DE19601055A1 - Soldering area elements - Google Patents

Soldering area elements

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Abstract

The process solders area elements, in particular, those of electronic components by means of heat and solder distribution. Heated, molten solder (5) in a container (1) is brought from an initial level into a working level so that a spherical body (6) of lead with specified dimensions is formed. The component (7) with a wettable area element is placed on this spherical body, after which the solder level is reduced to a specified level, and superfluous lead is withdrawn. Also claimed is an apparatus for use in the above process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beloten von Flächen, insbesondere von elektronischen Bauelementen, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4. The invention relates to a method and an apparatus for brazing of surfaces, especially electronic components, according to the preamble of claims 1 and 4. FIG.

Zur Erzielung einer gleichmäßig hohen Produktqualität und zur Senkung von Ausschußquoten ist es erforder lich, Lötmontagen von elektronischen Bauelementen so durchzuführen, daß eine möglichst homogene Verbindung zwischen Bauelement und Trägersubstanz entsteht. To achieve a uniformly high product quality and reduce scrap rates it is erforder Lich, so as to perform Lötmontagen of electronic components that a homogeneous connection as possible between the component and the carrier substance is formed.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen versucht wird, auf benetzbaren Flächen eine weitgehend oxyd- und lunkerfreie Lotschicht auf zu bringen. There are methods and devices known which attempt to bring on wettable surfaces a largely oxide and void-free solder layer.

In der DE 39 10 201 A1 wird die Zufuhr von Lotmaterial in flüssigem Zustand auf definierten Stellen der zu verbindenden Bauelemente beschrieben. In DE 39 10 201 A1, the supply of solder material in liquid state is described on defined locations of the components to be connected. Dazu wird ein Verteiler vorgeschlagen, der in den Boden eines Lot- Vorratsbehälters eingebracht ist. For this, a manifold is proposed which is introduced into the bottom of a solder reservoir. Dieser Verteiler kann eine Kapillarstruktur sein, die eine Bohrung im Boden des Vorratsbehälters ausfüllt. This distributor may be a capillary structure which fills a bore in the bottom of the reservoir. Das Lot wird über die Kapillarstruktur nach unten und dabei nach außen transportiert, indem innerhalb des Vorratsbehälters der Druck erhöht wird. The solder is transported via the capillary downwards and thereby to the outside by increasing the pressure within the reservoir.

Nachteilig ist der hohe Zeitaufwand zur Erzeugung großer Lotflächen, wie sie insbesondere für das Beloten von Bauelementen der Leistungselektronik benötigt werden sowie auch die technische Beherrsch barkeit der Lotdosierung durch den vorgeschlagenen Verteiler in Abhängigkeit von der Viskosität des Lots und der Benetzbarkeit der zu beschichtenden Unter lagen. A disadvantage is the long time required for generating large solder surfaces, as required in particular for the brazing of components of the power electronics as well as the technical controllability bility of Lotdosierung by the proposed distribution depending on the viscosity of the solder and the wettability of the substrate to be coated were.

In der DE 43 22 391 A1 wird vorgeschlagen, in einem beheizten Behälter mit flüssigem Lot eine siebartige Vorrichtung mit Löchern definierter Form und Abmessung zu verwenden, durch welche das Lot mittels eines Unterstempels gepreßt wird. In DE 43 22 391 A1 by means of which the solder is pressed by a lower punch is proposed to use in a heated container with liquid solder a sieve-like apparatus with holes of defined shape and dimensions. Mittels eines Oberstempels soll das Lot in den Hohlräumen des Siebs gehalten werden und nach Abheben des Oberstempels in einem Raster flüssiger Lotkugeln vorliegen. By means of an upper punch, the solder in the cavities of the screen is to be maintained and there after lifting the top punch in a grid liquid solder balls.

