DE19955659A1 - Verfahren und Vorrichtung zum flussmittelfreien Löten mit reaktivgasangereicherten Metallschmelzen - Google Patents

Abstract

Beim Einsatz von Wellenlötvorrichtungen nach dem Stand der Technik werden Flußmittel benötigt, um die Oxidation der zu lötenden Metallteile bzw. des Lotbades (Krätzebildung) zu unterbinden. Dies führt jedoch zur Entstehung von Flußmittelrückständen, die die Qualität der Lötverbindung oder des gelöteten Werkstücks beeinträchtigen können. DOLLAR A Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, den Einsatz von Flußmitteln beim Löten zu vermindern. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß vor dem eigentlichen Lötvorgang mittels einer in das Lotbad eingeführten Gaselektrode ein reduzierendes Reaktivgas, etwa Wasserstoff, im flüssigen Lötmittel gelöst wird. Beim Abkühlen des Lötmittels am Werkstück nach vollzogenem Lötvorgang gast ein Teil des gelösten Reaktivgases aus und wirkt am Werkstück bzw. am Lötmittel reduzierend. Hierdurch kann auf den Einsatz von Flußmitteln zumindest weitgehend verzichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum flussmittelfreien Lö­ ten mit reaktivgasangereicherten Metallschmelzen.

Bei elektronischen Bauteilen, die, wie etwa Stecker, hohen mechanischen Belastun­ gen ausgesetzt sind, findet das Schwalllötverfahren Anwendung, bei dem die Bau­ teile mit ihrem Anschlüssen durch Löcher in einer Leiterplatte gesteckt und die Lei­ terplatte an einer bzw. zwei Wellen aus flüssigem Lot entlanggeführt werden. Das auf Werte um 250°C erwärmte Lot benetzt die Lötstellen, und nach dem Abkühlen liegt eine feste Verbindung vor.

Bei nahezu allen in Benutzung befindlichen Wellen- oder Selektivlötanlagen kommen dabei Flußmittel zum Einsatz, denen die Aufgabe zukommt, die Metalloberfläche zu aktivieren und die Bildung einer Oxidschicht auf der zu lötenden Metalloberfläche oder von Krätze im Lotbad zu verhindern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Oxida­ tion der Metallteile bzw. des eingesetzten Lotbades dadurch nicht immer im ge­ wünschten Umfang verringert werden kann, zudem kommt es zur Bildung von stö­ renden Flußmittelrückständen auf den Baugruppen.

Durch Inertisieren der Lötatmosphäre mit Stickstoff, wie es etwa in der MESSER-Firmen­ zeitschrift "gas aktuell", 54, 12-14 (1998) beschrieben ist, wird die den Lötpro­ zeß störende Oxidation der Metalloberflächen unterdrückt, wodurch der Einsatz von rückstandsarmen Lotpasten und Flußmitteln ermöglicht wird. Die Benetzung der Oberflächen mit Lot verbessert sich, wodurch die Zahl sogenannter kalter Lötstellen deutlich reduziert wird. Insgesamt vergrößert die Stickstoffatmosphäre die Prozeßsi­ cherheit und erhöht die Ausbeute bzw. verringert Fehlerraten.

Beim Einsatz dieses Verfahrens kann zwar der Einsatz von Flussmittel deutlich redu­ ziert werden, es kann jedoch nicht immer völlig auf den Einsatz von Flußmittel ver­ zichtet werden. Auch ist nach wie vor die Möglichkeit der Oxidation von Metallteilen und/oder des Lötbades nicht auszuschließen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Löten, insbesondere von Elektronikbauteilen, zu schaffen, bei dem der Einsatz von Flußmittel reduziert und die Gefahr der Oxidation von Metallteilen oder des Löt­ bades verringert wird.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Lötvorrichtung mit den Merkmalen des Patent­ anspruchs 1.

