DE4232651C2 - Process for friction soldering of conductor tracks and device for carrying them out - Google Patents

Process for friction soldering of conductor tracks and device for carrying them out

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reibbeloten von auf gedruckten Schaltungen befindlichen Leiterbahnen, insbeson­ dere zum Beloten bzw. Verzinnen von Dickschichtmetallisie­ rungen als Vorbereitung für eine flußmittelfreie Lötung, beispielsweise mit einem Anschlußband, das blank oder eben­ falls vorbelotet bzw. vorverzinnt ist. Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Reibbeloten von Lotmaterial auf gedruckte Schaltungen beschrieben.The invention relates to a method for rubbing on printed circuits, in particular for soldering or tinning thick-film metallization in preparation for flux-free soldering, for example with a connecting tape that is bare or even if pre-soldered or pre-tinned. Furthermore, a Device for friction soldering solder material onto printed Circuits described.

Bei der Herstellung von Leiterbahnen oder Elektroden auf Substraten aus Keramik oder Silizium werden in der Regel Dickschichten im Siebdruckverfahren hergestellt. Auf der Ba­ sis von keramischen Substraten aus Aluminiumoxid werden bei­ spielsweise Dickschicht-Schaltkreise hergestellt. Keramische Substrate aus Barium-Titan-Oxid werden bei der Herstellung von piezokeramischen Elementen verwendet. Die Herstellung von Solarzellen geschiebt auf der Basis von Wafern aus Silizium. In der Regel werden die siebgedruckten Strukturen, die sil­ berhaltig sind, bei ca. 800°C eingebrannt. Die mechanische Verbindung wird dabei durch Glasfritten, die in der Sieb­ druckpaste enthalten sind, hergestellt. Auf die Leiterbahnen müssen in nachfolgenden Verfahrensschritten Anschlußbänder oder Anschlußdrähte aufgelötet werden. Bei bisherigen Ver­ fahren wird dabei mit Flußmittel gearbeitet. Das Abwaschen dieser Flußmittel nach dem Lötprozeß bedeutet jedoch in der Produktion einen erheblichen Aufwand. Zusätzlich werden zum Abwaschen umweltschädliche FCKW-haltige Lösungsmittel ein­ gesetzt. Nur bei der Verwendung spezieller Flußmittel kann beispielsweise voll entsalztes Wasser Verwendung finden. When making conductive tracks or electrodes Ceramic or silicon substrates are usually used Thick layers produced using the screen printing process. On the ba sis of ceramic substrates made of aluminum oxide for example, thick-film circuits manufactured. Ceramic Substrates made from barium titanium oxide are used in the manufacture used by piezoceramic elements. The production of Solar cells pushed on the basis of wafers made of silicon. As a rule, the screen-printed structures, the sil are preserved, baked at approx. 800 ° C. The mechanical Connection is made through glass frits in the sieve printing paste are included. On the conductor tracks in subsequent process steps, connection tapes or connection wires are soldered. With previous ver driving is done with flux. The washing up however, this flux after the soldering process means in the Production a considerable effort. In addition to Wash off environmentally harmful CFC-containing solvents set. You can only use special fluxes For example, use fully demineralized water.  