Nachteilig ist bei dieser vorgeschlagenen Lösung, daß durch Materialspannungen und geometrische Ungenauig keiten des Siebes Verbiegungen auftreten, die keine zuverlässig reproduzierbare homogene Belotung von größeren Flächen an elektronischen Bauelementen gewährleisten. A disadvantage of this proposed solution is that by material stresses and geometric IMPRECISION speeds of the sieve bends arise which do not ensure reliable reproducible homogeneous Belotung larger areas of electronic components. Durch die hohe Oberflächenspannung des flüssigen Lots und infolge der Kohäsionskräfte zwischen dem flüssigen Lot und der siebartigen Vorrichtung werden beim Durchströmen des Lotes mittels eines Unterstempels nicht alle Löcher gleichmäßig gefüllt. Due to the high surface tension of the liquid solder, and due to the cohesive forces between the liquid solder and the sieve-like apparatus while flowing through the solder by means of a lower punch not all the holes will be filled evenly. Durch die geringe Masse der Lotkugeln haften diese nach dem Abheben von der siebartigen Oberfläche teilweise am Oberstempel. The low mass of the solder balls they adhere by lifting it from the screen-like partial surface of the upper punch.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen eine reproduzierbare Belotung von Flächen zur zuverlässigen Verbindung von Bauelementen mit Trägersubstraten gewährleistet wird. The object of the invention is to eliminate these deficiencies and to develop a method and an apparatus with which a reproducible Belotung of surfaces for reliable connection of construction elements is ensured with carrier substrates.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. The object is solved by the features of claims 1 and 4. FIG.

Das in einem Lotgefäß auf die notwendige Temperatur erwärmte Lot wird mittels z. The heated in a Lotgefäß to the necessary temperature by means of solder is z. B. eines Stellmotors und eines Stempels in sehr genauen und reproduzierbaren Schritten auf die definierte Arbeitshöhe gebracht und dabei durch eine Bohrung mit definierten Abmessungen eines z. B. a servo motor and a punch in a very accurate and reproducible steps taken to the defined working height and thereby through a bore with defined dimensions of a z. B. als Lochblende ausgebildeten Gefäßdeckels gedrückt. B. designed as pinhole vessel lid pressed. Durch die Bohrung der Lochblende wird das Lot gegen die Schwerkraft herausgedrückt und zu einem in seiner Größe definierten balligen Lotkörper geformt, dessen Abmessungen von der Bohrungsgröße, der Viskosität des Lots, der Oberflächenspannung und den Umgebungsbedingungen abhängt. Through the bore of the aperture plate, the solder is pressed out against the gravity and molded into a defined in its size, spherical solder body, the dimensions of which depend on the hole size, the viscosity of the solder, the surface tension and the environmental conditions. Auf diesen balligen Lotkörper wird das zu belotende Bauelement mit der benetzbaren Rückseite gesetzt. These spherical solder body to the belotende component is set with the wettable back. Das kugelförmige Lot verteilt sich auf dem Bauelement zu einer bogenförmig gekrümmten Fläche. The spherical solder is distributed over the component to an arcuately curved surface. Anschließend wird der Lotspiegel im Gefäß mit einer definierten Geschwindigkeit in eine definierte Lage abgesenkt. Then the Lotspiegel is lowered in the vessel at a defined speed in a defined position. Das überschüssige, an den Seiten herausgedrückte Lot wird beispielsweise durch Absaugen durch die Blende oder durch andere geeignete Maßnahmen entfernt. The excess pressed out at the sides of solder is removed, for example by suction through the aperture or by other suitable measures. Dieser Prozeß ist zuverlässig reproduzierbar, leicht an die zu belotende Flächen größe anpaßbar und in einer Schutzgaskammer in allen Schritten durchführbar. This process is reliably reproducible, easy to be belotende land size adaptable and feasible in a protective gas chamber in all steps. Es werden keine zeitauf wendigen Abläufe und keine raumaufwendigen Tunnelöfen (Durchlauföfen) benötigt. There is no need zeitauf agile processes and no space consuming tunnel kilns (furnaces). Der Prozeß ist effektiv und zuverlässig automatisierbar und gewährleistet gleichbleibend hohe Produktqualität, dh eine homo gene Verbindung zwischen Bauelement und Trägersub strat. The process is effective and reliable automated and ensures consistently high product quality, ie a homo gene connection between the component and Trägersub strat. Die Lotschicht ist frei von Verunreinigungen und entspricht genau der gewünschten Ausdehnung und Dicke. The solder layer is free of impurities, and corresponds exactly to the desired dimension and thickness.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beloten von Flächen näher erläutert. The invention is explained in more detail with reference to an illustrated in the drawings embodiment of a device according to the invention for brazing of surfaces. Es zeigen: Show it:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Vorratsbehälter mit ab gesenktem Stempel, Fig. 1 is a schematic sectional view through a reservoir with from ram down,

