DE112020007317T5 - METHOD OF CONNECTING SURFACE MOUNT ELECTRONIC COMPONENTS TO A CIRCUIT BOARD - Google Patents

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.

A method of connecting an electronic component to a circuit board is disclosed. First, a substrate and an electronic component with solder sandwiched between them are placed under a flash lamp. Multiple pulses of light from the flash lamp are applied to the electronic component, substrate and solder until the solder reflows. During the exposure to the light pulses, the power of one of the light pulses from the flashlamp and the temperature of the electronic component are measured, the measured power is converted into radiation exposure, and in response to the measured temperature of the electronic component, the duty cycle of a next light pulse is dependent is adaptively adjusted by the radiation exposure of the one light pulse.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

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.The present application relates to manufacturing methods in general, and more particularly to a method of connecting surface mount electronic components to a printed circuit board.

HINTERGRUNDBACKGROUND

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.In general, electronic components can be connected to a circuit board by soldering. With the advent of surface mount technology and wave soldering, the need to manually solder electronic components onto a circuit board has largely disappeared from a production perspective.

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.The surface mount technique requires the use of solder paste with solder particles dispersed in an organic flux. Solder paste is selectively applied to a printed circuit board, electronic components to be soldered are placed thereon, and then the printed circuit board is placed in a reflow oven equipped with a conveyor. When heated, the reflow oven reflows the solder paste to activate the flux in the solder paste, clean the surfaces, and melt the solder material. The molten solder wets the surfaces and solidifies, creating a good electrical/mechanical connection between the electronic components and the circuit board.

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.However, the reflow process has some limitations. Because the entire assembly must go through the reflow oven, the entire PCB and electronic components must be able to withstand the high temperature required to reflow the solder paste. With the standard SAC-305 solder paste, the temperature is around 217 °C. Another limitation of reflow is the long time it takes to process the solder paste to allow the solder to reflow. Typically it takes about 10 minutes as the thermal profile of the reflow oven is carefully controlled and can involve several predetermined steps of ramping up, soaking and ramping down the temperature zones.

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.One solution to the high temperature requirements of reflow is to use solder paste with a lower reflow temperature. Currently, such solder pastes tend to have poor thermal and mechanical properties compared to standard SAC-compliant solder pastes. Another solution to the high temperature requirements of reflow is to use electrically conductive adhesives instead of solder paste. This enables processing at almost room temperature (25°C). As with low-temperature solder pastes, the mechanical and electrical robustness of the connections is sacrificed.

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.In the reflow process, energy is transferred to the electronic components, the circuit board and the solder paste by convection, which leads to another problem. The shear of the air in the reflow oven can cause electronic components to be blown off the board or misaligned before they are soldered to the board. This becomes a bigger problem when the electronic components are very small, since their aerodynamic cross-section is larger in relation to the weight.

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.An alternative approach to reflow is to use a laser. With this approach, a solid-state laser can be aimed at solder joints or electronic components to heat them and reflow or reflow the solder without heating the entire circuit board. The laser process is able to deliver a precise amount of power and energy to the solder joints to reflow the solder paste in about a second. However, the laser process is serial in nature, so the total time required for a board with many solder joints increases with the number of solder joints. In addition, the laser process requires alignment with solder joints. In other words, it requires either a vision system and/or careful alignment and programming of the position of each spot to be soldered. In addition, the laser process can be affected by uneven beams, which can lead to uneven heating of the electronic components. This leads to poor solder connections, damage to other parts of the circuit board, or "tombstoning" of electronic components.

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.Another alternative approach to reflow is to use a continuous light source such as a tungsten filament lamp or a tungsten-based halogen lamp. A problem with this approach is that turning the light source on and off takes a finite amount of time, about a second. Unlike the laser process, a continuous light source cannot be modulated on the time scale of the thermal equilibrium time of solder paste deposition, which is usually less than 100 milliseconds. This limitation makes it difficult to precisely control the power and energy profile applied to the material being processed. This is especially true for an exposure where the processed target material is stationary during the exposure. In the case where the target material is being conveyed, a similar problem exists since the ideal exposure is generally coupled to the conveying speed. Adjusting either the conveyor speed or the exposure level cannot be done quickly enough to control the machine's power output to ensure even heat treatment of the material being processed.

