DE102004047359B3

DE102004047359B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung und Überwachung eines Lötprozesses

Info

Publication number: DE102004047359B3
Application number: DE102004047359A
Authority: DE
Inventors: Guido Strotmann; Alfred Kemper; Thomas Dr. Licht; Christian Dr. Robohm
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: US20060076389A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Regelung und Überwachung der Vakuumlötung von Leistungsbauelementen und SMD-Bauelementen zur Verfügung, wobei die Temperatur des Prozesses über ein offenes Thermoelement, das getrennt von der Ofenheizung angeordnet und in eine Grundplatte, die als Wärmepuffer dient, integriert ist, geregelt und direkt an der Kontaktstelle zwischen Lötgut und Bauelement überwacht und gemessen wird. Die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung während des Prozesses wird mittels eines berührungslosen optischen Meßsystems gemessen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung und Überwachung eines Lötprozesses zur Vakuumlötung von Leistungsbauelementen und SMD-Bauelementen, wobei die Temperatur des Prozesses über ein oder mehrere offene Thermoelemente, die getrennt von der Ofenheizung angeordnet sind, geregelt und direkt an der Kontaktstelle zwischen Lötgut und Bauelement überwacht und gemessen wird.
SMD-Bauelemente sind elektronische Bauteile, die nicht über Anschlussdrähte verfügen, sondern direkt auf der Oberfläche einer Elektronikplatine platziert und dort im Lötbad kontaktiert werden. Elektronische Bauteile sind häufig empfindlich gegenüber der absorbierten Feuchtigkeit und es kann zu Abblätterungen und Rissen im Innern der Bauteile, zu Beschädigungen von Verbindungen und Beschichtungen und im schlimmsten Fall zu einem Riss im Bauteil selber kommen. SMD-Bauteile, die beim Lötprozess relativ hohen Temperaturen ausgesetzt sind, sind besonders anfällig für derartige Beschädigungen, da der Dampfdruck der Feuchtigkeit im Innern eines Bauteils sehr stark ansteigt, sobald das Bauteil höheren Temperaturen ausgesetzt wird.
Aufgrund dieser Problematik wurden IPC/JEDEC-Standards (IPC/JEDEC J-STD-020B) eingeführt, in denen die unterschiedlichen Anforderungen an die Temperaturen, Temperaturprofile sowie Haltezeiten in Abhängigkeit vom SMD-Bauelement-Typ, seiner Dicke und seinem Volumen festgelegt sind. Die Einhaltung des im Standard vorgegebenen Temperaturprofils soll ein fehlerfreies Reflow-Löten des betreffenden Bauelements gewährleisten. Es ist somit erforderlich, dass beim Lötvorgang der Temperaturverlauf, die Höhe und Zeit über der Liquidustemperatur, die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung sowie die Einhaltung von Heiz- und Kühlrampen genau überwacht wird.
Die heute typisch eingesetzten Lötprozesse sind das Wellenföten, das Reflow- bzw. Aufschmelzlöten und das Dampfphasenlöten. Der Nachteil des Wellenlötens und des Dampfphasenlötens liegt in der sehr steilen Aufheizflanke, die aufgrund der Prozesseigenschaften nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand einstellbar ist. Auch beim Reflow-Löten stellt sich die Frage nach einer Einstellung der Auf heiz- bzw. Abkühlrampe. Bei der Verwendung großflächiger Leistungshalbleiter ist es außerdem notwendig, in evakuierten Prozessräumen zu arbeiten, um den Dampfdruck zu minimieren und damit die Gefahr von Beschädigungen zu reduzieren und die Bildung von Lunker im Lot zu vermeiden.

So wird beispielsweise in der DE 29 08 829 C3 ein Verfahren zur Durchführung eines Hartlötvorgangs in einer Vakuumkammer beschrieben, bei dem miteinander zu verbindende Bauteile durch Aufschmelzen eines Hartlotes bei ca. 600°C miteinander verbunden werden. Die Abkühlung erfolgt anschließend außerhalb der Prozesskammer in normaler Umgebungsatmosphäre. Das Verfahren hat den Nachteil, dass die Abkühlung nicht mehr in einer definierten Prozessatmosphäre stattfindet, was Fehler im Bauteil zur Folge haben kann.

