DE4041272C2 - Wellenlötvorrichtung - Google Patents

Description

Beim Wellenlöten erfolgt die Zuführung des flüssigen Weichlotes zu den zu lötenden Werkstücken durch eine Lotwelle, die mittels Pumpe und Düse erzeugt wird (DIN 8505, Teil 3, Januar 1983). Anstelle der vorstehend erwähnten Begriffe "Wellenlöten" und "Lotwelle" werden in der Praxis auch häufig die Begriffe "Schwall-Löten" und "Lotschwall" bzw. "Lötschwall" verwendet. Bevorzugtes Anwendungsgebiet des Wellenlötens ist das Löten be­ stückter Leiterplatten, die derart über die Lotwelle geführt werden, daß ihre Unterseite und die Anschlüsse der auf der Lei­ terplatte angeordneten Bauelemente mit flüssigem Weichlot be­ aufschlagt werden. Entsprechende Wellenlötvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-B-26 19 342, der EP-B-0 013 359, der EP-A-0 078 900, der US-A-29 93 272, der US-A-31 19 363 und der US-A-39 89 180 bekannt.

Wie bei allen anderen Lötverfahren können auch beim Wellenlöten an den Kontaktierflächen vorhandene Oxidschichten sowie Oxide, die sich während des Lötvorganges verstärkt an der Oberfläche des flüssigen Weichlotes bilden, zu schlechten Lötergebnissen führen. Das vorrangige Ziel einer entsprechenden Lötprozeß­ steuerung ist es daher, die Bildung von Oxidschichten zu ver­ hindern bzw. bereits vorhandene Oxidschichten zu entfernen, so daß es zu einer einwandfreien intermetallischen Bindung zwi­ schen den beteiligten Kontaktierflächen in der Lotwelle der Wellenlötvorrichtung kommen kann. Aus diesem Grunde werden in den bekannten Wellenlötvorrichtungen vor allem organische Säu­ ren als Reduktionsmittel bzw. Flußmittel eingesetzt. Diese or­ ganischen Säuren reduzieren bei höheren Temperaturen und wäh­ rend des Lötvorganges die beteiligten Metalloberflächen, indem sie den dort vorhandenen Oxidschichten den Sauerstoff entrei­ ßen.

Die heute in der elektronischen Industrie zugelassenen Fluß­ mittel sind vorzugsweise organische Kolophoniumverbindungen. Diese Verbindungen haben die Eigenschaft, die in Harzen gebun­ denen schwachen Säuren erst ab 120°C gestaffelt freizusetzen, d. h. erst bei Erreichen dieser Temperaturen werden diese bis dahin völlig passiven Harze aggressiv und lösen die für das Lö­ ten notwendigen Redoxreaktionen aus. Bei Umgebungstemperatur sind diese Flußmittel auf den Kontaktflächen chemisch neutral und ohne korrosive Auswirkungen. Aggressive Flußmittel sind meist salzsäurehaltige Verbindungen, die jedoch sofort nach dem Lötvorgang, z. B. durch Waschen, neutralisiert werden müssen. Dies ist bei elektronischen Baugruppen jedoch in der Regel nicht zulässig, da empfindliche Bauelemente den entsprechenden Waschvorgang nicht ohne Schädigungen überstehen. Mit zulässigen Flußmitteln lassen sich jedoch nur sehr dünne Oxidschichten von Leiterbahnen, Anschlußelementen und geschmolzenem Lot entfernen. Bei zu alten Bauelementen oder Leiterplatten führt dies zu Fehllötungen und damit zu erhöhtem Ausschuß bzw. zu Qualitäts­ problemen. Heute werden Weichlötvorrichtungen, Wellenlötvorrich­ tungen oder Hubtauchlötvorrichtungen in normaler Atmosphäre be­ trieben. Mit Flußmitteln auf Kolophonium-Harzbasis werden die Metalloberflächen reduziert und so der Lötvorgang ermöglicht. In jüngster Zeit werden aber auch sogenannte Schutzgaslötvor­ richtungen eingesetzt. Diese Lötvorrichtungen besitzen eine Stickstoff-Schutzgaskammer, in der der Lötvorgang abläuft. In dieser Schutzgaskammer kann dann auch in geringem Umfang Amei­ sensäure als Redoxmittel fein zerstäubt auf die Lötseite der Leiterplatte geblasen werden, um das Kolophonium als Flußmittel zu ersetzen. Derartige Lötvorrichtungen sind jedoch sehr teuer in der Anschaffung. Auch die laufenden Betriebskosten sind er­ heblich. Weiterhin ist das Einblasen von Ameisensäure in den Lötraum sehr umstritten, da diese freien Säuren auch nach dem Lötvorgang aggressiv bleiben. Langzeitkorrosion und die Zerstö­ rung von empfindlichen Bauteilen sind die Folge bei ausbleiben­ der Nachbehandlung. Der Begriff Schutzgasatmosphäre durch Stickstoff ist nur bedingt richtig, da alle Flachbaugruppen, die in den Lötbereich fahren, Luftkammern besitzen und so die Schutzgasatmosphäre ständig verunreinigen bzw. partielle Atmos­ phärenbereiche bilden. Die Oxidschichten auf der Lotwelle wer­ den durch Schutzgas verringert, jedoch nicht vollständig be­ seitigt. Die bereits vorhandenen Oxidschichten an den Kontak­ tierungsstellen der Bauelemente und der Leiterplatte werden we­ der verringert noch beseitigt.