Folglich wäre es wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte bereitzustellen.Accordingly, it would be desirable to provide an improved method of electrically and mechanically connecting surface mount electronic components to a circuit board.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

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.According to one embodiment, a substrate and an electronic component with solder material sandwiched between them are placed under a flashlamp. Multiple pulses of light from the flash lamp are applied to the electronic component, substrate and solder until the solder reflows. During the application of the light pulses, the power of one of the light pulses from the flashlamp and the temperature of the electronic component are measured, the measured power is converted into radiation exposure and in response to the measured temperature of the electronic component the duty cycle or " duty cycle” for a next light pulse is set adaptively depending on the radiation exposure of the one light pulse.

Alle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verdeutlicht.All of the features and advantages of the present invention will become apparent in the detailed description that follows.

Figurenlistecharacter list

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.

The invention proper, as well as a preferred mode of use, other objects and advantages of the invention, are best understood by reference to the following detailed description of an exemplary embodiment when read in conjunction with the accompanying drawings; show:

• 1 14 is an isometric view of a solder paste thermal processing system for connecting surface mount electronic components to a circuit board according to an embodiment;
• 2 a detailed block diagram of the system 1 according to one embodiment;
• 3 a flowchart of a method for connecting surface-mountable electronic components to a printed circuit board; and
• 4 Figure 12 shows a plot of flashlamp emission intensity versus wavelength at two different capacitor bank ignition voltages.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT

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.With reference to the drawings and in particular to 1 1 is an isometric view of a system for thermally processing solder paste for connecting electronic components to a circuit board, according to one embodiment. As shown, a system 100 includes a housing 110 that rests on an equipment mount 160 . The housing 110 has a flap 120 which can be opened using a handle 140 . A semi-transparent window 130 is provided in the flap 120 through which a user can observe all processes within the housing 110 . At least one flash lamp (not shown) is positioned within housing 110 to facilitate thermal processing. Users may enter and receive information from the system 100 via a touch screen 150 .

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.The housing 110 may contain a controlled environment chamber (not shown), which may be filled with an inert gas, such as nitrogen, or a reactive gas, such as formic acid, or with a vacuum, in which thermal processing of electronic components is performed can be executed. In addition, the housing 110 may include a conveyor (not shown) for transporting electronic components during thermal processing.

Verschiedene mechanische Geräte und elektrische Komponenten, die für den Betrieb des Systems 100 ausgebildet sind, können in dem Geräteträger 160 untergebracht sein.Various mechanical devices and electrical components designed to operate the system 100 may be housed in the device rack 160 .

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.With reference to 2 Illustrated is a block diagram of system 100 according to one embodiment. As illustrated, the system 100 includes a capacitor bank charging power supply 210, a capacitor bank 220, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)-based switching device 230, a frequency controller 240, a flash lamp 250, a photodiode 260, a Integrator 265, a bolometer 270, an infrared camera (IR camera) 280 and a computer 290. Computer 290 includes a processor and various memory devices well known to those skilled in the art. The capacitors in the capacitor bank 220 are, for example, electrolytic capacitors. Some of the components mentioned above can be installed in the equipment carrier 160 (from 1 ) be housed.

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.The capacitor bank 220 can be charged by the capacitor bank charging power supply 210 . The charges from the capacitor bank 220 are then discharged into the flashlamp 250 via the IGBT-based switching device 230, the IGBT-based switching device 230 being repeatedly turned on and off by the frequency controller 240 during the discharge. The frequency controller 240 regulates the drive of the IGBT-based switching device 230, which in turn controls the switching frequency of the discharge. The repeated turning on and off of the IGBT-based switching device 230 serves to modulate the flow of current from the capacitor bank 220 to the flashlamp 250, which in turn turns the flashlamp 250 on and off. In other words, this means that the frequency or pulse length of the light pulses emitted by the flash lamp 250 is predetermined by the frequency controller 240 .

