DE4005314C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mikrolöten mittels eines Lasers, bei dem die Temperatur der Lötstelle gemessen und durch Verändern der Laserleistung variiert wird, gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Die zunehmende Automatisierung und Miniaturisierung in der Mikroelektro­ nik erfordert die Entwicklung neuer Verbindungstechniken. Das Laserlöten bietet aufgrund der Reproduzierbarkeit, der örtlichen und zeitlichen Steuerbarkeit der Strahlung besonders im Mikrobereich Vorteile gegenüber konventionellen Verbindungstechniken bei Anschlußgrößen bis in den Bereich von 50 µm, wie z. B. aus

Ploner, L., "Ein Fall für sich", Elektronikpraxis Nr. 12, S. 26, Dezember 1986,

bekannt ist. Temperatur- und rechnergesteuertes Laserlöten mit 4- bis 6achsigen Fertigungsrobotern ermöglicht zudem eine Prozeßkontrolle und wird bereits in der Leiterkartenproduktion eingesetzt, wie in

Ringle, Heinz; Vayhinger, Kai Uwe: "Präzisionsinstrument", Elektronikpraxis Nr. 15, S. 33, August 1989 oder
Möller, W.; Knödler, D.; Vayhinger, K. U.: "Laser-Mikrolöten mit Temperatur- und Zeitsteuerung", OPTO-Elektronik Magazin, Vol. 4, No. 8, S. 68, 1988

berichtet wurde.

Es sind also bereits verschiedene Vorschläge zum Laser-Löten bekanntge­ worden, von denen die meisten nach dem Prinzip der Steuerung der Löttem­ peratur arbeiten, wie aus den Druckschriften "Laserlötanlage", Prospektblatt der Fa. IEF Werner GmbH, Furtwangen vom 15. 01. 1990 und Baier W., "Elektronik Lexikon", 1982, Frank'sche Verlagsh., Stuttgart, Seiten 292 bis 293, 406 bis 407, 435, 494 und 670 hervorgeht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß für anspruchsvolle Arbeiten diese bekannten Verfahren nicht immer die optimalen Ergebnisse bringen.

Es ist deshalb das Ziel der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem bei sehr unterschiedlichen Lötgeometrien, Substraten und Kontakten eine gleichmäßige optimierte Qualität der Lötstellen zu erzielen und gleichzeitig mittels einer Auswertung des Stellsignales Aussagen über Prozeß- und Lötfehler zu erhalten.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Temperaturmessung der Lötstelle mittels einer Pyrometerkamera mit einer Ansprechzeit von <1 ms erfolgt, der Regler nach einer PID-Charakteristik arbeitet, und zur Anpassung der eingekoppelten Laserenergie die Laserleistung durch Änderung des Lampenstromes des Pumpsystems des Lagers gesteuert wird.

Dagegen gab es bisher von Laserspezialisten Bedenken, so daß eine derartige Anwendung bis heute abgelehnt wurde, weil durch das Variieren des Lampenstromes Instabilitäten, ein Verstimmen des Lasers oder eine Verschlechterung der Strahlqualität befürchtet wurde. Es ist jedoch nicht erkannt worden, daß beim Laserlöten eine gute Strahlqualität nicht erforderlich ist, sondern eine breite Strahlleistungsverteilung zum Abgleich von großen Temperatur- und kleinen Positionierungsstreuungen erwünscht ist.

Die Regelung der Löttemperatur über die zugeführte Laserleistung ermög­ licht vor allem die exakte Einhaltung der optimierten Lötkurven und damit eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Qualität.

Nachstehend werden die Erfindung und die ihr zugrundeliegenden Messungen, Beobachtungen und Überlegungen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den experimentellen Aufbau zur Messung der Reflexion eines externen Sondenlasers oder des Lötlasers unter einem festen Raumwinkel,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Reflexion eines externen Sondenlasers,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Reflexion des Lötlasers,

Fig. 4a den Temperaturverlauf mehrerer fehlerfreier Lötstellen,

Fig. 4b den Mittelwert nach Fig. 4a,

Fig. 5 den schematischen Aufbau des Regelkreises,

Fig. 6 den Verlauf von Soll-, Ist- und Stellsignal für eine fehler­ freie und

Fig. 7 für eine nicht vollständig benetzte Kammlötung mit Regelung,

Fig. 8 die Regelsignale einer guten und

Fig. 9 die Regelsignale einer schlechten Lötung beim geregelten Löten.