Aus der EP-A-0 119 157 ist eine Lötvorrichtung mit einem Lötka­ nal bekannt, in welchem sich ein Schwall-Lötbad befindet. Bevor die an einer Fördervorrichtung befestigten Leiterplatten das Schwall-Lötbad erreichen, passieren sie mehrere senkrecht zur Förderrichtung im Lötkanal nebeneinander angeordnete schlitz­ förmige Düsen, die aus einer Gasversorgungsquelle gespeist sind und eine direkte Anströmung der Lötseite der Leiterplatten mit einem vorgeheizten, reduzierenden Schutzgas bewirken. Der eigentliche Lötvorgang kann dann ohne Einwirkung eines Flußmit­ tels geführt werden.

Aus der DE-A-25 11 210 ist eine Vorrichtung zum Tauchlöten von an Kämmen angeordneten Halbleiterbauelementen bekannt, bei wel­ cher ein flußmittelfreies Tauchlöten dadurch ermöglicht wird, daß die Oberfläche des Lötbades homogen von einer Wasserstoff­ flamme bestrichen wird. Die reduzierend wirkende Flamme wird durch ein an eine Wasserstoffquelle angeschlossenes Stahlrohr erzeugt, das um seine Längsachse drehbar ist und in vorbestimm­ ten Abständen als Brennerdüsen wirkende Austrittslöcher auf­ weist.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu­ grunde, beim Wellenlöten von bestückten Leiterplatten unter Verzicht auf aggressive Flußmittel einwandfreie Lötergebnisse zu erzielen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die reduzierend eingestellte Flamme eines gasbeheiz­ ten Brenners im Verbrennungskegel eine Reduktionszone bildet, in der nicht verbranntes Brenngas jedes vorhandene Sauerstoff­ atom chemisch bindet. Sauerstoff, der durch die vorhandene At­ mosphäre in den Flammbereich eindringt wird daher sofort redu­ ziert, d. h. verbrannt. Erreichen die Oberflächen von bereits mit Lot benetzten Metallteilen Reduktionstempera­ tur, so werden auch die hier vorhandenen Oxidschichten durch den aggressiven Gasstrom schlagartig reduziert. Danach befinden sich alle Materialien in einem optimalen Lötzustand, d. h. Ober­ flächenspannungen sind weitgehend abgebaut und vorhandene Oxide entfernt.