Erfindungsgemäß weist demnach die Lötvorrichtung eine Gaszuführungseinrichtung auf, mittels der ein reduzierendes Reaktivgas, beispielsweise Wasserstoff, in das im Lötbehälter vorliegende, geschmolzene Lötmittel eingebracht und zumindest teilwei­ se darin gelöst wird. Nach dem Sievertschen Gesetz ist dabei die Konzentration des gelösten Stoffs umso höher, je höher die Temperatur des Lösungsmittels ist. Nach der beim Lötvorgang erfolgten Benetzung eines Werkstücks kühlt das Lötmittel ab. Das darin gelöste Reaktivgas gast aufgrund des Sievertschen Gesetzes zumindest teilweise wieder aus und kann am Werkstück oder der Lötmitteloberfläche reduzie­ rend wirken. Im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, bei denen ein reduzieren­ des Reaktivgas mittels einer Düsenvorrichtung in Richtung auf das benetzte Werk­ stück eingeblasen werden muß, um seine bestimmungsgemäße Wirkung entfalten zu können, tritt bei der Erfindung das Reaktivgas unmittelbar am Wirkort, nämlich im Bereich der Lötkontakte aus. Dadurch wird die erforderliche Menge an Reaktivgas deutlich reduziert. Auf den Einsatz von Flußmittel kann weitgehend verzichtet wer­ den.

Eine besonders wirkungsvolle Möglichkeit zum Eintragen von Gas in das Lötmittel ist in einer Gaselektrode gegeben, die zumindest im Bereich einer Gasaustrittsöffnung in das Lötmittel eintaucht und von diesem umströmt wird. Das aus der Gasaus­ trittsöffnung austretende Gas wird dabei zumindest teilweise im Lötmittel gelöst.

Um die Effizienz des Lösungsprozesses zu verbessern, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, im Bereich vor der Gasaustrittsöffnung der Gaselektrode einen Katalysator, etwa aus Palladium oder Platin anzuordnen, durch den die Bil­ dung von atomarem Reaktivgas aus dem molekularen Gas, das der Gaselektrode entströmt, verbessert wird.

Durch Heizen des Katalysators oder des Lötmittels im Bereich vor der Gasaus­ trittsöffnung wird gemäß dem Sievertschen Gesetz die Löslichkeit von Reaktivgas weiter erhöht und die Wirksamkeit des Katalysators bei der Bildung naszierenden Wasserstoffs verbessert.

Zweckmäßigerweise ist die Gaselektrode mit einer röhrenförmigen und im Lotbehäl­ ter im wesentlichen senkrecht aufgenommenen Ummantelung versehen, durch die das Lötmittel parallel zu den aus der Gasaustrittsöffnung aufsteigenden Gasbläschen geführt werden kann. Insbesondere beim Vorsehen einer Heizung am Katalysator oder im Bereich der Gasaustrittsöffnung wird zugleich eine konvektive Strömung herbeigeführt, durch die das wasserstoffangereicherte Lötmittel gleichmäßiger im Lotbad verteilt wird.

Um die Lösung des Gases im Lötmittel zu verbessern, ist im Bereich vor der Gas­ austrittsöffnung der Gaselektrode eine Perlvorrichtung, etwa ein Sieb, ein Netz oder eine aus porösem Material bestehende Fritte, vorgesehen, mittels der die aus der Gasaustrittsöffnung austretenden Gasbläschen zu kleineren Gasbläschen umge­ wandelt werden, wodurch die Kontaktoberfläche zwischen Gas und Lötmittel vergrö­ ßert wird.

Der Lötvorgang muß unter Schutzgas stattfinden, um eine mögliche Vor- oder Nach­ oxidation des Werkstückes oder des Lötmittels weitgehend zu unterbinden. Aus die­ sem Grunde ist in einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorge­ sehen, den Lotbehälter in einem Löttunnel anzuordnen, der mit einer Zuführung für ein inertes Schutzgas, etwa Stickstoff, ausgerüstet ist. Beispiele für Löttunnel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, sind in den Druckschriften DE 197 49 187 A1, DE 197 49 186 A1 oder 197 49 184 A1 beschrie­ ben.

Eine Gasspüleinrichtung, die mit einer Ansaug- und einer Absaugvorrichtung für Schutzgas versehen ist, ermöglicht es, im Verlauf des Lötprozesses die Zusammen­ setzung des Schutzgases kontrolliert zu verändern oder beizubehalten.

