DE19601055B4 - Method and device for soldering surfaces - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Beloten von elektronischen Bauelementen mit flüssigem Lot (5), das in einem einseitig offenen Behälter (1) mittels eines Stempels (4) und eines Stellmotors aus einer Anfangshöhe I durch eine Lochblende (2) mit definierten Abmessungen gebracht wird und das zu belotende Bauelement (7) mit seiner benetzbaren Fläche auf das Lot aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Lot (5) in eine durch den Stempel (4) definierte Arbeitshöhe II gebracht wird, in welcher eine definierte Menge des Lotes (5) durch die Lochblende (2) zu einem balligen Lotkörper (6) mit definierten Abmessungen geformt wird.Method for soldering electronic components with liquid solder (5), which is brought in a container (1) open on one side by means of a stamp (4) and a servomotor from an initial height I through a perforated screen (2) with defined dimensions, and the one to be soldered Component (7) with its wettable surface is placed on the solder, characterized in that the liquid solder (5) is brought to a working height II defined by the stamp (4), in which a defined amount of the solder (5) is brought about by the Pinhole (2) is formed into a spherical solder body (6) with defined dimensions.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beloten von Flächen, insbesondere von elektronischen Bauelementen, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.The invention relates to a method and a device for soldering surfaces, especially electronic ones Components, according to the generic term of claims 1 and 5.

Zur Erzielung einer gleichmäßig hohen Produktqualität und zur Senkung von Ausschussquoten ist es erforderlich, Lötmontagen von elektronischen Bauelementen so durchzuführen, dass eine möglichst homogene Verbindung zwischen Bauelement und Trägersubstanz entsteht.To achieve a uniformly high product quality and to reduce reject rates it is necessary to solder assemblies of electronic components in such a way that a possible homogeneous connection between component and carrier substance.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen versucht wird, auf benetzbaren Flächen eine weitgehend oxyd- und lunkerfreie Lotschicht auf zubringen.Methods and devices are already known with which it is attempted to and blow-free solder layer to apply.

In der DE 39 10 201 A1 wird die Zufuhr von Lotmaterial in flüssigem Zustand auf definierten Stellen der zu verbindenden Bauelemente beschrieben. Dazu wird ein Verteiler vorgeschlagen, der in den Boden eines Lotvorratsbehälters eingebracht ist. Dieser Verteiler kann eine Kapillarstruktur sein, die eine Bohrung im Boden des Vorratsbehälters ausfüllt. Das Lot wird über die Kapillarstruktur nach unten und dabei nach außen transportiert, indem innerhalb des Vorratsbehälters der Druck erhöht wird.In the DE 39 10 201 A1 describes the supply of solder material in a liquid state at defined points on the components to be connected. For this purpose, a distributor is proposed, which is placed in the bottom of a solder reservoir. This distributor can be a capillary structure that fills a hole in the bottom of the storage container. The solder is transported down and out through the capillary structure by increasing the pressure inside the storage container.

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 Beherrschbarkeit der Lotdosierung durch den vorgeschlagenen Verteiler in Abhängigkeit von der Viskosität des Lots und der Benetzbarkeit der zu beschichtenden Unterlagen.The disadvantage is the high expenditure of time to generate large solder surfaces, like you especially for that Soldering components of power electronics are required as well as the technical controllability of the solder dosing the proposed distributor depending on the viscosity of the solder and the wettability of the documents to be coated.

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 Untertempels gepresst wird. Mittels eines Oberstempels soll das Lot in den Hohlräumen des Siebs gehalten werden und nach Abheben des Oberstempels in einem, Raster flüssiger Lotkugeln vorliegen.In the DE 43 22 391 A1 It is proposed to use a sieve-like device with holes of a defined shape and dimension in a heated container with liquid solder, through which the solder is pressed by means of a lower temple. The solder is to be held in the cavities of the sieve by means of an upper stamp and, after lifting off the upper stamp, is present in a grid of liquid solder balls.

