DE4329000A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Löten von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Werk­ stücken, nämlich von Leiterplatten und Substraten, die mit Chip-Bauteilen und/oder Mikrobausteinen und/oder daraus zusammengesetzten Baugruppen bestückt werden, mit einem Hauptlötbad oder wenigstens einer Hauptlötwelle, mit deren Oberfläche das Werkstück in Berührung gebracht wird und die eine senkrecht zur Förderrichtung stehende Abrißkante besitzt.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, mit einem Hauptlötbad oder wenigstens einer Hauptlötwelle, die mittels einer Lötdüse erzeugbar ist und die quer zur Förderbahn der Werkstücke an deren Unterseite diese mit dem Lot in Berührung bringt.

Bei der Verbindung von elektrischen Bauteilen mit einem Trägermaterial, z. B. einer Leiterplatte oder einem Sub­ strat, werden Lötbäder oder Wellenlötanlagen eingesetzt. Durch die weiter fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen werden dabei vermehrt Chip-Bau­ teile und Mikrobausteine eingesetzt. Daraus resultiert eine ständig steigende Anschlußdichte auf den Schaltungen, mit sehr geringen Abständen zwischen den einzelnen Bautei­ len und deren Anschlußflächen. Beim Lötvorgang wird so auch die Bildung von Lotbrücken gefördert.

Die bekannten Verfahren der Bad- oder Wellenlötung ver­ wenden als Haupt- bzw. Fertiglötbad/-lötwelle ein im Austrittsbereich des Werkstücks ruhendes oder mit einer laminaren Strömung in Förderrichtung abfließendes Lötbad. Dabei wird bei allen Vorrichtungen beim Austritt des Werk­ stücks aus dem Lot das Werkstück über die gesamte Breite vom Lot berührt. Die Vorrichtungen besitzen somit eine geradlinige, senkrecht zur Förderrichtung stehende imagi­ näre Abrißkante. Unter der imaginären Abrißkante wird die Kante verstanden, bei der das Lot bei einem nichtbenetz­ baren Werkstück den Kontakt zum Werkstück verliert, wenn es aus dem Lötbad herausgefördert wird. Aufgrund der ka­ pillaren bzw. adhäsiven Wirkung der Lotstützpunkte sowie aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes wird das Lot von der Leiterplatte über die imaginäre Abrißkante hinaus verschleppt, in Richtung zur maximalen Abrißkante. Unter der maximalen Abrißkante versteht man die Kante, bei der das Lot bei einem vollbenetzbaren Werkstück den Kon­ takt zu diesem Werkstück verliert, wenn es aus dem Lötbad heraus gefördert wird. Der vollständige Abriß der Lötwelle erfolgt nun an einem beliebigen Punkt zwischen der imagi­ nären Abrißkante und der maximalen Abrißkante, abhängig von der Konstruktion und der Anordnung der Bauteile auf dem Werkstück.

Insbesondere bei enger Anordnung von Bauteilen und Bau­ teilanschlüssen auf dem Werkstück wird eine Menge des Lotes vom Bauteil über die imaginäre Abrißkante ver­ schleppt, es bildet sich eine Verbindung zwischen der Lotansammlung und dem Lötbad aus. Infolge der starken Oberflächenspannung des flüssigen Lotes erfährt die Ver­ bindung in der Mitte eine Verjüngung, die auch die schwächste Stelle der Verbindung darstellt. Beim Weiter­ transport des Werkstücks wird die Verbindung an dieser Stelle aufbrechen und das noch auf dem Werkstück befindli­ che Lot bleibt dort als Lotbrücke zurück. Speziell, wenn mehrere Lotstützpunkte in einer Reihe parallel zur Abriß­ kante liegen und sich die Benetzungskräfte der einzelnen Lotstützpunkte addieren, kommt es zu einer derartigen Verschleppung von Lot.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, das bzw. die es er­ möglicht, auch eng bestückte Leiterplatten und Substrate lotbrückenfrei zu löten.

Diese Aufgabe wird nach dem vorgeschlagenen Verfahren dadurch gelöst, daß die Abrißkante des Hauptlötbades oder der Hauptlötwelle, bei der das Lot bei einem nicht benetz­ baren Werkstück den Kontakt zum Werkstück verliert (imagi­ näre Abrißkante) ungeradlinig und mindestens in Teilen nicht senkrecht zur Förderrichtung des Werkstückes ausge­ bildet wird.

