DE2502900A1

DE2502900A1 - Verfahren und vorrichtung zum gleichmaessigen aufschmelzen galvanischer schichten auf gedruckten schaltungen

Info

Publication number: DE2502900A1
Application number: DE19752502900
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Laubmeyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-01-24
Filing date: 1975-01-24
Publication date: 1976-07-29

Description

Verfahren und Vorrichtung zum gleichmässigen Aufschmelzen galvanischer Schichten auf gedruckten Schaltungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichmässigen Aufschmelzen von galvanischen Zinn-Blei-Schichten auf Leiterbahnen einer beidseitig ausgebildeten starren oder#flexiblen gedruckten Schaltung, die durch metallisierte Löcher in der Trägerplatte verbunden sind, bei welchem die Trägerplatte mit den galvanisch beschichteten Leiterplatten in ein heisses, temperaturgesteuertes Ölbad für eine vorgewählte Zeitdauer eingetaucht wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bekanntlich hängt die Zuverlässigkeit aller elektronischen Geräte weitgehend vcnder Qualität aller Lötstellen ab wobei die Differenzen bezüglich der Qualität zwischen den Lötstellen so klein wie möglich sein müssen.
Weiterhin werden bekanntlich zur Erleichterung der Lötarbeiten auf gedruckten Schaltungen die Kupfer-Leiterbahnen vielfach galvanisch verzinnt, um die Oxidation der Kupferoberflächen zu vermeiden. Hierbei wird für höchste Qualitätsansprüche eine galvanische Zinn-Blei-Legierung mit einem Zinn-Blei-Verhältnis von 60 : 40 in einer Stärke von 12 bis 15 ,u aufgebracht und nachfolgend diese Schicht durch einqnWärmeprozeß, beispielsweise durch Einwirkung mit Wärmestrahlung oder durch Eintauchen in ein heisses ölbad, aufgeschmolzen.
Hierbei ergeben sich Probleme beim Durchmetallisieren der Verbindungslöcher, da an den Lochkanten andere Abscheidungs-und Aufschnelzbedingungen als auf den Leiterbahnflächen und wiederum andere Abscheidungs- und Aufschmelzbedingungen als in den Löchern selber herrschen. Hierdurch können leicht Risse an den kritischen Stellen entstehen. Deshalb ist es auch zur Erfüllung höchster Qualitätsansprüche bekannt, eins Drahtbügel in jedes Verbindungsloch, das nicht durch den Komponentendraht eines Bauteiles besetzt ist, einzulegen, der auf beiden Seiten der Trägerplatte angelötet ist. Dieser Drahtbügel soll eventuell vorhandene Ungleichmässigkeiten der in Form einer Diffusionszone gebildeten Verbindung zwischen der Kupfer-Leiterbahn undder aufgeschmolzenen Zinn-Blei-Schicht im Bereich des äeweiligen Verbindungsloches überbrücken. Denn wenn die Diffusionszone zwischen Kupfer-Leiterbahn und aufgeschmolzener Zinn-Blei-Schicht Inhomogenitäten nach Stärke und Unterbrechungen auSweist, kann sich die Qualität der in diesem Bereich ausgebildeten Lötstelle mehr oder weniger der einer kalten Lötstelle annähern.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Gattung, mit welchem es möglich ist, eine optimal gleichmässige Verbindung zwischen den Kupfer-Leiterbahnen einerseits und der aufgebrachten galvanischen Zinn-Blei-Schicht andererseits unter Einschluss des Bereiches der Verbindungslöcher herzustellen, sowie die Schaffung einer Vorrichtung zur iurchführung des Verfahrens.
Erfindungsgemäss ist zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehen, dass die Trägerplatte mit einer vorgewählten regelbaren Eintauchgeschwindigkeit in das ölbad eingetaucht wird, dass die vollständig in das ölbad eingetauchte Trägerplatte in diesem mit einem vorbestimmten, einstellbaren Hub in Richtung der Längsachse der Verbindungslöcher mit einer voreingestellten regelbaren Frequenz für eine vorgewählte Zeit hin- und herbewegt wird und dass anschliesserüdie Trägerplatte mit einer vorgewählten Auftauchgeschwindigkeit herausgehoben wird.