Die DE 199 53 654 A1 beschreibt ein Verfahren zur Temperaturbehandlung von Werkstücken oder Bauteilen, insbesondere zur Herstellung von Lotverbindungen, wobei das Bauteil zunächst in einer Aufschmelzkammer in einer von der Umgebung abgeschlossenen Atmosphäre beheizt wird und dann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt in einer Abkühlkammer die Abkühlung des Bauteils ebenfalls in einer abgeschlossenen Prozessatmosphäre erfolgt. Aufschmelzkammer und Abkühlkammer bilden dabei voneinander unabhängige Prozessräume. Es besteht die Möglichkeit, in den jeweiligen Prozessräumen ein Vakuum auszubilden. Die Temperaturführung wird bei dem Verfahren über eine Temperiereinrichtung geregelt, die bevorzugt als Strahlereinrichtung betrieben wird, wobei die Temperatur des Bauteils über den Abstand der Strahlereinrichtung zum Bauteil bzw. zum Lotmaterial eingestellt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht eine Kombination einer Strahlereinrichtung mit einer Kontakteinrichtung vor, so dass zumindest in der Anfangsphase der Beheizung und der Kühlung eine direkte Temperaturübertragung möglich ist und eine Temperaturbeaufschlagung mittels Wärme- oder Kälteleitung erfolgt, wodurch die Auf heiz- und Abkühlzeiten erheblich verkürzt werden können. Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, die Strahlereinrichtung als temperierbare Platte auszubilden, deren Oberfläche dann als Kontakteinrichtung dienen kann. Die Regelung des Abstandes der Strahlereinrichtung vom Bauteil erfolgt durch einen Temperatursensor, der entweder im Lotmaterialträger selber oder unmittelbar an der Strahlereinrichtung angeordnet ist. Im zweiten Fall wird der Berührungskontakt zur Trägereinrichtung über eine Verbindungseinrichtung, wie zum Beispiel eine Federeinrichtung, gewährleistet.

Mit dem oben geschilderten Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung wird zwar die Auf heiz- und Abkühlrampe des Lötprofils wesentlich besser kontrolliert als bei den bisher bekannten Verfahren, jedoch ist immer noch keine direkte Überwachung der Temperatur während des Auflötvorganges möglich, so dass die Einstellung der Auf heiz- und Abkühlrampe, aber auch die Messung der maximalen Temperatur (Scheiteltemperatur) sowie die Bestimmung der Höhe und der Zeit über der Liquidustemperatur kritisch ist. Darüber hinaus ist bei den bekannten Verfahren nach wie vor die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung insbesondere im Peak-Bereich problematisch.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der die oben genannten Probleme gelöst werden und die exakte Messung der maximalen Temperatur, die Regelung der Höhe und der Einwirkungsdauer der Temperatur oberhalb der Liquidustempera tur, die exakte Einhaltung des Temperaturprofils (Heiz- und Kühlrampen) sowie die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung gewährleistet sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Regelung und Überwachung eines Lötprozesses zur Vakuumlötung von Leistungsbauelementen und SMD-Bauelementen gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13. Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Vakuumkammer, in der das Verfahren durchgeführt wird,
2 einen Vergleich des Aufheizverhaltens des Lötgutes bei unterschiedlichen Lötverfahren.
Wie die 1 zeigt, wird der Prozess in einer Vakuumkammer 4 durchgeführt, wobei die Einstellung und Einhaltung mindestens eines Temperaturprofils über mindestens ein offenes Thermoelement 8 geregelt wird, das getrennt von der Ofenheizung 9 angeordnet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Temperaturerfassung direkt im Bereich der auf einem Träger 6 (z. B. DCB) angeordneten Bauelemente 5 erfolgt, wodurch eine verbesserte Regelung der Temperatur und des Temperaturprofils ermöglicht wird. Dies ist besonders wichtig für die exakte Ermittlung der Scheiteltemperatur und der Regelung der Zeit der Temperaturbehandlung oberhalb der Liquidustemperatur. Das Thermoelement 8 ist integriert in eine Grundplatte 7, die als Wärmepuffer dient und mit deren Wärmekapazität und Wärmewiderstand die Heiz- bzw. Kühlrampe beeinflusst und optimiert wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den konventionellen Lötverfahren wird in 2 veranschaulicht, die einen Vergleich des Aufheizverhaltens des Lötgutes bei den verschiedenen Lötverfahren zeigt. Dabei ist zu erkennen, dass die Nutzung eines Wärmepuffers gemäß der vorliegenden Erfindung eine exakt lineare und direkte Regelung des Lötprozesses erlaubt, während die konventionellen Verfahren, die ein Aufheizen des Lötgutes ohne Trennung von der Heizplatte oder eine Regelung über die Variation des Kontaktes zur Heizplatte (Variation des Abstandes von der Heizung zum Lötgut) bei gleichzeitiger Trennung von Heizplatte und Lötgut nutzen, nichtlineare Aufheizkurven zeigen, die eine Einhaltung des Temperaturprofils gemäß JEDEC-Standard erschweren.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Material für die Grundplatte 7 üblicherweise metallisches Kupfer eingesetzt, wobei die Dicke der Platte zwischen etwa 1 und 10 mm liegt. Alternativ zum Kupfer können je nach Prozessanforderungen als Materialien für die Grundplatte 7 auch andere Metalle oder Metallkomposite eingesetzt werden. Als vorteilhafte Ausführungsbeispiele für andere Metalle sind Aluminium und Molybdän zu nennen. Durch den Austausch des Plattenmaterials kann der Wärmewiderstand und die Wärmekapazität zwischen Lötgut und Heizplatte oder Grundplatte und Heizplatte entsprechend den Prozessanforderungen eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung des Wärmewiderstandes und der Wärmekapazität zwischen Grundplatte und Heizplatte besteht darin, das Gasmedium in der Vakuumkammer 4, beispielsweise durch Veränderung des Druckes und der Zusammensetzung, zu variieren.
Wie aus der Abbildung in 1 weiter zu erkennen ist, wird die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung auf dem Lötgut mittels eines berührungslosen optischen Meßsystems 10 gemessen, wobei als optisches Meßsystem 10 vorteilhaft ein Pyrometer, eine IR-Messzelle oder ein faseroptisches Element eingesetzt werden kann. Aus der Auswertung der Messung kann dann eine Rückkopplung zur Ofensteuerung und somit eine Prozesssteuerung erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung zusätzlich durch Segmentierung der Heizplatte in Kombination mit der Temperaturerfassung auf der Lotoberfläche bei gleichzeitiger Rückkopplung an das Heizreglersystem verbessert werden. Dabei ist es möglich, mittels des Thermographiebildes eine Regelung der einzelnen Segmente zu bewirken und somit eine aktive dynamische Heizungssteuerung zu erreichen. So können Unterschiede in den unterschiedlichen Bereichen des Bauelementes aufgrund von Massenunterschieden, Unebenheiten, Verwölbungen oder ähnlichen Effekten ausgeglichen werden.
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann bei der Heizplatte und/oder bei der Grundplatte eine zusätzliche Schicht, zum Beispiel pyrolytisches Graphit oder Diamant, aufgebracht oder integriert werden, um die Wärmespreizung zu verbessern und damit die Temperaturführung weiter zu optimieren.