Wird als Reaktivgas in das Lötmittel Wasserstoff eingesetzt, tritt aus dem Lötbad oder dem an den Benetzungsstellen des Werkstücks vorliegenden, erkaltendem Lötmittel gasförmiger Wasserstoff aus. Hierdurch besteht die Möglichkeit, daß sich das Schutzgas im Verlauf des Lötvorgangs derart mit Wasserstoff anreichert, daß es zur Explosionsgefahr kommen kann. Aus diesem Grunde ist in einer weiteren Ausge­ staltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, den Wasserstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre von einer Überwachungseinrichtung kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen zu ermitteln, und bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes der Wasserstoffkonzentration das Schutzgas abzusaugen und/oder wasserstofffreies Schutzgas zuzuführen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Nachrüstbausatz für bestehende Lötanlagen.

Gelöst ist die Aufgabe auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 11.

Das Lötmittel wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst in einem Lötbehälter in an sich bekannter Weise erhitzt und geschmolzen. In einem zweiten Verfahrensschritt wird dem geschmolzenen Lötmittel ein reduzierend wirkendes Re­ aktivgas, etwa Wasserstoff, zugeführt, welches zumindest teilweise im Lötmittel ge­ löst wird. Nach Benetzung eines Werkstücks mit dem mit Reaktivgas angereichertem Lötmittel kühlt sich dieses ab. Dadurch gast des im Lötmittel gelöste Reaktivgas zu­ mindest teilweise aus und wirkt in der Umgebung der Ausgasungsstelle, also unmit­ telbar am Werkstück oder dem benetzten Lötmittel, reduzierend. Auf diese Weise wird die Bildung einer Oxidschicht auf dem Werkstück und/oder auf der Lötmitte­ loberfläche wirksam unterbunden.

Um eine möglichst homogene Verteilung des gelösten Reaktivgases in dem im Lot­ behälter aufgenommenen Lötmittel zu erhalten wird das Lötmittel vorteilhafterweise fortlaufend oder in vorbestimmten Zeitabständen umgewälzt.

Zweckmäßigerweise wird das Reaktivgas mittels einer Gaselektrode in das Lötmittel eingebracht und das Lötmittel zumindest im Bereich um eine Gasaustrittsöffnung der Gaselektrode über die vorgesehene Löttemperatur hinaus erhitzt. Ein bevorzugter Temperaturwert liegt bei 300°C.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, das aus der Gaselektrode entweichende, aber sich nicht im Lötmit­ tels lösende Reaktivgas und/oder das aus dem benetzten, erkaltendem Lötmittel ge­ mäß dem Sievertschen Gesetz entweichende Reaktivgas zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre heranzuziehen. Das auf diese Weise mit Reaktivgas ange­ reicherte Schutzgas ist besonders gut geeignet, Vor- und Nachoxidationen am Werkstück oder dem Lötmittel zu unterbinden.

Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.

In schematischen Ansichten zeigen

Fig. 1 eine in einem Lotbad aufgenommene Gaszuführungseinrichtung im Quer­ schnitt und

Fig. 2 die Gaszuführungseinrichtung aus Fig. 1 in einer Ansicht von unten.

Die Vorrichtung 1 zum Einbringen eines reduzierenden Reaktivgases, im Ausfüh­ rungsbeispiel von Wasserstoff, umfaßt eine in einem Lotbad 2, das mit Lötmittel ge­ füllt ist, aufgenommene Wasserstoffelektrode 3, aus der Wasserstoff über eine Zu­ leitung 4, die in hier nicht gezeigter Weise mit einer Wasserstoffversorgung strö­ mungsverbunden ist, kontinuierlich herangeführt und über eine Gasaustrittsöffnung 5 in das Lotbad 2 eingebracht wird. Der aus der Gasaustrittsöffnung entweichende Wasserstoff wird mittels einer unmittelbar vor der Gasaustrittsöffnung angeordneten, aus einem porösen Material bestehenden Fritte 6 in die Form kleiner Gasbläschen 7 gebracht, wodurch die Kontaktoberfläche zwischen Gas und Lötmittel vergrößert und damit die Löslichkeit des Gases im Lötmittel verbessert wird. Die Gasbläschen perlen entgegen der Schwerkraft in Richtung auf die Badoberfläche 8 und durchlaufen da­ bei einen Katalysator 9, der aus Palladium oder Platin besteht und dessen Aufgabe es ist, die Zerlegung des aus der Gasaustrittsöffnung 5 in molekularer Form austre­ tenden Wasserstoffs H₂ in die lösliche atomare Form 2H zu verstärken.

