DE60102115T2

DE60102115T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schwall-Löten

Info

Publication number: DE60102115T2
Application number: DE60102115T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Minoo-shi Yamaguchi; Masato Toyonaka-shi Hirano; Yoshinori Sasayama-shi Sakai
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2021-08-18
Also published as: US20040056067A1; US20020038815A1; US7150387B2; EP1188506A1; DE60102115D1; EP1188506B1; US6648216B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Prozess und eine Vorrichtung zum "Schwalllöten" (was auch als "Wellenlöten" bezeichnet wird) gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 5 (vgl. beispielsweise JP-A-11/354919), wobei (ein) elektronische(s) Bauteil(e) auf einer Platine (oder einem Substrat) mittels eines bleifreien Lötmaterials befestigt (oder bondiert) wird.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
In den letzten Jahren ergab sich eine starke Nachfrage nach einer Erhöhung der Zuverlässigkeit einer in einem verkleinerten elektronischen Gerät mit hoher Leistungsfähigkeit enthaltenen elektronischen Schaltungsplatine. Daher wächst die Nachfrage nach einer Erhöhung von Zuverlässigkeitseigenschaften, wie beispielsweise thermische Schockwiderstandsfähigkeit und mechanische Festigkeit eines Verbindungsabschnitts, der durch Löten eines elektronischen Bauteils auf eine Platine auf dem Gebiet der Bestückung mit den elektronischen Bauteilen gebildet wird.
Darüber hinaus wird gerade eine Regelung oder ein gesetzliches System zur Kontrolle der Behandlung von Industrieabfällen eingeführt, während Bedenken über den Schutz der globalen Umwelt auf weltweiter Ebene steigen. Obwohl ein auf Sn-Pb basierendes Lötmaterial, das Sn und Pb als Hauptkomponenten enthält (beispielsweise ein sogenanntes eutektisches "63 Sn-37 Pb"-Lötmaterial), im Allgemeinen in einer in einem elektronischen Gerät eingebrachten elektronischen Schaltungsplatine verwendet wird, kann das in einem solchen Lötmaterial enthaltene Blei bei unangemessenen Abfallbehandlung zu einer Umweltverschmutzung führen, so dass Forschungen und Entwicklungen durchgeführt werden hinsichtlich eines kein Blei enthaltenden Lötmaterials (d. h. ein sogenanntes bleifreies Lötmaterial) als Alternative zu dem Blei enthaltenden Lötmaterial.
Es folgt eine Beschreibung eines herkömmlichen Schwalllötprozesses zum Herstellen einer elektronischen Schaltungsplatine durch Verbinden (eines) elektronische(n)/(r) Bauteil(e)/(s) mit einer Platine, wie beispielsweise eine gedruckte Platine, und auch einer Vorrichtung für einen solchen Prozess unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen. 3 zeigt eine schematische Ansicht der herkömmlichen Schwalllötvorrichtung.
Zuerst wird eine Platine vor dem Lötvorgang vorbereitet, wobei ein Durchgangsloch (Durchgangslöcher) in der Platine gebildet wird, und ein elektronisches Bauteil wird positioniert durch Einfügen eines Anschlusses (z. B. einer Elektrode) des Bauteils in das Durchgangsloch von einer oberen Oberfläche der Platine. In einer solchen Platine ist eine aus Kupfer oder dgl. gebildete Anschlussfläche auf einem Gebiet (A + B + C, vgl. 4) gebildet, das aus (A) einer die Durchgangsöffnung definierenden Oberfläche und auch aus (B) einem oberen Oberflächenabschnitt und (C) einem unteren Oberflächenabschnitt der Platine besteht, wobei die Abschnitte die Durchgangsöffnung umgeben, und eine solche Anschlussfläche ist mit einem Schaltungsmuster auf der oberen Oberfläche der Platine verbunden. Andererseits sind Bereiche der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Platine mit Ausnahme der Anschlussfläche(n) durch einen Lötschutzlack abgedeckt.
Als nächstes wird die Platine einer Vorbehandlung unterzogen, bei der die untere Oberfläche der Platine, auf der keine elektronischen Bauteile vorhanden sind, mit einem Flussmittel behandelt wird unter Zuhilfenahme eines Flussmittelsprühzerstäubers (nicht gezeigt). Die Vorbehandlung erfolgt zur Verbesserung der Benetzung und Ausbreitung des Lötmaterials auf einer Oberfläche der Anschlussfläche durch Entfernen eines Oxidfilms (wie beispielsweise ein durch natürliche Oxidation gebildeter Film), der unausweichlich auf der Anschlussfläche gebildet wird.
Danach wird unter Bezugnahme auf 3 die so behandelte Platine (nicht gezeigt) in die Schwalllötvorrichtung 60 verbracht, während die obere Oberfläche, auf der sich die elektronischen Bauteile befinden, aufwärts gerichtet bleibt (in Bezug auf die Zeichnung), und die Platine wird im Inneren der Schwalllötvorrichtung 60 mechanisch in Richtung eines Pfeils 61 mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit unter Zuhilfenahme einer Fördereinrichtung befördert. In der Schwalllötvorrichtung 60 wird die Platine zuerst in einer Vorheizzone mittels einer Vorheizeinheit (oder einem Vorheizer) 62 erhitzt, um Aktivierungsfähigkeiten des gemäß der Vorbehandlung auf der Platine aufgebrachten Flussmittels wirksam anzuregen.
Danach wird das durch vorheriges Erhitzen in einer Lötmaterialzuführeinheit 63 in einem geschmolzenen Zustand befindliche Lötmaterial (nicht gezeigt) der Platine nach deren Beförderung in eine oberhalb von Lötwellendüsen 64 und 65 befindliche Lötmaterialzuführzone zugeführt von deren unteren Seite durch die primäre Wellen düse 64 und die sekundäre Wellendüse 65 in Form einer primären Welle bzw. einer sekundären Welle. Das so zugeführte Lötmaterial bewegt sich ausgehend von der unteren Oberfläche der Platine mittels der kapillaren Wirkung nach oben durch einen kreisförmigen Zwischenraum zwischen der Oberfläche der Durchgangsöffnung (d. h. der Anschlussfläche) und dem Anschluss, der durch das Durchgangsloch ausgehend von der oberen Oberfläche der Platine eingefügt ist, und danach kühlt sich das Lötmaterial durch Abgabe seiner Wärme an die Platinenumgebung mit deren Temperaturabfall in natürlicher Weise ab, so dass sich das Lötmaterial zur Bildung eines Verbindungsabschnitts des Lötmaterials (oder eines sogenannten "Fillets") verfestigt. In diesem Schritt des Zuführens des Lötmaterials (oder dem Schritt des Schwalllötens), dient die primäre Welle der ausreichenden Benetzung der Oberflächen der Anschlüsse und der Anschlussfläche mit dem Lötmaterial, und die sekundäre Welle dient dem Entfernen des Lötmaterials in mit einem Lötschutzlack bedeckten Bereichen, so dass das Lötmaterial beim Zurückbleiben und Verfestigen zwischen den Anschlussflächen keine Brücken bildet (die Brücke ist nicht wünschenswert, da sie einen Kurzschluss verursacht) und das Lötmaterial keine hornförmigen Vorsprünge bildet, wodurch die Form des Fillets gesteuert (oder konditioniert) werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, wird das aus dem Lötmaterial gebildete Fillet (oder der Verbindungsabschnitt) gebildet, das den Anschluss des elektrischen Bauteils und die in der Platine gebildete Anschlussfläche elektrisch und physikalisch (oder mechanisch) verbindet.
Das in vorstehender Weise aus dem Lötmaterial gebildete Fillet benötigt eine ausreichend hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem Anschluss des elektronischen Bauteils und der Anschlussfläche auf der Platine, um eine hohe Zuverlässigkeit der elektronischen Schaltungsplatine bereitzustellen. Falls allerdings, unter Bezugnahme auf 4, die elektronische Schaltungsplatine 70 unter Verwendung des bleifreien Lötmaterials gemäß dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Schwalllötverfahren hergestellt wird, löst sich das benetzende und auf der Oberfläche der Anschlussfläche 37 (die angeordnet ist zum Abdecken einer inneren Oberfläche, die die durch die Platine 71 perforierte Durchgangsöffnung 72 definiert, und auch Bereiche, die die Durchgangsöffnung 73 auf der oberen Seite und der unteren Seite der Platine 71 umgeben) ausgebreitete Lötmaterial teilweise an der Grenzfläche zwischen dem Lötmaterial und der Anschlussfläche bei der Verfestigung des Lötma terials ab, wie durch den Pfeil 80 angedeutet ist, so dass sich ein Problem dahingehend ergibt, dass die Verbindung zwischen der Anschlussfläche 73 und das aus dem Lötmaterial gebildete Fillet 74 unzureichend wird und keine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem Anschluss 75 und der Anschlussfläche 73 erhalten werden kann.