Hierbei weist vorteilhafterweise der Hub eine Lange auf, die größer als die axiale Abmessung der Verbindungslöcher ist, wobei die Länge des Hubes bevorzugt wenigstens einige I;IilliZ meter beträgt.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die kleinen Bewegungen in Richtung der Längsachse der Verbindungslöcher das heiße Öl durch die metallisierten Löcher gepreßt und dadurch der Schmelzvorgang beschleunigt wird. Es kann hierbei sogar erreicht werden, daß der Schmelzvorgang in den Verbindungslöchern früher einsetzt als der Schmelzvorgang auf- den flächigen Leiterbahnen. Die vorstehend genannte Au£-gabe ist optimal gelöst, wenn das Aufschmelzen in den metallisierten Verbindungslöchern einerseits und auf den flächigen Leiterbahnen andererseits gleichzeitig erfolgt.
Um dieses Optimum zu erreichen, ist bei einem bevorzugten Verfahren vorgesehen, daß sowohl die Eintauchgeschwindigkeit und die Auftauchgeschwindigkeit als auch die Hublänge, Frequenz und Zeitdauer der Hin- und Herbewegung in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien für die Trägerplatte, Beiterbahnen und Zinn-Blei-Schicht, dem Durchmesser und der axialen Länge der Verbindungslöcher sowie der Art und Temperatur des Öles in Versuchen so festgelegt werden, daß das Aufschmelzen der Zinn-Blei-Schicht einerseits auf den IJeiterbahnen und andererseits in den Verbindungslöchern möglichst gleichzeitig erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die sogenannten vielachichtigen gedruckten Schaltungen, die gemäß der sogenannten ~Multilayer"-Technik hergestellt worden sind.
In diesem Fall ist vorteilhafterweise das Öl des Ölbades ein leicht abwaschbares, schwaches Flußmittel für Weichlötung, während im Zusammenhang mit einer eine wärmeempfindliche gedruckte Schaltung aufweisenden Trägerplatte vor dem Eintauchen in das zum Aufschmelzen dienende Ölbad die Trägerplatte vorgewärmt wird, indem sie zuvor in ein zweites, temperaturgesteuertes Ölbad mit einer Zwischenteinperatur eingetaucht wird.
Die Zwischentemperatur ist dabei vorteilhafterweise etwa 50-90% der Aufschmelztemperatur.
Durch die Verwendung eines schwachen Flußmittels wird der Vorteil erreicht, daß Fehler beim Galvanisieren löttechnisch beseitigt werden. Durch das stufenweise Aufheizen in Ölbädern mit verschiedener Temperatur werden Wärmeschocks vermieden.
Beispielsweise liegt für gedruckte Schaltungen, die mit der "Multilayer"-Technik hergestellt worden sind, die Auf schmelztemperatur bei 220 °C, die zu einem unerwünschten Wärmeschock bei den Materialien der gedruckten Schaltung führen kann, wenn sie zu schnell erreicht wird. Deshalb erfolgt in diesem Falle vorteilhafterweise in einer Zwischenstufe ein Aufheizen z.B. auf 120°C, gegebenenfalls bis 1800C , und erst dann das endgültige Aufheizen bis zur Aufschmelztemperatur von 210 - 22000. Die Erreichung der Aufschmelztemperatur hängt ab von der Tauchzeit.
