DE10213112A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen, insbesondere zum Punktlöten auf Dünnschichtprodukten - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen sieht vor, dass zunächst die notwendige Wärmemenge als Ganzes gespeichert wird und anschließend dieses gespeicherte Wärmequant ohne Nachheizen auf die Lötstelle übertragen wird. Dadurch ist ein technisch sehr einfaches Lötverfahren geschaffen, welches insbesondere auch für Reihen- und Mehrfachlötungen geeignet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen, insbesondere zum Punktlöten auf Dünnschichtprodukten nach dem Oberbegriff des (Verfahrens-)Anspruchs 1. - Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des (Vorrichtungs-)Anspruchs 3.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein zum Herstellen von Lötverbindungen geeignet. Ein spezielles Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Lötverfahrens ist das Punktlöten auf Dünnschichtschaltungen.
• Die Dünnschichttechnologie findet heute n der Elektronik eine breite Anwendung, sei es im Bereich der Mikroelektronik, der Sensorik oder bei der Herstellung von Solarenergieprodukten. Die leitende Schicht ist dabei eine aufgedampfte oder gesputterte Metallschicht, die oft nur Bruchteile eines µm stark ist. Der Trägerwerkstoff, das Substrat, ist ein nichtleitendes Material wie beispielsweise Keramik, Glas oder Silizium.
• Jede Dünnschichtschaltung benötigt üblicherweise Anschlüsse nach außen, teils zur Energiezuleitung bzw. Energieableitung oder für den Informationstransfer. Die Kontaktierung der Anschlusselemente soll oft durch eine Lötverbindung erfolgen. Dazu sind aber einige Voraussetzungen notwendig. So muss die Metallschicht lötbar sein. Außerdem muss auf einem der Verbindungspartner ein Lotdepot angelegt sein. Schließlich muss das Lotdepot mit einem Flussmittel versehen sein.
• Hinsichtlich der Lötbarkeit der Metallschicht hat sich als gut lötbar eine reine Nickelschicht (Softnickel) erwiesen. Obwohl Nickel keine intermetallische Zone mit Zinn oder Blei bildet, sind die Adhäsionskräfte der Lötung so groß, dass die Haltekraft der Lötung größer ist als die Haftung der Metallschicht auf Glas. Dies haben Versuche an Solarzellen ergeben. Als weitere, zum Löten geeignete Schichten kommen Silber und auch Kupfer in Frage. Jedoch ist bei diesen die schnell einsetzende Oberflächenoxidation ein häufiges Problem. Gold ist grundsätzlich nicht geeignet, weil es sofort mit dem flüssigen Lot in Lösung geht. Befindet sich (was häufig der Fall ist) eine Nickelträgerschicht unter dem Gold, so erfolgt die Lötung auf diesem Werkstoff.
• Das Lotdepot kann in Form vorverzinnter oder besser im Tauchverfahren vorbeloteter Anschlussteile realisiert werden. Die Schichtstärke sollte wenigstens 10 µm betragen. Auch verzinnte oder feuerverzinnte Teile eignen sich für die Lötung besser als galvanisch bearbeitete Teile. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Pastenlot, das in entsprechend feiner Dosierung vor dem Fügen der Teile aufgebracht wird. Pastenlot neigt aber verstärkt zu Spritzern und damit zur Kontaminierung der unmittelbaren Umgebung der Lötstelle.
• Vorbelotete Teile können durch Befluxen mit dem erforderlichen Flussmittelanteil versehen werden, der dann in fester Form auf den Teilen deponiert ist und bei der Zuführung der Lötwärme aktiviert und innerhalb des Temperaturverlaufs auch zum größten Teil abgebaut wird. Bei Verwendung von Pastenlot ist das Flussmittel als Rezepturbestandteil in der Paste vorhanden.
• Die Lötverbindung erfolgt in der Regel dadurch, dass ein temperaturgesteuerter Wärmeträger mit begrenztem Druck auf die Verbindungsstelle aufgesetzt wird. Dabei überträgt er die Lötwärme und bewirkt das Schmelzen des Lotdepots. Damit die Lötverbindung sich nicht öffnet, darf der Wärmeträger erst abgehoben werden, wenn das Lot erstarrt, wenn also der Soliduspunkt unterschritten ist. Die Lötstelle muss damit einem bestimmten Temperaturverlauf folgen, der durch eine Temperaturkurve über der Zeitachse gekennzeichnet ist. Beide Parameter, nämlich Temperatur und Zeit, kennzeichnen eine ganz bestimmte Wärmemenge in Abhängigkeit von der erwärmten Masse der Lötstelle. Da die Masseverhältnisse bei Serienlötstellen aber als Konstante vorausgesetzt werden können, ist die benötigte Wärmemenge immer gleich.
