EP4110545A1 - Verfahren zur herstellung einer lotverbindung, verfahren zum trennen zumindest eines bauelements von einer kontaktfläche, leiterplatte und feldgerät - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer lotverbindung, verfahren zum trennen zumindest eines bauelements von einer kontaktfläche, leiterplatte und feldgerät

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EP4110545A1
EP4110545A1 EP21702921.4A EP21702921A EP4110545A1 EP 4110545 A1 EP4110545 A1 EP 4110545A1 EP 21702921 A EP21702921 A EP 21702921A EP 4110545 A1 EP4110545 A1 EP 4110545A1
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EP
European Patent Office
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solder
contact surface
circuit board
component
solder connection
Prior art date
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Pending
Application number
EP21702921.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Birgel
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Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H05K3/3494—Heating processes for reflow soldering

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a solder connection between a contact surface of a circuit board and one arranged on the contact surface
  • the invention also relates to a method for separating at least one component soldered onto a respective contact surface of a printed circuit board from the respective contact surface.
  • the invention also relates to a printed circuit board and a field device in automation technology with a printed circuit board.
  • Soldering is a thermal process with which a bonded joint is obtained.
  • Printed circuit boards with components soldered on them are used in a wide variety of configurations in the automation technology field devices manufactured and sold by the Endress + Hauser Group.
  • Field devices are used to determine and / or monitor process variables. In principle, all devices that are used close to the process and deliver or process process-relevant information are referred to as field devices. These are, for example
  • Level measuring devices flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow rate, pressure, temperature, pH value and conductivity.
  • Field devices often have a sensor unit, in particular at least temporarily and / or at least in sections, which is in contact with a process medium and which is used to generate a signal that is dependent on the process variable.
  • these often have an electronic unit arranged in a housing, the electronic unit serving to process and / or forward signals generated by the sensor unit, in particular electrical and / or electronic signals.
  • Electronic units often include printed circuit boards with components soldered onto them in one or more soldering processes. Different soldering methods are known from the prior art, the selection of which is determined by the application, in particular the components to be soldered and / or the solder.
  • a soldering process that is widespread in industrial production lines for the production of printed circuit boards is reflow soldering or reflow soldering, in which surface-mountable components, so-called 'surface mounted devices' (for short: SMD components), are placed directly on the intended Contact surfaces are soldered.
  • SMD components are automatically placed on the contact surface provided with solder paste on the circuit board with automatic placement machines and soldered together with a reflow soldering process in a reflow soldering oven. This creates a large number of solder connections at the same time.
  • THT components are typically soldered using wave soldering. The circuit board is moved over a so-called solder wave, which is generated by pumping liquid solder through a narrow gap.
  • backside reflow soldering In order to integrate THT components into a manufacturing process dominated by a large number of SMD components, the method known as backside reflow soldering and described e.g. in patent specification DE 102 11 647 B4 is preferably used.
  • backside reflow soldering THT components arranged on the first surface are soldered overhead from the second surface of the circuit board together with SMD components arranged on the second surface in a common reflow process. This enables the cost-effective production of printed circuit boards with mixed components on both sides.
  • selective soldering processes are used, in which a soldering point can be individually processed in a targeted manner.
  • the selective wave soldering of temperature-sensitive THT components is disclosed. Selective wave soldering is a special case of the wave soldering mentioned above.
  • Both reflow soldering and wave soldering have in common that the solder (or the item to be soldered) is exposed to a so-called temperature profile during a soldering process.
  • the temperature profile typically includes preheating of the solder and / or the item to be soldered, the achievement of a maximum temperature which is above the liquidus temperature of the solder, and subsequent cooling.
  • efforts are made to achieve low cooling rates in order to produce solder connections of sufficiently high quality, i.e. for example high-strength solder connections with sufficiently high mechanical resistance.
  • solder connections have the disadvantage that, in order to remove the component from the contact surface, its solder connection (s) must be melted again. On the one hand, this is energy-intensive and, on the other hand, it can produce toxic fumes. To protect the environment and to improve the recycling of printed circuit boards, it is desirable to have a simpler way of Specify removal of the components. This applies in particular to printed circuit boards which are used in devices with a comparatively short lifespan, such as between 2 and 10 years.
  • the invention is based on the object of a method for producing a
  • the object is achieved by a method for producing a solder connection between a contact surface of a circuit board and a component arranged on the contact surface, a method for separating at least one component from a contact surface, a circuit board and a field device of automation technology with a circuit board.
  • a method for producing a solder connection between a contact surface of a circuit board and a component arranged on the contact surface a method for separating at least one component from a contact surface, a circuit board and a field device of automation technology with a circuit board.
  • solder on the contact surface which solder has bismuth (Bi) in a proportion of at least 50 percent by weight; - Arranging a component on the contact surface;
  • Solder connection is formed between the contact surface and the component, wherein the cooling takes place at a cooling rate, which cooling rate is greater than 6 ° C / s (i.e. degrees Celsius or Kelvin per second).
  • 6 ° C / s i.e. degrees Celsius or Kelvin per second.
  • brittle fracture In fracture mechanics, a sudden material failure is referred to as brittle fracture. Brittle-breaking materials are characterized in the stress-strain diagram by a steep rise in Hook's straight line, at the end of which the break occurs without plastic deformation. The great advantage of a brittle solder connection is that the component can be neatly separated from the contact surface under a defined force without the need to remelt the solder connection. The brittle solder connection is nevertheless under the intended use
  • Intended conditions of use of the circuit board means, for example, that in the event that the circuit board is used in an electronics unit of a field device in automation technology, the circuit board is exposed to the conditions specified for the field device, such as mechanical vibrations. These are not sufficient to achieve the force required for the brittle fracture.
