DD250677A1

DD250677A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontaktieren aufsetzbarer elektronischer bauelemente

Info

Publication number: DD250677A1
Application number: DD29197886A
Authority: DD
Inventors: Dieter Lange; Thomas Oswald
Original assignee: Erfurt Mikroelektronik
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1987-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kontaktieren aufsetzbarer elektronischer Bauelemente, insbesondere zum Aufloeten von Chip-Carrier-Bauelementen auf Leiterplatten. Ziel der Erfindung ist es, unzulaessige Erwaermungen beim Kontaktieren der Bauelemente und Loetbrueckenbildungen zu verhindern. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zuverlaessigen Kontaktierung aufsetzbarer elektronischer Bauelemente mit geringem Anschlussraster anzugeben. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die zu kontaktierenden Bauelemente arretiert werden, dass eine Kurve abgetastet wird und mit Laserstrahlung Diffusionszonen gebildet werden, waehrend ein Gas das Bauelement kuehlt. Anwendungsgebiet der Erfindung ist insbesondere das Aufloeten von Chip-Carrier-Bauelementen auf Leiterplatten bei kleinem Anschlussraster ohne Loetbrueckenbildung und unzulaessige Erwaermungen. Bei Verwendung der erfindungsgemaessen Vorrichtung werden keine abgeschlossenen Bearbeitungsraeume benoetigt, so dass sie gut in eine flexible Bearbeitungseinrichtung fuer elektronische Bauelemente integriert werden kann. Die erfindungsgemaesse Loesung ermoeglicht ausserdem die opto-elektronische Kontrolle, Registrierung und Reparatur mangelhafter Kontaktierungen.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kontaktieren aufsetzbarer elektronischer Bauelemente, insbesondere zum Auflöten von Chip-Carrier-Bauelementen auf Leiterplatten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen zwischen elektronischen Bauelementen, die in der Fachliteratur als SMD-Bauelemente (Surface Mount Devices) oder aufsetzbare Bauelemente im Gegensatz zu den steckbaren Bauelementen bekannt sind, und Leiterplatten werden Laserkontaktierverfahren angewendet. Die Laserkontaktierung bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Kontaktierverfahren wie beispielsweise Schwallötverfahren oder Reflowlötverfahren. Einer der wesentlichen Vorteile besteht darin, daß extrem kleine Bereiche mit hoher Zuverlässigkeit und Produktivität kontaktiert werden können.

Nach DE-OS 2735231 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen mittels Energiestrahlen bekannt, bei dem die aufzulötenden Bauelemente auf einer aufgeheizten Leiterplatte aufliegen und Laserstrahlung senkrecht auf die Bauelementeanschlüße strahlt. Dieses Verfahren mit senkrechter Strahlführung ist insbesondere zum Laserkontaktieren von Flat-pack-Bauelementen und SOT-Bauelementen geeignet, bei denen die gesamte Anschlußoberfläche zugänglich ist.

Nach DE-OS 2409383 ist ein Verfahren zum punktweisen Verlöten mittels Impulslaser bekannt, bei dem in einem der zu verlötenden Teile, z. B. in der Leiterplatte an der vorgesehenen Verbindungsstelle eine oder mehrere Lötwarzen vorgesehen werden, an denen der Lötvorgang punktweise erfolgt, während eine zusätzliche Andruckkraft wirksam wird. Dieses Verfahren wie auch das Verfahren nach DE-OS 2735231 sind jedoch nicht geeignet, elektronische Bauelemente im Chip-Cärrier-Gehäuse zu kontaktieren, weil bei ihnen die Strahlführung oder Strahlablenkung parallel zu den Flächennormalen der Leiterplatte erfolgt und dadurch nur die Bereiche der Bauelementeanschlüsse bestrahlt werden, die unmittelbar aus dem Gehäuse austreten und nicht die Anschlußbereiche, die unmittelbar auf der Leiterplatte aufliegen und die zu kontaktierenden Leiterbahnen berühren. Nach US 4367017 ist ein Laserstrahireflektionssystem bekannt, welches aus einem Hohlgehäuse mit drei Spiegeln besteht, in das der Laserstrahl eingeleitet wird. Durch Drehung um die Rotationsachse dieses „Laserstrahlkopfes" können Flächen bearbeitet werden, wenn zusätzlich der dritte Spiegel, der sich am Strahlaustritt befindet, in horizontaler Richtung verschoben wird. Der Rotationswinkel des Laserstrahlkopfes und der Abstand dieses Spiegels von der Rotationsachse, d. h. ein veränderbarer Radius ergeben dann die Werte eines Polarkoordinatensystems, in dem jeder beliebige Punkt bestrahlt werden kann. Dieses Laserstrahireflektionssystem ist jedoch nicht geeignet, Chip-Carrier-Bauelemente mit Laser zu kontaktieren, weil es Mangel aufweist. Wesentliche Mangel bestehen darin, daß die Laserstrahlmittelachse parallel zur Rotationsachse des Strahlkopfes austritt, so daß ähnlich den durch DE-OS 2735231 und DE-OS 3409383 bekannten Verfahren nur die Bereiche der Chip-Carrier-Anschlüsse bestrahlt werden, die unmittelbar aus dem Gehäuse austreten und nicht die Anschlußbereiche, die die zu kontaktierenden Leiterbahnen berühren. Ein weiterer wesentlicher Mangel besteht darin, daß die rechteckige Form der Chip-Carrier-Gehäuse, d. h. damit auch die sich ergebende geometrische Anordnung der Anschlüsse bei der Bestrahlung der zu kontaktierenden Bereiche nicht berücksichtigt wird. Die Verwendung dieses Laserstrahlkopfes würde außerdem zu einer Schädigung der Bauelemente durch erhöhte Temperatureinwirkung führen.

