DE19509786A1 - Verfahren zum Verlöten von elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten von elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte.

Um elektronische Bauelemente auf einer Leiterplatte zu verlöten, wurde früher die sogenannte Durchsteckmontage angewendet, bei der dünne Anschlüsse der Bauelemente, sogenannte Beinchen, von einer Seite in Bohrungen der Leiterplatte eingesteckt und auf der Rückseite durch Aufbringen von Löt verbunden wurden. Dabei wurde in der Regel das sogenannte Schwallverfahren angewendet, bei dem das flüssige Lot in Form eines Schwalles auf die Rücksei­ te der Leiterplatte aufgebracht wird. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß die Leiterplatte dabei nur einsei­ tig bestückt werden kann und daß das Durchstecken der Beinchen der Bauelemente einen hohen Arbeitsaufwand erfordert.

In Weiterentwicklung des genannten Verfahrens ist die sogenannte Oberflächenmontage entwickelt worden, bei der die Bauelemente auf der Oberfläche der Leiterplatte angeordnet und verlötet werden, ohne die Leiterplatte zu durchdringen. Somit ist eine beidseitige Bestückung der Leiterplatte möglich. Auch hierbei kann das Lot in dem Schwallverfahren aufgebracht werden, jedoch wird üb­ licherweise die sogenannte Reflow-Technik angewandt. Dabei wird Lot in Form von Lotpaste aufgebracht, die einen Kleberzusatz enthält und somit gleichzeitig zum Fixieren des anzulötenden Bauelementes dienen kann. Darüber hinaus enthält die Lotpaste einen Flußmittelzu­ satz, der notwendig ist, um die Oberflächen-Oxidation der zu verbindenden Stellen aufzuheben. Die Lotpaste muß in einem vorbestimmten Raster auf die Oberfläche der Leiter­ platte aufgebracht werden, was in der Regel durch ein Druckverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren erfolgt. Die zu verbindenden Bauelemente werden nach Aufbringen des Lotpastenrasters in die Lotpaste einge­ setzt und in dieser durch den Kleberanteil fixierten Lage in einen Ofen eingefahren, in dem die Lotpaste, d. h. das Lot schmilzt und die Bauelemente mit der Leiterplatte verbindet.

Es hat sich gezeigt, daß das genannte Verfahren sehr aufwendig und somit kostenintensiv ist, da für die Lot­ paste eine komplizierte Temperatursteuerung notwendig ist und der Siebdruckvorgang sowohl hinsichtlich der Posi­ tioniergenauigkeit der Lotpaste auf der Leiterplatte als auch hinsichtlich einer eventuellen teilweisen Ver­ stopfung des Siebes sehr anfällig ist, was zu Lötfehlern führen kann. Darüber hinaus sind die Rasterabstände der Anschlüsse bei der Verwendung von Lotpaste auf minimal 0,5 mm bis 0,6 mm beschränkt, was in vielen Fällen den Anforderungen an Miniaturisierung nicht entspricht.

Gemäß einem weiteren Verfahren werden auf der Leiterplat­ te sogenannte Festlotdepots vorgefertigt, die beim Löt­ vorgang aktiviert werden. Auf einer Trägerplatte der Leiterplatte wird eine Lötstoppmaske angeordnet, die die Bereiche abdeckt, die nicht verlötet werden sollen. In den Aussparungen der Lötstoppmaske befinden sich massive Lotdepots, die plan sind und bündig mit der Oberseite der Lötstoppmaske abschließen. Aufgrund des Lotdepots kann bei diesem Verfahren auf die Lotpaste verzichtet werden. Auf die derart vorbereitete Leiterplatte wird eine Fluß­ mittelpaste mit einem Kleberzusatz aufgebracht, wobei das Flußmittel die Oberflächen-Oxidation der zu verbindenden Bereiche aufheben soll, während der Kleberzusatz der Fixierung der elektronischen Bauelemente während des eigentlichen Lötvorgangs dient. Beim Erhitzen über den Schmelzpunkt verformen sich die Lotdepots zu nach oben vorstehenden Lotbuckeln, die die Lötstoppmaske überstei­ gen und mit den darüber angeordneten Anschlüssen der elektronischen Bauelemente in Kontakt kommen, wodurch die Verbindung hergestellt ist. Die Flußmittelpaste muß beim Leiterplattenhersteller aufgedruckt und zur Bewahrung einer ausreichenden Klebkraft mit einem Staubschutz versehen werden. Dies ist aufwendig und teuer. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß nach dem Lötvorgang häufig unerwünschte Rückstände an Flußmittelpaste auf der Lei­ terplatte verbleiben, die zu Funktionsstörungen führen können, da sie korrosiv sind.

