DE112020007317T5

DE112020007317T5 - Verfahren zum verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen bauteilen mit einer leiterplatte

Info

Publication number: DE112020007317T5
Application number: DE112020007317.3T
Authority: DE
Inventors: Rudresh Gosh; John Michael Passiak; Vahid Akhavan Attar; Kurt A. Schroder
Original assignee: NCC Nano LLC
Current assignee: NCC Nano LLC
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2023-04-13
Also published as: WO2021251985A1; JP2023534612A

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Verbinden eines elektronischen Bauteils mit einer Leiterplatte offenbart. Zunächst werden ein Substrat und ein elektronisches Bauteil, zwischen denen sich Lötmaterial befindet, unter einer Blitzlampe platziert. Mehrere Lichtpulse von der Blitzlampe werden auf das elektronische Bauteil, das Substrat und das Lötmaterial aufgebracht, bis das Lötmaterial wieder aufschmilzt. Während der Beaufschlagung mit den Lichtpulsen werden die Leistung von einem der Lichtpulse von der Blitzlampe und die Temperatur des elektronischen Bauteils gemessen, die gemessene Leistung wird in Strahlungsexposition umgewandelt, und in Reaktion auf die gemessene Temperatur des elektronischen Bauteils wird das Tastverhältnis eines nächsten Lichtpulses in Abhängigkeit von der Strahlungsexposition des einen Lichtpulses adaptiv eingestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Herstellungsverfahren im Allgemeinen und im Spezielleren auf ein Verfahren zum Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Komponenten bzw. Bauteilen mit einer Leiterplatte.
HINTERGRUND
Im Allgemeinen können elektronische Bauteile durch Löten mit einer Leiterplatte verbunden werden. Mit dem Aufkommen der Oberflächenmontagetechnik und des Wellenlötens ist die Notwendigkeit, elektronische Bauteile manuell auf eine Leiterplatte zu löten, aus Produktionssicht weitgehend entfallen.
Die Oberflächenmontagetechnik erfordert die Verwendung von Lötpaste mit in einem organischen Flussmittel dispergierten Lötpartikeln. Die Lötpaste wird selektiv auf eine Leiterplatte aufgetragen, worauf die zu lötenden elektronischen Bauteile platziert werden und anschließend die Leiterplatte in einen Reflow- bzw. Wiederaufschmelz-Ofen platziert wird, der mit einem Förderer ausgestattet ist. Durch Erwärmung verflüssigt der Reflow-Ofen die Lötpaste wieder, um das Flussmittel in der Lötpaste zu aktivieren, die Oberflächen zu reinigen und das Lötmaterial zu schmelzen. Das geschmolzene Lötmaterial benetzt die Oberflächen und erstarrt, wodurch eine gute elektrische/mechanische Verbindung zwischen den elektronischen Bauteilen und der Leiterplatte entsteht.
Das Wiederaufschmelz- bzw. Reflow-Verfahren weist jedoch einige Einschränkungen auf. Da die gesamte Baugruppe den Reflow-Ofen durchlaufen muss, müssen die gesamte Leiterplatte und die elektronischen Bauteile in der Lage sein, der hohen Temperatur standzuhalten, die für das Wiederaufschmelzen der Lötpaste erforderlich ist. Bei der Standardlötpaste SAC-305 liegt die Temperatur bei etwa 217 °C. Eine weitere Einschränkung des Reflow-Verfahrens ist die lange Zeit, die für die Verarbeitung der Lötpaste benötigt wird, damit das Lötmaterial aufschmelzen kann. In der Regel dauert es etwa 10 Minuten, da das thermische Profil des Reflow-Ofens sorgfältig gesteuert wird und mehrere vorbestimmte Schritte mit Hochheizen, Einwirken und Absenken der Temperaturzonen umfassen kann.
Eine Lösung für die hohen Temperaturanforderungen des Reflow-Verfahrens ist die Verwendung von Lötpaste mit einer niedrigeren Wiederaufschmelz-Temperatur. Derzeit haben solche Lötpasten im Vergleich zu standardmäßigen SAC-konformen Lötpasten tendenziell schlechte thermische und mechanische Eigenschaften. Eine weitere Lösung für die hohen Temperaturanforderungen des Reflow-Verfahrens ist die Verwendung von elektrisch leitenden Klebstoffen anstelle von Lötpaste. Dies ermöglicht eine Verarbeitung bei nahezu Raumtemperatur (25°C). Wie bei den Niedrigtemperatur-Lötpasten wird die mechanische und elektrische Robustheit der Verbindungen geopfert.
