DE10255088B4

DE10255088B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen

Info

Publication number: DE10255088B4
Application number: DE10255088A
Authority: DE
Inventors: Hermann Scheithauer; Albert Hirt; Peter Nommensen; Klaus-Peter Stolberg; Mani Dr. Alavi
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2022-11-23
Also published as: DE10255088A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen, bei dem Kontaktstellen an zu verbindenden Fügepartnern mittels Laserstrahlung erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2, 19) durch Strahlformung räumlich strahlbegrenzt und mit einem zeitlich steuerbaren Intensitätsverlauf gleichzeitig auf mehrere Paare der zu verbindenden Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) gerichtet wird, die auf geneigt zueinander angeordneten Substraten (7, 8, 16, 17) paarweise einander zugewandt aufgebracht sind, und dass ausgewählte, umliegend zu den Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) befindliche Gebiete auf den Substraten (7, 8, 16, 17) von der Laserstrahlung (2, 19) abgeschattet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen, bei dem Kontaktstellen an zu verbindenden Fügepartnern mittels Laserstrahlung erhitzt werden, sowie auf eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen von Lötverbindungen mit einer Laserstrahlungsquelle, deren Laserstrahlung zum Erhitzen des Lotes auf Kontaktstellen von miteinander zu verbindenden Fügepartnern dient.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine mit den Verfahren hergestellte Fügeanordnung.

In der Elektronik und Baugruppentechnik sind bereits eine Vielzahl von Verfahren, so z. B. aus der DE 100 64 487 A1 bekannt, mit denen stabile mechanisch/elektrische Lötverbindungen im Weichlötverfahren hergestellt werden können, indem z. B. gemäß der DE 39 03 860 A1 nacheinander jede Kontaktstelle und das darauf aufgebrachte Lot mit Hilfe eines Laserstrahls bis zum Schmelzen erhitzt wird.

Die für diese Lötverfahren zur Verfügung stehenden kommerziellen Vorrichtungen sind dabei auf die Bearbeitung planarer Fügeanordnungen ausgerichtet, bei der IC-Gehäuse, SMD-Komponenten oder ähnliche Bauelemente auf Anschlussflächen einer PCB-Leiterplatte aufgebracht werden.

Sofern die Aufgabe gestellt ist, Lötverbindungen zwischen Kontaktstellen auf Fügepartnern herzustellen, die durch ihre Konfiguration eine dreidimensionale Fügeanordnung bilden, können die bekannten Vorrichtungen nur in begrenztem Maße zufriedenstellende Ergebnisse liefern.

Ferner ist es für den beim Lötvorgang erforderlichen Benetzungsprozess unabdingbar, die auf den Kontaktflächen vorhandenen Oxidschichten zu entfernen. Dazu wird in der Regel ein auf chemischen Reaktionen beruhendes Flussmittel eingesetzt, das bei einer automatisierten Fertigung üblicherweise mit einem Dispenser aufgetragen wird.

Von Nachteil hieran ist einerseits der Aufwand für den Dispenser, andererseits müssen die Flussmittelreste – insbesondere bei hochwertigen Produkten – nach dem Lötprozess durch entsprechende Reinigungsverfahren entfernt werden. Außerdem enthalten die Flussmittel chemische Schadstoffe, die die Einhaltung vorgegebener Sicherheitsvorschriften während des Fertigungsprozesses erforderlich machen.

Auch die bekannten flussmittelfrei arbeitenden Lösungen sind durch ihren Aufwand kostenintensiv und deshalb von Nachteil.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein dem Laserlöten dienendes Verfahren und eine dafür zu verwendende Vorrichtung bezüglich der Anordnung der Fügepartner in einem erweiterten Umfang einsetzbar zu gestalten und ein flussmittelfreies Arbeiten mit verringertem Aufwand zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Laserstrahlung durch Strahlformung räumlich strahlbegrenzt und mit einem zeitlich steuerbaren Intensitätsverlauf gleichzeitig auf mehrere Paare der zu verbindenden Kontaktstellen gerichtet wird, die auf geneigt zueinander angeordneten Substraten paarweise einander zugewandt aufgebracht sind, und dass ausgewählte, umliegend zu den Kontaktstellen befindliche Gebiete auf den Substraten von der Laserstrahlung abgeschattet werden.

