DE2359154A1

DE2359154A1 - Loetanordnung

Info

Publication number: DE2359154A1
Application number: DE2359154A
Authority: DE
Inventors: Frank Hilary Sarnacki; Robert Vernon Steenstrup
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-11
Filing date: 1973-11-28
Publication date: 1974-06-12
Also published as: FR2210080A1; JPS5319300B2; DE2359154C2; CA994611A; GB1410306A; US3825164A; FR2210080B1; JPS4996949A

Description

Böblingen, den 26. November 1973

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y* 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: EN 972 042

Lötanordnung .

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Löten an gedruckten Schaltungskairten als¹ Substrate in einem Tank mit einem Lötmittel^ vorrat, der durch Heizmittel im flüssigen Zustand gehalten wird und mit einer ein Leitungssystem speisenden Lötmitte!pumpe, die über Lötdüsen die im Tank oberhalb des Lötmittelspiegels gehaltene gedruckte Schaltungskarte an den zu lötenden Stellen besprüht .

Es sind viele Anordnungen und Methoden bekannt, um Bauelemente ■ auf gedruckten Schaltungskarten aufzulöten. Im allgemeinen wird dabei so vorgegangen, daß zunächst die zu lötenden Oberflächen gereinigt und dann mit einem Flußmittel versehen werden, wobei die einzelnen Komponenten vorgeheizt werden. Anschließend werden die zu verlötenden Oberflächen über schmelzflussige Lötmittel geleitet oder in Tanks mit geschmolzenem Lötmittel eingetaucht. Die Erfordernisse zum Betrieb einer solchen Fertigungslinie schließt die Ausstattung mit aufwendiger Ausrüstung ein ebenso wie umständliche und komplizierte Verfahrensschritte.

Bei einem anderen Lötverfahren, das als Wellenlötung bekannt ist,

wird ein geschmolzenes Lötmittel ständig nach oben über eine relativ enge Düse gedrückt, die im allgemeinen quer zur Bewegungsrichtung der Werkstücke verlängert ist. Das nach oben gedrückte

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flüssige Lötmittel überflutet diese Düse derart, daß sich eine stehende Welle geschmolzenen Lötmittels oberhalb der Düse bildet. Bei diesem Lötverfahren wird das zu lötende Werkstück horizontal unter ständigem Kontakt mit dem Lötmittel geführt. Hierbei muß speziell die Aufmerksamkeit darauf gerichtet sein, daß das Werkstück in der richtigen Lage über die Lötmittelwelle geführt wird, um sicherzustellen, daß eine ausreichende Kontaktierung des Werkstücks mit dem Lötmittel zur Erzielung einwandfreier Lötstellen erfolgt.

Bei allen oben genannten Verfahren ist die Anwendung der hierzu erforderlichen hohen Temperaturen schädlich, wenn wärmeempfindliche Bauelemente auf Schaltungskarten gelötet werden sollen; unter Umständen gilt dies auch für die Sch.altungskarten selbst.

In der USA Patentschrift 3 298 588 ist ein gänzlich anderes Verfahren zum Löten von Verbindungen auf gedruckten Schaltungskarten gezeigt. Bei der hierzu verwendeten Maschine dient ein geeignetes Förderband zum Transport der gedruckten Schaltungskarten, die zunächst durch einen Flußmitteltank geführt werden, um dann mit einem Flußmittel besprüht zu werden. Das Flußmittel wird zu vertikalen Sprühdüsen gepumpt, die die jeweilige Schaltungskarte besprühen, "sobald sie hieran vorbeigeführt wird. Das überschüssige Sprühmittel tropft von der jeweiligen Schaltungskarte ab und fällt in den Tank zurück. Mit Hilfe des Förderbandes wird dann anschließend die Schaltungskarte in einen Lot- und Beblasungstank geführt. Hierin wird das Lötmittel über in der senkrechten angeordnete Sprühdüsen auf beiden Seiten der jeweils eingeführten Schaltungskarte gesprüht, um dann das überschüssige Lötmittel auf beiden Seiten der Schaltungskarte unmittelbar nach dem Lötvorgang mit Hilfe von Erdnußöl abzublasen.

In der USA Patentschrift 3 452 916 ist ein Lötapparat und ein -verfahren gezeigt, bei dem ein Tank mit geschmolzenem Lötmittel vorgesehen ist, das in Form eines Springbrunnens gegen die untere Oberfläche der horizontal über dem Tank vorbeigeführten Schaltungskarte gesprengt wird. Um ein Oxidieren des Lötmittels zu verhindern,

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ist es erforderlich, den flüssigen Lötmitte!vorrat"mit einer geeigneten Flüssigkeit oder öl abzudecken.

