Verfahren zum Wellenlδten von Leiterplatten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wellenlδten von Leiterplatten, bei dem die Leiterplatten nach dem Durch¬ laufen der Lotwelle künstlich abgekühlt werden.

Ein Verfahren dieser Art läßt sich der deutschen Patent- schrift DE 36 11 180 Cl entnehmen, in der eine Vorrichtung zum Kühlen von Lδtwerkstückträgern und Lδtgut bei Lötanlagen mittels Kühlluftzufuhr beschrieben ist. Bei dem bekannten Verfahren werden die Leiterplatten nach dem Durchlaufen der Lotwelle auf ihrer Unterseite mit Luft aus Düsen gekühlt, die beidseitig des Transportweges angeordnet sind. Dadurch wird eine gleitende und auch rasche Abkühlung erreicht, so daß bei einer nachfolgenden Reinigung kaum noch Reinigungsmittel verdunstet; auch Flußmittelrückstände verdunsten so gut wie gar nicht mehr.

Es ist ferner allgemein bei mit dem Wellenlδten von Leiter¬ platten befaßten Fachleuten bekannt, daß sich beim Lδten auf den Leiterplatten Lotkügelchen festsetzen, die unerwünscht sind, weil sie bei mit derartigen Leiterplatten bestückten elektrischen oder elektronischen Geräten zu schweren Funkti¬ onsstörungen führen können.

Man hat deshalb bereits versucht, schon beim Wellenlδten von Leiterplatten selbst die Bildung von Lotkügelchen dadurch zu vermeiden, daß man spezielle Lδtstoplacke eingesetzt hat; die Modifizierung von Lδtstoplacken im Hinblick auf die Vermei¬ dung von Lotkügelchen auf Leiterplatten ist aber nur begrenzt möglich, weil die Lδtstoplacke die Fähigkeit behalten müssen, adhäsiv auf den Kupfer-Überzügen der Leiterplatte zu haften. Deshalb ist es nicht möglich, Lötstoplacke herzustellen, die eine Adhäsion von Lot vollkommen vermeiden.

Man muß deshalb derzeit in Kauf nehmen, daß sich beim Wellen¬ löten von Leiterplatten Lotkügelchen auf den Leiterplatten festsetzen. Da diese Lotkügelchen aber auf den Leiterplatten beim Zusammenbau zu einem elektrischen oder elektronischen Gerät nicht verbleiben dürfen, erfolgt in einem dem Wellenlö¬ ten nachgeordneten Fertigungsgang ein mechanisches Abbürsten der Leiterplatten auf der Lötseite. Dazu bedarf es definier¬ ter Bürstenanordnungen mit bestimmten Bürstenmaterialien, um einerseits mit Sicherheit die adhäsiv fixierten Lotkügelchen auf den Leiterplatten vom Lötstoplack zu entfernen und um an¬ dererseits Beschädigungen an den Leiterplatten bei diesem Arbeitsgang zu vermeiden. Anschließend sind die gebürsteten Leiterplatten einer Inaugenscheinnahme zu unterwerfen um si¬ cherzustellen, daß letztendlich nur lotkügelchenfreie Leiter- platten weiter verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Wellenlöten von Leiterplatten vorzuschlagen, mit dem sich lotkügelchenfreie Leiterplatten herstellen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Abkühlung der jeweiligen Leiterplatte auf ^' Raumtemperatur unter Erzielung einer unterschiedlichen Kontraktion einer auf der Leiter- platte üblicherweise befindlichen Lötstoppmaske und des auf der Leiterplatte aufgebrachten Lotes mit einem annähernd gleichbleibenden Temperaturgradienten von etwa 20 °K/s. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die wellengelöte¬ ten Leiterplatten also nach Durchlaufen der Lotwelle künst- lieh mit dem angegebenen Temperaturgradienten abgekühlt, wodurch die Haftung von Lotkügelchen auf der Lotseite der Leiterplatten verhindert wird.

Der Erfindung liegt das Erkennen folgender Zusammenhänge zu- gründe:

Beim Wellenlöten insbesondere gemischt bestückter Leiterplat¬ ten, also von Leiterplatten, die mit SMD-Bauteilen (Surface Mounted Devices) und mit Anschlußdrähten versehenen Bauteilen bestückt sind, wird die Lotwelle in ihrem Strδmungsverhalten wesentlich durch die Bauteile bzw. ihre Anschlüsse gestört. Dies führt dazu, daß die homogene Lotwelle durch die Strδ- mungsbehinderungen beim Durchlaufen der Leiterplatten sepa¬ riert wird. Die dadurch entstehenden separierten Lotvolumina sind nunmehr besonders stark der oxidierenden Lδtatmosphäre ausgesetzt. Es entstehen Zinn-Blei-Mischoxyde, die Feststoffe darstellen und die einzelnen separierten Lotvolumina bedecken. Sie sind durch die Reduzierung der Oberflächenspan¬ nung besonders geeignet, auf der Lδtstoppmaske der Leiter¬ platten als Lotkügelchen adhäsiv fixiert zu werden. Die Lδt- stopplacke bestehen unter anderem aus anorganischen Füll¬ stoffen mit polaren Eigenschaften und weisen Oberflächenspan¬ nungen auf, die in der Nähe der Oberflächenspannungen von Zinn-Blei-Oxyden liegen. Deshalb entstehen an den Grenzflä¬ chen zwischen dem Lδtstopplack und dem Zinn-Blei-Oxyden rela- tiv starke Adhäsionskräfte, die zur Haftung der Lotkügelchen führen.

