DE4208988A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der lotpastenqualitaet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen der Eigenschaften einer Lotpaste.

Seit mehreren Jahrzehnten ist für die Montage elektroni­ nischer Bauelemente auf den Baugruppenträger, die Platine, die unter der englischen Bezeichnung SMT (surface mounted technology) bekannte Technik in Gebrauch. Da diese Technik inzwischen einen Stand erreicht hat, der es auch mittel­ ständischen Unternehmen ermöglicht, die Vorteile dieser Technik zu nutzen, ist der Anteil der in dieser Technik gefertigten Baugruppen stark gestiegen.

Bei einer speziellen Form der SMT wird für die Verlötung der Bauteile mit der Platine kein massives, schon geschmol­ zenes Lot (i.a. eine Zinn-Blei-Legierung), sondern ein pulverisiertes Lot verwendet. Dieses ist mit Fluß und Lösungsmitteln zu einer viskosen Paste vermengt, die im Siebdruck oder mit einem sogenannten Dispenser auf die An­ schlußpunkte der Platine gebracht wird. Hierbei hat das Flußmittel primär die Aufgabe, das Lotpulver vor Oxidation zu schützen und während des Lötvorganges Oxidschichten auf dem Lötgut - d. h. den Bauteilanschlüssen - zu beseitigen.

Die Lösungsmittel verhindern eine Verhärtung der als Fluß­ mittel benutzten Harze und gewährleisten die gute mecha­ nische Verarbeitbarkeit beim Aufbringen auf die Platine. Durch geeignete Komposition der Inhaltsstoffe wird vom Hersteller der Pasten gewährleistet, daß die Paste sich bei schlecht benetzbaren Untergrund zu nur einer Kugel zusammenzieht. Gleichzeitig ist wichtig, daß das Lot selbst das Lotgut in der kurzen Zeit des eigentlichen Lötvorganges von nur ca. 10 s in einem Durchlaufofen gut benetzt, da es sonst zu sogenannten kalten Lötstellen kommt. Dem die Fehlerquote so gering wie möglich zu halten, besteht daher die Notwendigkeit, auch die Lotpaste einem der Verarbeitung vorausgehenden Test zu unterziehen.

Beim Lötbarkeitstest soll zunächst unterschieden werden zwischen einem Test zur Lötbarkeit der Bauelementanschlüsse und der Anschlußflecken auf der Platine auf der einen und einem Test des Lotes oder der Lotpaste selbst auf der anderen Seite.

Zum ersteren ist zu sagen, daß bereits mehrere Tests exi­ stieren, die jedoch ein grundsätzlich anderes Lötverfahren, bei dem die zu lötende Baugruppe durch ein Bad geschmol­ zenen Lotes gezogen wird, simulieren. Die Bauteilanschlüsse werden daher eine definierte Zeit in ein Bad oder einen Tropfen des geschmolzenen Lotes getaucht und die auf das Bauteil wirkenden Kräfte beobachtet (siehe z. B.: R.J. Klein-Wassink "Weichlöten in der Elektronik", Eugen Leuze Verlag, 1986, Seite 204-216). Diese Verfahren sind bei Verwendung eines standardisierten Probekörpers an Stelle des Bauteils auch zur Beurteilung des Lotes geeignet. Schwierigkeiten entstehen erfahrungsgemäß dann, wenn nur ein einzelner Anschluß eines Bauteils auf Lötbarkeit unter­ sucht werden soll. Für diesen Fall ist nur der Test mit Hilfe eines Lottropfens möglich.

Für den Test von Lotpasten gibt es zur Zeit nur folgende Verfahren:

• a) Solder-spread-test (vergl. DIN 32513 Punkt 4.3f und 5.3 "Benetzung") Ein Tropfen Lotpaste definierten Volumens wird auf einer metallischen Oberfläche zum Schmelzen gebracht und der sich ergebende Schmelzkegel geometrisch vermessen. Die erhaltenen Daten müssen dabei innerhalb empirisch er­ mittelter Grenzen liegen.
• b) Solder-balling-test (vergl. DIN 32513 Punkt 4.4 und 5.4 "Aufschmelzen" Ein Tropfen Lotpaste wird auf einer nicht benetzenden Unterlage zum Schmelzen gebracht. Nach dem Abkühlen muß eine einzelne Lotkugel vorhanden sein.