Bei einem alternativen Verfahren ist es bekannt, die mit elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatte einer Plasmabehandlung zu unterziehen, um auf diese Weise flußmittelfrei Löten zu können. Jedoch sind die Anlagen zur Durchführung dieses Verfahrens sehr teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, mit dem elektronische Bauelemente auf einer Leiterplatte in einfacher und kostengünstiger Weise verlötet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Verlöten von elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte gelöst, die eine Trägerplatte aufweist, die auf zumindest einer Oberfläche mit einer maskenartigen Lötstoppschicht und in Zwischenräumen der Lötstoppschicht mit Lotdepots versehen ist. An vorbestimmten Stellen wird auf der Lötstoppschicht ein Kleber aufgebracht, mittels dessen ein anschließend zugeführtes elektronisches Bau­ element derart auf der Leiterplatte fixiert wird, daß seine Anschlüsse über zugeordneten Lotdepots angeordnet sind. Anschließend wird ein im wesentlichen feststoff­ freies Flußmittel in flüssiger Form vollflächig auf die Leiterplatte aufgebracht und vorzugsweise aufgesprüht, woraufhin die derart vorbereitete und bestückte Leiter­ platte einer Wärmebehandlung, beispielsweise in einem Ofen, unterzogen wird. Infolge der Wärmebehandlung schmilzt das Lot der Lotdepots auf und verbindet sich unter Bildung der oben genannten Lotbuckel mit den dar­ über liegenden Anschlüssen der elektronischen Bauteile. Gleichzeitig zersetzt sich das überflüssige Flußmittel im wesentlichen vollständig und rückstandsfrei, da Binder- und insbesondere Kleberanteile in ihm nicht enthalten sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit auf die Verwendung einer Lotpaste oder einer Flußmittelpaste verzichtet werden, so daß auch die mit diesen Pasten einhergehenden Druckvorgänge nicht mehr notwendig sind. Das Flußmittel kann in flüssiger Form vollflächig auf die gesamte Leiterplatte aufgesprüht werden, so daß eine selektive Aufbringung wie bei einer Paste überflüssig ist. Auf diese Weise läßt sich eine wesentliche Verein­ fachung des Verfahrens erreichen. Aufgrund der Zersetzung des überflüssigen Flußmittels infolge der Wärmebehandlung kann eine Oberflächenreinheit der fertigen Leiterplatte erreicht werden, wie sie bei den bekannten Reflow-Verfah­ ren bisher unbekannt ist.

Als Kleber zur Fixierung der elektronischen Bauelemente auf der Leiterplatte kann ein handelsüblicher, bekannter Kleber verwendet werden, wobei eine thermische Aushärtung des Klebers nicht notwendig ist.

Durch Steuerung der Auftragsmenge bzw. der Art des auf zu­ bringenden Flußmittels kann die Flußmittelwirkung je nach Anwendungsfall variiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur einseitigen oder zweiseitigen Bestückung einer Leiterplatte verwendet werden. Im letztgenannten Fall wird die Leiterplatte nach dem Fixieren der elektronischen Bauelemente auf ihrer ersten Oberfläche gewendet und anschließend auch auf ihrer zweiten Oberfläche mit elektronischen Bauelementen bestückt. Dabei wird das Flußmittel anschließend beidsei­ tig vollflächig beispielsweise mit Hilfe eines sogenann­ ten Doppel-Sprühfluxers aufgebracht.