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: $$Kalibrierungsfaktor=\frac{Strahlungsexpositionsmessung}{Strahlungsexpositionswert}$$

Photodiode 260 must be calibrated before system 100 can be used for thermal processing. The photodiode 260 can be calibrated using the bolometer 270, which is preferably traceable to the National Institute of Standards and Technology (NIST). During calibration, both the photodiode 260 and the bolometer 270 are exposed to a single pulse of light emitted by the flashlamp 250, respectively. The bolometer 270 measures the radiation exposure or energy per area (in units of J/cm ² ) of the single light pulse, and the photodiode 260 measures the instantaneous power (in units of W) of the same light pulse. The instantaneous power signals from the photodiode 260 are then integrated by the integrator 265 to obtain a radiation exposure value of the same single light pulse, and the radiation exposure measurement from the bolometer 270 is divided by this radiation exposure value by the integrator 265 to generate a calibration factor as follows: $$Kalib\mathrm{right}ie\mathrm{right}\mathrm{and}nGsfaktO\mathrm{right}=\frac{St\mathrm{right}aHl\mathrm{and}nGsexpOsitiOnsmess\mathrm{and}nG}{St\mathrm{right}aHl\mathrm{and}nGsexpOsitiOnswe\mathrm{right}t}$$

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.After calibration, the photodiode 260 and integrator 265 combination can be used to obtain information about the radiation exposure of each light pulse emitted by the flashlamp 250. Basically, the radiation exposure information of a light pulse emitted by the flashlamp 250 can be obtained by multiplying the calibration factor obtained during calibration by the output value of the integrator 265 (which is the radiation exposure value of the light pulse emitted by the flashlamp 250 obtained by integrating the light pulses emitted by the photodiode 260 measured instantaneous power signals of the light pulse emitted by the flash lamp 250) are calculated.

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.Although photodiodes are technically designed to measure instantaneous power and not radiation exposure, the rationale for using photodiodes, such as photodiode 260, to obtain radiation exposure information of the light pulses from flashlamp 250 in system 100 is that photodiodes are reliable and small are enough to be placed near the flashlamp 250 or sample light from a small optical fiber that does not obscure the light pulses. Because photodiodes have a relatively high sampling rate of over 1 MHz, they are also inexpensive.

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.However, as mentioned above, in order to use a photodiode to obtain the radiation exposure information of light pulses from a flashlamp, the photodiode must be calibrated. A reason for the calibration can be found in 4 , which plots the emission intensities of two flashlamp discharges with identical pulse length as a function of wavelength for two different capacitor bank voltages, namely 300 V and 400 V. The light pulses emitted by the flashlamp are broadband - from -250 nm to ~1,700 nm. The integral of the intensity over the emission range is proportional to the emitted power in W/cm ² . With increasing voltage, emission increases in all bands, but emission in the shorter wavelengths increases faster than that in the longer wavelengths. In other words, when the discharge voltage of the capacitor bank changes, the spectral emission distribution also changes. Unfortunately, a photodiode has a sensitivity that varies with wavelength. Therefore, the direct output of the photodiode cannot tell anything about the quantitative power output due to the emission of the flashlamp, since the magnitude of the signal is a convolution of the photodiode's sensitivity and emission intensity, both of which vary with wavelength.

