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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lotbeschichtung einer
metallischen Kontaktstelle auf einem Substrat, wobei wenigstens die Oberfläche der
Kontaktstelle mit einer Ablagerung aus Lötpaste versehen wird, wonach das Substrat
wenigstens teilweise einem Erhitzungsprozess ausgesetzt wird, wobei dieser Prozess
eine örtliche Ablagerung einer im Wesentlichen kontinuierlichen metallischen
Lötschicht aus der Lötpaste herbeiführt, wobei diese örtliche Ablagerung auf der
Kontaktstelle stattfindet, nicht aber auf der Substratfläche außerhalb der Ränder der
Kontaktstelle, wonach die unerwünschte Lötpaste auf dem Substrat außerhalb der Ränder der
Kontaktstelle entfernt wird.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Lötpaste, geeignet zum
Gebrauch bei einem Verfahren dieser Art.
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Lotbeschichtete metallische Kontaktstellen, wie oben erwähnt, können
als Befestigungsbasis für die Beine elektrischer Bauteile benutzt werden. Allgemein
verwendete Printplatten (und Printfolien) enthalten ein Substrat, das mit vielen
metallischen Kontaktstellen versehen ist, entsprechend bestimmten Mustern gegliedert und
selektiv miteinander verbunden über ein Netzwerk leitender Spuren. Wenn die
Kontaktstellen einer derartigen Printplatte auf die oben beschriebene Art und Weise mit
einer Lotschicht versehen werden, lassen sich entsprechende elektrische Bauteile
anordnen, und zwar unter Anwendung eines sog. Rückflusslötverfahrens. Dieses
Verfahren macht es notwendig, dass die Bauteile an vorbestimmten Stellen auf der Printplatte
angeordnet werden, dass deren Beine an den betreffenden lotbeschichteten
Kontaktstellen angebracht werden und dass danach Hitze zugeführt wird. Die Lotschicht
zwischen jedem Bein und der entsprechenden Kontaktstelle schmilzt dann, wobei das
Bein mit der Kontaktstelle verlötet und danach abgekühlt wird. Weiter Information
über Rückflussverlötung gibt C. Lea in "A Scientific Guide to Surface Mount
Technology", "Electrochemical Publications Limited" (1988) ISBN 0 901150 22 3,
insbesondere Kapitel 7.
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Moderne Printplatten (und Printfolien) sind oft sehr komplex und
erfordern oft eine sehr große Packungsdichte der Bauteile. Dies bedeutet, dass es oft sehr
viele metallische Kontaktstellen auf einer derartigen Printplatte gibt, die sehr nahe
beisammen liegen. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, dass das selektive
Lotbeschichtungsverfahren, wie oben beschrieben, auf effiziente Weise alle Kontaktstellen (und
nicht das Substrat) in einem Vorgang bedecken kann. Dies eliminiert die
Notwendigkeit, auf eine aufwendige Art und Weise die Kontaktstellen einzeln mit Zinnlot zu
versehen.
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Ein Lotbeschichtungsverfahren der eingangs beschriebenen Art werden
zusammen mit einer Lötpaste zum Gebrauch dabei in einem nicht geprüften
Japanischen Patentdokument (Kokai) JP-A-2-310991 (Fukunaga u. a.) erläutert, siehe auch
EP-A-0 430 240. Nach diesem bekannten Dokument wird auf den metallischen
Kontaktstellen einer Printplatte eine Lötpaste mit einem Gemisch aus Sn-Pulver und
organisch sauren PB-Salzen gepinselt. Die mit Paste versehene Printplatte wird danach
einige Minuten einer Temperatur von etwa 220ºC ausgesetzt, wodurch eine örtliche
chemische Reaktion zwischen dem genannten Sn-Pulver und den Pb-Salzen auftritt
mit einer nachfolgenden Ablagerung einer SnPb-Legierung aus der Paste. Diese
Reaktion und die nachfolgende Ablagerung treten nur auf den metallischen Oberflächen
der Kontaktstellen auf und nicht auf der bloßen nicht metallischen Substratoberfläche
außerhalb der Ränder der Kontaktstellen.
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Da die SnPb-Liegierungsablagerung auf den Kontaktstellen auf diese
Weise ziemlich Sn-reich ist, wird ein zweiter Verfahrensschritt durchgeführt, wobei
ein Leinsamenöl mit Pb-Ionen mit den legierungsbedeckten Kontaktstellen in
Berührung gebracht und danach erhitzt wird. Dadurch wird eine chemische Reaktion
ausgelöst, die den Pb-Inhalt der bestehenden SnPb-Legierung anreichert, und zwar auf
Kosten des Sn-Inhaltes. Die schlussendliche Lotzusammensetzung sollte dann das
gewünschte Verhältnis Sn zu Pb haben.
