DE102014211807A1

DE102014211807A1 - Lötvorrichtung und Verfahren zum Löten

Info

Publication number: DE102014211807A1
Application number: DE102014211807.7A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Vari; Istvan Andocsi
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2015-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung zum Löten, insbesondere zum Selektivlöten eines Schaltungsträgers. Die Lötvorrichtung weist wenigstens einen Lottiegel auf, wobei der Lottiegel einen Hohlraum umschließt und ausgebildet ist, flüssiges Lotmittel in dem Hohlraum aufzunehmen. Erfindungsgemäß weist der Lottiegel, insbesondere ein Material des Lottiegels, wenigstens an einer zu dem Hohlraum weisenden Oberfläche Nickel auf.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung zum Löten, insbesondere zum Selektivlöten eines Schaltungsträgers. Die Lötvorrichtung weist wenigstens einen Lottiegel auf, wobei der Lottiegel wenigstens einen Hohlraum umschließt und ausgebildet ist, flüssiges Lotmittel in dem Hohlraum aufzunehmen.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lötvorrichtungen besteht das Problem, dass der Lottiegel, insbesondere ein Stahltiegel, während des Lötvorganges mit dem Lotmittel benetzt sein soll, um ein gutes Lötergebnis zu erzeugen. Die Lottiegel aus Stahl oder aus Eisen weisen eine Standzeit, das heißt eine Betriebszyklenzahl von rund 10.000 Lötzyklen auf. Der Lottiegel muss nach Erreichen der Betriebszyklenzahl erneuert werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist der Lottiegel, insbesondere ein Material des Lottiegels, wenigstens an einer zu dem Hohlraum weisenden Oberfläche Nickel auf.
Es wurde nämlich erkannt, dass Lottiegel, welche Nickel wenigstens an einer Oberfläche aufweisen, welche mit dem Lotmittel benetzt werden kann, also zu dem Hohlraum mit dem Lotmittel hinweisen, vorteilhaft eine deutlich höhere sogenannte Standzeit, welche eine Anzahl der Lötzyklen bis zum Verschleiß des Lottiegels repräsentiert, aufweisen. Versuche haben gezeigt, dass die Standzeit eines nickelhaltigen Lottiegels verglichen mit einer Standzeit des Lottiegels aus Eisen drei Mal so hoch ist, wie die Standzeit des Lottiegels aus Eisen. So können mit Lottiegeln, welche Nickel an der zu dem Hohlraum weisenden Oberfläche aufweisen, bevorzugt eine Nickellegierung aufweisen, vorteilhaft 30.000 Lötzyklen oder mehr als 30.000 Lötzyklen erreicht werden, bis der Lottiegel verschlissen ist. Ein Lottiegel ist dann verschlissen, wenn die zu dem Hohlraum gehörende Oberfläche, welche von dem Lotmittel benetzt werden kann, nicht mehr vollständig von dem Lotmittel benetzt werden kann und das Lotmittel abstößt oder abweist.
Der Schaltungsträger ist bevorzugt durch eine Leiterplatte, ein DBC-Substrat (DBC = Direct-Bonded-Copper), ein AMB-Substrat (AMB = Active-Metal-Brazed) oder ein LTCC-Substrat (LTCC = Low-Temperature-Cofired-Ceramics) gebildet. Vorteilhaft können die genannten Schaltungsträger durch die Lötvorrichtung mit dem Lottiegel eine gute Lötverbindung mit kleiner Ausfallrate aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Lottiegel eine zu dem Hohlraum weisende nickelhaltige Beschichtung auf. Die Beschichtung bewirkt vorteilhaft eine gute Benetzbarkeit und eine hohe Lebensdauer des Lottiegels, wobei vorteilhaft ein Material des Lottiegels preiswert bereitgestellt werden kann. Das Material des Lottiegels, welches die nickelhaltige Beschichtung aufweist, ist beispielsweise Eisen, Stahl oder ein Buntmetall, insbesondere Kupfer oder Messing.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lottiegel wenigstens an der zu dem Hohlraum gewandten Oberfläche aus einer nickelhaltigen Legierung gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Legierung Nickel und Eisen auf. Weiter bevorzugt beträgt der Nickelanteil der nickelhaltigen Legierung zwischen 35 und 38 Gewichts-Prozent, besonders bevorzugt 36 Gewichts-Prozent.
