DE19601181A1 - Lötvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lötvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind verschiedene Lötvorrichtungen zur Herstellung von Lötver­ bindungen bekannt. Neben den herkömmlichen Lötkolben werden bei der industriellen Fertigung zunehmend Laserlötvorrichtungen eingesetzt.

Bei einem Lötkolben wird die Lötspitze, an deren Ende sich der Löt­ punkt befindet, durch eine Heizpatrone erwärmt. Die Lötspitze dient als Wärmeübetragungskörper, durch den die in der Heizpatrone ent­ stehende Wärme auf das Lot übertragen wird. Durch den Kontakt des Lötpunktes mit dem Lot wird dieses verflüssigt. Die Heizpatrone ist von einem Mantel umgeben, der sich an einem Ende zu einer Lötspit­ zenaufnahme verjüngt. Die Lötspitze ist in dieser Aufnahme mittels einer Schraube gehaltert, wodurch ein Austausch der Lötspitze ermöglicht ist. Die Heizpatrone besteht aus einem zylinderförmigen Körper mit einer Widerstandsheizung als Energiequelle. Normaler­ weise ist der Heizwiderstand über ein Stromkabel an eine Span­ nungsreglereinheit angeschlossen, die über ein 220V-Netzkabel an­ schließbar ist und die die Temperatur der Lötspitze regelt. Die Wärmeenergie der Heizpatrone wird teilweise durch direkten mecha­ nischen Kontakt, aber auch durch Wärmestrahlung auf die Lötspitze übertragen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Wärmeenergie von der Lötspitze entfernt erzeugt wird und über die geringe Querschnittsfläche der langgestreckten Löt­ spitze zum Lötpunkt transportiert werden muß. Dadurch tritt eine zeitliche Verzögerung beim Aufheizvorgang ein. Da die Heizpatrone und der sie umgebende Mantel eine relativ große Wärmekapazität be­ sitzen, erfolgt auch eine starke zeitliche Verzögerung nach dem Abschalten der Widerstandsheizung beim Abkühlen der Lötspitze. Au­ ßerdem muß die Temperatur der Widerstandsheizung immer erheblich über der Temperatur des Lötpunktes liegen, um einen genügend großen Wärmetransport zum Lötpunkt hin zu gewährleisten. Über den Mantel der Widerstandsheizung tritt außerdem ein nicht erwünschter Wärme­ verlust auf, der zur Aufheizung von empfindlichen Bauteilen in der Nähe des Mantels führen kann. Wegen der verschiedenen Komponenten, nämlich Heizpatrone, Lötspitze, Mantel, Stromkabel etc., ist ein derartiger Lötkolben relativ schwer. Dies ist für eine schnelle Handhabbarkeit, wie sie bei modernen Fertigungsanlagen benötigt wird, von Nachteil. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Heizpatrone ein störanfälliges Verschleißteil ist, das in regel­ mäßigen Abständen ausgewechselt werden muß. Ein plötzlicher Ausfall der Heizpatrone kann zu einer Unterbrechung der Produktion führen. Außerdem sind herkömmliche Lötkolben relativ groß und nur mit er­ heblichem Aufwand miniaturisierbar. Klein dimensionierte Lötkolben sind aber erforderlich, wenn die Abstände der Kontakte elektroni­ scher Bauteile, so zum Beispiel bei miniaturisierten Baugruppen, dicht benachbart sind.

