DE102014210224A1

DE102014210224A1 - Reflow soldering and reflow soldering

Info

Publication number: DE102014210224A1
Application number: DE102014210224.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Ulzhöfer
Original assignee: Smt Maschinen und Vertriebs & Co KG GmbH; Smt Maschinen- und Vertriebs & Co KG GmbH
Current assignee: Smt Maschinen und Vertriebs & Co KG GmbH; Smt Maschinen- und Vertriebs & Co KG GmbH
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: DE102014210224B4

Abstract

Offenbart wird ein Reflowlötverfahren, bei dem das Lötgut in dem Zustand, in dem das Lot flüssig ist, einer Vibration unterzogen wird, wobei die Parameter der Vibration so gewählt sind, dass es zu einem vorübergehenden Versetzen der Bauteile gegenüber der Lötstelle kommt, sowie eine Reflowlötanlage zur Durchführung des Verfahrens.Disclosed is a Reflowlötverfahren in which the solder in the state in which the solder is liquid, is subjected to a vibration, wherein the parameters of the vibration are chosen so that there is a temporary displacement of the components relative to the solder joint, and a reflow soldering to carry out the process.

Description

Es sind Reflowlötanlagen unterschiedlichster Gestaltung bekannt. Üblicher Weise weisen als Durchlaufanlagen konzipierte Anlagen zumindest einen Vorwärmbereich, eine Lötzone und einen Abkühlbereich auf. Das Lötgut wird durch den Vorwärmbereich geführt und seine Temperatur ständig erhöht. In der Lötzone wird der Schmelzpunkt des Lotes erreicht und das Lot verflüssigt, so dass es zum eigentlichen Lötvorgang kommt. In der sich daran anschließenden Abkühlzone wird die Temperatur so weit abgesenkt, dass sich das Lot wieder verfestigt.Reflow soldering machines of various designs are known. Conventionally, systems designed as continuous systems have at least one preheating region, one soldering zone and one cooling region. The solder is passed through the preheating area and its temperature is constantly increased. In the soldering zone, the melting point of the solder is reached and the solder liquefied, so that it comes to the actual soldering. In the adjoining cooling zone, the temperature is lowered so far that the solder solidifies again.

Das Lötgut besteht üblicher Weise aus Baugruppen, die eine mit Lötstellen bedruckte Platine aufweisen, auf deren Lötstellen zunächst eine Lotpaste aufgebracht wird, die sich bei Raumtemperatur in einem zäh viskosen Zustand befindet. Anschließend werden auf die Lötstellen die Bauteile aufgesetzt. In der Lötzone erfolgt dann das Aufschmelzen der Lotpaste in den flüssigen Zustand und es kommt zum eigentlichen Lötvorgang. Nach dem Erstarren des Lotes in der Abkühlphase ergibt sich eine starre leitende Verbindung zwischen Platine und Bauteil. Die Qualität der Lötung hängt von verschiedenen Faktoren ab. The item to be soldered usually consists of assemblies which have a board printed with solder joints, on the solder joints, first a solder paste is applied, which is in a viscous state at room temperature. Subsequently, the components are placed on the solder joints. In the soldering zone then the melting of the solder paste takes place in the liquid state and it comes to the actual soldering. After solidification of the solder in the cooling phase results in a rigid conductive connection between the board and component. The quality of the soldering depends on various factors.

