DD295496A5

DD295496A5 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR OPTIMIZING THE PROCESS PARAMETERS OF THE INFRARED REFLOWLOET PROCESS IN SURFACE MOUNTING TECHNOLOGY

Info

Publication number: DD295496A5
Application number: DD32315588A
Authority: DD
Inventors: Gernot Steuer; Claus Morgenstern; Thomas Kopp; Lissy Hoehne; Uta Ramm; Frank Stockhaus; Ulrich Glaeser; Simone Preetz
Original assignee: Ingenieurhochschule Mittweida,De
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1988-12-15
Publication date: 1991-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Optimierung der Prozeszparameter des Infrarot-Reflowloetprozesses in der Oberflaechenmontagetechnologie. Die erfindungsgemaesze Loesung betrifft ein Verfahren zur effektiven Ermittlung optimaler Prozeszparameter beim Infrarot-Reflowloeten unter Echtzeitbedingungen und kann zur Verbesserung der Loetstellenqualitaet angewandt werden. Waehrend des Loetens werden die bekannten intermetallischen Phasen, die Epsilon-Phase und die Eta-Phase gebildet. Die Ausbildung dieser intermetallischen Phasen ist wesentlich fuer die Qualitaet und Zuverlaessigkeit der Loetstellen und wird maszgeblich durch den Temperatur-Zeit-Verlauf an den Loetstellen bestimmt. Es wurde ein Verfahren mit einer entsprechenden Anordnung (Figur 1 und 2) entwickelt, das dem Anlagenfahrer eine effektive Ermittlung der optimalen Prozeszeinstellung beim Infrarot-Reflowloeten gestattet.{Optimierung; Prozeszparameter; Infrarot-Reflowloetprozesz; Oberflaechenmontagetechnologie; effektive Ermittlung; Loeten; Loetstellenqualitaet; Zuverlaessigkeit; Temperatur-Zeit-Verlauf; Prozeszeinstellung}The invention relates to a method and an arrangement for optimizing the process parameters of the infrared reflow soldering process in the surface mounting technology. The inventive solution relates to a method for the effective determination of optimal process parameters in infrared reflow soldering under real-time conditions and can be used to improve soldering quality. During soldering, the known intermetallic phases, the epsilon phase and the eta phase are formed. The formation of these intermetallic phases is essential for the quality and reliability of the solder joints and is essentially determined by the temperature-time profile at the solder joints. A method has been developed with a corresponding arrangement (FIGS. 1 and 2) which allows the plant operator to effectively determine the optimal process setting during infrared reflow soldering. Prozeszparameter; Infrared Reflowloetprozesz; Oberflaechenmontagetechnologie; effective identification; Soldering; solder joint; Reliability; Temperature-time curve; Prozeszeinstellung}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die erfindungsgemäße Lösung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Optimierung von Infrarot-Reflowlötprozessen in der Oberflächenmontagetechnologie elektronischer Baugruppen und kann zur Verbesserung der Lötstellenqualität angewendet werden.The solution according to the invention relates to a method and an arrangement for the optimization of infrared reflow soldering processes in the surface mounting technology of electronic assemblies and can be used to improve the solder joint quality.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Zur Zeit sind keine Verfahren bekannt, die dem Anlagenfahrer eine effektive Ermittlung der optimalen Prozeßeinstellungen beim Infrarot-Reflowlöten gestatten. Die Optimierung der steuerbaren Prozeßparameter an IR-Reflowlötanlagen beruht zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf rein heuristischen Methoden. Durch dieses bisher oft unplanmäßige Vorgehen war der Aufwand zur optimalen Einstellung der Prozeßparameter am IR-Reflowlötofen bei der Erfüllung eines neuen LP-Typs teilweise sehr groß. Speziell in der flexibel automatisierten Fertigung kann diese bisherige Vorgehensweise zu hohem Ausschußanteil und großen Umrüstzeiten führen.At present, no methods are known which allow the plant operator to effectively determine the optimum process settings during infrared reflow soldering. The optimization of the controllable process parameters on IR reflow soldering systems is based on purely heuristic methods at the present time. Due to this hitherto often unscheduled procedure, the effort for optimum adjustment of the process parameters on the IR reflow soldering furnace in the fulfillment of a new type of LP was sometimes very great. Especially in the flexible automated production, this previous approach can lead to high rejects and large changeover times.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren mit einer entsprechenden Anordnung zu entwickeln, das eine optimale Prozeßeinstellung beim Infrarot-Reflowlöten unter Echtzeitbedingungen ermöglicht. Dieses Verfahren soll eine Erhöhung von Qualität und Zuverlässigkeit der Lötstellen gewährleisten. Die Erfindung gibt dem Anwender die Möglichkeit, durch planmäßige und zielstrebige Durchführung der Optimierung den Aufwand erheblich zu senken.The aim of the invention is to develop a method with a corresponding arrangement, which enables optimal process adjustment in infrared reflow soldering under real-time conditions. This method is intended to ensure an increase in the quality and reliability of the solder joints. The invention gives the user the opportunity to significantly reduce the effort by systematic and purposeful implementation of the optimization.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit einer entsprechenden Anordnung zu entwickeln, bei dem die optimalen Prozeßparameter beim IR-Reflowlöten unter Echtzeitbedingungen für jeden neu zu fertigenden Leiterplattentyp in effektiver Weise bestimmt werden.The object of the invention is to develop a method with a corresponding arrangement, in which the optimal process parameters in IR reflow soldering under real-time conditions for each new type of printed circuit board to be determined in an effective manner.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für das IR-Reflowlöten prinzipiell 4 Bereiche angegeben werden, in denen unterschiedliche Reaktionen ablaufen und die für die Ausprägung der Lötstellenqualität Relevanz besitzen (Fig. 2).According to the invention, this object is achieved in that, for the IR reflow soldering, in principle 4 regions are indicated in which different reactions take place and which have relevance for the characterization of the solder joint quality (FIG. 2).

