WO1996000136A1

WO1996000136A1 - Verfahren und vorrichtung für ein kombiniertes oder spezielles wellen- und reflow-löten von leiterplatten und dergleichen

Info

Publication number: WO1996000136A1
Application number: PCT/EP1995/002450
Authority: WO
Inventors: Ernst Wandke; Hans Isler
Original assignee: Linde Aktiengesellschaft; Epm Handels Ag
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1996-01-04
Also published as: DE4421996A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Leiterplatten und dergleichen, bei dem die Leiterplatten oder sonstigen Bauteile durch eine weitgehend geschlossene, tunnelartige Durchlaufanlage gefahren werden, in der eine Erwärmung, die Verlötung und eine Abkühlung der Leiterplatten zumindest bis zur Lotverfestigung erfolgen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß vorab das anzuwendende Lötprinzip für eine oder - vorzugsweise - mehrere Leiterplatten bestimmt und festgelegt wird, wobei das Wellen-, das Reflow- und insbesondere ein kombiniertes Wellen- und Reflow-Löten oder ein Sonderlötverfahren zu den prinzipiellen Einstellmöglichkeiten gehören. Entsprechend der getroffenen Festlegung sind im weiteren insbesondere die Heiz- und Transportelemente der Anlage in bezug auf die Aufheizung und die Vorwärtsbewegung der Leiterplatten geeignet einzustellen sowie das zugehörige Lotbad in den entsprechenden Betriebszustand zu versetzen. Nach geeigneter Einstellung zumindest dieser Parameter kann dann die Bearbeitung der jeweiligen Leiterplatten durchgeführt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung für ein kombiniertes oder spezielles Wellen- und Reflow-Löten von Leiterplatten und dergleichen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Leiterplatten und dergleichen, bei dem die Leiterplatten durch eine weitgehend geschlossene, tunnelartige Durch¬ laufanlage gefahren werden, in der eine Erwärmung, die Verlötung und eine Abkühlung der Leiterplatten zumindest bis zur Lotverfestigung erfolgen. Ebenso betrifft die Erfindung eine entsprechende Durchlauflötanlage.

Der Einsatz von elektronischen Baueinheiten, die in Form von Leiterplatten mit auf¬ steckbaren, aufklebbaren oder auf sonstige Art oberflächenmontierbaren Bauele¬ menten, die abschließend zu verlöten sind, gestaltet sind, erfährt einen ständigen Zuwachs. Zur Herstellung dieser Baueinheiten ist es bekannt, Bauelemente entweder zunächst ohne jede Lotbeigabe auf die Leiterplatten aufzuzusetzen oder bereits vorab oder beim Bestückungsvorgang selbst Lot in Form von Lotpaste, Lotpreforms oder sonstigen Lotdepots benachbart zu den zu verlötenen Flächen anzuordnen.

Auf diesen Bestückungsvorgang folgt der Lötvorgang, der im Falle der ohne Lotdepots aufgebauten Leiterplatten heute üblicherweise in Wellenlötanlagen durchgeführt wird, die häufig zudem unter Schutzgas oder Niederdruck stehen. In solchen Wellenlöt¬ anlagen wird flüssiges Lot durch eine oder mehrere, die Leiterplatten von unten berüh¬ rende Lotwellen auf die Lötstelle übertragen, die Lötstelle muß offenliegen oder auf sonstige Weise für eine Lotwelle zugänglich sein muß (siehe hierzu z.B. DE-OS 37 44 917 oder DE-OS 42 25 378).

Zum anderen ist bei den mit Lotpreforms oder anderen Lotdepots versehenen Bauteil- Leiterplatten-Kombinationen lediglich ein Wiedererschmelzen der jeweiligen, bereits an Ort und Stelle befindlichen Lotportionen durch eine entsprechende Erwärmung der Baueinheit zu bewirken. Dies erfolgt in sehr gängiger Weise in entsprechend ausgebil¬ deten, d.h. insbesondere beheizbaren Durchlaufanlagen mit geeigneten Tranportein¬ richtungen und oft mehreren Kammern (siehe hierzu beispielsweise DE-OS 40 16 366 oder wiederum DE-OS 42 25 378 oder Fachzeitschrift "ELEKTRONIK PRODUKTION & PRÜFTECHNIK - April 1989 - Seiten 37 bis 39).

Immer häufiger besteht heute die Situation, daß auch gemischte Bestückungen bei Leiterplatten auftreten, d.h., daß beispielsweise ein Teil der aufzulötenden Bauteile bereits mit einer zur Verlötung ausreichenden Menge Lot versehen und plaziert ist, während ein anderer Teil der Bauteile ohne jeden Lotvorrat lediglich in vorgesehene Öffnungen eingesteckt oder auch aufgeklebt ist.

