DE4422341A1 - Löteinrichtung für oberflächenmontierbare Bauteile (SMD's) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Löteinrichtung für oberflächen­ montierbare Bauteile (SMD′s) nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.

Im Rahmen der Miniaturisierung von integrierten Schaltkrei­ sen ist es bekannt, oberflächenmontierbare Bauteile bzw. Module, z. B. mit sogenannten Ball Grid Anordnungen (BGA- Array) zu versehen, wobei kleine Lotkugeln, die flächig auf der Unterseite des Bauteiles bzw. Moduls rasterförmig ver­ teilt sind, die Anschlüsse bilden. Üblicherweise erfolgt die Verbindung der Ball Grid Anordnung mit einer Leiter­ platte dadurch, daß die Lotkugeln der Ball Grid Anordnung an entsprechenden Lotpasten-Pads, die auf die Leiterplatte aufgedruckt sind, verlötet werden. Beim Aufschmelzen verei­ nigen sich die Lotkugeln und Lotpasten-Pads zu Lötverbin­ dungen, wobei die hohe Oberflächenspannung des geschmolze­ nen Lotes dazu führt, daß sich das Bauteil selbst zen­ triert. Dadurch reicht eine relativ grobe mechanische Zen­ trierung beim Bestücken vollkommen aus. Zum Beispiel werden die einzelnen Lotkugeln der Ball Grid Anordnung bei SMD- Einzelbearbeitung dadurch zum Schmelzen gebracht, daß nach der Positionierung des Bauteiles auf der Leiterplatte ent­ weder eine Infrarot-Bestrahlung des Bauteiles von oben vor­ genommen wird oder daß Heißluft in Querrichtung zwischen die Unterfläche des Bauteiles und die obere Fläche der Lei­ terplatte eingeströmt wird, wie dies in "productronic 4", 1994, Seite 91 beschrieben ist. Während die genannte Infra­ rot-Bestrahlung nicht bauteileschonend durchgeführt werden kann, entstehen bei der bekannten Heißluftströmung jedoch Probleme, weil die Lotkugeln infolge der in der Strömungs­ richtung auftretenden Temperaturdifferenz nicht gleichzei­ tig schmelzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Löteinrichtung zu schaffen, die gewährleistet, daß die Anschlüsse eines oberflächenmontierbaren Bauteiles so gleichmäßig erhitzt werden, daß sie im wesentlichen gleich­ zeitig schmelzen, wobei überhöhte Temperaturen im Bauteil und Beschädigungen desselben vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Löteinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gekenn­ zeichnet ist.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Heißluft auf die Oberfläche des Bauteiles so eingeströmt und verteilt wird, daß sämtliche Anschlüsse an der Unterseite des Bauteiles bzw. Lotkugeln der Ball Grid Anordnung gleichmäßig erhitzt werden und daher im wesentli­ chen gleichzeitig schmelzen, so daß sie sich im wesentli­ chen gleichzeitig und gleichmäßig mit den Lotpasten-Pads der Leiterplatte verbinden. Durch diese Gleichzeitigkeit wird auch der eingangs genannte Selbstzentrierungseffekt vorteilhaft optimiert und werden Schädigungen durch erhöhte Temperaturen verhindert.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Leiterplatte im Bereich des Bauteiles untersei­ tig, insbesondere durch eine IR-Strahlung, die nicht gere­ gelt ist, auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf 130° zusätzlich erhitzt wird, so daß die heiße Luft von oben nur noch etwa die Hälfte der Energie übertragen muß, so daß eine Überhitzung des Bauteiles von oben vermieden wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus Unteransprüchen hervor.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Löt­ einrichtung;

Fig. 2 ein Temperaturprofil der zu erwartenden Pad- Temperaturen und

Fig. 3 und 4 Weiterbildungen der Erfindung.

Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen. Entge­ gen der bislang vertretenen Meinung, gemäß der beim Verlö­ ten bzw. Entlöten von Bauteilen mit unterseitigen Anschlüs­ sen bzw. mit Ball Grid Array-Anordnungen, die Wärmezufuhr in Querrichtung direkt auf die Anschlüsse bzw. Lotkugeln erfolgen muß, um eine Zerstörung der Bauelemente durch Überhitzung zu vermeiden, die bei einer Infrarot-Bestrah­ lung der Bauteile von oben erfolgt, wurde erstmals erkannt, daß ein Ver- bzw. Entlöten der Bauteile bei SMD-Einzelbear­ beitung ohne Temperaturschädigungen auch durch Erhitzen derselben von der Oberseite her erfolgen kann, sofern dafür Sorge getragen wird, daß die oberseitige Erwärmung des Bau­ teiles durch Heißluft und so erfolgt, daß die Temperatur der Heißluft nach einem vorgegebenen Temperaturprofil gere­ gelt und definiert über der Oberfläche des Bauteiles ver­ teilt wird. Anders ausgedrückt wird die Heißluft entspre­ chend dem Wärmebedarf so auf die Oberfläche des Bauteiles verteilt, daß die Anschlüsse im wesentlichen gleichmäßig erhitzt werden, so daß sie im wesentlichen gleichmäßig schmelzen.

Gemäß Fig. 1 besteht die vorliegende Löteinrichtung im we­ sentlichen aus einem kastenartigen Gehäuse 1, das einen Stutzen 2 besitzt, über den Heißluft in das Innere des Ge­ häuses 1 führbar ist. Vorzugsweise besteht das Gehäuse 1 aus einer rechteckigen oberen Wand 12 und daran vorzugs­ weise unter rechten Winkeln angesetzten Seitenwänden 13. Das Gehäuse 1 ist so dimensioniert, daß es ein Bauteil 3, das unterseitig die Anschlüsse bzw. Lotkugeln 4 aufweist, haubenartig übergreifen kann. Um ein Ausströmen der über den vorzugsweise mittig durch die obere Wand 11 verlaufen­ den Stutzen 2 zugeführten Heißluft aus dem auf der Leiter­ platte 5 aufsitzenden Gehäuse 1 zu ermöglichen, weisen die Seitenwände 13 des kastenartigen Gehäuses 1 an ihren der Leiterplatte 5 zugewandten Endbereichen Aussparungen 6 auf, durch die die Heißluft seitlich ausströmen kann.

Die vorliegende Löteinrichtung weist eine Heißluft-Vertei­ lereinrichtung auf, die dafür Sorge trägt, daß die über den Stutzen 2 in das Innere des Gehäuses 1 zugeführte Heißluft definiert zur Oberfläche des Bauteiles 3 strömt. Dadurch wird erreicht, daß das gesamte Bauteil 3 von seiner oberen Fläche her gleichmäßig erwärmt wird und die Lotpunkte 4 gleichzeitig schmelzen. Vorzugsweise wird die genannte Ver­ teilereinrichtung durch eine Trennwand 7 gebildet, in der Ausströmöffnungen 8 angeordnet sind. Die Trennwand 7 ver­ läuft vorzugsweise parallel zur oberen Wand 11 des Gehäuses 1 über den gesamten Querschnitt des Gehäuses 1, so daß sie eine Vorkammer 10 bildet, in die die Öffnung 9 des Stutzens 2 mündet. Wie dies durch die Pfeile 11 angedeutet ist, strömt die in die Vorkammer 10 eingeführte Heißluft durch die Ausströmöffnungen 8 der Trennwand 7 auf die obere Flä­ che des Bauteiles 3. Um eine definierte Verteilung der durch die Ausströmungöffnungen 8 ausströmenden Heißluft auf der oberen Fläche des Bauteiles 3 zu erreichen, weisen die Ausströmöffnungen 8 zweckmäßigerweise unterschiedliche Durchmesser auf, wobei sich die genannten Durchmesser vom Bereich des Stutzens 2 ausgehend radial nach außen vergrößern. Es ist somit einfach, diese Ausströmöffnungen 8 auch in Abstimmung auf die Bauteilekonfiguration so zu variieren, daß gewährleistet ist, daß alle Lotkugeln 4 na­ hezu gleichzeitig schmelzen. Es wird darauf hingewiesen, daß die definierte Verteilung der aus der Vorkammer 10 aus­ tretenden Heißluft auch in einer anderen Weise erreicht werden kann. Beispielsweise können alle Ausströmöffnungen 8 den gleichen Durchmesser aufweisen, wenn die Trennwand 7 vom Bereich unterhalb des Stutzens 2 nach außen in Richtung auf die Leiterplatte 5 schräg nach unten verläuft, wie dies in der Fig. 1 durch die gepunktete Linie schematisch ange­ deutet ist.