Insbesondere bei vorbeloteten mikroelektronischen Bauelementen mit sehr dünnen, zahlreichen, parallelen Kontakten (sog. Leads) mit geringen Abständen (fine pitch) werden Laserlötvorrichtungen im TAB-Lötverfahren (Tape automatic bonding) verwendet. Bei Laser­ lötvorrichtungen wird die Wärmeenergie, die benötigt wird, um das Lot zu verflüssigen, durch einen Laser erzeugt. Hierfür kommen als Energiequellen kontinuierliche (cw) Festkörperlaser (Nd-YAG), ge­ pulste Festkörperlaser oder kontinuierliche CO₂-Laser in Betracht. Laser ermöglichen die Strahlführung mittels einer Lichtleiterfaser. Durch die Absorption des Laserlichts, entweder durch das Lot direkt oder durch das zu verlötende Werkstück wird das Lot erhitzt. Die Energiezufuhr erfolgt somit berührungslos ohne Wärmeübertragungs­ körper. Ein wesentliches Problem beim Laserlöten ist die Steuerung und Kontrolle der Energieeinkopplung und der Aufheizung der Löt­ stellen auf eine bestimmte Temperatur. Für unterschiedliche Löt­ stellen sind unterschiedliche Laserleistungen notwendig. Bei nicht angepaßter Laserleistung besteht die Gefahr, daß sogenannte kalte Lötstellen entstehen oder das Werkstück zerstört wird. Um dies zu verhindern, ist mit der EP 0 402 830 B1 ein aufwendiges Verfahren zur Kontrolle des Temperaturverlaufs während des Lötprozesses vor­ geschlagen worden. Häufig tritt auch beim Laserlöten aufgrund der plötzlichen lokalen Erwärmung ein Verspritzen des Lotes und des Flußmittels auf und es entstehen unkontrolliert Lötkugeln, die Kurzschlüsse zwischen benachbarten Anschlüssen verursachen können. Um dies zu verhindern, werden gemäß DE 40 13 569 C1 Lötformteile für die Anschlüsse vorgeschlagen. Um die miteinander zu verlötenden Anschlüsse in mechanischen Kontakt zu bringen, sind bei Laserlöt­ vorrichtungen zusätzliche mechanische Vorrichtungen, zum Beispiel Niederhalter bzw. Nadelspitzen, notwendig oder die zu verlötenden Anschlüsse müssen speziell geformt sein, damit beim Aneinanderfügen der Bauteile die Anschlüsse federnd aufeinander liegen.

Da Laserstrahlen erhöhten Sicherheitsvorschriften unterliegen, müs­ sen Vorkehrungen getroffen werden, daß der Laserstrahl und alle möglichen Reflexe während des Lötvorganges vollständig abgeschirmt sind. Diese Vorkehrungen sind sehr aufwendig und schränken somit die Anwendungsmöglichkeiten ein.

Aus der DE 35 36 023 A1 ist eine Lötvorrichtung bekannt, bei der ein vertikal verschiebbarer Tiegel, der von unten mit einem Laser­ strahl erwärmt wird, als Wärmeübertragungskörper dient. Die Führung des Laserlichtstrahls erfolgt mit Hilfe von Spiegeln vom Laser bis an die Unterseite des Tiegels. Der Tiegel wird mechanisch unter den zu verlötenden Draht gefahren, bis das Drahtende, das durch ein Loch in eine Leiterbahn ragt, in das flüssige Lot eintaucht und das Lot den Kontakt zwischen Draht und Leiterbahn schließt. Ein wesent­ licher Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß der Tiegel während des Lötvorganges immer waagerecht angeordnet sein muß, da andernfalls das Lot aus dem Tiegel ausläuft. Damit ist die Anwendung dieser Vorrichtung auf die bereits erwähnte Möglichkeit beschränkt. Der Tiegel kommt beim Lötvorgang nicht in Kontakt mit dem Draht. Somit kann keine Kraft auf die zu verlötenden Teile ausgeübt werden, um sie etwa mechanisch in Kontakt zu bringen. Mit dieser Vorrichtung ist es nicht möglich, sehr eng benachbarte Anschlüsse zu verlöten, da der Tiegel einen erheblichen Platzbedarf hat.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laser­ lötvorrichtung zu schaffen, die die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist, die insbesondere eine geringe Masse besitzt, bei der die Wärmeerzeugung in unmittelbarer Nähe des Lötpunktes er­ folgt, die leicht in verschiedenen Größen herstellbar ist, die kei­ ne aufwendigen Sicherheitsvorkehrungen benötigt, die einfach aufge­ baut und die kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lötvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, das Lot nicht durch das Laserlicht direkt, sondern mit Hilfe einer Lötspitze auf­ zuheizen, die durch das Laserlicht erwärmt wird. Das Laserlicht wird mittels eines Lichtleiters zu der innen hohlen Lötspitze ge­ führt. Somit ist der gesamte Laserlichtstrahl vollständig abge­ schirmt. Die Absorption des Laserlichtstrahls erfolgt an der Innen­ wand der Lötspitze in unmittelbarer Nähe des Lötpunktes; dadurch treten keine Verzögerungen beim Aufwärmen auf. Nach dem Abschalten des Laserlichtstrahls erfolgt die Abkühlung des Lötpunktes eben­ falls ohne Verzögerung, da die Wärmekapazität der Lötspitze relativ gering ist. Da der Laserlichtstrahl im Prinzip beliebig verkleinert werden kann, kann die Lötspitze ebenfalls im Prinzip sehr klein dimensioniert werden. Die Halterungen und Lichtleiter sind eben­ falls ohne Aufwand verkleinerbar. Dies ist bei der Verlötung von modernen Halbleiterbauelementen mit immer kleineren Anschlußlei­ tungen, die in großer Zahl nebeneinander angeordnet sind, von er­ heblicher Bedeutung.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt einer er­ findungsgemäßen Lötvorrichtung teilweise in schematischer Darstel­ lung.