In bevorzugten Ausgestaltungsvarianten der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktstellen durch die räumlich strahlbegrenzte Laserstrahlung entweder mit einer randscharfen Abgrenzung oder einer unscharfen Randbegrenzung zu den abgeschatteten Gebieten bestrahlt werden.

Der zeitlich steuerbare Intensitätsverlauf der Laserstrahlung weist zur Regelung der Kontaktstellentemperatur von einer Anfangsintensität beginnend, einen kurzzeitigen kontrollierten Intensitätsanstieg und eine sich anschließende Plateauphase auf, nach der die Laserstrahlung unterbrochen wird.

Das bevorzugt für Lötanordnungen mit gewinkeltem Aufbau anwendbare erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich infolge der Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung an die dreidimensionale Geometrie der Fügeanordnung durch eine minimierte Substratbeeinträchtigung außerhalb der Kontaktstellen aus, so dass Verformungen, Verbrennungen oder Ablösevorgänge vorteilhaft vermieden werden können. Auf einer mit dem Verfahren verbundenen Kosteneinsparung resultiert eine Reduzierung der Herstellungskosten der Bauteile und aus der Rationalisierung des Fertigungsprozesses eine Erhöhung der Produktionsrate.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, mit der Lötverbindungen ohne Flussmittel ermöglicht werden, sieht vor, dass durch den kurzzeitigen kontrollierten Intensitätsanstieg eine auf den Kontaktstellen der Fügepartner befindliche Oxidschicht entfernt wird.

Die obenstehende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum flussmittelfreien Herstellen von Lötverbindungen gelöst, bei dem Kontaktstellen an zu verbindenden Fügepartnern mittels Laserstrahlung erhitzt werden, indem die Laserstrahlung durch Strahlformung räumlich strahlbegrenzt und mit einem zeitlich steuerbaren Intensitätsverlauf gleichzeitig auf mehrere Paare der zu verbindenden Kontaktstellen gerichtet und durch einen kurzzeitigen Intensitätsanstieg eine auf den Kontaktstellen befindliche Oxidschicht entfernt wird.

Sind die zu verbindenden Kontaktstellen auch bei diesem Verfahren auf geneigt zueinander angeordneten Substraten einander zugewandt aufgebracht, führt die Anwendung beider erfindungsgemäßer Verfahren zu einem Gegenstand der Erfindung in Form einer lasergelöteten Fügeanordnung mit geneigt zueinander angeordneten Substraten und darauf paarweise einander zugewandt aufgebrachten Kontaktstellen, bei denen durch das Laserlöten simultan Verbindungen bei mehreren Paaren von Kontaktstellen hergestellt sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Substrate senkrecht zueinander angeordnet und können hybride Kunststoff-Metallsysteme auf der Basis von flexiblen Baugruppenträgern für darauf aufgebrachte Leiterbahnen sein.

Gegenstand der Erfindung zur Lösung der gestellten Aufgabe ist weiterhin eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen von Lötverbindungen mit einer Laserstrahlungsquelle, deren Laserstrahlung zum Erhitzen des Lotes auf Kontaktstellen von miteinander zu verbindenden Fügepartnern dient. Die Vorrichtung enthält, im Strahlengang der Laserstrahlung angeordnet, eine Strahlblende zur örtlichen Strahlbegrenzung der Laserstrahlung von unterschiedlichem Schärfegrad, und es ist eine Anordnung von Temperaturmesssensoren mit einer Verbindung zu der Laserstrahlungsquelle über eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen, die zur Einstellung der Kontaktstellentemperatur einen zeitlich steuerbaren Intensitätsverlauf der örtlich strahlbegrenzten Laserstrahlung bereitstellt.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Strahlblende mindestens einen strahlungsdurchlässigen Bereich aufweisen, dessen Randbereich die Laserstrahlung scharf begrenzt.