Ein solches Phänomen des Ablösens des Fillets 74 von der Anschlussfläche 73 wird im Allgemeinen als "Lift-Off"-Phänomen bezeichnet, das häufig auftritt, wenn das bleifreie Lötmaterial verwendet wird, obwohl es kaum auftritt, wenn das auf Sn-Pb basierende Lötmaterial verwendet wird. Das Lift-Off tritt bemerkenswerterweise insbesondere im Falle der Verwendung eines bleifreien Lötmaterials auf, das Sn und Bi enthält (wie beispielsweise ein auf Sn-Ag-Bi basierendes Material) und im Falle der Verwendung eines bleifreien Lötmaterials zum Verbinden eines Anschlusses der mit einem auf Sn-Pb basierenden Material plattiert ist.
Als Grund für das Auftreten des Lift-Offs könnte im Allgemeinen in Betracht gezogen werden, dass das für das Schwalllöten verwendete Lötmaterial und/oder ein metallisches Material, das beim Löten in das Lotmaterial eluieren kann (z. B. ein Plattierungsmetall für den Anschluss) eine schwache Legierung bilden, deren Schmelzpunkt niedriger ist als der des anfänglichen Lötmaterials und deren Zusammensetzung verschieden ist von der des anfänglichen Lötmaterials (eine solche Legierung wird im Folgenden lediglich als eine "Niedrig-S. P.-Legierung" bezeichnet) bei der Verfestigung des Lötmaterials ausgehend von dessen geschmolzenem Zustand.
Das eine hohe Temperatur aufweisende, geschmolzene Lötmaterial verliert seine Wärme hauptsächlich über den von dem elektronischen Bauteil (nicht gezeigt) herrührenden Anschluss 75. In dem zugeführten und an der Platine 71 haftenden Lötmaterial 74 bildet sich durch den Fluss einer solchen durch den Anschluss 75 passierenden Wärme ein Temperaturgradient. Die Verfestigung des Lötmaterials 74 schreitet gemäß dem Temperaturgradienten voran, wobei der Abschnitt mit der niedrigsten Temperatur des Lötmaterials 74 an der Spitze des Lötmaterials 74 auftritt (die durch den Pfeil 81 angedeutet ist) und der Abschnitt mit der höchsten Temperatur in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Fillet 74 und der Anschlussfläche 73, die ein guter Wärmeleiter ist, gebildet wird, so dass die Verfestigung an der Spitze beginnt und an der Grenzfläche zwischen der Anschlussfläche 73 und dem Fillet 74 zu gegebener Zeit endet. Bei einer solchen Verfestigung wird die oben be schriebene Niedrig-S. P.-Legierung in größerem Umfang in einem noch geschmolzenen Abschnitt des Lötmaterials, der noch nicht verfestigt wurde, verteilt (oder abgesondert), so dass die Niedrig-S. P.-Legierung mit fortschreitender Verfestigung in den geschmolzenen Abschnitt befördert und konzentriert (oder abgesondert) wird. D. h., ein Absonderungsphänomen tritt bei der Verfestigung des Lötmaterials auf, und als Resultat sammelt sich die Niedrig-S. P.-Legierung 76 an der Grenzfläche zwischen der Anschlussfläche 73 und dem Fillet 74, wo die Verfestigung am spätesten auftritt. Bei einer solchen Verfestigung, verfestigt sich das Fillet 74 an der Spitze zuerst und haftet an dem Anschluss 75, eine Spannung wird durch die Konzentration über die Verfestigung des Lötmaterials in Richtung des Pfeils 82 erzeugt, und eine Spannung wird durch die thermische Kontraktion der Platine 71 in Richtung des Pfeils 83 erzeugt. Es könnte angenommen werden, dass die schwache Niedrig-S. P.-Legierung 76, die in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Anschlussfläche 73 und dem Fillet 74 in vorstehend beschriebener Weise angereichert wurde, diesen Spannungen nicht standhalten kann, so dass das Ablösephänomen an der Grenzfläche verursacht wird, wie in der Richtung des Pfeils 80 gezeigt ist.
In der Japanischen Patentanmeldung JP 11 354 919 A ist ein Verfahren offenbart, das zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit von Lötverbindungen und zu einer Verringerung von Verbindungsfehlern für spezielle Lotzusammenstellungen (Sn-3Ag-Bi-Materialien) führt. Das Verfahren besteht aus Wasserkühlen mit einer bestimmten Kühlgeschwindigkeit, z. B. 5 bis 40°C/s (vorzugsweise 10 bis 20°C/s). Einer der Nachteile des vorgestellten Verfahrens besteht im Fehlen einer Konditionierungsmaßnahme zum Sicherstellen, dass das Lot im geschmolzenen Zustand innerhalb einer Verbindung und über die gesamte Platine homogen ist. Als Konsequenz kann sich das Lötmaterial teilweise verfestigen, bevor die wohldefinierte Abkühlung des Lots beginnen könnte und das Risiko eines Lift-Offs wird nicht wesentlich verringert.
In der US 4,402,448 ist ein Lötsystem beschrieben, bei dem eine frisch gelötete Platine unmittelbar nach dem Abscheiden eines geschmolzenen Lots auf die Platine erhitzt wird, um das Lot im geschmolzenen Zustand zu halten. Danach wird ein Fluidstrom auf das geschmolzene Lot gerichtet, wodurch übermäßiges Lot vom Boden der Platine weggeblasen wird und dadurch Kurzschlüsse, Tränen oder Brücken entfernt werden.
Die US 3,056,015 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten einer elektrischen Platine durch deren Eintauchen in geschmolzenes Lot, bekannt als Tauchlöten. Gemäß dieser Erfindung wird die Platine vor dem Lotbad durch heiße Luft (z. B. Stickstoff) vorerhitzt, die durch eine Reihenanordnung von Röhren fließt, und danach mittels einer anderen Reihenanordnung von Röhren vor der Kühlung erneut erhitzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme und des Weiteren zur Verbesserung der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Technik, und die vorliegende Erfindung dient dem Bereitstellen eines Schwalllötprozesses zur Bestückung (oder Bondierung) (eines) elektronische(n/r) Bauteil(s/e) auf einer Platine mittels eines bleifreien Lötmaterials, wobei der Prozess das Auftreten des Lift-Off-Phänomens wirksam verringern kann, und zum Bereitstellen einer Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Prozesses.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schwalllötprozess bereitgestellt zum Bestücken (eines) elektronische(n/r) Bauteil(s/e) auf einer Platine mittels eines bleifreien Lötmaterials, wobei der Prozess umfasst Zuführen einer Schmelze des Lötmaterials in der Weise, dass das Lötmaterial an einem vorbestimmten Abschnitt der Platine in einer Lötmaterialzuführzone anhaftet, wobei der Prozess des Weiteren umfasst Konditionieren der Platine bei einer Temperatur im Bereich von einem Schmelzpunkt des Lötmaterials zu einer Wärmefestigkeitstemperatur oder Wärmeresistenztemperatur des Elektronikbauteils in einer Konditionierungszone, um sicherzustellen, dass das an der Platine anhaftende Lötmaterial sich in einem vollständig geschmolzenen Zustand befindet, und danach Kühlen der Platine durch eine Kühleinheit in einer Kühlzone mit einer Rate von 200 bis 500°C/min, so dass das an der Platine anhaftende Lötmaterial verfestigt wird.
