WO2007134590A1 - Verfahren und einrichtung zum löttechnischen verbinden von leitfähigen bauteilen unter verwendung eines lötwerkzeuges mit nicht benetzbarem lötbereich - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum löttechnischen verbinden von leitfähigen bauteilen unter verwendung eines lötwerkzeuges mit nicht benetzbarem lötbereich Download PDF

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Dirk Melzer
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Definitions

  • the invention relates to a method for soldering of conductive components using solder material.
  • EP-B1 0 465 714 has disclosed a ceramic soldering iron for soldering by means of resistance heating, in particular for reflow soldering of electronic components, comprising a surface-formed, electrically non-conductive and highly heat-conductive ceramic substrate with at least one soldering edge.
  • the substrate formed as a ceramic soldering bar includes at least one areally formed electrical resistance in the immediate vicinity of the soldering edge on the ceramic substrate.
  • soldering tip solder material As a rule, lead-free solder materials are not used, for example based on zinc and copper, in which case fluxing agents are used. Usually soldering tools are used with metallic soldering tips, which dissolve when using such solder materials and must be quickly replaced especially in automated processes running. Another disadvantage is that adheres to the soldering tip solder material and thus solder material is supplied to the junction uncontrolled.
  • EP-B 0465 714 already shows a ceramic soldering iron, the same is not universally applicable to the connection of any conductive components.
  • the aim of the subject invention is to provide a method and a device for soldering Venbinden of conductive components that can be universally used for the connection of conductive components with a simple effort.
  • the service life, in particular, of the soldering tip should be increased and solder material fed in a controlled manner to the respective connection region.
  • This object is achieved by a method for the soldering connection of conductive components, in that solder material is supplied to the connection region of the components, melted by a soldering tool with non-wettable soldering area provided in the connection region, and introduced into the connection region.
  • a device for soldering connection of conductive components at least including a heating element having a soldering tool whose soldering area consists of a non-wettable material.
  • the subject invention is preferably used in the manufacture of transponder units, in particular formed from a copper wire coil with integrated chip unit. This can be used both on air-wound coils as well as introduced into a substrate coils.
  • the soldering tip is made of ceramic material.
  • the soldering tool formed by a heating element containing a soldering tip, is produced from in particular sintered all-ceramic.
  • the life of the soldering tool can be increased considerably over the prior art, since the soldering tip can no longer dissolve.
  • solder material in the form of wire or paste can be controlled and metered into the connection area.
  • the field of application of the method according to the invention is large. It ranges from hand-held to automatically operated soldering tools with non-wettable soldering tips.
  • the single FIGURE shows a schematic diagram of a soldering station 1, at least including a heating element 2 (soldering tool), which has a soldering region 3 made of ceramic material designed as a soldering tip.
  • the heating element 2 and thus the soldering area 3 are movable up and down in the axial direction (arrow).
  • a feed device 4 for in this example formed from a solder wire solder material 5 is arranged.
  • the solder wire 5 is in this case unwound from a spool 6, wherein the supply of the solder wire 5 by means of a motor-actuated feed device 7 takes place.
  • the solder wire 5 is within a protective device, for. B. a hose 8 out.
  • a substrate 10 is placed in this example.
  • the conductive components to be connected to each other are formed by a wire coil 11 and a chip unit 12 laid inside the substrate 10.
  • the coil wire not visible here is contacted by the soldering tool 2 at different points of the chip unit 12 by means of solder material 5 and after the soldering connection form a transponder unit, which can then be used for example in a passport or a credit card.
  • the conductive components 11, 12 to be connected to one another are introduced into the region of the soldering station 1.
  • the connection point (merely indicated) of the coil wire is provided with the reference numeral 13.
  • soldering wire 5 is introduced into the connecting region 13 by means of the feed device 4. So that the solder wire 5 in its advancing movement in the direction of the connecting portion 13, due to the temperature of the heating element. 2 does not melt prematurely, it is required, in the outlet region 8 'of the tube 8 cooled.
  • soldering 3 of the soldering tool 2 is not wetted by the solder material 5, ie it can not be resolved by solder or flux material, so that a long-life soldering tool is given.
  • the heating element 2 consisting of all-ceramic material in this example is moved in its axial direction in the direction of the connection region 13.
  • wire coils 11 usually wires are used with baked enamel coatings that do not allow a contact on the chip unit 12 directly.
  • the baked enamel of the wire in the connection region 13 is vaporized before the tip 5 'of the wire is evaporated Lotdrahtes 5 is melted through the soldering region 3 and introduced into the connecting region 13.
