DE4432402C2 - Schwall-Lötdüse zum flußmittelfreien Löten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwall-Lötdüse zum flußmittelfreien Löten gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Eine Schwall-Lötdüse der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 32 18 338 A1 vorbekannt. Diese dient zum flußmittelfreien Löten von über die Lötwelle des ein Leitblech umfassenden Wellenformers geführten Leiter­ platten, wobei das Lötmittel mittels mindestens einer Ultraschallelektrode (Sonotrode) in Schwingungen ver­ setzt wird. Hierbei ist die Sonotrode unterhalb des Wellenformers der Lötdüse angebracht. Hierdurch können die Ultraschallschwingungen der Sonotrode nicht optimal auf die Lötverbindungen einwirken, da nur der Wellenformer von der Ultraschallschwingung beauf­ schlagt wird.

Eine Schwall-Lötdüse zum flußmittelfreien Löten ist aus dem Firmenprospekt der ASAHI GLASS Company "Flux­ loses Ultraschall-Lötsystem", Seite 9, vorbekannt. Hierbei befindet sich die Sonotrode eines Ultra­ schall-Oszillators 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 hochgepumt 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 verlötenden Teile aufgebracht worden ist.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Schwall-Lötdüse zum flußmittelfreien Löten von über die Lötwelle eines ein Leitblech umfassenden Wellenformers geführten Leiterplatten zu schaffen, wobei das industrielle Löten von Leiterplatten wesentlich verbessert werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Dadurch, daß die Oberfläche der Sonotrode einen im wesentlichen horizontalen Endbereich des Leitbleches einer Schwall-Löt­ düse bildet, wird erreicht, daß die Sonotrode in konstruktiv zweckmäßiger Weise genau dort angeordnet ist, wo die Lötung der Lötstellen erfolgt. Die Ober­ fläche der Sonotrode als Bestandteil des Wellenformers befindet sich selbst unmittelbar im Kontakt mit der über den Wellenformer geführten heißen Lötwelle,woraus eine unmittelbare Einwirkung der Ultraschallschwingun­ gen der Sonotrode auf die Lötwelle und damit auf die in diese zum Löten eingetauchten Lötstellen einwirkt. Es erfolgt keine Abkühlung der Lötwelle an der Sono­ trode, da diese auf Lötbadtemperatur aufgeheizt wird. Die Lötung erfolgt somit bei gleichbleibender Lötbad­ temperatur. Die Länge und Form der Sonotrode in Rich­ tung der Lotwelle bestimmt 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 Einwirkungs­ bereich 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 industri­ elle Löten von Leiterplatten wesentlich ist. Dadurch ist eine Vorbehandlung der zu verlötenden Teile durch Aufsprühen von Flußmittel nicht mehr erforderlich, so daß die erfindungsgemäß ausgebildete industrielle Schwall-Lötdüse wesentlich kompakter gebaut werden kann und sehr umweltfreundlich ist, da keine andere Vorbehandlung der Lötstellen erforderlich ist, um zu metallisch-reinen Lötflächen zu gelangen. Bei der erfindungsgemäßen Schwall-Lötdüse werden das Reinigen und die Lötung der Lötstellen vereinigt.

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.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer in den Zeichnungen näher dargestellten Schwall-Lötdüse zum flußmittelfreien Löten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Längsschnitt durch die Schwall-Lötdüse im Betriebszustand und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Schwall-Lötdüse im Bereich der Sonotroden.

Die Schwall-Lötdüse 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 (Pfeil 7) gerich­ tet ist. Zwischen den jeweils abfallenden Bereichen der Lötwellen 8, 9 ist ein vertikal verstellbares Leitblech 10 angeordnet. Mittels der gegenläufigen Lötwellen 8, 9 wird erreicht, daß die zu verlötenden Bauteile einer Leiterplatte allseitig vom flüssigen 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 Lötdüse 2. Die Länge der Ober­ fläche 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 Fließgeschwindig­ keit. Hierzu bildet die Oberfläche 12 der Sonotrode 5 den im wesentlichen horizontalen Endbereich des unteren Leitbleches 13 des Wellenformers 11 der Löt­ düse 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 gehärte­ tem Stahl oder Titan und ihre Oberfläche 12 ist mit dem Lötmittel der Lötwelle 8 benetzt. Die Sonotrode 5 befindet sich im unmittelbaren Einwirkungsbereich des heißen Lötmittels der Lötwelle 8, um die Sonotrode 5 auf die Lötbadtemperatur zu bringen und um keine Ab­ kühlung der Lötwelle 8 an der Sonotrode 5 zu erzeugen, woraus eine gleichmäßige 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 ansonsten 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 Sono­ trode ist mit einem umlaufenden Rand 14 versehen, der in mit dem Lötmittelbehälter 1 festverbundenen Lager­ elementen 15 eingespannt ist, wobei die aus dem Rand 14 und den Lagerelementen 15 gebildete Lagerstelle einer jeden Sonotrode 5 in einem Knoten der Ultra­ schallschwingung 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 Schwall-Löt­ düse kann ein flußmittelfreies Löten von über die Lötwellen 8, 9 der 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 Schwall-Löt­ düse 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 Kavitation, d. h. die Bildung von Hohlräumen bzw. Luftblasen im Lot, erzeugt, 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 eine Verwendung von Schutz­ gas 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.

Claims (7)

1. Schwall-Lötdüse zum flußmittelfreien Löten von über die Lötwelle eines ein Leitblech umfassenden Wel­ lenformers geführten Leiterplatten, wobei das Löt­ mittel mittels mindestens einer Ultraschallelek­ trode (Sonotrode) in Schwingungen versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (12) der Sonotrode (5) einen im wesentlichen horizontalen Endbereich des Leit­ bleches (13) des Wellenformers (11) bildet und unmittelbar von der Lötwelle überspült wird und daß die Leiterplatten dicht über die Oberfläche der Sonotrode (5) geführt werden.

2. Schwall-Lötdüse nach Anspruch 1, 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.

3. Schwall-Lötdüse nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (12) der Sonotrode (5) mit Schlitzen zur Führung der Lötwelle (8) versehen ist.

4. Schwall-Lötdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstelle (14, 15) der im Lötmittelbehälter (1) gelagerten Sonotrode (5) in einem Knoten der Ultraschallschwingung ausgebildet ist.

5. Schwall-Lötdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sonotroden (5) nebeneinander über die Breite des Lötmittel­ behälters (1) angeordnet sind.

6. Schwall-Lötdüse nach Anspruch 5, 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.

7. Schwall-Lötdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall­ schwingungen der Sonotroden (5) in Intervallen einschaltbar sind.