DE102014106631A1

DE102014106631A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen

Info

Publication number: DE102014106631A1
Application number: DE102014106631.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Herz; Volker Liedke; Andreas Reinhardt; Markus Walter
Original assignee: Seho Systemtechnik GmbH
Current assignee: Seho Vermoegensverwaltungs & Co Kg De GmbH
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: DE102014106631B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen. Um die Energieeffizienz und die Wirtschaftlichkeit von solchen Vorrichtungen oder Verfahren zu verbessern, werden erfindungsgemäß mehrere Druckkammern vorgesehen, die jeweils eine eigenständige Heizeinrichtung und eine Druckeinstelleinrichtung aufweisen. Weiter ist ein Transportsystem vorgesehen, welches durch sämtliche Druckkammern führt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen aus elektronischen Bauteilen und Leiterplatten gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen aus elektronischen Bauteilen und Leiterplatten gemäß Anspruch 12.
Aus dem Stand der Technik sind bereits einige gattungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren bekannt geworden. Dabei lassen sich die Lötverfahren in verschiedene Arten unterteilen. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere drei Arten, nämlich das Reflow-Löten mit Druckapplikation, das Sinter-Löten und das Diffusions-Löten.
Beim Diffusions-Löten wird eine niedrigschmelzende Lotschicht zwischen zwei hochschmelzenden Metallschichten oder Substraten platziert und anschließend erhitzt. Dabei reagiert die Lotschicht unter Ausbildung intermetallischer Verbindungen, die einen Schmelzpunkt aufweisen, der höher ist als der des niedrig schmelzenden Lotes. Wie aus der Beschreibungseinleitung der DE 10 2007 010 242 A1 bekannt ist, wird der Verbund aus hochschmelzenden Substraten und Lotschicht in einen Lötofen eingebracht und dort zusätzlich mit einem Druck beaufschlagt.
Beim Sinter-Löten wird eine pastöse Schicht, die aus einem Metallpulver und einem Lösungsmittel besteht, zwischen einem Bauelement und einem Substrat aufgebracht. Anschließend wird auch hier durch eine Erhitzung und eine Druckerhöhung der Sinterprozess ausgelöst und schließlich die Sinterverbindung zwischen Bauelement und Substrat hergestellt. Ein beispielhaftes Verfahren hierzu ist aus der DE 10 2004 019 567 B3 bekannt.
Ein Beispiel für das Reflow-Löten ist aus der DE 10 2004 017 772 A1 bekannt. Allgemein wird bei diesem Verfahren zunächst kein Druck, sondern nur eine Erhitzung einer zwischen einem Bauelement und einer Leiterplatte aufgebrachten Lötpaste benötigt. Durch die Erhitzung schmilzt die Lötpaste auf und stellt somit eine sowohl mechanische als auch elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte her.
Beim Reflow-Löten treten jedoch oftmals Lunker in der Lötverbindung auf, die sich sowohl auf die mechanische Verbindung als auch auf die elektrische Verbindung, wie auch thermische Verbindungnachteilig auswirken. Aus der DE 10 2007 005 345 A1 ist daher ein weiteres Verfahren zum Reflow-Löten bekannt, bei dem in einer abgeschotteten Kammer die aus Bauelementen und Leiterplatte bestehende Baugruppe, auf der bereits Lötpaste an entsprechenden Stellen aufgetragen ist, erwärmt wird. Zusätzlich wird der Druck in der Kammer erhöht und dann möglichst schlagartig auf atmosphärischen Druck gesenkt, wobei jedoch die Temperatur aufrechterhalten wird. Durch den schlagartig entstehenden Druckunterschied zwischen dem Gas in den Lunkern und der Umgebung vergrößert sich das Volumen der Lunker rapide, was dazu führt, dass diese aufplatzen. Auf diese Weise ist es möglich, einen Großteil der Lunker zu beseitigen.
Aus dem Artikel „Porenfreie Löttechnologie – Eine Alternative zum Vakuum“ von Rolf Diehm, Mathias Nowottnick und Uwe Pape, erschienen in „SMT, Fachzeitschrift für Advanced Packaging und Elektrotechnik Fertigung, 4-5/2012“ ist darüber hinaus bekannt, dass die Druckerhöhung und schlagartige Absenkung des Druckes beim Reflow-Löten auch mehrfach vorgenommen werden kann. Aus Bild 9 dieses Artikels geht auch hervor, dass während der zweiten Druckerhöhung die Temperatur wieder abgesenkt wird, wodurch sich das Lot noch unter Druck verfestigt.
Während das druckbehaftete Reflow-Löten zu einer sehr gründlichen Bereinigung von Lunkern führt, führt das schlagartige Ablassen des Druckes dazu, dass zuvor aufwändig aufgewärmte Luft und die darin gespeicherte Energie verloren geht. Das Reflow-Löten mit Druckapplikation wird in großen, gusseisernen und damit schweren Kammern durchgeführt, wodurch bei jedem Ablassen des Druckes ein großes Volumen entweichen kann. Auch muss durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus jeweils ein sehr großes Volumen aufgewärmt und anschließend wieder abgekühlt werden. Wie aus der DE 10 2007 005 345 A1 hervorgeht, wird die Kammer bzw. deren Gehäuse während des Prozesses hochgefahren und abgesenkt, was ebenfalls einen erheblichen Energieverbrauch darstellt.
Die DE 29 08 829 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Hartlöten von Aluminium unter Druck. Die Lötvorrichtung weist eine Reinigungskammer und eine Hartlötkammer auf, aus welchen Luft mit Hilfe einer Vakuumpumpe abgesaugt werden kann, bis ein niedriger Druck erreicht ist, der einem Vakuum sehr nahe kommt. Zum Transport der zu lötenden Produkte sind Bandförderer vorgesehen, wobei sich die Förderstrecke durch die Reinigungskammer und die Hartlötkammer hindurch erstreckt.
Aus der DE 199 53 654 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten hervor, wobei die Vorrichtung mehrere Prozesskammern aufweist, in welche ein Vakuum angelegt werden kann.
In der DE 10 2010 046 545 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verlöten von Komponenten, die aus Aluminium und/oder Kupfer bestehen, beschrieben. Die Vorrichtung weist eine Reinigungskammer und eine Lötkammer auf. Die Atmosphäre der Reinigungskammer ist von der Atmosphäre der Lötkammer getrennt. In der Reinigungskammer wird vorzugsweise ein Vakuum angelegt.