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Untersuchungen durchgeführt von den Erfindern der vorliegenden
Erfindung haben gezeigt, dass dieses bekannte Verfahren bestimmte Nachteile aufweist,
von denen einige wie folgt zusammengefasst werden können:
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(1) Die verwendeten organischen sauren Po-Salze, wie Bleinaphthenat, sind
be
sonders giftig. Zum Schutz der Gesundheit der an dem Prozess beteiligten Personen,
sollen diese spezielle Schutzmaßnahmen durchführen:
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(2) Durch die erforderliche relativ hohe Temperaturen und die längere thermische
Beeinflussung kann der erforderliche Erhitzungsprozess zu einer wesentlichen
Entfärbung der Printplatte führen, es sei denn, dass die Erhitzung in einer chemisch inerten
Atmosphäre erfolgt;
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(3) Lotbeschichtung der metallischen Kontaktstellen kann unbefriedigend sein, es
sei denn, dass die Ptintplatte vor der Auftragung der Lötpaste ätzgereinigt wurde.
Diese fügt einen weiteren Verfahrensschritt zu dem Lotbeschichtungsverfahen hinzu;
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(4) Die Gefahr unerwünschter Kurzschlüsse, verursacht durch Lötblasen auf den
metallischen Kontaktstellen steigert die Ausschußqoute, wenn der gegenseitige
Abstand der metallischen Kontaktstellen 200 um oder weniger beträgt. Im Hinblick auf
den modernen Trend in der Elektronikindustrie in Richtung der Verwendung
vielbeiniger Bauteile für Oberflächenmontage mit immer kleiner werdendem Beinabstand,
setzt eine solche unakzeptierbare Lotbeschichtung eine niedrigere Grenze an den
Beinabstand von Bauteilen zum Gebrauch auf lotbeschichteten Printplatten, erzeugt
nach dem bekannten Verfahren.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Lotbeschichturrgsverfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen ohne die
Notwendiekeit der Verwendung hoch giftiger organisch saurer Pb-Salze. Es ist weiterhin eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass ein derartiges Verfahren thermisch
Prozessumstände braucht, die mild genug sind um eine wesentliche Substratentfärbung zu
vermeiden. Weiterhin ist es ein Bestreben der Erfindung ein derartiges Verfahren auf
befriedigende Art und Weise an Kontaktstellen durchzuführen, die weniger als 200 um
auseinander liegen und ohne die Notwendigkeit eine Ätzreinigung der Kontaktstellen
vor der Lotbeschichtung.
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Diese und andere Aufgaben werden erfüllt nach einem Verfahren der
eingangs beschriebenen Art, mit dem Kennzeichen, dass eine Lötpaste verwendet
wird, die eine Suspension metallischer Lötteilchen aufweist, deren Konzentration in
der Lötpaste im Bereich von 5--1 Volumenprozent liegt bei Standardtemperatur und
Standarddruck, wobei der Durchmesser im Bereich von 10-40 um liegt und die, in
geschmolzenem Zustand, eine Oberflächenenergie kleiner als die kritische
Oberflächenenergie der metallischen Kontaktstelle aber höher als die kritische
Oberflächenenergie der Substratoberfläche außerhalb der Ränder der Kontaktstelle, dass der
Erhitzungsprozess verursacht, dass die metallischen Lötteilchen innerhalb der Paste auf
der Kontaktstelle liegen zum Schmelzen und zusammenzufließen zu einer im
Wesentlichen kontinuierlichen Lötschicht, und dass die metallischen Lötteilchen innerhalb der
Paste auf der Substratoberfläche außerhalb der Ränder der Kontaktstelle nicht zu einer
Schicht zusammenfließen, sondern stattdessen als einzelne Lotperlen abgelagert
werden, die danach nach Beendigung des Erhitzungsprozesses von der Substratoberfläche
entfernt werden können.
