DE2328172A1 - Verfahren zur herstellung von loetverbindungen und vorrichtung zur ausuebung dieses verfahrens - Google Patents

Description

KOKUSAI DENSHIN DENWA KABUSHIKI KAISHA, Kasumigaseki-Bldg., 2-5» 3-Chome, Kasumigaseki, Ohiyoda-Ku, Tokyo / JAPAN und

MISHIMAKOSAN CO. LTD., 1-15, 2-Ohome, Edamitsu, Yawata-Ku, Kitakyushu-City, Pukuoka Prefecture, JAPAN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Reihe von nebeneinander angeordneten vorbereiteten Lötverbindungen durch Schmelzen des Lötmetalls durch Bestrahlen aus einer über die Reihe geführten HeizstrablungBquelle und eine Vorrichtung zur Ausübung "dieses Verfahrens.

Die Erfindung befaßt sich in erster Linie mit der Herstellung von Lötverbindungen sehr kleiner Abmessungen! wie die beispielsweise bei modernen gedruckten oder integrierten Schaltungen auftreten. Diese Lötstellen sind dabei vorbereitet, indem die miteinander zu verbindenden Leiterenden mit Lötmetall beschichtet sind und in Berührungskontakt miteinander gebracht sind, so daßdurch Schmelzen des aufgeschichteten Lötmetalls und anschließendes Wiedererstarren desselben die angestrebte. Lötverbindung hergestellt werden kann. . ."

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Es ist bekannt, auf diese Weise Lötstellen von Hand herzustellen, das ist aber umständlich und oft mangelhaft. Es ist bekannt» die erforderliche Heizenergie durch Widerstandsheizung oder Ultraschallbestrahlung aufzubringen. Dabei ergeben sicli aber oft Störungen durch schmelzende Verbindungsleitungen oder ungenügendes Schmelzen des Lötzinns.

Es ist auch bekannt, durch eine infrarotlichtabstrahlende Heizstrahl ungs quelle die Schmelzwärme aufzubringen. Dieses Verfahren ist sehr vorteilhaft, weil zur Wärmeübertragung kein mechanischer Kontakt mit der Lötstelle erforderlich ist; es ist aber schwierig, auf einer langen Reihe von nebeneinander angeordneten Lötverbindungen überall die gleiche erforderliche Hitze aufzubringen, so daß das Lötzinn hinreichend geschmolzen wird,- aber Überhitzungen die zu Zerstörungen der Leiterverbindungen und dergleichen führen können, vermieden werden. Das ist besonders dann der Fall, wenn man eine langgestreckte Heizstrahlungsquelle verwendet, die viele in einer Reihe angeordnete Lötstellen gleichzeitig zu Bestrahlen gestattet. Dann ergeben sich Temperaturdifferenzen entlang der Reihe, die zu Unterheizung oder Überheizung führen. Solche langgestreckten Heizstrahlungsquellen sind auch sehr kostspielig, so <daß sich dieses bekannte Verfahren, obwohl bei einem Lötschritt in vorteilhafter Weise eine große Anzahl von Lötverbindungen herstellbar ist, in der Praxis nicht unter allen Umständen bewährt hat.

Es ist auch bekannt, eine Strahlungsquelle mit einer auf einen Fokusbereich konzentriert gerichteten Strahlung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit über die Reihe der vorbereiteten Lötstellen zu führen, so daß diese nacheinander, während die Heizstrahlungsquelle darüber geführt wird, verschmolzen werden. Dabei besteht jedoch, wie die Erfahrung gezeigt hat, die Gefahr, daß man entweder nicht überall hinreichende Verschmelzung erzielt oder aber an einigen Stellen Überhitzung in Kauf nehmen muß.

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ORIGINAL

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingarigB genannten Art so auszugestalten, daß- sich eine gleichmäßige für gute Lötverbindungen hinreichende Verschmelzung der Lötstellen erzielen läßt,- und zwar unter Bedingungen, unter denen eine Überhitzung vermeidbar ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrahlungsquelle schrittweise über die Reihe geführt wird und daß die Strahlung ein- und ausgeschaltet wird im Takt der Bewegungsschritte der Heizstrahlungsquelle. Experimente, die weiter unten noch näher erläutert werden, haben gezeigt, daß auf diese Weise die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe lösbar ist..