Die silberhaltigen Leiterbahnen, die als Dickschicht mit ei­ ner Stärke von beispielsweise 12 µm auf einem Substrat herge­ stellt wurden, können bei einem anschließenden Lötvorgang geschädigt werden, indem sie sich vom Substrat ablösen. Dies geschieht dadurch, daß das Silber innerhalb weniger Sekunden während eines Lötvorganges innerhalb der Leiterbahn in Lösung geht. Somit ist beispielsweise ein Verfahren entsprechend dem Schwallöten ausgeschlossen, da hier die insgesamte Tempera­ turbelastung zu hoch wäre. Gefordert wird eine kurzzeitige Lötung oder ein Schweißverfahren. Weiterhin bekannte Lötver­ fahren arbeiten mit einer relativ großen Lotmenge, was jedoch die Lötzeit unnötig erhöht. Das Lot liegt dabei meist in Form einer Paste vor, die auf die Leiterbahnen der Zellen aufge­ bracht wird. Der Flußmittelanteil der Lotpasten ist meist relativ hoch.The silver-containing conductor tracks, which as a thick layer with egg ner thickness of, for example, 12 µm on a substrate can be made during a subsequent soldering process damage by detaching from the substrate. This happens by the silver within a few seconds in solution during a soldering process within the conductor track goes. Thus, for example, is a method according to the Wave soldering excluded, since here the overall tempera turbo load would be too high. A short-term is required Soldering or a welding process. Also known solder solder drive work with a relatively large amount of solder, but what the soldering time increases unnecessarily. The solder is usually in shape a paste that is applied to the conductor tracks of the cells is brought. The flux content of the solder pastes is mostly quite high.

Eine Übersicht über Weichlötverfahren und entsprechende Gerä­ te bietet die Druckschrift - Klein Wassink R.J., Weichlöten in der Elektronik, Eugen G. Leuze Verlag Saulgau/Württ. 2. Auflage 1991, Seiten 555 bis 564 (Lotaufbringung mittels Stiftauftrag, x/y-verfahrbarer Disperser für Lotpastenauftrag.)An overview of soft soldering processes and corresponding devices te offers the publication - Klein Wassink R.J., soft soldering in electronics, Eugen G. Leuze Verlag Saulgau / Württ. 2nd Edition 1991, pages 555 to 564 (solder application by pen order, x / y-movable disperser for solder paste application.)

In der US-Patentschrift 2,914,425 wird ein Verfahren zur Vor­ bereitung der Oberfläche von an sich nicht lötfähigen Mate­ rialien beschrieben. Dabei wird deren Oberfläche zunächst mit einer lötfähigen Schicht versehen (Reibverfahren) und anschließend mit einem anderen Verbindungspartner verbunden.In U.S. Patent 2,914,425, a method is disclosed preparation of the surface of mate that is not solderable per se rialien described. Their surface is initially included a solderable layer (rubbing process) and then with a connected to another connection partner.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittel der Leiterbahnen in gedruckten Schaltungen belotet werden können, um diese für eine spätere flußmittelfreie und schnelle Lötung mit An­ schlußbändern vorzubereiten.The invention has for its object a method and to provide a device by means of the conductor tracks in printed circuits can be soldered to this for a later flux-free and quick soldering with An prepare closing ribbons.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 4. This task is solved by the procedure below Claim 1 and the device according to claim 4.  

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß durch zumindest partielles Vorbeloten von Dickschichten bzw. Leiterbahnen ein flußmittelfreies anschließendes Löten gewährleistet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung kann ein Lot auf silberhaltigen Leiterbahnen eingerieben werden.The invention is based on the knowledge that by at least partial pre-soldering of thick layers or conductor tracks flux-free subsequent soldering is guaranteed. By the inventive method and the corresponding The device can be soldered onto conductive tracks containing silver be rubbed in.

