Beschreibung

Verfahren zum Bestimmen der Benetzungsfähigkeit eines Lotma ^¬ terials

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Benetzungsfähigkeit eines Lotmaterials auf einem mit dem Lotmaterial benetzbaren Oberflächenabschnitt eines Trägers.

Beispielsweise bei der Bearbeitung fester bzw. starrer oder flexibler Leiterplatten, wie z. B. Flexleiterplatten, tritt das Problem auf, dass die Benetzungsfähigkeit eines Lotmate ^¬ rials auf den Pad-Flächen der Leiterplatten sehr unterschiedlich sein kann. So ist die Benetzungsfähigkeit des Lotmateri- als beispielsweise von der Zusammensetzung des Lotmaterials, der Beschaffenheit der Pad-Flächen der Leiterplatte und der Prozessführung beim Umschmelzen des Lotmaterials abhängig. üblicherweise wird das Umschmelzen des Lotmaterials im Rahmen eines Reflow-Prozesses durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Benetzungsfähigkeit eines Lotmaterials auf ei ^¬ nem Träger anzugeben, das möglichst unabhängig von Bedienerund Ortseinflüssen durchführbar ist und in reproduzierbarer Weise die Benetzungsfähigkeit des Lotmaterials objektiv an ^¬ zeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf einer benetzbaren Testfläche eines Trägers eine Teststruktur aus Lotmate-

rial mit zwei in einer vorgegebenen Richtung auseinander laufenden Teilabschnitten derart aufgebracht wird, dass die bei ^¬ den Teilabschnitte durch einen entlang der vorgegebenen Richtung breiter werdenden lotfreien Zwischenbereich getrennt sind. Anschließend wird die Teststruktur aufgeschmolzen und unter Bildung einer erstarrten Teststruktur abgekühlt. Bei dem Abkühlen bilden sich auf der benetzbaren Testfläche zwei entlang der vorgegebenen Richtung auseinander laufende erstarrte Lotbereiche, die durch einen entlang der vorgegebenen Richtung breiter werdenden lotfreien Trennbereich voneinander getrennt sind. Nachfolgend wird die Stelle ermittelt, an der sich die beiden erstarrten Lotbereiche auf der benetzbaren Testfläche berühren. Die in dieser Weise ermittelte Stelle wird nachfolgend zur Bestimmung der Benetzungsfähigkeit he- rangezogen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dieses sehr reproduzierbar durchführbar ist und objektiv vergleichbare Messergebnisse liefert. Das Mess- ergebnis wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nämlich objektiv durch die Stelle bestimmt, an der sich die beiden erstarrten Lotbereiche berühren. Dies soll nun kurz näher erläutert werden: Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Test ^¬ struktur laufen die beiden Teilabschnitte entlang der vorge- gebenen Richtung auseinander, so dass der Abstand zwischen den Teilabschnitten entlang der vorgegebenen Richtung größer wird. Beim Schmelzen des Lotmaterials wird das Lotmaterial der beiden Teilabschnitte ebenfalls auseinander laufen, wobei der lotfreie Zwischenbereich zwischen den beiden Teilab- schnitten gefüllt wird, sofern der Abstand zwischen den beiden Teilabschnitten nicht zu groß ist. Je nach der Benetzungsfähigkeit des Lotmaterials auf der Testfläche des Trä ^¬ gers wird somit die Stelle, an der sich die beiden aufschmel ^¬ zenden und anschließend wieder erstarrenden Lotbereiche be-

rühren, schwanken; konkret wird im Falle einer guten Benet- zungsfähigkeit des Lotmaterials auf der Testfläche auch bei sehr großen Abständen zwischen den beiden Teilabschnitten eine vollständige Benetzung des lotfreien Zwischenbereichs auf- treten, wohingegen im Falle einer schlechten Benetzungsfähigkeit des Lotmaterials nur sehr schmale lotfreie Zwischenbe ^¬ reiche zwischen den beiden Teilabschnitten benetzt werden können. Diesen Effekt macht sich die Erfindung zunutze, indem sie eine Teststruktur mit variablem Abstand der Teilabschnit- te verwendet. Diejenige Stelle, an der sich die erstarrten

