DE19506763A1 - Verfahren zum Löten bestückter Leiterplatten und dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten bestückter Leiterplatten und dergleichen, bei dem die Leiterplatten oder sonstigen Bauteile in eine gegen die Umgebung gasdicht abgeschlossene Kammer eingebracht und aus dieser später wieder hinausbefördert werden, wobei in der Kammer eine Erwärmung, die Verlötung und eine Abkühlung der Leiterplatten zumindest bis zur Lotverfestigung erfolgen, und bei dem der Lötvorgang bei Niederdruck und unter einem zu einem Plasma angeregten Prozeßgas ausgeführt wird.

Der Einsatz von elektronischen Baueinheiten, die in Form von Leiterplatten mit ein­ steckbaren, aufsetzbaren oder oberflächenmontierbaren elektronischen Bauelementen (= Surface Mounted Devices = SMDs), die abschließend zu verlöten sind, gestaltet werden, erfährt einen ständigen Zuwachs. Zur Herstellung dieser Baueinheiten sind geeignet vorbereitete Leiterplatten mit den entsprechenden Bauelementen zu be­ stücken, diese sind in Vorbereitung auf den Lötvorgang gegebenenfalls mit einem Klebstoff oder einer Lotpaste zu fixieren und schließlich sind die Leiterplatten und die Bauteile durch einen Lötvorgang fest und leitfähig miteinander zu verbinden.

Dieser Lötvorgang wird heute zum einen in gängiger Weise mit Wellenlötanlagen aus­ geführt, bei denen Lot durch eine oder mehrere, die Leiterplatten von unten berühren­ den Lotwellen auf entsprechende Bereiche aufgebracht wird und so die entsprechen­ den Teile verlötet werden. Zum anderen ist bei mit Lotpaste, Lot-preforms oder auch Lotdepots aufgebrachten Bauteilen lediglich ein Aufschmelzen des Lotanteils der Paste oder der Lot-preforms zu bewirken (Reflowlöten).

In beiden Fällen sind allerdings für eine gute Qualität der Lötverbindung Flußmittel anzuwenden. Entweder werden diese - im Falle der Wellenlötung - vor dem eigent­ lichen Lötvorgang aufgebracht, oder es enthält die angewendete Lotpaste oder Lot­ preform sowohl Lot als auch Flußmittel. Die Flußmittel dienen dem Lötprozeß vor allem insofern, als sie die die Lötung beeinträchtigende Metalloxidschicht auf dem Werkstück zerstören sowie eine Oxidation der beteiligten Metalle beim Lötvorgang verhindern. Zudem wird die Oberflächenspannung des verflüssigten Lots vermindert. Flußmittel sind also multifunktional und dementsprechend aus einer Vielzahl von Substanzen zusammengesetzt. Nach dem Lötvorgang verbleiben jedoch Rückstände der Flußmittel auf den Leiterplatten, die zu nachteiligen Konsequenzen führen. Dazu gehören die Verringerung des Isolationswiderstandes zwischen auf der Leiterplatte befindlichen Leiterbahnen oder die vorschnelle Korrosion der Leiterbahnen. Deshalb sind die Flußmittelrückstände zu entfernen. Dies wird bekanntermaßen durch eine Reinigungs­ behandlung der Platten mit FCKWs oder CKWs nach dem Lötvorgang erreicht. Die Anwendung der eben genannten und in bekannter Weise umweltschädigenden Stoffe - FCKW-Ozon-Problematik - soll jedoch heute minimiert oder gänzlich vermieden werden.

In einer neueren Vorgehensweise wird die Notwendigkeit von Flußmitteln dadurch zumindest herabgesetzt, daß der Verlötung der Platinen eine Vorbehandlung derselben mit einem Niederdruck-Plasma vorgeschaltet wird, wobei das Plasma aus einem Prozeßgas unter Mikrowellenanwendung und/oder Glimmentladung erzeugt wird (siehe DE-PS 39 36 955).