Aus der JP 2009-115413 A geht eine Lötvorrichtung mit mehreren Heizkammern hervor, in welchen Vakuum angelegt werden kann. Die Heizkammern weisen unterschiedliche Heizeinrichtungen auf.
In der JP H04-262864 A ist ein Reflow-Lötofen beschrieben, dem unter Druck stehenden Stickstoffgas zugeführt wird. Beim Eintritt in den Ofen expandiert das Gas auf den Umgebungsdruck (1 atm) adiabatisch. Mit der Strömung des zugeführten Stickstoffgases soll im Ofen eine Verwirbelung stattfinden.
Die JP 2007-207899 A beschreibt eine Lötvorrichtung mit einer Reflow-Kammer, in welcher ein höherer Druck als Normaldruck erzeugt werden kann. Mit diesem höheren Druck soll das zu lötende Material während des Lötvorganges unter Druck gesetzt werden. Hierdurch sollen Fehlstellen (voids) vermieden werden. Der Druck ist vorzugsweise 0,13 MPa höher als der Umgebungsdruck.
Die DE 40 16 366 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reflow-Löten mit einer Transporteinrichtung, die die zu lötenden Baugruppen durch einen Vorwärmofen und einen Lötofen transportiert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen bereitzustellen, die energetisch günstiger zu betreiben sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen bereitzustellen, durch die die Taktzeit bei der Herstellung verringert werden kann.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung zum Herstellen einer Lötverbindung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen gemäß Anspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen aus elektronischen Bauteilen und Leiterplatten weist ein Transportsystem für diese Baugruppen und eine Mehrzahl von Druckkammern auf. Die Druckkammern weisen jeweils eine eigenständige Heizeinrichtung und eine Druckeinstelleinrichtung auf. Die Druckeinstelleinrichtungen sind derart ausgebildet, dass in den einzelnen Druckkammern ein Druck über Atmosphärendruck anlegbar ist. Das Transportsystem führt durch sämtliche vorhandenen Druckkammern. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es für die Wirtschaftlichkeit und die Energieeffizienz einer Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen von Vorteil ist, wenn anstelle von einer Druckkammer, wie das im Stand der Technik der Fall ist, mehrere Druckkammern vorgesehen werden. Auf diese Weise kann in jeder der Druckkammern ein Verfahrensschritt durchgeführt werden. Durch die Heizeinrichtung und die Druckeinstelleinrichtung kann dabei sowohl die Temperatur als auch der Innendruck einer jeden Druckkammer eingestellt werden. Durch die Eigenständigkeit der Heizeinrichtungen der Druckkammern ist es dabei möglich, die Temperatur der verschiedenen Kammern unterschiedlich einzustellen.
Während es im Stand der Technik noch nötig war, die Temperatur in der einzigen Druckkammer im Laufe des Herstellungsverfahrens mehrfach zu variieren, ist dies durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht mehr oder in einem wesentlich geringeren Umfang nötig. Vielmehr kann bei der Herstellung die Temperatur in einer ersten Druckkammer auf ein erstes Temperaturniveau und die Temperatur in einer zweiten Druckkammer auf ein zweites Temperaturniveau eingestellt werden und für den gesamten Herstellungsprozess auf diesen Niveaus verbleiben oder nur geringfügig variiert werden. Auf diese Weise kommt es zu wesentlich geringeren Energieverlusten durch Aufheizen und Abkühlen des Gehäuses der Druckkammer.
Zusätzlich geht insgesamt weniger Gas verloren. Erfindungsgemäß werden als Gas Inertgase wie Stickstoff, Helium oder CO₂ oder reaktive Gase wie Formiergas oder auch Mischungen dieser Gase verwendet. Diese Gase sind teuer. Daher ist es wünschenswert, möglichst wenig Gas während der Herstellung zu verlieren. Dies wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht.
Da in den Druckkammern ein Druck über Atmosphärendruck erzeugt werden kann, sind die Druckkammern sehr stabil auszubilden. Die Druckkammern weisen zweckmäßigerweise dicke Stahl- oder Gusseisenwandungen auf. Derartige Wandungen besitzen eine hohe Wärmekapzität. Durch das Vorsehen mehrerer Druckkammern kann auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gearbeitet werden, wobei es nicht notwendig ist, die einzelnen Kammern wiederholt abzukühlen und zu erwärmen. Trotz der hohen Wärmekapazität der Druckkammern können Baugruppen effizient gelötet werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Transportsystem mehrere Transporteinrichtungen, insbesondere eine Transporteinrichtung pro Druckkammer, auf. Dadurch kann jeweils eine Transporteinrichtung vollständig innerhalb der Druckkammer angeordnet werden, so dass es nicht erforderlich ist, eine Abdichtung an dem Transportsystem vorzusehen. Solche Abdichtungen führen zu einem Verlust von Gas und damit Wärme und Energie, was diese Weiterbildung vorteilhaft hinsichtlich der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit macht.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist zusätzlich ein Vorheizabschnitt und/oder zumindest ein Abkühlabschnitt vorgesehen. Der Vorheizabschnitt wird in Transportrichtung, die die Richtung ist, in der die Baugruppen während des Herstellungsverfahrens transportiert werden, vor der ersten Druckkammer angeordnet. Dieser Vorheizabschnitt ermöglicht ein sehr effizientes Aufheizen der Baugruppen, was dazu führt, dass die Baugruppen bereits vorgewärmt in die Druckkammern hineinfahren und dort nur noch auf die Arbeitstemperatur erwärmt werden müssen. Die Abkühlabschnitte dienen der Abkühlung der Baugruppen nach der letzten Druckkammer. Dabei werden die Baugruppen allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt, so dass sie weiter verarbeitet oder verpackt werden können.
Sowohl die Aufheizabschnitte als auch die Druckkammern können mittels Konvektionsheizeinrichtungen und/oder Strahlungsheizeinrichtungen beheizt werden. Insbesondere die Konvektionsheizeinrichtung sorgt für eine gleichmäßige Erwärmung der Baugruppen. Pro Aufheizabschnitt und/oder Druckkammer ist dabei zumindest eine Konvektionsheizeinrichtung vorgesehen. Die Konvektionseinrichtungen können sowohl oberhalb als auch unterhalb oder allgemein an zwei Seiten der entlang fahrenden Baugruppe angeordnet sein. Eine Konvektionseinrichtung weist ein Konvektionsgebläse auf, mittels dem das Gas nach dem Aufheizen in der Druckkammer verteilt wird.