In einem solchen Falle wird zur Verlötung einer Baueinheit in gängiger Weise zu¬ nächst ein Reflowlötprozeß und anschließend ein Wellenlötvorgang ausgeführt. Dazu kommen üblicherweise zwei entsprechende, an sich bekannte, hintereinander ge¬ schaltete Lötanlagen, nämlich eine Reflow-Lötanlage und eine Wellenlötanlage zum Einsatz. Dies bedeutet, daß in einer entsprechenden Fertigung zumindest zwei Lötanlagen vorhanden sein müssen, um alle gegebenenfalls anfallenden Lötaufgaben ausführen zu können, wobei dies ein nicht unbeträchliches Investitionserfordernis für derartige Fertigungen darstellt. Weitere negative Gesichtspunkte in diesem Zusam¬ menhang stellen auch der Platzbedarf, der Wartungsaufwand sowie die Maschi¬ nenauslastung dar.

Die Anmelderin hat sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe gestellt, eine Lötweise und eine Lötanlage anzugeben, die in einem Ablauf die Ausführung beider, genannter Grundlötverfahren leisten kann und welche darüber hinaus auch die Ausführung eines jeden einzelnen Grundverfahrens zuläßt. Diese Aufgabe wird in Verbindung mit einer geeignet ausgestalteten Durchlaufanlage verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß - vorab - das anzuwendende Lötprinzip für möglichst eine Mehrzahl von Leiterplatten bestimmt und festgelegt wird, wobei das Wellen -, das Refiow- oder ein kombiniertes Wellen-und Reflow-Löten zu den grund¬ sätzlich zugelassenen Möglichkeiten gehören, und daß gemäß dieser Festlegung die Heiz- und Transportelemente der Anlage in be¬ zug auf Aufheizung und Vorwärtsbewegung der Leiterplatten geeignet eingestellt wer¬ den sowie das zugehörige Lotbad der Anlage in entsprechenden Betriebszustand versetzt wird und dann die Bearbeitung der Leiterplatten - oder sonstiger, vergleich¬ barer Bauteile - erfolgt.

Dies bedeutet, daß zumindest drei Elemente einer Durchlauflötanlage, nämlich Hei¬ zung, Transport und Lotbad, geeignet vorhanden sein müssen, um die erfindungsge¬ mäßen (Löt-)Prozesse zu ermöglichen. Im einzelnen heißt dies, daß erfindungsgemäß eine an das jeweils auszuführende Lötprinzip angepaßte Transportgeschwindigkeit ausführbar sein muß, daß durch die Heizelemente eine jeweils geeignete Erwärmung der Leiterplatten herstellbar sein muß, insbesondere im Falle des Reflow-Lötprinzips ein Peakbereich hinsichtlich der Leiterplattentemperatur ausbildbar sein muß, und daß die Lotwellenerzeugung gegebenenfalls zusammen mit der Lotbadheizung zu- und abschaltbar sein muß. Der Lotübertrag von der Lotwelle(n) auf eine Leiterplatte kann - neben der Abschaltung der Lotwelle - prinzipiell auch durch eine Veränderung des Transportweges der Leiterplatte verhindert werden. Dies kommt letzlich einer Lot¬ wellenabschaltung gleich.

Auf der geschilderten Basis wird es also möglich, unterschiedliche Lötprinzipien in einem Ablauf und in einer Anlage zu vereinen. Je nach festzulegender Grundschaltung einer Anlage ergeben sich die verschiedenen Lötprozesse. Hierzu weitere Einzel¬ heiten:

Ist die Durchführung eines Reflow-Lötprozesses das Ziel, so ist ein vergleichsweise langsamer Transport (ca. 1 m/min) mit einer relativ hohen Heizleistung der jeweiligen Heizeinrichtungen, die im Regelfall über die in üblichen Wellenlötanlagen vorhandene hinausgeht, zu verknüpfen, wobei ferner die Lotwellenerzeugung außer Betrieb bleibt; im Falle des Wellenlötens sind verglichen dazu höhere Transportgeschwindigkeiten und geringere Heizleistungen einzustellen und außerdem ist die Lotwellenerzeugung zuzuschalten. Der Mischbetrieb arbeitet im wesentlichen mit einer mit dem reinen Reflowlöten vergleichbaren Einstellung von Heizung und Tranport, wobei jedoch zusätzlich die Lotwellenerzeugung in Betrieb ist.