Insbesondere ist es ausreichend, das Abkühlen der Platine (und damit das schnelle Kühlen des Lötmaterials) in der Kühlzone gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen durch positives (oder zwangsweises) Kühlen der Platine mittels der Kühleinheit für zumindest eine Zeitdauer zwischen einer Zeit, in der das im geschmolzenen Zustand befindliche Lötmaterial gerade eine Temperatur seines Schmelzpunkts erreicht hat, und einer Zeit, in der das gesamte Lötmaterial (oder ein Verbindungsabschnitt des Lötmaterials) gerade seine Verfestigung abgeschlossen hat. Wenn ein solches Abkühlen sichergestellt ist, kann jede geeignete Kühleinheit für eine geeignete, die vorgenannte Periode enthaltende Zeitdauer verwendet werden. Des Weiteren kann das Kühlen der Platine in der Kühlzone in jeder geeigneten Weise durchgeführt werden, solange das an der Platine anhaftende Lötmaterial durch positives (oder zwangsweises) Kühlen der Platine aus der Kühleinheit schnell gekühlt wird. Beispielsweise kann die gesamte Platine oder zumindest ein Teil der Platine (z. B. nur ein nötiger Teil) gekühlt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, wird das an der Platine anhaftende bleifreie Lot durch positives Kühlen der Platine unter Verwendung der Kühleinheit schnell gekühlt (oder abgeschreckt), so dass eine Dauer vom Beginn der Verfestigung des Lötmaterials bis zum Ende der Verfestigung (d. h. der vollständigen Verfestigung) verkürzt wird. In dem herkömmlichen Prozess tritt das Absonderungsphänomen in dem Lötmaterial durch den Temperaturgradienten im Inneren des Lötmaterials (oder des Fillets) auf, da die Platine nicht positiv gekühlt wird, so dass die schwache Niedrig-S. P.-Legierung schließlich in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Fillet und der Anschlussfläche in vorstehend beschriebener Weise angesammelt wird. Andererseits erfolgt die vollständige Verfestigung des Lots in der vorliegenden Erfindung in einer kürzeren Zeitdauer verglichen mit dem herkömmlichen Prozess, so dass das Absonderungsphänomen abgeschwächt werden kann, und insbesondere das Ansammeln der Niedrig-S. P.-Legierung in der Nähe der Grenzfläche ist vermeidbar, so dass das Auftreten des Lift-Off-Phänomens unterdrückt wird.
Des Weiteren wird in dem herkömmlichen Prozess eine Metallphase, die hart und spröde ist (wie beispielsweise eine Bi-Phase oder eine Bi-Masse), beim Verfestigen des Lötmaterials in dem Fillet gebildet und fügt damit dem Fillet eine Sprödigkeit zu, so dass das Fillet geringe mechanische Festigkeit aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dagegen die für die Verfestigung des Lötmaterials erforderliche Zeitdauer verkürzt, so dass die Dauer, während der eine solche Metallphase wächst, verkürzt ist, was zu einer Miniaturisierung (oder Verfeinerung) einer Struktur der Metallphase in dem Fillet führt. Als Resultat wird die mechanische Festigkeit des Fillets durch die vorliegende Erfindung erhöht.
Es wird angemerkt, dass die Abkühlrate als eine Rate der Temperaturverringerung eines Lötmateriafabschnitts verstanden wird (und insbesondere eines Abschnitts, der einen aus dem Lötmaterial durch Verfestigung des Lötmaterials hergestellten Verbindungsabschnitt (oder Filletabschnitt) bilden soll), und sie ist inhärent eine Durchschnittstemperaturverringerungsrate über eine Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, in dem das im geschmolzenen Zustand befindliche Lötmaterial gerade eine Temperatur seines Schmelzpunkts erreicht hat, und einem Zeitpunkt, in dem sich das Lötmaterial (oder der gesamte Lötmaterialabschnitt) gerade vollständig verfestigt hat. Es stellt allerdings praktisch kein Problem dar, wenn eine solche durchschnittliche Temperaturabfallrate betrachtet wird als ein Durchschnitt einer gemessenen Temperatur des Lötmaterialabschnitts in einem Moment, wenn die Platine die Kühlzone erreicht, und einer gemessenen Temperatur des Lötmaterialabschnitts in einem Moment, wenn die Platine die Kühlzone verlässt, und somit wird ein solcher Durchschnitt der gemessenen Temperaturen in der vorliegenden Beschreibung in bequemer Weise als die Durchschnittstemperaturabfallrate (d. h. die Abkühlrate) verwendet. Die Temperatur des Lötmaterialabschnitts (d. h. des Verbindungsabschnitts des Lötmaterials) kann gemessen werden durch ein Thermoelement, das angeordnet ist (beispielsweise befestigt ist) an einem vorbestimmten Abschnitt der Platine, auf dem das Lötmaterial anhaften soll (beispielsweise eine Anschlussfläche, die auf einer Seite der Platine angeordnet ist, der das Lötmaterial zugeführt wird), und Daten des Thermoelements werden gemeinsam mit der Zeit aufgezeichnet.
Das vorstehend beschriebene positive Abkühlen der Platine in der Kühlzone kann durchgeführt werden durch eine Gaskühlung oder Flüssigkühlung, und als Kühleinheit zum Kühlen der Platine kann eine Einheit verwendet werden, bei der das Gaskühlen oder das Flüssigkühlen eingesetzt wird. Es wird angemerkt, dass die Kühlung der Gaskühlungsvorrichtung, die ein Gas benutzt (wie beispielsweise Luft (oder Umgebungsluft), ein Inertgas wie beispielsweise Stickstoffgas) als Kühlmittel verwendet, dessen Temperatur geringer ist als eine Temperatur der Platine (und insbesondere die des an der Platine haftenden Lötmaterials), und im Allgemeinen deutlich geringer ist als eine solche Temperatur. Die Gaskühlung ermöglicht ein Kontaktieren der Platine mit einem solchen Gas, um die Platine zu kühlen. Beispielsweise weist ein solches Gas eine Temperatur im Bereich zwischen –20 und 30°C auf, und vorzugsweise in einem Bereich zwischen –10 und 10°C. Die Gaskühlung kann durchgeführt werden durch Passieren der Platine durch eine Atmosphäre mit einem solchen Gas oder durch Blasen eines solchen Gases direkt auf die Platine. Auch ist unter dem Flüssigkühlen eine Kühlung unter Verwendung einer Flüssigkeit (wie beispielsweise Wasser, verflüssigter Stickstoff oder eine andere Flüssigkeit) als ein Kühlmittel zu verstehen, dessen Temperatur niedriger ist als eine Temperatur der Platine (und insbesondere der des an der Platine haftenden Lötma terials), und im Allgemeinen beträchtlich geringer als eine solche Temperatur. Die flüssige Kühlung ermöglicht ein Kontaktieren zumindest eines erforderlichen Abschnitts oder der gesamten Platine mit einer solchen Flüssigkeit, um die Platine zu kühlen. Beispielsweise weist eine solche Flüssigkeit eine Temperatur im Bereich zwischen 1 und 30°C auf, und vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 10°C. Die Flüssigkühlung kann durchgeführt werden durch Eintauchen der Platine in eine Menge der Flüssigkeit oder durch Sprühen der Flüssigkeit in Richtung der Platine. Die Flüssigkühlung kann eine Verdunstungskälte der Flüssigkeit verwenden, was vorteilhaft für die unverzügliche Schnellkühlung ist.
Konkret kann als die die Gaskühlung verwendende Kühleinheit eine Einheit verwendet werden, die umfasst ein Gebläse oder eine Gasflussvorrichtung (enthaltend beispielsweise eine Pumpe), die der Kühlzone das Tieftemperaturgas zuführt, und das Gas von der Kühlzone abführt. Das so zugeführte Gas bildet eine Tieftemperaturatmosphäre, durch die die Platine geführt wird. Des Weiteren kann auch eine Einheit mit (einer) Düse(n), einem Lüfter, einem Punktkühler oder dgl. verwendet werden, die das Temperaturgas direkt in Richtung der Platine bläst. Als die Flüssigkühlung verwendende Kühleinheit kann eine Einheit verwendet werden mit einem die Flüssigkeit enthaltenden Bad, in das die Platine getaucht wird, um die gesamte Platine zu kühlen, ein Atomisierer, der einen Nebel der Flüssigkeit bildet und in Richtung von zumindest einem Abschnitt der Platine sprüht, eine Düse, die eine relativ geringe Menge der Flüssigkeit zumindest einem Abschnitt der Platine zuführt oder dgl.. Abhängig von der Art der Kühleinheit kann diese in der Kühlkammer angeordnet sein oder die Einheit kann mit der Kühlkammer verbunden sein, so dass ein Abschnitt oder die gesamte Einheit außerhalb der Kühlkammer angeordnet ist. Es ist selbstverständlich möglich, jede Kombination der vorgenannten verschiedenen Arten von Kühleinheiten einzusetzen. Um eine höhere Kühlrate zu erhalten, sollte vorteilhafterweise die Flüssigkühlung anstelle der Gaskühlung zum Zwecke der positiven Kühlung eingesetzt werden.
