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Dokumentenidentifikation DE102004036521B4 16.05.2007
Titel Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Licht, Thomas, Dr., 59581 Warstein, DE;
Boettcher, Barbara, 59602 Rüthen, DE;
Raduege, Christian, Dr., 59581 Warstein, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 28.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004036521
Offenlegungstag 23.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse B23K 1/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung. Lötverbindungen sind in der Technik weit verbreitet und als solche allgemein bekannt. Dabei wird ein Lot über seinen Schmelzpunkt erhitzt, mit einem oder mehreren Lötpartnern kontaktiert und anschließend wieder unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt, wodurch es zu einer dauerhaften Lötverbindung zwischen dem Lot und dem Lötpartner kommt. Allerdings können sich dabei insbesondere an der Grenzfläche zwischen dem Lot und dem Lötpartner Gaseinschlüsse bilden, die nach dem Abkühlen des Lotes unter dessen Schmelzpunkt als Hohlräume, sogenannte Lunker, vorliegen.

Derartige Lunker beeinträchtigen zum Einen die mechanische Stabilität der betreffenden Lötverbindung und zum Anderen den elektrischen bzw. thermischen Übergangswiderstand zwischen dem Lot und dem Lötpartner.

Aus der DE 32 40 540 A1 ist ein Verfahren zum Hochtemperatur- und Hartlöten bekannt, bei dem zwischen miteinander zu verbindende Fügeteile ein Lötwerkstoff eingebracht wird. Mittels eines Wandlers wir dem Lötwerkstoff im schmelzflüssigen Zustand gepulster Leistungsschall einer vorgegebenen Frequenz zugeführt. Anstelle eines Wandlers können auch zwei Wandler mit unterschiedlichen vorgegebenen Frequenzen vorgesehen sein.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bereit zu stellen, bei dem derartige Lunker vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Lötverbindung zwischen wenigstens einem Lot und jeweils wenigstens einem Lötpartner hergestellt. Bei dem Verfahren wird das wenigstens eine Lot in fester, pastenartiger oder flüssiger Form bereitgestellt und mit dem jeweils wenigstens einem Lötpartner kontaktiert. Des Weiteren wird das wenigstens eine Lot über seinen Schmelzpunkt erhitzt. Mittels eines Schwingungsgebers wird Schwingungsenergie in das wenigstens eine Lot eingebracht. Anschließend wird das wenigstens eine Lot unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt. Dadurch erstarrt das Lot, so dass es zu einer festen Lötverbindung zwischen Lot und Lötpartner kommt.

Erfindungsgemäß wird dem flüssigen Lot und damit auch den von diesem zumindest teilweise umschlossenen Gaseinschlüssen Energie zugeführt. Hierdurch können sich insbesondere an der Grenzfläche zwischen dem Lot und dem Lötpartner anhaftende Gaseinschlüsse von dieser Grenzfläche losreißen, zu einer Oberfläche des Lotes wandern und schließlich daraus entweichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Lötvorgang in einer evakuierten Kammer ausgeführt, um die Migration der Gaseinschlüsse in Richtung der Oberfläche des Lotes zu unterstützen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird also zum einen das Lot mittels einer Energiequelle, beispielsweise einer Wärmequelle, über seinen Schmelzpunkt erhöht. Zum anderen wird zumindest während eines Zeitintervalls innerhalb der flüssigen Phase des Lotes Schwingungsenergie in das Lot und/oder einen oder mehrere Lötpartner eingebracht.

Die Schwingungsenergie wird vorzugsweise mittels eines Ultraschallgebers oder mittels eines Vibrators erzeugt. Die mittels eines Ultraschallgebers erzeugte Schwingungsenergie liegt in Form einer Schallwellen mit einer Frequenz zwischen typischerweise 10 Hz und 1000 kHz vor. Entsprechend erzeugt ein Vibrator Schwingungsenergie in Form von mechanischen Erschütterungen mit Frequenzen zwischen bevorzugt 1 Hz und 500 Hz.

Eine derartige von einem Schwingungsgeber erzeugte und abgegebene Schwingungsenergie kann nun auf verschiedene Arten in das Lot eingebracht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind ein Lot und ein oder mehrere mit diesem zu verbindende Lötpartner während des Lötvorgangs auf einem Träger, beispielsweise einem beheizbaren Träger, angeordnet. Ist der Träger mit dem Schwingungsgeber verbunden oder kontaktiert, so werden die vom Schwingungsgeber erzeugten Schwingungen über den Träger und ggf. über einen Lötpartner bis hin zum Lot übertragen. Als Schwingungsgeber eignen sich bei dieser mittelbaren Übertragung der Schwingungsenergie über einen Träger bzw. Lötpartner sowohl Ultraschallgeber als auch Vibratoren.

