DE4443822C2

DE4443822C2 - Laser soldering process

Info

Publication number: DE4443822C2
Application number: DE19944443822
Authority: DE
Inventors: Kai-Uwe Dipl Ing Vayhinger; Walter Dipl Ing Jung
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2014-12-10
Also published as: DE4443822A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Laserlötung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for automatic laser soldering according to the preamble of claim 1.

Verfahren zur automatischen Laserlötung sind in den verschiedensten Aus führungen bekanntgeworden und unter anderem in folgenden Veröffentli chungen beschrieben:Methods for automatic laser soldering are in a variety of ways tours became known and among others in the following publications described:

- "Soldering with the laser", Dr. Sven-Olov Roos, in: "productronic, The Fach magazine for electronics manufacturing and test ", No. 4, 1994, pages 34-39,
- "Precision Instrument", Heinz Ringle, Kai-Uwe Vayhinger, in: "electronics practice ", No. 15, August 10, 1989, pages 32-37,
- "Laser soldered spatial solder joints", H. Ringle, Kai-Uwe Vayhinger, Sonder printed from the magazine: "F & M, Feinwerktechnik & Messtechnik", 97. Born 1989/11, Carl Hanser Verlag, Munich and
- "Laser micro soldering with temperature and time control", W. Möller, D. Knödler, K.U. Vayhinger, in: "Opto Electronics", No. 8 (1988), pages 684-689).

Die Druckschrift DE 39 39 812 A1 beschreibt ein Laserlötsystem für SMD-Ele mente, bei dem durch gleichzeitige Lötzufuhr, mehrfache Bestrahlung, IR- Absorber, Flußmittel oder Reaktionsgas die Lötdauer verkürzt wird und eine Optimierung der Z-Einstellung der bzw. des Laserspots bzw. die Laserlei stung pro Lötstelle steuerbar ist.The publication DE 39 39 812 A1 describes a laser soldering system for SMD-Ele elements where simultaneous soldering, multiple irradiation, IR Absorber, flux or reaction gas the soldering time is shortened and one Optimization of the Z setting of the laser spot or the laser line is controllable per solder joint.

Die einzelnen Ausführungsformen sind je nach den zu verlötenden Bautei len, deren Größe und Material usw. konfiguriert. Ein wesentlicher Nachteil liegt bei vielen Konzeptionen darin vor, daß die Lötstellen mit Flußmittel ge reinigt werden müssen und dadurch ein nicht unwesentliches Umweltpro blem schaffen, nämlich daß in diesen Fällen mit FCKW-Reinigungsmitteln ge arbeitet werden muß. The individual embodiments depend on the component to be soldered len, their size and material etc. configured. A major disadvantage is in many conceptions that the solder joints ge with flux must be cleaned and thereby a not insignificant environmental pro create blem, namely that in these cases with CFC cleaning agents must be worked.

Bei anderen Konzeptionen sind z. B. bezogen auf jedes zu verlötende Ein zelwerkstück zu viele, sich immer wiederholende Einzelarbeitsgänge nötig, was nicht nur die Fertigungszeit verlängert, sondern auch den elektroni schen Elementeaufwand vergrößert.In other conceptions such. B. based on each to be soldered too many, repetitive individual work steps necessary, which not only extends the manufacturing time, but also the electronics element expenditure increased.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Laserlötung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, das universell für viele Konzeptionen solcher Verfahren und Einrichtungen einsetzbar ist und das die o. g. Nachteile vermeidet. The present invention has for its object a method for To demonstrate laser soldering of the type mentioned at the outset, which is universal for many Concepts of such processes and facilities can be used and that the above Avoids disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufge führten Maßnahmen gelöst.This object is achieved by the in claim 1 measures implemented.

