DE3310645C1 - Verfahren zum Verzinnen von Lötaugen von Leiterplatten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die Merkmale des Hauptanspruches gekennzeichnet, während die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die Merlcmale des Anspruches 6 gekennzeichnet ist.
• Die Beseitigung des Lötzinns durch Herausschleudern hat dabei den Vorteil, daß pro Leiterplatte im wesentlichen nur so viel Energie benötigt wird, wie zur Bewegung der verhältnismäßig leichten Leiterplatten erforderlich ist. Außerdem wird das überschüssige Lötzinn bei allen Lötaugen gleichzeitig beseitigt, womit der Vorgang verhältnismäßig sehr schnell abläuft und keine starken Temperaturunterschiede in der Leiterplatte auftreten, wie sie beispielsweise bei dem obengenannten Ausblasen mit Luft unvermeidlich sind.
• Zufolge des sehr schnell durchführbaren Arbeitsablaufs braucht auch die Leiterplatte nicht über längere Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten werden und kann deswegen schnell abkühlen, was insgesamt auch der Festigkeit der Verbindungen zwischen Leiterbahnen und Trägerplatten zugute kommt.
• Das Herausschleudern des überschüssigen Zinns aus den Lötaugen erfolgt sehr wirksam, wenn die Leiterplatte im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Löcher geradlinig bewegt wird.
• Abhängig davon, in welcher Richtung die Leiterplatte zum Herausschleudern des Zinns bewegt wird, kann es notwendig sein, entweder die Leiterplatte verhältnismäßig langsam zu beschleunigen und abrupt abzubremsen oder die Leiterplatte derart stark zu beschleunigen, daß das flüssige Zinn aufgrund der Massenträgheit aus den Löchern der Lötaugen freikommt. Die erste Variante ist anzuwenden, wenn die Leiterplatte vertikal nach unten bewegt wird, während die zweite Variante anzuwenden ist, wenn die Leiterplatte vertikal nach oben beschleunigt wird. In beiden Fällen wird verhindert, daß das Zinn zunächst aus den Löchern austritt und später beim Anhalten der Leiterplatte wieder in die Löcher zurückfällt.
• Würde nämlich bei einer vertikal nach unten gerichteten Bewegung eine abrupte Beschleunigung der Leiterplatte vorgesehen werden, so würde das Zinn bereits aufgrund des Beschleunigungsvorganges nach oben aus den Löchern austreten, hierbei gegebenenfalls teilweise erstarren und beim Auftreffen der Leiterplatte auf den Anschlag wieder in die Löcher zurückgeschleudert werden. Ähnliches gilt für die nach oben gerichtete Bewegung der Leiterplatte, wenn nicht gemäß der zweiten Alternative vorgegangen wird.
• Bei einer im wesentlichen horizontal gerichteten Bewegung können beide Verfahren, nämlich entweder langsames Beschleunigen und schnelles Abstoppen oder schnelles Beschleunigen und wahlfreies Abstoppen, angewendet werden, weil in keinem Fall das Lötzinn in die Lötaugen zurückgelangen kann.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat den Vorteil, daß sie mechanisch sehr einfach aufgebaut ist und ohne weiteres in unmittelbarer Nähe des Zinntauchbades angeordnet werden kann. Darüber hinaus eignet sich die Vorrichtung sowohl zum manuellen Betrieb bei kleinen Stückzahlen als auch zum vollautomatischen Betrieb einer gesamten Fertigungsstraße.
• Je nachdem, wie die Längsführung angeordnet ist, muß dem Schlitten eine Antriebseinrichtung zugeordnet werden, durch die der Schlitten in Richtung auf den Anschlag zu beschleunigbar ist, um auf diese Weise die für das Herausschleudern des Zinns erforderliche Verzögerung infolge des Aufschlagens des Schlittens auf den Anschlag zu erreichen.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Schlitten einer Antriebseinrichtung zuzuordnen, durch die in Richtung auf den Anschlag zu derart beschleunigbar ist, daß das Zinn bereits beim Beschleunigen des Schlittens aufgrund der Massenträgheit aus den Löchern der Lötaugen austritt. Eine solche Anordnung wäre insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Schlitten mit Hilfe einer gespannten Feder in vertikaler Richtung nach oben beschleunigt wird.