Beim Reflow-Verfahren wird Energie durch Konvektion auf die elektronischen Bauteile, die Leiterplatte und die Lötpaste übertragen, was zu einem weiteren Problem führt. Die Scherung der Luft in dem Reflow-Ofen kann dazu führen, dass elektronische Bauteile von der Leiterplatte geblasen oder falsch ausgerichtet werden, bevor sie mit der Leiterplatte verlötet werden. Dies wird zu einem größeren Problem, wenn die elektronischen Bauteile sehr klein sind, da ihr aerodynamischer Querschnitt im Verhältnis zum Gewicht größer ist.
Ein alternativer Ansatz zu dem Reflow-Verfahren ist die Verwendung eines Lasers. Bei diesem Ansatz kann ein Festkörperlaser auf Lötverbindungen oder elektronische Bauteile gerichtet werden, um diese zu erhitzen und das Lötmaterial wieder zu verflüssigen bzw. aufzuschmelzen, ohne die gesamte Leiterplatte zu erhitzen. Das Laserverfahren ist in der Lage, eine präzise Menge an Leistung und Energie an die Lötstellen zu liefern, um die Lötpaste in etwa einer Sekunde wieder aufzuschmelzen. Der Laserprozess ist jedoch von Natur aus seriell, so dass die Gesamtzeit, die für eine Leiterplatte mit vielen Lötverbindungen benötigt wird, mit der Anzahl der Lötverbindungen ansteigt. Darüber hinaus erfordert das Laserverfahren eine Ausrichtung mit Lötstellen. Mit anderen Worten, es erfordert entweder ein Bildverarbeitungssystem und/oder eine sorgfältige Ausrichtung und Programmierung der Position jeder zu lötenden Stelle. Darüber hinaus kann das Laserverfahren durch ungleichmäßige Strahlen beeinträchtigt werden, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der elektronischen Bauteile führen kann. Dies führt zu mangelhaften Lötverbindungen, zur Beschädigung anderer Teile der Leiterplatte oder zum sogenannten „Tombstoning“ bzw. Grabesteineffekt von elektronischen Bauteilen.
Ein weiterer alternativer Ansatz zum Reflow-Verfahren ist die Verwendung einer kontinuierlichen Lichtquelle, wie z.B. einer Wolframfadenlampe oder einer Halogenlampe auf Wolfram-Basis. Ein Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass das Ein- und Ausschalten der Lichtquelle eine endliche Zeitspanne, etwa eine Sekunde, in Anspruch nimmt. Im Gegensatz zum Laserverfahren kann eine kontinuierliche Lichtquelle nicht auf der Zeitskala der thermischen Gleichgewichtszeit der Lötpastenaufbringung moduliert werden, die normalerweise weniger als 100 Millisekunden beträgt. Diese Einschränkung erschwert die Möglichkeit der präzisen Steuerung des Leistungs- und Energieprofils, das auf das zu bearbeitende Material aufgebracht wird. Dies gilt insbesondere für eine Exposition, bei der das bearbeitete Zielmaterial während der Exposition stationär ist. In dem Fall, in dem das Zielmaterial transportiert wird, besteht ein ähnliches Problem, da die ideale Exposition im Allgemeinen mit der Fördergeschwindigkeit gekoppelt ist. Die Einstellung entweder der Fördergeschwindigkeit oder des Expositionsniveaus kann nicht schnell genug erfolgen, um die Ausgangsleistung der Maschine derart zu steuern, dass eine gleichmäßige Wärmebehandlung des verarbeiteten Materials gewährleistet ist.
Folglich wäre es wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform werden ein Substrat und ein elektronisches Bauteil, zwischen denen sich Lötmaterial befindet, unter einer Blitzlampe platziert. Mehrere Lichtpulse von der Blitzlampe werden auf das elektronische Bauteil, das Substrat und das Lötmaterial aufgebracht, bis das Lötmaterial wieder aufschmilzt. Während des Aufbringens der Lichtpulse werden die Leistung von einem der Lichtpulse von der Blitzlampe und die Temperatur des elektronischen Bauteils gemessen, die gemessene Leistung wird in Strahlungsexposition umgewandelt bzw. umgerechnet und in Reaktion auf die gemessene Temperatur des elektronischen Bauteils wird das Tastverhältnis bzw. der „duty cycle“ für einen nächsten Lichtpuls in Abhängigkeit von der Strahlungsexposition des einen Lichtpulses adaptiv eingestellt.
Alle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verdeutlicht.