Der Eisenanteil der Legierung, welcher Nickel und Eisen umfasst, beträgt bevorzugt wenigstens 60 Gewichts-Prozent der Legierungsbestandteile. Weitere Legierungsbestandteile der so gebildeten Legierung können beispielsweise kleine Mengen von Mangan sein, welche bevorzugt anteilig an der Legierung weniger als 1 Gewichts-Prozent, weiter bevorzugt weniger als 0,6 Gewichts-Prozent betragen. Weitere Bestandteile der Legierung können sein Phosphor oder Schwefel, jeweils weniger als 0,25 Gewichts-Prozent, Silizium mit einem Anteil von weniger als 0,35 Gewichts-Prozent, Chrom mit einem Anteil von weniger als 1 Gewichts-Prozent, bevorzugt weniger als 0,5 Gewichts-Prozent, Molybdän mit einem Anteil von weniger als 0,5 Gewichts-Prozent und Kobalt mit einem Anteil von weniger als 1 Gewichts-Prozent.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die nickel- und eisenhaltige Legierung eine Legierung, gemäß dem United Numbering System K93600. Beispielsweise ist die Legierung eine NiLo^®-Legierung. Andere vorteilhafte Beispiele für die Nickel-Legierung sind Kovar, Invar, Super-Invar oder Pernifer. Die Kovar-Legierung weist bevorzugt 54 Gewichts-Prozent Nickel, 29 Gewichts-Prozent Eisen und 17 Gewichts-Prozent Kobalt auf, jeweils Gewichts-Prozent.
Die Invar-Legierung weist bevorzugt 36 Gewichts-Prozent Nickel und 64 Prozent Eisen auf.
Die Pernifer^®-Legierung ist eine Nickel-Legierung der Fa. Thyssen-Krupp umfassend 36 Gewichts-Prozent Nickel.
Weiter wurde gefunden, dass ein Chromanteil in der Legierung die Haftung des Lotes, insbesondere Lotzinns an dem Lottiegel verschlechtert. Die Legierung weist daher vorteilhaft einen möglichst kleinen Chromanteil auf.
Bevorzugt weist de Legierung einen Kohlenstoffanteil von weniger als 0,1 Gewichts-Prozent auf. So kann eine gute Haftung des Lotmittels und weiter eine große Betriebszyklenzahl des Lottiegels erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lottiegel vollständig aus der nickelhaltigen Legierung gebildet. Dadurch kann vorteilhaft auch bei Erosion oder bei Verkratzung des Tiegels an den Schadstellen stets eine frische Nickellegierung durch das Lotmittel berührt und so benetzt werden. Ein solcher Lottiegel weist vorteilhaft eine hohe Betriebszyklenzahl, zuvor auch Standzeit genannt, auf.
Bevorzugt ist die Lötvorrichtung eine Schöpf-Lötvorrichtung, welche ausgebildet ist, den Lottiegel in flüssiges Lot zu tauchen und so den Lottiegel mit Lotmittel zu füllen, und den gefüllten Lottiegel an den Schaltungsträger heranzuführen.