In der Zeitschrift EPP, ISSN 0943-0962, September 1994, Seite 49-50, ist eine Vorrichtung mit Ober- und Unterstempel und einer siebartigen Vorrichtung wie in der Veröffentlichung DE 43 22 391 A1 als Portioniereinrichtung beschrieben, in der ebenfalls nach Abheben des Oberstempels ein Raster flüssiger Kugeln vorliegt. Auf diesem Raster wird der Veröffentlichung nach das Bauelement aufgesetzt.In the magazine EPP, ISSN 0943-0962, September 1994, pages 49-50, there is a device with upper and lower stamp and a sieve-like device as in the publication DE 43 22 391 A1 described as a portioning device in which a grid of liquid balls is also present after the upper punch has been lifted off. According to the publication, the component is placed on this grid.

Nachteilig ist bei diesen vorgeschlagenen Lösungen, dass durch Materialspannungen und geometrische Ungenauigkeiten des Siebes Verbiegungen auftreten, die keine zuverlässig reproduzierbare homogene Belotung von größeren Flächen an elektronischen Bauelementen gewährleisten. 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. Durch die geringe Masse der Lotkugeln haften diese nach dem Abheben von der siebartigen Oberfläche teilweise am Oberstempel.The disadvantage of these proposed solutions is that due to material tensions and geometric inaccuracies of the Sieve bends occur that are not reliably reproducible, homogeneous Large areas ensure electronic components. Due to the high surface tension of the liquid Lots and as a result of the cohesive forces between the liquid solder and the sieve-like device when flowing through the Solder not filled all holes evenly with a lower stamp. By The small mass of the solder balls stick to them after they have been lifted off the sieve-like surface partly at the upper stamp.

Die US 5 3 01 862 beschreibt eine Vorrichtung zum Beloten von Leiterrahmen mit einem Lotbad, einer Pumpe und einem Lotaufbringblock mit Schlitzen oder kleinen Löchern, auf dem der Leiterrahmen aufliegt. Als Pumpe wird eine Zahnradpumpe (gear pump) oder eine Schraubenpumpe (screw pump) verwendet. Diese Vorrichtung wird jedoch zum Beloten von Leiterrahmen durch kontinuierliche Förderung einer gleich bleibenden Lotmenge bei gleich bleibendem Druck je Schlitz bzw. Loch des Lotaufbringblocks eingesetzt. Es wird keine Anregung dazu gegeben, durch die Pumpe eine definierte Menge Lot auf dem Sieb bzw. Lotaufbringblock zu erzeugen und einen balligen Lotkörper zu formen.The US 5 3 01 862 describes a device for soldering lead frames with a solder bath, a pump and a solder application block with slots or small holes on which the lead frame rests. A gear pump or a screw pump is used as the pump. However, this device is used for soldering lead frames by continuously conveying a constant amount of solder at a constant pressure per slot or hole of the solder application block. There is no suggestion to use the pump to generate a defined amount of solder on the sieve or solder application block and to form a spherical solder body.

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 this Defects too eliminate and develop a method and a device with which a reproducible soldering of surfaces for a reliable connection of components with carrier substrates is guaranteed.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.The task is characterized by the characteristics of claims 1 and 5 solved.