Figurenliste
Die eigentliche Erfindung sowie eine bevorzugte Verwendungsart, weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sind am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung einer exemplarischen Ausführungsform zu verstehen, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird; dabei zeigen:

1 eine isometrische Ansicht eines Systems zur thermischen Bearbeitung von Lötpaste zum Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform;
2 ein detailliertes Blockdiagramm des Systems aus 1 gemäß einer Ausführungsform;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte; und
4 eine grafische Darstellung der Intensität der Blitzlampen-Emission gegenüber der Wellenlänge bei zwei unterschiedlichen Zündspannungen der Kondensatorbank.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 ist eine isometrische Ansicht eines Systems zur thermischen Verarbeitung von Lötpaste zum Verbinden von elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Wie dargestellt, umfasst ein System 100 ein Gehäuse 110, das auf einem Geräteträger 160 aufliegt. Das Gehäuse 110 besitzt eine Klappe 120, die über einen Handgriff 140 geöffnet werden kann. In der Klappe 120 ist ein halbtransparentes Fenster 130 vorgesehen, durch das ein Benutzer alle Vorgänge innerhalb des Gehäuses 110 beobachten kann. Wenigstens eine Blitzlampe (nicht dargestellt) ist in dem Gehäuse 110 positioniert, um die thermische Bearbeitung zu ermöglichen. Benutzer können über einen Touchscreen bzw. Berührungsbildschirm 150 Information in das System 100 eingeben und von diesem empfangen.
Das Gehäuse 110 kann eine Kammer mit kontrollierter Umgebung (nicht dargestellt) enthalten, die mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff, oder einem reaktiven Gas, z.B. Ameisensäure, oder mit einem Vakuum gefüllt sein kann, in der die thermische Bearbeitung an elektronischen Bauteilen bzw. Komponenten ausgeführt werden kann. Darüber hinaus kann das Gehäuse 110 einen Förderer bzw. ein Förderband (nicht dargestellt) für den Transport elektronischer Bauteile während der thermischen Bearbeitung aufweisen.
Verschiedene mechanische Geräte und elektrische Komponenten, die für den Betrieb des Systems 100 ausgebildet sind, können in dem Geräteträger 160 untergebracht sein.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Blockdiagramm des Systems 100 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Wie dargestellt, umfasst das System 100 eine Kondensatorbank-Ladestromversorgung 210, eine Kondensatorbank 220, eine Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis (Insulated Gate Bipolar Transistor bzw. Bipolartransistor mit isoliertem Gate), eine Frequenzsteuerung 240, eine Blitzlampe 250, eine Fotodiode 260, einen Integrator 265, ein Bolometer 270, eine Infrarotkamera (IR-Kamera) 280 und einen Computer 290. Der Computer 290 enthält einen Prozessor und verschiedene Speichervorrichtungen, die den Fachleuten allgemein bekannt sind. Die Kondensatoren in der Kondensatorbank 220 sind z.B. Elektrolytkondensatoren. Einige der vorstehend erwähnten Komponenten können in dem Geräteträger 160 (aus 1) untergebracht sein.
Die Kondensatorbank 220 kann durch die Kondensatorbank-Ladestromversorgung 210 aufgeladen werden. Die Ladungen aus der Kondensatorbank 220 werden dann über die Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis in die Blitzlampe 250 entladen, wobei die Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis während der Entladung durch die Frequenzsteuerung 240 wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Die Frequenzsteuerung 240 regelt die Ansteuerung der Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis, die ihrerseits die Schaltfrequenz der Entladung steuert. Das wiederholte Ein- und Ausschalten der Schaltvorrichtung 230 auf IGBT-Basis dient dazu, den Stromfluss von der Kondensatorbank 220 zu der Blitzlampe 250 zu modulieren, wobei dies wiederum die Blitzlampe 250 ein- und ausschaltet. Mit anderen Worten heißt dies, die Frequenz bzw. Pulslänge der von der Blitzlampe 250 ausgesandten Lichtpulse ist durch die Frequenzsteuerung 240 vorgegeben.
Die Fotodiode 260 muss kalibriert werden, bevor das System 100 für die thermische Bearbeitung eingesetzt werden kann. Die Fotodiode 260 kann unter Verwendung des Bolometers 270 kalibriert werden, das vorzugsweise auf das National Institute of Standards and Technology (NIST) zurückzuführen ist. Während der Kalibrierung werden sowohl die Fotodiode 260 als auch das Bolometer 270 einem einzigen Lichtpuls ausgesetzt, der von der Blitzlampe 250 ausgesendet bzw. emittiert wird. Das Bolometer 270 misst die Strahlungsexposition oder Energie pro Fläche (in der Einheit J/cm²) des einzelnen Lichtpulses, und die Fotodiode 260 misst die momentane Leistung (in der Einheit W) des gleichen Lichtpulses. Die momentanen Leistungssignale von der Fotodiode 260 werden dann durch den Integrator 265 integriert, um einen Strahlungsexpositionswert des gleichen einzelnen Lichtpulses zu erhalten, und die Strahlungsexpositionsmessung von dem Bolometer 270 wird durch diesen Strahlungsexpositionswert von dem Integrator 265 dividiert, um einen Kalibrierungsfaktor wie folgt zu generieren: $K a l i b r i e r u n g s f a k t o r = \frac{S t r a h l u n g s e x p o s i t i o n s m e s s u n g}{S t r a h l u n g s e x p o s i t i o n s w e r t}$
Nach der Kalibrierung kann die Kombination aus Fotodiode 260 und Integrator 265 verwendet werden, um Information über die Strahlungsexposition jedes von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses zu erhalten. Grundsätzlich kann die Strahlungsexpositionsinformation eines von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses durch Multiplizieren des während der Kalibrierung erhaltenen Kalibrierungsfaktors mit dem Ausgangswert des Integrators 265 (bei dem es sich um den Strahlungsexpositionswert des von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses handelt, der durch Integrieren der von der Fotodiode 260 gemessenen momentanen Leistungssignale des von der Blitzlampe 250 emittierten Lichtpulses gebildet wird) berechnet werden.