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. The calibration method mentioned above is designed to overcome the deficiencies of a photodiode. By using a bolometer, such as bolometer 270, and an integrator, such as integrator 265, the photodiode can be generated by integrating the power signals from a single output from a flashlamp Light pulses are calibrated. A bolometer, unlike a photodiode, can measure the radiation exposure (total energy) emanating from a light pulse emitted by the flashlamp. This is essentially due to the fact that the radiation detection element has a flat or even sensitivity over the entire emission spectrum. Thus, a shift in the emission spectrum of the flashlamp does not affect the bolometer's ability to measure all light striking it. But also the radiation exposure of light pulses from the flashlamp cannot easily be measured using a bolometer. This is because the time response of a bolometer is very poor. A typical time resolution of a bolometer can be around 1 Hz, that of a photodiode in excess of 1 MHz. Also, a bolometer is usually quite large and will therefore block some of the light from a flashbulb.

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.With reference to 3 Illustrated is a flowchart of a method of connecting an electronic component to a circuit board according to an embodiment. Beginning with a step 300, a photodiode, such as photodiode 260, is turned off 2 , first calibrated using a bolometer, such as the 270 bolometer 2 , as shown in block 310. Calibration is accomplished using a single pulse of light from a flashlamp, such as the 250 flashlamp 2 to obtain a calibration factor as mentioned above. After calibration, the photodiode is ready to be used to measure the radiant power of each light pulse emitted by the flashlamp.

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.Next, a circuit board or substrate with some solder paste is placed between an electronic component and the circuit board under the flashlamp, as shown in block 320 . The solder paste can be any solder paste, including SAC compliant solder paste or thick film material greater than 50 microns thick. The substrate can be a printed circuit board using standard printed circuit board material such as FR4, a thermoset or a thermoplastic with a maximum working temperature of less than 200°C. Multiple pulses of light from the flashlamp are then applied to the electronic component, solder paste, and circuit board, as shown in block 330 .

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.During the application of light pulses (ie, thermal processing), the radiation exposure value of each light pulse from the flashlamp is determined by the calibrated photodiode and an integrator such as integrator 265 2 , is detected and the temperature of the electronic component being soldered onto the circuit board is viewed through an IR camera, such as IR camera 280 2 , determined as shown in block 340.

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“.In conjunction therewith, the IR camera monitors the circuit board to measure the temperature of the electronic component and/or the temperature distribution across the circuit board during the application of light pulses. Because the emission from the flashbulb is in the range of 250nm to ~1700nm and the IR camera mainly "sees" in the 10 micron region of the electromagnetic spectrum, there is no interference of the flashbulb with the infrared emission through the PCB . This allows the IR camera to "see" the heating across the PCB during flashlamp processing.

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.The power information measured by the photodiode is converted to a radiation exposure value using the calibration factor determined during the calibration process (i.e., at block 310). Based on the radiation exposure value of a light pulse and the measured temperature information of the electronic component, the frequency and/or duty cycle of a subsequent light pulse may be adaptively adjusted prior to application of the subsequent light pulse, as illustrated in block 350 .

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 For example, a computer, such as the computer 290 from 2 , a frequency controller such as frequency controller 240 2 , to adjust the duty cycle for an upcoming light pulse to be emitted by the flashlamp based on the radiation exposure value and the measured temperature information to track a desired temperature profile of the electronic component on the circuit board. A temperature profile of an electronic component on a printed circuit board can look like this: time unit/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.Next, a determination is made as to whether or not the solder paste has reflowed, as shown in block 360 . If the solder paste has not reflowed, the process returns to block 330; however, once the solder paste has reflowed, the application of light pulses may be terminated, as shown in block 370. Those in blocks 330, 340, 350 and 360 steps shown are carried out iteratively. After reflowing the solder paste, it then cools and solidifies. At this time, the electronic component is connected to the circuit board via the solidified solder.