Ein Abkühlabschnitt weist bei vorteilhaften Weiterbildungen zumindest ein Kühlgebläse auf, mittels dem die Baugruppen abgekühlt werden können. Ein Kühlgebläse ermöglicht eine gleichmäßige und allmähliche Abkühlung, die besonders schonend für die Baugruppe und die darauf angeordneten Bauteile ist.
Jede Baugruppe besteht erfindungsgemäß aus einer Leiterplatte und zumindest einem elektronischen Bauteil, welches auf der Leiterplatte befestigt werden soll. Hierzu ist an Verbindungsstellen oder in Verbindungsbereichen zwischen elektronischem Bauteil und Leiterplatte ein Lötmittel vorgesehen. Dieses Lötmittel kann eine Lötpaste sein. Innerhalb der Druckkammern kann die Lötverbindung durch bekannte Lötverbindungsverfahren hergestellt werden. Insbesondere werden im Rahmen der Erfindung die Lötverbindungen in den Druckkammern durch Reflow-Löten, durch Sinter-Löten oder durch Diffusions-Löten hergestellt. Die Vorrichtung weist dabei je nach gewünschtem Verfahren die hierzu notwendigen Mittel auf.
Bei besonders bevorzugten Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zumindest drei Druckkammern vorgesehen. Bei der Verwendung einer derartigen Vorrichtung für das Reflow-Löten kann dann beispielsweise in der ersten Druckkammer eine hohe, d.h. über dem Schmelzpunkt des Lotes liegende Temperatur eingestellt sein und dann mittels Druckerhöhung und schlagartiger Drucksenkung die Anzahl der Lunker verringert werden. In der zweiten Druckkammer kann dieses Verfahren wiederholt werden, wobei hier ebenfalls ein relativ hohes Temperaturniveau eingestellt ist. In der dritten Druckkammer kann dann eine Temperatur eingestellt sein, die unterhalb des Schmelzpunktes des Lotes liegt, so dass das Lot während des Aufenthaltes in der dritten Druckkammer verfestigt wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Verringerung der Anzahl von Lunkern zweifach durchgeführt werden kann, ohne dass es zu einer Taktverzögerung kommt. Bei der bestimmungsgemäßen Herstellung im Taktverfahren würden dann zu jedem Takt gleichzeitig zwei Baugruppen auf dem hohen Temperaturniveau und eine Baugruppe auf dem niedrigeren Temperaturniveau behandelt.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Druckeinstelleinrichtungen der Druckkammern jeweils eigenständig. Da es wünschenswert sein kann, nicht nur das Temperaturniveau einer jeden Kammer, sondern auch das Druckniveau einer jeden Kammer separat und unabhängig voneinander einzustellen, sind diese Ausführungsformen in dieser Hinsicht vorteilhaft. Bei diesen Ausführungsformen ist es somit möglich, sowohl das Temperaturniveau als auch das Druckniveau in jeder Druckkammer separat und unabhängig einzustellen.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an einem Eingang und/oder Ausgang zumindest einer Druckkammer ein Schott vorgesehen. Bei der Vorrichtung, die aus der DE 10 2007 005 345 A1 bekannt ist, wird die dort vorhandene Druckkammer für die Ein- und Ausfahrt der Baugruppe angehoben und anschließend wieder abgesetzt. Da die Druckkammern in der Regel sehr schwer sind, führt dies zu einem großen Energieverlust. Durch das Vorsehen eines Schotts, das wie eine Tür geöffnet und geschlossen werden kann, ist dieses Anheben und Absenken nicht mehr notwendig. Die Druckkammern sind dann bevorzugt ortsfest. Die Größe des Schotts bzw. die Größe der bei geöffnetem Schott vorliegenden Öffnung ist bevorzugt so bemessen, dass eine Baugruppe gerade hindurch passt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein möglichst geringes Volumen des Gases, welches sich in der Druckkammer befindet und welches aufgewärmt ist, aus der Druckkammer entweicht. Jedes entwichene Volumen von Gas muss wiederum durch neues Gas ersetzt werden, wobei dieses neu hinzugefügte Volumen dann erneut aufgewärmt werden muss. Der Gasverlust wird durch die Schotte weitestgehend vermieden, was hinsichtlich der Energieeffizienz und der Wirtschaftlichkeit besonders vorteilhaft ist.
Vorteilhafterweise weist zumindest eine der Druckkammern eine Isolierung auf. Besonders bevorzugt sind alle Druckkammern mit einer Isolierung versehen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen war es nicht möglich, eine Isolierung vorzusehen, da Temperaturschwankungen Bestandteil des in diesen Vorrichtungen ausgeführten Verfahrens war. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sind solche Temperaturschwankungen jedoch nicht mehr oder nur in einem sehr geringen Umfang nötig, so dass die Isolierung dazu beitragen kann, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders energieeffizient wird, da sie durch die Isolierung erheblich weniger Wärmeenergie an ihre Umgebung abgibt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können mehrere unterschiedliche Arten der Herstellungsverfahren von Lötverbindungen durchgeführt werden. Zu diesen Arten gehören insbesondere das Reflow-Löten mit Druckapplikation, das Sinter-Löten und das Diffusions-Löten. Bei diesen drei Verfahren ist sowohl eine Temperatur- als auch eine Druckerhöhung nötig, die jeweils von der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Druckkammern vorgenommen werden können.
Je nachdem welche Lötverfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden sollen, sind, insbesondere in zumindest einer der Druckkammern, Mittel zum Sinter-Löten und/oder Mittel zum Diffusions-Löten vorgesehen. Die Mittel zum Sinter-Löten können beispielsweise eine Sinter-Einrichtung umfassen. Diese Sinter-Einrichtung kann Stempelmittel, insbesondere einen Sinter-Stempel, aufweisen, mit denen zusätzlich mechanischer Druck auf die Baugruppen ausgeübt werden kann. Die Mittel zum Diffusions-Löten können beispielsweise eine Einrichtung umfassen, mittels deren eine Abdeckfolie, wie sie beim Diffusions-Löten zum Einsatz kommen, auf die Baugruppen aufgelegt werden können. Grundsätzlich kann jedoch zumindest das Diffusions-Löten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ohne spezielle Einrichtungen oder Mittel durchgeführt werden, indem die Baugruppe einer Temperaturerhöhung und einer Druckerhöhung ausgesetzt wird.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest eine der Druckkammern mit einem Gasauffangbehälter verbunden, so dass ein Gasaustausch zwischen Druckkammer und Gasauffangbehälter möglich ist. Insbesondere beim Reflow-Löten wird bevorzugt nach wie vor der Druck in einer Druckkammer zunächst erhöht und dann schlagartig reduziert. Die einfachste Möglichkeit für diese schlagartige Reduktion des Druckes ist das Öffnen von Ventilen, die an den Druckkammern angeordnet sein können. Dabei kommt es jedoch zu einem Verlust von erhitztem Gas und damit zu einem Verlust von Wärmeenergie und einem Verlust an Gas selbst. Dieser Gasverlust verursacht erhebliche Kosten. Durch das Vorsehen eines Gasauffangbehälters, der vorzugsweise ein Innenvolumen aufweist, welches ein Vielfaches des Innenvolumens der angeschlossenen Druckkammer ist, ist es möglich, das Gas nicht in die Umgebung, sondern in den Gasauffangbehälter abzuleiten.
