DE102014210224B4

DE102014210224B4 - Reflowlötverfahren und Reflowlötanlage

Info

Publication number: DE102014210224B4
Application number: DE102014210224.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Ulzhöfer
Original assignee: Smt Maschinen und Vertriebs & Co KG GmbH; Smt Maschinen- und Vertriebs & Co KG GmbH
Current assignee: Smt Maschinen und Vertriebs & Co KG GmbH; Smt Maschinen- und Vertriebs & Co KG GmbH
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: DE102014210224A1

Abstract

Reflowlötverfahren, bei dem in einer Lötzone das Lötgut so weit erhitzt wird, dass das Lot einen flüssigen Zustand annimmt und in einer sich daran anschließenden Abkühlzone das Lötgut so weit abgekühlt wird, dass sich das Lot verfes tigt, wobei das Lötgut in dem Zustand, in dem das Lot flüssig ist, einer Vibration unterzogen wird, und die Parameter der Vibration so gewählt sind, dass es zu einem vorübergehenden Versetzen der Bauteile (3) gegenüber der Lötstelle (6) kommt, wobei das Lötgut im geneigten Zustand einer Vibration unterzogen wird, die während der Aufbringung variiert werden kann und mittels einer Neigeeinrichtung (7) während des Transports durch die Lötanlage gegenüber der Horizontalen (8) um einen bestimmten Neigungswinkel geneigt wird, der von Plusgraden zu Minusgraden oder umgekehrt variiert wird.

