DE2934407A1

DE2934407A1 - Verfahren zur loet- oder schweissverbindung eines bauteils mit einem substrat mittels kurzwelliger elektromagnetischer strahlung, insbesondere laserstrahlung und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2934407A1
Application number: DE19792934407
Authority: DE
Inventors: Kevin Robert Daly
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1978-08-24
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1980-03-06
Also published as: IT1120489B; GB2038220B; FR2434002B1; IT7949988A0; NL7906042A; JPS6349594B2; CA1123920A; FR2434002A1; GB2038220A; JPS5530895A

Description

O .' J β.· B-

München, den 24.August 1979 Anwaltsaktenzch.: 27 - Pat.

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Massachusetts 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren zur Lot- ooer Schweissverbindung eines Bauteils mit einem Substrat mittels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere La serstrahlung und Einrichtung zur Durchführung dee Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lot- oder Schweissverbindung eines Bauteils mit einem Substrat mittels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Keramische Kondensatorchips werden in Hybrid-Schaltungseinheiten und in gedruckten Schaltungseinheiten in grossem Umfange verwendet, da sie robust sind, eine gute Raumausnutzung ergeben, in einem weiten Bereich anwendbar und kostenmässig interessant sind. Im allgemeinen werden die Täfelchen oder Chips in der Weise hergestellt, daß rechteckige Elektrodenplatten und dielektrische Schichten aufeinandergeschichtet werden, wobei die Elektrodenplatten abwechselnd mit zwei Anschlußbändern an den einander gegenüberliegenden Enden des Täfelchens oder Chips angeschlossen werden. Ein wesentlicher Prozentsatz keramischer

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Kondensatorchips werden unter Verwendung von Bariumtitanat-Keramikmaterial als dielektrischem Material gebildet, wobei die Stärke beispielsweise 25,4 pm beträgt. Als Material für die Elektrodenplatten dient häufig Paladiumsilber in einer Stärke in der Grössenordnung von beispielsweise 2,54 pm. Es ist üblich, zum Verbinden der Anschlußbänder mit der Schaltung der Schaltungseinheit Lötverbindungen einzusetzen.

Zur Herstellung der Lötverbindungen des Kondensatorchips und der Bauteile des Chips kann man einen Handlötknlben verwenden, bei welchem jedoch die Gefahr besteht, daß nicht nur das Schaltungsbauteil, sondern auch die Schaltungseinheit beschädigt werden kann. Wenn beispielsweise Wärme durch Leitung in das Schaltungsbauteil einziehen kann, so kann sich ein Innendruck durch Sasmoleküle bilden, welche innerhalb des Bauteils eingeschlossen sind und welche sich bei der Ausdehnung des Gases nicht rasch genug entspannen können. Wenn ferner die einander benachbarten Schichten des Bauelementes bezüglich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ungenügend aufeinander abgestimmt sind, so können sich in dem Bauelement Scherspannungen aufbauen. Selbst wenn die Werkstoffe des Bauelementes so gewählt sind, daß sie ähnliche oder gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, so haben sie im allgemeinen unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, so daß zwischen den -Schichten Temperaturgradienten entstehen und wiederum auf Grund unterschiedlicher Ausdehnung Scherspannungen oder Schubspannungen auftreten. Auch können Spannungen in den Lötverbindungen entstehen, was im wesentlichen zwei Ursachen hat. Zum einen kann sich während des Erhitzens das Chip frei ausdehnen, während der betreffende Bereich der Schaltungseinheit an der Ausdehnung durch die mechanische Einspannung gehindert ist, welche durch die umgebenden kühleren Materialbereiche der Schaltungseinheit bewirkt ist. In dem betreffenden örtlichen Bereich der Schaltungseinheit treten wohl Druckspannungen auf, es findet jedoch keine Ausdehnung statt. Wenn dann eine Abkühlung auf

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Raumtemperatur erfolgt ist, so befinden sich das Chip und die Lötverbindungen unter Zugspannung, da das Chip teilweise durch das nun verfestigte Lot daran gehindert wird, sich auf die ursprüngliche Länge zusammemzuziehen.

