Tragelementen 52 hindurch. Die Heizelemente geben Wärmestrahlung ab, die durch das flexible Plattenelement 50 absorbiert wird, um es aufzuheizen. Für eine gute Absorption der Wärmestrahlung kann das flexible Plattenelement 50 speziell eine Beschichtung aufweisen oder aufgeraut sein. Wie schon erwähnt, kann die Oberseite der Grundplatte 54 speziell reflektierend ausgebildet sein, um hier eine Absorption der Wärmestrahlung gering zu halten. Die Wärmestrahlung kann gegebenenfalls durch eine entsprechende Struktur der Oberfläche der Grundplatte 54 gezielt in Richtung des flexiblen Plattenelements 50 reflektiert werden. Entsprechend sind auch die Innenflächen des Unterteils 5 vorzugsweise mit einem reflektierenden Material beschichtet oder inhärent gut reflektierend ausgebildet (zum Beispiel durch eine entsprechende Politur des Grundmaterials).
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Nachfolgend wird nunmehr der Betrieb der Vakuum-Lötvorrichtung 1 unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Die Vakuum-Lötvorrichtung 1 wird zunächst im geöffneten Zustand (siehe 1 und 2) mit Fügepartnern bestückt. Hierbei werden zum Beispiel in die Aufnahmetaschen 41 im Plattenelement 35 elektrische Bauelemente und in die Aufnahmetaschen 61 im flexiblen Plattenelement 50 hiermit zu verlötende Substrate eingesetzt. Auf den Substraten wird ein Lotmaterial beispielsweise als Preform oder als eine Paste platziert. Durch Anlegen von Unterdruck an die elektrischen Bauelemente in den Aufnahmetaschen 41 über die optionale Halteeinheit können diese fest am Plattenelement 35 gehalten werden.
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Nach einer entsprechenden Bestückung wird der Deckel 3 in die Geschlossene Position geschwenkt (3). Hierdurch werden die Fügepartner paarweise gegenüberliegend angeordnet. Die Grundplatte 54 befindet sich zu diesem Zeitpunkt in einer abgesenkten Position, sodass die Fügepartner beabstandet zueinander gehalten werden.
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In diesem Zustand wird die Vakuum-Lötkammer 14 über die nicht dargestellte Unterdruckeinheit beispielsweise auf einen Druck von ungefähr 100 mbar abgepumpt. Anschließend wird die Vakuum-Lötkammer 14 dann mit Stickstoff geflutet und wieder abgepumpt. Dieser Zyklus kann mehrfach wiederholt werden, um Verunreinigungen aus der Kammer zu entfernen. Für den eigentlichen Lötvorgang kann die Vakuum-Lötkammer 14 mit Stickstoff gefüllt sein.
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Wenn in der Vakuum-Lötkammer 14 eine gewünschte Atmosphäre herrscht, wird das flexible Plattenelement 50 über die Heizelemente 72 mittels Wärmestrahlung aufgeheizt. Das flexible Plattenelement 50 kann dann entsprechend über Wärmeleitung die Substrate (untere Fügepartner) und das darauf befindliche Lotmaterial aufwärmen. Zusätzlich werden die Bauelemente (obere Fügepartner) über die Heizelemente 48 in dem Plattenelement 35 aufgeheizt. Dabei können die Fügepartner in gewünschter Weise auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden. Insbesondere können die Substrate (untere Fügepartner) auf eine höhere Temperatur aufgeheizt werden als die Bauelemente (obere Fügepartner). Dabei sollten die Substrate wenigstens auf eine Temperatur am oder oberhalb des Schmelzpunktes des Lotmaterials aufgeheizt werden. Für die Bauelemente reicht eine Aufheizung auf eine Temperatur, die ausreicht, kalte Lötstellen zu vermeiden. So kann das flexible Plattenelement 50 (und hierüber die Substrate) beispielsweise auf eine Temperatur von 450°C und das obere Plattenelement 35 (und hierüber die Bauelemente) auf eine Temperatur von ungefähr 250°C aufgeheizt werden. Während des Aufheizens des flexiblen Plattenelements 50 kann die Grundplatte 54 aktiv gekühlt werden, um eine Aufheizung zu vermeiden, welche die Führung der Tragelemente 52 beeinträchtigen könnte.
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Während oder bevorzugt auch schon vor dem Aufheizen der Plattenelemente 35, 50 (und somit der Fügepartner) wird die Grundplatte 54 über die Hubeinheit 56 angehoben. Hierdurch werden die Auflageteile 62 der Tragelemente 52 in Kontakt mit der Rückseite des flexiblen Plattenelements 50 gebracht (sofern sie nicht in ständigem Kontakt hiermit stehen) und das flexible Plattenelement 50 wird so in vertikaler Richtung nach oben in Richtung des Plattenelements 35 bewegt. Dabei werden die Fügepartner zusammengedrückt. Die Bewegung der Grundplatte ist so ausgelegt, dass die Tragelemente 52 die nicht dargestellten Vorspannelemente in der Grundplatte teilweise zusammendrücken, sodass die Andrückkraft zwischen den Fügepartnern wenigstens teilweise durch die Vorspannung der Vorspannelemente bestimmt wird. Durch das flexible Plattenelement 50 ist es möglich, dass Unebenheiten im oberen Plattenelement 35 und/oder Fertigungstoleranzen der Fügepartner wenigstens teilweise ausgeglichen werden. Eine Verformung des flexiblen Plattenelements 50 ermöglicht ein gleichmäßiges Zusammendrücken der Fügepartner und stellt darüber hinaus einen guten Kontakt und somit eine gute Wärmeleitung zwischen dem flexiblen Plattenelement 50 und den Substraten sicher. Hierdurch werden eine gleichmäßige Erwärmung der Substrate und ein gleichmäßiges Schmelzen des Lotmaterials erreicht.