Insbesondere größere Bauteile, bei denen höhere Ströme fließen, benötigen angemessene Lötstellen und damit eine größere Lotmasse. Die Qualität einer solchen Lötstelle wird häufig durch Einschlüsse im Lot beeinträchtigt. Hierbei handelt es sich in der Regel um gasförmige Einschlüsse, die die Gesamtleitfähigkeit der Lötstelle herabsetzen. Es wurden daher verschiedene Anstrengungen unternommen, derartige Einschlüsse zu vermeiden. Kommt es dennoch zu derartigen Einschlüssen, kann versucht werden, im flüssigen Zustand des Lots die Einschlüsse zu entfernen. Hierzu werden vermehrt Vakuumeinrichtungen eingesetzt, die im flüssigen Zustand des Lotes das Lotgut einem Unterdruck bzw. Vakuum aussetzen, um so gasförmige Einschlüsse aus der Lötstelle gewissermaßen herauszuziehen. Weiterhin wurde versucht, durch Vibration gasförmige Einschlüsse zu bewegen, die Lötstelle zu verlassen.Especially larger components, where higher currents flow, require adequate solder joints and thus a larger solder mass. The quality of such a solder joint is often affected by inclusions in the solder. These are usually gaseous inclusions, which reduce the total conductivity of the solder joint. Various efforts have therefore been made to avoid such inclusions. However, if such inclusions occur, an attempt can be made to remove the inclusions in the liquid state of the solder. For this purpose, more and more vacuum devices are used, which expose the solder to a negative pressure or vacuum in the liquid state of the solder in order to extract gaseous inclusions from the soldering point to some extent. Furthermore, an attempt was made to move gaseous inclusions by vibration, to leave the solder joint.

Auch wenn mit diesen Methoden eine gewisse Verbesserung der Lötqualität erzielt werden kann, sind die Ergebnisse doch nicht restlos befriedigend.Although some improvement in soldering quality can be achieved with these methods, the results are not entirely satisfactory.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Reflowlötverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem gasförmige Einschlüsse in Lötstellen erfolgversprechend beseitigt werden können.The object of the invention is therefore to provide a Reflowlötverfahren and an apparatus for performing the method, can be successfully eliminated with the gaseous inclusions in solder joints.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 13. Der Erfindung liegt der Kerngedanke zugrunde, dass Lötgut in dem Zustand, in dem das Lot flüssig ist, einer Vibration zu unterziehen, deren Parameter so gewählt sind, dass es zu einem vorübergehenden Versetzen der Bauteile gegenüber der Lötstelle kommt. Dieses zeitweise Versetzen der Bauteile bewirkt zum einen eine gewisse Bewegung im Lot, zum anderen wird verhindert, dass während des Lötvorgangs die Lötstelle weitgehend durch das Bauteil abgedeckt ist, so dass gasförmige Einschlüsse kaum eine Chance haben, die Lötstelle zu verlassen. Dies wird näher anhand des konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.This object is achieved with respect to the method by the features of claim 1, with respect to the device by the features of claim 13. The invention is based on the core idea that soldering in the state in which the solder is liquid to subject to vibration Parameters are selected so that there is a temporary displacement of the components relative to the solder joint. This temporary displacement of the components causes on the one hand a certain movement in the solder, on the other hand prevents the solder joint is largely covered by the component during the soldering, so that gaseous inclusions have little chance to leave the solder joint. This will be explained in detail with reference to the concrete embodiment.