Der Gasauffangbehälter kann ein starrer Behälter sein, in dem sich bei der Aufnahme von Gas ein entsprechender Druck einstellt.
Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Gasauffangbehälter mit einer Vakuumiereinrichtung ausgestattet ist. Diese kann während der Druckerhöhung in der Druckkammer ein Vakuum oder einen Unterdruck in dem Gasauffangbehälter erzeugen.
Zum schlagartigen Vermindern des Druckes in der Druckkammer wird ein zuvor geschlossenes Ventil zwischen Druckkammer und Gasauffangbehälter geöffnet, so dass das Gas aufgrund der Druckdifferenz zwischen Druckkammer und Gasauffangbehälter schlagartig in den Gasauffangbehälter strömt, was zu einer schlagartigen Verminderung des Druckes in der Druckkammer führt. Das Gas in dem Gasauffangbehälter kann dann anschließend bei einer erneuten Druckerhöhung in der gleichen oder einer anderen Druckkammer wiederverwendet werden. Dadurch wird zumindest ein Teil der Wärmeenergie nicht verschwendet, sondern vielmehr wiederverwendet.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Gasauffangbehälter eine flexible Membran aufweisen oder aus einer flexiblen Hülle ausgebildet sein, so dass bei der Aufnahme von Gas der Druck innerhalb des Gasauffangbehälters nur geringfügig zunimmt. Eine solche Hülle kann beispielsweise eine Schlauchfolie sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann zum schlagartigen Vermindern des Druckes in der Druckkammer ein zuvor geschlossenes Ventil zwischen Druckkammer und Gasauffangbehälter geöffnet werden, so dass das Gas aufgrund der Druckdifferenz zwischen Druckkammer und Gasauffangbehälter schlagartig in den Gasauffangbehälter strömt.
Das in einem Gasauffangbehälter mit flexibler Außenhülle aufgenommene Gas kann in einem starren Auffangbehälter und/oder in die Druckkammer mittels einer Pumpeinrichtung überführt werden. Die Pumpeinrichtung kann zwischen dem Gasauffangbehälter mit flexibler Außenhülle und dem starren Gasauffangbehälter bzw. der Druckkammer angeordnet sein. Die Pumpe kann jedoch auch zur Erzeugung eines Vakuums oder eines Unterdrucks an dem starren Gasauffangbehälter und/oder der Druckkammer angeschlossen sein, wobei dann zunächst ein Unterdruck im starren Gasauffangbehälter bzw. in der Druckkammer erzeugt wird, um das Gas aus dem Gasauffangbehälter mit flexibler Außenhülle abzusaugen.
Durch geeigneten Ventilanschluss und -ansteuerung kann mit Nutzung der Pumpe zur Erzeugung von Vakuum oder Unterdruck ein Druck in einer oder mehreren Druckkammern unterhalb des Umgebungsdrucks erzeugt werden, wodurch ebenfalls eine Reduktion von Lufteinschlüssen in Lötstellen möglich ist.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zumindest zwei der Druckkammern untereinander verbunden sind, so dass ein Gasaustausch zwischen diesen Druckkammern möglich ist. Vorteilhafterweise ist auch hier ein Ventil, welches geöffnet und geschlossen werden kann, oder eine Pumpe an der Verbindungseinrichtung angeordnet. Auch durch diese Verbindung ist ein Wiederverwerten von bereits erwärmtem Gas möglich, da es von einer Druckkammer, in der das Gas nicht mehr benötigt wird, in eine weitere Druckkammer, in der eine Druckerhöhung oder ein Füllen der Kammer mit erwärmtem Gas gewünscht ist, möglich.
Durch das Vorsehen von mehreren Kammern für die einzelnen Prozessschritte bei der Herstellung von Lötverbindungen auf Baugruppen können die Druckkammern deutlich kleiner ausgebildet werden. Die einzelnen Druckkammern sind zum Erzeugen bestimmter Prozessparameter, insbesondere Druck und Temperatur, in einem engen Bereich ausgebildet. Hierdurch ist es beispielsweise nicht notwendig, mehrere unterschiedliche Heizeinrichtungen für unterschiedliche Temperaturbereiche in einer Kammer vorzusehen. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Druckkammern wesentlich kleiner gebaut werden können, als die aus der DE 10 2007 005 345 A1 bekannte Druckkammer. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedeutet dies, dass selbst bei einem vollständigen Öffnen der Druckkammer das nachfolgende Befüllen der Druckkammer mit einem Gas, falls gewünscht, und dem Erwärmen des Innenvolumens der Druckkammern erheblich weniger Energie aufgewandt werden muss.
Das Gas in den Druckkammern kann Luft oder ein Inertgas wie Stickstoff, Helium oder CO₂ oder ein reaktives Gas wie Formiergas oder eine Mischung hiervon sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist bevorzugt eine Quelle für das Befüllen der Druckkammern mit diesen Gasen auf. Diese Quelle ist bevorzugt eine Druckquelle, in der das Gas also unter Druck steht. Für das Befüllen einer Druckkammer muss dann nur ein Ventil, welches an einer Leitung zwischen Quelle und Druckkammer angeordnet ist, geöffnet werden. Dann fließt automatisch Gas von der Quelle in die Druckkammer, wodurch dort der Druck erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen aus elektronischen Bauteilen und Leiterplatten weist folgende Schritte auf:
In einem ersten Schritt wird die Baugruppe, auf der bereits das Lötmittel angeordnet ist, in eine erste Druckkammer verbracht, wobei die Baugruppe dort zumindest zeitweise auf ein erstes Temperaturniveau gebracht und zumindest zeitweise mit einem ersten Druck beaufschlagt wird. Dabei ist es möglich, dass die elektronischen Bauteile und die Leiterplatte beispielsweise durch Sintern, durch Diffusions-Löten oder durch Reflow-Löten verbunden werden. Beim Reflow-Löten wird in der ersten Druckkammer der Druck vorzugsweise nach und nach erhöht und dann schlagartig abgesenkt, so dass Lunker in dem Lötmittel aufplatzen und somit beseitigt werden. Das erste Temperaturniveau ist dabei bevorzugt oberhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels.
