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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen zwischen zwei Bauteilen, insbesondere von Lötverbindungen im Bereich von Schaltungsbaugruppen, sowie eine elektronische Baugruppe, die entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Lötverbindungen aufweist.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 38 10 370 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen zwischen einem Schaltungsträger und insbesondere als SMD-Bauteilen ausgebildeten Bauelementen bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Verbindungsbereich zwischen dem Schaltungsträger und den elektronischen Bauelementen auf den Schaltungsträger eine Lotpaste aufgebracht wird. In einem nachfolgenden Fertigungsschritt werden die Bauelemente auf der Lotpaste positioniert. Anschließend erfolgt in einer weiteren Station das Erwärmen bzw. Aufschmelzen der Lotpaste, sodass sich deren metallische Bestandteile (insbesondere Zinn) mit den Bauelementen verbinden, wobei nach dem Erstarren der Lotpaste die Lötverbindungen ausbildet sind.
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Wesentlich ist, dass derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Lotpasten als Bestandteil stets Flussmittel enthalten, das dazu dient, die Oberflächen der zu fügenden Werkstücke zu aktivieren und bei der Erwärmung sowohl die Oberflächen der fügenden Flächen als auch die Oberflächen des Lots chemisch zu reduzieren und eine erneute Oxidbildung durch Bildung einer flüssigen Schutzschicht zu verhindern. Ein weiterer Effekt derartiger Flussmittel ist die Entspannung, d.h. die Verringerung von Oberflächenspannungen des flüssigen Lotes. Die Verwendung von flussmittelhaltigen Lotpasten hat in der Praxis jedoch auch einige Nachteile, die sich u.a. in der Gefahr der Ausbildung von Lötfehlern äußern. Weiterhin ist es üblicherweise erforderlich, die verlöteten Oberflächen anschließend zu reinigen, was einen zusätzlichen Arbeitsschritt bedeutet, der die Herstellungskosten verteuert.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen zwischen zwei Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf konventionelle, eine Reinigung der verlöteten Oberflächen erfordernde Flussmittel verzichtet werden kann. Dies hat zur Folge, dass auf den oftmals erforderlichen Reinigungsschritt im Prozessablauf bei der Herstellung von elektronischen Baugruppen verzichtet werden kann. Dadurch werden die Herstellkosten verringert. Weiterhin ist von Vorteil, dass aufgrund des Verzichts konventioneller Flussmittel auch die im Zusammenhang mit derartigen Flussmitteln verursachten Lötfehler nicht auftreten. Somit weisen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lötverbindungen zusätzlich eine besonders hohe Qualität auf, die beispielsweise die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls der elektronischen Baugruppen über deren Betriebsdauer reduziert und die Qualitätssicherungsmaßnahmen vereinfacht.
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Erfindungsgemäß sieht es hierzu das Verfahren gemäß der Lehre des Anspruchs 1 vor, dass die Erwärmung des Lots durch ein gasförmiges Wärmeträgermedium im Dampfphasenlöten erfolgt, wobei als Lot ein flussmittelfreies Lot verwendet wird, und wobei das Wärmeträgermedium eine reduzierende Säure, insbesondere Ameisensäure, enthält. Beim Dampfphasenlöten (Kondensationslöten) dient somit das gasförmiges Wärmeträgermedium zur Erwärmung der Bauteile bzw. des Lots. Die erfindungsgemäß während des Dampfphasenlötens verwendete Säure bzw. Ameisensäure ersetzt somit unter Beibehaltung der Funktionen eines konventionellen Flussmittels ein derartiges Flussmittel. Dabei kann die Säure bzw. Ameisensäure beispielsweise in eine