DE3828597A1 - Verfahren mit veraenderung von prozessparometern beim impulsloeten - Google Patents

Description

Das Behandeln und/oder Verbinden von Teilen durch Einwirkungen mit Temperaturen wird in großem Umfang eingesetzt. Hier sei repräsentativ das Verbinden mit einem Lot erwähnt, das unter dem Einfluß einer Temperatur schmilzt und wenigstens zwei Teile miteinander verbindet. Eine andere typische Anwendung eines solchen Verfahrens ist das Verbinden mit Klebern, die hier die Aufgaben eines Lotes erfüllen können. Ferner sind noch andere thermische Behandlungen möglich, so daß Verändern von Strukturen in Materialien unter dem Einfluß bestimmter Temperaturen, von Gasen und auch von Kräften bzw. besonders auch deren Kombinationen.

Das hier besonders anwendbare als Beispiel beschriebene Verfahren überträgt die Wärme von einem Werkzeug auf wenigstens ein Teil vorzugsweise durch thermischen Kontakt und/oder durch Strahlung. Hierbei kann die Wärmequelle vorzugsweise ein dem Verbraucher in seinen Abmessungen angepaßtes Werkzeug sein, das kraftschlüssig wenigstens ein Teil mittelbar oder unmittelbar berührt.

Änderungen dieses Verfahrens sehen auch vor, daß z. B. erst nach Erreichen dieser Kraft der voreingestellte Temperaturimpuls ausgelöst wird und erst nach seiner Beendigung der dadurch entstandene thermische Kontakt wieder aufgehoben wird. Ein derartiges Verfahren wird als Impulslöten bezeichnet.

Als typische Anwendung des neuartigen Verfahrens sei hier das Behandeln von Flußmitteln mit diesem Verfahren erwähnt, das z. B. für die Herstellung von Lötverbindungen erforderlich ist.

Für die Anwendung dieses Verfahrens zum Löten ist grundsätzlich ein Flußmittel erforderlich, das die Oberflächen der zu verbindenden Teile und des Lotes von ihren Verunreinigungen befreit und erst dadurch das Schmelzen des Lotes und damit das Verbinden der Teile ermöglicht.

Diese Flußmittel werden üblicherweise mit verschiedenen Lösungsmitteln auf die Teile aufgetragen, die entweder vorher oder während der Einwirkung der Wärme verdunsten und dabei eine undefinierbare Menge thermischer Energie von den zu verbindenden Teilen absorbieren. Auch kann es vorkommen, daß ein oder mehrere dieser Lösungsmittel während der Einwirkung der thermischen Energie über den Siedepunkt des/der Lösungsmittel explosionsartig verdampfen und dabei zusätzlich Lot von den Verbindungsstellen mitreißen.

Die für die Übertragung der thermischen Energie einwirkende Kraft der Werkzeuges auf die Teile hat gleichzeitig den Nachteil, daß dadurch empfindliche Teile beschädigt werden können. Dies kann besonders dann der Fall sein, wenn die Wärme z. B. auf ein weiteres Teil übertragen werden soll, das z. B. nur als eigentliche mechanische Grundplatte für die Teile verwendet wird, so z. B. einer Leiterplatte aus Epoxy oder aus Glas.

Das hier beschriebene neue Verfahren kann entscheidend dazu beitragen, die hier geschilderten Nachteile zu vermeiden oder wenigstens erheblich zu verringern. Die möglichen Toleranzen der Verarbeitungsparameter werden größer und die Ausbeute bei der thermischen Behandlung dadurch erheblich erhöht. Mit diesem Verfahren erfolgt eine gezielte Behandlung der unterschiedlichen Materialien.

Bekannt sind Verfahren, bei dem lediglich die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur an dem Werkzeug mit einer langsamen Temperaturänderungs-Geschwindigkeit auf den Sollwert gebracht wird. Hierdurch kann nur geringfügig eine Verbesserung in der Wärmebehandlung erreicht werden, da sich hier nur ein Kompromiß erreichen läßt. Eine optimale Anpassung an die Bedingungen der Materialien ist hierbei nicht gegeben.