Eine derartig ausgebildete Strahlblende kann so angeordnet sein, dass um die Kontaktstellen entweder ein Abbild mit randscharfer oder mit unscharfer örtlicher Strahlbegrenzung resultiert.

Alternativ zur vorgenannten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Strahlblende mindestens einen strahlungsdurchlässigen Bereich aufweist, dessen Strahlungsdurchlässigkeit im Randbereich verlaufend bis zu einer Strahlungsundurchlässigkeit abnimmt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 einen gemäß der Erfindung aufgebauten Laserlötkopf
2 eine Draufsicht auf eine Strahlgeometrie an den Kontaktstellen bei Verwendung einer kreisförmigen Strahlblende
3 eine Draufsicht auf eine Strahlgeometrie an den Kontaktstellen bei Verwendung einer elliptischen Strahlblende
4 eine Draufsicht auf eine Strahlgeometrie an den Kontaktstellen bei Verwendung einer rechteckigen Strahlblende
5 eine Draufsicht auf eine Strahlgeometrie an den Kontaktstellen bei Verwendung einer mehrfach strukturierten Strahlblende
6 einen zeitlich gesteuerten Intensitätsverlauf zum Herstellen von Lötverbindungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
7 einen Schnitt durch Fügeanordnung mit Kontaktstellen, die auf geneigt zueinander angeordneten Substraten einander zugewandt sind
Der in 1 dargestellte Laserlötkopf umfasst als Strahlquelle einen Laser 1, der vorzugsweise als Halbleiterlaser ausgebildet ist und dessen ausgesendete Laserstrahlung 2 mit Hilfe einer Linsenoptik 3 auf einen gewinkelten Aufbau in einem Arbeitsbereich 4 gerichtet ist. In dem Arbeitsbereich 4 sind miteinander durch Laserlöten zu verbindende Kontaktstellen 5 und 6 angeordnet, die auf geneigt zueinander angeordneten Substraten 7 und 8 einander zugewandt aufgebracht sind.
Es versteht sich, dass neben dem hier in der Schnittdarstellung dargestellten einem Paar der zu verbindenden Kontaktstellen 5 und 6, eine Vielzahl solcher zu kontaktierender Stellen vorhanden sein wird. Wesentlich ist, dass die Laserstrahlung 4 gleichzeitig auf mehrere Paare von zu verbindenden Kontaktstellen gerichtet wird und der Lötprozess somit simultan erfolgt.
Als Fügepartner kommen z. B. Flexkabel in einer dreidimensionalen Kabelanordnung in Frage, bei der Leitungsbahnen des einen Flexkabels mit solchen des anderen Flexkabels zu verbinden sind.
In den Strahlengang der Laserstrahlung 2 ist eine Strahlblende 9 zur Strahlformung gestellt, durch die ausgewählte, umliegend zu den Kontaktstellen 5 und 6 befindliche Gebiete auf den Substraten 7 und 8 vor der Laserstrahlung 2 zur Minimierung der Beschädigung der Fügepartner abgeschattet sind.
Eine in einem gemeinsamen Gehäuse 10 mit der Linsenoptik 3 und der Strahlblende 9 untergebrachte Anordnung von Temperaturmesssensoren 11 ist zur Ermittlung der Kontaktstellentemperatur auf die in dem Arbeitsbereich 4 befindlichen Kontaktstellen 5 und 6 gerichtet und gibt die gemessenen Daten an eine Steuer- und Regeleinrichtung 12, die mit dem Steuereingang des Lasers 1 verbunden ist.
Für den Messkopf besonders geeignet ist eine Temperaturmessanordnung gemäß der DE 100 35 343 C2 .
In welcher Art und Weise gemäß der Erfindung eine Abschattung ausgewählter Gebiete erfolgen kann, ist den 2 bis 5 zu entnehmen. Die zu diesem Zweck verwendeten auswechselbaren Strahlblenden 9 können unterschiedlich ausgebildete strahlungsdurchlässige Bereiche aufweisen, so dass kreisförmige, elliptische, rechteckige oder in sich strukturierte Strahlgeometrien 13 um die zu verbindenden und sich in den Draufsichten als gegenüberliegende Reihen darstellenden Kontaktstellen 14, und 15 erzeugt werden. Der Übersicht halber sind in 5 jeweils nur eine Kontaktstelle und eine Strahlgeometrie in den gegenüberliegende Reihen bezeichnet. Die erforderlichen Blendengeometrien umfassen somit loch- oder schlitzförmige strahlungsdurchlässige Bereiche oder diese Bereiche sind mehrfach strukturiert. In jedem Fall wird die Form der Strahlblende 9 entsprechend den Abbildungsverhältnissen der Linsenoptik 3 und der Lötgeometrie angepasst.
