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Die
Erfindung bezieht sich auf ein System und Verfahren zum Löten von
Elektronikkomponenten auf einem wärmeempfindlichen flexiblen
Substrat mit Kühlung
für einen
vektortransienten Aufschmelzprozess.
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Montageverfahren
für Elektronikkomponenten
auf steifen und flexiblen Leiterplatten sind im Fachgebiet allgemein
bekannt. Normalerweise wird auf die Leiteranschlussstellengebiete
auf steifen oder flexiblen Leiterplatten Lötpaste aufgebracht. Dann werden
die Komponenten derart platziert, dass sie mit ihren Anschlüssen die
Lötpaste
an den Anschlussstellengebieten kontaktieren. Danach wird das Substrat
relativ hohen Temperaturen zur Aktivierung der Lötpaste ausgesetzt, die schmilzt
und anschließend
erstarrt, um die Komponenten am Substrat zu befestigen und elektrisch
leitend anzuschließen.
Das flexible Substrat besteht typischerweise aus Polyimid, das bei
hohen Temperaturen eine hohe Stabilität aufweist.
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Außerdem bestehen
die Paletten, die das Substrat während
eines vektortransienten Aufschmelzprozesses aufnehmen und abstützen, typischerweise
aus unterschiedlichen Materialien, wie z. B. Polymere, zur Absorption
der Wärme
vom Substrat. Die Hersteller sind gefordert, die Maßnahmen
zur Ableitung der Wärme
vom Substrat zu verbessern, um Qualitätsverluste und Verwerfungen
am Substrat aufgrund der hohen Temperaturen zu verringern. In vielen
Situationen erleidet das Substrat aufgrund der hohen Temperaturen
zumindest einen gewissen Grad an Verwerfung oder Qualitätsverlust.
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Obwohl
die Lehren des Stands der Technik ihren vorgesehenen Zweck erfüllen, sind
wesentliche Verbesserungen erforderlich. Es ist zum Beispiel wünschenswert,
eine Verwerfung auf dem Substrat der Leiterplatte zu eliminieren
oder zu verringern. In vielen Situationen wird das typischerweise
aus Plastwerkstoff wie z. B. Polyethylenterephtalat (PET) bestehende
Substrat auf Temperaturen über
250 °C erwärmt. Ohne
angemessene Wärmeableitungsmaßnahmen
kann das Substrat aufgrund der hohen Temperaturen im Ofen eine Verwerfung
oder Krümmung erfahren.
Bekanntlich beeinflusst eine Substratverwerfung die mechanischen
Genauigkeiten der Leiterplatte, die mechanischen Eigenschaften des
Substrats und die Wärmeübertragungsfähigkeiten
der Leiterplatte.
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Deshalb
ist ein Aspekt der Erfindung die Bereitstellung eines Systems und
Verfahrens zum Löten von
Elektronikkomponenten auf einem wärmeempfindlichen flexiblen
Substrat mit Kühlung
für einen vektortransienten
Aufschmelzprozess.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung einer wärmeleitenden
Palette für
einen vektortransienten Aufschmelzprozess eines wärmeempfindlichen
flexiblen Substrats, um eine verbesserte Wärmeübertragung quer über das
Substrat zu ermöglichen.
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Ein
noch anderer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung einer Kühlquelle
zur Kühlung
einer zweiten Fläche
der Palette, um die vom Substrat stammende Wärme mithilfe von Kühlung zu
verteilen, aufgrund derer quer über
dem Substrat ein Temperaturgradient gebildet und zusätzliche
Wärmeenergie
zum Aufschmelzen des Lots bereitgestellt wird.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Aufbringen von Lötpaste auf
das Substrat und das Platzieren von Elektronikkomponenten auf dem Substrat
zwecks Bildung einer Substratbaugruppe. Das Verfahren umfasst außerdem das
Anordnen der Substratbaugruppe auf einer Palette, die mit Wärmeleitmaterial
als Mittel zur Ableitung der Wärme
vom Substrat ausgestattet ist. Das Wärmeleitmaterial hat eine erste
und eine zweite Fläche,
die einander gegenüberliegen.
