DE102020201950A1

DE102020201950A1 - Laserlöten zum Verbinden von Elektronikbauteilen

Info

Publication number: DE102020201950A1
Application number: DE102020201950.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan STROHMAIER; Thomas Rataj; Andreas Popp; Berthold Schmidt
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2040-02-18
Also published as: WO2021165130A1; DE102020201950B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lötverfahren zum Verbinden von Elektronikbauteilen (12a, 12b) durch Löten, bei welchem ein Lot (16) mit einem Laserstrahl (14a, 14b) vorzugsweise mit Licht in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 450 nm geschmolzen wird. Durch Einsatz von Lot mit hohem Zinnanteil wird die Effizienz des Verfahrens gesteigert. Das Verfahren wird mit einem Lichtleiterkabel (20a, 20b) mit einer Mehrfachclad-Faser (24a, 24b) durchgeführt. Besonders bevorzugt werden mehrere, zumindest abschnittsweise parallel geführte Laserstrahlen (14a, 14b) eingesetzt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Lötverfahren zum Verbinden von Elektronikbauteilen durch Löten mit einem Laserstrahl, wobei ein Lot mit einem Laserstrahl geschmolzen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Lötvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Lötverfahrens.
Derartige Lötverfahren sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Dabei muss das Lot vergleichsweise lange bestrahlt werden. Daher nimmt der Lötprozess vergleichsweise viel Zeit in Anspruch und ist mit einer unerwünscht starken Erwärmung von Platinen und Elektronikbauteilen verbunden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lötprozess anzugeben, der in einem kurzen Zeitraum durchgeführt werden kann und bei dem eine weniger starke Erwärmung der Elektronikbauteile und Platinen stattfindet. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Lötvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Lötverfahrens bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Die Aufgabe wird somit gelöst durch ein Lötverfahren der eingangs genannten Art, wobei der Laserstrahl Licht im blauen Spektralbereich und/oder ultravioletten Spektralbereich aufweist. Durch die Verwendung eines Laserstrahls zum kontaktlosen Löten mit Licht im blauen Spektralbereich ist die ins Lot eingebrachte Energie signifikant höher als bei bisher verwendeten Laserstrahlen mit Wellenlängen im Bereich von 800 nm - 980 nm und mehr. Der Lötprozess wird bei gleicher Laserleistung beschleunigt. Es wird eine kürzere Prozesszeit pro Lötstelle benötigt. Dadurch steigt die Produktivität bei geringerer Erwärmung von Elektronikbauteilen und Platine. An den Elektronikbauteilen tritt nahezu keine thermische Belastung auf. Kompakt ausgestaltete Schaltungen können zerstörungsfrei gelötet werden, insbesondere im Hinblick auf eine thermische Diffusion bei vergleichsweise kleinen Diffusionsstrecken zwischen den Funktionseleementen der jeweiligen integrierten Schaltung.
Ein Ablegieren der Leiterbahnen kann ebenso vermieden werden. Das Verdampfen beim Lötprozess und eine damit verbundene Verschmutzung der Elektronikbauteile ist geringer. Das erfindungsgemäße Lötverfahren kann insbesondere beim Reflow-Löten eingesetzt werden, um eine zu starke Erwärmung von Platine und Elektronikbauteilen zu verhindern.
Das Lot für Laserstrahlen weist im blauen Spektralbereich und/oder ultravioletten Spektralbereich eine um mindestens 20%, insbesondere mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 40% höhere Absorption des Laserlichts auf als für Laserstrahlen mit längeren Wellenlängen. Dann fällt die Erwärmung von Bauteilen bei Bestrahlung des Lots mit Laserlicht im blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich wesentlich geringer aus als bei Laserlicht mit Wellenlängen von mehr als 500 nm.
Das Lot weist Zinn, Blei, Kupfer und/oder Silber auf. Dies insbesondere im Rahmen der Richtlinie 2011/65/EU (RoHS). Zinn zeichnet sich durch eine besonders hohe Absorption von blauem Laserlicht aus. Dies gilt ebenfalls für Legierungen von Zinn mit Blei, Kupfer und/oder Silber. Das Lot weist insbesondere einen Zinnanteil von mehr als 80%, vorzugsweise mehr als 90% auf.
Der Laserstrahl weist Licht in einem Wellenlängenbereich von 390 nm bis 450 nm auf. Insbesondere steigt die Absorption des Laserlichts durch das Lot, insbesondere Lot, welches Zinn aufweist, im blauen Spektralbereich an, je kleiner die Wellenlänge des Laserlichts ist.