In den meisten Fällen dürfte es ausreichen, daß Flußmit­ tel im wesentlichen senkrecht zur Plattenebene der Lei­ terplatten aufzusprühen, was insbesondere bei einem Durchlaufverfahren in einfacher und kostengünstiger Weise zu erreichen ist. Bei Verwendung von elektronischen Bauelementen der sogenannten BGA-Art (Ball Grid Array), die auf ihrer Unterseite mit den Anschlüssen versehen sind, ist es vorteilhaft, zusätzlich oder alternativ das Flußmittel im wesentlichen parallel zur Plattenebene der Leiterplatte, d. h. insbesondere horizontal aufzusprühen, so daß auch in die Bereich unterhalb der Bauelemente ausreichend Flußmittel gelangt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Kleber einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Wenn die elektronischen Bauteile mit Hilfe des Klebers mit ihren Anschlüssen oberhalb der zugeordneten Festlotdepots angeordnet sind und die Leiterplatte bei der beschriebenen Wärmebehandlung erwärmt wird, zieht sich ein Kleber mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten zusammen, so daß das elektronische Bauteil mit seinen Anschlüssen auf die Festlotdepots zubewegt wird, wodurch sich eine wesentliche Verbesserung der Lötquali­ tät erreichen läßt.

Als Lötstoppschicht auf der Trägerplatte der Leiterplatte können in bekannter Ausgestaltung entweder eine Lötstopp­ folie oder ein Lötstopplack Verwendung finden.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Verfahren in einer Schutzgasumgebung durchgeführt wird, wodurch sich eine Verbesserung des Benetzungsverhaltens erzielen läßt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1, 2, 3, 4, 5 und 6 die einzelnen Phasen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 7 ein abgewandeltes Ausführungsbei­ spiel des Verfahrens.

Gemäß Fig. 1 besteht eine vorgefertigte Leiterplatte 10 aus einer Trägerplatte 11, die beidseitig mit einer maskenartigen Lötstoppschicht 12 versehen ist, die als Folie oder als Lack aufgebracht werden kann. In der Lötstoppschicht 12 sind Ausnehmungen 12a ausgebildet, in denen in bekannter Weise massive Lotdepots 13 angelegt sind, die auf ihrer Außenseite plan sind und im wesent­ lichen bündig mit der Oberfläche der Lötstoppschicht 12 verlaufen.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird auf die vorbereitete Leiterplatte 10 im Bereich von ausgewählten Lotdepots 13 auf die Lötstopschicht 12 ein Kleber 14 oberseitig aufge­ bracht, wobei es sich vorzugsweise um einen Kleber mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten handelt. Anschließend wird gemäß Fig. 3 ein elektronisches Bau­ teil 20 zugeführt und mit Hilfe des Klebers 14 derart auf der Leiterplatte 10 bzw. der Lötstoppschicht 12 fixiert, daß Anschlüsse 21 des Bauteils 20 oberhalb der Lotdepots 13 angeordnet sind.

Um auch die andere Oberfläche der Leiterplatte 10 be­ stücken zu können, wird die Leiterplatte anschließend gewendet und in vorgenannter Weise wird auf der Oberseite ein weiteres elektronisches Bauteil 22 mittels eines Klebpunktes derart fixiert, daß die als Beinchen ausge­ stalteten Anschlüsse 23 oberhalb der zugeordneten Lotde­ pots 13 liegen.

Gemäß Fig. 5 wird anschließend auf die bestückte Leiter­ platte beidseitig vollflächig ein Flußmittel 15 aufge­ sprüht, wobei die Sprührichtung im wesentlichen senkrecht zur Plattenebene der Leiterplatte 10 verläuft, wie durch die Pfeile in Fig. 5 angeordnet ist. Auf diese Weise kann in den meisten Anwendungsfällen eine gleichmäßige Flußmittelverteilung erreicht werden. Das Flußmittel ist feststoffrei und enthält insbesondere keine Kleberantei­ le.