Die erste Fläche
ist für
die Aufnahme des darauf platzierten Substrats ausgelegt, um die Wärme vom
Substrat während
des vektortransienten Aufschmelzprozesses zu verteilen. Das Verfahren umfasst
außerdem
das Vorheizen der Substratbaugruppe auf eine erste erhöhte Temperatur
unterhalb einer Erweichungstemperatur der aufgebrachten Lötpaste und
Aussetzen der aufgebrachten Lötpaste
einer weiteren schnellen, lokalisierten Erwärmung auf eine zum Schmelzen
der Lötpaste
ausreichenden Schmelztemperatur mithilfe einer Zusatzheizquelle. Das
Verfahren umfasst außerdem
das Kühlen
der Palette an der zweiten Fläche
zwecks Verteilung der vom Substrat stammenden Wärme, wobei quer über dem
Substrat ein Temperaturgradient gebildet wird, während die aufgebrachte Lötpaste einer
weiteren schnellen, lokalisierten Erwärmung ausgesetzt wird.
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung sind bei Beachtung der nachfolgenden
Beschreibung und beigefügten
Patentansprüche
und mit Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen deutlich erkennbar.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Darstellung eines Apparats zum Löten
von Elektronikkomponenten auf einem wärmeempfindlichen flexiblen
Substrat mit Kühlung
für einen
vektortransienten Aufschmelzprozess entsprechend einer Ausgestaltung
der Erfindung.
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2 ist eine Schnittdarstellung
einer Ausgestaltung einer wärmeleitenden
Palette zur Aufnahme des Substrats während des vektortransienten Aufschmelzprozesses.
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3 ist eine Draufsicht der
wärmeleitenden Palette,
die ein flexibles Substrat aufnimmt, an dessen beide freiliegende
Flächen
Elektronikkomponenten entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung montiert
sind.
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4 ist ein Flussdiagramm,
das ein Verfahren zum Löten
von Elektronikkomponenten auf einem wärmeempfindlichen flexiblen
Substrat mit Kühlung
für einen
vektortransienten Aufschmelzprozess zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßes System 10 zum Lotaufschmelzen
zwecks elektrisch leitenden Verbindens von Elektronikkomponenten
mit einem flexiblen oder halbflexiblen Substrat 12 ist
in 1 dargestellt. Das
Substrat kann aus jedem geeigneten Material, wie z. B. einer PET-
oder Polyethylennaphtalen-(PEN-)Schicht, bestehen. Außerdem umfasst das
System 10 eine Palette 14, die ein Mittel zur
Befestigung der Schaltungskomponenten auf dem flexiblen Substrat 12 ohne
Verschlechterung der Substratmaterialeigenschaften bereitstellt.
Das System 10 umfasst außerdem einen Aufschmelzofen 13,
ein Fördersystem 16,
eine Gasdüse 18 und
eine Palette 14. Der Aufschmelzofen 13 ist mit
einer Vielzahl von Heizern 22 zum Vorwärmen des Substrats 12 auf eine
Solltemperatur ausgestattet. Das Fördersystem 16 ist
auf herkömmliche
Weise zur gemeinsamen Aufnahme von Paletten 14 zwecks deren
Bewegung durch den Aufschmelzofen 13 hindurch konfiguriert.
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Ein
System und Verfahren zur Montage von Elektronikkomponenten auf flexiblen
Substraten wird im am 3. Oktober 2000 eingereichten US-Patent 60/237,650
und in der am 3. Oktober 2001 eingereichten internationalen Patentanmeldung PCT/US01/31122
beschrieben, die beide hier durch Bezugnahme integriert sind.
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In
dieser Ausgestaltung ist die Palette 14 eine wärmeleitende
Palette 14 zum Aufschmelzen der Lötpaste zwecks Verbindens von
Elektronikkomponenten 24 mit dem flexiblen Substrat 12 entsprechend
der Erfindung. Die Palette 14 besteht aus einem Wärmeleitmaterial,
z. B. Aluminium, als Mittel zur Ableitung der Wärme vom Substrat 12.
Das Wärmeleitmaterial
hat eine erste und eine zweite gegenüberliegende Fläche, wobei
die erste Fläche
zur Aufnahme des darauf angeordneten Substrats zwecks Verteilung
der Wärme
vom Substrat während
des vektortransienten Aufschmelzprozesses konfiguriert ist. Die
Palette 14 ist zur Abstützung
des Substrats 12 konfiguriert und kooperiert zum Transport
des Substrats 12 durch den Aufschmelzofen 13 mit
dem Fördersystem 16.