  • the soldering region 3 is set on the connection region 13 with a predeterminable force (for example 1 to 50 N).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum löttechnischen Verbinden von leitfähigen Bauteilen (11,12), indem dem Verbindungsbereich (13) der Bauteile (11,12) Lotmaterial (5) zugeführt wird, durch ein im Verbindungsbereich (13) vorgesehenes Lötwerkzeug (2) mit nicht benetzbarem Lötbereich (3) Lotmaterial (5) abgeschmolzen und in den Verbindungsbereich (13) eingebracht wird.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM LÖTTECHNISCHEN VERBINDEN VON LEITFÄHIGEN BAUTEILEN UNTER VERWENDUNG EINES LÖTWERKZEUGES MIT NICHT BENETZBAREM LÖTBEREICH
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum löttechnischen Verbinden von leitfähigen Bauteilen unter Verwendung von Lotmaterial.
Durch die EP-B1 0 465 714 ist ein keramischer Lötbügel zum Löten mittels Widerstandserwärmung, insbesondere zum Reflow-Löten von elektronischen Bauelementen, bekannt geworden, beinhaltend ein flächig ausgebildetes elektrisch nicht leitendes und gut Wärme leitendes Keramiksubstrat mit mindestens einer Lötkante. Das als keramischer Lötbügel ausgebildete Substrat beinhaltet darüber hinaus mindestens einen in unmittelbarer Nähe der Lötkante auf dem Keramiksubstrat aufgebrachten flächig ausgebildeten elektrischen Widerstand.
In der Regel kommen nicht bleihaltige Lotmaterialien zum Einsatz, beispielsweise auf Basis von Zink und Kupfer, wobei hier Fluxmittel verwendet werden. Üblicherweise werden Lötwerkzeuge mit metallischen Lötspitzen eingesetzt, die sich bei Einsatz derartiger Lotmaterialien auflösen und insbesondere bei automatisiert ablaufenden Prozessen schnell ausgetauscht werden müssen. Weiterhin nachteilig ist, dass an der Lötspitze Lotmaterial anhaftet und somit Lotmaterial der Verbindungsstelle unkontrolliert zugeführt wird.
Auch wenn die EP-B 0465 714 bereits einen keramischen Lötbügel aufzeigt, so ist selbiger nicht universell auf die Verbindung jedweder leitfähiger Bauteile anwendbar.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zum löttechnischen Venbinden von leitfähigen Bauteilen bereitzustellen, das bzw. die mit einfachem Aufwand universell für die Verbindung leitfähiger Bauteile eingesetzt werden kann. Gleichzeitig soll die Lebensdauer insbesondere der Lötspitze erhöht und Lotmaterial in kontrollierter Weise dem jeweiligen Verbindungsbereich zugeführt werden. Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren zum löttechnischen Verbinden von leitfähigen Bauteilen, indem dem Verbindungsbereich der Bauteile Lotmaterial zugeführt wird, durch ein im Verbindungsbereich vorgesehenes Lötwerkzeug mit nicht benetzbarem Lötbereich Lotmaterial abgeschmolzen und in den Verbindungsbereich eingebracht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird auch gelöst durch eine Einrichtung zum löttechnischen Verbinden von leitfähigen Bauteilen, zumindest beinhaltend ein ein Heizelement aufweisendes Lötwerkzeug, dessen Lötbereich aus einem nicht benetzbaren Material besteht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Neben der Verbindung von Drähten untereinander sowie der Verbindung von Drähten mit elektrischen (elektronischen) Bauteilen, kommt der Erfindungsgegenstand bevorzugt zum Einsatz bei der Herstellung von Transpondereinheiten, insbesondere gebildet aus einer aus Kupferdraht bestehenden Spule mit integrierter Chipeinheit. Hierbei kann sowohl auf luftgewickelte Spulen als auch auf in ein Substrat eingebrachte Spulen zurückgegriffen werden.
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß besteht zumindest die Lötspitze aus Keramikmaterial. Vorteilhafterweise wird das Lötwerkzeug, gebildet durch ein eine Lötspitze enthaltendes Heizelement, aus insbesondere gesinterter Vollkeramik hergestellt. Die Lebensdauer des Lötwerkzeugs kann gegenüber dem Stand der Technik beträchtlich erhöht werden, da sich die Lötspitze nun nicht mehr auflösen kann. Gleichzeitig kann Lotmaterial in Form von Draht oder Paste dem Verbindungsbereich kontrolliert und dosiert zugeführt werden. Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist groß. Er erstreckt sich von handgeführten bis hin zu automatisch betätigbaren Lötwerkzeugen mit nicht benetzbaren Lötspitzen.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben.