Description

Es sind Reflowlötanlagen unterschiedlichster Gestaltung bekannt. Üblicher Weise weisen als Durchlaufanlagen konzipierte Anlagen zumindest einen Vorwärmbereich, eine Lötzone und einen Abkühlbereich auf. Das Lötgut wird durch den Vorwärmbereich geführt und seine Temperatur ständig erhöht. In der Lötzone wird der Schmelzpunkt des Lotes erreicht und das Lot verflüssigt, so dass es zum eigentlichen Lötvorgang kommt. In der sich daran anschließenden Abkühlzone wird die Temperatur so weit abgesenkt, dass sich das Lot wieder verfestigt.
Das Lötgut besteht üblicher Weise aus Baugruppen, die eine mit Lötstellen bedruckte Platine aufweisen, auf deren Lötstellen zunächst eine Lotpaste aufgebracht wird, die sich bei Raumtemperatur in einem zäh viskosen Zustand befindet. Anschließend werden auf die Lötstellen die Bauteile aufgesetzt. In der Lötzone erfolgt dann das Aufschmelzen der Lotpaste in den flüssigen Zustand und es kommt zum eigentlichen Lötvorgang. Nach dem Erstarren des Lotes in der Abkühlphase ergibt sich eine starre leitende Verbindung zwischen Platine und Bauteil. Die Qualität der Lötung hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Insbesondere größere Bauteile, bei denen höhere Ströme fließen, benötigen angemessene Lötstellen und damit eine größere Lotmasse. Die Qualität einer solchen Lötstelle wird häufig durch Einschlüsse im Lot beeinträchtigt. Hierbei handelt es sich in der Regel um gasförmige Einschlüsse, die die Gesamtleitfähigkeit der Lötstelle herabsetzen. Es wurden daher verschiedene Anstrengungen unternommen, derartige Einschlüsse zu vermeiden. Kommt es dennoch zu derartigen Einschlüssen, kann versucht werden, im flüssigen Zustand des Lots die Einschlüsse zu entfernen. Hierzu werden vermehrt Vakuumeinrichtungen eingesetzt, die im flüssigen Zustand des Lotes das Lotgut einem Unterdruck bzw. Vakuum aussetzen, um so gasförmige Einschlüsse aus der Lötstelle gewissermaßen herauszuziehen. Weiterhin wurde versucht, durch Vibration gasförmige Einschlüsse zu bewegen, die Lötstelle zu verlassen.
Auch wenn mit diesen Methoden eine gewisse Verbesserung der Lötqualität erzielt werden kann, sind die Ergebnisse doch nicht restlos befriedigend.
Aus dem Dokument US 4 831 724 A ist es bekannt, beim Löten das Lötgut in dem Zustand, in dem das Lot flüssig ist, einer Vibration zu unterziehen. Dabei soll es auch zu einem zeitweiligen Versetzen der Bauteile kommen. Zum Aufbringen der Vibration werden Schallwellen eingesetzt oder alternativ ein Nocken, der mit der Transporteinrichtung zusammenwirkt. Bei einer derartigen Ausführungsform ist der Nocken Bestandteil der Vibrationseinrichtung und dient dazu, die gewünschte Vibration zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Reflowlötverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem gasförmige Einschlüsse in Lötstellen erfolgversprechend beseitigt werden können.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 10. Der Erfindung liegt der Kerngedanke zugrunde, dass Lötgut in dem Zustand, in dem das Lot flüssig ist, einer Vibration zu unterziehen, deren Parameter so gewählt sind, dass es zu einem vorübergehenden Versetzen der Bauteile gegenüber der Lötstelle kommt. Dieses zeitweise Versetzen der Bauteile bewirkt zum einen eine gewisse Bewegung im Lot, zum anderen wird verhindert, dass während des Lötvorgangs die Lötstelle weitgehend durch das Bauteil abgedeckt ist, so dass gasförmige Einschlüsse kaum eine Chance haben, die Lötstelle zu verlassen. Dies wird näher anhand des konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.
Da es für die Qualität der Baugruppe von entscheidender Bedeutung ist, dass die Bauteile sich tatsächlich an dem gewünschten Platz befinden, dürfen die Bauteile nur vorübergehend gegenüber der Lötstelle versetzt werden. Das heißt, spätestens beim Erstarren des Lotes in der Abkühlphase müssen sich die Bauteile gegenüber der Lötstelle wieder in der optimalen Position befinden. Es hat sich gezeigt, dass sich dies bereits häufig durch die Oberflächenspannung des Lots bewerkstelligen lässt, das heißt, sobald die Vibration gestoppt wird, wird das Bauteil durch die Oberflächenspannung der Lotstelle automatisch zurück in die ursprüngliche Position bewegt. Es werden noch weitere Maßnahmen getroffen werden, um ein zeitweises Versetzen der Bauteile gegenüber den Lötstellen zu gewährleisten. So wird die Baugruppe in einer bestimmten Richtung geneigt werden, was bereits zu einem Versetzen der Bauteile führen kann, jedoch insbesondere bei Unterstützung durch Vibration zu einem Versetzen der Bauteile führt. Wird die Baugruppe dann vor dem Erstarren des Lotes zurück in die horizontale Position bewegt, setzt eine Rückbewegung des Bauteils in die gewünschte Position ein. Dieser Effekt wird noch verstärkt, indem die Baugruppe zunächst in einer bestimmten Richtung geneigt wird und anschließend in die entgegengesetzte Richtung, bevor sie wieder in die Horizontale bewegt wird. Das heißt, die Baugruppe wird z. B. zunächst um einige Plusgrade verschwenkt, um anschließend um Minusgrade in die entgegengesetzte Richtung verschwenkt zu werden, bevor sie in die Horizontale zurückbewegt wird.
Insbesondere durch die Einstellung von Frequenz und Amplitude der Vibration kann der gewünschte Versatz realisiert werden. Dabei ist es möglich, über den Zeitraum der Einbringung der Vibration die Parameter der Vibration zu ändern, also beispielsweise die Frequenz oder Amplitude zu modulieren, um zu gewährleisten, dass bei kleinen wie großen und schweren wie leichten Bauteilen ein angemessenes Versetzen der Bauteile gegenüber der Lötstelle gewährleistet ist. Bevorzugt werden Frequenzen bis 2000 Hertz eingesetzt.
Werden die Baugruppen wie geschildert geneigt, können Neigungswinkel bis 45 Grad vorteilhaft eingesetzt werden. Bewährt hat sich ein Neigungswinkel von bis zu 15 Grad, bevorzugt 5 Grad. Der Neigungswinkel kann während des Bearbeitungsvorgangs variiert werden, wobei, wie dargelegt, auch eine Variation von Plus- zu Minusgraden oder umgekehrt selbstverständlich möglich ist. Vorteilhaft verbleibt das Lötgut für bis zu 300 Sekunden im geneigten Zustand, wobei bei üblichen Baugruppen sich ein Wert von bis zu 10 Sekunden, bevorzugt 5 Sekunden bewährt hat.
Vorteilhaft ist es, das Lötgut in der eigentlichen Lötzone einer Vibration mit oder ohne Neigung zu unterwerfen. Es kann sich aber auch an die eigentliche Lötzone eine spezielle Zone anschließen, in der das Lot im flüssigen Zustand gehalten und die Baugruppe der genannten Vibration unterworfen wird. Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn die Vibration in einer Phase mit steigender Temperatur eingeleitet wird. Die Einleitung kann mechanisch oder mittels Schall geschehen, wobei beispielsweise eine mechanische Vibrationseinleitung über das Transportsystem der Baugruppen erfolgen kann.
Eine Reflowlötanlage zur Realisierung dieses Verfahrens verfügt über Steuereinrichtung, mittels der die Parameter der Vibration in der genannten Weise vorteilhaft eingestellt bzw. variiert werden können, um das optimale Ergebnis zu erzielen. Wie bereits diskutiert, kann eine Vibrationseinrichtung vorgesehen sein, die das Lötgut in der Lötzone beaufschlagt. Es kann aber auch eine anschließende Zone vorgesehen sein, in der das Löt im flüssigen Zustand gehalten wird und die gewünschte Vibration auf das Lötgut aufgebracht wird. Ebenso verhält es sich mit einer Neigeeinrichtung, die vorgesehen wird, um das Lötgut in einen geneigten Zustand zu bringen. Diese Neigungseinrichtung kann so beschaffen sein, dass der Neigungswinkel während des Transportes des Lötgutes durch die Anlage variierbar ist, wobei auch eine Variation der Neigung von Plus- auf Minusgrade oder umgekehrt vorteilhaft sein kann.
Die Vibration wird über eine geeignete Einrichtung auf das Lötgut aufgebracht. Hierzu kann eine mechanische Einbringung über das Transportsystem geeignet sein, oder auch Schall Verwendung finden. Die Erfindung wird näher anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.