Prozesskammer mittels Stickstoff als Trägermedium eingebracht werden, wobei in die Prozesskammer gleichzeitig das zum Dampfphasenlöten erforderliche gasförmige Medium, insbesondere Perfluorpolyether (PFPE) eingebracht wird bzw. bereits vorhanden ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Lötverbindungen zwischen zwei Bauteilen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Lot vor dessen Erwärmung auf dem ersten Bauteil aufgebracht wird. Insbesondere, wenn es sich bei dem ersten Bauteil um einen Schaltungsträger handelt, auf dem mehrere zweite Bauteile bzw. Bauelemente mittels Lötverbindungen angeordnet sind, ermöglicht dies eine besonders wirtschaftliche Ausbildung bzw. Anordnung des Lots. Das Aufbringen des Lots auf dem ersten Bauteil bzw. dem Schaltungsträger erfolgt beispielsweise dadurch, dass beim Vorhandensein eines Elektroniksubstrats dieses zuvor mit einer flächig vorhandenen Metallisierung strukturiert wird, die anschließend selektiv weggeätzt wird. Bringt man vor dem Ätzen z.B. selektiv Zinn als Lotmaterial auf, so können alle Anschlussbereiche für die Bauelemente in einem einzigen Prozessschritt mit dem Lotmaterial bzw. dem Zinn versehen werden. Vorzugsweise sind dabei die folgenden beschriebenen Verfahrensschritte einzeln oder in Kombination insbesondere in der beschriebenen Reihenfolge vorgesehen. In einem ersten Verfahrensschritt wird das erste Bauteil bzw. der Schaltungsträger flächig metallisiert. Auf diese Metallisierung wird in einem zweiten Verfahrensschritt selektiv ein Galvanikstopplack aufgebracht, wobei die zu belotenden Bereich ausgespart werden. In einem dritten Verfahrensschritt wird Lot, insbesondere Zinn, beispielsweise durch galvanische Abscheidung, auf die zu belotenden Bereiche aufgebracht. Daran anschließend wird in einem vierten Verfahrensschritt der Galvanikstopplack entfernt. Anschließend wird in einem fünften Verfahrensschritt ein Ätzstopplack insbesondere auf die im dritten Verfahrensschritt aufgebrachten belotenden Bereiche aufgebracht. Die im ersten Verfahrensschritt aufgebrachte Metallisierung wird in einem sechsten Verfahrensschritt selektiv in Bereichen ohne Ätzstopplack weg geätzt. In einem daran anschließenden siebten Verfahrensschritt wird der im fünften Verfahrensschritt aufgebrachte Ätzstopplack entfernt. In einem achten Verfahrensschritt wird das erste Bauteil mit dem zweite Bauteil bestückt. Schließlich wird in einem neunten Verfahrensschritt das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil mittels des beschriebenen Dampfphasenlöten in einem Lötöfen verlötet.
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In einer Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das Lot in einer das zweite Bauteil formschlüssig aufnehmenden Form auf dem ersten Bauteil aufgebracht wird. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Anschlussbereiche für das zweite Bauteil nur teilweise mit dem Lot bzw. mit dem Zinn versehen werden, damit für das zweite Bauteil eine Art Fassung entsteht. Diese Fassung kann ggf. bereits zur Fixierung des Bauteils ausreichend sein, sodass auf den Zusatz von weiteren Hilfsstoffen, insbesondere Klebstoff, zur Fixierung des Bauelements auf dem ersten Bauteil verzichtet werden kann.
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Nichtsdestotrotz, insbesondere wenn eine derartige formschlüssige Aufnahme für das Bauelement bzw. das zweite Bauteil nicht ausgebildet ist, kann es auch vorgesehen sein, dass zwischen den beiden Bauteilen Klebstoff zur Positionierung des zweiten Bauteils zum ersten Bauteil aufgebracht wird. Dies ermöglicht ein besonders sicheres Handling beim Transport von mit den zweiten Bauteilen bestückten Schaltungsträgern zwischen einzelnen Bearbeitu ngsstationen.