Für das Löten mit Laserstrahlung werden überwiegend kontinuierliche (cw) Festkörperlaser (Nd-YAG) mit einer Ausgangsleistung im Bereich von 50 W eingesetzt. In Sonderfällen können bei spezieller Geometrie der Lötstel­ le mit gepulsten Festkörperlasern oder mit kontinuierlichen CO₂-Lasern zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Der Festkörperlaser bietet die Möglichkeit der Strahlführung mittels Lichtleitfaser, wodurch der Einsatz in der flexiblen Fertigung vereinfacht wird. Daneben wird das Intensitätsprofil beim Durchgang durch die Faser homogenisiert, was speziell beim Löten gewünscht wird, um lokale Temperaturüberhöhungen zu vermeiden. Aufgrund der kürzeren Wellenlänge ist die Absorption der Nd-YAG-Strahlung in Metallen größer als die der CO-₂-Strahlung, so daß die Ausgangsleistung des Nd-YAG-Lasers bei gleichen Prozeßzeiten gerin­ ger sein kann. Die meisten Substratmaterialien absorbieren die Nd-YAG-Strahlung wesentlich weniger als die Lötstellen, so daß kaum Beschädigungen durch die Laserstrahlung auftreten können, die zudem durch Temperaturbegrenzung bzw. -steuerung vermieden werden.

Beim Laserlöten wird die Prozeßenergie durch die Laserstrahlung in die Lötzone eingebracht. Zur Minimierung der Prozeßzeit wird eine Überschuß­ heizung durchgeführt, wodurch Prozeßzeiten je nach Größe der Lötstelle und der Laserleistung im Bereich <1 s, bei kleinen Lötstellen <50 ms erreicht werden können.

Der Prozeßablauf konnte anhand von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeit­ lich charakterisiert werden, wie z. B. in

Horneff, P.; Knödler, D.: "Thermische Kontrolle beim Weichlöten", Interconnection Technology and Electronics, Fellbach BRD 23.-25. 02. 1988 und
Horneff, P.; Treusch, H.-G.; Knödler, D.; Möller, W.: "Process control in laser soldering", Proceedings Laser Assisted Processing, ECO 1, S. 48, 19.-20. September 1988

berichtet wurde. Dabei zeigte sich ein fester Ablauf der einzelnen Unterprozesse: Aufschmelzen des Lotes, Schmelzdynamik und Benetzung der Lötstelle. Dieser Ablauf ist unabhängig von der Geometrie der Lötstelle und der Zuführung des Lotes. Das Lot erwärmt sich mit Beginn der Bestrahlung und beginnt zu schmelzen. Dieser Schmelzvorgang setzt sich fort, bis kein festes Lot mehr vorhanden ist. Dabei zieht sich das flüssige Lot aufgrund der Oberflächenspannung und der Temperaturvertei­ lung zur heißesten Stelle hin zusammen und bildet eine Kugel. Erst wenn die gesamte Lötstelle ausreichend aufgeheizt und durch Flußmittel die Reduktion der Oberfläche abgeschlossen ist, zerfließt die Lotkugel wieder und das Lot benetzt die Lötstelle. Je nach Temperaturführung bzw. Oberflächenspannung werden Form, Meniskus und Gefüge bzw. Qualität des Lotes gebildet und somit einstellbar.

Bei der Verwendung von Lotpaste ändert sich aufgrund der Inhomogenität des Konglomerats bzw. anisotropen Wärmeleitung der Aufheizvorgang und damit die Temperaturführung und -verteilung. Lokal kann der Feststoff­ anteil des Lotes bei zu kleinem Laserspot aufschmelzen, ohne daß das umgehende Lot mit aufgeschmolzen wird. So bleiben Bereiche mit Festlot innerhalb des flüssigen Lotes noch bestehen, was durch starke Unter­ schiede im Intensitätsprofil dazu führen kann, daß Teile der Lotpaste schon verdampfen, bevor andere Bereiche überhaupt aufschmelzen.

Dieses Problem wird durch eine Anpassung des Laserfleckes an die Pad­ größe durch gezielte Defokussierung gelöst. Innerhalb des Lötprozesses werden durch Schwankungen, z. B. der Lotmenge, der Positionierung von Lötstelle, Bauteil und Laserstrahl zueinander und der Oberflächen­ qualität bei optimalen Laserparametern die Zeiten der einzelnen Unter­ prozesse beeinflußt. Daher können sich bei der Verwendung fest einge­ stellter Laserparameter aufgrund der Schwankungen in diesen anderen Einflußgrößen starke Unterschiede im Lötergebnis ergeben. Im folgenden sind die verschiedenen Einflußfaktoren und deren Auswirkungen auf den Zeitablauf bei festen Laserparametern dargestellt:

• - Fehlpositionierung reduziert die eingekoppelte Prozeßenergie und verlängert damit die minimale Prozeßzeit und muß durch ein Visionsystem korrigiert werden.
• - Schwankungen in der Lotmenge verändern die benötigte Prozeßenergie.
• - Schlechte Oberflächenqualität kann im Extremfall zur Nichtbenetzbar­ keit führen, vergrößert aber immer die Prozeßenergie und damit die Prozeßzeit.