Die dargestellte Lötspitze 1 besteht aus einem zylindrischen Hohl­ körper der sich an einem Ende kegelförmig zu einem Lötpunkt 2 ver­ jüngt. Das offene Ende der Lötspitze 1 ist durch einen, vorzugs­ weise aufgeschraubten Deckel 5 verschlossen. Der Deckel 5 weist eine Deckelöffnung 6 auf, an der ein Lichtleiter 10 endet, über den ein Laserlichtstrahl 30 eines in der Zeichnung nicht dargestellten Lasers in den Innenraum 9 der Lötspitze 1 geführt wird. Der Licht­ leiter 10 besteht vorzugsweise aus einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kunststoffaser, die von einer Isolation 11 umgeben ist. An einem Ende der Lötspitze 1 ist eine Manschette 3 vorgese­ hen, an der eine Halterung 4 angebracht ist. Diese Halterung 4 ist vorzugsweise mit dem Arm einer automatischen Positioniereinheit verbindbar oder als Handhalter ausgebildet. Auf der Außenwand 8 der Lötspitze 1 ist ein Temperatursensor 20 angebracht. Der Temperatur­ sensor 20 ist über eine Anschlußleitung 21 mit einer in der Zeich­ nung nicht dargestellten Lasersteuereinheit verbunden. Der Innen­ raum 9 der Lötspitze 1 wird im wesentlichen von einer absorbieren­ den Oberfläche 7 begrenzt. Die Oberfläche 7 ist so ausgebildet, daß bei der Absorption des Laserlichtstrahls 30 kein Materialabtrag stattfindet. Durch Materialabtrag können im Innenraum 9 Metalldämp­ fe entstehen, die sich im Bereich der Deckelöffnung 6 auf dem Lichtleiter 10 niederschlagen und möglicherweise den Laserlicht­ strahl beeinflussen. Dies kann vorzugsweise durch eine entsprechen­ de Beschichtung der Oberfläche 7 verhindert werden. Die Oberfläche der Außenwand 8 ist im Bereich des Lötpunktes 2 entsprechend be­ handelt, um eine optimale Wärmeübertragung zu ermöglichen und um eine lange Lebensdauer der Lötspitze 1 zu gewährleisten. Neben abgerundeten Lötpunkten 2 sind auch andere den Anschlüssen angepaß­ te Formen denkbar.

Im folgenden ist die Funktionsweise der Lötvorrichtung näher erläu­ tert.