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Weiterhin zeichnet sich das soweit beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zumindest durch folgende Schritte aus: Zunächst findet ein Aufbringen eines flussmittelfreien Lots auf einen elektrisch leitenden Bereich des ersten Bauteils statt. Anschließend erfolgt ein Positionieren des zweiten Bauteils auf dem ersten Bauteil im Bereich des Lots. Danach erfolgt ein Erwärmen des Lots auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur durch ein gasförmiges Wärmeträgermedium, wobei das Wärmeträgermedium Säure, insbesondere Ameisensäure als Flussmittelersatz, enthält. Zuletzt findet ein Abkühlen des Lots auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur statt, wodurch die Lötverbindungen vollständig ausgebildet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es in alternativer Ausgestaltung auch, ein erstes Bauteil unter Zwischenschaltung eines dritten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zu verbinden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auf relativ kompaktem Raum mehrere Schaltungsträger, die als erstes bzw. zweites Bauteil dienen, zueinander angeordnet und miteinander elektrisch kontaktiert werden müssen. Daher sieht es eine entsprechende Variante des Verfahrens vor, dass das Lot vor dem Verbinden des ersten mit dem zweiten Bauteil auf einem dritten Bauteil angeordnet wird, und dass das dritte Bauteil zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet wird, wobei das dritte Bauteil das erste und das zweite Bauteil miteinander verbindet.
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In einer Weiterbildung des gerade erwähnten Erfindungsgedankens, bei dem das dritte Bauteil als Verbindungselement zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil dient, ist es von Vorteil, wenn das Lot auf gegenüberliegenden Seiten einer Durchkontaktierung im Bereich eines Trägerelements, das als Teil des drittes Bauteils dient, aufgebracht wird. Dadurch wird die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil über das Lotmaterial und die Durchkontaktierungen des Trägerelements gewährleistet.
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Die zuletzt genannte Alternative, bei der drei Bauteile miteinander verbunden werden, umfasst somit zumindest folgende Herstellschritte: Zunächst findet ein Herstellen des dritten Bauteils statt. Anschließend erfolgt ein Positionieren des dritten Bauteils zwischen elektrisch leitenden Bereichen des ersten und des zweiten Bauteils. Dann erfolgt ein Erwärmen des Lots auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur durch ein gasförmiges Wärmeträgermedium, wobei das Wärmeträgermedium Säure, insbesondere Ameisensäure, enthält. Zuletzt erfolgt ein Abkühlen des Lots auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur zur endgültigen Ausbildung der Lötverbindungen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung eine elektronische Baugruppe, die gemäß der ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine unmittelbare Verbindung eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil aufweist. Diese elektronische Baugruppe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das erste Bauteil eine Leiterplatte, ein Dickschicht- oder Glassubstrat oder eine Leistungselektronik-Keramik und das zweite Bauteil ein elektronisches Bauelement ist.
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Bei der oben beschriebenen Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbindung dreier Bauteile resultiert in einer elektronischen Baugruppe, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass das erste und das zweite Bauteil jeweils ein Schaltungsträger mit auf dem Schaltungsträger angeordneten Bauelementen ist.
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In Weiterbildung einer derartigen elektronischen Baugruppe kann es vorgesehen sein, dass wenigstens einer der beiden Schaltungsträger, vorzugsweise beide Schaltungsträger, auf einander zugewandten Seiten in einem Bereich außerhalb des dritten Bauteils Bauelemente aufweist. Dadurch wird eine sehr hohe Packungsdichte und somit ein sehr geringer Raumbedarf einer entsprechenden elektronischen Baugruppe ermöglicht.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 bis 6 zeigen in jeweils vereinfachten Darstellungen das Aufbringen von Lot auf einem Schaltungsträger während verschiedener, zeitlich aufeinanderfolgender Verfahrensschritte,
- 7 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Schaltungsträgers mit darauf angeordnetem Bauelement,
- 8 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 7,
- 9 eine vereinfachte Seitenansicht auf ein Verbindungselement zum Verbinden insbesondere zweier Schaltungsträger,
- 10 einen Längsschnitt durch eine elektronische Baugruppe, bestehend aus zwei mit Bauelementen bestückten Schaltungsträgern und zwei Verbindungselementen, wie diese gemäß 9 ausgebildet sind und
- 11 eine Prinzipdarstellung einer Anlage zum Ausbilden von Lötverbindungen unter Verwendung eines gasförmigen Wärmeträgermediums sowie Ameisensäure als Flussmittelersatz.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein erstes Bauteil 11 in Form eines Teilbereichs eines Schaltungsträgers 12 dargestellt. Bei dem Schaltungsträger 12 bzw. dem Substrat kann es sich um einen beliebigen Schaltungsträger 12 handeln, z.B. um eine Leiterplatte, ein Dickschichtsubstrat, ein Glassubstrat oder auch um eine Leistungselektronik-Keramik (DCB oder AMB).