Vorzugsweise befindet sich im Bereich des Stutzens 2 ein Fühler 11, der zweckmäßigerweise an einem am Stutzen 2 angeschlossenen Heizelement zum Erwärmen der Luft angeordnet ist. Mit diesem Fühler 11 wird die Temperatur der aus dem Stutzen 2 ausströmenden Heißluft zur Temperaturregelung gemessen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Löt­ einrichtung wird neben der auf die obere Fläche eines Bau­ teiles 3 in der beschriebenen Weise zugeführten Heißluft die Leiterplatte 5 von unten her zusätzlich erwärmt, so daß die zum Schmelzen der Lotpunkte 4 erforderliche Temperatur nicht allein durch die Heißluft aufgebracht werden muß. Be­ sonders vorteilhaft wird die von unten auf die Leiterplatte 3 eingestrahlte Wärme durch eine Infrarotstrahlungs-Quelle 15 erzeugt, die vorzugsweise auf eine konstante Temperatur, z. B. auf etwa 100°C-130°C eingestellt ist. Da die Schmelztemperatur der Lotpunkte bei etwa 190°C liegt, muß die Differenz zwischen dieser Schmelztemperatur und der durch die Infrarotstrahlung erzeugten Temperatur durch die auf die obere Fläche des Bauteiles 3 eingeströmte Heißluft aufgebracht werden. Dabei wird die Temperatur der Heißluft vorteilhafterweise nach einem genau vorgegebenen Tempera­ turprofil geregelt, wie dies beispielsweise aus der Fig. 2 hervorgeht, die die Temperatur der Heißluft (rechte Skala) und die zu erwartende Temperatur der Lotkugeln (linke Skala) als Summe der Temperaturen der geregelten Heißluft und der konstanten Infrarot-Strahlung in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.

Im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 wird nun eine Posi­ tioniereinrichtung erläutert, mit deren Hilfe die Bauteile 3 vor ihrem Verlöten in der richtigen Lage auf einer Lei­ terplatte 5 positioniert werden. Es ist erkennbar, daß auch die Positioniereinrichtung ein kastenartiges Gehäuse 20 mit einem Saugstutzen 21 aufweist, über den Luft aus dem Innen­ raum des Gehäuses 20 abgesaugt wird. An seinem unteren Ende weist der Saugstutzen 21 einen Dichtungsring 22 auf, der beim Aufsetzen der unteren Enden der Seitenwände 23 des Ge­ häuses 20 auf einer Unterlage auf der Oberfläche des Bau­ teiles 3 aufliegt, so daß dieses angesaugt wird. Die Sei­ tenwände 23 weisen in ihrem unteren Endbereich sich nach innen und unten öffnende Nuten 24 auf, die auf den Umfang des Bauteiles 3 abgestimmt sind, so daß dieses in den Nuten 24 gehalten wird und am oberen Ende derselben aufliegt, wenn es im Gehäuse 20 angesaugt ist. Wenn daher das Bauteil 3 in der richtigen Position auf der Leiterplatte 5 positio­ niert ist und die das Bauteil 3 ansaugende Saugluft abge­ stellt wird, fällt das Bauteil 3 automatisch aus dem Gehäu­ se 20 heraus, wobei es in den Umfangsnuten 24 ohne Verände­ rung seiner Lage in seitlicher Richtung zur Leiterplatte 5 geführt wird.

Zur mechanischen Positionierung des Positionierwerkzeuges 3 in der richtigen Lage auf der Leiterplatte 5 werden vor­ zugsweise die dort ohnehin für die automatische Bestückung bekannterweise zur optischen Positionierung schon vorhande­ nen Markierungen 30 benutzt, die üblicherweise aus kreuz­ förmigen Markierungsstellen bestehen. Das kastenartige Ge­ häuse 20 weist in seinen Ecken diagonal über diese nach außen ragende Vorsprünge 31 auf, die gemäß Fig. 4 genau an den Überkreuzungspunkten der genannten Markierungsstellen 30 enden, wenn das Positionierwerkzeug sich in der richti­ gen Lage befindet.

Claims (12)

1. Löteinrichtung für oberflächenmontierbare Bauteile (SMD′s) mit an der Unterseite des Bauteiles angeordneten Lot-Anschlüssen (4), mit einem ein auf einer Leiterplatte (5) angeordnetes Bauteil (3) haubenartig übergreifenden Gehäuse (1), in das Heißluft einführbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Gehäuse (1) eine Verteilereinrich­ tung (7, 8) angeordnet ist, die die Heißluft entsprechend dem Wärmebedarf so auf die Oberfläche des Bauteiles (3) verteilt, daß die Anschlüsse des Bauteiles im wesentli­ chen gleichmäßig erhitzbar sind, so daß sie im wesentli­ chen gleichzeitig schmelzen.

2. Löteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verteilereinrichtung die Form einer Trennwand (7) mit Ausströmöffnungen (8) besitzt, die im Inneren des Gehäuses (1) eine Vorkammer (10) bildet, der die Heißluft zugeführt wird, derart, daß die Heißluft durch die Ausströmöffnungen (8) definiert auf die Ober­ fläche des Bauteiles (3) verteilt wird.

3. Löteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (1) die Form eines zur Leiter­ platte (5) geöffneten, rechteckigen Kastens aufweist, der durch eine obere Wand (12) und daran angesetzte Seiten­ wände (13) gebildet ist, daß die Trennwand (7) parallel zur oberen Wand (1) verläuft, daß die Vorkammer (10) zwi­ schen der oberen Wand (1) und der Trennwand (7) gebildet ist und daß ein Luftzufuhrstutzen (2) zum Zuführen der Heißluft in die Vorkammer (10) durch die obere Wand (12) geführt ist.

4. Löteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stutzen (2) mittig in der oberen Wand (1) angeordnet ist und daß die Ausströmöffnungen (8) aus­ gehend vom Bereich unterhalb des Stutzens (2) sich nach außen vergrößernde Durchmesser aufweisen.

5. Löteinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Seitenwände (13) in ihren der Lei­ terplatte (5) zugewandten Endbereichen Aussparungen (6) aufweisen, durch die die Heißluft aus dem Inneren des Ge­ häuses (1) seitlich ausströmen kann.

6. Löteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Leiterplatte (5) eine zusätzliche Heizeinrichtung (15) zur zusätzli­ chen Erwärmung des Bauteiles (3) von der Seite der Lei­ terplatte (5) her auf eine vorbestimmte Temperatur vorge­ sehen ist.

7. Heizeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zusätzliche Heizeinrichtung (15) eine Infrarotstrahlung aussendet.

8. Löteinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine die Heißluft erzeugende Heizein­ richtung die Heißluft auf eine Temperatur regelt, die we­ nigstens der Differenz zwischen der Schmelztemperatur der Anschlüsse (4) und der vorbestimmten Temperatur der Heiz­ einrichtung (15) entspricht.

9. Löteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Heißluft erhitzende Heizeinrichtung eine nach einem vorgegebenen Temperaturprofil geregelte Heizeinrichtung ist, wobei das Profil die der Differenz entsprechende Temperatur kurzzeitig umfaßt.

10. Positioniereinrichtung, insbesondere zur Verwendung im Zusammenhang mit einer Löteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein das Bauteil (3) haubenartig übergreifendes Gehäuse (20, 23) aufweist, in das ein Saugstutzen (21) mündet, daß im Mündungsbereich des Saugstutzens (21) eine Dichtungsein­ richtung (22) vorgesehen ist, die eine dichte Verbindung zwischen dem Saugstutzen (21) und der Oberfläche des Bau­ teiles (3) herstellt, wenn das Gehäuse (23) das Bauteil (3) übergreift und daß wenigstens zwei Eckbereiche (31) des Gehäuses (20, 23) so bemessen sind, daß sie beim Po­ sitionieren des Gehäuses (20, 23) auf die Überkreuzungs­ punkte zweier kreuzförmiger Markierungsstellen (30) der Leiterplatte (5) ausrichtbar sind.

11. Positioniereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß drei Eckbereiche (31) auf drei Mar­ kierungsstellen (30) abgestimmt sind.

12. Positioniereinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20, 23) die Form eines zur Leiterplatte (5) geöffneten rechteckigen Ka­ stens aufweist, der durch eine obere Wand (20) und daran angesetzte Seitenwände (23) gebildet ist, daß die Seiten­ wände (23) des Gehäuses (20, 23) an den Innenseiten ihrer der Leiterplatte (5) zugewandten Enden sich nach innen und zur Leiterplatte (5) öffnende Nuten (24) aufweisen, in die die Umfangsbereiche des Bauteiles (3) einsetzbar sind, so daß dieses nach dem Aufsetzen des Gehäuses (20, 23) auf die Leiterplatte (5) und dem Abschalten der das Bauteil (3) ansaugenden Saugluft in den Nuten (24) ohne seitliche Verschiebungen zur Leiterplatte (5) geführt wird.