Üblich ist es bei derartigen Anwendungen, alle voreingestellten Prozeßparameter als Funktion der Zeit konstant zu halten, sie also nicht erfindungsgemäß als Funktion der Zeit zu ändern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Werkzeuge zur Übertragung thermischer Energie durch thermischen Kontakt oder durch Strahlung mit hoher Geschwindigkeit in der Temperaturänderung auf verschiedene Temperaturen für verschiedene Zeiten eingestellt werden. Das daraus resultierende "Profil" kann erfindungsgemäß in seinen einzelnen Temperaturen und einwirkenden Kräften und auch Zeiten den Eigenschaften der einzelnen Materialien, deren Anforderungen und deren Mengen angepaßt werden, die sich so individuell behandeln lassen. Durch entsprechende Auslegung der Temperaturregelung können hierbei Änderungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000°C pro Sekunde erreicht werden. Die betrifft vor allen Dingen auch das Abkühlen des Werkzeuges und der Teile, wobei hier erfindungsgemäß eine Zwangskühlung z. B. durch ein kaltes Gas beim Verändern der Temperatur auf einen nachfolgend geringeren Wert angewandt wird.

Ferner ist es erfindungsgemäß auch möglich, alle Parameter mit einstellbaren Geschwindigkeiten zu ändern.

Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, auch die einwirkende Kraft des Werkzeuges zum Behandeln der Teile und zur Erzielung des thermischen Kontaktes auf wenigstens eines der Teile als Funktion der Zeit zu ändern. Besonders auch dadurch - und in Verbindung mit den entsprechenden Temperaturen - wird die thermische Beeinflussung der zu behandelnden Teile vorteilhaft beeinflußt.

Durch zweckmäßige Änderungen der voreingestellten Temperaturen und der voreingestellten Kräfte als Funktion der Zeit kann die übertragene mechanische und thermische Energie zum Behandeln der Teile zeitlich verändert werden und Teile lassen sich z. B. nach einer entsprechenden Vorbehandlung mit einem während dieser Behandlungsphase schmelzenden Lot miteinander verbinden. Die Anpassung des Temperaturprofiles an diese Forderungen der Materialien verbessert die Anwendungen dieses Verfahrens.

Die Abbildungen veranschaulichen eine derartige Anordnung und dieses Verfahren.

Fig. 1 zeigt zunächst eine typische Anordnung, mit der über Kraft und daraus resultierendem thermischen Kontakt thermische Energie auf Teile übertragen werden kann.

Hier stellt 11 ein heizbares Werkzeug mit der die Wärme abgebenden Fläche 11 a dar, daß mit einem entsprechenden Regler schnell auf die voreingestellte Solltemperatur eingestellt werden kann. Hierfür fließt ein elektrischer Strom 19 durch den Heizwiderstand, der durch den externen Regler als Funktion der Soll-Temperatur geregelt wird. 12 sind die entsprechenden elektrischen Anschlüsse dieses Werkzeuges, über die auch gleichzeitig die Kraft 13 einwirken kann. Üblicherweise wird auf der die thermische Energie abgebenden Fläche die Temperatur gemessen (nicht dargestellt), die dann zur Regelung des Stromes 19 dient.

14 sind hier z. B. die elektrischen Anschlüsse des Gehäuses eines elektronischen Bauteiles 16, die auf die elektrischen Anschlüsse 15 einer Leiterplatte aufgelötet werden sollen. Hierfür wird Lot 17 in Verbindung mit üblichen Flußmitteln zur Reduktion von Verunreinigungen verwendet.

Fig. 2 zeigt ein übliches zeitliches Profil für die Übertragung der Wärme des Werkzeuges auf diese Teile. Hierbei ist 21 die Zeitachse, 22 die auf die Teile einwirkende Kraft und 23 die von dem Werkzeug 11 a auf die Teile abgegebene Temperatur.

Üblicherweise wird beim Erreichen der voreingestellten Kraft 22 a die Heizung für das Werkzeug 11 a ausgelöst, so daß die Temperatur 23 a sich auf den Sollwert 23 b einstellt. Mit dem Erreichen dieser Temperatur läuft die voreinstellbare Zeit 21 a. Nach dem Ende dieser Zeit kühlt das Werkzeug wieder ab. Bei Erreichen der voreingestellten Temperatur 23 c wird die Kraft 22 b des Werkzeuges 11 von den Teilen aufgehoben und der Vorgang der thermischen Behandlung ist beendet.