Zum anderen treten, wenn die Lötverbindungen nacheinander gefertigt werden, in den Verbindungspunkten und im Chip wesentliche Spannungen auf, weil das Chip während der Herstellung der zweiten Lötverbindung minimale Auflage besitzt.

Die zuvor erwähnten inneren Spannungen des Bauteils können zu dessen Zerstörung oder Fehlerhaftigkeit führen und vermindern daher wesentlich die Zuverlässigkeit einer entsprechend gefertigten Schaltungseinheit. Beispiele für bauliche Fehler, welche durch die Spannungen erzeugt werden, sind Abblättern, Flaterialverwerfung, Hohlräume und Sprünge. Die entsprechenden, hierdurch bewirkten Schaltungsfehler können Kurzschlüsse, Unterbrechungen oder Änderungen der kapazitiven Eigenschaften sein. Auf die Lötverbindungen einwirkende Spannungen können auch in schlechten Kontakten resultieren.

Zum Löten von Kondensatorchips hat man bisher verschiedene Techniken verwendet, wobei häufig der Handlötkolben verwendet wurde. Andere Verfahren verwenden Lötflammen, Heissluft oder fokussierte Strahlungsenergie.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Lötverbindung oder Schweissverbindung eines Bauteils, insbesondere eines Kondensatorchips, mit einem Substrat oder Träger in solcher Weise herstellen zu können, daß die auf das Bauteil wirkenden inneren Spannungen minimal gehalten werden und auch nur minimale Spannungen in den Lötverbindungs- oder Schweißverbindungspunkten auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Lot- oder Schweißverbindung eines Bauteils mit einem Substrat

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mittels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung durch die im kennzeichnenden Teil des anliegenden Anspruches angegebenen Merkmale gelöst. Durch die Erfindung wird auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen.

Im einzelnen wird elektromagnetische Strahlungsenergie mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 mm bis 1 nm bereitgestellt und in eine Mehrzahl von Strahlungsbündeln aufgeteilt, welche auf im Abstand voneinander gelegene Auftreffbereiche eines Trägers gerichtet werden, auf welchem das zu befestigende Bauteil festgelötet oder festgeschweiBt werden soll. Die Strahlungsenergie ist vorzugsweise gepulste kohärente Laserenergie mit einer Impulsbreite von weniger als 10 Millisekunden, einer Pulswiederholungsfrequenz von weniger als 10 Impulsen je Sekunde und einer Dauer einer Impulsfolge von weniger als 1 Sekunde. Vorzugsweise sind diese Parameter der Impulse wählbar oder einstellbar, so daß für die verschiedenen Anwendungsfälle die optimalen Arbeitsbedingungen hergestellt werden können.

Die vorgeschlagene -Einrichtung kann vornehmlich zur Herstellung von Lötverbindungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Einrichtung dazu dienen, Bauteile in Chipform an Schaltungseinheiten festzulöten. In diesem Anwendungsfall wählt man vorzugsweise die Wellenlänge der Strahlung zu 1,06 Mm und die Impulsbreite zu 4 bis B Millisekunden. Es kann zweckmässig sein, die Schaltungseinheit, mit welcher ein Schaltungsbauteil zu verbinden ist, auf einem Koordinaten tisch oder Kreuzsupporttisch zu lagern, welcher durch einen Mikroprozessor gesteuert wird und dazu dient, während des Lötens der chipartigen Bauteile die Schaltungseinheit oder die Trägerplatte genau zu positionieren.

Zweckmässige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der hier angegebenen Einrichtung sind im übrigen Gegenstand der an-

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liegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne den Wortlaut an dieser Stelle zu wiederholen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In den Zechnungen stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Einrichtung der vorliegend angegebenen Art,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Laser-Lötgerätes in seiner äusserlichen Erscheinungsform,

Fig. 3 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht eines Kor.densatorchips, welches an einer Schaltungseinheit festgelötet ist,

Fig.4A Diagramme zur Erläuterung der Beziehung

für den Verschiebungswinkel für zwei verschiedene Dicken t, und t_? der Lötschicht bei einem gegebenen Verschiebungsweg und

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit der Zugspannung im Chip von der Temperatur für zwei verschiedene Lotschichtdicken.