Lotbereiche berühren, gibt den maximalen Abstand an, den benachbarte Lotmaterial-Teilabschnitte beim Aufschmelzen noch benetzen können, und ist ein Maß für die Benetzungsfähigkeit des Lotmaterials auf dem Träger.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass sich mit diesem unterschied ^¬ lichen Lotmaterialien, unterschiedliche Träger und unterschiedliche Prozessführungen miteinander vergleichen lassen, indem bei Verwendung identischer Teststrukturen die sich jeweils ergebenden Stellen ermittelt werden, an denen sich die beiden erstarrten Lotbereiche auf der benetzbaren Testfläche berühren. Je weiter diese Stelle im Bereich großer Abstände zwischen den Teilabschnitten der Teststruktur liegt, umso größer ist die Benetzungsfähigkeit des jeweiligen Lotmateri ^¬ als, Trägers oder Lötprozesses; je weiter die Stelle, an der sich die beiden erstarrten Lotbereiche auf der Testfläche be ^¬ rühren, im Bereich geringer Abstände zwischen den auseinander laufenden Teilabschnitten liegt, desto geringer ist die Be- netzungsfähigkeit des jeweiligen Lotmaterials, Trägers bzw. Lötverfahrens .

Das Verfahren kann bei beliebigen Trägern durchgeführt werden, die benetzbare Oberflächenabschnitte aufweisen. Als Trä-

ger kommen beispielsweise starre oder flexible Leiterplatten, beispielsweise Flexleiter, oder sonstige Bauelementeträger in Betracht .

Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich die Benet- zungsfähigkeit des Lotmaterials quantitativ bestimmen, wenn der Abstand zwischen der Stelle, an der sich die auseinander laufenden Teilabschnitte vor dem Schmelzen berühren, und der Stelle, an der sich die beiden erstarrten Lotbereiche nach dem Schmelzen berühren, gemessen wird. Mit dem entsprechend bestimmten Messwert kann dann ein die Benetzungsfähigkeit an ^¬ gebender Qualitätswert gebildet werden. Beispielsweise kann der Qualitätswert proportional zum Abstandmesswert festgelegt werden .

Vorzugsweise wird eine Teststruktur mit einem V-förmigen lot ^¬ freien Zwischenbereich gebildet. Ein solcher V-förmiger lotfreier Zwischenbereich gewährleistet einen zumindest nähe ^¬ rungsweise proportionalen Zusammenhang zwischen dem Abstand der beiden Teilabschnitte der Teststruktur und der jeweiligen örtlichen Lage entlang der vorgegebenen Richtung.

Im Hinblick auf eine einfache quantitative Bestimmung der Be ^¬ netzungsfähigkeit bzw. des Qualitätswerts wird es als vor- teilhaft angesehen, wenn auf dem Träger entlang der vorgegebenen Richtung eine Skala aufgebracht wird und die Stelle, an der sich die beiden erstarrten Lotbereiche auf der benetzba ^¬ ren Testfläche berühren, unter Heranziehung dieser Skala gemessen wird. Ein Startwert bzw. Nullwert dieser Skala liegt vorzugsweise dort, wo sich die beiden Teilabschnitte der Teststruktur vor dem Schmelzen des Lotmaterials berühren.

Die Skala kann beispielsweise durch weitere benetzbare Flä ^¬ chen auf dem Träger gebildet werden. Diese weiteren benetzba-

ren Flächen können fakultativ ebenfalls mit Lotmaterial versehen werden, das nachfolgend geschmolzen wird.

