DE3903860C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Lasermikrolöten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschreibung, Erkennung und Messung eines Schmelz- und Benetzungsvorgangs von Weichloten beim Lasermikrolöten von Lötkontakten in elektronischen Schaltungen und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind Laserlötsysteme bekannt und auf dem Markt, bei denen die Laser­ leistung und die Strahlzeit individuell auf die einzelnen Lötstellen ab­ stimmbar sind, allerdings müssen hier die für eine einwandfreie Verlö­ tung benötigten Daten für jede einzelne Lötstelle erst in Vorversuchen experimentell ermittelt werden, wie aus der Zeitschrift "Feinwerktechnik und Meßtechnik" 94 (1986) "Laserlöten an SMT-Leiterplatten eines Compu­ terherstellers" hervorgeht.

Durch die DE-OS 36 06 764 ist es bekannt, einen Laserimpuls über ein IR-Sensorsystem zu steuern und aus "Electronics" July 10, 1986 ist aus dem Artikel "Intelligence Comes to Laser Soldering" bekannt, für das Ab­ schalten eines Laserstrahls beim Löten ein IR-Signal zu verwenden, das durch das Schmelzen des Lotes hervorgerufen wird.

Durch die US-PS 4 696 104 ist ein Verfahren zum Lasermikrolöten von Löt­ kontakten in elektronischen Schaltungen bekannt, welches die vom Lotkör­ per emittierte Wärmestrahlung zur Steuerung des Lötlasers verwendet. Hier wird die in einem festen Wellenlängenbereich monoton mit der Kör­ pertemperatur des Lötmaterials ansteigende, von der Oberfläche emittie­ rende Infrarotstrahlung detektiert und interpretiert. Das Lötmaterial bildet hier eine aktive Infrarotlichtquelle, ein Reflexionsvorgang liegt nicht vor.

Durch die US-PS 3 485 996 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das einge­ setzte Pilotlicht zur Unterscheidung von Materialien mit unterschiedli­ chen Reflexionseigenschaften herangezogen wird. Es ist jedoch weder of­ fenbart noch nahegelegt, dieses für unterschiedliche Materialien einge­ setzte Verfahren zur Prozeßsteuerung anzuwenden, bei dem nur ein Materi­ al vorhanden ist.

Alle bekannten Verfahren und Einrichtungen sind jedoch mit dem nachste­ hend erläuterten Problem behaftet. Wird nämlich eine Lötstelle mit einem Laserstrahl beaufschlagt, so wird ein Teil der Intensität der elektro­ magnetischen Strahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt. Da die Ab­ sorptions- bzw. Emissionseigenschaften von Metall oder Lotpasten, Lot­ preforms usw. stark von der Oberflächenbeschaffenheit und seiner Vorge­ schichte abhängen, liegen bei gleicher Eingangsintensität des Lötlasers zumeist undefinierte Temperaturverhältnisse vor. Es ist nicht erkannt worden, die Oberfläche des Lötmaterials als "passives Spiegelelement" zu verwenden, welches das einfallende Prüflicht ausschließlich nach den Ge­ setzen der geometrischen Optik streureflektiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zu dessen Durchführung aufzuzeigen, womit eine eindeutige Erken­ nung, Messung und Beschreibung des Schmelz- und Fließvorganges während des Lötprozesses ermöglicht und sowohl eine Überhitzung des Lotes als auch eine unvollständige Benetzung der Kontaktflächen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Verfahrensmaß­ nahmen gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 2 aufgezeigt und in den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skiz­ ziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zur Durchführung des Lötverfahrens,

Fig. 2 einen Ablaufplan zur Durchführung des benetzungsgesteuerten Mikrolötens,

Fig. 3a ein Schemabild eines kugelförmigen Lötkörpers im Ausgangszustand vor dem Schmelz- und Benetzungsvorgang,

Fig. 3b ein Schemabild gemäß Fig. 3a während des Schmelzvorganges,

Fig. 3c ein Schemabild gemäß der Fig. 3a und 3b im Endzustand nach dem Schmelz- und Benetzungsvorgang,