Durch Anpassung der Laserleistung oder der Prozeßdauer und damit der eingekoppelten Energie werden diese Schwankungen bei der temperatur­ gesteuerten Kontrolle des Prozesses durchgeführt, wofür relevante Signale verfügbar sein müssen. Sowohl die Änderung der Oberflächentem­ peratur als auch der reflektierten Strahlung sowohl eines externen Sondenlasers als auch des eigentlichen Lötlasers beinhalten die Prozeß­ informationen, jedoch bietet nur die Oberflächentemperatur eine ausrei­ chende Reproduzierbarkeit für den Einsatz in einer Steuerung bzw. Regelung. Fig. 1 zeigt den experimentellen Aufbau zur Messung der Reflexion in einem festen Raumwinkel, Fig. 2 und 3 das Reflexionssignal eines externen Sondenlasers bzw. des Lötlasers. In Fig. 2 korrespondie­ ren die starken Maxima 1 und 2 zu Oberflächenänderungen während der Aufschmelzphase; das Maximum 3 korrespondiert zum Benetzungsvorgang. Auch bei Fig. 3, also beim zeitlichen Verlauf der Reflexion des Löt­ lasers, korrespondieren die Änderungen mit dem Aufschmelzen 1 und dem Benetzen des Lotes 2.

Fig. 4a zeigt die Temperatursignale für mehrere gute Lötungen, sowie deren Mittelwert in Fig. 4b. Der Mittelwert hat eine ähnliche Form wie die einzelnen Verläufe; Minima und Maxima zeigen keine zeitliche Ver­ schiebung.

Während nun aber bei der IR-Pyrometer-Steuerung die Temperatur-Zeit-Ver­ läufe für die verschiedenen Lötstellen unterschiedlich sind, können bei einer entsprechenden Regelung die Verläufe gleichartig, die Lötqualität noch konstanter sein.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau und die Komponenten des Regelkreises, zur Anpassung der eingekoppelten Laserenergie. Die Temperaturmessung erfolgt mittels einer Pyrometerkamera mit einer Ansprechzeit von 1 ms. Der Vergleich von Soll- und Ist-Signal T_soll und T_m (gemessene Temperatur) und T_w (Oberflächentemperatur am Werkstück) geschieht durch einen PID-Regler. Mit e ist die Regelabweichung, mit U die Stell­ größe, mit P_L die Laserleistung, mit n_L die Störung der Laserlei­ stung und mit n_w die Störung der Oberflächen- und Materialeigenschaf­ ten am Werkstück, und zwar jeweils in Abhängigkeit von der Zeit, be­ zeichnet. Durch Vergleich mit einem Sollsignal ergibt sich ein tempera­ turgeregelter Laserlötprozeß, der über die Sollwertvorgabe sowohl im zeitlichen Verlauf der Lötstellentemperatur als auch der Maximaltempera­ tur an verschiedene Lötstellengeometrien und Randbedingungen anpaßbar ist. Eventuell auftretende Schwankungen in der Lötstellenvorbereitung können durch die Regelung innerhalb großer Grenzen kompensiert werden. Durch Kontrolle des Ist- und Stellsignals werden Kontakte, die trotz Regelung nicht gelötet werden können, direkt sichtbar.

Eine Möglichkeit zur Realisierung des temperaturgeregelten Laserlötens besteht darin, die Laserleistung über eine Änderung des Lampenstromes des Pumpsystems des Lasers zu steuern. Hierbei wird die über ein Pyrometer erfaßte Temperatur der Lötstelle zur Steuerung der Laserleistung verwendet. Durch die Änderung des Lampenstromes wird die Laserleistung den Erfordernissen angepaßt.

Im folgenden wird anhand der Kammgeometrie und dem Löten von SMDs mit Lotpaste das temperaturgeregelte Laserlöten dargestellt. Diese Geome­ trien sind sehr unterschiedlich, zudem kommt das Lot sowohl in fester Form als auch als Paste zum Einsatz.

Der Einfluß falscher Vorbereitung auf das Lötergebnis beim Einsatz des Regelkreises wird systematisch an der Kammgeometrie untersucht. Dazu werden die einzelnen Einflußfaktoren definiert verändert und Soll-, Ist- und Stellsignal sowie das Lötergebnis überprüft. Fig. 6 und 7 zeigen den Verlauf dieser Signale sowie die Lötungen für je eine gute und schlechte Lötung.

Dabei zeigt Fig. 6 den Signalverlauf von Soll-, Ist- und Stellsignal für eine fehlerfreie Kammlötung mit Regelung. Ist- und Soll-Signal liegen übereinander, ihr zeitlicher Verlauf ist bis auf einen kurzen Überschwinger in der Anstiegsphase identisch.