Nachteilig bei all diesen Verfahren ist es jedoch, daß die Anwendung der Flußmittel nicht gleichzeitig mit dem Lotvorgang er-· folgt, so daß besondere Vorkehrungen und Maßnahmen dafür getroffen werden müssen, die zu lötenden Oberflächenbereiche benetzt zu halten. Weitere Maßnahmen sind für die Verhinderung der Oxydation des Lötmittels vorzusehen.

In Behebung der Nachteile bekannter Verfahren besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Lötanordnung bereit zu stellen, die unter Anwendung niedrigschmelzender Lötmittel eine schnellere Durchsatzrate von zu lötenden Substraten durch eine Lötajiordnung geatattet.

Für die eingangs beschriebene Anordnung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spiegel einer den Tank oberhalb des Lötmittelspiegels füllenden Flußmittellösung oberhalb der Lötdüsen liegt und daß eine Substrathaltevorrichtung zum Absenken des Substrats in die Flußmittellösung und zur Herausnahme

. des Substrats bei einstellbarer Substratgeschwindigkeit.vorgesehen ist, indem eine gemeinsame Heizvorrichtung zur Beheizung des Lötmittels sowie'der Flußmittellösung dient.

In vorteilhafter Weise erfolgt dabei das Besprühen der Substratoberflächen bei voreingestellter Herausnahmegeschwindigkeit des jeweiligen Substrats. Infolge der Schwerkraft fällt das überschüssige Lötmittel in den Tank zurück. Die'vorteilhafte Anwendung ' einer Zinn-Wismut-Legierurig gestattet dabei die Einhaltung eines niedrigen Schmelzpunktes, wobei außerdem zustatten kommt, daß der Lötvorgang selbst im Flußmittellösungsbad stattfindet. In vorteilhafer Weise wird dabei das Flußmittellösungsbad auf einer Temperatur zwischen etwa 16 ⁰C und angenähert 40 ⁰C oberhalb der - Temperatur des Schmelzpunktes des verwendeten Lötmittels gehalten.

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Nach Absenken der Schaltungskarte in die Flußmittellösung wird, die Karte zunächst zum Aufheizen eine Zeit lang angehalten, bevor sie dann herausgenommen und gleichzeitig mit dem Lötmittel besprüht wird. In vorteilhafter Weise setzt der Sprühvorgang erst dann ein, wenn die Substrattemperatur mit der der Flußmittelbadlösung in etwa übereinstimmt. Die Besprühung der Kartenoberflächen mit dem Lötmittel erfolgt so_f daß eine gleichmäßige Verteilung des Lötmittels gewährleistet ist.

Im einzelnen wird dabei so vorgegangen, daß sobald beim Einsetzen des Sprühvorgangs das Lötmittel die Substratoberfläche berührt, die Bewegung der Halteeinrichtung des eingetauchten Substrats zur Herausnahme des Substrats eingeleitet wird. Die hydraulische Wirkung des aufgesprühten Lötmittels sowie die Kapillarwirkung hohen zur Folge, da.ß da.s Lötmittel in die vorgesehenen Zwischenräume der Lötstellen eindringt.

Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren gestatten es, Lötmittellegierungen relativ geringen Schmelzpunktes anzuwenden, so daß sich geringere Wärmegradienten und geringere Dehnungsbeanspruchungen infolge der verringerten Wärmeeinwirkung ergeben. Außerdem ist dank des Besprühens mit Lötmittel im Flußmittelbad die Durchsatzrate der Substrate wesentlich höher wählbar als es bisher möglich ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der aufgeführten Zeichnung und aus den Patentansprüchen.