Bei längeren Tauchzeiten von z.B. 10 sec kann die Aufschmelztemperatur auch schon bei 18500 erreicht werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchfahrung des Verf ahrens zeichnet sich aus durch wenigstens eine beheizbare- Ölwanne mit Temperatursteuerung, durch wenigstens einen Tragarm, an dem wenigstens eine gedruckte Schaltung anbringbar ist, durch eine absenkbare und anhebbare Taucheinrichtung und durch eine periodisch hin und her antreibbare Bewegungseinrichtung, die mit dem Tragarm verbunden ist. Dabei ist sorteilhaS-terweise der Tragarm über die Bewegungseinrichtung mit der Taucheinrichtung verbunden, wa~hrend bevorzugt die Länge des Hubes der Bewegungseinrichtung einstellbar ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung umfaßt die Bewegungseinrichtung einen Getriebemotor, auf dessen Welle eine Stellscheibe angeordnet ist, mit der ein mit dem Tragarm verbundener Pleuel über eine radial auf der Stellscheibe verschiebbares Drehgelenk verbunden ist.
Bevorzugt ist die Bewegungseinrichtung auf und ab beweglich, wobei sie wenigstens zwei sich entgegengesetzt zueinander erstreckende, miteinander verbundene und relativ zur Taucheinrichtung parallel zu deren#Längsaqhse bewegliche Tra-garme antreibt.
Die Taucheinrichtung-umfaßt vorteilhafterweise eine pneum8-tische oder hydraulische Hubkolbenanordnung.
Außerdem ist bevorzugt eine Taktsteuereinrichtung vorgesehen, mit der das Senken und Heben der Taucheinrichtung auslösbar-und deren Senk- und Hubgeschwindigkeit wählbar sowie die Frequenz der Bewegungseinrichtung einstellbar sind.
Wenn bei der Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens erreicht wird, dass das Aufschmelzen auf den flächigen Leiterbahnen einerseits und in den metallisierten Verbindungslöchern andererseits gleichzeitig erfolgt, wird eine homogene Diffusionszone überall zwischen den Kupfer-Leiterbahnen und der Zinn-Blei-Schicht erreicht. Auch für das Aufschmelzen von Sn/Pb auf flexible Schaltungen ist das Verfahren sehr vorteilhaft, zumal das Aufschmelzen bei Temperaturen von 18 - 195° erfolgen kann, so dass mechanische,latente Spannungen im Film der flexiblen Schaltung sich nicht durch Schrumpfung oder Verziehen auswirken können, zumal solche Wirkungen erst bei Temperaturen über 2100 erfolgen können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in der einzigen Figur der Zeichnung ist eine zwei Ölwannen und zwei sich diametral zueinander erstrekkende Tragarme aufweisende Aufschflelzvorrichtung im Schnitt schematisch dargestellt.
Nach der Zeichnung umfaßt eine erfindungsgemäße Aufschmelzvorrichtung 10 eine als Säule dienende Hubkolbenanordnung 34.
In der Zeichnungsebene ist auf weder Seite der Hubkolbenanordnung 34 eine Ölwanne 14 bzw. 14' angeordnet.
Am oberen Ende der Hubkolbenanordnung ist ein Getriebemotor 24 mit dieser verbunden. Der Getriebemotor 24 weist zwei sich diametral zueinander erstreckende Wellen 26, 26' auf, die beide ~unter einem rechten Winkel zur Längsachse 32 der Hubkolbenanordnung angeordnet sind. An dem freien Stirnende jeder Welle 26 und 26' ist eine Stellscheibe 28 bzw. 281 angeordnet. Von jeder Stellacheibe 28 und 28' erstreckt sich rechtwinklig zu der zugeordneten Welle 26 bzw. 26' ein Pleuel 30 bzw. 30'. Die Pleuel 30 und 30' sind mit ihrer zugeordneten Stellscheibe ueber ein Drehgelenk verbunden, weiches auf der Stellsoheibe radial verschiebbar einstellbar iat.
Jeder Pleuel 30 und 30' ist mit einem Verbindungsarm 36 bzw.
36' gelenkig verbundXen, welcher seinerseits mit einem. Tragarm 16 bzw 16' fest verbunden ist, der sich rechtwinklig zu der Längsachse des zugeordneten Verbindungsarmes und der Ebene der zugeordneten Stellacheibe und somit parallel zu der Längsachse der zugeordneten Welle des Getriebemotors erstreckt.