1 zeigt die Grundposition des Bauteils auf einem verflüssigten Lotdepot vor Einbringung der Vibration.
2 zeigt das Versetzen eines Bauteils durch die Vibration in der Zeichenebene nach rechts und das Entweichen von eingeschlossenen Gasporen.
3 zeigt das Versetzen des Bauteils nach links während der Vibration und das Entweichen von eingeschlossenen Gasporen.
4 zeigt das Bauteil auf dem Lotdepot nach Beendigung der Vibration.
5 zeigt eine Situation korrespondierend zur 2, jedoch mit geneigter Baugruppe.

In 1 ist die Baugruppe mit der Platine 1, mit der Lötstelle 6, dem darauf befindlichen bereits verflüssigten Lotdepot 2 und dem darauf aufgesetzten Bauteil 3 zu sehen. Weiterhin werden durch Kreise Gasporen 4 im Inneren des Lotdepots 2 angedeutet. Die Baugruppe befindet sich im Ruhezustand. Es wird nun die geschilderte Vibration eingeleitet, die so bemessen ist, dass das Bauteil 3, wie gut aus 2 zu sehen, gegenüber der eigentlichen Lötstelle 6 versetzt wird. Da das Lot sich im flüssigen Zustand befindet, kann das Bauteil 3, wie in 2 zu sehen, nach rechts oder, wie in 3 zu sehen, nach links versetzt werden, je nachdem, in welche Richtung die Baugruppe bzw. die Platine 1 bewegt wird. Die Vibration ist dabei hinsichtlich Frequenz und Amplitude so bemessen, dass das Bauteil 3 auf dem flüssigen Lotdepot 2 hin und her bewegt wird, das Lotdepot 2 dennoch aufgrund der Oberflächenspannung als geschlossenes Lotdepot 2 erhalten bleibt und es nicht zu Ausfließen von Lot kommt.
Da die Gasporen 4 aufgrund ihres deutlich geringeren spezifischen Gewichts grundsätzlich eine Tendenz haben, in flüssigem Lot nach oben zu entweichen, dies jedoch durch das aufgesetzte Bauteil 3 behindert wird, ergeben sich durch das Versetzen des Bauteils 3, wie durch die Pfeile 5 in 2 und 3 dargestellt, deutlich günstigere Bedingungen zum Entweichen der Gasporen 4. Darüber hinaus kommt es durch die Vibration und die Bewegung des Lotdepots 2 zu einer Bewegung des flüssigen Lots, die ebenfalls das Entweichen der Gasporen 4 fördert. Nach Beendigung der Vibration wird bei noch flüssigem Lot des Lotdepots 2 das Bauteil 3 alleine aufgrund der Oberflächenspannung in die optimale Position mittig über dem Lotdepot 2 zurückbewegt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Baugruppen bei Aufbringen der Vibration in der horizontalen Lage gehalten. Es ist ohne Weiteres ersichtlich, dass das gewünschte Versetzen des Bauteils 3 durch ein Neigen der Baugruppe noch befördert werden kann. Dies wird durch die 5 veranschaulicht, die grundsätzlich der 2 entspricht, jedoch eine geneigte Baugruppe zeigt, die durch eine geeignete Neigeeinrichtung 7 während des Transports durch die Anlage gegenüber der Horizontalen 8 geneigt wird, wobei die Baugruppe so geneigt wird, dass ein Versetzen des Bauteils 3 in der Zeichenebene nach rechts erleichtert bzw. verstärkt wird.

