PL184454B1

PL184454B1 - Sposób dozowania lutu w kroplach i urządzenie do dozowania lutu w kroplach

Info

Publication number: PL184454B1
Application number: PL97322237A
Authority: PL
Inventors: James S. Akin; Edward B. Menard; Thomas A. Schiesser; Ted M. Smith
Original assignee: Ibm
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-22
Publication date: 2002-10-31
Also published as: HU9701128D0; US5860575A; CN1178445A; CZ300297A3; JP3353814B2; HUP9701128A3; RU2179912C2; JPH10117059A; MY115473A; CN1110232C; HK1009036A1; HU220317B; PL322237A1; HUP9701128A2

Abstract

1 . Sposób dozowania lutu w kroplach, w którym stopiony lut dostarcza sie do glowicy dozujacej, przemieszcza sie glowice dozujaca w miejsce nakladania lutu i przez zespól dyszy wyrzuca krople lutu na to miej- sce, znamienny tym, ze stopiony topnik (16) okresowo dostarcza sie do obszaru konca (13) zespolu (7) w okolicy otworu (12) dyszy (9) zespolu (7). 8. Urzadzenie do dozowania lutu w krop- lach zawierajace umieszczona suwliwie na zespole przemieszczania glowice dozujaca, wyposazonaw dysze majaca na koncu otwór, znamienny tym, ze zawiera zespól dostar- czajacy (4) topnik (16) usytuowany w pobli- zu glowicy dozujacej (1). F I G . 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób dozowania lutu w kroplach i urządzenie do dozowania lutu w kroplach mające na celu polepszenie rozmiaru, kształtu i składu kropel stopionego lutu.

Cyfrowe systemy elektroniczne, a zwłaszcza komputery osobiste są produkowane w coraz mniejszych wymiarach. Zmniejszenie wymiarów zintegrowanych składników obwodów i końcówek wejściowo/wyjściowych elementów ma bezpośredni wpływ na ukształtowanie styków płytek drukowanych.

184 454

Tradycyjne techniki lutowania zintegrowanych zespołów obwodów urządzeń do płytek drukowanych osiągają już granice technologiczne oraz są coraz kosztowniejsze, kiedy są stosowane dla małych wymiarów typowych dla nowoczesnych konstrukcji. Dominująca technologia, drukowanie pasty lutowniczej na płytkach drukowanych za pomocą matryc, osiąga już swoje granice, podczas kiedy dominująca technika alternatywna, kształtowanie osadów lutu na płytkach drukowanych poprzez galwanizację, jest względnie kosztowna.

Analogiczna sytuacja ma miejsce w odniesieniu do kształtowania lutu na zintegrowanej matrycy obwodu, takiej jak dla urządzeń z kontaktem sferycznym, albo na zespołach zintegrowanych obwodów ceramicznych.

Tak więc, pojawiło się zainteresowanie możliwością dozowania lub natryskiwania stopionego lutu bezpośrednio na zintegrowaną matrycę obwodu (indywidualnie albo w postaci płytki), na zespoły zintegrowanych obwodów ceramicznych i na płytki drukowane. Ze stosowaniem technologii dozowania lub rozpylania kropel lutu związane są liczne zalety, kiedy jakość kropel stopionego lutu może być kontrolowana co do składu, objętości i umiejscowienia. Możliwe jest osiąganie dokładnego umiejscawiania kropel stopionego lutu osadzanych na podłożu. Jednak problem wykonania systemu dozowania stopionego lutu, który jest wystarczająco pewny dla zastosowań produkcyjnych, jeśli chodzi o to, aby krople stopionego lutu były zgodne co do składu, objętości i kształtowania, jeszcze nie został rozwiązany.