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Bei einem derartigen Verfahren haben die metallischen Lötteilchen in
der verwendeten Lötpaste bereits die chemische Zusammensetzung, die in der
schlussendlichen Lötschicht erwünscht ist. Wenn diese Teilchen einmal als Schicht
abgelagert worden sind, wird eine solche Schicht keine weitere Anreicherung oder
weitere Zusammensetzungsänderung erfordern. Im Gegensatz zu dem bekannten
Verfahren gibt es also keine Notwendigkeit aus den giftigen organisch sauren Pb-Salzen
oder aus dem separat aufgetragenen Flachs mit Pb-Ionen eine Pb-Menge abzuleiten.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Mechanismus, durch
den eine Lötschicht sich aus der Lötpaste ablagert durch physikalische Prozesse statt
durch chemische Reaktionen ermittelt. Einerseits können geschmolzene Teilchen in
der Paste auf der metallischen Kontaktstelle die Oberfläche der Kontaktstelle
erfolgreich "benetzen" indem sie zu einem dünnen Film verschmelzen. Dieser Effekt ist der
Tatsache zuzuschreiben, dass die Oberflächenenergie (Oberflächenspannung) der
Lötteilchen niedriger ist als die der Kontaktstelle, so dass eine solche "Benetzung"
energetisch bevorzugt wird. Andererseits werden geschmolzene Lötteilchen in einer
Paste auf der bloßen Substratoberfläche außerhalb der Ränder der Kontaktstelle weder
zusammenschmelzen noch die Substratoberfläche "benetzen", sondern stattdessen in
Form kleiner vereinzelter Lötperlen darauf liegen. Dies ist der Tatsache
zuzuschreiben, dass die Oberflächenenergie der Lötteilchen höher ist als die der bloßen
Substratoberfläche, so dass eine "Benetzung" einer derartigen Oberfläche durch die Teilchen
energetisch ungünstig ist. Zur weiteren Erläuterung können solche Energieeffekte
verglichen werden mit denen, die sich bei Regenwasser zeigen, das sich auf der
Oberflä
che eines teilweise mit Wachs versehenen Kraftwagens befindet. Während solches
Wasser einen Film bilden kann auf Oberflächen des Wagens, die nicht gewachst
wurden, bilden sich in den Gebieten mit einer Wachsschicht eine große Menge winziger
Perlen. Eine eingehende Diskussion über Oberflächenenergie in Bezug auf die
"Benetzung" von Oberflächen ist gegeben durch P. G. de Gennes in "Rev. Mod. Phys." 57
(1985), Seiten 827-865. Zusätzliche Information findet sich in "Contact Angle,
Wettability, and Adhesion" von W. A. Zisman in "Advances in Chemistry" Reihe 43,
American Chemical Society (1964), LCCC 63-14481, Seiten 1-51.
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Bei dem bekannten Verfahren wird die Temperatur, auf welche die
Lötpaste gebracht wird, damit eine Ablagerung von SnPb-Legierung erhalten wird (die
sog. "Prozesstemperatur") wird bestimmt durch die Aktivierungstemperatur der
gewünschten chemischen Reaktion zwischen dem Sn-Pulver und dem organisch saurem
Salz (typisch etwa 220ºC). Außerdem ist die minimale Dauer einer derartigen
thermische Aussetzung abhängig von der Geschwindigkeit der genannten Reaktion, und hat
einen typischen Wert von etwa 2-4 Minuten. Andererseits wird die minimale
Prozesstemperatur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch den Schmelzpunkt der
metallischen Lötteilchen in der verwendeten Lötpaste bestimmt, die wesentlich niedriger
sein kann als die obengenannte Aktivierungstemperatur von 220ºC. Weiterhin kann
die Dauer dieser thermischen Aussetzung wesentlich kürzer sein als bei dem
bekannten Verfahren, da keine chemische Reaktion stattfindet. Durch diese zwei Faktoren
kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die bei dem bekannten
Verfahren beobachtete Substratentfärbung nahezu völlig vermieden werden.
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Es wurden viele und eingehende Tests der Zuverlässigkeit und der
Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt, wie nachstehend
beispielsweise anhand einiger Ausführungsformen näher erläutert wird. All diese Tests
zeigten eine ausgezeichnete Lotbeschichtung der betreffenden metallischen
Kontaktstellen, ohne die Notwendigkeit, dass die Kontaktstellen vorher einem
Ätzreinigungsprozess ausgesetzt werden sollen. Bei diesen Tests zeigte sich ebenfalls eine höchst
befriedigende Lotbeschichtung bei einem gegenseitigen Abstand der Kontaktstellen
von weniger als 200 um.
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Die Konzentration der metallischen Lötteilchen innerhalb der Lötpaste
ist ein wichtiger Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es dürfte einleuchten,
dass für relativ hohe Werte dieser Konzentration die Lötperlen auf der bloßen
Substratoberfläche darauf so nahe beieinander liegen können, dass sie Körperkontakt
miteinander machen, mit der Gefahr der Bildung elektrisch leitender Spuren (und ggf.