Der hier dargestellte standisierte Vorgang kann auch etwas anders verlaufen, so daß z. B. die Temperatur nach anderen Kriterien eingeschaltet wird und auch die Abkühlung nach anderen Bedingungen geschaltet wird. Die voreingestellten Werte beliebigen jedoch auf diesen Werten.

Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Diagramm mit den verschiedenen Profilen für die Übertragung der Wärme des Werkzeuges auf diese Teile. Hierbei ist 31 die Zeitachse, 32 die auf die Teile einwirkende Kraft und 33 die von dem Werkzeug 11 a auf die Teile abgegebene Temperatur.

Mit 32 sind die verschiedenen Kräfte dargestellt, die über das Werkzeug 11 a auf die Teile einwirken können. 33 a. . .f sind die verschiedenen Temperaturen, die an dem Werkzeug 11 a eingestellt werden können. Schließlich stellen 34 noch zeitlich programmierbare Gase dar, die z. B. zum Kühlen der Werkzeuge und der Teile verwendet werden können und/oder auch gleichzeitig ein gegen Oxydation schützendes Gas für die Erwärmungszone sein kann.

Das Temperaturprofil 33 kann erfindungsgemäß auf die verschiedenen Werte 33 a. . .f eingestellt werden, das sich z. B. auf die Anforderungen der zu behandelnden Materialien einstellen läßt. So werden z. B. mit 33 a. . .c unterschiedliche Lösungsmittel durch Heizen etwa auf die unterschiedlichen Siedepunkte aus den Flußmitteln verdampft, so daß für den nachfolgenden Lötvorgang nur noch reine Flußmittel vorhanden sind. Hierbei können die einstellbaren Zeiten 31 a. . .e auf die Mengen der Lösungsmittel und auch auf die für deren Verdampfen erforderliche thermischen Energien eingestellt werden. Auch läßt sich eine weitere Temperatur/Zeit einstellen, um das verbleibende Flußmittel langsam zu schmelzen und so eine optimale Benetzung in den geforderten Bereichen vor dem Lötvorgang sicherzustellen.

Der Verlauf der Kraft 32 auch zum Herstellen des thermischen Kontaktes kann erfindungsgemäß in seinem zeitlichen Verlauf auf verschiedene Werte programmiert werden. So kann die Kraft 32 a auf einem relativ hohen Wert eingestellt werden, um während der noch nicht flüssigen Phase des Lotes einen mechanisch stabilen Kontakt auch zum Verdampfen der Flußmittel herzustellen. Während des Anschmelzens des Lotes kann die Kraft 32 b noch erhöht werden, um die zuerst schmelzenden Oberflächen der unterschiedlichen Teile schnell und innerhalb einer kurzen Zeit auf ein gemeinsames Niveau einebnen zu können. Ferner können besonders während dieser Zeit Teile erfindungsgemäß mechanisch ausgerichtet werden, z. B. die Anschlüsse 14 eines Teiles auch außerhalb ihrer elastischen Verformung. Hierfür können auch unterschiedliche Kräfte programmiert werden. Während des eigentlichen Schmelzvorganges und dem Verbinden der Teile mit dem Lot ist dann keine so hohe Anfangskraft mehr erforderlich und kann erfindungsgemäß verringert werden, so daß temperatur-empfindliche Teile bei der hier dargestellten Temperatureinwirkung wesentlich reduziert mechanisch belastet werden. Als möglicher Grenzwert läßt sich die Kraft nahezu ganz reduzieren und der thermische Kontakt besteht dann z. B. lediglich noch zum/über dem schmelzenden Lot.

Der weitere Temperatur-Impuls 33 d kann z. B. für das Anschmelzen des Lotes verwendet werden. Dieser hier vorzugsweise eingestellte Impuls reicht jedoch noch nicht aus, um bereits den eigentlichen Schmelzvorgang zum Verbinden der Teile mit Lot herzustellen. So wird z. B. zur schnelleren Übertragung der thermischen Energie auf die Teile hier mit einer höheren Temperatur der Schmelzvorgang eingeleitet, der dann durch den nachfolgenden Impuls 33 e durch Schmelzen des gesamten Lotes vollendet wird. Auch für diese Vorgänge lassen sich auch mehrere verschiedene Impulse nacheinander programmieren.