Z opisu patentowego USA nr 5,377,961 znana jest pompa elektrodynamiczna do dozowania stopionego lutu w kroplach o względnie kontrolowanej objętości. Ta pompa elektrodynamiczna stanowi znaczące ulepszenie w stosunku do urządzeń dozujących krople wykorzystujących przetworniki elektrostrykcyjne, takich jak urządzenia piezoelektryczne, i określa podstawy dla umożliwiającego sterowanie systemu dozowania stopionego lutu. Chociaż wczesne testy ustaliły zdolność pompy elektrodynamicznej do dozowania kropel stopionego lutu, ocena nastaw produkcyjnych, w których decydująca jest powtarzalność dozowania kropel, konsystencja składu kropli, oraz stabilność rozmiarów kropel dowiodła, że konieczne są udoskonalenia. Pod tym względem, testy dowiodły, · że -stopiony lut umieszczony blisko otworu dyszy nie pozostaje przez cały czas jednorodną mieszaniną czystego lutu. Analizy metalurgiczne pozostałości w dyszach wyrzucających lut i analizy fotograficzne dozowania kropel potwierdziły, że wewnątrz kropel znajdowała się mieszanina czystego lutu i utlenionej cyny oraz ołowiu, przy czym ta kombinacja powodowała powstawanie kropel o niejednorodnych właściwościach fizycznych, takich jak napięcie powierzchniowe, temperatura topnienia i powinowactwo z innymi materiałami (zwilżalność). Zamknięcie obszaru dyszowego w środowisku azotowym (beztlenowym) nie rozwiązało problemu.

Testy pompy elektrodynamicznej dla lutu dowiodły, że krople lutu po kilku godzinach działania różniły się zasadniczo od siebie, bez względu na konsystencję parametrów wejściowych, które wytwarzają impulsy ciśnienia wytwarzające pojedyncze krople. Dalsze badania dowiodły, że niestabilność była związana z niejednorodną naturą lutu w pobliżu otworu dyszy, przy czym niejednorodny lut składał się ze wspomnianej wcześniej mieszaniny czystego lutu z utlenioną cyną i ołowiem.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu dozowania lutu i urządzenie do zwiększania stabilności kropli dzięki któremu uzyskuje się krople o większej jednorodności i tym samym polepszenie połączenia lutowanego.

Sposób dozowania lutu w kroplach, w którym stopiony lut dostarcza się do głowicy dozującej, przemieszcza się głowicę dozującą w miejsce nakładania lutu i przez zespół dyszy wyrzucą krople lutu na to miejsce według wynalazku charakteryzuje się tym, że stopiony topnik okresowo dostarcza się do obszaru końca zespołu w okolicy otworu dyszy zespołu.

Korzystnie, nałożony na obszar końca topnik utrzymuje się w temperaturze od 220 do 250°C.

Korzystnie, nakłada się topnik przez zanurzenie końca zespołu w płynnym topniku umieszczonym w zbiorniku.

184 454

Korzystnie, nakłada się topnik przez dociśnięcie końca zespołu do gąbki umieszczonej w zbiorniku.

Korzystnie, nakładanie topnika polega na tym, że zanurza się w topniku pierścień formując na nim błonę utworzoną z topnika, a następnie przeprowadza się pierścień z topnikiem przez obszar końca.

Korzystnie, nakładanie topnika polega na tym, że topnik wyrzuca się przez rurę umieszczoną w zespole.

Korzystnie, topnik natryskuje się na koniec zespołu rozpylaczem.

Urządzenie do dozowania lutu w kroplach zawierające umieszczoną suwliwie na zespole przemieszczania głowicy dozującej wyposażoną w dyszę mającą na końcu otwór według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera zespół dostarczający topnik usytuowany w pobliżu głowicy dozującej.

Korzystnie, zespół dostarczający topnik stanowi zwitek bawełniany.

Korzystnie, zespół dostarczający topniki stanowi zbiornik wypełniony płynnym topnikiem.

Korzystnie, w zbiorniku jest umieszczona gąbka.

Korzystnie, zespół dostarczający zawiera zbiornik oraz pierścień umocowany ruchomo pomiędzy zbiornikiem a głowicą dozującą.

Korzystnie, zespół dostarczający stanowi rura umocowana na stałe wewnątrz zespołu dyszy i mająca jeden koniec usytuowany w pobliżu otworu dyszy.