Nach DE 2934907 ist ein Verfahren zur Lot- und Schweißverbindung eines Bauteils mit einem Substrat mittels kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt.

Das Verfahren wendet insbesondere Laserstrahlung an, die durch ein kompliziertes optisches System in mehrere Strahlbündel gleicher Energie geteilt wird, um Bauelemente mit Leiterplatten zu verschweißen oder zu verlöten derart, daß diese Strahlbündel nach einwärts verlaufend gegen die gegenüberliegenden Enden des Bauelementes gerichtet werden, um das Lot zu verflüchtigen oder eine Schweißung vorzunehmen, und daß diese Strahlbündel wieder beseitigt werden, um im wesentlichen gleichzeitig Verbindungsstellen zur Befestigung der Bauelemente am Substrat, d. h. auf der Leiterplatte zu bilden. Dieses Verfahren ist mit einer Anzahl von Mangeln behaftet, die im wesentlichen darin bestehen, daß die dazugehörige Einrichtung viele optische Teile enthält und damit kompliziert und störanfällig ist, daß während der Laserkontaktierung keine Niederhaltung der Bauelemente erfolgt, daß die einzelnen optischen Teile schlecht oder nur ungenügend gegenüber den bei der Laserbearbeitung entstehenden Reaktionsprodukten geschützt sind und daß bei Mischbestückung von Leiterplatten mit verschiedenen SMD-Bauelementen der Bestrahlwinkel nur technisch aufwendig verstellt werden kann. Die im Verfahren durchgeführte Simultankontaktierung erfordert hohe Ausgangsenergien der Laserstrahlquelle, was zu Laseranlagen vergleichsweise hoher Leistung führt und damit die Kosten erhöht.

Es ist außerdem bekannt, daß bei der in der Technik meist vorkommenden Mischbestückung auch Bauelemente verschiedener Poligkeiten eingesetzt werden, so daß für jede Poligkeit, d.h. damit jede Gehäuseart eine andere Strahlaufteilungseinrichtung benötigt würde.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, unzulässige Erwärmungen beim Kontaktieren der Bauelemente und Lötbrückenbildungen zu verhindern.

Darlegung des Wesens der Erfindung ^[

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zuverlässigen Kontaktierung aufsetzbarer elektronischer

Bauelemente mit geringem Anschlußraster anzugeben. i

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kontaktieren aufsetzbarer Bauelemente, insbesondere zum Auflöten von Chip-Carrier-Bauelementen auf Leiterplatten zu schaffen, dadurch gelöst, daß die zu ; kontaktierenden Bereiche mit Laserstrahlung bestrahlt werden, die die Flächennormalen der Leiterplatten in einem Winkel von 20° bis 80°, vorzugsweise in einem Winkel von 28" schneidet und daß die Anschlüsse der Bauelemente in dem Bereich bestrahlt werden, in dem der Übergang vom auf der Leiterplatte aufliegenden Bereich in den abgewinkelten Bereich erfolgt, der parallel zur Gehäusestirnseite verläuft und daß gleichzeitig Leiterbahnen bestrahlt werden.