Ebenso ist es aus jüngerer Zeit bekannt, den Lötvorgang selbst (sowohl Reflow- als auch Wellenlöten) unter einer zu einem Plasma angeregten Niederdruckatmosphäre auszuführen (siehe z. B. DE-OS 42 25 378). Das Plasma führt dabei zur Reinigung und Aktivierung der betreffenden, zu verlötenden Oberflächen, so daß mit flußmittelfreien Loten gearbeitet werden kann. Für die oben angesprochenen Plasmabehandlungen werden üblicherweise Prozeßgase zugrunde gelegt, die O₂, N₂, H₂, CF₄ und derglei­ chen sowie gegebenenfalls auch Edelgase enthalten. Bei stark verunreinigten Leiterplatten oder Flachbaugruppen und üblichen Plasmen treten jedoch insbesondere bei flußmittelfreien Lötvorgängen Mängel im Lötergebnis auf, die auf eine unzureichende Vorbereitung der Lötpartner durch das Plasma schließen lassen.

Der hier vorgestellten Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lötverfahren der eingangs geschilderten Art zu gestalten, das den geschilderten Mangel abstellt.

Diese Aufgabe wird gemäß vorliegender Erfindung dadurch gelöst, daß dem Prozeßgas vor der Plasmaanregung oder/und dem aus dem Prozeßgas erzeugten Plasma in einem Umfang von bis zu 10 Vol.-% säurenhafte Aktivatoren wie Ameisensäure oder Zitronensäure zugemischt werden und mit dieser Mischung die Plasmaeinwirkung durchgeführt wird.

Durch die Hinzufügung der Aktivatoren zu den üblichen, beim Löten eingesetzten Plasmabehandlungsgasen wird eine verstärkte Reinigungs- und Aktivierungswirkung an den Oberflächen der zu verlötenden Teile erzielt. So können unter Anwendung der aktivierenden Beigaben auch stark mit öligen oder oxidischen Schichten bedeckte Lötpartner erfolgreich verlötet werden. D.h. die relevanten Oberflächen der Lötpartner werden beim vorschlagsgemäßen Vorgehen so weit von Beschichtungen befreit, daß Lot die entsprechenden Stellen gut benetzen und fehlerfrei verbinden kann. Dies wird zudem in einer, für einen kontinuierlichen Produktionsprozeß, geeignet kurzen Zeit erreicht.

Die bevorzugten Aktivatoren wie Ameisensäure und Zitronensäure besitzen in der genannten Zumischung die erforderliche Aggressivität. Besonders geeignet sind hierbei insbesondere Konzentrationen von 0,5 bis 5 Vol.-% Säureanteil im Prozeßgas, die besonders vorteilhaft in einem Prozeßgasgemisch aus
0,5 bis 20 Vol.-% Sauerstoff,
80 bis 0,5 Vol.-% Wasserstoff und
20 bis 80 Vol.-% eines FKW-gases (CF₄, C₂F₆, . . . ) oder SF₆ zum Einsatz kommen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der anliegenden Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Durchlauf-Wellenlötanlage, die unter Nieder­ druck und mit Plasmabildung arbeitet (Plasma-Reflowlöten ist selbstverständlich mit einer analog aufgebauten Anlage ausführbar). Diese Anlage weist zunächst eine Eintrittsschleuse 3, eine Haupt- oder Anlagenkammer 4 mit Zulauftunnel 26, Lötstation 34 und Auslauftunnel 51 sowie eine, nur in Teilen sichtbare, Austritts­ schleuse 7 auf. Eine Transporteinrichtung 44, beispielsweise ein Umlaufkettentransport mit Haltefingern, ist in der Anlagenkammer 4 angeordnet, wobei diese in Längsrichtung mit einer Steigung von ca. 3 bis 10° durchquert wird.