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Der Schaltungsträger 12 ist an einer Oberseite mit einer vollflächig ausgebildeten Metallisierungsschicht 14 als elektrisch leitender Bereich versehen, auf der wiederum auf der dem Schaltungsträger 12 abgewandten Seite selektiv ein Galvanikstopplack 16 aufgebracht ist.
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In der 2 ist dargestellt, dass auf dem von dem Galvanikstopplack 16 freien Bereich der Metallisierungsschicht 14 ein Lot 18, insbesondere in Form von Zinn 19, unmittelbar auf die Metallisierungsschicht 14 durch galvanische Abscheidung aufgebracht wurde.
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In der 3 ist der Zustand dargestellt, bei dem durch einen Reinigungsprozess der Galvanikstopplack 16 von der Oberseite der Metallisierungsschicht 14 entfernt wurde. Anschließend wird entsprechend der 4 in einem weiteren Prozessschritt im Bereich um das Lot 18 ein Ätzstopplack 20 aufgebracht.
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In der 5 ist der Schaltungsträger 12 nach einem weiteren Prozessschritt dargestellt, bei dem nach einem Ätzvorgang der Metallisierungsschicht 14 diese lediglich noch im Bereich des Ätzstopplacks 20 auf der Oberseite des Schaltungsträgers 12 verbleibt.
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In der 6 ist dargestellt, dass anschließend der Ätzstopplack 20 von dem Bereich des Lots 18 bzw. der verbleibenden Metallisierungsschicht 14 entfernt wurde.
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Die soweit anhand der 1 bis 6 beschriebenen, an sich bekannten Prozessschritte dienen der Erzeugung von Anschlussstellen 22 des Schaltungsträgers 12. Die Anschlussstellen 22 dienen entsprechend der Darstellung der 7 und 8 der Anordnung bzw. elektrischen Kontaktierung von zweiten Bauteilen 24, beispielsweise einem elektronischen Bauelement 25 in Form eines SMD-Widerstands o.ä. Um das zweite Bauteil 24 positionsgenau im Bereich der Anschlussstellen 22 zu positionieren, kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass entsprechend der Darstellung der 7 zwischen der Oberseite des Schaltungsträgers 12 und dem zweiten Bauteil 24 Klebstoff 26 aufgebracht wurde.
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Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass die Anschlussstellen 22 eine derartige Form bzw. Geometrie aufweisen, dass diese entsprechend der Darstellung der 8 das zweite Bauteil 24 beispielhaft an seinen beiden gegenüberliegenden Endbereichen in U-Form formschlüssig umfassen.
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Die in den 7 und 8 dargestellte Anordnung stellt einen Teil einer elektronischen Baugruppe 1 dar, die anschließend noch durch Aktivierung bzw. Verflüssigung des Lots 18 im Bereich der Anschlussstellen 22 Lötverbindungen 30 ausbildet. Dieser Prozess wird im Weiteren noch näher beschrieben.
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In der 9 ist ein drittes Bauteil 32 dargestellt. Das dritte Bauteil 32 besteht aus einem Trägerelement 34, das beispielsweise aus einem beliebigen Substrat bestehen kann. Das Trägerelement 34 weist mehrere Durchkontaktierungen 35 auf, die an gegenüberliegenden Seiten jeweils mit Lot 18 bzw. einer Lotschicht versehen sind. Insbesondere bildet das dritte Bauteil 32 ein Verbindungselement 36 aus, das entsprechend der 10 zwischen einem ersten Bauteil 11a und einem zweiten Bauteil 24a angeordnet sein kann. Dabei sind sowohl das erste Bauteil 11a als auch das zweite Bauteil 24a in Form von Bauelementen 38 aufweisenden Schaltungsträgern 12 ausgebildet.