Bildung eines Kurzschlusses). Andererseits wird, wenn die Konzentration der
metallischen Lötteilchen innerhalb der Lötpaste relativ niedrig ist, eine entsprechende
"Benetzung" der Oberfläche der metallischen Kontaktstelle beeinträchtigt, was zu einer
unzureichenden Lotbeschichtung der Kontaktstelle führt.
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Der mittlere Durchmesser der metallischen Lötteilchen in der Lötpaste
spielt eine ähnliche Rolle bei solchen Erwägungen. Wenn diese Teilchen relativ klein
sind, kann es sein, dass die metallische Lötschicht, die auf den metallischen
Kontaktstellen abgelagert ist, nicht ganz kontinuierlich ist, sondern sie kann offene Stellen
oder Gebiete mit einer unakzeptierbar dünnen Lotbeschichtung aufweisen.
Andererseits können, wenn die Teilchen relativ groß sind, diese Teilchen örtlich
"zusammenklumpen" mit der etwaigen Bildung einer unerwünschten elektrisch leitenden Spur
zwischen zwei Kontaktstellen, was zu einem Kurzschluss führt.
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In Anbetracht dieser Erwägungen hat die Anmelderin eine neue
Lötpaste entwickelt, die auf vorteilhafte Weise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden kann, was zu einer befriedigenden Lotbeschichtung der metallischen
Kontaktstelle führt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf diese neuer
Lötpaste, die das Kennzeichen aufweist, dass sie eine Suspension aus metallischen
Lötteilchen enthält, deren Konzentration in der Lötpaste in dem Bereich von 5-11
Volumenprozent bei STP liegt und deren mittlerer Durchmesser in dem Bereich von
10-40 um liegt. "STP" ist die Abkürzung für: "Standard Temperature and Pressure",
definiert als Temperatur von 26ºC (Raumtemperatur) und als Druck von 1
Atmosphäre. Diese Lötpaste hat eine relativ niedrige Giftigkeit (keine organisch saure Pb-Salze)
und eine relativ einfache Konstitution (metallische Teilchen bereits vorhanden, statt
herrührend aus chemischen Reaktionen innerhalb der Paste).
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lötpaste
weist das Kennzeichen auf, dass die Menge metallischer Lötteilchen in der Lötpaste
im Bereich von 7-9 Volumenprozent bei STP liegt, und dass der mittlere Durchmesser
der genannten Teilchen im Bereich von 20-30 um liegt.
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Eine besonders geeignete Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lötpaste weist das Kennzeichen auf, dass die metallischen Lötteilchen in einer
Legierung aus Sn und Pb bestehen. Nebst anderen Vorteilen sind die Schmelzpunkte von
SnPb-Legierungen relativ niedrig, wodurch eine entsprechend niedrige
Prozesstemperatur bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt werden kann.
Ein geeignetes Beispiel einer derartigen Legierung enthält 60-65 Gewichtsprozent Sn
und 35-40 Gewichtsprozent Pb und hat einen Schmelzpunkt von etwa 180-190ºC.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lötpaste
weist das Kennzeichen auf, dass diese eine Flussmittellösung enthält.
Flussmittellösungen sind allgemein bekannt, wie detailliert beschrieben von R. J. Klein Wassink in:
"Soldering in Electronics", 2. Ausgabe, Electrochemical Publications Limited" (1989)
ISBN 0 901150 24 X, insbesondere Kapitel 5. Eine typische Flussmittellösung kann
beispielsweise ein Gemisch aus einem Nadelholzharz, einem Verdickungsmittel und
einem Lösungsmittel enthalten. Der Einschluss einer Flussmittellösung in der Lötpaste
verbessert die Eigenschaft der metallischen Lötteilchen um die Oberfläche der
metallischen Kontaktstelle zu "benetzen". Je nach der Typ der metallischen Lötteilchen in der
erfindungsgemäßen Lötpaste kann die Flussmittellösung typischerweise 40-60
Gewichtsprozent der Paste bilden.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lötpaste weist
das Kennzeichen auf, dass sie ein Aktivierungsgemisch aufweist.
Aktivierungsgemische sind ebenfalls bekannt, wie in dem oben genannten Buch von Klein Wassink,
Kapitel 5, Abschnitt 5.5.3 beschrieben. Ein typisches Aktivierungsgemisch kann
beispielsweise ein Aktivierungsmittel, ein Benetzungsmittel, ein Verdickungsmittel, ein
Nadelholzharz und mehrere Lösungsmittel enthalten. Das Vorhandensein eines
derartigen Aktivierungsmittels hilft dabei, etwaige Oxide von der metallischen
Kontaktstelle und von den metallischen Lötteilchen in der Lötpaste zu entfernen, und
verbessert die Wirkung eines Flussmittels in der Paste. Auch abhängig von der Art der
metallischen Lötteilchen in der erfindungsgemäßen Lötpaste kann das verwendete
Aktivierungsgemisch typischerweise 5-25 Gewichtsprozent der Paste bilden.