Da es für die Qualität der Baugruppe von entscheidender Bedeutung ist, dass die Bauteile sich tatsächlich an dem gewünschten Platz befinden, dürfen die Bauteile nur vorübergehend gegenüber der Lötstelle versetzt werden. Das heißt, spätestens beim Erstarren des Lotes in der Abkühlphase müssen sich die Bauteile gegenüber der Lötstelle wieder in der optimalen Position befinden. Es hat sich gezeigt, dass sich dies bereits häufig durch die Oberflächenspannung des Lots bewerkstelligen lässt, das heißt, sobald die Vibration gestoppt wird, wird das Bauteil durch die Oberflächenspannung der Lotstelle automatisch zurück in die ursprüngliche Position bewegt. Es können jedoch noch weitere Maßnahmen getroffen werden, um ein zeitweises Versetzen der Bauteile gegenüber den Lötstellen zu gewährleisten. So kann die Baugruppe in einer bestimmten Richtung geneigt werden, was bereits zu einem Versetzen der Bauteile führen kann, jedoch insbesondere bei Unterstützung durch Vibration zu einem Versetzen der Bauteile führt. Wird die Baugruppe dann vor dem Erstarren des Lotes zurück in die horizontale Position bewegt, setzt eine Rückbewegung des Bauteils in die gewünschte Position ein. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, wenn die Baugruppe zunächst in einer bestimmten Richtung geneigt wird und anschließend in die entgegengesetzte Richtung, bevor sie wieder in die Horizontale bewegt wird. Das heißt, die Baugruppe wird z. B. zunächst um einige Plusgrade verschwenkt, um anschließend um Minusgrade in die entgegengesetzte Richtung verschwenkt zu werden, bevor sie in die Horizontale zurückbewegt wird.Since it is crucial for the quality of the assembly that the components are actually in the desired location, the components may only be temporarily offset from the solder joint. This means that at the latest when solidifying the solder in the cooling phase, the components must be in the optimum position relative to the solder joint again. It has been found that this can often be done by the surface tension of the solder, that is, as soon as the vibration is stopped, the component is automatically moved back to the original position by the surface tension of the Lotstelle. However, further measures can be taken to ensure a temporary displacement of the components relative to the solder joints. Thus, the assembly can be tilted in a certain direction, which can already lead to a displacement of the components, but especially in support of vibration leads to a displacement of the components. If the assembly is then moved back to the horizontal position before solidification of the solder, a return movement of the component in the desired position. This effect can be exacerbated if the assembly is first tilted in a certain direction and then in the opposite direction before being moved back to the horizontal. That is, the assembly is z. B. initially pivoted by some plus degrees to be then pivoted by degrees in the opposite direction, before being moved back into the horizontal.

Insbesondere durch die Einstellung von Frequenz und Amplitude der Vibration kann der gewünschte Versatz realisiert werden. Dabei ist es möglich, über den Zeitraum der Einbringung der Vibration die Parameter der Vibration zu ändern, also beispielsweise die Frequenz oder Amplitude zu modulieren, um zu gewährleisten, dass bei kleinen wie großen und schweren wie leichten Bauteilen ein angemessenes Versetzen der Bauteile gegenüber der Lötstelle gewährleistet ist. Bevorzugt werden Frequenzen bis 2000 Hertz eingesetzt.In particular, by adjusting the frequency and amplitude of the vibration of the desired offset can be realized. It is possible over the period of introduction of the vibration to change the parameters of the vibration, so for example to modulate the frequency or amplitude to ensure that for small as large and heavy as light components, an adequate displacement of the components relative to the solder joint is guaranteed. Preferably, frequencies up to 2,000 hertz are used.

Werden die Baugruppen wie geschildert geneigt, können Neigungswinkel bis 45 Grad vorteilhaft eingesetzt werden. Bewährt hat sich ein Neigungswinkel von bis zu 15 Grad, bevorzugt 5 Grad. Der Neigungswinkel kann während des Bearbeitungsvorgangs variiert werden, wobei, wie dargelegt, auch eine Variation von Plus- zu Minusgraden oder umgekehrt selbstverständlich möglich ist. Vorteilhaft verbleibt das Lötgut für bis zu 300 Sekunden im geneigten Zustand, wobei bei üblichen Baugruppen sich ein Wert von bis zu 10 Sekunden, bevorzugt 5 Sekunden bewährt hat. If the modules are tilted as described, tilt angles of up to 45 degrees can be advantageously used. Has proved to be an angle of inclination of up to 15 degrees, preferably 5 degrees. The angle of inclination may be varied during the machining operation, and, as stated, a variation from plus to minus degrees or vice versa is of course possible. Advantageously, the item to be soldered remains in the inclined state for up to 300 seconds, whereby a value of up to 10 seconds, preferably 5 seconds, has been proven in conventional assemblies.