Die Lötvorrichtung weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Lotmittelpumpe auf, welche ausgebildet ist, flüssiges Lotmittel in den Lottiegel zu pumpen. Der Lottiegel kann so vorteilhaft Lotmittel mit einer vorbestimmten Temperatur an den Schaltunsgträger heranführen. So kann vorteilhaft eine Selektiv-Wellenlötvorrichtung gebildet sein, welche ausgebildet ist, durch den Lottiegel einen Lotmittelfluss zu erzeugen, und den Lottiegel an den Schaltungsträger heranzuführen, so dass der Lotmittelfluß den Anschluß verlöten kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Lottiegel mit einem insbesondere zylindrischen Rohr verbunden, welches ausgebildet ist, das Lotmittel in den Lottiegel zu führen. Der Lottiegel kann in einer vorteilhaften Ausführungsform durch einen Endabschitt des Rohrs gebildet sein. Bevorzugt weist der Lottiegel oder zusätzlich das Rohr Nickel auf. Weiter bevorzugt weist der Lottiegel oder zusätzlich das bis zu dem Lottiegel führende Rohr die Nickel haltige Legeierung auf oder ist aus der Nickel haltigen Legierung gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lottiegel ein Wellen-Lottiegel, bei dem der Lottiegel über wenigstens eine Düse mit dem Rohr verbunden ist. So kann ein Betrag eines Lotmittelflusses durch den Lottiegel vorteilhaft vorbestimmt sein. Durch den Lotmittelfluss aus dem Lottiegel heraus kann so vorteilhaft eine Lotmittelwelle an dem zu verlötenden Anschluss erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Lottiegel wenigstens zwei zueinander beabstandet angeordnete Einzeltiegel auf, welche jeweils ausgebildet sind, Lotmittel an den Schaltungsträger heranzuführen.
Vorteilhaft können so mehrere Lötstellen parallel zueinander insbesondere mittels Schöpflöten oder Wellenlöten verlötet werden. Im Falle des Wellen-Lottiegels kann so ein Multiwellen-Lottiegel gebildet sein.
Bevorzugt sind weitere Teile der Lötvorrichtung aus einer Nickel haltigen Legierung gebildet, welche beim Betrieb der Lötvorrichtung mit Lotmittel in Kontakt geraten können.
Beispielhafte Teile sind eine Lotmittelpumpe, ein Gefäß zum Vorrätighalten des Lotmittels oder Trennelemente, insbesondere ein Trennblech, welches ausgebildet ist, Lotmittel von vorbestimmten Bereichen des Schaltungsträgers fernzuhalten. Das Trennelement ist beispielsweise in dem Lottiegel als Trennwand ausgebildet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Löten eines Schaltungsträgers. Bei dem Verfahren wird mittels eines Lottiegels geschmolzenes Lotmittel aufgenommen. Weiter wird bei dem Verfahren der Lottiegel an einen Schaltungsträger herangeführt, sodass das geschmolzene Lotmittel den Schaltungsträger oder zusätzlich einen mit dem Schaltungsträger verbundenen elektrischen Anschluss eines elektronischen Bauteils benetzen kann.
Erfindungsgemäß wird das Lotmittel in dem Lottiegel von einer nickelhaltigen Legierung, insbesondere als Bestandteil des Lottiegels, gehalten und/oder geführt. Dadurch kann das Lotmittel von der Nickel haltigen Legierung berührt werden. Weiter bevorzugt beträgt ein Nickelanteil der Legierung 36 Gewichts-Prozent. Weiter bevorzugt weist die Legierung als Legierungsrest Eisen auf, wobei weitere Bestandteile der Legierung, das Eisen ausgenommen, jeweils weniger als 1 Gewichts-Prozent betragen.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den abhängigen Ansprüchen und in den Figuren beschriebenen Merkmalen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Lötvorrichtung zum Selektivlöten mit einem Lottiegel, welcher aus einer Nickel-Legierung, insbesondere einer der vorgenannten Nickel-Legierungen gebildet ist.
2 zeigt die in 1 dargestellte Lötvorrichtung, bei der der Lottiegel flüssiges Lotmittel aufgenommen hat und einen Anschluss eines elektronischen Bauelements mit dem Lotmittel verlötet.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Löten, insbesondere Selektivlöten.