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Obschon SnPb-Legierungen sich insbesondere zum Gebrauch in
Lötpaste nach der Erfindung eignen, sind überhaupt nicht die einzigen Stoffe, die sich dazu
eignen. Andere metallische Lötstoffe einer geeigneten Art enthalten Au, mehrere
Legierungen wie SnAg, SnCu, SnBi und SnNi (für sortierte relative Konzentrationen der
Legierungsbestandteile) und Gemische derselben.
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Geeignete Substratstoffe zum Gebrauch bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren enthalten beispielsweise elektrisch isolierende polymere Stoffe (Harze oder
Kunststoffe) und zusammengesetzte Stoffe mit Polymeren, die mit anorganischen
Substanzen verstärkt sind (beispielsweise Epoxyharz verstärkt mit Glasteilchen oder
Glasfasern). Spezifische Beispiele solcher Stoffe enthalten FR2 Phenolpapier und FR4
Glasepoxy, die beide flammenverzögernd (FR) sind. Auf alternative Weise ist es
möglich, eine elektrisch leitende Substratbasis zu verwenden, die wenigstens teilweise
mit einer Schicht aus Isoliermaterial versehen ist. Geeignete Stoffe für die
Kontaktstellen enthalten beispielsweise Cu, Cu-haltige Legierungen, AgPd und Gemische
derselben.
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Es ist selbstverständlich möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zur
Lotbeschichtung gewünschtenfalls nur vorselektierter metallischer Kontaktstellen auf
einem bestimmten Substrat anzuwenden, indem gewährleistet wird, dass
Kontaktstellen anders als die vorselektierten Stellen keine Ablagerung der Lötpaste vor der
Erhitzung erhalten. Damit Abfallprodukte möglichst minimiert werden, kann nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren die Lötpaste auch unter Verwendung einer Schablone
aufgetragen werden, wodurch auf diese Weise unnötige Ablagerung von Lötpaste auf
großen leeren Gebieten des bloßen Substrats (oder auf Kontaktstellen, die nicht
lotbeschichtet werden sollen) vermieden wird.
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Obschon die minimal erforderliche Prozesstemperatur bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren weitgehend durch den Schmelzpunkt der metallischen
Lötteilchen in der verwendeten Lötpaste bestimmt wird, ist es selbstverständlich möglich,
eine Prozesstemperatur zu verwenden, die höher ist als der Schmelzpunkt. Der
Gebrauch einer solchen Temperatur hat den Vorteil, dass dies zu einer niedrigeren
Viskosität des verflüssigten metallischen Lotes führt, wodurch auf diese Weise die
Eigenschaft des Lotes, die metallische Kontaktstelle zu "benetzen" verbessert wird. Wenn
als Supplement zu der thermischen Behandlung bei niedrigeren Temperaturen benutzt,
kann die thermische Behandlung bei höheren Temperaturen kürzer dauern (nur einige
Sekunden) und eine solche kurze Aussetzung des Substrats zu Temperaturen, die über
dem Schmelzpunkt des Lotes liegen, braucht nicht zu einer Entfärbung des Substrats
zu führen. Bei Tests des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein FR4
Glasepoxysubstrat mit Cu-Kontektstellen verwendet wird und wobei eine (erfindungsgemäße)
Lötpaste verwendet wird, die eine SnPb-Legierung mit einem Schmelzpunkt von
183ºC aufweist, haben die Erfinder erfolgreich eine (supplementäre)
Prozesstemperatur von 250ºC angewandt für die Dauer von 10 Sekunden, ohne dass eine
wesentliche Entfärbung des Substrats auftrat. Bei Anwendung des bekannten Verfahrens zeigte
dasselbe Substratmaterial eine wesentliche Entfärbung nach einer Aussetzung an einer
Temperatur von nur 220ºC, und zwar wegen der längeren thermischen Prozesszeit, die
das bekannte Verfahren erforderte (4 Minuten).
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die zueinander
isolierten Lötperlen, die nach Beendigung des Erhitzungsprozesses auf der bloßen
Substratoberfläche zurückgeblieben sind, beispielsweise dadurch entfernen, dass die
Oberfläche einem Waschverfahren ausgesetzt wird. Geeignete Waschmittel dazu enthalten
beispielsweise wässerige Lösungen von Waschmitteln. Gewünschtenfalls kann der
Waschprozess mit einem leichten Abbürsten oder Abwichen des Substrats
einhergehen. Das Waschen lötzinnbedeckter Printplatten im Allgemeinen ist in dem oben
genannten Buch von Klein Wassink, Kapitel 5, Abschnitt 5,7 eingehend beschrieben.