Obwohl Fotodioden technisch für die Messung der momentanen Leistung und nicht der Strahlungsexposition ausgelegt sind, bestehen die Gründe zur Verwendung von Fotodioden, wie der Fotodiode 260, zur Erzielung von Strahlungsexpositionsinformation der Lichtpulse von der Blitzlampe 250 in dem System 100 darin, dass Fotodioden zuverlässig und klein genug sind, um in der Nähe der Blitzlampe 250 platziert zu werden oder Licht von einer kleinen optischen Faser abzutasten, die die Lichtpulse nicht verdeckt. Indem Fotodioden eine relativ hohe Abtastrate von über 1 MHz aufweisen, sind diese außerdem kostengünstig.
Um mit einer Fotodiode die Strahlungsexpositionsinformation von Lichtpulsen von einer Blitzlampe zu erhalten, muss die Fotodiode jedoch, wie vorstehend erwähnt, kalibriert werden. Ein Grund für die Kalibrierung findet sich in 4, die die Emissionsintensitäten von zwei Blitzlampenentladungen mit identischer Pulslänge in Abhängigkeit von der Wellenlänge für zwei verschiedene Kondensatorbank-Spannungen, nämlich 300 V und 400 V, darstellt. Die von der Blitzlampe emittierten Lichtpulse sind breitbandig - von -250 nm bis ~1.700 nm. Das Integral der Intensität über den Emissionsbereich ist proportional zu der emittierten Leistung in W/ cm². Mit zunehmender Spannung nimmt die Emission in allen Bändern zu, wobei jedoch die Emission in den kürzeren Wellenlängen schneller zunimmt als die der längeren Wellenlängen. Mit anderen Worten heißt dies: Wenn sich die Entladespannung der Kondensatorbank ändert, ändert sich auch die spektrale Emissionsverteilung. Eine Fotodiode hat leider eine Empfindlichkeit, die mit der Wellenlänge variiert. Daher kann der direkte Ausgang der Fotodiode keine Aussage über die quantitative Leistungsabgabe aufgrund der Emission der Blitzlampe machen, da die Größe des Signals eine Faltung der Empfindlichkeit der Fotodiode und der Emissionsintensität ist, die beide mit der Wellenlänge variieren.
Das vorstehend erwähnte Kalibrierungsverfahren ist dazu ausgelegt, die Unzulänglichkeiten einer Fotodiode zu beheben. Durch Verwendung eines Bolometers, z.B. des Bolometers 270, und eines Integrators, z.B. des Integrators 265, kann die Fotodiode durch Integration der Leistungssignale eines einzelnen von einer Blitzlampe ausgesandten Lichtpulses kalibriert werden. Ein Bolometer kann im Gegensatz zu einer Fotodiode die Strahlungsexposition (Gesamtenergie) messen, die von einem von der Blitzlampe ausgesandten Lichtpuls ausgeht. Dies ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass das Strahlungserfassungselement eine flache bzw. gleichmäßige Empfindlichkeit über das gesamte Emissionsspektrum aufweist. Eine Verschiebung des Emissionsspektrums der Blitzlampe beeinträchtigt somit nicht die Fähigkeit des Bolometers, das gesamte darauf auftreffende Licht zu messen. Aber auch die Strahlungsexposition von Lichtpulsen von der Blitzlampe kann nicht einfach unter Verwendung eines Bolometers gemessen werden. Dies liegt daran, dass das zeitliche Ansprechen eines Bolometers sehr schlecht ist. Eine typische Zeitauflösung eines Bolometers kann bei etwa 1 Hz liegen, die einer Fotodiode bei über 1 MHz. Außerdem ist ein Bolometer in der Regel recht groß und wird daher einen Teil des Lichts von einer Blitzlampe verdecken.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verbinden eines elektronischen Bauteils mit einer Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Beginnend mit einem Schritt 300 wird eine Fotodiode, z.B. die Fotodiode 260 aus 2, zunächst unter Verwendung eines Bolometers kalibriert, wie z.B. des Bolometers 270 aus 2, wie in Block 310 dargestellt. Die Kalibrierung erfolgt unter Verwendung eines einzelnen Lichtpulses von einer Blitzlampe, z.B. der Blitzlampe 250 aus 2, um einen Kalibrierungsfaktor zu erhalten, wie dies vorstehend erwähnt wurde. Nach der Kalibrierung ist die Fotodiode bereit, zur Messung der Strahlungsleistung jedes von der Blitzlampe ausgesandten Lichtpulses eingesetzt zu werden.
