Titel

Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement, Bauteilverbund und Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement, einen Bauteilverbund aufweisend ein Trägerelement und wenigstens ein elektronisches Bauelement und eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds.

Aus der DE 10 2014 220 204 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem Bauelement bekannt, wobei das Trägerelement mit dem Bauelement über in Form einer Paste aufgebrachte Schichten verbunden wird.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement mittels eines Lots, wobei das Lot auf dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt wird, hat demgegenüber den Vorteil, dass Lot auch auf glatten Oberflächen aufgebracht werden kann.

Aufdrucken umfasst dabei auch das Aufbringen und/oder das Beschichten des Lots auf das Trägerelement und/oder auf das elektronische Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens mit oder ohne eine stoffschlüssige Verbindung des Lots mit dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement durch das additive Herstellungsverfahren. Die Haftung auf glatten Oberflächen wird durch ein Aufschmelzen des Lotes mit der Oberfläche des Trägerelements erreicht. Ferner trägt das Verfahren dazu bei, kleine Strukturen aus Lotmaterial auf dem Trägerelement zu generieren, um das elektronische Bauelement zu platzieren und zu fixieren. Dies trägt dazu bei, dass ein Verrutschen bei einem Transport zum Nachfolgeprozess unterbunden wird. Weiterhin ist eine Reinigung nach dem Lötprozess nicht notwendig, da das Lotmaterial nur selektiv an den Stellen aufgebracht wird, wo es auf dem Trägerelement benötigt wird. Auch das Aufdrucken des Lots auf das elektronische Bauelement ist vorteilhaft, da hierdurch das Lot unmittelbar stoffschlüssig mit dem elektronischen Bauelement verbunden wird und es möglich ist, vorgegebene Lötstrukturen auf elektrische Anschlusskontakte des elektronischen Bauelements aufzudrucken. Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn das Lot sowohl auf dem Trägerelement als auch auf dem elektronischen Bauelement aufgedruckt wird, da es dadurch möglich ist, auf jeden der zu verbindenden Elementen korrespondierende Lötstrukturen aufzudrucken. Es ist vorteilhaft, dass das Lot durch das Aufdrucken mit dem additiven Herstellungsverfahren auf der zu lötenden Oberfläche fixiert wird, indem eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird, so dass das Lot auch auf glatten Flächen aufgebracht werden kann. Dies trägt zu einer zuverlässigen Vorfixierung der zu lötenden elektronischen Bauelement bei. Zusammenfassend hat das Verfahren den Vorteil, dass das Lot auf dem Trägerelement fixiert wird und eine Weiterverarbeitung in Nachfolgeprozessen möglich ist. Insbesondere ist es möglich, nur Bereiche mit Lot zu versehen, wo auch elektronische Bauelemente sitzen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass Strukturen aus Lotmaterial generiert werden, womit die zu fügenden elektronischen Bauelement präzise positioniert werden können und während des Transports zu Folgeprozessen ausreichend gegen ein Verschieben gesichert sind. Das Lot ist insbesondere ein Weichlot. Vorzugsweise ist das Weichlot ein Zinnlot, insbesondere ein bleifreies Zinnlot. Das Zinnlot weist insbesondere einen Schmelzpunkt von kleiner als 330 °C auf. Alternativ oder zusätzlich ist das Lot ein Hartlot.

Vorteilhaft ist, dass das Lot durch Aufschmelzen von auf dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement aufgebrachten Lotpulver aufgedruckt wird, wobei als additives Herstellungsverfahren ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Elektronenstrahlschmelzen verwendet wird. Sowohl das selektive Laserschmelzen als auch das selektive Elektronenstrahlschmelzen haben den Vorteil, dass auch kleine Strukturen genau herstellbar sind, da diese Strahlen einfach und exakt über den Aufbaubereich gescannt werden können. Beim selektiven Laserschmelzen wird in einer dünnen Schicht aufgetragenes Lotpulver mittels Laserstrahlung lokal umgeschmolzen und bildet nach dem Umschmelzen und Erstarren eine feste Lotschicht. Durch Aufträgen weiterer dünner Schichten von Lotpulver mit anschließendem lokalen umschmelzen werden dreidimensionalen Lotstrukturen erzeugt. Beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen ist der Verfahrensablauf ähnlich wie beim selektiven Laserschmelzen, wobei abweichend vom selektiven Laserschmelzen ein Elektronenstrahl zum Aufschmelzen verwendet wird. Der mittels einer Elektronenstrahlkanone erzeugte Elektronenstrahl wird dabei mittels Spulenpaaren zweidimensional abgelenkt.