Die Zeichnung zeigt eine Anordnung zum Löten gedruckter Schaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

In der Zeichnung ist zur Behandlung und Weiterverarbeitung von gedruckten Schaltungskarten oder dergleichen ein Tank IO gezeigt, der eine Schmelz- und Löteinrichtung beherbergt. Am Boden des Tanks 10 befindet sich ein Lötmittelvorrat 11 und eine Flußmittel-

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badlösung 12, die vorzugsweise wasserlöslich ist, unmittelbar oberhalb des LötmitteIvorrats 11. Wände und Boden des Tanks 10 sind mit Heizwicklungen 13 ausgestattet, die einer hier .nicht gezeigten Regelung unterliegen; um zu gewährleisten, daß die Temperatur des FlußmitteIbades 12 auf etwa -1 C bis 38 ⁰C oberhalb des Schmelzpunktes der geschmolzenen Lötlegierung gehalten wird. Eingetaucht in die Flußmittelb-adlösung und vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Flußmittelbades 12 angeordnet sind ein oder mehrere Lötdüsen 14. Ihr Abstand hängt

von der Breite und Dicke der zu verlötenden Karte 15ab; sie werden aus dem Lötmittelvorrat 11 mit Hilfe einer Lötmitte!pumpvorrichtung 16 gespeist. Die Lötdüsen 14 sind einander gegenüberliegend angeordnet, um beide Seiten der gedruckten Schaltungskarten 15 zu löten. Die Lötmittelpumpvorrichtung enthält die eigentliche Pumpe. 17 mit dem Pumpstutzen 18 zum ,Einlaß <tes^ Lötmittels aus dem Vorrat H-. Ein Leitungssystem 19 transportiert das Lötmittel nach oben und verteilt es auf die einzelnen Düsen 14 über die jeweiligen Düsenköpfe 14a. Mit Hilfe der Düsen 14 wird das Lötmittel jeweils an die gewünschten Stellen der gedruckten Schaltungskarten gespritzt.

Eine Haltevorrichtung 20 dient zum Halten einer gedruckten Schaltungskarte 15 mit den hierauf befindlichen, jedoch hier nicht gezeigten Bauelementen in der jeweils gewünschten Lage. Die Haltevorrichtung 20 ist so eingerichtet, daß die gedruckten Schaltungskarten 15 jeweils in einem vorgegebenen Abstand von den Lötdüsen 14 nach Einlegen in den Tank 10 gehalten werden. Die Lötdüsen 14 lassen sich so steuern, daß das Lötmittel entweder, nur gegen eine Seite der eingelegten gedruckten Schaltungskarten oder gegen beide Seiten der eingelegten gedruckten Schaltungskarten gleichzeitig gespritzt wird; hierzu dient das Ventil 21.

Bei Betrieb wird eine gedruckte Schaltungskarte, die mit durch ihre Stifte jeweils an den vorgesehenen Stellen gehaltenen Bauelementen bestückt sind, in die Haltevorrichtung 20 so eingelegt, daß die Stiftköpfe den Lötdüsen 14 gegenüber zu liegen kommen. Die

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Haltevorrichtung 20 mit der so befestigten gedruckten Schaltungskarte 15 wird dann vertikal in den Tank 10 mit einer kontrollierten Geschwindigkeit abgesenkt bis sie vollständig in der Flußmittelbadlösung 12 untergetaucht ist; worauf dann die Abwärtsbewegung der Haltevorrichtung 20 angehalten wird und das Substrat 15 einer Vorheizung unterzogen wird. Die Vorheizperiode für das Substrat hängt von verschiedenen Bedingungen ab:

1. von den physikalischen Eigenschaften der Flußmittellösung,

2. von der Beschaffenheit der gedruckten Schaltungskarte 15,

3. von der Anzahl der hierauf befestigten Bauelemente,

4. von Masse und Form der Haltevorrichtung 20.

Nähert sich die Substrattemperatur der des Bades 12, die ja höher liegt als die Temperatur des Lötmittelschmelzpunktes, dann wird das geschmolzene Lötmittel aus dem Vorrat 11 zu den Düsenkopfen 14a gepumpt, um es dann auf die Düsen 14 zu verteilen.*, die das Lötmittel unter gleichmäßiger Verteilung des: geschmolzenen Lötmittels auf die gedruckte Schaltungskarte 15 sprühen bzw. schleudern. Sobald das Lötmittel beim Sprühen die gedruckte Schaltungskarte 15 berührt, wird gleichzeitig über eine Auslösevorrichtung die Haltevorrichtung 20 aus der Flußmittelbad- , lösung 12 mit vorbestimmter Geschwindigkeit herausgezogen, die aus Erfahrung am besten zwischen 60 und 210 cm/sec liegt. Jedoch können auch andere Geschwindigkeitswerte zweckmäßig sein, wenn unterschiedliche Substrat- oder Lötlegierungsmaterialen Verwendung finden. Die hydraulische Wirkung sowie die Kapillarwirkung des Sprühmittels lassen das Lötmittel in die gestifteten und ungestifteten Löcher der gedruckten Schaltungskarte 15 eindringen, so daß ausgefüllte Verbindungen an der Kartenoberfläche gebildet werden. Der Betrag des an der metallischen Schaltkreisstruktur anhängenden Lötmittels variiert mit den Sprühsystemcharakteristiken sowie mit den zur Verfügung stehenden Legierungsoberflächenbereichen. Der nicht an der gedruckten Schaltungskarte anhängende Lötmittelüberschuß fällt unter Einwirkung der Schwerkraft wieder in den Lötmittelvorrat zurück.

