PL228935B1 - Sposób wytwarzania urządzeń elektronicznych o zoptymalizowanej zawartości srebra w połączeniach lutowanych - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania urządzeń elektronicznych, w którym do przygotowanych obudów montuje się układy elektroniczne zawierające płytki z obwodami drukowanymi (PCB) z przylutowanymi do nich elementami elektronicznymi, charakteryzujący się tym, że do lutowania poszczególnych elementów elektronicznych stosuje się dedykowane spoiwo lutownicze, które przygotowuje się tak, że miesza się spoiwo lutownicze o określonej pierwotnej zawartości srebra ze sproszkowanym nanosrebrem o wielkości cząstek od 40 do 60 nanometrów w otoczce karboksylowej do uzyskania pożądanej zawartości srebra w spoiwie.

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228935 (13) B1 (51) Int.CI.

(21) Numer zgłoszenia: 415917 H05K 3/34 (2006.01)

B23K 35/40 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 27.01.2016

Sposób wytwarzania urządzeń elektronicznych o zoptymalizowanej zawartości srebra w połączeniach lutowanych

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	TOPIĆ PREDRAG RENEX, Włocławek, PL
31.07.2017 BUP 16/17	(72) Twórca(y) wynalazku:
	PREDRAG TOPIĆ, Włocławek, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.05.2018 WUP 05/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Adam Pawłowski

m co σ>

co

CM

CM

Q_

PL 228 935 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania urządzeń elektronicznych o zoptymalizowanej zawartości srebra w połączeniach lutowanych i stanowisko do wytwarzania urządzeń elektronicznych o zoptymalizowanej zawartości srebra w połączeniach lutowanych.

Różnego rodzaju urządzenia elektroniczne zawierają zwykle układy elektroniczne zawierające płytki z obwodami drukowanymi (zwane również płytkami PCB, ang. Printed Circuit Board) z przylutowanymi do nich elementami elektronicznymi.

Lutowanie to ogólnie metoda trwałego spajania elementów metalowych za pomocą metalowego spoiwa lutowniczego zwanego lutem o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych elementów. Podczas lutowania powierzchnia łączonych metali nie zostaje stopiona, a trwałe połączenie następuje dzięki wystąpieniu zjawiska adhezji i płytkiej dyfuzji. Spoiwo lutownicze wnika w szczelinę między elementami lutowanymi oraz mikropory materiału lutowanego dzięki zjawisku zwilżania powierzchni elementów lutem.

W zastosowaniach przemysłowych, podczas lutowania elementów elektronicznych na płytkach z obwodami drukowanymi występuje problem optymalnego doboru składu spoiwa lutowniczego w zależności od elementów lutowanych do płytki, tak aby optymalnie wykonać połączenia.

Handlowo dostępne spoiwa lutownicze mają pewne ustandaryzowane składy. Przykładowo, spoiwa lutownicze dostępne w postaci sztab, firmy Kester (USA), mają następujące zawartości składników:

- Sn 96,5% + Ag 3% + Cu 0,5%

- Sn 97% + Ag 3%

- Sn 100%

- Sn 63% + Pb 37%

Z kolei spoiwa lutownicze w postaci past lutowniczych, firmy Kester (USA) mają następujące zawartości składników:

- Sn 96,5% + Ag 3% + Cu 0,5%

- Sn 99% + Ag 0,3% + Cu 0,7%

- Sn 63% + Pb 37%

- Sn 62% + Pb 36% + Ag 2%

Możliwe jest ponadto wykonanie na zamówienie spoiwa lutowniczego o indywidualnie dobranym dla potrzeb danej produkcji składzie, lecz w praktyce jest to długotrwałe (średni czas oczekiwania u producentów to co najmniej kilka tygodni), wymaga zamówienia dużej ilości produktu (przykładowo, powyżej 100 kg) i kosztowne (koszt spoiwa o specjalnie dobranym składzie jest znacznie wyższy od kosztu spoiwa o standardowym składzie).