Area 1: Evaporation of the solvents Area 2: expulsion of the viscosity additives Area 3: flux activation, reduction processes, reaching the solidus temperature

Überschreiten der Solidustemperatur, Erreichen des Temperaturmaximums Bereich 4: Temperaturabfall des TemperaturmaximumsExceeding the solidus temperature, reaching the maximum temperature. Range 4: Temperature drop of the maximum temperature

During soldering, the known intermetallic phases, the epsilon phase (Cu3Sn) and the eta phase (Cu6Sn5)

gebildet. Die Ausbildung dieser intermetallischen Phasen ist wesentlich für die Qualität und Zuverlässigkeit der Lötstellen undwird maßgeblich durch den Temperatur-Zeit-Verlauf bestimmt.educated. The formation of these intermetallic phases is essential to the quality and reliability of the solder joints and is largely determined by the temperature-time course.

The soldering temperature is significantly influenced by the absorption and reflection behavior of the SMD and the LP. Farther

spielen die Wärmekapazitäten sowie die Wärmeleitfähigkeit der SMD und der LP eine wichtige Rolle.The heat capacities as well as the thermal conductivity of the SMD and the LP play an important role.

When optimizing the soldering process, the temperature distribution that occurs on the PCB, in particular the Temperature minimum and maximum at the solder joints, to be considered. It must be ensured that the minimum

auftretenden Lötstellentemperaturen deutlich über der Solidustemperatur des Lotes liegen.occurring soldering temperatures are well above the solidus temperature of the solder.

From the factors mentioned influencing the temperature-time regime at the solder joints follows that every new, to be manufactured LP type a change in process parameters (heating power in the zones, transport speed) is required to

optimale Lötbedingungen herstellen zu können.to produce optimal soldering conditions.

This proves to be very complicated in practice, since in general there is little knowledge about the process. In particular

im Zusammenhang mit der flexibel automatisierten Fertigung von bestückten LP in der Oberflächenmontagetechnologie (SMT)gewinnt die Minimierung der Umrüstzeiten eine besondere Bedeutung. Weiterhin ist es erforderlich, den IR-Reflowlötprozeß soeinzustellen, daß die Anzahl der Lötfehler minimal ist.minimization of changeover time gains special importance in connection with the flexible automated production of assembled PCBs in surface mounting technology (SMT). Furthermore, it is necessary to set the IR reflow soldering process so that the number of soldering defects is minimum.

embodiment

Bei dem Verfahren zur Ermittlung optimaler Einstellungen der Heizleistungen in den verschiedenen Heizzonen und der Transportgeschwindigkeit der LP durch den Ofen sind drei unterschiedliche Phasen voneinander zu unterscheiden.In the method for determining optimum settings of the heating powers in the various heating zones and the transport speed of the LP through the furnace, three different phases are to be distinguished from each other.

