DE19823527A1 - Verfahren zum flußmittelarmen bzw. flußmittelfreien Reflow-Löten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von elektronischen Bauelementen mit einem Substrat mittels Reflow-Löten. Hierbei wird auf das Substrat eine Lötpaste aufgebracht, das Substrat mit den Bauelementen bestückt, auf die Löttemperatur aufgeheizt und verlötet. Das Aufheizen und Verlöten des bestückten Substrats erfolgt bei einem Druck von weniger als 100 mbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von elektronischen Bauelementen mit einem Substrat mittels Reflow-Löten, wobei auf das Substrat eine Lötpaste aufgebracht, das Substrat mit den Bauelementen bestückt, auf die Löttemperatur aufgeheizt und verlötet wird.

Die Entwicklung von elektronischen Bauelementen ist durch eine stetig fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile und eine wachsende Komplexität der Leiterplatten gekennzeichnet. Die Verbindungstechnik für derartige Bauteile konnte mit dieser Entwicklung jedoch nicht Schritt halten, so daß auch für die heutigen großflächigen, aber hochintegrierten Bauteile zum großen Teil noch die herkömmlichen Lötverfahren Verwendung finden. Ein Problem stellt hierbei das bei vielen Lötverfahren notwendige Flußmittel dar, welches Nachteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauteile mit sich bringt. Beim Reflowlöten bereitet zudem die wirtschaftliche Herstellung von Lotdepots auf den zu verlötenden Leiterplatten oder Substraten Schwierigkeiten.

In der Massenproduktion werden bei den Reflow-Lötverfahren die Lotdepots im wesentlichen in Form von Flußmittel enthaltenden Lötpasten, als schmelzflüssiges Lötzinn, als Lotformteile, sogenannte Preforms, oder als galvanisch erzeugte Lotdepots aufgebracht. Dabei lassen sich über den Schmelzfluß aufgebrachte Lotdepots sowie auf die Leiterplatten aufgelegte Lotpreforms ohne Schwierigkeiten unter Plasmaeinwirkung flußmittelfrei verlöten. Ebenso sind galvanisch aufgebrachte Lotdepots in hoher Qualität flußmittelfrei verlötbar.

Diese Verfahren ermöglichen zwar flußmittelfreie Verlötungen, sind jedoch im Vergleich zu Verfahren, bei denen das Lot in Form von Lötpasten bereitgestellt wird, teuer und technisch aufwendig. Bei letzterem Verfahren wird die Lötpaste im Siebdruckverfahren auf das Substrat oder die Leiterplatte aufgebracht, wobei die nicht zu verlötenden Bereiche des Substrats oder der Leiterplatte mit einer Maske abgedeckt werden. Die mit der Lötpaste versehenen Substrate werden bisher in einer Schutzgasatmosphäre zunächst aufgeheizt und anschließend verlötet.

Die Verwendung von Pasten hat im Vergleich zu den anderen genannten Verfahren den Vorteil, preiswert und technologisch leicht beherrschbar zu sein. Nachteilig ist allerdings, daß ein relativ hoher Anteil an Fluß- bzw. Lösungsmittel der Paste zugesetzt werden muß, um die erforderliche Pulverfeinheit der Paste sicherzustellen und um die Löt- und Fließfähigkeit der Paste zu verbessern. Bisherige Lötpasten besitzen daher einen Feststoffanteil von maximal 60 bis 70% und einen entsprechend hohen Flüssigkeits- bzw. Flußmittelanteil von 30 bis 40%. Aufgrund dieses hohen Flußmittelgehalts weisen die so erzeugten Lötungen deutliche Verunreinigungen mit Flußmittel auf und zeigen oftmals Lunker in der erstarrten Lotverbindung.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, bei dem die verlöteten Bauteile und Substrate im wesentlichen frei von Flußmitteln bzw. Flußmittelresten sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das bestückte Substrat bei einem Druck von weniger als 100 mbar aufgeheizt und verlötet wird.