Ein vorteilhafter Verfahrensschritt besteht darin, daß die imaginäre Abrißkante in Förderrichtung des Werkstückes eine Dreieck-, eine Rund-, eine Halbrund-, eine Ovalform oder dergleichen aufweist.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des Verfah­ rens besteht darin, daß die von der Lötdüse im Austritts­ bereich zum Werkstück bei der Haupt- bzw. Fertigbad/-löt­ welle erzeugte Lotoberfläche in Förderrichtung wenigstens eine Verjüngung aufweist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Löt­ düse mit Bohrungen in dreieckig angeordneter Form ver­ sehen ist, wobei die Dreieckspitzen in Förderrichtung zeigen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß das Bohrbild der Bohrun­ gen in runder, in halbrunder oder in ovaler Form in För­ derrichtung zeigend angeordnet sind.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Lötdüse im Aus­ trittsbereich zum Werkstück Leitbleche zum Erzeugen der Verjüngungen in Förderrichtung aufweist.

Schließlich geht man so vor, daß innerhalb der Lötdüse eine Zusatzlötdüse mit einem zusätzlichen Pumpenaggregat angeordnet ist, die der durch eine laminare Strömung des Lötbades erzeugten Hauptlötwelle eine Zusatzlötwelle mit Verjüngungen in Förderrichtung erzeugt.

Die Erfindung sieht somit vor, daß durch eine oder mehrere Verjüngungen der Lotoberfläche im Austrittsbereich des Werkstücks bei dem Haupt- bzw. Fertiglötbad/-lötwelle in Förderrichtung die Oberflächenspannung des flüssigen Lotes die Rückführung des Lotes von benachbarten Lotstützpunkten in das Hauptlötbad erzwingt, ohne daß die mechanische Verbindung, die die Rückführung des Lotes ermöglicht, vom Werkstück abreißt. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn mehrere benachbarte Einrichtungen im Abstand in einer Reihe, im wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung, vor­ handen sind, die eine derartige Rückführung des Lotes vom Werkstück ermöglichen. Es ergibt sich somit, daß die ima­ ginäre Abrißkante nicht geradlinig, senkrecht zur Förder­ richtung verläuft, sondern ungeradlinig und mindestens in Teilen nicht senkrecht zur Förderrichtung ausgeprägt ist.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an­ hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Es zeigen,

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Lötdüse in schematischer Darstellung mit der er­ zeugten imaginären Abrißkante gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung der Lötdüse gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform mit der imaginären Abrißkan­ te,

Fig. 3 bis 5 den Durchlauf eines Werkstückes durch eine derartige Lötdüse gemäß imaginä­ rer Abrißkante nach Fig. 2,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Ausbildung einer Lötdüse bei einem Vorlötbad,

Fig. 7 die Darstellung einer derartigen Löt­ vorrichtung im Schnitt,

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine derartige Lötdüse nach der Erfindung für eine lotbrückenfreie Verlötung,

Fig. 9 einen Schnitt durch eine Lötvorrich­ tung gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 9,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht von Fig. 10,

Fig. 12 einen Schnitt durch eine Lötvorrich­ tung gemäß einer weiteren Ausführungs­ form nach der Erfindung,

Fig. 13 einen Schnitt nach der Linie B-B in Fig. 12,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht von Fig. 13,

Fig. 15 einen Schnitt durch eine Lötvorrich­ tung gemäß einer weiteren Ausführungs­ form nach der Erfindung,

Fig. 16 einen Schnitt nach der Linie C-C in Fig. 15 und

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht der Ein­ richtung gemäß Fig. 16.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist mit dem Bezugszeichen 1 schematisch die Lötdüse bezeichnet, wobei in Förderrichtung 3 in bezug auf das Werkstück die spitz zulaufende imaginäre Abrißkante 2 eingezeichnet ist. Diese imaginäre Abrißkante 2 bedeutet eine Kante, bei der das Lot bei einem nicht benetzbaren Werkstück den Kontakt zum Werkstück verliert, wenn es über das Hauptlötbad/-welle bewegt wird. Diese Abrißkante 2 besitzt eine Ver­ jüngung 4. Die Bedeutung dieser Maßnahme besteht darin, daß die Oberflächenspannung des flüssigen Lots so die Rückführung des Lots von benachbarten Lotstützpunkten in das Hauptlötbad erzwingt, ohne daß die mechanische Ver­ bindung, die die Rückführung des Lotes ermöglicht, vom Werkstück abreißt.