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Die beiden Schaltungsträger 12 sind parallel zueinander angeordnet, wobei die dritten Bauteile 32 bzw. die Verbindungselemente 36 der elektrischen Kontaktierung der beiden Schaltungsträger 12 bzw. der elektrischen Kontaktierung des ersten Bauteils 11a mit dem zweiten Bauteil 24a dient. Hierzu weisen die beiden Schaltungsträger 12 im Bereich der mit dem Lot 18 versehenen Durchkontaktierungen 35 jeweils Metallisierungen 39 als elektrisch leitende Bereiche auf. Weiterhin ist anhand der 10 erkennbar, dass die beiden Schaltungsträger 12 auf einander zugewandten Seiten Bauelemente 38 aufweisen, die in den Bereichen zwischen den Verbindungselementen 36 angeordnet sind, wobei ein unmittelbarer Kontakt der Bauelemente 38 mit dem jeweils gegenüberliegenden Schaltungsträger 12 oder anderen Bauelementen 38 vermieden wird bzw. ein entsprechender Abstand ausgebildet ist.
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Die in der 10 gezeigte Anordnung stellt eine elektronische Baugruppe 1a dar. Auch bei dieser elektronischen Baugruppe 1a müssen die Lötverbindungen 30 im Bereich der Verbindungselemente 36 ausgebildet bzw. aktiviert werden. Hierzu wird nunmehr auf die 11 verwiesen.
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In der 11 ist stark vereinfacht eine Anlage 40 zur Ausbildung der Lötverbindungen 30 nach dem Anordnen des Lots 18 auf dem ersten bzw. dritten Bauteil 11, 32 dargestellt. Die Anlage 40 weist eine Prozesskammer 41 auf, in der die elektronische Baugruppe 1, 1a angeordnet ist. Der Prozesskammer 41 vorgeschaltet ist eine Ein-/Ausgabekammer 42, die auch während der Abkühlung der Baugruppen 1, 1a nach dem Ausbilden der Lötverbindungen 30 dient. Die Prozesskammer 41 ist unterteilt in zwei Bereiche 43, 44. Der mit der Ein-/Ausgabekammer 42 verbundene erste Bereich 43 dient als Abdampfbereich nach der (thermischen und chemischen) Behandlung der Baugruppen 1, 1a. Der zweite Bereich 44 dient der eigentlichen Ausbildung der Lötstellen 30 bzw. der Aktivierung des Lots 18. Hierzu ist in dem zweiten Bereich 44 ein gasförmiges Wärmeträgermedium 45 vorhanden, das dazu dient, die Baugruppen 1, 1a und insbesondere den Bereich der Anschlussstellen 22 bzw. des Lots 18 auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Lots 18 zu erhöhen. Dieser als Dampfphasen- bzw. Kondensationslöten an sich bekannte Prozess geschieht unter gleichzeitiger Anwesenheit einer der Reduktion dienenden Säure 47, insbesondere Ameisensäure 48. Die Säure 47 ist in einem Vorratsspeicher 50 zwischengespeichert. Sie wird über ein Trägergas, beispielsweise Stickstoff, das über einen Anschluss 51 in den Vorratsspeicher 50 gelangt, über einen weiteren Anschluss 52 in den zweiten Bereich 44 der Prozesskammer 41 eingeleitet. Weiterhin ist eine Heizeinrichtung 55 zur Aufheizung des zweiten Bereichs 44, insbesondere für das Wärmeträgermedium 45, vorgesehen.
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In dem zweiten Bereich 44 der Prozesskammer 41 wird das Lot 18 unter Anwesenheit des Wärmeträgermediums 45 und der Säure 47 auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt. Dabei findet eine Verbindung des (flüssigen) Lots 18 mit den entsprechenden Bereichen der Bauelemente 25 bzw. mit den Bauteilen 11a, 24a statt. Anschließend werden die Baugruppen 1, 1a in dem ersten Bereich 43 der Prozesskammer 41 abgekühlt, wodurch die Lötstellen 30 sich verfestigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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