Im Bereich Weichlöten wurden die geschilderten Reduktions­ techniken bislang noch nicht beim Wellenlöten eingesetzt, da die hohen Reaktions­ temperaturen, die beispielsweise für die Verbrennung von Was­ serstoff mit Sauerstoff notwendig sind, den für die beteiligten Materialien zulässigen Temperaturbereich weit übersteigen. Als beteiligte Materialien sind dabei nicht nur die für den Lötvor­ gang notwendigen Materialien wie Lötzinn und Kupfer anzusehen, sondern auch die als Trägerelement vorhandenen Leiterplatten und die elektronischen Bauelemente. Beide enthalten Kunststoff und andere organische Verbindungen als wesentliche Bestandteile ihres Grundaufbaus. Dies führt dazu, daß sowohl die Leiterplat­ ten als auch die darauf befindlichen elektronischen Bauelemente nur mit Dauertemperaturen von bis zu 100°C und mit Löttempera­ turen von ca. 240°C maximal 6 Sekunden lang belastet werden dürfen.

Werden diese Zeit- und Temperaturgrenzen überschritten, ver­ liert das Basismaterial Kunststoff seine notwendigen mechani­ schen Festigkeitseigenschaften. Der Kunststoff wird weich bzw. er löst sich in seine Bestandteile auf. Wichtig ist hier der Faktor Zeit. Er ist die Ursache dafür, daß die für eine Dauer­ belastung nicht zulässige aber notwendige Löttemperatur von ca. 240°C nur kurzfristig auftreten darf. Dies ist deshalb mög­ lich, da die geringe Wärmeleitzahl der Kunststoffe das Eindrin­ gen der Wärme in den Körper während des kurzen Lötvorganges verhindert. Die für den Lötvorgang notwendige Temperatur wird nur an der Oberfläche, also im Bereich der Leiterbahnen und der Kontaktierflächen der Bauelemente erreicht. Die Kernzonen von Bauelementen und Leiterplatte bleiben in den zulässigen Tempe­ raturgrenzen.

Die geringe Wärmeleiteigenschaft von Kunststoff ist auch die Voraussetzung für das Löten bestückter Leiterplatten in der er­ findungsgemäßen Wellenlötvorrichtung, bei welcher der gasbe­ heizte Brenner ja nicht wie beim Flamm-Löten als Wärmequelle für den Lötvorgang sondern zur Schaffung einer Reduktionszone eingesetzt wird. Die Vorschubgeschwindigkeit der Leiterplatten und andere Parameter können dann so gewählt werden, daß es nur im Oberflächenbereich der Bauelemente und des Weichlotes zu ei­ ner zeitlich begrenzten Temperaturerhöhung von ca. 0,2 Sekunden mit Temperaturen von ca. 600°C kommt. Durch diese zeitlich be­ grenzte Temperaturerhöhung werden die Oxidschichten reduziert, wobei die aufgebrachte Wärmemenge jedoch so gering ist, daß Bauelemente und Leiterplatten aufgrund ihrer Masse und geringen Wärmeleitzahlen nur geringfügig erwärmt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wellenlöt­ vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Bevor­ zugte Verfahren zum Betrieb der Wellenlötvorrichtung sind in den Ansprüchen 6 und 7 angegeben.

Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ermöglicht durch die oszil­ lierende Flamme des Brenners mit einfachen Mitteln eine zeitli­ che Begrenzung der Temperaturerhöhung, so daß eine Schädigung der beteiligten Materialien mit Sicherheit vermieden werden kann. Gemäß Anspruch 3 ist die Wellenlötvorrichtung so ausgelegt, daß der Brenner dabei vorzugsweise über die gesamte Breite der Lotwelle hin- und herbewegt werden kann.

Die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff für den Betrieb des Brenners gemäß Anspruch 4 hat gegenüber anderen Brenngasen, wie z. B. Methangas, den entscheidenden Vorteil, daß bei redu­ zierend eingestellter Flamme kein Ruß entsteht.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 schließt eine erneute Oxida­ tion der Kontaktierflächen innerhalb der mit Schutzgas beauf­ schlagten Kammer mit Sicherheit aus.