  • the method according to the invention is suitable both for the aforementioned reflow soldering and for wave soldering or other types of selective soldering. With regard to the method according to the invention, these differ essentially in whether the solder is provided first and then the component on the contact surface (such as, for example, with reflow soldering), or vice versa, the component is provided first and then the solder (as with wave soldering ).
  • the solder provided also contains tin (Sn) with a proportion of at least 40 percent by weight.
  • the solder provided also has silver (Ag), with a maximum proportion of 2 percent by weight.
  • An example is a solder alloy with percentages by weight Bi: 58 and Sn: 42 (bismuth-tin eutectic) or a bismuth-tin-silver solder with percentages by weight Bi: 57,
  • Sn 42 and Ag: 1. These solders have a liquidus temperature of 139 ° C.
  • the silver content is used to reduce the brittleness and should therefore amount to a maximum of 2% in one embodiment.
  • the solder provided essentially only has bismuth and tin. This has the advantage of high availability and that it is significantly cheaper than solders that also contain silver.
  • the cooling rate is greater than 10 ° C./s. In one embodiment of the method, the cooling rate is set by supplying liquid nitrogen to the solder connection.
  • Gaseous nitrogen can be used (for example as a cover medium) in the wave or reflow soldering systems mentioned above. Nitrogen is supplied in a liquid state from a liquid tank. The liquid nitrogen is now preferably also used to cool down soldered items that have already been soldered. The nitrogen is heated to its gaseous state and can be used as a gaseous covering medium for a subsequent soldering process.
  • the cooling rate is less than 50 ° C./s (degrees Celsius per second).
  • the object is achieved by a method for separating at least one component soldered on a respective contact surface of a printed circuit board from the respective contact surface, a solder connection between the component and the contact surface being established by means of a method according to the invention , comprising the step of: separating the at least one component from the contact surface, in which
  • the method for separating in the event that several components are separated from their respective contact surfaces, a large part of the components is separated essentially simultaneously from the respective contact surface by means of brittle fracture, with an essentially simultaneous force acting on the respective solder connection.
  • the method is at
  • Temperatures carried out which are at least 50 ° C., in particular at least 100 ° C. below the liquidus temperature of the solder.
  • the liquidus temperature of the high-bismuth-containing solder is approx. 140 ° C.
  • the method can preferably be carried out, for example, at room temperatures of approx. 20 ° C., ie a clean, environmentally friendly separation of the component from the circuit board is made possible.
  • the force is applied to the solder connection (s) by means of an impact of the printed circuit board in a free fall of the printed circuit board onto an impact surface.
  • the force is applied by means of a free fall in a drop device, in which drop device the impact surface is arranged essentially perpendicular to the plane of the printed circuit board.
  • the impact surface is designed, for example, as a surface of a block at the foot of the impact device.
  • the force is applied to the
  • Solder connection / s applied by means of an impact of the printed circuit board accelerated with a centrifugal force on an impact surface.
  • the force is applied to the solder connection (s) by means of a bend in the printed circuit board.
  • the force is applied to the solder connection (s) by means of sonication with ultrasound or infrasound.
  • the circuit board the object is achieved by a circuit board having:
  • solder connection being produced by means of a method according to the invention.
  • the object is achieved by a field device of automation technology, with an electronics unit, the electronics unit having the circuit board according to the invention.
  • an electronics unit the electronics unit having the circuit board according to the invention.
  • the invention and further advantageous refinements are explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments.
  • the same parts are provided with the same reference symbols in all figures; If it is necessary for clarity or if it appears to be useful in some other way, the reference symbols already mentioned are dispensed with in the following figures.
  • 1 a, b, c A sectional view of a solder connection according to the invention. 2: A temperature profile of the method according to the invention for producing the solder connection;
  • Fig. 1a, 1b steps of the manufacturing method for producing a solder connection 1 between a contact surface 2 of a circuit board 3 and a component 4 arranged on the contact surface 2 are shown, the circuit board 3 being shown in a sectional view.
  • a component 4 is fitted onto the contact surface 2.
  • a solder 5 is then provided (or, depending on the soldering method, before the component 4 is fitted).
  • it is a solder 5 with a high bismuth content, i.e. with a proportion of at least 50 percent by weight.
  • the component 4 is then soldered in a conventional bulk or selective soldering process in order to produce a solder connection 6, reference being made again to the wave or reflow soldering mentioned at the beginning.
  • a temperature profile shown in more detail in FIG. 2 is controlled during the process control during the soldering process.
  • This is a temperature-time function that describes at what point in time during soldering the item to be soldered (e.g. component 4) and / or solder 5 experiences which temperature.
  • preheating occurs in a first section of the temperature profile, followed by heating to a maximum temperature Tmax. This is typically above the liquidus temperature LQ of the solder 5.
  • controlled cooling ie with a defined cooling rate dT / dt.
  • the cooling rate dT / dt is the maximum change in temperature over time during cooling, immediately afterwards at the point in time at which the liquidus temperature LQ is present.
  • the solder 5 with a high bismuth content is now combined with a cooling rate dT / dt which is greater than 6 ° C./s. This is significantly greater than the cooling rates commonly used in the prior art. Surprisingly, investigations by the applicant have shown that this creates a brittle solder connection 6.
  • the cooling rate is set to be supplied with liquid nitrogen 7.