Die nach dem Durchlaufen der Lotwelle durch die Strömungsbe¬ hinderungen separierten Lotvolumina befinden sich thermisch auf dem Niveau der Lotwelle und bilden oxidierte flüssige

Zinn-Blei-Partikel mit sphärischer Form. Der thermische Ener¬ gieeintrag beim Wellenlδten bewirkt nun nicht nur die Verbin¬ dung zwischen dem Lot und den miteinander zu verlötenden Teilen der Leitungsplatte, sondern führt auch zu einer we- sentlichen dreidimensionalen Änderung der Lδtstoppmaske auf den Leiterplatten. Die Ausdehnung der Lötstoppmaske beträgt in einem unteren Temperaturbereich etwa 60 bis 80 ppm/°K und ist im Bereich der Lotwellentemperatur erheblich größer; die Ausdehnung von Sn60Pb40-Lot beträgt dagegen 23 ppm/°K. Die Erfindung nutzt nun die unterschiedlichen Temperaturausdeh¬ nungen der Lδtstoppmaske und des Zinn-Blei-Lotes aus, indem

durch eine zusätzliche künstliche Abkühlung die Adhäsions¬ flächen zwischen dem Lδtstopplack und dem Lot verringert wer¬ den. Dabei wird die unterschiedliche Kontraktion der Löt¬ stoppmaske und des Lotes ausgenutzt, um die beim Durchlaufen der Lotwelle gebildeten Adhäsionsflächen zwischen Lδtstopp¬ maske und Lot reversibel zu stδren; es wird also bewußt eine thermomechanische Fehlanpassung zwischen Lδtstoppmaske und Lot durch die zusätzliche künstliche Abkühlung erzeugt, um Adhäsionskräfte abzubauen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zusätzliche künstliche Abkühlung der Leiterplatten nach dem Durchlaufen der Lotwelle in unterschiedlicher Weise erfolgen, beispiels¬ weise mit einer Kühlkammer, die die wellengelöteten Leiter- platten durchlaufen. Fertigungstechnisch besonders einfach und mit relativ geringem Aufwand läßt sich das Verfahren nach der Erfindung jedoch dann durchführen, wenn auf den Bereich der Zone des Abreißens der Lotwelle von der jeweiligen Lei¬ terplatte ein Gasstrom mit einer Temperatur gerichtet wird, die eine Abkühlung mit dem Temperaturgradienten von etwa 20 °K/s bewirkt.

Es ist zwar bereits aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 28 52 132 AI nach dem Aufbringen des Lotes auf die Leiter- platte ein Gasstrom gegen die Unterseite der jeweiligen Lei¬ terplatte gerichtet wird, der Luft oder ein Schutzgas enthalten kann, jedoch soll hier durch den Gasstrom die Bildung von Lotkurzschlüssen, Lotbärten und Lotbrücken verhindert werden. Um dies bei dem bekannten Verfahren in zufriedenstellender Weise zu erreichen, werden unter anderem Strömungsgeschwindigkeit, Druck und Temperatur der Gasströmung den jeweiligen Gegebenheiten, wie unter anderem der Größe und der Packungsdichte auf der Leiterplatte angepaßt. Da bei dem bekannten Verfahren das überschüssige Lot weggeblasen wird, bevor das Lot erstarrt ist, wird bevorzugt eine Gasstrδmung mit vorgewärmter Luft benutzt; es

ist aber auch an die Verwendung eines Gases mit Umgebungstemperatur gedacht.

Ferner ist es aus dem Buch von R.J. Klein-Wassink "Weichlöten in der Elektronik", 1991, Seiten 508 bis 510 bekannt, auf eine wellengelδtete Leiterplatte unmittelbar nach dem Wellen¬ lδten einen Gasstrom zu richten. Hierbei handelt es sich um einen Heißluftstrom, der dazu dient, unerwünschte Lotbrücken zwischen Leiterbahnen zu entfernen, um gute Lotstellen zu erhalten. Allerdings verursacht dieser Heißluftstrom zusätz¬ liche Lotkügelchen, die durch Waschen nach dem Löten entfernt werden müssen.

Besonders gute Arbeitsergebnisse lassen sich mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren dann erzielen, wenn als Gas für den Gasstrom ein Schutzgas verwendet wird, bei dem es sich bevor¬ zugt um Stickstoff handeln kann. Durch das Schutzgas wird im Austrittsbereich der Leiterplatte aus der Lotwelle eine weit¬ gehend oxidationsfreie Atmosphäre geschaffen, die die oben angesprochene Oxydation von Zinn-Blei-Partikeln infolge der Separierung vermindert, wodurch die Lothaftung auf dem Lδt- stopplack unterstützend vermindert wird.

