DE3534851A1

DE3534851A1 - Impulsloetstempel

Info

Publication number: DE3534851A1
Application number: DE19853534851
Authority: DE
Inventors: Ruediger Wilde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1987-04-02

Description

Die Erfindung betrifft einen Impulslötstempel. Impulslötstempel werden beispielsweise in der Montagetechnik integrierter Halbleiterschaltkreise eingesetzt. Am bekanntesten ist ihr Einsatz bei der Montage filmmontierter Schaltkreise ("Mikropack").

In der Broschüre "MIKROPACK eine kompakte IC-Bauform für die Oberflächenmontage" (Herausgegeben von Siemens AG, Bereich Bauelemente, Produktinformation; Bestell-Nr. Bl-B3166; erschienen Februar 1985) ist auf Seite 7, Bild 5 ein üblicher Impulslötstempel gezeigt, wie er zur sogenannten Innenlötung von Mikropacks verwendet wird. Unter Innenlötung wird dabei das Erstellen einer mechanisch stabilen und dauerhaften Lötverbindung zwischen Anschlußkontakten eines Halbleiterchips und metallischen Anschlußleitungen (im allgemeinen aus Kupfer) eines Filmbandes verstanden.

Der obengenannte übliche Impulslötstempel ist aus einem einzigen Material geformt und weist eine Arbeitsfläche auf, mittels derer die Lötverbindung herstellbar ist. Diese Arbeitsfläche ist zum einen selbstverständlich auf die geometrischen Abmessungen des Halbleiterchips abgestimmt. Zum anderen ist die Arbeitsfläche gegenüber dem restlichen Teil der Impulslötstempels in ihrem Querschnitt deutlich vermindert. Durch die damit in Zusammenhang stehende Zunahme des ohmschen Widerstandes in diesem Bereich heizt sich der Impulslötstempel im Betrieb an der Arbeitsfläche stärker auf als im restlichen Teil des Impulslötstempels. Dies führt auf einzelnen Teilbereichen der Arbeitsfläche zu unterschiedlich schneller und unterschiedlich starker Erwärmung der Arbeitsfläche während des Lötvorganges. Damit sich die Arbeitsfläche jedoch an jedem Punkt ihrer Oberfläche (zumindest in den Bereichen, in denen die Lötung vorgenommen wird) sicher auf eine Temperatur erwärmt, die über der Schmelzpunkttemperatur des verwendeten Lotes liegt, muß die Arbeitsfläche insgesamt auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die deutlich über der durch den Schmelzpunkt bestimmten notwendigen Löttemperatur liegt (Übertemperatur). Dies hat zum einen längere Abkühlzeiten zur Folge, was die Produktionskapazität negativ beeinflußt. Zum anderen treten jedoch auch lokale Überhitzungen auf, die sich qualitätsmindernd auf den gesamten Schaltkreis, insbesondere auf den Halbleiterchip auswirken.

Die Arbeitsfläche des Impulslötstempels nach dem Stande der Technik stellt eine Strecke in sich gleichen ohmschen Widerstandes (pro Längeneinheit) dar. Beim Betrieb mit Wechselstrom bilden sich demzufolge Wirbelstrom- und/oder Feldverdrängungseffekte aus mit der Folge ungleicher Wärmeentwicklung, die wiederum durch Aufheizen bis zu einer Übertemperatur kompensiert werden müssen. Dies fördert ebenfalls die Gefahr lokaler Überhitzungen mit den obengenannten negativen Folgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Impulslötstempel zu schaffen, der eine gleichmäßige und genaue Temperaturverteilung auf seiner Arbeitsfläche aufweist und der demzufolge ohne die erwähnte Übertemperatur betrieben werden kann. Aufgabe ist es auch, den Impulslötstempel so zu gestalten, daß die erwähnten Wirbelstrom- und/oder Feldverdrängungseffekte, die sich aufgrund physikalischer Gesetze grundsätzlich nicht zur Gänze vermeiden lassen, sich auf die Temperaturverteilung nicht mehr störend auswirken, so daß ein Betrieb ohne Übertemperatur und ohne lokale Überhitzungen auch aus diesem Grunde ermöglicht ist. Weiters sollen kürzere Taktzeiten (= benötigte Zeit pro Lötvorgang) erreichbar sein, wodurch sich ein höherer Durchsatz ergibt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Impulslötstempel mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Lötstempel im Querschnitt.