Die verschiedenen Prozesse können beispielsweise anhand der Temperaturwerte der Leiterplatten beim Durchlauf durch eine entsprechende Anlage charakterisiert werden. Derartige Temperaturdiagramme sind anhängend als Figur 2 wiedergegeben. Man erkennt dort, daß sich - je nach Grundeinstellung - ein anderer Temperaturverlauf ergibt, wobei mit R+M ein Reflowlöten oder ein Wellen- und Reflow-Mischbetrieb Betrieb gekennzeichnet ist und mit W ein reiner Wellenlötvorgang vorliegt. Prinzipiell ist anzumerken, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst bei gemischt bestückten Leiterplatten eine nur einmalige Temperaturbelastung der Bauteile ergibt und nicht wie bisher eine zweimalige, wie sie bei der Nacheinanderausführung der beiden, erforderlichen Lötprozesse auftritt.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung im Falle von Lötungen, die unter Schutzgas, unter Niederdruck oder unter Plasma ausgeführt werden. Die hierbei einzu¬ setzenden Anlagen stellen teure Investitionsgüter dar, so daß das erfindungsgemäße Vorgehen hierbei besondere Kostenvorteile mit sich bringt.

Die weitreichensten Vorteile ergeben sich insbesondere mit dem Plasmalöten, d.h. bei einem Löten das im Niederdruck und unter dem Plasma eines zugeführten Prozeß¬ gases erfolgt, da hierbei flußmittelfrei gearbeitet werden kann und somit ansonsten nachfolgend auszuführende Reinigungsprozesse unterbleiben können.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Eine Durchlauflötanlage gemäß der Erfindung, die grundsätzlich tunnelartig und mittels eines Gehäuses weitgehend gegen die Umgebung abgeschlossen aufgebaut ist, ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Lotbades Heizelemente (35) angeordnet sind, die eigenständig zu- und abschaltbar sowie regelbar sind, und daß zumindest auf einer Teilstrecke im Zulauftunnel zum Lötbereich unterhalb und/oder oberhalb der Transporteinrichtung ebenfalls variabel einstellbare, zu- und abschaltbare Heizelemente angeordnet sind, und daß schließlich die Transporteinrichtung zumindest in bezug auf die Transport¬ geschwindigkeit ebenfalls variabel einstellbar ist.

Die eben aufgeführten Grundmerkmale, nämlich Heizelemente oberhalb des Lotbades sowie unterhalb bzw. oberhalb der Transporteinrichtung im Zulaufbereich zur Lötstation und außerdem der variabel einstellbare Leiterplattentransportmechanismus sowie die zu- und abschaltbare Lotwelle sind die wesentlichen Charakteristika einer erfindungs¬ gemäßen Durchlauflötanlage.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Anlage sind in den entsprechen¬ den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der anliegenden, schematischen Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : eine erfindungsgemäße, unter Plasma arbeitende Lötanlage;

Figur 2: eine Aufheizkurve für die Leiterplatten beim Duchlauf durch eine erfindungs¬ gemäße Lötanlage gemessen an der Leiterplattenoberseite - Kurve W: Wellenlöten - Kurve R+M: Reflowlöten und Mischbetrieb.

Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Durchlauflötanlage, die unter Niederdruck und mit Plasmabildung arbeitet. Diese Anlage weist zunächst eine Eintrittsschleuse 3, eine Haupt- oder Anlagenkammer 4 mit Zulauftunnel 26, Lötstation 34 und Auslauftunnel 51 sowie eine, nur in Teilen sichtbare, Austrittsschleuse 7 auf. Eine Transporteinrichtung 44, beispielsweise ein Umlaufkettentransport mit Haltefingern, ist in der Anlagenkammer 4 angeordnet, wobei diese in Längsrichtung mit einer Steigung von ca. 3 bis 10° durchquert wird.

Bezüglich der Längsausdehnung der Anlagenkammer 4 etwa in deren Mittelteil ist von unten ein Lotbad 48 luftdicht angeschlossen, wobei darin eine Einrichtung 42 zur Aus¬ bildung einer Lotwelle 41 vorhanden ist. Alternativ hierzu wäre auch eine doppelte Lotwelle in bestimmten Anwendungsfällen möglich und vorteilhaft (z.B. beim Löten unter Normaldruck und unter Schutzgas). Vor dem Lotbad 48 und praktisch auf der gesamten Länge des Zulauftunnels 26 ist innerhalb des.Anlagentunnels und unterhalb des Leiterplattentransports 44 eine Heizeinrichtung 28, beispielsweise ein elektrischer Widerstandsheizleiter, vorgesehen. Oberhalb der Transporteinrichtung für die Lei¬ terplatten ist im gleichen Anlagenbereich eine Sendeantenne 21 zur Abstrahlung elek¬ tromagnetischer Wellen für die Plasmaanregung des Prozeßgases angeordnet (z.B. ein Hochfrequenz-Sender mit ca. 40 kHz und mit zumindest etwa 500 Watt und vor¬ zugsweise bis zu 3000 Watt Leistung). Ebenfalls im Zulaufteil 26 der Anlagenkammer 4 ist im gezeigten Beispiel eine Zuleitung 27 für Prozeßgas kommend von einer Gasfla¬ sche 29 plaziert. In Wirkverbindung damit stehend ist eine Absaugleitung 52 zur "Ent¬ lüftung" der Anlagenkammer 4 im Auslaufteil 51 der Anlage vorgesehen. Aufgrund dieser Anordnung von Gaszu- und abfuhr wird in der Hauptkammer 4 der gezeigten Anlage eine Gasströmung vom Kammereintritt zum Kammeraustritt bewirkt.