Bezüglich der Längsausdehnung der Anlagenkammer 4 etwa in deren Mittelteil ist von unten ein Lotbad 48 luftdicht angeschlossen, wobei darin eine Einrichtung 42 zur Aus­ bildung einer Lotwelle 41 vorhanden ist. Vor dem Lotbad 48 im zugehörigen Zulauf­ tunnels 26 ist in der gezeigten Anlage unterhalb des Leiterplattentransports 44 eine Heizeinrichtung 28, beispielsweise ein elektrischer Widerstandsheizleiter, zur An­ wärmung der zu verlötenden Baugruppen vorgesehen. Oberhalb der Transport­ einrichtung für die Leiterplatten ist im gleichen Anlagenbereich eine Sendeantenne 21 zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen für die Plasmaanregung des Prozeßgases angeordnet (z. B. ein Hochfrequenz-Sender mit ca. 40 kHz und mit zumindest etwa 500 Watt und vorzugsweise bis zu 3000 Watt Leistung). Ebenfalls im Zulaufteil 26 der Anlagenkammer 4 ist im gezeigten Beispiel eine Zuleitung 27 plaziert, die andererseits an eine Prozeßgas liefernde Gasflasche 29 sowie an eine-Säuredampf liefernde Verdampfereinheit 18 angeschlossen ist. Sowohl in der abführenden Leitung der Verdampfereinheit 18 als auch in der der Gasflasche 29 ist ein Durchflußmesser 20 installiert. In Wirkverbindung mit der Gaszufuhr 27 steht eine im Auslaufteil 51 der Anlagekammer 4 angeordnete Absaugleitung 52. Aufgrund dieser Anordnung von Gaszu- und abfuhr wird in der Hauptkammer 4 der gezeigten Anlage eine Gasströmung vom Kammereintritt zum Kammeraustritt ausgebildet.

Im übrigen ist die vor der Anlagenkammer 4 gasdicht vorgeschaltete Schleuse 3 mit ihrer Schleusenkammer 15, ihren Schleusentüren 11 und 12, ihrem Beförderungsmittel 13 und ihrer Evakuierungsleitung 14 im einzelnen aufzuführen, ebenso wie die aus­ gangsseitig angeschlossene Austrittsschleuse 7, die exakt entsprechende Elemente aufweist und die deshalb nur unvollständig gezeigt ist.

Der Funktionsablauf ist nun wie folgt:
Zur Ausführung von Lötungen ist zunächst einerseits eine verfahrensgemäß geeignete Transportgeschwindigkeit für die mit 10 gekennzeichneten Leiterplatten in der Kammer 4 einzustellen (etwa 1,5 bis 2,2 m/min), während andererseits die für die Plasmabildung notwendigen Bedingungen herzustellen sind. Diese sind im einzelnen beispielsweise der DE-OS 42 25 378 entnehmbar (z. B. Niederdruck von 0,5 bis 10 mbar, 1000 Watt Sendeleistung).

Die Leiterplatten 10 werden dann gruppenweise in die Schleuse 3 eingefahren, die Außentür 11 geschlossen und die Evakuierung der Schleusenkammer 15 über die Abzugsleitung 14 eingeleitet. Dabei wird zunächst in der Schleusenkammer 15 ein Druckniveau von etwa 0,1 bis 1 mbar (= 10 bis 100 Pa) angesteuert, wobei schließlich ein Druckausgleich mit der Lötanlagenkammer 4 und der dortigen Atmosphäre hergestellt wird, welche sich vorzugsweise auf einem Druckniveau von 1 bis 5 mbar befindet.

Nach erfolgtem Druckausgleich - beispielsweise durch Öffnen einer Verbindung zwi­ schen Schleusenkammer 15 und Hauptkammer 4 - öffnet sich die innere Schleusentür 12 der Eintrittsschleuse 3, worauf die in der Schleuse befindlichen Leiterplatten nach­ einander an den Umlaufkettentransport 44 in der Hauptkammer 4 übergeben werden. Diese Transporteinrichtung befördert die Leiterplatten im weiteren durch den Zulauf­ bereich 26 in der Hauptkammer 4 der Lötanlage, wobei die bodenseitige Heizeinrich­ tung 28 ein Vorwärmen der Leiterplatten auf ein für den eigentlichen Wellenlötvorgang vorteilhaftes Niveau von ca. 90 bis 130°C bewirkt. Die oberhalb der Transport­ einrichtung 44 angeordnete Hochfrequenz-Sendeantenne 21 arbeitet nunmehr mit 40 kHz und 1000 Watt Leistung. Mit dieser Sendeleistung wird aus dem über die Zuleitung 27 zugeführten Prozeßgas-Aktivatorgas-Gemisch, das vorteilhaft ein Gemisch aus
0,5 bis 20 Vol.-% Sauerstoff,
80 bis 10 Vol.-% Wasserstoff und
20 bis 80 Vol.-% eines FKW-gases (CF₄, C₂F₆, . . . ) oder SF₆
sowie 0,5 bis 5 Vol.-% Ameisensäuredampf ist,
ein Plasma gebildet. Das Plasma verbreitet sich aufgrund der ausgangseitigen Anordnung des Abzugs 52 in der gesamten Hauptkammer 4.