Das in einem Lotgefäß auf die notwendige Temperatur erwärmte Lot wird mittels 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. als Lochblende ausgebildeten Gefäßdeckels gedrückt. 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. Auf diesen balligen Lotkörper wird das zu belotende Bauelement mit der benetzbaren Rückseite gesetzt. Das kugelförmige Lot verteilt sich auf dem Bauelement zu einer bogenförmig gekrümmten Fläche. Anschließend wird der Lotspiegel im Gefäß mit einer definierten Geschwindigkeit in eine definierte Lage abgesenkt. Das überschüssige, an den Seiten herausgedrückte Lot wird beispielsweise durch Absaugen durch die Blende oder durch andere geeignete Maßnahmen entfernt. Dieser Prozeß ist zuverlässig reproduzierbar, leicht an die zu belotende Flächengröße anpaßbar und in einer Schutzgaskammer in allen Schritten durchführbar. Es werden keine zeitaufwendigen Abläufe und keine raumaufwendigen Tunnelöfen (Durchlauföfen) benötigt. Der Prozeß ist effektiv und zuverlässig automatisierbar und gewährleistet gleichbleibend hohe Produktqualität, d.h. eine homogene Verbindung zwischen Bauelement und Trägersubstrat. Die Lotschicht ist frei von Verunreinigungen und entspricht genau der gewünschten Ausdehnung und Dicke.The solder heated to the necessary temperature in a soldering vessel is brought to the defined working height in very precise and reproducible steps by means of, for example, a servomotor and a stamp, and is pressed through a bore with defined dimensions, for example, as a perforated cover. By drilling the perforated diaphragm, the solder is pressed out against gravity and shaped into a spherical solder body of defined size, the dimensions of which depend on the hole size, the viscosity of the solder, the surface tension and the ambient conditions. The component to be soldered with the wettable back is placed on this spherical solder body. The spherical solder is distributed on the component to form an arcuately curved surface. The solder level in the vessel is then lowered into a defined position at a defined speed. The excess solder that is pressed out on the sides is removed, for example, by suction through the screen or by other suitable measures. This process is reliably reproducible, easily adaptable to the area size to be soldered and can be carried out in all steps in a protective gas chamber. No time-consuming processes and no space-consuming tunnel furnaces (continuous furnaces) are required. The process can be automated effectively and reliably and ensures consistently high product quality, ie a homogeneous connection between component and carrier substrate. The solder layer is free of impurities and corresponds exactly to the desired expansion and thickness.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous configurations 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. Es zeigen:The invention is based on an embodiment of an apparatus according to the invention shown in the drawings for soldering surfaces explained in more detail. It demonstrate:

1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Vorratsbehälter mit abgesenktem Stempel, 1 2 shows a schematic sectional illustration through a storage container with the stamp lowered,

2 die schematische Schnittdarstellung durch den Vorratsbehälter nach 1 mit aufwärtsbewegtem Stempel und aufgesetztem Bauelement, 2 the schematic sectional view through the reservoir 1 with stamp moved upwards and component attached,

3 die schematische Schnittdarstellung durch den Vorratsbehälter mit abgesenktem Bauelement und 3 the schematic sectional view through the reservoir with lowered component and

4 die schematische Schnittdarstellung des Vorratsbehälters mit abgesenktem Lotspiegel. 4 the schematic sectional view of the storage container with lowered solder level.

Nach der Darstellung in der 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. Der Innenraum des Behälters 1 ist im Beispiel zylindrisch ausgeformt. 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 Lochblende gestaltet sein. 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.According to the representation in the 1 the device according to the invention consists essentially of a heated with solder 5 filled storage container 1 , an aperture 2 , one in the wall of the container 1 located heating 3 for heating the solder 5 and from a stamp 4 , The interior of the container 1 is cylindrical in the example. The aperture 2 in the upper part of the container 1 can be used as a removable lid of the container 1 be formed, but it can also be designed as an interchangeable aperture in different sizes. The diameter of the stamp 4 and the inside diameter of the container 1 must be coordinated so that no solder 5 when pressure builds up in the container 1 to the drive side 10 by increasing.

