DE10259195B4

DE10259195B4 - System und Verfahren zum Löten von Oberflächenmontagekomponenten an ein Substrat unter Verwendung eines Lasers

Info

Publication number: DE10259195B4
Application number: DE10259195A
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph Canton Sinkunas; Zhong-You Shi (Joe), Ann Arbor; Jay D. Dearborn Baker
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: US6583385B1; GB0226220D0; GB2386251B; GB2386251A; DE10259195A1; US20030111449A1

Abstract

Verfahren zum Aufschmelzen eines Lots (72), das zwischen einer Vielzahl von an einem flexiblen Substrat (12) befestigten Elektroschaltungsleiterkontaktstellen (28) und mindestens einer elektronischen Komponente (24) verteilt ist, unter Verwendung eines Lasers (18), wobei das Verfahren umfasst:
– Ausrichten der Vielzahl Elektroschaltungsleiterkontaktstellen (28) entlang einer gemeinsamen Achse;
– Platzieren der mindestens einen elektronischen Komponente (24), die eine hell eingefärbte Fläche hat, auf einem Paar der Elektroschaltungsleiterkontaktstellen (28), wobei die hell eingefärbte Fläche dem Laser (18) gegenüberliegt;
– Erhöhen einer Temperatur des Substrats (12) und
– Streichen des Lasers (18) über die Vielzahl von elektronischen Komponenten (24) und Leiterkontaktstellen (28) zum Aufschmelzen des Lots (72) ohne Beschädigung des Substrats (12).

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren der Montage elektronischer Komponenten an flexiblen Substraten unter Verwendung eines Lasers, wobei die flexiblen Substrate eine niedrige Glasübergangstemperatur haben.

Hintergrund der Erfindung

Elektronische Komponenten, wie z. B. Oberflächenmontagekomponenten, können auf Leiterplatten (FR4 oder ein ähnliches Material) durch Aufschmelzen von Lötpaste aufgelötet werden. Typischerweise wird eine Lötpaste auf die Leiterplatte gedruckt und anschließend wird die Leiterplatte mit elektronischen Komponenten und anderen Geräten bestückt. Die bestückten Leiterplatten werden dann in einen Reflowofen transportiert und zum Verflüssigen des Lots auf eine ausreichende Temperatur erhitzt.

Leider hat dieses Lötverfahren mehrere Nachteile oder Beschränkungen. Zum Beispiel können nur Substrate, die hohe Reflowtemperaturen und lange Verweilzeiten bei den in diesem Prozess angewendeten Temperaturen ertragen, verwendet werden. Beispielsweise würden flexible Substrate, die eine niedrige Glasübergangstemperatur haben, beim Anwenden bisher üblicher Verfahren zerstört. Es wäre jedoch erstrebenswert, leichtere und billigere Plastsubstrate, wie z. B. Flachbandlitzenkabel, speziell in der Kraftfahrzeugumgebung, einsetzen zu können. Leider haben die leichteren und billigeren Plastsubstrate und die Flachbandlitzenkabel eine viel niedrigere Glasübergangstemperatur. Werden bei diesen Plastsubstraten konventionelle Verfahren des Lotaufschmelzens angewendet, überstehen daher diese Substrate den Prozess nicht.