Die gasförmige Ameisensäure wird dabei von der Verdampfungseinheit 18 produziert und geeignet dosiert in Leitung 27 eingeführt, in welche die übrigen Prozeßgas­ bestandteile bereits aus der Gasflasche 29 eingespeist wurden. Bei einem Prozeß­ gasbedarf von beispielsweise 1000 Liter pro Stunde (mittelgroße Lötanlagen) sind gemäß der Erfindung etwa 5 bis 50 Liter Ameisensäuredampf pro Stunde bereitzu­ stellen und dem Ausgangsgasgemisch zuzumischen. Die erforderlichen Mengen an gasförmiger Säure sind also relativ gering und können daher einfach durch geeigne­ tes Erwärmen entsprechend gefüllter und nachzufüllender Behältnisse bereitgestellt werden, wobei eine vom Innendruck abhängige Wärmezufuhr zu diesen Behältnissen eine besonders günstige Möglichkeit zur bedarfsgerechten Erzeugung der erforder­ lichen Dampfmenge ist. Die Wirkung eines derartigen Plasmas besteht im allgemei­ nen darin, daß unter seiner Einwirkung ein ausgezeichnet fließfähiges, gut spalt­ gängiges und fein benetzendes Lot erhalten wird und daß andererseits auch die - vor dem Lotauftrag - noch freiliegenden, zu verlötenden Flächen günstig für den Lötprozeß vorbereitet werden (Fett-Abreinigung und Aktivierung durch Entfernung der Oxide). Die erfindungsgemäß zugemischte Ameisensäure liefert dabei eine beträcht­ liche Verstärkung der ja auch beim Ausgangsgemisch vorhandenen Reinigungs- und Aktivierungsfähigkeit. Insgesamt ergibt sich mit der hier beschriebenen Vorgehens­ weise jedoch ein unter verschiedensten ungünstigen Voraussetzungen noch funktionierender, qualitativ hochwertiger und flußmittelfrei ausführbarer Lötprozeß.

Claims (5)

1. Verfahren zum Löten bestückter Leiterplatten und dergleichen, bei dem die Leiterplatten oder sonstigen Baugruppen in eine gegen die Umgebung gasdicht abgeschlossene Kammer eingebracht und aus dieser später wieder hinaus­ befördert werden, wobei in der Kammer gegebenenfalls eine Vorerwärmung, die Verlötung und eine Abkühlung des flüssigen Lots zumindest bis zur Verfestigung erfolgen, und bei dem der Lötvorgang bei Niederdruck und unter Einwirkung eines zu einem Plasma angeregten Prozeßgases ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozeßgas vor der Plasmaanregung oder/und dem aus dem Prozeßgas erzeugten Plasma in einem Umfang von bis zu 10 Vol.-% säurenhafte Aktivatoren zugemischt werden und mit dieser Mischung die Plasmaeinwirkung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivatoren kurzkettige Carbonsäuren (biologisch abbaubar) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivatoren Ameisensäure, Essigsäure, Apfel-, Wein- oder Zitronensäure eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 5 Vol.-% Aktivator zugemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeßgasgemisch aus
0,5 bis 20 Vol.-% Sauerstoff,
80 bis 0,5 Vol.-% Wasserstoff und
20 bis 80 Vol.-% eines FKW-gases (CF₄, C₂F₆, . . . ) oder SF₆ angewandt wird.