Beim Betrieb der Wellen­ lötvorrichtung gewährleistet die ca. 600°C heiße Reduktions­ zone gemäß Anspruch 6 einerseits eine sichere Reduktion vorhan­ dener Oxidschichten, während andererseits bei einer ent­ sprechenden zeitlichen Begrenzung dieser Temperaturerhöhung eine Schädigung der beteiligten Materialien verhindert wird.

Wird gemäß Anspruch 7 CO₂ des Schutzgas in die Kammer ein­ geleitet, so ist dies besonders wirtschaftlich, da eine Ver­ wendung von CO₂ gegenüber anderen Schutzgasen wie Argon sehr preisgünstig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Wellenlötvorrichtung zum Löten bestückter Leiterplatten,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer mit einer Schutzgaskammer ausgerüsteten Wellenlötvorrichtung zum Löten von bestückten Leiterplatten, und

Fig. 3 das Temperaturprofil eines oszillierenden Brenners während des Reduktionsvorganges.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Wellenlötvorrichtung mit einem Behälter Bh, der flüssiges Weichlot W enthält. Mittels einer Pumpe P und einer häufig auch als Lotkamin bezeichneten Düse D wird eine Lotwelle Lw gebildet. Über diese Lotwelle Lw wird in der durch einen Pfeil aufgezeigten Vorschubrichtung V eine mit Bauelementen Be bestückte Leiterplatte Lp derart geführt, daß die Unterseite der Leiterplatte Lp und die Anschlüsse der Bauelemente Be mit ,flüssigem Weichlot W beaufschlagt werden. Austrittsseitig im Abrißbereich zwischen der Lotwelle Lw und der Leiterplatte Lp ist die Flamme F eines gasbeheizten Bren­ ners B zu erkennen, der mit Wasserstoff und Sauerstoff betrie­ ben wird. Durch einen Doppelpfeil Dpf ist angedeutet, daß der Brenner B senkrecht zur Zeichnungsebene über die gesamte Brei­ te der Lotwelle Lw bzw. der Leiterplatte Lp hin- und herbe­ wegt wird. Die durch einen Überschuß an Wasserstoff reduzierend eingestellte Flamme F des Brenners B wird also oszillierend senkrecht zur Vorschubrichtung V bewegt, wobei die Oszilla­ tionsfrequenz so gewählt wird, daß sich partiell im Bereich der Flamme F eine Temperaturerhöhung an der Lotabrißlinie zwischen Lotwelle Lw und Leiterplatte Lp einstellt, die ca. 600°C ist. Die nur mikrometerstarken Oxidschichten des geschmolzenen Weichlotes W in diesem Bereich, speziell an der Lotabrißlinie von Anschlüssen und Leiterbahnen, werden reduziert.

In Fig. 3 ist das Temperaturprofil des oszillierenden Brenners B während des Reduktionsvorganges aufgezeigt, wobei in Ordina­ tenrichtung die Temperatur t in Grad Celsius und in Abszissen­ richtung der Weg s des Brenners B aufgezeigt ist. Mit Ol ist die Oszillationslänge des Brenners B bezeichnet, die etwas größer gewählt wird als die Breite der Lotwelle Lw (vgl. Fig. 1). Die resultierende Reduktionsbreite ist mit Rb bezeich­ net. Bei einer Grundtemperatur im Lotabrißbereich von ca. 250°C erzeugt die Flamme F des Brenners B eine Reduktions­ temperatur-Spitze RS, die bei ca. 600°C liegt und über die Re­ duktionsbreite Rb oszilliert.

Durch die oszillierende Bewegung des Brenners B kommt es also nun im Oberflächenbereich der Bauelemente Be und des geschmol­ zenen Weichlotes W zu einer zeitlich begrenzten Temperaturer­ höhung von ca. 0,2 Sekunden mit Temperaturen von ca. 600°C. Durch diese zeitlich begrenzte Temperaturerhöhung werden die Oxidschichten reduziert, die aufgebrachte Wärmemenge ist jedoch so gering, daß die Bauelemente Be und die Leiterplatte Lp aufgrund ihrer Massen und geringen Wärmeleitzahlen nur gering­ fügig erwärmt werden.