Die Heizer 22 des Aufschmelzofens 13 wärmen das
Substrat 12 vor, und die Heißgasdüse 18 stellt eine
Zusatzheizung bereit. Die Lötpaste 26 wird
auf die auf dem Substrat 12 angeordneten Leiteranschlussstellen 28 gedruckt,
auf die die Komponenten 24 platziert werden.
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Das
Fördersystem 16 umfasst
außerdem eine
Kühlquelle,
z. B. eine Kühlgasdüse 20,
die angrenzend an die zweite Fläche
der Palette 14 und gegenüber der Heißgasdüse 18 angeordnet ist.
Die Kühlquelle
bietet der Palette zwecks Verteilung der vom Substrat stammenden
Wärme Kühlung, durch die
ein Temperaturgradient quer über
dem Substrat gebildet wird, während
zusätzliche
Wärmeenergie zum
Aufschmelzen des Lots bereitgestellt wird. Es wurde festgestellt,
dass das Wärmeleitmaterial,
wie z. B. Aluminium, in der Lage ist, sich im Wesentlichen gleichmäßig abzukühlen oder
zu erwärmen.
Deshalb erfährt
größtenteils
die gesamte Palette eine Temperaturänderung, wenn Kühlgas über die
zweite Fläche der
Palette geleitet wird. Durch Einleiten von Kühlgas über die Kühlgasdüse 20 kühlt sich
das Wärmeleitmaterial
größtenteils
gleichmäßig ab,
wodurch die Übertragung
der Wärme
vom Substrat auf die Palette in einer wirksameren Weise gewährleistet
ist. Das lässt
einen größeren Temperaturgradienten
quer über
dem Substrat zu.
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Wie
in 3 dargestellt, umfasst
die Palette 14 ein Wärmeleitmaterial
zur Aufnahme eines Substrats einer Leiterplatte in einem einer Ausgestaltung der
Erfindung entsprechenden vektortransienten Aufschmelzprozess. Die
Palette 14 umfasst ein Wärmeleitmaterial, z. B. Aluminium,
als Mittel zur Ableitung der Wärme
vom Substrat 12. In dieser Ausgestaltung kann das Wärmeleitmaterial
Kupfer, Aluminium, Stahl oder jedes andere geeignete leitfähige Material umfassen.
Die Wärmeleitschicht 30 hat
eine erste und zweite gegenüberliegende
Fläche 31 bzw. 32. Wie
gezeigt, hat die erste Fläche 31 einen
Randbereich 33 und ist zur Aufnahme des darauf angeordneten
Substrats 12 während
des vektortransienten Aufschmelzprozesses des Substrats 12 konfiguriert.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass das die Wärmeleitschicht 30 umfassende
Material jedes andere geeignete Material umfassen kann, welches zerstreuende
oder leitende Merkmale aufweist, so dass zum Schutz des Substrats
vor Qualitätsverlust infolge
Wärmeeinwirkung
die Wärme
vom Substrat abgeleitet werden kann.
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In
den 2 und 3 ist die erfindungsgemäße Palette 14 im
Schnitt bzw. in einer Draufsicht dargestellt. Auf der Palette 14 werden
Haltestifte 44 bereitgestellt, um das Substrat 12 flach
oder eben auf der Palettenfläche 46 zu
halten. Die Stifte 44 können zwecks
Aufbringung einer Spannkraft auf das Substrat 12 durch
Federn 48 vorgespannt oder belastet sein. In einer Ausgestaltung
der Erfindung kann ein Bilderrahmen 50 zum Spannen des
Substrats 12 auf der Palettenfläche 46 verwendet werden.