Als Nächstes wird eine Leiterplatte oder ein Substrat mit etwas Lötpaste zwischen einem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte unter der Blitzlampe platziert, wie in Block 320 dargestellt. Bei der Lötpaste kann es sich um jede beliebige Lötpaste handeln, einschließlich SAC-konformer Lötpaste oder eines Dickschichtmaterials mit einer Dicke von mehr als 50 Mikrometern. Das Substrat kann eine Leiterplatte mit Standard-Leiterplattenmaterial sein, wie z.B. FR4, ein Duroplast oder ein Thermoplast mit einer maximalen Arbeitstemperatur von weniger als 200 °C. Mehrere Lichtpulse von der Blitzlampe werden dann auf das elektronische Bauteil, die Lötpaste und die Leiterplatte aufgebracht, wie in Block 330 dargestellt.
Während der Aufbringung von Lichtpulsen (d.h. der thermischen Bearbeitung) wird der Strahlungsexpositionswert jedes Lichtpulses von der Blitzlampe durch die kalibrierte Fotodiode und einen Integrator, wie z.B. den Integrator 265 aus 2, ermittelt, und die Temperatur des elektronischen Bauteils, das auf die Leiterplatte gelötet wird, wird durch eine IR-Kamera, wie z.B. die IR-Kamera 280 aus 2, ermittelt, wie in Block 340 dargestellt.
In Verbindung damit überwacht die IR-Kamera die Leiterplatte, um die Temperatur des elektronischen Bauteils und/oder die Temperaturverteilung über die Leiterplatte während der Aufbringung von Lichtpulsen zu messen. Da die Emission von der Blitzlampe im Bereich von 250 nm bis ca. 1.700 nm liegt und die IR-Kamera hauptsächlich im 10-Mikrometer-Bereich des elektromagnetischen Spektrums „sieht“, gibt es keine Interferenz der Blitzlampe mit der Infrarot-Emission durch die Leiterplatte. Somit kann die IR-Kamera die Erwärmung über die Leiterplatte während der Blitzlampenverarbeitung „sehen“.
Die von der Fotodiode gemessene Leistungsinformation wird mit Hilfe des Kalibrierungsfaktors, der während des Kalibrierungsprozesses (d. h. in Block 310) ermittelt wurde, in einen Strahlungsexpositionswert umgewandelt. Auf der Basis des Strahlungsexpositionswerts eines Lichtpulses und der gemessenen Temperaturinformation des elektronischen Bauteils kann die Frequenz und/oder das Tastverhältnis eines nachfolgenden Lichtpulses vor der Aufbringung des nachfolgenden Lichtpulses adaptiv eingestellt werden, wie in Block 350 dargestellt.
Beispielsweise kann ein Computer, wie z.B. der Computer 290 aus 2, eine Frequenzsteuerung, wie z.B. die Frequenzsteuerung 240 aus 2, anweisen, das Tastverhältnis (duty cycle) für einen bevorstehenden, von der Blitzlampe zu emittierenden Lichtpuls auf der Basis des Strahlungsexpositionswerts und der gemessenen Temperaturinformation anzupassen, um ein gewünschtes Temperaturprofil der elektronischen Komponente auf der Leiterplatte zu verfolgen. Ein Temperaturprofil eines elektronischen Bauteils auf einer Leiterplatte kann wie folgt aussehen:

Zeiteinheit/s Temp./°C

0 25

1 240

5 240

6 180
Als Nächstes erfolgt eine Bestimmung dahingehend, ob die Lötpaste wieder aufgeschmolzen ist oder nicht, wie in Block 360 dargestellt. Wenn die Lötpaste nicht wieder aufgeschmolzen ist, kehrt der Prozess zu Block 330 zurück; wenn die Lötpaste jedoch wieder aufgeschmolzen ist, kann die Aufbringung von Lichtpulsen beendet werden, wie in Block 370 dargestellt. Die in den Blöcken 330, 340, 350 und 360 dargestellten Schritte werden iterativ durchgeführt. Nach dem Wiederaufschmelzen der Lötpaste kühlt diese dann ab und erstarrt. Zu diesem Zeitpunkt ist das elektronische Bauteil über das erstarrte Lötmaterial mit der Leiterplatte verbunden.