  • the invention is not limited to this embodiment.
  • All solder connections 6 of component 4 are preferably solder connections 6 produced using the method according to the invention.
  • Component 4 can thereby be separated cleanly from circuit board 3 again very easily by means of a brittle fracture in solder connection 6 under the action of a controlled force. In the event of brittle fracture, the brittle solder connection 6 is separated into two or more parts. This is shown in Fig. 1c.
  • step A takes place before B or vice versa.
  • the component 4 can be removed very easily from the circuit board 3 by brittle fracture of the solder connection 6.
  • step E separation of the at least component 4 from the contact surface 2, in which separation under the action of a force F on the solder connection 6, a brittle fracture of the solder connection 6 is produced.
  • the force F can be applied to the solder connection (s) 1 by means of different methods, which is shown in more detail in FIGS. 4a-c.
  • the 4a shows a drop device 8 into which the circuit board 3 is inserted and then, under the action of the gravitational acceleration g, is dropped over a predefined distance of the drop device 8 until the circuit board 3 hits an impact surface AF (e.g. an end face of a block of wood).
  • the impact on the impact surface AF leads to a force F acting as a transverse force on the solder connection 6, which the Brittle fracture caused in the solder connection 6.
  • the component 4 can be separated from the circuit board 3 very easily without the action of additional heat at room temperature.
  • the circuit board 3 can also by means of a centrifuge before the impact on a
  • Impact surface AF are accelerated.
  • accelerations greater than the acceleration due to gravity g can be achieved.
  • FIG. 4c Another possibility for applying the force F is shown in FIG. 4c.
  • sound S for example ultrasound or infrasound
  • FIG. 4c Another possibility for applying the force F is shown in FIG. 4c.
  • sound S for example ultrasound or infrasound
  • the electronics unit 10 comprising the arrangement of component 4 and printed circuit board 3 is preferably used in a field device 11 of automation technology.
  • a field device 11 of automation technology is shown in more detail in FIG. 5.
  • the field device 11 has a sensor unit 17 which is in contact with a process medium, in particular at least temporarily and / or at least in sections, which serves to generate a measurement signal, for example electrical and / or electronic, which represents the process variable.
  • the electronics unit 10 arranged in a transmitter housing 9 of the field device 11 is used to process and / or forward the measurement signals generated by the sensor unit 17.
  • the electronics unit 10 comprises the printed circuit board 3 with the component 4 arranged thereon.
  • the field device 11 has a further electronics unit 10 configured as a display / input unit 20, with a (touch) display mounted thereon.
  • the electronic unit 10 according to the invention comprising the component 1 and the printed circuit board 2 can of course also be designed as a display / input unit 20.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung (1) umfassend die Schritte: - Bereitstellen von Lot (5) auf einer Kontaktfläche (2), welches Lot Bismut (Bi) mit einem Anteil von zumindest 50 Gewichtsprozent aufweist; - Anordnen eines Bauelements (4) auf der Kontaktfläche (2); - Durchführen eines Lötprozesses, umfassend die Schritte: -- Aufschmelzen eines Lots (5), bei welchem Aufschmelzen das Lot (5) auf eine maximale Temperatur (Tmax) gebracht wird, welche maximale Temperatur (Tmax) oberhalb der Liquidustemperatur (LQ) des Lots (5) liegt, -- Anschließendes Abkühlen des Lots (5), bei welchem Abkühlen das Lot (5) erstarrt, so dass die Lotverbindung (6) zwischen der Kontaktfläche (2) und dem Bauelement (4) gebildet wird, wobei das Abkühlen mit einer Abkühlrate (dT/dt) erfolgt, welche Abkühlrate (dT/dt) größer als 6° C/s ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Trennen eines Bauelements (4) von einer Kontaktfläche (2). Ferner betrifft die Erfindung eine Leiterplatte (3) und ein Feldgerät (11) der Automatisierungstechnik mit einer Leiterplatte (3).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung, Verfahren zum Trennen zumindest eines Bauelements von einer Kontaktfläche, Leiterplatte und Feldgerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung zwischen einer Kontaktfläche einer Leiterplatte und einem auf der Kontaktfläche angeordnetem
Bauelement. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Trennen zumindest eines auf einer jeweiligen Kontaktfläche einer Leiterplatte aufgelöteten Bauelements von der jeweiligen Kontaktfläche.
Ferner betrifft die Erfindung eine Leiterplatte und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer Leiterplatte.
Beim Löten handelt es sich um ein thermisches Verfahren, mit dem eine stoffschlüssige Fügeverbindung erhalten wird. Leiterplatten mit darauf gelöteten Bauelementen werden in den von der Endress+Hauser Gruppe hergestellten und vertriebenen Feldgeräten der Automatisierungstechnik in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen eingesetzt. Feldgeräte werden zur Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessgrößen eingesetzt. Als Feldgeräte werden dabei im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Dabei handelt es sich beispielsweise um
Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Feldgeräte weisen oftmals eine, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zumindest abschnittsweise mit einem Prozessmedium in Kontakt stehende Sensoreinheit auf, welche der Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Signals dient. Ferner weisen diese oftmals eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit auf, wobei die Elektronikeinheit der Verarbeitung und/oder Weiterleitung von von der Sensoreinheit erzeugten Signalen, insbesondere elektrischen und/oder elektronischen Signalen, dient.
Elektronikeinheiten umfassen oftmals Leiterplatten mit darauf in einem oder mehreren Lötverfahren aufgelöteten Bauelementen. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Lötverfahren bekannt, deren Auswahl durch die Anwendung, insb. der zu verlötenden Bauelemente und/oder des Lots bestimmt wird.