Um zu überprüfen, ob die Benetzungsfähigkeit des Lotmaterials ausreichend gut ist, kann beispielsweise überprüft werden, ob die ermittelte Stelle, an der sich die beiden erstarrten Lot ^¬ bereiche auf der benetzbaren Testfläche berühren, in einem als zulässig definierten Bereich der benetzbaren Testfläche liegt oder nicht. Falls die ermittelte Stelle innerhalb des als zulässig definierten Bereichs liegt, wird auf eine aus ^¬ reichende bzw. gute Benetzungsfähigkeit geschlossen; falls hingegen die ermittelte Stelle außerhalb des als zulässig de ^¬ finierten Bereichs liegt, so muss auf eine unzureichende bzw. schlechte Benetzungsfähigkeit geschlossen werden. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird also kein quantitativer Messwert für die Benetzungsfähigkeit bestimmt, sondern es wird lediglich in binärer Form festgelegt, ob die Benetzungs- fähigkeit ausreicht oder nicht. Beispielsweise kann als Mess ^¬ ergebnis eine logische bzw. binäre 1 erzeugt werden, wenn die Benetzungsfähigkeit ausreicht, und ansonsten eine logische bzw. binäre 0.

Die Stelle, an der sich die beiden erstarrten Lotbereiche auf der benetzbaren Testfläche berühren, kann beispielsweise mit- tels eines automatischen Bilderkennungsverfahrens ermittelt werden. Dies ermöglicht die Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in einen maschinellen Reflow-Prozess beispielswei ^¬ se im Rahmen der Bearbeitung von Leiterplatten.

Das Lotmaterial der Teststruktur kann im übrigen in beliebiger Weise auf die benetzbare Testfläche des Trägers aufge ^¬ bracht werden. Beispielsweise kann das Lotmaterial im Rahmen eines Lotpasten-Druckverfahrens oder eines Dispenser-Druck ^¬ verfahrens auf die Leiterplatte aufgedruckt werden. Alterna-

tiv ist es möglich, das Lotmaterial in Form vorgefertigter Lotformteile, die fachsprachlich auch Preform-Teile genannt werden, auf dem Träger aufzubringen.

Insbesondere dann, wenn das Lotmaterial im Rahmen eines Lot ^¬ pasten-Druckverfahrens auf dem Träger aufgebracht wird, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die beiden auseinander laufenden Teilabschnitte des Lotmaterials entlang der vorge ^¬ gebenen Richtung segmentiert aufgetragen werden; eine solche Vorgehensweise ermöglicht auch das Aufbringen sehr großer Teststrukturen auf dem Träger, die sich sonst nicht oder nicht in ausreichender Qualität herstellen lassen.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf einen Träger, der es ermöglicht, in reproduzierbarer und objektiver Form die Benetzungsfähigkeit eines Lotmaterials auf einer benetz ^¬ baren Oberfläche des Trägers zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Träger mit ei- ner Teststruktur aus Lotmaterial gelöst, bei der zwei in ei ^¬ ner vorgegebenen Richtung auseinander laufende Teilabschnitte vorhanden sind, die durch einen entlang der vorgegebenen Richtung breiter werdenden lotfreien Zwischenbereich getrennt sind.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Teststruktur ermöglicht es, die Benetzbarkeit des Lotmaterials auf dem Träger - wie be ^¬ reits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert - objektiv und reproduzierbar zu messen.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Trägers sowie bezüglich der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Trägers sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.

Allerdings soll hier auf bestimmte Besonderheiten der Geometrie der Teststruktur eingegangen werden, woraus sich besondere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben. Die Vorteile dieser Ausgestaltungen wirken sich auch direkt auf die Durch- führung des oben beschriebenen Verfahrens aus.

Es ist vorteilhaft, wenn nicht nur der lotfreie Zwischenbe ^¬ reich in der vorgegebenen Richtung breiter wird, sondern wenn zusätzlich die beiden Teilabschnitte des Lotmaterials in der vorgegebenen Richtung schmaler werden, so dass die Teilabschnitte des Lotmaterials dort am schmälsten sind, wo der lotfreie Zwischenbereich am breitesten ist (und umgekehrt) . Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass durch den breiter werdenden lotfreien Zwischenbereich die Benetzung dieses Zwischenbereiches mit dem Lotmaterial mit zunehmender Breite erschwert werden soll. Dieser Effekt wird noch ver ^¬ stärkt, wenn gleichzeitig mit zunehmender Breite des lotfrei ^¬ en Zwischenbereiches aufgrund einer abnehmenden Breite der Teilabschnitte an der betreffenden Stelle immer weniger Lot- material zur überbrückung des lotfreien Zwischenbereiches zur Verfügung steht. Durch überlagerung der beschriebenen Effekte lässt sich daher vorteilhaft eine besonders platzsparende Testfläche erzeugen, die dennoch zur Beurteilung der Benetzbarkeit über einen vergleichsweise weiten Bereich ausgewertet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei ^¬ spiels näher erläutert. Dabei zeigen beispielhaft