Figur 1 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Einrichtung der hier vorgeschlagenen Art. Zwei Laserstrahlenbündel 2 und 4 werden dadurch erzeugt, daß ein Strahlungsbündel 6 kohärenter Laserstrahlung auf eine Doppelschlitzblende 8 gerichtet wird. Vorzugsweise wählt man die Blends aus einer grösseren Zahl von Blenden aus, so daß Länge und Abstand der Schlitze für die verschiedenen Anwendungsfälle verändert werden können. Als Quelle für die Laserstrahlung

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kann ein handelsüblicher Laser, beispielsweise ein von der Firma Raytheon Company unter der Bezeichnung SS-3B0 auf den Markt gebrachter Laser verwendet werden. Vorzugsweise wird Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1,o6 pm aus den habhfolgend angegebenen Gründen eingesetzt. Auf die bevorzugte Impulsbreite, die zweckmässige Impulswiederholungsfrequenz und die insgesamt erforderliche Energiemenge sei weiter unter eingegangen. Die in den beiden Strahlungsbündeln verfügbare Gesamtenergie wird dadurch überwacht, daß die Strahlungsbündel durch einen Strahlteilungsspiegel 10 geführt werden, welcher auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt ist und einen Anteil von 1 % der einfallenden Strahlungsenergie in der aus Figur 1 ersichtlichen Weise auf eine übliche Energiemeß- und Überwachungseinrichtung 12 lenkt. Die verbleibenden 99% der einfallenden Strahlungsenergie der beiden Strahlenbündel werden von dem Strahlteilungsspiegel 10 aus zu einem Reflexionsprisma 14 geführt, dessen Aufgabe es ist, einen Abstand zwischen den Strahlenbündel herzustellen, welcher ausreichend gross ist, um dann in der aus Figur 1 ersichtlichen Weise die Strahlungsbündel gleichzeitig gegen die einander gegenüberliegenden Enden eines Bauteils 16 zu richten. Hierauf geht jedes Strahlenbündel durch eine übliche Zylinderlinse 1B bzw. 20, um den Querschnitt des Strahlenbündels zu reduzieren und zu formen, wobei Einzelheiten des bevorzugten Ausführungsbeispiels diesbezüglich weiter unten bescbbieben werden. Jedes fokussierte Strahlenbündel trifft nun auf einen Leistungs-Strahlteilungsspiegel 22 bzw. 24 auf, welcher bei der Frequenz der elektromagnetischen Energie die charakteristische Eigenschaft besitzt, 99% der Energie des Strahlenbündels in Richtung auf die Trägerunterlage 32 zu reflektieren, auf welcher eine Verflüssigung des Lotes stattfinden soll. Die Strahlteilungsspiegel 22 und 24 lassen die verbleibenden 1% der Energie zu Energieüberwachungseinrichtungen 26 bzw. 28 durch. Wie in Figur 1 angedeutet, kann die Stellung des Strahlteilungsspiegels 24 einstellbar sein, so daß die Strahlenbündel so geführt werden können, daß sie in der Ebene der herzustellenden

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Lötverbindung in unterschiedlichen Abständen auftreffen, um ein gleichzeitiges Verlöten an beiden Enden von Schaltungsbauteilen unterschiedlicher Größe zu ermöglichen. Eine zusätzliche Einstellbarkeit kann durch eine schrittweise Veränderbarkeit der Stellung des Spiegels 22 in ähnlicher Weise wie bei dem einstellbaren Spiegel 24 verwirklicht werden. Man erkennt weiter aus Figur 1 , das zu 100% reflektierende Spiegel 34 und 36 die Bilder entsprechend dem sichtbaren Licht 38 bzw. 40 aus der Ebene, in welcher die Lötverbindung hergestellt wird, zu Fernsehaufnahmekameras 42 bzw. 44 übertragen, um die Lage eines Bauteils 16 relativ zu den Sichtlinien auszurichten, längs welcher dann nach dem Einschalten die Laserstrahlenbündel verlaufen. Das sichtbare Licht kann zu den zu verlötenden Bereichen mittels nicht dargestellter faseroptischer Mittel geführt werden. Diesbezügliche Einzelheiten sind dem einschlägigen Fachmann bekannt.