Der Laserstrahl wird durch ein Lichtleiterkabel mit einer Mehrfachclad-Faser gelenkt. Die Mehrfachclad-Faser kann dabei wie in der veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2010 003 750 A1 der Anmelderin ausgebildet sein. Der Inhalt der DE 10 2010 003 750 A1 wird dabei vollumfänglich durch Verweis aufgenommen (incorporated by reference). Die Mehrfachclad-Faser weist insbesondere eine Kernfaser und eine die Kernfaser umgebende Ringfaser auf. Dabei wird insbesondere ein ursprünglicher Laserstrahl mit einem ersten Anteil in die Kernfaser und mit einem zweiten Anteil in die Ringfaser eingekoppelt. Das Lichtleiterkabel mit der Mehrfachclad-Faser führt die Laserleistung überwiegend in der Kernfaser oder in der Ringfaser. Durch die Mehrfachclad-Faser wird ein leicht anpassbares Intensitätsprofil je nach Anforderung des Lötprozesses erzielt. Insbesondere kann eine gaußförmige Intensitätsverteilung (unter anderem zur Verwendung bei Lötprozessen an Lötflächen auf Platinen bzw. Lötpads) oder eine ringförmige Intensitätsverteilung (unter anderem zur Verwendung bei Lötprozessen an Bohrungen in Platinen) gewählt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen
Bei bevorzugten Ausgestaltungen weist der Laserstrahl ein gaußförmiges oder ringförmiges Intensitätsprofil auf. Die ringförmige Intensitätsverteilung wird vorteilhaft verwendet, um Elektronikbauteile in vorgebohrten Platinen zu verlöten, ohne dabei die Bauteile und Platinen unnötig zu erwärmen. Die gaußförmige Intensitätsverteilung findet insbesondere beim Verlöten von Surface-mounted devices (SMD)-Bauteilen Verwendung. Oder beim Verläten von Kontakten an integrierten Schaltungen (ICs).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laserstrahl durch eine Zoomoptik gelenkt. Durch die Zoomoptik kann die Intensitätsverteilung, die insbesondere ringförmig oder gaußförmig ausgebildet ist, an die Lötstellen oder das Lötpad angepasst werden.
Vorteilhaft wird der Laserstrahl durch eine Strahlweiche gelenkt. Durch die Strahlweiche kann insbesondere die Strahlführung und/oder die Intensitätsverteilung des Laserstrahls, insbesondere zwischen einer ringförmigen oder gaußförmigen Intensitätsverteilung, durch Umschalten geändert werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Lötverfahrens ist durch einen weiteren Laserstrahl gekennzeichnet, der, vorzugsweise zeitgleich, mit dem Laserstrahl, und insbesondere parallel zu dem Laserstrahl, auf die zu lötende Oberfläche auftrifft. Zwei parallel geführte Laserstrahlen können insbesondere durch die Belegung von zwei Laserausgängen aus der Laserquelle bewirkt werden. Durch Verwendung zweier Laserstrahlen beim Löten lässt sich insbesondere ein Verkippen der Bauteile („Grabstein-Effekt“) verhindern. Dies betrifft unter anderem die Montage von SMD-Bauteilen, bei denen meist zwei gegenüber liegende Kontakte verlötet werden müssen.
Bevorzugt wird der Laserstrahl durch einen Strahlteiler gelenkt. Durch einen Strahlteiler lassen sich vergleichsweise einfach zwei, insbesondere parallele, Laserstrahlen herstellen. Der Strahlteiler ist insbesondere in einen Laser-Löt-Kopf integriert. Alternativ denkbar ist die Verwendung von zwei synchron eingesetzten Bearbeitungsköpfen.
Vorteilhaft wird der Laserstrahl aus einer Laserdiode, die insbesondere Galliumnitrid aufweist, abgestrahlt. Diodenlaser sind vorteilhaft preisgünstig und energieeffizient. Sie haben eine kleine Bauform und der Laserstrahl kann in Fasern geführt werden. Diodenlaser, die Licht im blauen Spektralbereich abstrahlen, weisen insbesondere Galliumnitrid (InGaN / GaN)-Emitter auf. Diese Emitter emittieren insbesondere Strahlung im Wellenlängenbereich von 390 bis 450 nm.