Die Taktsteuerung erfolgt zweckmäßig in der Weise', daß die Heizstrahlungsquelle jeweils mindestens so lange eingeschaltet bleibt, bis das angestrahlte Lötmetall hinreichend geschmolzen ist und daß die Heizstrahlungsquelle mindestens so lange ausgeschaltet bleibt, bis das zuvor geschmolzene Lötmetall wieder erstarrt ist. Durch die Abkühlung bis zur Erstarrung ist leicht sicherzustellen, daß Überhitzungen vermieden werden.

Bevorzugt erfolgt die Taktsteuerung in der Weise, daß die Heizstrahlungsquelle nur' eingeschaltet ist, während sie gegenüber . der Reihe stillsteht; sie kann aber auch in der Weise erfolgen, daß die Heizstrahlungsquelle nur eingeschaltet ist, während sie gegenüber der Reihe bewegt wird.

Nach der Erfindung-werden bei jedem Schritt die vorbereiteten Lötstellen in einem Schmelzbereich geschmolzen. Damit aufgrund der nacheinander durchgeführten Schritte nicht einzelne Lötstellen ausgelassen werden oder nicht hinreichend geschmolzen, werden, wird zweckmäßig derart verfahren, daß die Schrittgröße der Bewegungen der Heizstrahlungsquelle gegenüber der Reihe in Abhängigkeit von der Hitzeintensität der Strahlung, der Einwirkungsdauer und der erforderlichen Schmelzwärme so bemessen ist, daß aufeinander folgende Schmelzbereiche einander überdecken. ■

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Eine Vorrichtung zur Ausübung des erfinderischen Verfahrens, mit einer motorgetriebenen Einrichtung zur Bewegung einer Heizstrahlungsquelle über einer Reihe vorbereiteter Lötstellen ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung zur Ein- und Ausschaltung des Motors und der Heizstrahlungsquelle, derart, daß die Heizstrablungsquelle nur eingeschaltet ist, während der Motor abgeschaltet ist.

Das erfinderische Verfahren ist einfach ausführbar und kann mit einer einfachen Vorrichtung durchgeführt werden. Die Erfindung .ist auch leicht anwendbar unter verschiedenen Arbeitsbedingungen, wenn zum Beispiel das Grundmaterial, auf dem die zu verlötenden Verbindungen verleg-t sind, Metall, Kunstharz, Glas oder dergleichen ist. Den dadurch gegebenen unterschiedlichen Betriebsbedingungen kann man bei Verfahren nach der Erfindung leicht Rechnung tragen, indem man die Heizzeit eines Schrittes und/oder den dabei der Heizstrahlungsquelle zugeführten Heizstrom durch Variation optimiert.

Die Erfindung wird-nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. .

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In der Zeichnung zeigt: ~

Figur 1 in Draufsicht eine Vorrichtung zur Ausübung des

erfinderischen Verfahrens,

Figur 2 ■ den Schnitt gemäß dem Pfeil A aus Figur 1,

Figur 3 ' den Schmelzfluß eines Schmelzbereiches, stark

vergrößert, -

Figur 4 und 5 je ein Diagramm, ■

Figur 6 einen anderen Schmelzbereich, ebenfalls stark

vergrößert, und

Figur 7 ein weiteres Diagramm.

In Figur 1 und 2 sind die wesentlichen Elemente einer Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt, die dazu dient, kleine Schaltelemente, wie zum Beispiel integrierte Schaltkreise, zu, verlöten oder Leitungsverbindungen innerhalb gedruckter Schaltungen zu verlöten. Die beiden Lagerschilde 1 und 2 sind nebeneinander auf einer nicht dargestellten Unterlage befestigt, auf der das zu'verlötende Element, das ebenfalls nicht dargestellt ist, liegt. Die beiden Lagerschilde 1 und 2 sind durch Führungsschienen 3 und 4 miteinander verbunden, und zwar verschraubt mittels Schrauben 5· Auf den Führungsschienen 3 und 4 gleitet ein Schlitten 6, der wie aus Figur 2 ersichtlich, Bohrungen zur Aufnahme der beiden Führungsschienen 3 und 4 aufweist.