Wie aus Figur 2 zu entnehmen ist, kann im Betrieb eine Schutzklappe 46 von der Bedienungsperson geöffnet werden, um einen gebräuchlichen, in Figur 2 nicht gezeigten Koordinatentisch zugänglich zu machen. Auf dem Koordinatentisch wird eine in Figur 3 mit 70 bezeichnete gedruckte Schaltungseinheit starr befestigt und ein chipartiges Bauteil 16 wird über die Leiterbereiche 74 gelegt, welche Teil der gedruckten Schaltung bilden und mit welchen das betreffende Chip zu verlöten ist. Nachdem die Schutzklappe 46 wieder geschlossen ist, wird das Steuerpult 48 für den Koordinatentisch, welches Grobeinstellmittel und Feineinstellmittel für beide Achsenrichtungen besitzt, in der Weise bedient, daß die gedruckte Schaltung in eine Stellung kommt, in welcher beim Einschalten des Lasers die im Zusammenhang mit Figur 1 erwähnten beiden Strahlenbündel gleichzeitg jeweils auf die Basis der einander gegenüberliegenden Enden des betreffenden Chips auftreffen. Die richtige Positionierung des Koordinatentisches kann mittels Fernsehmonitoren 52 und 54 durchgeführt werden, welche mit den im

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Zusammenhang mit Figur 1 erwähnten Fernsehaufnahmekameras verbunden sind und welche transparente Auflagen 56 und 57 aufweisen, um den Bereich und die Lage der Laserstrahlenbündel nach dem Einschalten des Lasers aufzuzeigen. Nachdem unter Verwendung des Steuerpultes oder Steuerfeldes 58 für die Lasersteuerung die Parameter der Laserimpulse in der nachfolgend angegebenen Weise gewählt sind, wird der Laser eingeschaltet. Die von dem Lot an den Leiterbareichen und dem Lot an dem Chip absorbierte Laserstrahlungsenergie wird in thermiebhe Energie umgewandelt, was zu einer Verflüssigung des Lotes führt. Wird dann die Energie abgeschaltet und kann das Lot erkalten, so ist eine Lötverbindung an jedem Ende des chipförmigen Bauteils geschaffen, durch welche dieses Bauteil mit der Schaltung auf der Schaltungsträgerplatte verbunden ist. Auf dem Lasersteuerfeld 58 werden die durch die Einrichtung 12 bestimmte Gesamtenergie und die von den Einheiten 26 und 28 bestimmten einzelnen Strahlenergien angezeigt.

Bei einer anderen, in der Zeichnung nicht gezeigten Ausführungsform dient ein Mikroprozessor zur Steuerung der Einstellung des Koordinatentisches und zur Anregung des Lasers derart, daß eine Mehrzahl von Chips der Reihe nach mit einem Träger verlötet werden, ohne daß eine Bedienungsperson einzugreifen braucht. Sowohl bei automatischer Einstellung, als auch bei Handeinstellung können die Koordinaten des Koordinatentisches digital auf Anzeigefeldern 59 des Steuerpultes angezeigt werden .