Ein in industriellen Fertigungslinien zur Herstellung von Leiterplatten weit verbreitetes Lötverfahren ist das Reflow-Löten oder auch Wiederaufschmelzlöten (englisch: reflow soldering), bei dem oberflächen-montierbare Bauelemente, so genannte 'Surface Mounted Devices' (kurz: SMD-Bauelemente) direkt auf vorgesehene Kontaktflächen aufgelötet werden. Hierzu werden die SMD-Bauelemente mit Bestückungsautomaten maschinell auf die mit Lotpaste versehene Kontaktfläche auf der Leiterplatte platziert und gemeinsam mit einem Reflow-Lötprozess in einem Reflow-Lötofen aufgelötet. Damit wird gleichzeitig eine Vielzahl von Lotverbindungen erzeugt.
Neben den SMD Bauelementen gibt es spezielle Bauelemente, die bedingt durch ihre Funktion größere Abmessungen aufweisen. Diese Bauelemente sind bevorzugt als Through Hole Technology-Bauelemente - kurz THT-Bauelemente ausgebildet. THT Bauteile werden typischerweise in einem Wellenlöten verlötet. Dabei wird die Leiterplatte über eine sogenannte Lotwelle gefahren, die dadurch erzeugt wird, dass flüssiges Lot durch einen schmalen Spalt gepumpt wird.
Um THT-Bauelemente in einen durch eine große Anzahl von SMD-Bauelementen dominierten Herstellungsprozess einzubinden, wird vorzugsweise das als Backside- Reflow Löten bekannt gewordene und z.B. in der Patentschrift DE 102 11 647 B4 beschriebene Verfahren verwendet. Beim Backside-Reflow Löten werden auf der ersten Oberfläche angeordnete THT-Bauelemente über Kopf von der zweiten Oberfläche der Leiterplatte her zusammen mit auf der zweiten Oberfläche angeordneten SMD- Bauelementen in einem gemeinsamen Reflow-Prozess verlötet. Dadurch wird die kostengünstige Herstellung beidseitig mischbestückter Leiterplatten ermöglicht. Für den Fall, dass nicht alle Bauelemente in einen gemeinsamen Reflow-Lötprozess einbindbar sind, kommen Selektiv-Lötverfahren zum Einsatz, in denen eine Lötstelle gezielt einzeln bearbeitet werden kann. In der DE 10 2006 035 528 A1 ist beispielsweise das Selektiv-Wellenlöten von temperaturempfindlichen THT-Bauelemente offenbart. Das Selektiv-Wellenlöten ist ein Spezialfall des vorstehend genannten Wellenlötens.
Sowohl dem Reflow-Löten als auch das Wellenlöten ist dabei gemein, dass das Lot (bzw. das Lötgut) während einem Lötprozess einem sogenannten Temperaturprofil ausgesetzt wird. Damit wird ein Temperatur-Zeit-Verlauf beim Löten bezeichnet. Das Temperaturprofil umfasst typischerweise ein Vorheizen des Lots und/oder des Lötguts, das Erreichen einer maximalen Temperatur, welche oberhalb der Liquidustemperatur des Lots liegt, und einem anschließenden Abkühlen. Im Stand der Technik ist man bemüht, kleine Abkühlraten zu erreichen, um damit Lotverbindungen von ausreichend hoher Qualität d.h. beispielsweise hochfeste Lotverbindung mit ausreichend großer mechanischer Beständigkeit herzustellen.
Derartige Lotverbindungen haben allerdings den Nachteil, dass zum Entfernen des Bauelements von der Kontaktfläche dessen Lotverbindung(en) wieder aufgeschmolzen werden muss/müssen. Dies ist zum einen energieintensiv, zum anderen können dabei giftige Dämpfe entstehen. Zum Schutz der Umwelt und zu einer verbesserten Möglichkeit des Recyclings von Leiterplatten ist es wünschenswert, eine einfachere Möglichkeit zum Entfernen der Bauelemente anzugeben. Dies gilt insb. für Leiterplatten, welche in Geräten mit vergleichsweise kurzer Lebensdauer wie bspw. zwischen 2 bis 10 Jahren eingesetzt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer
Lotverbindung anzugeben, welche einfach zu trennen ist bzw. ein einfaches Verfahren zum Trennen eines Bauelements von seiner jeweiligen Kontaktfläche anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung zwischen einer Kontaktfläche einer Leiterplatte und einem auf der Kontaktfläche angeordnetem Bauelement, ein Verfahren zum Trennen zumindest eines Bauelements von einer Kontaktfläche, eine Leiterplatte und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer Leiterplatte. Bezüglich des Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung zwischen einer
Kontaktfläche einer Leiterplatte und einem auf der Kontaktfläche angeordnetem Bauelement, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen von Lot auf der Kontaktfläche, welches Lot Bismut (Bi) mit einem Anteil von zumindest 50 Gewichtsprozent aufweist; - Anordnen eines Bauelements auf der Kontaktfläche;
- Durchführen eines Lötprozesses, umfassend die Schritte:
-- Aufschmelzen des Lots, bei welchem Aufschmelzen das Lot auf eine maximale Temperatur gebracht wird, welche maximale Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur des Lots liegt, -- Anschließendes Abkühlen des Lots, bei welchem Abkühlen das Lot erstarrt, so dass die
Lotverbindung zwischen der Kontaktfläche und dem Bauelement gebildet wird, wobei das Abkühlen mit einer Abkühlrate erfolgt, welche Abkühlrate größer als 6° C/s (d.h. Grad Celsius oder Kelvin pro Sekunde) ist. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass durch die Kombination des hoch Bismut-haltigen Lots (d.h. mit dem Anteil von zumindest 50 Gewichtsprozent) und der großen Abkühlrate größer als 6° C/s (d.h. Grad Celsius oder Kelvin pro Sekunde) eine sprödbrechende Lotverbindung erhalten wird. Überraschenderweise führt also das hoch Bismut-haltiges Lot, vorausgesetzt, es wird genügend rasch abgekühlt, zu der sprödbrechenden Lotverbindung.
