DE2622000A1

DE2622000A1 - Verfahren und vorrichtung zum anloeten eines drahtes

Info

Publication number: DE2622000A1
Application number: DE19762622000
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Brill; Guenter Dipl Chem Dr Krueger; Guenther Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-05-18
Filing date: 1976-05-18
Publication date: 1977-12-01

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Anlöten eines Drahtes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlöten eines Drahtes in einer Anordnung mit kleinen Abmessungen, insbesondere in einer Dünnschicht-Hybridschaltung.
Bekannte Verfahren zum Anbringen eines elektrischen Anschlußdrahtes in Anordnungen mit kleinen Abmessungen bedienen sich des sogenannten Bondverfahrens; hierzu gehört z.B. die Thermokompression sowie die Ultraschalltechnik. Diese bekannten Verfahren verfolgen zwar den gleichen Zweck des Anbringens von elektrischen Anschlußdrähten auf Schaltkreisen, sie verwenden jedoch nicht die Weichlöttechnik. Weiterhin ist die Verwendung von Heißgasdüsen grundsätzlich bekannt, und zwar sowohl für Schmelz-wie auch für Lötprozesse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und betriebs sicheres Verfahren sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung anzugeben, rijt denen elektrische Anschluß-oder Verbindungsdrähte in Schaltungsanordnungen mit kleinen oder sehr kleinen Abmessungen angelötet werden können, insbesondere soll sich das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung für die Verwendung in Dünnschicht-Hybridschaltungen eignen; es wird eine Mindestzahl von Teilarbeitsgängen und somit eine möglichst kurze Zeitdauer für den gesamten Lötvorgang angestrebt.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgernäßen Verfahren dadurch gelöst, daß ein vorverzinnter Lötpunkt berührungslos mittels eines gezielten Heißgasstrahles erhitzt wird, daß der Draht kalt in endloser Form zu dem Lötpunkt zugeführt und von der gleichen Vorrichtung zunächst positioniert und nach dem Abkühlen des Lötpunktes unmittelbar an diesem abgetrennt wird. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine sehr geringe Zahl von einfachen Arbeitsschritten aus; es läßt sich sehr betriebssicher auch in der Serienfertigung verwenden und benötigt nur eine wenig aufwendige Vorrichtung zu seiner Durchffllirung Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Erhitzung eines vorverzinnten Lötpunktes mittels eines in einer elektrisch beheizten Heißgasdüse erzeugten, gezielten Heißgasstrahles erfolgt und daß eine Führung für den Draht vorgesehen ist, welche diesen reibsch#lüss.ig hält und zur Positionierung des Drahtes ver-tikal-sowie zum Abtrennen des Drahtes durch Biegewechsel. senkrecht zur Drahtachse bewegbar ist. Durch die Vereinigung der zwei Bearbeitsgänge Positionieren und "Draht abtrennen" in einer Baueinheit -kann die Gesamtvorrichtung besonders einfach und somit auch betriebssicher gestaltet werden.
Besonders bewährt haben sich das erfindungsgemäße -Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Anlöten einer eine Leiterbahn überquerenden Drahtverbindung; hierbei wird der Draht nach dem Herstellen einer ersten Lötung von der Drahtführung über einen längsverschiebbaren Drahtbiegedorn zum nächsten Lötpunkt hin niedergebogens bis zum Erstarren des Lotes darin gehalten und anschließend durch Biegewechsel abgetrennt. Dabei können mehrere Arbeitsgänge mit einer Vorrichtung, bzw. mit den gleichen.
Teilvorrichtungen durchgeführt werden, zur Durchführung der verschiedenen Arbeiten braucht lediglich das zu bearbeitende Teil in seiner Ebene verschoben zu werden Durch die Verwendung des Drahtbiegedorns beim Verlegen des Drahtes erreicht man eine definiert geformte Drahtverbindungsbrücke, wodurch Fehlkontakte oder Kurzschlüsse sicher verhindert werden können.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles Fer zugehörigen Vorrichtung anhand der Abbildungen anschließend näher erörtert.
Es zeigen: Fig. pa bis lg den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Anlöten einer Drahtverbindung,.