Die zuvor beschriebene Einrichtung ermöglicht das Herstellen von Lötverbindungen in einer Technik, welche gegenüber bisher bekannten Verfahren wesentliche Vorteile hat. Die Verbesserungen und Vorteile resultieren im wesentlichen aus der gleichzeitigen Verflüssigung des Lotes an beiden Enden des Chips, wobei eine Bedienungsperson der betreffenden Einrichtung die

verschiedenen Parameter des Lötvorganges hochgenau einstellen

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Wie eingangs bereits gesagt und in Figur 3 dargestellt, werden Kondensatorchips im allgemeinen in der Weise hergestellt, daß rechteckige Elektrodenplatten 60 und dielektrische Schichten 62 aufeinander gestapelt werden, wobei die Elektrodenplatten abwechselnd mit einem von zwei an den einander gegenüberliegenden Enden des Chips befindlichen Anschlußbändern verbunden werden. Beispielsweise sind die Elektrodenplatten aus Paladiumsilber hergestellt, während das Dielektrikum ein keramisches Material ist. Bei der Herstellung kann ein Chip in Lot eingetaucht werden, so daß sich an den Enden eine Lotansammlung 66 ergibt. Es ist bekannt, daß dann, wenn zwei Materialstreifen mit unterschiedlichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten längs einer Berührungsfläche miteinander verbunden und gleich erwärmt werden, der Konstruktionsverband sich auf der Seite des Materials mit dem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten konkav durchbiegt, wie dies vom Bimetallstreifen bekannt ist. In jedem Material existiert ein neutraler Bereich, welcher der Ort spannungsloser Punkte ist und eine Grenzfläche zwischen den Bereichen der Druckspannung und den Bereichen der Zugspannung darstellt. Die maximalen Druckspannungen und maximalen Zugspannungen treten im allgemeinen an den Oberflächen des Materials auf. Im Falle eines Kondensatorchips, bei welchem die Biegemomente aufeinander folgender Schichten des keramischen Materials und der Elektrodenplatten sich das Gleichgewicht halten, so daß die Grenzflächen plangehalten werden, sind die Spannungen in der Mitte jeder Schicht minimal und an den Grenzflächen maximal. Im Falle eines Kondensatorchips können weiter die aneinandergrenzenden Schichten zwar gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, doch haben die verschiedenen Werkstoffe im allgemeinen unterschiedliche Temperaturleitzahlen, so daß sich Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnung ausbilden, welche durch unterschiedliche Temperaturen und nicht durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten Entstanden ist. Die Temperaturleitzahl eines Materials ist definiert als seine Wärmeleitfähigkeit dividiert durch das Produkt seiner spezifischen Wärme

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und seiner Dichte. Um also eine Beschädigung eines Kondensatorchips oder eines chipförmigen Bauteils zu verhindern, ist es im allgemeinen von Wichtigkeit, die Wärme möglichst gering zu halten, welche während des Lötvorganges in das betreffende Chip,, einziehen kann.

Die vorliegend angegebene Einrichtung zur Herstellung einer Lot- oder Schweißverbindung ermöglicht eine sehr genaue Steuerung bezüglich der Menge und des zeitlichen Verlaufes der Energie, welche der Lötstelle zugeführt wird, so daß sich die Möglichkeit ergibt, die in das Chip einziehende Wärmemenge minimal zu halten. Die Grundgleichung für die Energie, welche zum Erschmelzen einer Substanz erforderlich ist, lautet folgendermaßen :

t._M /V =

Hierin sind E^ die erforderliche Schmelzenergie in Joule, V das zu erschmelzende Materialvolumen in Kubikzentimeter, c die Dichte des Werkstoffs in g/cm^ , C die spezifische Wärme des Materials in cal/g C. A' ist die Schmelztemperatur abzüglich der Anfangstemperatur des Werkstoffes in Grad C und H ist die Schmelzwärme in cal/g. Im allgemeinen soll Lot auf etwa 30° bis 50° über seinen Schmelzpunkt erhitzt werden, um eine gute Benetzung zu erzielen. Die für die Lotverflüssigung erforderliche Gesamttemperatur ist daher etwa durch folgende Gleichung gegeben:

B_r/v

Hierin ist λΤΟ. die gewünschte Verflüssigungstemperatur abzüglich der Schmelztemperatur.

