DE4432402A1

DE4432402A1 - Vorrichtung zum flußmittelfreien Löten

Info

Publication number: DE4432402A1
Application number: DE4432402A
Authority: DE
Inventors: Ewald Garrecht
Original assignee: ERSA LOETTECHNIK GmbH
Current assignee: ERSA LOETTECHNIK GmbH
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2014-08-31
Also published as: NL1001098A1; DE4432402C2; NL1001098C2; US5762257A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum flußmittelfreien Löten von über die Lötwelle einer Schwall-Lötdüse geführten Leiterplatten, wobei das Lötmittel mittels mindestens einer Ultraschall elektrode (Sonotrode) in Schwingungen versetzt wird, die Oberfläche der Sonotrode unmittelbar von der Lötwelle überspült und die Leiterplatten dicht über die Oberfläche der Sonotrode geführt werden.

Eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art ist aus dem Firmenprospekt der ASAHI GLASS Company "Fluxloses Ultraschall-Lötsystem", Seite 9, vorbekannt. Hierbei befindet sich die Sonotrode eines Ultraschall-Oszil lators innerhalb eines Lotbadbehälters und bildet das Mittelteil einer Schwall-Lötdüse, wobei auf gegen überliegenden Seiten der Sonotrode das schmelzflüssige Lot zur Bildung einer Lötwelle oberhalb der Sonotrode hochgepumpt wird. Die zu lötenden Teile werden dabei über die Oberfläche der schmelzflüssigen Lötwelle bewegt oder vertikal in diese eingetaucht, während das zu bearbeitende Teil weiter horizontal bewegt wird. Es ist ferner bekannt, daß durch Verwendung von Ultra schall-Schwingungen im Bereich der zu verlötenden Teile eine gute Reinigung und Benetzung der Ober flächen der zu verlötenden Teile erfolgt, ohne daß vorher ein Flußmittel auf die Lötstellen der zu ver lötenden Stellen aufgebracht worden ist.

Es ist ferner aus der DE 32 18 338 A1 eine Schwall-Lötvorrichtung bekannt, bei welcher die Sonotrode unterhalb des Wellenformers der Lötdüse angebracht ist. Hierbei können die Ultraschallschwingungen der Sonotrode jedoch nicht optimal auf die Lötverbindungen einwirken, da nur der Wellenformer von der Ultra schallschwingung beaufschlagt wird.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum flußmittelfreien Löten der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit welcher das industrielle Löten von Leiterplatten wesentlich verbessert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Oberfläche der Sonotrode mindestens einen Teil bereich der Oberfläche des Wellenformers der Schwall-Lötdüse bildet. Hierbei befindet sich die Oberfläche der Sonotrode als Bestandteil des Wellenformers selbst unmittelbar im Kontakt mit der über den Wellenformer geführten heißen Lötwelle, woraus eine unmittelbare Einwirkung der Ultraschallschwingungen der Sonotrode auf die Lötwelle und damit auf die in diese zum Löten eingetauchten Lötstellen einwirkt. Es erfolgt keine Abkühlung der Lötwelle an der Sonotrode, da diese auf Lötbadtemperatur aufgeheizt wird. Die Lötung erfolgt somit bei gleichbleibender Lötbadtemperatur. Die Länge und Form der Sonotrode in Richtung der Lötwelle be stimmt die Wellenform und deren Fließgeschwindigkeit. Die Oberfläche der Sonotrode befindet sich somit als Bestandteil des Wellenformers in direkter Einwirkung auf die Lötwelle und damit auf die Lötstellen der zu verlötenden Teile. Die Sonotrode befindet sich somit im unmittelbaren Einwirkungsbereich auf die gerichtete Strömung der Lötwelle, in welche dicht oberhalb der Sonotrode die zu verlötenden Teile der vorbeigeführten Leiterplatten eintauchen. Die Ultraschallschwingungen der Sonotrode können damit eine gute Reinigung und Benetzung der Oberflächen der zu verlötenden Teile bewirken, was für das industrielle Löten von Leiter platten wesentlich ist. Dadurch ist eine Vorbehandlung der zu verlötenden Teile durch Aufsprühen von Fluß mittel nicht mehr erforderlich, so daß eine erfindungs gemäß ausgebildete industrielle Lötvorrichtung wesent lich kompakter gebaut werden kann und sehr umwelt freundlich ist, da keine andere Vorbehandlung der Lötstellen erforderlich ist, um zu metallisch-reinen Lötflächen zu gelangen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden das Reinigen und die Lötung der Lötstellen vereinigt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Oberfläche der Sonotrode einen im wesentlichen horizontalen Endbereich des Leitbleches einer Schwall-Lötdüse bildet. Hierdurch wird erreicht, daß die Sono trode in konstruktiv zweckmäßiger Weise genau dort angeordnet ist, wo die Lötung der Lötstellen erfolgt. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Ober fläche der Sonotrode mindestens teilweise in Fließ richtung des Lötmittels um einen kleinen Winkel gegenüber der Horizontalen geneigt ausgebildet. Diese Ausbildung der Oberfläche der Sonotrode bestimmt die Form der Lötwelle und deren Fließgeschwindigkeit. Zur Bildung bzw. Führung der Lötwelle ist die Ober fläche der Sonotrode in weiterer Ausbildung der Erfindung mit Schlitzen versehen, die z. B. ein seitliches Ausbreiten der Lötwelle erzeugen können.