Vorteilhaft ist es, das Lötgut in der eigentlichen Lötzone einer Vibration mit oder ohne Neigung zu unterwerfen. Es kann sich aber auch an die eigentliche Lötzone eine spezielle Zone anschließen, in der das Lot im flüssigen Zustand gehalten und die Baugruppe der genannten Vibration unterworfen wird. Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn die Vibration in einer Phase mit steigender Temperatur eingeleitet wird. Die Einleitung kann mechanisch oder mittels Schall geschehen, wobei beispielsweise eine mechanische Vibrationseinleitung über das Transportsystem der Baugruppen erfolgen kann.It is advantageous to subject the item to be soldered in the actual soldering zone to vibration with or without inclination. However, it is also possible for a special zone to join the actual soldering zone, in which the solder is kept in the liquid state and the assembly is subjected to said vibration. Good results are achieved when the vibration is initiated in a phase with increasing temperature. The introduction can be done mechanically or by sound, wherein, for example, a mechanical vibration introduction via the transport system of the modules can take place.

Eine Reflowlötanlage zur Realisierung dieses Verfahrens verfügt über Steuereinrichtung, mittels der die Parameter der Vibration in der genannten Weise vorteilhaft eingestellt bzw. variiert werden können, um das optimale Ergebnis zu erzielen. Wie bereits diskutiert, kann eine Vibrationseinrichtung vorgesehen sein, die das Lötgut in der Lötzone beaufschlagt. Es kann aber auch eine anschließende Zone vorgesehen sein, in der das Löt im flüssigen Zustand gehalten wird und die gewünschte Vibration auf das Lötgut aufgebracht wird. Ebenso verhält es sich mit einer Neigeeinrichtung, die vorgesehen wird, um das Lötgut in einen geneigten Zustand zu bringen. Diese Neigungseinrichtung kann so beschaffen sein, dass der Neigungswinkel während des Transportes des Lötgutes durch die Anlage variierbar ist, wobei auch eine Variation der Neigung von Plus- auf Minusgrade oder umgekehrt vorteilhaft sein kann. A reflow soldering system for implementing this method has control means by means of which the parameters of the vibration can be advantageously set or varied in the manner mentioned in order to achieve the optimum result. As already discussed, a vibration device can be provided, which acts on the solder in the soldering zone. But it can also be provided a subsequent zone in which the solder is kept in the liquid state and the desired vibration is applied to the item to be soldered. The same applies to a tilting device, which is provided in order to bring the item to be soldered in an inclined state. This tilting device may be such that the angle of inclination is variable during the transport of the item to be soldered through the system, whereby a variation of the inclination from plus to minus degrees or vice versa may be advantageous.

Die Vibration wird über eine geeignete Einrichtung auf das Lötgut aufgebracht. Hierzu kann eine mechanische Einbringung über das Transportsystem geeignet sein, oder auch Schall Verwendung finden. Die Erfindung wird näher anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. The vibration is applied to the item to be soldered by means of a suitable device. For this purpose, a mechanical introduction via the transport system may be suitable, or find sound use. The invention will be explained in more detail with reference to a concrete embodiment.

1 zeigt die Grundposition des Bauteils auf einem verflüssigten Lotdepot vor Einbringung der Vibration. 1 shows the basic position of the component on a liquefied solder deposit before introducing the vibration.

2 zeigt das Versetzen eines Bauteils durch die Vibration in der Zeichenebene nach rechts und das Entweichen von eingeschlossenen Gasporen. 2 shows the displacement of a component by the vibration in the drawing plane to the right and the escape of trapped gas pores.

3 zeigt das Versetzen des Bauteils nach links während der Vibration und das Entweichen von eingeschlossenen Gasporen. 3 shows the movement of the component to the left during the vibration and the escape of trapped gas pores.

4 zeigt das Bauteil auf dem Lotdepot nach Beendigung der Vibration. 4 shows the component on the solder depot after completion of the vibration.

5 zeigt eine Situation korrespondierend zur 2, jedoch mit geneigter Baugruppe. 5 shows a situation corresponding to 2 , but with inclined assembly.