In diesem Zusammenhang wird auf die EP 1 023 831 B1 verwiesen, in der ein Verfahren zum Verlaufen einer Haftmischung oder Verbindungsmischung auf einem Elektronikaufbau, in welchem der Aufbau Haftmischungs-Ablagerungen auf Montageinseln auf einem Substrat und mindestens ein elektronisches Bauteil einschließt, offenbart ist. Hierbei umfasst das Verfahren neben dem Vorheizen dieses Aufbaus und Durchwärmen dieses Aufbaus in einem Schmelzofen die Schritte: selektives Aufheizen jeder Haftmischungs-Ablagerung über jeweils einen Schmelzpunkt oder einen Aktivierungspunkt dieser Ablagerung hinaus, während dieses Substrat im Wesentlichen bei dieser Temperatur gehalten wird, wobei ein derartiges Aufheizen erreicht wird, indem ein kontaktfreier Laser, Xenon-Licht oder eine andere Wärmeenergiequelle entweder direkt auf die Ablagerung oder indirekt auf einen Bauteilanschluss fokussiert wird, sowie Kühlen dieses Aufbaus auf eine Temperatur unterhalb der Durchwärmtemperatur.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Bedarf besteht für ein neues und verbessertes System und Verfahren zum Löten elektronischer Komponenten wie z. B. von Oberflächenmontagekomponenten auf flexiblen Substraten. Dieses neue und verbesserte System und Verfahren soll Lötpaste aufschmelzen, um die elektronischen Komponenten mit Leitungsbahnen auf einem flexiblen Substrat zu verbinden. Es sollte ferner das neue und verbesserte System und Verfahren die flachen Plastsubstrate während des Aufschmelzprozesses nicht zerstören.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein neues und verbessertes Verfahren zum Löten elektronischer Komponenten an ein flexibles Plastsubstrat bereitgestellt. Zum Aufschmelzen der auf das Plastsubstrat gedruckten Lötpaste wird ein Diodenlaser verwendet. Substrate, die verwendet werden können, haben niedrige Glasübergangstemperaturen, wie z. B. PET. Von Vorteil ist, dass diese Polymersubstrate einen sehr geringen Anteil des Energieoutputs des Diodenlasers absorbieren.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Verwendung eines Diodenlasers zum Aufschmelzen des Lots auf einem flexiblen Substrat bereitgestellt. Dieses Verfahren beschleunigt den Lötprozess vorteilhaft. Der Prozess schließt Wenden der elektronischen Komponenten (wie z. B. Oberflächenmontagekomponenten) ein, so dass dem Diodenlaser eine hell eingefärbte Seite der elektronischen Komponenten gegenüberliegt. Der Laserstrahl kann quer über der Oberfläche des Substrats gerastert sein, so dass die Laserstrahlung auf dem bestückten Substrat einen Streifen (entlang einer gemeinsamen Achse) überstreicht. In diesem Fall wird die Lotpaste auf dem Weg des Laserstrahls aufgeschmolzen, und es wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Substrat und den elektronischen Komponenten erreicht. Vorteilhaft ist, dass der Laserstrahl das dem Strahl ausgesetzte Plastsubstrat nicht zerstört, da die Substrateigenschaften derart sind, dass vom Substrat nur minimale Laserstrahlung absorbiert wird. Die Rasterung des Laserstrahls quer zur gesamten Substratfläche verringert die Prozesszeit stark, da die Lasersteuerung zum Auffinden der nächsten Lötstelle nicht den Speicher abfragt, Berechnungen durchführt, Bezugsgrößen prüft usw. und sich zur nächsten Komponente bewegen muss.

Aufgrund der für den Laseroutput transparenten Beschaffenheit des Plasts kann der Lötprozess der Erfindung auch genutzt werden, die Oberflächenmontagekomponenten von der Rückseite (Unterseite) des Substrats aus zu löten. Das beseitigt die räumliche Überlagerung der Komponenten mit dem Laserstrahl beim Löten von der Front-(Ober-)seite. Auch in diesem Fall kann das Rasterverfahren genutzt werden.

Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung offenbaren sich aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schema eines erfindungsgemäßen Systems zum Aufschmelzen von Lötpaste, die zum elektrischen Verbinden einer elektronischen Komponente mit einem Substrat auf das Substrat aufgedruckt ist.
Die 2a–2b zeigen eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung einer Phasenübergangspalette zur Verwendung im erfindungsgemäßen System.
Die 3a–3d sind Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Phasenübergangspalette, die mindestens einen offenen Hohlraum zum Unterbringen von elektronischen Komponenten hat, die auf einer ersten exponierten Substratfläche montiert worden sind.
4 ist, gemäß vorliegender Erfindung, eine Draufsicht einer oben liegenden Fläche eines flexiblen Substrats, auf der Leiterzüge angeordnet sind.
5 ist, gemäß vorliegender Erfindung, eine Draufsicht eines bestückten Plastsubstrats, auf dem Oberflächenmontagekomponenten angeordnet sind.
6 ist, gemäß vorliegender Erfindung, eine Draufsicht eines flexiblen Substrats, auf dem elektronische Komponenten angeordnet sind, und zeigt außerdem die Ablenkrichtung eines Laserstrahls an.
7 ist, gemäß vorliegender Erfindung, eine Draufsicht eines bestückten flexiblen Substrats, wobei die Schaltkreiskomponente auf ihm angeordnet ist, die elektrisch leitend mit dem Substrat mittels eines Diodenlasers verbunden worden ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 1 ist gemäß der Erfindung ein System 10 zum Aufschmelzen des Lots zum elektrisch leitenden Verbinden elektronischer Komponenten mit einem flexiblen oder halbflexiblen Substrat 12 dargestellt. Darüber hinaus enthält das System 10 eine Palette 14, die ein Mittel zur Abstützung des flexiblen Substrats 12 bereitstellt, ohne die Materialeigenschaften des Substrats zu verschlechtern. Das System 10 enthält zusätzlich einen Aufschmelzofen 13, ein Transportsystem 16 und eine Zusatzheizquelle 18. Der Aufschmelzofen hat eine Vielzahl von Heizern 22 zum Vorwärmen des Substrats 12 auf eine gewünschte Vorheiztemperatur. Das Transportsystem 16 ist auf herkömmliche Weise zur Mitwirkung für die Aufnahme von Paletten 14 zum Bewegen sowohl durch den Aufschmelzofen 13 als auch unter der Zusatzheizquelle 18 konfiguriert.
Die Palette 14 ist vorzugsweise eine Phasenübergangspalette zum Absorbieren der Wärme während des Lötpastenaufschmelzprozesses zum Verbinden elektronischer Komponenten 24 mit flexiblen Substraten 12 gemäß der Erfindung. Die Phasenübergangspalette 14 ist als Abstützung des Substrats 12 konfiguriert und kooperiert mit dem Transportsystem 16, um das Substrat 12 durch den Ofen 13 zu transportieren. Die Heizer 22 des Ofens 13 wärmen das Substrat 12 vor. Die Lötpaste 26 ist auf Leiterkontaktstellen 28 gedruckt, die auf dem Substrat 12 angeordnet sind, auf dem Komponenten 24 platziert werden.
Nunmehr Bezug nehmend auf die 2a–2b werden in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Draufsicht und ein Schnitt einer Phasenübergangspalette 14 dargestellt. Wie gezeigt, enthält die Palette 14 mindestens einen inneren Hohlraum 40, in dem sich ein Phasenübergangsmaterial 42 befindet. Auf der Palette 14 sind Haltestifte 44 vorgesehen, um das Substrat 12 flach oder eben auf einer Palettenfläche 46 zu halten. Die Stifte 44 können durch Federn 48 gespannt oder belastet sein, um eine Spannkraft auf das Substrat 12 aufzubringen. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann ein Bildrahmen 50 zum Sichern des Substrats 12 auf der Palettenfläche 46 verwendet werden. Der Bildrahmen 50 ist, wie dargestellt, an der Peripherie des Substrats 12 befestigt und sichert sie durch Halten der Kanten des Substrats 12 auf der Palettenfläche 46.
In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Phasenübergangspalette 14' dargestellt, die zur Aufnahme eines doppelseitigen Substrats 12' konfiguriert ist, das auf beiden Seiten 60, 62 des Substrats 12' mit elektronischen Komponenten 24' bestückt ist. In mehreren der Schnittdarstellungen hat die Palette 14', wie in den 3a–3d gezeigt, mindestens einen offenen Hohlraum 64 zum Unterbringen von elektronischen Komponenten 24', die auf der ersten exponierten Fläche 60 des Substrats 12' montiert worden sind. Der offene Hohlraum 64 kann bei Notwendigkeit einer zusätzlichen Abstützung des Substrats 12' mit einem geeignetem Schaum 66 gefüllt sein.