Demnach werden von einem oder mehreren Lotdräh ten mittels einer Lotschneideeinheit Lotdrahtabschnitte einstellbarer Länge abgeschnitten. Diese Lotdrahtab schnitte fallen in Öffnungen von Werkstück-Niederhal tern, wobei die Positionen der Öffnungen mit denjeni gen Stellen von Werkstücken übereinstimmen, die zu verlöten sind. Die Werkstücke samt den sich in den Öffnungen der Werkstück-Niederhalter befindlichen Lotdrahtabschnitte werden anschließend einem Laser lötgerät zur Verlötung zugeführt.Accordingly, one or more solder wires ten by means of a solder cutting unit solder wire sections adjustable length cut off. This solder wire cuts fall into openings in the workpiece hold-down tern, the positions of the openings with those positions of workpieces that correspond to are soldered. The workpieces together with the Openings of the workpiece hold-down Solder wire sections are then lasered soldering device supplied for soldering.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt insbesondere darin, daß sich ein Reinigungsprozeß er übrigt und daß sowohl die Prozeßzeit als auch der Ma terialaufwand minimiert werden.The advantage of the method according to the invention lies especially in the fact that he is a cleaning process remaining and that both the process time and the Ma material costs can be minimized.

Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, ein uni versell anzuwendendes Fertigungsverfahren zur Verlö tung von Bauelementen mittels einer Laserlötanlage aufzuzeigen, der eine Lotdraht-Schneideeinheit zuge ordnet ist, die in Serie zuerst die zu verlötenden Bauele mente mit entsprechend großen abgeschnittenen Lot stücken lagegerecht versorgt und anschließend kontinu ierlich unter dem Laserlötstrahl positioniert.The general idea of the invention provides for a uni Manufacturing process to be applied versel device using a laser soldering system to show that a solder wire cutting unit is arranged, the components to be soldered first in series elements with appropriately large cut solder pieces supplied correctly and then continuously Positioned beneath the laser solder beam.

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben. In der nachfolgenden Be schreibung ist anhand einer Laserlötanlage das erfin dungsgemäße Verfahren erläutert und dargestellt. Es zeigenRefinements and are in the subclaims Further training specified. In the following Be using a laser soldering system, writing is the invention method explained and illustrated. It demonstrate

Fig. 1 eine Teilansicht einer Laserlötanlage in sche matischer Darstellung, Fig. 1 is a partial view of a laser soldering in specific matic representation,

Fig. 2 eine Seitenansicht gemäß Fig. 1 und Fig. 2 is a side view of FIG. 1 and

Fig. 3 eine Draufsicht gemäß Fig. 1 und 2. Fig. 3 is a plan view of FIG. 1 and 2.

Fig. 1 zeigt eine Lotdraht-Schneideeinheit 11, die in Z′-Richtung nach oben und unten beweglich ist und die von Lotdrähten 14 Lotdrahtabschnitte 14.1 abschneidet, deren Länge einstellbar ist und die in Öffnungen 13.1 von Werkzeug-Niederhaltern 13 fallen. Die Öffnungen 13.1 sind hierbei genau über denjenigen Stellen von Werkstücken 20 angeordnet, die zu verlöten sind. Die Werkstücke 20 werden von den Werkzeug-Niederhal tern 13 und von Werkstückträgern 16 gehalten und mit einem Förderband 15 zu einem Laserlötgerät 10 trans portiert. Das Laserlötgerät 10 mit Infrarot-Detektor 21 ist mittels einer Bewegungseinheit 12 in X-, V- und Z-Richtung verschiebbar. Aus einer Gasanblasung 19 strömt vor und während des Lötprozesses ein Schutz gas, durch das die Oberfläche der zu verlötenden Stellen der Werkstücke 20 und der Lotdrahtabschnitte 14.1 re duziert werden soll. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schutzgas um ein Gasgemisch aus Stickstoff und Ameisensäure, das dadurch hergestellt wird, indem gas förmiger Stickstoff durch flüssige Ameisensäure hin durchgeleitet wird und sich dabei mit der Ameisensäure anreichert. Über die Geschwindigkeit des durch die Ameisensäure hindurchströmenden Stickstoffs läßt sich der Grad der Anreicherung bzw. die Zusammensetzung des Schutzgases einstellen. Fig. 1 shows a solder wire cutting unit 11 which is movable up and down in the Z'-direction and which cuts off solder wires 14 from solder wires 14.1 , the length of which is adjustable and which fall into openings 13.1 of tool hold-down devices 13 . The openings 13.1 are arranged precisely above those locations on workpieces 20 that are to be soldered. The workpieces 20 are held by the tool retainers 13 and by workpiece carriers 16 and trans ported to a laser soldering machine 10 with a conveyor belt 15 . The laser soldering device 10 with infrared detector 21 can be displaced in the X, V and Z directions by means of a movement unit 12 . From a gas blower 19 flows before and during the soldering process, a protective gas through which the surface of the parts of the workpieces 20 and the solder wire sections 14.1 to be soldered is to be reduced. The protective gas is preferably a gas mixture of nitrogen and formic acid, which is produced by passing gaseous nitrogen through liquid formic acid and thereby enriching it with the formic acid. The degree of enrichment or the composition of the protective gas can be adjusted via the speed of the nitrogen flowing through the formic acid.