Oberhalb des Lotbades 48 und der Transporteinrichtung 44 und auf einer Länge, die etwas über die Lotbadbreite hinausgeht, ist eine weitere, mehrere Module aufweisende Heizeinrichtung 35 vorgesehen (z.B. mehrere Infrarotstrahlereinheiten). Außerdem ist in Tranportrichtung kurz hinterhalb der Lotwelle 41 eine Temperaturmesseinrichtung für die Leiterplattenoberseite angeordnet.

Im übrigen ist die vor der Anlagenkammer 4 gasdicht, vorgeschaltete Schleuse 3 mit ihrer Schleusenkammer 15, ihren Schleusentüren 11 und 12, ihrem Beförderungmittel 13 und ihrer Evakuierungsleitung 14 im einzelnen aufzuführen, ebenso wie die aus- gangsseitig angeschlossene Austrittsschleuse 7, die exakt entspechende Elemente aufweist und die deshalb nur unvollständig gezeigt ist.

Der Funktionsablauf dieser Anlage ist nun wie folgt :

1. Wellenlöten:

Bei Leiterplatten mit Bauteilbestückung ohne Lotbeigabe ist lediglich ein Wellen¬ lötvorgang auszuführen. Im Modus "Wellenlöten" ist die oberhalb des Transports 44 gelegene Heizeinrichtung 35 im Regelfall völlig abgeschaltet, während die Lotwellener¬ zeugung 42 in Betrieb ist und ebenso die in diesem Falle einer geeigneten Vorerwär¬ mung dienende Heizeinrichtung 28. Die Transportgeschwindigkeit für die Leiterplatten ist auf einen für das Wellenlöten spezifischen Wert von 1 ,5, bis 2,2 m/min einzustellen, während im übrigen für die Plasmabildung etwa Bedingungen herzustellen sind, wie sie die DE-OS 42 25 378 angibt.

Im Betrieb werden dann die in der Figur mit 10 bezeichneten Leiterplatten gruppen¬ weise in die Schleuse 3 eingefahren, die Außentür 11 geschlossen und im folgenden die Evakuierung der Schleusenkammer 15 über die Abzugsleitung 14 eingeleitet, wobei zunächst in der Schleusenkammer ein Druckniveau von etwa 0,1 bis 1 mbar das Ziel ist und wobei schließlich ein Druckausgleich mit der Lötanlagenkammer 4 und der dortigen Atmosphäre hergestellt wird, welche sich vorzugsweise auf einem Druckniveau von 1 bis 5 mbar befindet.

Nach erfolgtem Druckausgleich - beispielsweise durch Öffnen einer Verbindung zwi¬ schen Schleusenkammer 15 und Hauptkammer 4 - öffnet sich die innere Schleusentür 12 der Eintrittsschleuse 3, worauf die in der Schleuse befindlichen Leiterplatten nach¬ einander an den Umlaufkettentransport 44 in der Hauptkammer 4 übergeben werden. Diese Transporteinrichtung befördert die Leiterplatten im weiteren durch den Zulauf¬ bereich 26 in der Hauptkammer, wobei die bodenseitige Heizeinrichtung 28 ein Anwär¬ men der Leiterplatten auf ein für den eigentlichen Wellenlötvorgang vorteilhaftes Niveau von ca. 90 bis130 °C bewirkt. Im Bereich oberhalb der Transporteinrichtung 44 und ebenfalls im Zulaufbereich der Leiterplatten zu den Lotwellen befindet sich die Hochfrequenz-Sendeantenne 21 , die in einer geeigneten Betriebsweise etwa mit 40 kHz und 1000 Watt Leistung arbeitet. Mit dieser Sendeleistung wird aus dem über die Zuleitung 27 zugeführten Prozeßgas, das bevorzugt ein Sauerstoff und Wasserstoff enthaltendes Gemisch aus

0,5 bis 10 Vol.% Sauerstoff,

80 bis 20 Vol.% Wasserstoff und

20 bis 80 Vol.% eines fluorierten Kohlenwasserstoffgases (CF-^^F , ..) oder SFß ist, gegebenenfalls zusätzlich ein Inertgas enthält, ein Plasma gebildet, wobei auf eine Ausbreitung und Einwirkung des Piamas in nahezu der gesamten inneren Hauptkammer 4 geachtet wird. Die Effekte des Plasma bestehen darin, daß unter seiner Einwirkung ein ausgezeichnet fließfähi¬ ges, gut spaltgängiges und fein benetzendes Lot, insbesondere auch aus Lotwellen erhalten wird und andererseits auch die vor dem Lotauftrag noch freiliegenden, zu verlötenden Flächen eine günstige Vorbereitung (Fett-Abreinigung und Aktivierung durch Entfernung der Oxide) für den Lötvorgang selbst erfahren. Insgesamt ergibt sich mit einem Lötprozeß unter Plasma - beipielsweise bereits unter einem Luft-, Stickstoff- oder Edelgasplasma, insbesondere jedoch unter einem wie oben beschrieben zusammengesetzten Plasmagas - ein ausgesprochen günstiger und vor allem potentiell flußmittelfreier Lötprozeß.