In der 2 ist die Erzeugung einer Lotkugel 6 (balliger Lotkörper) durch die Verschiebung des Stempels 4 in seine Position II gezeigt. Durch die definierte Aufwärtsbewegung des Stempels 4 in die Position II wird das flüssige Lot 5 durch die Blende 2 entgegen der Schwerkraftwirkung gepreßt. Über die Blende 2 bildet sich die Lotkugel 6 aus. 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. Die ballige Form der Lotkugel 6 ändert sich nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten in Abhängigkeit vom verdrängten Lotvolumen. Auf die Lotkugel 6 ist ein zu belotendes Bauelement 7 mit der zu benetzenden Seite aufgesetzt. Das Bauelement 7 ist durch eine nicht dargestellte Halteeinrichtung, z.B. eine Saugpipette, fixiert, die es gestattet, das belotete Bauelement 7 in beliebige Richtungen zu bewegen.In the 2 is the creation of a solder ball 6 (spherical solder body) due to the displacement of the stamp 4 shown in its position II. Through the defined upward movement of the stamp 4 the liquid solder is in position II 5 through the bezel 2 pressed against the force of gravity. Over the bezel 2 the solder ball forms 6 out. The amount of solder to be displaced and thus the size of the solder ball are determined by the choice of the size of the diaphragm and the path length of the stamp movement 6 and thus the amount of solder required for a specific area to be soldered. The spherical shape of the solder ball 6 changes according to the known laws depending on the volume of solder displaced. On the solder ball 6 is a component to be soldered 7 with the side to be wetted. The component 7 is fixed by a holding device, not shown, for example a suction pipette, which allows the soldered component 7 to move in any direction.

In der 3 ist der dann nachfolgende Verfahrensschritt schematisch dargestellt. 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. Dabei benetzt die Fläche des Bauelementes 7 mit dem Lot 5 der Lotkugel 6. Eventuell überschüssiges Lot 9 wird zur Seite gedrängt. Danach wird entsprechend der schematischen Darstellung in der 4 der Lotspiegel 8 abgesenkt. Das überschüssige Lot 9 gelangt durch den erzeugten Unterdruck über die Blende 2 zurück in den Behälter 1. Dabei reißt die Verbindung zum Lot 5 von der benetzten Fläche des Bauelementes 7 ab.In the 3 the subsequent process step is shown schematically. By lowering the component 7 on the liquid solder ball 6 or by lifting the entire assembly consisting of a container 1 with stamp 4 , the component 7 at a defined distance x to the pinhole 2 brought. The surface of the component is wetted 7 with the solder 5 the solder ball 6 , Any excess solder 9 is pushed aside. Then according to the schematic representation in the 4 the solder level 8th lowered. The excess solder 9 passes through the orifice due to the negative pressure generated 2 back into the container 1 , The connection to the solder breaks 5 from the wetted surface of the component 7 from.

Anschließend kann das so belotete Bauelement 7 mit der nicht dargestellten Halteeinrichtung an die gewünschte Position gebracht und montiert werden. Das Entfernen von überschüssigem Lot 9 kann ebenfalls durch unterschiedliche Maßnahmen, wie Absaugen, oder mit mechanischen Mitteln erfolgen.Then the component soldered in this way 7 with the holding device, not shown, brought to the desired position and assembled. Removing excess solder 9 can also be done by 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. Der Antrieb des Stempels 4 (Pumpenkolben) erfolgt vorzugsweise über einen nicht dargestellten Motor und eine Spindelkombination oder durch den direkten pneumatischen Stempelantrieb.The raising and lowering of the solder level 8th can be done by means of a pump / piston pump (not shown), the pump piston being driven by the plunger 4 is formed and by its movement in the container 1 the solder 5 repressed. The drive of the stamp 4 (Pump piston) is preferably carried out via a motor, not shown, and a spindle combination or by the direct pneumatic stamp drive.

Die Loterwärmung erfolgt entweder direkt oder indirekt über die Heizung 3 des Behälters 1. Die Heizung 3 wird über eine nicht dargestellte Regelungs- und Steuerungseinrichtung gesteuert.The solder is heated either directly or indirectly via the heating 3 of the container 1 , The heating system 3 is controlled by a regulation and control device, not shown.