Fig. 4 ein Schemabild eines weiteren Ausführungsbeispiels zur Durch­ führung des Lötverfahrens,

Fig. 5 ein Diagramm eines aufgezeichneten Detektorsignals während des Lötvorgangs mit einer zeitlichen Zuordnung der Phasen,

Fig. 6 ein Diagramm eines Detektorsignals während des Lötvorganges eines ersten Musters,

Fig. 6a ein Diagramm eines Detektorsignals während des Lötvorganges eines zweiten Musters,

Fig. 7 ein Diagramm eines Detektorsignals während des Lötvorganges eines dritten Musters,

Fig. 8 ein Diagramm eines Detektorsignals während des Lötvorganges eines vierten Musters.

Dem nachfolgend beschriebenen Verfahren liegen eine Reihe physikalischer Gegebenheiten zugrunde. Wird ein beliebig geformter Lotkörper 21 - der sich im noch unverbundenen Zustand, wie beispielsweise in Fig. 3a skiz­ ziert, auf einer benetzungsfähigen Unterlage 20 befindet und eine hoch­ glänzende Oberfläche aufweist, d.h. sie ist frei von Oxidschichten - aus einer ortsfesten Strahlquelle mit sichtbarem Licht beaufschlagt, so wird durch die Streureflexion an seiner Oberfläche eine zeitlich konstante Strahlungsdichte im Raum erzeugt. Wird nun - wie in Fig. 1 und 4 gezeigt - ein ortsfester Strahlungsdetektor (Photodetektor) 11 entsprechend angeordnet, so kann das streureflektierte Licht gemessen werden.

Für eine hochglänzende Oberfläche ändert sich der Reflexionsgrad für Licht, dessen Wellenlänge im sichtbaren Bereich liegt, beim Überschrei­ ten der Liquiduslinie nicht, d.h. er ist für die vorliegenden Bedingun­ gen als temperaturunabhängig anzusehen.

Beschrieben wird hier der für einen Lötvorgang ungünstigste Grenzfall eines temperaturunabhängigen Reflexionsgrades.

Wird der Aggregatzustand des Lotkörpers durch ein Überschreiten der Schmelztemperatur geändert, so wird er aufgrund der geänderten Grenz­ flächenenergien im flüssigen Zustand die Form mit dem energetisch nied­ rigsten Wert ausbilden. Eine Benetzung der Unterlage findet noch nicht statt.

Ist nun mit der Ausbildung der energetisch günstigsten Körperform - bei­ spielsweise Tropfenform - bereits eine Gestaltungsänderung verbunden, so wird diese die geometrischen Streureflexionsbedingungen zwischen Strahl­ quelle 10 und Oberfläche des Lotkörpers 21 ändern und zu einer Verände­ rung der Strahlungsdichte im Raum und somit auch am Ort des Detektors 11 führen, wie in Fig. 3b veranschaulicht.

Anschließend beginnt auf einer sauberen Unterlage 20 der Fließ- und Benetzungsvorgang. Die Benetzung der Unterlage 20 bzw. der Kontaktflä­ chen ist mit einer typischen Gestaltsänderung verbunden. Diese erfolgt nicht gleichmäßig, sondern das Lot breitet sich oder steigt ungleich­ mäßig an den benetzungsfähigen Flächen empor. Das Erreichen einer wieder stabilen Endposition erfolgt deshalb sprunghaft. Die Gestaltsänderung während des Benetzungsvorganges führt also zu einer drastischen Änderung der geometrischen Streureflexionsbedingungen für das von einer orts­ festen Lichtquelle einfallende Licht.