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Die Fügepartner werden für eine geeignete Zeit zusammengedrückt, sodass die Fügepartner miteinander verlötet werden. Anschließend kann der an die Bauelemente angelegte Unterdruck gelöst werden, um die Bauelemente von dem oberen Plattenelement 35 zu lösen. Ein solches Lösen kann durch einen kleinen Druckstoß unterstützt werden.
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Die jeweiligen Heizelemente 48, 72 können abgeschaltet werden und das obere Plattenelement kann beispielsweise durch Einleiten eines geeigneten Kühlmediums in die Kühlmittelleitungen 49 gekühlt werden. Dabei sollte die Kühlung zunächst nicht zu stark sein, um keine übermäßigen thermischen Spannungen im Plattenelement 35 zu erzeugen. Daher wird in Betracht gezogen zunächst eine Pressluftströmung und später ein flüssiges Kühlmedium durch die Kühlmittelleitungen 49 zu leiten.
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Die Grundplatte 54 und hiermit das flexible Plattenelement 50 können nun wieder abgesenkt werden, wobei die Fügepartner gemeinsam auf dem flexiblen Plattenelement 50 aufliegen. Die Kammer kann nochmals evakuiert und mit Stickstoff geflutet und anschließend geöffnet werden, um die verlöteten Fügepartner zu entnehmen.
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Bei der obigen Beschreibung wurde eine Vielzahl von Fügepartnern gleichzeitig in der Vakuum-Lötvorrichtung 1 verlötet. Wie schon oben angedeutet, ist die Vorrichtung aber auch vorteilhaft für großflächige Fügepartner einsetzbar, wobei das flexible Plattenelement 50 über die Fläche der Fügepartner hinweg ein gleichmäßiges Andrücken und einen gleichmäßigen Kontakt für eine Wärmeleitung gewährleistet. Bei der obigen Beschreibung verbleibt das flexible Plattenelement 50 während des Be- und Entladens in der Vakuum-Lötvorrichtung 1. Es ist aber auch möglich, das flexible Plattenelement 50 hierzu aus der Vakuum-Lötvorrichtung 1 zu entnehmen und für einen jeweiligen Lötvorgang dann wieder in die Vakuum-Lötvorrichtung 1 einzusetzen.
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Wenn auf die optionale Halteeinrichtung im Bereich des oberen Plattenelements 35 verzichtet wird, können die Fügepartner beispielsweise beim Bestücken übereinanderliegend mit dazwischen befindlichem Lot auf dem flexiblen Plattenelement 50 platziert werden. Die Heizeinheit für das obere Plattenelement 35 kann auch mit Vorteil losgelöst von dem flexiblen Plattenelement 50 in einer Vakuum-Lötvorrichtung eingesetzt werden.
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Die obige Vorrichtung und das beschriebene Lötverfahren mit dem flexible Plattenelement 50 ermöglicht unter anderem eine Anpassung an Unebenheiten der Fügepartner. Dies ermöglicht unter anderem das Verlöten von unebenen großflächigen Substraten oder von Einzelsubstraten unterschiedlicher Höhe oder Toleranz. Eine gegebenenfalls alterungsbedingte Plattenverbiegung spielt auf Grund der Anpassbarkeit des flexiblen Plattenelements 50 eine untergeordnete Rolle. Die Qualität der Lötverbindung steigt aufgrund einer gleichmäßigeren Temperaturübertragung zwischen flexiblen Plattenelement 50 und entsprechendem/n unteren Fügepartner(n) und ermöglicht somit eine verbesserte Wiederholbarkeit der Prozessergebnisse. Eine gegebenenfalls auftretende Durchbiegeverformung des oberen Plattenelements 35 mit steigender Zahl der Prozesszyklen kann durch das flexible Plattenelement 50 bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden. Es können Teile mit unterschiedlichem Temperaturvermögen oder unterschiedlicher thermischer Eigenschaften verlötet werden.
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Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkreten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Insbesondere im Zusammenhang mit dem flexiblen Plattenelement kann auf eine Beheizung des starren Plattenelements oder auch auf eine hiermit verbundene Halteeinrichtung verzichtet werden, sodass das starre Plattenelement lediglich als Gegenlager beim Zusammendrücken der Fügepartner dient. Bei einer beidseitigen Beheizung kann gegebenenfalls auch auf ein elastisches Plattenelement verzichtet und gegebenenfalls mit zwei starren Plattenelementen gearbeitet werden. Diese sollten bevorzugt weiterhin elastisch gegeneinander vorgespannt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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