DE69509044T2

DE69509044T2 - Anbringung von Lötflussmitteln

Info

Publication number: DE69509044T2
Application number: DE69509044T
Authority: DE
Inventors: Guilian Novi Michigan 48375 Gao; Lawrence Novi Michigan 48375 Kneisel; Myron Dearborn Michigan 48124 Lemecha; Brenda Bloomfield Hill Michigan 48304 Nation; Peter Canton Michigan 48187 Sinkunas
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1994-11-21
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2015-10-14
Also published as: CA2161462A1; US5514414A; EP0713743A1; DE69509044D1; EP0713743B1

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Auftrag von Lötflußmitteln, und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und ein Gerät zur Kondensierung eines lötmittelfreien Flußmitteldampfes auf eine zu lötende Werkstückoberfläche, wie z. B. eine elektronische Schaltkreisplatine.
In der Vergangenheit sind Versuche gemacht worden, gasförmige Flußmittel zu verwenden, wie z. B. Ameisensäure und gasförmiges Hydrazin, zur Lötung von elektronischen Schaltkreisplatinen. Solche gasförmigen Flußmittel sind bei oder im Bereich der Raumtemperatur äußerst leicht flüchtig und werden als Gase in den Raum für den Lötvorgang eingeführt. Solche gasförmigen Flußmittel lassen sich nur schwer in einer Schwall-Lötmaschine zurückhalten und sind weniger wirkungsvoll als herkömmliche flüssige Flußmittel beim Entfernen von Oxydation und der Förderung der Netzwirkung. Nach dem Lötvorgang wird der größte Teil des gasförmigen Flußmittels in Form von gefährlichen chemischen Substanzen ausgestoßen. Außerdem neigen gasförmige Flußmittel dazu, einen korrosiven Rückstand zu hinterlassen, der eine nachträgliche Reinigung nach dem Löten erforderlich macht.
In der Vergangenheit sind Versuche gemacht worden, ein Flußmittel auf eine Werkstückoberfläche aufzubringen, und dabei flüchtige organische Chemikalien (volatile organic chemicals, VOC) zu vermeiden. So schlägt z. B. die US-Patentschrift Nr. 5,281,281 (Stefanowski, angemeldet am 5. Februar 1993) vor, das Flußmittel in einem Wasserlösungsmittel zu lösen, das auch ein Tensid enthält. Das so gelöste Flußmittel in Wasser kann im Schwallbad, durch Aufschäumen oder Aufsprühen aufgebracht werden. Ohne Reinigung oder Beschichtung verschlechtert jedoch der Einsatz von in Wasser gelösten Flußmitteln die Zuverlässigkeit des Produktes. Ein zusätzlicher Reinigungs- oder Beschichtungsvorgang erfordert jedoch zusätzlichen Stellraum, eine längere Herstellungszykluszeit und erhöht die Kosten.
Die US-Patentschrift Nr. 5,164,022 (Pine et al., angemeldet am 19. Februar 1991) offenbart die Erwärmung eines flüssigen Flußmittels in einer Kammer, bis das Flußmittel verdampft, wobei Tröpfchen des Flußmittels durch Löcher in einem Vorratsbehälter nach außen und auf eine Werkstückoberfläche gelangen. Das hier eingesetzte Flußmittel ist ein Flußmittel mit geringen Rückständen, wie z. B. Multicore X32, welches ein organisches Lösungsmittel enthält.
US-Patentschrift Nr. 5,024,856 (Hohnerlein, angemeldet am 29. Dezember 1989) offenbart den Auftrag von in einem Ultraschall-Zerstäuber erzeugten Tröpfchen eines Flußmittels auf eine Werkstückoberfläche.
US-Patentschrift Nr. 4,821,948 (Fischer et al., angemeldet am 6. April 1988) sowie die US-Patentschrift Nr. 4,871,105 (Fischer et al., angemeldet am 1. Februar 1989) offenbart Flußmitteltröpfchen, die in einen auf eine zu lötende Schaltungsplatine gerichteten Gasstrom eingespritzt werden.
Mit Ausnahme der US-Patentschrift Nr. 5,281,281 offenbart der obengenannte bisherige Stand der Technik keinen Weg zur Vermeidung von VOC. Die US-Patentschrift 5,281,281 ist in der Flußmittelmenge begrenzt, die auf ein Werkstück aufgetragen werden kann, da das Flußmittel in einem erheblichen Anteil von Wasser gelöst werden muß, und auch ein Tensid erforderlich ist.
Um das Problem der Vermeidung von VOC zu lösen, wird nun ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Gerät nach Patentanspruch 10 vorgestellt.