Diese Wirkung läßt sich dadurch erheblich verbessern, wenn man die Ausbildung einer imaginären Abrißkante 2 gemäß Fig. 2 verwirklicht, indem mehrere benachbarte Verjüngungen 4 im Abstand in einer Reihe, im wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung 3, angeordnet sind.

Es ergibt sich somit, daß die imaginäre Abrißkante 2 nicht geradlinig, senkrecht zur Förderrichtung 3 verläuft, son­ dern geprägt durch die Düsenausgestaltung der Lötdüse, ungeradlinig und mindestens in Teilen nicht senkrecht zur Förderrichtung 3 verläuft.

In den Fig. 3 bis 5 ist die Wirkung der Ausbildung einer Lötdüse gemäß Fig. 2 in bezug auf ein zu lötendes Werk­ stück 5 dargestellt, auf dem Chip-Bauteile oder Mikrobau­ steine 6 verlötet werden sollen. Hierbei wird das Werk­ stück 5 zunächst benetzt (Fig. 3), wobei die Lötstützpunk­ te 7 großflächig durch das Lot überbrückt werden dürfen. Nähert sich das Werkstück 5 der imaginären Abrißkante 2, so läuft aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes das Lot von den Lotstützpunkten 7, die die imaginäre Abrißkante 2 bereits überschritten haben, nach den Lot­ stützpunkten 8, die noch Kontakt zum Lot haben (Fig. 4). Es entsteht hierbei keine Lotansammlung an den Lotstütz­ punkten 8 und somit erfolgt eine unbedeutende Verschlep­ pung von Lot über die imaginäre Abrißkante 2 hinaus. Da­ durch ergibt sich eine lotbrückenfreie Verlötung selbst bei enger Bauelemente- und Anschlußanordnung (Fig. 5).

Die Ausbildung der imaginären Abrißkante 2 beschränkt sich nicht auf die vorstehend dargestellte Dreieckform. Ebenso möglich sind Rund-, Halbrund-, Oval- oder andere Formen, die eine derartige Konfiguration der imaginären Abrißkante 2 ergeben. Erzeugt wird hierbei die Abrißkante 2 durch einen entsprechenden mechanischen Aufbau des Lötbades der Lötwelle, durch die Modulation der Lotoberfläche durch eine zusätzliche ins Lotbad eingebrachte Energie oder auf eine andere Art.

In den Fig. 6 bis 8 ist eine Ausführungsform für die Ver­ wirklichung der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausfüh­ rungsform wird ein Vor- oder Chip-Lötbad/-welle 9 vorgese­ hen mit einer Lötdüse 10, bei der in einer oder mehreren Reihen versetzt angeordnete Bohrungen 11 senkrecht zur Förderrichtung 3 angeordnet sind. Die Lötdüse 10 befindet sich in einem Behälter 12, der mit Lotschmelze 13 gefüllt ist. Dieses Vorlötbad hat die Aufgabe, eine vollständige Benetzung aller Bauteile zu erreichen, kurz bevor das Werkstück in das Hauptlötbad/-welle einfährt. Durch die Bohrungen 11 wird das Lot mittels einer Pumpe mit leichtem Druck gegen die Unterseite der Werkstücke 5 geführt. Die dadurch entstehenden charakteristischen Kuppen 14 des Lotes treiben Luft- oder Flußmitteleinschlüsse von der Werkstückunterseite aus (Fig. 7). Die hohe kinetische Energie bewirkt auch ein schnelles Abreißen des Lotes vom Werkstück 5, ohne daß verschlepptes Lot zurückgeführt wird. Somit entstehen auf dem Werkstück 5 eine hohe Anzahl von Lotbrücken. Eine Anordnung gemäß der Fig. 8 erlaubt ein lotbrückenfreies Löten und erfüllt damit sowohl die Anforderungen an eine Vor- als auch an eine Hauptlötwelle. Das Nachschalten einer weiteren Hauptlötwelle ist daher nicht erforderlich. Die Bohrungen 11 bilden an ihrer Vor­ derseite in Förderrichtung 3 gesehen einen dreieckförmigen Verlauf mit den Dreieckspitzen 16, so daß damit die Form der imaginären Abrißkante 2, wie dies in den Fig. 2 bis 5 erläutert wurde, eingehalten wird. Es ergibt sich somit ein lötbrückenfreies Löten.