Fig. 2 die schematische Schnittdarstellung durch den Vorratsbehälter nach Fig. 1 mit aufwärtsbewegtem Stempel und aufgesetztem Bauelement, Fig. 2 is a schematic sectional view of the reservoir of FIG. 1 with aufwärtsbewegtem die and an attached device,

Fig. 3 die schematische Schnittdarstellung durch den Vorratsbehälter mit abgesenktem Bauelement und Fig. 3 is a schematic sectional view of the reservoir with reduced component and

Fig. 4 die schematische Schnittdarstellung des Vorratsbehälters mit abgesenktem Lotspiegel. Fig. 4 is a schematic sectional view of the reservoir with reduced Lotspiegel.

Nach der Darstellung in der Fig. 1 besteht die Vorrichtung nach der Erfindung im wesentlichen aus einem mit erwärmten Lot 5 gefüllten Vorratsbehälter 1 , einer Blende 2 , einer in der Wandung des Behälters 1 befindlichen Heizung 3 zum Erwärmen des Lotes 5 und aus einem Stempel 4 . As shown in FIG. 1, the device consists of the invention consist essentially of a container filled with heated Lot 5 reservoir 1, a diaphragm 2, a located in the wall of the container 1 heater 3 for heating of the solder 5 and a punch 4 , Der Innenraum des Behälters 1 ist im Beispiel zylindrisch ausgeformt. The interior of the container 1 is formed cylindrically in the example. Die Blende 2 im oberen Teil des Behälters 1 kann als auswechselbarer Deckel des Behälters 1 ausgebildet sein, sie kann aber auch als in verschiedenen Größen auswechselbare Loch blende gestaltet sein. The aperture 2 in the upper part of the container 1 can be designed as a replaceable lid of the container 1, but it may also be designed as an exchangeable pinhole in different sizes. Der Durchmesser des Stempels 4 und der Innendurchmesser des Behälters 1 müssen so aufeinander abgestimmt sein, daß kein Lot 5 bei einem Druckaufbau im Behälter 1 zur Antriebsseite 10 durchsteigt. The diameter of the punch 4 and the inner diameter of the container 1 must be matched to one another so that no solder 5 by rises in a pressure build-up in the container 1 to the drive side 10th

In der Fig. 2 ist die Erzeugung einer Lotkugel 6 (balliger Lotkörper) durch die Verschiebung des Stempels 4 in seine Position II gezeigt. In FIG. 2, the generation of a solder ball 6 (convex solder body) by the displacement of the plunger 4 is shown in its position II. Durch die definierte Aufwärtsbewegung des Stempels 4 in die Position II wird das flüssige Lot 5 durch die Blende 2 entgegen der Schwerkraftwirkung gepreßt. Defined by the upward movement of the plunger 4 in the position II, the liquid solder 5 is pressed by the diaphragm 2 against the action of gravity. Über die Blende 2 bildet sich die Lotkugel 6 aus. The solder ball 6 by the diaphragm 2 is formed. Durch die Wahl der Blendengröße und durch die Weglänge der Stempelbewegung wird die zu verdrängende Lotmenge und damit die Größe der Lotkugel 6 und damit die für eine bestimmte zu belotende Fläche notwendige Lotmenge festgelegt. By selecting the aperture size and the path length of the punch movement the amount of solder to be displaced and thus the size of the solder ball 6, and thus the time required for a certain amount of solder to belotende surface is defined. Die ballige Form der Lotkugel 6 ändert sich nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten in Abhängigkeit vom verdrängten Lotvolumen. The spherical shape of the solder ball 6 is changed according to the known laws in dependence on the displaced volume of solder. Auf die Lot kugel 6 ist ein zu belotendes Bauelement 7 mit der zu benetzenden Seite aufgesetzt. A to belotendes component 7 is fitted with the to be wetted side to the solder ball. 6 Das Bauelement 7 ist durch eine nicht dargestellte Halteeinrichtung, z. The component 7 by an unshown holder, z. B. eine Saugpipette, fixiert, die es gestattet, das belo tete Bauelement 7 in beliebige Richtungen zu bewegen. For example, a suction pipette, fixed, which makes it possible to move the belo preparing device 7 in any direction.