Die Abkühlrate kann im Falle der Gaskühlung in gewünschter Weise erhalten werden durch Steuern einer Temperatur des Gases, das der Kühlzone zugeführt wird, und einer Flussrate eines solchen Gases, einer Transfergeschwindigkeit der Platine usw., wobei Wärmekapazitäten der Platine und (des) auf der Platine angeordneten Bauteil(e)(s) berücksichtigt werden. Im Falle der Flüssigkühlung kann eine gewünschte Kühltemperatur erhalten werden durch Steuern einer Temperatur der Flüssigkeit, die mit der Platine in Kontakt ist, der Transfergeschwindigkeit der Platine usw., während die Wärmekapazität der Platine der (des) auf der Platine angeordneten Bauteil(e/s) berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine Abkühlrate von ungefähr 210°C/min erreicht werden durch Passieren einer Platine aus Glasepoxidharz mit einer Abmessung von 200 mm × 200 mm × 0,8 mm bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 1,2 m/min durch eine Kammer mit einer Größe von 1000 mm × 500 mm × 500 mm, während eine gasförmige Atmosphäre mit einer Temperatur von ungefähr 25°C mit einer Flussrate von ungefähr 2 l/min in Richtung der Platine geblasen wird.
Die positive Kühlung der Platine in der Kühlzone wird vorzugsweise durchgeführt durch eine Gaskühlung, bei der die Kühleinheit Stickstoffgas verwendet. Bei der Gaskühlung und Verwendung von Stickstoffgas kann ein Oxidieren des Lötmaterials verhindert werden, so dass die Benetzungseigenschaft des Lötmaterials (und insbesondere die Benetzungseigenschaft hinsichtlich der Anschlussfläche) verbessert wird, was zu einer weiteren Verringerung des Auftretens des Lift-Offs führt.
Der Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, nach dem Zuführen des geschmolzenen Lötmaterials zu der Platine in der Lotzuführzone zum Anhaften an dem vorbestimmten Abschnitt der Platine und vor dem Kühlen der Platine in der Kühlzone, Verbringen der Platine in eine Konditionierungszone mit einer Atmosphäre bei einer Temperatur, die einen vollständig geschmolzenen Zustand an der Platine anhaftenden Lötmaterials sicherstellt. Es ist ausreichend, dass der vollständig geschmolzene Zustand des Lötmaterials zumindest zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Kühlung der Platine in der Kühlzone sichergestellt ist. Es ist für den Fachmann leicht verständlich, dass eine solche Konditionierungszone in Bezug auf die Transferrichtung der Platine stromabwärts der Lötmaterialzuführzone und stromaufwärts der Kühlzone angeordnet ist.
Die Konditionierungszone dient der Konditionierung der Platine nach dem Aufbringen des Lötmaterials auf der Platine und vor dem schnellen Kühlen der Platine. Insbesondere konditioniert sie die Platine (insbesondere das an der Platine anhaftende Lötmaterial) in solcher Weise, dass sich das Lötmaterial an jeder Stelle der Platine im Wesentlichen vollständig im geschmolzenen Zustand befindet (d. h. das gesamte Lötmaterial befindet sich im Wesentlichen im geschmolzenen Zustand in homogener Weise über der gesamten Platine). Konkret wird dann, wenn die Platine in die Konditionierungszone eintritt, während ein Abschnitt des an der Platine anhaf tenden Lötmaterials in natürlicher Weise abgekühlt ist, um mit dessen Verfestigung zu beginnen, die Platine (und somit das Lötmaterial) in der Konditionierungszone erhitzt, so dass das sich verfestigende gesamte Lötmaterial wieder geschmolzen wird, vorzugsweise vollständig bevor die Platine in der Kühlzone abgekühlt wird. Wenn die Platine in die Konditionierungszone eintritt, während das gesamte, an der Platine anhaftende Lötmaterial im Wesentlichen im geschmolzenen Zustand ist, befindet sich die Platine in einer Atmosphäre der Konditionierungszone, in der die Platine (und damit das Lötmaterial) keine übermäßige Wärmemenge verliert (vorzugsweise durch Zuführen von Wärme), so dass das Lötmaterial nicht mit seiner Verfestigung beginnt, zumindest nicht, bevor die Platine in die Kühlzone eintritt, wodurch der geschmolzene Zustand des gesamten Lötmaterials beibehalten werden kann. Somit braucht in diesem Fall nicht unbedingt eine positive Erhitzung der Platine durchgeführt zu werden. Die Konditionierungszone kann als Erhitzungszone bezeichnet werden, die die Platine durch Zuführen einer Wärmemenge zu der Platine erwärmt, um die Temperatur des Lötmaterials zu erhöhen, oder als Konstanttemperaturzone, die auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird und in der ein übermäßiger Temperaturabfall (und somit eine übermäßige Abkühlung) des Lötmaterials (somit der Platine) während des Passierens der Platine durch die Konditionierungszone (oder bis sie in die Kühlzone eintritt) durch Zuführen einer geringeren Wärmemenge oder thermisches Isolieren der Konditionierungskammer unterdrückt wird.
Die Bereitstellung der Platine in der Konditionierungszone in vorstehend beschriebener Weise kann zu einer Verringerung der Temperaturdifferenz (oder zu einer Verschmälerung der Temperaturverteilung) innerhalb des Lötmaterials eines jeden Verbindungsabschnitts und auch eines Temperaturunterschieds innerhalb der Verbindungsabschnitte des Lötmaterials über der gesamten Platine führen. Mit anderen Worten dient die Konditionierungszone dazu, einen thermisch einheitlichen Zustand der Platine und somit des Lötmaterials herzustellen. In Abwesenheit der Konditionierungszone kann das Lötmaterial mit einer teilweisen Verfestigung beginnen, bevor die Platine in der Kühlzone abgekühlt wird, und in einem solchen Fall kann eine Anfangstemperatur beim Beginn des schnellen Abkühlens in der Kühlzone innerhalb eines einzelnen Verbindungsabschnitts des Lötmaterials oder über alle Verbindungsabschnitt zu einem gewissen Grad variieren. Wird die Platine dagegen durch Bereitstellen einer solchen Konditionierungszone stromaufwärts der Kühlzone zum Erreichen eines thermisch einheitlichen Zustands konditioniert, so kann die Schwankung der Anfangstemperatur beim schnellen Abkühlen und dadurch die Schwankung einer für die Verfestigung des Lötmaterials erforderlichen Zeitdauer unterdrückt werden. Als Resultat kann die Auftrittsrate des Lift-Offs weiter verringert werden.
Die Temperatur der Atmosphäre der vorstehend beschriebenen Konditionierungszone kann jeder Temperatur entsprechen, solange sie den geschmolzenen Zustand des Lötmaterials sicherstellt, bevor die Platine in die Kühlzone eintritt, und sie ist geringer als eine Wärmeresistenztemperatur der auf der Platine angeordneten elektronischen Bauteile, um eine thermische Beschädigung der elektronischen Bauteile zu vermeiden. Die Temperatur der Konditionierungszone liegt vorzugsweise in einem Bereich, der nicht geringer ist als der Schmelzpunkt des Lötmaterials und der geringer ist als die Wärmefestigkeitstemperatur des elektronischen Bauteils, um das Lötmaterial vollständig oder in seiner Gesamtheit zu schmelzen. Vorzugsweise liegt die Temperatur der Konditionierungszone innerhalb eines Bereichs, der um 10°C höher ist als der Schmelzpunkt des Lötmaterials und der um 5°C geringer ist als die Wärmeresistenztemperatur des elektronischen Bauteils. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Falls sich beispielsweise das an der Platine anhaftende Lötmaterial auf einer höheren Temperatur als der Schmelzpunkt des Lötmaterials befindet (d. h. das Lötmaterial hat noch nicht mit seiner Verfestigung begonnen), wenn die Platine in die Konditionierungszone eintritt, und die Konditionierungszone kann eine solche übermäßige Temperaturverringerung des darin befindlichen Lötmaterials, dass das Lötmaterial während dem Hindurchtreten der Platine durch die Konditionierungszone mit der Verfestigung beginnt, verhindern, so ist die Temperatur der Konditionierungszone nicht notwendigerweise höher als der Schmelzpunkt des Lötmaterials. Es ist selbstverständlich auch in einem solchen Falle vorteilhaft, dass die Temperatur der Konditionierungszone nicht niedriger ist als der Schmelzpunkt des Lötmaterials und niedriger ist als die Wärmeresistenztemperatur des elektronischen Bauteils, ausgehend von einem Standpunkt des vollständig geschmolzenen Zustands des Lötmaterials.