Powoduje to w praktyce niemożność optymalnego doboru spoiwa lutowniczego do potrzeb projektu wytwarzanej płytki PCB - w praktyce stosuje się standardowe spoiwa o parametrach najbardziej zbliżonych do potrzeb, lecz zwykle odbiegają one od parametrów optymalnych. Z tego powodu proces lutowania nie jest wykonywany optymalnie, część elementów bywa przylutowanych nieprawidłowo, co powoduje powstanie odpadów na linii produkcyjnej lub szybsze uszkodzenia lutowanych połączeń w trakcie użytkowania produktu.

Jednym ze parametrów spoiwa lutowniczego, który powinien być indywidualnie dobrany do potrzeb danego połączenia pomiędzy elementem elektronicznym a płytką PCB jest zawartość srebra w spoiwie.

Celowym byłoby zatem opracowanie usprawnień w technologii lutowania elementów elektronicznych, który umożliwi wytwarzanie urządzeń elektronicznych o optymalnej zawartości srebra w spoiwie pomiędzy elementami elektronicznymi a płytką drukowaną.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania urządzeń elektronicznych, w którym do przygotowanych obudów montuje się układy elektroniczne zawierające płytki z obwodami drukowanymi (PCB) z przylutowanymi do nich elementami elektronicznymi, charakteryzujący się tym, że do lutowania poszczególnych elementów elektronicznych stosuje się dedykowane spoiwo lutownicze, które przygotowuje się tak, że miesza się spoiwo lutownicze o określonej pierwotnej zawartości srebra ze sproszkowanym nanosrebrem o wielkości cząstek od 40 do 60 nanometrów w otoczce karboksylowej do uzyskania pożądanej zawartości srebra w spoiwie.

PL 228 935 B1

Korzystnie, elementy elektroniczne lutuje się w technologii montażu powierzchniowego za pomocą spoiwa w postaci pasty lutowniczej, którą przygotowuje się w mieszalniku ultradźwiękowym mieszając pastę lutowniczą o określonej pierwotnej zawartości srebra ze sproszkowanym nanosrebrem, utrzymując podwyższoną względem otoczenia temperaturę mieszania, korzystnie 70°C.

Korzystnie, elementy elektroniczne lutuje się w technologii montażu przewlekanego na fali wytworzonej w wannie lutowniczej ze stopionego spoiwa lutowniczego, które przygotowuje się poprzez stopienie spoiwa lutowniczego o określonej pierwotnej zawartości srebra i dodanie sproszkowanego nanosrebra.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania, na którym:

Fig. 1 przedstawia schemat stanowiska do przygotowania dedykowanego spoiwa lutowniczego w postaci pasty lutowniczej.

Fig. 2 przedstawia schemat stanowiska wanny lutowniczej do przygotowania dedykowanego spoiwa lutowniczego ze stopionych sztabek.

Fig. 3 przedstawia schemat linii technologicznej do wytwarzania urządzeń elektronicznych.

Fig. 1 przedstawia schemat stanowiska do przygotowania dedykowanego spoiwa lutowniczego w postaci pasty lutowniczej o indywidualnie dobranych parametrach, w szczególności o pożądanej zawartości srebra. Stanowisko 100 wyposażone jest w mieszalnik ultradźwiękowy 101 z grzałką 102, do którego doprowadzane są surowce do przygotowania dedykowanego spoiwa lutowniczego: standardowa pasta lutownicza 111 i sproszkowane nanosrebro w otoczce karboksylowej 112.

Stosuje się pastę lutowniczą 111 o pewnej pierwotnej zawartości srebra, przykładowo 3% wag. Do tej pasty dozuje się następnie odpowiednią ilość sproszkowanego nanosrebra w otoczce karboksylowej 112, w zależności od pożądanego poziomu zawartości srebra w produkcie końcowym.