1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine Lötvorrichtung 1 in einer Schnittdarstellung. Die Lötvorrichtung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Gefäß 2. Das Gefäß 2 ist ausgebildet, Lotmittel 4, insbesondere Zinn haltiges Lotmittel oder eine Zinnlotlegierung umfassend Zinn und Silber, vorrätig zu halten.
Die Lötvorrichtung 1 umfasst auch eine Heizvorrichtung 10, welche in einem von dem Gefäß 2 umschlossenen Hohlraum angeordnet ist. Die Heizvorrichtung 10 ist ausgebildet, Lotmittel, insbesondere das in 1 dargestellte Lotmittel 4, welches in dem Gefäß 2 aufgenommen ist, zu erwärmen und zu schmelzen.
Die Lotvorrichtung 1 weist auch einen Lottiegel 3 auf. Der Lottiegel 3 ist durch ein Gefäß, insbesondere einen Becher, gebildet. Der Lottiegel umschließt einen Hohlraum 13. Der Lottiegel 3 ist ausgebildet, das geschmolzene Lotmittel 4 in dem Hohlraum 13 aufzunehmen und an eine Leiterplatte 5 heranzuführen. Die Leiterplatte 5 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein elektronisches Bauelement 6, in diesem Ausführungsbeispiel einen integrierten Schaltkreis, auf. Der integrierte Schaltkreis 6 weist elektrische Anschlüsse auf, von denen ein elektrischer Anschluss 7 beispielhaft bezeichnet ist. Der elektrische Anschluss 7 kann mittels der Lötvorrichtung 1 mit einer Leiterbahn 11 der Leiterplatte 5 verlötet werden.
1 zeigt die Lötvorrichtung 1, bei der die Hubvorrichtung 8 den Lottiegel 3, welcher mittels der Hubstange 9 mit der Hubvorrichtung 8 verbunden ist, in das verflüssigte Lotmittel 4 getaucht hat. Die Hubvorrichtung 8 ist ausgebildet, die Hubstange 9 gemeinsam mit dem Lottiegel 3 – in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer Längsachse 12 – hin- und herzufahren.
2 zeigt die in 1 bereits dargestellte Lötvorrichtung 1.
Der Lottiegel 3, welcher in 1 in das verflüssigte Lotmittel 4 getaucht ist, wird in der in 2 gezeigten Darstellung von der Hubvorrichtung 8 gemeinsam mit der Hubstange 9 aus dem verflüssigten Lotmittel 4 entlang der Längsachse 12 aus dem verflüssigten Lotmittel, auch Lotbad genannt, herausgefahren und an die Leiterplatte 5 herangefahren.
Der Lottiegel 3, welcher in der 1 in das Lotbad mit dem Lotmittel 4 getaucht ist, ist in 2 in der herausgefahrenen Position 3‘ dargestellt. Das in dem Lottiegel 3‘ vorrätig gehaltene verflüssigte Lotmittel ist in 2 als Lotmittel 4‘ bezeichnet.
Die Hubvorrichtung 8 ist ausgebildet, den Lottiegel 3 soweit an die Leiterplatte 5 heranzufahren, dass das Lotmittel 4‘, welches in dem Lottiegel 3‘ vorrätig gehalten ist, den elektrischen Anschluss 7 des integrierten Schaltkreises 6 und die Leiterbahn 11 benetzen kann. So kann die Leiterbahn 11, welche in diesem Ausführungsbeispiel durch eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine Kupferschicht, gebildet ist, mit dem elektrischen Anschluss 7, beispielsweise einem Kupferdraht, verlötet werden.
Der Lottiegel 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel Nickel auf. Vorteilhaft ist der Lottiegel 3 aus einer massiven Nickellegierung gebildet.