Über den Lichtleiter 10 wird der Laserlichtstrahl 30 eines Lasers durch die Deckelöffnung 6 in den Innenraum 9 der Lötspitze 1 ge­ führt. Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen sind nicht erforderlich, da der Laserlichtstrahl 30 vollständig eingeschlossen ist und nicht in den Außenbereich gelangt. An der Oberfläche 7 wird der Laserlicht­ strahl 30 absorbiert. Dadurch wird die Lötspitze 1 insbesondere im Bereich des Lötpunktes 2 schnell erwärmt. Die Lötspitze 1 strahlt erheblich weniger Wärme in die Umgebung ab als ein herkömmlicher Lötkolben. Der Lötpunkt 2 wird in bekannter Weise auf den zu verlö­ tenden Anschluß eines Bauelementes aufgesetzt, so daß dieser mecha­ nisch auf die Anschlußfläche einer Leiterbahn gedrückt wird. Dies kann von Hand oder durch eine automatische Positioniereinheit er­ folgen. Da die Masse der Lötspitze 1 mit Lichtleiter 10 sehr gering ist, können im automatischen Betrieb schnelle Bewegungen durchge­ führt werden. Dadurch verringert sich die Arbeitszeit für einen Lötschritt. Die Wärmeenergie der Lötspitze 1 fließt über den Löt­ punkt 2 auf den Anschluß und auf die Anschlußfläche. Das an den Lötpunkt 2 gebrachte Lot verflüssigt sich und verteilt sich auf die zu verlötenden Teile. Durch das flüssige Lot findet ein zusätzli­ cher Wärmetransport statt. Danach wird die Lötspitze 1 abgehoben. Das Lot erkaltet und stellt die leitende Verbindung zwischen An­ schluß und Anschlußfläche her. Über den Temperatursensor 20 wird die Temperatur des Lötpunktes 2 in einfacher Weise gemessen. Das Meßsignal wird über die Anschlußleitungen 21 der Lasersteuereinheit zugeführt. Die Lasersteuereinheit regelt die Leistung des Laser­ lichtstrahls 30 und damit die Wärme, die durch Lichtabsorption er­ zeugt wird. Dadurch ist gewährleistet, daß die Temperatur des Löt­ punktes 2 optimal dem Lötprozeß angepaßt ist. Lokale Überhitzungen des Lotes sind nicht möglich. Somit können auch keine unerwünschten Lötkugeln entstehen. Die Lötspitze ist schnell entsprechend der Lötaufgabe austauschbar. Hierzu wird der Deckel 5 abgeschraubt und eine neue Lötspitze 1 aufgesetzt. Auch kann die Laserlichtquelle leicht durch Umsetzen des Lichtleiters 10 auf eine weitere Laser­ lichtquelle ausgetauscht werden.

Je nach Lötaufgabe können kontinuierliche (cw) Festkörperlaser (Nd-YAG), gepulste Festkörperlaser oder kontinuierliche CO₂-Laser ein­ gesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Lötspitze
2 Lötpunkt
3 Manschette
4 Halterung
5 Deckel
6 Deckelöffnung
7 Oberfläche
8 Außenwand
9 Innenraum
10 Lichtleiter
11 Isolation
20 Temperatursensor
21 Anschlußleitung
30 Laserlichtstrahl

Claims (5)

1. Lötvorrichtung, bestehend aus einem Wärmeübertragungskörper mit einer lichtabsorbierenden Oberfläche, einer Lasereinheit mit einem Laser und einer Lasersteuereinheit, zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls, der über eine Führung, die zwischen dem Laser und der lichtabsorbierenden Oberfläche angeordnet ist auf die lichtabsorbierende Oberfläche führbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertragungskörper als Lötspitze (1) ausgebildet ist und die lichtabsorbierende Oberfläche (7) im Innenraum (9) der Lötspitze (1) angeordnet ist.

2. Lötvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung als Lichtleiter (10) ausgebildet ist.

3. Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenwand (8) der Löt­ spitze (1) ein Temperatursensor (20) angebracht ist, der über eine Anschlußleitung (21) mit der Lasersteuereinheit verbindbar ist.

4. Lötvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser als kontinuierlicher oder gepulster Laser ausgebildet ist.

5. Lötvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser als Festkörper oder Gaslaser ausgebildet ist.