Gleichzeitig können erfindungsgemäß noch verschiedene Gase 34 für verschiedene Aufgaben auf das Werkzeug und/oder auf die Teile geführt werden. Hier ist vereinfacht lediglich ein gemeinsames Diagramm dargestellt, jedoch können die Gase für die unterschiedlichen Aufgaben auch aus verschiedenen Düsen geführt, aus verschiedenen Medien bestehen und verschiedene Temperaturen haben.

34 a ist hier lediglich z. B. ein geringer Gasfluß, der z. B. nur die Umgebung der thermisch zu behandelnden Teile vor Fremdeinwirkungen während der Verdampfungsphase der Lösungsmittel frei hält. Während des Verdampfens der Lösungsmittel aus den Flußmitteln kann es erforderlich sein, bereits eine schützende und nicht oxydierende Umgebung für diese Teile einzustellen. Dies ist z. B. bei einem Feststoff-freien Flußmittel vorteilhaft. Hierfür ist der nachfolgende Gasfluß 34 b vorgesehen. In diesem Beispiel bleibt diese Einstellung noch während des Anschmelzens des Lotes vorhanden.

Während der Abkühlphase von der Temperatur 33 d auf 33 e bzw. 33 e auf 33 f wird der Gasfluß wesentlich erhöht, um das Werkzeug und die Teile gezielt abzukühlen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Behandeln von einem oder mehreren Teilen mit Temperatur und einem die Wärme abgebenden Werkzeug 11 a vorzugsweise unter Einwirkung von Kraft so besonders zum Herstellen eines thermischen Kontaktes zu den Teilen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Teile einwirkenden Parameter zum Behandeln der Teile als Funktion der Zeit geändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Änderungen in der Form vorgegebener und unabhängiger Impulse der einzelnen Parameter untereinander erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1. .2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Parameter die einwirkende Kraft 13 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1. .3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Parameter die einwirkende Temperatur 33 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1. .4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Gase 34 programmierbar vorzugsweise auf die Teile einwirken.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese(s) Gase programmierbare die thermische Einwirkung unterstützende Eigenschaft haben.

7. Verfahren nach Anspruch 5. .6, dadurch gekennzeichnet, daß der programmierbare Fluß der Gase gleichzeitig zum Wegblasen der entweichenden Gase der Lösungsmittel und/oder des Flußmittels eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5. .7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere programmierbare Gase auch unterschiedliche Temperaturen und/oder Eigenschaften haben können.

9. Verfahren nach Anspruch 5. .7, dadurch gekennzeichnet, daß diese(s) Gas und/oder programmierbar eine vorzugsweise Temperatur- und/oder Kraft-gesteuerte Kühlung erzeugt.

10. Verfahren nach Anspruch . .9, dadurch gekennzeichnet, daß diese programmierbaren Profile auf die Eigenschaften und/oder Mengen der zu behandelnden Materialien eingestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1. .10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Profile den Lösungsmitteln eines die thermische Behandlung unterstützenden Flußmittels angepaßt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1. .11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Impuls mit vorzugsweise höherer Temperatur und/oder wählbarer Kraft und/oder Gasfluß lediglich zum Anschmelzen von Lot eingestellt wird und danach die Temperatur und/oder Kraft reduziert werden.

13. Verfahren nach Anspruch . .12, dadurch gekennzeichnet, da das Flußmittel mit wenigstens einem programmierbaren Impuls vor dem eigentlichen Löt/Verbindungsvorgang geschmolzen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1. .13, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierte Kraft besonders vor Beginn der eigentlichen thermischen Behandlung zum Verformen der/die Teile eingesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1 . .14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft während des Schmelzens des Lotes auf einen kleinen Wert reduziert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1. .15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft während des Schmelzens des Lotes so weit reduziert wird, daß der überwiegende thermische Kontakt überwiegend über das schmelzende Lot besteht.