Beide Verfahren geben das dynamische Verhalten der Lot­ paste nicht wieder. Dieses ist jedoch das ausschlaggebende Kriterium bei der Fertigung moderner, komplizierter mehr­ lagiger Platinen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zu schaffen, mit welchem die Lotpastenqualität meß­ technisch und reproduzierbar ermittelt werden kann und zwar unter praxisnahen Bedingungen. Weiterhin liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde unter Anwendung des Meßver­ fahrens eine Vorrichtung zu schaffen, mit der sich auf einfache Weise eine durch Meßdaten abgesicherte Bestimmung der Lotpastenqualität erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einer Testplatte die zu prüfende Lotpaste aufgebracht wird, daß dann ein metallischer Probekörper in die Lotpaste eingetaucht wird, ohne die Testplatte jedoch zu berühren, und daß während der anschließenden Erwärmung der Lotpaste die Kraft zwischen der Testplatte und dem Probekörper gemessen wird.

Bei einem Alternativverfahren wird die zu prüfende Lotpaste auf das Ende eines metallischen Probekörpers aufgebracht, die Testplatte so plaziert, daß sie die Lotpaste am Probe­ körper berührt, nicht jedoch den Probekörper selbst, und bei der anschließenden Erwärmung der Lotpaste wird die Kraft zwischen Testplatte und Probekörper gemessen.

Der Probekörper ist dabei vorteilhafterweise stabförmig ausgebildet - z. B. als Draht - und weist ein plangeschlif­ fenes Ende auf, die Testplatte ist vorteilhafterweise kupferkaschiert - also eine sogenannte Platine -, die Er­ wärmung der Lotpaste erfolgt vorteilhafterweise durch eine Strahlungsheizung oder durch eine Heizung der Testplatte, wobei der zeitliche Temperaturverlauf vorteilhafterweise vorgegeben ist - z. B. als linearer Anstieg -, und die Kraft zwischen der Testplatte und dem Probekörper wird vorteil­ hafterweise von einer Waage mit praktisch weglosem Meß­ system gemessen, indem die Testplatte auf der Waagschale der Waage liegt und der Probekörper relativ zum Waagen­ gehäuse vertikal einstellbar befestigt ist.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Waage, auf deren Waagschale die Testplatte liegt, aus einer Heizvorrichtung und aus einer Einstellvorrichtung, die den Probekörper in vertikaler Richtung relativ zum Waagengehäuse einstellbar haltert.

Die Waage arbeitet dabei vorteilhafterweise nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation, die Vor­ richtung enthält vorteilhafterweise zusätzlich einen Tempe­ raturfühler, der in die Testplatte oder in den Probekörper integriert sein kann oder sich in der Nähe der Lotpaste in der umgebenden Luft befinden kann, und die Einstell- und Haltevorrichtung für den Probekörper enthält Ablesemittel, an denen die vertikale Lage des Probekörpers abgelesen werden kann.

Bei dem beschriebenen Testverfahren handelt es sich also nicht um einen Ja/Nein-Test, vielmehr handelt es sich um ein Verfahren, welches als Ergebnis die Angabe einer Maß­ zahl erlaubt. Die Testanordnung kommt den realen Verarbei­ tungsbedingungen sehr nahe. Außerdem ist eine Beobachtung der dynamischen Kräfte auf das Lötgut im Verlaufe des Lötens möglich und diese Kräfte können über die Auswerte­ einheit der Waage bzw. des Rechners dokumentiert werden. Der Test ist einfach zu realisieren.

Der Erfindungsgedanke ist anhand der beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Meßvorrichtung,

Fig. 2 ein Temperatur/Zeit-Diagramm,

Fig. 3-5 Kraft/Zeit-Diagramme über das dynamische Verhalten der Lotpaste in unterschiedlicher Qualität,

Fig. 6 in vergrößerter Darstellung eine Probe vor dem Schmelzen und

Fig. 7 eine Probe nach dem Schmelzen.

