DE4417285A1 - Werkzeug zum Löten von elektronischen Schaltkreisen - Google Patents

Description

Integrierte Schaltkreise mit einer Vielzahl von Anschlußelementen werden auch in Verpackungsbauformen angeboten, die Anschlußelemente nur auf der Unterseite aufweisen. Die elektrischen Anschlußelemente werden auf die Kontaktflächen des Schaltungsträgers meist in einem Durchlaufofen, der die gesamte Baugruppe erwärmt, aufgelötet.

Besteht die Notwendigkeit, einen Schaltkreis, dessen Anschlußelemente auf der Unterseite, also in dem Bereich zwischen dem Schaltkreis und dem Schaltungsträger, mit dem Schaltkreis verlötet sind, auszutauschen, ist es erforderlich, die Lötstellen des Schaltkreises allein auf Löttemperatur zu erwärmen. Dabei sollen die Umgebung auf dem Schaltungsträger und das Halbleiterchip in der Schaltkreisverpackung nur minimal erwärmt werden. Die Lötstellen sind nach dem Auflöten verdeckt und somit einer optischen Inspektion unzugänglich. Somit sind die Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Lötparameter sehr hoch. Bekannt ist, den Bereich des Schaltungsträgers, auf dem sich der Schaltkreis befindet, von der Unterseite zu erwärmen durch thermischen Kontakt mit einer Silikogummimasse, die durch die Kondensationswärme eines Mediums mit einem Siedepunkt mit einigen 10°C über der Löttemperatur erwärmt wird. Veröffentlicht wurde das als Messerepräsentation der Firma IBL Löttechnik GmbH auf der "Productronica" im November 1993 in München. Die mögliche Bestückung der Unterseite des Schaltungsträgers mit elektronischen Bauelementen schränkt die Anwendung dieser Lösung stark ein.

Weiterhin bekannt ist, den Schaltkreis durch Wärmestrahlung von seiner Gehäuseoberseite zu erwärmen, bis die Lötverbindungen an der Unterseite des Schaltkreises löten. Diese Art der Erwärmung wurde von den Firmen Paggen und Conceptronics auf der "Nepcon West" im Februar 1994 in Anaheim vorgestellt. Bei der Erwärmung der Lötstellen durch den Schaltkreiskörper wird das Halbleiterchip weit über Löttemperatur erwärmt. Gehäusebauformen, die abgeschlossene Lufteinschlüsse haben, neigen dabei zu Explosionen.

Naheliegend ist, einen Heißgasstrom durch den Raum zwischen Schaltkreisunterseite und Schaltungsträgeroberseite zu leiten. Entsprechende Lötwerkzeuge werden in der Fachzeitschrift "productronic" 4, 1994 unter Leserdienstnummer 622 beschrieben. Die Nachteile dieser Lösung sind, daß der Heißgasstrom, der an einer Seite unter den Schaltkreis geblasen wird, dort zuerst seine Wärme abgibt. Der Bereich, wo der Heißgasstrom zuerst seine Wärme abgibt, wird also sofort erwärmt und auch so lange erwärmt, bis der Bereich, an dem der Heißgasstrom austritt, ebenfalls Löttemperatur erreicht. In der Praxis führt das oft zu einer Überhitzung der Seite, an der der Heißgasstrom eintritt. Die Differenz der Temperaturen des Lötbereiches zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsbereich des Heißgases kann reduziert werden durch eine geringere Heißgastemperatur, wenn gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Um eine optimale Strömungsgeschwindigkeit in dem engen Spalt zwischen Bauelementunterseite und Schaltungsträgeroberseite zu erreichen, ist ein relativ hoher Gasdruck erforderlich. Die bekannten metallischen Lötwerkzeuge lassen bei hohem Druck einen Teil des Heißgasstromes zwischen sich und dem Schaltungsträger entweichen. Dieser Anteil schwankt, abhängig von Oberflächenunebenheiten oder Verwerfungen des Schaltungsträgers. Damit ist eine unkontrollierbare Abweichung von der optimalen Strömungsgeschwindigkeit unvermeidbar. Außerdem ist nachteilig, daß das ungewollt austretende Heißgas die Umgebung auf dem Schaltungsträger und benachbarte Schaltkreise unnötig erwärmt.

Die bekannten Lötwerkzeuge weisen eine als optimal gefundene Aufteilung zwischen Einströmbereich und Ausströmbereich auf. Das Problem dabei ist, daß einerseits die Wege des Heißgases so kurz wie möglich sein sollen, andererseits unterschiedlich lange Wege des Heißgases in einem Werkzeug zwischen Einströmbereich und Ausströmbereich unvermeidbar sind. Das Heißgas strömt bevorzugt auf den kürzesten Wegen und erwärmt vorrangig dort den Lötbereich. Ein einmal gefundenes Optimum wird durch unkontrolliertes Ausströmen zwischen Werkzeug und Schaltungsträger empfindlich gestört.