1: Aufheizschritt
2: Regelungsschritt
3: Nutzung des Wärmepuffers
4: Vakuumkammer
5: Bauelemente
6: Träger für Bauelemente
7: Grundplatte
8: Thermoelement
9: Heizung
10: Optisches Messsystem

Claims

Verfahren zur Regelung und Überwachung eines Lötprozesses zur Vakuumlötung von Leistungsbauelementen und SMD-Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Prozesses über ein offenes Thermoelement, das getrennt von der Ofenheizung angeordnet ist, geregelt und direkt an der Kontaktstelle zwischen Lötgut und Bauelement überwacht und gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötprozess in einem Schritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement in eine Grundplatte integriert ist, die gleichzeitig als Wärmepuffer genutzt wird und mit deren Wärmekapazität und Wärmewiderstand die Heizrampe des Lötprozesses beeinflusst und optimiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Grundplatte Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder Metall-Matrix-Konposite eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren Wärmespreizung eine zusätzliche Schicht auf die Grundplatte aufgebracht oder in die Grundplatte integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht aus pyrolytischem Graphit oder Diamant besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenheizung aus einer Heizplatte besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizplatte aus Segmenten aufgebaut ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren Wärmespreizung eine zusätzliche Schicht auf die Heizplatte aufgebracht oder in diese integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht aus pyrolytischem Graphit oder Diamant besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichmäßigkeit der Temperaturführung auf dem Lötgut mittels eines berührungslosen optischen Meßsystems überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als berührungsloses optisches Meßsystem ein Pyrometer, eine IR-Messzelle oder ein faseroptisches Element eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bestehend aus einer Vakuumkammer, deren Temperatur über eine Ofenheizung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung über ein offenes Thermoelement geregelt wird, das getrennt von der Ofenheizung in der Vakuumkammer angeordnet und dabei in eine Grundplatte integriert ist, wobei die Grundplatte direkt mit dem Träger für die Bauelemente verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Temperaturverteilung auf dem Lötgut mittels eines berührungslosen optischen Meßsystems erfolgt.