Das Vorbeloten einer Dickschicht bzw. Leiterbahn hat den be­ sonderen Vorteil, daß die späteren Verbindungspartner, also die Leiterbahn und ein Anschlußband, eine Lotschicht aufwei­ sen. Dadurch entfällt bei einer anschließenden Lötung das Flußmittel. Die zum Einreiben eines Zinnlotes verwendete Vorrichtung stellt das Lot in teigigem Zustand bereit und reibt dieses automatisch über eine relativ zur Leiterbahn verfahrbare Halterung, die auf die Leiterbahn aufsetzt, in die Oberfläche der Leiterbahn ein. Zur teigigen Bereitstel­ lung des Lotes ist die Vorrichtung, und hier insbesondere der Lotbehälter oder eine Führungsbuchse für Stangenlot, temperaturgeregelt beheizt. Das Lotmaterial wird im teigigen Zustand an einer Austrittsöffnung, die nach unten zeigt, bereitgestellt. Eine strukturierte Dickschicht bzw. eine Leiterbahn wird verzinnt bzw. belotet, indem die nach unten zeigende Austrittsöffnung der Vorrichtung auf der Lei­ terbahn aufsetzt und relativ zu dieser oszillierend bewegt wird, ohne diese zu beschädigen. Das Lotmaterial wird dabei in die Oberfläche der Leiterbahn eingerieben.The pre-soldering of a thick layer or conductor track has the be special advantage that the later connection partners, ie the conductor track and a connecting tape, a solder layer sen. This eliminates the need for subsequent soldering Flux. The one used to rub in a tin solder The device provides the solder in doughy condition and this rubs automatically over a path relative to the conductor movable bracket, which is placed on the conductor track, in the surface of the trace. For pastry ready The solder is the device, and in particular the device Solder container or a guide bush for  Pole solder, heated under temperature control. The solder material is when battered at an exit opening that faces down shows, provided. A structured thick layer or a conductor track is tinned or soldered by the after bottom opening of the device on the lei terbahn touches down and moves oscillating relative to this without damaging it. The solder material is included rubbed into the surface of the conductor track.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh­ rungsbeispiele beschrieben.In the following, diagrammatic figures will be used described examples.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Reibbelotenen. Fig. 1 shows a device for friction brazing.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Reibbeloten, wobei Stan­ genlot eingesetzt wird. Fig. 2 shows a device for friction soldering, Stan genlot is used.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens. Die Vorrichtung zum Reibbeloten besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten: Fig. 1 shows schematically an embodiment of an apparatus for performing the claimed method. The device for friction soldering essentially consists of the following components:

  • - Lotbehälter 1 mit Heizung 2 und Temperaturregelung,- solder container 1 with heating 2 and temperature control,
  • - Austrittsöffnung 3 mit einem Einsatz aus porösem Material zur Abgabe des teigigen Lotes, in der Regel ein Zinnlot,Outlet opening 3 with an insert made of porous material for dispensing the pasty solder, generally a tin solder,
  • - wärmegedämmte Halterung 4,- thermally insulated bracket 4 ,
  • - Bewegungsrichtung 5 für die Reibbewegung,- direction of movement 5 for the rubbing movement,
  • - Ringdüse 6 zur Bereitstellung von vorgewärmtem Inertgas bzw. Schutzgas.- Ring nozzle 6 for providing preheated inert gas or protective gas.

Die Halterung 4 ist aus Wärmedämmendem Material hergestellt. Der hohlzylinderförmige Lotbehälter 1, der von der Heizung 2 umschlossen ist, besteht aus gut wärmeleitendem Material. Zumindest seine innere Kontur verjüngt sich in Richtung auf die am unteren Ende befindliche Austrittsöffnung 3. Je flüssiger das Lotmaterial bereitgestellt wird, desto größer muß der mechanische Widerstand in der Austrittsöffnung 3 sein. Innerhalb der Austrittsöffnung 3 ist ein poröser Körper, beispielsweise ein Sintermaterial, in Form eines Einsatzes vorhanden. Eine Zuleitung 19 sorgt zusammen mit einer Ringdüse 6 für die Bereitstellung bzw. das Anblasen von Inertgas (Stickstoff, Argon . . . ) auf die Leiterbahn 9 bzw. in Richtung auf die Austrittsöffnung 3. Die Leiterbahn 9, bestehend aus einer Dickschicht aus Ein­ brennsilber, ist im Siebdruckverfahren auf das Substrat 8 aufgebracht und eingebrannt worden. Das Substrat 8 liegt auf einer beheizbaren Substrataufnahme 7.The bracket 4 is made of heat insulating material. The hollow cylindrical solder container 1 , which is enclosed by the heater 2 , consists of a good heat-conducting material. At least its inner contour tapers in the direction of the outlet opening 3 located at the lower end. The more liquid the solder material is made available, the greater the mechanical resistance in the outlet opening 3 must be. Inside the outlet opening 3 there is a porous body, for example a sintered material, in the form of an insert. A feed line 19 together with an annular nozzle 6 provides or provides inert gas (nitrogen, argon...) On the conductor track 9 or in the direction of the outlet opening 3 . The conductor track 9 , consisting of a thick layer of a fuel silver, has been applied to the substrate 8 in a screen printing process and baked. The substrate 8 lies on a heatable substrate holder 7 .