Allerdings ist darauf hinzuweisen, daß im Hinblick auf die hier in Rede stehende Erfindung, nämlich unterschiedliche Lötprozesse in einem Ablauf und in einer Anlage zu vereinen, ebenso ein Niederdrucklötvorgang ohne Plasmaeinwirkung stattfinden kann, genauso wie auch die Ausführung einer Verlötung unter Schutzgas nach vorliegendem Ansatz prinzipiell vorteilhaft möglich ist.

Im vorliegenden Beipiel soll jedoch ein Löten unter Plasma näher beschrieben werden. Im gezeigten Fall wird bereits im Zulauftunnel 26 aus dem über die Zuleitung 27 einge¬ leiteten und in Richtung Abzug 52 strömenden Prozeßgas ein Plasma gebildet, wo¬ durch sich die Leiterplatten bereits auf der Zulaufstrecke zur Lotwelle 41 unter einer Plasmaeinwirkung befinden. Unter dieser verbleiben die Leiterplatten auch bei der Lotübertragung durch die Lotwelle 41 , und selbst in der Auslaufzone 51 ist in der ge¬ zeigten Anlage noch eine Plasmawirkung vorhanden. Auf diese Weise ergeben sich die obengenannten, vorteilhaften Effekte für das Lot und die Fügepartner in ausgepräg¬ ter Form. Im Auslauftunnel findet außerdem eine erste Abkühlung vom Temperaturni¬ veau des Wellenlötens statt, so daß die Leiterplatten mit bereits deutlich erniedrigter Temperatur bei der Austrittschleuse 7 eintreffen (siehe hierzu auch Temperaturkuve W in Figur 2 - dort ist die Temperatur an der Oberseite einer Platine abhängig von deren Position in der Anlage wiedergegeben).

Schließlich ist der Ausschleußprozeß auszuführen, der im gezeigten Beispiel darin besteht, daß eine Gruppe von Leiterplatten, die auf dem eigenständigen, im Aus¬ lauftunnel 51 befindlichen Transport 50 angekommen ist, bei geöffnetem Schieber 71 beschleunigt in die Kammer 75 der Austrittsschleuse 7 überführt wird und unmittelbar anschließend - nach Schließen der Schleusenschiebers 71 - die Flutung der Kammer 75 mit Luft oder beispielsweise auch Stickstoff erfolgt. Nach Herstellung des voll¬ ständigen Druckausgleichs mit der Umgebung wird die betreffende Leiterplattengruppe rasch aus der Schleuse 7 herausbefördert und eine erneute Entlüftung der Schleusen¬ kammer 75 zügig durchgeführt, so daß nach kurzer Zeit der nächste Ausschleusprozeß eingeleitet werden kann.

Die - wie beschrieben - unter Plasma wellengelöteten Leiterplatten bedürfen keiner Nachreinigung, womit der Einsatz umweltschädigender Waschmittel entfällt.Die Fertigung der so verarbeiteten Leiterplatten ist daher nach dem Löten weitgehend abgeschlossen, während bei den anderen, oben angeführten Lötverfahren die üblichen, abschließenden Waschprozesse noch anzuschließen wären.

2. Gemischtes Wellen- und Reflowlöten:

Sind Leiterplatten mit gemischter Bestückung zu verarbeiten, also Leiterplatten die sowohl Bauteile mit als auch ohne Lotbeigabe aufweisen, so ist erfindungsgemäß ein "Mischbetrieb" vorzusehen. Dies bedeutet, daß im gezeigten Beispielfall sowohl die Heizeinrichtung 28 als auch die Deckenheizeinrichtung 35 mit entsprechender Leistung in Betrieb zu nehmen sind, daß die Lotwellenerzeugung 42 einzuschalten ist und daß darüber hinaus die Transporteinrichtung auf eine Vorwärtsbewegung einzustellen ist, die den Anforderung des Reflowlötens gerecht wird. Die Erfordernisse des Reflow- lötens - beipielsweise die beim Zulauf zum Lötbereich zu erzielende Flußmittelaktivie¬ rung aus dem Innern von Lotdepots - begrenzen die Vorschubgeschwindigkeit. Diese liegt im Regelfall unterhalb von 1 ,5 m/min, sie kann jedoch bei ausschließlich flußmit¬ telfreien Lotdepots bis auf die Geschwindigkeiten beim Wellenlöten erhöht werden.