Im Behälter 12 mit der Lotschmelze 13 befindet sich eine besonders ausgestaltete Lötdüse 17, wobei das Lot mit Hilfe eines Pumpenaggregats 18 zur Düsenöffnung 21 geför­ dert wird und dort eine Lötwelle 19 erzeugt. Durch Einbau entsprechender Leitbleche 20 im Bereich der Austrittsöff­ nung 21 ergibt sich eine Ausgestaltung der Lötwelle 19 gemäß der strichlierten Darstellung in Fig. 11, wobei die imaginäre Abrißkante 2 erzeugt wird.

Die Fig. 12 bis 14 zeigen eine weitere Ausführungsform zum Erzeugen einer derartigen Abrißkante 2, wobei innerhalb einer Lötdüse 22, wo das Pumpenaggregat 18 ein laminar strömendes Lotbad mit der Hauptlötwelle 19 erzeugt, eine Zusatzlotdüse 23 mit einem zusätzlichen Pumpenaggregat 24 angeordnet ist. Die Ausströmöffnung dieser Zusatzlötdüse 23 ist so ausgebildet, daß eine Zusatzlötwelle 25 mit Verjüngungen 4 in Förderrichtung 3 gebildet wird. Es erge­ ben sich hierbei auf der Hauptlötwelle 19 kuppenartige Erhebungen gemäß dieser Zusatzlötwelle 25.

Die Fig. 15 bis 17 veranschaulichen das in Fig. 8 schema­ tisch dargestellte Ausführungsbeispiel. Entsprechend den vorgesehenen Bohrungen 11 wird eine Zusatzlötwelle 25 erzeugt, die die Verjüngungen 4 der Lotoberfläche bewir­ ken. Es ergibt sich somit der dreieckförmige bzw. zick­ zack-förmige Verlauf der imaginären Abrißkante.

Claims (7)

1. Verfahren zum Löten von Werkstücken, nämlich von Lei­ terplatten und Substraten, die mit Chip-Bauteilen und/oder Mikrobausteinen und/oder daraus zusammenge­ setzten Baugruppen bestückt werden, mit einem Haupt­ lötbad oder wenigstens einer Hauptlötwelle, mit deren Oberfläche das Werkstück in Berührung gebracht wird und die eine senkrecht zur Förderrichtung stehende Abrißkante besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrißkante des Hauptlötbades oder der Hauptlötwelle, bei der das Lot bei einem nicht benetzbaren Werkstück den Kontakt zum Werkstück verliert (imaginäre Abriß­ kante) ungeradlinig und mindestens in Teilen nicht senkrecht zur Förderrichtung des Werkstückes ausge­ bildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die imaginäre Abrißkante in Förderrichtung des Werkstückes eine Dreieck-, eine Rund-, eine Halb­ rund-, eine Ovalform oder dergleichen aufweist.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, mit einem Hauptlötbad oder wenig­ stens einer Hauptlötwelle, die mittels einer Lötdüse erzeugbar ist und die quer zur Förderbahn der Werk­ stücke an deren Unterseite diese mit dem Lot in Be­ rührung bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lötdüse (15; 17; 22, 23) im Austrittsbereich zum Werkstück (5) bei der Haupt- bzw. Fertigbad/-lötwelle (19) erzeugte Lotoberfläche (25) in Förderrichtung (3) wenigstens eine Verjüngung (4) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötdüse (15) mit Bohrungen (11) in dreieckig angeordneter Form versehen ist, wobei die Dreieck­ spitzen (16) in Förderrichtung (3) zeigen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bohrbild der Bohrungen (11) in run­ der, in halbrunder oder in ovaler Form in Förderrich­ tung (3) zeigend angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötdüse (17) im Austrittsbereich (21) zum Werkstück (5) Leitbleche (20) zum Erzeugen der Ver­ jüngungen (4) in Förderrichtung (3) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Lötdüse (22) eine Zusatzlötdüse (23) mit einem zusätzlichen Pumpenaggregat (24) an­ geordnet ist, die mit der durch eine laminare Strö­ mung des Lötbades (13) erzeugten Hauptlötwelle (19) eine Zusatzlötwelle (25) mit Verjüngungen (4) in För­ derrichtung (3) erzeugt.