Besonders vorteilhaft ist, dass Verfahrensparameter des additiven Herstellungsverfahrens zum Aufdrucken des Lots derart gewählt sind, dass das Lot beim Aufdrucken stoffschlüssige mit dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement verbunden wird. Die Verfahrensparameter beim selektiven Laserschmelzen sind eine Wellenlänge des Lasers und/oder eine Leistung des Lasers und/oder eine Scangeschwindigkeit des Lasers und/oder eine Lotpulverschichtdicke und/oder eine Scanstrategie. Aus diesen Verfahrensparametern wird eine Energiedichte berechnet. Die Verfahrensparameter beeinflussen sich dabei wechselseitig. Dabei werden die Verfahrensparameter derart gewählt, dass das Lot derart erwärmt wird, dass es schmilzt, ohne dass das Grundmaterial des Trägerelements und/oder das Grundmaterial des elektronischen Bauelements überhaupt und/oder großflächig aufgeschmolzen wird. Vorzugsweise wird das Lot auf eine Temperatur von kleiner als 330 °C erwärmt. Das Grundmaterial ist dabei das Material auf den die Lotschicht auftragen wird.

Vorteilhaft ist ferner, dass das Verfahren die Verfahrensschritte

(a) Beschichten des Trägerelements und/oder des elektronischen Bauelements mit dem Lotpulver,

(b) selektives Aufschmelzen des Lotpulvers, und (c) Entfernen des überschüssigen Lotpulvers aufweist, wobei die Verfahrensschritte (a) und (b) vorzugsweise iterativ wiederholt werden. Diese Verfahrensschritte tragen dazu bei, dass eine dreidimensionale Lotstruktur einfach und mit hoher Genauigkeit aufgebaut werden kann.

Besonders vorteilhaft ist, dass das Lot auf dem Trägerelement im Wesentlichen in einer Negativform des elektronischen Bauelements aufgedruckt wird, da hierdurch ein Fixieren des aufgelegten elektronischen Bauelements vor dem eigentlichen Lötvorgang gewährleistet ist. Das Fixieren des aufgelegten elektronischen Bauelements bzw. das Verhindern eines Verrutschens werden durch das Design des aufgedruckten Lots gewährleistet. Das Lot wird hierfür in Form einer Tasche auf dem Trägerelement aufgedruckt. In diese Tasche wird das elektronischen Bauelement eingelegt und ist damit in x- und in y-Richtung fixiert.

Vorteilhaft ist ferner, dass nach dem Aufdrucken des Lots das elektronische Bauelement positionsrichtig und/oder lagerichtig auf dem Trägerelement platziert wird. Das Platzieren wird vorzugsweise mittels eines Roboters, insbesondere mittels eines Pick-and-Place-Roboters, durchgeführt. Dabei nimmt ein Bestückkopf des Roboters das elektronische Bauelement auf und platziert dies positionsrichtig und/oder lagerichtig auf der aufgedruckten Lotschicht, insbesondere in Form einer Negativform des elektronischen Bauelements, des Trägerelements.

Besonders vorteilhaft ist ferner, dass die Lötverbindung zwischen dem Trägerelement und dem elektronischen Bauelement durch Aufschmelzen des aufgedruckten Lots in einer flussmittelhaltigen Atmosphäre hergestellt wird. Dabei wird das aufgedruckte Lot, nachdem das elektronischen Bauelement auf dem Trägerelement aufliegt, durch eine Heizeinrichtung erwärmt. Die Erwärmung findet dabei in der flussmittelhaltigen Atmosphäre statt. Als flussmittelhaltige Atmosphäre wird beispielsweise ein mit Ameisensäure gesättigtes Trägergas, beispielsweise Stickstoff, verwendet. Dabei ist bevorzugt, dass das Lot flussmittelfrei ist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein flussmittelfreies Lot einfach selektiv aufgedruckt werden kann. Durch die Verwendung einer flussmittelhaltigen Atmosphäre wiederum wird eine gute und zuverlässige Lötverbindung zwischen dem Trägerelement und dem elektronischen Bauelement hergestellt. Vorteilhaft ist, dass das Trägerelement eine Platine, insbesondere eine Leiterplatte, ist. Eine Leiterplatte ist ein Träger für elektronische Bauelemente zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung der elektronischen Bauelemente auf der Leiterplatte. Die Leiterplatte besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material auf dem leitende Verbindungen in Form von Leiterbahnen aufgebracht und/oder eingebracht sind. In einer Variante ist das Trägerelement alternativ oder zusätzlich ein Stanzgitter.