Phase 1: Es existieren keine a priori-Kenntnisse über den Prozeß. Durch Anwendung bestimmter Algorithmen werden mit dem Modul (10) unter Verwendung von zusammengehörigen Datensätzen von den Prozeßparametern, den Parametern des Temperatur-Zeit-Profils der Lötstellen und den Qualitätsparametern der Lötstellen, quantitative Abhängigkeiten der Qualitätsparameter der Lötstellen von den Prozeßparametern sowie der Parameter der Temperatur-Zeit-Profile von den Prozeßparametern ermittelt und im Modul (9) gespeichert. Diese Datensätze wurden im Ergebnis gezielter Versuche aus Versuchs-LP erhalten und sind in den Modulen (4, 5,6) gespeichert. Die Parameter der Temperatur-Zeit-Profile werden mit Modul (12) aus den einzelnen Meßdaten des Temperatur-Zeit-Profils ermittelt, die in Modul (8) gespeichert sind. Diese ermittelten Parameter werden im Modul (6) gespeichert. Unter Verwendung der Optimierungsziele (minimale Lötfehlerzahl, hohe Zuverlässigkeit), die im Modul (14) gespeichert sind, erfolgt im Modul (13) unter Anwendung der Modelle in Modul (9) die Ermittlung optimaler Parameter des Temperatur-Zeit-Profils sowie optimaler Prozeßparameter für die Versuchs-LP, die anschließend in den Modulen (7) und (3) gespeichert werden. Die charakteristischen Merkmale der Versuchs-LP (LP 1) wie beispielsweise die geometrischen Abmessungen der LP, die Gesamtzahl der Bauelemente, die Verteilung jeder Bauelementeart auf der LP, das Leiterplattenbasismaterial, die Dicke der Kupferkaschierung, das Verhältnis von Kupferkaschierungsfläche zur Gesamtoberfläche der Leiterplatte und der Schmelzpunkt der Lotpaste werden in den Speicher (3) eingegeben.Phase 1: There is no a priori knowledge about the process. By applying certain algorithms to the module (10) using related data sets of the process parameters, the parameters of the temperature-time profile of the solder joints and the quality parameters of the solder joints, quantitative dependencies of the quality parameters of the solder joints of the process parameters and the parameters of the temperature Time profiles of the process parameters determined and stored in the module (9). These data sets were obtained as a result of targeted experiments from experimental LP and are stored in the modules (4, 5,6). The parameters of the temperature-time profiles are determined with module (12) from the individual measurement data of the temperature-time profile, which are stored in module (8). These determined parameters are stored in the module (6). Using the optimization targets (minimum soldering error number, high reliability) stored in the module (14), in the module (13), using the models in module (9), determine optimal temperature-time profile parameters and optimal process parameters for the trial LP, which are then stored in modules (7) and (3). The characteristic features of the experimental LP (LP 1) such as the geometric dimensions of the LP, the total number of components, the distribution of each type of component on the LP, the PCB base material, the thickness of the copper lining, the ratio of Kupferkaschierungsfläche to the entire surface of the circuit board and the Melting point of the solder paste is input to the memory (3).