Bei Verwendung eines Ultraschallgebers kann die von diesem ausgehende Schwingungsenergie auch über eine das Lot und den oder die Lötpartner umgebende Atmosphäre auf das Lot übertragen werden. Wird dabei der Lötvorgang in einer evakuierbaren Kammer ausgeführt, so ist es vorteilhaft, einen gewissen Restdruck in der evakuierbaren Kammer aufrechtzuerhalten, um die mit einer Absenkung des Kammerdrucks einhergehende Verschlechterung der Schallübertragung zu begrenzen. Dabei beträgt der Absolutdruck der Atmosphäre in der evakuierbaren Kammer bevorzugt zwischen 0,1 hPa und 500 hPa. Bei einer derartigen Anordnung ist es vorteilhaft, den Ultraschallgeber innerhalb der evakuierbaren Kammer anzuordnen.

Wird der Lötvorgang in einer Kammer, beispielsweise einer evakuierbaren Kammer, ausgeführt und die Schwingungsenergie durch einen Vibrator erzeugt, so ist es ebenso möglich, diesen dauerhaft oder vorübergehend mit der Kammer zu verbinden und oder zu kontaktieren. Dabei kann der Vibrator sowohl im Innenraum als auch im Außenraum der Kammer angeordnet sein. Dadurch wird die vom Vibrator abgegebene Schwingungsenergie zunächst an das Gehäuse der Kammer und von dort über den damit verbunden Träger an das Lot und den oder die Lötpartner übertragen.

Die durch die Schallwelle eines Ultraschallgebers bzw. durch die Erschütterungen eines Vibrators auf einen Lufteinschluss übertragbare Energie hängt insbesondere davon ab, wie gut eine der Eigenfrequenzen des Lufteinschlusses mit der Frequenz der Ultraschallwelle bzw. mit der Vibrationsfrequenz des Vibrators übereinstimmt. Je besser die Übereinstimmung, desto höher ist auch die an den Lufteinschluss übertragene Energie.

In Folge der unterschiedlichen Größen und Geometrien derartiger Gaseinschlüsse ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, die Frequenz des Ultraschallsignals bzw. die Frequenz der vom Vibrator erzeugten Erschütterung kontinuierlich zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz zu verändern, so dass bei allen oder zumindest den meisten der Gaseinschlüsse wenigstens eine Eigenfrequenz mit einer der durchlaufenden Frequenzen übereinstimmt. Dabei ist es beispielsweise möglich, die Frequenz der vom Schwingungsgeber abgegebenen Schwingung beginnend bei der Maximalfrequenz hin zu der Minimalfrequenz zu verändern. Entsprechend ist es auch umgekehrt möglich, die Frequenz des vom Schwingungsgeber abgegebenen Signals beginnend bei einer Minimalfrequenz kontinuierlich bis zu einer Maximalfrequenz zu verändern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, die Frequenz des vom Schwingungsgeber abgegebenen Signals periodisch zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz zu verändern.

Ein weiterer der Anhaftung von Gaseinschlüssen an einer Grenzfläche zwischen Lot und Lötpartner entgegenwirkender Effekt besteht darin, dass durch die eingestrahlte Schwingungsenergie nicht nur die Gaseinschlüsse und das Lot, sondern auch die betreffenden Lötpartner oder ein Träger, auf dem der Lötpartner und das Lot angeordnet sind, in Schwingungen versetzt werden. Hierdurch kommt es innerhalb des Lötpartners bzw. innerhalb der Trägers zur Ausbildung stehender Wellen und abhängig von der Geometrie des Lötpartners bzw. des Trägers sowie abhängig von der Frequenz der vom Schwingungsgeber abgegebenen Welle zur Ausbildung von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen. Dabei ist die auf das Lot und die Gaseinschlüsse übertragene Schwingungsenergie im Bereich von Schwingungsbäuchen am größten.