Mit Sprödbruch wird in der Bruchmechanik ein schlagartig auftretendes Materialversagen bezeichnet. Sprödbrechende Werkstoffe zeichnen sich im Spannungs-Dehnungs- Diagramm durch einen steilen Anstieg der Hook'schen Geraden aus, an deren Ende der Bruch ohne plastische Deformation erfolgt. Der große Vorteil einer sprödbrechenden Lotverbindung ist, dass unter einer definierten Krafteinwirkung das Bauelement sauber von der Kontaktfläche getrennt werden kann, ohne dass ein Wiederaufschmelzen der Lotverbindung erforderlich ist. Die sprödbrechende Lotverbindung ist dennoch unter bestimmungsgemäßen
Einsatzbedingungen über die bestimmungsgemäße Einsatzzeit der Leiterplatte beständig.
„Bestimmungsgemäße Einsatzbedingungen der Leiterplatte“ bedeutet beispielsweise, dass für den Fall, dass die Leiterplatte in einer Elektronikeinheit eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik eingesetzt wird, die Leiterplatte maximal den für das Feldgerät spezifizierten Einsatzbedingungen wie bspw. mechanischen Vibrationen ausgesetzt wird. Diese reichen nicht aus, um die für den Sprödbruch benötigte Kraft zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für das vorstehend genannte Reflow-Löten als auch für Wellenlöten oder andere Arten des Selektiv-Lötens. Diese unterscheiden sich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen dadurch, ob zuerst das Lot und dann das Bauelement auf der Kontaktfläche bereitgestellt wird (wie bspw. beim Reflow Löten), oder andersherum zuerst das Bauelement und dann das Lot bereitgestellt wird (wie beim Wellenlöten).
In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das bereitgestellte Lot zusätzlich Zinn (Sn) mit einem Anteil von zumindest 40 Gewichtsprozent auf.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das bereitgestellte Lot zusätzlich Silber (Ag) auf, mit einem Anteil von maximal 2 Gewichtsprozent.
Ein Beispiel ist eine Lotlegierung mit Gewichtsprozentanteilen Bi:58 und Sn:42 (Bismut- Zinn Eutektikum) oder ein Bismut-Zinn-Silber-Lot mit Gewichtsprozentanteilen Bi:57,
Sn:42 und Ag:1. Diese Lote haben eine Liquidustemperatur von 139°C. Der Silberanteil wird eingesetzt, um die Sprödigkeit herabzusetzen und sollte daher in einer Ausgestaltung maximal 2% betragen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das bereitgestellte Lot im Wesentlichen nur Bismut und Zinn auf. Dies hat den Vorteil der hohen Verfügbarkeit bzw. das es wesentlich günstiger ist als Lote, die zusätzlich Silber aufweisen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Abkühlrate größer als 10° C/s. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Abkühlrate mittels Zuführen flüssigen Stickstoffs zu der Lotverbindung eingestellt.
Gasförmiger Stickstoff kann (beispielsweise als Abdeckmedium) in den vorstehend genannten Wellen- oder Reflow-Lötanlagen eingesetzt werden. Stickstoff wird dabei in einem flüssigen Zustand aus einem Flüssigtank zugeführt. Bevorzugt wird nun der flüssige Stickstoff auch zum Abkühlen von bereits gelötetem Lötgut eingesetzt. Der Stickstoff wird auf seinen gasförmigen Zustand erwärmt und kann als gasförmiges Abdeckmedium für einen anschließenden Lötprozess eingesetzt werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Abkühlrate kleiner als 50°C/s (Grad Celsius pro Sekunde).
Bezüglich des Verfahrens zum Trennen zumindest eines Bauelements von einer Kontaktfläche wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Trennen zumindest eines auf einer jeweiligen Kontaktfläche einer Leiterplatte aufgelöteten Bauelements von der jeweiligen Kontaktfläche, wobei eine Lotverbindung zwischen dem Bauelement und der Kontaktfläche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist, umfassend den Schritt: - Tennen des zumindest einen Bauelements von der Kontaktfläche, bei welchem
Trennen unter einer Einwirkung einer Kraft auf die Lotverbindung ein Sprödbruch der Lotverbindung erzeugt wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Trennen wird in dem Fall, dass mehrere Bauelemente von ihren jeweiligen Kontaktflächen getrennt werden, ein Großteil der Bauelemente im Wesentlichen gleichzeitig von der jeweiligen Kontaktfläche mittels Sprödbruch getrennt, unter einer im Wesentlichen gleichzeitigen Einwirkung einer Kraft auf die jeweilige Lotverbindung. In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum T rennen wird das Verfahren bei
Temperaturen durchgeführt, welche zumindest 50°C, insbesondere zumindest 100°C unterhalb der Liquidustemperatur des Lots liegen.