Es ist zweckmäßig, daß die zu kontaktierenden Bereiche vorzugsweise mit CO2-Laserstrahlung bestrahlt werden derart, daß zwischen dem Lot und Anschluß Diffusionszonen gebildet werden.

Es ist ferner zweckmäßig, daß die zu kontaktierenden Bereiche afocal bestrahlt werden. \

Es ist ferner zweckmäßig, daß entstehende Reaktionsprodukte und Ozon abgesaugt werden. '

Es ist weiter zweckmäßig, daß während der Kontaktierung ein Gas auf Anschlüsse und/oder Bauelemente geblasen wird.

Es ist ferner zweckmäßig, die Bauelemente unmittelbar vor der Kontaktierung mit einer Anpreßkraft auf der Leiterplatte zu

arretieren und zu kontaktieren. ;

Es ist ferner zweckmäßig, daß die Laserstrahlung durch Schablonen gestrahlt wird, bevor sie den zu kontaktierenden Bereich bestrahlt.

Es ist ferner zweckmäßig, daß unmittelbar nach der Kontaktierung eine schwache Laserstrahlung auf die entstandene Diffusionszone gestrahlt wird derart, daß der kontaktierte Bereich abhängig vom Ergebnis einer Reflexionsmessung im Bedarfsfall nachgelötet wird.

Es ist ferner zweckmäßig, daß die Leiterplatte auf einem elektronisch gesteuerten Kreuztisch transportiert wird und daß die zu kontaktierenden Bauelemente nacheinander mittig unter den Laserstrahlkopf gefahren werden.

Es ist ferner zweckmäßig, zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung zu verwenden, die aus einem drehbaren Laserstrahlkopf, bestehend aus den Laserspiegeln, und einem Laserspiegel mit Fühler und Kurvenscheibe mit den Kurvenscheibenebenen, einer Laserschablone, einem Stutzen und einem drehbaren Niederhalter besteht.

Es ist ferner zweckmäßig, daß anstelle der Laserschablone eine Focussiereinrichtung angeordnet ist, insbesondere beim Laserschweißen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Erfindung ermöglicht das Kontaktieren aufsetzbarer elektronischer Bauelemente, insbesondere von Chip-Carrier-Bauelementen ohne unzulässige Erwärmung und Lötbrückenbildungen auch bei kleinem Anschlußraster.

Es können Bauelemente in Keramik- oder Plastausführung kontaktiert, beispielsweise auf Leiterplatten aufgelötet werden, ohne daß abgeschlossene Bearbeitungsräume benötigt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gut in eine flexible Bearbeitungseinrichtung für elektronische Bauelemente integriert werden und ermöglicht die Kontaktierung verschiedener Gehäuse und Gehäusebauformen von SMD-Bauelementen.

Bedingt durch die bekannten Eigenschaften der verwendeten Strahlung können Bauelemente mit kleinem Anschlußraster kontaktiert werden, die mit den bekannten Kontaktierverfahren gar nicht oder nur mit technisch hohem Aufwand kontaktierbar

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht außerdem die opto-elektronisch gesteuerte Kontrolle, Registrierung und Reparatur mangelhafter Kontaktierungen.

Es ist denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in ortsveränderlichen Einrichtungen einzusetzen, weil mit· Laserstrahlungsquellen geringer Leistung gearbeitet werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden.

Ein 24poligesChip-Carrier-Bauelement in Plastausführung mit einem Anschlußraster von 1,016 mm besitzt 0,45 mm breite, verzinnte Anschlüsse und soll auf einer Leiterplatte 1 mit verzinnten Leiterbahnen 24 aufgelötet werden.

Dazu wird das zu kontaktierende Bauelement 25 auf der Leiterplatte 1 fixiert, beispielsweise mit einem thermisch aushärtenden Kleber aufgeklebt. Anschließend wird die bestückte Leiterplatte 1 auf einem elektronisch gesteuerten oder einem manuell verstellbaren Kreuztisch derart bewegt, daß sich das zu kontaktierende Bauelement 25 mittig unter der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet. Beispielsweise pneumatisch wird der Laserstrahlkopf 19 vertikal derart abgesenkt, daß der Niederhalter 13 das Bauelement 25 anpreßt, ohne daß das Plastgehäuse beschädigt oder die Bauelementeanschlüsse bleibend verformt werden.