Während das Lotmaterial im Lotbehälter 1 aufgeheizt wird, kann bereits die Austrittsöffnung 3 durch vorgewärmtes Inertgas angeblasen werden, damit das Lot nicht oxidiert. Die Ringdüse 6 ist dafür mit mindestens 4 jeweils gegen­ überliegenden und gleichmäßig über den Umfang verteilten Austrittsbohrungen versehen, um einen möglichst gleichmä­ ßigen und nicht mit Luft verwirbelten Teppich aus Inertgas zu erzeugen. Unmittelbar nach dem Aufsetzen der Vorrich­ tung mit der Austrittsöffnung 3 auf der Leiterbahn 9 mit relativ geringer Kraft setzt die Reibbewegung in Bewe­ gungsrichtung 5 ein. Die in den Figuren lediglich eindi­ mensional durch Pfeile dargestellte Bewegungsrichtung kann zweckmäßigerweise auch in beiden ebenen Koordinatenrich­ tungen geschehen. Die Halterung bewegt sich insgesamt in einer vorgegebenen Richtung über die Leiterbahn 9. Die Kraft, mit der die Halterung auf die Leiterbahn 9 ange­ drückt wird bzw. mit der sie aufliegt, ist so bemessen, daß Beschädigungen verhindert werden.While the solder material is heated in the solder pot 1, already the outlet opening 3 can be blown by preheated inert gas, so that the solder does not oxidize. The ring nozzle 6 is provided with at least 4 opposite and evenly distributed over the circumference outlet bores in order to produce a carpet of inert gas which is as uniform as possible and not swirled with air. Immediately after putting on the Vorrich device with the outlet opening 3 on the conductor track 9 with relatively little force, the friction movement in the direction of movement 5 begins. The direction of movement shown in the figures only one dimensionally by arrows can also be expediently done in both plane coordinate directions. The holder moves overall in a predetermined direction over the conductor track 9 . The force with which the holder is pressed onto the conductor track 9 or with which it rests is dimensioned such that damage is prevented.

Bei der Herstellung von Solarzellen genügen beispielsweise zwei oder drei verzinnte ca. 4 mm lange Flächen pro Lei­ terbahn. Diese Flächen sind so breit wie die Leiterbahn selbst, beispielsweise 2 mm. Die Vorheizung der Substrat­ aufnahme 7 führt zu einer wesentlichen Verkürzung der Ver­ fahrenszeit. In the production of solar cells, for example, two or three tinned areas of approximately 4 mm in length per conductor track are sufficient. These areas are as wide as the conductor track itself, for example 2 mm. The preheating of the substrate holder 7 leads to a significant reduction in the process time.