Es hat sich herausgestellt, daß flußmittelarme Lötpasten mit einem Flußmittelgehalt von unter 25%, die sich in Umgebungsatmosphäre oder in einer Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff nur sehr schlecht oder überhaupt nicht löten lassen, unter Vakuum fehlerfrei verlötbar sind. Hierbei ist wesentlich, daß der Druck während der Aufheizphase und während des eigentlichen Lötvorgangs unterhalb von 100 mbar, bevorzugt unterhalb von 10 mbar, bleibt. In umfangreichen Untersuchungen hat sich gezeigt, daß bei einem Druck von weniger als 100 mbar, bevorzugt weniger als 10 mbar, und bei gleichzeitiger Erwärmung der Lötpaste zwar eine Aktivierung der Lötpaste durch die enthaltenen flüssigen Pastenkomponenten erfolgt, diese jedoch während der Aufheizphase aus der Paste verdampfen.

Optimale Lötergebnisse ergeben sich, wenn das bestückte Substrat bei einem Druck von weniger als 1 mbar aufgeheizt und verlötet wird. Durch diese Verfahrensführung wird sichergestellt, daß während der Aufheizphase alle in der Lötpaste ursprünglich enthaltenen flüssigen Bestandteile vollständig ausdampfen, so daß Flußmittelspuren auf den verlöteten Bauteilen bzw. Substraten ausgeschlossen sind.

Unter Aufheizphase wird die Zeit vom Beginn der Temperaturerhöhung des Lotes bis unmittelbar vor Erreichen der Löttemperatur verstanden. Bei dem sich anschließenden, eigentlichen Lötprozeß wird die Temperatur weiter erhöht, so daß das Lot vollkommen im schmelzflüssigen Zustand ist und die Bauteile verlötet werden können.

Während der Aufheizphase aktivieren die in der Lötpaste enthaltenen flüssigen Bestandteile, wie Flußmittel, Lösungsmittel oder Klebstoff, zunächst die festen Pastenbestandteile, d. h. die Zinnkügelchen, so daß Oxidschichten auf den Kügelchen abgerissen werden. Anschließend, noch während der Aufheizphase, d. h. vor Erreichen der eigentlichen Löttemperatur, werden die flüssigen Bestandteile aus der Paste ausgetrieben. Der eigentliche Lötprozeß findet daher ohne die Beteiligung von Flußmittel statt. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird gewährleistet, daß das Lötergebnis im wesentlichen frei von Flußmittelresten ist. Die Lötstellen sind sauber, glänzend, lunkerfrei und feinkristallin. Das Lötergebnis entspricht somit höchsten Qualitätsanforderungen.

Von besonderem Vorteil erfolgen das Aufheizen und das Verlöten des bestückten Substrats in einem Niederdruckplasma. Unter dem Einfluß des Plasmas werden die Lötpartner, d. h. das Substrat, die Bauteile und die Lötpaste, zusätzlich gereinigt und aktiviert. Es hat sich gezeigt, daß hierbei auch eine vorteilhafte Aktivierung innerhalb der Lotdepots und an der Grenzfläche zwischen Lötpaste und Substrat stattfindet. Die aus der Paste ausdampfenden Komponenten werden im Plasma chemisch umgesetzt wodurch Ablagerungen im Lötraum und auf der Leiterplatte verhindert bzw. abgebaut werden. Verbleibende Flußmittelspuren auf dem Substrat sind nahezu ausgeschlossen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind besonders Lötpasten mit einem Feststoffanteil von mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95%, geeignet, insofern diese Pasten noch druckbar sind. Bei den bisherigen Verfahren lieferten Lötpasten mit einem Feststoffanteil von mehr als 70% kein zufriedenstellendes Lötergebnis. Nunmehr sind dagegen nur noch geringe Flüssigkeitsbeimengungen zum Lötzinn notwendig, um die Lotkügelchen zu einer Paste zusammenzuhalten. Je geringer der Flüssigkeitsanteil in der Lötpaste ist, desto schneller kann die Aufheizphase durchlaufen werden, da die Flüssigkeit bereits nach relativ kurzer Zeit aus der Paste ausgedampft ist. Besonders günstig, insbesondere im Hinblick auf Qualität, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Verlötungen, ist die Verwendung einer flußmittelfreien Lötpaste.