In einer Vorzugsausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Substrat 12' eine Polyesterfolie, die eine Dicke von 0,003 bis 0,010 Zoll (76,2 bis 254 μm) hat. Wie im Stand der Technik bekannt, können Kupferleiter 68 und Lötkontaktstellen 70 auf beiden Seiten 60, 62 des Polyestersubstrats aufgebracht sein. Über die Kupferleiter 68 ist eine geeignete Lötmaske (nicht dargestellt) gelegt, so dass nur die Lötkontaktstellen 70, auf die die Lötpaste 72 gedruckt werden soll, unbedeckt sind. Diese Lötkontaktstellen 70 können eine geeignete Deckschicht, wie z. B. eine organische Deckschicht zum Schutz der Lötflächen vor Oxidbildung, haben. Es können andere Deckschichten, wie z. B. durch Tauchen aufgebrachtes Silber oder ein galvanischer Überzug aus Zinn, verwendet werden, um die Lötfähigkeit der Komponenten 24' auf den Lötkontaktstellen zu steigern.
Es können Lötpasten 72 mit Blei enthaltenden Zusammensetzungen sowie Lötpasten mit bleifreien Zusammensetzungen verwendet werden. Die Lötpasten, die Blei ent halten, haben im Allgemeinen eine niedrigere Schmelztemperatur von etwa 183°C bis 200°C, während bleifreie Lötzusammensetzungen Schmelztemperaturen von etwa 220°C bis 245°C haben.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Palette 14 oder 14' mit dem darauf befestigten Substrat 12 oder 12' durch die Vorwärmzonen im Ofen 13 transportiert, die Lötpaste 72 aktiviert und allmählich bis kurz unter ihre Schmelztemperatur erwärmt. Während dieses Prozesses beginnt das Phasenübergangsmaterial 42 Wärme des Ofens 13 als auch des Substrats 12 oder 12' zu absorbieren, was die Temperatur des Substrats absenkt. Das Phasenübergangsmaterial 42 ist so gewählt, dass es einen niedrigeren Schmelzpunkt als den Schmelzpunkt der Lötpaste 72 hat. Wenn das Phasenübergangsmaterial 42 zu schmelzen beginnt, beginnt es eine Wärme- oder Energiemenge gleich der latenten Wärme des Materials zu absorbieren. Als Folge wird die Temperatur des Phasenübergangsmaterials 42 konstant gehalten, bis das Material völlig geschmolzen ist. Deshalb verbessert die Erfindung deutlich die Wärmeabsorptionseigenschaften der Palette 14 oder 14' und hält während des Aufschmelzens der Lötpaste 72 eine abgesenkte Temperatur des Substrats 12 oder 12'.
In einer Vorzugsausgestaltung der Erfindung hat das Phasenübergangsmaterial 42 eine niedrigere Schmelztemperatur als das Lot 72 und kann aus leitfähigen Metallen, wie z. B. Gallium, Galliumlegierungen oder Legierungen von Blei und Zinn, bestehen. Andere geeignete Phasenübergangsmaterialien enthalten Chlor-Fluor-Kohlenstoffe und ihre Verbindungen.
In einer wiederum anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die außerhalb des Ofens 13 angeordnete Zusatzheizquelle 18 (dargestellt in 1) vorzugsweise ein Diodenlaser. Der Diodenlaser stellt eine fokussierte und konzentrierte Wärmequelle in Form eines Lichtstrahls 17 bereit. Das Substrat ist für das Laserlicht transparent und überhitzt und zersetzt sich deshalb nicht. Die Lötpaste 26, Leiterkontaktstellen 28 und Kupferbereiche des Substrats absorbieren vorzugsweise Wärme infolge ihres hohen Wärmeleitvermögens, während das Substrat 12 oder 12' auf einer niedrigeren Temperatur durch die Palette 14 oder 14' gehalten wird, die ihrerseits durch das Phasenübergangsmaterial 42 auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird. Auf diese Weise werden eine Erweichung und Zerstörung des Substrats 12 oder 12' während des Aufschmelzprozesses verhindert.
Nachdem sich der exponierte Bereich des Substrats unter dem Laser 18 hindurchbewegt hat, fällt die Temperatur der exponierten elektronischen Komponente 24 und des Substrats 12 schnell ab, so dass das aktivierte Lot abkühlt und erstarrt. So wird eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Leitern oder Kontaktstellen 28 oder 70 und den Komponenten 24 oder 24' gebildet. Während dieses Prozesses erstarrt auch das Phasenübergangsmaterial 42, so dass die Palette 14 oder 14' zum erneuten Gebrauch bereit ist.
In wiederum einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Substrat nicht im Ofen vorgewärmt. Es kann zum Vorwärmen des Substrats ein anderes Verfahren, wie z. B. das Hindurchführen des Substrats unter Heizlampen, verwendet werden. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung wird das Substrat überhaupt nicht vorgewärmt. Das Licht des Diodenlasers 18 reicht zum Schmelzen der Lötpaste aus.