Fig. 2 zeigt eine Lotdraht-Vorrats- und -Vorschub einheit 17, die den Lotdraht 14 der Lotschneideeinheit 11 zuführt. Die Lotschneideeinheit 11 besteht hierbei aus einem Schieber 18, der zwischen einer Maske 18.1 und einer Abwurfmaske 18.2 mittels einer Bewegungs einheit 22 hin- und herbewegt wird. Um vom Lotdraht 14 Lotdrahtabschnitte 14.1 abzuschneiden, wird der Lotdraht 14 durch die Maske 18.1 dem Schieber 18 zu geführt und der Schieber 18 aus seiner Ruheposition mittels der Bewegungseinheit 22 in eine erste Position 11′ bewegt. Anschließend wird der Schieber 18 in eine zweite Position 11′′ weiterbewegt. In der die Lotdraht abschnitte 14.1 durch die Abwurfmaske 18.2 in die Öff nungen 13.1 der Niederhalter 13 fallen. Um die einstell bare Länge der Lotdrahtabschnitte 14.1 einstellen zu können, ist die Lotschneideeinheit 11 in Z-Richtung nach oben und unten verschiebbar. Fig. 2 shows a solder wire supply and feed unit 17 , which feeds the solder wire 14 of the solder cutting unit 11 . The solder cutting unit 11 in this case consists of a slide 18 which is moved back and forth between a mask 18.1 and a discharge mask 18.2 by means of a movement unit 22 . In order to cut solder wire sections 14.1 from the solder wire 14 , the solder wire 14 is guided through the mask 18.1 to the slide 18 and the slide 18 is moved from its rest position by means of the movement unit 22 into a first position 11 '. Then the slide 18 is moved to a second position 11 ''. In which the solder wire sections 14.1 through the ejector mask 18.2 fall into the openings 13.1 of the hold-down device 13 . In order to be able to adjust the adjustable length of the solder wire sections 14.1 , the solder cutting unit 11 can be moved up and down in the Z direction.

Wie bereits in Fig. 1 dargestellt, fallen die vom Lot draht 14 abgeschnittenen Lotdrahtabschnitte 14.1 in die hierfür vorgesehenen Öffnungen 13.1 der Werkstück- Niederhalter 13.As already shown in FIG. 1, the solder wire sections 14.1 cut from the solder wire 14 fall into the openings 13.1 of the workpiece hold-down device 13 provided for this purpose.