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.For a given ignition voltage of a capacitor bank, such as capacitor bank 220, off 2 , the integrated photodiode signal is proportional to the radiation exposure of each pulse over a wide range of pulse length and pulse frequency. There are two requirements for this technique. The first requirement is that, in order to correlate the energy emitted by the flashlamp on a pulse-to-pulse basis using the integrated photodiode signal over a range of firing frequencies, a capacitor bank charging power supply, such as the 210 out of 2 , must be large enough to accommodate the capacitor bank, such as the 220 capacitor bank 2 , fully recharge before the respective light pulse is emitted. The second requirement is that in order to correlate the integrated power signals from the photodiode to the bolometer over a range of pulse lengths, the voltage across the capacitor bank must drop minimally during discharge. This ensures that the spectral peak output intensity remains relatively constant during the discharge. Therefore, a large capacitance is preferable, and the size of the capacitor bank depends on the accuracy required for the power measurement. Preferably, less than 5% of the stored energy of the capacitor bank is discharged with each pulse.

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.The technique described in the present disclosure allows for a traceable measurement of the radiant energy emitted by the flashlamp. For example, at a firing rate of 10 Hz, the average power output (or cumulative energy) at a data rate of 10 Hz can be known. With a firing rate of 50 Hz, the average power output can be known at a data rate of 50 Hz. In addition, during the processing interval greater than 1 second, the firing rate and/or duty cycle of the flashlamp can be electronically adjusted by frequency control to produce a tailored performance profile. By varying the pulse rate and/or the duty cycle, the amount of energy delivered over time is varied.

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.The heating profile for an electronic component can be preprogrammed or modified during processing, as detected by a circuit board (or material) trained temperature sensor during processing. For the latter, knowing the emission energy from the flashlamp is only half the problem. The entire board is illuminated, including the circuit board, metal traces, electronic components, and solder paste. Because each element has a different absorptivity for flashlamp radiation, thermal mass, and thermal connection to surrounding components, each element is heated to a different temperature by a uniform emission source. It is therefore important not only to know the emission of the flashbulb, but also the heating behavior of the various electronic components on a circuit board due to the 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.During the processing time, which is 1 to 10 seconds, several thermal processes can be performed by the system 100, such as activating the flux, evaporating the flux, heating the solder particles to their melting point, melting the solder particles, and reflowing the solder Lots. Because all of the above processing steps are performed in a very short period of time, it is necessary to be able to deliver a known amount of power to a circuit board and to be able to vary that power during processing.

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.The system 100 is also capable of delivering the same average power over a period of time with a varying spectral output power. This allows for a better distinction between what is heated by the beam and what is not heated on a circuit board, since different parts or electronic components on a circuit board have different absorptivity across the emission spectrum of the flashlamp 250 . In particular, when the ignition voltage of the capacitor bank 220 is higher, the total power across the spectrum is higher than at a lower voltage, but the proportion of light with shorter wavelengths is higher (see Fig 4 ). In other words, with a lower ignition voltage of the capacitor bank 220, the spectral emission is lower in all bands, but the proportion of light with longer wavelengths is higher. However, the same amount of radiant power delivered over many pulses can reach a given level regardless of the ignition voltage because the flashlamp duty cycle can be adjusted. This can be achieved by varying the pulse length and/or the pulse frequency. More specifically, if an area of the circuit board to be heated is more absorptive at longer wavelengths of the emission spectrum, a longer pulse length or high frequency pulsing of the flashlamp 250 can be used and the same che emission power profile as applied at a higher voltage, shorter pulse length and shorter frequency. In addition, an optical filter can be used for the emission to allow even better discrimination. For the system 100, the control parameters include the capacitor bank voltage, the pulse length, the pulse rate, and the total duration of the pulse train.

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.System 100 may include one or more lamp housings, each containing at least one flashlamp, such as flashlamp 250 . This enables thermal processing of solder material on a printed circuit board as well as a thick film on a substrate by irradiation from above (e.g. irradiation from the thick film side), irradiation from below (e.g. irradiation from the substrate side) or both. The top and bottom flashbulbs can be independently synchronized in their firing, or they can receive the same firing trigger signal.