Die einzige Figur zeigt als Prinzipskizze einer Lötstation 1, zumindest beinhaltend ein Heizelement 2 (Lötwerkzeug), das über einen aus Keramikmaterial bestehenden als Lötspitze ausgebildeten Lötbereich 3 verfügt. Das Heizelement 2 und somit der Lötbereich 3 sind in Achsrichtung (Pfeil) auf- und ab bewegbar.
Parallel zum Heizelement 2 ist eine Zuführeinrichtung 4 für in diesem Beispiel aus einem Lotdraht gebildetes Lotmaterial 5 angeordnet. Anstelle des Lotdrahtes kann auch eine Lotpaste eingesetzt werden. Der Lotdraht 5 wird hierbei von einer Spule 6 abgewickelt, wobei die Zuführung des Lotdrahtes 5 mittels einer motorisch betätigbaren Vorschubeinrichtung 7 erfolgt. Der Lotdraht 5 wird innerhalb einer Schutzeinrichtung, z. B. einem Schlauch 8 geführt. Auf einem isolierenden Untergrund 9 wird in diesem Beispiel ein Substrat 10 aufgelegt. In diesem Beispiel werden die miteinander zu verbindenden leitfähigen Bauteile gebildet durch eine innerhalb des Substrates 10 verlegte, eine Antenne bildende, Drahtspule 11 sowie einer Chipeinheit 12. Der hier nicht erkennbare Spulendraht soll durch das Lötwerkzeug 2 an verschiedenen Stellen der Chipeinheit 12 mittels Lotmaterial 5 kontaktiert werden und im Anschluss an die löttechnische Verbindung eine Transpondereinheit bilden, die dann beispielsweise in einem Reisepass oder einer Kreditkarte Verwendung finden kann. Verfahrensgemäß werden die miteinander zu verbindenden leitfähigen Bauteile 11,12 in den Bereich der Lötstation 1 eingebracht. Die Verbindungsstelle (lediglich angedeutet) des Spulendrahtes ist mit dem Bezugszeichen 13 versehen. Im Verlauf des Verbindungsvorganges wird mittels der Zuführeinrichtung 4 Lotdraht 5 in den Verbindungsbereich 13 eingebracht. Damit der Lotdraht 5 bei seiner Zustellbewegung in Richtung des Verbindungsbereiches 13, bedingt durch die Temperatur des Heizelementes 2 nicht vorzeitig abschmilzt, wird er bedarfsweise im Austrittsbereich 8' des Schlauches 8 gekühlt. Der aus keramischem Material bestehende Lötbereich 3 des Lötwerkzeuges 2 ist nicht vom Lotmaterial 5 benetzbar, d. h. er kann nicht durch Lot- oder Fluxmaterial aufgelöst werden, so dass ein langlebiges Lötwerkzeug gegeben ist. Im Verlauf der Zustellung des Lotdrahtes 5 wird das in diesem Beispiel aus Vollkeramikmaterial bestehende Heizelement 2 in seiner Achsrichtung in Richtung des Verbindungsbereiches 13 bewegt. Bei der Erzeugung von Drahtspulen 11 werden üblicherweise Drähte mit Backlackbeschichtungen eingesetzt, die eine Kontaktierung auf der Chipeinheit 12 nicht unmittelbar zulassen. Durch gezielte Einstellung der Temperatur des Heizelementes 2 in Kombination mit einer definierten Zuführgeschwindigkeit einerseits des Heizelementes 2 in Richtung des Verbindungsbereiches 13 und andererseits des Lotmateriales 5 in den Verbindungsbereich 13 wird zunächst der im Verbindungsbereich 13 gegebene Backlack des Drahtes verdampft, ehe die Spitze 5' des Lotdrahtes 5 durch den Lötbereich 3 abgeschmolzen und in den Verbindungsbereich 13 eingebracht wird. Nachdem das Lotmaterial 5 in den Verbindungsbereich 13 eingebracht ist, setzt der Lötbereich 3 auf dem Verbindungsbereich 13 auf und zwar mit einer vorgebbaren Kraft (beispielsweise 1 bis 50 N). Durch diese Maßnahme wird eine gute Wärmeübertragung in Abhängigkeit von der eingesetzten Kraft im Verbindungsbereich 13 der Bauteile 11,12 herbeigeführt.