In einer Ausführungsvariante ist die Lötvorrichtung 1 zum Selektiv-Wellenlöten ausgebildet. Dazu ist die Hubvorrichtung 8 als Rohr ausgebildet, welches mit dem Lotttiegel 3 verbunden ist und in den Lottiegel 3 mündet. Der Lottiegel kann so von einem durch das Rohr strömenden Lotmittel durchflossen werden, so dass an den Schaltungsträger eine aus dem Lottiegel fließende Lotmittelwelle herangeführt werden kann. Der Lotmittelfluß durch das Rohr kann beispielsweise mittels einer Lotmittelpumpe erzeugt werden, welche mit dmem Gefäß und dem Rohr verbunden und ausgebildet ist, von dem Gefäß 2 Lotmittel 4 anzusaugen und in das Rohr zu pumpen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Löten, insbesondere zum Selektivlöten eines elektronischen Bauelements mit einer Leiterplatte. Bei dem Verfahren wird in einem Schritt 13 ein Lottiegel, welcher aus einer massiven Nickellegierung gebildet ist, in ein Lotbad mit verflüssigtem Lot, welches Zinn aufweist, eingetaucht. Der Lottiegel kann dabei verflüssigtes Lotmittel aufnehmen und ist mit verflüssigtem Lotmittel gefüllt.
Der Lottiegel wird danach in einem Schritt 14 aus dem Lotbad herausgefahren und an den Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterplatte im Bereich eines elektrischen Anschlusses des elektronischen Bauelements, beispielsweise eines integrierten Schaltkreises, eines Kondensators, einer Induktivität oder eines Widerstands herangeführt, sodass wenigstens der elektrische Anschluss des elektronischen Bauelements mit dem Lotmittel benetzt werden kann.
In einem weiteren Verfahrensschritt 15 wird der Lottiegel von der Leiterplatte wegbewegt, sodass ein an dem elektrischen Anschluss verbleibendes Lotmittel erstarren kann.

Claims

Lötvorrichtung (1) zum Löten, insbesondere Selektivlöten eines Schaltungsträgers (5), insbesondere einer Leiterplatte oder einem Substrat, wobei die Lötvorrichtung (1) wenigstens einen Lottiegel (3, 3’) aufweist, welcher wenigstens einen Hohlraum (13) umschließt und ausgebildet ist, flüssiges Lotmittel (4, 4’) in dem Hohlraum (13) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lottiegel (3), insbesondere ein Material des Lottiegels (3) wenigstens an einer zu dem Hohlraum (13) weisenden Oberfläche Nickel aufweist.
Lötvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lottiegel (3) eine zu dem Hohlraum (13) weisende Nickel haltige Beschichtung aufweist.
Lötvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lottiegel (3) wenigstens an der zu dem Hohlraum (13) gewandten Oberfläche aus einer Nickel haltigen Legierung gebildet ist.
Lötvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Kovar, Invar, Super Invar, oder Pernifer ist.
Lötvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Nickel und Eisen aufweist.
Lötvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nickelanteil zwischen 35 und 38 Gewichts-Prozent beträgt oder zusätzlich der Eisenanteil mindestens 60 Gewichts-Prozent beträgt.
Lötvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kohlenstoffanteil der Legierung maximal 0,1 Gewichts-Prozent beträgt.
Lötvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lottiegel (3) vollständig aus der Nickel haltigen Legierung gebildet ist.
Lötvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Chromgehalt der Legierung weniger als 1 Gewichts-Prozent beträgt.
Verfahren zum Löten eines Schaltungsträgers (5), bei dem mittels eines Lottiegels (3) geschmolzenes Lotmittel (4) aufgenommen wird und der Lottiegel (3) an einen Schaltungsträger herangeführt wird, so dass das geschmolzene Lotmittel (4’) den Schaltungsträger (5) oder zusätzlich einen mit dem Schaltungsträger (5) verbundenen elektrischen Anschluss (7) eines elektronischen Bauteils (6) benetzen kann, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Lotmittel (4, 4’) in dem Lottiegel (3, 3’) von einer nickelhaltigen Legierung, insbesondere als Bestandteil des Lottiegels (3), gehalten und/oder geführt wird.