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vergrößertem Maßstab und Fig. 3a und 3b zwei verschiedene Ausführungen von Heißgasdüsen im Längsschnitt.
In den Fig. la bis lg ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Anlöten eines Drahtes in einer Anordnung mit kleinen Abmessungen schematisch dargestellt; hierin ist mit 10 ein Substrat bezeichnet, auf dem zwei vorverzinnte Lötpunkte lla und lib sitzen. Ein endlos zugeführter Draht 12 ist reibschlüssig, d.h. mit geringem Kraftschluß durch eine Führung 13 hindurchgeführt und wird durch eine Abwärtsbewegung der Führung 13 auf dem Lötpunkt lla positioniert.
Gleichzeitig oder bereits vor dem Positionieren des Drahtes 12 wird der Lötpunkt lla durch einen Heißgasstrahl 14 erhitzt, welcher aus einer ortsfesten Heißgasdüse 15 gezielt zum Lötpunkt lla hin austritt. Als Heißgas wird Stickstoff verwendet, das kalt am oberen Ende in die Heißgasdüse eintritt und in dieser erhitzt wird. Der Aufbau der Heißgasdüse 15 wird später noch genau erläutert.
Fig. Ib zeigt den nächsten Verfahrensschritt. Der Heißgasstrahl aus der Heißgasdüse 15 ist abgeschaltet, die Führung 13 wird nach oben bewegt, um am Lötpunkt lla ein freies Drahtende zu belassen.
In Fig. lc wird ein Drahtbiegedorn 16 zwischen die beiden Lötpunkte lla und llb eingeschoben. Jetzt hat sich die Führung 13 noch weiter nach oben bewegt, so daß das freie Ende des Drahtes 12 länger geworden ist zur Herstellung einer Verbindung zwischen den Lötpunkten lla und llb.
Das Substrat 10 ist derart verschoben worden, daß jetzt der Lötpunkt lib unter der Drahtführung 13 liegt.
Fig. ld zeigt den nächsten Arbeitsschritt, wobei der Draht 12 durch die Führung 13 auf dem Lötpunkt llb positioniert und der Drahtbiegedorn 16 nach Formung einer nach oben gewölbten Drahtverbindung 17 zurückgezogen worden ist.
In Fig. le ist die Führung 13 mit dem zu verlötenden Ende der Drahtverbindung 17 ganz auf den Lötpunkt lib abgesenkt, durch die Heißgasdüse 15 wird ein Heißgasstrahl 14 auf den Lötpunkt llb gerichtet zum Einschmelzen des Drahtendes der Verbindung 17 in den vorverzinnten Lötpunkt llb.
In Fig. lf ist die Drahtverbindung 17 fertiggestellt, die Führung 13 wird nach dem Abkühlen des Lötpunktes llb zunächst nach oben bewegt und dann etwa senkrecht zur Achse des Drahtes 12 hin und herbewegt, um durch Erzeugung einer Biegewechselbeanspruchung den Draht unmittelbar am Lötpunkt llb abzutrennen. In diesem Punkt ist der Draht festgehalten, so daß die Biegebeanspruchung unmittelbar am Lötpunkt llb am größten ist; hierdurch ist sichergestellt, daß die Abtrennung des Drahtes unmittelbar am Lötpunkt llb erfolgt.
Fig. 1g zeigt die fertige Drahtverbindung 17 auf dem Substrat 10 zwischen den Lötpunten lla und llb. Das schematisch dargestellte Substrat kann beispielsweise einen Teil einer Dünnschicht-Hybridschaltung bilden.
Durch das zuvor im Prinzip beschriebene Verfahren werden also zwei vorverzinnte LötpunI#te 11a und llb zeitlich nacheinander entsprechend einer Verschiebung des Substrates 10 in seiner Ebene berührungslos erhitzt. Hierzu dient ein gezielter Heißgasstrahl 14, durch den der jeweilige Lötpunkt lla, bzw. lib soweit erhitzt wird, daß der kalte Draht darin einschmelzbar ist. Der Draht 12 wird in endloser Form zu den Lötpunkten zugeführt und von einer einzigen Vorrichtung, von der die Führung 13 ein Teil darstellt, zunächst positioniert und nach dem Ablt len des Lötpunktes unmittelbar an diesem abgetrennt. Der Heißgasstrom besteht aus einem Inertgas, z.B. Stickstoff, oder aus einem Gas bzw. Gasgemisch mit reduzierenden Eigenschaften, weil auf diese Weise eine Oxidation im Lötpunkt weitestgehend verhindert werden kann.