Der Niederhalter 13 ist konstruktiv so auszuführen, daß er drehbar am Laserstrahlkopf 19 befestigt ist und das Bauelement 25 anpreßt.

Durch die Verschiebung des Laserstrahlkopfes 19 in vertikaler Richtung relativ zum feststehenden Schaft 15 wird auch der mit dem Laserstrahlkopf 19 verbundene Fühler7 verschoben, so daß er bei Rotation des Laserstrahlkopfes 19 eine Kurvenscheibe 6 mit den Kurvenscheibenebenen 8,22,23 abtastet. Die vertikale Verschiebung ist dabei so zu steuern, daß die dem CC 24-Gehäuse zugeordnete Kurvenscheibenebene, beispielsweise Kurvenscheibenebene 8 vom Fühler 7 horizontal abgetastet wird.

Mit dem Fühler 7 ist der Laserspiegel 11 verbunden. Der Ausgangsstellung des Laserstrahlkopfes ist ein Rotationswinkel zugeordnet, bei dem im Fall der Auslösung von Laserimpulsen keine zu kontaktierenden Bereiche bestrahlt werden.

Zur Kontaktierung des CC 24-Bauelementes 25 wird der elektromotorische Antrieb 21 ausgelöst. Ohne anzuhalten rotiert die erfindungsgemäße Vorrichtung um ihre Rotationsachse. Elektronisch geregelt werden bei Erreichung definierter Rotationswinkel Laserimpulse ausgelöst, beispielsweise im Fall eines CC 24-Bauelementes 24, den einzelnen Anschlüssen zugeordnete Rotationswinkel.

Der elektronisch ausgelöste Laserstrahl L tritt an der Laserstrahlquelle aus, beispielsweise aus einer TEA-COy Laserstrahlungsquelle und wird über eine bekannte Umlenkeinrichtung in den für die Laserstrahlung durchlässigen Verschluß 16 gestrahlt. Parallel zur Mittelachse des beispielsweise rotationssymmetrischen Schaftes 15 und des Laserstrahlkopfes 19 mit Fühler trifft der Laserstrahl Lauf den Laserspiegel 9, wird von diesem auf den Laserspiegel 10 und von diesem auf den Laserspiegel 11 reflektiert. Laserspiegel 11 reflektiert den Laserstrahl L erneut und dieser bestrahlt afocal die Laserschablone 12.

Durch eine rechteckige Öffnung der Laserschablone 12 wird anteilige Laserstrahlung gestrahlt und trifft auf dem zu kontaktierenden Bereich in einem Winkel von beispielsweise 28° zur Flächennormale der Leiterplatte 14 auf, d.h. insbesondere im Bereich des Anschlusses, in dem der Übergang vom auf der Leiterplatte 1 aufliegenden Bereich in den abgewinkelten Bereich 4 erfolgt, der parallel zur Gehäusestirnseite 2 verläuft, wobei gleichzeitig die Leiterbahn 24 bestrahlt wird.

Gleichzeitig mit dem Laserstrahl L wird ein Gas 18 über einen Stutzen 17 in den Laserstrahlkopf geblasen und verläßt ihn durch die Schablonenöffnung. Das Gas 18 strömt auf Anschluß und/oder Gehäuse und kühlt die nicht bestrahlten Bereiche. Es wirkt außerdem der Bildung einer die Laserkontaktierung störenden Plasmalinse entgegen.

Die entstandene Diffusionszone wird anschließend beispielsweise mit der Strahlung eines bekannten Helium-Neon-Lasers geringer Ausgangsleistung bestrahlt und deren Reflexion mit bekannten technischen Einrichtungen gemessen sowie elektronisch ausgewertet.

Im Bedarfsfall wird erneut ein Laserstrahl L eines COyLasers ausgelöst und derart nachgelötet.

Es ist sinnvoll, die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht bei jeder Kontaktierung anzuhalten, sondern eine solche Drehzahl zu wählen, daß sie während der Kontaktierung eines Bauelementes 25 rotiert und daß in der je Anschluß verfügbaren Zeit die Reflexionsmessung und die Reparatur mangelhafter Kontaktierungen automatisch erfolgen kann.