• Wenn die Längsführung vertikal verlaufend angeordnet ist und sich der Anschlag an dem unteren Ende der Längsführung befindet, wird für das Herausschleudern des überschüssigen Lötzinns keine Antriebseinrichtung zum Beschleunigen des Schlittens benötigt, der sich dann nach dem Anheben auf der Längsführung und Loslassen aufgrund seines Eigengewichts in Richtung auf den Anschlag zu bewegt.
• Um die Zeit zwischen dem Tauchverzinnen der Lötaugen und dem Herausschleudern des überschüssigen Lötzinns möglichst kurz zu machen, so daß der gesamte Vorgang des Beseitigens des überschüssigen Zinns bei noch leichtflüssigem Zinn erfolgen kann, ist es zweckmäßig, wenn die Klemmvorrichtung für die Leiterplatte eine Neigeeinrichtung aufweist, derart, daß die Leiterplatte im eingespannten Zustand aus einer für das Tauchen im Zinnbad geeigneten Lage in eine für das Herausschleudern des Zinns aus den Löchern geeignete Lage überführbar ist, weil auf diese Weise ein zeitraubendes Umspannen der Leiterplatte vermieden wird und die Leiterplatte für jeden der beiden Vorgänge in die jeweils günstigste Lage gebracht werden kann.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte, geschnitten in dem Bereich eines Lötauges in einer perspektivischen Seitenansicht, F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herausschleudern des überschüssigen Zinns in einer Stellung vor bzw. unmittelbar nach dem Verzinnen der Leiterplatte in einer Seitenansicht und F ig. 3 die Vorrichtung nach F i g. 2 unmittelbar vor dem Beginn der Schleuderbewegung in einer Seitenansicht.
• In F i g. 1 ist ein ein Lötauge 1 enthaltender Ausschnitt einer Leiterplatte 2 geschnitten dargestellt, die eine aus einem nichtleitenden Material bestehenden Trägerplatte 3, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Polyester, enthält. Das Lötauge 1 ist an einer entsprechenden, durch die Trägerplatte 3 hindurchführenden Bohrung 4 ausgebildet, wobei sich sowohl an der Wandung der Bohrung 4 als auch in einem etwa ringförmigen Bereich 5 und 6 jeweils an den Stirnseiten der Bohrung 4 eine Kupferauflage 7 befindet. Die durchgehende Kupferauflage 7, die den Bei eich 6 elektrisch leitend mit dem Bereich 5 an der Oberseite der Trägerplatte 3 verbindet, ist in bekannter Weise hergestellt und deshalb nicht weiter beschrieben.
• An die ringförmigen Bereiche 5 und 6 der Kupferschicht 7 des Lötauges 1 schließen sich einstückig Leiterbahnen 8 und 9 an, die von dem Lötauge 1 weg und zu anderen nicht dargestellten Lötaugen führen.
• Auf der Ober- und auf der Unterseite der Leiterplatte 2 ist jeweils ein Lötstopplack 10 und 11 aufgetragen, der lediglich an dem Lötauge 1 ausgespart ist.
• Im Verlaufe der Herstellung der Leiterplatte 2 wird die Leiterplatte 2 nach der Fertigstellung der Durchkontaktierung der Lötaugen 1 und dem Auftragen der Lötstopplackschichten 10 und 11 in ein Bad mit flüssigem Zinn eingetaucht, um so alle Lötaugen 1 der Leiterplatte 2 gleichzeitig zu verzinnen. Dabei dringt in das durch die Bohrung 4 und die Kupferbeschichtung 7 gebildete Loch 13 Zinn infolge der Kapillarwirkung der Benetzungseigenschaft zwischen Zinn und Kupfer ein.
• Nach dem Herausnehmen der Leiterplatte 2 aus dem Zinnbad bleiben in den Löchern 13 der Lötaugen 1 Zinnpfropfen 14 zurück, die die Löcher 13 verstopfen und im erkalteten Zustand ein Einsetzen von Bauteilen verhindern. Es ist deshalb erforderlich, im Anschluß an das Tauchverzinnen den Zinnpfropfen 14 zu beseitigen, so daß auf der Innenwandung des Lochs 13, d. h. an der Oberseite der Kupferbeschichtung 7 des Lötauges 1 lediglich ein verhältnismäßig dünner Zinnfilm zurückbleibt, der eine Oxidation des Kupfers 7 des Lötauges 1 verhindert, andererseits aber das Einsetzen eines Bauelementes in das Loch 13 nicht verhindert.