Mit dem Erreichen der stabilen Endposition am Ende des Benetzungsvor­ ganges wird wiederum eine zeitlich konstante Strahlungsdichte im Raum erzeugt, wie die Fig. 3c veranschaulicht. Die während des Fließ- und Benetzungsvorganges ungleichmäßige und sprunghafte Veränderung der Ober­ flächenform des Lotkörpers 21 verursacht eine ebenso ungleichmäßige und sprunghafte Änderung der Strahlungsdichte im Raum und somit auch am Ort des Detektors 11.

Ändert sich der Reflexionsgrad beim Aufschmelzen (oxidierte Oberfläche wird hochglänzend), werden die Änderungen der Strahlungsdichte im Raum nur verstärkt.

Das heißt, daß jede geometrische Gestaltsänderung eine Änderung der in Richtung des ortsfesten Detektors 11 streureflektierten Strahlung her­ vorruft, die mit Hilfe eines lichtempfindlichen Detektors nachgewiesen und zur Steuerung des Lötlasers 10 verwendet werden kann.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend be­ schriebenen Verfahrens aufgezeigt. Ein Lasergerät 10 ist mit einem Lichtleiter 10a und einer Fokussieroptik 10b über der Lötstelle 21 ange­ ordnet, die auf einer benetzungsfähigen Unterlage 20 angeordnet ist. Wird als Lötlaser 10 ein Infrarotlaser verwendet, so ist diesem eine zusätzliche Lichtquelle 10c als sogenanntes Pilotlicht zugeordnet, deren Wellenlänge im sichtbaren Bereich liegt. Zur Aufnahme der beim Lötvor­ gang erzeugten Streureflexionsstrahlung ist ein Photodetektor 11 ange­ ordnet, dem in üblicher Weise ein Verstärker 12 und ein A/D-Wandler 13 nachgeschaltet ist, über die die Meßsignale in den Rechner 14 eingegeben werden, welcher über einen D/A-Wandler 15 und einen Steuerschalter 16 den errechneten Steuerimpuls dem Lötlaser eingibt.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Versuchsaufbaus skizziert, bei dem der Lötstellenträger bzw. die Lötstellenunterlage auf einen sogenannten Mikroskopofen 30 gelagert ist und senkrecht dazu von der Lichtleiteroptik eines He-Ne-Lasers bestrahlt wird. Eine Photodiode 11 ist ortsfest in einem bestimmten Abstand zum Mikroskopofen 30 angeordnet und ihr ist ein x-t-Schreiber 14a zur Aufzeichnung der Detektorsignale zugeordnet. Selbstverständlich ist auch bei dieser Konzeption der übrige in Fig. 1 aufgezeigte gerätemäßige Aufbau zur Rechner-Lasersteuerung gegeben.

Aus den Fig. 5 bis 8 sind nun Diagramme verschiedener Lötvorgänge aufge­ zeigt, wie sie aus dem x-t-Schreiber 14a erhalten werden und aus denen deutlich die zeitliche Phasenzuordnung erkennbar ist. In der Phase 1, der sogenannten Aufwärmphase, hat eine Verbindung mit der benetzungs­ fähigen Unterlage noch nicht stattgefunden. Die Streureflexionen an seiner Oberfläche erzeugen eine zeitlich konstante Strahlungsdichte im Raum. Im Detektorkreis wird ein konstantes Ausgangssignal erzeugt.

In der Phase 2, der Schmelz- und Benetzungsphase, beginnt der Lotkörper zu schmnelzen und bildet, bis eine Benetzung der Unterlage stattfindet, eine Körperform aus, die die geringste Grenzflächenenergie aufweist. Da diese mit einer Gestaltsänderung verbunden ist, verursachen die geänder­ ten geometrischen Streureflexionsbedingungen eine Änderung der Strahlen­ dichte im Raum. Während des Benetzungsvorganges wird nochmals sprunghaft eine typische Gestaltsänderung hervorgerufen. Den Abschluß der Be­ netzungsphase bildet die Ausbildung einer stabilen Körper- und Ober­ flächenform. Da der Schmelz- und Benetzungsvorgang diskontinuierlich abläuft, ist diese Phase durch sprunghafte Änderungen der Strahlungs­ dichte im Raum gekennzeichnet, die durch eben solche sprunghafte Ände­ rungen der elektrischen Größe im Detektorkreis gekennzeichnet ist.