Gemäß Fig. 1 liegt eine standardisierte Testplatte 2 auf der Waagschale 1 einer Waage 8, die die durch die Test­ platte ausgeübte Kraft mißt. In der Mitte dieser Test­ platte 2 wird die zu testende Lotpaste 3 aufgebracht und von oben ein ebenfalls standardisierter Probekörper 4, der an einer geeigneten Vorrichtung 5 befestigt ist, in die Lotpaste 3 mittig eingetaucht. Die Testplatte 2, der Lot­ pastenklecks 3 und der Probekörper 4 sind in Fig. 1 der Deutlichkeit halber zu groß gezeichnet. Unterhalb der Waagschale 1 befindet sich ein Hitzeschutz 6 für die eigentliche Waage 8, der zusammen mit einem beweglichen Deckel 9, der über ein Scharnier mit der Waage verbunden ist, den Prozeßraum 11 umschließt und vor äußeren Ein­ flüssen wie z. B. Luftzug schützt. Im Deckel 9 befindet sich eine runde Aussparung 10, die das Ein- und Ausführen des Probekörpers 4 und der Haltevorrichtung 5 ermöglicht.

Die zum Schmelzen erforderliche Wärme wird über zwei Infrarotstrahler 7 links und rechts neben der Haltevor­ richtung 5 erzeugt. Die Waage 8 besitzt einen Rechner­ anschluß, der die Aufzeichnung und Auswertung der senk­ recht auf die Waagschale 1 wirkenden Kräfte mit Hilfe eines geeigneten Rechners 12 ermöglicht.

Für die Messung werden zunächst die Testplatte 2 und der Probekörper 4 durch Anätzen z. B. mit HNO₃ von den immer vorhandenen Oxidschichten befreit. Als Probekörper 4 hat sich ein runder Kupferdraht von z. B. 1,4 n Durchmesser bewährt. Wichtig ist, daß das Meßende des Drahtes nach dem Abschneiden plangeschliffen wird und alle Grate entfernt werden, da diese die Meßergebnisse verfälschen können.

Als Testplatte 2 wird z. B. ein 1 cm×1 cm großes Stück konventioneller kupferkaschierter Epoxidharzplatine ver­ wendet. Auf die sauber geätzte Testplatte 2 wird dann die Lotpaste 3 aufgetragen; die Menge liegt bei etwa 10 mg.

Hierbei ist ein Dispenser, eine Schablonen- oder Siebdruck­ anlage zweckmäßig, um reproduzierbare Mengen der Lotpaste 3 aufbringen zu können. Den Druckverfahren ist dabei der Vor­ zug zu geben, da diese eine größere Reproduzierbarkeit des Flußmittel/Lotpulver-Verhältnisses ergeben. Die so präpa­ rierte Testplatte 2 wird auf die Waagschale 1 gelegt und der Deckel 9 geschlossen. Nach dem Tarieren der Waage wird der Probekörper 4 in die Halterung 5 senkrecht eingespannt und durch die Deckelöffnung 10 bis in die Lotpaste 3 einge­ taucht. Durch eine unterschiedliche Eintauchtiefe wird die Reproduzierbarkeit der Messung herabgesetzt. Daher ist zur Halterung der Probe 4 und der Haltevorrichtung 5 nicht nur eine relativ grobe Verschiebemöglichkeit durch Lösen der Schrauben 13 und Verschieben des ganzen Befestigungsarmes 14 vorgesehen, sondern zusätzlich eine Feineinstellung mit Hilfe der Mikrometerschraube 15 mit Skala 16. Auf dem be­ weglichen Stempel der Mikrometerschraube 15 liegt ein bei 18 drehbar gelagerter Schwenkarm 17 auf, der wiederum die eigentliche Haltevorrichtung 5 trägt. Der Schwenkarm 17 folgt der Bewegung des Stempels der Mikrometerschraube 15 aufgrund seines Eigengewichtes und erlaubt, den Probe­ körper 4 definiert in die Lotpaste 3 einzutauchen.