Nach dem Aufsprühen des Flußmittels wird die bestückte und vorbereitete Leiterplatte 10 einer Wärmebehandlung 16 (siehe Fig. 6) ausgesetzt, bei der das in den Lotdepots 13 befindliche Lot aufschmilzt und einen sogenannten Lotbuckel bildet, der über die Oberfläche der Lötstopp­ schicht 12 vorsteht und somit eine Verbindung mit den Anschlüssen 21 bzw. 23 der elektronischen Bauteile 20 bzw. 22 eingeht. Darüber hinaus zieht sich der Kleber 14 aufgrund seines negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammen, wodurch die elektronischen Bauteile 20 bzw. 22 auf die Leiterplatte gezogen werden. Das Flußmittel 15 zersetzt sich infolge der Wärmebehandlung vollständig und rückstandsfrei, so daß eine sehr hohe Oberflächenreinheit für die fertige Leiterplatte erreicht werden kann.

In Fig. 7 ist eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei als elektronisches Bauteil 24 ein großflächiger Chip dargestellt ist, der auf seiner Unterseite, die der Leiterplatte 10 zugewandt ist, mit Anschlüssen 25 versehen ist. Der Chip 24 ist in genannter Weise mittels eines Klebers 14 auf der Lötstoppschicht 12 fixiert. Damit auch in die Bereiche unterhalb des Chips, d. h. die zu verlötenden Abschnitte ausreichend Flußmittel gelangt, wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Flußmit­ tel 15 im wesentlichen parallel zur Plattenebene, d. h. horizontal aufgesprüht. Auch hierbei wird nach Aufsprühen des Flußmittels 15 eine Wärmebehandlung durchgeführt, mit der das Lot der Lotdepots 13 aufschmilzt und sich mit den Anschlüssen 25 verbindet, wobei überflüssiges Flußmittel sich vollständig und rückstandsfrei zersetzt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verlöten von elektronischen Bauelemen­ ten auf einer Leiterplatte (10), die eine Träger­ platte (11) aufweist, die auf zumindest einer Ober­ fläche mit einer maskenartigen Lötstoppschicht (12) und in Zwischenräumen der Lötstoppschicht (12) mit Lotdepots (13) versehen ist, wobei an einer vorbe­ stimmten Stelle auf der Lötstoppschicht (12) ein Kleber (14) aufgebracht wird, mittels dessen ein anschließend zugeführtes elektronisches Bauelement (20; 22; 24) derart fixiert wird, daß seine An­ schlüsse (21; 23; 25) über zugeordneten Lotdepots (13) angeordnet sind, woraufhin ein im wesentlichen feststoff-freies Flußmittel (15) in flüssiger Form vollflächig auf die Leiterplatte (10) aufgebracht und die derart vorbereitete und bestückte Leiter­ platte (10) einer Wärmebehandlung (16) unterzogen wird, bei der das Lot der Lotdepots (13) aufschmilzt und sich mit den Anschlüssen (21; 23; 25) verbindet sowie überflüssiges Flußmittel sich im wesentlichen vollständig zersetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (10) nach dem Fixieren der elektronischen Bauelemente (20) auf ihrer einen Oberfläche gewendet und anschließend auch auf ihrer anderen Oberfläche mit elektronischen Bauelementen (22) bestückt wird, woraufhin das Flußmittel (15) beidseitig aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Flußmittel (15) auf die bestückte Leiterplatte (10) aufgesprüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel (15) im wesentlichen senkrecht und/oder im wesentlichen parallel zur Plattenebene der Leiterplatte (10) aufgesprüht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber (14) einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötstoppschicht (12) von einer Lötstoppfolie oder einem Lötstopplack gebildet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Schutzgasumge­ bung durchgeführt wird.