Mit 7 ist eine Seitenplatte bezeichnet, die an dem Schlitten 6 befestigt ist und an der ein horizontaler Tragarm 8 befestigt ist. Der Tragarm 8 weist eine Öffnung auf, in die vertikal - das iet die Richtung senkrecht auf die Zeichenebene der Figur 1 justierbar eine Lampenfassung 11 eingesetzt ist. In die Lampen-

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fassung 11 ist eine mit einer Optik zur Strahlbündelung versehene Infrarotlampe Iu eingesetzt. Anstelle der Infrarotlampe 1o kann auch ein im Infrarotbereich strahlender Laserstrahler vorgesehen sein.

Am unteren Ende 9 der Seitenplatte 7 ist ein Ausleger 12 befestigt, der schwenkbar in einem Schwenklager 14 an einem an einer Grundplatte 13 befestigten Ausleger gelagert ist. Das freie Ende der Grundplatte 13 steht unter der Zugwirkung einer Zugfeder 15» die andererseits an einem Ausleger 16 eingehängt ist, der an einer Seitenplatte 17 des Schlittens 6 befestigt ist.

Mit 18 ist ein Stützbock bezeichnet, der an der Grundplatte 13 befestigt ist und auf seiner Oberseite einen Gewindesektor 19 aufweist. Mit 2o ist eine Gewindewelle bezeichnet, die drehbar, aber axial nicht verschiebbar zwischen den Lagerschilden 1 und 2 gelagert ist. Das Außengewinde der Gewindewelle 2o paßt in den Gewindesektor 19 des Stützbocks"18. Auf das eine Ende .36 der Gewindewelle 2o, das über das Lagerschild 1 hinausragt, ist ein Schneckenrad 22 gesteckt, das mit einer Schnecke 23 kämmt. Die-Schnecke 23 ist auf die Welle 24 eines Motors 25 gesteckt, der auf der nicht dargestellten Unterlage gelagert ist.

Mit 26 ist eine drehbar in der Seitenplatte 7 und in der Seitenplatte 17 gelagerte Welle bezeichnet, die mittels eines an ihrem freien Ende befestigten Einstellknopfes 27 drehbar ist. Auf die Welle 26 ist eine Kurvenscheibe 28 gesteckt, die auf einer Schulter 29 des Stützbockes 18 unter der Kraftwirkung der Zugfeder 15 abgestützt ist. Wird die Welle 26 in eine Winkelstellung gedreht, in der die Kurvenscheibe 28 mit ihrem größten Radius auf der Schulter 29 abgestützt ist, dann ist die Grundplatte 13 gegen die Kraftwirkung der Zugfeder 15 mitsamt dem Stützbock 18 so weit nach unten geschwenkt, daß das Gewinde 21 der Gewindewelle 2o mit dem Gewindesektor 39 außer Eingriff gerät. Ist die Welle 26 dagegen in eine Winkelstellung gedreht,

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in der die Kurvenscheibe 23 mit einem kleinen Radius sich auf der Schulter 29 abstützt, dann kann die Grundplatte 13 mit dem Stützbock 18 nach oben schwenken und das Gewinde der Gewindewelle 2o ist mit dem Gewindesektor 19 in kämmendem Eingriff. Wenn die beiden Gewinde außer Eingriff miteinander sind, dann kann der Schlitten 6 von Hand auf den beiden Führungsschienen 3 und 4 hin- und hergeschoben werden. Sind die beiden Gewinde miteinander in Eingriff, dann wird der Schlitten 6 durch Drehen der Gewindewelle 2o mittels des Motors 25 auf den Führungsschienen 3 und 4 hin- und hergeschoben.