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Wegen der relativ geringen Konzentration metallischer Lötteilchen in
der erfindungsgemäßen Lötpaste, kann diese Paste eine ziemlich niedrige Viskosität
haben. Wenn die Paste unter Verwendung einer Schablone in Kombination mit einem
Wischer angebracht wird, kann eine derartige niedrige Viskosität dazu führen, dass die
Paste relativ einfach die Paste aus den Öffnungen in der Schablone "geschöpft"
werden kann, wodurch die metallischen Kontaktstellen unbefriedigend bedeckt werden.
Das Ausmaß eines solchen Ausschöpfvorgangs kann dadurch reduziert werden, dass
die Dicke der Schablone genau gewählt wird und dass ein relativ harter Wischer
verwendet wird. Außerdem können gewünschtenfalls die Öffnungen in der Schablone
durch diagonale "Dämme" unterbrochen werden, die jede Hauptöffnung in kleinere
Öffnungen aufteilen. Lötpaste wird nicht leicht aus solche kleinen Öffnungen
geschöpft und die Breite der diagonalen Dämme ist klein genug um zu gewährleisten,
dass die Lötpaste dennoch gut über ein großes Gebiet jeder Kontaktstelle verteilt wird.
Der Erhitzungsprozess inhärent an dem erfindungsgemäßen Verfahren
lässt sich verschiedenartig durchführen. So kann beispielsweise der Substrat (mit den
mit Paste versehenen Kontaktstellen) teilweise oder ganz einer thermischen Strahlung
von einem Heizelement ausgesetzt werden, oder es kann teilweise oder ganz einem
heißen Gas oder Dampf ausgesetzt werden. Auf alternative Weise kann ein Laserstrahl
benutzt werden zur selektiven Erhitzung beispielsweise nur der mit Paste versehenen
Kontaktstellen und deren unmittelbarer Umgebung. Solche Erhitzungsverfahren lassen
sich anwenden zum Rückflussverlöten elektrischer Bauteile mit deren entsprechenden
lotbeschichteten Kontaktstellen. Die Temperatur, die Dauer und das Profil dieser
Erhitzungsprozesse kann an die speziellen Eigenschaften der verwendeten Lötpaste
angepasst werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht eines Teils einer Printplatte, die unter Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens teilweise lotbeschichtet werden soll,
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Fig. 2 eine Darstellung einer Printplatte nach Fig. 1 nach Durchführung
eines ersten Prozessschrittes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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Fig. 3, 4 und 5 eine schaubildliche Ansicht eines speziellen Teils einer
Printplatte aus Fig. 1 und 2, während der jeweiligen Phasen des erfindungsgemäßen
Lotbeschichtungsverfahrens,
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Fig. 6 eine Darstellung der Anordnung eines vielbeinigen elektrischen
Bauteils auf den jeweiligen lotbeschichteten metallischen Kontaktstellen aus Fig. 5,
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Fig. 7 und 8 je eine Draufsicht zweier Anordnungen von nahe
beisammen liegender metallischer Kontaktstellen, die in einem Fall unter Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Lötpaste lotbeschichtet worden sind (Fig. 7) und in dem anderen Fall unter Anwendung
des Verfahrens und unter Verwendung der Lötpaste nach dem Stand der Technik (Fig.
8) lotbeschichtet worden sind.
Ausführungsbeispiel 1
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Fig. 1 zeigt eine Printplatte 1, die unter Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens teilweise lotbeschichtet werden soll, wobei mehrere Phasen des
Verfahrens in den jeweiligen Fig. 2-5 dargestellt sind. Fig. 6 zeigt die darauffolgende
Befestigung eines geeigneten elektrischen Bauteils an den lotbeschichteten
metallischen Kontaktstellen einer solchen Printplatte. Gleiche Teile in den jeweiligen Figuren
sind mit denselben Bezugszeichen angegeben.