Figur 1 einen Träger mit einem mit Lotmaterial benetzbaren

Oberflächenabschnitt,

Figur 2 den Träger gemäß Figur 1, nachdem er mit Lotmaterial beschichtet worden ist, und

Figur 3 den Träger gemäß Figur 2 nach einem Aufschmelzen und Wiedererstarren des Lotmaterials.

In der Figur 1 erkennt man einen Träger 10 in Form einer e- lektrischen Leiterplatte. Die Oberfläche 20 der Leiterplatte 10 ist strukturiert und weist Oberflächenabschnitte 30 auf, die aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen, bestehen. Die Oberflächenabschnitte 30 sind mit einem in der Figur 1 nicht dargestellten Lotmaterial be- netzbar.

Neben den mit Lotmaterial benetzbaren Oberflächenabschnitten 30 weist die Oberfläche 20 der Leiterplatte 10 nicht benetz ^¬ bare Oberflächenabschnitte 40 auf, die beispielsweise aus Harzmaterial wie Epoxidharz gebildet sind.

Wie sich in der Figur 1 erkennen lässt, umfassen die mit Lotmaterial benetzbaren Oberflächenabschnitte 30 eine rechteck- förmige benetzbare Testfläche 50 sowie eine Skala 60. Die Skala 60 ist entlang einer vorgegebenen Richtung, die in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen Z gekennzeichnet ist, orientiert; die vorgegebene Richtung entspricht der Längsrichtung der rechteckförmigen Testfläche 50. Die mit Lotmaterial be ^¬ netzbaren Oberflächenabschnitte 30 umfassen darüber hinaus Nutzstrukturen wie Leiterbahnen und Anschlusspads für elektrische Bauelemente; diese sind jedoch aus Gründen der über ^¬ sicht nicht weiter dargestellt.

In der Figur 2 ist die Leiterplatte 10 dargestellt, nachdem eine segmentierte V-förmige Teststruktur aus Lotpaste, nach ^¬ folgend Lotpastenstruktur 100 genannt, auf der Testfläche 50 aufgebracht wurde. Anstelle der Lotpastenstruktur 100 können alternativ auch vorgefertigte Lotformteile in entsprechender

Weise auf der Testfläche 50 der Leiterplatte 10 aufgebracht werden .

Die Lotpastenstruktur 100 weist zwei Teilabschnitte 110 und 120 auf, die durch einen entlang der vorgegebenen Richtung Z breiter werdenden lotfreien Zwischenbereich 130 getrennt sind. Die beiden Teilabschnitte 110 und 120 sind jeweils seg ^¬ mentiert ausgestaltet und durch voneinander getrennte Einzel ^¬ segmente 140 gebildet.

Wie sich in der Figur 2 gut erkennen lässt, ist der Abstand der beiden Teilabschnitte 110 und 120 im oberen Skalenbereich sehr groß, wohingegen er im unteren Skalenbereich sehr klein wird. Bei dem Skalenwert 0 ist der Abstand zwischen den bei- den Teilabschnitten 110 und 120 nahezu oder gleich 0.

In der Figur 3 ist die Leiterplatte 10 mit der Lotpasten ^¬ struktur 100 gezeigt, nachdem die Leiterplatte und die Lot ^¬ pastenstruktur erwärmt und das Lotmaterial der Lotpasten- struktur 100 aufgeschmolzen und anschließend wieder abgekühlt worden ist. Dabei wurde eine erstarrte Teststruktur 200 ge ^¬ bildet, die durch zwei auseinander laufende erstarrte Lotbe ^¬ reiche 210 und 220 gebildet ist.