Erfindungsgemäß ist die Lagerstelle der im Lötmittel behälter gelagerten Sonotrode in einem Knoten der Ultraschwingung ausgebildet, um keinerlei Einwirkung der Ultraschallschwingung auf den Behälter selbst zu bewirken, sondern die Ultraschallschwingungen gezielt auf die Lötwelle einwirken lassen zu können. Zum industriellen Löten von Leiterplatten ist ferner vor gesehen, daß mehrere Sonotroden nebeneinander über die Breite des Lötmittelbehälters angeordnet sind. Hier durch kann die zum industriellen Löten notwendige große Breite einer Schwall-Lötdüse mit einer Sonotro deneinheit bestückt werden. Hierzu ist die Oberfläche der Sonotroden im Querschnitt rechteckig ausgebildet und die Sonotroden sind dicht nebeneinander angeord net, wobei die Sonotroden auf gegenüberliegenden Sei ten unterhalb ihrer Oberflächen im Querschnitt verrin gert sind und die Lagerstellen der Sonotroden in dem im Querschnitt verringerten Bereich zwischen je zwei aneinanderstoßenden Sonotroden aufgenommen sind. Dies ermöglicht die einzelne Lagerung jeder der nebeneinan der angeordneten Sonotroden im Lötmittelbehälter.

Schließlich sind die Ultraschallschwingungen der Sono troden in Intervallen einschaltbar, um eine noch bes sere Benetzung und Auffüllung der zylinderförmigen Hohlräume einer Leiterplatte aufgrund des Kapillari tätsprinzips zu bewirken, wobei selbst längere und im Durchmesser kleine Hohlräume mit Lot gefüllt werden.

In weiterer Ausbildung ist zur Bildung einer Mini-Lötwelle vorgesehen, daß der Lötmittelstrom durch die Sonotrode geführt ist und die Oberfläche der Sonotrode die Leitfläche für den Lötmittelstrom bildet. Eine solche Vorrichtung dient zum partiellen Löten von Leiterplatten, insbesondere zwecks Reparatur oder Auswechseln von Bauteilen. Dabei ist die Sonotrode in Form einer Ringdüse ausgebildet, wobei der eckige oder kreisringförmige Randbereich der Lotaustrittsöffnung die Leitfläche für den Lötmittelstrom bildet. Die Ringdüse bildet einen auswechselbaren Teil der Sonotrode, um unterschiedlich geformte Lötwellen zum Reparaturlöten zur Verfügung zu haben.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in den Zeichnungen näher dargestellte Ausführungsformen von Vorrichtungen zum flußmittelfreien Löten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Längsschnitt durch die Vorrichtung im Betriebszustand,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung im Bereich der Sonotroden und

Fig. 3 einen Querschnitt durch die zweite Ausführungsform als Mini-Lötwelle.