Die Temperaturführung erfolgt während des Aufheizens bevorzugt so, daß die in der Lötpaste befindliche Flüssigkeit im wesentlichen während des Aufheizens verdampft. Die Temperatur kann sowohl mit konstanter Geschwindigkeit, als auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, beispielsweise zunächst schnell und dann langsamer, oder auch in mehreren Stufen erhöht werden. Günstig ist es, wenn die Temperaturführung an den Gehalt und die Art der in der Lötpaste befindlichen Flüssigkeit angepaßt wird.

Vorzugsweise wird das bestückte Substrat bei einem Druck, der geringer als der Dampfdruck der in der Lötpaste enthaltenen Flüssigkeit ist, aufgeheizt und verlötet, um ein möglichst schnelles und vollständiges Ausdampfen der Flüssigkeit zu erzielen.

Es hat sich in einigen Fällen als vorteilhaft erwiesen, das bestückte Substrat vor dem Aufheizen in einer Stickstoffatmosphäre mit Stickstoffdurchfluß vorzuheizen. Während dieses Verfahrensschritts wird die in der Lötpaste befindliche Flüssigkeit bereits teilweise verdampft und durch den Stickstoff aus der Lötanlage ausgetragen. Flußmittel-, Klebstoff- oder sonstige Ablagerungen, die sich durch Niederschlagen der Flüssigkeitsdämpfe ergeben können, werden so vermieden.

Vorzugsweise umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren einen oder mehrere, besonders bevorzugt alle der folgenden Schritte: Zunächst werden die bestückten Substrate bei Normaldruck in einer Stickstoffatmosphäre mit ständigem Stickstoffdurchfluß, d. h. mit kontinuierlichem Austausch der Atmosphäre, vorgeheizt.

Im zweiten Schritt werden die Substrate einem von der Pastenzusammensetzung abhängigen Vakuum zwischen 10^-3 und 1 mbar ausgesetzt und aufgeheizt. Damit wird die in der Lötpaste enthaltene Flüssigkeit, insbesondere das Flußmittel, nahezu restlos ausgetrieben und die Lotdepots werden aktiviert. Aufgrund des Vakuums und der verbleibenden minimalen Flußmittelreste sind die zu verlötenden Substrate vor erneuter Kontaminierung geschützt.

Nach dem Aufheizen werden die Substrate in einen Lötraum überführt, bis zum Erreichen der vollständigen Schmelzflüssigkeit des Lotes weiter erhitzt und verlötet. Bevorzugt wird der Lötraum mit einer geringen Menge an Schutz- oder Prozeßgas durchflossen, so daß restliche Ausdampfungen aus dem Lötraum ausgetragen werden, ohne sich auf den Substraten, Bauteilen oder im Lötraum niederzuschlagen.

Bereits während des Aufheizens und/oder während des eigentlichen Verlötens im Lötraum werden die Substrate von Vorteil einem Niederdruckplasma ausgesetzt. Dieses sorgt für eine zusätzliche Reinigung und Aktivierung der Lötpartner, eine plasmatechnische Umsetzung der aus der Lötpaste austretenden Ausdampfungen sowie für eine Selbstreinigung der Lötanlage.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen die Fig. 1 bis 4 schematisch verschiedene erfindungsgemäß geeignete Lötanlagen.

In Fig. 1 ist eine Lötanlage zu sehen, bei der mit Lötpaste bedruckte Leiterplatten in ein Vortrocknermodul 1 eingebracht werden und in diesem im Durchlauf- oder Batchbetrieb bei 80°C etwa 30 Minuten getrocknet werden. Es hat sich als günstig erwiesen, die Temperatur während des Vortrocknens zwischen 60 und 100°C zu wählen. Die Vortrockendauer beträgt vorzugsweise zwischen 15 und 45 Minuten.