In einem zweiten Schritt wird die Baugruppe in eine zweite Druckkammer verbracht, wobei sie dort zumindest zeitweise auf ein zweites Temperaturniveau gebracht und zumindest zeitweise mit einem zweiten Druck beaufschlagt wird.
Bei einem zweistufigen Verfahren und im Falle des Reflow-Löten ist das zweite Temperaturniveau unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels. Dadurch verfestigt sich das Lötmittel durch den Aufenthalt in der zweiten Druckkammer nach und nach. Auch hierbei kann der Druck nach und nach erhöht und dann schlagartig abgesenkt werden.
Bei einem dreistufigen Verfahren wird die Baugruppe in eine dritte Druckkammer verbracht, wobei sie dort zumindest zeitweise auf ein drittes Temperaturniveau gebracht und zumindest zeitweise mit einem dritten Druck beaufschlagt wird. Im Falle des Reflow-Löten kann dann in der zweiten Kammer das zweite Temperaturniveau ebenfalls oberhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels liegen. Das dritte Temperaturniveau liegt dann unterhalb der Schmelztemperatur des Lötmittels, so dass sich dieses erst in der dritten Kammer nach und nach verfestigt.
Grundsätzlich ist es bei vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, dass sowohl die Temperaturniveaus der Druckkammern als auch die Druckniveaus der Druckkammern unabhängig voneinander sind. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn entweder die Temperaturniveaus oder die Drücke gleich sind. Dies gilt sowohl für zwei Druckkammern als auch für drei oder mehr Druckkammern. Insbesondere bei einem identischen Druck oder Druckverlauf in allen drei Druckkammern kann dieser leicht gesteuert werden, indem nicht drei separat angesteuerte Leitungen zu den Druckkammern gelegt werden müssen, sondern diese vielmehr über eine gemeinsame Leitung oder durch eine Durchleitung versorgt werden. Eine Durchleitung ist auch bei einem identischen Temperaturniveau in allen Kammern oder in mehreren Kammern sinnvoll.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich das erste Temperaturniveau und/oder das zweite Temperaturniveau zwischen 200°C und 350°C, insbesondere zwischen 250°C und 310°C. Dadurch wird sichergestellt, dass das Lotmittel schmilzt. Das zweite Temperaturniveau liegt insbesondere dann in diesen Bereichen, wenn eine dritte Druckkammer vorgesehen ist.
Das zweite Temperaturniveau und/oder das dritte Temperaturniveau liegt bei ebenfalls vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen 150°C und 250°C, insbesondere zwischen 150°C und 200°C. Das zweite Temperaturniveau liegt bevorzugt dann in diesem Bereich, wenn keine dritte Druckkammer vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise liegen der erste Druck, der zweite Druck und der dritte Druck über Atmosphärendruck, d.h. über 1 bar.
An Stelle der Schotte sind bei vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung Schleusen vorgesehen. Dabei können auch nur einzelne Schotte durch Schleusen ersetzt werden. Schleusen sind dahingehend vorteilhaft, dass der Gasverlust und auch der damit verbundene Energieverlust weiter verringert werden können. Allerdings steigt durch die Verwendung einer Schleuse die Komplexität und der Aufwand.
Eine Schleuse kann wie eine Druckkammer ausgebildet sein, welche durch Schotte direkt geschlossen werden kann und bei der das Innenvolumen kleiner als bei einer Druckkammer ist. Eine Schleuse ist mit einem Transportsystem ausgestattet und kann Komponenten zur Temperierung des Innenvolumens beinhalten, jedoch keine anderweitigen Vorrichtungen zur Prozessierung der Baugruppe.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Schleusen, wenn die Temperatur und/oder der Druck in mehreren Kammer gleich und insbesondere konstant sein soll und wenn die Druckkamern direkt verbunden sind. Dann kann am Eingang der ersten Druckkammer und am Ausgang der letzten Druckkammer jeweils eine Schleuse vorgesehen werden. Die Druckkammern ergeben dann ein durchgehendes, abgeschlossenes System, welches, wenn überhaupt, nur durch Schotte getrennt, jedoch nicht mit der Umwelt verbunden ist. Auf diese Weise kann der Gas- und der Energieverlust erheblich verringert werden.
Vorteilhaft kann die Verbindung zweier Druckkammern mit einer Schleuse sein, wenn der Prozess eine kurzfristige Druckabsenkung und einen anschließenden schnellen Druckaufbau erfordert und dieser Prozessschritt in der Schleuse durchgeführt wird. Hierdurch können die Gasverluste durch das geringe Volumen der Schleuse minimiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Figuren beispielhaft dargestellt und erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist drei Druckkammern auf, eine erste Druckkammer 3, eine zweite Druckkammer 4 und eine dritte Druckkammer 5. Diese sind in einer Transportrichtung R, in der Baugruppen 10 während der Herstellung transportiert werden, hintereinander angeordnet. Vor der ersten Druckkammer 3 ist eine Vorheizabschnitt 2 angeordnet, in der die Baugruppen 10 mittels eines Konvektionsgebläses 14, welches Teil einer nicht näher dargestellten Konvektionsheizeinrichtung ist, auf eine Grundtemperatur erwärmt werden, so dass diese bereits vorgewärmt in die erste Druckkammer 3 einfahren können.
Die Baugruppen 10 weisen jeweils eine Leiterplatte und zumindest ein elektronisches Bauteil sowie Lötmittel auf. Das Lötmittel ist in Bereichen angeordnet, in denen die elektronischen Bauteile mit den Leiterplatten verbunden werden sollen.
In Transportrichtung R nach der dritten Druckkammer 5 ist ein Abkühlabschnitt 6 vorgesehen. Nach der Behandlung der Baugruppen 10 in der dritten Druckkammer 5 werden die Baugruppen 10 in den Abkühlabschnitt 6 transportiert, wo sie mittels eines Abkühlgebläses 15 auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Anschließend können sie beispielsweise weiter verarbeitet oder verpackt und für den Versand fertig gemacht werden.