Eine Draufsicht eines Substrats 12 vor dem Bestücken des Substrats mit Oberflächenmontagekomponenten ist in 4 dargestellt. Wie gezeigt, hat das Substrat 14 eine Vielzahl von Leiterkontaktstellen 100 und Leiterbahnen 102, die für ein im Stand der Technik bekanntes Gestalten elektrischer Schaltkreise angeordnet sind. Die Leiterkontaktstellen 100 sind an das Aufnehmen von Oberflächenmontagekomponenten angepasst. Die Leiterkontaktstellen 100 sind vorzugsweise entlang einer gemeinsamen Achse, wie z. B. Achse AA und BB, angeordnet. Selbstverständlich bezieht die Erfindung eine Vielzahl von zu AA und/oder BB analogen Achsen auf dem Substrat 14 ein. Auf den Leiterkontaktstellen 100 ist Lötpaste (nicht dargestellt) zum elektrischen Verbinden von Oberflächenkomponenten 110 (dargestellt in 5) und ähnlichen Elementen mit Leiterkontaktstellen 100 und einem Substrat 12 aufgetragen.
Bezug nehmend nunmehr auf 5 ist eine Draufsicht des Substrats 12 dargestellt. Auf dem Substrat 12 sind entlang der Achsen AA und BB eine Vielzahl von Oberflächenmontagekomponenten 110 angeordnet. Die Oberflächenmontagekomponenten 110 sind auf dem Substrat 12 vorteilhaft mit der hell oder weiß gefärbten Fläche zur Zusatzheizquelle 18 oder zum Laser gerichtet angeordnet. Diese Anordnung von Oberflächenkomponenten auf dem Substrat 12 begrenzt die Absorption der vom Laser abgestrahlten Wärme durch die Oberflächenmontagekomponenten, da helle Objekte für das Laserlicht durchlässig sind.
Eine Laserüberstreichrichtung ist in 6, einer Draufsicht des mit Oberflächenmontagekomponenten 110 bestückten Substrats 12, dargestellt. Ein Laserstrahl 120 ist an einem Ende einer Zeile 122 oder Spalte 124 von Oberflächenmontagekomponenten positioniert, die entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Die Richtung des Laserüberstreichens wird, z. B. in einem Zeitpunkt durch die Pfeile (L1) und (L2), in einem anderen Beispiel angezeigt. Von Vorteil ist, dass der Laserstrahl gerastert ist oder das Substrat entlang der gemeinsamen Achse quer überstreicht. Der Laserstrahl hat eine Breite (w), die mindestens so groß wie die Länge (e) der längsten Oberflächenmontagekomponenten ist. Dadurch wird abgesichert, dass alle Oberflächenmontagekomponenten mit dem Laserlicht bestrahlt werden.
Außerdem verbessert die vorliegende Erfindung die Fertigungszykluszeiten, da der Laserstrahl entlang einer gemeinsamen Achse gerastert ist und nicht programmiert zu werden braucht, um der individuellen Anordnung der Oberflächenmontagekomponenten zu folgen.
Bezug nehmend auf 7 ist eine Draufsicht eines bestückten flexiblen Substrats 12 dargestellt. Das Substrat 12 ist ferner mit einer Vielzahl von Oberflächenmontagekomponenten dargestellt, die elektrisch leitend mit den Leiterkontaktstellen verbunden sind. Nachdem der Laserstrahl die flächenmontierten Komponenten entlang der gemeinsamen Achse überstrichen hat, ist das zwischen den Oberflächenmontagekomponenten und den Leiterkontaktstellen befindliche Lot aufgeschmolzen. Da das Substrat für Laserlicht durchlässig ist, steigt die Temperatur des Substrats nicht wesentlich an. Die Leiterkontaktstellen und die Kontakte an den Oberflächenmontagekomponenten absorbieren durch den Laser erzeugte Wärmeenergie und bewirken die Verflüssigung des Lots.
Obgleich die Erfindung insbesondere in ihren speziellen Ausgestaltungen beschrieben worden ist, gilt es als vereinbart, dass zahlreiche Varianten der Erfindung bei Fachkentnnis denkbar sind und dennoch innerhalb der Lehren der Technologie und der Erfindung verbleiben. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung weit auszulegen und nur durch Umfang und Idee der folgenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

Verfahren zum Aufschmelzen eines Lots (72), das zwischen einer Vielzahl von an einem flexiblen Substrat (12) befestigten Elektroschaltungsleiterkontaktstellen (28) und mindestens einer elektronischen Komponente (24) verteilt ist, unter Verwendung eines Lasers (18), wobei das Verfahren umfasst: – Ausrichten der Vielzahl Elektroschaltungsleiterkontaktstellen (28) entlang einer gemeinsamen Achse; – Platzieren der mindestens einen elektronischen Komponente (24), die eine hell eingefärbte Fläche hat, auf einem Paar der Elektroschaltungsleiterkontaktstellen (28), wobei die hell eingefärbte Fläche dem Laser (18) gegenüberliegt; – Erhöhen einer Temperatur des Substrats (12) und – Streichen des Lasers (18) über die Vielzahl von elektronischen Komponenten (24) und Leiterkontaktstellen (28) zum Aufschmelzen des Lots (72) ohne Beschädigung des Substrats (12).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Achse parallel zu einer Längsachse des Substrats (12) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Achse parallel zu einer Querachse des Substrats (12) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Bereitstellen eines Laserstrahlflecks, der eine Länge und Breite hat, die zum Überdecken der Elektroschaltungskomponenten (24) ausreicht.