Die Anmelder haben festgestellt, das VOC vermieden werden können, und starke Lötverbindungen vorteilhaft dadurch geschaffen werden können, daß eine lösungsmittelfreie Flußmittelquelle mit Flußmittel in einer flüssigen Phase in einem Flußmitteltank bereitgestellt wird, ausgehend von einem festen oder flüssigen Flußmittel, das bei Raumtemperatur stabil ist. Für den Fall, daß ein festes Flußmittel verwendet wird, wird dieses erwärmt, so daß das Flußmittel in eine Flüssigphase überführt wird. Die Flüssigphase des Flußmittels wird dann erwärmt, so daß Flußmitteldampf in einer Auftragszone des Flußmittels erzeugt wird. Die Flußmitteldämpfe haben eine Temperatur, die größer ist, als die Temperatur der Werkstückoberfläche, auf welcher die Lötung stattfinden soll. Die Werkstückoberfläche wird dann durch die Auftragszone geführt, so daß der Flußmitteldampf auf der Werkstückoberfläche kondensiert. Durch Einsatz der vorgenannten Technik können konzentrierte Flußmittelmengen ohne Verwendung irgendwelcher VOC auf einer Werkstückoberfläche aufgebracht werden.
Eine eingehende Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die mit Fig. 1 bezeichnete Zeichnung gegeben, welche eine schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Form einer Flußmittelkammer und dem zugehörigen Gerät ist, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet sind.
Bezugnehmend auf Fig. 1 weist eine gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltete bevorzugte Ausführungsform eines Gerätes eine Edelstahlkammer 10 auf, welche einen Boden 12, eine beheizte Wand 14 und einen Deckel 16 aufweist. Edelstahl wird bei der Kammer 10 deshalb verwendet, um Korrosion durch das flüssige Flußmittel zu vermeiden. Es können jedoch auch andere Werkstoffe, die auch nicht von dem flüssigen Flußmittel angegriffen werden, ersatzweise anstelle von Edelstahl verwendet werden. Die Wand 14 und Deckel 16 werden beheizt, um ein Erstarren des Flußmittels an der Wand zu verhindern.
Die Kammer 10 ist mit einer Einlaßöffnung 18 ausgestattet, welche durch eine von einem Motor 22 gesteuerte Schiebetür verschlossen werden kann. Die Kammer 10 ist außerdem mit einer Auslaßöffnung 24 versehen, welche durch eine von einem Motor 28 gesteuerte Schiebetür 26 verschlossen werden kann. Kondensationsfallen 30 und 31 sind jeweils unmittelbar neben den Öffnungen 18 und 24 angebracht, um so Flußmitteldämpfe einzufangen, die durch die Öffnungen zu entweichen suchen. Unmittelbar neben den Öffnungen 18 und 24 in den gezeigten Stellungen angeordnete "Stickstoffmesser" 34 und 35 wirken mit den Kondensationsfallen beim Auffangen der Flußmitteldämpfe zusammen. Die Verwendung von Stickstoffmessern und Kondensationsfallen der in Fig. 1 dargestellten Art ist in der Technik bekannt und braucht nicht weiter beschrieben zu werden.
Die Kammer 10 beinhaltet eine obere Heizung 38, welche dazu beiträgt, die Dichte des Flußmitteldampfes in einer Auftragszone 39 beizubehalten, welche sich von der. Öffnung 18 bis zur Öffnung 24 durch die Kammer 10 erstreckt.
Die Kammer 10 beinhaltet auch einen Edelstahl-Vorratsbehälter 50, welcher festes oder flüssiges Flußmittel von einem externen Tank 52 durch einen herkömmlichen Durchgang 54 erhält. Der Vorratsbehälter 50 beinhaltet eine Vorratsbehälter-Heizung 56, welche festes Flußmittel zum Schmelzen bringt und es in einen flüssigen Zustand versetzt. Die Heizung 56 bewirkt auch das Verdampfen des Flußmittels aus einem flüssigen Zustand heraus, um so einen Flußmitteldampf im oberen Teil der Kammer 10 im allgemeinen und in der Auftragszone 39 im besonderen zu er zeugen. Der Vorratsbehälter 50 ist mit einer herkömmlichen Schwimmerregelung 58 ausgestattet, die auf einer Oberfläche 60 des Flußmittels in der Flüssigphase schwimmt. Inertgas-Belüftungsdüsen 62 und 63 sind im Vorratsbehälter 50 angeordnet, um dort das Flußmittel in der Flüssigphase im Vorratsbehälter 50 mit Inertgas zu versorgen. Das Inertgas, wie z. B. Stickstoff, wird von einer nicht dargestellten Quelle zugeführt.
Bewegungsgeber 70 und 71 erfassen die Gegenwart einer zu lötenden Werkstückoberfläche, wie z. B. einer Schaltkreisplatine 74. Die mit 74A-74C bezeichneten Figuren deuten eine Schaltkreisplatine 74 in verschiedenen Lagen an, während diese durch die Kammer 10 fortbewegt wird.