Korzystnie, zespół dostarczający zawiera zbiornik połączony poprzez pompę z rozpylaczem, przy czym rozpylacz przy swoim wolnym końcu jest przymocowany do zespołu w pobliżu otworu.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w sposób schematyczny linię produkcyjną, w której pompa elektrodynamiczna jest stosowana do osadzania kropel stopionego lutu na podłożu, przy czym jest ona operacyjnie stabilizowana przez urządzenie do dostarczania topnika, fig. 2 - schematyczny przekrój obszaru dyszy głowicy pompy elektrodynamicznej, fig. 3 - schematycznie obszar dyszy, w przekroju przedstawiającym niejednorodny lut i płynący topnik, fig. 4 - schematycznie, wkładanie dyszy do zbiornika topnika, fig. 5 - schematycznie, pobieranie topnika przez dyszę z czynnika pośredniego, fig. 6 - schematycznie, pobieranie topnika przez dyszę z cienkiej błony, fig. 7 - schematycznie, przenoszenie topnika do dyszy przez rurę znajdującą się wewnątrz stopionego lutu, fig. 8 - schematycznie, przenoszenie topnika do dyszy przez rurę rozpylającą znajduj ącą się na zewnątrz zbiornika topnika.

Stabilizacja kropel stopionego lutu wyrzucanych z dyszy pompy kropelkowej jest osiągana poprzez wprowadzanie do dyszy topnika. Chociaż topnik jest szeroko stosowany w zespołach płytek drukowanych do chemicznego zmieniania powierzchni metalicznych w celu osiągnięcia mechanicznie dobrych i metalurgicznie czystych połączeń lutowanych, wynalazek niniejszy obejmuje stosowanie topnika na samym urządzeniu do dozowania lutu.

Podawanie topnika do dyszy pompy kropelkowej dla lutu rozkłada tlenki zawarte w łucie, w celu dostarczenia czystej i jednorodnie stopionej kropli lutu w otworze dyszy pompy dla lutu. Wstępne badanie wpływu topnika na dozowanie kropel lutu wskazuje, że topnik działa na trzy sposoby. Po pierwsze, topnik rozkłada i redukuje tlenki cyny i ołowiu w masie lutu na albo blisko powierzchni styku pomiędzy stopionym lutem i powierzchnią dyszy, w celu wytworzenia jednorodnej mieszaniny czystego, eutektycznego lutu. Po drugie, topnik rozkłada i polepsza usuwanie tlenków na powierzchni wewnętrznej samego otworu dyszy, wygładzając otwór i zasadniczo smarując powierzchnię otworu za pomocą warstwy topnika. Na koniec, topnik zmniejsza napięcie powierzchniowe lutu w samym otworze dyszy, w ten sposób polepszając zwilżalność lutu na powierzchni dyszy dookoła otworu, w celu wyeliminowania gazów uwięzionych w tym rejonie. Takie uwięzione gazy są uważane za pogarszające jednolite dozowanie kropel.

184 454

Skuteczność topnika w polepszaniu dozowania kropel lutu była po raz pierwszy zademonstrowana poprzez proste dostarczenie topnika do dyszy pompy kropelkowej dla lutu za pomocą zwitka bawełnianego. -Ciepło pompy kropelkowej dla lutu powoduje przyspieszenie ruchu kapilarnego topnika przez otwór, aktywuje topnik do rozkładania tlenków, powoduje zmniejszenie napięcia powierzchniowego, oraz polepszenie przepływu kropel przez otwór dyszy. Nawet jeśli zachodzi gromadzenie się resztek, mogą one być łatwo usuwane przez proste mechaniczne urządzenie szorujące albo oczyszczające.