Bei einer gegebenen Zündspannung einer Kondensatorbank, wie z.B. der Kondensatorbank 220 aus 2, ist das integrierte Fotodiodensignal proportional zu der Strahlungsexposition jedes Pulses über einen großen Bereich von Pulslänge und Pulsfrequenz. Für diese Technik gibt es zwei Erfordernisse. Das erste Erfordernis besteht darin, dass zur Korrelation der von der Blitzlampe emittierten bzw. abgegebenen Energie auf einer Puls-zu-Puls-Basis unter Verwendung des integrierten Fotodiodensignals über einen Bereich von Zündfrequenzen, eine Kondensatorbank-Ladestromversorgung, wie z.B. die Kondensatorbank-Ladestromversorgung 210 aus 2, groß genug sein muss, um die Kondensatorbank, wie z.B. die Kondensatorbank 220 aus 2, vollständig wieder aufzuladen, bevor der jeweilige Lichtpuls emittiert wird. Das zweite Erfordernis besteht darin, dass zur Korrelation der integrierten Leistungssignale von der Fotodiode zu dem Bolometer über einen Bereich von Pulslängen die Spannung der Kondensatorbank während der Entladung nur minimal abfallen darf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die spektrale Spitzenausgangsintensität während der Entladung relativ konstant bleibt. Daher ist eine große Kapazität vorzuziehen, und die Größe der Kondensatorbank hängt von der für die Leistungsmessung erforderlichen Genauigkeit ab. Vorzugsweise werden bei jedem Puls weniger als 5 % der gespeicherten Energie der Kondensatorbank entladen.
Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Technik ermöglicht eine rückverfolgbare Messung der von der Blitzlampe abgegebenen Strahlungsenergie. So kann bei einer Zündrate von 10 Hz die durchschnittlich abgegebene Leistung (oder kumulative Energie) bei einer Datenrate von 10 Hz bekannt sein. Bei einer Zündrate von 50 Hz kann die durchschnittlich abgegebene Leistung bei einer Datenrate von 50 Hz bekannt sein. Darüber hinaus kann die Zündrate und/oder das Tastverhältnis der Blitzlampe während des Bearbeitungsintervalls, das größer als 1 Sekunde ist, durch die Frequenzsteuerung elektronisch eingestellt werden, um ein maßgeschneidertes Leistungsprofil zu erzeugen. Durch Variieren der Pulsrate und/oder des Tastverhältnisses wird die über die Zeit abgegebene Energiemenge variiert.
Das Erwärmungsprofil für ein elektronisches Bauteil kann vorprogrammiert sein oder während der Bearbeitung modifiziert werden, wie dies durch einen auf eine Leiterplatte (oder ein Material) trainierten Temperatursensor während der Verarbeitung festgestellt wird. Bei letzterem ist die Kenntnis der Emissionsenergie von der Blitzlampe nur die Hälfte des Problems. Die gesamte Platine wird beleuchtet bzw. angestrahlt, einschließlich der Leiterplatte, der Metallbahnen, der elektronischen Bauteile und der Lötpaste. Da jedes Element ein anderes Absorptionsvermögen für die Strahlung der Blitzlampe, eine andere thermische Masse und eine andere thermische Verbindung zu umliegenden Bauteilen aufweist, wird jedes Element von einer einheitlichen Emissionsquelle auf eine andere Temperatur erhitzt. Daher ist es nicht nur wichtig, die Emission der Blitzlampe zu kennen, sondern auch das Erwärmungsverhalten der verschiedenen elektronischen Bauteile auf einer Leiterplatte aufgrund der Emission.
Während der Bearbeitungszeit, die 1 bis 10 Sekunden beträgt, können mehrere thermische Prozesse von dem System 100 ausgeführt werden, wie z.B. die Aktivierung des Flussmittels, die Verdampfung des Flussmittels, das Erhitzen der Lötpartikel auf ihren Schmelzpunkt, das Schmelzen der Lötpartikel und das Wiederaufschmelzen des Lots. Da alle vorstehend genannten Bearbeitungsschritte in einem sehr kurzen Zeitraum ausgeführt werden, ist es notwendig, eine bekannte Leistungsmenge an eine Leiterplatte abgeben zu können und diese Leistung während der Verarbeitung variieren zu können.