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.The conveyor within the system 100 has two modes of operation, namely a stationary mode and a synchronized mode. In the stationary mode, a circuit board is not transported during processing and the exposure profile is controlled electronically by the frequency controller 240. In this case, the pulse frequency and thus the power emitted by the flash lamp 250 can be changed over the course of the processing. Alternatively, the pulse length of each pulse can be altered during processing to adjust the energy delivered by the flashlamp 250 to the circuit board per pulse. In the synchronized mode, the pulse rate of the light pulses from the flash lamp 250 can be synchronized with the conveyor speed to obtain the same radiation exposure, ie total energy, expressed in J/cm ² , applied to the board being transported. In this case, the emitted radiation exposure can be independent of the conveyor speed.

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.During the synchronized mode, the flashlamp housing that holds the flashlamp 250 and is equipped with a reflector to direct the light from the flashlamp 250 towards the circuit board can be tilted upwards, e.g. rotated in the conveying direction or against the conveying direction, while the circuit board is moved past the flashlamp housing. When the flashlamp housing is placed parallel to the transported circuit board, the exposure is very uniform, with a variation of about 2 to 3% over the exposure area. When the flashlamp housing is farther from the circuit board, the light pulses are less intense. By tilting the head of the flashlamp 250, the intensity of the exposure can be increased or decreased as the circuit board is moved past the head of the flashlamp 250. This feature allows better control of the gas generated during processing of the solder paste, so that the electronic components can be attached successfully and without errors.

Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum elektrischen und mechanischen Verbinden von oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteilen mit einer Leiterplatte bereit.As described above, the present invention provides an improved method of electrically and mechanically connecting surface mount electronic components to a printed circuit board.

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.Although the system 100 is designed to process solder paste, it is also suitable for processing any thick film over 50 microns due to the same problems, such as the need to apply a precise and large amount of energy (>30 J/cm ² ). apply a precise power profile over a period of 1 to 10 seconds with multiple light pulses. In addition, the disclosed method enables the mounting of thermally sensitive electronic components on a printed circuit board by reducing the overall thermal budget over the prior art. The reduced thermal budget also enables the use of processing thick films on thermally sensitive substrates with maximum operating temperatures of less than 200°C. Examples of this are thermoplastics such as PVC, TPU, polyester, PET, PEN, paper, etc.

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.While the invention has been shown and described in detail with reference to a preferred embodiment, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made without departing from the scope of the invention.

Claims (20)