Diese Prinzipskizze stellt lediglich eine von mehreren möglichen Anwendungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, so dass der Erfindungsgegenstand nicht auf dieses Prinzip beschränkt ist. Bezugszeichenliste
1 Lötstation
2 Heizelement
3 Lötbereich
Zufuhreinrichtung
Lotmaterial ' Spitze Lotmaterial
Spule
Vorschubeinrichtung
Schlauch 1 Austrittsbereich isolierender Untergrund 0 Substrat 1 Drahtspule 2 Chipeinheit 3 Verbindungsbereich

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum löttechnischen Verbinden von leitfähigen Bauteilen (11,12), indem dem Verbindungsbereich (13) der Bauteile (11,12) Lotmaterial (5) zugeführt wird, durch ein im Verbindungsbereich (13) vorgesehenes Lötwerkzeug (2) mit nicht benetzbarem Lötbereich (3) Lotmaterial (5) abgeschmolzen und in den Verbindungsbereich (13) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Lotmaterial (5) ein bedarfsweise Flux enthaltender Lotdraht oder eine Lotpaste eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (11 ,12) im automatisierten Ablauf miteinander verbunden werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, ein dass das Lotmaterial (5) dem Verbindungsbereich (13), insbesondere über Vorschubeinrichtung (7), zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötwerkzeug (2) mit mindestens einem Heizelement ausgerüstet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in Richtung des Lötbereiches (3) zugeführte Lotmaterial (5) gekühlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Lötbereich (3) des Heizelementes (2) aus einem Keramikmaterial hergestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das den Lötbereich (3) beinhaltende Heizelement (2) aus einem insbesondere gesinterten Keramikmaterial hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial (5) in den Verbindungsbereich (13) eingeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauteile (11,12) vor dem Löten auf einem isolierenden, insbesondere wärmeisolierenden, Untergrund aufgebracht werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprühe 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötbereich (3) mit definierter Zustellkraft über einen vorgebbaren Zeitraum auf den mit Lotmaterial (5) benetzten Verbindungsbereich (13) aufgesetzt wird.
12. Einrichtung zum löttechnischem Venbinden von leitfähigen Bauteilen (11 ,12), zumindest beinhaltend ein ein Heizelement (2) aufweisendes Lötwerkzeug, dessen Lötbereich (3) aus einem nicht benetzbaren Material besteht.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötwerkzeug (2) mit einer Zuführeinrichtung (4) für das Lotmaterial (5) in Wirkverbindung steht.
14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötwerkzeug (2) und die Zuführeinrichtung (4) integraler Bestandteil einer Lötstation (1) zum automatischen Verbinden leitfähiger Bauteile (11,12) sind.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotmaterial (5) ein Lotdraht eingesetzt wird, der im Bereich der Zuführeinrichtung (4) über eine Vorschubeinrichtung (7), insbesondere einen Verstellmotor, in Richtung des Verbindungsbereiches (13) transportierbar ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial (5) in geführter Form, insbesondere innerhalb eines Schlauches (8), in den Verbindungsbereich (13) einbringbar ist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial (5) im Wesentlichen parallel zum Heizelement (2) angeordnet und verbindungsbereichsseitig unter einem vorgebbaren Winkel in Richtung des Verbindungsbereiches (13) zustellbar ist.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Heizelement (2) des Lötwerkzeuges in Richtung des Verbindungsbereiches (13) zustellbar und der Lötbereich (3) über einen vorgebbaren Zeitraum mit definierter Kraft auf dem Verbindungsbereich (13) aufsetzbar ist.
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft des Lötbereiches (3) auf den Verbindungsbereich (13) variabel einstellbar ist.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (4) für das Lotmaterial (5) verbindungsbereichsseitig einen federnd gelagerten Auslassbereich (8') beinhaltet.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Lötbereich (3) aus einem Keramikmaterial besteht.
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das den Lötbereich (3) beinhaltende Heizelement (2) aus einem Keramikmaterial besteht.
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, einsetzbar zum Verbinden von aus Kupferdraht bestehenden Drahtspulen (11) mit Chipeinheiten (12) zur Bildung von Transpondereinheiten.
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Chipeinheit (12) und die jeweilige als Antenne fungierende Drahtspule (11) löttechnisch zu einer Transpondereinheit verbindbar sind.
25. Einrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Chipeinheit (12) und die jeweilige als Antenne fungierende Drahtspule (11) auf einem nicht leitenden Substrat (10) zu einer Transpondereinheit verbindbar sind.
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