Fig. 7 zeigt hingegen den entsprechenden Signalverlauf für eine nicht vollständig benetzte Kammlötung mit Regelung.

Die verschiedenen Fehler bzw. Schwankungen in der Lötstellenvorbereitung werden also in Stell- und Ist-Signal sichtbar. So führt z. B. ein dezentrierter Bauteilanschluß oder eine zu geringe Lotmenge zu steilerem Temperaturanstieg, was zur Reduzierung der Laserleistung im geregelten Lötprozeß führt. Im Gegensatz dazu ergeben größere Schichtdicken oder Lotmengen und Fehlpositionierung eine Erhöhung des Energiebedarfs, wodurch der Temperaturanstieg verringert, die Laserleistung erhöht wird. Zu große Fehlpositionierung kann durch Leistungserhöhung nicht mehr kompensiert werden und führt, z. B. bei einem fehlenden Bauteil zu einer charakteristischen Form des Stellsignals, so daß diese Fehler erkannt werden können.

Im Vergleich zu konventionellen Lötverfahren wird beim Laserlöten die Energie viel schneller eingebracht. Dies führt beim Laserlöten ohne Temperatur- bzw. Zeitsteuerung zu großen Unterschieden im Lötergebnis. Örtlich starke Überhitzungen und Lotspritzer sind möglich. Durch Einsatz der Steuerung können diese Schwankungen reduziert, durch eine Regelung aber nahezu kompensiert werden. Bei der Lötung eines SMD-Anschlusses ohne Regelung sind örtlich starke Überhitzungen und Lotspritzer möglich. Durch Einsatz der herkömmlichen Steuerung können diese Schwankungen zwar reduziert, durch die erfindungsgemäße Regelung aber nahezu völlig kompensiert werden. Die Fig. 8 und 9 zeigen Regelsignale und Löt­ stellen je einer guten und schlechten Lötung beim geregelten Löten.

Die Inhomogenität der Lotpaste führt zu starken Änderungen in der Temperaturverteilung, abhängig von den Randbedingungen. Liegt etwa der SMD-Kontakt nicht plan auf, so schmilzt das umgebende Lot zwar, jedoch kommt keine Verbindung mit der Metallisierung zustande, da diese nicht erwärmt wird. Lokale Überhitzung führt zum explosionsartigen Ausgasen der Flüssigkeitsanteile der Lotpasten, wobei Feststoffanteile mit ausgetrieben werden können, wobei immer das Lot von der Stelle verdrängt wird. Durch Einsatz der Temperaturregelung kann dieses explosive Aus­ gasen durch Vorgabe von Temperaturverlauf und Maximaltemperatur vermie­ den werden. Daher ist gerade beim Löten von SMDs mit Lotpasten eine Temperaturregelung wünschenswert. Während bei der Temperatursteuerung noch die SMD-Typen, Anschlußarten (leadless, gullwing etc.) berücksich­ tigt werden, erlaubt die Regelung den Verzicht auf diese "teach in"-Vor­ gaben und vereinfacht wesentlich die Programmierung und Automatisierung.

Die Temperaturregelung beim Laserlöten gemäß der Erfindung erlaubt bei sehr unterschiedlichen Lötgeometrien, Bauelementen, Substraten und Kontakten einheitliche, optimierte Lötkurven und damit eine gleichmäßige Qualität der Lötstellen. Das temperaturgeregelte Laserlöten ermöglicht bei einer gleichzeitigen Auswertung des Stellsignales Aussagen über Prozeß- und evtl. auch Lötfehler und damit eine verbesserte Qualitäts- und Prozeßkontrolle.

Claims (1)

1. Verfahren zum Mikrolöten mittels eines cw-Nd : YAG-Festkörperlasers mit Lichtleitfaser-Strahlführung, bei dem die Temperatur der Lötstelle mittels Infrarot-Strahlungspyrometer gemessen und durch Verändern der in die Lötstelle eingekoppelten Laserleistung mittels eines Regelkreises, der mittels eines Reglers das Soll- und Ist-Signal (T_soll und T_m bzw. T_w) miteinander vergleicht, vorzugsweise durch Vorgabe von Temperaturverlauf und Maximaltemperatur, variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

   • a) die Temperaturmessung der Lötstelle mittels einer Pyrometerkamera mit einer Ansprechzeit von 1 ms erfolgt,
   • b) der Regler nach einer PID-Charakteristik arbeitet, und
   • c) zur Anpassung der eingekoppelten Laserenergie die Laserleistung durch Änderung des Lampenstromes des Pumpsystems des Lasers gesteu­ ert wird.