Das System 100 ist auch in der Lage, die gleiche durchschnittliche Leistung über einen bestimmten Zeitraum mit einer variierenden spektralen Ausgangsleistung abzugeben. Dies ermöglicht eine bessere Unterscheidung zwischen dem, was auf einer Leiterplatte durch den Strahl erwärmt wird, und dem, was nicht erwärmt wird, da verschiedene Teile oder elektronische Komponenten auf einer Leiterplatte ein unterschiedliches Absorptionsvermögen über das Emissionsspektrum der Blitzlampe 250 aufweisen. Insbesondere ist dann, wenn die Zündspannung der Kondensatorbank 220 höher ist, die Gesamtleistung über das gesamte Spektrum höher als bei einer niedrigeren Spannung, wobei jedoch der Anteil des Lichts mit kürzeren Wellenlängen höher ist (siehe 4). Mit anderen Worten heißt dies, dass bei einer niedrigeren Zündspannung der Kondensatorbank 220 die spektrale Emission in allen Bändern geringer ist, aber der Anteil des Lichts mit längeren Wellenlängen höher ist. Dennoch kann die gleiche Menge an Strahlungsleistung, die über viele Pulse abgegeben wird, unabhängig von der Zündspannung ein vorgegebenes Niveau erreichen, da das Tastverhältnis der Blitzlampe eingestellt werden kann. Dies kann durch Variieren der Pulslänge und/oder der Pulsfrequenz erzielt werden. Genauer gesagt kann dann, wenn ein Bereich der Leiterplatte, der erwärmt werden soll, bei längeren Wellenlängen des Emissionsspektrums stärker absorbiert, eine längere Pulslänge oder ein hochfrequentes Pulsen der Blitzlampe 250 verwendet werden und das gleiche Emissionsleistungsprofil wie bei einer höheren Spannung, kürzeren Pulslänge und kürzeren Frequenz aufgebracht werden. Außerdem kann ein optisches Filter für die Emission verwendet werden, um eine noch bessere Unterscheidung zu ermöglichen. Für das System 100 beinhalten die Steuerparameter die Spannung der Kondensatorbank, die Pulslänge, die Pulsfrequenz und die Gesamtdauer der Pulsfolge.
Das System 100 kann ein oder mehrere Lampengehäuse aufweisen, von denen jedes mindestens eine Blitzlampe wie die Blitzlampe 250 enthält. Dies ermöglicht die thermische Bearbeitung von Lötmaterial auf einer Leiterplatte sowie einer Dickschicht auf einem Substrat durch Bestrahlung von oben (z.B. Bestrahlung von der Dickschichtseite), Bestrahlung von unten (z.B. Bestrahlung von der Substratseite) oder beides. Die obere und die untere Blitzlampe können in ihrer Zündung unabhängig voneinander synchronisiert werden, oder sie können das gleiche Zündungsauslösesignal erhalten.
Der Förderer innerhalb des Systems 100 besitzt zwei Betriebsarten, nämlich einen stationären Modus und einen synchronisierten Modus. Im stationären Modus wird eine Leiterplatte während der Bearbeitung nicht transportiert, und das Expositionsprofil wird durch die Frequenzsteuerung 240 elektronisch gesteuert. In diesem Fall kann die Pulsfrequenz und damit die von der Blitzlampe 250 abgegebene Leistung über die Zeit der Bearbeitung verändert werden. Alternativ dazu kann die Pulslänge jedes Pulses während der Bearbeitung geändert werden, um die von der Blitzlampe 250 pro Puls an die Leiterplatte abgegebene Energie einzustellen bzw. anzupassen. Im synchronisierten Modus kann die Pulsrate der Lichtpulse von der Blitzlampe 250 mit der Fördergeschwindigkeit des Förderers synchronisiert werden, um die gleiche Strahlungsexposition, d.h. die in J/cm² angegebene Gesamtenergie zu erhalten, die auf die transportierte Leiterplatte aufgebracht wird. In diesem Fall kann die abgegebene Strahlungsexposition unabhängig von der Fördergeschwindigkeit sein.
Während des synchronisierten Modus kann das Blitzlampengehäuse, das die Blitzlampe 250 hält und das mit einem Reflektor ausgestattet ist, um das Licht von der Blitzlampe 250 in Richtung auf die Leiterplatte zu richten, nach oben gekippt, z.B. in Förderrichtung oder entgegen der Förderrichtung gedreht werden, während die Leiterplatte an dem Blitzlampengehäuse vorbeigeführt wird. Wenn das Blitzlampengehäuse parallel zu der transportierten Leiterplatte angeordnet ist, ist die Exposition sehr gleichmäßig und weist eine Abweichung von etwa 2 bis 3 % über den Expositionsbereich auf. Wenn das Blitzlampengehäuse weiter von der Leiterplatte entfernt ist, sind die Lichtpulse weniger intensiv. Durch Kippen des Kopfes der Blitzlampe 250 kann die Intensität der Exposition erhöht oder verringert werden, während die Leiterplatte an dem Kopf der Blitzlampe 250 vorbeigeführt wird. Dieses Merkmal ermöglicht eine bessere Kontrolle des Gases, das bei der Bearbeitung der Lötpaste entsteht, so dass die elektronischen Bauteile erfolgreich und ohne Fehler angebracht werden können.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte bereit.
Obwohl das System 100 für die Verarbeitung von Lötpaste ausgelegt ist, eignet es sich auch für die Verarbeitung jeder Dickschicht über 50 Mikrometer, da die gleichen Probleme auftreten, wie z.B. die Notwendigkeit, eine präzise und große Energiemenge (>30 J/cm²) über ein präzises Leistungsprofil über einen Zeitraum von 1 bis 10 Sekunden mit mehreren Lichtpulsen aufzubringen. Darüber hinaus ermöglicht das offenbarte Verfahren das Anbringen von thermisch empfindlichen elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte, indem das gesamte Wärmebudget gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. Das verringerte Wärmebudget ermöglicht außerdem die Verwendung von Bearbeitungs-Dickschichten auf thermisch empfindlichen Substraten mit maximalen Betriebstemperaturen von weniger als 200 °C. Beispiele hierfür sind Thermoplaste wie PVC, TPU, Polyester, PET, PEN, Papier usw.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform im Einzelnen dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt.