Figura 1 przedstawia w sposób schematyczny przykład wykonania wynalazku w systemie dozowania lutu. Jak pokazano, głowica dozująca 1 lut jest przymocowana do zespołu 2 przemieszczania głowicy dozującej 1 stanowiącego suwnicę XYZ, odpowiednią do ustawiania głowicy dozującej 1 nie tylko względem podłoża 3, na którym są osądzane krople lutu, ale także względem zespołu dostarczającego 4 topnik i zespołu oczyszczającego 6 z resztek. Głowica dozująca 1 lut rozpoczyna wyrzucanie przez zespół 7 dyszy 9 kropel lutu, o rozmiarach nominalnie mieszczących się w zakresie od 0,1 mm do 0,51 mm (od 4 do 20 milicali) średnicy, na podłoże 3. Podłożem 3 może być płytka drukowana z układem styków miedzianych, płytką matryc wielokrotnych układów scalonych (chip'ów) z indywidualnymi układami wkładek, albo sprzęt utrzymujący wiele indywidualnych układów scalonych albo zespołów ceramicznych. W każdym przypadku, zespół 2 przemieszczania głowicy dozującej 1 ustawia zespół 7 dyszy 9 tak, aby umożliwić selektywne osadzania jednej albo większej ilości kropel stopionego lutu na wskazanych miejscach na podłożu 3.

Dotychczasowe doświadczenia wskazują że lut w głowicy dozującej 1 korzystnie jest bardzo czystą mieszaniną zawierającą 63% cyny i 37% ołowiu. Jednak jeśli lut jest osadzany na płytkach albo układach scalonych, prawdopodobnie będzie to lut wysokotemperaturowy o nieco innych proporcjach, zawierający typowo 90% ołowiu i 10% cyny.

Zespół dostarczający 4 topnik jest przedstawiony w sposób ogólny, a konkretne przykłady wykonania zostaną opisane poniżej. Zespół dostarczający 4 obejmuje rozwiązanie tak proste jak wspomniane powyżej pokryte topnikiem zwitki bawełniane. Kluczową cechą rozwiązania z fig. 1 jest to, że do zespołu 7 dyszy 9 jest okresowo dostarczany topnik, oraz ewentualnie topnik jest oczyszczany.

Figura 2 przedstawia w sposób schematyczny zespół 7 dyszy 9 i związaną z nim dolną część zespołu głowicy dozującej 1 lut. Jak pokazano, zespół 7 dyszy jest połączony z dolną częścią zespołu głowicy dozującej 1 i zawiera tuleję zewnętrzną 8 i dyszę 9. Wewnątrz tulei zewnętrznej 8 dyszy 9 znajduje się słupek stopionego lutu 11, który jest utrzymywany w stanie płynnym przez ciepło pochodzące z zespołu głowicy dozującej 1. Okresowe, wzbudzane elektromagnetycznie impulsy ciśnienia z zespołu głowicy dozującej 1, powodują wyrzucanie indywidualnych kropli przez otwór 12 dyszy 9. Według wynalazku, stabilność kropel stopionego lutu 11 jest polepszana poprzez dostarczanie do obszaru zakończeniowego zespołu 7 dyszy 9 topnika, na końcu 13 dyszy 9.

Figura 3 przedstawia w sposób schematyczny powiększony widok dyszy 9, otworu 12 dyszy 9, stopionego lutu 11 i osadzonego topnika 16. Jak pokazano, dyszę 9 tworzy szafirowy dysk. Uważa się, że stopiony lut 11 zawiera na powierzchni zewnętrznej rejony z tlenkiem /popiołem 14. Topnik 16 dostarczany do końca 13 dyszy 9 (fig. 2) tworzy poprzez działanie kapilarne warstwę topnika 16 na ścianie wewnętrznej otworu 12 oraz na odsłoniętej powierzchni stopionego lutu 11. Aktywowanie topnika 16 jest ułatwiane przez temperaturę zespołu 7 dyszy 9, przy czym aktywowany topnik 16 zapewnia oczyszczanie lutu 11 z tlenków / popiołu 14 w rejonie znajdującym się w pobliżu otworu 12. Ponadto, uważa się, że topnik 16 stabilizuję charakterystyki powierzchniowe stopionego lutu 11 i smaruje ścianki otworu 12.