Vorzugsweise besteht die Atmosphäre der Konditionierungszone im Wesentlichen aus Stickstoffgas. Als Resultat kann die Oxidation des Lötmaterials und der Anschlussfläche verhindert werden, um eine Verschlechterung der Benetzungseigenschaft des Lötmaterials zu vermeiden, so dass ein Verbindungsbereich der An schlussfläche mit dem Lötmaterial ausreichend sichergestellt ist, um das Abblättern des Lötmaterials zu unterdrücken.
Die Atmosphären der Konditionierungszone und der Kühlzone können unabhängig voneinander ausgewählt werden, obwohl beide vorzugsweise aus Stickstoffgas bestehen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestücken (oder Bondieren) eines elektronischen Bauteils auf einer Platine bereitgestellt durch ein bleifreies Lötmaterial (das im Folgenden lediglich als "Lötmaterial" bezeichnet wird, wie vorstehend beschrieben) mittels eines Schwalllötprozesses beim Fördern der Platine, wobei die Vorrichtung umfasst eine Lötmaterialzuführkammer, in der eine Schmelze des Lötmaterials der Platine durch eine Lötmaterialzuführeinheit in der Weise zugeführt wird, dass das Lötmaterial an einem vorbestimmten Abschnitt der Platine anhaftet und eine Kühlkammer mit einer Kühleinheit zum Kühlen des Lötmaterials mit einer Rate von 200 bis 500°C/min, so dass das an der Platine anhaftende Lötmaterial verfestigt wird, und eine Konditionierungskammer zwischen der Lötmaterialzuführkammer und der Kühlkammer, in der die Platine bei einer Temperatur im Bereich von einem Schmelzpunkt des Lötmaterials zu einer wärmeresistenten Temperatur des Elektronikbauteils konditioniert wird, so dass sichergestellt ist, dass das an der Platine anhaftende Lötmaterial zumindest vor dem Kühlen des Lötmaterials vollständig geschmolzen ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Platine durch die Kühleinheit in der Kühlkammer gekühlt, und als die Kühleinheit kann eine Einheit verwendet werden, die die Gaskühlung oder die Flüssigkühlung verwendet, und vorzugsweise die Gaskühlung mit Stickstoffgas, wie vorstehend unter Bezugnahme auf den Schwalllötprozess gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert wurde.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Konditionierungskammer zwischen der Lötmaterialzuführkammer und der Kühlkammer bezüglich der Transferrichtung der Platine. Eine Atmosphäre in der Konditionierungskammer weist eine Temperatur auf, bei der sichergestellt ist, dass das Lötmaterial sich im vollständig geschmolzenen Zustand befindet. Die Temperatur einer solchen Atmosphäre in der Konditionierungskammer ist vorzugsweise nicht niedriger als der Schmelzpunkt des Lötmaterials und niedriger als die Wärmeresistenztemperatur oder wärmeresistente Temperatur des elektronischen Bauteils. Des Weiteren enthält die Konditionierungskammer vorzugsweise eine Stickstoffgasatmosphäre.
Es wird angemerkt, dass dem Begriff "Kammer" die Bedeutung eines einen Raum definierenden strukturellen Bestandteils zugemessen wird, dem Begriff "Zone" die Bedeutung eines Raums (oder eines räumlichen Bestandteils) innerhalb der Kammer, und dem Begriff "Atmosphäre" die Bedeutung einer gasförmigen Atmosphäre (oder eines Gases) in dem durch die Kammer gebildeten Raum (somit ist eine Atmosphäre in einer Zone im Wesentlichen gleichzusetzen mit einer Atmosphäre in einer Kammer). Beispielsweise definiert die "Lötmaterialzuführkammer" die "Lötzuführzone" des Schwalllötprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung, und dies ist in ähnlicher Weise anwendbar auf die "Kühlkammer" und die "Konditionierungskammer".
Der Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, in wird in günstiger Weise durchgeführt unter Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass die vorstehenden Beschreibungen hinsichtlich der Lötmaterialzuführzone und der Kühlzone und auch der Konditionierungszone unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele des Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso anwendbar sind auf die Lötmaterialzuführkammer und die Kühlkammer und auch die Konditionierungskammer. In der Schwalllötvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung muss die Lötmaterialzuführkammer nicht so ausgebildet sein, dass die Lötmaterialzuführzone definitiv von anderen Räumen in der Vorrichtung getrennt ist. Die Kühlkammer kann definitiv die Lötmaterialzuführzone von anderen Räumen mit relativ hoher Temperaturen zumindest in solchem Grad trennen, dass die positive Kühlung der Platine in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam durchgeführt werden kann. Auch kann die Konditionierungskammer so ausgestaltet sein, dass ihre Atmosphäre definitiv getrennt ist von anderen Atmosphären mit relativ hohen Temperaturen (wie beispielsweise eine Atmosphäre der Lötmaterialzuführkammer), aber nicht notwendigerweise definitiv von anderen Räumen in der Vorrichtung getrennt ist. Die Konditionierungskammer und die Kühlkammer sind allerdings vorzugsweise so strukturiert, dass die Atmosphären dieser Kammern vom Standpunkt des thermischen Wirkungsgrads zu einem gewissen Grad voneinander getrennt sind.
Es sollte angemerkt werden, dass die Lötmaterialzuführkammer, die Kühlkammer und die Konditionierungskammer, die oben unter Bezugnahme auf die Schwalllötvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, beim Durchführen des Schwalllötprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise verwendet werden müssen, und es kann eine andere Vorrichtung verwendet werden, solange diese die vorstehend beschriebene schnelle Kühlung erlaubt.
Das für den Schwalllötprozess und/oder die Schwalllötvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbare bleifreie Lötmaterial enthält beispielsweise ein auf Sn-Cu basierendes Material, ein auf Sn-Ag-Cu basierendes Material, ein auf Sn-Ag basierendes Material, ein auf Sn-Ag-Bi basierendes Material, ein auf Sn-Ag-Bi-Cu basierendes Material und dgl.. Hinsichtlich der Platine kann eine beispielsweise aus einem Papierphenol, einem Glasepoxidharz, einem Polyimidfilm, einer Keramik oder dgl. hergestellte Platine verwendet werden. Das mit der Platine verbundene elektrische Bauteil kann jedes elektronische Bauteil sein, das mit der Platine über die durch die Platine gebildete Durchgangsöffnung verbunden ist, beispielsweise ein DIP IC (Dual In-Line Package-Integrated Circuit), ein Verbindungselement und ein axiales Anschlussbauteil. Diese werden aber lediglich für illustrative Zwecke beschrieben und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine nähere Erläuterung der Erfindung und viele ihrer erreichten Vorteile werden in einfacher Weise ersichtlich anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei einer Betrachtung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren. Es zeigen:
1(a) eine schematische Ansicht einer Schwalllötvorrichtung mit einer Kühlkammer und einer Lötmaterialzuführkammer gemäß dem Stand der Technik;
1(b) eine schematische Teilansicht einer Schwalllötvorrichtung gemäß 1(a), wobei eine Innenansicht einer Kühlkammer gezeigt ist;
2 eine schematische Ansicht einer Schwalllötvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Ansicht einer weiteren herkömmlichen Schwalllötvorrichtung; und
4 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer elektronischen Schaltungsplatine, die gemäß einem herkömmlichen Schwalllötprozess hergestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher beschrieben.
Ein Schwalllötprozess wird durchgeführt unter Verwendung einer Schwalllötvorrichtung gemäß 1(a).