In der Fig. 3 ist der dann nachfolgende Verfahrens schritt schematisch dargestellt. In Fig. 3 the then subsequent process step is shown schematically. Durch Absenken des Bauelementes 7 auf die flüssige Lotkugel 6 bzw. durch Anheben des gesamten Verbundes, bestehend aus Behälter 1 mit Stempel 4 , wird das Bauelement 7 auf einen definierten Abstand x zur Lochblende 2 gebracht. By lowering of the component 7 on the liquid solder ball 6, and by lifting the entire network, consisting of container 1 with plunger 4, the device 7 is x brought to a defined distance from the pinhole. 2 Dabei benetzt die Fläche des Bauelementes 7 mit dem Lot 5 der Lotkugel 6 . The surface of the component 7 wetted with the solder 5, the solder ball. 6 Eventuell überschüssiges Lot 9 wird zur Seite gedrängt. Any excess solder 9 is pushed aside. Danach wird entsprechend der schematischen Darstellung in der Fig. 4 der Lotspiegel 8 abgesenkt. Thereafter, the Lotspiegel 8 is lowered corresponding to the schematic representation in Fig. 4. Das überschüssige Lot 9 gelangt durch den erzeugten Unterdruck über die Blende 2 zurück in den Behälter 1 . The excess solder 9 passes through the generated negative pressure on the diaphragm 2 back into the container. 1 Dabei reißt die Verbindung zum Lot 5 von der benetzten Fläche des Bauelementes 7 ab. Here, the connection breaks for Lot 5 on the wetted surface of the component. 7

Anschließend kann das so belotete Bauelement 7 mit der nicht dargestellten Halteeinrichtung an die gewünschte Position gebracht und montiert werden. Subsequently, the so belotete component 7 can be brought with the unillustrated holding device to the desired position mounted. Das Entfernen von überschüssigem Lot 9 kann ebenfalls durch unterschiedliche Maßnahmen, wie Absaugen, oder mit mechanischen Mitteln erfolgen. Removal of excess solder 9 can also be done through different measures, such as suction, or by mechanical means.

Das Anheben und Absenken des Lotspiegels 8 kann mittels einer Pumpe/Kolbenpumpe (nicht dargestellt) erfolgen, wobei der Pumpenkolben durch den Stempel 4 gebildet wird und durch seine Bewegung in dem Behälter 1 das Lot 5 verdrängt. The raising and lowering of the Lotspiegels 8 (not shown) using a pump / piston pump, wherein the pump piston is formed by the punch 4 and displaced by its movement in the container 1, the solder. 5 Der Antrieb des Stempels 4 (Pumpenkolben) erfolgt vorzugsweise über einen nicht dargestellten Motor und eine Spindelkombination oder durch den direkten pneumatischen Stempelantrieb. The drive of the die 4 (the pump piston) is preferably via a not-shown motor and a spindle combination or by direct pneumatic punch drive.

Die Loterwärmung erfolgt entweder direkt oder indirekt über die Heizung 3 des Behälters 1 . The Loterwärmung either directly or indirectly via the heater 3 of the container. 1 Die Heizung 3 wird über eine nicht dargestellte Regelungs- und Steue rungseinrichtung gesteuert. The heater 3 is controlled approximately device via a not shown control and Steue.