Stosuje się nanosrebro o wielkości cząstek od 40 do 60 nanometrów w otoczce karboksylowej. Zastosowanie nanosrebra o tak dobranej wielkości cząstek umożliwia bardzo dobrą dyspersję nanosrebra w paście lutowniczej. Tak duże rozdrobnienie dodatku w postaci nanosrebra zapewnia dużą powierzchnię kontaktu, a więc reakcji nanosrebra z pozostałymi substancjami. Zastosowanie otoczki karboksylowej, w proporcji wagowej otoczka:srebro równej 1:99 po pierwsze powstrzymuje aglomerację cząstek nanosrebra w zbiorniku z nanosrebrem 112. Po drugie, otoczka taka jest neutralna dla procesu lutowania, gdyż w tak niewielkiej ilości ulega podczas lutowania rozkładowi - tlen i wodór unoszą się do atmosfery, a niewielkie ilości węgla zostają spalone.

W celu przygotowania dedykowanej pasty lutowniczej, do mieszalnika 101 podaje się w odpowiednich proporcjach pastę lutowniczą 111 i sproszkowane nanosrebro 112, po czym podgrzewa się je (korzystnie, do temperatury ok. 70°C) i prowadzi się mieszanie do momentu dokładnego wymieszania się składników (korzystnie, przez ok. 30 minut). Następnie tak uzyskaną dedykowaną pastę przekłada się do opakowań, z których będzie dozowana na linii lutowania elementów.

Na stanowisku 100 można więc w prosty sposób przygotować spoiwo lutownicze w dedykowanej postaci pasty lutowniczej o składzie precyzyjnie dobranym do planowanego zastosowania do wytworzenia pożądanej płytki PCB. Pastę dedykowaną można przygotować z pasty pierwotnej o niskiej zawartości srebra, które wzbogaca się nanosrebrem do pożądanego poziomu - pozwala to na optymalne dobranie zawartości srebra w produkcie. Mieszalnik może mieć niewielkie rozmiary i umożliwiać przygotowanie spoiwa w niewielkich ilościach, przykładowo kilku kilogramów, do produkcji małoseryjnych. Do produkcji wielkoseryjnych można zastosować stanowisko mieszania z większym mieszalnikiem, umożliwiającym przygotowanie kilkudziesięciu kilogramów produktu. Stanowisko również redukuje straty związane z upływem terminu przydatności do zastosowania pasty lutowniczej - w zakładzie produkcyjnym można zakupić relatywnie dużą ilość pasty jednego rodzaju, która zostanie wykorzystana we wszystkich projektach, z odpowiednimi dla danych projektów dodatkami nanosrebra.

Figura 2 przedstawia schemat stanowiska wanny lutowniczej do tzw. lutowania na fali. Tego typu wanny mają pojemność kilkuset kg spoiwa. Do wanny 201 dozuje się spoiwo w postaci sztabek, które się roztapia w wannie. W zależności od porządnych parametrów spoiwa lutowniczego dla danego projektu lutowania, do wanny dozuje się dodatkowo sproszkowane nanosrebro w otoczce karboksylowej ze zbiornika 212, takie jak opisano w nawiązaniu do elementu 112 fig. 1. Tak więc, w przypadku gdy zawartość srebra w spoiwie lutowniczym w wannie (pozostałego po poprzednim procesie lutowania) jest mniejsza niż zawartość potrzebna dla nowego procesu lutowania, do wanny dozuje się nanosrebro ze zbiornika 212, tak aby uzyskać pożądane stężenie. Jeśli natomiast zawartość srebra w spoiwie lutowniczym w wannie (pozostałego po poprzednim procesie lutowania) jest większa niż zawartość potrzebna dla nowego procesu lutowania, do wanny dozuje się spoiwo pozbawione srebra ze zbiornika

PL 228 935 B1

212 tak, aby obniżyć stężenie srebra do pożądanego poziomu. Stosować można przy tym dwa zbiorniki ze spoiwem: jeden zbiornik ze spoiwem pozbawionym srebra, a drugi zbiornik ze spoiwem z pewną pierwotną zawartością srebra, np. 3% wag.