Nach dem Starten des Steuer- und Auswerteprogrammes im Rechner 12 wird das Aufheizen mittels der Strahlungs­ quelle 7 begonnen. Der ungefähre zeitliche Verlauf der Temperatur der Lotpaste ist dabei in Fig. 2 dargestellt. Die Temperatur der Lotpaste wurde dabei näherungsweise durch einen (in Fig. 1 nicht dargestellten) Temperatur­ fühler in der Testplatte 2 gemessen. Genauso könnte die Temperatur durch einen Temperaturfühler im Probekörper 4 oder (mit größerem Fehler) durch einen Temperaturfühler in der Luft in unmittelbarer Nähe der Lotpaste 3 gemessen werden. Die Größe der Temperaturdifferenz zwischen dem jeweiligen Temperaturfühler und der wirklichen Temperatur an der Oberfläche oder im Innern der Lotpaste kann selbst­ verständlich mit einem zweiten Temperaturfühler an dieser Stelle in einem Vorversuch bestimmt werden und bei ent­ sprechend hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Tempe­ raturmessung durch einen Korrekturterm berücksichtigt werden.

Zusammen mit dem Start des Aufheizens wird auch die Re­ gistrierung der Meßergebnisse der Waage 8 begonnen. Eine beispielhafte Registrierkurve für einen Versuch mit ein­ wandfreier Lotpaste ist in Fig. 3 gezeigt. Man erkennt einen langsam beginnenden Anstieg der Kraft zwischen Probe­ körper und Testplatte, ein Maximum der Kraft kurz vor dem Aufschmelzen und einen steilen Abfall beim Schmelzen der Lotpaste. Das Maximum der Kraft kann bei einem Durchmesser des Probekörpers von 1,4 mm bis zu 0,1 N betragen. Die Ur­ sache dieser Kraft ist die Wärmeausdehnung der Lotpaste und auch des Probekörpers, die zusammen mit der Viskosität der Lötpaste bei der jeweiligen Temperatur und der Steifigkeit der Gesamtanordnung zu einer Reaktionskraft führt. Um die Steifigkeit der Gesamtanordnung hoch zu halten, ist es daher vorteilhaft, einen praktisch weglosen Kraftmesser zu benutzen, also eine Waage mit praktisch weglosem Meß­ system. Zum Beispiel erfüllt eine Waage mit elektromagne­ tischer Kraftkompensation diese Bedingung.

Während in Fig. 3 die Meßkurve einer guten Lotpaste gezeigt ist, sind in den Fig. 4 und 5 zwei Meßkurven mit Lotpaste gezeigt, die 0,5 Stunden bzw. 3 Stunden künstlich gealtert wurden. Man erkennt, daß sich am Anfang der Meßkurve, also bei geringeren Temperaturen, ein Vormaximum ausbildet, das auf eine temporäre Verhärtung der Lotpaste hinweist. Die Größe dieses Vormaximums im Vergleich zum Hauptmaximum ist ein Maß für die Güte der Lotpaste.

Zur Erwärmung der Lotpaste war im vorstehenden eine Strah­ lungsquelle benutzt. Diese Heizungsart ist besonders ein­ fach, da sie für beliebige Geometrien einsetzbar ist, und da Waagen mit integrierter Strahlungsheizung als sogenannte Trocknungswaagen kommerziell erhältlich sind. Es ist jedoch auch eine Erwärmung der Lotpaste durch eine Heizung der Testplatte möglich. Die Heizung erfolgt in der einfachsten Ausführung mit konstanter Heizleistung. Es ergibt sich dann ein Temperaturverlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Zur exakteren Nachbildung des Temperaturverlaufs beim wirk­ lichen Löten, ist jedoch in einer vornehmeren Lösung auch eine zeitabhängige Steuerung der Heizleistung so möglich, daß der vorgegebene Temperaturverlauf eingehalten wird. Bei Vorhandensein eines Temperaturfühlers, wie er bereits er­ wähnt wurde, kann die Heizleistung unter Benutzung dieses Temperaturfühlers auch so geregelt werden, daß der vorge­ gebene Temperaturverlauf noch exakter eingehalten wird.

In den Fig. 6 und 7 ist die Form des Lotpasten-Kleckses nochmal vergrößert im Schnitt gezeigt, und zwar in Fig. 6 zu Beginn der Prüfung und in Fig. 7 am Ende der Prüfung.