Bezug nehmend auf 1(a) umfasst die Schwalllötvorrichtung 20 gemäß dem Stand der Technik eine Vorheizeinheit (oder einen Vorheizer) 2, eine Lötmaterialzuführeinheit 3, die der Platine (nicht gezeigt in 1(a)) eine Schmelze des Lötmaterials zuführt, eine Vorheizkammer 19, eine Lötmaterialzuführkammer 16, und eine Kühlkammer 17, wobei die Platine(n) die Kammern 19, 16 und 17 in Richtung des Pfeils 1 passiert. Die Lötmaterialzuführeinheit 3 enthält darin das zum Schmelzen vorerhitzte Lötmaterial (d. h. das geschmolzene Lötmaterial) (nicht gezeigt), und führt der Platine in der Lötmaterialzuführkammer 16 (und somit in der Lötmaterialzuführzone 6) das Lötmaterial in Form von Wellen durch Fließenlassen des Lötmaterials durch die primäre Wellendüse 4 und die sekundäre Wellendüse 5 zu. Es wird angemerkt, dass jede der Vorheizkammer 19, der Lötmaterialzuführkammer 16 und der Kühlkammer 17 einen inneren Raum als die Vorheizzone 9, die Lötmaterialzuführzone 6 bzw. die Kühlzone 7 aufweist, und es sind im Allgemeinen Passagen zwischen diesen vorgesehen, so dass die Platine diese Zonen passieren kann. Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1(a) dargestellt ist, kann keine klare Grenze zwischen der Vorheizkammer 19 und der Lötmaterialzuführkammer 16 vorgesehen sein, was nachfolgend erläutert wird.
Die Vorheizkammer 19 definiert die Vorheizzone 9, in der die Platine vorgeheizt wird. Die Vorheizeinheit 2 ist in der Vorheizkammer 19 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel enthalten, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf ein solches Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Die Vorheizzone 2 kann außerhalb der Vorheizkammer 19 angeordnet sein. Die Vorheizeinheit ist nicht notwendigerweise bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung erforderlich, wobei das Vorsehen der Vorheizzone 2 aber bevorzugt ist. Die Lötmaterialzuführkammer 16 befindet sich oberhalb der Lötmaterialzuführeinheit 3 und definiert die Lötmaterialzuführzone 6, in der das Lötmaterial im geschmolzenen Zustand über die Lötwellendüsen 4 und 5 der Platine zugeführt wird. Die Vorheizzone 9 und die Lötmaterialzuführzone 6 gemäß vorstehender Beschreibung weisen vorzugsweise teils Atmosphären mit hoher Temperatur auf, so dass sie nicht notwendigerweise definitiv getrennt gebildet sein müssen. Somit müssen die Vorheizkammer 19 und die Lötmaterialzuführkammer 16 (und somit die darin befindlichen Atmosphären) nicht notwendigerweise strikt getrennt sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vorheizkammer 19 und die Lötmaterialzuführkammer 16 ohne eine Trennwand verbunden und somit sind die jeweiligen darin enthaltenen Atmosphären auch verbunden. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf ein solches Ausführungsbeispiel beschränkt, die Vorheizkammer 19 und die Lötmaterialzuführkammer 16 können so gebildet sein, dass die jeweiligen Atmosphären darin zu einem gewissen Grad getrennt sind.
Die Kühlkammer 17 definiert die Kühlzone 7, die die Platine positiv oder zwangsweise in einer Kühleinheit kühlt, um das an der Platine anhaftende Lötmaterial schnell zu kühlen und zu verfestigen. Für eine solche Kühlung umfasst die Kühl kammer 17 die Kühleinheit (nicht gezeigt), die die Platine in der Kühlzone 7 als deren innerer Raum der Kühlkammer 17 kühlen kann. Die Kühleinheit kann in der Kühlkammer 17 enthalten oder mit dieser verbunden sein. Als Kühleinheit kann jedes geeignete Gerät verwendet werden, solange das Lötmaterial schnell gekühlt (oder abgeschreckt) wird. So kann beispielsweise eine Einheit mit (einer) Düse(n) verwendet werden, die ein Gas als Kühlmittel ausstößt. Konkret ist es unter Bezugnahme auf 1(b), in der eine vergrößerte Seitenansicht der Platine 13 im Inneren der Kühlkammer 17 schematisch gezeigt ist, möglich, eine Einheit zu verwenden, die eine Vielzahl von oberhalb und unterhalb einer Transferlinie (als gestrichelte Linie dargestellt) der Platine 13 angeordnete Düsen 12 aufweist, und die so aufgebaut ist, dass das Gas durch die Düsen 12 gemäß der Darstellung mit den Pfeilen von dessen Quelle außerhalb der Kühlkammer 17 mittels einer ebenfalls außerhalb der Kühlkammer 17 angeordneten Pumpe (oder einem Gebläse) ausgestoßen wird. Die Düsen 12 stoßen vorzugsweise ein Gas mit niedriger Temperatur in Richtung der Platine 13 aus, so dass die Platine 13 durch die Gaskühlung gekühlt wird. Die Anordnung der Düse(n) 12 in der Kühlkammer 17 ist nicht in bestimmter Weise eingeschränkt, solange die Platine 13 in der Kammer 17 so gekühlt wird, dass eine schnelle Kühlung zur Verfestigung des gesamten Lötmaterials erreicht wird. Die Düsen sind nicht immer auf beiden Seiten der Transferlinie vorgesehen, und sie können auf einer Seite sein. Die Kühleinheit ist nicht auf eine solche mit der (den) vorstehend beschriebenen Düse(n) beschränkt, und eine andere Kühleinheit kann eingesetzt werden, die ein Kontaktieren eines Gases oder einer Flüssigkeit oder einer Kombination dieser mit der Platine erlaubt, um die Platine zu kühlen, wodurch das Lötmaterial schnell gekühlt wird.
Beispielsweise kann die zur Kühlung der Platine verwendbare Kühleinheit das Gas mit niedriger Temperatur in der Kühlkammer 17 so zuführen, dass die Temperatur der Atmosphäre der Kühlzone 7 auf einer beträchtlich niederen Temperatur gehalten wird (wie beispielsweise eine Temperatur im Bereich zwischen –20 und 30°C), wodurch die Platine (genauer gesagt das an der Platine anhaftende Lötmaterial) schnell gekühlt wird. In diesem Falle muss das Gas mit niedriger Temperatur nicht auf die Platine gerichtet werden.
Vom Standpunkt des thermischen Wirkungsgrads ist es ausreichend, dass die Lötmaterialzuführkammer 16 und die Kühlkammer 17 Atmosphären in ihrem Inneren zumindest zu einem Grad definieren, dass eine ausreichende Benetzung der Durchgangslochoberfläche mit dem Lötmaterial bzw. Kühlung der Platine in wirksamer Weise in diesen Kammern bereitgestellt ist. Es sollte angemerkt werden, dass die Atmosphären in der Lötmaterialzuführkammer 16 und der Kühlkammer 17 nicht notwendigerweise getrennt sein müssen.
Nachfolgend wird der Schwalllötprozess gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Schwalllötvorrichtung 20 in 1(a) beschrieben.
Die Platine wird zuerst der Vorbehandlung durch Zuführen eines Flussmittels zu einer unteren Oberfläche der Platine mittels eines Flussmittelzerstäubers unterzogen. (Ein) elektronische(s) Bauteil(e) wird vorab auf einer solchen Platine angeordnet mit (einem) von einer oberen Oberflächenseite der Platine durch eine Durchgangsöffnung hindurchgeführte(n/m) Anschluss (Anschlüssen) des elektronischen Bauteils.
Eine solche Platine wird in die Schwalllötvorrichtung 20 gemäß 1(a) eingeführt, während die obere Oberfläche, auf der das elektronische Bauteil angeordnet ist, nach oben gerichtet ist (bezüglich der Zeichnung), und wird mechanisch durch die Vorheizkammer 19, die Lötmaterialzuführkammer 16 und die Kühlkammer 17 der Schwalllötvorrichtung 20 in Richtung des Pfeils 1 entlang der Transferlinie (dargestellt durch die gestrichelte Linie) mittels einer Fördereinrichtung mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit mechanisch transportiert. In der Schwalllötvorrichtung 20 wird die Platine durch die Vorheizeinheit 2 in der Vorheizzone 9 auf ungefähr 150 bis 160°C erhitzt (oder vorerhitzt), deren Atmosphäre aus atmosphärischer Luft und vorzugsweise Stickstoffgas besteht. Wird die Platine zu gegebener Zeit in die Lötmaterialzuführzone 6 befördert, so wird das zuvor erhitzt und geschmolzene Lötmaterial (nicht gezeigt) mittels der Lötmaterialzuführeinheit 3 von der Unterseite der Platine über die primäre Wellendüse 4 und die sekundäre Wellendüse 5 in Form der primären bzw. sekundären Wellen der Platine zugeführt. Es ist ersichtlich, dass ein solches Zuführen des Lötmaterials im Wesentlichen übereinstimmt mit dem vorgenannten Schwalllötprozess, der als herkömmlicher Prozess beschrieben wurde.