Claims

Verfahren zum Verbinden von elektronischen Bauteilen mit einem Substrat, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Platzieren eines Substrats, das Lötmaterial zwischen einem elektronischen Bauteil und dem Substrat aufweist, unter einer Blitzlampe; Aufbringen einer Mehrzahl von Lichtpulsen von der Blitzlampe auf das elektronische Bauteil, das Lötmaterial und das Substrat bis zum Wiederaufschmelzen des Lötmaterials; während des Aufbringens von Lichtpulsen Messen der Leistung von einem der Lichtpulse von der Blitzlampe und Umwandeln der gemessenen Leistung in einen Strahlungsexpositionswert; Messen der Temperatur des elektronischen Bauteils, das auf das Substrat gelötet wird; und in Reaktion auf die gemessene Temperatur des elektronischen Bauteils, adaptives Einstellen eines Tastverhältnisses eines nächsten Lichtpulses in Abhängigkeit von dem Strahlungsexpositionswert des einen Lichtpulses.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Messen der Leistung unter Verwendung einer Fotodiode ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner Kalibrieren der Fotodiode zur Erzeugung eines Kalibrierungsfaktors aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Umwandeln ferner Umwandeln der gemessenen Leistung in den Strahlungsexpositionswert unter Verwendung des Kalibrierungsfaktors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen einer Temperatur unter Verwendung einer Infrarotkamera (IR-Kamera) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen eines Tastverhältnisses durch Ändern einer Frequenz der Lichtpulse ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen eines Tastverhältnisses durch Ändern einer Pulslänge der Lichtpulse ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Leiterplatte ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein thermoplastischer Kunststoff mit einer maximalen Arbeitstemperatur von weniger als 200°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lötmaterial ein Dickschichtmaterial mit einer Dicke von mehr als 50 Mikrometer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Transportieren des elektronischen Bauteils während des Aufbringens der Lichtpulse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Synchronisieren der Geschwindigkeit des Transportierens des elektronischen Bauteils mit einer Frequenz der Lichtpulse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Platzieren des elektronischen Bauteils in einer Kammer mit kontrollierter Umgebung vor dem Aufbringen der Lichtpulse aufweist.
System zum Verbinden von elektronischen Bauteilen mit einem Substrat, wobei das System aufweist: eine Kondensatorbank; eine Kondensatorbank-Ladestromversorgung zum Aufladen der Kondensatorbank; eine Schaltvorrichtung auf IGBT-Basis; eine Frequenzsteuerung; eine Blitzlampe zum Emittieren von Lichtpulsen, wobei die Blitzlampe Ladungen von der Kondensatorbank über die Schaltvorrichtung auf IGBT-Basis empfängt, während die Schaltvorrichtung auf IGBT-Basis durch die Frequenzsteuerung wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, um den Ladungsfluss von der Kondensatorbank zu der Blitzlampe zu modulieren, wodurch wiederum die Blitzlampe ein- und ausschaltet wird; eine Fotodiode zum Messen der Leistung eines Lichtpulses von der Blitzlampe; eine Infrarotkamera zum Messen der Temperatur eines elektronischen Bauteils, das auf ein Substrat gelötet wird; und einen Prozessor, der in Reaktion auf die gemessene Temperatur des elektronischen Bauteils ein Tastverhältnis für einen nächsten Lichtpuls über die Frequenzsteuerung in Abhängigkeit von einer Strahlungsexposition adaptiv einstellt, die von der gemessenen Leistung des Lichtpulses von der Blitzlampe abgeleitet wird.
System nach Anspruch 14, das ferner ein Bolometer zum Kalibrieren der Fotodiode aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei die Kondensatorbank eine Mehrzahl von Elektrolytkondensatoren aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei der Prozessor das Tastverhältnis der Lichtpulse einstellt, indem er über die Frequenzsteuerung eine Frequenz der Lichtpulse ändert.
System nach Anspruch 14, wobei der Prozessor das Tastverhältnis für die Lichtpulse einstellt, indem er über die Frequenzsteuerung eine Pulslänge der Lichtpulse ändert.
System nach Anspruch 14, das ferner einen Förderer aufweist zum Transportieren eines elektronischen Bauteils und eines Substrats, die bearbeitet werden.
System nach Anspruch 14, das ferner eine Kammer mit kontrollierter Umgebung zum Aufnehmen des elektronischen Bauteils während des Aufbringens der Lichtpulse aufweist.