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens genauer dargestellt. Neben den bereits anhand der Fig. 1 erläuterten Teilen ist hier eine Kühldüse 18 sichtbar, durch welche ein Kühlgasstrahl 19, ebenfalls aus Stickstoff, auf den abzukühlenden Lötpunkt geleitet wird. Das Substrat 10 ist durch schematisch dargestellte Halterungen 20a, b auf einer Unterlage 21 festgelegt, welche in ihrer Ebene nach allen Richtungen beliebig verschoben und gedreht werden kann, wie dies durch Pfeile angedeutet ist.
Der Draht 12 ist auf eine ablaufgebremste Spule 22 aufgewickelt, von der er beim Absenken der Führung 13 abgezogen wird. Die Führung 13 ist an einem Arm 23 einer nicht dargestellten Vorrichtung befestigt, durch welche die Führung 13 vertikal und senkrecht zur Drahtachse bewegt werden kann.
Die Vertikalbewegung dient zum Positionieren und Nachziehen des Drahtes 12, sie kann pneumatlsch oder elektromagnetisch erzeugt werden, die Bewegung senkrecht zur Drahtachse erfolgt beispielsweise durch einen mit Netz frequenz schwingenden Anker eines Wechselstrommagneten, wodurch eine Schwingung und somit eine Biegexfechselbeanspruchung am Lötpunkt 11# zum Abtrennen des Drahtes erzeugt wird Bei dem Draht 12 muß es sich nicht um eine einzelne Erahtader handeln, sondern es können auch zwei oder mer Drahbe zur Herstellung der Drahtverbindung 17 zusammenge-renaelt sein. Da Weichlotverbindungen auf Hybridschaltkreisen in der Regel keine optimal wirkenden chemischen Lötmittel wie etwa Zinkchloridlösungen erlauben beschränkt sich die Löthilfe meist auf Molofoniurn oder ähnliche Substanzen. Die Idetzung des flüssigen Lotes ist auch auf vorverzinnten Drähten. bedingt 5 durch Oxydationsreste und andere Verunreinigungen, nicht immer ausreichend; dies kann zu Störungen bei zeitprogrammierten Lötvorgängen führen, welche nicht individuell kontrolliert werden. Hier bringt die Verwendung von beispielsweise zwei zusammengewendelten Drähten anstelle eines einfachen Drahtes eine wirkungsvolle Verbesserung, da durch die Kapilareffekte an den Drahtwendelflanken das Lot intensiv hochgezogen wird, was zu einer sicheren und schnellen Lötverbindung führt.
Auch für das im Verfahren angewandte Schwingtrennen des Drahtes nach dem Löten bringt die Drahtdoppelwendel zusätzliche Sicherheit, weil die starre, verzinnte Drahtzone an dem Lötpunkt schneller durch Dauerbruchbelastung abbricht als die elastische, unverzinnt gebliebene Drahtpartie.
Die in den Fig. 2 und 3a dargestellte Heißgasdüse 15 besitzt eine Heizwendel 24a, welche aufgrund ihres elektrischen Widerstandes beim Stromdurchgang erhitzt wird.
Die Heizwendel 24a sitzt auf einem inneren, keramischen Zentralrohr 25a, das mit Keramikzement 26 zusammen mit der Heizwendel 24a in einem äußeren Quarzrohr 27 eingegossen ist. Das keramische Zentralrohr 25a hat eine lichte Weite von ca lmm für den Gasdurchgang; das Gas wird über einen Silikonschlauch 28 zugeführt, der auf das obere Ende des Quarzrohres 27 aufgesteckt ist; die elektrischen Zuleitungen für die Heizwendel 24a verlaufen ebenfalls innerhalb des Silikonschlauches 28.