Die Frequenz der Oszillationsbewegung des Brenners B, die Vor­ schubgeschwindigkeit der Leiterplatten Lp durch die Lotwelle Lw und die Leistung der Flamme F des Brenners B, mit der die Größe der Reduktionsfläche im Flammbereich festgelegt ist, wer­ den so aufeinander abgestimmt, daß die gesamte Fläche der Lei­ terplatte Lp aufgrund der sich einstellenden meanderförmigen Oszillationsschleifen mit einer sich überdeckenden Reduktions­ zone reduziert wird. Gegebenenfalls können auch zwei oder meh­ rere Brenner eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Ampli­ tude der Oszillationsbewegung entsprechend verringert wird. Ei­ ne zusätzliche Anordnung von einem oder mehreren Brennern im eintrittsseitigem Abrißbereich zwischen Lotwelle Lw und Leiterplatte Lp ist ebenfalls möglich.

Fig. 2 zeigt eine Variante, bei welcher einander entsprechen­ de Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 ver­ sehen sind. Die Leiterplatte Lp ist auf ihrer Oberseite mit bedrahteten Bauelementen Be bestückt, während auf ihrer Unter­ seite ein SMD-Bauelement SMD zu erkennen ist. Auf der Austrittsseite der in Vorschubrichtung V über die Lotwelle Lw geführten Leiterplatte Lp ist ein gasbeheizter Brenner B auf einer Oszillationsschiene Os in Richtung des Doppelpfeiles Dpf beweglich angeordnet. Die redu­ zierend eingestellte Flamme F des Brenners B wird also auch hier derart hin- und herbewegt, daß im Bereich der Lotabrißlinie wieder das in Fig. 3 dargestellte Temperaturprofil realisiert wird. Der Brenner B und insbesondere die Flamme F befinden sich hier in einer mit Schutzgas beaufschlagten Kammer K, die eine erneute Oxidation durch Zutritt von Luftsauerstoff mit Sicherheit verhindern soll. Aus der rückwärtigen Wand der Kam­ mer K treten zwei Schläuche S1 und S2 aus, wobei der Schlauch S1 den Brenner B mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt, wäh­ rend über den Schlauch S2 als Schutzgas CO₂ in die Kammer K eingeleitet wird. Gegebenenfalls kann ein Schutzgas auch über den Brenner B in die Kammer K eingeleitet werden.

Claims (8)

1. Wellenlötvorrichtung, insbesondere zum Löten bestückter Leiterplatten (Lp),

• - mit einem Behälter (B) zur Aufnahme von flüssigem Weichlot (W), und
• - mit einer mittels Pumpe (P) und Düse (D) erzeugten Lotwelle (Lw),

wobei die zu lötenden Werkstücke über die Lotwelle (Lw) geführt werden,
gekennzeichnet durch
mindestens einen gasbeheizten Brenner (B), der so angeordnet ist, daß sein Verbrennungskegel mit reduziert eingestellter Flamme auf den austrittsseitigen Abrißbereich zwischen Lotwelle (Lw) und Werkstück gerichtet ist.

2. Wellenlötvorrichtung, nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen quer zur Vorschubrichtung (V) der Werkstücke hin- und herbewegbaren Brenner (B).

3. Wellenlötvorrichtung, nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch einen über die gesamte Breite der Lotwelle (Lw) hin- und herbewegbaren Brenner (B).

4. Wellenlötvorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen mit Wasserstoff und Sauerstoff betreibbaren Brenner (B).

5. Wellenlötvorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß sich der Brenner (B) in einer mit Schutzgas beaufschlagbaren Kammer (K) befindet.

6. Verfahren zum Betrieb einer Wellenlötvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß durch den Brenner (B) eine ca. 600°C heiße Reduktionszone erzeugt wird.

7. Verfahren zum Betrieb einer Wellenlötvorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß in die Kammer (K) CO₂ als Schutzgas eingeleitet wird.