Im Grundsatz sind die Transportvorgänge im Mischbetrieb wie beim oben beschrie¬ benen, reinen Wellenlöten abzuwickeln, jedoch werden aufgrund der niedrigeren Transportgeschwindigkeit sowie aufgrund des Betriebs der Heizung 35 bereits beim Durchlaufen des Zulauftunnels 26 höhere Leiterplattentemperaturen als beim reinen Wellenlöten erzielt (siehe Figur 2 - Kurve R+M). Bei der Lotwelle 41 sind in diesem Betriebsmodus bereits Oberseitentemperaturen der Leiterplatten von ca. 190°C erreicht, was jedoch - wie festgestellt wurde - keine negativen Auswirkungen auf den an der Unterseite der Leiterplatten ablaufenden Wellenlötvorgang ergibt (eher im Gegenteil - denn auch beim Durchsteigen des Lots durch die Leiterplatte bleibt das Lot aufgrund der vorhandenen "Oberhitze" besonders dünnflüssig). Nach der Lotwelle 41 laufen die zu bearbeitenden Leiterplatten in der Einflußbereich des letzten Moduls 35d der Heizeinrichtung 35 ein. In diesem Bereich wird die Spitzen- oder Peaktemperatur der Leiterplatte erzeugt. Diese muß bei den üblichen Blei/Zinn-Loten im Bereich von 200 bis 220°C liegen, damit ein ausreichendes Aufschmelzen und Verflüssigen der vorhandenen Lotdepots sichergestellt ist. Hierzu ist insbesondere die Leistungseinstel¬ lung des Heizmoduls 35d entsprechend vorzunehmen. Nach Verlassen der Peakzone erstarrt sowohl das durch die Lotwellen aufgetragene Lot als auch das Lot der Lotde¬ pots nach kurzer Zeit und bildet insbesondere unter Ausführung des Gesamtprozesses unter Plasma besonders hochwertige Lötverbindungen. Die Piasmaerzeugung ist - wie bereits oben beim Wellenlöten geschildert - auszuführen.

In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Leistungseinstellung des Heizmoduls 35d rückgekoppelt ausgestaltet. Dies kann in der Weise erfolgen, daß etwa kurz nach der Lotwellenberührungsstelle ein Temperatursensor 36 angeordnet wird und dort die Ist-Temperatur der jeweils durchlaufenden Leiterplatte gemessen wird, diese Ist-Temperatur wird in einer entsprechenden, speicherprogrammierbaren Steuereinheit mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und davon ausgehend dann die Feineinstellung Heizleistung des Heizmoduls 35d ermittelt und durchgeführt, wobei - je nach dem ob die Leiterplattentemperatur zu niedrig oder zu hoch gemessen wurde - die Heizleistung des Heizmoduls 35d geeignet erhöht oder erniedrigt wird.

Im gezeigten Beispiel wird also in einer etwas hinterhalb der Lotwelle vorgesehenen Peakzone das Wiedererschmelzen der bei der Bestückung mitaufgebrachten Lotdepots entweder mit gleichbleibender oder mit rückgekoppelter Heizleistung bewirkt. Ebenso geeignet wäre im übrigen auch die Anordnung des Peakbereichs genau über der Lotwelle, wozu die Heizeinrichtungen lediglich geringfügig verändert zu plazieren und einzustellen wären. In jedem Falle werden jedoch mit einem wie geschildert ausge¬ führten Mischbetrieb hochwertige Lötergebnisse erzielt, wobei wiederum vor allem unter Plasma ausgeführte Prozesse besonders vorteilhaft sind. Bei den geschilderten Abläufen ist ferner grundsätzlich darauf zu achten, daß keine Überhitzung von vorhandenen Bauteilen verursacht wird, bei empfindlichen Bauteilen kommt daher der rückgekoppelten Verfahrensvariante besondere Bedeutung zu.

3. Reflowlöten:

Sind Leiterplatten zu verarbeiten, die durchweg mit Lotdepots bzw. Lotpaste versehene Bauteile aufweisen, so ist ein reiner Reflowlötprozeß erforderlich. Dieser unterliegt hinsichtlich der Aufheizung und der Tranportgeschwindigkeit der Leiterplatten im wesentlichen den gleichen Bedingungen wie der Mischbetrieb, und es sind daher vergleichbare Einstellungen wie beim Mischbetrieb vorzunehmen. Der Betrieb der Lotwelle ist jedoch in diesem Falle nicht erforderlich. Das Lötergebnis entspricht wiederum hohen Qualitätsanforderungen, insbesondere im Falle eines Lötvorgangs unter Plasma.