Das Füllen des Behälters 1 erfolgt über einen nicht dargestellten Ausgleichsbehälter, der eine Öffnung zum Nachfüllen des Lots 5 aufweist. The filling of the container 1 takes place via a not-shown surge tank having an opening for refilling of the solder. 5 Dieser Ausgleichsbe hälter besitzt ebenfalls eine Heizung zum Aufschmelzen und Temperieren des Lotes. This Ausgleichsbe container also has a heater for melting and tempering of the solder.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Vorratsbehälter 1 reservoir
2 Blende 2 orifice
3 Heizung 3 Heating
4 Stempel 4 stamp
5 Lot 5 Lot
6 Lotkugel 6 solder ball
7 Bauelement 7 device
8 Lotspiegel 8 Lotspiegel
9 Lot 9 Lot
10 Antriebsseite 10 PTO
x Abstand x distance

Claims (8)

1. Verfahren zum Beloten von Flächen, insbesondere von elektronischen Bauelementen, mittels Wärme und Lotverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Behälter ( 1 ) befindliche erwärmte Lot ( 5 ) aus einer Anfangshöhe I in eine definierte Arbeitshöhe II gebracht wird, in welcher eine definierte Menge des Lots ( 5 ) zu einem balligen Lotkörper ( 6 ) mit definierten Abmessungen geformt wird, auf den das zu belotende Bauelement ( 7 ) mit seiner benetzbaren Fläche aufgesetzt wird, und daß nachfolgend der Lotspiegel ( 8 ) auf eine definierte Höhe zurückgeführt und das überschüssige Lot ( 9 ) abgeleitet wird. 1. A method of brazing of surfaces, in particular of electronic components, by means of heat and solder distribution, characterized in that in one container (1) located heated Lot (5) is brought from an initial level I in a defined working height II in which a defined amount of solder (5) to a spherical solder body (6) is formed with defined dimensions, to which the to belotende component (7) is placed with its wettable surface, and that subsequently the Lotspiegel (8) due to a defined height, and the excess solder (9) is derived.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beloten in einer geschlossenen Kammer unter Schutzgas und vorzugsweise ohne Flußmittel erfolgt. 2. The method of claim 1, characterized in that the brazing material is preferably carried out in a closed chamber under a protective gas and without flux.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zurückführen des Lotspiegels ( 8 ) in die definierte Höhe mit einer definierten Geschwindigkeit erfolgt. 3. The method according to claim 1, characterized in that the return of the Lotspiegels (8) is carried out in the defined height at a defined speed.
4. Vorrichtung zum Beloten von Flächen, insbesondere von elektronischen Bauelementen, mit Lot und ohne Flußmittel, mit einer Heizvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein einseitig offener Vorratsbehälter ( 1 ) für das Lot ( 5 ) durch einen Stempel ( 4 ) zum definierten Anheben des Lotspiegels ( 8 ) gegen die Schwerkraft und zum Absenken des Lotspiegels ( 8 ) abgeschlossen ist, und daß im oberen Bereich des Behälters ( 1 ) eine Lochblende ( 2 ) definierter Abmessung vorgesehen ist. 4. An apparatus for applying brazing of surfaces, in particular of electronic components, with solder, without flux, with a heating device, characterized in that a unilaterally open storage container (1) for the solder (5) by a punch (4) for a defined raising of the Lotspiegels (8) is closed against the force of gravity and for lowering the Lotspiegels (8), and that in the upper region of the container (1) an aperture plate (2) of defined size is provided.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lochblende ( 2 ) auswechselbar gestaltet ist. 5. The device according to claim 4, characterized in that the perforated panel (2) is exchangeable design.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lochblende ( 2 ) in einem auswechselbaren Deckel des Behälters ( 1 ) ausgebildet ist. 6. The device according to claim 5, characterized in that the pinhole is formed (2) in a removable cover of the container (1).
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel ( 4 ) Bestandteil einer motorbetriebenen Pumpe ist und mit einer Spindelkombination zur Veränderung des Lotspiegels ( 8 ) verbunden ist. 7. Device according to claims 4 to 6, characterized in that the punch (4) is part of a motor-driven pump, and is connected to a spindle for changing the combination Lotspiegels (8).
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter ( 1 ) zur Lotbe füllung mit einem Ausgleichsbehälter verbunden ist. 8. Device according to claims 4 to 7, characterized in that the container (1) for filling Lotbe is connected to a surge tank.
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