In 1 ist die Baugruppe mit der Platine 1, mit der Lötstelle 6, dem darauf befindlichen bereits verflüssigten Lotdepot 2 und dem darauf aufgesetzten Bauteil 3 zu sehen. Weiterhin werden durch Kreise Gasporen 4 im Inneren des Lotdepots 2 angedeutet. Die Baugruppe befindet sich im Ruhezustand. Es wird nun die geschilderte Vibration eingeleitet, die so bemessen ist, dass das Bauteil 3, wie gut aus 2 zu sehen, gegenüber der eigentlichen Lötstelle 6 versetzt wird. Da das Lot sich im flüssigen Zustand befindet, kann das Bauteil 3, wie in 2 zu sehen, nach rechts oder, wie in 3 zu sehen, nach links versetzt werden, je nachdem, in welche Richtung die Baugruppe bzw. die Platine 1 bewegt wird. Die Vibration ist dabei hinsichtlich Frequenz und Amplitude so bemessen, dass das Bauteil 3 auf dem flüssigen Lotdepot 2 hin und her bewegt wird, das Lotdepot 2 dennoch aufgrund der Oberflächenspannung als geschlossenes Lotdepot 2 erhalten bleibt und es nicht zu Ausfließen von Lot kommt.In 1 is the assembly with the board 1 , with the solder joint 6 , the already liquefied solder deposit on it 2 and the component mounted thereon 3 to see. Furthermore, by circles gas pores 4 inside the lot depot 2 indicated. The module is in idle state. It is now introduced the described vibration, which is dimensioned so that the component 3 how good 2 to see, compared to the actual solder joint 6 is offset. Since the solder is in the liquid state, the component 3 , as in 2 to see, to the right or, as in 3 to be moved to the left, depending on the direction in which the assembly or the board 1 is moved. The vibration is dimensioned in terms of frequency and amplitude so that the component 3 on the liquid solder depot 2 is moved back and forth, the solder depot 2 nevertheless due to the surface tension as a closed solder deposit 2 is preserved and it does not come out of Lot.

Da die Gasporen 4 aufgrund ihres deutlich geringeren spezifischen Gewichts grundsätzlich eine Tendenz haben, in flüssigem Lot nach oben zu entweichen, dies jedoch durch das aufgesetzte Bauteil 3 behindert wird, ergeben sich durch das Versetzen des Bauteils 3, wie durch die Pfeile 5 in 2 und 3 dargestellt, deutlich günstigere Bedingungen zum Entweichen der Gasporen 4. Darüber hinaus kommt es durch die Vibration und die Bewegung des Lotdepots 2 zu einer Bewegung des flüssigen Lots, die ebenfalls das Entweichen der Gasporen 4 fördert. Nach Beendigung der Vibration wird bei noch flüssigem Lot des Lotdepots 2 das Bauteil 3 alleine aufgrund der Oberflächenspannung in die optimale Position mittig über dem Lotdepot 2 zurückbewegt.Because the gas pores 4 due to their significantly lower specific gravity basically have a tendency to escape upwards in liquid solder, but this by the attached component 3 obstructed, resulting from the displacement of the component 3 as by the arrows 5 in 2 and 3 shown, significantly more favorable conditions for the escape of the gas pores 4 , In addition, it comes from the vibration and movement of the solder deposit 2 to a movement of the liquid solder, which also the escape of the gas pores 4 promotes. After completion of the vibration is still liquid solder of the solder deposits 2 the component 3 solely due to the surface tension in the optimal position in the middle above the solder deposit 2 moved back.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Baugruppen bei Aufbringen der Vibration in der horizontalen Lage gehalten. Es ist ohne Weiteres ersichtlich, dass das gewünschte Versetzen des Bauteils 3 durch ein Neigen der Baugruppe noch befördert werden kann. Dies wird durch die 5 veranschaulicht, die grundsätzlich der 2 entspricht, jedoch eine geneigte Baugruppe zeigt, die durch eine geeignete Neigeeinrichtung 7 während des Transports durch die Anlage gegenüber der Horizontalen 8 geneigt wird, wobei die Baugruppe so geneigt wird, dass ein Versetzen des Bauteils 3 in der Zeichenebene nach rechts erleichtert bzw. verstärkt wird. In this embodiment, the assemblies are held in the horizontal position upon application of the vibration. It is readily apparent that the desired displacement of the component 3 can still be transported by tilting the assembly. This is done by the 5 illustrates that in principle the 2 corresponds, but shows a tilted assembly, by a suitable tilting device 7 during transport through the plant relative to the horizontal 8th is tilted, wherein the assembly is inclined so that a displacement of the component 3 in the drawing plane to the right is facilitated or strengthened.