Die nach relativ kurzer Zeit folgende Phase 3 tritt mit dem Erreichen der Endposition für die benetzbaren Kontaktflächen ein. Man erhält nun wieder einen Satz konstanter oder nahezu konstanter Reflexionswinkel für die einzelnen mit sichtbarem Licht beaufschlagten Oberflächensegmente. Die Strahlungsdichte im Raum, hervorgerufen durch die Streureflexion an der Oberfläche der ausgebildeten Lötstelle, ist wiederum zeitlich kon­ stant. Da aber die Reflexionswinkel der einzelnen Flächensegmente gegen­ über dem Ausgangszustand aufgrund der Gestaltsänderung andere Werte auf­ weisen, hat sich die nachgewiesene Intensität am Ort des Detektors eben­ falls verändert. Die Richtung der Intensitätsänderung hängt von der geo­ metrischen Anordnung der Lichtquelle, des Detektors und der typischen Formänderung des Lotkörpers ab.

Das Aufschmelzen des Lotkörpers kündigt sich also durch eine sprunghafte Änderung der elektrischen Größe im Detektorkreis an. Während des gesam­ ten Benetzungsvorganges werden damit starke Schwankungen der elektri­ schen Größe im Detektorkreis vorhanden sein. Erst wenn der Benetzungs­ vorgang abgeschlossen ist, der Lotkörper seine Endposition und seine endgültige Oberflächengestalt mit dem energetisch niedrigsten Wert (Grenzoberflächenenergie) eingenommen hat, verschwinden die Schwankungen der elektrischen Größe im Detektorkreis. Die Orientierung der einzelnen Flächensegmente ändern sich nicht mehr, sondern sind wieder zeitlich konstant.

Mit diesem Verfahren läßt sich also das Aufschmelzen, das Benetzen der Kontaktflächen und die Ausbildung eines stabilen Endzustandes meßtech­ nisch erfassen und zur Steuerung bzw. benetzungsprozeßaktiven Abschal­ tung des Lötlasers verwenden. Da nur die sprunghaften und plötzlichen Änderungen der geometrischen Streureflexionseigenschaften, wie vorbe­ schrieben, zur Erkennung und Beschreibung des Lötvorganges herangezogen werden, nicht aber eine bestimmte, vorgegebene Größe - z.B. Schmelztem­ peratur u.a. - gesucht wird, erhält man eine weitgehende Unabhängigkeit von Einflußgrößen wie beispielsweise Oberflächenbeschaffenheit des Aus­ gangs- und Endzustandes, der Dicke und Beschaffenheit einer Oxidschicht, einer Verzögerung des Aufschmelzens, Schwankungen der Lotkörpermasse, Schmelzpunktveränderung durch Verwendung anderer Lotmaterialien und großer Störabstand zur Temperaturstrahlung der Umgebung usw.

Mit dem in Fig. 4 skizzierten Versuchsaufbau, bei dem mit Hilfe eines Mikroskopofens die Unterlage und der Lötstellenträger 20 mit konstanter Leistung bis zum Aufschmelzen der Lotpreform erhitzt wird, läßt sich die streureflektierte Strahlung eines He-Ne-Lasers (2 mW) als Photostrom im Versorgungskreis einer Si-Photodiode nachweisen und durch den Schreiber 14a aufzeichnen (Fig. 5 bis 8). Aus diesen Diagrammen sind deutlich die sprunghaften Änderungen des Photostroms im Detektorkreis zum Zeitpunkt des Schmelzens und das Auftreten eines weiteren, nahezu konstanten Photostroms, der die Beendigung des Benetzungsvorganges anzeigt, zu ent­ nehmen. Hierbei ist gemäß Fig. 6 und 6a nach dem Schmelzvorgang eine Vergrößerung des Photostromes gemessen. Diese typische Formänderung führt somit zu einer Erhöhung des streureflektierten Lichts am Ort des Detektors.