Nach dem Aufbringen des geschmolzenen Lötmaterials an den vorbestimmten Abschnitten der Platine gemäß vorstehender Beschreibung, befindet sich die Platine in der Kühlzone 7, während sie von der Lötmaterialzuführkammer 16 in die Kühlkammer 17 transportiert wurde. In der Kühlzone 7 wird die Platine durch Stickstoffgaskühlung durch Einblasen des Stickstoffgases mit einer niedrigen Temperatur in Richtung der Platine schnell abgekühlt, so dass das Lötmaterial zur Verfestigung schnell gekühlt wird. Die Abkühlrate des Lötmaterials beträgt vorzugsweise nicht weniger als 200°C/min und kann beispielsweise ungefähr 200 bis 500°C/min und vorzugsweise ungefähr 300 bis 500°C/min betragen. Es wird angemerkt, dass die Platine durch eine andere Gaskühlung (wie beispielsweise Luftkühlung, bei der eine Tieftemperaturluft (atmosphärische Luft) in Richtung der Platine geblasen wird), die Flüssigkühlung (wie beispielsweise Wasserkühlung, bei der ein zirkulierendes Wasser mit einer niedrigen Temperatur die Platine kontaktiert) gekühlt werden kann, während beliebige geeignete Kühleinheiten in vorstehend beschriebener Weise verwendet werden können.
Als Resultat der positiven Kühlung der Platine unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Kühleinheit verfestigt sich das Lötmaterial zur Bildung eines Fillets, das den Anschluss des elektronischen Bauteils elektrisch und physikalisch mit der auf der Platine gebildeten Anschlussfläche verbindet. Die so hergestellte elektronische Schaltungsplatine wird weiter aus der Kühlkammer 17 heraustransportiert, um sie aus der Vorrichtung 20 zu entfernen. Wie vorstehend beschrieben, kann eine elektronische Schaltungsplatine hergestellt werden, bei der (das) elektronische Bauteil(e) an die Platine gelötet wurde(n).
Gemäß dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wird ein Auftreten des Lift-Off-Phänomens wirksam unterdrückt, da die Zeitdauer der Verfestigung des Lötmaterials verkürzt ist. Des Weiteren wird eine mechanische Festigkeit des aus dem Lötmaterial bestehenden Verbindungsabschnitts (d. h. des Fillets) erhöht, da in dem verfestigten Lötmaterial (d. h. dem Fillet) feinere Metallphasen gebildet werden.
Es folgt eine Beschreibung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Schwalllötprozess unter Verwendung einer Schwalllötvorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 2 gezeigt. In der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel, wird die mit dem vorgenannten ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen identische Beschreibung weggelassen.
Die Schwalllötvorrichtung 30 ähnelt der in 1(a) gezeigten Schwalllötvorrichtung 20, die in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, mit Ausnahme, dass die Schwalllötvorrichtung 20 in dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend modifiziert wurde, dass eine Konditionierungskammer 18 vorgesehen ist, die zu dem zweiten Ausführungsbeispiel führt. Die Konditionierungskammer 18 bildet eine Konditionierungszone 8. Ähnlich der Lötmaterialzuführkammer 16 ist es aus Sicht des thermischen Wirkungsgrads ausreichend, dass die Konditionierungskammer 18 in ihrem Inneren eine Atmosphäre zumindest zu einem solchen Grad definiert, dass die Platine wirksam erhitzt wird oder optional ein Wärmeverlust der Platine wirksam verhindert wird. Es sollte angemerkt werden, dass die Atmosphäre der Konditionierungskammer 16 von einer anderen Atmosphäre mit einer hohen Temperatur, wie beispielsweise die Atmosphäre der Lötmaterialzuführkammer 16, nicht notwendigerweise vollständig getrennt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Atmosphäre der Konditionierungskammer 18 zu einem gewissen Grad von der der Lötmaterialzuführkammer 16 getrennt, wobei diese beiden Kammern aber unter Berücksichtigung des thermischen Wirkungsgrads optional zur Bildung einer einzelnen Kammer integriert sein können.
Bei dem Schwalllötprozess unter Verwendung einer solchen Schwalllötvorrichtung 30 wird die Platine in die Konditionierungszone 8 verbracht durch Transport von der Lötmaterialzuführkammer 16 zu der Konditionierungskammer 18 nach der Zuführung des Lötmaterials zu der Platine in der Lötmaterialzuführzone 6, ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Konditionierungszone 8 weist eine Atmosphäre auf, deren Temperatur vorzugsweise nicht geringer ist als der Schmelzpunkt des Lötmaterials und geringer ist als die Wärmeresistenztemperatur des elektronischen Bauteils, z. B. ungefähr 220 bis 230°C, um sicherzustellen, dass sich das an der Platine anhaftende Lötmaterial im vollständig geschmolzenen Zustand befindet. Die Atmosphäre der Konditionierungszone kann aus Luft und vorzugsweise aus Stickstoffgas bestehen.
Danach wird die Platine von der Konditionierungskammer 18 in die Kühlkammer 17 transportiert, um in der Kühlzone platziert zu werden, wo sie gemäß der Beschreibung in dem ersten Ausführungsbeispiel gekühlt wird. Als Resultat verfestigt sich das Lötmaterial zur Bildung des Fillets, so dass der Anschluss des elektronischen Bauteils und die auf der Platine gebildete Anschlussfläche elektrisch und physikalisch durch das Fillet verbunden werden. Somit kann eine elektronische Schaltungsplatine hergestellt werden, bei der (das) elektronische Bauteil(e) an die Platine gelötet wurde(n).
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden der Temperaturunterschied in dem Lötmaterial innerhalb der jeweiligen Verbindungsabschnitte, die gerade verfestigt werden, und auch der Temperaturunterschied in dem sich verfestigenden Lötmaterial über der gesamten Platine (d. h. die gesamte Temperaturdifferenz des Löt materials) verkleinert (oder verschmälert), so dass die Schwankung der Anfangstemperatur des Lötmaterials beim Beginn der schnellen Kühlung und auch die Schwankung der für die vollständige Verfestigung des Lötmaterials erforderlichen Zeitdauer verkleinert werden können. Daher kann ein Auftreten des Lift-Off-Phänomens weiter unterdrückt werden.
BEISPIELE
In dem Schwalllötprozess wurde ein Einfluss der Abkühlrate des Lötmaterials auf das Auftreten des Lift-Off-Phänomens untersucht. Es wurden elektronische Schaltungsplatinen unter verschiedenen Bedingungen des Schwalllötprozesses hergestellt, während die vorstehend unter Bezugnahme auf das erste und zweite Ausführungsbeispiel erläuterte Schwalllötvorrichtung verwendet wurde.
Die verwendeten verschiedenen Bedingungen sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgelistet. Bezug nehmend auf Tabelle 1 entsprechen die Beispiele 1 bis 4, bei denen die Kühlzone ohne eine Konditionierungszone verwendet wurde, dem Schwalllötprozess und -vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Andererseits entsprechen die Beispiele 5 bis 8, bei denen sowohl die Kühlzone als auch die Konditionierungszone (d. h. die Kühlkammer und die Konditionierungskammer) verwendet wurden, dem Schwalllötprozess und -vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In allen Beispielen wurde ein auf Sn-Ag-Bi basierendes Material (Schmelzpunkt (S. P.): ungefähr 215°C) als das bleifreie Lötmaterial verwendet.