Man erkennt in der Figur 3, dass die beiden erstarrten Lotbereiche 210 und 220 an einer Stelle S einander berühren. Zu dieser Berührungsstelle kommt es, weil das Lotmaterial der Lotpastenstruktur 100 gemäß Figur 2 beim Aufschmelzen den entsprechenden lotfreien Zwischenbereich 130 bis zu dieser Stelle mit Lotmaterial füllt. Ab dieser Stelle S, d. h. für alle Skalenwerte oberhalb des Skalenwertes 4, ist der Abstand zwischen den beiden Teilabschnitten 110 und 120 der Lötpastenstruktur 100 jedoch zu groß, so dass das aufschmelzende Lötmaterial den lotfreien Zwischenbereich 130 nicht vollstän-

dig mehr füllen bzw. überbrücken kann und ein lotfreier Trennbereich 230 zwischen den beiden erstarrten Lotbereichen 210 und 220 verbleibt. Die Stelle S bzw. der Skalenwert - hier beispielsweise der Skalenwert 4 - ist somit ein Maß für die Benetzungsfähigkeit des Lotmaterials der Lotpastenstruk ^¬ tur 100: je größer die Benetzungsfähigkeit des Lotmaterials ist, desto größere Abstände zwischen den beiden Teilabschnit ^¬ ten 110 und 120 wird das aufschmelzende Lotmaterial überwin ^¬ den können, so dass der dazwischen liegende lotfreie Zwi- schenbereich 130 bis zu relativ großen Skalenwerten gefüllt wird. Je kleiner hingegen die Benetzungsfähigkeit des Lotma ^¬ terials der Lotpastenstruktur 100 ist, desto geringer werden die Abstände sein, die das aufschmelzende Lotmaterial über ^¬ brücken kann; demgemäß wird die Stelle S bei sehr kleinen Skalenwerten liegen.

Der Skalenwert „4", der hier beispielhaft einen Abstandsmess- wert für den Abstand zwischen der Stelle, an der sich die auseinander laufenden Teilabschnitte 110 und 120 vor dem Schmelzen berühren, und der Stelle S, an der sich die beiden erstarrten Lotbereiche 210 und 220 nach dem Schmelzen berühren, angibt, kann als ein die Benetzungsfähigkeit angebender quantitativer Qualitätswert für den Lötprozess angesehen und entsprechend weiterverwendet werden.

Im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 wurde die Erfindung anhand einer rechteckförmigen Testfläche 50 und einer V- förmigen Lotpastenstruktur 100 erläutert. Selbstverständlich kann die Form der benetzbaren Testfläche auch anders gestal- tet sein, beispielsweise kreisförmig, trapezförmig oder quadratisch; auch die Lotpastenstruktur kann anders ausgestaltet sein, sofern sie vorzugsweise zumindest zwei in einer vorge ^¬ gebenen Richtung auseinander laufende Teilabschnitte auf ^¬ weist .

Im übrigen muss das Lötmaterial nicht in Form einer Lotpas ^¬ tenstruktur auf dem benetzbaren Oberflächenabschnitt 30 auf ^¬ gebracht werden; stattdessen kann das Lotmaterial auch im Rahmen eines Dispenser-Druckverfahrens oder in Form vorgefer ^¬ tigter Lotformteile auf der Leiterplatte 10 aufgebracht wer ^¬ den .

Das Messen der Stelle S und das Feststellen des entsprechen- den Skalenwerts der Skala 60 kann beispielsweise mittels ei ^¬ nes automatischen Bilderkennungsverfahrens durchgeführt wer ^¬ den. Vorzugsweise wird ein solches automatisches Verfahren in einen Löt-, insbesondere Reflow-Prozess integriert, um die Qualität des Lötvorganges quantitativ messen zu können. In dieser Weise lassen sich Fertigungsschwankungen und Toleranzprobleme, die beispielsweise auf die Leiterplattenoberfläche (z. B. Beschichtung, Lagerung, Verunreinigungen), die Lotpaste (z. B. Flussmittelzusammensetzung, Chargenschwankungen, Lagerungseinflüsse) und den Lötprozess als solchen (z. B. Luft/Stickstoff-Zusammensetzung, Temperaturprofil) zurückgehen können, frühzeitig erkennen, so dass rechtzeitig Abhilfe ^¬ maßnahmen eingeleitet werden können.