Gemäß den Fig. 7 und 8 führt die typische Formänderung durch die Be­ netzung des Kontaktstiftes zu einer Erniedrigung des streureflektierten Lichts am Ort des Detektors. Die Richtung der Intensitätsänderung, die mit dem ortsfesten Detektor nachgewiesen wird, hängt von der geometri­ schen Anordnung der Lichtquelle zum Detektor und der typischen Formände­ rung des Lotkörpers bei der Benetzung der Unterlage als streureflektie­ rendes Element ab.

Durch das hier vorgeschlagene Verfahren wird also eine passive Streu­ reflexion eines Prüflichts - das nicht zur Erwärmung des Lötpunktes ver­ wendet wird und dessen Wellenlänge im sichtbaren Bereich liegt - an der Oberfläche von Lötstellen, deren Form sich sprunghaft ändert, ausge­ nützt. Da sich - wie bereits ausgeführt worden ist - mit der Formände­ rung auch die Strahlungsdichte der streureflektierten, elektromagneti­ schen Strahlung sprunghaft ändert, läßt sich der Schmelz- und Be­ netzungsvorgang allein aus der plötzlichen Änderung des Photostroms einer Diode meßtechnisch erfassen. Neben dem Abschalten des Lasers kann die Information des Aufschmelzens dazu benutzt werden, um zunächst die Laserleistung zu verringern, so daß eine bei nahezu konstanter Tempera­ tur verlaufende Benetzungsphase der Kontaktflächen erreicht werden kann. Eine Überhitzung des Lotes wird somit auch ohne Temperaturmessung ver­ mieden und erlaubt so eine optimal konstante, lunkerlose Lötung.

Wie bereits erwähnt, wird die Messung der Intensität des streureflek­ tierten Lichtes während einer Bestrahlung durch einen Infrarotlaser mit Hilfe einer zusätzlichen Strahlungsquelle, deren Wellenlänge im Sicht­ baren liegt, durchgeführt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Beschreibung, Erkennung und Messung eines Schmelz- und Benetzungsvorganges von Weichloten beim Lasermikrolöten von Lötkon­ takten in elektronischen Schaltungen mit einem den Schmelzvorgang erfas­ senden Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die sich während des Schmelz- und Benetzungsvorganges ändernde Geometrie der Lotoberfläche erfaßt wird, indem die Lotoberfläche mit einem sichtbaren Licht be­ strahlt und dessen durch die Oberflächengeometrie bedingte Streureflexi­ on gemessen wird, und daß die so ermittelten Werte zur Steuerung des Lötlasers verwendet werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß einer auf die Lotoberfläche gerichteten Lichtquelle (10 oder 10c) ein deren Streureflexion messender Fotodetek­ tor (11) zugeordnet ist, dessen Meßsignale über einen Verstärker (12) und einen A/D-Wandler (13) einem Rechner (14) eingehen, welcher über einen D/A-Wandler (15) und einen Steuerschalter (16) den errechneten Steuerimpuls für den Lötlaser (10) eingibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Infrarot-Lasers als Lötlaser (10) diesem als Lichtquel­ le (10c) ein He-Ne-Laser mit geringer Strahlleistung (mw-Bereich) zuge­ ordnet ist, deren Wellenlänge im sichtbaren Bereich liegt, wobei die Strahlung der Lichtquelle (10c) vorzugsweise über dieselbe Strahlfüh­ rungskomponente geleitet wird wie die Strahlung des Lötlasers (10).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als gemeinsame Strahlführungskomponente ein flexibles Lichtleiterkabel (10a) mit einer Fokussieroptik (10b) dient.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Photodetektor (11) ortsfest zum Löt-Arbeitstisch (17) an­ geordnet ist und ihm ein x-t-Schreiber (14a) zur Aufzeichnung der Detek­ torsignale zugeordnet ist.