Pozwala to na precyzyjne dozowanie nanosrebra do wanny lutowniczej i dostosowanie poziomu do poziomu optymalnego dla aktualnego procesu lutowania na fali. Ze względu na to, że spoiwo w wannie podlega procesowi falowania, nanosrebro dodawane do wanny ulega szybkiemu wymieszaniu z pozostałym spoiwem.

Uzyskuje się przy tym analogiczne zalety jak dla spoiwa uzyskiwanego w mieszalniku opisanym w nawiązaniu do Fig. 1.

W ten sposób można przygotowywać płytki PCB do różnych zastosowań.

Figura 3 przedstawia schemat linii technologicznej do wytwarzania urządzeń elektronicznych. Linia technologiczna zawiera następujące komponenty:

- linię przygotowania układów elektronicznych 310, obejmującą:

- linię 311 do montażu powierzchniowego elementów elektronicznych na płytkach PCB (ang. SMT - Surface-Mounting Technology). W linii tej do montażu elementów na płytkach PCB stosuje się roboty lutownicze wykorzystujące dedykowaną pastę lutowniczą przygotowaną sposobem przedstawionym na fig. 1;

- linię 312 do montażu przewlekanego elementów elektronicznych na płytkach PCB (ang. THT Through-Hole Technology). W linii mocuje się elementy do płytek PCB poprzez lutowanie na fali z wykorzystaniem spoiwa przygotowanego sposobem przedstawionym na fig. 2;

- linię przygotowania obudów 320, obejmującą:

- linię przygotowania elementów obudowy 311. W linii tej za pomocą wycinarki laserowej, krawędziarki i/lub lasera wycina się z odpowiednich materiałów elementy obudowy urządzeń i poddaje się je kształtowaniu;

- linię wykańczania elementów obudowy 312. W linii tej przygotowuje się powierzchnie ukształtowanych w linii 311 elementów do malowania i poddaje się je malowaniu, przykładowo malowaniu proszkowemu;

- stanowisko montażu 340. Na tym stanowisku dokonuje się montażu elementów przewlekanych na płytkach PCB i/lub montażu płytek PCB w obudowach;

- stanowisko kontroli jakości 330. Na tym stanowisku dokonuje się kontroli jakości montażu elementów elektronicznych na płytkach PCB, w tym prawidłowości wykonania połączeń lutowniczych, jak również kontroli innych parametrów jakościowych urządzeń.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania urządzeń elektronicznych, w którym do przygotowanych obudów montuje się układy elektroniczne zawierające płytki z obwodami drukowanymi (PCB) z przylutowanymi do nich elementami elektronicznymi, znamienny tym, że do lutowania poszczególnych elementów elektronicznych stosuje się dedykowane spoiwo lutownicze, które przygotowuje się tak, że miesza się spoiwo lutownicze o określonej pierwotnej zawartości srebra ze sproszkowanym nanosrebrem o wielkości cząstek od 40 do 60 nanometrów w otoczce karboksylowej do uzyskania pożądanej zawartości srebra w spoiwie.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy elektroniczne lutuje się w technologii montażu powierzchniowego za pomocą spoiwa w postaci pasty lutowniczej, którą przygotowuje się w mieszalniku ultradźwiękowym mieszając pastę lutowniczą o określonej pierwotnej zawartości srebra ze sproszkowanym nanosrebrem, utrzymując podwyższoną względem otoczenia temperaturę mieszania, korzystnie 70°C.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy elektroniczne lutuje się w technologii montażu przewlekanego na fali wytworzonej w wannie lutowniczej ze stopionego spoiwa lutowniczego, które przygotowuje się poprzez stopienie spoiwa lutowniczego o określonej pierwotnej zawartości srebra i dodanie sproszkowanego nanosrebra.