DE2735231A1

DE2735231A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von loetverbindungen mittels energiestrahlung

Info

Publication number: DE2735231A1
Application number: DE19772735231
Authority: DE
Inventors: Heinz-Peter Dipl Phys Kraft
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-04
Filing date: 1977-08-04
Publication date: 1979-02-15

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Lötverbindungen
mittels Energiestrahlung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen, bei welchem die Lötstellen mittels Energiestrahlung auf die für den Lötvorgang erforderliche Arbeitstemperatur erwärmt werden, sowie eine Lötvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, zur Verbindung von elektrischen und elektronischen Bauteilen mit einer Schaltungsplatte Lötverfahren einzusetzen, bei welchen die Lötstellen mittels Energiestrahlung auf die für den Lötvorgang erforderliche Arbeitstemperatur erwärmt werden. Zu diesen bekannten Lötverfahren gehören das Lichtlöten und das Laserstrahllöten. Beim Lichtlöten wird das von einer Lichtquelle ausgestrahlte Licht mit Hilfe eines Reflektors an der Lötstelle fokussiert. In ähnlicher Weise wird beim Laserstrahllöten das von einer Laserstrahlquelle ausgestrahlte Licht mittels optischer Bündelung an der Lötstelle zur Erwärmung des Lotes verwendet. Das Laserstrahllöten ist hierbei dem Lichtlöten vorzuziehen, da es eine wesentlich bessere Fokussierung und somit eine örtlich sehr eng begrenzte Zuführung von Wärme gestattet.
Soll nun mittels Energiestrahlung, z.B. Laserstrahlung, eine Lötverbindung hergestellt werden, so müssen neben dem benötigten Lot auch die zu verbindenden Elemente samt ihrer Umgebung erwärmt werden. Zusätzlich muß durch die Energiestrahlung auch noch die in die weitere Umgebung und die Werkstückauflage abfließende Wärmemenge zugef#irt werden. Bei anderen bekannten Lötverfahren, wie dem Löten mittels Lötkolben oder dem Tauchlöten, steht stets ein großer Energieüberschuß zur Verfügung, so daß die vorstehend genannten Energieverluste ohne weiteres ertragen werden können. Beim Löten mittels Energiestrahlung steht Jedoch die Strahlungsenergie nicht in beliebiger Menge zur Verfügung. Zusätzlich ist beim Laserstrahllöten die Strahlungsenergie relativ teuer, da eine Laserstrahlquelle hohe Investitionskosten erfordert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Löten mittels Energiestrahlung anzugeben, bei welchem eine wirtschaftlichere Ausnutzung der Strahlungsenergie erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die zu verbindenden Werkstücke vor dem Lötvorgang mit Hilfe einer zusätzlichen Wärmequelle auf eine unterhalb der Arbeitstemperatur liegende Vorwärmtemperatur erwärmt werden. Der durch den hohen Temperaturgradienten zwischen Lötstelle und Umgebung bedingte hohe Energiebedarf wird also zu einem wesentlichen Teil durch die zusätzliche Wärmequelle gedeckt, d.h. die Temperaturdifferenz bis zur Arbeitstemperatur der Lötung wird verkleinert und der Wärmeabfluß in die Umgebung verringert. Die hierdurch eingesparte Strahlungsenergie kann dazu benutzt werden, weitere Lötungen gleichzeitig vorzunehmen. Soll die Anzahl der gleichzeitig vorzunehmenden Lötungen nicht vergrößert werden, so kann eine kleinere und billigere Strahlungsquelle eingesetzt werden.
Bei einer bevorz#en Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Ausschluß einer Schädigung der Werkstücke die Vorwärmtemperatur so gewählt, daß sie möglichst dicht unterhalb der Solidustemperatur des verwendeten Lotes liegt. Ist keine Schädigung der Werkstücke durch die Temperaturbelastung zu befürchten, so kann also bei einer dicht unterhalb der Solidustemperatur liegenden Vorwärmtemperatur die zur Verfügung stehende Strahlungsenergie fast ausschließlich nur zum Aufschmelzen des Lotes verwendet werden. Bei temperaturempfindlichen Werkstücken, wie z.B. elektronischen Bauteilen richtet sich die Vorwärmtemperatur nach der zulässigen Temperaturbelastung. Die größere Wärmeeinwirkung beim eigentlichen Löt -vorgang wird örtlich eng begrenzt und zeitlich stark eingeschränkt auf die Lötstellen gerichtet, so daß die Lötung ohne Schädigung der Werkstücke vorgenommen werden kann.
Vorzugsweise wird als zusätzliche Wärmequelle eine als Werkstückauflage dienende Heizplatte verwendet. Eine derartige beispielsweise elektrisch beheizbare Heizplatte erfordert gegenüber anderen Wärmequellen, wie Z,R, einer Heißluftdüse einen besonders geringen apparativen Aufwand.#Außerdem wird durch die als Werkstückauflage dienende Heizplatte ein sehr enger Wärmekontakt zum Werkstück ermöglicht.