• Das Beseitigen der Zinnpfropfen 14 erfolgt mit Hilfe der in den F i g. 2 und 3 veranschaulichten Vorrichtung 20, die eine Längsführung- in Gestalt einer vertikalen Säule 21 sowie einen auf der Säule 21 mittels einer nicht weiter gezeigten Kugelführung längsverschieblich geführten Schlitten 22 aufweist. Die auf einem Tisch oder Boden 23 fest verankerte Säule 21 weist im Bereiche ihres unteren Endes einen aus Gummi bestehenden Anschlag 24 auf, gegen den der Schlitten 22 anlaufen kann.
• An dem Schlitten 22 ist eine Klemmeinrichtung 25 für die schematisch veranschaulichte Leiterplatte 2 angebracht, wobei durch eine in der Klemmeinrichtung 25 vorgesehene Neigeeinrichtung 26, beispielsweise ein arretierbares Gelenk, die Leiterplatte aus der in Fig.2 gezeigten vertikalen Lage in die in Fig.3 gezeigte horizontale Lage überführt werden kann.
• Die insoweit beschriebene Vorrichtung 20 wird wie folgt gehandhabt: Nachdem bei der anhand von F i g. 1 beschriebenen, gegebenenfalls mit Kupfer beschichteten, nichtleitenden Trägerplatte 3 in bekannter Weise die Bohrungen 4 für die Lötaugen 1 gebohrt und dfirchverkupfert wurden, woraufhin dann die Lötaugen 1 durch Ätzen od. dgl. hergestellt. wurden, so daß die durchkontaktierten Löcher 13 der Lötaugen 1 erhalten wurden, werden auf beide Seiten der Leiterplatte 2 die Lötstopplackschichten 10 und 11 aufgetragen, die lediglich die ringförmigen Bereiche 5 und 6 der Lötaugen 1 aussparen. Die insoweit vorbereitete Leiterplatte wird in die Klemmeinrichtung 25 der Vorrichtung 20 eingespannt, wobei sich der Schlitten 22 in seiner oberen Stellung auf der Säule 21 befindet. Mit Hilfe des arretierbaren Gelenkes 26 wird die Leiterplatte 2 in eine im wesentlichen vertikale Lage überführt, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist. Nunmehr wird der Schlitten 22 mit der Leiterplatte 2 langsam abgesenkt, wobei die Leiterplatte 2 in eine beheizte Wanne 30 eintaucht, die neben der Säule 21 angeordnet ist und flüssiges Zinn 31 enthält.
• Nach dem vollständigen Eintauchen der Leiterplatte 2 in das flüssige Zinn 31 wird der Schlitten 22 mitsamt der daran gehalterten Leiterplatte 2 wieder angehoben und die Leiterplatte taucht mit verzinnten Lötaugen 1 aus dem flüssigen Zinn 31 auf, wobei das Loch 13 jedes Lötauges 1 mit dem in Fig. 1 gezeigten Stopfen aus Zinn 14 verschlossen ist, der sich zunächst noch im flüssigen Zustand befindet Nunmehr wird die Leiterplatte 2 mittels des arretierbaren Gelenkes 26 in eine horizontale Lage überführt, in der die Achsen der Löcher 13 der Lötaugen 1 im wesentlichen vertikal verlaufen.
• Nachdem die Wanne 30 mit dem flüssigen Zinn 31 entfernt wurde, wird der immer noch in der oberen Stellung befindliche Schlitten 22 mit der Leiterplatte 2 losgelassen und fällt aufgrund seines Eigengewichtes, geführt durch die Säule 21, nach unten, wo er auf den aus Gummi bestehenden Anschlag 24 auftrifft. Die Fallhöhe beträgt dabei zweckmäßigerweise ungefähr 60 cm, die ausreichen, um dem Schlitten 22 und der Leiterplatte 2 eine so hohe Geschwindigkeit zu erteilen, daß das Abbremsen auf dem Anschlag 24 eine genügend große Beschleunigungskraft erzeugt, die die noch flüssigen Zinnpfropfen 14 aus den Löchern 13 der Lötaugen 1 herausschleudert.