Wie vorstehend erwähnt liegt die Liquidustemperatur des hoch-Bismut-haltigen Lots bei ca. 140 °C. Bevorzugt kann das Verfahren bspw. bei Raumtemperaturen von ca. 20°C durchgeführt werden, d.h. es wird eine saubere, umweltschonende Trennung des Bauelements von der Leiterplatte ermöglicht. In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum T rennen wird die Kraft auf die Lotverbindung/en mittels eines Aufpralls der Leiterplatte in einem freien Fall der Leiterplatte auf eine Aufprallfläche aufgebracht. Insbesondere wird die Kraft mittels eines freien Falls in einer Fallvorrichtung, in welcher Fallvorrichtung die Aufprallfläche im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Leiterplatte angeordnet ist, aufgebracht. Die Aufprallfläche ist beispielsweise als eine Oberfläche eines Klotzes am Fuße der Aufprallvorrichtung ausgebildet. In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Trennen wird die Kraft auf die
Lotverbindung/en mittels eines Aufpralls der mit einer Zentrifugalkraft beschleunigten Leiterplatte auf eine Aufprallfläche aufgebracht.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Trennen wird die Kraft auf die Lotverbindung/en mittels einer Biegung der Leiterplatte aufgebracht.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Trennen wird die Kraft auf die Lotverbindung/en mittels einer Beschallung mit Ultra- oder Infraschall aufgebracht. Bezüglich der Leiterplatte wird die Aufgabe gelöst durch eine Leiterplatte, aufweisend:
- eine Kontaktfläche;
- ein Bauelement, das mittels einer Lotverbindung mit der Kontaktfläche stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Lotverbindung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
Bezüglich des Feldgeräts der Automatisierungstechnik wird die Aufgabe gelöst durch ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, mit einer Elektronikeinheit, wobei die Elektronikeinheit die erfindungsgemäße Leiterplatte aufweist. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen; wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
Es zeigt:
Fig. 1 a, b, c: Eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Lotverbindung. Fig. 2: Ein Temperatur-Profil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Lotverbindung;
Fig. 3: Ein Flussdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Lotverbindung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trennen zumindest eines auf einer jeweiligen Kontaktfläche einer Leiterplatte aufgelöteten Bauelements von der Kontaktfläche;
Fig. 4a, b, c: Verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trennen zumindest eines auf einer jeweiligen Kontaktfläche einer Leiterplatte aufgelöteten Bauelements; und
Fig. 5: Ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit.
In Fig 1a, 1 b sind Schritte des Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Lotverbindung 1 zwischen einer Kontaktfläche 2 einer Leiterplatte 3 und einem auf der Kontaktfläche 2 angeordneten Bauelement 4 dargestellt, wobei die Leiterplatte 3 in einer Schnittansicht dargestellt ist. Ein Bauelement 4 wird auf die Kontaktfläche 2 bestückt. Anschließend (bzw. je nach Lotverfahren vor dem Bestücken des Bauelements 4) wird ein Lot 5 bereitgestellt. Es handelt sich erfindungsgemäß um ein hoch- Bismut haltiges Lot 5 d.h. mit einem Anteil von zumindest 50 Gewichtsprozent. Das Bauelement 4 wird anschließend in einem üblichen Massen- oder Selektivlötverfahren verlötetet, um eine Lotverbindung 6 herzustellen, wobei wieder auf das eingangs erwähnte Wellen- oder Reflowlöten verwiesen sein.
Allen gängigen Lotverfahren ist gemein, dass bei der Prozesssteuerung während des Lötverfahrens ein in Fig. 2 näher dargestelltes Temperaturprofil angesteuert wird. Dabei handelt es sich um eine Temperatur- Zeit Funktion, die beschreibt, zu welchem Zeitpunkt während des Lötens das Lötgut (bspw. das Bauelement 4) und/oder das Lot 5 welche Temperatur erfährt, Beispielsweise geschieht in einem ersten Abschnitt des Temperaturprofils ein Vorheizen, gefolgt von einem Aufheizen auf eine maximale Temperatur Tmax. Diese liegt typischerweise oberhalb der Liquidustemperatur LQ des Lots 5. Anschließend erfolgt ein gesteuertes Abkühlen d.h. mit einer definiert eingestellten Abkühlrate dT/dt. Als Abkühlrate dT/dt wird bei einem Lötvorgang die maximale zeitliche Änderung der Temperatur während des Abkühlens bezeichnet, unmittelbar anschließend zu dem Zeitpunkt, an dem die Liquidustemperatur LQ vorliegt. Erfindungsgemäß wird nun das hoch-Bismut haltige Lot 5 mit einer Abkühlrate dT/dt kombiniert, die größer als 6° C/s ist. Dies ist deutlich größer als im Stand der Technik üblicherweise verwendete Abkühlraten. Überraschenderweise hat sich in Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, dass dadurch eine sprödbrechende Lotverbindung 6 erzeugt wird.
In einer Ausgestaltung wird die Abkühlrate unterzuführen flüssigen Stickstoffs 7 eingestellt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt.
Bevorzugt sind alle Lotverbindungen 6 des Bauelements 4 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lotverbindungen 6. Das Bauelement 4 kann dadurch sehr einfach mittels eines Sprödbruchs in der Lotverbindung 6 unter Einwirkung einer kontrollierten Kraft sauber von der Leiterplatte 3 wieder getrennt werden. Bei dem Sprödbruch wird die sprödbrechende Lotverbindung 6 in zwei oder mehr Teile getrennt. Dies ist in Fig. 1c dargestellt.