Nach der Kontaktierung des Bauelementes 25 wird der Laserstrahlkopf 19, einschließlich des Fühlers, in die Ausgangsposition verschoben, wobei diese Verschiebung beispielsweise durch eine Gegenfeder 20 unterstützt werden kann.

Soll nach dem 24poligen Chip-Carrier-Bauelement ein Chip-Carrier-Bauelement anderer Poligkeit und anderer Abmessungen aufgelötet werden, wird nach dem Transport der bestückten Leiterplatte 1 in die Bearbeitungsposition erneut der Laserstrahlkopf 19 vertikal abgesenkt, so daß der Niederhalter 13 das Bauelement 25 während der sich anschließenden Kontaktierung arretiert.

Die Absenkung erfolgt erneut so, daß der Fühler 7 die dem Gehäuse zugehörige Kurvenscheibenebene 22 während der Rotation des Laserstrahlkopfes 19 abtastet und damit so den Laserspiegel 11 horizontal verschiebt, daß je Anschluß erfindungsgemäß kontaktiert werden kann.

Bei Mischbestückung von Leiterplatten 1 sowohl mit Chip-Carrier-Gehäusen als auch anderen bekannten SMD-Gehäusebauformen, wie beispielsweise SOT-Gehäusen und Flat-Pack-Gehäuse, ist es möglich, auch diese erfindungsgemäß zu kontaktieren, wenn beispielsweise eine entsprechende Kurvenscheibenebene 23 vorgesehen wird. In diesem Fall werden jedoch die Anschlußenden dieser Bauelemente erfindungsgemäß bestrahlt. Die Kontaktierung kann erfindungsgemäß in drei technologischen Varianten des Verfahrens erfolgen, d. h.

1. Laserlöten mit afocaler Laserstrahlung ohne Verwendung von Laserschablonen 12,

2. Laserlöten mit afocaler Laserstrahlung unter Verwendung von Laserschablonen 12, die beschichtet wurden

3. Laserschweißen unter Verwendung einer Focussiereinrichtung anstelle der Laserschablonen 12.

Claims

1. Verfahren zum Kontaktieren aufsetzbarer elektronischer Bauelemente, insbesondere zum Auflöten von Chip-Carrier-Bauelementen auf Leiterplatten; dadurch gekennzeichnet, daß die zu kontaktierenden Bereiche mit Laserstrahlung (L) bestrahlt werden, die die Flächennormalen der Leiterplatten (14) in einem Winkel von 20° bis 80°, vorzugsweise in einem Winkel von 28° schneidet und daß die Anschlüsse der Bauelemente (25) in dem Bereich bestrahlt werden, in dem der Übergang vom auf der Leiterplatte (1) aufliegenden Bereich (3) in den abgewinkelten Bereich (4) erfolgt, der parallel zur Gehäusestirnseite (2) verläuft und daß gleichzeitig Leiterbahnen (24) bestrahlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kontaktierenden Bereiche . vorzugsweise mit CO₂-Laserstrahlung bestrahlt werden derart, daß zwischen dem Lot und Anschluß Diffusionszonen gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kontaktierenden Bereiche afocal bestrahlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß entstehende Reaktionsprodukte und Ozon abgesaugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kontaktierung ein Gas (18) auf Anschlüsse und/oder die Bauelemente (25) geblasen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (25) vor der Kontaktierung mit einem thermisch aushärtenden Kleber auf der Leiterplatte (1) befestigt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (25) unmittelbar vorder Kontaktierung angepreßt auf der Leiterplatte arretiert und kontaktiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung durch Schablonen gestrahlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Kontaktierung eine schwache Laserstrahlung (L) auf die entstandene Diffusionszone gestrahlt wird derart, daß der kontaktierte Bereich abhängig vom Ergebnis einer Reflexionsmessung im Bedarfsfall nachgelötet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) auf einem elektronisch gesteuerten Kreuztisch transportiert wird und daß die zu kontaktierenden Bauelemente (25) nacheinander mittig unter den Laserstrahlkopf (19) gefahren werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbarer Laserstrahlkopf (19), bestehend aus den Laserspiegeln (9,10) und einem Laserspiegel (11) mit Fühler (7) mit Kurvenscheibe (6) mit den Kurvenscheibenebenen (8, 22, 23), einer Laserschablone (12), einem Stutzen (17) und einem drehbaren Niederhalter (13) versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Laserschablone (12) eine Focussiereinrichtung angeordnet ist.