DE4013569A1

DE4013569A1 - Verfahren zum laserstrahlloeten

Info

Publication number: DE4013569A1
Application number: DE4013569A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Butzkow
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1991-10-31

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahllöten von Bauelementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Löten von Bauelementen auf Substraten mittels Laserstrahlen ist bekannt. In der DE 33 90 451 C2 ist beispielsweise ein Verfahren zum Löten von Stromleitern oder Anschlüssen an Leiterbahnen einer auf einem keramischen Substrat befindlichen gedruckten Schaltung bei einem Zündmodul für Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem die Lötverbindung mit einem auf die Lötstelle ausgerichteten Laserstrahl erfolgt. Dabei wird der Laserstrahl defokussiert auf die Lötstelle gerichtet, wo er einen Bereich eines Lotkissens aufschmilzt, das zuvor z. B. im Siebdruckverfahren auf der Leiterbahn aufgebracht wurde. Während des Lötvorgangs werden die Anschlüsse gegen das Lotkissen gedrückt. Um eine federnde Vorspannung zu erreichen, sind die Anschlüsse U- oder S-förmig gebogen, so daß sie auf der Lötstelle stehen, wobei nur die Enden flach aufliegen.

Ferner ist aus der EP 02 23 066 B1 eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Löten von wenigstens zwei Anschlußelementen eines elektrischen Bauelementes auf einer Schaltung bekannt. Das wird mit einem Laser ermöglicht, dessen Resonator an beiden Enden mit teildurchlässigen Spiegeln abgeschlossen ist, so daß zwei Teilstrahlen gleicher Intensität zur Verfügung stehen. Diese werden durch von einer Steuerung bewegte Spiegel auf zwei Lötstellen gelenkt. Dahinter steht das Bestreben, besonders bei Bauelementen mit vielen Anschlüssen auf zwei oder vier Seiten die Lötzeiten zu verkürzen, indem die beiden Laserstrahlen diametral gegen das Bauelement gerichtet werden und auf zwei Seiten gleichzeitig löten.

Da der Laserstrahl nur punktuell und kurzzeitig wirksam wird, tritt keine thermische Belastung der Bauelemente und der Substrate oder Leiterplatten ein. Die elektrische und mechanische Verbindung ist sehr zuverlässig. Diese Merkmale gestatten hohe Packungsdichten der Bauelemente auf den Schaltungsplatten. Neben diesen und anderen Vorteilen verbleiben dennoch Teilprobleme, die die universelle Anwendung der Laserlötung beeinträchtigen. So können beim Auftreffen des Laserstrahles auf die Lötstelle die nichtmetallischen Anteile der Lötpasten, die bei diesem Lötverfahren verwendet werden, explosionsartig verdampfen und umherspritzen, wobei auch die Metallbestandteile des Lotes unter Kugelbildung in das Umfeld der Lötstelle gelangen, wo sie, in Flußmittelreste gebettet, am Substrat haften. Zur Beseitigung der unter Umständen Kurzschlüsse verursachenden Lotkugeln und der agressiven Flußmittelreste müssen Waschprozesse mit Ultraschall und in der Regel FCKW-haltigen Reinigungsmitteln durchgeführt werden. Nur durch wesentliche Verlängerung der Lötzeiten (etwa auf das 30- bis 100fache) läßt sich die Lotkugelbildung einschränken, wodurch aber ein wesentlicher Vorteil des Laserlötens, nämlich seine Schnelligkeit, wieder verloren geht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Laserlötverfahren so zu verbessern, daß die geschilderten Nachteile vermieden werden können, d. h. daß eine gute Lötung ohne Lotkugelbildung und -verteilung zustande kommt. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmale. Durch den Einsatz von Lotformteilen läßt sich die Lotkugelbildung eliminieren. Dadurch werden Kurzschlüsse und andere Schäden an den Substraten sowie Waschprozesse vermieden. Das Verfahren kann weiter durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen verbessert werden. Weitere Vorteile sind in der folgenden Beschreibung erwähnt.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen beschrieben, die in der zugehörigen Zeichnung dargestellt sind. Darin zeigen die Fig. 1 bis 4 verschiedene elektronische Bauelemente mit unterschiedlichen Anschlußelementen, die auf Substrate aufgesetzt sind und durch Laserstrahlen gelötet werden sollen. Die Substrate sind jeweils mit 1, ihre Anschlußflächen mit 2, die Lotformteile mit 3, der Kolophonium-Kleber mit 4, die Bauelemente mit B1 bis B4, ihre Anschlußelemente oder Anschlüsse mit 5 und klebende Plastikkugeln mit 6 bezeichnet. Das Maß L gibt die Strich- oder Wobbelbreite des Laserstrahles für den Schmelzvorgang an.

Im einzelnen zeigt die Fig. 1 in Seitenansicht ein elektrisches Bauelement B1 mit herkömmlichen Anschlüssen 5 in Drahtform, die in durchkontaktierte Löcher eines Substrates 1 besteckt sind, wie der Schnitt gut erkennen läßt. Die Drähte der Anschlüsse 5 durchsetzen dabei die Anschlußflächen 2 auf der Oberfläche des Substrates 1, die als Lötaugen auf durchkontaktierten Löchern ausgebildet sind. Unmittelbar über den Anschlußflächen 2 sind ringförmige Lotformteile 3 auf den Anschlüssen 5 angebracht. Im Loch des ringförmigen Lotformteiles ist Klebstoff 4 , der vorzugsweise aus in Alkohol gelöstem Kolophonium besteht. Damit haftet das Lotformteil 3 am Anschluß 5 und kann zugleich einen Anschlag für die Einstecktiefe der Anschlüsse 5 in das Substrat 1 bilden.

Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung eines 2poligen oberflächenmontierten Bauelementes B2 auf einem Substrat 1. Das Bauelement ist mit seinen endständigen, flächigen Anschlüssen 5 auf plättchenförmige Lotformteile 3 geklebt und auf entsprechende Anschlußflächen 2 des Substrates 1 gesetzt. Zur Fixierung des Bauelementes B2 auf dem Substrat 1 dient eine kleine klebende Plastikkugel 6, die dazwischen gelegt ist.

In den Fig. 3a und 3b ist die Anordnung eines vielpoligen, rechteckigen Bauelementes B3 mit Gullwing-Anschlüssen auf einem Substrat 1 im Querschnitt und in Draufsicht dargestellt. Zwischen die zahlreichen, S-förmigen Anschlüsse 5 jeder Seite und die Anschlußflächen 2 des Substrates 1 sind Lotformteile 3 in Streifenform mit rechteckigem Profil eingefügt, die sich jeweils über alle Anschlüsse einer Seite erstrecken und an diesen mit Kleber 4 befestigt sind. Die Befestigung des Bauelementes B3 auf dem Substrat erfolgt mit mehreren eingefügten, klebenden Plastikkugeln 6.

Das in Fig. 4 gezeigte Bauelement B4 ist dem zuvor geschilderten ähnlich, besitzt jedoch Anschlüsse 5 mit J-förmiger Gestalt. An diese sind an der Auflage auf den Anschlußflächen 2 an der Außenseite ebenfalls Lotformteile 3 in Streifenform geklebt, die L-Profil haben, doch können auch solche mit rechteckigem Profil angewendet werden.

Für alle Bauelemente B, ob im Beispiel dargestellt oder nicht, gilt, daß sie nach der Bestückung mit Lotformteilen 3 zunächst auf die Anschlußflächen 2 des Substrates 1 gesetzt und dann entweder mit einem Bestückungsautomat während des Lötens gehalten oder mit einer Kolophoniumlösung auf die Anschlußflächen 2 geklebt oder mit Hilfe von selbstklebenden Plastikkugeln 6 auf dem Substrat 1 fixiert werden. Die Laserstrahlen überstreichen dann die gesamten Bereiche L der Anschlußflächen 2, der Anschlüsse 5 der Bauelemente und der Lotformteile 3, die dabei aufschmelzen. Das schmelzflüssige Lot zieht sich durch die Oberflächenspannung in die metallischen Bereiche der Anschlüsse 5 und der Anschlußflächen 2 zurück, die dabei durch eine Lötstelle verbunden werden. Auf diese Weise lassen sich auch kleinste Leiterbahnabstände von weniger als 100 µm sicher löten. Für die Lotformteile kommen nach Bedarf unterschiedliche Legierungen in Betracht, z.B. solche mit relativ niedrigem oder hohem Schmelzpunkt oder mit relativ geringer oder großer Festigkeit.

Die beim herkömmlichen Laserlöten mit Lotpasten infolge größerer Koplanaritätsabweichung der Anschlüsse auftretenden "offenen" Lötstellen, bei denen eine Berührung zwischen Anschluß und Lotdepot fehlt, lassen sich durch die Lotformteile vermeiden. Ebenso wird dadurch die Bildung und Streuung von Lotkugeln, das sogenannte und gefürchtete "solderballing", was bei Verdampfung der relativ hohen Kunststoffanteile der Lotpasten entsteht, vermieden. Dadurch entfallen auch umweltbelastende FCKW-Reinigungsprozesse, durch die außerdem empfindliche Bauelemente und Lötstellen Schaden nehmen können. Durch Fehlen der nichtmetallischen Anteile im Lot ist das Bruchgefüge wesentlich homogener und zäher. Die Anwendung von Flußmitteln ist nicht erforderlich. Beim Arbeiten nach den oben genannten Verfahren mit Bestückungsautomat oder klebenden Plastikkugeln 6 zum Halten der Bauelemente B sind die Lötstellen flußmittelfrei.

Claims

1. Verfahren zum Laserstrahllöten der Anschlüsse von elektrischen Bauelementen auf Leiterbahnen von Substraten, wobei das Lötmittel vor dem Löten an die Lötstelle gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- an die Anschlüsse (5) der Bauelemente (B1 bis B4) Lotformteile (3) angeklebt werden,
- die Bauelemente (B1 bis B4) auf die Anschlußflächen (2) des Substrats (1) gesetzt werden,
- die Anschlüsse (5) der Bauelemente, die Anschlußflächen (2) des Substrats und die Lotformteile (3) vom Laserstrahl überstrichen und die Lotformteile (3) aufgeschmolzen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (B1 bis B4) auf die Anschlußflächen (2) des Substrats (1) geklebt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kleber in Alkohol gelöstes Kolophonium mit/ohne Aktivierungszusätze(n) benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (B1 bis B4) durch selbstklebende Plastikkugeln (6) auf dem Substrat (1) fixiert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotformteile (3) wahlweise aus flachen Ringen, Scheiben, Plättchen oder Streifen mit rundem oder eckigem Profil bestehen.