Beim Auftragen einer 5 bis 15 um dicken Lotschicht wird gewährleistet, daß ein nachgeschaltetes Löten eines ver­ zinnten Kupferbandes auf eine Leiterbahn 9, beispielsweise mittels eines widerstandserwärmten Lotbügels, problemlos und ohne Flußmittel vonstatten geht.When applying a 5 to 15 µm thick solder layer, it is ensured that a subsequent soldering of a tinned copper strip on a conductor track 9 , for example by means of a resistance-heated soldering iron, can be carried out easily and without flux.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Reibverzinnen. Anstelle eines Lotbehälters 1, der flüssiges Lotmaterial aufnimmt, ist hier eine Füh­ rungsbuchse 12 vorgesehen, die Lotmaterial in Form von Stangen oder Drähten aufnimmt. Die Führungsbuchse ist wär­ megedämmt und besteht beispielsweise aus Teflon (Polytetrafluorethylen), das temperaturfest und abriebfrei ist. Der Hohlkörper 10, der teilweise von der wärmegedämm­ ten Halterung 41 und teilweise von der Heizung 2 umschlos­ sen wird, ist gut wärmeleitend ausgebildet. In einer seit­ lichen Aussparung der Führungsbuchse 12, des Hohlkörpers 10 und der Halterung 41, ist ein Ritzel 14 mit einer Klin­ ke 15 derart plaziert, daß über einen Hebel 16 und einen Druckluftzylinder 17 ein Vorschub auf das Stangenlot 13 in Richtung auf die Austrittsöffnung 3 erzielbar ist. Die Einstellung der Reibkraft, also der Kraft, mit der das Lotmaterial auf die Leiterbahn 9 drückt, wird in diesem Fall durch den Druckluftzylinder 17 geregelt. Die Reib­ kraft wird durch den Druck im Raum 18 und durch die Kol­ benfläche des Druckluftzylinders 17 bestimmt. Fig. 2 shows another embodiment of an apparatus for Reibverzinnen. Instead of a solder container 1 , which receives liquid solder material, a guide bushing 12 is provided here, which receives solder material in the form of rods or wires. The guide bush is thermally insulated and consists, for example, of Teflon (polytetrafluoroethylene), which is temperature-resistant and non-abrasive. The hollow body 10 , which is partially enclosed by the thermally insulated holder 41 and partially by the heater 2 , is well heat-conducting. In a since recess of the guide bush 12 , the hollow body 10 and the holder 41 , a pinion 14 with a clin ke 15 is placed such that a lever 16 and a compressed air cylinder 17 feed the rod solder 13 in the direction of the outlet opening 3rd is achievable. In this case, the setting of the frictional force, that is to say the force with which the solder material presses on the conductor track 9 , is regulated by the compressed air cylinder 17 . The frictional force is determined by the pressure in the space 18 and by the surface of the compressed air cylinder 17 .

Die Temperatur des Hohlkörpers 10 und die der Substratauf­ nahme 7 wird unterhalb der Solidustemperatur des jeweili­ gen Lotes eingestellt. Die Vorrichtung wird wie in Fig. 1 oszillierend ein- oder zweidimensional bewegt. Die hierbei auftretenden Frequenzen liegen im Bereich von wenigen Hertz, beispielsweise 10 Hz. Dadurch wird die Temperatur des Stangenlotes 13 so weit erhöht, daß es auf der Silber­ schicht plastifiziert wird. Diesen Effekt können in das Lot eingebrachte und bis zu ca. 5 µm große Reibkörper un­ terstützen. The temperature of the hollow body 10 and that of the substrate recording 7 is set below the solidus temperature of the respective solder. As in FIG. 1, the device is moved oscillatingly in one or two dimensions. The frequencies occurring here are in the range of a few Hertz, for example 10 Hz. As a result, the temperature of the rod solder 13 is increased to such an extent that it is plasticized on the silver layer. This effect can be supported in the solder and up to approx. 5 µm large friction bodies.

Eine Schlußbewegung zum Ende eines Reibvorganges mit einer relativ großen Amplitude, sowie das anschließende Abheben der Vorrichtung vom Substrat bzw. von der Leitbahn verhindern ein Anhaften des Stangenlotes 13. Auch hier ist die Verwendung von vorgewärmtem Schutzgas empfehlenswert.A final movement at the end of a rubbing process with a relatively large amplitude and the subsequent lifting of the device from the substrate or from the interconnect prevent sticking of the rod solder 13 . The use of preheated inert gas is also recommended here.