Da sich die Lage der Schwingungsbäuche abhängig von der Frequenz der eingestrahlten Schwingungsenergie verändert, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Frequenz der in das Lot eingestrahlten Schwingungsenergie, zumindest in der flüssigen Phase des Lotes, zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz kontinuierlich verändert, um an möglichst vielen verschiedenen Stellen des Lötpartners bzw. eines Trägers derartige Schwingungsbäuche zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:

1 einen Abschnitt einer beheizbaren Platte, auf der zwei miteinander zu verlötende Lötpartner eines elektronischen Bauelements mittels eines Lotes gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verlötet werden im Querschnitt,

2 ein in einer evakuierbaren Kammer angeordneter, beheizbarer Träger, auf dem mehrere elektronische Bauelemente gemäß 1 angeordnet sind und der mit einem Schwingungsgeber kontaktiert ist, im Querschnitt,

3a3e einzelne Verfahrensschritte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der Lötverbindungen mehrerer elektronischer Bauelemente in einer evakuierbaren Kammer hergestellt werden, wobei der Schwingungsgeber vorübergehend mit einem beheizbaren Träger kontaktiert oder verbunden wird im Querschnitt,

4a4c einzelne Verfahrensschritte bei der Herstellung von Lötverbindungen mehrerer elektronsicher Bauelemente, wobei ein Schwingungsgeber dauerhaft mit einem beheizbaren Träger kontaktiert oder verbunden ist im Querschnitt,

5a5c einzelne Verfahrensschritte einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem mehrere mit Lötverbindungen zu versehene elektronische Bauelemente auf einem gemeinsamen Transportträger angeordnet sind im Querschnitt,

6 eine Anordnung zur Herstellung von Lötverbindungen bei mehreren elektronischen Bauelementen, bei der ein als Ultraschallgeber ausgebildeter Schwingungsgeber ein Ultraschallsignal über die die Bauelemente umgebende Atmosphäre an die Lote der Bauelemente überträgt im Querschnitt,

7 eine Anordnung zur Herstellung von Lötverbindungen mehrerer elektronischer Bauelemente, die auf einem beheizbaren Träger angeordnet und zusammen mit diesem in einer evakuierbaren Kammer angeordnet sind, wobei die evakuierbare Kammer auf ihrer Außenseite mit einem Schwingungsgeber kontaktiert oder verbunden ist im Querschnitt, und

8 ein Beispiel für einen möglichen zeitlichen Verlauf der Frequenz einer von einem Schwingungsgeber abgegebenen Schallwelle bzw. Erschütterung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

1 zeigt ein elektronisches Bauelement 10, das einen ersten Lötpartner 11 und einen zweiten Lötpartner 12 umfasst, die mittels eines Lotes 13 miteinander verbunden werden sollen.

Bei dem ersten Lötpartner kann es sich beispielsweise um das Substrat eines Leistungshalbleitermoduls handeln, auf das der zweite Lötpartner, beispielsweise ein Leistungshalbleiterchip, aufgelötet werden soll. Derartige Leistungshalbleiterchips weisen verhältnismäßig große Lötflächen zwischen typischerweise 1 mm2 und 5000 mm2 bei Durchmessern bzw. Kantenlängen zwischen 1 mm und 100 mm auf.

Der erste und der zweite Lötpartner 11, 12 weisen jeweils Metallisierungen 11a bzw. 12a auf, die einander zugewandt sind und zwischen denen ein Lot 13 angeordnet ist. Das Lot 13 kann beispielsweise als vorgeformtes Plättchen oder als Paste vorliegen. Es kann auf einen der Lötpartner 11, 12 aufgeschmolzen, aufgeklebt oder mit diesem verpresst sein. Ebenso können der erste Lötpartner 11, das Lot 13 und der zweite Lötpartner 12 lose aufeinander aufliegen.

Optional kann auf der dem ersten Lötpartner 11 abgewandten Seite des zweiten Lötpartners 12 ein Gewicht aufliegen, das die beiden Lötpartner 11, 12 und das zwischen diesen angeordnete Lot 13 aneinander andrückt.

Das elektronische Bauelement 10 ist auf einem vorzugsweise beheizbaren Träger 2 angeordnet, der mit einem Schwingungsgeber 3 kontaktiert oder verbunden ist.

Durch das Aufheizen des beheizbaren Trägers 2 wird das Lot 13 über seinen Schmelzpunkt erhitzt. In der Folge können sich an den Grenzflächen 11b, 12b zwischen den Lötpartnern 11 bzw. 12 und dem Lot 13 Gaseinschlüsse 6 entwickeln, die an den jeweiligen Grenzflächen 11b bzw. 12b anhaften.

Um das Ablösen der Gaseinschlüsse 6 von den Grenzflächen 11b und 12b zu unterstützen, erzeugt der Schwingungsgeber 3Schwingungsenergie, die über den beheizbaren Träger 2, den ersten Lötpartner 11 und dessen Metallisierung 11a an das flüssige Lot 13 und damit an die Gaseinschlüsse 6 übertragen wird.