Mit Transportgeschwindigkeiten die 1 bis 2,5 m/min betragen, Heizleistungen, die selbst voluminöse Leiterplatteneinheiten auf über 200°C bei den besagten Transport¬ geschwindigkeiten aufheizen können und eigenständig zu- und abschaltbaren Lot¬ welleneinrichtungen sind die wesentlichen Charakteristika einer erfindungsgemäßen Durchlauflötanlage genannt. Eine derartige Anlage erhöht die Flexibiltität einer Leiterplattenfertigung bei relativ niedrigen Investitionskosten, wobei jede übliche Löt¬ qualität und sogar hochwertigste Lötungen erzielbar sind. 4. Sonderverfahren:

In einer speziellen Ausgangslage bei der Leiterplattenfertigung/-verlötung, nämlich dann, wenn ein erhöhter Anteil an kondensierten Rückständen in den tragenden Leiter¬ platten vorhanden ist, ergibt sich beim Wellenlötprozeß der Effekt der "blowing holes". Das bedeutet, daß, wenn zur Auflötung eines Bauteils Lot eine Bohrung in der Leiter¬ platte durchfließen muß, aus dem Lot - nach seiner Durchquerung des Zuführlochs - zunächst ein Bläschen gebildet wird, welches im folgenden zerplatzt und damit uner¬ wünschte und teilweise funktionsbeeinträchtigende Lotablagerungen erzeugt. Die Bläschen werden dabei letztlich durch die, in den Leiterplatten und zugehörigen Boh¬ rungen abgelagerten, verdampfenden Medien verursacht, welche im Hitzepunkt des Lötprozesses besonders stark ausgetrieben werden, was schließlich zur Bläs¬ chenbildung mit dem Lot führt.

Zur Lösung dieses Problems wird die hier in Rede stehende Erfindung in der Weise betrieben, daß zunächst festgestellt wird, ob in einer Sonderverlötung zu bearbeitende Leiterplatten vorliegen (z.B. durch einige Testlötungen), worauf bei positiver Fest¬ stellung ein Lötvorgang in der Weise durchgeführt wird, daß die Aufheiztemperatur der Leiterplatten bereits deutlich vor Erreichen der Lotwelle(n) oder der Temperaturspitze auf eine Wert gebracht wird, der lediglich bis zu maximal 15 % (vorzugsweise sogar na¬ hezu gleich oder etwas höher) unterhalb der Temperatur bei der Lotwelle oder der im Hitzepeak liegt. Die besagte Temperatureinstellung der Baueinheiten wird dabei vor allem durch geeignete Einstellung der Heiz- und Transporteinrichtungen in der jeweili¬ gen Lötanlage bewirkt. Hierbei können jedoch - wegen ungeeigneter Ausgestaltung - mit bekannten Lötanlagen Probleme auftreten. Ferner wird die hier geforderte, vorge¬ lagerte Temperaturerhöhung der Baueinheiten mit Vorteil zumindest 5 Sekunden, besser jedoch bereits 10 bis15 Sekunden, vor dem eigentlichen Hitzepeak des jeweili¬ gen Lötprozesses erzeugt. Auch längere Vorerhitzungen können noch vorteilhaft sein.

Durch dieses Vorgehen wird bewirkt, daß die vorhandenen Kondensate und Ablage¬ rungen in den heute häufig mehrschichtig ausgebildeten Leiterplatten bereits geeignet frühzeitig vor der Lotaufbringung oder dem Lotfließen verdampft und expandiert werden, so daß beim Lotfließen selbst kein "Blaseffekt" mehr auftreten kann. Somit werden auch dadurch verursachte "blowing holes" verhindert. Zugehörige Tempera¬ turverläufe sind in Fig. 2 mit S und S' gekennzeichnet. Wie erkennbar - siehe S' - wird im Falle eines Welle-Reflow-Mischbetriebs die vorausgehenden Temperatureinstellung höher ausgelegt als bei reiner Wellenlötung. Ferner kann eine Umkehr der Gasströ¬ mungsrichtung im Vergleich zu Fig.1 - etwa durch Vertauschen von Abzug 52 mit Zulei¬ tung 27 - hier besonders vorteilhaft sein, da so Dämpfe eingangseitig entfernt werden.

Claims

12

Patentansprüche 1a. Verfahren zum Löten von Leiterplatten und dergleichen, bei dem die Leiterplatten oder sonstigen Bauteile durch eine weitgehend geschlossene, tunnelartige Durchlaufanlage gefahren werden, in der eine Erwärmung, die Verlötung und eine Abkühlung der Leiterplatten zumindest bis zur Lotverfestigung erfolgen dadurch gekennzeichnet, daß vorab das anzuwendende Lötprinzip für eine oder - vorzugsweise - mehrere Leiterplatten bestimmt und festgelegt wird, wobei das Wellen-, das Refiow- und ein kombiniertes Wellen- und Reflowlöten zu den prinzipiellen Ein¬ stellmöglichkeiten gehören, und entsprechend der getroffenen Festlegung die Heiz- und Transporteinrichtungen der Anlage in bezug auf Aufheizung und Vorwärtsbewegung der Leiterplatten eingestellt werden sowie das zugehörige Lotbad der Anlage in den entsprechenden Betriebs¬ zustand versetzt wird und dann die Bearbeitung erfolgt.