Die Heißgasdüse gemäß Fig. 3b ist im Prinzip gleich aufgebaut wie die Heißgasdüse gemäß Fig. da, sie hat jedoch eine feinere Bohrung für den#Gasdurchlaß und ist daher für Lötungen bei kleineren Schmelzpunkten geeignet. Die lichte Weite der Bohrung für den Gasdurchlaß beträgt hier nur ca. 0,3 mm. Die Heißgasdüse 15 ist auch bei dieser Ausführung in einen Silikonschlauch 28 eingesteckt, durch den die elektrischen Zuleitungen, für die Heizwendel und der bis dahin kalte Stickstoff-Gasstrom geführt sind. Die Düse selbst besteht wiederum aus einem Quarzrohr 27, in dem mittels Keramikzement 26 ein Zentralrohr 25b eingegossen ist. Das Zentralrohr 25b besitzt zwei parallel verlaufende Bohrungen 29a und 29b, wobei in der Bohrung 29a die elektrische Heizwendel 24b verläuft. In der Bohrung 29b ist die elektrische Anschlußleitung für die Heizwendel 24b verlegt und gleichzeitig wird durch diese Bohrung 29b der Gasstrahl geleitet, der durch die im Keramikrohr und in der Keramikmasse gespeicherte Wärme erhitzt wird. Das untere Ende der Heißgasdüse 15 ist bei der Ausführung nach Fig. 3b exzentrisch so angeschliffen, daß eine kegelige Spitze um die Bohrung 29b entsteht. Die Bohrung 29a wird, wenigstens einseitig, mit Keramikzement für den Gasdurchgang verschlossen.
Die Heizleistung ist so bemessen, daß die Keramikmassen bei beiden Düsenausführungen während der Lötpausen innerhalb des Arbeitstaktes Wärme speichern, die dann beim Löten das kalt eintretende Gas erwärmt. Die Erwärmung erfolgt derart, daß zu Anfang, wo hohe Energie zum Schmelzen des Lötpunlctes auf der Schaltung notwendig ist, die höchste Temperatur zur Verfügung steht. Beim Einsenken der Drahtverbindung 17 oder eines einzelnen Drahtes 12 muß die Lötpunkttemperatur lediglich gehalten werden, wofür die nun langsam absinkende Gasstrahltemperatur ausreicht. Dieser Temperaturverlauf hält die Temperaturbelastung des eventuell schon mit wärmeempfindlichen Elektronikbauelementen bestückten Substrates 10 optimal niedrig und verringert auch das Risiko des Durchlegierens dünner Metallschichten im Schaltungsaufbau.
Der in Fig. 2 schematisch angedeutete Drahtbiegedorn 16 dient der präzisen Formung einer eine Leiterbahn überquerenden Drahtverbindung 17. Er ist längsverschiebbar durch eine pneumatische oder elektromagnetische Einrichtung, welche in der Abbildung nicht dargestellt ist. Nachdem der Draht 12 am ersten Lötpunkt lla angebracht ist wird der Drahtbiegedorn 16 in die Lücke zwischen den zu verbindenen Lötpunkten eingeschoben, und zwar nachdem die Drahtführung 13 hochgefahren wurde. Danach wird das Substrat 1Q durch Verschiebung der Unterlage 21 zur Bearbeitungsposition für den zweiten Lötpunkt llb in der gleichen Ebene verschoben und die Drahtführung 13 auf diesen Lötpunkt llb abgesenkt. Der Draht 12, bzw. die Drahtverbindung 17 ist dabei über den Drahtbiegedorn 16 abgewinkelt oder abgebogen worden, so daß eine definiert geformte Drahtverbindungsbrücke entstanden ist. Nun wird der Drahtbiegedorn 17 zurückgezogen und anschließend die Lötung durchgeführt.