Toleranzen im Lötprozess bezüglich Schwankungen der Strahleigenschaften und der Lötpadpräparation auf den Kontaktstellen kann man dadurch erreichen, dass die Fügepartner bzw. die Kontaktstellen außerhalb der Abbildungsebene der Linsenoptik 3 angeordnet werden, was aufgrund einer geeignet vorhandenen Topologie der Fügepartner bzw. durch eine unscharfe Abbildung der Strahlblende 9 erreicht werden kann. Aus den gleichen Gründen können auch die strahlungsdurchlässigen Bereiche der Strahlblende 9 eine unscharfe Randbegrenzung aufweisen.
Neben der räumlichen Begrenzung der Laserstrahlung 4 ist zur Vermeidung einer Substratbeschädigung infolge des Lötprozesses eine Regelung der Kontaktstellentemperatur durch eine zeitliche Änderung der Strahlungsintensität von wesentlicher Bedeutung.
Gemäß 6 hält ein mit Hilfe der Steuer- und Regeleinrichtung 12 zeitlich steuerbarer Intensitätsverlauf die Löttemperatur und die Lötzeit unterhalb einer Verformungs- und Verbrennungsschwelle des Substrates aber oberhalb einer Grenze, die für die Aufschmelzung des Lotes erforderlich ist.
Der an die Spezifik einer Fügeanordnung bzw. einer Lötapplikation anpassbare, zeitlich steuerbare Intensitätsverlauf ist selbstverständlich nicht auf den in 6 dargestellten Temperatur-Zeit-Verlauf beschränkt, weist aber hier, ausgehend von einer Anfangsintensität, einen kurzzeitigen linearen Intensitätsanstieg auf und realisiert mit der erforderlichen Löttemperatur und Lötzeit den Lötvorgang.
Zuvor jedoch gewährleistet die in dem erfindungsgemäßen Laserlötkopf zum Einsatz kommende Steuer- und Regeleinrichtung 12 in Verbindung mit der Anordnung von Temperaturmesssensoren 11 ferner in besonders vorteilhafter Weise eine Zerstörung und Beseitigung der auf dem Lot befindlichen Oxidschicht, ohne dass dazu ein Flussmittel verwendet werden muss. Das wird durch den kurzzeitigen Intensitätsanstieg erreicht, durch den eine Erhöhung der Kontaktstellentemperatur bis auf einige hundert °C resultiert, so dass die Oxidschicht verdampft wird.
Weitere vorteilhafte Temperatur-Zeit-Verläufe können z. B. auch einen treppenförmigen Anstieg aufweisen. Es kann im Bedarfsfall eine vorteilhafte Erwärmungszeit bei Prozessbeginn vorgesehen sein oder der kurzzeitige Intensitätsanstieg ist zwischenzeitlich unterbrochen.
Bei der in 7 schematisch dargestellten Fügeanordnung sind zwei durch Laserlöten miteinander zu verbindende Substrate 16 und 17 geneigt zueinander angeordnet, wobei deren Neigung zueinander selbstverständlich nicht auf die im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehene Winkelstellung von 90° beschränkt ist. Ein durch eine Strahlblende 18 räumlich strahlbegrenzter Laserstrahl 19 ist gleichzeitig auf zwei hier im Schnitt sichtbare Kontaktstellen 20 und 21 gerichtet, so dass zwischen beiden eine Lötverbindung 22 hergestellt wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Lötverbindungen, bei dem Kontaktstellen an zu verbindenden Fügepartnern mittels Laserstrahlung erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2, 19) durch Strahlformung räumlich strahlbegrenzt und mit einem zeitlich steuerbaren Intensitätsverlauf gleichzeitig auf mehrere Paare der zu verbindenden Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) gerichtet wird, die auf geneigt zueinander angeordneten Substraten (7, 8, 16, 17) paarweise einander zugewandt aufgebracht sind, und dass ausgewählte, umliegend