Für die Bewegung der Baugruppen 10 in Transportrichtung R ist ein Transportsystem verantwortlich, welches aus insgesamt fünf Transporteinrichtungen 7 besteht. Dabei ist jeweils eine Transporteinrichtung 7 in jeder der Kammern angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Transporteinrichtungen 7 aus Förderbändern gebildet, mit denen ein sicherer Transport der Baugruppen 10 möglich ist. Bei der Herstellung werden die Baugruppen 10 nach und nach von einer Transporteinrichtung 7 auf die nächste Transporteinrichtung 7 in der folgenden Kammer übergeben.
Zwischen den Druckkammern sind Schotte 8 vorgesehen. Bei direkt aneinander liegenden Druckkammern genügt dabei jeweils ein Schott 8 für den Übergang zwischen den beiden Kammern. Sind die Druckkammern beabstandet voneinander, so kann auch an dem Ausgang der einen und dem Eingang der anderen Druckkammer jeweils ein Schott 8 vorgesehen werden. Eingang und Ausgang einer jeden Kammer richten sich dabei nach der Transportrichtung R.
Die Transporteinrichtungen 7 sind vollständig innerhalb der jeweiligen Kammern angeordnet. Insbesondere im Fall der Druckkammern verlaufen die Transporteinrichtungen 7 dabei von dem Schott 8 an dem Eingang der Kammer zu dem Schott 8 an dem Ausgang der Kammer.
Jeder der drei Kammern wird mittels eines Konvektionsgebläses 14, welches Teil einer nicht näher dargestellten Konvektionsheizeinrichtung ist, beheizt. Während in der ersten Druckkammer 3 und in der zweiten Druckkammer 4 jeweils ein Konvektionsgebläse 14 oberhalb der Transporteinrichtungen 7 und der vorbei fahrenden Baugruppen angeordnet ist, weist die dritte Druckkammer zwei Konvektionsgebläse 14 auf. Dabei ist ein Konvektionsgebläse 14 oberhalb und eines unterhalb der Transporteinrichtung 7 angeordnet.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 1 erläutert. Eine Baugruppe 10 wird zunächst in die Vorheizabschnitt 2 eingebracht und dort mittels dem Konvektionsgebläse 14 vorerwärmt. Diese Erwärmung führt jedoch bevorzugt noch nicht dazu, dass das Lötmittel schmilzt. Anschließend wird das Schott 8 am Eingang der ersten Druckkammer 3 geöffnet und die Baugruppe 10 wird mittels der Transporteinrichtungen 7 in die erste Druckkammer 3 gefahren. Anschließend wird das Schott 8 geschlossen. In der ersten Druckkammer 3 befindet sich ein Gas, welches ein erstes Temperaturniveau aufweist. Bei dem Öffnen und Schließen des Schotts 8 geht zwar eine geringe Menge an Gas und damit Wärmeenergie verloren, dieser Verlust ist jedoch deutlich geringer als die aus dem Stand der Technik üblichen Verluste.
In der ersten Druckkammer 3 wird die Baugruppe 3 durch das Gas erwärmt und auf das erste Temperaturniveau gebracht. Dies geschieht durch eine Heizeinrichtung, die hier nicht näher dargestellt ist. Während der Erwärmung wird zudem nach und nach der Druck in der ersten Druckkammer 3 erhöht bis zu einem ersten Druck, indem Gas von einer Gasquelle (nicht dargestellt) zugeführt wird. Das zugeführte Gas wird dabei ebenfalls erwärmt.
Anschließend wird der Druck schlagartig verringert, beispielsweise durch Freilassen von Gas, was dazu führt, dass Lunker in dem in der Zwischenzeit geschmolzenen Lötmittel aufplatzen und auf diese Weise beseitigt werden.
Die Baugruppe 10 wird dann durch die Transporteinrichtung 7 weiter transportiert und mittels des Schotts 8 zwischen der ersten Druckkammer 3 und der zweiten Druckkammer 4 in die zweite Druckkammer 4 verbracht. Auch in der zweiten Druckkammer 4 herrscht ein hohes Temperaturniveau. Durch den direkten Transport mittels des Schotts 8 kommt es zu keinem Verlust von Wärmeenergie zwischen den beiden Druckkammern.
In der zweiten Druckkammer 4 wird die Baugruppe 10 dann der gleichen Behandlung unterzogen wie in der ersten Druckkammer 3. Anschließend wir die Baugruppe 10 in die dritte Druckkammer 5 verbracht. Dort herrscht ein geringeres Temperaturniveau, so dass sich das Lötmittel während des Aufenthalts in der dritten Druckkammer 5 nach und nach verfestigt. Auch in der dritten Druckkammer 5 wird während des Aufenthalts der Baugruppe 10 der Druck nach und nach erhöht und dann schlagartig verringert.
Anschließend wird das Schott 8 an dem Ausgang der dritten Druckkammer 5 geöffnet und die Baugruppe 10 mittels der Transporteinrichtungen 7 in den Abkühlabschnitte 6 verbracht. Dort wird die Baugruppe 10 mittels eines Kühlgebläses 15 abgekühlt. Am Ausgang des Abkühlabschnitts 6 kann die Baugruppe 10 beispielsweise durch einen Manipulator entnommen und weiter verarbeitet oder verpackt werden.
Durch das Vorsehen von mehreren Druckkammern ist somit gleichzeitig die Herstellung von mehreren Baugruppen, jedoch in verschiedenen Verfahrensabschnitten, möglich. Bevorzugt befindet sich also in jeder der Kammern gleichzeitig eine Baugruppe.
In der 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Die Anzahl der Druckkammern und der Aufbau der Vorrichtung 1 entspricht grundsätzlich der Ausführungsform gemäß 1. Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 2 weist jedoch zusätzlich einen Gasauffangbehälter 9 auf. Dieser ist über Leitungen 13 mit der zweiten Druckkammer 4 verbunden. Grundsätzlich sei gesagt, dass auch die erste Druckkammer 3 und/oder die dritte Druckkammer 5 mit einem Gasauffangbehälter 9 verbunden sein können. Dabei kann für jede Druckkammer ein eigener Gasauffangbehälter 9 vorgesehen sein, es können sich jedoch auch mehrere Druckkammern einen Gasauffangbehälter 9 teilen.