Der in der Kammer 10 durchgeführte grundsätzliche Flußmittel-Auftragsprozeß verwendet ein Flußmittel, welches bei Raumtemperatur im festen oder flüssigen Zustand stabil ist. Wird ein Feststoff-Flußmittel eingesetzt, wird dieses feste Flußmittel durch die Heizung 56 bis zur Flüssigphase ergewärmt. Die Flüssigphase des Flußmittels wird durch weiteres Erwärmen mittels der Heizung 56 verdampft, welche von einer herkömmlichen elektrischen Heizung, einer Infrarotheizung, Mikrowellenheizung oder anderen geeigneten Mitteln zur Verdampfung der Flüssigphase des Flußmittels gebildet werden kann. Das verdampfte Flußmittel läßt man dann auf einer zu lötenden Werkstückoberfläche kondensieren oder erstarren, z. B. auf einer Schaltkreisplatine 74, bevor diese gelötet wird. Es wird kein Lösungsmittel oder Zusatz für diesen Prozeß benötigt. Nach dem Auftrag verbleibt das Flußmittel auf der Werkstückoberfläche in fester oder flüssiger Form. Dieses Flußmittel kann jeder beliebige Stoff sein, der fähig ist, Oxyde zu entfernen und die Netzwirkung zu fördern. Das Flußmittel selbst sollte sich in einem Temperaturbereich, in dem eine erhebliche Verdampfung durch Erwärmung bewirkt werden kann, nicht zersetzen. Das Verfahren kann sowohl zum Auftragen von reinigungsfreien als auch von solchen Flußmitteln eingesetzt werden, die eine Reinigung nach dem Löten erfordern. Reinigungsfreie Flußmittel bezeichnen solche Flußmittel, die keine nach trägliche Reinigung nach dem Löten erfordern.
Auf die bevorzugten Ausführungsformen anwendbare Flußmittel beinhalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, zweiwertige Säuren wie z. B. Adipinsäure, Malonsäure, Maleinsäure, Glutarsäure, Pimelinsäure u. ä., sowie einwertige Säuren wie Valerinsäure, Capronsäure, Önanthsäure, Caprinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure u. ä.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht die Güte des Lötvorganges sowie die Qualität der Lötung durch einen gleichförmigeren Flußmittelauftrag, besseres Eindringen von Flußmittel in die Durchstiche durch die Schaltkreisplatine 74, und gegebenenfalls durch einen Flußmittelauftrag auf beide Werkstückseiten. Es ergibt auch geringere Kosten.
Bezugnehmend auf Fig. 1 beginnt eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung dann, wenn der Einlaßsensor 70 die Gegenwart einer Schaltkreisplatine 74 feststellt, die sich in Richtung auf die Öffnung 18 bewegt. In Reaktion auf diese Erfassung bewirkt der Motor 22 ein Heben der Schiebetür 20, so daß die Schaltkreisplatine 74 in die Öffnung 18 in Position 74A einfahren kann. Wenn sich die Tür 20 öffnet, werden das Stickstoffmesser 34 und die Kondensationsfalle 30 aktiviert, so daß ein Entweichen von Flußmitteldampf in die Atmosphäre verhindert wird. Die Schaltkreisplatine bewegt sich dann weiter nach rechts, bis in die Position 74B in der Auftrags zone 39.
In der Auftragszone 39 schlägt sich Flußmitteldampf, wie z. B. Adipinsäuredampf, auf der kühleren Oberfläche der Schaltkreisplatine 74 nieder. Soll nur eine Seite der Platine gelötet werden, kann die gegenüberliegende Seite abgedeckt werden, um dort den Niederschlag von Flußmitteldampf zu verhindern. Die Menge an Dampf irr der Zone 39 kann dadurch gesteuert werden, daß die von der Heizung 56 gelieferte Wärme und die durch die Düsen 62 und 63 in die im Vorratsbehälter 50 enthaltene Flüssigphase des Flußmittels eingeleitete Inertgasmenge entsprechend eingestellt werden.
Nachdem Flußmitteldampf auf der Schaltkreisplatine 74 in Position 74B kondensiert hat, bewirkt der Motor 28 ein Anheben der Tür 26, so daß die Schaltkreisplatine 74 weiter in die Position 74C bewegt werden kann. Danach verfährt die Platine weiter nach rechts, wie in Fig. 1 dargestellt, wo sie vom Auslaßsensor 71 erfaßt wird, wodurch ein Schließen der Tür 26 durch den Motor 28 bewirkt wird. Wenn sich die Tür 26 öffnet, werden das Stickstoffmesser 35 und die Kondensationsfalle 31 aktiviert, so daß ein Entweichen von Flußmitteldampf in die Atmosphäre verhindert wird.
Das durch die Düsen 62 und 63 eingeleitete Inertgas wird vorgewärmt, um so die Verdampfung des Flußmittels zu verstärken. Außerdem schafft das Gas in der Auftragszone 39 eine inerte Umgebung, so daß eine Oxydation und Zersetzung des Flußmittels verhindert wird.
Wenn der Pegelstand 60 an Flußmittel in der Flüssigphase weit genug gesunken ist, bewirkt die Schwimmersteuerung 58 die Einleitung von zusätzlichem festem oder flüssigem Flußmittel in den Vorratsbehälter 50 durch den Durchgang 54 über herkömmliche Mittel.
Im Vergleich zu herkömmlichen Flußmitteltechniken bieten das in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Gerät und das Verfahren einen gleichförmigeren Flußmittelauftrag, besseres Eindringen in die Durchstiche durch die Schaltkreisplatine 74, und gegebenenfalls einen gleichzeitigen Auftrag auf beiden Seiten der Platine 74. Dadurch erhöhen sie die Möglichkeiten im Herstellungsprozeß und die Produktqualität durch bessere Lötbarkeit. Es kann auch möglich sein, den bei bestimmten Anwendungsfällen eingesetzten Heißluft-Lot-Egalisierungsprozeß zu vermeiden.