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

11
Vorratsbehälterreservoir
22
Blendecover
33
Heizungheater
44
Stempelstamp
55
Lotsolder
66
Lotkugelsolder ball
77
Bauelementmodule
88th
LotspiegelLotspiegel
99
Lotsolder
1010
Antriebsseitedriving side
xx
Abstanddistance

Claims (9)

Verfahren zum Beloten von elektronischen Bauelementen mit flüssigem Lot (5), das in einem einseitig offenen Behälter (1) mittels eines Stempels (4) und eines Stellmotors aus einer Anfangshöhe I durch eine Lochblende (2) mit definierten Abmessungen gebracht wird und das zu belotende Bauelement (7) mit seiner benetzbaren Fläche auf das Lot aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Lot (5) in eine durch den Stempel (4) definierte Arbeitshöhe II gebracht wird, in welcher eine definierte Menge des Lotes (5) durch die Lochblende (2) zu einem balligen Lotkörper (6) mit definierten Abmessungen geformt wird.Method for soldering electronic components with liquid solder ( 5 ) in a container open on one side ( 1 ) by means of a stamp ( 4 ) and a servomotor from an initial height I through a pinhole ( 2 ) with defined dimensions and the component to be soldered ( 7 ) is placed on the solder with its wettable surface, characterized in that the river sige Lot ( 5 ) in one by the stamp ( 4 ) defined working height II, at which a defined amount of solder ( 5 ) through the pinhole ( 2 ) to a spherical solder body ( 6 ) is formed with defined dimensions. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufsetzen des Bauelements (7) der Lotspiegel (8) durch Zurückfahren des Stempels (4) auf eine definierte Höhe zurückgeführt und das überschüssige Lot (9) abgeleitet wird.A method according to claim 1, characterized in that after placing the component ( 7 ) the solder level ( 8th ) by moving back the stamp ( 4 ) to a defined height and the excess solder ( 9 ) is derived. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beloten in einer geschlossenen Kammer unter Schutzgas und ohne Flussmittel erfolgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that that the soldering in a closed chamber under protective gas and done without flux. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückführen des Lotspiegels (8) in die definierte Höhe mit einer definierten Geschwindigkeit erfolgt.A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the return of the solder level ( 8th ) to the defined height at a defined speed. Vorrichtung zum Beloten von elektronischen Bauelementen, mit Lot und ohne Flussmittel, mit einer Heizung (3) und einem einseitig offenen Behälter (1), der das flüssige Lot (5) in einer Arbeitshöhe I enthält, und mit einem Stempel (4) zum Anheben und Absenken des Lotspiegels (8) gegen die Schwerkraft und mit einer Lochblende (2), die definierte Abmessung hat und im oberen Bereich des Behälters (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Lot (5) durch den Stempel (4) in eine definierte Arbeitshöhe II gebracht wird, in welcher eine definierte Menge des Lotes (5) durch die Lochblende (2) zu einem balligen Lotkörper (6) mit definierten Abmessungen geformt wird.Device for soldering electronic components, with solder and without flux, with a heater ( 3 ) and a container open on one side ( 1 ) which is the liquid solder ( 5 ) at a working height I, and with a stamp ( 4 ) for raising and lowering the solder level ( 8th ) against gravity and with a pinhole ( 2 ), which has a defined dimension and in the upper area of the container ( 1 ) is provided, characterized in that the liquid solder ( 5 ) by the stamp ( 4 ) is brought to a defined working height II, in which a defined amount of the solder ( 5 ) through the pinhole ( 2 ) to a spherical solder body ( 6 ) is formed with defined dimensions. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (2) auswechselbar gestaltet ist.Apparatus according to claim 5, characterized in that the pinhole ( 2 ) is designed to be interchangeable. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (2) in einem auswechselbaren Deckel des Behälters (1) ausgebildet ist.Apparatus according to claim 6, characterized in that the pinhole ( 2 ) in a replaceable lid of the container ( 1 ) is trained. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (4) Bestandteil einer motorbetriebenen Pumpe ist und mit einer Spindelkombination zur Veränderung des Lotspiegels (8) verbunden ist.Device according to claims 5 to 7, characterized in that the stamp ( 4 ) Is part of a motor-driven pump and with a spindle combination for changing the solder level ( 8th ) connected is. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) zur Lotbefüllung mit einem Ausgleichsbehälter verbunden ist.Device according to claims 5 to 8, characterized in that the container ( 1 ) is connected to an expansion tank for filling the solder.
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Multichip-Montage mit neuem Belotungsverfahren, in: EPP, September 1994, S. 49-50 *

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