Es sei von einem Kondensatorchip der Größe A ausgegangen, welches Abmessungen von 0,89 mm χ 1,4 mm χ 16,5 mm besitzt. Die An-

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chlüsse an den Enden weisen eine Schicht von 5,1 um Silber und 3B um Kupfer, gefolgt von einer Schicht von 38 pm Tauch-Lotauftrag auf, wobei das Lot 63% Zinn und 37% Blei enthält. Sämtliche drei Werkstoffe erreichen bei der Lötung eine Temperatur von 215° C oder 32 C über der Eutektikumstemperatur des verwendeten Lotes. Die erforderliche Gesamtenergie zur Verflüssigung des Lotes an jeder Lotstelle beträgt o,434 Joule. Wird weiter angenommen, daß am Lot ein Reflexionsfaktor von 50% anzusetzen ist und der optische Übertragungsweg einen Übertragungsfaktor von 90% hat, so müssen bei den angegebenen Bedingungen annähernd 0,964 Joule in jedem Strahlenbündel bereitgestellt werden. In entsprechender Weise sind beispielsweise 3,7 Joule je Strahlenbündel bevorzugtermaßen vorzusehen, wenn ein Kondensatorchip der Größe F mit Abmessungen von 6,0 mm χ 1,9 mm x5,3mm festgelötet werden sollen. Mit einer Einrichtung der hier angegebenen Art wurden Versuchsreihen durchgeführt und die wirksamen Energien wurden für verschiedene Kombinationen von Doppelschlitzblenden und Laserparametern aufgezeichnet. Die präzise Energiemenge, wie sie oben theoretisch errechnet wurde, kann mit Abweichungen, die sich aus praktischen Überlegungen ergeben, durch die hier vorgeschlagene Einrichtung mit einem hohen Grad an Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit abgegeben werden.

Das zuvor erwähnte Lasermodell SS 380 ist ein Neodym-Yttrium-Aluminium-Granatlaser (NdYAG), dessen Laserenergie eine Wellenlänge von 1,06 μίτι aufweist. Die Impulsbreite ist von 2 Millisekunden bis 10 Millisekunden einstellbar und die Pulswiederholungsfrequenz ist wählbar, so daß man 6 oder oder 2 oder einen Impuls je Sekunde erhält oder von Hand Einzelimpulse auslösen kann. Die Maximalleistung beträgt 40 Watt. In einer praktischen Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Einrichtung wurde der SS 380-Laser modifiziert, so daß eine noch größere Vielseitigkeit erreicht wurde. Es waren dann Impulsbreiten bis zu 30 Millisekunden in Schritten von

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0,1 Millisekunden verfügbar. Bei einer Leistung von 50 Watt konnten 30 3oule je abgegebener Impuls freigesetzt werden. Weiter war ein ImpuIsburstbetrieb oder Impulsfolgebetrieb einstellbar, bei welchem über 10 Impulse je Sekunde erzeugt werden konnten.

Die Verwendung einer Wellenlänge von 1,06 pm verringert die Lichtreflexion am Lot auf einen minimalen Wert im Vergleich zu der Wellenlänge von 10,6 um eines Kohlendioxidlasers. Bei erhöhter Energieabsorption durch das Lot wird ein geringerer Energieanteil zu dem Chip hin resultiert, so daß die Spannungen im Chip geringer bleiben. Nachdem ferner kohärente Energie verwendet wird, können die Zylinderlinsen so ausgebildet werden, daß eine präzise Fokussierung im wesentlichen sämtlicher Energie möglich ist, derart, daß unmittelbar auf das Chip treffende EBergieanteile praktisch ausgeschlossen werden. Weiter ist der bevorzugte zeitliche Verlauf der Energie des Lasers eine Folge von Impulsen verhältnismässig geringer Impulsbreite. Soll beispielsweise ein Kondensatorchip der Größe A gelötet werden, so zeigt es sich, daß vorzugsweise sechs Impulse mit einer Pulswiederholungsfrequenz von 6 Impulsen je Sekunde abgegeben werden und jeder Impuls eine seitliche Breite von 4 bis 6 Millisekunden aufweist. Die in diesem Fall verwendete Doppelschlitzblende liefert Strahlenbündel mit einer Tiefe annähernd gleich der Tiefenabmessung von 0,9 mm, wie in Figur 3 gezeigt. Weiter wird die Laseramplitude auf 20% des Maximums eingestellt. Vorzugsweise ändert man die Amplitude beim Wechsel von einer Bauteilgröße zur anderen nicht. Vielmehr wird die Blendenöffnung der Doppelschlitzblende verändert und es werden die Pulswiederholungsfrequenz, die Pulsbreite und die Impulsdauer so eingestellt, daß sich für den jeweiligen Anwendungsfall die optimalen Arbeitsverhältnisse ergeben.