Eine Lötvorrichtung weist eine Laserstrahlquelle auf, die dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit Licht im blauen oder ultravioletten Wellenlängenbereich abzustrahlen. Durch eine solche Lötvorrichtung lässt sich der Lötvorgang besonders zeitsparend und mit geringer Erwärmung der zu lötenden Bauteile durchführen. Die Lötvorrichtung weist zumindest eine Mehrfachclad-Faser auf und ist zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Die Lötvorrichtung kann dabei zumindest teilweise wie in der veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2010 003 750 A1 der Anmelderin ausgebildet sein. Der Inhalt der DE 10 2010 003 750 A1 wird dabei vollumfänglich durch Verweis aufgenommen (incorporated by reference).
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Durch die höhere Absorption im blauen Spektralbereiche kommt es zu einer geringeren Reflexion des Strahls. Folglich werden umliegende Bauteile nicht durch reflektiere Laserstrahlung beschädigt.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Lötvorrichtung;
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Strahlteilers der Lötvorrichtung;
3 zeigt eine Reflexions- bzw. ein Absporptionsspektrum von Zinn. Quelle: M. Greenstein Optical absorption aspects of laser soldering for high density interconnects, 1 November 1989 / Vol. 28, No. 21 / APPLIED OPTICS;
4 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Lötvorrichtung.

Die in 1 gezeigte Lötvorrichtung 10 zum Verbinden von Elektronikbauteilen 12a, 12b (hier eines Bauteils 12a auf einer Platine 12b) emittiert einen ersten und einen zweiten Laserstrahl 14a, 14b im blauen Spektralbereich oder ultravioletten Spektralbereich zur erhöhten Absorption des Laserlichts durch zum Löten verwendetes Lot 16. Durch Verwendung mehrerer Laserstrahlen 14a, 14b lassen sich mehrere Kontakte 18a, 18b der Elektronikbauteile 12a, 12b gleichzeitig verlöten und so ein Umkippen des jeweiligen Elektronikbauteils 12a, 12b („Grabsteineffekt“) verhindern. Das Lot 16 weist insbesondere Zinn auf. Die Laserstrahlen 14a, 14b werden durch Lichtleiterkabel 20a, 20b von ihrem jeweiligen Ausgang an einer Laserstrahlquelle 21, insbesondere einer Laserdiode mit einem Galliumnitrid-Emitter, zu der jeweiligen Lötstelle 22a, 22b gelenkt. Die Lichtleiterkabel 20a, 20b weisen jeweils eine Mehrfachclad-Faser 24a, 24b auf, um die Intensitätsverteilung der Laserstrahlen 14a, 14b flexibel einstellen zu können. Die Laserstrahlen 14a, 14b werden durch jeweils eine Zoomoptik 26a, 26b auf die jeweilige Lötstelle 22a, 22b fokussiert. Strahlweichen 28a, 28b dienen zum Umschalten zwischen Strahlausrichtungen und Intensitätsprofilen der Laserstrahlen 14a, 14b, insbesondere zum Umschalten zwischen einem gaußförmigen und einem ringförmigen Intensitätsprofil.
In 2 ist, insbesondere als Alternative zur Verwendung zweier Lichtleiterkabel 20a, 20b (siehe 1), ein Strahlteiler 30 dargestellt, durch den ein erster, einfallender Laserstrahl 14^(I) mit Wellenlängen im blauen Spektralbereich in die zwei parallelen Laserstrahl 14a, 14b aufgeteilt wird. Der Strahlteiler 30 weist hierzu insbesondere einen halbdurchlässigen Spiegel 32 auf. Ein weiterer Spiegel 34 sorgt für die parallele Ausrichtung des zweiten Laserstrahls 14b zu dem ersten Laserstrahl 14a. Der erste und zweite Laserstrahl 14a, 14b werden zum Verlöten der Elektronikbauteile 12a, 12b durch die Zoomoptik 26a, 26b auf jeweils eine Lötstelle 22a, 22b fokussiert.
In 3 ist die Reflexionskurve einer Zinnprobe, bezeichnet mit Sn, mit einer matten Oberfläche (gestrichelte Linie) und einer Zinnprobe mit einer glänzenden Oberfläche (durchgezogene Linie) bei Bestrahlung durch Laserlicht dargestellt. Die gestrichelte Kurve gilt für matte Oberflächen, diese treten heute gehäuft aufgrund der ROHS-Richtline und den damit verbunden bleifreien Loten (0,1 % Gewichtsprozent) auf. Die durchgezogene Linie gibt das Absorption- bzw. Reflektionsverhalten von glänzenden Oberflächen wieder.