• Punktlötungen auf Dünnschichtprodukten sind dadurch gekennzeichnet, dass die benötige Wärmemenge sehr gering ist. Die abfließende Wärme, also jener Wärmeanteil, welcher von der Lötstelle in die Verbindungsteile abfließt, ist verhältnismäßig sehr gering, weil aufgrund der minimalen Dimensionen die Masse klein ist. Das Substrat ist ein schlechter Wärmeleiter, dessen Wärmeleitzahl meist 300 bis 400 mal kleiner ist als die der Metalle. Dies bedeutet, dass die zugeführte Wärme zu einem hohen Prozentsatz dem eigentlichen Lötprozess zukommt.
• Somit muss das für die Punktlötung auf Dünnschichtprodukte anzuwendende Verfahren mit einer quantifizierbaren, d. h. mit einer auf die geometrischen Dimensionen zugeschnittenen Wärmemenge arbeiten, damit innerhalb einer minimierten Zykluszeit eine technisch sowie optisch einwandfreie Lötverbindung entsteht. Ein zu großes Wärmevolumen verlängert die Zykluszeit unverhältnismäßig lang, weil die Wärmeableitung gering ist und eine zu kleine Wärmemenge eine metallurgisch schlechte oder sogar keine Lötverbindung verursacht.
• Grundsätzlich müssen zwei wesentliche Verfahrensmerkmale erfüllt werden, nämlich die Übertragung eines jeweils gleichmäßigen Temperaturimpulses und ein bestimmter, immer gleicher Anpressdruck des Wärmeträgers gegen die Lötstelle. Vordergründig kommt deshalb das sogenannte Thermokompressionsverfahren in Betracht, bei dem eine auf 100 bis 150°C vorgeheizte Thermode unter Verwendung einer Schutzfolie auf die Verbindungsstelle aufgesetzt und nun von einem exakt geregelten HF-Stromimpuls durchflossen wird. Dadurch heizt sich die Thermode auf die notwendige Temperatur auf und überträgt damit eine bestimmte Wärmemenge unter einem vorgewählten Anpressdruck auf die Lötstelle. Die Impulssteuerung (in Verbindung mit einem Temperatursensor an der Thermode) begrenzt und steuert die eingespeiste HF-Energie und damit die Wärmemenge. Der lötphysikalische Ablauf ist damit unter exakter Kontrolle. Die Thermode wird zurückgestellt, wenn der Soliduspunkt sicher unterschritten ist. Eine komfortable, grafisch unterstützte Impulsdateneingabe und -anzeige erlaubt eine feinfühlige Anpassung der Parameter.
• Dieses vorbeschriebene Verfahren ist technisch sehr aufwendig und aufgrund seiner auch für Reihen- und Mehrfachlötungen ausgelegten Leistungen mit relativ hohen Investitionskosten verbunden.
• Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen, insbesondere für Reihen- und Mehrfachlötungen zu schaffen; außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.
• Die technische Lösung ist verfahrensmäßig gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.
• Dadurch ist ein einfaches und insbesondere auch für Reihen- und Mehrfachlötungen ausgelegtes Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen geschaffen, bei dem sich die Investitionskosten im vertretbaren Rahmen halten. Das Grundprinzip besteht dabei darin, nicht mehr wie bisher durch dauerndes Heizen eine bestimmte, vorgegebene Wärmemenge auf die Lötstelle zu übertragen, sondern in einem ersten Schritt die benötigte Wärmemenge als sogenanntes Wärmequant zu speichern, anschließend den Heizvorgang abzuschließen und dann den gespeicherten Wärmequant ohne Nachheizen auf die Lötstelle zu übertragen. Wird das Wärmequantum auf einen Körper niedriger Temperatur, in unserem Fall auf die Lötstelle durch Wärmeleitung übertragen, so entsteht in dieser Lötstelle ein Temperatur- bzw. Wärmeverlauf mit definiertem Profil. Dieser thermodynamische Vorgang kann in der Punktlöttechnik mit einem speziell dafür gestalteten Lötwerkzeug für Präzisionslötungen erfindungsgemäß genutzt werden. Die Größe des Wärmequants ist an die jeweiligen Lötstellenverhältnisse angepasst. Je größer der Bedarf an Lötwärme ist, desto größer ist das zu Verfügung zu stellende Wärmequantum. Die gespeicherte Wärme fließt als Thermoquant in die Lötstelle, welche damit dann den erforderlichen Temperaturzyklus durchläuft. Die Wärmeleitung ist durch das auf den Anschlussteilen vorhandene Lot, welches bei der Wärmeübertragung sofort schmilzt, als ebenfalls konstant zu betrachten. Es findet eine Temperaturangleichung auf einem niedrigeren Niveau als die Vorwähltemperatur statt. Der Temperaturverlauf in der Lötstelle wird somit ausschließlich von dem gespeicherten Wärmequant bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit die besten Voraussetzungen für eine prozesssichere Punktlötautomation im Bereich von Dünnschichtprodukten.