Der Schwingungsgeber 3 ist dabei als Ultraschallgeber oder als mechanischer Vibrator ausgebildet. Die vom Schwingungsgeber 3 abgegebene Energie liegt demgemäss in Form einer Ultraschallwelle bzw. in Form einer Erschütterung vor. Die durch die eingebrachte Schwingungsenergie von den Grenzflächen 11b bzw. 12b abgelösten Gaseinschlüsse 6 sind nun vollständig von Lot 13 umgeben und können so zu dessen Oberfläche 13a wandern und aus diesem austreten. Damit wird ein Großteil der Gaseinschlüsse 6 aus dem flüssigen Lot 13 entfernt.

Nach dem Abschalten des beheizbaren Trägers 2 sinkt die Temperatur des Lotes 13 bis unter seinen Schmelzpunkt, wodurch es erstarrt, so dass eine feste und dauerhafte Lötverbindung zwischen dem Lot 13 und den Lötpartnern 11 und 12 hergestellt ist.

In entsprechender Weise können auch Lötverbindungen mehrerer auf einem gemeinsamen beheizbaren Träger 2 angeordneter elektronischer Bauelemente 10, 20, 30 gleichzeitig hergestellt werden, wie dies beispielhaft in 2 dargestellt ist. Drei identisch aufgebaute elektronische Bauelemente 10, 20, 30, deren Aufbau im Wesentlichen dem Aufbau des in 1 gezeigten elektronischen Bauelements 10 entspricht, sind gemeinsam auf einem beheizbaren Träger 2 angeordnet. Die elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 weisen jeweils erste Lötpartner 11, 21, 31 auf, die mit zweiten Lötpartnern 12, 22, 32 verlötet werden sollen. Dabei ist zwischen den ersten Lötpartnern 11, 21, 31 und den diesen zugeordneten zweiten Lötpartnern 12, 22, 32 jeweils ein festes oder pastenartiges Lot 13, 23, 33 angeordnet. Der beheizbare Träger 2 ist mit einem Schwingungsgeber 3 kontaktiert.

Der beheizbare Träger 2, die elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 sowie der mit dem beheizbaren Träger 2 kontaktierte Schwingungsgeber 3 sind in einer evakuierbaren Kammer 1 angeordnet. Der in der evakuierbaren Kammer 1 herrschende Gasdruck ist gegenüber dem außerhalb der evakuierbaren Kammer 1 herrschenden Gasdruck reduziert. Der in der evakuierbaren Kammer herrschende Absolutdruck ist bevorzugt kleiner als 10 hPa.

Nach dem Evakuieren der evakuierbaren Kammer 1 wird das Lötverfahren in der anhand der in 1 beschriebenen Weise ausgeführt. Nach dem Ausschalten des beheizbaren Trägers 2 und dem Abkühlen der Lote 13, 23, 33 und deren Schmelzpunkt sind die Lötverbindungen zwischen den jeweils ersten Lötpartnern 11, 21, 31 und den jeweiligen zweiten Lötpartnern 12, 22, 32 der elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 hergestellt.

In den 3a bis 3e ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung mehrerer Lötverbindungen gezeigt, bei dem ein Schwingungsgeber 3 vorübergehend mit einer beheizbaren Platte 2 kontaktiert wird. 3a zeigt eine evakuierbare Kammer 1, in der sich ein Schwingungsgeber 3 befindet. Auf einen zunächst außerhalb der evakuierbaren Kammer befindlichen beheizbaren Träger 2 werden elektronische Bauelemente 10, 20, 30 aufgelegt. Jedes der elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 weist einen ersten Lötpartner 11, 21, 31 auf, der mittels Loten 13, 23, 33 mit zweiten Lötpartnern 12, 22, 32 verlötet werden soll.

Wie in 3b gezeigt, wird der beheizbare Träger 2 mit dem darauf angeordneten elektronischen Bauelementen 10, 20 30 in die beheizbare Kammer 1 eingebracht. Anschließend wird, wie in 3c dargestellt, der Schwingungsgeber 3 mit dem beheizbaren Träger 2 kontaktiert oder mit diesem verbunden. Das weitere Lötverfahren wird entsprechend dem anhand von 2 gezeigten Verfahren ausgeführt. Nach dem Herstellen der Lötverbindung wird, wie in 3d gezeigt, die evakuierbare Kammer 1 belüftet und der Schwingungsgeber 3 von dem beheizbaren Träger 2 entfernt.