In einer Versuchs anordnung ist z.B. eine eutektische Zinn-Wismut-Lötlegierung verwendet worden. Die Temperaturen des Vorrats des

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geschmolzenen Lötmittels variierten dabei von etwa 150 ⁰C bis 160 ⁰C. Die Temperatur des FlußmitteIbades 12 wurde auf ungefähr 16 ⁰C oberhalb des Schmelzpunktes der Lötmittellegierung gehalten. Es hat sich gezeigt, daß ein annehmbarer Betrag des Lötmittels sich auf der gedruckten Schaltungskarte 15 niederschlagen läßt, wenn der Abstand der gedruckten Schaltungskarte von der Lötdüse 14 ungefähr 12 mm bis 50 mm beträgt und wenn die Geschwindigkeit des Herausziehens der gedruckten Schaltungskarte aus dem Bad auf etwa 60 cm/min bis angenähert 210 cm/min gehalten wird. Der LÖtmitteIpumpdruck betrug dabei 0,35 bis angenähert

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0,7 kg/cm . Wenn auch die Anwendung dieser Parameter zu akzeptabel löteten Oberflächen geführt hat, dürften doch ohne weiteres auch andere Lötlegierungen zufriedenstellend Anwendung finden können. Fernerhin hat sich gezeigt, daß die Anordnung der Lötdüsen unterhalb der Oberfläche der Flußmittel lösung 12 _;zu beaten Resultaten führte, wenn der Abstand von der Oberfläche zwischen angenähert 12 mm bis etwa 62 mm liegt. Es hat sich fernerhin gezeigt, daß der Druck bei verschiedenen Tauchtiefen einen bemerkenswerten Einfluß auf die Ergebnisse der lötgesprühten Oberflächen hat. Der Betrag des niedergeschlagenen Lötmittels läßt sich durch Ändern der Betriebsparameter während des Prozesses variieren.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Anordnung zum Löten an gedruckten Schaltungskarten als Substrat in einem Tank mit einem LötmitteIvorrat, der durch Heizmittel im flüssigen Zustand gehalten wird, und mit einer ein Leitungssystem speisenden Lötmittelpumpe, die über Lötdüsen, die im Tank oberhalb des Lötmittelspiegels gehaltene gedruckte Schaltungskarte an den zu lötenden Stellen besprüht, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel einer den Tank (10) oberhalb des Lötmittelspiegels füllende Flußmittellösung (12) oberhalb der Lötdüsen (14) liegt und daß eine Substrathaltevorrichtung (20) zum Absenken des Substrats (15) in die Flußmittellösung (1.2) und zur Herausnahme des Substrats (15) bei einstellbares Substratgeschwindigkeit vorgesehen ist, indem eine gemeinsame Heizvorrichtung (13) zur Be" heizung des Lötmittelvorrats (11) sowie der Flußmittellösung (12) dient.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Temperatur des geschmolzenen Lötmittels (U) und der Flußmittellösung (12) auf ungefähr 16 ⁰C oberhalb des Lötmittelschmelzpunktes gehalten wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Lötdüsen (14) und dem Substrat (15) auf etwa 12 mm bis angenähert 50 mm gehalten wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratgeschwindigkeit relativ zu den Düsen (14) etwa 60 cm/min bis angenähert 210 cm/min beträgt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Lötmittelspeisepumpe (17)

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verursachte Druck etwa.0/35 kg/cm bis angenähert 0,7 kg/cm beträgt.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lötmittel (11) eine Zinn-Wismut-Legierung dient.
7. Anordnung,nach den Ansprüchen 1 oder 6, dadruch gekennzeichnet, daß die Lötdüsen (14) zwischen angenähert 12 mm bis etwa 62 mm unterhalb des Flußmittellösungsspiegels liegen.

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