1 b. Verfahren zum Löten von Leiterplatten und dergleichen, bei dem die Leiterplatten oder sonstigen Bauteile durch eine weitgehend geschlossene, tunnelartige Durchlaufanlage gefahren werden, in der eine Erwärmung, die Verlötung und eine Abkühlung der Leiterplatten zumindest bis zur Lotverfestigung erfolgen dadurch gekennzeichnet, daß zunächst festgestellt wird, ob eine Sonderverlötung der zu verarbeitenden Leiterplatten erforderlich ist, worauf bei positiver Feststellung ein Lötvorgang in der Weise durchgeführt wird, daß die Aufheiztemperatur der Leiter¬ platten bereits deutlich vor Erreichen der Lotwelle(n) oder dem Temperaturpeak eine Wert erreicht, der lediglich bis maximal 15 % unterhalb der Temperatur bei der Lotwelle oder im Hitzepeak liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Löten unter einem Schutz- oder Prozeßgas durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Löten unter Niederdruck durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Löten unter Niederdruck und Plasmabildung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß gegebenenfalls mehrere unterschiedliche Leiterplattensorten vorab nach Gleichartigkeit sortiert werden und bei Beginn der Bearbeitung einer neuen Leiterplattengruppe die Einstellung der Durchlauflötanlage entsprechend geändert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Aufheiztemperatur der Leiterplatten an einer oder mehreren Stellen beim Durchlauf gemessen wird und ausgehend von diesem(n) Meßwert(en) die Ein¬ stellung eines oder gegebenenfalls mehrerer Heizelemente vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein gleichzeitig Sauerstoff und Wasserstoff enthaltendes Prozeßgas mit deutlich überwiegendem Wasserstoffgehalt eingesetzt wird

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeßgasgemisch aus

0,5 bis 10 Vol. % Sauerstoff, 80 bis 20 Vol.% Wasserstoff und 20 bis 80 Vol.% eines fluorierten Kohlenwasserstoffgases oder SFß eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas¬ gemisch zusätzlich ein Inert- oder Edelgas enthält.

10. Durchlauflötanlage mit einem im wesentlichen tunnelartig aufgebauten und gegen die Umgebung weitgehend abschließenden Gehäuse mit Zugangs- und Austrittseinrichtungen (3,7), mit einer im Bereich der Hauptkammer (4) angeordneten, getrennt schaltbaren Lötstation (34) mit Lotbad (48) und zugehörigen Einrichtungen (42) zur Lotwellenerzeugung sowie auf diese Lötstation zulaufende und davon weglaufende Tunnelbereiche (26,51) sowie mit einer den Anlagentunnel durch¬ querenden Transporteinrichtung (44), dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Lotbades (48) über Transporteinrichtung (44) Heizelemente (35) angeordnet sind, die eigenständig zu- und abschaltbar sowie regelbar sind, und daß zumindest auf einer Teilstrecke im Zulauftunnel (26) zur Lötstation unterhalb und/oder oberhalb der Transporteinrichtung (44) ebenfalls variabel einstellbare, zu- und abschaltbare Heizelemente (28) angeordnet sind, und daß schließlich die Transporteinrichtung (44) in bezug auf die Transport¬ geschwindigkeit - und optionsweise auch hinsichtlich ihrer Anordnung gegenüber der Lotwelle - variabel einstellbar ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die, die Lötstation (34), den Zulauftunnel (26) und den Auslauftunnel (51) umfassende, Hauptkammer (4) gasdicht gegen die Umgebung abgeschlossen ist und mindestens eine Zu- und eine Ableitung (27,52) für ein Schutz- oder Prozeßgas aufweist.

12. Anlage nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt¬ kammer mit Mitteln zur Erzeugung eines Niederdrucks im Bereich von 0,1 bis 100 mbar verbunden ist, insbesondere eine Absaugleitung (52) und eine damit in Verbindung stehende Absaugpumpe aufweist.

13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptkammer (4) Mittel (21) zur Erzeugung eines Plasmas aus Niederdruckgas vorhanden sind, z.B. eine Hochfrequenz-Sendeantenne.

14. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß in der Anlagenkammer bezüglich des Transportweges der Leiterplatten kurz vor und/oder kurz nach der oder den Lotwellen (41) Sensoren (36) zur Messung der Temperatur der Leiterplattenoberseite und/oder der -Unterseite angeordnet sind (ist), und diese Sensoren mit einer Anzeige- und/ oder Verarbeitungseinheit verbunden sind, die auf eine entsprechende Veränderung der Einstellung der Heiz- und/oder Transport-elemente hinweist oder die selbstständig auf die Heiz- und/oder Transportelemente rückwirkt.