Die Erfindung betrifft ferner einen Bauteilverbund aufweisend ein Trägerelement und wenigstens ein elektronisches Bauelement, wobei das Trägerelement und das elektronische Bauelement mittels einer Lotschicht verbunden sind, wobei die Lotschicht eine auf dem Trägerelement und/oder auf dem elektronischen Bauelement additiv hergestellte Lotschicht ist. Vorzugsweise ist die Lotschicht im Wesentlichen als eine Negativform des elektronischen Bauelements ausgebildet. Ferner wird der Bauteilverbund vorzugsweise mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds eines Trägerelements mit wenigstens einem elektronischen Bauelement über eine Lotschicht, insbesondere zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Bauteilverbunds, wobei die Maschine ausgebildet ist, die Lotschicht auf das Trägerelement und/oder das elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken. Vorzugsweise ist die Maschine ausgebildet, das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Maschine umfasst insbesondere einen Beschichter zum Aufbringen von Lotpulver und/oder eine Schmelzeinrichtung zum selektiven Aufschmelzen des Lotpulvers und/oder eine Entpulverungseinrichtung zum Entfernen des überschüssigen und nicht aufgeschmolzenen Lotpulvers und/oder eine Bestückungseinrichtung zum positionsrichtigen und/oder lagerichtigen Auflegen des elektronischen Bauelements und/oder eine Löteinrichtung zum Verlöten des elektronischen Bauelements mit dem Trägerelement.

Die für das Verfahren genannten Vorteile gelten entsprechend für den Bauteilverbund und die Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren und aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung,

Fig. 2 einen Bauteilverbund, und

Fig. 3 eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement mittels eines Lots beschrieben, wobei das Lot auf dem Trägerelement und/oder dem elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt wird. Ferner wird ein Bauteilverbund aufweisend ein Trägerelement und wenigstens ein elektronisches Bauelement beschrieben, wobei das elektronische Bauelement und das Trägerelement mittels einer Lotschicht verbunden sind, wobei die Lotschicht eine auf dem elektronischen Bauelement und/oder dem Trägerelement additiv hergestellte Lotschicht ist. Zudem wird eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds eines Trägerelements mit wenigstens einem elektronischen Bauelement über eine Lotschicht beschrieben, wobei die Maschine ausgebildet ist, die Lotschicht auf das Trägerelement und/oder das elektronischen Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken. Es wird ein Verfahrensablauf eines additiven Fertigungsverfahren beschrieben, um Lotpulver auf einer Oberfläche zu fixieren und/oder eine vorbestimmte Geometrie aus Lotpulver zu generieren, um elektrische Bauelemente zu fixieren. Vorzugsweise wird der Prozessablauf des selektiven Laserschmelzens (SLM) verwendet Mittels des additiven Fertigungsverfahrens wird Lotpulver verarbeitet, das mittels eines Laserstrahls und/oder mittels eines anderen selektiv aufschmelzenden Strahls schichtweise aufgeschmolzen wird. Durch Summierung der Schichten wird ein Strukturbauteil als Lotschicht in die Höhe aufgebaut. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Platine, beispielsweise eine gedruckte Platine (Printed Circuit Board (PCB)), auf einer Grundplatte einer Maschine zum selektiven Laserschmelzen positioniert. Im zweiten Verfahrensschritt wird eine erste Lotpulverschicht mit Hilfe eines Beschichters aufgetragen. In einem dritten Verfahrensschritt wird das aufgetragenen Lotpulver selektiv in den gewünschten Bereichen unter Verwendung einer Laserquelle aufgeschmolzen, wobei die Prozessparameter so gewählt werden, dass eine Haftung zwischen Platine und Lotpulver gewährleistet ist. Die zweiten und dritten Verfahrensschritte werden in einem vierten Verfahrensschritt wiederholt, bis eine gewünschte Menge, insbesondere eine gewünschte Aufbauhöhe, an Pulver und/oder eine vorbestimmte Struktur zur Fixierung der elektronischen Komponenten gegeben ist. In einem fünften Verfahrensschritt wird das überflüssiges Pulver entfernt. In einem sechsten Schritt werden die zu verlötenden elektrischen Bauelementen, insbesondere mittels Pick and Place, auf der Platine bzw. dem Lot positioniert. Der siebte Verfahrensschritt betrifft das Aufschmelzen des Lots und damit die Herstellung der Lötverbindung zwischen den elektronischen Bauelementen und der Platine.

Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement mittels eines Lots. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird ein Trägerelement, vorzugsweise in Form einer Platine, bereitgestellt. Das Trägerelement wird in einem zweiten Verfahrensschritt 12 in eine Maschine zur Herstellung eines Bauteilverbunds, die mit Bezug auf die Figur 3 näher beschrieben ist, positionsrichtig und lagerichtig auf eine Grundplatte eingelegt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es eine Maschine zum selektiven Laserschmelzen. In einem dritten Verfahrensschritt 14 wird mittels eines Beschichters eine erste Schicht Lotpulver auf das Trägerelement aufgetragen. In dem daran anschließenden vierten Verfahrensschritt 16 wird mittels eines energiereichen Strahls, im bevorzugten Ausführungsbeispiels mittels eines Laserstrahles, selektiv und an vorbestimmten Positionen das Lotpulver aufgeschmolzen und damit das Lot stoffschlüssig mit dem Trägerelement verbunden. Falls der Lotaufbau noch unfertig 18 ist, wird der fünfte Verfahrensschritt 20 durchgeführt In dem fünften Verfahrensschritt 20 wird mittels des Beschichters eine weitere Schicht Lotpulver auf das Trägerelement aufgetragen. Daran anschließend wird der vierter Verfahrensschritt 16 erneut durchgeführt. In dem vierten Verfahrensschritt 16 wird mittels eines energiereichen Strahls, im bevorzugten Ausführungsbeispiels mittels eines Laserstrahles, selektiv und an vorbestimmten Positionen das Lotpulver aufgeschmolzen und damit das Lotpulver mit der darunterliegenden, bereits nach dem aufschmelzen wieder verfestigten Lotschicht stoffschlüssig verbunden. Der vierte Verfahrensschritt 16 und der fünfte Verfahrensschritt 20 werden iterativ solange wiederholt bis der Lotaufbau fertig 22 ist. Dabei wird das aufgeschmolzene Lot in einer vorbestimmten Form aufgeschmolzen derart, dass das Lot im Wesentlichen eine Negativform des elektronischen Bauelements ist, derart, dass das in das nach dem aufschmelzen wieder verfestigte Lot eingelegte elektronischen Bauelement formschlüssig durch das Lot fixiert ist. Daran anschließend wird in einem sechsten Verfahrensschritt 24 das überschüssige, nicht aufgeschmolzene Lotpulver mittels einer Entpulverungseinrichtung entfernt. Zurück bleibt eine an vorbestimmten Positionen des Trägerelements befindliche Lotschicht. In einem siebten Verfahrensschritt 26 wird das elektronische Bauelement mittels einer Bestückungseinrichtung positionsrichtig und lagerichtig in die Negativform der hergestellten Lotschicht eingelegt. Dabei ist vorgesehen, dass mehrere elektronische Bauelemente an verschiedenen Positionen auf die Lotschicht, insbesondere in eine Negativform der Lotschicht, eingelegt werden. In einem daran anschließenden achten Verfahrensschritt 28 werden das oder die elektronischen Bauelemente mittels einer Löteinrichtung über die Lotschicht mit dem Trägerelement verlötet und somit eine Lötverbindung hergestellt. Dabei ist vorgesehen, dass das Lot flussmittelfrei ist. Die Lötverbindung wird durch die Löteinrichtung durch Aufschmelzen des Lots in einer flussmittelhaltigen Atmosphäre hergestellt. Die flussmittelhaltige Atmosphäre wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch gebildet, dass ein Trägergas, beispielsweise Stickstoff, mit Ameisensäure gesättigt wird und das mit Ameisensäure gesättigte Trägergas in den Bereich der herzustellenden Lötverbindung eingeleitet wird. In einer Variante des vorstehend mit Bezug auf die Figur 1 beschriebenen Verfahrens wird das Lot bzw. das Lotpulver auf das elektronische Bauelement mittels des beschriebenen additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt. Nach Fertigstellung der Lotschicht durch den zweiten Verfahrensschritt 12, den dritten Verfahrensschritt 14, den vierten Verfahrensschritt 16, den fünften Verfahrensschritt 20 und den sechsten Verfahrensschritt 24 wird das elektronische Bauelement in dem siebten Verfahrensschritt 26 mittels einer Bestückungseinrichtung positionsrichtig und lagerichtig auf das Trägerelement aufgelegt und in dem achten Verfahrensschritts 28 mit dem Trägerelement verlötet.