Die Vorrichtung zum flußmittelfreien Löten umfaßt einen beheizbaren Lötmittelbehälter 1, zwei Lötdüsen 2, 3 und vier nebeneinander angeordnete Ultraschall elektroden 4 mit zugehörigen Sonotroden 5. Oberhalb des Lötmittelbehälters 1 befindet sich eine Transport bahn 6 für mit zu verlötenden Teilen versehenen Lei terplatten, die in Richtung des Pfeiles 7 gefördert werden. Der Transportwinkel der Transportbahn 6 beträgt etwa 7° gegenüber der Horizontalen.

Mittels der Lötdüse 2 wird eine Lötwelle 8 erzeugt,die entgegen der Transportrichtung gemäß Pfeil 7 fließt. Mittels der Lötdüse 3 wird eine bogenförmige Lötwelle 9 erzeugt, die in Transportrichtung gemäß Pfeil 7 gerichtet ist. Zwischen den jeweils abfallenden Bereichen der Lötwellen 8, 9 ist ein vertikal verstell bares Leitblech 10 angeordnet. Mittels der gegenläufi gen Lötwellen 8, 9 wird erreicht, daß die zu verlöten den Bauteile einer Leiterplatte allseitig vom flüs sigen Lötmittel benetzt werden, ohne daß es aufgrund der Transportrichtung gemäß Pfeil 7 der Leiterplatten zu unbenetzten Lötstellen kommt. Dies ist insbesondere für SMD-(Surface Mounted Devices)-Bauteile notwendig.

Die Lötdüse 2 besitzt einen Wellenformer 11, der aus abgebogenen oder abgewinkelten Blechteilen und einem unteren Leitblech 13 gebildet ist, dessen Oberfläche in die Oberfläche 12 der Sonotrode 5 bzw. der Sonotro den 5 übergeht, wie es in Fig. 1 klar dargestellt ist. Dabei bildet die Oberfläche 12 jeder Sonotrode 5 einen Teilbereich der Oberfläche des unteren Leitbleches 13 des Wellenformers 11 der als Schwall-Lötdüse ausge bildeten Lötdüse 2. Die Länge der Oberfläche 12 der Sonotrode 5 in Richtung der Lötwelle 8 und die Form der Oberfläche der Sonotrode 5 bestimmen die Form der Lötwelle 8 und deren Fließgeschwindigkeit. Hierzu bildet die Oberfläche 12 der Sonotrode 5 den im wesentlichen horizontalen Endbereich des unteren Leitbleches 13 des Wellenformers 11 der Lötdüse 2. Die Oberfläche 12 der Sonotrode 5 ist in Fließrichtung der Lötwelle 8 um einen kleinen Winkel von etwa 3 bis 4° gegenüber der Horizontalen geneigt ausgebildet, um so das Fließverhalten der Lötwelle 8 zu beeinflussen. Die Sonotrode 5 besteht aus gehärtetem Stahl oder Titan und ihre Oberfläche 12 ist mit dem Lötmittel der Löt welle 8 benetzt. Die Sonotrode 5 befindet sich im unmittelbaren Einwirkungsbereich des heißen Lötmittels der Lötwelle 8, um die Sonotrode 5 auf die Lötbadtem peratur zu bringen und um keine Abkühlung der Lötwelle 8 an der Sonotrode 5 zu erzeugen, woraus eine gleich mäßige Temperatur der Lötwelle 8 resultiert.

Die Oberfläche der Sonotrode 5 ist gefräst und/oder geschliffen sowie mit nicht dargestellten Schlitzen oder Riefen zur Führung der Lötwelle 8 versehen, die z. B. in gewünschter Weise verbreitert werden kann.