Danach wird der beheizbare Träger 2 mit den darauf angeordneten elektronischen Bauelementen 10, 20, 30 aus der evakuierbaren Kammer 1 herausgenommen. Zurück bleibt die in 3e gezeigte evakuierbare Kammer 1 mit dem darin angeordneten Schwingungsgeber 3.

Das anhand der 3a bis 3e vorgestellte Verfahren kann in entsprechender Weise auch ohne evakuierbare Kammer durchgeführt werden. Die wesentlichen Merkmale bei dieser bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bestehen darin, dass der beheizbare Träger 2 nicht nur zum Beheizen sondern auch zum Transport der elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 eingesetzt wird und dass der Schwingungsgeber 3 nur vorübergehend mit dem beheizbaren Träger 2 kontaktiert oder verbunden wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 4a bis 4c gezeigt. Dabei ist der Schwingungsgeber 3 mit dem beheizbaren Träger 2 dauerhaft kontaktiert oder verbunden. Des Weiteren sind der beheizbare Träger 2 und der Schwingungsgeber 3, wie in 4a dargestellt, bevorzugt in einer evakuierbaren Kammer 1 angeordnet.

Die zu elektronischen Bauelementen 10, 20, 30 mittels Loten 13, 23, 33 gehörenden und paarweise miteinander zu verbindenden ersten 11, 21, 31 und zweiten 12, 22, 32 Lötpartner werden in die evakuierbare Kammer 1 eingebracht und auf dem beheizbaren Träger 2 abgelegt, wie dies in 4b gezeigt ist. Nach dem Evakuieren der evakuierbaren Kammer 1, dem Aufschmelzen der Lote 13, 23, 33 durch Aufheizen des beheizbaren Trägers 2 sowie nach dem Einbringen von Schwingungsenergie in die aufgeschmolzenen Lote 13, 23, 33 wird der beheizbare Träger 2 abgeschaltet, so dass sich die Lote 13, 23, 33 unter ihren Schmelzpunkt abkühlen und erstarren.

Damit sind die ersten 11, 21, 31 und zweiten 12, 22, 32 Lötpartner paarweise mittels Loten 13, 23, 33 fest miteinander verbunden. Nach dem Belüften der evakuierbaren Kammer 1 können die elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 vom beheizbaren Träger abgenommen und aus der evakuierbaren Kammer 1 entfernt werden. Der beheizbare Träger 2 und der damit kontaktierte bzw. verbundene Schwingungsgeber 3 bleiben, wie in 4c gezeigt, in der evakuierbaren Kammer 1 zurück.

Bei dem anhand der 4a bis 4c vorgestellten Verfahren gestaltet sich das Beladen des beheizbaren Trägers 2 in der evakuierbaren Kammer 1 aufwändig, da die elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 bzw. die ersten und zweiten Lötpartner 11, 21, 31 und 12, 22, 32 sowie die Lote 13, 23, 33 nicht gemeinsam in die evakuierbare Kammer 1 eingebracht bzw. auf den beheizbaren Träger 2 aufgelegt werden können.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, mit der das Beladen eines beheizbaren Trägers oder einer evakuierbaren Kammer vereinfacht wird, zeigen die 5a bis 5c. Die paarweise miteinander zu verlötenden ersten und zweiten Lötpartner 11, 21, 31 und 12, 22, 32 der elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 sowie die zwischen dem jeweiligen ersten und zweiten Lötpartnern angeordneten Lote 13, 23, 33 sind auf einem Transportträger 5 angeordnet, wie dies in 5a gezeigt ist.

Optional können mehrere derartiger Transportträger 5 mit elektronischen Bauelementen 10, 20, 30 bestückt werden, bei denen Lötverbindungen herzustellen sind. Einer oder mehrere der auf diese Weise bestückten Transportträger 5 werden in eine evakuierbare Kammer 1 eingebracht und auf einem beheizbaren Träger 2 abgelegt. Mit dem beheizbaren Träger 2 ist ein Schwingungsgeber 3 dauerhaft kontaktiert oder verbunden.