Phase 2: Die Aufgabe besteht nun darin, für einen neuen Leiterplattentyp (LP2) die optimalen Prozeßparameter zu ermitteln. Da weitere Prozeßkenntnisse noch nicht existieren, wird zunächst für diesen LP-Typ die optimale Prozeßeinstellung der Versuchs-LP gewählt und aus dem Speicher (3) abgerufen. Mit den erhaltenen Meßwerten für das Temperatur-Zeit-Profil [Modul (8)] erfolgt eine Bestimmung der aktuellen Parameter des Temperatur-Zeit-Profils mittels Modul (12). Damit wird mit Modul (15) ein Gütekriterium ermittelt, das als Abstandsmaß von den optimalen Profilparametern interpretiert werden kann, die im Modul (7) gespeichert sind. Auf der Grundlage spezifischerr Algorithmen wird mit Modul (17) ein Suchprozeß veranlaßt, wobei ein Informationsaustausch über den Kommunikationsmodul (2) erfolgt. Dem Anlagenfahrer werden Prozeßeinstellungen vorgeschlagen, während die Ergebnisse der Einstellungen (Datensätze der Temperatur-Zeit-Verläufe an ausgewählten Lötstellen) vom Anlagenfahrer über den Kommunikationsmodul (2) eingegeben werden und automatisch im Speichermodul (8) abgelegt werden. Die optimalen Prozeßparameter sind gefunden, wenn das Genauigkeitskriterium erreicht ist, das aus dem Modul (18) abgerufen wird. Die optimalen Prozeßparameter werden im Modul (3) gespeichert und den bereits eingegebenen charakteristischen Merkmalen der LP zugeordnet. Gleichzeitig erfolgt eine Ausgabe der optimalen Prozeßparameter über den Kommunikationsmodul (2). Mit den Datensätzen von Prozeßparametern und Profilparametern erfolgt mit Algorithmen des Moduls (16) eine Anpassung der Modelle, die im Modellspeicher (9) abgelegt sind, an die Spezifik der LP2. Dieses angepaßte Modell wird im Speicher (9) abgelegt.Phase 2: The task now is to determine the optimal process parameters for a new PCB type (LP2). Since further process knowledge does not yet exist, the optimal process setting of the trial LP is first selected for this type of LP and retrieved from the memory (3). With the obtained measured values for the temperature-time profile [module (8)], the current parameters of the temperature-time profile are determined by means of module (12). Thus, a quality criterion is determined with module (15), which can be interpreted as a distance measure of the optimal profile parameters that are stored in the module (7). On the basis of specific algorithms, a search process is initiated with module (17), whereby an information exchange takes place via the communication module (2). The plant operator is proposed process settings, while the results of the settings (records of temperature-time profiles at selected solder joints) are entered by the plant operator via the communication module (2) and automatically stored in the memory module (8). The optimal process parameters are found when the accuracy criterion retrieved from the module (18) is reached. The optimum process parameters are stored in the module (3) and assigned to the already entered characteristic features of the LP. At the same time an output of the optimal process parameters via the communication module (2). With the data sets of process parameters and profile parameters, algorithms of the module (16) are used to adapt the models stored in the model memory (9) to the specifics of the LP2. This adapted model is stored in memory (9).

Phase 3: Mit dem Vorlegen der LP3 beginnt eine veränderte Strategie. Dabei werden zuerst die charakteristischen Merkmale der LP3 ermittelt, in den Speicher (3) und in den Modul (11) zur LP-Erkennung eingegeben. Mit Hilfe spezifischer Algorithmen wird im Modul (11) anhand dieser charakteristischen Merkmale ein Vergleich der LP3 mit den bereits im Modul (3) gespeicherten LP-Typen durchgeführt. Die ähnlichste LP wird ermittelt, die dazugehörigen optimalen Prozeßparameter werden aus dem Speicher (3) abgerufen und an der Anlage eingestellt. Nun wird wiederum ein Suchablauf durch den Modul (17) in der bereits beschriebenen Weise veranlaßt.Phase 3: The presentation of the LP3 begins a different strategy. In this case, the characteristic features of the LP3 are first determined, entered into the memory (3) and into the module (11) for LP detection. With the aid of specific algorithms, a comparison of the LP3 with the LP types already stored in the module (3) is carried out in the module (11) on the basis of these characteristic features. The most similar LP is determined, the associated optimal process parameters are retrieved from the memory (3) and set at the plant. Now again a search process is initiated by the module (17) in the manner already described.

In dieser Weise wird das Verfahren bei jedem neuen LP-Typ wiederholt, so daß ein ständiger Wissenszuwachs entsteht. Damit wird die Ermittlung der optimalen Prozeßparameter immer effektiver, d. h. mit weniger Aufwand möglich.In this way, the process is repeated every new LP type, so that a constant increase in knowledge arises. Thus, the determination of the optimal process parameters becomes more effective, d. H. possible with less effort.