Die Sonotrode 5 als wesentlicher Bestandteil der an sonsten handelsüblichen Ultraschallelektrode 4 arbeitet mit einer Frequenz von 20 bis 30 kHz und einer Amplitude von 2 bis 7 µm bei einer maximalen Leistung von 1500 W je Sonotrode 5, d. h. 6000 W bei vier Sonotroden 5. Jede speziell ausgebildete Sonotrode ist mit einem umlaufenden Rand 14 versehen, der in mit dem Lötmittelbehälter 1 festverbundenen Lagerelementen 15 eingespannt ist, wobei die aus dem Rand 14 und den Lagerelementen 15 gebildete Lager stelle einer jeden Sonotrode 5 in einem Knoten der Ultraschallschwingung ausgebildet ist, so daß keine Ultraschallschwingungen von der Sonotrode 5 auf die behälterfesten Lagerelemente 15 übertragen werden. Die Oberfläche 12 jeder Sonotrode 5 ist im Querschnitt rechteckig ausgebildet, und die Sonotroden 5 sind dicht nebeneinander angeordnet, wie es in Fig. 2 dar gestellt ist, wobei die Sonotroden 5 unterhalb ihrer Oberfläche 12 in Richtung quer zur Transportrichtung gemäß Pfeil 7 im Querschnitt verringert sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, und wobei die Ränder 14 der Sonotroden 5 in den querschnittsverringerten Bereichen zwischen je zwei aneinanderstoßenden Sonotroden 5 in den dortigen Lagerelementen 15 aufgenommen sind.

Durch die vorbeschriebene Ausbildung der Vorrichtung kann ein flußmittelfreies Löten von über die Lötwellen 8, 9 der Schwall-Lötdüsen 2, 3 geführten Leiterplatten durchgeführt werden, wobei das Lötmittel der Lötwelle 8 mittels der Sonotroden 5 in Schwingungen versetzt wird, die Oberflächen 12 der Sonotroden 5 unmittelbar von der Lötwelle 8 überspült und die Leiterplatten mit ihren Lötstellen dicht über die Oberflächen 12 der Sonotroden 5 geführt werden. Die gesamte Vorrichtung ist in nicht näher dargestellter Weise gekapselt ausgeführt und wird unter einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere einer Stickstoffatmosphäre, betrieben. Durch die Einwirkung des Ultraschalls auf die Löt stellen wird die Kavitation, d. h. die Bildung von Hohlräumen bzw. Luftblasen im Lot vermieden, so daß keine Vorbehandlung der Lötstellen durch Flußmittel auftrag erforderlich ist. Die zu verlötenden Bauteile werden mittels einer Vorheizung und der durch die Lötwelle 9 gebildeten Vorwelle auf die optimale Löt temperatur im Bereich der Sonotroden 5 gebracht. Statt der Schutzgasatmosphäre kann eine Vakuumatmosphäre geschaffen werden, so daß Verwendung von Schutzgas nicht erforderlich ist.

Zur Vermeidung von Oberflächenspannungen können die Ultraschallschwingungen der Sonotroden 5 auch in Intervallen eingeschaltet werden, wobei beste Löt resultate an den Lötstellen erzielt werden. Die Ultra schallelektroden 4 werden erst dann betrieben, wenn die Lötwelle 8 bereits fließt.