Die Schritte des Verfahrens zur Erzeugung der sprödbrechenden Lotverbindung 6 sind auch noch einmal als Flussdiagram in Fig. 3 dargestellt. Sie umfassen: A: Bereitstellen des hoch-Bismut haltigen Lots 5, B: Bereitstellen des Bauelements 4, C: Aufschmelzen und D: Abkühlen mit der erfindungsgemäßen Abkühlrate größer als 6° C/s. Je nach Lötverfahren erfolgt der Schritt A vor B oder umgekehrt.
Nach Beendigung der bestimmungsgemäßen Lebensdauer eines elektronischen Geräts, in welches die Leiterplatte 3 eingesetzt wird (typischerweise 2 bis 10 Jahre), kann das Bauelement 4 sehr einfach von der Leiterplatte 3 durch Sprödbruch der Lotverbindung 6 entfernt werden.
Dieses geschieht in dem Schritt E: Trennen des zumindest Bauelements 4 von der Kontaktfläche 2, bei welchem Trennen unter einer Einwirkung einer Kraft F auf die Lotverbindung 6 ein Sprödbruch der Lotverbindung 6 erzeugt wird.
Die Kraft F kann mittels unterschiedlicher Verfahren auf die Lotverbindung/en 1 aufgebracht werden, welche in Fig. 4a-c näher dargestellt ist.
Fig. 4a zeigt eine Fallvorrichtung 8, in welche die Leiterplatte 3 eingesetzt wird und anschließend unter Einwirkung der Erdbeschleunigung g über eine vordefinierte Strecke der Fallvorrichtung 8 fallengelassen wird, bis die Leiterplatte 3 auf eine Aufprallfläche AF (bspw. einen Stirnfläche eines Holzklotzes) trifft. Der Aufprall auf die Aufprallfläche AF führt zu einer als Querkraft auf die Lotverbindung 6 einwirkenden Kraft F, welche den Sprödbruch in den Lotverbindung 6 verursacht. Dadurch kann das Bauelement 4 sehr einfach ohne Einwirkung von zusätzlicher Wärme bei Raumtemperatur von der Leiterplatte 3 getrennt werden. Die Leiterplatte 3 kann auch mittels einer Zentrifuge vor dem Aufprall auf eine
Aufprallfläche AF beschleunigt werden. Mittels der Zentrifuge können Beschleunigungen größer als die Erdbeschleunigung g erreicht werden.
Bevorzugt ist ein Großteil der Bauelemente 4, 4a, 4b,... mittels derartiger sprödbrechender Lotverbindungen 6,6a,6b,... auf ihren jeweiligen Kontaktflächen 2,2a,2,b,... (nicht dargestellt) aufgelötet. Dadurch kann der Großteil der Bauelemente 4,4a,4b,... (beispielsweise alle Bauelemente 4,4a,4b,...) unter Einwirkung der Kraft F im Wesentlichen gleichzeitig von der Leiterplatte 3 entfernt werden. Es wird also ein wesentlich vereinfachter Prozess zur Ent-Stückung vieler oder aller Bauelemente 4,4a,4b,... von einer Leiterplatte 3 ermöglicht: Für den Fall, dass die Leiterplatte 3 eine Vielzahl von Bauelementen 4, 4a, 4b,... aufweist (nicht dargestellt), können diese also im Wesentlichen gleichzeitig von der Leiterplatte 3 entfernt werden. In Fig. 4b wird die Leiterplatte 3 in eine Haltevorrichtung 21 eingespannt. Die Kraft F auf die Lotverbindung 6 wird mittels einer Biegung, bspw. einer Einpunkt- oder Mehrpunkt- Biegung der Leiterplatte 3, aufgebracht, die zu dem Sprödbruch führt, wodurch die Bauelemente 4, 4a, 4b, 4c mittels Sprödbruch ihrer Lotverbindungen 6, 6a, 6b, 6c im Wesentlichen gleichzeitig von der Leiterplatte 3 getrennt werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen der Kraft F ist in Fig. 4c dargestellt. Mittels eines Lautsprechers 22 wird Schall S, bspw. Ultra- oder Infraschall, auf die in eine Haltevorrichtung 21 eingespannte Leiterplatte 3 aufgebracht. Dieser bewirkt die zu Sprödbruch führende Kraft F, wodurch die Bauelemente 4, 4a, 4b, 4c mittels Sprödbruch ihrer Lotverbindungen 6, 6a, 6b, 6c im Wesentlichen gleichzeitig von der Leiterplatte 3 getrennt werden.
Die Elektronikeinheit 10 umfassend die Anordnung aus Bauelement 4 und Leiterplatte 3 wird bevorzugt in einem Feldgerät 11 der Automatisierungtechnik eingesetzt. Ein derartiges Feldgerät 11 der Automatisierungstechnik ist in Fig. 5 näher dargestellt. Das Feldgerät 11 weist eine, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zumindest abschnittsweise mit einem Prozessmedium in Kontakt stehende Sensoreinheit 17 auf, welche der Erzeugung eines die Prozessgröße repräsentierenden, bspw. elektrischen und/oder elektronischen, Messsignals, dient. Die in einem Transmittergehäuse 9 des Feldgeräts 11 angeordnete Elektronikeinheit 10 dient der Verarbeitung und/oder Weiterleitung von der von der Sensoreinheit 17 erzeugten Messsignale. Die Elektronikeinheit 10 umfasst die Leiterplatte 3 mit dem darauf angeordneten Bauelement 4.