Claims

Reflowlötverfahren, bei dem in einer Lötzone das Lötgut so weit erhitzt wird, dass das Lot einen flüssigen Zustand annimmt und in einer sich daran anschließenden Abkühlzone das Lötgut so weit abgekühlt wird, dass sich das Lot verfes tigt, wobei das Lötgut in dem Zustand, in dem das Lot flüssig ist, einer Vibration unterzogen wird, und die Parameter der Vibration so gewählt sind, dass es zu einem vorübergehenden Versetzen der Bauteile (3) gegenüber der Lötstelle (6) kommt, wobei das Lötgut im geneigten Zustand einer Vibration unterzogen wird, die während der Aufbringung variiert werden kann und mittels einer Neigeeinrichtung (7) während des Transports durch die Lötanlage gegenüber der Horizontalen (8) um einen bestimmten Neigungswinkel geneigt wird, der von Plusgraden zu Minusgraden oder umgekehrt variiert wird.
Reflowlötverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz und Amplitude der Vibration so bemessen sind, dass ein gewünschter Versatz der Bauteile (4) gegenüber der Lötstelle (6) eintritt, wobei Frequenzen bis 2000 Hertz eingesetzt werden.
Reflowlötverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel bis zu 15 Grad, bevorzugt 5 Grad beträgt.
Reflowlötverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötgut für bis zu 10 Sekunden, bevorzugt 5 Sekunden, im geneigten Zustand gehalten wird.
Reflowlötverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötgut in der Lötzone oder einer speziellen sich daran anschließenden Zone der Vibration ausgesetzt wird.
Reflowlötverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibration mechanisch oder durch Schall eingebracht wird.
Reflowlötverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibration mechanisch über ein Transportsystem für das Lötgut eingebracht wird.
Reflowlötverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötgut bis zu 10 Sekunden, bevorzugt 5 Sekunden, der Vibration ausgesetzt wird.
Reflowlötverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibration in einer Phase mit steigender Temperatur des Lötguts eingeleitet wird.
Reflowlötanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Lötzone, in der das Lötgut so weit erhitzt wird, dass das Lot einen flüssigen Zustand annimmt, und einer sich daran anschließenden Abkühlzone, in der das Lötgut so weit abgekühlt wird, dass sich das Lot verfestigt, wobei das Lötgut in dem Zustand, in dem das Lot flüssig ist, einer Vibration unterzogen wird, und die Parameter der Vibration von einer Steuereinrichtung so eingestellt werden, dass es zu einem vorübergehenden Versetzen der Bauteile (4) gegenüber der Lötstelle (6) kommt, wobei die Vibration in der Lötzone oder einer sich daran anschließenden Zone, in der das Lot im flüssigen Zustand gehalten wird, eingeleitet wird, und eine Neigeeinrichtung vorgesehen ist, mittels der das Lötgut geneigt wird, um es im geneigten Zustand einer Vibration auszusetzen, wobei der Neigungswinkel während des Transports des Lötgutes variierbar ist.
Reflowlötanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel bis zu 15 Grad, bevorzugt 5 Grad, beträgt.
Reflowlötanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel während des Transports des Lötgutes in die andere Richtung variierbar ist, also von Plus- auf Minusgrade oder umgekehrt.
Reflowlötanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine Vibrationseinrichtung, die mechanisch oder durch Schall die gewünschte Vibration erzeugt.
Reflowlötanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibration von der Vibrationseinrichtung mechanisch in ein Transportsystem für das Lötgut eingebracht wird.