Die Lampe 1o ist unter Zwischenschaltung einer Steuervorrichtung 3o an eine Stromquelle 31 angeschlossen. Auch der Motor 25 ist an diese Steuervorrichtung 3o angeschlossen und wird über ._ diese mit Strom versorgt. Die Steuervorrichtung weist Steuerelemente auf, um die Lampe Io und den Motor 25 im Vor- oder Rück-.lauf ein- und auszuschalten. Bei diesen Steuervorrichtungen handelt es sich zum Beispiel um Zeitgeber 32,33 und einen von dem Zeitgeber 32 gesteuerten Spannungsregulierer 34 sowie einen von dem Zeitgeber 33 gesteuerten Stromregulierer 35. Aus dem Spannungsregulierer 34 wird der Motor 25 mit elektrischem Strom versorgt, und aus dem Stromregulierer 35 wird die Lampe 10 mit elektrischem Strom versorgt,- ■

Die Vorrichtung wird wie folgt betrieben.

Auf der nicht dargestellten Unterlage, die sich horizontal erstreckt, werden unterhalb der Bahn der Lampe 1o die zu verlötenden Elemente, die mit Lötzinn versehen sind, abgelegt. Nun wer-" den durch Drehen des Einstellknopfes 27 die Gewinde außer Eingriff gebracht und der Schlitten 6 wird von Hand in seine Startposition verschoben neben dem ersten zu verlötenden Element. Stattdessen kann man den Schlitten 6 auch mittels des Motors 25 in seine- Startposition verschieben.

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Nun wird die Lampe eingeschaltet, so daß sie einen gebündelten Infrarotlicht- oder Laserstrahl auf die Unterlage richtet. Der Motor 25 wird eingeschaltet und die Lampe 10 bewegt sich nun entlang der Reihe der bereitgelegten zu verlötenden Elemente und der gebündelte Infrarotlicht- oder Infrarotlaserstrahl heizt nacheinander, während die Lampe über die Reihe der bereitgelegten Elemente geführt wird, die vorbereiteten Lötstellen beziehungsweise das dort vorbereitete Lötzinn auf, so daß dieses schmilzt und sich die angestrebten Lötstellen bilden. Die Lampe wird schrittweise über die Reihe geführt und im Takt der Bewegungsschritte ein- und ausgeschaltet wie das im einzelnen noch weiter unten näher erläutert wird. Auf diese Weise werden nacheinander alle Lötstellen, die auf dem Wege des Strahls der Lampe bereitgelegt sind, verlötet, wobei die aufgewendete Hitze sehr genau durch die Steuerung des Motors 25 und der Strahlungsintensität der Lampe 10 reguliert werden kann. Nachdem die Lampe die in ihrer Bahn gelegenen Lötstellen abgefahren und verlötet hat, wird endgültig abgeschaltet und die Vorrichtung kann auf der Unterlage um einen Schritt, bezogen auf Figur 1 nach rechts oder links, verschoben werden, um eine nächste, parallel zur ersten Reihe auf der gleichen Unterlage, abgelegte Reihe von Lötstellen abzufahren und so fort. Zur Durchführung dieser schrittweisen Bewegung kann die dargestellte.Vorrichtung auf einem Schlitten befestigt sein, der seinerseits auf der Unterlage, bezogen auf Figur 1" von links nach rechts, schrittweise verstellbar ist.

Der Zeitgeber 33 ist so programmiert» daß die Lampe 10 nur eingeschaltet ist, während sie über Lötstellen fährt, und abge- ^v. schaltet wird, wenn sie.eine bereitgelegte Lötstellenreihe abgefahren hat, und wird wieder eingeschaltet, sobald sie auf die nächste Lötstellenreihe trifft.