Die Folge schmaler I. ,pulse, wie sie zuvor angegeben ist, führt zu einem wirksamen Schutz gegen eine Beschädigung der

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Bauteile während und unmittelbar nach der Lötung. Zum einen ist zu berücksichtigen, daß die Wärmeabgabe des flüssigen Lotes wesentlich größer ist als diejenige des Lotes im festen Zustand. Demgemäß wird ein verhältnismäßig großer Prozentsatz der Warne, welche dem Lot zugeführt wird, nach dessen Aufschmelzen in das Bauteil eingeführt. Es ergibt sich somit, daß dann, wenn die dem Lot zugeführte Energie genau in kleinen Schritten derart gesteuert wird, daß das Lot nur für kurze Zeit, beispielsweise für Millisekunden in den flüssigen Zustand übergeht, die Wärmemenge, welche in das Bauteil eintritt, minimal gehalten werden kann. Zum anderen ist für einen gegebenen Punkt innerhalb des Kondensatorchips die Spannung maximal, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Elektrodenplatten und den dielektrischen Schichten ebenfalls maximal ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß ein maximaler Temperaturunterschied nach annähernd 3 Zeitkonstanten auftritt, wobei eine Zeitkonstante definiert ist als diejenige Zeit, in welcher ein Punkt auf 63% seiner Maximaltemperatur aufgrund von Wärmezufuhr zu dem Werkstoff kommt. Dies ist verständlich, nachdem , wenn die Temperatur ganz allmählich über eine verhältnismäßig lange Zeitdauer erhöht wird, die unterschiedlichen Temperaturleitzahlen der Schichten verhältnismäßig wenig Einfluß haben und der Unterschied der Temperatur zwischen zwei Schichten sehr klein ist. Nimmt man an, daß die jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gut aufeinander abgestimmt sind, so werden bis zu einer gewissen Grenze die Spannungen geringer, wenn die Anzahl der Zeitkonstanten vergrößert wird. Wenn ferner die Anzahl der Zeitkonstanten unter 3 Zeitkonstanten verringert wird, so hat der Werkstoff nicht genügend Zeit zu reagieren. In den meisten industriellen Anwendungsfällen spielt die Produktionsgeschwindigkeit eine wesentliche Rolle, so daß es nicht möglich ist, die Zeit zur langsamen Temperaturerhöhung der Bauteile wesentlich auszudehnen. Um daher die Spannungen minimal zu halten, ist es notwendig, den Wärme-

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übergang auf das Lot so rasch wie möglich durchzuführen. Die Impulse von 4 bis 6 Millisekunden ermöglichen eine Einführung von Wärme in das Lot in einer Zeit, welche wesenlich kürzer ist, als eine Zeit konstante.

Die gleichzeitige Lötung beider Enden eines Kondensatorchips durch die Verwendung von zwei Laserstrahlen führt zu einer wesentlichen Verbesserung bezüglich der Spannungsentlastung gegenüber entsprechenden bekannten Verfahren. Im einzelnen ist nach der Abkühlung in den Lötverbindungen eine geringere Spannung wirksam und entsprechend sind die auf das Chip wirkenden Spannungen kleiner. Die gleichzeitige Verflüssigung des Lotes an beiden Enden des Bauteiles ohne eine Berührung von außen gibt dem Bauteil die Möglichkeit, auf dem flüssigen Lot zu schwimmen. Auf diese Weise wird eine ausreichende Dicke der Lotschicht zwischen dem Bauteil und der Trägerplatte der gedruckten Schaltung erreicht. Vornehmlich strebt man an, daß nicht weniger als 0,064 mm Lotschicht unter dem Chip erstarren, um die Spannungen in dem Chip und eine Ermüdung im Lot aufgrund plastischer Verformung zu begrenzen.