Die Gaselektrode 3 ist an ihrem vorderen, die Gasaustrittsöffnung umfassenden Ab­ schnitt von einem Elektrodengehäuse 10 umgeben, das an einer Halterung 11 im Lotbad 2 aufgenommen ist. Das Elektrodengehäuse 10 ist derart bemessen, daß zwischen der Gaselektrode 3 und der Innenwandung des Elektrodengehäuses 10 Lötmittel durchströmen kann. Das Elektrodengehäuse 10, das zugleich der Befesti­ gung des Katalysators 9 dient, ist dazu bestimmt, das von der Gasaustrittsöffnung 5 bzw. der Fritte 6 aufperlende Gas dem Katalysator zuzuführen um so eine möglichst effiziente Lösung von Gas im Lötmittel des Lotbades 2 zu erreichen.

Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Vorrichtung 1 strömt Gas aus der Gasaus­ trittsöffnung 5 der Gaselektrode 3 und wird in der Fritte 6 in die Form kleiner Gas­ bläschen 7 gebracht. Die Gasbläschen 7 steigen, entgegen der Schwerkraft, im Elektrodengehäuse 10 nach oben, und werden am Katalysator 9 entlanggeführt. Im Bereich des Katalysators 9 ist am Elektrodengehäuse 10 eine Heizung 13 montiert. Der Katalysator 9 wird von der Heizung 13 beheizt, wodurch zum einen die Kataly­ satorwirkung und zum anderen die Löslichkeit des Wasserstoffs gemäß dem Sievert­ schen Gesetz

c(H) = kT √p(H₂),

wobei c(H) die Konzentration des im Lötmittel gelösten Wasserstoffs und p(H₂) den Partialdruck des molekularen Wasserstoffs bezeichnet, verbessert wird. Die Tempe­ ratur des Lötmittels wird dadurch im Bereich des Katalysators auf etwa 300°C erhöht, während das Lötmittel im übrigen Lotbad und insbesondere im Kontaktbereich mit einem zu benetzenden Werkstück eine Temperatur um 250°C aufweist.

Zugleich wird mittels der Heizung eine konvektive Strömung des Lötmittels in dem Elektrodengehäuse 10 von unten nach oben bewirkt, sodaß der Katalysator 9 ständig von frischem, wasserstoffarmen Lötmittel durchströmt wird. Eine hier nicht gezeigte Umwälzanlage sorgt für eine homogene Verteilung des gelösten Wasserstoffs im gesamten Lötbad 2.

Das Lötmittel wird in üblicher Weise, etwa mittels Pumpen, zu einer Lötwelle geformt. Nach der Benetzung der Lötstelle am Werkstück kühlt es sich schnell ab. Dabei tritt infolge des Sievertschen Gesetzes der zuvor gelöste Wasserstoff zumindest teilwei­ se aus dem Lötmittel aus und reduziert die auf dem Werkstück oder der Lötmitte­ loberfläche etwa vorhandenen Oxide.

Ein Teil des der Gaselektrode 3 entströmemden Wasserstoffes wird nicht im Lötmittel des Lötbades 2 gelöst. Dieser nichtgelöste Wasserstoff 14 perlt zur Lotbadoberflä­ che 8, vermischt sich mit der darüberliegenden Schutzgasatmosphäre 15 und ent­ faltet dort ebenfalls eine reduzierende Wirkung. Die im übrigen überwiegend aus inertem N₂ bestehende Schutzgasatmophäre 15 wird in hier nicht gezeigter Weise durch einen dem Lotbad aufgesetzten Löttunnel aufrechterhalten. Hierzu geeignete Löttunnel sind etwa in den Druckschriften DE 197 49 187 A1, DE 197 49 186 A1 oder 197 49 184 A1 beschrieben.

Es ist darauf zu achten, daß der Wasserstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre ei­ nem Wert von etwa 4 Vol.% nicht übersteigen sollte, da ansonsten eine Explosions­ gefahr besteht. Aus diesem Grunde wird, in hier ebenfalls nicht gezeigter Weise, der Wasserstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre 15 fortwährend oder in vorbestimm­ ten Zeitabständen ermittelt. Bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes wird das Schutzgas aus dem Löttunnel abgepumpt und wasserstoffarmes Inertgas zuge­ führt.