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.A method of connecting electronic components to a substrate, the method comprising the steps of: placing a substrate having solder material between an electronic component and the substrate under a flashlamp; applying a plurality of light pulses from the flashlamp to the electronic component, the solder and the substrate until the solder reflows; during the application of light pulses, measuring the power of one of the light pulses from the flashlamp and converting the measured power to a radiation exposure value; measuring the temperature of the electronic component being soldered onto the substrate; and in response to the measured temperature of the electronic component, adaptively adjusting a duty cycle of a next light pulse dependent on the radiation exposure value of the one light pulse. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Messen der Leistung unter Verwendung einer Fotodiode ausgeführt wird.procedure after claim 1 , wherein power measurement is performed using a photodiode. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner Kalibrieren der Fotodiode zur Erzeugung eines Kalibrierungsfaktors aufweist.procedure after claim 2 , further comprising calibrating the photodiode to generate a calibration factor. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Umwandeln ferner Umwandeln der gemessenen Leistung in den Strahlungsexpositionswert unter Verwendung des Kalibrierungsfaktors umfasst.procedure after claim 3 , wherein converting further comprises converting the measured power to the radiation exposure value using the calibration factor. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen einer Temperatur unter Verwendung einer Infrarotkamera (IR-Kamera) ausgeführt wird.procedure after claim 1 wherein measuring a temperature is performed using an infrared (IR) camera. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen eines Tastverhältnisses durch Ändern einer Frequenz der Lichtpulse ausgeführt wird.procedure after claim 1 wherein adjusting a duty ratio is performed by changing a frequency of the light pulses. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen eines Tastverhältnisses durch Ändern einer Pulslänge der Lichtpulse ausgeführt wird.procedure after claim 1 wherein adjusting a duty ratio is performed by changing a pulse length of the light pulses. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Leiterplatte ist.procedure after claim 1 , wherein the substrate is a printed circuit board. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein thermoplastischer Kunststoff mit einer maximalen Arbeitstemperatur von weniger als 200°C ist.procedure after claim 1 , wherein the substrate is a thermoplastic with a maximum working temperature of less than 200°C. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lötmaterial ein Dickschichtmaterial mit einer Dicke von mehr als 50 Mikrometer ist.procedure after claim 1 wherein the solder material is a thick film material having a thickness greater than 50 microns. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Transportieren des elektronischen Bauteils während des Aufbringens der Lichtpulse aufweist.procedure after claim 1 , further comprising transporting the electronic component during the application of the light pulses. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Synchronisieren der Geschwindigkeit des Transportierens des elektronischen Bauteils mit einer Frequenz der Lichtpulse aufweist.procedure after claim 11 , further comprising synchronizing the speed of transporting the electronic component with a frequency of the light pulses. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Platzieren des elektronischen Bauteils in einer Kammer mit kontrollierter Umgebung vor dem Aufbringen der Lichtpulse aufweist.procedure after claim 1 , further comprising placing the electronic component in a controlled environment chamber prior to applying the light pulses. 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 for connecting electronic components to a substrate, the system comprising: a capacitor bank; a capacitor bank charging power supply for charging the capacitor bank; an IGBT-based switching device; a frequency controller; a flashlamp for emitting light pulses, the flashlamp receiving charges from the capacitor bank via the IGBT-based switching device, while the IGBT-based switching device is repeatedly turned on and off by the frequency controller to increase the flow of charge from the capacitor bank to the flashlamp modulate, which in turn turns the flashbulb on and off; a photodiode for measuring the power of a light pulse from the flashlamp; an infrared camera for measuring the temperature of an electronic component to be soldered on a substrate; and a processor responsive to the sensed temperature of the electronic component to adaptively adjust a duty cycle for a next pulse of light via the frequency control dependent on a radiation exposure derived from the sensed power of the pulse of light from the flashlamp. System nach Anspruch 14, das ferner ein Bolometer zum Kalibrieren der Fotodiode aufweist.system after Claim 14 , further comprising a bolometer for calibrating the photodiode. System nach Anspruch 14, wobei die Kondensatorbank eine Mehrzahl von Elektrolytkondensatoren aufweist.system after Claim 14 , wherein the capacitor bank comprises a plurality of electrolytic capacitors. System nach Anspruch 14, wobei der Prozessor das Tastverhältnis der Lichtpulse einstellt, indem er über die Frequenzsteuerung eine Frequenz der Lichtpulse ändert.system after Claim 14 , wherein the processor adjusts the duty cycle of the light pulses by changing a frequency of the light pulses via the frequency controller. System nach Anspruch 14, wobei der Prozessor das Tastverhältnis für die Lichtpulse einstellt, indem er über die Frequenzsteuerung eine Pulslänge der Lichtpulse ändert.system after Claim 14 , wherein the processor adjusts the duty cycle for the light pulses by changing a pulse length of the light pulses via the frequency control. System nach Anspruch 14, das ferner einen Förderer aufweist zum Transportieren eines elektronischen Bauteils und eines Substrats, die bearbeitet werden.system after Claim 14 , further comprising a conveyor for transporting an electronic component and a substrate to be processed. System nach Anspruch 14, das ferner eine Kammer mit kontrollierter Umgebung zum Aufnehmen des elektronischen Bauteils während des Aufbringens der Lichtpulse aufweist.system after Claim 14 further comprising a controlled environment chamber for containing the electronic component during the application of the light pulses.

Images