• Durch das Fallenlassen des Schlittens 22 auf der Säule 21 wird außerdem erreicht, daß die Leiterplatte 2 verhältnismäßig langsam beschleunigt wird, während das Abbremsen auf dem Anschlag 24 sehr abrupt erfolgt, so daß das. flüssige Zinn infolge der Massenträgheit und des Eigengewichtes aus den Löchern 13 herausgeschleudert wird.
• Abweichend von dem in den F i g. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 20, bei der sich die Säule 21 in einer vertikalen Lage befindet, kann die Säule 21 auch horizontal angeordnet sein, wobei dann jedoch zum Beschleunigen des Schlittens 22 eine Antriebseinrichtung erforderlich ist, die den Schlitten 22 in Richtung auf den Anschlag 24 beschleunigt. Die Leiterplatte 2 wird in diesem Fall. so angeordnet, daß auch die Achsen der Löcher 13 horizontal, d. h. parallel zu der Säule 21 verlaufen, womit die Achsen der Löcher 13 in die Bewegungsrichtung zeigen: Auch hierbei wird wiederum erreicht, daß durch das Aufschlagen des Schlittens 22 auf den Anschlag 24 das noch flüssige Zinn infolge der Massenträgheit aus den Löchern 13 austritt.
• Das Gewicht des Zinns unterstützt aber bei einer horizontalen Führung des Schlittens 22 nicht das Austreten des flüssigen Zinns aus den Löchern 13, wie in dem vorangegangenen Beispiel.
• Bei einer horizontalen Anordnung der Vorrichtung 20 ist es auch wahlweise möglich, den Schlitten 22 mit der daran befestigten Leiterplatte 2, die sowie oben beschrieben ausgerichtet ist, beispielsweise mittels einer Feder abrupt zu beschleunigen, so daß bereits beim Beschleunigen der Leiterplatte 2 das flüssige Zinn infolge der ihm innewohnenden Massenträgheit aus den Löchern 13 der Lötaugen 1 austritt. Eine gleiche Vorgehensweise ist auch bei vertikaler Anordnung der Vorrichtung 20 möglich, wenn die Platte nicht, wie vorstehend beschrieben, nach unten, sondern in vertikaler Richtung nach oben beschleunigt wird, um das Zinn aus den Löchern 13 der Lötaugen 1 herauszubekommen. In jedem Falle is#t vermieden, daß das möglicherweise noch teilweise- flüssige Zinn beim Abstoppen der Leiterplatte 2 wieder in die Löcher 13 zurückgelangen kann.
• Ersichtlicherweise kann das im Zusammenhang mit der Vorrichtung 20 beschriebene Verfahren ohne weiteres so schnell ausgeführt werden, daß kein Erstarren des Zinns in den Löchern 13 der Lötaugen 1 zu befürchten ist. Andererseits wird pro Leiterplatte 2 nur soviel Energie benötigt, wie erforderlich ist, um den Schlitten 22 mitsamt der verzinnten Leiterplatte 2 in die obere Stellung zu bringen, die sich etwa 60 cm über dem Anschlag 24 befindet. Eine zusätzlich thermische Belastung der Umgebung und der Leiterplatte 2 tritt nicht auf.

Claims (11)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Verzinnen von Lötaugen von Leiterplatten, insbesondere von durchkontaktierten Lötaugen von zumindest zweiseitig kaschierten Leiterplatten, bei dem zunächst in eine gegebenenfalls mit Kupfer beschichtete, nichtleitende Trägerplatte die Löcher der Lötaugen gebohrt und gegebenenfalls durchverkupfert werden, dann die Lötaugen durch Ätzen od. dgl. hergestellt und anschließend die fertiggestellte Leiterplatte in einem Zinnbad tauchverzinnt wird, wobei das Zinn abschließend aus den Löchern der Lötaugen beseitigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem - Herausnehmen der Leiterplatte aus dem Zinnbad das noch flüssige Zinn aus den Löchern der Lötaugen durch Bewegen der Leiterplatte herausgeschleudert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herausschleudern des Zinns die Leiterplatte im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Löcher geradlinig bewegt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte verhältnismäßig langsam beschleunigt und abrupt abgebremst wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte derart stark beschleunigt wird, daß das flüssige Zinn aufgrund dsr Massenträgheit aus den Löchern der Lötaugen freikommt