Claims

Reflow soldering, in which the solder is heated in a soldering zone so that the solder assumes a liquid state and in a subsequent cooling zone the solder is cooled so far that the solder solidifies, the solder in the state in which the solder is liquid, is subjected to a vibration, characterized in that the parameters of the vibration are chosen such that it leads to a temporary displacement of the components ( 3 ) opposite the solder joint ( 6 ) comes.

Reflow soldering method according to claim 1, characterized in that the frequency and amplitude of the vibration are dimensioned such that a desired offset of the components ( 4 ) opposite the solder joint ( 6 ), using frequencies up to 2,000 hertz.

Reflow soldering method according to claim 1 or 2, characterized in that the solder is subjected in the inclined state of a vibration, which can be varied during the application.

Reflow soldering method according to claim 3, characterized in that the angle of inclination is up to 15 degrees, preferably 5 degrees.

Reflow soldering method according to claim 3 or 4, characterized in that the inclination angle is varied during the machining operation.

Reflow soldering method according to claim 5, characterized in that the inclination angle is varied from plus degrees to minus degrees or vice versa.

Reflow soldering method according to one of claims 3 to 6, characterized in that the solder is held for up to 10 seconds, preferably 5 seconds, in the inclined state.

Reflow soldering method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the solder is exposed in the soldering zone or a special adjoining zone of vibration.

Reflow soldering method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the vibration is introduced mechanically or by sound.

Reflow soldering method according to claim 9, characterized in that the vibration is introduced mechanically via a transport system for the item to be soldered.

Reflow soldering method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the solder is exposed to vibration for up to 10 seconds, preferably 5 seconds.

Reflow soldering method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the vibration is introduced in a phase with increasing temperature of the solder.

Reflow soldering machine for carrying out the method according to one of claims 1 to 12, with a soldering zone in which the solder is heated so that the solder assumes a liquid state, and an adjoining cooling zone in which the solder is cooled so far that the solder solidifies, wherein the solder is subjected to a vibration in the state in which the solder is liquid, and the parameters of the vibration by a control device are set so that it to a temporary displacement of the components ( 4 ) opposite the solder joint ( 6 ) comes.

Reflow soldering machine according to claim 13, characterized in that the vibration in the soldering zone or an adjoining zone, in which the solder is maintained in the liquid state, is introduced.

Reflow soldering machine according to claim 13 or 14, characterized by a tilting device, by means of which the item to be soldered is tilted to expose it in the inclined state of a vibration.

Reflow soldering machine according to claim 15, characterized in that the angle of inclination is up to 15 degrees, preferably 5 degrees.

Reflow soldering machine according to claim 16, characterized in that the angle of inclination is variable during the transport of the soldering material.

Reflow soldering machine according to claim 17, characterized in that the angle of inclination during the transport of the item to be soldered in the other direction is variable, ie from plus to minus degrees or vice versa.

Reflow soldering machine according to one of claims 13 to 18, characterized by a vibration device which generates the desired vibration mechanically or by sound.

Reflow soldering machine according to claim 19, characterized in that the vibration of the vibration device is mechanically introduced into a transport system for the item to be soldered.