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Fig. 1 zeigt ein flammenverzögerndes FR4 Glasepoxysubstrat 3, das auf
einer der Oberflächen mit einer Anzahl Cu-Kontaktstellen 5 versehen ist. Diese
Kontaktstellen 5 sind in einem bestimmten Muster entsprechend den Beinenkonfiguration
bestimmter elektrischer Bauteile gegliedert und werden selektiv über Cu-Spuren 7
miteinander verbunden. Die Kontaktstellen 5 haben unterschiedliche Abmessungen,
wobei sie typischerweise 1-2 mm lang und etwa 50-200 um breit sind. Weil die hier
dargestellten Kontaktstellen 5 den Beinengliederungen integrierter Schaltungen
entsprechen sollen, (wie Mikroprozessor-Chips, Speicher-Chips, usw.) werden sie in
bestimmten Längsgliederungen 5' vorgesehen. Der Mittenabstand der Kontaktstellen 5 in
jeder Gliederung 5' (d. h. der minimale Mittenabstand) liegt im Bereich von 300-600
um.
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Die Kontaktstellen 5 und die Spuren 7 werden auf dem Substrat 3
angebracht unter Anwendung einer durchaus bekannten Technik. So kann beispielsweise
die betreffende Oberfläche des Substrats 3 mit einer dünnen und kontinuierlichen
Schicht aus Cu versehen werden, wobei auf dieser Schicht die jeweiligen gewünschten
Muster und Netzwerke der Kontaktstellen 5 und der Spuren 7 mit ätzfester Tinte
markiert werden, wonach die Cu-Schicht einem Ätzvorgang ausgesetzt wird, wonach
diejenigen Teile der Cu-Schicht entfernt werden, die außerhalb der jeweiligen ätzfesten
Markierungen liegen, wobei diese Markierungen zum Schluß durch Reinigung entfernt
werden, damit die bloßen metallischen Kontaktstellen und Spuren frei werden.
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In Fig. 2 wurden die metallischen Kontaktstellen 5 mit Ablagerungen 9
aus Lötpaste nach der Erfindung versehen. Diese Ablagerungen 9 überlappen die
Kontaktstellen 5, wodurch sie auf der bloßen Substratoberfläche außerhalb der Ränder
der Kontaktstellen liegen.
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Die in diesem Fall verwendete besondere Lötpaste enthielt etwa 7,5
Volumenprozent SnPb zerpulverte Legierung zusammen mit einer Flusslösung und
einem Aktivierungsgemisch. Der mittlere Durchmesser der metallischen Lötteilchen
war etwa 25 um. Die SnPb-Legierung selber enthielt etwa 63 Gewichtsprozent Sn und
37 Gewichtsprozent Pb. Die Paste war durch Vermischung von 48 g einer Flusslösung
und 12 g eines Aktivierungsgemisches (beide bekannt aus dem Buch von Klein
Wassink), unter Hinzufügung von 40 g des genannten Lötpulvers.
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Damit Verschwendung von Lötmaterial vermieden wird, wurden die
Lötpastenablagerungen 9 auf den Anordnungen 5' unter Verwendung einer Schablone
und eines Wischers angebracht, wodurch die Ablagerungen auf die Nähe der
Anordnungen 5' beschränkt wurden. Die verwendete Schablone hatte eine Dicke von 50 um
und die Rechteckabmessungen jeder der Öffnungen überstiegen die
Außenabmessungen jeder der Anordnungen 5' um nur 2 um an allen vier Seiten. Andere etwaige
Mittel, vodurch die Pastenablagerungen 9 angebracht werden könnten, umfassen
beispielsweise Bürsten, verputzen oder vergießen. Es wäre ebenfalls möglich, die ganze
Priniplatte (oder große Teile davon) mit einer "Total"-Ablagerung aus Lötpaste zu
versehen, beispielsweise durch Eintauchen.
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Ein Teil des Gebietes "A" in den Fig. 1 und 2 ist detailliert in den Fig.
3-5 dargestellt, die eine schematische Darstellung zweier Anordnungen 5' metallischer
Kontaktstellen 5 geben.
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Fig. 3 zeigt zwei Anordnungen 5' metallischer Kontaktstellen, die durch
zwei Ablagerungen 9 aus Lötpaste bedeckt sind. Nach dem Anbringen der
Ablagerungen 9 wurde die Printplatte einer Wärmebehandlung durch IR-Bestrahlung in einem
Schmelzofen ausgesetzt. Die thermische Behandlungsprozedur bestand nacheinander
aus:
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(a) 100 Sekunden bei einer Temperatur von 130ºC
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(b) 15 Sekunden bei einer Temperatur von 210ºC
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(c) Abkühlen auf Raumtemperatur.
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Diese Verfahrensschritte verursachten kaum eine Entfärbung des Substrats 3.