Zwar ist es aus dem oben bereits erwähnten Buch von Klein- Wassink, Seite 508 auch bekannt, Wellenlöten unter Schutz¬ gasatmosphäre mit sehr geringen Sauerstoffanteilen durchzu¬ führen, jedoch erfolgt hier das gesamte Wellenlöten unter Schutzgasatmosphäre und eine zusätzliche künstliche Abkühlung wird nicht vorgenommen. Dies führt zum Entstehen von verhält¬ nismäßig vielen Lotkügelchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Lötanlagen unter- schiedlicher Ausführung durchgeführt werden. Als besonders vorteilhaft wird es im Hinblick auf die Herstellungskosten einer Lötanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens angesehen, wenn in Transportrichtung der Leiterplatte hinter der Lotwelle eine zusätzliche Kühleinrichtung für die Leiterplatten angeordnet ist. Diese Kühleinrichtung kann unterschiedlich ausgestaltet sein.

Als besonders vorteilhaft wird es im Hinblick auf die Her¬ stellungskosten angesehen, wenn die Kühleinrichtung eine sich quer zur Transportrichtung der Leiterplatten erstreckende stabförmige Düse ist, von der der Gasstrom auf die jeweilige Leiterplatte nach dem Durchlaufen der Lotwelle gerichtet wird.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Figur 1 eine Draufsicht auf den im Zusammenhang mit der

Erfindung interessierenden Teil einer Lötanlage zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und in Figur 2 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt aus der

Figur 1 wiedergegeben.

Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, befindet sich eine zu lö¬ tende Leiterplatte 1 mit SMD-Bauteilen 2 sowie Bauteilen 3 mit Anschlußdrähten in einem Transportrahmen 4, der auf einer Transporteinrichtung 5 in Richtung des Pfeiles 6 bewegt wer-

den kann. In der dargestellten Stellung befindet sich der Transportrahmen dicht vor einer Benetzungseinrichtung 7, in der beim Darüberhinweglaufen der Leiterplatte 1 Flußmittel auf die in der Figur 1 untere Lötseite der Leiterplatte 1 aufgebracht wird.

Bevor die Leiterplatte in den Transportrahmen 4 eingelegt wird, ist sie nicht nur mit den Bauteilen 2 und 3 bestückt, sondern üblicherweise mit Kupfer-Leiterbahnen versehen und mit einem Lötstopplack auf in der Figur 1 unteren Seite an den Stellen bedeckt, an denen kein Lot an der Leiterplatte 1 bzw. an den Bauteilen 2 und 3 haften soll.

Nachdem der Transportrahmen 4 mit der zu lötenden Leiter- platte 1 über die Benetzungseinrichtung 7 hinweggelaufen ist, gelangt er in den Bereich einer Löteinrichtung 8, die in ei¬ nem in der Figur 1 nur schematisch dargestellten Behälter 9 flüssiges Zinn-Blei-Lot 10 enthält. Dieses Lot wird - wie Figur 2 deutlicher erkennen läßt - mittels einer nicht darge- stellten Pumpe in einem Förderkanal 11 in Richtung des Pfei¬ les 12 nach oben gepumpt und bildet somit eine Lotwelle 13. Die Transporteinrichtung 5 ist bezüglich der Lotwelle 13 so ausgerichtet, daß die zu lötende Leiterplatte 1 - wie wieder¬ um Figur 2 deutlich zeigt - die Welle 13 durchläuft, wodurch das Löten erfolgt.

In Transportrichtung (Pfeil 6) hinter der Löteinrichtung 8 befindet sich außer einer ersten Kühleinrichtung 14 mit Düsen 15 und -.16 eine zusätzliche Kühleinrichtung 17, die in den Figuren 1 und 2 ebenfalls nur schematisch dargestellt ist. Im wesentlichen enthält die zusätzliche Kühleinrichtung 17 eine stabfδr ige Düse 18, die mit einzelnen Austrittsöffnungen 19 für einen Schutzgasstrom versehen ist. Die Ausrichtung der Düse 18 bzw. ihrer Öffnungen ist dabei derart, daß das Schutzgas, vorzugsweise Stickstoff, in den Bereich 20 hinter der Lotwelle 13 gegen die Leiterplatte 1 geblasen wird. Der

Stickstoff hat eine Temperatur von höchstens der Raumtempera¬ tur, so daß durch den Gasstrom eine zusätzliche künstliche Abkühlung der Leiterplatte 1 nach dem Durchlaufen der Lotwel¬ le 13 erfolgt. Bei einer Abkühlung mit einem zeitlichen Tem- peraturgradienten von etwa 20 °K/s werden Leiterplatten her¬ gestellt, die so gut wie keine Lotkügelchen mehr auf der Lötseite 21 aufweisen.

Die stabförmige Düse 18 kann um ihre Längsachse drehbar ange- ordnet sein, um die zusätzliche Abkühlung unterschiedlichen Wärmekapazitäten der Leiterplatten anpassen zu können.