Durch das Aufheizen des beheizbaren Trägers 2 überträgt sich die von diesem abgestrahlte Wärme über den Transportträger 5 sowie über die ersten Lötpartner 11, 21, 31 auf die Lote 13, 23, 33. Dadurch werden die Lote 13, 23, 33 über ihren Schmelzpunkt erhitzt und verflüssigen sich. Zusätzlich zu der durch den beheizbaren Träger 2 erzeugten thermischen Energie wird durch den Schwingungsgeber 3 Schwingungsenergie abgegeben, die sich über den beheizbaren Träger 2, den Transportträger 5 sowie die ersten Lötpartner 11, 21, 31 auf die Lote 13, 23, 33 und die sich in den Loten 13, 23, 33 bildenden Gaseinschlüsse überträgt. Die beschriebene Anordnung ist in 5b dargestellt.

Nach dem Abschalten den beheizbaren Trägers 2 und dem daraus resultierenden Abkühlen der Lote 13, 23, 33 unter deren Schmelzpunkte sind die paarweisen Lötverbindungen zwischen den ersten Lötpartnern 11, 21, 31 und den betreffenden zweiten Lötpartnern 12, 22, 32 sowie den zwischen diesen angeordneten Loten 13, 23, 33 hergestellt.

Nach dem Belüften der Evakuierbaren Kammer 1 kann der Transportträger 5 zusammen mit den darauf angeordneten elektronischen Bauelementen 10, 20, 30 vom beheizbaren Träger abgenommen und aus der evakuierbaren Kammer 1 entfernt werden. Der unbestückte beheizbare Träger 2 sowie der damit verbundene kontaktierte Schwingungsgeber 3 bleiben in der evakuierbaren Kammer 1 zurück, was in 5c dargestellt ist.

Ein oder mehrere weitere, gemäß 5a mit elektronischen Bauelementen 10, 20, 30 bestückte Transportträger 5 können jetzt in die evakuierbare Kammer 1 eingebracht, auf dem beheizbaren Träger 2 abgelegt und in der beschriebenen Weise einem Lötprozess unterzogen werden.

Bei den bisher beschriebenen Verfahren wurde die von einem Schwingungsgeber abgegebene Schwingungsenergie ausschließlich über Festkörper, also beispielsweise einen beheizbaren Träger, einen Transportträger oder einen Lötpartner auf das Lot übertragen.

Ebenso ist es jedoch, wie in 6 dargestellt, möglich, die Schwingungsenergie über ein gasförmiges Medium, beispielsweise Luft, auf die Lote zu übertragen. 6 zeigt eine evakuierbare Kammer 1, in der sich ein beheizbarer Träger 2 befindet. Auf dem beheizbaren Träger 2 sind elektronische Bauelemente 10, 20, 30, deren erste Lötpartner 11, 21, 31 mittels Loten 13, 23, 33 mit zweiten Lötpartnern 12, 22, 32 zu verlöten sind, in der beschriebenen Weise angeordnet.

Ein als Ultraschallgeber ausgebildeter Schwingungsgeber 3 ist innerhalb der evakuierbaren Kammer 1 angeordnet und überträgt Schwingungsenergie in Form von Ultraschallwellen über ein in der evakuierbaren Kammer 1 befindliches Gas, beispielsweise Luft, auf die elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 und insbesondere deren Lote 13, 23,33. Da zur Übertragung von Ultraschallwellen ein gewisser Restgasdruck in der evakuierbaren Kammer erforderlich ist, ist es vorteilhaft, die evakuierbare Kammer 1 nicht vollständig zu evakuieren, sondern den Kammerdruck nur bis zu einem bestimmten Absolutdruck abzusenken. Der bevorzugte Kammerdruck beträgt bei einer solchen Anordnung zwischen 0,1 hPa und 500 hPa.

Eine weitere Möglichkeit, die von einem Schwingungsgeber erzeugte Schwingungsenergie auf ein Lot zu übertragen, ist in 7 gezeigt. Ein beheizbarer Träger 2 ist in einer evakuierbaren Kammer 1 angeordnet und auf Verbindungselemente 7 aufgelegt oder mit diesen verbunden. Des Weiteren sind die Verbindungselemente 7 mit dem Gehäuse der evakuierbaren Kammer 1 kontaktiert oder verbunden. Der Schwingungsgeber 3, der beispielsweise als Ultraschallgeber oder als Vibrator ausgebildet sein kann, ist außerhalb der evakuierbaren Kammer 1 angeordnet und mit deren Gehäuse dauerhaft oder vorübergehend verbunden.