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte in einer im wesentlichen horizontalen Richtung bewegt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte in einer im wesentlichen vertikalen Richtung bewegt wird, wobei das abrupte Abbremsen an dem tiefsten Punkt der Bewegungsbahn liegt.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längsführung (21) mit einem darauf~ längsverschieblich geführten Schlitten (22) sowie gegebenenfalls mit einem Anschlag (24) für den Schlitten (22) vorgesehen ist, der eine Klemmeinrichtung (25) für die Leiterplatte (2) trägt, und daß der Schlitten (22) in Richtung auf den Anschlag (24) zu beschleunigbar ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlitten (22) eine Abtriebseinrichtung zugeordnet ist, durch die er in Richtung auf den Anschlag (24) zu derart beschleunigbar ist, daß das Zinn während des Beschleunigens in den Löchern der Lötaugen bleibt und erst beim Auftreffen des Schlittens (22) auf den Anschlag (24) aus den Löchern freikommt
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlitten (22) eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, durch die er in Richtung auf den Anschlag (24) zu derart beschleunigbar ist, daß das Zinn beim Beschleunigen des Schlittens (22) aufgrund der Massenträgheit aus den Löchern (4) der Lötaugen (1) austritt.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsführung (2kl) vertikal verlaufend angeordnet ist, wobei sich der Anschlag (24) an dem unteren Ende der Längsführung (2s) befindet.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (25) eine Neigeeinrichtung (26) aufweist, derart, daß die Leiterplatte (2) im eingespannten Zustand aus einer für das Tauchen in dem Zinn (31} geeigneten Lage in eine für das Herausschleudern des Zinns (14) aus den Löchern (13) geeignete Lage überführbar ist.

    Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Verzinnen von Lötaugen von Leiterplatten, insbesondere von durchkontaktierten Lötaugen von zumindest zweiseitig kaschierten Leiterplatten, bei dem zunächst in eine gegebenenfalls mit Kupfer beschichtete, nichtleitende Trägerplatte die Löcher der Lötaugen gebohrt und gegebenenfalls durchverkupfert werden, dann die Lötaugen durch Ätzen od. dgl. hergestellt und anschließend die fertiggestellte Leiterplatte in einem Zinnbad tauchverzinnt wird, wobei das Zinn abschließend aus den Löchern der Lötaugen beseitigt wird.

    Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

    Bei der Herstellung von Leiterplatten ist es erforderlich, durch Anätzen od. dgl. die Oxidschicht von den fertiggestellten Lötaugen zu entfernen und diese sogleich zu verzinnen. Werden die Lötaugen nämlich nicht verzinnt, so bildet sich innerhalb verhältnismäßig Kurzer Zeit eine neue Kupferoxidschicht, die, weil sie kein Zinn annimmt, nicht mehr lötbar ist. Die Zeit zwischen der Herstellung der Leiterplatte und dem Bestücken und anschließenden Verlöten ist in aller Regel zu lang, um ohne vorheriges Verzinnen der Lötaugen auskommen zu können.

    Das Verzinnen der Lötaugen erfolgt üblicherweise durch Eintauchen der fertiggestellten Leiterplatte, wobei infolge von Kapillarkräften das Zinn in die durchkontaktierten Löcher der Lötaugen eindringt, um später einen sicheren und dauerhaften Halt der Bauelemente in den Lötaugen zu gewährleisten. Auch bei nicht durchkontaktierten Lötaugen kann infolge der Oberflächenspannung des Zinns das Loch in dem Lötauge durch das flüssige Zinn verschlossen werden.

    Es ist deshalb erforderlich, im Anschluß an das Tauchverzinnen das überschüssige, die Löcher verstopfende Lötzinn wieder zu beseitigen. Zum Entfernen des Lötzinns aus den Löchern der Lötaugen ist es bisher bekannt, Heißluft zu verwenden, mit der das Zinn aus den Löchern der Lötaugen herausgeblasen wird (DE-OS -3039582). Eine derartige Blasanlage weist jedoch einen enormen Energieverbrauch zum Aufheizen der Luft auf, ganz abgesehen davon, daß in dem Raum, in dem eine derartige mit Heißluft arbeitende Anlage so stark aufgewärmt wird, daß ein längerer Aufenthalt für Menschen praktisch unmöglich ist.

    Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Verzinnen von Lötaugen von Leiterplatten zu schaffen, bei dem mit einem wesentlich geringeren Energie- und apparativen Aufwand das Lötzinn aus den Löchern der Lötaugen zu beseitigen ist. Ferner ist es Aufgabe dèr Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.