In beiden Fällen nimmt die Reflexion mit kleinerer Wellenlänge des Laserlichts ab, das heißt die Absorption nimmt zu. Bei Wellenlängen im Bereich von 400 nm ist die Absorption bei einer matten Oberfläche ca. 40% größer als bei Wellenlängen im Bereich von 900 nm. Quelle: M. Greenstein Optical absorption aspects of laser sol-dering for high density interconnects, 1 November 1989 / Vol. 28, No. 21 / AP-PLIED OPTICS
Die in 4 gezeigte Lötvorrichtung 10 emittiert lediglich einen ersten Laserstrahl 14a im blauen Spektralbereich oder ultravioletten Spektralbereich zur erhöhten Absorption des Laserlichts durch zum Löten verwendetes Lot 16. Das Lot 16 weist insbesondere Zinn auf. Der Laserstrahl 14a wird durch ein Lichtleiterkabel 20a von seinem jeweiligen Ausgang an einer Laserstrahlquelle 21, insbesondere einer Laserdiode mit einem Galliumnitrid-Emitter, zur Lötstelle 22a gelenkt. Das Lichtleiterkabel 20a weist eine Mehrfachclad-Faser 24a auf, um die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 14a flexibel einstellen zu können. Der Laserstrahl 14a wird durch eine Zoomoptik 26a auf die Lötstelle 22a fokussiert. Eine Strahlweiche 28a dient zum Umschalten zwischen Strahlausrichtungen und Intensitätsprofilen des Laserstrahls 14a, insbesondere zum Umschalten zwischen einem gaußförmigen und einem ringförmigen Intensitätsprofil.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung ein Lötverfahren zum Verbinden von Elektronikbauteilen 12a, 12b durch Löten, bei welchem ein Lot 16 mit einem Laserstrahl 14a, 14b vorzugsweise mit Licht in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 450 nm geschmolzen wird. Durch Einsatz von Lot mit hohem Zinnanteil wird die Effizienz des Verfahrens gesteigert. Das Verfahren wird mit einem Lichtleiterkabel mit einer Mehrfachclad-Faser durchgeführt. Besonders bevorzugt werden mehrere, zumindest abschnittsweise parallel geführte Laserstrahlen 14a, 14b eingesetzt.
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 102010003750 A1 [0010, 0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zinn. Quelle: M. Greenstein Optical absorption aspects of laser soldering for high density interconnects, 1 November 1989 / Vol. 28, No. 21 / APPLIED OPTICS [0019]
M. Greenstein Optical absorption aspects of laser sol-dering for high density interconnects, 1 November 1989 / Vol. 28, No. 21 [0023]

Claims

Lötverfahren zum Verbinden von Elektronikbauteilen (12a, 12b) durch Löten mit einem Laserstrahl (14a, 14b), wobei ein Lot (16) mit einem Laserstrahl (14a, 14b) geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14a, 14b) Licht im blauen Spektralbereich und/oder ultravioletten Spektralbereich aufweist, wobei das Lot (16) für Laserstrahlen (14a, 14b) im blauen Spektralbereich und/oder ultravioletten Spektralbereich eine um mindestens 20%, insbesondere mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 40% höhere Absorption des Laserlichts aufweist als für Laserstrahlen mit größeren Wellenlängen, wobei das Lot (16) Zinn, Blei, Kupfer und/oder Silber aufweist, wobei der Laserstrahl (14a, 14b) Licht in einem Wellenlängenbereich von 390 nm bis 450 nm aufweist und wobei der Laserstrahl (14a, 14b) durch ein Lichtleiterkabel (20a, 20b) mit einer Mehrfachclad-Faser (24a, 24b) gelenkt wird.
Lötverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14a, 14b) ein gaußförmiges oder ringförmiges Intensitätsprofil aufweist.
Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14a, 14b) durch eine Zoomoptik (26a, 26b) gelenkt wird.
Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14a, 14b) durch eine Strahlweiche (28a, 28b) gelenkt wird.
Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Laserstrahl (14a, 14b), der insbesondere parallel zu dem Laserstrahl (14a, 14b) auf die zu lötende Oberfläche auftrifft.
Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14a, 14b) durch einen Strahlteiler (30) gelenkt wird.
Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (14a, 14b) aus einer Laserdiode, die insbesondere Galliumnitrid aufweist, abgestrahlt wird.
Lötvorrichtung (10) mit einer Laserstrahlquelle (21) zur Durchführung eines Lötverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl (14a, 14b) mit Licht im blauen oder ultravioletten Wellenlängenbereich abzustrahlen.