Das Verfahren und die Vorrichtung finden insbesondere dort Einsatz, wo Leiterbahnen durch Dickschicht aus Einbrennsilber dargestellt werden, und diese auf einem Keramik- oder Silizi­ um-Substrat aufgebracht sind.The method and the device are particularly found there Use where conductive tracks through thick layer of stoving silver are shown, and this on a ceramic or silicon um substrate are applied.

Claims (7)

1. Verfahren zum Reibbeloten von auf gedruckten Schal­ tungen befindlichen Leiterbahnen (9), insbesondere zum Beloten von Dickschichtmetallisierungen als Vor­ bereitung für ein flußmittelfreie Lötung mit einem Anschlußband oder -draht, wobei
  • - das Lot im teigigen Zustand durch eine relativ zur gedruckten Schaltung bewegliche Lotauftragsvorrich­ tung bereitgestellt wird, die das Lot auf die darun­ terliegende Leiterbahn abgibt,
  • - die Lotauftragsvorrichtung mit einer Austrittsöffnung (3) für das Lot mit geringer Kraft auf die Oberfläche der Leiterbahn aufsetzt und
  • - das Lot durch oszillierende Bewegungen zwischen der Lotauftragsvorrichtung und der Leiterbahn in einer oder zwei ebenen Koordinatenrichtungen auf die Lei­ terbahn gerieben wird.
1. A method for friction soldering of printed circuit lines ( 9 ), in particular for soldering thick-film metallizations as preparation for a flux-free soldering with a connecting tape or wire, wherein
  • the solder in the doughy state is provided by a soldering device which is movable relative to the printed circuit and which releases the solder onto the interconnect underneath,
  • - The solder application device with an outlet opening ( 3 ) for the solder with little force on the surface of the conductor track and
  • - The solder is rubbed by the oscillating movements between the solder application device and the conductor track in one or two plane coordinate directions on the conductor track.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot an der Austrittsöffnung (3) durch ein Inert­ gas vor Oxidation geschützt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the solder at the outlet opening ( 3 ) is protected from oxidation by an inert gas. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gedruckte Schaltung auf einer vorgewärmten Substrataufnahme (7) plaziert ist.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit is placed on a preheated substrate holder ( 7 ). 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit
  • - einem beheizten und temperaturregelbaren Lotbehälter (1) mit einer an dessen Unterseite angeordneten Aus­ trittsöffnung (3) für das Lotmaterial,
  • - einem porösen Material in der Austrittsöffnung (3),
  • - einer den Lotbehälter (1) und eine elektrische Hei­ zung (2) tragenden wärmegedämmten Halterung (4, 41), die in Antriebsrichtung (5) in ein oder zwei ebenen Koordinatenrichtungen bewegbar ist.
4. Device for performing the method according to one of claims 1 to 3 with
  • - A heated and temperature-controllable solder container ( 1 ) with an arranged on the underside of the opening ( 3 ) for the solder material,
  • - a porous material in the outlet opening ( 3 ),
  • - One of the solder container ( 1 ) and an electric heating ( 2 ) carrying thermally insulated holder ( 4 , 41 ) which can be moved in one or two plane coordinate directions in the drive direction ( 5 ).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lotmaterial in Form von Stangen oder Drähten zu­ führbar ist.5. The device according to claim 4, characterized, that the solder material in the form of rods or wires too is feasible. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lotmaterial enthaltender Reibkörper in Form von Stangen oder Drähten zuführbar ist.6. The device according to claim 5, characterized, that a friction material containing solder material in the form of Rods or wires can be fed. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ringdüse (6) relativ zur Austrittsöffnung (3) konzentrisch angeordnet ist, diese in einem bestimmten Abstand umschließt und die untere Spitze des Lotbehälters (1) zumindest mit der Austrittsöffnung (3) nach unten vorsteht.7. The device according to claim 4 or 5, characterized in that an annular nozzle ( 6 ) is arranged concentrically relative to the outlet opening ( 3 ), surrounds it at a certain distance and the lower tip of the solder container ( 1 ) at least with the outlet opening ( 3 ) protrudes downward.
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