Fig. 3 zeigt nochmals die Lotschneideeinheit 11. Aus der Darstellung geht hervor, daß die Positionen der zu verlötenden Stellen der Werkstücke 20 bestimmen, wo die Öffnungen 13.1 der Werkstück-Niederhalter 13 an geordnet sein müssen und welche Form demnach der Schieber 18 aufweisen muß. Um einen schnellen Ar beitstakt und einen hohen Durchsatz der Lötanlage zu erreichen, werden gleichzeitig mehrere Lotdrahtab schnitte 14.1 von entsprechend vielen Lotdrähten 14 mittels dem Schieber 18 der Schneideeinheit 11 abge schnitten, so daß zum gleichen Zeitpunkt alle Öffnungen 13.1 der Werkstückträger 13 und damit alle zu verlöten den Stellen der Werkstücke 20 mit den Lotdrahtab schnitten 14.1 bestückt werden können. Die Anzahl der zugeführten Lotdrähte 14 richtet sich hierbei nach der Anzahl der zu verlötenden Stellen pro Werkstück 20. Fig. 3 shows again the Lotschneideeinheit. 11 From the illustration it can be seen that the positions of the locations of the workpieces 20 to be soldered determine where the openings 13.1 of the workpiece hold-down device 13 must be arranged and which form the slide 18 must accordingly have. In order to achieve a fast Ar beitstakt and a high throughput of the soldering system, a plurality of solder wire sections 14.1 are cut from a corresponding number of solder wires 14 by means of the slider 18 of the cutting unit 11 , so that at the same time all openings 13.1 of the workpiece holder 13 and thus all are closed solder the points of the workpieces 20 with the solder wire sections 14.1 can be equipped. The number of solder wires 14 fed depends on the number of locations to be soldered per workpiece 20 .

Der Werkstückträger 16 mit dem zugeordneten und aufliegenden Niederhalter 13 wird kontinuierlich in ei nem bestimmten einstellbaren Takt unter das Laserlöt gerät 10 gefahren. Mit der Bewegungseinheit 12 wird der Laser 10 über den Lötstellen positioniert und an schließend unter Gasanblasung 19 (reduzierte Gas atmosphäre) die flußmittelfreien Lotdrahtabschnitte 14.1 verlötet.The workpiece carrier 16 with the associated and resting hold-down device 13 is continuously moved in a particular adjustable cycle under the laser soldering device 10 . With the movement unit 12 , the laser 10 is positioned over the soldering points and the flux-free solder wire sections 14.1 are then soldered under gas blowing 19 (reduced gas atmosphere).

Diese vorbeschriebene Konzeption kann in verschie dener Weise variiert werden. So kann beispielsweise der Schneidetakt synchron mit dem Löttakt sein, oder Löt drahtvorschub und Werkstücktransport erfolgen in syn chronen Schritten. Alle diese Variationsmöglichkeiten erhöhen die universelle Einsetzbarkeit des vorgeschla genen Verfahrens.This concept described above can be which are varied. For example, the Cutting cycle synchronized with the soldering cycle, or soldering wire feed and workpiece transport take place in syn chronic steps. All of these variations increase the universal applicability of the proposal process.

Claims

1. A method for laser soldering of workpieces ( 20 ), characterized in that one or more solder wires ( 14 ) by means of a solder cutting unit ( 11 ) solder wire sections ( 14.1 ) are cut in adjustable length and these in openings ( 13.1 ) of workpiece Hold-down devices ( 13 ) fall, the positions of the openings ( 13.1 ) corresponding to those positions of the workpieces ( 20 ) that are to be soldered and that the workpieces ( 20 ) together with those in the openings ( 13.1 ) of the workpiece hold-down devices ( 13 ) Chen solder wire sections ( 14.1 ) are fed to a laser soldering device ( 10 ) for soldering.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cut pieces of solder wire ( 14.1 ) are soldered while supplying a protective gas.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the protective gas is nitrogen enriched with formic acid han delt.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the soldering is carried out with flux-free solder wire ( 14 ).