Tabelle 1: Bedingungen
Elektronische Schaltungsplatinen wurden anhand der Durchführung des Schwalllötens hergestellt, während das Gas in den entsprechenden Beispielen 1 bis 8 mit einer vorbestimmten Temperatur mit einer vorbestimmten Flussrate eingeblasen wurde, um Kühlraten des Lötmaterials von 50, 100, 200, 300, 400 und 500°C/min zu erreichen, und die Häufigkeitsraten des Lift-Off-Phänomens bei der Herstellung der elektronischen Schaltungsplatinen wurden ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2: Häufigkeitsrate des Lift-Off-Phänomens
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, war bei allen Bedingungen die Häufigkeitsrate des Lift-Off-Phänomens bei erhöhter Abkühlrate gering. Es wurde bestätigt, dass die Häufigkeitsrate des Lift-Off-Phänomens beim schnellen Abkühlen des Lötmaterials in dem Schwalllötprozess gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam verringert werden kann, und insbesondere in dem Fall, bei dem die Abkühlrate des Lötmaterials nicht weniger als 200°C/min beträgt.
Des Weiteren kann unter Bezugnahme auf Tabelle 2 und Vergleich der Häufigkeitsraten des Beispiels 1 unter ausschließlicher Verwendung der Kühlzone mit denen der Beispiele 3, 5 und 7 unter Verwendung der Kühlzone und der Konditionierungszone (wobei die Temperaturen in der Konditionierungszone 150, 220 bzw. 240°C betragen) entnommen werden, dass die Häufigkeitsraten der Beispiele 3, 5 und 7 kleiner waren als die des Beispiels 1, wobei in allen Beispielen das Schwalllöten in Luft durchgeführt wurde. Es konnte erwartet werden, dass im Beispiel 3, bei dem die Atmosphärentemperatur der Konditionierungszone geringer war als der Schmelzpunkt des verwendeten Lötmaterials (ungefähr 215°C), unter den Beispielen 3, 5 und 7 das an der Platine anhaftende Lötmaterial sich nicht zu verfestigen begann, so dass es beim Verlassen der Konditionierungszone im Wesentlichen im geschmolzenen Zustand gehalten wurde. Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn die Temperatur der Atmosphäre der Konditionierungszone niedriger ist als der Schmelzpunkt des Lötmaterials, die Frage ob das an der Platine anhaftende Lötmaterial im geschmolzenen Zustand gehalten wird oder nicht, abhängig ist beispielsweise von der Temperatur des der Platine zuzuführenden Lötmaterials, einer Geschwindigkeit, mit der die Platine transportiert wird, einer Länge der Konditionierungszone usw., so dass die Atmosphärentemperatur von 150°C der Konditionierungszone das Lötmaterial nicht immer im geschmolzenen Zustand halten kann. Darüber hinaus ergibt sich beim Vergleich der Ergebnisse der Beispiele 3, 5 und 7, dass die Häufigkeitsrate des Lift-Off-Phänomens bei erhöhter Temperatur der Atmosphäre der Konditionierungszone geringer war. Insbesondere im Falle der Beispiele 5 und 7, bei denen die Temperaturen der Konditionierungszone höher waren als der Schmelzpunkt des auf Sn-Ag-Bi basierenden Materials als das bleifreie Lötmaterial (d. h. 215°C), war die Häufigkeitsrate des Lift-Off-Phänomens durch die Abkühlrate des Materials von ungefähr 200°C/min oder mehr auf 8% oder weniger verringert. Dies könnte daran liegen, dass das Passieren durch die Konditionierungszone, deren Atmosphärentemperatur nicht geringer ist als der Schmelzpunkt des Lötmaterials, sicherstellt, dass das Lötmaterial im geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Des Weiteren kann entnommen werden, dass die Häufigkeitsraten der Beispiele 2, 4, 6 und 8 kleiner waren als die der Beispiele 1, 3, 5 bzw. 7, wobei die Bedingungen der Beispiele 2, 4, 6 und 8 im Wesentlichen übereinstimmten mit denen der Beispiele 1, 3, 5 bzw. 7, mit Ausnahme der Atmosphäre, unter der das Schwalllöten durchgeführt wurde (d. h. Luft gegenüber Stickstoff). Mit anderen Worten kann die Häufigkeitsrate des Lift-Off-Phänomens weiter verringert werden durch Ausführen des Schwalllötens in der Stickstoffgasatmosphäre im Vergleich zum Ausführen des Schwalllötens in Luft.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Prozess des Schwalllötens bereitgestellt, bei dem das bleifreie Lötmaterial verwendet wird und durch den das Auftreten des Lift-Offs wirksam unterdrückt wird. Es wird auch die Vorrichtung zum Durchführen des Prozesses bereitgestellt.
Die Bezugszeichen in den Zeichnungsfiguren bezeichnen die folgenden Elemente.

1: Pfeil (Transferrichtung der Platine)
2: Vorheizeinheit;
3: Lötmaterialzuführeinheit;
4: primäre Wellendüse;
5: sekundäre Wellendüse;
6: Lötmaterialzuführzone;
7: Kühlzone;
8: Konditionierungszone;
9: Vorheizzone;
12: Düse (Teil einer Kühleinheit);
13: Platine;
16: Lötmaterialzuführkammer;
17: Kühlkammer;
18: Konditionierungskammer;
19: Vorheizkammer; und
20 und 30: Schwalllötvorrichtung.

Claims

Schwalllötprozess zum Bestücken einer Platine (13) mit einem elektronischen Bauteil mittels eines bleifreien Lötmaterials, wobei der Prozess umfasst: Zuführen einer Schmelze des Lötmaterials in der Weise, dass das Lötmaterial an einem vorbestimmten Abschnitt der Platine (13) in einer Lötmaterialzuführzone (6) anhaftet und Kühlen der Platine durch eine Kühleinheit in einer Kühlzone (7) mit einer Rate von 200 bis 500°C/min, so dass das an der Platine (13) anhaftende Lötmaterial verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess des weiteren zwischen dem Zuführschritt und dem Kühlschritt umfasst: Konditionieren der Platine (13) bei einer Temperatur im Bereich von einem Schmelzpunkt des Lötmaterials zu einer Wärmeresistenztemperatur des Elektronikbauteils in einer Konditionierungszone (8), um sicherzustellen, dass das an der Platine (13) anhaftende Lötmaterial sich in einem vollständig geschmolzenen Zustand befindet.
Prozess nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Kühleinheit (12) um eine Einheit handelt, die eine Gaskühlung oder eine Flüssigkühlung verwendet.
Prozess nach Anspruch 2, wobei es sich bei der Kühleinheit (12) um eine Einheit handelt, die die Gaskühlung mit Stickstoffgas verwendet.
Prozess nach Anspruch 1, wobei die Konditionierungszone (8) eine Stickstoffgasatmosphäre aufweist.
Vorrichtung (30) zum Bestücken einer Platine (13) mit einem Elektronikbauteil durch ein bleifreies Lötmaterial mittels eines Schwalllötprozesses während dem Transport der Platine (13), wobei die Vorrichtung umfasst: eine Lötmaterialzuführkammer (16), in der eine Schmelze des Lötmaterials der Platine (13) durch eine Lötmaterialzuführeinheit (3) in der Weise zugeführt wird, dass das Lötmaterial an einem vorbestimmten Abschnitt der Platine (13) anhaftet und eine Kühlkammer (17) mit einer Kühleinheit (12) zum Kühlen des Lötmaterials mit einer Rate von 200 bis 500°C/min so dass das an der Platine (13) anhaftende Lötmaterial verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) des weiteren umfasst: eine Konditionierungskammer (18) zwischen der Lötmaterialzuführkammer (16) und der Kühlkammer (17), in der die Platine bei einer Temperatur im Bereich von einem Schmelzpunkt des Lötmaterials zu einer wärmeresistenten Temperatur des Elektronikbauteils konditioniert wird, so dass sichergestellt ist, dass das an der Platine (13) anhaftende Lötmaterial zumindest vor dem Kühlen des Lötmaterials vollständig geschmolzen ist.
Vorrichtung (30) nach Anspruch 5, wobei die Kühleinheit (12) eine Gaskühlung oder Flüssigkühlung verwendet.
Vorrichtung (30) nach Anspruch 6, wobei die Kühleinheit (12) die Gaskühlung mit Stickstoffgas verwendet.
Vorrichtung (30) nach Anspruch 5, wobei die Konditionierungskammer (18) eine Atmosphäre aus Stickstoffgas enthält.