Die Übertragung der vom Schwingungsgeber 3 abgegebenen Schwingungsenergie zu den Loten 13, 23, 33 der elektronischen Bauelemente 10, 20, 30 erfolgt dabei bevorzugt über das Gehäuse der evakuierbaren Kammer 1, die Verbindungselemente 7, den beheizbaren Träger 2 und die ersten Lötpartner 11, 21, 31. Ist der Schwingungsgeber 3 als Ultraschallgeber ausgebildet, so kann sich die von diesem abgegebene Ultraschallwelle auch über das Gehäuse der evakuierbaren Kammer 1 und das Gas im Inneren der evakuierbaren Kammer 1 sowie insbesondere über die zweiten Lötpartner 12, 22, 32 bis zu den Loten 13, 23, 33 ausbreiten.

Bei allen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einem Lot und zumindest einem Lötpartner wirkt die von einem Schwingungsgeber abgegebene Schwingungsenergie zumindest über einen bestimmten Zeitraum innerhalb der flüssigen Phase des Lotes auf das Lot ein. Dabei kann mit dem Einbringen der Schwingungsenergie in das Lot sowohl vor als auch nach dem Erreichen des Schmelzpunktes des Lotes begonnen werden. Entsprechend kann das Einbringen der Schwingungsenergie in das Lot vor oder nach dem Abkühlen des Lotes unter dessen Schmelzpunkt beendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in das Lot während seiner gesamten flüssigen Phase, d.h. solange seine Temperatur über seinem Schmelzpunkt liegt, kontinuierlich Schwingungsenergie eingebracht. Durch die eingebrachte Schwingungsenergie können sich im Lot befindliche Gaseinschlüsse von der Grenzfläche zwischen Lot und Lötpartner ablösen, innerhalb des flüssigen Lotes zu dessen Oberfläche wandern und dort aus dem Lot austreten.

Ein weiterer Effekt besteht darin, dass durch die eingestrahlte Schwingungsenergie nicht nur die Gaseinschlüsse und das Lot sondern auch die betreffenden Lötpartner oder ein Träger, auf dem die Lötpartner und das Lot angeordnet sind, in Schwingungen versetzt werden. Hierdurch kommt es innerhalb des Lötpartners bzw. innerhalb der Trägers zur Ausbildung von stehenden Wellen, und abhängig von deren Geometrie sowie der Frequenz der vom Schwingungsgeber abgegebenen Welle zur Ausbildung von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen. Dabei ist die auf das Lot und die Gaseinschlüsse übertragene Schwingungsenergie im Bereich der Schwingungsbäuche am größten.

Da sich die Lage der Schwingungsbäuche abhängig von der Frequenz der eingestrahlten Schwingungsenergie verändert, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Frequenz der in das Lot eingestrahlten Schwingungsenergie, zumindest in der flüssigen Phase des Lotes zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz kontinuierlich verändert.

Ebenso kann die Frequenz der eingestrahlten Schwingungsenergie, wie in 8 gezeigt, kontinuierlich und periodisch verändert werden. Die Frequenz f der in das Lot eingebrachten Schwingungsenergie wechselt periodisch zwischen einer Minimalfrequenz fmin und einer Maximalfrequenz fmax. Damit wird erreicht, dass sich die Lage der Schwingungsbäuche, insbesondere in den Lötpartnern und in den Trägern, kontinuierlich verändert.

Generell ist es auch vorgesehen, anstelle eines Schwingungsgebers zwei oder mehrere Schwingungsgeber vorzusehen, die Schwingungsenergien mit unterschiedlichen, diskreten oder veränderlichen Frequenzen abgeben. Die Frequenzbereiche von verschiedenen Schwingungsgebern abgegebenen Schwingungsenergien können sich sowohl überschneiden als auch disjunkt sein.

Ebenso ist es möglich, dass sich die Schwingungen der von mehreren Schwingungsgebern abgegebenen Schwingungsenergien so überlagern, dass sich Schwebungen mit Schwebungsfrequenzen ausbilden, die höher oder niedriger sind, als die Frequenzen von den Schwingungsgebern abgegebenen Schwingungsenergien.

Bei jedem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem ein Vibrationsgeber mit einem Körper, also z.B. einem Träger oder dem Gehäuse einer evakuierbaren Kammer, kontaktiert oder verbunden ist, kann die Kontaktierung bzw. Verbindung sowohl dauerhaft als auch vorübergehend erfolgen. Die Kontaktierung eines Vibrationsgeber kann beispielsweise durch Anpressen, z.B. mittels einer Andruckfeder, erfolgen. Ebenso sind jedoch beispielsweise Schraub-, Klemm- oder beliebige andere Verbindungen geeignet.