Man erkennt in beiden Figuren den stabförmigen Probe­ körper 4 mit seinem plangeschliffenen Ende 20, die Test­ platte 2 mit der Metallisierungsschicht 22 und die Lot­ paste 3. Zu Beginn der Prüfung benetzt die Lotpaste weder die Testplatte 2 noch den Probekörper 4. Durch das Ab­ senken des Probekörpers 4 ist die Lotpaste etwas ausein­ andergedrückt - am Ende der Prüfung ist die Lotpaste auf­ geschmolzen und hat sowohl den Probekörper 4 als auch die Metallisierungsschicht 22 der Testplatte 2 benetzt (Be­ netzungswinkel bei 23 und 24). Durch visuelle Inspektion der aufgeschmolzenen Lotpaste gemäß Fig. 7 können in bekannter Weise zusätzliche Qualitätsparameter der Lot­ paste abgeleitet werden.

Im vorstehenden ist davon ausgegangen, daß die zu prüfende Lotpaste 3 auf die Testplatte 2 aufgebracht wird und dann der Probekörper 4 in die Lotpaste eingetaucht wird. Es ist jedoch auch möglich, die Lotpaste 3 auf das Ende 20 des Probekörpers 4 aufzubringen und dann mit der Testplatte 2 in Berührung zu bringen. Die Form des entstehenden Lot­ pasten-Kleckses ist bei beiden Vorgehensweisen näherungs­ weise gleich.

Claims (17)

1. Verfahren zum Prüfen der Eigenschaften einer Lotpaste, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf einer Testplatte (2) die zu prüfende Lot­ paste (3) aufgebracht wird,
• - daß dann ein metallischer Probekörper (4) in die Lot­ paste (3) eingetaucht wird, die Testplatte (2) jedoch nicht berührt,
• - und daß während der anschließenden Erwärmung der Lot­ paste (3) die Kraft zwischen der Testplatte (2) und dem Probekörper (4) gemessen wird.

2. Verfahren zum Prüfen der Eigenschaften einer Lotpaste, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die zu prüfende Lotpaste (3) auf das Ende eines metallischen Probekörpers (4) aufgebracht wird,
• - daß eine Testplatte (2) so plaziert wird, daß sie die Lotpaste (3) am Probekörper (4) berührt, nicht jedoch den Probekörper (4) selbst berührt,
• - und daß während der anschließenden Erwärmung der Lot­ paste (3) die Kraft zwischen der Testplatte (2) und dem Probekörper (4) gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Testplatte (2) kupferkaschiert ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Probekörper (4) stabförmig aus­ gebildet ist und ein plangeschliffenes Ende (20) auf­ weist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht als Probekörper (4) benutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Lotpaste (3) durch eine Strahlungsheizung (7) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Lotpaste (3) durch Heizung der Testplatte (2) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung so erfolgt, daß die Temperatur der Lotpaste (3) etwa linear mit der Zeit ansteigt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung so erfolgt, daß die Temperatur der Lotpaste (3) einem vorgegebenen Zeit­ verlauf folgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmessung durch eine Waage (8) mit praktisch weglosem Meßsystem erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Testplatte (2) auf der Waagschale (1) der Waage (8) liegt und daß der Probekörper (4) relativ zum Waagen­ gehäuse (8) ortsfest befestigt ist und in seiner Höhe einstellbar ist.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Waage (8), auf deren Waagschale (1) die Test­ platte (2) liegt, aus einer Heizvorrichtung (7) und aus einer Einstellvorrichtung (13, 14, 15, 17, 18), die den Probekörper (4) in vertikaler Richtung relativ zum Waagengehäuse (8) einstellbar haltert, besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Waage (8) nach dem Prinzip der elektromagne­ tischen Kraftkompensation arbeitet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Temperatur­ fühler in die Testplatte (2) integriert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Temperatur­ fühler in den Probekörper (4) integriert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Temperatur­ fühler in der Nähe der Lotpaste (3) vorhanden ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einstellvorrichtung (15), die den Probekörper (4) in vertikaler Richtung relativ zum Waagengehäuse (8) einstellbar haltert, Ablese­ mittel (16) vorhanden sind, an denen die vertikale Lage des Probekörpers (4) abgelesen werden kann.