Claims

A method of optimizing the infrared (IR) reflow soldering process in the

Surface Mounted Technology (SMT) for fabricated printed circuit boards (LP) where there are multiple IR heating zones located above and below the LP transport system, whose heating powers and LP transport speeds (process parameters) can be varied within certain ranges the optimum process parameters are determined effectively for each type of board to be soldered, characterized in that on the basis of determining dependencies between quality characteristics of the solder joints and the process parameters and parameters of the temperature-time profile of selected solder joints and process parameters and known quality requirements for the Soldering process optimal parameters and optimal parameters of the temperature-time profile are determined and stored that when specifying a new LP-type using these dependencies, a quality criterion and by applying certain algorithms di e optimal process parameters for this new LP type are determined and stored, that for each type of LP very specific characteristics are determined and assigned to the optimal process parameters that from the third to be manufactured LP type on the basis of its characteristic features the most similar, the previously processed LP types and the associated optimal process parameters are determined and set on the system that the current parameters of the resulting temperature-time profile and their deviations from the optimal parameters of the temperature-time profile are determined with Help the quality criterion and by applying certain algorithms determines the optimal process parameters of the LP type to be manufactured and assigned to the characteristics of the LP type and stored that the information accumulated during the process of determining the optimal process parameters, namely the jewei Current process parameters, as well as the resulting current parameters of the temperature-time profile are used to adjust the dependence of the parameters of the temperature-time profile of the process parameters to the respective LP type and that this process for each new LP type repeats is used.

2. The method according to claim 1, characterized in that in a learning phase with the aid of experimental LP specific experiments are performed and from the resulting records of process parameters, parameters of the temperature-time profile of the process at selected solder joints during the passage through the oven, and quality parameters of the solder joints measured at the soldered LP, are determined by applying certain algorithms the dependencies between the quality characteristics of the solder joints and the process parameters and between the parameters of the temperature-time profile and the process parameters.

3. The method according to claim 1, characterized in that for the characterization of the measured at a particular solder joint temperature-time profile, the parameters temperature rise and maximum temperature in the range!, Temperature rise and maximum temperature in the range 2, temperature rise and maximum temperature in the range 3, the area I. be used under the temperature-time profile and the temperature drop in the range 4.

4. The method according to claim 1 and / or 3, characterized in that for the characterization of the determined at a certain solder joint at a certain process setting deviations of the parameters of the temperature-time profile of the optimal parameters as a quality criterion by the arithmetic mean of the optimal parameters Divided sum of the squares of deviation between current and optimal parameters is used and all parameters are scaled by dividing the difference between the measured value of the parameter and the minimum value by the difference between maximum and minimum values and thereby comparability between parameters of different physical units is reached.

5. The method according to claim 1, characterized in that are used as characteristic features for each LP type such features that allow a clear distinction of the LP types.

6. The method according to any one of claims 1 and 5, characterized in that the characteristic features of the LP are determined in the search for the most similar to a new LP LP type from a set of different LP types already processed, the appropriate distance to

Evaluation of the differences in the characteristics is selected, that LP is selected whose distance measure to the new LP has the smallest value, the present optimal process parameters of this most similar LP called and applied to the new LP and thus a more effective determination of the optimal process parameters is enabled ,

7. Arrangement for optimizing the process parameters of the infrared reflow soldering process in the surface mounting technology, characterized in that using the data sets of process parameters, parameters of the temperature-time profile and quality characteristics of the solder joints in the memory modules (4), (5) and (6) are stored, the dependencies of the quality characteristics and the parameters of the temperature-time profile of the process parameters in a module (10) are determined and using the optimization targets in the module (14) and the optimization module (13) the optimal parameters determined in the temperature-time profile of solder joints and stored in the memory module (7) that with the stored in the module (8) records the temperature-time profiles Profifemperatur determined with specific algorithms of the module (12) and in the module (6 ) are stored, that with the current parameters of the temperature-time profile, in the module (6) fedi chert, as well as the module (7) stored optimal parameters of the temperature-time profile, the quality criterion with the module (15) is determined that using the models of the module (9), the module for determining the quality criterion (15) , a threshold value to be selected from the memory (18) as well as specific algorithms of the module (17) determining optimum process parameters and their output via a communication module (2) and assigning these optimal process parameters to the characteristic features and storing them in the memory (3).

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that in the presence of a corresponding process knowledge, which is determined by the presence of at least 2 sets of characteristic LP characteristics and associated optimal process parameters in the module (3), in the presence of a new LP type and its characteristic features with the help of the LP detection module (11) based on these features of the most similar LP type determined whose optimal process parameters retrieved from memory (3), output via the communication module (2) and set on the system.

9. Arrangement according to claim 7 and 8, characterized in that the resulting during the determination of the optimal process parameters records of process parameters and parameters of the temperature-time profile using the module (16) for adjusting the stored in the memory (9) models, which are used to quantify the dependencies between the parameters of the temperature-time profile of the solder joints of the process parameters, and the automatic interaction of all modules of the arrangement by the control module (19) takes place.

For this 2 pages drawings