Betrachtet man die Figuren 4A und 4B, so ergibt sich, daß bei einem gegebenen Verschiebungsweg O an jedem Ende des Bauteils zur Aufnahme der während des Lötens auftretenden Ausdehnung des Bauteils, welche größer als diejenige der gedruckten Schaltung ist, der Verschiebungswinkel Q kleiner wird, wenn die Dicke der betreffenden Lotschicht vergrößert wird. In den Figuren 4A und 4B ist der Winkel u^kleiner als der Winkel 6? , nachdem die Schichtstärke ty größer als die Schichtstärke t. ist. In Figur 5 sind empirisch die Daten aufgezeichnet, welche erkennbar machen, daß die Zugspannung, welche auf das Bauteil nach der Abkühlung wirkt, verringert wird, wenn die Dicke der Lotschicht von 0,076 mm auf 0,254 mm vergrößert wird. Das gleichzeitige Verflüssigen des Lotes vermeidet auch im wesentlichen vertikal gerichtete Kräfte, welche auf das Chip wirken würden, wenn zuerst ein Ende und

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danach erst das andere Ende festgelötet würde.

Im Rahmen der vorstehend angegebenen Gedanken bietet sich dem Fachmann noch eine Reihe von Abwandlungsmöglichkeiten. Beispielsweise sind zwar die obigen Überlegungen in erster Linie in Verbindung mit Chips und insbesondere Kondensatorchips angestellt, doch kann die hier beschriebene Löttechnik auch auf andre Bauelemente angewendet werden.

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Claims

Patentansprüche.

Verfahren zur Lot- oder Schweißverbindung eines Bauteils mit einem Substrat mittels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Strahlung in einer Wellenlänge im Bereich von 1 mm bis 1 nm bereitgestellt wird, daß diese Strahlung dann in eine Mehrzahl gleichzeitig auftretender Strahlenbündel im wesentlichen gleicher Energie aufgeteilt wird, daß die Strahlenbündel nach einwärts verlaufend gegen die einander gegenüberliegenden Enden des zu verbindenden Bauteils gerichtet werden, um Lot zu verflüssigen oder eine Schweißung vorzunehmen, und daß die Strahlenbündel dann wieder beseitigt werden, um im wesentlichen gleichzeitig Verbindungsstellen zur Befestigung des Bauteils am Substrat zu bilden.

2t Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle (B) elektromagnetischer Strahlung in einer Wellenlänge im Bereich von 1 mm bis 1 nm vorgesehen ist, daß die Strahlung dieser Strahlungsquelle mittels einer Strahlteileinrichtung (14} in die Strahlenbündel aufgeteilt wird, welche räumlibh getrennt voneinander geführt sind und daß Strahlführungsmittel (22, 24) vorgesehen sind, um die Strahlenbündel auf die Bereiche zu richten, in denen Verbindungsstellen hergestellt werden sollen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündel pulsierende kohärente Laserstrahlung führen, wobei die Impulsbreiten kleiner als 10 Millisekunden sind, die Impulswiederholungsfrequenz unter 10 Impulse je Sekunde beträgt und die Dauer einer Impulsfolge oder eines Impulsstoßes weniger als 1 Sekunde ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Impulsfolge oder des Impulsstoßes wählbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle verwendet wird, deren Wellenlänge 1,06 um beträgt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite im Bereich von 4 Millisekunden bis 6 Millisekunden liegt.

7. Einrichtung nabh einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Teile auf einer
Halterung, insbesondere einer mittels eines Mikroprozessors steuerbaren Koordinatentisch, befestigt sind.

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