In der in Fig. 5 gezeigten Ausgestaltung weist das Feldgerät 11 eine weitere, als Anzeige- /Eingabeeinheit 20 ausgestaltete Elektronikeinheit 10 auf, mit einem darauf montierten (Touch-)Display. Die erfindungsgemäße Elektronikeinheit 10 umfassend das Bauelement 1 und die Leiterplatte 2 kann selbstverständlich auch als Anzeige-/Eingabeeinheit 20 ausgestaltetet sein.
Bezugszeichen und Symbole
1 Lotverbindungen
2, 2a, 2b Kontaktflächen 3 Leiterplatte
4,4a,4b,... Bauelemente
5 Lot
6,6a,6b,.. Lotverbindung
7 Stickstoff 8 Fallvorrichtung
9 Transmittereinheit
10 Elektronikeinheit 11 Feldgerät 17 Sensoreinheit 20 Anzeige-/Eingabeeinheit
21 Haltevorrichtung 22 Lautsprecher
Tmax maximale Temperatur LQ Liquidustemperatur dT/dt Abkühlrate AF Aufprallfläche F Kraft S Schall

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung (1) zwischen einer Kontaktfläche (2) einer Leiterplatte (3) und einem auf der Kontaktfläche (2) angeordnetem Bauelement (4), umfassend die Schritte:
- Bereitstellen von Lot (5) auf der Kontaktfläche (2), welches Lot Bismut (Bi) mit einem Anteil von zumindest 50 Gewichtsprozent aufweist;
- Anordnen des Bauelements (4) auf der Kontaktfläche (2);
- Durchführen eines Lötprozesses, umfassend die Schritte:
-- Aufschmelzen des Lots (5), bei welchem Aufschmelzen das Lot (5) auf eine maximale Temperatur (Tmax) gebracht wird, welche maximale Temperatur (Tmax) oberhalb der Liquidustemperatur (LQ) des Lots (5) liegt,
-- Anschließendes Abkühlen des Lots (5), bei welchem Abkühlen das Lot (5) erstarrt, so dass die Lotverbindung (6) zwischen der Kontaktfläche (2) und dem Bauelement (4) gebildet wird, wobei das Abkühlen mit einer Abkühlrate (dT/dt) erfolgt, welche Abkühlrate (dT/dt) größer als 6° C/s ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das bereitgestellte Lot (5) zusätzlich Zinn (Sn) mit einem Anteil von zumindest 40 Gewichtsprozent aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das bereitgestellte Lot (5) zusätzlich Silber (Ag) aufweist, mit einem Anteil von maximal 2 Gewichtsprozent.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abkühlrate (dT/dt) größer als 10° C/s ist.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abkühlrate (dT/dt) mittels Zuführen flüssigen Stickstoffs (7) zu der Lotverbindung (6) eingestellt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abkühlrate (dT/dt) kleiner als 50°C/s ist.
7. Verfahren zum Trennen zumindest eines auf einer jeweiligen Kontaktfläche (2) einer Leiterplatte (3) aufgelöteten Bauelements (4) von der jeweiligen Kontaktfläche (2), wobei eine Lotverbindung (1) zwischen dem Bauelement (4) und der Kontaktfläche (2) mittels eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist, umfassend den Schritt: Trennen des zumindest einen Bauelements (4) von der Kontaktfläche (2), bei welchem Tennen unter einer Einwirkung einer Kraft (F) auf die Lotverbindung (1) ein Sprödbruch der Lotverbindung (1) erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei im Fall, dass mehrere Bauelemente (4,4a,4b,...) von ihren jeweiligen Kontaktflächen (2,2a,2b,...) getrennt werden, ein Großteil der Bauelemente (4,4a,4b,...) im Wesentlichen gleichzeitig von der jeweiligen Kontaktfläche (2,2a,2b,...) mittels Sprödbruch getrennt wird, unter einer im Wesentlichen gleichzeitigen Einwirkung einer Kraft (F) auf die jeweilige Lotverbindung (6,6a,6b,...).
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das Verfahren bei Temperaturen durchgeführt wird, welche zumindest 50°C, insbesondere zumindest 100°C unterhalb der Liquidustemperatur (LQ) des Lots (5) liegen.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kraft (F) auf die Lotverbindung/en (6,6a,6b,..) mittels eines Aufpralls der Leiterplatte (3) in einem freien Fall der Leiterplatte (3) auf eine Aufprallfläche (AF) aufgebracht wird, insbesondere mittels eines freien Falls in einer Fallvorrichtung (8), in welcher Fallvorrichtung (8) die Aufprallfläche (AF) im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Leiterplatte (3) angeordnet ist.
11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Kraft (F) auf die Lotverbindung/en (6,6a,6b,..) mittels eines Aufpralls der mit einer Zentrifugalkraft beschleunigten Leiterplatte (3) auf eine Aufprallfläche (AF) aufgebracht wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 11 , wobei die Kraft (F) auf die Lotverbindung/en (6,6a,6b,..) mittels einer Biegung der Leiterplatte (3) aufgebracht wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Kraft (F) auf die Lotverbindung/en (6,6a,6b,..) mittels einer Beschallung mit Ultra- oder Infraschall (S) aufgebracht wird.
14. Leiterplatte (3), aufweisend:
- eine Kontaktfläche (2); - ein Bauelement (4), das mittels einer Lotverbindung (6) mit der Kontaktfläche (2) stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Lotverbindung (6) mittels eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.
15. Feldgerät (11) der Automatisierungstechnik mit einer Elektronikeinheit (10), wobei die Elektronikeinheit (10) die Leiterplatte (3) nach Anspruch 14 aufweist.
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