Die in den Figuren gezeigte Vorrichtung eignet sich in gleicher Weise für Wellenlöt- oder Selektivlötanlagen und insbesondere für den Einsatz zum Löten von Elektronik­ baugruppen. Die Wirksamkeit des Wasserstoffs als Reduktionsmittel wird durch die direkte Verbringung des Wasserstoffs über das Lötmittel an die Lötstelle erheblich gesteigert. Somit kommt die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs bereits bei niedrigen Löttemperaturen, insbesondere auch beim Weichlöten voll zur Geltung. Auf den Einsatz von Flußmittel kann somit weitestgehend verzichtet werden.

Claims (14)

1. Lötvorrichtung, insbesondere zum Löten von Elektronikbaugruppen, mit einem Lotbehälter (2) zum Aufnehmen eines geschmolzenen Lötmittels sowie mit einer Gaszuführungseinrichtung (3) zum Einbringen eines reduzierenden Reaktivgases in das Lötmittel.

2. Lötvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufüh­ rungseinrichtung eine im Lötbehälter (2) aufgenommene Gaselektrode (3) umfaßt, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zumindest im Bereich einer Gasaus­ trittsöffnung (5) von Lötmittel umströmt wird.

3. Lötvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich vor der Gasaustrittsöffnung (5) der Gaselektrode (3) ein Katalysator (9), vorzugsweise aus Palladium oder Platin, angeordnet ist.

4. Lötvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, daß die Gaszuführungsein­ richtung (3), zumindest im Bereich der Gasaustrittsöffnung (5) und/oder des Ka­ talysators (9), beheizbar ist.

5. Lötvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaselektrode (3) mit einer röhrenförmigen, im Lotbehälter (2) im wesentlichen senkrecht aufgenommenen und von Lötmittel durchströmbaren Ummantelung (10) versehen ist.

6. Lötvorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich vor der Gasaustrittsöffnung (5) eine Perlvorrichtung (6), etwa ein Sieb oder eine Fritte, zum Erzeugen und Verteilen kleiner Gasbläschen im Lötmittel.

7. Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lotbehälter (2) zum Herstellen einer inerten Schutzgasatmo­ sphäre (15) mit einem mit einer Zuführung für ein Schutzgas, etwa Stickstoff, ver­ sehenen Löttunnel ausgerüstet ist.

8. Lötvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Löttunnel mit einer Gasspüleinrichtung versehen ist, die zum Herstellen einer Schutzgasatmo­ sphäre (15) vorbestimmter Zusammensetzung eine Ansaug- und eine Absaugvor­ richtung für Schutzgas aufweist.

9. Lötvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspülein­ richtung eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Wasserstoffge­ haltes in der Schutzgasatmosphäre (15) zugeordnet ist, die bei Überschreiten ei­ nes vorbestimmten Grenzwertes der Wasserstoffkonzentration einen Steuerbe­ fehl an die Gasspüleinrichtung zum Absaugen der Schutzgasatmosphäre (15) und/oder zum Zuführen wasserstofffreien Schutzgases abgibt.

10. Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Nachrüst-Bausatz für bestehende Lötvorrichtungen.

11. Verfahren zum Löten von Werkstücken, insbesondere von Elektronikbaugrup­ pen, bei dem in einem Lotbehälter (2) ein Lötmittel geschmolzen und ein Werk­ stück ganz oder an einer vorbestimmten Kontaktstelle mit dem geschmolzenen Lötmittel benetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in das geschmolzene Lötmittel ein reduzierendes Reaktivgas, vorzugsweise Wasserstoff, gelöst und
• - mit gelöstem Wasserstoff angereichertes Lötmittel der Kontaktstelle zum Be­ netzen des Werkstücks zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel im Lot­ behälter (2) zur Herstellung einer homogenen Lösung laufend oder in vorbe­ stimmten Zeitabständen umgepumpt Wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktiv­ gas mittels einer Gaselektrode (3) in das Lötmittel eingebracht wird und das Löt­ mittel zumindest im Bereich einer Gasaustrittsöffnung (5) der Gaselektrode (3) über eine vorbestimmte Löttemperatur hinaus erhitzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in das Lötmittel eingebrachtes, jedoch in dem Lötmittel nicht geschmolzenes Reak­ tionsgas und/oder durch Abkühlen des mit Lötmittel benetzten Werkstücks freige­ setztes Reaktionsgas zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre (15) über dem Lotbehälter (2) herangezogen wird.