Claims

1. Verfahren zum Auftragen von Flußmittel auf eine Lötwerkstückoberfläche (74A, 74B, 74C) mit einer vorgegebenen Temperatur, welches in Kombination folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen einer lösungsmittelfreien Quelle von Flußmittel in einer flüssigen Phase in einem Flußmittel-Vorratsbehälter (50), ausgehend von einem bei Raumtemperatur stabilen festen oder flüssigen Flußmittel;

Erzeugen von Flußmitteldampf in einer Flußmittel-Auftragszone (39) durch Erwärmen des besagten Flußmittels in besagtem Flußmittel-Vorratsbehälter (50), wobei besagter Flußmitteldampf eine Temperatur hat, die größer ist als besagte vorgegebene Temperatur;

Durchführen der besagten Werkstückoberfläche durch besagte Auftragszone, so daß besagter Flußmitteldampf auf besagter Werkstückoberfläche kondensiert, wodurch Flußmittel ohne den Einsatz irgendwelcher flüchtiger organischer Chemikalien auf besagte Werkstückoberfläche aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin besagtes Flußmittel aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus zweiwertigen und aus einwertigen Säuren besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin besagte zweiwertige Säuren aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche Adipinsäure, Malonsäure, Maleinsäure, Glutarsäure und Pimelinsäure enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2, worin besagte einwertige Säuren aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche Valerinsäure, Capronsäure, Önanthsäure, Caprinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure und Stearinsäure enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der Schritt der Bereitstellung einer lösungsmittelfreien Quelle von Flußmittel in einer flüssigen Phase den Schritt des Einschmelzens eines beliebigen festen Flußmittels in besagtem Flußmittel-Vorratsbehälter beinhaltet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin besagter Schritt der Bereitstellung den Schritt der Einleitung eines Inertgases in besagte flüssige Phase des besagten Flußmittels in besagtem Vorratsbehälter beinhaltet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin besagter Schritt der Erzeugung von Flußmitteldampf den Schritt der Steuerung der Verdampfungsrate von besagtem Flußmittel beinhaltet, und zwar durch Steuerung der Stärke der besagten Heizung und der Menge an besagtem Inertgas, welche in besagten Vorratsbehälter eingeleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, worin besagter Schritt der Bereitstellung einer lösungsmittelfreien Quelle von Flußmittel den Schritt der Erwärmung der wände des besagten Vorratsbehälters beinhaltet, so daß ein Erstarren des besagten Flußmittels an den Wänden des besagten Vorratsbehälters verhindert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin besagter Schritt der Durchführung der besagten Werkstückoberfläche durch besagte Auftragszone folgende Schritte beinhaltet:

Einschließen der besagten Auftragszone, so daß besagter Flußmitteldampf darin eingeschlossen wird;

Öffnen der besagten Auftragszone, so daß besagte Werkstückoberfläche dort eingeführt werden kann;

Schließen der besagten Auftragszone, nachdem sich besagte Werkstückoberfläche in besagter Auftragszone befindet;

Öffnen der besagten Auftragszone, so daß besagte gelötete Werkstückoberfläche austreten kann; und Schließen der besagten Auftragszone, nachdem besagte gelötete Werkstückoberfläche ausgetreten ist.