Die erfindungsgemäße Weichlöttechnologie für sogenannte "Mikro't-Anwendungen erlaubt das problemlose Einbringen von sonst nur schwierig herstellbaren Überkreuzungen in elektrischen Schaltungen. Die Anwendung ist auch nachträglich an fertigen, bestückten Schaltungen möglich. Der einfache Arbeitsablauf erlaubt eine Teilautomatisierung in der Fertigung und eignet sich auch für die Lösung anderer Anschlußprobleme an vorverzinnten Schaltungen. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß der Drahtnachschub und das Abtrennen des Drahtes mit ein und derselben Vorrichtung erfolgen können. Es gibt keine komplizierte Drahtnachschubtechnik, weil der Draht 12 automatisch von der Spule 22 nachgezogen wird und weil am Draht keinerlei Manipulationen nötig werden, wie dies beispielsweise bei bekannten Bondverfahren der Fall ist, wo eine Kugel mittels Wasserstoffgasbrenner am Draht angeschmolzen werden muß, um den Draht nachziehen und positionieren zu können. Der spezielle Aufbau der Heißgasdüsen ermöglicht eine geringe Wärmebelastung der Schaltungen, was in den zuvor geschilderten Anwendungsbeispielen sehr wesentlich ist, da nur geringe Wärmemengen abgeführt werden können.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Anlöten eines Drahtes in einer Anordnung mit kleinen Abmessungen, insbesondere in einer Dünnschicht Hybridschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorverzinnter Lötpunkt (lla, leib) berührungslos mittels eines gezielten Heißgasstrahles (14) erhitzt wird, daß der Draht (12) kalt in endloser Form zu dem Lötpunkt (Iia, b) zugeführt und von der gleichen Vorrichtung (13, 23) zunächst positioniert und nach dem Abkühlen des Lötpunktes (leib) unmittel an diesem abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißgasstrahl (14) aus Stickstoff besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötpunkt (lia, b) nach dem Einbringen des Drahtes (12, 17) durch einen kalten Stickstoffstrahl (19) gekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (12) nach oder während dem Erhitzen des Lötpunktes (lla, b) durch Absenken einer Reibschlußführung (13) der Vorrichtung (23) in das Lotbad eingedrückt und bis zum Erstarren desselben darin gehalten wird, und daß das Abtrennen des Drahtes (12) anschließend durch eine hin- und hergehende Bewegung der Draht führung (13) im wesentlichen senkrecht zur Drahtachse durch Biegewechselbeanspruchung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Anlöten einer eine Leiterbahn überquerenden Drahtverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (12) nach dem Herstellen einer ersten Lötung (lla) und dem Verschieben des Substrates (10) von der Drahtführung (13) über einen längsverschiebbaren Drahtbiegedorn (16) zum nächsten Lötpunkt (11) hin niedergebogen wird, bis zum Erstarren des Lotes darin gehalten und anschließend durch Biegewechsel abgetrennt wird.
6. Verfahren'nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (24a, b) für den Heißgasstrahl (14) auch während der Arbeitspausen eingeschaltet bleibt zur Speicherung von Wärme in der Heißgasdüse (15).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der He ßgasstrahl (14) und/oder der Kühlgasstrahl (19) zeitgesteuert ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Drahtverbindung (17) aus wenigstens zwei zusammengewendelten Drähten (12).
9. Vorrichtung zum Anlöten eines Drahtes in einer Anordnung mit kleinen Abmessungen, insbesondere in einer Dünnschicht-Hybridschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung eines vorverzinnten Lötpunktes (lla, b) mittels eines in einer elektrisch beheizten Heißgasdüse (15) erzeugten, gezielten Heißgasstrahles (14) erfolgt und daß eine Führung (13) für den Draht (12) vorgesehen ist, welche diesen reibschlüssig hält und zur Positionierung des Drahtes im wesentlichen vertikal sowie zum Abtrennen des Drahtes durch Biegewechsel senkrecht zur Drahtachse bewegbar ist.
1O'.Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgasdüse (15) aus einem äußeren Quarzrohr (27) und einem inneren, keramischen Zentralrohr (25a) besteht, das eine elektrische Widerstands-Heizwendel (24a) trägt und mit Keramikzement in dem äußeren Quarzrohr (27) vergossen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgasdüse (15) aus einem äußeren Quarzrohr (27) und einem mit Keramikzement (26) darin vergossenen Keramik-Zentralrohr (25b) besteht, welches zwei parallele Bohrungen (29a, b) besitzt, wobei in der einen Bohrung (29a) die elektrische Heizwendel (24b) sitzt und durch die andere Bohrung (29b) der Gasstrom geführt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (12) auf eine ablaufgebremste Spule (22) aufgewickelt ist, von der er durch die Führung (13) abgezogen wird.