Wie dargestellt, befestigt und sichert der Bilderrahmen 50 den Umfang
des Substrats 12, um die Kanten des Substrats 12 auf
der Fläche 46 der
Palette zu halten.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat 12 eine
Polyesterschicht mit einer Dicke von 0,003 bis 0,010 inch (entspricht
0,076 bis 0,254 mm). Wie im Fachgebiet allgemein bekannt ist, können (nicht
dargestellte) Kupferleiter und (nicht dargestellte) Lötstellen
auf beiden Flächen
des Substrats ausgebildet sein. Eine geeignete (nicht dargestellte)
Lötmaske
wird über
die Kupferleiter aufgebracht, so dass nur die Anschlussstellenbereiche
offen liegen, auf denen die Lötpaste
aufgedruckt worden ist. Diese Anschlussstellen weisen eine geeignete
Oberflächenbehandlung,
wie z. B. eine organische Oberflächenbehandlung,
auf, um die Anschlussstellenoberflächen vor Oxidbildung zu schützen. Andere
Oberflächenbehandlungsarten,
wie z. B. Tauchsilber oder ein galvanischer Zinnüberzug, können zur Verbesserung der Lötfähigkeit
der Komponenten 24 auf den Anschlussstellen verwendet werden.
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Es
können
Lötpasten
mit bleihaltigen Zusammensetzungen und Lötpasten mit bleifreien Zusammensetzungen
verwendet werden. Die bleihaltigen Lötpasten haben eine niedrigere
Schmelztemperatur von etwa 183 °C
bis 200 °C,
während
die bleifreien Zusammensetzungen Schmelztemperaturen von etwa 220 °C bis 245 °C haben.
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Im
Betrieb, wenn die Palette 14 mit dem darauf befestigten
Substrat 12 durch die Vorwärmzonen im Ofen transportiert
wird, wird die Lötpaste 26 aktiviert
und allmählich
auf eine Temperatur knapp unterhalb ihrer Schmelztemperatur erwärmt. Während dieses
Prozesses beginnt das Wärmeleitmaterial
der Palette Wärme
vom Ofen 13 und vom Substrat 12 zu absorbieren,
wodurch die Temperatur des Substrats sinkt. Die von der Gasdüse 18 erzeugte
Zusatzwärme
wird zur Bereitstellung einer fokussierten und konzentrierten Wärmequelle
verwendet. Die Heißgasdüse 18 liefert
für eine
kurze Dauer Wärme
an die freiliegende Substratfläche.
Vorzugsweise die Lötpaste 26,
die Leiteranschlussstellen 28 und die Kupferbereiche des
Substrats absorbieren Wärme
aufgrund ihres hohen Wärmediffusionsvermögens, während das
Substrat 12 durch die Palette 14 und diese ihrerseits
durch die Wärmeleitschicht
und die Wärmeisolationsschicht
auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden.
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Zur
selben Zeit liefert die Kühlgasdüse 20 Kühlgas als
Mittel zur Kühlung
an die zweite Fläche der
Palette. Aufgrund der Natur des Wärmeleitmaterials kühlt die
Palette im Wesentlichen gleichmäßig ab,
wodurch zusätzliche
Wärme quer über die
Palette geleitet wird. Das wiederum erhöht die Temperatur quer über dem
Substrat, wodurch mehr Wärme
durch das Substrat fließen
kann und Verziehen oder Qualitätsverlust
des Substrats vermieden wird. Auf diese Weise wird eine Erweichung
und Schädigung
des Substrats 112 während
des Aufschmelzprozesses verhindert oder verringert.
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Nachdem
die exponierten Regionen des Substrats unter der Gasdüse 18 vorbeibewegt
worden sind, fällt
die Temperatur der Elektronikkomponente 24 und des Substrats 12 schnell
ab, so dass sich das aktivierte Lot abkühlt und verfestigt. Damit wird
eine zuverlässige
elektrisch leitende Verbindung zwischen den Leitern oder Anschlussstellen 28 und den
Komponenten 24 gebildet.
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4 stellt ein Verfahren 110 zum
Löten von Elektronikkomponenten
eines wärmeempfindlichen flexiblen
Substrats mit Kühlung
für einen
vektortransienten Aufschmelzprozess dar. Wie gezeigt, umfasst das
Verfahren 110 das Aufbringen der Lötpaste in Schritt 112 und
das Platzieren der Elektronikkomponenten auf dem Substrat zwecks
Bildung einer Substratbaugruppe in Schritt 114. Das Verfahren
umfasst außerdem
in Schritt 116 das Anordnen der Substratbaugruppe auf einer
Palette, die mit einem Wärmeleitmaterial
als Mittel zur Ableitung der Wärme vom
Substrat ausgestattet ist. In dieser Ausgestaltung hat das Wärmeleitmaterial
eine erste und zweite Fläche,
die einander gegenüberliegen,
wobei das Wärmeleitmaterial
Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder jedes andere geeignete Wärmeleitmaterial umfasst.