Bekannte Werkzeuge weisen eine große Metallmasse auf. Die damit verbundene hohe Wärmekapazität bewirkt, daß sich das Lötwerkzeug stark unterschiedlich verhält, abhängig davon, ob es kalt ist oder kurz vorher benutzt wurde.

Ziel der Erfindung ist ein Lötwerkzeug für elektronische Schaltkreise, in Verpackungen, die Anschlußelemente auf der Unterseite aufweisen, das einen Heißgasstrom zwischen der Unterseite des Schaltkreises und dem Schaltungsträger so dirigiert, daß der gesamte Lötbereich zwischen Schaltkreisgehäuse und Schaltungsträger nahezu gleichmäßig erwärmt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe derart gelöst, daß das Lötwerkzeug ein Formteil aus einem temperaturbeständigen Material, vorzugsweise Silicongummi, aufweist, das eine gasdichte Verbindung zwischen Lötwerkzeug und Schaltungsträger sowie eine nahezu gasdichte Abdichtung zwischen Lötwerkzeug und Schaltkreisgehäuse 5 gewährleistet, unabhängig von Verwerfungen des Schaltungsträgers. Dieses Formteil weist Durchbrüche zwischen sich und dem Schaltungsträger auf, die ein Ausströmen des Heißgases aus dem Lötbereich gestatten, sowie Durchbrüche zwischen Schaltkreisgehäuse und Werkzeug, die ein Einströmen des Heißgases in den Lötbereich gestatten.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Werkzeug weist ein Formteil aus einem wärmebeständigen Elastomer auf, derart geformt, daß sich nur Durchbrüche ergeben, die einen Gasstrom zwischen dem Lötbereich und mindestens zwei äußeren Bereichen des Werkzeuges gestatten. Diese äußeren Bereiche sind zum Schaltungsträger abgedichtet. Sie werden durch Umsteuerschieber abwechselnd mit der Umgebung des Werkzeuges oder mit dem das Heißgas leitenden Innenraum des Werkzeuges verbunden.

Alle metallischen Werkzeugteile zum Einschluß des Heißgases sind aus extrem dünnwandigem Material hergestellt, beispielsweise mit Wandstärken von 0,15 mm.

Die Erfindung wird an folgenden Ausführungsbeispielen erläutert:

In Bild 1 wird ein Schaltkreisgehäuse (1) in der Bauform Ball Grid Array, das seine Anschlußelemente (2) nur auf der Gehäuseunterseite hat, über dem Schaltungsträger (3) in einer Seitenansicht gezeigt. Die Anschlußelemente (2) des Schaltkreises sollen mit den Anschlußelementen (4) des Schaltungsträgers verlötet bzw. von diesen abgelötet werden.

Bild 2 zeigt das Schaltkreisgehäuse (1) in einem Lötwerkzeug über dem Schaltungsträger (3). Das Lötwerkzeug besteht aus dem dünnwandigen Vierkantrohr (5), das den Heißgasstrom, der auf dem nicht dargestellten oberen Teil des Werkzeuges gasdicht eingespeist wird, leitet. Das Vierkantrohr hat nur eine Wandstärke von 0,2 mm. Damit ist seine Wärmekapazität so gering, daß das Lötergebnis nur geringfügig davon beeinflußt wird, ob das Werkzeug gerade benutzt wurde und noch Restwärme aufweist oder nicht. Das Vierkantrohr ist in die Dichtung (6) eingelassen. Diese Dichtung besteht aus Siliconkautschuk und stellt eine wärmefeste Gasdichtung zwischen dem Vierkantrohr (5) und dem Schaltungsträger (3) sowie dem Schaltkreisgehäuse (1) dar. Das Schaltkreisgehäuse (1) wird mittels des Saugers (7) am Werkzeug gehalten, um sein Abheben bei Schmelzen des Lotes bzw. sein Positionieren zum Wiederauflöten zu gewährleisten. Das von oben kommende, in dem Vierkantrohr (5) geführte Heißgas gelangt durch die Aussparung (8) im Dichtelement zwischen Dichtelement (6) und Schaltkreisgehäuse (1) zur Unterseite des Schaltkreisgehäuses. Dort wird das Heißgas am Verlassen des Raumes zwischen Schaltkreisgehäuseunterseite und Schaltungsträgeroberseite durch das Dichtelement (6) gehindert. Es kann diesen Raum nur durch die Aussparungen (9) im Dichtelement zwischen Dichtelement und Schaltungsträger verlassen. Das Schaltkreisgehäuse (1) wird durch die Ansaugvorrichtung (7) im Werkzeug gehalten.