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Versuch Nr. 1

Die Lampe 10 und der Motor 25 werden von dem gleichen Zeitgeber gesteuert'und die Lampe wird gleichmäßig bewegt, während sie eingeschaltet ist. Figur 3 zeigt den Schmelzbereich des Lötzinns bei einem elektrischen Stromzufluß durch die Lampe von 8 Ampere, einer Hezizzeit von 2 Minuten und einer Verschiebung der Lampe in Pfeilrichtung A mit einer Geschwindigkeit von 0,5 Millimeter pro Sekunde. Die Lötverbindungen entstehen zwischen vorbereiteten verzinnten Leitern, die auf einer nicht leitenden Unterlage von 5OiC Stärke liegen. Das Lötzinn besteht zu 60 Prozent aus Zinn und 40 Prozent aus Blei und ist in einer Stärke von 3yU* aufgetragen. In dem in Figur 3 gestrichelten Bezirk ist das Lötzinn geschmolzen, wohingegen in dem in Figur 3 schwarz gezeichneten zentralen Bezirk das Lötzinn überhitzt worden ist. Wie ersichtlich, erstreckt sich der Schmelzbereich nicht mit gleicher Breite entlang der Bewegungsrichtung der Lampe. .Wenn die Lampengeschwin— digkeit größer ist als 1 Millimeter pro Sekunde, dann wird dieser Bereich gleichmäßiger in seiner Breite, aber man erzielt unter den hier angegebenen Voraussetzungen unter Umständen nicht die gewünschte Intensität der Lötverbindung.

Versuch Nr. 2

In Figur 4 ist die Oberflächentemperatur TQ gegen den Abstand R vom Zentrum aufgetragenr Figur 4 zeigt die Temperaturverteilung gegenüber dem Zentrum des Lampenstrahls bei,verschiedenen Heizzeiten. Die Lampe war bei den Experimenten zur Aufnahme der Werte aus Figur 4 stillstehend und mit einem elektrischen Strom von 8 Ampere beheizt. ·

Versuch Nr. 3

Figur 5 zeigt die Heizzeit HZ in Sekunden, aufgetragen gegen die Kühlzeit KZ in Sekunden, bei verschiedenen Stärken des elefctri-

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sehen Heizstroms, mit dem die Lampe betrieben wird. Der Heizstrom war so bemessen, daß durch die bewegte Lampe eine möglichst gleichförmige Temperaturverteilung erzielbar ist.

Versuch Nr. 4

Die Lampe bedingt eine Abkühlzeit. Die Lampe wurde bewegt, während sie eingeschaltet-war, und wurde nach jedem Bewegungsschritt stillgesetzt bis das zuvor geschmolzene Lötmetall wieder erstarrt war. Der Schmelzbereich, der auf diese Weise bei in Pfeilrichtung B schrittweise bewegter Lampe erzielt wurde, ist in Figur 6 schraffiert eingezeichnet. Die Betriebsbedingungen waren dabei folgende. Die Heizzeit beträgt 10 Sekunden, die Kühlzeit 5 Sekunden und die übrigen Bedingungen waren die gleichen wie bei Versuch 1. Die Temperaturverteilung ist gleichförmig und ein Überhitzungsbereich, wie in Figur 3 angezeigt, ist gemäß Figur 6 nicht festzustellen. Die Festigkeit der Lötverbindungen ist jedoch unbefriedigend. Reduziert man die Geschwindigkeit, mit der die Lampe sich bewegt, dann wird zwar die Festigkeit der erzielten Lötverbindungen verbessert, aber die Geschwindigkeit, mit der die Lötvorgänge durchgeführt werden, wird herabgesetzt und das ist für eine zügige Massenproduktion von Nachteil. Die Betriebsweise nach Versuch Nr. 4 ist gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft, jedoch wegen der geringen Geschwindigkeit nicht für alle Anwendungsfälle optimal.