Die Erfindung gibt ferner eine Lötvo=ichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an. Bei dieser Lötvorrichtung, welche eine Laserstrahlquelle, eine Einrichtung zur optischen Bündelung des Laserstrahls und eine Werkstückauflage besitzt, ist erfindungsgemäß zum Vorwärmen der Werkstücke eine zusätzliche Heizquelle vorgesehen. Vorzugsweise ist als zusätzliche Heizquelle eine beheizbare Werkstückauflage vorgesehen. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann mit relativ geringem zusätzlichen Aufwand ein wirtschaftliches Löten mittels Laserstrahlung vorgenommen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lötvorrichtung ist ein optisches Bauteil zur Aufteilung des Laserstrahls in eine Vielzahl von auf verschiedene Lötstellen gerichtete Teilstrahlen vorgesehen. Ein hierzu geeignetes optisches Bauteil ist beispielsweise in der DT-OS 25 16 236 beschrieben.
Die durch die zusätzliche Wärmequelle eingesparte Strahlungsenergie kann bei dieser Ausführungsform dazu verwendet werden, eine Vielzahl von Lötungen gleichzeitig vorzunehmen. So können beispielsweise beim Auflöten eines Halbleiterbausteins auf ein Keramiksubstrat sämtliche Lötstellen gleichzeitig auf die erforderliche Arbeitstemperatur erwärmt werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Laserstrahllöten. Der vom Kopf 1 einer Laserstrablquelle, z. B. eines YAG-Lasers ausgestrahlte Laserstrahl 2, wird in einem optischen Baustein 3 optisch gebündelt und in mehrere Teilstrahlen zerlegt, wie es durch die Teilstrahlen 21, 22 und 23 angedeutet ist. Eine in den Strahlengang eingeschaltete Umlenkeinheit 4, die beispielsweise als Spiegel oder Prisma ausgebildet sein kann, lenkt dann die Teilstrahlen 21, 22 und 23 so um, daß sie genau an den zugeordneten Lötstellen 5, 6 und 7 fokussiert werden. Bei diesen Lötstellen 5, 6 und 7 handelt es sich um Lothöcker, welche durch Wiederaufschmelzen die Verbindung zwischen einer integrierten Halbleiterschaltung 8 und der Verdrahtung eines Keramiksubstrates 9 herstellen sollen.
Das Kersmiksubstrat 9 liegt auf einer Werkstückauflage 10 auf, welche mit Hilfe einer Heizwendel 101 beheizt werden kann. Damit die Teilstrahlen 21, 22 und 23 genau auf die zugehörigen Lötstellen 5, 6 und 7 ausgerichtet werden können, ist die beheizbare Werkstückauflage 10 auf einem Koordinatentisch angeordnet, welcher in der Zeichnung lediglich durch die Tischplatte 11 dargestellt ist.
Bei Verwendung eines Weichlotes mit 60 Gew. -% Zinn, 38 Gew. -% Blei und 2 Gew.- Silber für die Verbindung der Halbleiterschaltung 8 mit dem Keramiksubstrat 9 wird das Keramiksubstrat 9 auf eine Vorwärmtemperatur von ca. 1000C aufgeheizt. Diese Tempera- tur ist so bemessen, daß eine Schädigung der temperaturempfindlichen Halbleiterschaltung 8 mit Sicherheit ausgeschlossen wird.
Die weitere Erwärmung der Lötstellen 5, 6 und 7 auf eine Arbeits-0 temperatur von ca. 220 C erfolgt dann durch die Tejistrahlen 21, 22 und 23, wobei die erforderliche Lötzeit ca. 1 Sekunde beträgt.
Die erforderliche Lötenergie beträgt hierbei pro Lötstelle ca.
5 Ws bei einer Leistung von ca. 4 W. Demgegenüber würde die erforderliche Lötenergie pro Löststelle ohne Vorwärmung ca. 20 Ws bei einer Leistung von ca. 10 W betragen. Unter Berücksichtigung aller im Strahlengang auftretender Verluste können bei einer Vorwärmtemperatur von 1000C mit einem 45 W YAG-Laser sechs bis sieben Lötstellen gleichzeitig gelötet werden. Ohne Vorwärmung können mit einem 45 W YAG-Laser dagegen nur drei Lötstellen gleichzeitig gelötet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für das Laserstrahllöten geeignet. Durch eine Vorwärmung der Werkstücke können jedoch auch beim Lichtlöten Vorteile erzielt werden. So wird neben einer Einsparung an Strahlungsenergie auch hier eine schonende Behandlung temperaturempfindlicher Werkstücke erreicht.
6 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentans#rüche 1. Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen, bei welchem die Lötstellen mittels Energiestrahlung auf die für den Lötvorgang erforderliche Arbeitstemperatur erwärmt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu verbindenden Werkstücke (8, 9) vor dem Lötvorgang mit Hilfe einer zusätzlichen Wårmequelle (10) auf eine unterhalb der Arbeitstemperatur liegende Vorwärmtemperatur erwärmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausschluß einer Schädigung der Werkstücke (8, 9) die Vorwärmtemperatur so gewählt wird, daß sie möglichst dicht unterhalb der Solidustemperatur des verwendeten Lotes liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Wärmequelle (10) eine als Werkstückauflage dienende Heizplatte verwendet wird.
4. Lötvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Laserstrahlquelle, einer Einrichtung zur optischen Bündelung des Laserstrahls und einer Werkstückauflage, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorwärmen der Werkstücke (8, 9) eine zusätzliche Heizquelle vorgesehen ist.
5. Lötvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Heizquelle (10) eine beheizbare Werkstückauflage vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 gekennzeichnet durch ein optisches Bauteil (3) zur Aufteilung des Laserstrahles (2) in eine Vielzahl von auf verschiedene Lötstellen (5, 6, 7) gerichtete Teilstrahlen (21, 22, 23).