Der Gasauffangbehälter 9 dient der Aufnahme des Gases, welches bei der schlagartigen Verringerung des Druckes in der zweiten Druckkammer 4 ausgestoßen wird. Zu diesem Zweck weist der Gasauffangbehälter 9 vorzugsweise eine Vakuumiereinrichtung (nicht dargestellt) auf, mit der ein Vakuum oder ein Unterdruck in dem Gasauffangbehälter 9 erzeugt werden kann. Diese Vakuumiereinrichtung umfasst eine Pumpe 11, die in dem Gasauffangbehälter 9 befindliches Gas in die zweite Druckkammer 4 pumpt, und eine weitere Pumpe (nicht dargestellt), die in dem Gasauffangbehälter 9 verbliebenes Restgas in die Atmosphäre pumpen und dabei einen Unterdruck in dem Gasauffangbehälter 9 erzeugen kann. Dabei kommt es zwar zu einem Verlust von Gas, ein vollständiges Rückführen des Gases aus dem Gasauffangbehälter 9 in die zweite Druckkammer 4 würde jedoch sehr viel Pumpleistung erfordern und lange dauern, weshalb zumindest teilweise der Verlust des Gases in Kauf genommen wird.
Soll der Druck in der zweiten Druckkammer 4 schlagartig verringert werden, so wird ein an einer Leitung 13 angeordnetes Ventil 12 geöffnet. Durch die große Druckdifferenz zwischen zweiter Kammer 4 und Gasauffangbehälter 9 strömt das in der zweiten Druckkammer 4 vorhandene Gas zunächst schlagartig in den Gasauffangbehälter 9. Dadurch verringert sich der Druck in der zweiten Druckkammer 4 schlagartig bis sich ein Druckgleichgewicht zwischen der zweiten Druckkammer 4 und dem Gasauffangbehälter 9 eingestellt hat. Anschließend kann die Baugruppe, welche sich in der zweiten Druckkammer 4 befindet, in die dritte Druckkammer 5 verbracht werden und die Baugruppe 10, die zuvor in der ersten Druckkammer 3 war, wird in die zweite Druckkammer 4 verbracht. Nun soll wiederum der Druck in der zweiten Druckkammer 4 erhöht werden. Hierzu wird erfindungsgemäß eine Pumpe 11, die an einer weiteren Leitung 13 zwischen zweiter Druckkammer 4 und Gasauffangbehälter 9 angeordnet ist, in Betrieb gesetzt. Diese pumpt das Gas aus dem Gasauffangbehälter 9 zurück in die zweite Druckkammer 4. Da dieses Gas bereits erwärmt ist, muss es nicht oder nur geringfügig in der zweiten Druckkammer 4 erwärmt werden. Die Wärmeenergie wird also kurzzeitig in dem Gasauffangbehälter 9 gespeichert und dann in die zweite Druckkammer 4 zurückgeführt. Anschließend beginnt der Zyklus des schlagartigen Druckablassens erneut.
Da unter anderem durch das Öffnen und Schließen der Schotte 8 gewisse Gasmengen verloren gehen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Gasquelle (nicht dargestellt) auf, mit der Gas in die Druckkammern eingebracht werden kann.
Die 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, bei der nur zwei Druckkammern, eine erste Druckkammer 3 und eine zweite Druckkammer 4 vorgesehen sind. Abgesehen davon ist der Aufbau dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ähnlich dem Aufbau der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 1.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 3 ist das Temperaturniveau in der ersten Druckkammer bei ungefähr 300°C. Das Temperaturniveau in der zweiten Druckkammer 4 liegt bei ungefähr 190°C. Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 1 oder 2 liegt das Temperaturniveau in der ersten Druckkammer 3 und der zweiten Druckkammer 4 bevorzugt in beiden Fällen bei ungefähr 300°C. Dort liegt das Temperaturniveau in der dritten Druckkammer 5 ungefähr bei 190°C.
Die Ausführungsformen gemäß den 1, 2 und 3 zeigen jeweils Ausführungsformen zum Reflow-Löten. Bei anderen Ausführungsformen können in einer oder mehreren der Druckkammern Mittel zum Sinter-Löten oder Diffusions-Löten angeordnet werden.
Es ist ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass mit nur einer Vorrichtung verschiedene Lötverfahren durchgeführt werden können. Nachfolgend wird der Ablauf eines Sinter-Löt-Verfahrens und der Ablauf eines Diffusions-Löt-Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Bei einem Sinter-Löt-Verfahren umfasst die Baugruppe bevorzugt bereits ein Substrat, insbesondere eine Leiterplatte, elektronische Bauteile und ein Lötmittel, insbesondere eine aus Metallpulver und Lösungsmittel bestehende Lötpaste. Gemäß DE 10 2004 019 567 B3 ist es jedoch auch möglich, das Substrat oder die elektronischen Bauteile während des Herstellungsprozesses in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu der Baugruppe hinzuzufügen.
Falls nötig kann auf die Baugruppe eine Folie, insbesondere eine Dicht- oder eine Schutzfolie, aufgelegt werden, die den später in der Druckkammer vorliegenden Gasdruck in eine gerichtete Krafteinleitung auf die Lötverbindungen umwandelt oder einen Druckkörper vor Verschmutzung schützt.
Die Baugruppe wird mittels des Transportsystems durch die Kammern und ggf. Abschnitte der Vorrichtung transportiert. Hierbei kann die Lötpaste in einem Aufheizabschnitt, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C, getrocknet werden, was später für die Herstellung der Sinterverbindung notwendig ist. Anschließend wird die Baugruppe in eine der Druckkammern transportiert. Dort wird die Baugruppe auf Sintertemperatur, insbesondere auf eine Temperatur größer 220°C, erwärmt und zusätzlich mit einem Druck beaufschlagt. Dieser Druck kann aus einer Kombination von Gasdruck und mechanischem Druck bestehen. Der Gasdruck wird wie oben beschrieben durch Zuführen von Gas in die Druckkammer erzeugt. Der mechanische Druck wird durch einen Druckkörper oder einen Druckstempel, der in der Druckkammer angeordnet ist, erzeugt. Durch die Kombination von Temperatur und Druck wird die Sinterverbindung erzeugt.
An Stelle des Druckkörpers oder zusätzlich dazu kann während der Herstellung eine Maske auf der Baugruppe angeordnet sein. Diese Maske bewirkt durch ihr Gewicht den für das Sinter-Löten notwendigen Druck auf die Lötverbindungen. Die Maske ist dabei bevorzugt auf die Baugruppe abgestimmt und liegt nur auf den Bauteilen auf, die durch das Sinter-Löten mit dem Substrat verbunden werden. Dadurch wird nur auf diese Bauteile und die darunter liegenden Lötverbindungen ein Druck ausgeübt.