Skład topnika 16 jest stosunkowo ważny. Podczas badania wielu topników 16 odkryto, że topniki 16 przeznaczone do naprawiania wyrobów lutowanych (ogólnie topniki naprawcze) i topniki 16 poziomujące lutowanie gorącym powietrzem (HASL) miały za zadanie najbardziej wpływać na wzmacnianie stabilności kropel stopionego lutu. Topniki naprawcze i topniki HASL mają wysoką stabilność termiczną przy podwyższonej temperaturze

184 454 (wyższej niż 150°C) i wysoką aktywność (zdolności do rozkładania warstw ciężkich tlenków). Ponieważ badania ogniskowały się na względnie wąskim zakresie temperaturowym dla dyszy i głowicy, konkretnie w zakresie 220-250°C, prawdopodobnie istnieją inne topniki odpowiednie do wzmacniania lutu dozowanego w temperaturach mieszczących się poniżej albo powyżej badanego zakresu.

Dla celów badawczych, lut zawierający 63% cyny i 37% ołowiu dozowany przez dyszę przy około 230 stopni C określał warunki, w których topnik musi działać bez zwęglania i bez wytwarzania resztek, które mogłyby zablokować otwór. Przy takich warunkach pracy i przy zastosowaniu dostarczania topnika 16 za pomocą zwitków, wstępne testy wykazały, że 10000 * 20000 kropel może być dozowanych przy względnie dobrym składzie i stabilności wymiarów. Dwoma handlowo dostępnymi topnikami, które posiadają charakterystyki odpowiednie dla wybranych warunków są topnik posiadające temperaturę aktywacji wynoszącą 100 - 130 stopni C i stabilność aż do wspomnianych powyżej 230 stopni C dla dyszy.

Wynalazek przedstawia kilka różnych rozwiązań zespołu dostarczającego 4 za pomocą którego topnik 16 jest dostarczany do końca 13 dyszy 9 (fig. 2) tak, aby zainicjować działania kapilarne i kształtowanie topnika 16 tak, jak ogólnie przedstawiono na fig. 3. Jeden przykład jest przedstawiony na fig. 4, na której koniec 13 zespołu 7 dyszy jest wkładany do płynnego topnika 17 wewnątrz zbiornika 18 płynnego topnika 17. Zbiornik 18 stanowi więc jeden z wariantów zespołu dostarczającego topnik.

Figura 5 przedstawia inne rozwiązanie zespołu dostarczającego 4 topnik, w którym płynny topnik 17 w zbiorniku 18 jest transportowany do zespołu 7 dyszy przez gąbkę 19. Przesyłanie topnika 17 poprzez kontakt z gąbką 19, albo funkcjonalnym czynnikiem zastępczym, ogranicza objętość topnika faktycznie umieszczanego na końcu 13 dyszy 9.

Inna technika osadzania cienkiej błony topnika na końcu 13 zespołu 7 dyszy 9 jest przedstawiona na fig. 6.

Jak pokazano, w etapie pierwszym do płynnego topnika 17 przechowywanego w zbiorniku 18 jest wkładany pierścień 21. Po wyjęciu z płynnego topnika 17, na pierścieniu 21 utrzymuje się cienka błona topnika 17 w poprzek powierzchni czołowej pierścienia 21. Jak pokazano, w etapie drugim koniec 13 zespołu 7 dyszy 9 jest przemieszczany przez błonę topnika w celu osadzenia na nim cienkiej warstwy.

Inna technika, za pomocą której topnik może być osadzany na otworze 12 dyszy 9 (fig. 2) jest przedstawiona schematycznie na fig. 7. Jak pokazano, cienka rura 22 wystaje do dołu przez stopiony lut 11 w zespole 7 dyszy, z otworem rury 22 znajdującym się w pobliżu otworu 12 dyszy 9. Topnik 23 jest wpychany do dyszy 9 w pobliżu otworu 12. Nadmiar topnika 23 i resztki topnika 23 są usuwane przez otwór 12 dyszy 8 podczas przygotowań do dozowania kropel stopionego lutu.