In einer weiteren Variante des vorstehend mit Bezug auf die Figur 1 beschriebenen Verfahrens wird das Lot bzw. das Lotpulver parallel oder sequentiell auf das Trägerelement und das elektronische Bauelement mittels des beschriebenen additiven Herstellungsverfahrens aufgedruckt, so dass sich sowohl auf dem elektronischen Bauelement als auch auf dem Trägerelement eine Lotschicht befindet. Dabei ist die Lotschicht des Trägerelements vorzugsweise im Wesentlichen als Negativform des elektronischen Bauelements und/oder als Negativform der Lotschicht des elektronischen Bauelements ausgebildet.

Figur 2 zeigt einen Bauteilverbund 30, der mittels des vorstehend mit Bezug auf die Figur 1 beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Der Bauteilverbund 30 weist ein Trägerelement 32 und wenigstens ein elektronisches Bauelement 36 auf, wobei das Trägerelement 32 und das elektronische Bauelement 36 mittels einer Lotschicht 34 verbunden sind. Die Lotschicht 34 ist eine auf dem Trägerelement 32 und/oder auf dem elektronischen Bauelement 36 hergestellte Lotschicht 34. Die Lotschicht 34 ist in Form einer Negativform 38 des elektronischen Bauelements 36 ausgebildet.

Figur 3 zeigt eine Maschine 40 zur Herstellung eines mit Bezug auf die Figur 2 beschriebenen Bauteilverbunds. Die Maschine 40 ist ausgebildet, den Bauteilverbund eines Trägerelements 32 mit wenigstens einem elektronischen Bauelement über eine Lotschicht herzustellen. Ferner ist die Maschine 40 ausgebildet ist, die Lotschicht auf das Trägerelement 32 und/oder auf das elektronische Bauelement mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufzudrucken. Dabei ist die Maschine 40 insbesondere ausgebildet, das vorstehend mit Bezug auf die Figur 1 beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Maschine 40 umfasst einen Beschichter 42 zum Aufbringen von Lotpulver auf das Trägerelement und/oder auf das elektronische Bauelement. Ferner umfasst die Maschine 40 eine Schmelzeinrichtung 44 zum Aufschmelzen und selektiven Zusammenschmelzens des Lotpulvers mittels eines energiereichen Strahls. Im bevorzugten Ausführungsspiel ist der energiereiche Strahl ein Laserstrahl und die Schmelzeinrichtung 44 ein selektiver Laserschmelzer. Ferner umfasst die Maschine 40 eine Entpulverungseinrichtung 46 zum Entfernen des überschüssigen und nicht aufgeschmolzenen Lotpulvers. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Entpulverungseinrichtung 46 als Staubsauger zum Aufsaugen des Lotpulvers ausgebildet. Die Maschine 40 umfasst ferner eine Bestückungseinrichtung 48 zum positionsrichtigen und lagerichtigen Auflegen des elektronischen Bauelements auf das Trägerelement. Vorzugsweise ist die Bestückungseinrichtung 48 ein Pick-and-Place-Roboter. Ferner umfasst die Maschine 40 eine Löteinrichtung 50 zum Aufschmelzen des Lots und zur Herstellung der Lötverbindung. Die Löteinrichtung 50 ist ausgebildet, durch Wärmezufuhr die Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Trägerelement über die Lotschicht herzustellen. Dabei die ist die Löteinrichtung 50 ausgebildet, den Lötvorgang in einer flussmittelhaltigen Atmosphäre durchzuführen. Die Löteinrichtung 50 ist insbesondere ausgebildet, zur Herstellung einer flussmittelhaltigen Atmosphäre ein Trägergas, beispielsweise Stickstoff, mit Ameisensäure zu sättigen und das mit Ameisensäure gesättigte Trägergas in den Bereich der herzustellenden Lötverbindung einzuleiten.

Die Verwendung des beschriebenen Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Trägerelement und wenigstens einem elektronischen Bauelement kann an dem hergestellten Bauteilverbund durch eine Mikrostrukturanalyse der Lötverbindung nachgewiesen werden.