Die beiden dargestellten Tragarme 16 und 16' erstrecken sich entgegengesetzt zueinander und sind zwischen ihren zueinander gerichteten Enden durch eine Platte verbunden, die um die Hubkolbenanordnung 34 herumgreift und relativ zu dieser parallel zu deren I~angsachse 32 beweglich ist.
Jeder Tragarm 16 und 16' ist mit einer Einhängeeinrichtung 18 bzw. 181 vorgesehen, in die eine zu behandelnde gedruckte Schaltung 12 bzw. 12' eingehangen werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt jede Einhängeeinrichtung 18 bzw. 181 vier Hakenteile, von denen zwei in der Zeiohnungsebene dargestellt sind, während die übrigen zwei in'einer zur Zeichenebene versetzten Ebene angeordnet sind.
Die Hubkolbenanordnung 34 bildet eine Yaucheinrichtung 20, mit der die eingehängten gedruckten Schaltungen' 12 bzw. 12' in das heiße Öl der zugeordneten Ölwanne 14 bzw. 14' abgesenkt und aus diesem wieder herausgehoben werden können. Hierzu führt der bewegliche Teil der Hubkolbenanordnung 34 eine Bewegung in Richtung des Pfeiles F aus.
Der Getriebemotor 24 bildet zusammen flit seinen Wellen 26, 26', den Stellscheiben 28, 28' und den Pleueln 30, 30' eine Bewegungseinrichtun#2mit der die gedruckten Schaltungen 12, 12' in ihrem in das Öl in der Ölwanne 14, 14' eingetauchten Zustand mit einem Hub von wenigen Millimetern periodisch hin- und herbewegt werden können.
Der in der Zeichnung dargestellten Aufschmelzvorrichtung ist noch eine nicht dargestellte Taktsteuereinrichtung zugeordnet, mit der das Senken und weben der Taucheinrichtung ausgelöst und deren Senk- und EubgeschxfindigL-eit vorgewählt wird, wa~hrend außerdem die frequenz der Bewegungseinrichtung eingestellt werden kann. Ber Hub für die Hin- und Herbewegung der gedruckten Schaltungen in dem heißen Öl wird eingestellt, indem das Drehgelenk jedes Pleuels auf der zugeordneten Stellacheibe radial verschoben wird.
Wenn Trägerplatten mit wärmeempfindlichen gedruckten Schaltungen, beispielsweise gemäß der ~Multilayer"-Technik hergestellten gedruckten Schaltungen behandelt werden sollen, kann das Aufheizen bis zur Auf schmelztemperatur in Stufen erfolgen.