Über eine Schleuse 2 werden die Leiterplatten in eine Vorheizeinheit 3 transportiert, die von einem Schutzgas, insbesondere Stickstoff, bei Normaldruck durchströmt wird. In dieser Einheit 3 werden die Leiterplatten auf etwa 140°C vorgeheizt.

Über eine weitere Schleuse 4 werden die Leiterplatten dem Aufheiz- und Lötraum 5 zugeführt. Bei einem Druck zwischen 10^-2 und 1 mbar werden die Leiterplatten bis auf die Löttemperatur aufgeheizt und anschließend verlötet. Die Leiterplatten selbst werden unmittelbar nach diesem Verfahrensschritt vorzugsweise gekühlt, um zu hohe Temperaturbelastungen der Bauteile zu verhindern und ein feinkörniges Gefüge im Lot zu erreichen. Während des Aufheizens und des Lötens wirkt auf die Leiterplatten in dem Lötraum 5 ein Niederdruckplasma ein. Bevorzugt wird das Niederdruckplasma in einer sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkenden Atmosphäre, in H₂, O₂, Ar, CF₄, N₂ oder deren Gemischen gezündet.

Schließlich werden die Leiterplatten über die Schleuse 6 aus dem Lötraum 5 herausgeführt und einer Stickstoffatmosphäre bei Umgebungsdruck ausgesetzt. Die Kühlung der Leiterplatten und der Bauteile wird in dieser Phase verstärkt. Mit diesem Verfahren wird im Schnitt als Taktzeit weniger als eine Minute benötigt.

Fig. 2 zeigt eine Anlage, mit der eine noch schnellere, aber dennoch qualitativ hochwertige Verlötung erreicht wird. Hierbei werden die Leiterplatten unmittelbar nach dem Bedrucken mit der Lötpaste, d. h. ohne vorheriges Vortrocknen, in die Vorheizeinheit 3 geschleust. Die folgenden Verfahrensschritte in dem Lötraum 5 sowie den vor- bzw. nachgeschalteten Schleusen 4 und 6 entsprechen den oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Schritten.

In der in Fig. 3 dargestellten Variante erfolgen Vorheizen, Aufheizen und Löten unter Vakuum in dem Bearbeitungsraum 7. Dieser Raum 7 entspricht in seiner Funktion der Vorheizeinheit 3 und dem Lötraum 5 der Fig. 1 und 2. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Technologie kann daher die Schleuse 4 zwischen der Vorheizeinheit 3 und dem Lötraum 5 entfallen. Es hat sich gezeigt, daß die Gefahr, daß die an dem Lötraum 5 angeschlossenen Vakuumpumpen die Flußmitteldämpfe nicht vertragen, nicht gegeben ist. Zur Sicherheit können jedoch zusätzliche Ölfilter in die Pumpen eingebaut werden.

Fig. 4 zeigt eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Lötanlage. Gemäß Fig. 4 werden die Leiterplatten ohne Vortrocknen direkt in den einzigen Bearbeitungsraum 7 transportiert und dort vorgeheizt, aufgeheizt und verlötet.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verbinden von elektronischen Bauelementen mit einem Substrat mittels Reflow-Löten, wobei auf das Substrat eine Lötpaste aufgebracht, das Substrat mit den Bauelementen bestückt, auf die Löttemperatur aufgeheizt und verlötet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat bei einem Druck von weniger als 100 mbar aufgeheizt und verlötet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat bei einem Druck von weniger als 10 mbar aufgeheizt und verlötet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat bei einem Druck von weniger als 1 mbar aufgeheizt und verlötet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat in einem Niederdruckplasma aufgeheizt und verlötet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lötpaste mit einem Feststoffanteil von mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95%, verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine flußmittelfreie Lötpaste verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während des Aufheizens so geführt wird, daß die in der Lötpaste befindliche Flüssigkeit im wesentlichen während des Aufheizens verdampft.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat bei einem Druck, der geringer als der Dampfdrucks der in der Lötpaste enthaltenen Flüssigkeit ist, aufgeheizt und verlötet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bestückte Substrat vor dem Aufheizen in einer Stickstoffatmosphäre mit Stickstoffdurchfluß vorgeheizt wird.