Die erste Fläche
ist zur Aufnahme des darauf platzierten Substrats ausgelegt, um
die Wärme vom
Substrat während
des vektortransienten Aufschmelzprozesses zu verteilen.
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Wie
gezeigt, umfasst das Verfahren 110 außerdem das Vorwärmen der
Substratbaugruppe auf eine erste erhöhte Temperatur unterhalb einer
Erweichungstemperatur der aufgebrachten Lötpaste. In dieser Ausgestaltung
ist die erste erhöhte
Temperatur etwa 90 °C
bis 115 °C.
Das Verfahren umfasst außerdem
den Transport der Palette unter eine Zusatzheizquelle mithilfe einer
Fördereinrichtung.
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Das
Verfahren 110 umfasst außerdem den Schritt 120,
in dem die aufgebrachte Lötpaste
einer weiteren schnellen, lokalisierten Erwärmung auf eine zum Schmelzen
der Lötpaste
ausreichenden Schmelztemperatur mithilfe einer Zusatzheizquelle ausgesetzt
wird. In dieser Ausgestaltung ist die Zusatzheizquelle eine Heißgasdüse 18,
mit der heißes Gas
auf das Substrat geleitet wird. In dieser Ausgestaltung hat das
heiße
Gas eine Temperatur von etwa 200 °C
bis 450 °C.
Die Schmelztemperatur liegt zwischen etwa 180 °C und 260 °C, vorzugsweise bei etwa 220 °C.
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Gleichzeitig
umfasst das Verfahren 110 außerdem in Schritt 122 das
Kühlen
der Palette an der zweiten Fläche
zwecks Verteilung der vom Substrat stammenden Wärme, so dass ein Temperaturgradient
quer über
dem Substrat gebildet wird, während die
aufgebrachte Lötpaste
einer weiteren schnellen, lokalisierten Erwärmung ausgesetzt wird. In dieser Ausgestaltung
weist die Kühlgasdüse eine
Temperatur von etwa 65 °C
auf. Die Schmelztemperatur liegt zwischen etwa 180 °C und 260 °C, vorzugsweise
bei etwa 220 °C.
In dieser Ausgestaltung umfasst der Schritt des Kühlens der
Palette das Leiten von Kühlgas
auf die zweite Fläche
der Palette mithilfe einer Kühlgasdüse. Die
Kühlgasdüse hat einen
festgelegten Auslassdurchmesser und ist in einem festgelegten Abstand
zur zweiten Fläche
der Palette positioniert. In dieser Ausgestaltung ist das Verhältnis von festgelegtem
Abstand zu festgelegtem Auslassdurchmesser kleiner als 14. Der festgelegte
Abstand zur zweiten Fläche
der Palette kann zum Beispiel etwa 98 cm und der festgelegte Auslassdurchmesser der
Kühlgasdüse kann
etwa 7,0 cm betragen. Damit wird ein verbesserter Temperaturgradient
quer über dem
Substrat gebildet, der bis zu etwa 45 °C betragen kann. Das wird erreicht,
weil sich das Wärmeleitmaterial
im Wesentlichen gleichmäßig abkühlt, so dass
die erste Fläche
der Palette in der Lage ist, eine verbesserte Wärmeübertragung vom Substrat zu
gewährleisten.
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Die
voranstehende Beschreibung offenbart und beschreibt die Vorzugsausgestaltung
der Erfindung. Eine mit dem Fachgebiet vertraute Person wird aus
dieser Beschreibung, den zugehörigen
Zeichnungen und den Patentansprüchen
leicht erkennen, dass Änderungen
und Modifikationen an der Erfindung ausgeführt werden können, ohne
dass vom wahren Sinn und eindeutigen Geltungsbereich der durch die
nachfolgenden Patentansprüche
definierten Erfindung abgewichen wird. Die Erfindung ist zur Veranschaulichung
beschrieben worden, und es ist selbstverständlich, dass die verwendete
Terminologie der Beschreibung und nicht der Beschränkung dient.