Es kann beispielsweise erfolgen, indem das Öl in der in der Zeichnung rechts dargestellten Ölwanne 14 bis zur Auf schmelztemperatur aufgeheizt wird, während das Öl in der in der Zeichnung links dargestellten Ölwanne 14' nur bis zu einer Zwischentemperatur, die etwa halb so hoch wie die Aufschmelztemperatur ist, aufgeheizt wird. Es wird dann jede zu behandelnde gedruckte Schaltung zunächst in das Öl in der Ölwanne 14' eingetaucht und dort nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt und nach dem Herausheben durch Drehen der Bewegungs einrichtung 22 um die Längsachse 32 der Hubkolbenanordnung 34 über die Ölwanne 14 geführt und in diese abgesenkt und auch dort nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Wesentlich ist, daß in dem Ölbad, das die Aufschmelztemperatur aufweist, die behandelte gedruckte Schaltung gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag mit einem Hub von wenigen Millimetern für eine vorbestimmte Zeit hin- und herbewegt wird, damit das Aufschmelzen auf den flächigen teiterbahnen einerseits und in den metallisierten Verbindungslöchern andererseits möglichst gleichzeitig erfolgt.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum gleichmässigen Aufschmelzen von galvanischen Zinn-Blei-Schichten auf Leiterbahnen einer beidseitig ausgebildeten starren oder flexiblen gedruckten Schaltung,-die durch metallisierte Löcher in der Trägerplatte verbunden sind, bei welchem die Trägerplatte mit den galvanisch beschichteten Leiterplatten in ein heisses, temperaturgesteuertes Ölbad für eine vorgewählte Zeitdauer eingetaucht wird, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, dass die Trägerplatte (12, 12') mit einer vorgewählten Eintauchgeschwindigkeit in das Ölbad (14, 14') eingetaucht wird) dass die vollständig in das Ölbad (14, 14') eingetauchte Trägerplatte (12, 12') in diesem mit einen vorbestimmten Hub in Richtung der Längsachse der Verbindungslöcher mit einer voreingestellten FreQuenz für eine vorgewählte Zeit hin- und herbewegt wird und daß anschließend die Trägerplatte (12, 12') mit einer vorgewählten AuStauchgeschwindigkeit herausgehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub eine Länge aufweist, die größer als die axiale Abmessung der Verbindungslöcher ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hubes einige Millimeter beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl des Ölbades (14, 14') ein leicht abwaschbares, schwaches Flußmittel für Weichlötung ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine wärmeempfindliche bedruckte Schaltung aufweisende Trägerplatte (142 14') vor dem Sintauchen in das zum Aufschmelzen dienende Ölbad (14, 14') vorgewärmt wird, indem sie zuvor in ein zweites, temperaturgesteuertes Ölbad mit einer Zwischentemperatur, die etwa 50 -90% der AuSschmelztemperatur ist, einCetaUcht wir~

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekermzeichnet, daß sowohl die Eintauchgeschwindigkeit und die MuStauchge5charindiglceit als auch die Hublänge, Frequenz und Zeitdauer der Hin- und Herbewegung in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien für die Trägerplatte (12, 12'), leiterbahnen und Zinn-Blei-Schicht, dem Durchmesser und der axialen Länge der Verbindungslöcher sowie der Art und Temperatur des Öles in Versuchen so festgelegt werden, daß das Aufschmelzen der Zinn-Blei-Schicht einerseits auf den Leiterbahnen und andererseits in den Verbindungslöchern möglichst gleichzeitig erfolgt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch wenigstens eine beheizbare Ölwanne (14, 14')'mit Temperatursteuerung, durch wenigstens einen Tragarm (16, 16?), an dem wenigstens eine gedruckte Schaltung (12, 12#) anbringbar (18, 18') ist, durch eine absenkbare und anhebbare Taucheinrichtung (20) und durch eine periodisch hin und her antreibbare 3ewegungseinrichtung (22), die mit dem Tragarm (16, 16') verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragarm (16, 161) über die Bewegungseinrichtung (22) mit der Taucheinrichtung (20) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hubes der Bewegungseinrichtung (22') einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (22) einen Getriebemotor (24) umfaßt, auf dessen Welle (26, 26') eine Stellscheibe (28, 28t) angeordnet ist, mit der ein mit dem Tragarm (16, 162) verbundener Pleuel (30, 30') über ein radial auf dieser (28, 282) verschiebbares Drehgelenk verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegumgseinrichttmg (22) auf und ab beweglich ist und wenigstens zwei sich entgegengesetzt zueinander erstreckende, miteinander verbundene und relativ zur Taucheinrichtung (20) parallel zu deren Längsachse (32) bewegliche Tragarme (16, 16') antreibt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Taucheinrichtung (20) eine pneumatische oder hydraulische Hubkoltenanordnung (34) umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Taktateuereinrichtung vorgesehen ist, mit der das Senken und Heben der Taucheinrichtung (20) auslösbar und deren Senk- und Hubgeschwindigkeit wählbar und die Frequenz der Bewegungseinrichtung (22) einstellbar sind.