Fig. 2 zeigt denselben Lötstempel in Draufsicht, gedreht um 90° um die Hochachse, sowie teilweise im Querschnitt.

Der erfindungsgemäße Impulslötstempel weist Stromzuführungen A auf aus gut wärmeleitfähigem Material. Es ist vorteilhaft, wenn das Material überwiegend Kupfer oder Silber enthält. Die Stromzuführungen A sind durch ein Medium B elektrisch voneinander isoliert. Vorrichtungen C fixieren die Stromzuführungen A und das Medium B mechanisch zueinander. Dabei bleiben die Stromzuführungen A elektrisch voneinander isoliert. Als Vorrichtungen C eignen sich bespielsweise Schraubverbindungen aus isolierendem Material oder mit isolierender Ummantelung. Der erfindungsgemäße Lötstempel weist des weiteren einen Lötbügel D auf mit einer Arbeitsfläche AF. Der Lötbügel D ist mit den Stromzuführungen A mittels einer Verbindung V mechanisch fest sowie elektrisch und temperaturmäßig gut leitend verbunden. Die Verbindung V ist vorteilhafterweise durch Hartlöten erzielt. Verglichen mit den Stromzuführungen A, weist der Lötbügel D einen deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand auf. Dadurch ist gewährleistet, daß sich im Betrieb der Lötbügel D zwar entsprechend schnell und gleichmäßig aufheizt, die Stromzuführungen A jedoch relativ kühl bleiben. Durch die elektrisch und temperaturmäßig gut leitende Verbindung V werden einerseits Stromverluste durch den Stromübergang von den Stromzuführungen A zum Lötbügel D verhindert und andererseits sind die Stromzuführungen A in der Lage, nach dem Lötvorgang die am Lötbügel D entstandene Hitze sehr schnell übernehmen zu können, so daß der Impulslötstempel insgesamt, und insbesondere der Lötbügel D, sehr schnell abkühlen. Vorteilhafterweise ist der Lötbügel D aus gehärtetem Stahl, insbesondere aus gehärtetem Stahl einer Stahlsorte, die auch nach dem Herstellen (Hartlöten) der Verbindungen V zwischen dem Lötbügel D und den Stromzuführungen A noch eine Resthärte von mindestens 58 HRC aufweist. Eine geeignete Stahlsorte ist ASP23.

Beim Impulslöten wird den Stromzuführungen A ein in Stromstärke und Zeit geregelter Strom zugeführt. Dies führt zu einer schnellen Erhitzung des Lötbügels D. Durch geeignete Dimensionierung des Abstandes X (siehe Fig. 1) zwischen der Arbeitsfläche AF des Lötbügels D und den Verbindungsstellen V von Lötbügel D und Stromzuführungen A läßt sich eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung auf der Arbeitsfläche AF erreichen. Die Dimensionierung ist abhängig von der Größe der Arbeitsfläche AF und der zu erzielenden Löttemperatur. Dem Durchschnittsfachmann bereitet diese Dimensionierung keinerlei Schwierigkeiten.

Ein solchermaßen konstruierter Impulslötstempel erfüllt alle an ihn gestellten Forderungen: Er ist schnell aufheizbar auf die gewünschte Löttemperatur, diese verteilt sich gleichmäßig auf der Arbeitsfläche AF und er kühlt sehr schnell wieder ab. Das schnelle Abkühlen ist deshalb von Vorteil, weil der Lötvorgang erst beendet werden kann (Abheben des Lötstempels vom Halbleiterchip), wenn die Temperatur des Impulslötstempels im Bereich der Arbeitsfläche AF auf einen Wert unterhalb der Schmelzpunkttemperatur des verwendeten Lotes abgesunken ist. Dies beeinflußt die Durchsatzrate pro Stunde bzw. Arbeitsschicht und damit die Stückzahlkapazität eines Impulslötplatzes. Die gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Arbeitsfläche AF ermöglicht einen Betrieb ohne Übertemperatur.

Eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung auf der Arbeitsfläche AF erreicht man, wenn der Lötbügel D an der Arbeitsfläche AF Stege ST aufweist. Die Stege ST befinden sich dabei, wie in Fig. 2 deutlich gezeigt, an freien Rändern der Arbeitsfläche AF und sind vorteilhafterweise zu einer Hauptfläche der Arbeitsfläche AF in einem größeren Winkel (empfehlenswert sind 90°) abgewinkelt. Dadurch stellt sich zwar eine Verringerung des elektrischen Widerstandes im Bereich der Arbeitsfläche AF ein. Es führt jedoch auch zu einer Verringerung der obengenannten Wirbelstrom- und Feldverdrängungseffekte und somit zu einer noch gleichmäßigeren Erwärmung der Arbeitsfläche AF des Impulslötstempels.

Erfindungsgemäß läßt sich auch der bekannte Impulslötstempel mit solchen Stegen ST versehen. Dies führt auch bei einem solchen bekannten Impulslötstempel zu einer Verringerung der Wirbelstrom- und Feldverdrängungseffekte und somit zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung. Optimal ist jedoch diese Wirkung der Stege ST bei einem erfindungsgemäßen Impulslötstempel.

Die Stege ST weisen eine Höhe y auf. Der Betrag der Höhe y muß in Versuchen ermittelt und optimiert werden. Er hängt insbesondere von den in jedem Einzelfall verschiedenen Strom-, Material- und Lötmittelparametern sowie der geometrischen Ausgestaltung der Arbeitsfläche AF ab. Mit dem erfindungsgemäßen Impulslötstempel läßt sich eine größere Temperaturkonstanz und -gleichmäßigkeit auf der -arbeitsfläche AF erreichen. Bei Löttemperaturen von 250 bis 350°C wurden Temperaturunterschiede von maximal ± 10°C gemessen. Als Maß für die erreichte Löttemperatur können die Stahlanlaßfarben des Lötbügels D dienen.

Claims

1. Impulslötstempel, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Stromzuführungen (A) aus gut wärmeleitfähigem Material,
b) Vorrichtungen (C) zum genauen Fixieren der Stromzuführungen (A) zueinander,
c) Medium (B) zur elektrischen Isolation der Stromzuführungen (A) voneinander,
d) Lötbügel (D) mit einer Arbeitsfläche (AF) und, verglichen mit den Stromzuführungen (A), einem deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand,
e) der Lötbügel (D) ist mit den Stromzuführungen (A) mechanisch fest sowie elektrisch und temperaturmäßig gut leitend verbunden.

2. Impulslötstempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen (A) mindestens überwiegend Kupfer oder Silber enthalten.

3. Impulslötstempel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (C) zum genauen Fixieren der Stromzuführungen (A) diese (A) dabei elektrisch voneinander isolieren.

4. Impulslötstempel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch feste und elektrisch und temperaturmäßig gut leitende Verbindung (V) durch Hartlöten erzielt ist.

5. Impulslötstempel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötbügel (D) aus gehärtetem Stahl ist.

6. Impulslötstempel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gehärtete Stahl von einer Stahlsorte ist, die nach dem Hartlöten immer noch eine Resthärte von mindestens 58HRC aufweist.

7. Impulslötstempel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlsorte ASP23 ist.

8. Impulslötstempel, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er seitliche Stege (ST) an Arbeitsflächen (AF) aufweist.

9. Impulslötstempel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (ST) zur Arbeitsfläche (AF) in einem größeren Winkel, vorzugsweise rechtwinklig (90°) abgewinkelt sind.