Die Verbindung bzw. Kontaktierung besteht bevorzugt zumindest während der flüssigen Phase des mit einem Lötpartner zu verbindenden Lotes.

Bei der vorliegenden Erfindung wird das Lot durch eine Energiequelle, beispielsweise eine Wärmequelle, über seinen Schmelzpunkt erhöht. In den Ausführungsbeispielen wurde dazu ein beheizbarer Träger verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann dem Lot aber auch z.B. durch einen Wärmestrahler, der ggf. in der evakuierbaren Kammer angeordnet ist, thermische Energie zugeführt werden.

Alle Lötvorgänge, bei denen der Lötvorgang gemäß den o.g. Ausführungsbeispielen in einer evakuierbaren Kammer ausgeführt wird, können in entsprechender Weise auch ohne eine solche Kammer vorgenommen werden. In diesem Fall entfallen die Schritte des Evakuierens bzw. des Absenken des Kammerdruckes sowie des Belüftens der evakuierbaren Kammer.

Das erfindungsgemäße Einbringen von Schwingungsenergie in das Lot kann in entsprechender Weise auch angewendet werden, wenn das bereitgestellte Lot, wie dies beispielsweise beim Schwallbad-Löten der Fall ist, bereits in flüssiger Form vorliegt, bevor es mit einem der Lötpartner in Kontakt gebracht wird.

1
evakuierbare Kammer
2
beheizbarer Träger
3
Schwingungsgeber
5
Transportträger
6
Gaseinschluss
7
Verbindungselement
10, 20, 30
elektronisches Bauelement
11, 21, 31
erster Lötpartner
12, 22, 32
zweiter Lötpartner
13, 23, 33
Lot
11a, 12a
Metallisierung
11b, 12b
Grenzfläche zwischen Lot und Lötpartner


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von wenigstens einer Lötverbindung zwischen wenigstens einem Lot (13, 23, 33) und jeweils wenigstens einem Lötpartner (11, 12, 21, 22, 31, 32), mit folgenden Schritten:

Bereitstellen des wenigstens einen Lotes (13, 23, 33) in fester, pastenartiger oder flüssiger Form,

Kontaktieren des wenigstens einen Lotes (13, 23, 33) mit dem jeweiligen wenigstens einen Lötpartner (11, 12, 21, 22, 31, 32),

Erhitzen des wenigstens einen Lotes (13, 23, 33) über seinen Schmelzpunkt,

Einbringen von Schwingungsenergie mittels eines Schwingungsgebers (3) in das wenigstens eine Lot (13, 23, 33), wobei die Frequenz des Schwingungsgebers kontinuierlich die Frequenzen zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz durchläuft, und

Abkühlen des wenigstens einen Lotes (13, 23, 33) unter seinen Schmelzpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schwingungsgeber (3) als Ultraschallgeber ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Ultraschallgeber (3) ein Ultraschallsignal mit einer Frequenz zwischen 10 Hz und 1000 kHz erzeugt. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Frequenz des Ultraschallsignals periodisch zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz verändert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Schwingungsgeber (3) als Vibrator ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Vibrator eine mechanische Erschütterung mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 500 Hz erzeugt. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Frequenz der Erschütterung periodisch zwischen einer Minimalfrequenz und einer Maximalfrequenz verändert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit dem zusätzlichen Schritt:

Einbringen des wenigsten einen Lotes (13, 23, 33) und des jeweils wenigstens einen Lötpartners (11, 12, 21, 22, 31, 32) in eine evakuierbare Kammer (1), und

Absenken des in der evakuierbaren Kammer (1) herrschenden Gasdruckes auf einen Absolutdruck, der kleiner ist als der umgebende atmosphärische Druck.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Absolutdruck kleiner ist als 500 hPa. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit dem zusätzlichen Schritt:

Positionieren des wenigstens einen Lotes (13, 23, 33) und des jeweils wenigstens einen Lötpartners (11, 12, 21, 22, 31, 32) auf einem gemeinsamen beheizbaren Träger (2).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Vibrationsenergie über den beheizbaren Träger (2) mittelbar auf das Lot (13) übertragen wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Schwingungsgeber (3) mit dem beheizbaren Träger (2) dauerhaft kontaktiert oder verbunden ist. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Schwingungsgeber (3) vorübergehend mit dem beheizbaren Träger (2) kontaktiert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Lötpartner (11, 12, 21, 22, 31, 32) eine zusammenhängende, mit einem Lot (13, 23, 33) zu verbindende Fläche von zwischen 1 mm2 und 5000 mm2 aufweist.






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