• Mit der Weiterbildung gemäß Anspruch 2 sind ohne großen technischen Aufwand Reihen- und Mehrfachlötungen möglich. Das Grundkonzept besteht darin, zwischen den einzelnen Lötungen ein neues Wärmequant zu "erzeugen" und mit hoher Präzision auf diesem Niveau zu halten. Dies kann dann erfolgen, wenn der Soliduspunkt des Lotes unterschritten worden ist und das zugehörige Lötwerkzeug von der erstarrten Lötstelle zurückgestellt werden kann, um dann unmittelbar anschließend mit dem Speichern eines neuen Wärmequants zu beginnen.
• Die technische Lösung ist vorrichtungsmäßig durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 3 gekennzeichnet.
• Das Grundprinzip besteht darin, dass ein geometrisch definierter Körper aus einem bestimmten Werkstoff bei einer definierten Temperatur eine physikalisch bestimmte Wärmemenge besitzt, nämlich das zuvor bereits erwähnte Wärmequantum. Wird dieses Wärmequantum durch innige Berührung des Körpers mit der Lötstelle niedriger Temperatur durch Wärmeleitung übertragen, so entsteht in dieser Lötstelle ein Temperaturverlauf bzw. Wärmeverlauf mit definiertem Profil. Dieser thermodynamische Vorgang kann - wie zuvor bereits beschrieben - in der Punktlöttechnik mit einem speziell dafür gestalteten Lötwerkzeug für Präzisionslötungen genutzt werden. Bestandteil der Lötvorrichtung ist ein massearmer Wärmeträger beispielsweise in Form eines Lötkolbens, dessen Metallspitze mit hoher Genauigkeit auf eine Vorwähltemperatur eingeregelt wird. Eine Temperaturschwankung von < 1% vom Sollwert garantiert eine hohe thermische Präzision. Die Metallspitze des Wärmeträgers trägt ein Kopfelement beispielsweise in Form einer aufgesetzten Kappe. Dieses Kopfelement ist ein variabel zu gestaltendes Teil aus einem hochlegierten, lotabweisenden und hochwärmebeständigen Werkstoff. Das Kopfelement besitzt aufgrund seiner geometrischen Form zusammen mit der Metallspitze des Wärmeträgers bei einer konstant gehaltenen Temperatur ein ganz bestimmtes Wärmevolumen, welches an die jeweiligen Lötstellenverhältnisse angepasst ist. Die Masse des Kopfelements wird größer gewählt, je größer der Bedarf an Lötwärme ist. Zwischen den einzelnen Lötungen wird das Kopfelement auf die Vorwähltemperatur hochgeheizt und mit hoher Präzision auf diesem Niveau gehalten. Zur Lötung wird das Lötwerkzeug federnd mit definiertem Druck auf die Verbindungsteile aufgesetzt. In dieser Zyklusphase erfolgt keine Nachheizung. Die im Kopfelement gespeicherte Wärme fließt als Thermoquant in die Lötstelle, die damit den erforderlichen Temperaturzyklus durchläuft. Die Wärmeleitung ist durch das auf den Anschlussteilen vorhandene Lot, welches bei Berührung sofort schmilzt, ebenfalls als konstant zu betrachten. Zwischen dem Kopfelement und der Lötstelle findet eine Temperaturangleichung auf einem niedrigeren Niveau als der Vorwähltemperatur statt. Das bedeutet, dass der Soliduspunkt des Lotes unterschritten wird und das Lötwerkzeug von der erstarrten Lötstelle zurückgestellt werden kann. Unmittelbar nach dem Abheben erfolgt die Wiederaufheizung des Kopfelements. Der Temperaturverlauf in der Lötstelle wird somit ausschließlich von der konstanten Vorwähltemperatur und der Masse des Kopfelements mit integrierter Metallspitze des Wärmeträgers bestimmt. Dieses Verfahren mit beschriebenem Vorwerkzeug bietet somit die besten Voraussetzungen für eine prozesssichere Punktlötautomation im Bereich von Dünnschichtprodukten.
• Der Vorteil der Weiterbildung gemäß Anspruch 4 besteht darin, dass eine einfache Anpassung der Lötmaschine an unterschiedliche Lötstellen möglich ist. Wird beispielsweise mehr Wärme für den Lötvorgang benötigt, kann ein größeres Kopfelement vorgesehen werden.
• Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 5 kann im Kopfelement ein Miniatur-Temperaturfühler integriert sein, welcher sowohl eine grafische Darstellung des Temperaturverlaufes erlaubt als auch den genauen Zeitpunkt für das Unterscheiden des Soliduspunktes und damit die Rückstellung des Lötwerkzeuges indiziert.
• Die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 ermöglicht, dass zur Lötung das Lötwerkzeug federnd mit definiertem, begrenztem Anpressdruck auf die Lötstelle aufgesetzt werden kann.
• Die Reinigungsvorrichtung der Weiterbildung gemäß Anspruch 7 schließlich hat den Vorteil, dass mit einer nach einer wählbaren Anzahl von Lötungen das Kopfelement von eventuell anhaftenden Lot- oder Flussmittelrückständen befreit werden kann.
• Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, welche eine schematische perspektivische Ansicht der Lötvorrichtung zeigt.
• Die Lötvorrichtung weist einen pneumatischen Schlitten 1 auf, welcher einen Wärmeträger 2 in Form eines Lötkolbens trägt. Zwischen dem pneumatischen Schlitten 1 und dem Wärmeträger 2 ist eine Druckfeder 3 abgestützt. Das untere Ende des Wärmeträgers 2 trägt ein Kopfelement 4 mit großer Masse. Diese Kopfelement 4 kann auch eine andere Form und/oder eine andere Grösse besitzen. An dem Kopfelement 4 ist ein Temperatursensor 5 angeordnet.
• Unterhalb der Lötvorrichtung ist noch ein Werkstück 6 angedeutet, an welchem eine Lötverbindung erstellt werden soll.
• Die Funktionsweise ist wie folgt:
  In einem ersten Verfahrensschritt wird über den Wärmeträger 2 das Kopfelement 4 auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt. Das Kopfelement 4 beinhaltet dadurch eine ganz bestimmte Wärmemenge, ein sogenanntes Wärmequant.
• Anschließend wird das Kopfelement 4 nicht mehr weiter aufgeheizt. Es wird zusammen mit dem Wärmeträger 2 nach unten auf das Werkstück 6 verfahren, wo es in Kontakt mit der Lötstelle gelangt. Durch die Berührung des Kopfelements 4 mit der Lötstelle wird die gespeicherte Wärmemenge auf die Lötstelle übertragen, wobei in der Lötstelle ein Temperatur- bzw. Wärmeverlauf mit definiertem Profil entsteht. Es findet eine Temperaturangleichung auf einem niedrigeren Niveau als der Vorwähltemperatur statt. Dies bedeutet, dass der Soliduspunkt des Lotes unterschritten wird. Dies kann mittels des Temperatursensors 5 ermittelt werden. Anschließend wird das Lötwerkzeug mit dem Kopfelement 4 von der erstarrten Lötstelle zurückgestellt. Unmittelbar nach dem Abheben erfolgt die Wiederaufheizung des Kopfelements 4 für einen nachfolgenden neuen Lötzyklus. Bezugszeichenliste 1 pneumatischer Schlitten
  2 Wärmeträger
  3 Druckfeder
  4 Kopfelement
  5 Temperatursensor
  6 Werkstück
  

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen, insbesondere zum Punktlöten auf Dünnschichtprodukten, bei dem eine bestimmte, vorgegebene Wärmemenge auf die Lötstelle berührend übertragen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass zunächst die vorgegebene Wärmemenge als Ganzes gespeichert wird und
dass anschliessend dieses gespeicherte Wärmequant ohne Nachheizen auf die Lötstelle übertragen wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatur des Speichermediums für das Wärmequant oder die Temperatur der Lötstelle gemessen wird und
dass nach Unterschreiten des Soliduspunktes des Lotes die weitere Wärmeübertragung abgebrochen und für einen nächsten Lötzyklus erneut ein Wärmequant gespeichert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche,
mit einem Wärmeträger (2),
welcher mit einer vorgegebenen Anpresskraft auf die Lötstelle aufpressbar ist und
welcher mittels einer Steuereinrichtung elektrisch heizbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das vordere Ende des Wärmeträgers (2) ein Kopfelement (4) zur Speicherung des Wärmequants aufweist und
dass mittels der Steuereinrichtung das Kopfelement (4) mit dem Wärmequant beaufschlagbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfelement (4) auswechselbar am Wärmeträger (2) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfelement (4) einen Temperatursensor (5) trägt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeträger (2) eine Feder, insbesondere eine Druckfeder (3) zur Erzeugung der Anpresskraft zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kopfelement (4) eine Reinigungseinrichtung zugeordnet ist.