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Fig. 4 zeigt das Ergebnis der thermischen Behandlung. Auf den
metallischen Oberflächen jeder Kontaktstelle 5 ist eine im Wesentlichen kontinuierliche und
einheitliche Schicht 11 aus metallischem Lötmaterial (hier durch eine feine
Schattierung dargestellt) aus der abgelagerten Lötpaste niedergeschlagen. Alles auf der bloßen
Oberfläche des Substrats außerhalb der Begrenzungen der Kontaktstellen 5
abgelagertes Lötpastenmaterial hat aber Tausende kleine metallische Lötperlen 13
zurückgelassen mit einem Durchmesser von je 25 um.
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Die Lötperlen 13 wurden in einem Waschvorgang mit einem
Lösungsmittel von der Oberfläche des Substrats 3 entfernt. Fig. 5 zeigt die Umgebung der
metallischen Kontaktstellen 5 nach einer derartigen Entfernung der Perlen 13, wobei jede
Kontaktstelle 5 die Bedeckung 11 aus metallischem Lot behalten hat.
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In Fig. 6 ist ein mehrbeiniges elektrisches Bauteil 15 derart angeordnet,
dass die Beine 17 einwandfrei auf den Gliederungen 5' metallischer Kontaktstellen 5
angeordnet sind. Durch eine Wärmebehandlung kann die Lötschicht 11 auf jeder
Kontaktstelle 5 zum Schmelzen gebracht werden. Bei nachfolgender Abkühlung wird
diese Schicht 1 lsich wieder verfestigen, wodurch jedes Bein 17 mit einer
entsprechenden metallischen Kontaktstelle verlötet wird. Dieses Aufschmelzlötverfahren ist
durchaus bekannt, und bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.
Ausführungsform 2
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Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Draufsicht einer doppelten Gliederung
metallischer Kontaktstellen auf der Oberfläche einer Printplatte. Der Mittenabstand
der Kontaktstellen beträgt 200 um und die Entfernung der Kontaktstellen
untereinander beträgt etwa 100 um (wobei die beiden Werte wesentlich kleiner sind als
diejenigen, die in der Ausführungsform 1). Die Gliederungen entsprechen den
Beinkonfigurationen einer Mikroprozessoranordnung, die in einem Auflötverfahren auf den
Kon
taktstellen angebracht ist. Die beiden Figuren sind genaue Skizzen von Photos, welche
die Erfinder gemacht haben.
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In Fig. 7 sind die metallischen Kontaktstellen unter Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens lotbedeckt worden. Das verwendete Substratmaterial,
das Kontaktstellenmaterial, die Lotpästenzusammensetzung, das Pastenauftragungs-
Verfahren, die Erhitzungsprozedur und die nachfolgende Waschmethode entsprechen
denen aus dem obenstehenden Ausführungsform 1.
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Das Photo zeigt, dass die Lotbedeckung auf jeder Kontaktstelle flach,
kontinuierlich und einheitlich ist. Es gibt weder Kurzschlüsse, noch unerwünschte
Lötblasen auf den Kontaktstellen.
Ausführungsform 3 (nicht nach der Erfindung)
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In Fig. 8 wurden die metallischen Kontaktstellen unter Anwendung des
Verfahrens und unter Verwendung der Lötpaste, bekannt aus dem obengennen
bekannten Dokument (Fukunega u. a.) lotbedeckt. Das Substratmaterial und das
Kontaktstellenmaterial entsprachen denen des Ausführungsbeispiels 2.
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Die Kontaktstellen wurden vor der Auftragung der Lötpaste reingeätzt
(60 Sekunden lang), wobei die Lötpaste 45 Gewichtsprozent Bleinaphthenat, 10
Gewichtsprozent Zinnpulver, 25 Gewichtsprozent Foral AX (ein Tannenholzharz), 7
Gewichtsprozent Wärmedehnungsmittel und 5 Gewichtsprozent Yarmor 302 (Öl)
enthielt. Der mittlere Durchmesser der Zinnteilchen betrug etwa 35 um. Die Paste wurde
unter Verwendung eines Siebdruckschirms angebracht, wobei die Dicke der
angebrachten Pastenschicht etwa 200 um betrug. Die nachfolgende Prozesstemperatur war
215ºC, die 200 Sekunden lang beibehalten wurde.
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Das Vorhandensein relativ großer Lötblasen auf vielen Kontaktstellen
ist deutlich sichtbar. Bei Mittenabständen kleiner als 200 um verursachen solche
Blasen einen Kurzschluss durch Körperkontakt miteinander, wodurch auf unerwünschte
Weise zwei Kontaktstellen miteinander verbunden werden. In dieser Hinsicht sind die
durch einen Pfeil in Fig. 8 angegebenen Blasen tatsächlich gefährlich nahe
beisammen.