Versuch Nr. 5

Um den in Verbindung mit den Versuchen 1 bis 3 aufgezeigten Problemen - Überhitzungsbereich einerseits und mangelhafte Festigkeit der Lötstellen andererseits - entgegen zu wirken, wurde der Motor stillgesetzt während die Lampe eingeschaltet ist und die Lampe abgeschaltet, während sie durch den laufenden Motor 25 um einen Bewegungsschritt verschoben wurde. Die Heizbedingungen sind bei diesem Experiment die gleichen wie bei Versuch 4. Die Temperaturverteilung, die auf diese Weise erzielbar ist, ist

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gleichförmig entlang des Bereichs» den die Lampe überstrichen hat, Die Festigkeit der Lötstellen zur Verbindung von mehreren Hunderten von Leitungen von 50^, Breite und 5ΌΜ, Zwischenraum dazwischen erwies sich als ausreichend gut« Die Geschwindigkeit, mit der die Lötverbindungen einer Reihe nach Versuch Nr. 5 durchgeführt werden, ist gegenüber Versuch Nr. 4 größer. Die Betriebsweise nach Figur 5 ist daher bevorzugt.

Figur 7 zeigt die Beziehungen zwischen dem Durchmesser D des Schmelzbereichs und der Zeizzeit HZ bei verschiedenen Stromstärken der Lampenbeheizungc Jeder Schritt„ mit dem dis Lampe fortbewegt wird, ist zweckmäßig kleiner als der Durchmesser des ■ Schmelzbereichs bei dem angewendeten Lampenstrom und der angewen deten Heizzeit. Wenn diese Bedingung eingehalten wird, dann erzielt man eine -gleichförmige Verschmelzung auf dem von der Lampe überstrichenen Pfad, Bei der Betriebsweise nach Versuch 4 und wird dabei vorzugsweise so verfahren, daß die Lampe immer mindestens so lange ausgeschaltet bleibt„ bis das zuvor geschmol~ zene Lötmetall wieder erstarrt ist» Wenn die herbeizuführenden Lötstellen in großem Abstand voneinander gruppenweise angeordnet sind, dann kann man bei der Betriebsweise nach Figur 5 die Verschiebung der-Lampe schrittweise so vornehmen, daß die dazwischen gelegenen Zwischenräume _e in denen keine Lötstellen auszuführen sind, ausgespart werden.

In Abänderung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann man, wie bereits bemerkt,.anstelle einer Infrarotheizlampe auch einen Laserstrahl verwenden» Statt die Lampen ein- und auszuschalten, kann man sie eingeschaltet lassen und anstelle des Ausschaltens durch einen Hitzeschild abschirmen. Die Vorrichtung kann auch hinsichtlich der Kinematik umgekehrt betrieben werden, indem man die zu verlötenden Elemente gegenüber der feststehend angeordneten Lampe bewegt.

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Claims (6)

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung einer Reihe von nebeneinander angeordneten vorbereiteten Lötverbindungen durch Schmelzen des Lötmetalls durch Bestrahlen aus einer über die Reihe geführten Heizstrahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrahlungsquelle schrittweise über die Reihe geführt wird und daß die Strahlung ein- und ausgeschaltet wird im Takt der Bewegungsschritte der Heizstrahlungsquelle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrahlungsquelle jeweils mindestens so lange eingeschaltet bleibt, bis das angestrahlte Lötmetall hinreichend geschmolzen ist und daß die Heizstrahlungsquelle mindestens so lange ausgeschaltet bleibt, bis das zuvor geschmolzene Lötmetall wieder erstarrt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrahlungsquelle nur eingeschaltet ist, während sie gegenüber der Reihe stillsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrahlungsquelle nur eingeschaltet ist, während sie gegenüber der Reihe bewegt wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3« dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittgrö'ße der Bewegungen der Heizstrahlungsquelle gegenüber der Reihe in Abhängigkeit von der Hitzeintensität der Strahlung, der Einwirkungsdauer und der erforderlichen Schmelzwärme so bemessen ist, daß aufeinander folgende Schmelzbereiche' einander überdecken.

6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 , 2., 3 und 5 mit einer motorgetriebenen Einrichtung zur Bewegung einer Heizstrahlungsquelle über einer Reihe vorbereiteter Lötstellen, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung ( 3o ) zur.Ein- und Ausschaltung des Motors ( 25 ) und der Heizstrahlungsquelle ( 1o J₉ derart, daß die Heiz? strahlungsquelle ( 1o ) nur eingeschaltet ist, während der Motor ( 25 ) abgeschaltet ist«

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