Bild 3 zeigt ein Lötwerkzeug, das zwei Kammern (10) und (11) an zwei Außenwänden (5) aufweist. Die Kammern sind gasdicht zum Lötwerkzeug und durch die elastischen Dichtungen (12) und (13) zum Schaltungsträger geschlossen. Sie sind durch die Löcher (14) und (15) zur Umgebung und durch die Löcher (16) und (17) mit dem Werkzeuginnenraum verbunden. In den Kammern (10) und (11) bewegen sich die Drehschieber (18) und (19), die mit einer nicht dargestellten Weise verbunden sind, die sich um die Achse (20) drehen kann. Diese Welle kann mit beliebiger Drehzahl gedreht werden. Die beiden Drehschieber (18) und (19) haben die in Bild 4 dargestellte Form, sind jedoch um 180° zueinander verdreht auf der gemeinsamen Welle montiert. Wird nun die Welle mit den Drehschiebern in Drehbewegung versetzt, so strömt das Heißgas eine gewisse Zeit aus dem Inneren des Lötwerkzeuges durch das Loch (17) in die Kammer (11), von dort durch den Durchbruch (21) in den Raum zwischen der Unterseite des Schaltkreisgehäuses (1), der Oberseite des Schaltungsträgers (3) und der Dichtung (6). Das Heißgas verläßt diesen Raum dann durch den Durchbruch (22), gelangt so in die Kammer (10) und von dort durch das Loch (14) in die Umgebung. Wenn die beiden Drehschieber um die Achse (20) um 180° verdreht werden, würde das Heißgas aus dem Inneren des Werkzeuges durch das Loch (16) in die Kammer (10) gelangen, von dort durch den Durchbruch (22) in den Raum zwischen Unterseite des Schaltkreisgehäuses (1), der Oberseite des Schaltungsträgers (3) und der Dichtung (6). Das Heißgas würde diesen Raum dann durch den Durchbruch (21) verlassen, in die Kammer (11) strömen und diese durch das Loch (15) in die Umgebung verlassen. Bei ständiger Rotation der beiden miteinander starr verbundenen Drehschieber (18) und (19) wechselt der Gasstrom im Raum unter dem Schaltkreisgehäuse (1) ständig seine Richtung. Dadurch ist die Erwärmung der einer Seite einströmt und an der anderen Seite ausströmt. Das Schaltkreisgehäuse (1) wird durch das elastische Teil der Ansaugeinrichtung (7) gehalten. Beim Anlegen von Vakuum deformiert sich dieses elastische Teil (7) derart, daß das Schaltkreisgehäuse (1) gegen das starre Anschlagstück (23) gezogen wird.

Claims (1)

1. Werkzeug zum Löten von elektronischen Schaltkreisen für vielpolige integrierte Schaltkreise, die Anschlußelemente an ihrer Unterseite aufweisene, das einen Heißgasstrom, dessen Temperatur und Geschwindigkeit genau bestimmt sind, derart leitet, daß die Lötstellen zwischen den elektrischen Anschlußelementen des Schaltkreises und dem Schaltungsträger, auf dem der Schaltkreis auf- oder abgelötet werden soll, auf Löttemperatur erwärmt werden können, gekennzeichnet dadurch, daß das Werkzeug

   • a) an der Berührungsfläche zum Schaltungsträger eine Dichtung aus einem temperaturbeständigen Elastomer enthält,
   • b) Vorrichtungen zum Leiten von Luftunterdruck und Halten des Schaltkreises beinhaltet,
   • c) Mittel zum Leiten des Heißgasstroms aus extrem dünnwandigem Material enthält,
   • d) mindestens zwei mechanisch betätigte Umsteuerschieber enthält, die eine periodische Änderung der Strömungsrichtung der Luft im Lötbereich bewirken,
   • e) Mittel zum Leiten des Heißgasstromes enthält, die bewirken, daß dieser an mehr als einer Öffnung in der Dichtung aus elastischem Material in den Raum zwischen Material eintritt und an mehr als einer Öffnung in der Dichtung aus elastischem Material austritt,
   • f) ergänzt werden kann durch ein zweites, ähnlich gestaltetes Werkzeug, das sich auf der Unterseite des Schaltungsträgers befindet und ein Medium auf dessen Oberseite erwärmt, das seinerseits einen thermischen Kontakt zum Schaltungsträger im Bereich des Lötgebietes des Schaltkreises hat.