Anschließend wird die Baugruppe entweder in eine weitere der Druckkammern verbracht, um dort einer weiteren Behandlung unterzogen zu werden oder in einen Abkühlabschnitt transportiert. Die weitere Behandlung kann auch ein Reflow-Löten mit Druckkapplikation oder ein Diffusions-Löten umfassen. Dabei ist es insbesondere möglich, dass einige Lötverbindungen einer Baugruppe durch Sinter-Löten und andere Lötverbindungen durch Reflow-Löten hergestellt werden. Dabei kann auch erst das Reflow-Löten und anschließend das Sinter-Löten durchgeführt werden.
Dank der Mehrzahl von Druckkammern ist es auch möglich, dass in mehreren, insbesondere in jeder Druckkammer gleichzeitig eine Baugruppe einem Sinter-Löt-Verfahren unterzogen wird. Auf diese Weise können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichzeitig mehrere Baugruppen bearbeitet werden.
Bei dem Diffusions-Löt-Verfahren ist es notwendig, dass die Baugruppen für eine längere Zeit einer erhöhten Temperatur und einem etwas erhöhten Druck ausgesetzt werden. Zur Durchführung eines solchen Verfahrens können die Druckkammern der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden werden, sodass der Druck und gegebenenfalls die Temperatur in mehreren oder allen Druckkammern gleich ist. Bestehende Schotte zwischen den Kammern werden geöffnet. Besonders bevorzugt wird dann am Eingang der ersten Druckkammer und am Ausgang der letzten Druckkammer eine Schleuse vorgesehen. Dadurch entsteht ein langer Tunnel, durch den die Baugruppe transportiert werden. Während des Transports werden die Lötverbindungen mittels Diffusions-Löten durch eine erhöhte Temperatur und einen erhöhten Druck hergestellt.
Auch bei dem Diffusions-Löten ist eine Kombination mit dem Reflow-Löten und/oder dem Sinter-Löten möglich. Bevorzugt werden dann weitere Druckkammern vorgesehen, die für die weiteren Verfahren zur Verfügung stehen. Zudem kann auch für das Diffusions-Löten vor der Einfahrt in die Druckkammern eine Dichtfolie auf die Baugruppen gelegt werden, die eine gerichtete Krafteinleitung bewirkt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Vorheizabschnitt
3: erste Druckkammer
4: zweite Druckkammer
5: dritte Druckkammer
6: Abkühlabschnitt
7: Transporteinrichtung
8: Schott
9: Gasauffangbehälter
10: Baugruppe
11: Pumpe
12: Ventil
13: Leitung
14: Konvektionsgebläse
15: Kühlgebläse
R: Transportrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007010242 A1 [0003]
DE 102004019567 B3 [0004, 0083]
DE 102004017772 A1 [0005]
DE 102007005345 A1 [0006, 0008, 0031, 0043]
DE 2908829 A1 [0009]
DE 19953654 A1 [0010]
DE 102010046545 A1 [0011]
JP 2009-115413 A [0012]
JP 04-262864 A [0013]
JP 2007-207899 A [0014]
DE 4016366 A1 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SMT, Fachzeitschrift für Advanced Packaging und Elektrotechnik Fertigung, 4-5/2012 [0007]

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen aus elektronischen Bauteilen und Leiterplatten mit einem Transportsystem für Baugruppen und einer Mehrzahl von Druckkammer (3, 4, 5), die jeweils eine eigenständige Heizeinrichtung und eine Druckeinstelleinrichtung aufweisen, wobei das Transportsystem durch sämtliche Druckkammern (3, 4, 5) führt, wobei die Druckeinstelleinrichtungen derart ausgebildet sind, dass in den einzelnen Druckkammern (3, 4, 5) ein Druck über Atmosphärendruck anlegbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportsystem mehrere Transporteinrichtungen (7), insbesondere eine Transporteinrichtung (7) pro Druckkammer (3, 4, 5) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorheizabschnitt (2) und/oder zumindest ein Abkühlabschnitt (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Druckkammern (3, 4, 5) vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinstelleinrichtungen der Druckkammern (3, 4, 5) jeweils eigenständig sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Eingang und/oder Ausgang zumindest einer Druckkammer (3, 4, 5) ein Schott (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Druckkammern (3, 4, 5), insbesondere alle Druckkammern (3, 4, 5), eine Isolierung aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der Druckkammern (3, 4, 5) eine Sintereinrichtung und/oder eine Diffusionslöteinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintereinrichtung einen Sinterstempel aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Druckkammern (3, 4, 5) mit einem Gasauffangbehälter (9) verbunden ist, sodass ein Gasaustausch zwischen Druckkammer (3, 4, 5) und Gasauffangbehälter (9) möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauffangbehälter ein starrer Behälter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauffangbehälter eine Membran aufweist und/oder aus einer flexiblen Hülle ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Druckkammern (3, 4, 5) untereinander verbunden sind, sodass ein Gasaustausch zwischen diesen Druckkammern (3, 4, 5) möglich ist.
Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen auf Baugruppen aus elektronischen Bauteilen und Leiterplatten mit folgenden Schritten: a. Verbringen einer aus einer Leiterplatte mit zumindest einem elektronischen Bauteil und in Verbindungsbereichen angeordnetem Lötmittel bestehenden Baugruppe (10) in eine erste Druckkammer (3), wobei die Baugruppe (10) dort zumindest zeitweise in ein erstes Temperaturniveau (T1) eingebracht und zumindest zeitweise mit einem ersten Druck (p1) beaufschlagt wird; b. Verbringen der Baugruppe (10) in eine zweite Druckkammer (4), wobei die Baugruppe (10) dort zumindest zeitweise in ein zweites Temperaturniveau (T2) eingebracht und zumindest zeitweise mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagt wird, wobei der erste Druck (p1) oder der zweite Druck (p2) über Atmoshärendruck liegen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: a. Verbringen der Baugruppe (10) in eine dritte Druckkammer (5), wobei die Baugruppe (10) dort zumindest zeitweise in ein drittes Temperaturniveau (T3) eingebracht und zumindest zeitweise mit einem dritten Druck (p3) beaufschlagt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: a. T1 = T2 und p1 ≠ p2, insbesondere p1 > p2, oder b. T1 ≠ T2, insbesondere T1 > T2, und p1 = p2.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: T1 = T2 = T3 und/oder p1 = p2 = p3.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: 200°C < T1 < 350°C, insbesondere 250°C < T1 < 310°C.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: 150°C < T2 < 250°C, insbesondere 150°C < T2 < 200°C.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Druck (p1) als auch der zweite Druck (p2) über Atmosphärendruck liegen (p1 > 1 bar, p2 > 1 bar).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer der Druckkammern (3, 4, 5) zumindest zeitweise ein Druck unter Atmosphärendruck angelegt wird.