In der Fig. 3 ist die zweite Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt. Diese umfaßt eine Mini-Welle zum sektionalen bzw. bereichsweisen Löten von Flach baugruppen. In einem Lötmittelbehälter 20 befindet sich die nicht näher dargestellte Ultraschallelektrode mit einer Sonotrode 21, die mit einer vertikalen Bohrung 22 und einer horizontalen Anschlußbohrung 23 versehen ist, an welche eine Pumpe 24 angeschlossen ist, mit welcher das Lötmittel aus dem Lötmittel behälter 20 gemäß den Pfeilen 25 umgepumpt werden kann, so daß sich eine Lötwelle 26 an der Lotaustrittsöff nung 27 der Bohrung 22 bildet. Die Lotaustrittsöffnung 27 ist zentrisch innerhalb einer Ringdüse 28 ange ordnet, deren eckiger oder kreisringförmiger Rand bereich 29 die Leitfläche für den Lötmittelstrom zum Aufbau der Lötwelle bildet. Dabei ist die Ringdüse 28 auswechselbarer Bestandteil der Sonotrode 21 und mittels eines Schraubgewindes 30 mit der Sonotrode 21 verbunden. Das aus der Lotaustrittsöffnung 27 der Ringdüse 28 austretende Lot wird dazu benötigt, um als Mini-Welle sektional bei Flachbaugruppen in Form von Leiterplatten 31, die oberhalb der Ringdüse 28 in einer nicht näher dargestellten Manipuliervorrichtung gehalten werden, zu löten bzw. zu entlöten.

Bezugszeichenliste

1 Lötmittelbehälter
2, 3 Lötdüse
4 Ultraschallelektrode
5 Sonotrode
6 Transportbahn
7 Pfeil
8, 9 Lötwelle
10 Leitblech
11 Wellenformer
12 Oberfläche
13 Leitblech
14 Rand
15 Lagerelement
20 Lötmittelbehälter
21 Sonotrode
22 Bohrung
23 Anschlußbohrung
24 Pumpe
25 Pfeil
26 Lötwelle
27 Lötaustrittsöffnung
28 Ringdüse
29 Randbereich
30 Schraubgewinde
31 Leiterplatte

Claims

1. Vorrichtung zum flußmittelfreien Löten von über die Lötwelle einer Schwall-Lötdüse geführten Leiter platten, wobei das Lötmittel mittels mindestens einer Ultraschallelektrode (Sonotrode) in Schwin gungen versetzt wird, die Oberfläche der Sonotrode unmittelbar von der Lötwelle überspült und die Leiterplatten dicht über die Oberfläche der Sonotrode geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (12, 28) der Sonotrode (5, 21) mindestens einen Teilbereich der Oberfläche des Wellenformers (11, 13) der Schwall-Lötdüse (2, 22) bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberfläche (12) der Sonotrode (5) einen im wesentlichen horizontalen Endbereich des Leitbleches (13) des Wellenormers (11) der Schwall-Lötdüse (2) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberfläche (12) der Sonotrode (5) mindestens teilweise in Fließrichtung des Lötmittels um einen kleinen Winkel gegenüber der Horizontalen geneigt ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (12) der Sonotrode (5) mit Schlitzen zur Führung der Lötwelle (8) versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Lagerstelle (14, 15) der im Lötmittelbehälter (1) gelagerten Sonotrode (5) in einem Knoten der Ultraschallschwingung ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sonotroden (5) nebeneinander über die Breite des Lötmittel behälters (1) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberfläche (12) der Sonotroden (5) im Querschnitt rechteckig ausgebildet und dicht nebeneinander angeordnet sind, daß die Sonotroden (5) unterhalb ihrer Oberflächen auf ihren gegen einandergerichteten Seiten im Querschnitt verringert sind und daß die Lagerstellen (14, 15) der Sonotroden (5) in den im Querschnitt ver ringerten Bereichen zwischen je zwei aneinander stoßenden Sonotroden (5) aufgenommen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall schwingungen der Sonotroden (5) in Intervallen einschaltbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Lötmittelstrom durch die Sonotrode (21) geführt ist und die Oberfläche der Sonotrode (21) die Leitfläche für den Lötmittelstrom bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sonotrode (21) in Form einer Ringdüse (28) ausgebildet ist und der eckige oder kreisringförmige Randbereich (29) der Lotaustritts öffnung (27) die Leitfläche für den Lötmittelstrom bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ringdüse (28) einen auswechselbaren Teil der Sonotrode (21) bildet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Bereich der Schwall-Lötdüse (2, 22) unter einer Vakuumatmosphäre gehalten ist.