Natryskiwanie topnika bezpośrednio na koniec 13 dyszy 9 jest przedstawione schematycznie na fig. 8. Znowu, podstawowym celem jest osadzanie topnika w obszarze otworu 12 w ilości odpowiedniej dla umożliwienia kapilarnego wyciągania topnika przez otwór 12 na powierzchnię czołową stopionego lutu 11 w otworze 12. W przykładzie wykonania z fig. 8, pompa 24 dla topnika w połączeniu z rozpylaczem 26 topnika dozuje topnik w pożądanej ilości i miejscu.

Różne przedstawione i opisane przykłady wykonania ilustrują, że kluczowym celem wynalazku jest dostarczenie topnika do stopionego lutu w rejonie otworu dyszowego i na sam otwór w ilości odpowiedniej do oczyszczenia lutu z tlenków i popiołu, oraz nasmarowania otworu, zgodnie z temperaturą roboczą stopionego lutu. Dostarczony w ten sposób topnik zapewnią odpowiednie wyrzucanie kropel stopionego lutu z głowicy dozującej podczas tysięcy cykli i jako taki dostarcza urządzenie dozujące stopiony lut odpowiednie dla środowiska pracy.

184 454

184 454 $

FIG. 5

184 454

FIG. 6

184 454

FIG. 7

184 454

FIG. 8

184 454

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób dozowania lutu w kroplach, w którym stopiony lut dostarcza się do głowicy dozującej, przemieszcza się głowicę dozującą w miejsce nakładania lutu i przez zespół dyszy wyrzuca kroplę lutu na to miejsce, znamienny tym, że stopiony topnik (16) okresowo dostarcza się do obszaru końca (13) zespołu (7) w okolicy otworu (12) dyszy (9) zespołu (7).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nałożony na obszar końca (13) topnik (16) utrzymuje się w temperaturze od 220 do 250°C.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nakłada się topnik (16) przez zanurzenie końca (13) zespołu (7) w płynnym topniku (16) umieszczonym w zbiorniku (18).
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że nakłada się topnik (16) przez dociśnięcie końca (13) zespołu (7) do gąbki (19) umieszczonej w zbiorniku (18).
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nakładanie topnika (16) polega na tym, że zanurza się w topniku (16) pierścień (21) formując na nim błonę utworzoną z topnika (16), a następnie przeprowadza się pierścień (21) z topnikiem (16) przez obszar końca (13).
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nakładanie topnika (16) polega na tym, że topnik (16) wyrzuca się przez rurę (22) umieszczaną w zespole (7).
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że topnik (16) natryskuje się na koniec (13) zespołu (7) rozpylaczem (26).
8. Urządzenie do dozowania lutu w kroplach zawierające umieszczoną suwliwie na zespole przemieszczania głowicę dozującą, wyposażoną w dyszę mającą na końcu otwór, znamienny tym, że zawiera zespół dostarczający (4) topnik (16) usytuowany w pobliżu głowicy dozującej (1).
9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zespół dostarczający (4) topnik (16) stanowi zwitek bawełniany.
10. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zespół dostarczający (4) topnik (16) stanowi zbiornik (18) wypełniony płynnym topnikiem (17).
11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że w zbiorniku (18) jest umieszczona gąbka (19).
12. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zespół dostarczający (4) zawiera zbiornik (18) oraz pierścień (21) umocowany ruchomo pomiędzy zbiornikiem (18) a głowicą dozującą (1).
13. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zespół dostarczający (4) stanowi rura (22) umocowana na stałe wewnątrz zespołu (7) dyszy (9) i mająca jeden koniec usytuowany w pobliżu otworu (12) dyszy (9).
14. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zespół dostarczający (4) zawiera zbiornik (18) połączony poprzez pompę (24) z rozpylaczem (26), przy czym rozpylacz (26) przy swoim wolnym końcu jest przymocowany do zespołu (7) w pobliżu otworu (12).