10. Gerät zum Auftragen von Flußmittel auf eine Löt-Werkstückoberfläche mit einer vorgegebenen Temperatur, welches in Kombination folgendes aufweist:

eine lösungsmittelfreie Flußmittelquelle;

Mittel zur Versorgung besagter lösungsmittelfreier Flußmittelquelle mit einer flüssigen Phase in einem Flußmittel-Vorratsbehälter (50), ausgehend von einem bei Raumtemperatur stabilen festen oder flüssigen Flußmittel;

Mittel (56) zur Erzeugung von Flußmitteldampf in einer Flußmittel-Auftragszone durch Erwärmen des besagten Flußmittels in besagtem Flußmittel-Vorratsbehälter, wobei besagter Flußmitteldampf eine Temperatur hat, die größer ist als besagte vorgegebene Temperatur; und

Mittel zum Durchführen der besagten Werkstückoberfläche (74A, 74B, 74C) durch besagte Auftragszone, so daß besagter Flußmitteldampf auf besagter Werkstückoberfläche kondensiert, womit Flußmittel ohne irgendwelche flüchtigen organischen Chemikalien auf besagte Werkstückoberfläche aufgetragen wird.

11. Gerät nach Anspruch 10, worin besagtes Flußmittel aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche zweiwertige Säuren und einwertige Säuren enthält.

12. Gerät nach Anspruch 11, worin besagte zweiwertige Säuren aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche Adipinsäure, Malonsäure, Maleinsäure, Glutarsäure und Pimelinsäure enthält.

13. Gerät nach Anspruch 11, worin besagte einwertige Säuren aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche Valerinsäure, Capronsäure, Önanthsäure, Caprinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure und Stearinsäure enthält.

14. Gerät nach Anspruch 10, in welchem besagte Mittel zur Bereitstellung einer lösungsmittelfreien Quelle von Flußmittel in einer flüssigen Phase Mittel zum Einschmelzen eines beliebigen festen Flußmittels in besagtem Flußmittel-Vorratsbehälter beinhalten.

15. Gerät nach Anspruch 14, worin besagte Mittel zur Bereitstellung Mittel zur Einleitung eines Inertgases in besagte flüssige Phase des besagten Flußmittels in besagtem Vorratsbehälter beinhalten.

16. Gerät nach Anspruch 15, worin besagte Mittel zur Erzeugung von Flußmitteldampf Mittel zur Steuerung der Verdampfungsrate von besagtem Flußmittel beinhalten, und zwar durch Steuerung der Stärke der besagten Heizung und der Menge an besagtem Inertgas, welche in besagten Vorratsbehälter eingeleitet wird.

17. Gerät nach Anspruch 10, in welchem besagte Mittel zur Bereitstellung einer lösungsmittelfreien Flußmittelquelle Mittel zum Beheizen der Wände des besagten Vorratsbehälters beinhalten, so daß ein Erstarren des besagten Flußmittels an den Wänden des besagten Vorratsbehälters vermieden wird.

18. Gerät nach Anspruch 10, worin besagte Mittel zum Durchführen der besagten Werkstückoberfläche durch besagte Auftragszone folgendes aufweisen:

Mittel zum Einschließen der besagten Auftragszone, so daß besagter Flußmitteldampf darin eingeschlossen wird;

erste Mittel zum Öffnen der besagten Auftragszone, so daß besagte Werkstückoberfläche dort eingeführt werden kann, und zum Schließen der besagten Auftragszone, nachdem sich besagte Werkstückoberfläche in besagter Auftragszone befindet; und

zweite Mittel zum Öffnen der besagten Auftragszone, so daß besagte gelötete Werkstückoberfläche austreten kann, und zum Schließen der besagten Auftragszone, nachdem besagte gelötete Werkstückoberfläche ausgetreten ist.

19. Gerät nach Anspruch 18, und weiterhin Mittel zum Einfangen des besagten Flußmitteldampfes außerhalb der besagten ersten Mittel und der zweiten Mittei aufweisend.

20. Gerät nach Anspruch 10, und weiterhin Mittel zur Einhaltung eines vorgegebenen Pegelstandes an besagtem Flußmittel in besagtem Vorratsbehälter enthaltend.