zu den Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) befindliche Gebiete auf den Substraten (7, 8, 16, 17) von der Laserstrahlung (2, 19) abgeschattet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) durch die räumlich strahlbegrenzte Laserstrahlung (2, 19) mit einer randscharfen Abgrenzung zu den abgeschatteten Gebieten bestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) durch die räumlich strahlbegrenzte Laserstrahlung (2, 19) mit einer unscharfen Randbegrenzung zu den abgeschatteten Gebieten bestrahlt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitlich steuerbare Intensitätsverlauf der Laserstrahlung (2, 19) zur Regelung der Kontaktstellentemperatur von einer Anfangsintensität beginnend, einen kurzzeitigen kontrollierten Intensitätsanstieg und eine sich anschließende Plateauphase aufweist, nach der die Laserstrahlung (2, 19) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den kurzzeitigen kontrollierten Intensitätsanstieg eine auf den Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) befindliche Oxidschicht entfernt wird.
Verfahren zum flussmittelfreien Herstellen von Lötverbindungen, bei dem Kontaktstellen an zu verbindenden Fügepartnern mittels Laserstrahlung erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2, 19) durch Strahlformung räumlich strahlbegrenzt und mit einem zeitlich steuerbaren Intensitätsverlauf gleichzeitig auf mehrere Paare der zu verbindenden Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) gerichtet und durch einen kurzzeitigen Intensitätsanstieg eine auf den Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) befindliche Oxidschicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) auf geneigt zueinander angeordneten Substraten (7, 8, 16, 17) einander zugewandt aufgebracht sind.
Lasergelötete Fügeanordnung mit geneigt zueinander angeordneten Substraten (7, 8, 16, 17) und darauf paarweise einander zugewandt aufgebrachten Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21), bei denen durch das Laserlöten simultan Verbindungen bei mehreren Paaren von Kontaktstellen (5, 6, 14, 15, 20, 21) hergestellt sind.
Fügeanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (7, 8, 16, 17) senkrecht zueinander angeordnet sind.
Fügeanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (7, 8, 16, 17) als flexible Baugruppenträger für darauf aufgebrachte Leiterbahnen ausgebildet sind.
Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen von Lötverbindungen mit einer Laserstrahlungsquelle, deren Laserstrahlung zum Erhitzen des Lotes auf Kontaktstellen von miteinander zu verbindenden Fügepartnern dient, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Laserstrahlung (2, 19) eine Strahlblende (9, 18) zur örtlichen Strahlbegrenzung der Laserstrahlung (2, 19) von unterschiedlichem Schärfegrad angeordnet ist, und dass eine Anordnung von Temperaturmesssensoren (11) mit einer Verbindung zu der Laserstrahlungsquelle (1) über eine Steuer- und Regeleinrichtung (12) vorgesehen ist, die zur Einstellung der Kontaktstellentemperatur einen zeitlich steuerbaren Intensitätsverlauf der örtlich strahlbegrenzten Laserstrahlung (2, 19) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlblende (9, 18) mindestens einen strahlungsdurchlässigen Bereich aufweist, dessen Randbereich die Laserstrahlung (2, 19) scharf begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Strahlblende (9, 18), aus der ein Abbild mit unscharfer örtlicher Strahlbegrenzung resultiert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlblende (9, 18) mindestens einen strahlungsdurchlässigen Bereich aufweist, dessen Strahlungsdurchlässigkeit im Randbereich verlaufend bis zu einer Strahlungsundurchlässigkeit abnimmt.